粉壟耕作對黃淮海北部土壤水分及其利用效率的影響

李軼冰，逄煥成，* ，楊 雪，李玉義，李 華，任天志，董國豪，郭良海

(1.中國農業(yè)科學院農業(yè)資源與農業(yè)區(qū)劃研究所，北京 100081;2.德州市農業(yè)科學研究院，德州 253015)

黃淮海平原是我國重要的糧食主產區(qū)，對于維系該地區(qū)乃至全國的糧食安全發(fā)揮著舉足輕重的作用。其北部地區(qū)水資源不足的問題十分突出，加之連年旋耕作業(yè)，耕作層變淺，犁底層變厚上移，土壤的透氣、透水等理化性能變差，致使土地生產力下降，嚴重制約了豐收增產，并進一步激化農業(yè)用水供需矛盾，成為近年來業(yè)界關注的焦點。土壤耕作是調控土壤水肥氣熱的重要措施，通過改進耕作措施實現(xiàn)對土壤理化性狀的改善，提高土壤水分利用效率，也是節(jié)水農業(yè)研究的一個重要方向。研究表明［1］，翻耕或深松均有利于提高土壤含水量、增加根冠比和提高產量。但是翻耕依舊存在犁底層，阻礙水分傳輸和根系下扎，而且因耗能多，作業(yè)深度一般為20cm左右，因此人們更多地把注意力集中在深松［2-3］上。深松是隨著保護性耕作而發(fā)展起來的一種代替?zhèn)鹘y(tǒng)翻耕的土壤耕作方式，可松碎土壤而不亂土層，能打破犁底層，降低表層土壤容重，增加土壤含水量，提高水分入滲深度［4-6］，利于防風蝕和水蝕，受到國內外廣泛重視，被視為一項重要的增產措施，在干旱缺水的地區(qū)更是如此，如在寧南旱區(qū)［7］，夏閑期采用深松與免耕輪耕較之連年旋耕可提高農田的土壤蓄水效率和降水生產效率，從而達到增產效果。

近幾年我國出現(xiàn)了一種新型深松深耕土壤的耕作措施——粉壟，為打破犁底層提供了新的方法，該耕作措施可將農田土壤垂直旋磨粉碎(粉壟專用耕作機械的整個作業(yè)幅寬上緊湊排列7個可方便安裝和拆卸的垂直螺旋型鉆頭，使用長度不同的鉆頭或通過控制鉆頭的入土深度，完成不同的作業(yè)深度，目前最深可至1m)，從而使土壤疏松透氣、蓄水保水，已經在廣西的淮山藥、木薯、玉米、花生、大豆、甘蔗、桑樹、水稻等作物上進行了試驗［8-9］，較傳統(tǒng)耕作，均可不同程度提高耕地生產力;但相關報導多關注作物根系、地上部性狀和產量，對于土壤水分，僅提到該耕作措施下呈現(xiàn)地下槽狀儲水［8-9］，可提高土壤保水抗旱能力，未見對土壤水分變化過程的影響報告，也未見在我國北方地區(qū)應用情況的相關報道，本研究將該耕作措施引入黃淮海北部平原，以探究耕作措施打破犁底層之后對土壤水分變化過程的影響以及對作物水分利用效率的影響。

1 材料與方法

1.1 試驗點基本情況

于2011年4月—8月在河北省滄州市吳橋縣前李村(37°50'N，116°30'E)開展了大田試驗。試驗地為華北平原典型潮褐土，耕層以壤土為主，近十幾年來均實施旋耕，未施有機肥，前茬為棉花，耕層有機質14.33 g/kg，全氮 0.90 g/kg，堿解氮 86.07 mg/kg，全磷 0.97 g/kg，速效磷 11.44 mg/kg，全鉀 18.5 g/kg，速效鉀 129.3 mg/kg。該區(qū)為大陸性季風氣候，雨熱同期，年均降雨量為562.3 mm，年均≥0℃積溫為4828℃。當年春玉米生育期降雨量為403.4 mm，積溫為3180.3℃，作物生育期內的日平均溫度和日降雨量見圖1。

