不同耕作方式下黑土物理性狀及其對玉米苗期生長的影響

谷思玉，朱玉偉，郭興軍，蔡越桐，吳 帥，張澤慧，張會慧

(東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150030)

東北地區(qū)黑土面積廣闊，耕地肥沃，是我國玉米的主產(chǎn)區(qū)和商品糧生產(chǎn)基地，種植面積占全國玉米種植面積的 1/3以上，產(chǎn)量約占全國玉米總產(chǎn)量的40%[1-2]。然而，自實施土地承包責(zé)任制以來，多年的小型農(nóng)機淺旋、秸稈不還田等耕作方式，造成耕層變淺、犁底層上移等問題。耕作是農(nóng)業(yè)田間管理的一項重要措施，俗話說“一年犁出病，三年沒收成”。因此，適合的耕作方式，對保護土壤結(jié)構(gòu)、促進作物生長、提高作物產(chǎn)量具有重要意義。

目前，耕作對黑土物理性質(zhì)的影響報道屢見不鮮。如張少良等[3]通過長期定位試驗，研究了少耕、旋耕和免耕秸稈覆蓋對春季耕層土壤溫度的影響，結(jié)果表明，溫度變化隨土壤深度增加出現(xiàn)滯后現(xiàn)象，免耕因具有保水性，容積熱容量較大，造成免耕秸稈覆蓋耕層土壤溫度低于其他處理，影響初春溫度的升高。劉爽等[4]以傳統(tǒng)耕作為對照，研究免耕秸稈覆蓋、少耕對土壤水分含量的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在干旱及降水量較少的條件下，免耕水分含量高于傳統(tǒng)耕作，少耕水分低于傳統(tǒng)耕作。陳學(xué)文等[5]以吉林省德惠市長期定位試驗為研究對象，探究免耕、秋翻與傳統(tǒng)耕作對土壤緊實度的影響，結(jié)果表明，免耕可增加2.5～17.5 cm土壤的緊實度。由此可見，不同耕作方式會改變農(nóng)田土壤物理性質(zhì)，影響作物生長。然而，上述研究多是單一耕作方式的研究，很少研究不同耕作方式對黑土耕層土壤物理性狀與玉米生長的影響。

黑土區(qū)玉米生長的主要限制因子是春季低溫和干旱。黑土區(qū)“十年九春旱”，玉米旱災(zāi)已經(jīng)占農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害的60%[6]；同時，該地區(qū)春季氣溫偏低，對出苗、苗期生長及產(chǎn)量具有重大影響[7]。前人關(guān)于黑土區(qū)耕作方式對土壤物理性質(zhì)研究雖然很多，但多為耕作對單個物理指標(biāo)的影響，土壤物理指標(biāo)間是共同作用于農(nóng)田作物的。

本試驗研究黑土區(qū)不同耕作方式對玉米苗期的土壤溫度和含水量調(diào)控效應(yīng)，旨在明確耕作方式對黑土物理性狀與玉米苗期生長的影響，以篩選出適宜的東北農(nóng)田黑土耕層構(gòu)建方式。

1 材料和方法

1.1 研究地區(qū)概況

試驗地位于哈爾濱市雙城區(qū)東官鎮(zhèn)東興村(45°45′N，126°55′E)。該區(qū)域?qū)儆跍貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候，年均氣溫5.2 ℃，7月份平均溫度最高23.1 ℃，夏季炎熱多雨，冬季寒冷干燥，雨熱同季；年均降水量546.9 mm，其中，2016年6月降雨總量為600.4 mm，2017年試驗6月降雨量312.7 mm，6-8月降水量占全年降水量的60%～70%。試驗地土壤為黑土，質(zhì)地為重壤土，基礎(chǔ)理化性質(zhì)為：有機質(zhì)34.96 g/kg，全氮1.51 g/kg，全磷0.60 g/kg，緩效鉀863 mg/kg，堿解氮234 mg/kg，有效磷53.69 mg/kg，有效鉀231 mg/kg，pH值5.74(水土比為1.0∶2.5)。

