深松耕作對夏玉米增密增產的調控機制

郭海斌 張軍剛 王文文 薛志偉 王成業 許波

摘要：為探明深松耕作對黃淮海南部砂漿黑土夏玉米增密增產的調控機制，以駐玉216為供試材料，采用大田裂區試驗設計，主區為2種耕作方式（常規旋耕和深松耕作），副區為5個種植密度（60 000、67 500、75 000、82 500、90 000株/hm2），研究了2種耕作方式下土壤理化性質的變化及2種耕作方式不同密度下玉米植株根干質量、根長、葉綠素相對含量、葉面積指數、干物質積累量及產量的變化。結果表明，深松后土壤理化性質得到了明顯改善，與常規旋耕處理相比，深松后0～50 cm土層土壤含水量提高了8.0%（2020年）和10.4%（2021年），土壤容重降低了3.2%（2020年）和4.2%（2021年），有機質含量增加了4.8%（2020年）和6.1%（2021年），全氮含量增加了9.0%（2020年）和12.1%（2021年），速效磷含量增加了17.0%（2020年）和15.9%（2021年），速效鉀含量增加了3.9%（2020年）和6.4%（2021年）；深松耕作促進了植株的生長發育，與常規旋耕處理相比，深松耕作的單株根干質量、單株根長、單株干物質積累量顯著增加（P<0.05）；深松耕作顯著增加了葉綠素相對含量和葉面積指數且延緩了它們后期的下降幅度，與常規旋耕處理相比，深松耕作的葉綠素相對含量平均增加了4.3%、葉面積指數平均增加了9.0%，開花期至乳熟期葉片葉綠素相對含量的降低幅度由常規旋耕處理的6.72～9.35變為6.55～8.38，葉面積指數的降低幅度由常規旋耕處理的0.37～0.82變為0.36～0.67。2種耕作方式下，除葉面積指數隨種植密度的增加而增加外，單株根干質量、單株根長、葉綠素相對含量和單株干物質積累量均隨種植密度的增加而呈下降趨勢；常規旋耕下，產量隨種植密度的增加呈現先增加后降低的趨勢，在82 500株/hm2密度下產量達到最大，為9.26 t/hm2；深松耕作下產量隨密度的增加而增加，在90 000株/hm2密度下獲得最高產量，為10.14 t/hm2。本試驗條件下，通過深松耕作可以增密 7 500株/hm2，最佳產量提高9.5%。因此，黃淮海南部砂漿黑土可以通過深松耕作提高夏玉米的耐密性，進一步提高產量，從而充分挖掘夏玉米的增密增產潛力。

關鍵詞：夏玉米；深松；密度；產量

中圖分類號：S513.04??文獻標志碼：A??文章編號：1002-1302（2023）09-0088-09

基金項目：河南現代玉米產業技術體系駐馬店綜合試驗站建設項目（編號：Z2019-02-04）。

作者簡介：郭海斌（1987—），男，河南新鄉人，碩士，助理研究員，主要從事玉米遺傳育種與栽培技術研究。E-mail：guohaibin521298@163.com。

通信作者：王成業，研究員，主要從事玉米遺傳育種與栽培技術研究。E-mail：13513865035@126.com。

玉米目前是我國播種面積最大、總產最多的糧食作物，在保障我國糧食安全中具有重要的戰略意義。隨著我國種植結構的調整，玉米播種面積有所減少，而市場對玉米的需求仍處于增長態勢，在全國耕地面積有限且玉米種植面積縮減的情況下，提高玉米單產是保持玉米穩產、高產和可持續生產的有效途徑［1-2］。種植密度和土壤耕作是影響玉米產量的重要栽培措施。種植密度通過提高單位面積的群體數量而影響作物產量［3］，土壤耕作通過改善土壤耕層特性，為作物提供良好的土壤生長環境來提高作物產量［4］。增加種植密度后，受到擁擠效應影響，玉米根系橫向生長受限，迫使根系縱向生長，然而由于國內長期使用小型機械旋耕，造成犁底層變厚且堅硬，阻礙了根系下移，導致根系對養分和水分的吸收利用率下降，不能夠支撐增大群體的需要，引起作物后期倒伏早衰加劇，最終表現為增密不增產，甚至可能減產［5-8］。深松耕作是一種保護性土壤耕作，能夠打破犁底層，降低土壤容重，提高土壤養分和含水量，擴大根系縱向生長空間，有助于根系對深層養分和水分的吸收，有效緩解植株生育后期衰老，增強植株干物質積累和抗倒伏能力，提高最適種植密度，使玉米增密增產潛力得到進一步挖掘［9-13］。

