不同深松方式對(duì)玉米產(chǎn)量和水分利用效率的影響

鄭家明，孫占祥,馮良山，楊 寧，白 偉，馮 晨，張 哲，蔡 倩，向午燕

(遼寧省農(nóng)業(yè)科學(xué)院,遼寧 沈陽(yáng) 110161)

中國(guó)北方地區(qū)春季干旱少雨，夏季降水集中，保蓄降水是該區(qū)域抵御旱災(zāi)，提高水分利用效率，增加作物產(chǎn)量的重要關(guān)鍵技術(shù)[1]。目前中國(guó)北方雨養(yǎng)旱作農(nóng)業(yè)區(qū)由于土地經(jīng)營(yíng)分散，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中多以小型機(jī)具為主，加之人們對(duì)耕地的連續(xù)高強(qiáng)度開發(fā)和不合理使用，使農(nóng)田土壤有效耕層變淺，犁底層加厚并上移，耕層土壤養(yǎng)分質(zhì)地趨于惡化，地力下降，作物增產(chǎn)及水分利用效率提高受到限制[2]。深松通過(guò)深松鏟局部打破犁底層，利于集蓄更多降水，減少田間地表徑流，促進(jìn)作物生長(zhǎng)，提高水分利用效率，可較好地為區(qū)域農(nóng)業(yè)增產(chǎn)和穩(wěn)產(chǎn)提供保障[3-5]。間隔深松能夠在縱向形成虛實(shí)并存的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，橫向也形成虛實(shí)交替結(jié)構(gòu)，并提高土壤的保水能力和養(yǎng)分有效性[6-8]，間隔深松緊實(shí)部分還可以促進(jìn)水分由耕層下部向上部移動(dòng)的作用，同時(shí)虛實(shí)并存耕層結(jié)構(gòu)利于玉米生長(zhǎng)，具有防止玉米后期倒伏的作用[9]。鄭洪兵等[10]通過(guò)31 a的長(zhǎng)期定位試驗(yàn)證明間隔深松耕作是改善土壤硬度，提高土壤宜耕性的有效耕作方法。虛實(shí)并存耕層結(jié)構(gòu)能夠明顯提高玉米出苗率、增加苗期玉米株高、莖粗及葉片數(shù)，并顯著提高玉米產(chǎn)量，增產(chǎn)幅度為8.17%～15.02%[11]。其中苗緊行松的間隔耕作方式能有效降低土壤硬度，提高土壤含水量，改善土壤結(jié)構(gòu)，促使耕層土壤水氣協(xié)調(diào)[12]。目前研究多采用定位的方式，對(duì)壟和溝間隔深松年際間更替的效果研究較少。秋夏年際交替間隔深松主要指秋收后進(jìn)行壟臺(tái)深松，至第二年初夏玉米拔節(jié)前進(jìn)行壟溝中耕深松，兩種深松方法在不同年份交替進(jìn)行。秋夏年際交替間隔深松有效地將秋季間隔深松和初夏農(nóng)田中耕深松結(jié)合起來(lái)，我們對(duì)其技術(shù)效果亦進(jìn)行了研究。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)與試驗(yàn)材料

試驗(yàn)在農(nóng)業(yè)部遼寧阜新農(nóng)業(yè)環(huán)境與耕地保育科學(xué)觀測(cè)試驗(yàn)站進(jìn)行，玉米品種為鄭單958，試驗(yàn)田土壤為褐土，耕作試驗(yàn)之前農(nóng)田長(zhǎng)期沒(méi)有進(jìn)行深松耕作，一直采用春季滅茬(淺旋耕8 cm左右)后直接播種的種植方式。2012年、2013年和2014年降水量分別為483.7、462.3、216.3 mm。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)秋季全方位深松(BS),秋季連年壟臺(tái)深松(RS),初夏連年壟溝中耕深松(FS)等方式，于6月上旬玉米拔節(jié)前進(jìn)行作業(yè)；秋夏年際交替間隔深松(AS)，2011年為秋季壟臺(tái)深松、2012年為6月上旬玉米拔節(jié)前壟溝中耕，以此年際間交替實(shí)施；以春季旋耕15cm為對(duì)照(CK)。每個(gè)試驗(yàn)處理面積為300 m2，重復(fù)3次，深松深度均為28cm，玉米種植密度為60 000 株·hm-2，播種時(shí)施用三元復(fù)合肥(N、P2O5、K2O含量均為15%)375 kg·hm-2，拔節(jié)期前追施尿素(N含量為46%)375 kg·hm-2。2012年、2013年和2014年玉米播種期分別為4月29日、4月30日、5月6日，收獲時(shí)期分別為9月25日、9月27日和9月21日。

