立式深旋松耕對(duì)西北半干旱區(qū)土壤水分性狀及馬鈴薯產(chǎn)量的影響

，，，，，

(1.甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院旱地農(nóng)業(yè)研究所，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅省旱作區(qū)水資源高效利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730070)

“精耕細(xì)作”是我國(guó)農(nóng)耕文化的精神實(shí)質(zhì)，更是五千年來(lái)我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的根本方法[1]。改變耕作方式來(lái)優(yōu)化土壤物理結(jié)構(gòu)，對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育有積極作用[2-3]，尤其對(duì)西北黃土高原地區(qū)而言，將是提高作物抗旱性、產(chǎn)量和水分利用效率的有效措施[2]。自20世紀(jì)30年代以來(lái)，美國(guó)大力推廣應(yīng)用以免耕或者少耕為主的保護(hù)性耕作方法，這不僅使土面侵蝕降低了50%，而且結(jié)合秸稈覆蓋還田等技術(shù)的應(yīng)用，使得土壤物理性狀和肥力狀況得到根本改善，顯著提高農(nóng)田生產(chǎn)力，玉米增產(chǎn)10%～20%[3]。目前，全世界少免耕作應(yīng)用面積達(dá)到1.69億hm2，占世界總耕地面積的11%[3]。我國(guó)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)中有很多少免耕作的經(jīng)驗(yàn)，如華北地區(qū)鐵茬播種、東北地區(qū)壟作、西北地區(qū)砂田種植等[3]，其研究開(kāi)始于20世紀(jì)80年代，基本探明了少免耕作對(duì)土壤物理、化學(xué)和生物性狀的影響[4-9]。自20世紀(jì)末起，旋耕技術(shù)逐漸成為我國(guó)農(nóng)田耕作的主要方式，但其耕作深度一般在18 cm以?xún)?nèi)，長(zhǎng)期旋耕造成犁底層變淺和土壤僵化，不僅影響了土壤的物理和化學(xué)性狀，而且使作物產(chǎn)量和水肥效率下降[10-12]。為解決這一問(wèn)題，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部出臺(tái)了《全國(guó)農(nóng)機(jī)深松整地作業(yè)實(shí)施規(guī)劃(2016-2020年)》，以通過(guò)深松打破犁底層，優(yōu)化土壤水碳環(huán)境和提高作物資源利用效率[12-15]。然而，雖然深松可以打破犁底層、促進(jìn)根系生長(zhǎng)，提高作物水肥利用能力和產(chǎn)量[14-17]，但不能有效降低土壤容重和增加孔隙度，進(jìn)而優(yōu)化土壤水分特性以實(shí)現(xiàn)高效利用。立式深旋松耕技術(shù)是在粉壟技術(shù)上發(fā)展而來(lái)的一項(xiàng)新的耕作技術(shù)，它集成了旋耕和深松的優(yōu)點(diǎn)，能夠顯著降低土壤容重和提高土壤孔隙度，在西南甘蔗(Saccharum)、山藥(Dioscoreaerhizoma)，華北平原小麥(Triticumaestivum)、玉米(Zeamays)等作物生產(chǎn)中具有顯著增產(chǎn)效果[18-22]。西北黃土高原半干旱區(qū)是我國(guó)重要的馬鈴薯(Solanumtuberosum)優(yōu)勢(shì)主產(chǎn)區(qū)，但受季節(jié)性干旱脅迫的影響，產(chǎn)量長(zhǎng)期在20 t·hm-2以?xún)?nèi)，低于全國(guó)平均水平[23]。近幾年研發(fā)應(yīng)用的全膜覆蓋壟作技術(shù)，雖然提高了自然降水利用率，并使產(chǎn)量增加30%以上，但馬鈴薯的增產(chǎn)潛力依然未能充分發(fā)揮[23-24]，這是由于土壤供水能力無(wú)顯著增加，不能有效抵御季節(jié)性干旱危害；加之長(zhǎng)期旋耕使得土壤犁底層變淺，影響了根系發(fā)育和水分運(yùn)移，導(dǎo)致降水生產(chǎn)潛力不能充分發(fā)揮[10]。鑒于以上原因，本研究以馬鈴薯為指示作物，在全膜覆蓋壟作條件下研究了旋耕、立式深旋松耕和深松對(duì)土壤水分特性、馬鈴薯水分利用和產(chǎn)量的影響，為探索該區(qū)域抗旱增產(chǎn)、水分高效的耕作技術(shù)提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)概況