黃淮海平原南部為玉米的主產區之一，其土壤類型主要為砂漿黑土，是典型的中低產田。該區域多采用小麥播前淺旋、玉米貼茬直播的耕作制度，造成土壤耕層淺且質量差，犁底層變厚，玉米根系生長受限，水肥利用率低下，嚴重阻礙了玉米產量的進一步提高［14-15］。另外該區域種植密度偏低（6.19萬株/hm2），也是限制玉米單產提高的重要因素［16］。前人的研究多側重于深松耕作對砂漿黑土耕層結構改良及作物增產的影響，而關于深松耕作下增加種植密度對作物生長發育和產量的影響研究鮮見報道，因此在該土壤上開展深松和密度相結合的研究具有重大意義。本研究通過設置常規旋耕和深松耕作2種耕作方式、5個密度梯度，研究2種耕作方式不同密度下玉米植株根干質量、根長、葉面積指數、葉綠素相對含量、干物質積累量及產量的變化，以期為黃淮海南部深松耕作玉米的增密增產提供理論參考。

1?材料與方法

1.1?試驗地概況

試驗于2020—2021年在駐馬店市農業科學試驗站進行，坐標114°05′E，33°01′N，海拔74 m。該地區氣候位于黃淮海平原南部，屬于溫帶大陸季風型亞濕潤氣候，年平均氣溫14.8 ℃，無霜期220 d，年平均降水量1 004.4 mm。試驗地土壤為砂漿黑土，土壤耕層基礎養分：有機質含量12.26 g/kg，全氮含量0.86 g/kg，有效磷含量19.76 mg/kg，速效鉀含量89.6 mg/kg，pH值6.4。供試玉米品種為駐玉216。

1.2?試驗設計

試驗采用裂區設計，主區為耕作方式，設常規旋耕（CT）和深松耕作（SS）2個處理，常規旋耕耕深為15 cm，深松耕深為35 cm，作業時間在小麥播種前，2個耕作處理面積均為6 m×108 m=648 m2；副區為種植密度，設置60 000（D1）、67 500（D2）、75 000（D3）、82 500（D4）、90 000 株/hm2（D5）5個密度梯度，每個密度小區設3次重復，行距60 cm，株距根據密度設定，小區面積為6 m×7.2 m=43.2 m2。施用北京金六豐貴福牌復合肥（N、P2O5、K2O含量分別為29%、5%、6%）作為基肥一次性施入，施肥量為750 kg/hm2，其他管理與一般大田管理一致。

1.3?測定項目和方法

1.3.1?理化性質指標?采樣時期：乳熟期。測定土層：0～10、10～20、20～30、30～40、40～50 cm。測定方法：土壤容重采用環刀法測定，土壤含水量采用烘干法測定，土壤有機質含量采用重鉻酸鉀氧化法測定，土壤全氮含量采用微量凱氏滴定法測定，土壤速效磷含量采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法測定，土壤速效鉀含量采用乙酸銨浸提-火焰光度法測定。

1.3.2?葉面積指數（LAI）和葉綠素相對含量（SPAD值）?測定時期：開花期和乳熟期。每個小區選取3株生長一致的植株，采用長寬系數法測定單株葉面積（展開系數為0.75、未展開系數為0.5）；葉面積指數=單株葉面積×單位面積內株數/單位面積。同時使用SPAD-502葉綠素計測定穗位葉葉綠素相對含量。

1.3.3?單株根長和單株根干質量?測定時期：開花期。每個小區選取3株長勢均勻的玉米植株，以植株的根莖為中心，垂直挖長（60 cm）×寬（各個密度的株距）×高（50 cm）的土塊，裝入尼龍沙袋中，然后用清水沖洗，將沖洗干凈的根樣置于根系掃描儀中掃描圖像，并用WinRHIZO 根系分析系統分析根總長度。最后將掃描后的根樣放入烘箱中105 ℃殺青30 min，75 ℃烘干，百分之一天平稱質量，測得單株根干質量。