1.2 試驗設(shè)計

試驗為定位試驗，設(shè)深翻(DN)、免耕(NN)、旋耕(RN)、深松(SN)4個處理。免耕只做耙茬處理，旋耕深度為15 cm，深松、深翻深度均為30 cm。小區(qū)面積為287.64 m2，3次重復(fù)，種植方式為平作。每年5月初播種，10月初收獲。供試玉米品種為宏碩 616，密度為4.5萬株/hm2，播種時施用福多寶緩控釋復(fù)合肥(N∶P2O5∶K2O=26∶12∶14)，一次性基施，施用量450 kg/hm2；播后采用廣譜性除草劑進行封閉；玉米全生育期均采用機械化作業(yè)，其他田間管理同當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)。

1.3 測定項目及方法

1.3.1 土壤緊實度測定 每年6月15-25日測定，0～45 cm土層緊實度采用緊實度儀(SC-900型)測定，6次重復(fù)。

1.3.2 土壤溫度測定 采用智拓溫度測量儀(500-E3TW)測定，深度為10，20，30 cm，S型布點法，5次重復(fù)，測定時間為11：00-13：00。

1.3.3 土壤水分測定 采用TDR(TRIME-IPH)測定，每處理3根，深度為10，20，30，50，70，90，120 cm，測定時間為11：00-13：00。

1.3.4 土壤有機質(zhì)、氮、磷、鉀等測定 分別采用重鉻酸鉀氧化法、半微量開氏法、堿解擴散、HClO4-H2SO4法等[8]測定。

1.3.5 植株根系測定 2016年6月15日和2017年6月25日每個處理采集10株玉米植株，用鍬挖30 cm深度，清除大土塊，連同植株帶回實驗室用水洗凈。用直尺測定植株根長和株高，2016年利用根系掃描儀(WinRHIZO)測定根體積、根表面積及根尖數(shù)。

1.3.6 玉米苗期地上部和地下部生物量測定 將1.3.5采集的玉米植株，地上部和地下部分離殺青、烘干后稱重。

1.3.7 玉米產(chǎn)量測定 每年10月初收獲時測定，每重復(fù)取4行，每行連續(xù)取10株果穗，脫粒、烘干稱重，折算出(按籽粒含水率15%)籽粒產(chǎn)量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2010和SPSS 19進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同耕作方式對玉米苗期土壤水分含量的影響

從圖1可以看出，農(nóng)田黑土水分隨土層加深呈現(xiàn)增加趨勢。從2016年變化看出，水分含量為22.11%～32.78%；與DN相比，10 cm土層RN和NN水分含量增加，增幅分別為0.032,0.023個百分點，而SN水分含量降低，與DN相比降幅為1.52%；與DN相比，15～60 cm土層其他處理土壤水分含量均降低，20 cm土層SN水分減少最多，降幅為0.062個百分點。說明NN減少表層水分蒸發(fā)，增加土壤表層水分含量；SN處理降低了10～60 cm土壤水分，DN處理使土壤水分在20～60 cm土層滯留。不同處理耕層(0～20 cm)儲水量大小為DN>RN>NN>SN，SN儲水量比DN降低0.085個百分點。由2017年變化看出，干旱時水分變化幅度加大，水分含量為6.85%～33.26%，10 cm土壤水分為SN低于其他處理，NN高于其他處理。不同處理耕層(0～20 cm)儲水量大小為NN>RN>DN>SN，NN耕層儲水量比DN高0.036個百分點，SN與DN相比降低0.066個百分點。說明NN處理在干旱年份或干旱地區(qū)具有保水作用，有利于苗期作物生長；SN有利于耕層水分的入滲。

圖1 玉米苗期不同耕作處理土壤平均含水率Fig.1 Soil moisture content of different tillage treatments in maize seedling stage

2.2 不同耕作方式對玉米苗期土壤溫度的影響

從圖2可以看出，隨土層加深土溫呈下降趨勢。2016年各處理土溫變化顯示，NN處理0～10 cm土溫降低明顯，與DN相比溫度降低0.7 ℃，0～10 cm土溫與其他處理均存在顯著差異。2017年數(shù)據(jù)表明，與DN處理相比NN和RN分別使0～10 cm土壤溫度降低1.5，1.3 ℃。說明NN處理可以有效降低溫度，在東北地區(qū)溫度是制約玉米生長的重要因素，溫度降低，使玉米苗期生長發(fā)育緩慢。

不同字母表示差異顯著P<0.05。Different letters indicate significant difference at P<0.05.