試驗(yàn)于2016-2017年在甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院定西試驗(yàn)站(甘肅省定西市安定區(qū)團(tuán)結(jié)鎮(zhèn)唐家堡村，104°36′ E, 35°35′ N)進(jìn)行。該區(qū)海拔1970 m，年平均氣溫6.2 ℃，年輻射總量5898 MJ·m-2，年日照時(shí)數(shù)2500 h，≥10 ℃年積溫2075.1 ℃，無(wú)霜期140 d，屬中溫帶半干旱氣候。作物一年一熟，為典型旱地雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)。試驗(yàn)區(qū)土壤為黃綿土，0～30 cm土層平均容重1.25 g·cm-3，田間持水量為21.18%，凋萎系數(shù)為7.2%。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，設(shè)置傳統(tǒng)旋耕(traditional tillage，TT，旋耕機(jī)早春耕作，耕深15 cm左右。耕作結(jié)束后用起壟覆膜機(jī)營(yíng)建壟溝，并同時(shí)施肥，然后覆蓋地膜；按季節(jié)用馬鈴薯點(diǎn)播器壟上穴播，每穴1株)、深松耕(deep loosening tillage，DLT，深松機(jī)早春耕作，耕深40 cm左右。耕作結(jié)束后用起壟覆膜機(jī)營(yíng)建壟溝，并同時(shí)施肥，然后覆蓋地膜；按季節(jié)用馬鈴薯點(diǎn)播器壟上穴播，每穴1株)和立式深旋松耕(vertically rotary sub-soiling tillage，VRT，用由定西山石農(nóng)業(yè)科技有限公司和甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院旱地農(nóng)業(yè)研究所共同研制的立式深旋松耕作施肥覆膜一體機(jī)早春耕作，耕深40 cm左右。按季節(jié)用馬鈴薯點(diǎn)播器壟上穴播，每穴1株)3個(gè)處理。每處理3次重復(fù)，小區(qū)面積6 m×10 m=60 m2。種植作物為馬鈴薯，采用全膜覆蓋壟上微溝種植方法，種植帶寬100 cm，寬窄行種植，寬行60 cm，窄行40 cm(圖1)，小溝內(nèi)每隔50 cm左右扎眼以便于水分入滲；密度60000株·hm-2，2016年4月下旬播種，9月上旬收獲；2017年4月下旬播種，10月上旬收獲。試驗(yàn)于2016和2017年早春土壤消融時(shí)即進(jìn)行耕作處理。傳統(tǒng)旋耕耕作深度15 cm左右，深松耕40 cm，立式深旋松耕40 cm，均用機(jī)械操作。耕作后即進(jìn)行有關(guān)參數(shù)測(cè)定，并在馬鈴薯播前、收獲后測(cè)定0～200 cm土壤貯水量，全小區(qū)收獲計(jì)算塊莖產(chǎn)量。

圖1 馬鈴薯全膜覆蓋壟上微溝種植技術(shù)Fig.1 Potato micro-furrows on ridges and planting with plastic mulching

1.3 試驗(yàn)區(qū)2016-2017年降水量

根據(jù)甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院定西試驗(yàn)站氣象資料統(tǒng)計(jì)，試驗(yàn)區(qū)2016年屬?lài)?yán)重的欠水年份，馬鈴薯生育期內(nèi)降水量為179.3 mm；2017年為平水年(未計(jì)11-12月降水量)，馬鈴薯生育期內(nèi)降水量為353.5 mm，但兩年均在馬鈴薯盛花期發(fā)生持續(xù)干旱，季節(jié)分配不均(圖2)。2016年溫度偏高，2017年則與多年平均溫度基本持平。降水分布不均和氣溫變異均對(duì)馬鈴薯的生長(zhǎng)造成一定影響，導(dǎo)致年際間產(chǎn)量不一致。

