深松對三江平原春玉米田土壤水分和產(chǎn)量的影響

鄭培峰, 張曉龍, 司 雨, 呂艷杰, 王立春, 王永軍

(1.吉林農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)院, 長春 130118; 2.吉林省農(nóng)業(yè)科學(xué)院資源與環(huán)境研究所/玉米國家工程實(shí)驗(yàn)室, 長春 130033)

三江平原位于黑龍江省東北部，由松花江、烏蘇里江和黑龍江三江沖積形成，是我國重要的商品糧生產(chǎn)基地。玉米作為當(dāng)?shù)刂饕魑镏?，近年來種植面積不斷增加，對穩(wěn)定地區(qū)糧食生產(chǎn)安全至關(guān)重要[1-3]。當(dāng)前，三江平原玉米生產(chǎn)主要面臨著農(nóng)業(yè)用水緊張和土壤退化的雙層壓力[4-7]。研究表明，1955—1999年三江平原地區(qū)年降水量呈減少趨勢[8]，水分蒸散量逐年增加[4]。同時(shí)濕地轉(zhuǎn)化農(nóng)田過程加快，農(nóng)作物(水稻)面積增加帶來農(nóng)業(yè)灌溉用水增加[2-3]，導(dǎo)致水資源供需矛盾突顯。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上長期采用以旋代耕的土壤耕作方式，形成不合理耕層結(jié)構(gòu)，影響土壤中水分、熱量和氣體的傳遞，制約玉米生長發(fā)育和高產(chǎn)高效[6-7]。因此，緩解水資源供需矛盾，消除玉米農(nóng)田土壤障礙，已成為三江平原玉米生產(chǎn)亟待解決的關(guān)鍵問題。合理有效的耕作方法是實(shí)現(xiàn)土地保護(hù)與改良的重要措施[9]，選用適當(dāng)?shù)母鞣椒梢约铀俚乇硭臐B入，減少無效蒸發(fā)[10-11]。相反，不合適的耕作方法可以減少地表水滲透，加速無效蒸發(fā)，影響根系向下生長，降低作物產(chǎn)量[12]。以往農(nóng)田生產(chǎn)中大多采用常規(guī)表層旋耕，造成土壤透水保水性能差[13]，影響作物正常生長。采用保護(hù)性耕作可緩解這一狀況，有效減少土壤侵蝕，提高水分利用效率以及土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性[14]。深松是保護(hù)性耕作的關(guān)鍵措施，對減輕農(nóng)田土壤結(jié)構(gòu)障礙，提升土壤生產(chǎn)力具有良好的效果[15-16]，被眾多學(xué)者公認(rèn)為構(gòu)建合理耕層結(jié)構(gòu)的有效改土技術(shù)[17]。目前，關(guān)于深松對農(nóng)田土壤及作物的研究大都集中于土壤結(jié)構(gòu)、水分、作物根系發(fā)育和養(yǎng)分循環(huán)等方面[18-22]。研究表明，農(nóng)田土壤經(jīng)過深松后，土壤疏松多空隙，使得作物根系下扎伸長，增強(qiáng)了根系對深層土壤養(yǎng)分和水分的吸收能力，促進(jìn)作物生長[23-25]。Nidia等[26]和尹寶重等[27]研究表明，深松可顯著增加土壤貯水量，提升土壤有效供水能力；提高作物生長期階段對深層水分的利用吸收，增加農(nóng)田土壤水分消耗量和蒸散量[28]。深松可提高表層土壤碳氮含量及根際土壤酶活性，加快秸稈腐殖質(zhì)分解，促進(jìn)作物對營養(yǎng)元素吸收轉(zhuǎn)化，進(jìn)而提高作物產(chǎn)量[29-30]。此外，研究人員針對深松深度和時(shí)期開展了系列研究，主要集中在不同時(shí)期深松或不同深度深松對土壤改良和作物生長的單一效應(yīng)。閻曉光等[31]研究深松時(shí)期對旱地春玉米水分利用狀況和產(chǎn)量影響表明，與夏季深松相比，秋季深松和春季深松能增加根系對土壤水分的獲取，促進(jìn)玉米干物質(zhì)積累，提高產(chǎn)量；劉戰(zhàn)東等[32]研究也表明相同灌溉模式下，秋季深松相比夏季深松，對作物光合能力的提高具有積極效應(yīng)。關(guān)于深松深度研究中，程思賢等[33]通過設(shè)置30 cm，40 cm，50 cm和60 cm 4個(gè)深松深度對比發(fā)現(xiàn)，深松深度在30—40 cm對土壤改善和作物生長最為適宜；王亮等[28]也表明深松40 cm是南疆綠洲滴灌棉田適宜的深松深度。以上研究多集中在單一深松限定因子，針對三江平原草甸黑土環(huán)境條件下，有關(guān)不同時(shí)期和深度復(fù)合效應(yīng)對玉米田土壤環(huán)境、耗水特性及作物生產(chǎn)的系統(tǒng)性研究不足。因此，本研究在前人研究的基礎(chǔ)上，設(shè)置深松時(shí)期和深松深度二因素交互試驗(yàn)，深松時(shí)期設(shè)定為秋季、春季和夏季；深松深度設(shè)置30 cm和40 cm2個(gè)深度，以期探明深松時(shí)期和深松深度復(fù)合效應(yīng)對三江平原玉米農(nóng)田土壤水分利用、玉米生長及產(chǎn)量的影響，揭示深松擴(kuò)容增產(chǎn)機(jī)理，為構(gòu)建三江平原玉米農(nóng)田適宜的耕層結(jié)構(gòu)及深松技術(shù)的合理應(yīng)用提供理論依據(jù)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)地位于黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院佳木斯分院試驗(yàn)基地(46°47′N，130°24′E；海拔111.3 m)，該地區(qū)年日照時(shí)數(shù)2 525 h，常年平均氣溫3.0℃，年最低氣溫-35℃，最高氣溫38.1℃，≥10℃活動(dòng)積溫2 590℃，無霜期130 d，2015年生育期降雨量及平均溫度見圖1。試驗(yàn)地土壤為草甸黑土，土壤有機(jī)質(zhì)含量2.49%，堿解氮含量86.3 mg/kg，有效磷含量64.6 mg/kg，速效鉀79.9 mg/kg，全氮含量0.14%，全磷含量0.14%，全鉀含量3.12%，pH值為6.5，前茬作物為玉米，種植模式為一年一熟制。

