深松(耕)時(shí)機(jī)與方式對(duì)土壤物理性狀和玉米產(chǎn)量的影響

劉衛(wèi)玲，程思賢，周金龍，王川鋒，周亞男，王 群,3,4，趙亞麗,3,4*，李潮海,3,4*

(1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，河南 鄭州 450002； 2.河南豐德康種業(yè)有限公司，河南 鄭州 450000；3.河南糧食作物協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 鄭州 450002； 4.小麥玉米作物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 鄭州 450002)

砂姜黑土是河南省的主要土壤類(lèi)型之一，主要分布在河南省南部，面積達(dá)126.7萬(wàn)hm2，占全省耕地面積的1/4，屬于典型的中低產(chǎn)田[1]。砂姜黑土具有理化性質(zhì)差、耕層淺薄、犁底層厚、適耕期短、有機(jī)質(zhì)含量低等特點(diǎn)，不利于作物的根系生長(zhǎng)和產(chǎn)量提高[2-3]。該土區(qū)常年采用冬小麥播前旋耕、夏玉米免耕直播的耕作方式，導(dǎo)致砂姜黑土的耕層結(jié)構(gòu)日益惡化，嚴(yán)重限制了作物產(chǎn)量的提高。研究結(jié)果表明，深松(耕)在一定程度上可以打破犁底層、降低土壤容重、增加土壤透性和含水量[4-9]，改善土壤理化性狀，增加深層根系分布，提高作物產(chǎn)量[10-16]。秋季深松可以打破犁底層、降低土壤容重，保障夏玉米根系的正常生長(zhǎng)[17]。而夏季深松有利于夏玉米根系向深處延伸生長(zhǎng)[18]，增加植株干質(zhì)量[19]，特別是開(kāi)花后期的干物質(zhì)積累量[20]。目前，前人主要研究單一的深松(耕)方式或單一的深松(耕)時(shí)機(jī)對(duì)土壤的改良和對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育的影響，關(guān)于深松(耕)時(shí)機(jī)與深松(耕)方式結(jié)合的研究鮮有報(bào)道，不同深松(耕)時(shí)機(jī)與深松(耕)方式結(jié)合對(duì)砂姜黑土的改良效應(yīng)和對(duì)作物的增產(chǎn)效應(yīng)尚不明確。為此，基于多年深松(耕)定位試驗(yàn)，研究不同深松(耕)時(shí)機(jī)與深松(耕)方式對(duì)砂姜黑土土壤容重、土壤含水量、土壤緊實(shí)度、玉米干物質(zhì)積累和產(chǎn)量的影響，以明確砂姜黑土區(qū)適宜的深松(耕)時(shí)機(jī)與深松(耕)方式。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2014—2017年在河南省駐馬店西平縣二郎鄉(xiāng)張堯村河南農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗(yàn)基地(33°19′48″N、114°01′01″E)進(jìn)行。該區(qū)地處河南省南部，平均海拔72.3 m，年平均氣溫16.0 ℃，無(wú)霜期221 d，年平均降雨量852 mm。屬于冬小麥-夏玉米一年兩熟制，秋季小麥播前旋耕、夏季玉米免耕播種是當(dāng)?shù)氐膫鹘y(tǒng)耕作方式。供試土壤屬于砂姜黑土，耕層土壤基礎(chǔ)養(yǎng)分：有機(jī)質(zhì)12.39 g/kg、全氮1.18 g/kg、有效磷 20.12 mg/kg、速效鉀94.66 mg/kg。土壤物理機(jī)械組成：砂粒18.60%、粉粒42.20%、黏粒39.20%。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)置5個(gè)冬小麥-夏玉米周年耕作處理，即秋季旋耕+夏季免耕(ART+SNT，對(duì)照)、秋季深松+夏季免耕(ASS+SNT)、秋季深耕+夏季免耕(ADT+SNT)、秋季深耕+夏季下位深松(ADT+SSSS)和秋季深耕+夏季側(cè)位深松(ADT+SSSL)。2014年秋季，小麥播種前開(kāi)始進(jìn)行定位試驗(yàn)。所有秋季耕作處理均在每年冬小麥播種前進(jìn)行，旋耕處理耕作深度為10～15 cm，深松(耕)處理耕作深度均為30 cm。夏季側(cè)位深松和下位深松處理在夏玉米播種時(shí)采用深松播種機(jī)進(jìn)行，深松深度為30 cm，側(cè)位深松帶距離播種帶橫向距離為10 cm，下位深松帶位于播種帶正下方。采用大區(qū)對(duì)比法，每個(gè)處理面積為10.8 m×100 m。玉米品種均為豫單606，種植密度60 000株/hm2，行距為60 cm。2015年6月8日播種，10月2日收獲；2016年6月5日播種，10月1日收獲；2017年6月8日播種，10月1日收獲。玉米播種時(shí)施N 180 kg/hm2、P2O590 kg/hm2、K2O 90 kg/hm2，大喇叭口期追施尿素75 kg/hm2。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.3.1 土壤容重和含水量 玉米成熟期，每個(gè)處理選擇3個(gè)具有代表性的區(qū)域，用環(huán)刀法測(cè)定0～15、15～30、30～40、40～50、50～60 cm土層土壤容重。并用土鉆采集相同土層的土壤，去除雜物，同一小區(qū)同一土層混合均勻，裝入鋁盒稱(chēng)土壤鮮質(zhì)量，然后110 ℃烘干至恒質(zhì)量，稱(chēng)質(zhì)量，計(jì)算土壤含水量。土壤含水量=(土壤鮮質(zhì)量-土壤干質(zhì)量)/土壤干質(zhì)量×100%[21]。

