楊群輝,張 慶,王應(yīng)學(xué),何 翔,楊佩文,趙德柱,倪 明,朱紅業(yè)*
(1. 云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境資源研究所,云南 昆明 650205;2. 云南農(nóng)業(yè)大學(xué)植物保護(hù)學(xué)院,云南 昆明 650201;3. 馬龍區(qū)土肥工作站,云南 曲靖 655100)
【研究意義】云南坡耕地面積406.7 hm2,占云南省總耕地面積67 %。紅壤是云南分布最廣、面積最大的土壤類型[1],作為云南坡耕地重要組成的紅壤坡地,其耕地質(zhì)量對(duì)提升作物產(chǎn)量,改善水土生態(tài)環(huán)境具有重要意義[2]。紅壤坡地是玉米生產(chǎn)的重要基地,受環(huán)境條件的影響,云南玉米耕地多以小型動(dòng)力作業(yè),旋耕15~20 cm,多年來(lái)未深松作業(yè),造成土壤耕層變薄,犁底層增厚上移,有效耕層土壤量減少,土壤結(jié)構(gòu)變差,蓄水保墑能力和生產(chǎn)力下降等問題,嚴(yán)重制約了中國(guó)玉米產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[3]?!厩叭搜芯窟M(jìn)展】機(jī)械化深松是一種作業(yè)深度超過常規(guī)耕層厚度,不翻轉(zhuǎn)和打亂土壤上下層次的耕作方式,一般要求穿透犁底層,旨在逐漸增厚耕層,提升土壤的水肥協(xié)調(diào)能力,促進(jìn)土體熟化[4]。深松耕能夠影響土壤理化性質(zhì),改變土壤結(jié)構(gòu),提高作物產(chǎn)量。陳林[5]等研究表明,深松耕可有效地改善土壤結(jié)構(gòu),增加干物質(zhì)積累,促進(jìn)玉米生長(zhǎng)和增產(chǎn);黃健[6]等認(rèn)為:深松耕可以使0~50 cm 土層深度的土壤孔隙度增加10 %~20 %,土壤容重降低0.14 g/cm3,滲透強(qiáng)度增加15 %~25 %;王敬亞[7]研究表明,深松耕可以增加土壤含水量,改善土壤結(jié)構(gòu),利于玉米根系對(duì)深層土壤水分的吸收,提高產(chǎn)量。【本研究的切入點(diǎn)】深松耕可有效的改善土壤質(zhì)量,提升耕地生產(chǎn)力,不同的耕作深度,對(duì)土壤耕層性質(zhì)的影響不同。以滇中典型紅壤坡耕地玉米種植區(qū)域?yàn)檠芯繉?duì)象,利用田間對(duì)比試驗(yàn),研究深松耕30 cm,深松耕40 cm,免耕0 cm和傳統(tǒng)翻耕種植玉米,不同的深松耕措施對(duì)紅壤坡地耕層性質(zhì)和玉米產(chǎn)量的影響。【擬解決的關(guān)鍵問題】探究不同紅壤坡地的深松耕深度對(duì)土壤水分、容重、化學(xué)指標(biāo)和玉米產(chǎn)量的影響,篩選適宜云南紅壤坡地是深松耕深度,為合理構(gòu)建紅壤坡地耕層提供理論依據(jù),為提升坡地生產(chǎn)力提供技術(shù)支撐。
試驗(yàn)地位于云南省曲靖市馬龍區(qū)舊縣鎮(zhèn)高堡村委會(huì)下南屯村,東經(jīng)103°22′19.03′′,北緯25°20′5.22′′,海拔1979 m。試驗(yàn)地為低緯高原季風(fēng)氣候,冬春干旱,夏秋濕潤(rùn),季節(jié)干濕分明,雨量充沛,年平均氣溫13.9 ℃,年降水量1040 mm,年平均日照時(shí)數(shù)1 985 h以上,風(fēng)向多西南風(fēng)。