圖1 玉米生育期氣象條件

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2015年4月至11月進(jìn)行，采取雙因素隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，以常規(guī)表層旋耕15 cm為對照(CT15)，深松深度設(shè)定為30 cm和40 cm 2個(gè)深度，深松時(shí)期設(shè)定為上一年秋季(10月20日)，當(dāng)年春季(4月15日)和當(dāng)年夏季(6月20日)3個(gè)時(shí)期，共7個(gè)處理，分別為常規(guī)15 cm旋耕(CT15)，秋季30 cm深松(QS30)、春季30 cm深松(CS30)、夏季30 cm深松(XS30)、秋季40 cm深松(QS40)，春季40 cm深松(CS40)和夏季40 cm深松(XS40)。每個(gè)處理重復(fù)3次，共21個(gè)小區(qū)，小區(qū)面積為400 m2(長40 m，寬10 m)。供試玉米品種為先玉335，行距65 cm，密度為6.15萬株/hm2，于2015年4月28日播種，2015年9月28日收獲。試驗(yàn)過程采用機(jī)械化作業(yè)，采用彎刀式深松機(jī)對處理小區(qū)進(jìn)行精準(zhǔn)行間深松，深松寬度12 cm。試驗(yàn)區(qū)采用噴灌方式，在播種后噴灌35 mm，各小區(qū)灌溉量相同，試驗(yàn)區(qū)周圍設(shè)置保護(hù)行，其他農(nóng)事管理措施同周邊大田。

1.3 測定項(xiàng)目及方法

1.3.1 土壤含水量測定 采用土鉆鉆土烘干法測定[34]。在玉米出苗(VE)，3葉期(V3)、拔節(jié)期(V6)，吐絲期(R1)和成熟期(R6)，用土鉆于各小區(qū)行間鉆取0—10 cm，10—20 cm，20—35 cm和35—50 cm土層土樣，置于鋁盒中稱取鮮土質(zhì)量，稱完后置于80℃烘箱中烘干至恒重，烘干后稱取干土重量并記錄。各小區(qū)內(nèi)3次平行測定，取平均值計(jì)算土壤質(zhì)量含水率。試驗(yàn)期間降雨量與灌溉量在50 cm土層未發(fā)生滲漏與形成徑流。