1.3.2 土壤緊實(shí)度 玉米成熟期，每個(gè)處理選擇3個(gè)具有代表性的區(qū)域，采用美國(guó)產(chǎn)SC900土壤堅(jiān)實(shí)度儀測(cè)定0～45 cm土壤緊實(shí)度。

1.3.3 干質(zhì)量 玉米開(kāi)花期，每個(gè)處理選擇3個(gè)具有代表性的區(qū)域，每個(gè)區(qū)域選取長(zhǎng)勢(shì)均勻一致的3個(gè)植株，分別測(cè)定植株株高、穗位高和莖粗。玉米成熟期，每個(gè)處理選擇3個(gè)具有代表性的區(qū)域，每個(gè)區(qū)域選取長(zhǎng)勢(shì)均勻一致的3個(gè)植株，取地上部分，105 ℃殺青30 min 后，65 ℃烘至恒質(zhì)量，測(cè)定干質(zhì)量。

1.3.4 產(chǎn)量 玉米成熟期，每處理收獲雙行20個(gè)果穗，3次重復(fù)，考種，脫粒，風(fēng)干，稱(chēng)質(zhì)量計(jì)產(chǎn)。

1.4 數(shù)據(jù)分析

利用Excle 2010和SPSS 19.0軟件進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理和分析，利用SigmaPlot 12.5軟件繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 深松(耕)時(shí)機(jī)與方式對(duì)土壤耕層特性的影響

2.1.1 不同因素及其交互作用對(duì)土壤物理性狀的影響 由表1可知，年份對(duì)土壤容重存在顯著影響，對(duì)土壤含水量和緊實(shí)度存在極顯著影響；耕作和土層對(duì)土壤容重、土壤含水量和土壤緊實(shí)度均存在極顯著影響。在兩因素交互作用中，除年份×耕作對(duì)土壤容重和土壤含水量、耕作×土層對(duì)土壤含水量影響不顯著外，年份×耕作對(duì)土壤緊實(shí)度、耕作×土層和年份×土層對(duì)土壤容重、土壤含水量和土壤緊實(shí)度均存在極顯著影響。年份×耕作×土層對(duì)土壤含水量存在顯著影響，年份×耕作×土層對(duì)土壤容重和土壤緊實(shí)度均存在極顯著影響。

