不同土壤耕作方式對東北風(fēng)沙土區(qū)玉米田土壤質(zhì)量及產(chǎn)量的影響

喬云發(fā)， 苗淑杰， 陸欣春， 姚 婷， 王鐵成

(1.南京信息工程大學(xué)， 江蘇 南京 210044; 2.中國科學(xué)院 東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所，黑龍江 哈爾濱 150081; 3.黑龍江省杜蒙縣農(nóng)業(yè)局， 黑龍江 大慶 162200)

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)于2016年5—10月在黑龍江省大慶市杜爾伯特蒙古族自治縣農(nóng)業(yè)科技園進(jìn)行(46°47′N，124°26′E)，該園區(qū)處于中國東北風(fēng)沙土區(qū)的中心位置，平均海拔高度138 m。該區(qū)屬溫帶大陸性半干旱季風(fēng)氣候，冬季寒冷干燥，夏季高溫多雨，四季分明，雨熱同季，年平均氣溫3.1 ℃,≥10 ℃活動積溫2 600～2 800 ℃，無霜期145～150 d，年均降雨量400 mm，且分布不均，降雨主要集中在7—9月，冬春季風(fēng)大，氣候干燥，蒸發(fā)力大，干旱和水土流失現(xiàn)象較為嚴(yán)重。土壤類型為沙壤土,基礎(chǔ)肥力情況為：土壤有機(jī)質(zhì)含量為15.1 g/kg，全氮含量為0.99 g/kg，全磷含量為1.15 g/kg，全鉀含量為24.3 g/kg，堿解氮52.6 mg/kg，速效磷含量為16.7 mg/kg，速效鉀含量為123.1 g/kg，pH值為7.84。犁底層剖面位置19—31 cm，緊實(shí)度4.52 Mpa/cm2，容重1.54 g/cm3，孔隙度25.1%，三相結(jié)構(gòu)距離(STPSD)21.61，土壤結(jié)構(gòu)指數(shù)(GSSI)71.26。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)共設(shè)5個(gè)處理(表1)，每個(gè)處理3次重復(fù)，每個(gè)小區(qū)面積126 m2，隨機(jī)排列。5月14日播種，施玉米專用肥450 kg/hm2作基肥，在拔節(jié)期追施尿素1次，施肥量150 kg/hm2，采用人工鋤草2次，小四輪拖拉機(jī)松土3次。6月28日澆灌1次，灌水量25 mm，種植密度為5.5萬株/hm2。玉米品種為吉農(nóng)302，秋季10月份采集測定耕層和犁底層土壤。

表1 不同耕作措施及種植方式

1.3 測定方法

土壤容重：采用環(huán)刀方法。

土壤硬度：采用TYD-2土壤硬度計(jì)測定土壤硬度，每小區(qū)S型測定5點(diǎn)。

土壤含水量：選擇小區(qū)中部，距壟脊5—7 cm距離處采集土樣，采用烘干法測定。

飽和含水量：采用室內(nèi)測定方法(環(huán)刀法)。

田間持水量：采用室內(nèi)測定方法(環(huán)刀法)。

滲透速率：采用室內(nèi)測定方法(環(huán)刀法)。

本文以某架車在實(shí)際使用中出現(xiàn)的轉(zhuǎn)向操作費(fèi)力為出發(fā)點(diǎn)，通過Adams動力學(xué)仿真，對比分析梯形機(jī)構(gòu)與回轉(zhuǎn)支承兩種轉(zhuǎn)向方式在直行及轉(zhuǎn)向時(shí)的理論操作力大小，得出與回轉(zhuǎn)支承相比，梯形機(jī)構(gòu)自身結(jié)構(gòu)不具備改善轉(zhuǎn)向操作力的條件，最后通過試驗(yàn)驗(yàn)證了理論分析的正確性。

收獲測產(chǎn)：每個(gè)小區(qū)隨機(jī)取3點(diǎn)，每點(diǎn)3 m2進(jìn)行玉米產(chǎn)量的測定，每個(gè)樣點(diǎn)各取100 g用烘干測定玉米含水量，最后計(jì)算出玉米烘干產(chǎn)量。

土壤三相比：玉米成熟期采用5點(diǎn)取樣，用環(huán)刀分別取耕層和犁底層土，用烘干方法測定土壤三相比，計(jì)算土壤三相結(jié)構(gòu)距離(STPSD)和土壤結(jié)構(gòu)指數(shù)(GSSI)[5]：

STPSD= 〔(Xg-50)2+(Xg-50)

(Xg-25)+(Xy-25)2〕0.5

(1)

GSSI =〔(Xg-25)XyXq〕0.476 9

(2)

式中：STPSD——土壤三相結(jié)構(gòu)距離； GSSI——廣義土壤結(jié)構(gòu)指數(shù);Xg——固相體積百分比(%)；Xy——液相體積百分比(%)；Xq——?dú)庀囿w積百分比(%)。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同土壤耕作方式對風(fēng)沙土保水性能的影響