2.3 不同耕作方式對玉米苗期土壤緊實度的影響

從圖3苗期土壤緊實度變化可以看出，隨著土層深度向下農(nóng)田黑土緊實度逐漸增大。從2016年數(shù)據(jù)看出，0～22.5 cm土壤緊實度急劇增加，22.5 cm土層以下則變化趨于平緩；與DN處理相比，0～7.5 cm各處理土壤緊實度均增加，NN增量最大，最大增幅為314.6 kPa；7.5～20.0 cm土層SN緊實度最小，SN最大降幅為220.8 kPa，NN緊實度最大；30.0～40.0 cm土層NN緊實度逐漸減小。2017年變化趨勢基本與2016年一致，2017年NN最大增幅為489.3 kPa，SN最大降幅為197.3 kPa。

圖3 不同耕作處理的土壤緊實度Fig.3 Soil compaction in different tillage treatments

2.4 不同耕作方式對玉米苗期生長的影響

從表1，2可以看出，2016年玉米苗期地上部干質(zhì)量、根干質(zhì)量、根體積、根表面積呈SN>DN>RN>NN趨勢，與DN相比，SN處理根長度、根體積、根表面積、根干質(zhì)量均呈現(xiàn)增加趨勢，分別增加4.54%，19.21%，18.57%，14.12%；2017年根長大小表現(xiàn)為SN>DN>NN>RN，SN與DN相比增加0.58 cm，根干質(zhì)量大小表現(xiàn)為SN>DN >RN>NN，SN與DN相比增加0.40 g，NN處理植株干質(zhì)量比DN降低58.09%。株高和地上部干質(zhì)量為DN處理最優(yōu)，表明SN有效促進玉米苗期根系生長，有利于干質(zhì)量積累。根尖數(shù)大小表現(xiàn)出DN>SN>NN>RN的趨勢，平均直徑則為RN>SN>DN>NN。2016年玉米產(chǎn)量表現(xiàn)為SN>DN>RN>NN，SN與DN相比產(chǎn)量增加0.13 t/hm2；與NN相比SN增產(chǎn)7.12%，2017年產(chǎn)量大小為SN>DN>NN>RN，SN與DN相比增產(chǎn)0.12 t/hm2。與DN處理相比，SN處理有利于玉米根體積、根表面積、根長度等指標(biāo)的增加，養(yǎng)分吸收面積加大，根系干質(zhì)量提高。NN處理對玉米苗期生長具有負(fù)向影響，盡管使土壤墑情改善，但是地溫降低、土壤緊實度增大，不利于苗期根系伸展和生長，產(chǎn)量較低。

表1 玉米苗期根系特性Tab.1 Characteristics of maize seedling root system

注：不同小寫字母表示差異顯著P<0.05。表2同。
Note：Different lowercase letters indicate significant difference at P<0.05.The same as Tab.2.

表2 玉米苗期生物量與產(chǎn)量Tab.2 Maize seedling biomass and yield

2.5 玉米苗期生長狀況與耕層土壤物理性質(zhì)之間線性分析

表3為苗期根系指標(biāo)與耕層物理性質(zhì)之間線性分析。將數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化后進行數(shù)據(jù)處理，結(jié)果顯示，溫度和玉米苗期指標(biāo)線性關(guān)系中斜率為正數(shù)且在各指標(biāo)中最大，但相關(guān)性不顯著，說明溫度能促進玉米植株生長發(fā)育，但影響較小。水分對玉米苗期根長和株高線性關(guān)系中斜率為最大負(fù)值，水分與根長數(shù)據(jù)間相關(guān)性顯著，說明水分對玉米苗期根長生長具有阻礙作用;緊實度和根重、地上部重均具有顯著負(fù)相關(guān)，說明緊實度對玉米干物質(zhì)形成影響較大。

表3 2016年6月苗期根系指標(biāo)與耕層物理性質(zhì)之間線性分析Tab.3 2016 year，the linear analysis between the root index of the seedling stageand the physical properties of the plough layer in June

注：*.數(shù)據(jù)間相關(guān)性顯著。
Note：*.The correlation between data is significant.