1.3.4?單株干物質積累量和測產?測定時期：收獲期。單株干物質積累量：每個小區選取3株均勻一致有代表性的植株，將其地上部放入烘箱中105 ℃殺青30 min，75 ℃烘干后稱質量。

測產：每小區選取中間5行，收獲全部果穗，從中挑選10穗具有代表性的果穗風干，用于考種，然后全部脫粒，按14%含水量折算實際產量。

1.4?數據分析

用 Microsoft Excel 2007軟件進行數據整理，用 SPSS 26.0 軟件進行統計分析，用SigmaPlot 14軟件繪圖。

2?結果與分析

2.1?耕作方式、密度及其互作對單株根干質量、單株根長、SPAD值、LAI、單株干物質積累量和籽粒產量的影響

由表1可知，耕作和密度對2年所測指標的影響均達到極顯著水平，耕作×密度互作除對2020年開花期SPAD值和2021年單株根干質量的影響未達到顯著水平，其他指標的影響均達到顯著水平，其中對2021年SPAD值、2021年LAI和2年的籽粒產量的影響達到極顯著水平。

2.2?2種耕作方式下土壤物理特性的變化

由圖1可知，深松明顯提高了0～50 cm土層的土壤含水量，與常規旋耕處理相比，深松處理2年的0～50 cm土層土壤含水量分別增加了8.0%（2020年）和10.4%（2021年）；深松明顯降低了土壤容重，且主要降低了10～40 cm土層的土壤容重，與常規旋耕處理相比，深松處理2年的土壤容重分別降低了3.2%（2020年）和4.2%（2021年）。因此，隨著深松處理的逐年進行，深松對土壤物理特性的改良效果越明顯。

2.3?2種耕作方式下土壤養分含量的變化

由圖2可知，土壤有機質含量、土壤全氮含量和土壤速效磷含量均隨土層深度的增加整體呈下降趨勢。深松明顯增加了土壤各養分含量，且主要增加了10～40 cm土層的土壤有機質含量、速效磷含量和速效鉀含量，對0～10 cm和40～50 cm土層處的土壤有機質含量、速效磷含量和速效鉀含量影響較小。與常規旋耕處理相比，深松處理的0～50 cm土層土壤有機質含量、速效磷含量和速效鉀含量在2020年分別提高了4.8%、17.0%、3.9%，2021年分別提高了6.1%、15.9%、6.4%。深松對0～50 cm 土層的土壤全氮含量均有明顯影響，與常規旋耕處理相比，深松處理2年的土壤全氮含量分別增加了9.0%（2020年）和12.1%（2021年）。

2.4?2種耕作方式不同種植密度下玉米單株根干質量和單株根長的變化

由圖3可知，在2種耕作方式下，玉米單株根干質量和單株根長均隨種植密度的增加而逐漸降低，均表現為D1處理＞D2處理＞D3處理＞D4處理＞D5處理。同種種植密度下，深松顯著增加了玉米單株根干質量和單株根長。與常規旋耕處理相比，深松處理2年的單株根干質量在D1～D5種植密度下，分別增加了17.6%、13.7%、19.0%、14.6%、17.1%（2020年）和14.3%、13.9%、15.0%、17.1%、15.5%（2021年）；單株根長分別增加了7.0%、10.9%、6.7%、6.1%、9.5%（2020年）和6.8%、7.6%、6.8%、6.3%、7.2%（2021年）。

2.5?2種耕作方式不同種植密度下葉片SPAD值變化

由圖4可知，在2種耕作方式下，葉片SPAD值均隨密度的增加而逐漸降低。同種種植密度下，深松顯著提高了開花期和乳熟期的葉片SPAD值，且對乳熟期的葉片SPAD值提高效果更佳。與常規旋耕處理相比，深松處理2年的葉片SPAD值在D1～D5種植密度下，開花期分別提高了3.1%、3.4%、3.6%、3.6%、3.7%（2020年）和2.7%、3.1%、3.4%、2.7%、5.1%（2021年），乳熟期分別提高了3.8%、4.4%、5.9%、5.6%、6.2%（2020年）和3.3%、3.9%、5.2%、5.1%、8.2%（2021年）。從數據結果可知，高密度下深松對葉片SPAD值的提高效果更好。深松處理的開花期至乳熟期葉片SPAD值降幅較小，且在高密度下降幅更為明顯，與常規旋耕處理相比，深松處理的開花期至成熟期2年葉片SPAD值降幅在D1～D5種植密度下分別為2.4%、3.4%、10.5%、7.5%、9.0%（2020年）和2.6%、3.5%、9.5%、11.2%、11.9%（2021年）。

