粉壟耕作深度對旱區土壤關鍵物理性質的影響

何進宇,石偉業,劉飛楊,馬巧梅,楊 艷,楊佳鶴,崔烜瑋,陳彥云

(1.寧夏大學土木與水利工程學院,寧夏 銀川 750021;2.寧夏節水灌溉與水資源調控工程技術研究中心,寧夏 銀川 750021;3.旱區現代農業水資源高效利用教育部工程研究中心,寧夏 銀川 750021;4.寧夏大學農學院,寧夏 銀川 750021;5.寧夏大學生命科學學院,寧夏 銀川 750021)

不同耕作方式對土壤物理性質具有不同程度的影響,進而導致農作物產量產生差異[1-2]。如今我國北方干旱地區大部分的犁田方式采用機械旋耕[3],長時間旋耕容易使土壤的耕層變淺,容重增加,且土壤養分降低,阻礙農作物生長[4]。

粉壟耕作技術是利用“自走式粉壟耕作機”的雙螺旋鉆頭將土壤垂直旋磨粉碎并自然懸浮成壟整地的一項新型耕作技術[5]。該技術能夠有效地改善土壤蓬松程度,使得土壤疏松并且透氣,同時能夠達到蓄水保墑的效果,較傳統犁耕和旋耕操作更為方便且效果顯著[6-7]。前人研究表明,粉壟耕作能有效打破犁層,使得土壤容重降低、孔隙度增加、土壤含水量提高[8-9]。

目前粉壟耕作技術及最優耕作深度在寧夏銀北干旱地區尚無定論,本試驗將針對不同粉壟深度對旱地土壤關鍵物理性狀的影響開展研究,可為改善旱區土壤板結及粉壟耕作在干旱地區的推廣應用提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗點概況

試驗于2021年4—9月在寧夏暖泉農場試驗地進行(106°11′E、38°42′N,海拔1 113 m),該地區屬于典型干旱地區,中溫帶大陸性氣候,年均降雨量189 mm,年均蒸發量1 583.2 mm,日照充足,無霜期約157 d,年均氣溫11.6℃,日夜溫差12～15℃。試驗地土壤屬于砂質土,試驗地初始土壤理化性質見表1。

表1 初始土壤理化性質Table 1 Physical and chemical properties of initial soil

1.2 試驗材料

供試玉米品種為‘天賜19號’,由甘肅武威甘鑫物種有限公司生產。粉壟機械為廣西五豐機械有限公司自走式粉壟機(型號1FSGL-230)。

1.3 試驗設計與實施

本試驗采用單因素隨機區組設計,以傳統旋耕20 cm為對照(CK),粉壟耕作深度為試驗變量,設置粉壟30 cm(FL30)、40 cm(FL40)、50 cm(FL50)和60 cm(FL60)4個處理,各處理3次重復,共15個小區,各小區長×寬為6.5 m×2.0 m。試驗區長100 m,寬38 m,四周設置寬10 m保護行。于2021年4月16日進行播前粉壟耕作,5月7日進行播種并鋪設滴灌帶,采用φ16內鑲迷宮式滴灌帶,滴頭流量為2 L·h-1,使用播種、施肥、鋪管一體機進行作業,一壟二管四行方式,采用寬窄行種植模式,行距40 cm,穴距22 cm,播種深度4 cm,壟距70 cm,播種量82 500粒·hm-2。全生育期內共施用6次復合水溶性肥(N+P2O5+K2O≥50%),施用量為：氮(純N)160 kg·hm-2,磷(P2O5)52 kg·hm-2,鉀(K2O)59 kg·hm-2。期間灌水14次,灌溉定額1 200 m3·hm-2。試驗地于2021年9月11日收獲。其他田間管理各處理保持一致。

1.4 測定項目與方法

土壤容重：分別在粉壟前、玉米不同生育時期取0～20、20～40、40～60 cm土層土壤剖面,采用環刀法測定土壤容重;土壤孔隙度：由土粒密度和容重計算得出;土壤機械穩定性團聚體：玉米收獲后,收集0～20、20～40、40～60 cm土層土樣,并帶回實驗室風干,使用干篩法分別測定土壤機械穩定性團聚體粒徑分布以及穩定性,分別計算出>5 mm、2～5 mm、1～2 mm、0.5～1 mm、0.25～0.5 mm、<0.25 mm的團聚體含量;土壤蓄水量：分別在耕作前、玉米不同生育時期挖取土壤剖面,使用烘干法測定土壤含水量,進而計算土壤蓄水量,土壤蓄水量計算公式如下：