土壤剖面層次土壤含水量差異較大，犁底層土壤含水量比耕層土壤平均高6.6%。與農(nóng)民常規(guī)耕作相比，翻耕和超深翻耕層土壤含水量分別增加10.5%和14.4%，犁底層土壤含稅量分別增加10%和20.7%，可知相比農(nóng)民常規(guī)耕作和翻耕，超深翻更有利于土壤保水，而旋耕和深翻對耕層和犁底層土壤含水量影響差異不顯著。耕作層較淺的農(nóng)民常規(guī)耕作和旋耕的處理，土壤相對板結(jié)，結(jié)構(gòu)性差，不利于水分的運(yùn)移[6]。

黏粒和有機(jī)質(zhì)含量高的土壤持水性能較好，田間持水量較大，同時(shí)田間持水量與土壤結(jié)構(gòu)具有一定相關(guān)性[6-7]。土壤翻耕對土壤田間持水量影響如圖1所示。耕層田間持水量高于犁底層6.4%～21.3%，這主要是由于犁底層土壤比較緊實(shí)毛管不發(fā)達(dá)[5]。不同土壤耕作措施耕層土壤田間持水量表現(xiàn)為:翻耕>超深翻>深翻>旋耕>常規(guī)耕作；而犁底層為：深翻>翻耕、超深翻>旋耕。

飽和持水量是土壤全部孔隙充滿水時(shí)所保持的水量。不同耕作方式下耕層土壤飽和持水量為36.3%～42.5%。與常規(guī)耕作相比，旋耕耕層飽和持水量高了17%，但對犁底層飽和持水量沒有影響。翻耕、深翻和超深翻犁底層土壤飽和持水量平均達(dá)34.3%，比常規(guī)耕作和旋耕處理增加近1倍。

土壤的滲透性能主要受土壤物理性狀、土壤機(jī)械組成、土壤含水量等多種因素的影響，滲透速率能較好表征土壤的滲透性能[8]。不同土壤耕作措施顯著影響土壤的滲透速率，特別影響犁底層的滲透速率(圖1)。翻耕降低耕層土壤滲透速率，而顯著增加犁底層滲透速率，增加13.5%～18.6%，不同土壤耕作方式表現(xiàn)為:深翻>超深翻>翻耕>旋耕>常規(guī)。翻耕主要是打破犁底層，改變犁底層結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致沙土區(qū)漏水漏肥，因此在風(fēng)沙土區(qū)耕地作業(yè)深度不宜超過20 cm。

注：不同小寫字母表示在耕層不同耕作方式下處理間差異顯著，不同大寫字母表示在犁底層不同耕作處理間差異顯著。下同。

2.2 耕作方式對風(fēng)沙土容重和緊實(shí)度的影響

土壤容重是土壤的一個(gè)基本物理性質(zhì)，能夠綜合反映土壤松緊度。土壤容重越大，表明土壤緊實(shí)、板結(jié)，土壤退化趨勢愈強(qiáng)；容重小，則說明土壤疏松多孔，結(jié)構(gòu)型良好[9]。由圖2可知，不同土壤耕作方式對耕層容重的影響小于對犁底層的影響。與常規(guī)耕作相比，翻耕、深翻和超深翻增加耕層土壤容重3.2%～7.4%，同時(shí)降低犁底層容重4.7%～13.4%，而旋耕對耕層和犁底層容重影響不顯著。

土壤緊實(shí)度是土壤管理的重要指標(biāo)，它與有機(jī)殘茬還田、化肥利用、土壤養(yǎng)分循環(huán)、土壤微生物、作物生長及產(chǎn)量、土壤耕作方式等關(guān)系密切[9]。過于緊實(shí)的土壤可阻止水分的入滲，引起地表徑流，降低水分和養(yǎng)分的利用效率率，進(jìn)而降低作物產(chǎn)量[9]。圖2表明不同土壤耕作方式對土壤緊實(shí)度有較大影響。和常規(guī)耕作相比，翻耕、深翻和超深翻耕層土壤緊實(shí)度增加1.1～1.6倍，犁底層則降低8.7%～43.6%；旋耕對犁底層土壤緊實(shí)度無顯著影響，但是降低耕層土壤緊實(shí)度。因此，可以通過采用合理土壤翻耕措施，降低耕層和犁底層土壤緊實(shí)度，創(chuàng)建合理土壤剖面結(jié)構(gòu)。

