不同深松方式對玉米產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

(遼寧省農業科學院,遼寧 沈陽 110161)

中國北方地區春季干旱少雨，夏季降水集中，保蓄降水是該區域抵御旱災，提高水分利用效率，增加作物產量的重要關鍵技術[1]。目前中國北方雨養旱作農業區由于土地經營分散，農業生產中多以小型機具為主，加之人們對耕地的連續高強度開發和不合理使用，使農田土壤有效耕層變淺，犁底層加厚并上移，耕層土壤養分質地趨于惡化，地力下降，作物增產及水分利用效率提高受到限制[2]。深松通過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，促進作物生長，提高水分利用效率，可較好地為區域農業增產和穩產提供保障[3-5]。間隔深松能夠在縱向形成虛實并存的結構基礎上，橫向也形成虛實交替結構，并提高土壤的保水能力和養分有效性[6-8]，間隔深松緊實部分還可以促進水分由耕層下部向上部移動的作用，同時虛實并存耕層結構利于玉米生長，具有防止玉米后期倒伏的作用[9]。鄭洪兵等[10]通過31 a的長期定位試驗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。虛實并存耕層結構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，并顯著提高玉米產量，增產幅度為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，改善土壤結構，促使耕層土壤水氣協調[12]。目前研究多采用定位的方式，對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行壟臺深松，至第二年初夏玉米拔節前進行壟溝中耕深松，兩種深松方法在不同年份交替進行。秋夏年際交替間隔深松有效地將秋季間隔深松和初夏農田中耕深松結合起來，我們對其技術效果亦進行了研究。

1 材料與方法

1.1 試驗地點與試驗材料

試驗在農業部遼寧阜新農業環境與耕地保育科學觀測試驗站進行，玉米品種為鄭單958，試驗田土壤為褐土，耕作試驗之前農田長期沒有進行深松耕作，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 試驗設計

試驗設秋季全方位深松(BS),秋季連年壟臺深松(RS),初夏連年壟溝中耕深松(FS)等方式，于6月上旬玉米拔節前進行作業；秋夏年際交替間隔深松(AS)，2011年為秋季壟臺深松、2012年為6月上旬玉米拔節前壟溝中耕，以此年際間交替實施；以春季旋耕15cm為對照(CK)。每個試驗處理面積為300 m2，重復3次，深松深度均為28cm，玉米種植密度為60 000 株·hm-2，播種時施用三元復合肥(N、P2O5、K2O含量均為15%)375 kg·hm-2，拔節期前追施尿素(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，收獲時期分別為9月25日、9月27日和9月21日。

1.3 調查內容與方法

1.3.1 土壤容重 每年玉米收獲后深松作業實施前采用環刀法分別測定每個小區壟上和壟溝土壤容重，每5 cm為一測定層次，縱向分別計算0～15 cm和15～30 cm平均土壤容重，橫向分別計算壟和溝平均土壤容重。

1.3.2 土壤含水量與貯水量 玉米生長關鍵時期在玉米壟和溝交接處采用土鉆鉆取土壤樣本，用105℃烘干法測定0～100 cm土壤含水量(約1個月測定1次)，每10 cm為1個測定層次，并計算土壤貯水量，如公式(1)。0～30 cm土壤容重按照每年測定結果進行計算，30～100 cm土壤按照平均土壤容重1.5 g·cm-3進行計算。

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)進行計算。

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分別為該時段內的灌水量和降雨量(mm)，RO為降雨和灌溉時土壤的表面徑流量(mm)(本試驗由于田間設有田埂，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的水量(mm)(由于試驗田地下水位較低，因此忽略)，ΔSF為土壤水側向滲漏量(mm)，包括側向流入量SFin和側向流出量SFout2項(本試驗忽略)，ΔSW為土壤含水量的變化量(mm)。

1.3.4 作物產量與水分利用效率 玉米成熟時測定每個小區玉米產量，采樣小區面積為50 m2。同時計算玉米水分利用效率，計算公式如下式。

WUE=0.1·Y/ET

(3)

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

2 結果與分析

2.1 不同耕作方式對土壤容重的影響

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，在試驗實施前(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為上虛下實型，BS為均勻疏松型，RS為壟虛溝實型，FS為壟實溝虛型(相對其它處理)，AS為年際疏松交替型。