2.6?2種耕作方式不同種植密度下葉面積指數變化

由圖5可知，葉面積指數在2種耕作方式下均隨種植密度的增加而增加。與常規旋耕處理相比，深松處理顯著提高了2個生育時期的葉面積指數，且對乳熟期葉面積指數的增幅更大。與常規旋耕處理相比，深松處理2年的葉面積指數在D1～D5種植密度下，開花期分別提高了4.8%、6.1%、7.7%、7.6%、7.6%（2020年）和6.8%、6.1%、11.2%、9.7%、6.7%（2021年），乳熟期分別提高了6.0%、8.7%、9.6%、10.8%、11.4%（2020年）和8.2%、8.2%、14.2%、14.3%、13.6%（2021年）?？梢钥闯觯钏蓪Ω呙芏认氯~面積指數的提高效果更好。開花期至乳熟期葉面積指數的降幅在2種耕作方式下均隨種植密度的增加而增大，深松處理的葉面積指數降幅小于常規旋耕處理，且常規旋耕處理在高密度下降幅更為明顯。深松處理的開花期至成熟期2年的葉面積指數降幅在D1～D5種植密度下分別為2.7%、11.8%、6.7%、12.9%、15.7%（2020年）和0.9%、4.9%、4.2%、9.3%、19.2%（2021年）。

2.7?2種耕作方式下單株干物質積累量和產量變化

干物質積累量是籽粒產量形成的物質基礎，單株干物質積累量的變化會直接引起群體干物質積累量的變化，最終影響籽粒產量。由圖6可知，2種耕作方式下，單株干物質積累量均隨種植密度的增加而顯著下降。深松處理下的單株干物質積累量顯著高于常規旋耕處理，與常規旋耕處理相比，深松耕作方式下2年單株干物質積累量在D1～D5種植密度分別提高了7.8%、6.0%、6.7%、6.6%、7.4%（2020年）和6.5%、6.4%、6.7%、7.5%、7.7%（2021年）。2種耕作方式下，玉米籽粒產量隨種植密度的增加呈現不同的變化趨勢。常規旋耕處理下，玉米籽粒產量隨種植密度的增加呈現先增加后降低的趨勢，表現為D4處理＞D5處理＞D3處理＞D2處理＞D1處理，在D4種植密度下籽粒產量達到最高。深松耕作處理下，玉米籽粒產量隨種植密度的增加而增加，表現為D5處理＞D4處理＞D3處理＞D2處理＞D1處理，在本試驗設置的密度梯度下產量未達到峰值。深松耕作處理下的玉米籽粒產量顯著高于常規旋耕處理，與常規旋耕處理相比，深松耕作處理下2年的玉米籽粒產量在D1～D5種植密度下分別提高了2.3%、7.2%、7.9%、8.1%、11.4%（2020年）和3.2%、6.0%、6.9%、6.9%、10.3%（2021年），可以看出，隨著種植密度的增加，深松增產的效果越明顯。

3?討論與結論

作物生長發育所需的養分和水分來源于土壤，良好的土壤環境是作物獲得高產及可持續生產的基礎。土壤含水量和容重是反映土壤質量的重要物理指標，受土壤耕作的影響較大［17］。研究表明，長期采用旋耕耕作會導致土壤緊實，容重變大，犁底層加厚，隔斷了深層土壤與表層土壤的空隙連續性，水分下滲困難，降低土壤蓄水保水能力［18］。鄭洪兵等研究發現，深松耕作能夠打破堅硬的犁底層，降低下層土壤容重，減少耕層表面徑流和蒸發，增強水分入滲，提高土壤含水量［19］。本試驗研究表明，相對于常規旋耕處理，深松耕作處理土壤含水量提高了8.0%（2020年）和10.4%（2021年），土壤容重降低了3.2%（2020年）和4.2%（2021年），與前人研究一致。土壤耕作對土壤養分含量及有效性均有明顯影響。土壤耕作打破了土壤養分原有轉化機制的微環境，造成養分含量和分布發生變化［20］。研究表明，深松耕作增加了土壤有機碳含量，提高土壤氮素有效性，促進了速效磷和速效鉀的釋放［21-23］。本研究結果顯示，深松提高了土壤各養分含量，且對10～40 cm土壤的養分含量影響較大，與劉衛玲等的研究結果［24］一致。綜合表明，深松改善了土壤耕層的理化特性，增加了土壤養分含量，為容納更多的作物群體提供了土壤基礎。