1.3 調(diào)查內(nèi)容與方法

1.3.1 土壤容重 每年玉米收獲后深松作業(yè)實(shí)施前采用環(huán)刀法分別測(cè)定每個(gè)小區(qū)壟上和壟溝土壤容重，每5 cm為一測(cè)定層次，縱向分別計(jì)算0～15 cm和15～30 cm平均土壤容重，橫向分別計(jì)算壟和溝平均土壤容重。

1.3.2 土壤含水量與貯水量 玉米生長(zhǎng)關(guān)鍵時(shí)期在玉米壟和溝交接處采用土鉆鉆取土壤樣本，用105℃烘干法測(cè)定0～100 cm土壤含水量(約1個(gè)月測(cè)定1次)，每10 cm為1個(gè)測(cè)定層次，并計(jì)算土壤貯水量，如公式(1)。0～30 cm土壤容重按照每年測(cè)定結(jié)果進(jìn)行計(jì)算，30～100 cm土壤按照平均土壤容重1.5 g·cm-3進(jìn)行計(jì)算。

W=φm·ρ·h

(1)

式中,W為土壤貯水量(mm)，φm為土壤重量含水量(%)，ρ為土壤容重(g·cm-3)，h為土壤厚度(mm)。

1.3.3 土壤耗水量 采用土壤水分平衡法式(2)進(jìn)行計(jì)算。

ET=I+P-RO-DP+CR±ΔSF±ΔSW

(2)

式中，ET為作物生育期耗水量(mm),I和P分別為該時(shí)段內(nèi)的灌水量和降雨量(mm)，RO為降雨和灌溉時(shí)土壤的表面徑流量(mm)(本試驗(yàn)由于田間設(shè)有田埂，因此忽略)，DP為深層土壤滲漏量(mm)，CR為地下水由毛管上升到根區(qū)的水量(mm)(由于試驗(yàn)田地下水位較低，因此忽略)，ΔSF為土壤水側(cè)向滲漏量(mm)，包括側(cè)向流入量SFin和側(cè)向流出量SFout2項(xiàng)(本試驗(yàn)忽略)，ΔSW為土壤含水量的變化量(mm)。

1.3.4 作物產(chǎn)量與水分利用效率 玉米成熟時(shí)測(cè)定每個(gè)小區(qū)玉米產(chǎn)量，采樣小區(qū)面積為50 m2。同時(shí)計(jì)算玉米水分利用效率，計(jì)算公式如下式。

WUE=0.1·Y/ET

(3)

式中，WUE為作物水分利用效率(kg·m-3),Y為作物單位面積產(chǎn)量(kg·hm-2),ET為作物生育期耗水量(mm)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同耕作方式對(duì)土壤容重的影響

作物收獲后0～30 cm土層不同耕作方式下土壤容重縱向分布情況如表1所示，在試驗(yàn)實(shí)施前(2011年秋季)各處理差異不顯著。采用不同耕作方式后， 0～15 cm土層平均土壤容重CK一直處于最低水平，2012年RS>FS>BS≈AS>CK；2013年AS>FS≈RS>BS>CK；2014年FS≈RS>AS≈BS≈CK。15～30 cm土層平均土壤容重CK一直處于最高水平，2012年CK>RS>FS>AS≈BS；2013年CK>RS≈AS≈FS>BS；2014年CK>RS≈FS>AS≈BS。

作物收獲后0～30 cm土層不同耕作方式下土壤容重橫向分布情況如表2所示，CK無(wú)論壟或溝其土壤容重一直處于最高水平。壟體位置土壤容重，2012年CK>FS>AS ≈RS≈BS；2013年CK>FS≈AS>RS≈BS；2014年CK>FS>AS≈RS≈BS。壟溝位置土壤容重，2012年CK>RS>BS≈FS≈AS；2013年CK≈RS>AS>BS≈FS；2014年CK>RS>BS≈AS≈FS。

根據(jù)以上土壤容重特征，我們可以將不同處理土壤容重表述為：CK為上虛下實(shí)型，BS為均勻疏松型，RS為壟虛溝實(shí)型，F(xiàn)S為壟實(shí)溝虛型(相對(duì)其它處理)，AS為年際疏松交替型。

