不同機械深耕的改土及促進作物生長和增產(chǎn)效果

高中超，宋柏權(quán)，王翠玲，高文超，張麗麗，孫 磊，郝小雨，劉 峰

(1.黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料與資源環(huán)境研究所，哈爾濱 150086；2.黑龍江省寒地生態(tài)修復(fù)與資源利用重點實驗室/黑龍江省普通高等學(xué)校甜菜遺傳育種重點實驗室，哈爾濱 150080；3.黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院，哈爾濱 150086)

0 引 言

中國在過去的30年中，多采用翻、旋、耙、壓等傳統(tǒng)耕作習(xí)慣，機械化較落后，達不到深耕標(biāo)準(zhǔn)或者未能合理地利用旋耕或深翻的方式，致使土壤壓實、硬度增加、犁底層增厚并上移，導(dǎo)致耕層深度逐年變淺、庫容變??；蓄水保墑能力差、徑流現(xiàn)象突出[1-3]。生產(chǎn)中采取的掠奪式經(jīng)營，用養(yǎng)失調(diào)，導(dǎo)致土壤資源數(shù)量及質(zhì)量降低，耕層有效土壤變薄，土壤退化嚴(yán)重[4-8]。隨著開墾年限增加，土壤有效孔隙度降低，透性差，持水保肥能力下降[9]。耕地質(zhì)量下降已成為提高農(nóng)業(yè)綜合生產(chǎn)能力的基礎(chǔ)性障礙因素。耕作措施可改善土壤環(huán)境，促進作物根系健康生長，提高作物抗風(fēng)、抗旱、抗病能力[10-13]。針對土壤物理性質(zhì)不良的癥結(jié)，農(nóng)業(yè)科研人員不斷探索，研究出不同土壤類型的改土技術(shù)[14-16]，并與農(nóng)機相結(jié)合，取得了突破性進展。作物種植前，土壤耕作調(diào)節(jié)耕層的構(gòu)造，改善土壤物理性質(zhì)，調(diào)節(jié)水肥氣熱的傳導(dǎo)，為作物生長創(chuàng)造一個更好的環(huán)境，成為種植中的一個重要的環(huán)節(jié)[17]。但由于機械化未達到深耕標(biāo)準(zhǔn)或者未能合理地利用旋耕方式，導(dǎo)致耕層深度逐年下降。機械多次碾壓會導(dǎo)致土壤形成一個很厚并且很堅硬的犁底層。當(dāng)土壤耕層存在犁底層時，會嚴(yán)重影響到土壤的透水透氣性，從而使植物根系生長受限，最終影響到產(chǎn)量的形成[18]。如果耕作深度過大又會加大農(nóng)機具的作業(yè)成本，造成不必要的浪費。現(xiàn)階段如何通過機械手段為作物根系生長構(gòu)造優(yōu)良的耕層環(huán)境，進一步提升耕層土壤生產(chǎn)潛力，是一個很值得研究的方向。但是，生產(chǎn)上缺乏實用的機械改土手段，未構(gòu)建起完整的深松耕作的應(yīng)用技術(shù)體系。本文針對黑鈣土土壤耕性差，物理性質(zhì)不良而采用自主研制的深松犁[19]和心土耕作犁[20]進行深耕改土，研究機械深耕改土的擴庫增容效果及其對作物根系及作物生長的影響，明確應(yīng)用自主研發(fā)的機械進行深耕改土的增產(chǎn)效果，此項技術(shù)為今后機械大面積推廣應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

本研究于2014－2015年設(shè)在黑龍江省齊齊哈爾市依安縣農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心示范園區(qū)（124°30'E，47°04'N），試驗區(qū)年平均年降水量約500 mm，屬于中溫帶大陸性氣候，無霜期120 d，有效積溫為2 500℃，全年日照時數(shù)2 700 h，年平均太陽總輻射量為501.6kJ/cm2。

供試土壤：依安試驗區(qū)土壤為中厚層黑土，基本理化性狀性質(zhì)如表1，黑土層厚度(30～40 cm)。

表1 供試土壤基本理化性質(zhì)Table 1 Basic chemical properties of experimental soil

1.2 試驗設(shè)計

試驗采用自主研發(fā)的機械進行深耕改土，采取大區(qū)對比試驗，無重復(fù)，每處理面積為1 300 m2[寬13 m（20壟′0.65 m/壟）′長100 m]。共設(shè)3個處理：