根系是植株從土壤中吸收養分和水分的重要器官，根系的生長發育及分布狀況直接影響作物的的生長和產量。戴俊英等研究發現，單株根干質量、根長和根條數隨種植密度的增加而顯著下降［25］。本研究結果顯示，隨著種植密度增加，2種耕作方式下單株根干質量和單株根長呈現下降趨勢，而深松顯著提高了單株根干質量和單株總根長。究其原因可能是深松耕作增加了耕作深度，改善了耕層結構，疏松了土壤，擴展了根系的縱向生長空間，促進了深層根系生長，從而增加單株根干質量和單株總根長。說明深松耕作改善了根系生長發育的土壤環境，有利于建成合理的根系形態結構和良好的生理功能，從而促進地上部作物生長，獲得較高的生物量。

作物籽粒產量的形成與冠層葉片的光合性能密切相關，開花后葉片合成的光合產物直接決定了產量形成的物質基礎，因此構建高光效的冠層結構是作物獲得高產的基礎。冠層結構和功能受種植密度的影響［26-27］。LAI是反映群體冠層捕獲光能能力的重要指標，SPAD值能夠反映植株葉片的光合性能，它們均可反映出葉片的衰老情況［28-30］。研究發現，群體LAI隨種植密度增加而增加，葉片SPAD值隨密度的增加而顯著下降［31-32］。本研究結果顯示，2種耕作方式下，LAI均隨種植密度的增加而增加，葉片的SPAD值均隨密度的增加而降低，與前人研究結果一致，但是2種耕作方式下，LAI和SPAD值開花期至乳熟期的降低幅度不同。深松耕作提高了LAI和SPAD值，尤其是乳熟期的作用更加明顯，表現為開花期至乳熟期LAI的降低幅度由常規旋耕的0.37～0.82變為0.36～0.67，葉片SPAD值的降低幅度由常規旋耕的6.72～9.35變為6.55～8.38。說明深松耕作能夠有效減緩植株后期衰老，提高群體LAI，延長葉片持綠期，增加光合時間，使籽粒充分灌漿，最終提高產量。

干物質積累量是玉米籽粒產量形成的物質基礎，產量在一定范圍內與干物質積累量呈正相關關系［33］。增加種植密度可以提高群體總干物質積累量，從而提高籽粒產量［34］。但當超過一定的范圍后，通過增加種植密度帶來的群體增產效應不足以彌補單株生產能力的下降時就會出現高密度減產現象。本研究結果顯示，2種耕作方式下，單株干物質積累量均隨種植密度的增加而降低，深松耕作顯著提高了單株干物質積累量，這與于曉芳等的研究結果［8，35］一致，說明深松耕作可以減緩由于種植密度的增加而引起的單株干物質量下降。常規旋耕處理下，籽粒產量隨種植密度的增加呈現先增加后降低的趨勢，而深松耕作處理下，籽粒產量隨密度的增加而一直增加。說明在常規旋耕處理下，當種植密度達到D4時，耕層對作物群體數量的容納量到達峰值，繼續增加種植密度，耕層不足以支撐作物群體生產所需，造成減產，而深松耕作改善了耕層特性，提高了土壤含水量和養分，降低了土壤緊實度，促進了根系縱向生長，擴展了根系水肥的利用的空間，緩解了單株干物質積累量的下降，從而提高了耕層的群體容納量，使最適種植密度得到提高，進一步增加產量，與侯海鵬等的研究結果［35］一致。

深松顯著提高了土壤含水量和土壤養分，降低了土壤容重，促進了玉米根系生長，延緩了后期LAI和葉片SPAD值的下降速度，增加了單株干物質積累量，提高了籽粒產量且增加了最適種植密度。因此，在砂漿黑土上可以利用深松技術進一步提高種植密度，充分發揮品種的增產潛力。

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