深松對三江平原春玉米田土壤水分和產量的影響

鄭培峰, 張曉龍, 司 雨, 呂艷杰, 王立春, 王永軍

(1.吉林農業大學 農學院, 長春 130118; 2.吉林省農業科學院資源與環境研究所/玉米國家工程實驗室, 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基地。玉米作為當地主要作物之一，近年來種植面積不斷增加，對穩定地區糧食生產安全至關重要[1-3]。當前，三江平原玉米生產主要面臨著農業用水緊張和土壤退化的雙層壓力[4-7]。研究表明，1955—1999年三江平原地區年降水量呈減少趨勢[8]，水分蒸散量逐年增加[4]。同時濕地轉化農田過程加快，農作物(水稻)面積增加帶來農業灌溉用水增加[2-3]，導致水資源供需矛盾突顯。在農業生產上長期采用以旋代耕的土壤耕作方式，形成不合理耕層結構，影響土壤中水分、熱量和氣體的傳遞，制約玉米生長發育和高產高效[6-7]。因此，緩解水資源供需矛盾，消除玉米農田土壤障礙，已成為三江平原玉米生產亟待解決的關鍵問題。合理有效的耕作方法是實現土地保護與改良的重要措施[9]，選用適當的耕作方法可以加速地表水的滲入，減少無效蒸發[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，影響根系向下生長，降低作物產量[12]。以往農田生產中大多采用常規表層旋耕，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構的穩定性[14]。深松是保護性耕作的關鍵措施，對減輕農田土壤結構障礙，提升土壤生產力具有良好的效果[15-16]，被眾多學者公認為構建合理耕層結構的有效改土技術[17]。目前，關于深松對農田土壤及作物的研究大都集中于土壤結構、水分、作物根系發育和養分循環等方面[18-22]。研究表明，農田土壤經過深松后，土壤疏松多空隙，使得作物根系下扎伸長，增強了根系對深層土壤養分和水分的吸收能力，促進作物生長[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，加快秸稈腐殖質分解，促進作物對營養元素吸收轉化，進而提高作物產量[29-30]。此外，研究人員針對深松深度和時期開展了系列研究，主要集中在不同時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。閻曉光等[31]研究深松時期對旱地春玉米水分利用狀況和產量影響表明，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，促進玉米干物質積累，提高產量；劉戰東等[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。關于深松深度研究中，程思賢等[33]通過設置30 cm，40 cm，50 cm和60 cm 4個深松深度對比發現，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境條件下，有關不同時期和深度復合效應對玉米田土壤環境、耗水特性及作物生產的系統性研究不足。因此，本研究在前人研究的基礎上，設置深松時期和深松深度二因素交互試驗，深松時期設定為秋季、春季和夏季；深松深度設置30 cm和40 cm2個深度，以期探明深松時期和深松深度復合效應對三江平原玉米農田土壤水分利用、玉米生長及產量的影響，揭示深松擴容增產機理，為構建三江平原玉米農田適宜的耕層結構及深松技術的合理應用提供理論依據和實踐經驗。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗地位于黑龍江省農業科學院佳木斯分院試驗基地(46°47′N，130°24′E；海拔111.3 m)，該地區年日照時數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。試驗地土壤為草甸黑土，土壤有機質含量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 試驗設計

試驗于2015年4月至11月進行，采取雙因素隨機區組設計，以常規表層旋耕15 cm為對照(CT15)，深松深度設定為30 cm和40 cm 2個深度，深松時期設定為上一年秋季(10月20日)，當年春季(4月15日)和當年夏季(6月20日)3個時期，共7個處理，分別為常規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)。每個處理重復3次，共21個小區，小區面積為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。試驗過程采用機械化作業，采用彎刀式深松機對處理小區進行精準行間深松，深松寬度12 cm。試驗區采用噴灌方式，在播種后噴灌35 mm，各小區灌溉量相同，試驗區周圍設置保護行，其他農事管理措施同周邊大田。

1.3 測定項目及方法

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)、拔節期(V6)，吐絲期(R1)和成熟期(R6)，用土鉆于各小區行間鉆取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。各小區內3次平行測定，取平均值計算土壤質量含水率。試驗期間降雨量與灌溉量在50 cm土層未發生滲漏與形成徑流。

土壤含水量(%)=(濕土質量—烘干土質量)/烘干土質量×100%

1.3.2 株高、穗位高測定及綠葉數調查 每個小區選取生長發育一致、葉片無病斑和破損的植株5株，用標簽卡片進行標記，在R1+30 d和R6期，測定植株綠葉數(綠色區域面積占總葉面積≥50%)；在玉米R6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，植株基部到穗位節的高度即為穗位高)。

1.3.3 產量及構成因素測定 在玉米R6期，每個小區選擇中間4行，連續測10 m，記錄株數、穗數、倒伏率、收回全部果穗稱重并數個數，按照均值法取20個果穗考種，折算成標準含水量(14%)的產量，同時測定穗粒數、含水率，百粒重等指標。

1.4 數據處理與分析

試驗數據處理及統計分析采用Excel 2019和SPSS 25.0軟件進行，運用Origin 28作圖，不同處理間多重比較采用Duncan新復極差法，經t檢驗(p<0.05)。

2 結果與分析

2.1 不同時期和深度深松對玉米農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地降雨量變化相一致，基本呈現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；不同時期深松及不同深度和時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 不同時期和深度深松對玉米農藝性狀的影響