處理1：滅茬旋耕（Stubble cleaning up the dragon，CK）。土壤上層0～15 cm進行翻地，深松鉤深松到土體25 cm。采用圖1a機械秋整地。

處理2：深松（ES-210Deep loosening，E-DL）。利用自主研發(fā)的深松犁[19]（圖1b）整地，深松到40 cm。

工作原理：ES-210型深松犁結(jié)構(gòu)圖如圖1b所示，第1排的具有一定轉(zhuǎn)角和延長犁壁的深松犁鏟，耕作深度40 cm，作業(yè)時該部件可將20～30 cm的亞表層土上移至10～20 cm土層內(nèi)，而在下方形成空洞，同時有部分上層的黑土落入空洞中，形成培肥槽。這些培肥槽引導(dǎo)作物根系下扎，儲存水分、從而提高土壤蓄水供肥能力。該機械松土效果明顯優(yōu)于傳統(tǒng)深松犁，特別是在培肥瘠薄亞表層的效果尤為突出[16]。

處理 3：亞表層耕作（Subsoil tillage plough，STP）。采用自主研發(fā)的心土耕作犁[20]改土（圖1c），上翻20～25 cm，下松20 cm。

工作原理：心土耕作犁主要由翻犁架、犁鏵、深松犁頭構(gòu)成。翻轉(zhuǎn)犁鏵耕作深度約20 cm，寬大深松犁頭耕作時打破犁底層，深松到35～40 cm。

圖1 整地機械Fig.1 Soil preparation machine

選擇前茬為谷子茬，第1年種植甜菜、第2年種植大豆。試驗于2013年秋進行，土壤耕作處理后，統(tǒng)一耙地2次后起壟，壟距為65 cm，待下一年播種。

供試品種：甜菜品種為荷蘭產(chǎn)巴士森品種，密度為7.5萬株/hm2；大豆品種為合豐42，密度為50萬株/hm2。

供試肥料：甜菜施肥純養(yǎng)分量310 kg/hm2，其中純氮（N）量為90 kg/hm2，純磷（P2O5）量為120 kg/hm2，純鉀（K2O）量為100 kg/hm2。大豆施肥純養(yǎng)分量180 kg/hm2，其中純氮（N）量為50 kg/hm2，純磷（P2O5）量為70 kg/hm2，純鉀（K2O）量為60 kg/hm2。(氮肥為N46%-中國石油昆侖牌尿素，磷肥為P2O544%、N18%-重慶騰升牌二銨，鉀肥為K2O 50%-遼寧地寶牌硫酸鉀）

施肥方式：甜菜采取起壟夾肥，磷鉀肥一次性施入，其中1/3的氮作基肥，2/3的氮作追肥，在甜菜定苗后追施；大豆采取翻種時，全部養(yǎng)分作基肥一次性施入。

田間管理：試驗區(qū)人工除草3次、培土2次，無灌溉，其他同正常大田管理。

1.3 測定項目及方法

1.3.1 土壤理化指標(biāo)調(diào)查

土壤化學(xué)指標(biāo)：試驗的第1年及第2年秋季收獲后，采用S型5點取樣法，應(yīng)用專業(yè)取土鉆分層（0～20，20～40 cm）取土，混合后保鮮，帶回實驗室測定土壤化學(xué)性質(zhì)[21]。

土壤物理指標(biāo)：每個處理的縱向25 m、50 m、75 m處，橫向中間處各挖1個80 cm×80 cm×80 cm土壤剖面，用100 cm3環(huán)刀按層（表層0～10，10～20 cm和亞表層20～30，30～40 cm）取原狀土樣，3次重復(fù)，取土后，環(huán)刀用防水膠帶密封，待測。土壤三相比測定采用日本生產(chǎn)的DIK-1150土壤三相儀、土壤水分物征曲線采用日本生產(chǎn)的DIK-3343型土壤PF測定儀測定。土壤硬度變化曲線采用DIK-5521硬度計測定。