W=H×10ab

(1)

式中,H為該層土壤的深度(cm);a為土壤容重(g·cm-3);b為土壤質量含水量(%)。

玉米產量：在玉米收獲期內每個小區采集10穗玉米果實進行室內考種,分別使用直尺、游標卡尺、電子天平測量玉米的穗長、穗粗、穗重,并記錄穗行數、行粒數,再將每個玉米的籽粒全部脫去,測算每穗籽粒數和200粒籽粒的質量。通過這些數據和田間密度調查計算玉米籽粒產量。

1.5 數據處理

試驗數據采用Microsoft Excel 2016進行數據分析與制圖,SPSS 25.0進行方差分析,采用Duncan法進行顯著性分析。

2 結果與分析

2.1 粉壟耕作深度對土壤容重的影響

粉壟耕作使得0～60 cm有效耕作層內的土壤容重出現顯著變化,不同粉壟耕作深度處理以及對照處理對玉米全生育期土壤不同深度容重的影響如表2所示,可以看出,FL40、FL50與FL60處理相對于CK處理在全生育期中,0～20 cm土層深度存在顯著性差異,FL40與FL50處理在土壤0～40 cm深度范圍內相對于CK處理在玉米不同時期均存在顯著性差異,但在土壤40～60 cm深度范圍內,FL40和FL50處理相對于CK處理在苗期以及喇叭口期并無顯著差異,該現象可能是由于這兩個時期降雨導致水分下滲到40～60 cm土層并累積所致。FL40處理使得土壤在玉米苗期、喇叭口期、抽雄期、灌漿期和成熟期0～20 cm土層容重分別減少了18.95%、10.53%、15.04%、17.24%和11.30%,20～40 cm土層容重減少了9.63%、10.20%、6.97%、6.75%和8.57%,40～60 cm土層容重減少了3.54%、7.20%、5.64%、7.91%和6.87%,FL50處理使得土壤0～20 cm土層容重減少了19.70%、13.95%、17.79%、14.29%和11.55%,20～40 cm土層減少了5.43%、8.21%、3.73%、3.75%和7.86%,40～60 cm土層減少了3.54%、8.44%、8.33%、6.47%和11.61%,FL60處理使得土壤0～20 cm土層容重減少了18.45%、15.00%、11.28%、14.53%和12.04%,20～40 cm土層減少了10.86%、6.22%、7.71%、2.75%和14.52%,40～60 cm土層減少了7.07%、5.21%、10.05%、10.07%和11.61%。根據以上3個處理各土層容重減少情況來看,粉壟耕作能夠使得土壤耕層土壤得到充分粉碎,其中FL40處理對20～40 cm土層容重改善較好,FL50處理對0～20 cm土層容重改善較好,FL60處理對40～60 cm土層容重改善較好。

表2 不同粉壟耕作深度對土壤容重的影響/(g·cm-3)Table 2 Effect of different milling tillage depths on soil bulk density

2.2 粉壟耕作深度對土壤孔隙度的影響

相較于傳統旋耕,粉壟耕作使得0～60 cm有效耕作層內土壤孔隙度發生顯著變化,由表3可知,FL50處理在玉米全生育期對0～20 cm土層土壤孔隙度的改善最好,相對于CK處理各生育期分別提升了19.91%、12.89%、17.73%、14.93%、12.17%,FL40處理對20～40 cm土層土壤孔隙度的改善最好,分別在各生育期提升了9.75%、10.22%、7.03%、6.81%和9.14%,而FL60處理對40～60 cm土層土壤孔隙度改善最好,玉米生長各生育期的土壤孔隙度相對于CK分別提升了6.97%、5.49%、10.68%、11.51%和12.75%。

表3 不同粉壟耕作深度對土壤孔隙度的影響/%Table 3 Effect of different milling tillage depths on soil porosity

注：小寫字母代表P<0.05顯著水平。Note：Lowercase letters represent P<0.05 significant level.圖1 不同粉壟耕作深度對玉米各生育期0～60 cm土壤蓄水量的影響Fig.1 Effect of different milling tillage depths on soil water storage at various fertility stages of maize