圖2 2016-2017年試驗(yàn)區(qū)降水分布和平均氣溫變化Fig.2 Precipitation and average air temperature in test areas from 2016 to 2017

1.4 測(cè)定指標(biāo)及方法

1.4.1土壤貯水量 在馬鈴薯播期、盛花期和收獲期用烘干法測(cè)定0～200 cm土層土壤含水量，每20 cm為一個(gè)層次，每小區(qū)在壟上馬鈴薯株間測(cè)定一個(gè)位點(diǎn)。

土壤貯水量：SWS(mm)= WS×γ×d/100

式中:WS為土壤重量含水量(g·kg-1)；γ為土壤容重(g·cm-3)；d為土壤深度(cm)。土壤萎蔫貯水量(mm)和田間持水量(mm)的計(jì)算中，WS分別為土壤萎蔫貯水量(g·kg-1)和田間持水量(g·kg-1)。

1.4.2土壤物理性狀 參照土壤理化分析的方法[25]，對(duì)0～10 cm、10～20 cm和20～40 cm土層的土壤容重、土壤總孔隙度、飽和含水量、土壤毛管孔隙度、毛管含水量進(jìn)行測(cè)定。土壤容重測(cè)定采用環(huán)刀法(環(huán)刀容積為100 cm3)。土壤總孔隙度測(cè)定：利用測(cè)定容重的環(huán)刀浸入水中24 h，稱(chēng)重至恒質(zhì)量，按公式(1)測(cè)定飽和含水量；根據(jù)公式(2)計(jì)算總孔隙度；土壤毛管孔隙度的測(cè)定：將飽和后的環(huán)刀樣置于鋁盒上，中間用濾紙隔開(kāi)，放置12 h 烘干至恒質(zhì)量，并稱(chēng)重，按照公式(3)計(jì)算土壤毛管含水量；毛管孔隙度依據(jù)公式(4)計(jì)算。田間持水量(%)和萎蔫系數(shù)按照Garg等[26]的方法測(cè)定。

飽和含水量=(浸泡后土質(zhì)量-烘干土質(zhì)量)/烘干土質(zhì)量×100%

(1)

總孔隙度=飽和含水量×容重

(2)

土壤毛管含水量=(放置后的土質(zhì)量-烘干的土質(zhì)量)/烘干的土質(zhì)量×100%

(3)

土壤毛管孔隙度=土壤毛管含水量/飽和含水量×總孔隙度

(4)

1.4.3土壤有效貯水量計(jì)算 土壤有效貯水量=土壤貯水量(mm)-土壤萎蔫貯水量(mm)，本試驗(yàn)中計(jì)算0～10 cm、10～20 cm和20～40 cm有效貯水量。

1.4.4水分利用效率的計(jì)算 測(cè)定馬鈴薯播前和收獲后0～200 cm土層的土壤含水量，按照公式(5)計(jì)算馬鈴薯水分利用效率。

WUE(kg·hm-2·mm-1)=塊莖產(chǎn)量(kg·hm-2)/ET (mm)

(5)

式中：塊莖產(chǎn)量由小區(qū)實(shí)際收獲產(chǎn)量換算得出，ET為蒸散量，ET=播前土壤貯水量(mm)-收獲后土壤貯水量(mm)+降水量(mm)。

1.5 數(shù)據(jù)分析

采用DPS數(shù)據(jù)處理軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行 ANOVA方差分析，并用LSD法進(jìn)行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 立式深旋松耕對(duì)土壤容重的影響

不同耕作方式對(duì)土壤容重有顯著影響，深松和旋耕的土壤容重顯著高于立式深旋松耕(圖3)。在0～10 cm土層，2016和2017年分別高10.8%、13.3%和11.2%、15.2%，10～20 cm土層分別高20.6%、13.8%和22.2%、15.2%，20～40 cm土層分別高13.2%、25.3%和13.7%、24.8%。在20～40 cm土層，深松處理的土壤容重顯著低于旋耕，2016和2017年分別降低了10.6%和9.8%。

圖3 不同耕作方式對(duì)土壤容重的影響Fig.3 Effects of tillage methods on soil bulk density TT： 傳統(tǒng)旋耕Traditional tillage； DLT： 深松耕Deep loosening tillage； VRT： 立式深旋松耕 Vertically rotary sub-soiling tillage。小寫(xiě)字母不同表示差異達(dá)到P<0.05的顯著水平。下同。Different lowercase letters in the same column mean significant differences at 0.05 level. The same below.