土壤含水量(%)=(濕土質(zhì)量—烘干土質(zhì)量)/烘干土質(zhì)量×100%

1.3.2 株高、穗位高測定及綠葉數(shù)調(diào)查 每個(gè)小區(qū)選取生長發(fā)育一致、葉片無病斑和破損的植株5株，用標(biāo)簽卡片進(jìn)行標(biāo)記，在R1+30 d和R6期，測定植株綠葉數(shù)(綠色區(qū)域面積占總?cè)~面積≥50%)；在玉米R(shí)6期，測定其株高和穗位高(植株基部到雄穗最高處的距離即為該植株的株高，植株基部到穗位節(jié)的高度即為穗位高)。

1.3.3 產(chǎn)量及構(gòu)成因素測定 在玉米R(shí)6期，每個(gè)小區(qū)選擇中間4行，連續(xù)測10 m，記錄株數(shù)、穗數(shù)、倒伏率、收回全部果穗稱重并數(shù)個(gè)數(shù)，按照均值法取20個(gè)果穗考種，折算成標(biāo)準(zhǔn)含水量(14%)的產(chǎn)量，同時(shí)測定穗粒數(shù)、含水率，百粒重等指標(biāo)。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理及統(tǒng)計(jì)分析采用Excel 2019和SPSS 25.0軟件進(jìn)行，運(yùn)用Origin 28作圖，不同處理間多重比較采用Duncan新復(fù)極差法，經(jīng)t檢驗(yàn)(p<0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同時(shí)期和深度深松對玉米農(nóng)田土壤含水量的影響

同一土層深度，除VE期因播種灌溉外，各處理土壤含水量變化基本與當(dāng)?shù)亟涤炅孔兓嘁恢?，基本呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢，R1期含水量最低(圖2)。0—10 cm和10—20 cm土壤含水量變化幅度較大，20—35 cm和35—50 cm土壤含水量變化較為穩(wěn)定。0—10 cm土壤，各處理含水量在VE期和R1期差異顯著，其中XS40和QS40土壤含水量在VE期和R1期顯著高于CT15，分別高29.17%和9.25%，21.02%和12.94%。10—20 cm土壤含水量在各時(shí)期均高于0—10 cm，以XS40和QS40作用效果明顯，在VE期和R1期與CT15相比，分別高22.67%和18.25%，8.18%和6.39%。20—35 cm各處理土壤含水量變化與CT15變化保持相對一致，在各時(shí)期基本高于CT15，且在VT期和R1期與CT15差異顯著。35—50 cm土壤，各處理在VT期、R1期和R6期土壤含水量均高于CT15，在VT期作用效果最佳。

深松有利于減少土壤水分的散失，保持土壤水分穩(wěn)定。深松深度對VE期0—20 cm，V6期和R1期20—50 cm土壤含水量影響顯著，對V3期和R6期各層土壤含水量無顯著影響；不同時(shí)期深松及不同深度和時(shí)期深松交互作用主要對VE期和V3期10—20 cm，20—35 cm和35—50 cm土壤含水量影響顯著(表1)。

2.2 不同時(shí)期和深度深松對玉米農(nóng)藝性狀的影響

由圖3可知，QS30對R6期玉米株高存在顯著影響，與CT15相比，QS30處理植株高度降低5.53%；CS40和XQS40處理成熟期玉米穗位高與CT15有顯著差異，與CT15相比，分別降低6.67%和10.98%(p<0.05)。方差分析結(jié)果顯示，深松深度對株高影響極顯著。深松深度和時(shí)期交互作用對穗位高影響顯著(表2)。吐絲后30 d，除CS30外，其綠葉數(shù)與CT15相比無顯著差異，成熟期各處理綠葉數(shù)差異顯著，較CT15均有不同程度延遲黃葉、落葉效果，其中以QS30，QS40和XS30作用效果顯著，較CT15分別高34.85%，48.02%和15.12%(p<0.05)。方差分析結(jié)果表明，不同時(shí)期深松對R1+30 d和R6期綠葉數(shù)有顯著影響，不同深度深松及二者交互作用影響不顯著(表2)。