1.3.2 作物生育指標(biāo)調(diào)查

分別在甜菜葉叢快速生長期、大豆開花期取植株樣，每區(qū)隨機選取3個有代表性的點，每點選連續(xù)10株，測定株高、干物質(zhì)等生育指標(biāo)。株高：用卷尺測量子葉痕至植株頂端的高度；根粗：采用游標(biāo)卡尺測定甜菜根部最粗的位置；干物質(zhì)質(zhì)量：將植株放入105℃烘箱殺青30 min，在75℃下烘干至恒質(zhì)量時稱質(zhì)量；含糖率：ADS220型自動數(shù)字糖量計；葉綠素測定采用SPAD-502型葉綠素儀測量植株完全展開葉即倒三葉。根系指標(biāo)的測定：取出地下根，用流水緩慢沖洗，沖洗時在根系下面放置孔徑為0.15 mm篩防止根瘤、根毛損失，洗凈后摘取根瘤計數(shù)，完整的根系利用掃描儀Win Rhizo Program（Re.gent Instruments Inc.Canada）對根進行掃描測量，測定總根長、根表面積。

1.3.3 作物產(chǎn)量調(diào)查

在作物成熟期，每區(qū)選3點，進行產(chǎn)量測定。測產(chǎn)面積：大豆為6.5 m2，甜菜為13 m2。同時每區(qū)選代表性點，連續(xù)拔10株，進行室內(nèi)考種，分別測定甜菜根長、塊根粗、甜菜含糖率，大豆的百粒質(zhì)量及產(chǎn)量指標(biāo)，并計算產(chǎn)量。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2007制圖和DPS（v3.01專業(yè)版）數(shù)據(jù)軟件進行數(shù)據(jù)分析和制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同耕作措施改土對土壤物理性質(zhì)的影響

2.1.1 對土壤硬度的影響

不同耕作措施對土壤硬度影響如圖2所示，采用三種機械整地的處理，經(jīng)過第1個生產(chǎn)季，耕作層0～20 cm土壤硬度之間差異不大，硬度≤0.8 MPa，但在亞表層20～35 cm變化較大，耕作措施降低土壤硬度效果明顯，其中硬度大小順序為：CK>深松>亞表層耕作；經(jīng)第2個生產(chǎn)季后，亞表層耕作處理區(qū)，耕層0～35 cm土壤硬度小于深松、對照處理，但與第一年相比，各處理硬度卻有所增加，增加的幅度亞表層耕作處理≤深松≤CK。被農(nóng)民廣泛的采用滅茬旋耕（CK）的處理，旋耕深度不夠深，犁底層未被打破，土壤最大硬度≥2.0 MPa，存在作物根系生長的障礙層，不利于作物根系下扎及其對深層養(yǎng)分的需求，進而會影響到作物產(chǎn)量。

2.1.2 對土壤三相的影響

機械改土對土壤的三相比影響如表2。從表2得出：深松與亞表層耕作處理與對照相比，對表層0～20 cm土壤三相比的影響較明顯，土壤固相率分別比對照降低1.6%～3.3%、2.8%～4.5%；液相率比對照增加0～3.5%、1.1%～3.8%；汽相率比對照增加0～12.1%、3.6%～14.6%。對亞表層（20～40 cm）的影響：深松、亞表層耕作的處理與對照相比，固相率降低2.0%～2.2%、2.5%～3.6%；液相率增加0.4%～2.9%、0.7%～4.7%；汽相率增加4.1%～9.3%、7.5%～11%。2a的試驗結(jié)果表明：無論表層0～20 cm、還是亞表層20～40 cm，機械深耕改土處理與對照相比，固相率降低，第1a的效果更為明顯，差異達顯著水平；改土后液相率、汽相較對照都有所增加，但各處理年際間變化不明顯，差異不顯著。液相、汽相的變化主要取決于土壤的墑情，與當(dāng)年的降雨量息息相關(guān)，而固相率的變化主要是機械深松動土改變土壤物性理質(zhì)，間接影響到三相比中液相、汽相所占的比例。

圖2 不同耕作措施對土壤硬度影響Fig.2 Effects of different tillage treatment on soil hardness

表2 不同耕作措施對耕層土壤三相比的影響Table 2 Effect of different tillage treatments on soil triphase ratio