2.2 立式深旋松耕對(duì)土壤飽和含水量和毛管含水量的影響

在0～40 cm土層，VRT的飽和含水量顯著高于DLT和TT(圖4)，其中0～10 cm土層VRT在2016和2017年較DLT、TT分別增加了26.4%、27.3%和26.1%、30.6%，10～20 cm土層分別增加了30.7%、38.1%和31.7%、42.7%，20～40 cm土層分別增加了28.8%、51.6%和30.4%、54.4%。在0～20 cm土層，DLT和TT之間的飽和含水量無(wú)顯著差異，但在20～40 cm土層，DLT顯著高于TT，在2016和2017年分別提高了17.7%和18.3%。

與土壤飽和含水量變化趨勢(shì)相同，VRT的土壤毛管含水量顯著高于DLT和TT，在0～10 cm、10～20 cm和20～40 cm土層，2016和2017年VRT的毛管含水量較DLT分別增加了41.0%、38.8%、39.5%和44.7%、40.3%、40.2%，較TT分別增加了47.3%、51.5%、76.6%和49.4%、51.9%、82.9%。在20～40 cm土層，DLT的毛管含水量顯著高于TT，2016和2017年分別增加了26.6%、30.5%。

2.3 立式深旋松耕對(duì)土壤孔隙度的影響

與DLT和TT相比，VRT顯著提高了0～40 cm土層的孔隙度(圖5)。2016和2017年VRT的總孔隙度在0～10 cm、10～20 cm和20～40 cm土層，分別較DLT提高了14.0%、8.4%、13.7%和13.4%、12.5%、14.8%，較TT提高了12.3%、21.4%、21.0%和13.3%、15.9%、23.7%。在20～40 cm土層，DLT的土壤總孔隙度較TT增加，2016和2017年分別提高了6.4%和7.8%。

圖4 不同耕作方式對(duì)土壤飽和含水量和毛管含水量的影響Fig.4 Effects of tillage methods on soil saturation moisture content and capillary moisture content

VRT較DLT和TT顯著提高了土壤毛管孔隙度，2016和2017年在0～10 cm、10～20 cm和20～40 cm土層分別較DLT提高了27.2%、15.0%、23.1%和30.1%、14.8%、23.3%，較TT分別增加了30.0%、33.2%、41.0%和29.7%、31.8%、46.6%。DLT和TT的毛管孔隙度在0～20 cm土層無(wú)顯著差異，但在20～40 cm土層DLT顯著高于TT，2016和2017年分別增加了14.5%和18.9%。

圖5 不同耕作方式對(duì)土壤總孔隙度和毛管孔隙度的影響Fig.5 Effects of tillage methods on total soil porosity and capillary porosity

2.4 立式深旋松耕對(duì)土壤田間持水量和萎蔫貯水量的影響

在0～40 cm土層，VRT、DLT和TT的田間持水量無(wú)顯著差異，但土壤萎蔫貯水量在3個(gè)處理間差異明顯(圖6)。VRT的萎蔫貯水量在0～40 cm明顯下降，在2016和2017年，VRT在0～10 cm、10～20 cm和20～40 cm土層的萎蔫貯水量較DLT分別下降了34.9%、23.8%、21.2%和45.2%、11.0%、18.8%，較TT分別下降了47.9%、22.4%、47.7%和49.0%、32.7%、44.0%。在0～20 cm土層，DLT和TT的萎蔫貯水量無(wú)顯著差別，但在20～40 cm土層DLT顯著低于TT，2016和2017年分別下降了21.9%和21.2%。