圖2 不同耕作方式對土壤容重和緊實(shí)度的影響

2.3 耕作方式對風(fēng)沙土三相比的影響

理想的土壤三相比是固相50%，液相和氣相各25%，GSSI 代表廣義土壤結(jié)構(gòu)指數(shù)，土壤結(jié)構(gòu)越接近理想狀態(tài)，GSSI 越接近100[5]。STPSD代表土壤三相結(jié)構(gòu)距離，土壤三相結(jié)構(gòu)越接近理想狀態(tài)，STPSD值越接近0[5]。

由表2可見，不同土壤耕作方式下土壤三相比均表現(xiàn)為犁底層氣相比低于耕作層(平均低21.3%～60.0%)，液相比和固相比高于耕作層。與常規(guī)耕作相比，其它耕作方式均有較大的GSSI 值和較小的STPSD值，說明非常規(guī)耕作對土壤物理結(jié)構(gòu)的改善有積極的作用。在耕層各深耕處理的STPSD值均小于常規(guī)處理，降低18%。旋耕、翻耕、深翻和超深翻處理土壤結(jié)構(gòu)較為合理，但各處理間沒有顯著差異。在犁底層，超深翻土壤物理結(jié)構(gòu)最為合理，GSSI 值較常規(guī)耕作處理提高了29.5%，STPSD 值較降低了40.2%，而翻耕、深翻和超深翻處理間處理無顯著差異。

表2 不同耕作方式對土壤三相比的影響

2.4 耕作方式對玉米產(chǎn)量的影響

由圖3可知，耕作方式對玉米產(chǎn)量影響較大，與常規(guī)耕作處理相比，翻耕和超深翻增加玉米產(chǎn)量，分別增加17.6%和6.0%，翻耕比超深翻產(chǎn)量高10.9%。這主要可能是由于翻耕增加了耕層有效土壤，超深翻處理雖然打破犁底層，但是由于深層土壤黏粒含量高，超深翻把剖面深層土壤混拌，增加耕層土和犁底層土壤黏粒含量，增加土壤保肥保水能力。通常來說由于東北地區(qū)四季分明，長期耕作土壤剖面分層明顯，上層土壤熟化較好，下層土壤熟化較差，深翻和超深翻會將下層深層土壤上移，影響當(dāng)年玉米產(chǎn)量。一方面土壤越黏重上層土壤與下層土壤熟化程度越大，由于風(fēng)沙土黏粒含量少，上下層土壤能量和物質(zhì)交換比較頻繁，熟化差異對玉米生長影響較小。另一方面夏季風(fēng)沙土增溫快，晝夜溫差大，土壤通透性強(qiáng)，加速翻耕到表層的深層土壤的熟化，所以由于上層土熟化程度對當(dāng)季玉米產(chǎn)量的影響遠(yuǎn)小于耕作對玉米產(chǎn)量的影響。次外，從經(jīng)濟(jì)效益角度來看與常規(guī)耕作相比，翻耕作業(yè)增加生產(chǎn)投入成本750元/hm2，增收玉米當(dāng)前市場價(jià)值1 598元，凈收入增收848元/hm2。深翻處理玉米產(chǎn)量為5.58 t/hm2，比常規(guī)耕作減產(chǎn)8.1%，生產(chǎn)投入增加1 050元/hm2。旋耕處理與常規(guī)耕作玉米產(chǎn)量差異不顯著。超深翻耕作比常規(guī)耕作雖然增加玉米產(chǎn)量，每1 hm2增收玉米價(jià)值543元，但是同時(shí)超深翻投入增加1 275元/hm2。因此，綜合考慮，理想耕作模式是在不完全打破犁底層情況下，采取翻耕作業(yè)是最理想耕作模式。

圖3 不同耕作方式對玉米產(chǎn)量的影響

3 結(jié) 論

不同的土壤耕作方式對風(fēng)沙土物理特性有著不同的影響，與農(nóng)民常規(guī)耕作相比，翻耕和超深翻耕作增加土壤含水量和田間持水量，降低耕層而增加了犁底層的土壤滲透速率，同時(shí)降低土壤容重和土壤緊實(shí)度。旋耕處理對土壤含水量、田間持水量、容重和緊實(shí)度影響不顯著，但顯著增加耕層飽和持水量。深翻處理打破犁底層，增加犁底層土壤滲透速率，降底犁底層土壤容重和緊實(shí)度。與常規(guī)耕作相比，4種耕作措施的增加了耕層GSSI，降低STPSD。翻耕、深翻和超深翻處理犁底層顯著降低GSSI，增加STPSD。旋耕處理犁底層GSSI和STPSD差異不顯著。不同土壤耕作方式對玉米產(chǎn)量的影響較大，翻耕>超深翻>旋耕、常規(guī)>深翻，而深翻減產(chǎn)8.1%。根據(jù)不同土壤耕作對土壤物理特性及玉米產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效應(yīng)的綜合分析，東北風(fēng)沙區(qū)玉米田采用翻耕可以改善耕層土壤物理特性增加玉米產(chǎn)量，從而更好地實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。