1.2 試驗設計

供試的玉米品種為先玉335。耕作處理為:粉壟30 cm(F30)、粉壟50 cm(F50)、粉壟30 cm+地膜(F30M)、粉壟50 cm+地膜(F50M)、粉壟30 cm裸地(即不種植作物)(F30L)、粉壟50 cm裸地(F50L)，以旋耕15 cm(CK1)(XG)和深松35 cm(CK2)(SS)作為對照。為了便于實施耕作，試驗采用大區(qū)，每個處理面積為260 m2(4 m×65 m)。4月11日灌溉75 mm以便土壤耕作;4月15日施用史丹利54%“三安”復合肥(18-18-18)作為底肥，用量923 kg/hm2，隨后進行土壤耕作，其中粉壟耕作分別選用30 cm和50 cm的垂直螺旋型鉆頭全面粉壟，深松耕作采用全面深松，之后全田統(tǒng)一耙耱以平整地面;4月16日人工點播，等行距種植，行距60 cm，株距20 cm，種植密度83340株/hm2。由于粉壟耕作后，耕層疏松深厚，表土極易跑墑，因此設置了覆蓋地膜處理，F(xiàn)30M和F50M兩處理在播種后噴施4%煙嘧磺隆懸浮劑，用量1.5 L/hm2，然后每兩種植行上覆蓋一條地膜。設置兩個裸地處理的目的是了解粉壟耕作在不受作物耗水影響條件下土壤水分的變化動態(tài)。大喇叭口期前(6月16日)灌溉75 mm，灌溉均采用低壓管道，以水表嚴格控制水量;授粉后(7月7日)逐行于株旁開溝掩埋普拉特復混肥料(30-5-5)作為追肥，用量300 kg/hm2。8月25日收獲。

1.3 試驗方法

土壤濕度大小用土壤重量含水率來表示，采用烘干法測定春玉米苗期(5月7日)、小喇叭口期(6月13日)、抽雄吐絲期(6月30日)、灌漿期(7月26日)和成熟期(8月24日)0—10cm、10—20cm、20—40cm、40—60cm、60—80cm、80—100cm、100—120cm、120—140cm、140—160cm、160—180cm 和 180—200cm 的土壤重量含水率，覆膜兩處理則膜內和膜側均取樣，膜內和膜側在處理代碼中簡寫為Mn和Mc。采用環(huán)刀法測定播前和收獲時的各層土壤容重，重復均為3次。

分別在春玉米播后59 d(6月13日，小喇叭口期)和播后111 d(8月4日，灌漿中期)選擇晴朗無云的天氣，9:00—11:00利用美國LI-COR公司生產的LI-6400便攜式光合系統(tǒng)分析儀測定各處理葉片中部的光合特性，從而獲取葉片水分利用效率，每處理9個重復，其中小喇叭口期測定最上一片展開葉，灌漿中期測定穗位葉。

1.4 數據分析

(1)本研究采用surfer 8.0制圖軟件作為繪制等值線圖的手段［10-12］，比較分析研究區(qū)不同處理措施下土壤水分的時空變化規(guī)律。各處理的土壤濕度時間等值線圖見圖2，其中橫坐標為播后天數，以苗期和收獲期土壤含水率測定當天作為起止時間，縱坐標為土壤深度，圖中的等值線間隔為1%，由低到高填充色逐漸變淡。其他數據均用Excel錄入、制作圖表和計算。

(2)土壤耗水量及水分利用效率相關公式:

式中，Δθi為土層i的土壤重量含水率(%)，Ci為土層i的土壤容重(g/cm3)，Zi為土層i的厚度(mm)。

土壤貯水消耗量(mm)=播前0—200cm土層土壤貯水量(mm)－收獲后0—200cm土層土壤貯水量(mm)

采用水分平衡法計算農田總耗水量(mm)①因試驗地平坦，忽略地表徑流滲漏等

農田總耗水量(mm)=土壤貯水消耗量(mm)+生育期有效降雨量(mm)+生育期總灌溉水量(mm)

水分利用效率(kg mm－1hm－2)=籽粒產量(kg/hm2)/總耗水量(mm)

葉片水分利用效率=Pn/Tr

式中，Pn 為凈光合速率(μmolCO2m－2s－1)，Tr為蒸騰速率(mmolH2Om－2s－1)。

2 結果與分析

2.1 不同耕作處理對0—200cm土壤水分變化過程的影響

綜合圖1和圖2分析可知，種植作物的各處理，隨著作物生育進程，需水不斷增加，對10 cm以下土層的耗水越來越多，各層水分由淺到深依次減少，尤其是播后80 d(即抽雄吐絲期)后的20余天，雨水較少，各土層含水率均呈快速下降，約至播后100 d時達到最低值，之后隨著雨水的不斷補充，土壤水分得到恢復。水分散失及恢復過程波動傳導至深層土壤，其中F30和F50的波動傳導略深于旋耕和深松。在田間覆蓋度較低的時期，耕層疏松深厚的粉壟處理表土極易跑墑而形成干土層，覆膜之后表土水分得以保持，而且在耗水較多的時段內，其水分波動傳導較未覆膜處理加深，可見覆膜之后不僅利于保存表墑，在相對干旱的時期還可調用更多的深層水供作物吸收利用。