2.2 不同耕作方式對(duì)土壤水分的影響

不同耕作方式對(duì)土壤貯水量的影響如圖1(a)所示，2012年、2013年及2014年玉米生育前期降水相對(duì)豐沛，采用深松作業(yè)后土壤的蓄水能力較CK高，2014年玉米生育后期試驗(yàn) 區(qū)域遭受歷史罕見的嚴(yán)重伏旱[13-14]，使土壤貯水量大量消耗，深松處理保蓄的土壤水分顯然成為作物穩(wěn)產(chǎn)的關(guān)鍵因素之一。

表1 2011-2014年不同耕作方式下土壤容重縱向變化情況/(g·cm-3)

注：同列不同小寫字母表示LSD0.05差異顯著；同列不同大寫字母表示LSD0.01差異顯著，下同。

Note:Different lowercase letters in the same column showed significant differences in LSD0.05, while different uppercase letters showed significant differences in LSD0.01, the same below.

表2 2011-2014年不同耕作方式下土壤容重橫向(0～30 cm)變化情況/(g·cm-3)

對(duì)玉米生育期土壤平均貯水量進(jìn)行比較，采用深松耕作均能提高土壤貯水量，如圖1(b)。其中2012年玉米生育期土壤平均貯水量BS、AS、FS和RS均顯著高于CK，經(jīng)計(jì)算分別提高10.9、10.9、9.0 mm和8.2 mm；2013年玉米生育期平均土壤貯水量BS最高，較CK高16.3 mm，其次為AS和FS分別高14.6 mm和12.7 mm，再次為RS較CK高6.0 cm；2014年玉米生育期平均土壤貯水量BS和AS最高，較CK分別高23.2 mm和17.2 mm，其次為FS和RS，較CK分別高15.7 mm和7.1 mm。

2.3 不同耕作方式對(duì)作物產(chǎn)量和水分利用效率的影響

不同耕作方式下玉米的產(chǎn)量和水分利用效率如表3所示，2012年AS產(chǎn)量最高，其次為BS，再次為RS和FS，經(jīng)計(jì)算分別比CK增產(chǎn)28.65%、21.47%、13.35%和13.23%；2013年BS和AS產(chǎn)量最高，其次為RS和FS，經(jīng)計(jì)算分別比CK高18.93%、17.22%、11.01%和9.45%；2014年AS產(chǎn)量最高，其次為BS，之后依次為RS和FS，經(jīng)計(jì)算分別比CK高17.38%、16.21%、9.91%和5.90%。2012年和2013年降水相對(duì)充足，采用深松耕作具有增加土壤貯水能力的作用，因此會(huì)降低農(nóng)田的耗水量。2012年全生育期AS較CK少耗水22.3 mm，BS少耗水14.6 mm，F(xiàn)S少耗水7.6 mm，RS少耗水3.6 mm；2013年全生育期BS耗水量最少，比CK少26.9 mm；其次為FS、AS和RS，分別比CK少20.1、17.1 mm和11.7 mm。2014年由于遭受嚴(yán)重旱災(zāi)，為降低玉米干旱脅迫消耗了大量的土壤貯水量，整個(gè)生育期BS和FS分別較CK多消耗22.8 mm和9.5 mm土壤水分，AS和RS與CK耗水量差異不顯著。通過(guò)比較不同處理的水分利用效率，2012年AS最高，其次為BS，再次為FS和RS，分別較CK提高0.73、0.53、0.31 kg·cm-3和0.30 kg·cm-3；2013年BS和AS最高，其次為FS和RS，分別較CK提高0.67、0.55、0.37 kg·cm-3和0.35 kg·cm-3；2014年AS、RS、BS和FS較CK分別提高0.27、0.24、0.21 kg·cm-3和0.07 kg·cm-3。總體上,AS處理在3 a研究中,玉米持續(xù)保持著高生產(chǎn)能力和水分利用效率，較CK產(chǎn)量提高17.22%～28.65%，水分利用效率提高0.27～0.73 kg·m-3；2013年與BS產(chǎn)量和水分利用效率差異不顯著，而較其他兩年分別提高1.00%～5.92%，0.06～0.20 kg·m-3；較FS產(chǎn)量提高5.59%～13.50%，水分利用效率除2014年差異不顯著外，較其他兩年提高0.20～0.43 kg·m-3。

圖1 玉米生長(zhǎng)季0～100 cm土壤貯水量變化Fig.1 Change of soil water storage in 0～100 cm during maize growth season