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)。方差分析結果顯示，深松深度對株高影響極顯著。深松深度和時期交互作用對穗位高影響顯著(表2)。吐絲后30 d，除CS30外，其綠葉數與CT15相比無顯著差異，成熟期各處理綠葉數差異顯著，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)。方差分析結果表明，不同時期深松對R1+30 d和R6期綠葉數有顯著影響，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 不同時期和深度深松對土壤含水量影響方差分析

2.3 不同時期和深度深松對玉米產量及產量構成的影響

不同時期和深度深松對玉米禿尖長度、有效穗數、穗粒數、百粒重和籽粒產量的影響見表3。各處理籽粒產量相較于CT15均有不同程度提高。QS30，CS30，XS30，QS40，CS40和XS40各處理籽粒產量分別較CT15增加5.13%，1.28%，3.85%，10.26%，7.69%和5.13%，QS40籽粒產量最高。40 cm相較30 cm深松對提高產量具有較好效果，同一時期下，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%。產量構成方面，收獲穗數和百粒重各處理彼此間差異不顯著，QS30，QS40和CS40處理穗粒數顯著高于CT15，分別高11.94%、14.67%和11.55%。方差分析表明，深松時期和深松深度均對籽粒產量影響顯著，其中深松時期對籽粒產量影響極顯著，深松深度對禿尖影響顯著。

圖3 不同時期和深度深松對玉米相關農藝性狀的影響

表2 深松對玉米農藝性狀方差分析

3 討論與結論

采用玉米連作的三江平原春玉米田地區，近些年一直采用播前旋耕的機械耕作方式，導致土壤在亞表層形成緊實的犁底層，影響到當地農業的可持續發展。采用深松可改善土壤質量，改良土壤結構，打破犁底層，增加土壤的通透性，對穩定和提升作物產量具有重要作用。

表3 不同時期和深度深松對玉米產量及其構成因數的影響

土壤水分是植物獲取水分的重要來源，與玉米生長發育息息相關。研究表明，深松可通過改變土壤結構，促進水分入滲，提高土壤深層含水量[26-28]。本文研究結果與之相同，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；相關研究已表明，深松深度的增加，會擴大土壤疏松層，從而增加土壤水分含量[28]，這與本文結果相一致，但也有部分研究認為當深松深度過大時會造成水分供需失衡[26]，作物無法有效吸收土壤水分，農田耗水量降低[25]，造成不同生態區域深松差異的原因可能與取樣時期，當地氣候條件和土壤類型有關，有待進一步驗證。本文結果顯示，秋季深松效果優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]的結果相一致，春季和夏季深松與秋季深松相比，水分蒸發加劇，此外，夏季深松過程中會對作物根系造成傷害，減弱了根系對土壤水分的吸收能力。試驗結果顯示，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期是玉米需水的關鍵時期，試驗結果中，深松后20—35 cm，35—50 cm土壤水分變化相對穩定，其土壤水分含量高于0—20 cm，在V6期至R1期未出現明顯下降，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，經深松后土層疏松層加厚，產生輸送土壤水分入滲的有效通道，增加水的滲透能力[35-36]，同時氣溫升高，土壤表層水分蒸發劇烈，加之玉米處于需水旺盛期，雖發生降雨，但作用較小，因而0—10 cm和10—20 cm土壤水分呈現下降趨勢；20—35 cm，35—50 cm土壤經過深松后，質地變得松軟，水分運動阻力減弱，隨著氣溫逐漸回暖，土壤水分蒸發加劇，土壤水分供給與消耗能力明顯增強，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，當季節性降雨分布與作物需求不一致時，深松可為當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]。

深松可促進深層根系生長發育，提高農作物產量[27,38]。玉米R1期后，延長綠葉期，有助于植株有機物積累；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]。比較試驗處理玉米株高，穗位高和綠葉數等指標發現，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。統計結果表明，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田耕層的疏松狀況，利于根系深扎和水肥的調動利用，提高了玉米生長所需水肥的持續供應能力，從而對玉米發育產生良好效應。

深松可通過改善土壤結構，影響作物根區環境，促進其根系對水分和養分的吸收，有效地提高植物地上部分的水分和養分供應[40-41]。對作物生產潛能具有積極作用[42]。試驗結果顯示，深松與常規旋耕相比，玉米穗粒數顯著提高，使玉米籽粒產量增加[43]。深松深度增加，可以提高穗粒數、百粒重和籽粒產量，深松時期對玉米籽粒產量產生積極影響，隨著深松時期的推延，果穗禿尖長度和百粒重呈現出逐漸增大的趨勢，穗粒數和籽粒產量呈現下降趨勢。多重比較發現，40 cm深松相較于30 cm深松對產量提升效果顯著，同一時期下，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]研究結果相一致；玉米產量間的差異可能是由于耕作深度對土壤顆粒結構的影響，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分供應能力[45]，同時玉米根系吸收養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分區間影響較大，因而彼此對產量的影響具有顯著差異?；谠囼灲Y果，可以發現深松深度對玉米產量正調節效應可能存在某種正相關或者線性關系；秋季深松較其他季節效果最佳。

綜上，秋季40 cm深松可有效保持土壤水分穩定，在各生育時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，促進光合產物及產量形成，但40 cm深松效果更加明顯；深松時期在秋季表現最佳。綜合試驗分析得出，秋季40 cm深松是三江平原春玉米實現提質增產的最佳深松組合。

感謝國家玉米產業技術體系佳木斯站為本試驗順利進行提供幫助。