2.2 不同耕作措施對土壤水的影響

土壤水是指用外力給土壤施加同樣數(shù)量的壓力，達到平衡時的持水量。施加不同的壓力可以得出土壤水分吸力與含水量對應(yīng)關(guān)系的土壤水分特征曲線。圖3為機械改土對耕層土壤水的影響，根據(jù)土壤水對作物生長有效程度，0～0.006 MPa為多余水，0.006～0.6 MPa為速效性有效水；0.6～1.5 MPa為遲效性有效水，大于1.5 MPa為無效水[18]。圖中曲線反映持水能力的強弱，即曲線越高，持水能力越弱；反之，持水能力越強。對于同一種土壤，持水能力大小主要取決于機械擾動后，對土壤物理結(jié)構(gòu)的影響，結(jié)構(gòu)改變而影響毛管孔隙數(shù)量，即影響到土壤的含水量[11]。圖3a中為表層0～20 cm土壤，土壤水吸力與含水量的關(guān)系可看出：土壤水吸力為0.006 MPa時，CK的含水量為20.7%、深松的含水量為21.5%、亞表層耕作的含水量為21.1%，持水能力表現(xiàn)為深松>亞表層耕作>CK；當(dāng)土壤水吸為為1.5 MPa時，束縛水能力CK>深松>亞表層耕作；圖3b中，亞表層土壤各處理間持水能力與表層土壤趨勢相一致，但束縛水的能力大小卻為CK>亞表層耕作>深松，深松、亞表層耕作的處理與對照相比：束縛水（無效水）含量分別下降0.4%～1.1%、0.5%～0.9%。土壤水吸力為0.006～1.5 MPa時，土壤持水含量的變化值，反映土壤水的有效性，其值越大，土壤儲水能力越強。深松處理為11.4%～11.8%，亞表層耕作處理為11.1%～11.6%，而對照為10.2%～10.6%。深松、亞表層耕作的處理與對照相比：耕層土壤有效水含量分別上升1.1%～1.2%、0.9%。

圖3 不同機械改土對土壤水分特征曲線的影響Fig.3 Effects of tillage measures on soil water characteristics curve

2.3 不同機械深耕改土對作物生育的影響

2.3.1 對甜菜植株生長及糖分影響

采用不同機械耕作改土后對作物生育指標(biāo)影響如表3，深松、亞表層耕作的處理：SPAD值分別比對照增加5.1%、10.2%；根長比對照增長5.1%、2.9%；根粗比對照增粗6.3%、9.5%；地上干物質(zhì)質(zhì)量比對照增加4.1%、3.1%；地下干物質(zhì)質(zhì)量比對照增加2.3%、4.8%；含糖率比對照增加2.3%、3.4%。得當(dāng)?shù)母鞔胧┐偈固鸩酥械腟PAD值增加，繼而光合作用隨之增強，促進干物質(zhì)的積累。自主研發(fā)的土壤耕作犁改造土體耕層環(huán)境并為作物根系生長創(chuàng)造良好的育床，利于甜菜塊根的膨大生長。亞表層耕作處理與深松相比，更利于SPAD值的增加、塊根的膨大和地下干物質(zhì)的積累。

表3 不同耕作措施下的甜菜生理指標(biāo)（2014-07-26）Table 3 Physiological index of beet under different tillage measures

2.3.2 對大豆生長的影響

在大豆始花期測定了大豆生育指標(biāo)（表4），結(jié)果表明：深松及亞表層耕作處理與對照相比，株高分別增高3.1%、2.9%；SPAD值增加2.2%、3.1%；根長增長11.5%、13.2%；根表面積均增加12.5%；根瘤干物質(zhì)質(zhì)量增加15.4%、19.2%；地上干物質(zhì)質(zhì)量增加7.8%、10.4%；地下干物質(zhì)質(zhì)量增加10.0%、13.6%。大豆各項生育指標(biāo)均高于對照，特別是地下部指標(biāo)和干物質(zhì)質(zhì)量更為明顯，進一步說明利用深松犁、亞表層耕作犁進行深耕，利于大豆生殖生長期旺盛生長及干物質(zhì)積累量，其中亞表層耕處理比深松處理增加2.4%～3.3%。