2.3 粉壟耕作深度對土壤蓄水量的影響

粉壟耕作能使得土壤容重以及孔隙度得到顯著改善,以至于影響0～60 cm有效耕作層內土壤蓄水量的變化。由圖1可以看出,隨著玉米生育期的變化土壤蓄水量整體呈現出先升后降再升高的趨勢,且FL40處理效果最佳,且在苗期、喇叭口期和成熟期土壤蓄水量都大于其他處理,但是在抽雄期和灌漿期土壤蓄水量卻低于其他處理,這可能是由于這兩個時期天氣氣溫過高,導致土壤蒸發變強,且該時期玉米生長所需水分較大從而導致土壤蓄水量低于其余各時期。FL40處理在苗期相對于CK提升了44.03%,在喇叭口期提升了18.08%,在成熟期提升了24.86%,其他時期變化不明顯。

2.4 粉壟耕作深度對土壤團聚體的影響

粉壟耕作相對于傳統旋耕能使得土壤機械穩定性團聚體得到顯著改變,由圖2可以看出,FL40處理對0.25～5 mm土壤機械穩定性團聚體的影響最大,相對于CK在0～20 cm土層內提升了22.11%,20～40 cm土層內提升了4.38%,40～60 cm土層內提升了2.39%;其次為FL30處理。但對于0～20 cm土層內大于5 mm的機械穩定性團聚體,CK處理大于粉壟耕作處理,在20～40 cm與40～60 cm范圍內,FL60處理相對于CK提升最大,分別提升了18.93%和10.78%。

圖2 不同粉壟耕作深度對土壤團聚體粒徑分布的影響Fig.2 Effect of different milling tillage depths on the particle size distribution of soil agglomerates

2.5 粉壟耕作深度對玉米產量的影響

粉壟耕作對玉米產量及其構成因素的影響如表4所示,CK處理穗長最低,FL50和FL60處理穗長最高且與其他處理差異顯著,較CK分別增加20.47%和18.04%;穗粗表現與穗長相似,仍然以FL50和FL60最高,較CK分別增加13.91%和7.30%,因此穗重的表現與穗長等其他穗部特征相似。對于重要的產量構成因素穗粒重和百粒重,不同處理表現為FL50>FL60>FL30>FL40>CK,籽粒產量表現亦是如此,FL60、FL50和FL30處理與CK相比分別增產57.14%、15.48%和8.79%。

表4 不同粉壟耕作深度對玉米產量的影響Table 4 Effect of different milling tillage depths on yield of maize

3 討 論

3.1 粉壟耕作對土壤容重以及孔隙度的影響

土壤孔隙度作為土壤物理質量的重要指標,在評價生物生產力等方面具有重要作用。不同的孔隙分布形狀和連續性影響土壤水的滲透、存儲和排水情況[10]。研究發現,粉壟耕作后耕層0～60 cm土壤容重出現下降且孔隙度得到提升的現象,其中FL40處理對于中層土壤(20～40 cm)的改善相對于其他處理要好,分析其原因可能是因為粉壟耕作能夠有效打破土壤犁底層,使得有效耕層深度加大、使土層變得更加松軟,進而使得土壤容重降低、孔隙度提升[11]。張邦彥等[10]、曹明海等[11]和熊梓沁等[12]也有結論表明粉壟耕作能夠有效降低土壤容重并提升土壤孔隙度,以上結論與本試驗結果相似。不同粉壟耕作深度對不同土層的影響不同,考慮到粉壟機耕地的難易程度,且為了農作物能夠得到適合土壤條件,可以根據農作物的根系活動層來選擇粉壟耕作深度。

3.2 粉壟耕作對土壤蓄水量的影響

劉江漢等[13]和彭光爵等[14]研究表明,粉壟耕作相對于傳統耕作能夠較好地提升土壤含水量,劉世舉等[15]結果表明,深松耕使土壤水分含量提升了6.5%～9.7%;鄔小春等[16]結果表明,春季深松耕對土壤含水量的提升效果較好。劉斌等[17]研究發現,粉壟耕作下的木薯苗期、膨大期與成熟期的土壤蓄水量在不同深度均明顯大于傳統耕作。以上研究均表明粉壟耕作有利于降水的下滲與貯存。本試驗中土壤蓄水量在玉米全生育期出現了先上升后下降再上升的現象,且FL40處理對土壤蓄水量的改善效果最好,分析認為該處理使得土壤容重以及孔隙度得到了改善,且粉壟后被掀起的土壤自然懸浮成壟,在田壟之間自然形成了“U”形槽,有利于降水與灌溉水的自然儲存,使得土壤的蓄水能力也得到了提升[18]。粉壟耕作較傳統耕打破了犁底層,深層土壤孔隙度因而提高,因而水分可以在深層次土壤充分下滲,水分滲透性得到改善,使得深層土壤含水量顯著提高,從而改善底層土壤環境[19]。