表1 不同因素及其交互作用對(duì)土壤物理性狀影響的方差分析

2.1.2 深松(耕)時(shí)機(jī)與方式對(duì)土壤緊實(shí)度的影響 由圖1可知，對(duì)于3個(gè)秋季耕作處理，秋季深松+夏季免耕和秋季深耕+夏季免耕處理的土壤緊實(shí)度比秋季旋耕+夏季免耕處理分別降低12.1%和23.0%，且秋季深松+夏季免耕處理與秋季深耕+夏季免耕處理差異顯著(P<0.05)。秋季深耕條件下，對(duì)于3個(gè)夏季耕作處理，秋季深耕+夏季側(cè)位深松處理的土壤緊實(shí)度比秋季深耕+夏季免耕處理降低7.9%，且差異顯著(P<0.05)。與秋季深松+夏季免耕和秋季深耕+夏季免耕處理相比，秋季深耕+夏季深松處理的土壤緊實(shí)度分別降低15.2%和3.3%。其中，秋季深耕+夏季側(cè)位深松處理的土壤緊實(shí)度總體上最低，比秋季旋耕+夏季免耕處理顯著降低29.0%(P<0.05)。表明秋季深耕+夏季側(cè)位深松處理對(duì)土壤緊實(shí)度的緩解效果最好。

2.1.3 深松(耕)時(shí)機(jī)與方式對(duì)土壤容重的影響 由表2可知，玉米成熟期，總體上0～60 cm土層土壤容重逐年降低，以秋季旋耕+夏季免耕處理最高，秋季深耕+夏季側(cè)位深松處理最低。對(duì)于3個(gè)秋季耕作處理，秋季深松+夏季免耕、秋季深耕+夏季免耕和秋季深耕+夏季深松處理主要降低了0～40 cm土層土壤容重。秋季深松+夏季免耕和秋季深耕+夏季免耕處理0～40 cm土層土壤容重分別比秋季旋耕+夏季免耕處理降低5.6%和9.9%，且秋季深耕+夏季免耕處理降低效應(yīng)大于秋季深松+夏季免耕處理。與秋季深松+夏季免耕和秋季深耕+夏季免耕處理相比，秋季深耕+夏季深松處理0～40 cm土層土壤容重分別降低6.3%和1.9%。其中，秋季深耕+夏季側(cè)位深松處理0～40 cm土層土壤容重總體最低，分別比秋季深耕+夏季免耕和秋季旋耕+夏季免耕處理降低了3.1%和12.7%。表明秋季深耕+夏季側(cè)位深松處理降低土壤容重的效果最好。

2.1.4 深松(耕)時(shí)機(jī)與方式對(duì)土壤含水量的影響 由圖2可知，秋季深松+夏季免耕、秋季深耕+夏季免耕秋季深耕+夏季深松和秋季旋耕+夏季免耕處理間土壤含水量的差異逐年增加。對(duì)于3個(gè)秋季耕作處理，秋季深松+夏季免耕和秋季深耕+夏季免耕處理0～60 cm土層土壤含水量分別比秋季旋耕+夏季免耕處理增加3.6%和3.7%。秋季深耕條件下，3個(gè)夏季耕作處理的土壤含水量總體表現(xiàn)為：秋季深耕+夏季側(cè)位深松>秋季深耕+夏季下位深松>秋季深耕+夏季免耕。與單一秋季深松+夏季免耕和秋季深耕+夏季免耕處理相比，秋季深耕+夏季深松處理的土壤含水量分別增加2.3%和2.2%。其中，秋季深耕+夏季側(cè)位深松處理的土壤含水量總體最高，比秋季旋耕+夏季免耕處理顯著高7.8%(P<0.05)。因此，秋季深耕+夏季側(cè)位深松處理的土壤含水量最高，有利于土壤蓄水保墑。