2.5 立式深旋松耕對(duì)0～100 cm土層土壤有效水貯量的影響

不同處理的土壤貯水量在不同土層和年份有顯著差別(圖7)。2016年為干旱年份，VRT貯水量顯著高于DLT和TT，在0～10 cm增加了21.0%和17.4%，在10～20 cm土層增加了20.0%和29.7%，在20～40 cm土層，VRT顯著高于DLT、DLT顯著高于TT，分別增加了16.4%和9.4%；2017年3個(gè)處理的土壤貯水量在0～10 cm和20～40 cm土層無(wú)顯著差異，但在10～20 cm土層，TT顯著低于VRT和DLT，分別降低了24.4%和23.4%。

土壤有效貯水量在處理間差異明顯，2016和2017年3個(gè)土層的土壤有效貯水量均以VRT最高(圖7)。與DLT相比，VRT在0～10 cm、10～20 cm和20～40 cm土層的有效貯水量在2016和2017年分別增加了136.9%、81.8%、87.1%和86.9%、38.5%、34.3%，較TT分別增加了200.1%、139.5%、575.2%和44.6%、124.6%、114.2%。2016年DLT在0～40 cm土層的土壤有效貯水量顯著高于TT，分別增加了25.0%、32.0%和261.2%，2017年除0～10 cm土層的有效貯水量DLT顯著低于TT(降低了22.5%)外，在10～20 cm和20～40 cm土層DLT顯著高于TT，分別增加了62.3%和59.6%。

2.6 立式深旋松耕對(duì)馬鈴薯產(chǎn)量和水分利用效率的影響

VRT顯著提高了馬鈴薯塊莖產(chǎn)量(表2)。2016和2017年VRT的塊莖產(chǎn)量分別較DLT和TT增加了156.8%、47.8%和24.8%、41.0%。處理間耗水量在不同年份表現(xiàn)不同，2016年VRT耗水量顯著高于DLT和TT，分別增加了33.5%和24.0%，但在2017年處理間無(wú)顯著差異。VRT顯著提高了WUE，2016和2017年較DLT和TT分別增加了92.3%、19.2%和18.9%、26.6%。

圖6 不同耕作方式對(duì)土壤田間持水量和萎蔫貯水量的影響Fig.6 Effects of tillage methods on field moisture capacity and soil wilted moisture

圖7 不同耕作方式對(duì)土壤總貯水量和土壤有效貯水量的影響Fig.7 Effects of tillage methods on soil moisture and soil available moisture

年份Year處理Treatment產(chǎn)量Yield (kg·hm-2)耗水量ET (mm)水分利用效率WUE (kg·hm-2·mm-1)2016立式深旋松耕VRT32897.3±2506.3a297.8±23.8a110.5±8.9a深松耕 DLT12812.3±1387.7c223.1±22.2b57.4±6.2c傳統(tǒng)旋耕 TT22253.3±1236.5b240.1±18.8b92.7±7.3b2017立式深旋松耕VRT42833.3±2304.9a344.0±30.5a124.5±10.0a深松耕 DLT34333.3±3250.6b328.0±29.1a104.7±12.9ab傳統(tǒng)旋耕 TT30388.9±2754.2b309.0±30.3a98.3±9.5b

注：不同字母表示同一年份不同處理差異顯著(P<0.05)。

Note: Different letters in the same year mean significant differences among treatments at 0.05 levels.

3 討論

耕作方式作為農(nóng)作制度的主要組成因素之一，通過(guò)改變土壤的物理性狀，進(jìn)而影響其理化和生物性狀，對(duì)作物資源利用效率和產(chǎn)量形成有重要的調(diào)節(jié)作用[12-17]。西北黃土高原地區(qū)降水匱乏，年際分布不均，季節(jié)性干旱特征非常明顯[23-24]；而且由于常年的淺旋耕，使得土壤通透性下降，犁底層變淺，限制了作物根系生長(zhǎng)，降低了土壤水肥供應(yīng)能力，這一負(fù)面影響強(qiáng)化了干旱脅迫對(duì)作物生長(zhǎng)的危害[10,15,17]。因此，生產(chǎn)上亟須能夠同時(shí)打破犁底層并提高土壤通透性的耕作措施，以同時(shí)提高土壤水分入滲、保持和供應(yīng)能力。本試驗(yàn)結(jié)果表明，深松能夠有效打破犁底層，在20～40 cm的土壤容重降低了10.6%、9.8%，土壤總孔隙度和毛管孔隙度分別升高了6.4%～7.8%和14.5%～18.9%，但0～20 cm土層變化不明顯；而立式深旋松耕不僅打破了犁底層，而且顯著增加了通透性，其土壤容重較旋耕下降了11.2%～24.8%，土壤總孔隙度和毛管孔隙度分別升高了12.3%～23.7%和29.7%～46.6%。