共設(shè)置4種不同的深松耕處理:處理S20(CK):常規(guī)耕作方式,旋耕20 cm;處理S0:免耕,耕深0 cm;處理S30:深松30 cm +旋耕20 cm;處理S40:深松40 cm +旋耕20 cm。從2015年開始定位試驗(yàn),試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì),3次重復(fù),每個(gè)小區(qū)4 5 m2。深松耕作業(yè)采用1404型拖拉機(jī)牽引深松鏟進(jìn)行局部深松,深松條帶位于玉米播種帶,每年在種植玉米前操作1次。種植模式采用春季播種玉米,冬季休閑,全年無(wú)灌溉,種植密度為6.75萬(wàn)株/hm2。種植玉米品種為云瑞88。施肥方式:施用云南省云田肥料有限公司的玉米配方專用肥,總養(yǎng)分量≥25 %,氮、磷、鉀配比為15∶5∶5,底肥用量600 kg/hm2,在玉米拔節(jié)期追施尿素255 kg/hm2。田間管理方式同一般生產(chǎn)管理方式。土壤類型為山原紅壤,耕地類型為坡改梯。
1.3.1 作物經(jīng)濟(jì)學(xué)產(chǎn)量和生物學(xué)產(chǎn)量測(cè)定 在玉米成熟收獲后,測(cè)定玉米經(jīng)濟(jì)學(xué)產(chǎn)量和生物學(xué)產(chǎn)量。
測(cè)產(chǎn)方法:小區(qū)實(shí)收測(cè)產(chǎn)。每個(gè)小區(qū)玉米收獲后,風(fēng)干脫粒稱量玉米籽粒產(chǎn)量(經(jīng)濟(jì)學(xué)產(chǎn)量);莖稈和玉米芯風(fēng)干后稱量生物學(xué)產(chǎn)量。每小區(qū)隨機(jī)選取10株,測(cè)定株高和莖粗;隨機(jī)選取10穗果穗,測(cè)定玉米產(chǎn)量性狀,包括果穗長(zhǎng)、果穗粗、穗行數(shù)和行粒數(shù)。
1.3.2 土壤物理性質(zhì)測(cè)定 (1)土壤容重、土壤體積含水量和土壤質(zhì)量含水量。測(cè)定方法:土壤容重采用環(huán)刀法,環(huán)刀容積100 cm3。土壤含水量采用烘干法。分別測(cè)量各小區(qū)0~20、20~40、40~60 cm土壤容重、土壤體積含水量和土壤質(zhì)量含水量。
容重=干土重(g)/體積
(1)
土壤體積含水量(%)=土壤含水量×容重
(2)
土壤質(zhì)量含水量(%)=(原土重-烘干土重)/烘干土重×100
(3)
(2)土壤緊實(shí)度。在玉米收獲期后,采用美國(guó)產(chǎn)SC 900土壤緊實(shí)度檢測(cè)儀,使用1/2英寸探頭,采集每個(gè)試驗(yàn)區(qū)0~45 cm的緊實(shí)度。樣點(diǎn)選擇采用“S”型隨機(jī)取樣法,每個(gè)小區(qū)采集5個(gè)樣點(diǎn)。
1.3.3 土壤化學(xué)性質(zhì)測(cè)定 土壤樣品采集:于玉米收獲期按常規(guī)取樣法,分別采集0~20、20~40、40~60 cm土層土樣,每個(gè)小區(qū)樣點(diǎn)采用對(duì)角線5點(diǎn)取樣,混勻?yàn)?個(gè)混合樣。
土壤化學(xué)指標(biāo)測(cè)定:pH值采用pH儀測(cè)定;有機(jī)質(zhì)含量采用重鉻酸鉀外加熱法測(cè)定;全氮含量采用凱氏定氮法測(cè)定,堿解氮含量采用堿解擴(kuò)散法測(cè)定;全磷含量采用氫氧化鈉熔融-鉬銻比色法測(cè)定,速效磷含量采用碳酸氫鈉提取法測(cè)定;全鉀含量采用氫氧化鈉熔融-火焰光度法測(cè)定,速效鉀含量采用鹽酸浸提-AAS法測(cè)定[8]。
實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)經(jīng)Excel 2007整理后,用DPS 7.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析,方差分析方法采用Duncan式新復(fù)極差法,顯著水平為a=0.05。