2.3.3 對作物產(chǎn)量性狀的影響

不同機械改土對甜菜、大豆產(chǎn)量及相關(guān)指標(biāo)影響如表5，結(jié)果表明：在甜菜上應(yīng)用深松犁、心土耕犁改土的處理分別比對照根長增長5.3%、6.5%；莖粗增粗4.9%、9.9%；含糖率提高2.5%、1.9%；產(chǎn)量增產(chǎn)8.5%、12.6%；產(chǎn)糖量增加11.2%、16.9%。在大豆上應(yīng)用效果表現(xiàn)為，大豆的百粒重比對照增加3.6%、5.4%，產(chǎn)量增加5.0%、6.1%。說明使用自主研制的耕作改土機械進行深耕改土，增產(chǎn)效果明顯。機械改土后增產(chǎn)效果順序為：亞表層耕作犁處理>深松犁處理>對照。

表4 不同機械改土對大豆生育性狀的影響Table 4 Physiological index of soybean under different tillage measures(2015-08-10)

表5 不同機械改土對作物產(chǎn)量性狀的影響Table 5 Effects of tillage measures on crop yields

2.4 不同耕作措施的增效情怳

評價一種耕作措施優(yōu)劣的一個重要指標(biāo)是其能否帶來直接的經(jīng)濟效益。深松及亞表層耕作的處理較對照區(qū)耕作深，耗能大，改土效果好。從表6數(shù)據(jù)證明，與對照相比深松E-DL、亞表層耕作投入成本分別增加250、300元/hm2，但兩種耕作措施帶來的效益卻很可觀。第1年種植的甜菜扣除機械整地增加成本與對照相比，深松處理、亞表層耕作處理增加的效益分別為1 504.2、2 294.2元/hm2；第2a種植的大豆與對照相比，增加效益分別為502.3、614.5元/hm2。2a試驗結(jié)果進一步證明，應(yīng)用深松犁、亞表層耕作犁一次性改土，后效至少兩年。

表6 不同機械改土增收情況Table 6 Profit of different machines on soil improvement

3 討論

中國自從19世紀(jì)末，經(jīng)過百余年的不斷探索，研究出適應(yīng)不同土壤的耕作技術(shù)[22-25]，并相繼研制出與之配套的機械，提升了耕作效率。耕作技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中對糧食產(chǎn)量的提高起到重大推起作用[26-28]。隨著機械化飛速的發(fā)展，中國現(xiàn)有的（翻地、撈地、耙地、旋地、深松、淺翻深松等）整地技術(shù)不能滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的需求?？蒲腥藛T經(jīng)過多年的實踐，在以往的深松、淺翻深松機械的基礎(chǔ)上，改制并研發(fā)了ES-210型深松犁、心土（亞表層）耕作犁，試驗結(jié)果表明，采用此機械改土深松、亞表層耕作與常規(guī)的旋耕滅茬的技術(shù)比，改善了土壤理化性質(zhì)、促進地下部生長，進而提高甜菜、大豆的產(chǎn)量，增效明顯。該試驗所應(yīng)用的機械是自主研發(fā)的專利產(chǎn)品[19-20]，與市場上銷售的深松犁或淺翻深松犁略有不同，深松犁主要部件是深松鉤，間隔深松或淺翻深松，打破犁底層，增加蓄水保墑能力；作業(yè)后土壤表面動土量較少，耕層土壤不紊亂，有效抑制了水土流失和土壤侵蝕，達到少耕、高產(chǎn)、保護性耕作的目的[29-32]。本試驗所采用的機械其特點：ES-210型深松犁，由彎曲的矩形鏟和犁鏟底托構(gòu)成，該矩形鏟的上部向同一側(cè)扭轉(zhuǎn)10°～20°，有利于犁鏟入土，保證深耕深度的同時把一部分的較貧瘠的亞表層土壤拉到表層，同時將肥沃的表層土壤補回到亞表層內(nèi)，達到打破犁底層又培肥亞表層的效果[33]。心土耕作犁類似于淺翻深松犁，但碎土效果好于淺翻深松犁，因為其配帶的深松犁頭較正常深松犁鏟寬2～3倍，行走時寬大犁頭撞擊，碎土效果更佳。耕作措施對土壤硬度的影響，主要因為深松犁、心土耕作犁較對照深松土壤的深度深，而亞表層耕又在表層進行翻土，較深松動土范圍廣，土壤硬度降幅面大；對土壤水的影響，機械擾動改變了土壤毛管孔隙，使其重新再分布，但深松效果好于亞表層耕作，是因為深松時，使部分亞表層土與表土互換，使亞表層土壤有機質(zhì)增加，改變土壤質(zhì)地，粘粒相對亞表層耕作和對照卻有所增少，束縛水的能力減弱，有效水相對增加。不同機械應(yīng)用各有利弊，常采用的滅茬旋耕起壟機，動土深度約17 cm，應(yīng)用小馬力拖拉機即可完成，簡單易行，省時省力；而ES-210深松犁及心土耕作犁，動土深度≥40 cm，需要牽引力73.5 kW以上的拖拉機，整地后需要耙平在起壟，增加操作成本，但整地質(zhì)量高，后效2～3a，增產(chǎn)效果明顯。今后深松機械研發(fā)應(yīng)與培肥、秸稈深埋技術(shù)相結(jié)合，減少機械進地次數(shù)，降低生產(chǎn)成本，為今后土壤改良、高產(chǎn)共建提供技術(shù)支撐。另外，試驗區(qū)土層厚度、土壤肥力比較均勻一致，但是從土壤數(shù)據(jù)看出，表層土壤變化不規(guī)律，主要是由于機械田間作業(yè)和采樣誤差導(dǎo)致，而亞表層土壤各處理間物理指標(biāo)變化較為規(guī)律，是因為深層土壤受機械擾動少，各處理間差異主要是來源于機械作業(yè)深耕改土的處理。