圖1 深松(耕)時(shí)機(jī)與方式對(duì)土壤緊實(shí)度的影響

表2 深松(耕)時(shí)機(jī)與方式對(duì)土壤容重的影響 g/cm3

注：同列數(shù)據(jù)后不同小寫(xiě)字母表示同一年份不同處理在0.05水平差異顯著，下同。

2.2 深松(耕)時(shí)機(jī)與方式對(duì)玉米地上部生長(zhǎng)的影響

由表3可知，秋季深松+夏季免耕、秋季深耕+夏季免耕和秋季深耕+夏季深松處理可以增加玉米株高和莖粗，降低穗位高，增加地上部干質(zhì)量。對(duì)于3個(gè)秋季耕作處理，與秋季旋耕+夏季免耕處理相比，秋季深松+夏季免耕處理使玉米株高和莖粗分別增加4.2%和5.2%，穗位高降低8.7%，地上部干質(zhì)量增加9.9%。秋季深耕+夏季免耕處理使玉米株高和莖粗分別增加2.0%和3.7%，穗位高降低1.8%，地上部干質(zhì)量增加10.1%。秋季深耕條件下，對(duì)于3個(gè)夏季耕作處理，秋季深耕+夏季下位深松和秋季深耕+夏季側(cè)位深松處理的莖粗比秋季深耕+夏季免耕處理分別高6.1%和11.9%，穗位高分別低6.9%和11.0%，地上部干質(zhì)量分別高 5.5%和10.8%，處理間株高的差異不顯著。與秋季深松+夏季免耕和秋季深耕+夏季免耕處理相比，秋季深耕+夏季深松處理玉米莖粗增加7.4%和9.0%，穗位高降低2.2%和9.0%，地上部干質(zhì)量增加8.4%和8.2%。其中，秋季深耕+夏季側(cè)位深松處理的地上部干質(zhì)量最高，比秋季旋耕+夏季免耕處理顯著高22.4%。因此，秋季深耕+夏季側(cè)位深松處理有利于玉米地上部生長(zhǎng)。

圖2 深松(耕)時(shí)機(jī)與方式對(duì)土壤含水量的影響

年份處理株高/cm穗位高/cm莖粗/mm干質(zhì)量/(t/hm2)2015ART+SNT269.7b133.2a22.8c16.2bASS+SNT294.0a115.2b25.2bc18.7abADT+SNT282.0ab132.5a24.1bc18.7abADT+SSSS280.0ab115.2b26.6ab20.4aADT+SSSL278.3ab118.2b29.1a20.8a2016ART+SNT304.5a123.7a23.4d18.3cASS+SNT304.1ab119.4b23.4d19.2bADT+SNT303.5ab119.7b23.8c19.3bADT+SSSS303.3b119.3b24.2b19.7bADT+SSSL301.5c106.1c24.5a21.3a

2.3 深松(耕)時(shí)機(jī)與方式對(duì)玉米產(chǎn)量的影響

由表4可知，秋季深松+夏季免耕、秋季深耕+夏季免耕和秋季深耕+夏季深松處理可以優(yōu)化玉米產(chǎn)量構(gòu)成因素，增加玉米產(chǎn)量。對(duì)于3個(gè)秋季耕作處理，與秋季旋耕+夏季免耕處理相比，秋季深松+夏季免耕處理的穗長(zhǎng)、穗粗、行粒數(shù)、百粒質(zhì)量及產(chǎn)量分別提高2.8%、2.9%、4.6%、2.8%和9.7%。秋季深耕+夏季免耕處理的穗長(zhǎng)、穗粗、行粒數(shù)、百粒質(zhì)量及產(chǎn)量分別提高2.1%、1.7%、5.1%、1.1%和9.8%。與秋季深松+夏季免耕和秋季深耕+夏季免耕處理相比，秋季深耕+夏季深松處理的穗長(zhǎng)提高3.9%和4.6%、行粒數(shù)增加4.7%和4.1%、百粒質(zhì)量增加0.7%和2.3%及產(chǎn)量提高2.6%和2.6%。其中，秋季深耕+夏季側(cè)位深松處理的玉米產(chǎn)量最高，比秋季深耕+夏季免耕處理高4.1%，比秋季旋耕+夏季免耕處理高15.5%。因此，秋季深耕+夏季側(cè)位深松處理最有利于產(chǎn)量的提高。

表4 深松(耕)時(shí)機(jī)與方式對(duì)玉米產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響

2.4 土壤物理性狀與玉米產(chǎn)量的相關(guān)分析

由表5可知，玉米產(chǎn)量與土壤含水量呈顯著正相關(guān)，而玉米產(chǎn)量與土壤容重、土壤緊實(shí)度分別呈極顯著、顯著負(fù)相關(guān)。土壤容重與土壤緊實(shí)度呈極顯著正相關(guān)，且二者與土壤含水量均呈顯著負(fù)相關(guān)。表明砂姜黑土的土壤含水量越高，土壤容重和土壤緊實(shí)度越低，玉米產(chǎn)量越高。