2.1.1 不同深松耕處理對(duì)玉米產(chǎn)量的影響 從表1可看出,深松耕后第1年(2016年),與處理S20(CK)相比,處理S30玉米經(jīng)濟(jì)學(xué)產(chǎn)量增高,增產(chǎn)率為9.62 %,處理S0玉米經(jīng)濟(jì)學(xué)產(chǎn)量增高,增產(chǎn)率為5.55 %,處理S40略微表現(xiàn)減產(chǎn)。其余處理生物學(xué)產(chǎn)量均表現(xiàn)出增產(chǎn),處理S0和處理S30達(dá)顯著水平,增產(chǎn)率分別為11.66 %和14.69 %,處理S40增產(chǎn)不顯著,增產(chǎn)率為5.07 %。深松耕后第2年(2017年),與處理S20(CK)相比,玉米經(jīng)濟(jì)學(xué)產(chǎn)量處理S0,處理S30和處理S40均表現(xiàn)增產(chǎn),增產(chǎn)率分別為3.22 %,22.03 %和14.14 %,處理S30增幅最高;生物學(xué)產(chǎn)量處理S0略微減產(chǎn),減產(chǎn)率為1.81 %,處理S30和處理S40表現(xiàn)為增產(chǎn),增產(chǎn)率分別為15.61 %和5.27 %。深松耕后第3年(2018年),各處理玉米經(jīng)濟(jì)學(xué)產(chǎn)量和生物學(xué)產(chǎn)量均增產(chǎn),玉米產(chǎn)量情況為處理S0>處理S30>處理S40>處理S20(CK),且增產(chǎn)率分別為28.71 %,22.00 %和5.69 %。生物學(xué)產(chǎn)量排序情況與玉米經(jīng)濟(jì)學(xué)產(chǎn)量結(jié)果一致。
從表1可知,隨著種植年限的增加,各處理2018年比2016年表現(xiàn)減產(chǎn),年均減產(chǎn)率處理S20(CK)、處理S0、處理S30、處理S40分別為15.11 %、10.24 %、6.30 %、8.00 %,深松耕和免耕可提高玉米產(chǎn)量,能夠有效緩解長(zhǎng)期種植玉米帶來(lái)當(dāng)?shù)赜衩椎臏p產(chǎn)。深松耕30 cm效果好于深松耕40 cm,可見深松耕、免耕處理作為保護(hù)性耕作方式,在前期多年旋耕操作的情況下,表現(xiàn)出一定的增產(chǎn)趨勢(shì),連續(xù)的免耕操作,降低了表層土壤的擾動(dòng),保護(hù)了表層土壤微孔隙和其連續(xù)的孔隙路徑[13],改善了土壤結(jié)構(gòu),提高了土壤穩(wěn)定性滲透率和飽和導(dǎo)水率,增大了土壤持水量,利于作物生長(zhǎng)和增產(chǎn)。
2.1.2 不同深松耕處理對(duì)玉米產(chǎn)量性狀的影響 2018年收獲的玉米的產(chǎn)量性狀具體為果穗長(zhǎng)處理S0>處理S30>處理S40>處理S20(CK);果穗粗處理S30>處理S40>處理S20(CK)>處理S0;穗行數(shù)處理S0>處理S30>處理S40>處理S20(CK);行粒數(shù)處理S30>處理S0>處理S40>處理S20(CK);突尖處理S20(CK)>處理S40>處理S0>處理S30。綜合可見,深松耕和免耕均在第3年表現(xiàn)增產(chǎn),且處理S30和處理S0效果明顯。
表1 不同深松耕深度對(duì)玉米產(chǎn)量的影響
注:同列數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05),下同。
Note:Data following by different lowercase in the same column indicated significant difference(P<0.05). The same as below.