表3 2012-2014年不同耕作方式下玉米產(chǎn)量和水分利用效率

3 結(jié)論與討論

土壤是作物生長(zhǎng)的基礎(chǔ)，由于中國(guó)農(nóng)田很少休閑，年復(fù)一年進(jìn)行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，耕作模式在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮著重要作用，幾千年來(lái)，精耕細(xì)作已成為中國(guó)農(nóng)業(yè)的特色[15]。耕作能降低土壤容重，提高土壤保水能力，調(diào)節(jié)土壤中固體、液體、氣體的三相比例，協(xié)調(diào)土壤中水、肥、氣、熱的關(guān)系，利于作物的根系生長(zhǎng)，并為作物的高產(chǎn)奠定良好基礎(chǔ)[16-17]。深松耕作具有耕作層深，劃破犁底層等優(yōu)點(diǎn)，可以降低土壤耕層的容重，增加通透性，改善土壤環(huán)境，加速雨水下滲，增加土壤耕層水分，促進(jìn)作物增產(chǎn)[18-19]。李傳友等[20]研究表明，通過(guò)深松可提高土壤蓄水能力，土壤累計(jì)入滲量提高58%～264%，土壤含水量增加3.2%～5.9%。羅洋等[21]的研究證明，虛實(shí)并存的耕層構(gòu)造有利于玉米生長(zhǎng)發(fā)育，株高和最大葉面積可提高8.37%～14.18%，氣生根條數(shù)和葉片凈光合速率也明顯提高。目前關(guān)于間隔深松的研究多集中在固定的耕作體系，關(guān)于間隔深松位置更替、耕作時(shí)間和后效等研究還相對(duì)較少[22-23]，尚未形成完整的間隔深松理論和技術(shù)體系。

本研究通過(guò)3 a定位試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，不同耕作方式對(duì)土壤容重的影響不同，可以將不同耕作處理土壤容重特征表述為：CK為上虛下實(shí)型，BF為均勻疏松型，RS為壟虛溝實(shí)型，F(xiàn)S為壟實(shí)溝虛型(相對(duì))，AS為年際疏松交替型。土壤容重與土壤貯水能力存在密切關(guān)系[24-25]，AS由于在2011年秋季和2012年初夏分別對(duì)農(nóng)田壟和溝進(jìn)行了間隔深松作業(yè)，2012年作物收獲后至2013年作物收獲前并未對(duì)農(nóng)田耕層進(jìn)行深度耕作作業(yè)，2013年作物收獲后和2014年初夏又分別對(duì)壟和溝進(jìn)行了間隔深松作業(yè)，因此年際間土壤容重存在更替變化。但試驗(yàn)證明這不會(huì)影響其年際間土壤貯水能力，總體上AS與BS一樣會(huì)保持較高的土壤貯水能力，能夠?yàn)椴煌邓晷拖掠衩追€(wěn)產(chǎn)提供保障。這是因?yàn)樯钏删哂泻笮ё饔肹26-27]，同時(shí)土壤水分在年際間也存在蓄留效應(yīng)[28]。3 a間BS、AS、FS和RS在不同年份土壤平均貯水量的變化范圍分別是10.9～23.2 mm、10.9～17.2 mm、9.0～15.7 mm和6.0～8.2 mm。

由于深松作業(yè)會(huì)增加農(nóng)田的貯水量，可為作物生長(zhǎng)創(chuàng)造相對(duì)較好的土壤水分條件，3 a中深松處理均明顯增加了玉米產(chǎn)量和水分利用效率，尤其相對(duì)于其他3種深松方式，AS處理玉米持續(xù)保持著高生產(chǎn)能力和水分利用效率。盡管AS和BS在一定條件下具有相近的土壤蓄水能力，但有研究證明間隔深松可以在土壤中形成虛實(shí)并存的耕層結(jié)構(gòu)，利于干旱季節(jié)土壤水分由下部移動(dòng)到土壤耕層，并提高玉米的抗倒伏能力[2,9,29]，AS可在保留間隔深松優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)全方位深松的蓄水效果，這為2012年和2014年AS玉米產(chǎn)量和水分利用效率較BS提高創(chuàng)造了條件。而AS相對(duì)于RS和FS兩種間隔深松方式，采用交替的深松方式更能降低土壤容重，改善土壤耕層結(jié)構(gòu)，提高土壤蓄水能力，使玉米保持更高的生產(chǎn)力。同時(shí)，一般全方位深松較間隔深松需要更多的能耗[30]，因此AS在降低作業(yè)成本方面具有優(yōu)勢(shì)，是更加理想的深松耕作方式。尤其在半干旱地區(qū)，通過(guò)年際間在秋季和初夏進(jìn)行間隔深松，能夠創(chuàng)造出較好的耕層結(jié)構(gòu)，利于蓄保秋季降水和夏季的集中降水，具有較好的應(yīng)用前景。