表5 砂姜黑土土壤物理性狀與產(chǎn)量的相關(guān)系數(shù)

注：*、**分別表示在0.05、0.01 水平(雙側(cè))上顯著、極顯著相關(guān)。

3 結(jié)論與討論

深松整地可以降低土壤容重，提高土壤含水量，尤其15～35 cm深層土壤含水量，蓄水保墑效果顯著[22-24]。但單一深松耕作會(huì)使耕層土壤的持水能力降低[25]，而春季深松和夏季深松會(huì)增加旱地春玉米水分的蒸發(fā)[26]。前人研究表明，小麥季深松的后效可以持續(xù)到玉米季[27]，而玉米季深松不僅能提高玉米季產(chǎn)量，其深松后效也能持續(xù)到小麥季，提高小麥產(chǎn)量[28]。本研究表明，深松(耕)顯著增加了土壤含水量，降低了土壤容重和土壤緊實(shí)度。3個(gè)秋季耕作處理對(duì)土壤物理性狀的改良效應(yīng)表現(xiàn)為秋季深耕+夏季免耕>秋季深松+夏季免耕>秋季旋耕+夏季免耕；秋季深耕條件下，3個(gè)夏季耕作處理對(duì)土壤物理性狀的改良效應(yīng)表現(xiàn)為秋季深耕+側(cè)位深松>秋季深耕+下位深松>秋季深耕+夏季免耕。其中，秋季深耕+側(cè)位深松處理的土壤含水量分別比秋季深耕+夏季免耕和秋季旋耕+夏季免耕處理高3.9%和7.9%，土壤緊實(shí)度分別低7.9%和29.0%，土壤容重分別低3.1%和12.7%。因此，秋季深耕+夏季側(cè)位深松處理對(duì)砂姜黑土土壤耕層的改良效果最好。

深松不僅可以增加玉米地上部干質(zhì)量，還可以提高玉米根系干物質(zhì)積累，進(jìn)而增加玉米產(chǎn)量[29-30]。與傳統(tǒng)耕作相比，深松可以顯著增加穗質(zhì)量、穗粒數(shù)和百粒質(zhì)量，改善玉米產(chǎn)量構(gòu)成因素，提高玉米產(chǎn)量[31-32]。本研究結(jié)果表明，深松(耕)通過(guò)改良砂姜黑土耕層特性，進(jìn)而促進(jìn)玉米生長(zhǎng)發(fā)育，增加玉米產(chǎn)量。這與前人研究結(jié)果一致。3個(gè)秋季耕作處理的增產(chǎn)效果表現(xiàn)為：秋季深耕+夏季免耕>秋季深松+夏季免耕>秋季旋耕+夏季免耕；秋季深耕條件下，3個(gè)夏季耕作處理的增產(chǎn)效果表現(xiàn)為：秋季深耕+側(cè)位深松>秋季深耕+下位深松>秋季深耕+夏季免耕。其中，秋季深耕+夏季側(cè)位深松處理的產(chǎn)量比秋季深耕+夏季免耕和秋季旋耕+夏季免耕處理分別高10.8%和14.3%，與土壤耕層改良的效果一致。因此，秋季深耕+夏季側(cè)位深松處理對(duì)玉米的增產(chǎn)效應(yīng)最大。

綜上，深松(耕)顯著降低了土壤容重和土壤緊實(shí)度，增加了土壤含水量，促進(jìn)植株地上部生長(zhǎng)和干物質(zhì)積累，提高了玉米產(chǎn)量。秋季深耕+夏季深松處理的土壤改良效果和玉米產(chǎn)量均高于單一秋季深松(耕)處理。在5個(gè)不同的處理中，秋季深耕+夏季側(cè)位深松處理對(duì)土壤的改良效果最好，玉米產(chǎn)量最高。因此，秋季深耕+夏季側(cè)位深松是砂姜黑土區(qū)適宜的深松(耕)時(shí)機(jī)和方式。

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