圖1 春玉米生育期內的日平均溫度和日降雨量Fig.1 Daily average temperature and daily rainfall during growth period of spring maize

播后60 d的灌溉和播后68—78 d(大喇叭口期至抽雄吐絲前)陸續(xù)下的幾場雨(5.1—27.9 mm不等，總雨量91.7 mm)，使F30和F50兩處理10—80 cm土層的含水率隨即表現(xiàn)為上升趨勢，且F50各層含水率略高于F30，顯然，兩處理土壤水分恢復能力較強，一旦有水分補充可以很快恢復，并且耕作深度越深，恢復越快;F30M和F50M的水分也表現(xiàn)為回升，膜側和膜內的趨勢基本一致，以膜內略好于膜側，兩處理中以F50M的水分恢復較快也更為明顯，即仍表現(xiàn)為耕作深度越深，水分恢復越快;但深松和旋耕水分補給深度分別不足30 cm和20 cm，下層土壤含水率仍繼續(xù)呈下降趨勢。

裸地兩處理(F30L和F50L)10—60 cm土層含水率在各個時期均明顯高于有作物的各處理，在其他處理播后60 d之前，溫度適中，雨水較少，裸地兩處理各土層的水分變化平緩;播后60—78 d的水分補給下，兩處理也表現(xiàn)為水分快速上升;七八月份高溫下，蒸發(fā)加強，兩處理含水率均有所下降，表現(xiàn)為耕作深度越深，相同土層的水分減少越快，后期由于雨量增多，含水率又快速回升，仍表現(xiàn)為耕作深度越深，各層恢復越快;120—200 cm土層的含水率則受外界的影響不大。經歷了雨季較多的水分補給之后，兩處理各土層的水分狀態(tài)趨于一致。

綜合以上分析可知，對于粉壟耕作的裸地來說，僅120 cm以上土層的水分受外界水熱變化的影響較大，蒸發(fā)較弱且少雨時段，各層水分變化不大;蒸發(fā)較強時段，耕作深度越深，水分減少越快;一旦有水分補給，各層水分均快速增多，表現(xiàn)為耕作深度越深，水分恢復越快，如果水分補給充足，則各層水分狀態(tài)會趨于一致，即不同耕作深度處理間的差異減弱。種植作物的粉壟耕作地塊，隨著作物需水的逐步增多，由淺到深地逐步利用土壤水分;覆膜之后，減少了表土跑墑，干旱時段還可調用更多深層水分;無論覆膜與否，一旦有水分補給，各土層水分均表現(xiàn)為快速恢復。而作為對照的旋耕和深松，在水分補給較少的時候，僅能做到表層水分的恢復，其耕層及更深層水分的恢復必須依賴更充足的水分補給條件，兩者主要的差異在于深松調用和補給深層水的能力強于旋耕。

2.2 不同耕作處理下的0—200cm土壤貯水消耗量比較

由于8月份雨水較多，僅收獲前的10 d內降雨量就達到了129.6 mm，因此，旋耕處理對0—200 cm土壤貯水的消耗僅為0.9 mm，而其他處理均為負值，即土壤貯水是呈增加狀態(tài)而非消耗狀態(tài)。盡管深松處理的土壤貯水也呈增加狀態(tài)，但增幅遠低于粉壟耕作各處理。由于無作物對土壤水分進行消耗，F(xiàn)30L和F50L兩裸地處理的土壤貯水增加最多，均超過了100 mm，其中F30L高于F50L，這是由于后者收獲期0—40 cm土層跑墑多于前者;F30的土壤貯水量增加也大于F50，這是由于耕作深度越深，土壤蒸發(fā)和作物蒸騰等土壤水分消耗越大，而收獲前的水分補給還不足以消除不同耕作深度的水分差異;覆膜兩處理的情形非常接近，由于塑料薄膜的保墑作用，均是膜內貯水量增加多于膜側(表1)。

表1 不同處理對0—200cm土壤貯水消耗量的影響Table 1 Effect on soil water consumption amount of layer 0—200cm under different treatments