圖2 不同時(shí)期和深度深松對生育期不同土層含水量的影響

表1 不同時(shí)期和深度深松對土壤含水量影響方差分析

2.3 不同時(shí)期和深度深松對玉米產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成的影響

不同時(shí)期和深度深松對玉米禿尖長度、有效穗數(shù)、穗粒數(shù)、百粒重和籽粒產(chǎn)量的影響見表3。各處理籽粒產(chǎn)量相較于CT15均有不同程度提高。QS30，CS30，XS30，QS40，CS40和XS40各處理籽粒產(chǎn)量分別較CT15增加5.13%，1.28%，3.85%，10.26%，7.69%和5.13%，QS40籽粒產(chǎn)量最高。40 cm相較30 cm深松對提高產(chǎn)量具有較好效果，同一時(shí)期下，QS40，CS40和XS40處理較QS30，CS30，XS30分別增加4.88%，6.33%和1.23%；同一深度，秋季深松與春季和夏季深松相比，產(chǎn)量均得到增加，QS30和QS40分別較CS30，XS30和CS40，XS40增加3.66%，1.22%和2.33%，4.65%。秋季和春季深松對縮短禿尖長度取得較好效果，QS30，CS30，QS40和CS40與CT15相比，其禿尖長度分別降低49.06%，37.74%，56.60%和30.19%。產(chǎn)量構(gòu)成方面，收獲穗數(shù)和百粒重各處理彼此間差異不顯著，QS30，QS40和CS40處理穗粒數(shù)顯著高于CT15，分別高11.94%、14.67%和11.55%。方差分析表明，深松時(shí)期和深松深度均對籽粒產(chǎn)量影響顯著，其中深松時(shí)期對籽粒產(chǎn)量影響極顯著，深松深度對禿尖影響顯著。

圖3 不同時(shí)期和深度深松對玉米相關(guān)農(nóng)藝性狀的影響

表2 深松對玉米農(nóng)藝性狀方差分析

3 討論與結(jié)論

采用玉米連作的三江平原春玉米田地區(qū)，近些年一直采用播前旋耕的機(jī)械耕作方式，導(dǎo)致土壤在亞表層形成緊實(shí)的犁底層，影響到當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。采用深松可改善土壤質(zhì)量，改良土壤結(jié)構(gòu)，打破犁底層，增加土壤的通透性，對穩(wěn)定和提升作物產(chǎn)量具有重要作用。

表3 不同時(shí)期和深度深松對玉米產(chǎn)量及其構(gòu)成因數(shù)的影響

土壤水分是植物獲取水分的重要來源，與玉米生長發(fā)育息息相關(guān)。研究表明，深松可通過改變土壤結(jié)構(gòu)，促進(jìn)水分入滲，提高土壤深層含水量[26-28]。本文研究結(jié)果與之相同，深松可提高土壤水分含量，以10—50 cm土壤含水量最為明顯。深松40 cm整體上優(yōu)于深松30 cm，且深松深度主要影響玉米V6期和R1期20—35 cm和35—50 cm土壤含水量；相關(guān)研究已表明，深松深度的增加，會(huì)擴(kuò)大土壤疏松層，從而增加土壤水分含量[28]，這與本文結(jié)果相一致，但也有部分研究認(rèn)為當(dāng)深松深度過大時(shí)會(huì)造成水分供需失衡[26]，作物無法有效吸收土壤水分，農(nóng)田耗水量降低[25]，造成不同生態(tài)區(qū)域深松差異的原因可能與取樣時(shí)期，當(dāng)?shù)貧夂驐l件和土壤類型有關(guān)，有待進(jìn)一步驗(yàn)證。本文結(jié)果顯示，秋季深松效果優(yōu)于春季深松和夏季深松，對VE期10—35 cm和V3期0—50 cm土壤含水量影響顯著；這與閻曉光等[31]的結(jié)果相一致，春季和夏季深松與秋季深松相比，水分蒸發(fā)加劇，此外，夏季深松過程中會(huì)對作物根系造成傷害，減弱了根系對土壤水分的吸收能力。試驗(yàn)結(jié)果顯示，QS40處理深松效果最佳，顯著提高V6-R6期土壤含水量；以R1期為例，與CT15相比，其在0—10 cm，10—20 cm，20—35 cm和35—50 cm土壤含水量分別高12.94%，6.39%，7.81%和6.69%。

V6期至R1期是玉米需水的關(guān)鍵時(shí)期，試驗(yàn)結(jié)果中，深松后20—35 cm，35—50 cm土壤水分變化相對穩(wěn)定，其土壤水分含量高于0—20 cm，在V6期至R1期未出現(xiàn)明顯下降，與CT15存在明顯差異；造成這種情況的原因或是，0—10 cm和10—20 cm土壤，經(jīng)深松后土層疏松層加厚，產(chǎn)生輸送土壤水分入滲的有效通道，增加水的滲透能力[35-36]，同時(shí)氣溫升高，土壤表層水分蒸發(fā)劇烈，加之玉米處于需水旺盛期，雖發(fā)生降雨，但作用較小，因而0—10 cm和10—20 cm土壤水分呈現(xiàn)下降趨勢；20—35 cm，35—50 cm土壤經(jīng)過深松后，質(zhì)地變得松軟，水分運(yùn)動(dòng)阻力減弱，隨著氣溫逐漸回暖，土壤水分蒸發(fā)加劇，土壤水分供給與消耗能力明顯增強(qiáng)，造成在V6期和R1期20—35 cm，35—50 cm土壤水分含量略微下降，CT15上升。因此，當(dāng)季節(jié)性降雨分布與作物需求不一致時(shí)，深松可為當(dāng)季作物保留更多的深層土壤水分，供給下一階段作物生長使用[37]。