4 結(jié)論

改土機械研制與改土技術(shù)有機結(jié)合在一起，進一步促進科技成果轉(zhuǎn)化現(xiàn)實生產(chǎn)力。該試驗采用ES-210型深松犁、前置式心土（亞表層）耕作犁為耕作手段，整地后改善土壤物理屬性，降低土壤硬度，改變了土壤三相比，利于土壤水肥氣熱的傳導(dǎo)能力，起到擴庫增容的效果，改善作物的生長環(huán)境，促進作物根系的生長及產(chǎn)量的提高。

1）深松、亞表層耕作的處理與對照（滅茬旋耕）相比，有效的調(diào)節(jié)土壤三相比及其持水能力，降低土壤束縛水的含量，變向的增加土壤庫容，為作物根系生長構(gòu)造良好的物理環(huán)境。改土效果深松、亞表層耕的處理均強于對照，且深松的處理與亞表層耕處理相比，差異不顯著。

2）深松犁、心土耕作犁深耕改土，改善土壤耕層結(jié)構(gòu)，促進甜菜、大豆的根系生長和葉綠素含量增加，利于作物干物質(zhì)積累。深松、亞表層耕作的處理與對照相比：葉綠素含量增加2.2%～5.1%、3.1%～10.2%；根長增長5.1%～11.5%、2.9%～13.2%；地上干物質(zhì)質(zhì)量增加4.1～7.8%、3.1%～10.4%；地下干物質(zhì)質(zhì)量增加2.3%～10.0%、4.8%～13.6%；大豆的根瘤數(shù)的增加15.4%、19.2%，甜菜塊根的含糖量增加2.3%、3.4%；其中亞表層耕犁改土的處理更有利于葉綠素含量增加、塊根的膨大和地下干物質(zhì)的積累。

3）增產(chǎn)增效：深松、亞表層耕作處理與對照相比，成熟期的甜菜根長分別增長5.3%、6.5%、根粗增粗4.9%、9.9%，產(chǎn)量提高8.5%、12.6%，產(chǎn)糖量提高11.2%、16.9%；大豆增產(chǎn)5.0%、6.1%。兩年來應(yīng)用自主研發(fā)的ES-210型深松犁及心土耕犁改土的處理比對照平均增收1000.3、1 454.4 元/hm2。

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