從不同土層貯水消耗(圖3)來看，各處理的相同的趨勢是0—120 cm土層內的土壤貯水量以增加為主，而120—200 cm土層內的土壤貯水量則以消耗為主，但僅旋耕處理的消耗量較大;這表明8月份的雨水已經較好地補給了120 cm以上土層，而120 cm以下土層還未得到充足的補給，尤其是旋耕處理犁底層的存在，使得其深層補給比其他處理更為困難。

各處理的主要差異體現(xiàn)在100 cm土層內的貯水消耗規(guī)律上，即深松和旋耕(圖3A)，尤其是深松處理，消耗量較大，多于其他處理;而F30L、F50L、F30和F50等4處理的消耗量較低(圖3C)，且耕作深度越深，對貯水量消耗越多，裸地兩處理對下層土壤貯水量的消耗要小于有作物的處理;覆膜兩處理的消耗量居中(圖3B)，且兩者大多數土層的差異較小。這個規(guī)律表現(xiàn)印證了等值線圖反映出的深松和旋耕處理在水分補給出現(xiàn)時，其水分恢復不及粉壟耕作來的快速;粉壟覆蓋地膜兩處理，由于有地膜的遮擋，其水分的補給上則稍微劣于無遮擋的F30L、F50L、F30和F50等4處理。圖3C顯示的耕作深度越深，對貯水量消耗越多，也再次表明粉壟耕作的深度越深，作物吸收或土壤蒸發(fā)的水分越多。

圖3 不同處理對不同土層土壤貯水消耗量的影響Fig.3 Effect on soil water consumption amount of different layer under different treatments

2.3 不同處理對作物水分利用效率的影響

2.3.1 葉片水分利用效率

由表2可知，耕作措施對葉片水分利用效率(Water Use Efficiency，WUE)有一定的影響作用，F(xiàn)50M在播后59d(小喇叭口期)和播后111d(灌漿中期)均是最高的，表明該處理協(xié)調碳同化和水分耗散之間關系的能力最強;而F30M在兩個時期均與F30和F50無顯著差異，三者在兩個時期與旋耕也均無顯著差異，其中F30和F50的葉片WUE在播后59d略低于旋耕，但在播后111d則高于旋耕，且兩個時期均隨著耕作深度加深略有降低;深松的葉片WUE在播后59d顯著高于F50M之外的4處理，但在播后111d已與其他處理無顯著差異，表明粉壟各處理的葉片WUE在作物生育后期比深松有更大的提升潛力;旋耕的葉片WUE在灌漿中期呈下降趨勢，而其他處理則均呈上升趨勢，可見，耕作深度過淺或犁底層的存在，不利于作物生育后期維持較高的葉片WUE。

表2 不同處理下春玉米的葉片水分利用效率Table 2 Leaf water use efficiency of spring maize under different treatments

2.3.2 產量水分利用效率

由于各處理的水分管理相同，因此總耗水量的差異來源于對土壤貯水消耗量的差異，旋耕處理對土壤貯水消耗量最大，相應地總耗水量最大，而產量又最低，因此WUE最低，僅為18.0 kg·mm－1·hm－2;其次是深松處理，其總耗水量僅比旋耕減少了2.3%，而產量比旋耕增產5.4%，WUE達19.4 kg·mm－1·hm－2，比旋耕提高了7.8%;在粉壟耕作的各處理中，以F50的總耗水量最大，而F30M、F50M和F30等3處理的總耗水量差異較小，4處理的總耗水量約比旋耕減少了12.2%—16.4%，比深松減少了10.2%—14.5%，產量均比兩對照有大幅提升，其中覆膜兩處理的增幅更大，因此4處理的WUE也呈大幅提高，其中 F30和F50相當，分別為23.6 kg·mm－1·hm－2和23.1 kg·mm－1·hm－2，分別比旋耕提高了31.1%和28.3%，比深松提高了21.6%和19.1%，F(xiàn)30M和F50M的WUE則高達25.6 kg·mm－1·hm－2和27.1 kg·mm－1·hm－2，分別比旋耕提高了42.2%和50.6%，比深松提高了32.0%和39.7%(表3)。可見，與旋耕和深松相比，粉壟耕作可以提高春玉米的產量WUE，而覆膜后由于無效耗水減少而使得產量WUE進一步提高，而且在覆膜狀態(tài)下改變了“粉壟耕作深度越深耗水越多”的劣勢，表現(xiàn)為耕作深度越深，產量WUE越高。

表3 不同處理下春玉米耗水量及水分利用效率Table 3 Water consumption amount and water use efficiency of spring maize under different treatments