深松可促進(jìn)深層根系生長發(fā)育，提高農(nóng)作物產(chǎn)量[27,38]。玉米R(shí)1期后，延長綠葉期，有助于植株有機(jī)物積累；葉片是植物光合作用的場所，可反映植株的光合能力。深松可延緩作物衰老過程[39]。比較試驗(yàn)處理玉米株高，穗位高和綠葉數(shù)等指標(biāo)發(fā)現(xiàn)，QS30可在保持穗位高的前提下，有效降低植株高度，而CS40和XS40與之相反，即可在保持植株高度的基礎(chǔ)上，降低植株穗位高度；QS30，QS40和XS30較CT15均有不同程度延遲黃葉、落葉效果。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，深松并沒有改變玉米物候期，這表明各深松株高、穗位高和綠葉數(shù)的變化并不是由于物候期變化而引起，可能是由于深松改善了農(nóng)田耕層的疏松狀況，利于根系深扎和水肥的調(diào)動(dòng)利用，提高了玉米生長所需水肥的持續(xù)供應(yīng)能力，從而對玉米發(fā)育產(chǎn)生良好效應(yīng)。

深松可通過改善土壤結(jié)構(gòu)，影響作物根區(qū)環(huán)境，促進(jìn)其根系對水分和養(yǎng)分的吸收，有效地提高植物地上部分的水分和養(yǎng)分供應(yīng)[40-41]。對作物生產(chǎn)潛能具有積極作用[42]。試驗(yàn)結(jié)果顯示，深松與常規(guī)旋耕相比，玉米穗粒數(shù)顯著提高，使玉米籽粒產(chǎn)量增加[43]。深松深度增加，可以提高穗粒數(shù)、百粒重和籽粒產(chǎn)量，深松時(shí)期對玉米籽粒產(chǎn)量產(chǎn)生積極影響，隨著深松時(shí)期的推延，果穗禿尖長度和百粒重呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢，穗粒數(shù)和籽粒產(chǎn)量呈現(xiàn)下降趨勢。多重比較發(fā)現(xiàn)，40 cm深松相較于30 cm深松對產(chǎn)量提升效果顯著，同一時(shí)期下，QS40，CS40和XS40處理較QS30，CS30，XS30分別增加4.88%，6.33%和1.23%，與Kuang等[36]和Wang等[44]研究結(jié)果相一致；玉米產(chǎn)量間的差異可能是由于耕作深度對土壤顆粒結(jié)構(gòu)的影響，減少了根系生長的空間阻力，提高了玉米對地上部水分和養(yǎng)分供應(yīng)能力[45]，同時(shí)玉米根系吸收養(yǎng)分的主要耕層集中在0—40 cm，30 cm深松和40 cm深松的差異對玉米根系吸收養(yǎng)分區(qū)間影響較大，因而彼此對產(chǎn)量的影響具有顯著差異?；谠囼?yàn)結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)深松深度對玉米產(chǎn)量正調(diào)節(jié)效應(yīng)可能存在某種正相關(guān)或者線性關(guān)系；秋季深松較其他季節(jié)效果最佳。

綜上，秋季40 cm深松可有效保持土壤水分穩(wěn)定，在各生育時(shí)期均起到保水蓄墑的作用，30 cm和40 cm深松均提高土壤水分含量，保水蓄墑，延長綠葉期，促進(jìn)光合產(chǎn)物及產(chǎn)量形成，但40 cm深松效果更加明顯；深松時(shí)期在秋季表現(xiàn)最佳。綜合試驗(yàn)分析得出，秋季40 cm深松是三江平原春玉米實(shí)現(xiàn)提質(zhì)增產(chǎn)的最佳深松組合。

感謝國家玉米產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系佳木斯站為本試驗(yàn)順利進(jìn)行提供幫助。