表2 不同深松耕深度對(duì)玉米產(chǎn)量性狀的影響
2.2.1 不同深松耕處理對(duì)土壤容重的影響 由表3可知:在0~20 cm土層,2016年處理S30容重顯著降低4.84 %,而處理S40土壤容重卻增加了5.65 %;2017和2018年,該土層不同深松耕處理容重表現(xiàn)下降趨勢(shì),但不顯著。在20~40 cm土層,2016年處理S30和處理S40容重顯著降低,分別降低10.60 %和11.92 %,各深松耕處理間差異不顯著,處理S0在該土層容重略有降低,差異不顯著;2017年,各深松耕處理土壤容重顯著降低,且處理間差異顯著,處理S40在該土層對(duì)容重影響效果優(yōu)于處理S30;2018年,該土層容重仍表現(xiàn)降低,且處理S30效果最佳。在40~60 cm土層,2016年處理S30和處理S40容重顯著降低,分別降低6.50 %和3.25 %;2017年,處理S40土壤容重顯著降低;2018年,各處理間土壤容重差異不顯著。
2016年,0~40 cm土層平均容重為處理S20(CK)> 處理S0>處理S40>處理S30,分別為1.38、1.37、1.32和1.27,處理S30容重最低,0~40 cm土壤最疏松,利于作物生長(zhǎng)。2017年,0~40 cm土層平均容重為處理S20(CK)> 處理S0>處理S30>處理S40,分別為1.42、1.38、1.33和1.31,處理S40容重最低,處理S30次之,且處理S30與處理S40間顯著不差異。2018年,0~40 cm土層平均容重為處理S20(CK)> 處理S40>處理S0>處理S30,分別為1.42,1.38,1.34和1.32,S30容重最低。
深松耕可降低土壤容重,深松耕處理第1年,土壤容重在0~20 cm土層顯著降低,隨著深松耕處理時(shí)間的流逝,耕作層土壤容重趨于穩(wěn)定,且均低于常規(guī)操作,說(shuō)明土壤深松耕可增加土壤耕層厚度,增強(qiáng)土壤疏松程度,且處理S30處理效果最佳。
2.2.2 不同深松耕處理對(duì)土壤含水量的影響 由表4可知,在0~20 cm土層:2016年處理S40顯著提高土壤含水量,增幅為20.00 %;2017年處理S30和處理S40土壤含水量增加,增幅分別為11.00 %和5.00 %,處理S0土壤含水量顯著下降,降低了10.96 %;2018年各處理土壤含水量不存在顯著差異。在20~40 cm土層:2016年各處理間土壤含水量未見顯著差異,但均顯著高于處理S0(C);2017年處理S30土壤含水量增加,增幅為5.00 %,處理S0和處理S40土壤含水量降低;2018年處理S40和處理S30土壤含水量增加,分別增加17.00 %和13.00 %。在40~60 cm土層:2016年處理S40和處理S30均顯著提高土壤含水量,增幅分別為11.19 %和8.84 %;2017年處理S0顯著降低土壤含水量,降幅為7.28 %,其余各處理土壤含水量略有降低,但不存在顯著差異;2018年深松耕各處理均顯著提高土壤含水量。
在0~40 cm土層,2016年平均土壤含水量為處理S40>處理S30>處理S20(CK)>處理S0;2017年平均土壤含水量為處理S30>處理S20(CK)>處理S40>處理S0;2018年平均土壤含水量為處理S40>處理S30>處理S0>處理S20(CK)。深松耕能夠有效提高土壤含水量,尤其是深松耕處理第1年對(duì)土壤表層和深層含水量提高表現(xiàn)顯著,提高土層的蓄水能力,保障玉米生長(zhǎng)。
表3 不同深松耕對(duì)土壤容重的影響
表4 不同深松耕對(duì)土壤含水量的影響
表5 不同深松耕對(duì)坡耕地各層土壤養(yǎng)分的影響