土壤容重、總孔隙度和毛管孔隙度的變化，必將引起土壤水分特性的相應(yīng)改變[7,11,15-17]。本試驗(yàn)中，雖然馬鈴薯采用起壟覆膜種植的方法，但立式深旋松耕在0～20 cm土層的飽和持水量和毛管持水量均較深松和旋耕明顯升高，而萎蔫貯水量則顯著下降，其中飽和持水量提高了26.1% ～54.4%，土壤毛管含水量增加了38.8%～82.9%，萎蔫貯水量下降了11.0%～49.0%；3種耕作方式的田間持水量無(wú)明顯變化，這主要是本研究計(jì)算了絕對(duì)貯水量(mm)，但相對(duì)值的田間持水量(%)立式深旋松耕顯著高于深松(數(shù)據(jù)未列出)。在20～40 cm土層，立式深旋松耕和深松耕的飽和含水量、毛管耗水量均顯著高于旋耕，萎蔫貯水量顯著低于旋耕。證明立式深旋松耕不僅具有疏松土壤、提高通透性的作用，而且能夠有效打破犁底層，改善土壤的水分特性和提高供水能力；深松雖然能夠有效打破犁底層，使20～40 cm土層的土壤水分特性發(fā)生改變，但其通透性沒(méi)有顯著增加，其0～20 cm土層的水分特性和供水能力較旋耕變化不明顯。

優(yōu)化的土壤物理性狀和水分特性，是土壤供水能力提高的基礎(chǔ)[18-22]。本試驗(yàn)通過(guò)測(cè)定土壤實(shí)際貯水量和萎蔫貯水量的差值，取得了土壤有效貯水量，結(jié)果表明，無(wú)論年份降水多少，立式深旋松耕較深松和旋耕能顯著提高土壤有效貯水量。其中在干旱的2016年，立式深旋松耕的土壤有效貯水量較深松耕增加了81.8%～136.9%，在平水的2017年，這一數(shù)值為34.3%～86.9%；較旋耕分別在2016和2017年增加了139.5%～575.2%和44.6%～124.6%，表明立式深旋松耕在干旱年份對(duì)土壤有效貯水量的增加幅度高于降水相對(duì)充足的平水年，暗示這一耕作技術(shù)將有顯著的抗旱作用。由于土壤有效水的顯著提高，顯著促進(jìn)了馬鈴薯的生長(zhǎng)，立式深旋松耕的塊莖產(chǎn)量較深松耕和旋耕分別增加了24.8%～156.8%和41.0%～47.8%，干旱的2016年耗水量分別增加了33.5%和24.0%，而水分利用效率增加了18.9%～92.3%和19.2%～26.6%。因此，由于立式深旋松耕不僅能夠很好地疏松土壤，降低土壤容重和改善水分特性[20]，提高有效貯水量，而且能夠有效打破犁底層[18,21-22]，顯著優(yōu)化了0～40 cm不同層次的土壤物理性狀和水分特性，提高了土壤供水能力，尤其使得干旱年份的土壤有效貯水量大幅度增加，這對(duì)提高土壤-作物體系的抗旱力有明顯促進(jìn)作用，使得馬鈴薯產(chǎn)量和水分效率顯著增加。

4 結(jié)論

立式深旋松耕顯著優(yōu)化土壤的水分特性，提高有效水含量，這一效果在干旱年份尤為明顯，提高塊莖產(chǎn)量和WUE，是適合于黃土高原半干旱區(qū)抗旱增產(chǎn)、水分高效的耕作方法。