不同土壤耕作方式對東北風沙土區玉米田土壤質量及產量的影響

喬云發， 苗淑杰， 陸欣春， 姚 婷， 王鐵成

(1.南京信息工程大學， 江蘇 南京 210044; 2.中國科學院 東北地理與農業生態研究所，黑龍江 哈爾濱 150081; 3.黑龍江省杜蒙縣農業局， 黑龍江 大慶 162200)

1 材料與方法

1.1 研究區概況

試驗于2016年5—10月在黑龍江省大慶市杜爾伯特蒙古族自治縣農業科技園進行(46°47′N，124°26′E)，該園區處于中國東北風沙土區的中心位置，平均海拔高度138 m。該區屬溫帶大陸性半干旱季風氣候，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，冬春季風大，氣候干燥，蒸發力大，干旱和水土流失現象較為嚴重。土壤類型為沙壤土,基礎肥力情況為：土壤有機質含量為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，緊實度4.52 Mpa/cm2，容重1.54 g/cm3，孔隙度25.1%，三相結構距離(STPSD)21.61，土壤結構指數(GSSI)71.26。

1.2 試驗設計

試驗共設5個處理(表1)，每個處理3次重復，每個小區面積126 m2，隨機排列。5月14日播種，施玉米專用肥450 kg/hm2作基肥，在拔節期追施尿素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：采用環刀方法。

土壤硬度：采用TYD-2土壤硬度計測定土壤硬度，每小區S型測定5點。

土壤含水量：選擇小區中部，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：采用室內測定方法(環刀法)。

田間持水量：采用室內測定方法(環刀法)。

滲透速率：采用室內測定方法(環刀法)。

本文以某架車在實際使用中出現的轉向操作費力為出發點，通過Adams動力學仿真，對比分析梯形機構與回轉支承兩種轉向方式在直行及轉向時的理論操作力大小，得出與回轉支承相比，梯形機構自身結構不具備改善轉向操作力的條件，最后通過試驗驗證了理論分析的正確性。

收獲測產：每個小區隨機取3點，每點3 m2進行玉米產量的測定，每個樣點各取100 g用烘干測定玉米含水量，最后計算出玉米烘干產量。

土壤三相比：玉米成熟期采用5點取樣，用環刀分別取耕層和犁底層土，用烘干方法測定土壤三相比，計算土壤三相結構距離(STPSD)和土壤結構指數(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——土壤三相結構距離； GSSI——廣義土壤結構指數;Xg——固相體積百分比(%)；Xy——液相體積百分比(%)；Xq——氣相體積百分比(%)。

2 結果與討論

2.1 不同土壤耕作方式對風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%。與農民常規耕作相比，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%，可知相比農民常規耕作和翻耕，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。耕作層較淺的農民常規耕作和旋耕的處理，土壤相對板結，結構性差，不利于水分的運移[6]。

黏粒和有機質含量高的土壤持水性能較好，田間持水量較大，同時田間持水量與土壤結構具有一定相關性[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毛管不發達[5]。不同土壤耕作措施耕層土壤田間持水量表現為:翻耕>超深翻>深翻>旋耕>常規耕作；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34.3%，比常規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為:深翻>超深翻>翻耕>旋耕>常規。翻耕主要是打破犁底層，改變犁底層結構，導致沙土區漏水漏肥，因此在風沙土區耕地作業深度不宜超過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 耕作方式對風沙土容重和緊實度的影響

土壤容重是土壤的一個基本物理性質，能夠綜合反映土壤松緊度。土壤容重越大，表明土壤緊實、板結，土壤退化趨勢愈強；容重小，則說明土壤疏松多孔，結構型良好[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。

土壤緊實度是土壤管理的重要指標，它與有機殘茬還田、化肥利用、土壤養分循環、土壤微生物、作物生長及產量、土壤耕作方式等關系密切[9]。過于緊實的土壤可阻止水分的入滲，引起地表徑流，降低水分和養分的利用效率率，進而降低作物產量[9]。圖2表明不同土壤耕作方式對土壤緊實度有較大影響。和常規耕作相比，翻耕、深翻和超深翻耕層土壤緊實度增加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度無顯著影響，但是降低耕層土壤緊實度。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度，創建合理土壤剖面結構。

圖2 不同耕作方式對土壤容重和緊實度的影響

2.3 耕作方式對風沙土三相比的影響

理想的土壤三相比是固相50%，液相和氣相各25%，GSSI 代表廣義土壤結構指數，土壤結構越接近理想狀態，GSSI 越接近100[5]。STPSD代表土壤三相結構距離，土壤三相結構越接近理想狀態，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，說明非常規耕作對土壤物理結構的改善有積極的作用。在耕層各深耕處理的STPSD值均小于常規處理，降低18%。旋耕、翻耕、深翻和超深翻處理土壤結構較為合理，但各處理間沒有顯著差異。在犁底層，超深翻土壤物理結構最為合理，GSSI 值較常規耕作處理提高了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 耕作方式對玉米產量的影響

由圖3可知，耕作方式對玉米產量影響較大，與常規耕作處理相比，翻耕和超深翻增加玉米產量，分別增加17.6%和6.0%，翻耕比超深翻產量高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，影響當年玉米產量。一方面土壤越黏重上層土壤與下層土壤熟化程度越大，由于風沙土黏粒含量少，上下層土壤能量和物質交換比較頻繁，熟化差異對玉米生長影響較小。另一方面夏季風沙土增溫快，晝夜溫差大，土壤通透性強，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季玉米產量的影響遠小于耕作對玉米產量的影響。次外，從經濟效益角度來看與常規耕作相比，翻耕作業增加生產投入成本750元/hm2，增收玉米當前市場價值1 598元，凈收入增收848元/hm2。深翻處理玉米產量為5.58 t/hm2，比常規耕作減產8.1%，生產投入增加1 050元/hm2。旋耕處理與常規耕作玉米產量差異不顯著。超深翻耕作比常規耕作雖然增加玉米產量，每1 hm2增收玉米價值543元，但是同時超深翻投入增加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，采取翻耕作業是最理想耕作模式。

圖3 不同耕作方式對玉米產量的影響

3 結 論

不同的土壤耕作方式對風沙土物理特性有著不同的影響，與農民常規耕作相比，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，同時降低土壤容重和土壤緊實度。旋耕處理對土壤含水量、田間持水量、容重和緊實度影響不顯著，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度。與常規耕作相比，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量的影響較大，翻耕>超深翻>旋耕、常規>深翻，而深翻減產8.1%。根據不同土壤耕作對土壤物理特性及玉米產量和經濟效應的綜合分析，東北風沙區玉米田采用翻耕可以改善耕層土壤物理特性增加玉米產量，從而更好地實現農業的可持續發展。