2.2.3 不同深松耕處理對(duì)土壤緊實(shí)度的影響 2018年玉米收獲期測(cè)定的土壤緊實(shí)度結(jié)果表明(圖1),在0~10 cm土層,土壤緊實(shí)度各處理間差異不顯著;在10~20 cm土層,處理S30、處理S40和處理S20(CK)間土壤緊實(shí)度不存在差異, 處理S0土壤緊實(shí)度高于處理S20(CK);在20~30 cm土層,處理S30和處理S40土壤緊實(shí)度低于處理S20(CK),處理S0和處理S20(CK)間差異不顯著;大于30 cm土層,各處理間差異不明顯。綜上可以看出,深松30 cm對(duì)土壤緊實(shí)度的影響最好,免耕效果最差。表明深松能夠降低土壤緊實(shí)度,且在該試驗(yàn)區(qū)深松30 cm對(duì)緊實(shí)度影響的效果最佳。
圖1 不同深松對(duì)土壤緊實(shí)度的影響Fig.1 Effect of different depth of subsoiling on the soil compaction
不同的深松處理影響各層土壤養(yǎng)分,在0~20 cm土層,處理S0 pH值顯著降低,處理S30 pH值提高,有機(jī)質(zhì)含量處理S0和處理S30顯著增加,處理S0顯著增加全氮含量,全磷含量各處理都表現(xiàn)為降低,且處理S30和處理S40達(dá)顯著水平,全鉀各處理間不存在顯著差異,水解性氮和有效磷均表現(xiàn)為處理S0提高,處理S30和處理S40降低,速效鉀各處理均顯著降低,處理S30降低較少。在20~40 cm土層:有機(jī)質(zhì)、全氮、全鉀各處理間變化不顯著,對(duì)pH值的影響表現(xiàn)為處理S0顯著降低,全磷各處理顯著降低,處理S30降低最少,水解性氮、有效磷、速效鉀各處理均表現(xiàn)降低。在40~60 cm土層:處理S30和處理S40顯著增加pH值,有機(jī)質(zhì)、全氮、水解性氮和有效磷表現(xiàn)為處理S0顯著增加,處理S30和處理S40顯著降低,全磷處理S30和處理S40顯著降低,全鉀和速效鉀差異不顯著。
容重和緊實(shí)度是土壤重要的基本物理性質(zhì)之一,反應(yīng)土壤空隙狀況的特征性參數(shù),是衡量土壤耕性及耕地質(zhì)量的重要指標(biāo)。容重和緊實(shí)度的大小影響土壤通透性、松緊程度、水分及養(yǎng)分的傳導(dǎo)運(yùn)輸與利用[9]??讜悦竦萚10]研究表明,不同耕作方式對(duì)土壤容重和土壤緊實(shí)度的影響效果由大到小依次為深松>旋耕>免耕。隨著深松深度的增加,土壤緊實(shí)度和土壤容重降幅越大, 不同處理間降幅由大到小表現(xiàn)為深松50 cm>深松40 cm>深松30 cm>旋耕。程思賢[11]等表明,在砂姜黑土,土壤耕層結(jié)構(gòu)的改良效果表現(xiàn)為深松60 cm>深松50 cm>深松40 cm>深松30 cm>旋耕。本實(shí)驗(yàn)表明,不同深度的深松處理能夠降低土壤容重,在0~40 cm耕層深松30 cm的效果優(yōu)于深松40 cm的效果。而在40~60 cm土層,深松40 cm的效果最佳。
土壤含水量是無(wú)灌溉農(nóng)業(yè)發(fā)展的先覺條件,只有土壤中的蓄水庫(kù)足夠,才能在季節(jié)性干旱的條件下帶來(lái)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可能。深松耕可有效提高土壤上層含水率和貯水量,深松耕利于打破犁底層,全面促進(jìn)降水的有效入滲和增加土壤深層含水率。本研究表明,免耕、深松30 cm,深松40 cm較常規(guī)處理0~60 cm土層3年平均貯水量增加1.18 %,7.33 %和8.34 %。即免耕和深松耕等保護(hù)性耕作技術(shù)可增加土壤含水量增加,增強(qiáng)土壤的貯水能力。
研究表明,土壤養(yǎng)分和pH具有明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系[12]。普遍認(rèn)為保護(hù)性耕作能提高土壤對(duì)酸堿度的緩沖能力,使土壤pH值保持在穩(wěn)定的水平,保證養(yǎng)分循環(huán)[13]。徐國(guó)偉[14]等研究表明,在相同施肥處理?xiàng)l件下,秸稈還田土壤pH值下降,比秸稈不還田處理低6.5 %達(dá)顯著性水平。本實(shí)驗(yàn)表明,免耕后各土層pH值均呈下降趨勢(shì),且pH隨土層的深度的增加下降越明顯。在0~20、20~40、40~60 cm土層與常規(guī)對(duì)照相比,分別降低了3.33 %、5.50 %和12.13 %。而深松耕處理對(duì)不同土層的PH值呈增加趨勢(shì)。由此可知,不同耕作方式對(duì)土壤酸化的影響作用需要深入研究。