3.3 粉壟耕作對土壤團聚體的影響

本試驗結果表明粉壟耕作能夠有效改善土壤機械穩定性團聚體(0.25～5 mm)的數量,其中FL40效果最好,分析其原因可能是由于粉壟機在運行期間能夠有效切割片狀或塊狀的土塊以及石塊,使得土壤中的小團聚體能夠更加有效的吸附于土壤中的有機質,從而影響團聚體的分布,形成更大的機械穩定性團聚體[20]。楊博等[21]、王世佳等[22-23]、申章佑等[24]和張宇等[25]研究表明,粉壟耕作更有利于土壤大團聚體的形成;除了粉壟耕作外,旋耕以及深松耕也能達到增加土壤穩定性團聚體的效果,苗芳芳等[26]表明深松耕加上秸稈覆蓋能夠有效提升0～40 cm土層內>0.25 mm粒徑的團聚體數量。

3.4 粉壟耕作對玉米產量的影響

截至目前,粉壟耕作技術目前已在小麥[27]、玉米[28]和馬鈴薯[29]等作物上取得了較多研究成果。關于粉壟耕作改變作物產量的研究主要集中粉壟結合其他農藝措施上,張邦彥等[10]認為,粉壟耕作打破犁底層,改善了土壤耕層環境,提高了土壤的蓄水能力,結合覆膜實現了有效的保水保墑、改善了土壤水溫狀況,促進了馬鈴薯苗期的生長,提高了馬鈴薯的最終產量;蔣發輝等[30]認為,粉壟耕作通過調蓄土壤水分和改善土壤環境促進了紅薯根系下扎和養分吸收,進而提高了紅薯的塊莖產量;鄧小華等[31]認為,不同的粉壟深度通過影響養分在烤煙不同器官之間的分配從而影響了最終產量。大量試驗證明,玉米產量很大程度上取決于其產量構成因素,其中穗粒重對產量的影響較大[32],本試驗通過對玉米產量構成因素的測定與分析發現,各粉壟處理間穗行數差異不顯著,而百粒重和穗粒重與傳統耕作處理相比差異顯著,因此粉壟處理的最終產量均高于傳統耕作。分析其原因認為：(1)粉壟耕作打破了犁底層,降低了土壤容重,增加了土壤孔隙度,促進了水分在深層耕層中的流通與滲透,通過“U”型槽等機制提升了土壤的蓄水能力,在一定程度上改善了土壤的水分條件。促進了后期深層土壤蓄水量的提升與穩定,有研究表明,玉米穗重在一定程度上受到生長發育后期土壤蓄水量的影響[33],在種植年份降水量較小、蒸發量較大的環境下,粉壟耕作保證了后期土壤中擁有足夠的水分以供應玉米度過重要的灌漿期。(2)粉壟耕作降低了土壤容重,增加了土壤孔隙度,而容重影響了土壤的緊實度和貫入阻力,減小這些土壤物理性質就是減輕作物生長的阻力與負擔,可以保證作物根系下扎和種子萌發[34],粉壟通過改善土壤的物理性質促進了玉米根系的下扎和對水分的吸收,保證了玉米在生育時期內充足的水分供應。

4 結 論

1)不同粉壟耕作深度使得不同土層的容重以及孔隙度受到不同程度的改善,FL50處理使玉米苗期土壤0～20 cm土層容重降低了19.70%,孔隙度上升了19.91%。FL40處理在玉米喇叭口期使土壤20～40 cm土層容重降低了10.20%,孔隙度上升了10.22%。FL60處理在玉米成熟期使土壤40～60 cm土層容重降低了11.61%,孔隙度上升了12.75%。

2)FL40處理能提升土壤蓄水量,在苗期相對于CK提升了44.03%,喇叭口期提升了18.08%,抽雄期減弱了0.10%,灌漿期降低了3.35%,成熟期提升了24.86%。

3)FL40處理能提升各土層機械穩定性團聚體(0.25～5 mm)數量,相對于CK處理0～20 cm土層提升了22.11%,20～40 cm土層提升了4.38%,40～60 cm土層提升了2.39%。

4)粉壟耕作可以改善土壤的水分條件與土壤環境,提高玉米籽粒產量,其中FL60、FL50、FL30處理較CK處理分別增產57.14%、15.48%、8.79%。