3 結論與討論

3.1 討論

(1)粉壟耕作下的土壤水分特點

粉壟耕作的出現(xiàn)為打破犁底層、解決耕層變淺提供了一種新的選擇和可行之法。本研究表明，這種新型耕作措施使耕層比旋耕和深松更為疏松深厚，易于調用深層水分，發(fā)生水分補給時，入滲快而深，即土壤調蓄水分更通暢。土壤水分條件改善了，對土壤養(yǎng)分的改善也將起到積極的作用，如韋本輝等的研究［13］表明，粉壟整地后，無論是旱地還是水田，土壤中有機質、速效氮磷鉀和硼、銅、鋅、錳等微量元素含量均有所增加。土壤水肥條件的改善為作物產量及WUE提高奠定了基礎。如本研究中，粉壟各處理與兩對照相比，總耗水量減少，產量WUE提高，其中總耗水分別比旋耕和深松減少了12.2%—16.4%和10.2%—14.5%，產量WUE比分別比旋耕和深松提高了 28.3%—50.6%和 19.1%—39.7%。

(2)粉壟耕作的不同作業(yè)深度及覆膜與否的比較

本研究設置了30 cm和50 cm兩個作業(yè)深度，試驗結果表明，耕作深度越深，水分調蓄能力就越強，即干旱以水分消耗為主時水分上移的快而多，發(fā)生水分補給時下滲的也快。不同深度(15 cm和25 cm)的翻耕條件［14］下的研究結果很類似，即較大降雨后深耕土壤水分增加比淺耕多，連續(xù)干旱時深耕比淺耕土壤水分消耗更快。深松［6］條件下，也是隨著作業(yè)深度(30、35、40 cm)增加，土壤含水量呈上升趨勢。說明作業(yè)深度越深越利于降雨入滲和土壤水分調蓄。然而，從WUE分析可知，隨著耕作深度的加深，總耗水量有所增加，WUE略有下降，其中總耗水增加了5.0%，小喇叭口期和灌漿中期的葉片WUE分別下降1.6%和1.0%，但差異未達顯著水平，產量WUE降低2.1%。

粉壟耕作在覆膜之后克服了表土跑墑的缺點，減少了耗水量，并且調蓄水分可達更深土層，產量WUE進一步提高，而且耕作深度越深WUE越高，其中F30M、F50M的WUE分別比F30、F50提高了8.5%和17.3%，F(xiàn)50M的小喇叭口期和灌漿中期的葉片WUE以及產量WUE比F30M分別提高了8.3%、7.4%和5.9%?？梢姡材ぶ?，粉壟的缺點得到克服，優(yōu)點得到提升。

從作業(yè)深度的選擇上看，和深松一樣，并不是說耕作深度越深越好［15］，因為作業(yè)深度越深，其動力消耗就越大;應根據作物的種類、投入產出比等來定。如在廣西的大量田間試驗［8］中，花生、玉米、大豆、紅薯等作物的作業(yè)深度為40—50 cm，甘蔗、木薯、淮山藥等作物的作業(yè)深度則達60—90 cm。而各作物的投入產出比還需要通過試驗進一步來確定。

(3)粉壟耕作的后效及目前存在的主要問題

粉壟和深松、翻耕等深土作業(yè)一樣，都有一定的后效，不必年年實施作業(yè)，可以與旋耕或免耕等耕作措施交替進行，而其后效能夠維持的年限目前還有待進一步研究。另外，現(xiàn)在的粉壟機械在進行田間作業(yè)時，需要消耗的動力比較大，且耕作深度越深，動力消耗越大，提高了作業(yè)成本;同時，土壤水分狀況對該機械的耕性影響也較大，其宜耕的土壤水分上下限要求比其他耕作措施更為嚴格，所以本研究在耕作之前進行了灌溉，改善了土壤水分過低的狀態(tài)，以便于耕作的順利實施。目前，減小作業(yè)消耗、輕便靈活的第二代機械正在完善設計中，該耕作措施的推廣有賴于機械改造的成功。

3.2 結論

(1)與旋耕和深松相比，粉壟耕作下耕層疏松深厚、土壤調蓄水分能力增強、耗水量減少、水分利用效率提高;(2)粉壟的作業(yè)深度越深土壤調蓄水分能力越強，但耗水增加，水分利用效率略有下降;(3)粉壟后覆蓋地膜耗水減少，調蓄水分能力進一步增強，水分利用效率進一步提高，而且作業(yè)深度越深提高越多;(4)粉壟耕作有后效，動力消耗大是目前要克服的主要問題。

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