3 討論與結(jié)論

3.1 耕作方式對玉米苗期土壤物理性質(zhì)的影響

土壤水分、溫度及緊實度對作物生長發(fā)育具有重要作用[9-11]。在2年試驗中，免耕處理土壤10 cm水分含量增加，土壤溫度降低，明顯影響了玉米苗期的生長；在2016年與深翻相比深松降低了10～60 cm土壤含水量，使耕層土壤含水量降低，且10～20 cm土層較疏松，在深翻處理20～60 cm土壤含水量高于其他處理，土壤犁底層不明顯，這與王巖等[12]在冀西北栗鈣土中得出的松耕、翻耕和免耕對土壤含水量影響結(jié)果不一致，可能是由于黑土質(zhì)地是偏重壤，透水性比栗鈣土差。深松打破了長期傳統(tǒng)深翻形成的犁底層，增加了通氣孔隙，利于水分下移[13-14]，試驗第1年降水量高，能突顯深松促進水分入滲的優(yōu)勢；深翻切斷了土壤孔隙，加上犁底層的阻隔作用，減弱了土壤水分的入滲速率[15]，使水分向下運動受阻，造成DN土壤水分在20～60 cm土層滯留，使60～120 cm土壤水分減少；免耕減少表層水分蒸發(fā)，提高表層含水量，與楊永輝等[16-18]研究結(jié)果相符，與深翻處理相比，2017年降雨少，免耕的特點表現(xiàn)突出。2017年免耕處理增加耕層儲水量，NN儲水量比DN高3.62%，因為土壤未進行翻動，沒有改變孔隙比例，土壤水分蒸發(fā)作用弱，含水量增加，土壤熱容量和導(dǎo)熱率增大，導(dǎo)致土溫變化滯后性加強[19]，0～10 cm土層溫度降低。

3.2 耕作方式對玉米苗期生長的影響

耕作可以改變土壤環(huán)境，從而對玉米根系生長發(fā)育產(chǎn)生影響，也影響地上部發(fā)育和產(chǎn)量形成[20-21]。深松可以降低土壤緊實度，打破犁底層，促進玉米根系深扎及長發(fā)育[22]。本試驗表明，在2016年與深翻相比，深松降低了土壤含水量、緊實度，有效促進玉米苗期根長度、根體積、根表面積及根干質(zhì)量的增長，增量分別為4.54%，19.21%，18.57%，14.12%，為玉米后期生長發(fā)育奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)，2016年(水分充沛)SN與DN相比產(chǎn)量增加0.13 t/hm2，2017年(干旱年)SN與DN相比增產(chǎn)0.12 t/hm2；免耕具有保水性，2017年產(chǎn)生減產(chǎn)的原因是由于NN處理干旱出苗不齊，進行補種，使玉米苗期植株干質(zhì)量比DN降低58.09%，導(dǎo)致干旱年份NN產(chǎn)量較低。免耕表層土壤含水量，緊實度均有所增加，而根長度、根體積、根表面積、根平均直徑及根干質(zhì)量均降低，說明免耕處理土壤緊實度增加以及土壤溫度的降低不利于苗期根系生長，減少了干物質(zhì)積累，從而導(dǎo)致與DN相比產(chǎn)量降低。

在2016年水分充沛時，SN降低10～60 cm土層水分含量，而DN土壤水分在20～60 cm土層滯留。在2017年干旱時，NN處理0～20 cm土層儲水量比DN高3.62%。NN降低苗期表層(0～10 cm)土溫，2016年和2017年分別降低0.7，1.5 ℃。試驗?zāi)攴軸N有效降低10～20 cm土層緊實度，NN處理0～20 cm土層緊實度最大。玉米苗期SN處理根干質(zhì)量、根體積、根長、根表面積、產(chǎn)量均優(yōu)于其他處理。線性回歸分析得出，耕層緊實度對玉米苗期干物質(zhì)積累影響效果顯著。綜上，本試驗條件下，SN處理降低土壤耕層緊實度，促進苗期玉米根長度、根表面積、根體積生長，利于產(chǎn)量增加；NN干旱時提高耕層(0～20 cm)水分，降低土壤(0～10 cm)溫度，不利于玉米苗期生長發(fā)育，降低玉米產(chǎn)量。