土壤養(yǎng)分是作物產(chǎn)量的決定性因子之一。不同的耕作措施對(duì)土壤表層土壤的擾動(dòng)較大。大量研究表明,保護(hù)性耕作措施可以增加土壤有機(jī)質(zhì)含量[15],保護(hù)性耕作能夠增加土壤有機(jī)質(zhì)、速效氮、速效鉀含量,特別是表層土壤。本研究中免耕也具有相似表現(xiàn),與常規(guī)對(duì)照相比,有機(jī)質(zhì)、全氮、水解性氮、有效磷含量在表層土表現(xiàn)為增加。深松30 cm處理表層土有機(jī)質(zhì)含量顯著升高,而深松30 cm、深松40 cm處理中其它各項(xiàng)養(yǎng)分指標(biāo)均呈降低趨勢(shì),可能原因是深松處理后,改變了土壤的質(zhì)量、物理指標(biāo)和pH值,促進(jìn)難溶性的養(yǎng)分向有效態(tài)轉(zhuǎn)化,利于作物的吸收,但有待進(jìn)一步研究。
玉米根系的發(fā)達(dá)程度直接影響玉米的產(chǎn)量和質(zhì)量。根系向深層土壤擴(kuò)展有利于深層土壤中水分養(yǎng)分的吸收,且深層土壤環(huán)境相對(duì)穩(wěn)定,對(duì)根系生長(zhǎng)、延緩衰老有中重要作用[16]。而玉米種植區(qū)的土地底層是犁底結(jié)構(gòu),研究表明,深松耕可以打破犁底層,促使根系下移,顯著提高玉米生長(zhǎng)后期的根系抗逆性和根系活性[17]。深松技術(shù)能夠改變土壤的種植生態(tài)環(huán)境,研究表明深松耕能夠提供深層根系的容納量,減弱上層根系的擁擠程度,提高對(duì)下層養(yǎng)分的吸收[18]。吳廣俊[19]研究表明,深松耕提高化后氮素的吸收效率,增加花后單株生物量,提高生物量的積累而達(dá)到提高玉米產(chǎn)量的目的。本研究表明,深松耕可有效提高玉米產(chǎn)量和提升玉米產(chǎn)量性狀。且在山原紅壤坡地上,深松30 cm增產(chǎn)趨勢(shì)優(yōu)于深松40 cm。玉米根系多集中在0~40 cm土層,深松30 cm已有效影響0~40 cm土層的疏松程度,利于耕作層干旱期水分的供給與利用,因此在山原紅壤坡地?zé)o灌溉種植玉米,適宜的深松30 cm。本研究中,免耕處理對(duì)玉米產(chǎn)量和產(chǎn)量性狀指標(biāo)的影響表現(xiàn)出略低于深松30 cm的效果。免耕作為保護(hù)性耕作方式,研究表明,免耕后田間持水量呈增加趨勢(shì),由于土壤未擾動(dòng),土壤容重減少,總孔隙度增加,土壤持水能力增強(qiáng)[20]。且免耕減少了機(jī)械作業(yè)的次數(shù),緩解了土壤壓實(shí)對(duì)玉米生長(zhǎng)的影響,減少了土壤間的粘閉作用,防止土壤板結(jié)。由于免耕帶來(lái)生長(zhǎng)環(huán)境的優(yōu)化,玉米表層根量發(fā)達(dá),養(yǎng)分吸收率增加,達(dá)到增產(chǎn)的效果。
深松耕能夠顯著降低土壤容重,增加土壤疏松程度,提高土壤的蓄水能力,促進(jìn)作物根系發(fā)育,提高土壤水分的利用率和養(yǎng)分吸收率,達(dá)到增產(chǎn)增收的效果。在山原紅壤坡地上,深松30 cm在耕作層對(duì)土壤容重和緊實(shí)度的影響最佳。不同的深松耕深度中,深松耕30 cm和免耕對(duì)玉米產(chǎn)量和產(chǎn)量性狀影響效果明顯。深松耕40 cm和深松耕30 cm效果對(duì)土壤含水量均存在正向影響且差異不顯著。因此,山原紅壤坡地種植玉米適宜的深松耕深度為30 cm。