2.2 不同耕作方式對土壤水分的影響

不同耕作方式對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豐沛，采用深松作業后土壤的蓄水能力較CK高，2014年玉米生育后期試驗 區域遭受歷史罕見的嚴重伏旱[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產的關鍵因素之一。

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)

對玉米生育期土壤平均貯水量進行比較，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，經計算分別提高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 不同耕作方式對作物產量和水分利用效率的影響

不同耕作方式下玉米的產量和水分利用效率如表3所示，2012年AS產量最高，其次為BS，再次為RS和FS，經計算分別比CK增產28.65%、21.47%、13.35%和13.23%；2013年BS和AS產量最高，其次為RS和FS，經計算分別比CK高18.93%、17.22%、11.01%和9.45%；2014年AS產量最高，其次為BS，之后依次為RS和FS，經計算分別比CK高17.38%、16.21%、9.91%和5.90%。2012年和2013年降水相對充足，采用深松耕作具有增加土壤貯水能力的作用，因此會降低農田的耗水量。2012年全生育期AS較CK少耗水22.3 mm，BS少耗水14.6 mm，FS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年由于遭受嚴重旱災，為降低玉米干旱脅迫消耗了大量的土壤貯水量，整個生育期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,玉米持續保持著高生產能力和水分利用效率，較CK產量提高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量和水分利用效率

3 結論與討論

土壤是作物生長的基礎，由于中國農田很少休閑，年復一年進行農業生產，耕作模式在農業生產中發揮著重要作用，幾千年來，精耕細作已成為中國農業的特色[15]。耕作能降低土壤容重，提高土壤保水能力，調節土壤中固體、液體、氣體的三相比例，協調土壤中水、肥、氣、熱的關系，利于作物的根系生長，并為作物的高產奠定良好基礎[16-17]。深松耕作具有耕作層深，劃破犁底層等優點，可以降低土壤耕層的容重，增加通透性，改善土壤環境，加速雨水下滲，增加土壤耕層水分，促進作物增產[18-19]。李傳友等[20]研究表明，通過深松可提高土壤蓄水能力，土壤累計入滲量提高58%～264%，土壤含水量增加3.2%～5.9%。羅洋等[21]的研究證明，虛實并存的耕層構造有利于玉米生長發育，株高和最大葉面積可提高8.37%～14.18%，氣生根條數和葉片凈光合速率也明顯提高。目前關于間隔深松的研究多集中在固定的耕作體系，關于間隔深松位置更替、耕作時間和后效等研究還相對較少[22-23]，尚未形成完整的間隔深松理論和技術體系。

本研究通過3 a定位試驗發現，不同耕作方式對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為上虛下實型，BF為均勻疏松型，RS為壟虛溝實型，FS為壟實溝虛型(相對)，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系[24-25]，AS由于在2011年秋季和2012年初夏分別對農田壟和溝進行了間隔深松作業，2012年作物收獲后至2013年作物收獲前并未對農田耕層進行深度耕作作業，2013年作物收獲后和2014年初夏又分別對壟和溝進行了間隔深松作業，因此年際間土壤容重存在更替變化。但試驗證明這不會影響其年際間土壤貯水能力，總體上AS與BS一樣會保持較高的土壤貯水能力，能夠為不同降水年型下玉米穩產提供保障。這是因為深松具有后效作用[26-27]，同時土壤水分在年際間也存在蓄留效應[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。

由于深松作業會增加農田的貯水量，可為作物生長創造相對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量和水分利用效率，尤其相對于其他3種深松方式，AS處理玉米持續保持著高生產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并存的耕層結構，利于干旱季節土壤水分由下部移動到土壤耕層，并提高玉米的抗倒伏能力[2,9,29]，AS可在保留間隔深松優點的同時，實現全方位深松的蓄水效果，這為2012年和2014年AS玉米產量和水分利用效率較BS提高創造了條件。而AS相對于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，改善土壤耕層結構，提高土壤蓄水能力，使玉米保持更高的生產力。同時，一般全方位深松較間隔深松需要更多的能耗[30]，因此AS在降低作業成本方面具有優勢，是更加理想的深松耕作方式。尤其在半干旱地區，通過年際間在秋季和初夏進行間隔深松，能夠創造出較好的耕層結構，利于蓄保秋季降水和夏季的集中降水，具有較好的應用前景。