深松（耕）方式對(duì)砂姜黑土耕層特性、作物產(chǎn)量和 水分利用效率的影響

趙亞麗，劉衛(wèi)玲，程思賢，周亞男，周金龍，王秀玲，張謀彪，王群，李潮海

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深松（耕）方式對(duì)砂姜黑土耕層特性、作物產(chǎn)量和 水分利用效率的影響

趙亞麗，劉衛(wèi)玲，程思賢，周亞男，周金龍，王秀玲，張謀彪，王群，李潮海

（河南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院/省部共建小麥玉米作物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/河南糧食作物協(xié)同創(chuàng)新中心，鄭州 450002）

【目的】研究深松（耕）方式對(duì)砂姜黑土耕層特性、作物產(chǎn)量、水分利用效率和經(jīng)濟(jì)效益的影響，篩選砂姜黑土區(qū)適宜的土壤耕作制度，為構(gòu)建砂姜黑土合理耕層提供依據(jù)。【方法】試驗(yàn)設(shè)置5個(gè)冬小麥-夏玉米周年耕作處理，分別為秋季旋耕+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（ADMP+SNT）、秋季深耕+夏季下位深松（ADMP+SSSS）和秋季深耕+夏季側(cè)位深松（ADMP+SSSL）。研究深松（耕）方式對(duì)冬小麥-夏玉米土壤物理特性、根系形態(tài)、作物產(chǎn)量和水分利用效率的影響?！窘Y(jié)果】深松（耕）顯著降低了土壤緊實(shí)度和土壤三相比R值，促進(jìn)了冬小麥和夏玉米根系生長(zhǎng)，提高了作物產(chǎn)量和水分利用效率，且深耕的效應(yīng)大于深松，在冬小麥季深松（耕）的影響大于夏玉米季。與秋季旋耕+夏季免耕相比，秋季深松（耕）土壤緊實(shí)度降低20.9%，土壤三相比R值降低12.9%，作物根系干重密度增加29.8%，冬小麥、夏玉米及周年總產(chǎn)分別增加22.0%、8.8%和15.2%，冬小麥季、夏玉米季及周年水分利用效率分別增加18.2%、7.9%和14.0%，經(jīng)濟(jì)效益增加19.8%。秋季深耕+夏季深松對(duì)土壤耕層特性的改良效果優(yōu)于單一秋季深松（耕），其作物根系生長(zhǎng)、產(chǎn)量和水分利用效率均高于單一秋季深松（耕）。與單一秋季深松（耕）相比，秋季深耕+夏季深松（ADMP+SSS）土壤緊實(shí)度和土壤三相比R值降低5.6%和15.0%，作物增產(chǎn)4.4%，水分利用效率和經(jīng)濟(jì)效益增加4.0%和3.3%。5個(gè)處理中，以秋季深耕+夏季側(cè)位深松對(duì)土壤耕層特性的改良效果最好，作物根系生長(zhǎng)量、產(chǎn)量和水分利用效率最高。秋季深耕+夏季側(cè)位深松土壤緊實(shí)度和土壤三相比R值比秋季旋耕+夏季免耕分別降低28.4%和26.6%，夏玉米根長(zhǎng)、根系表面積、根系體積和根系干重密度分別增加67.0%、45.3%、23.1%和49.5%。秋季深耕+夏季側(cè)位深松冬小麥、夏玉米和周年作物產(chǎn)量比秋季深耕+夏季免耕分別增加5.5%、3.4%和4.4%，比秋季旋耕+夏季免耕分別增加27.8%、11.6%和19.4%；冬小麥季、夏玉米季及周年水分利用效率比秋季深耕+夏季免耕分別增加3.7%、3.5%和4.1%，比秋季旋耕+夏季免耕分別增加20.9%、10.7%和18.1%；經(jīng)濟(jì)效益比秋季旋耕+夏季免耕增加24.4%?！窘Y(jié)論】秋季深耕+夏季深松的作物產(chǎn)量和水分利用效率均高于單一秋季深松（耕）。在5個(gè)不同的深松（耕）方式處理中，秋季深耕+夏季側(cè)位深松的產(chǎn)量和水分利用效率最高，是砂姜黑土區(qū)適宜的深松（耕）方式。

耕作方式；土壤三相比R值；產(chǎn)量；水分利用效率；經(jīng)濟(jì)效益

0 引言

【研究意義】黃淮海南部為我國(guó)糧食主產(chǎn)區(qū)，在糧食生產(chǎn)中占有重要地位[1]，其主要土壤類型為砂姜黑土。砂姜黑土面積占河南省耕地面積的1/4，是主要的中低產(chǎn)田。砂姜黑土具有干堅(jiān)實(shí)、濕粘閉、質(zhì)地黏重、結(jié)構(gòu)和耕性差、有機(jī)質(zhì)含量低等特點(diǎn)，對(duì)糧食生產(chǎn)能力限制較大。砂姜黑土區(qū)的主要種植制度是冬小麥-夏玉米一年輪耕制，目前耕作方式主要采用冬小麥播前旋耕，夏玉米免耕直播，導(dǎo)致土壤耕層變淺、犁底層變厚變硬、通透性差、土壤養(yǎng)分不均衡，嚴(yán)重限制了作物產(chǎn)量的提高[2]。因此，研究構(gòu)建砂姜黑土合理耕層并使其持續(xù)保持良好性能，對(duì)提升砂姜黑土地力和作物持續(xù)增產(chǎn)具有重要意義?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】合理的耕作方式可以改良土壤物理性狀，改善作物生長(zhǎng)條件，更好地滿足作物需求，提高作物產(chǎn)量[3-4]。深松能夠打破犁底層，降低深層土壤緊實(shí)度，改善土壤孔隙狀況[5-6]。梁金鳳等[7]研究發(fā)現(xiàn)深松能夠疏松土壤，促進(jìn)玉米根系向深處生長(zhǎng)，有利于根系吸收水分和養(yǎng)分，為高產(chǎn)奠定物質(zhì)基礎(chǔ)。深耕也可以提高作物產(chǎn)量[8]，而深耕或深松結(jié)合秸稈還田有利于作物產(chǎn)量和水分利用效率的提高[9]。綜上，深松（耕）可以打破犁底層，增加土壤含水量，降低土壤容重和土壤緊實(shí)度，促進(jìn)根系下扎，增加根系深層分布[10-12]，有利于作物對(duì)水肥的吸收利用，提高作物產(chǎn)量，增加經(jīng)濟(jì)效益[13]。但耕作措施是把“雙刃劍”，長(zhǎng)期采用翻耕、免耕、深松耕等任何單一耕作措施均會(huì)對(duì)土壤生產(chǎn)性能產(chǎn)生不利影響[14]。【本研究切入點(diǎn)】前人的研究多集中在不同深松（耕）方式對(duì)土壤改良和作物生長(zhǎng)的影響等方面，關(guān)于深松（耕）時(shí)間的研究較少，尤其缺乏深松（耕）時(shí)間與耕作方式相結(jié)合的研究；深松（耕）時(shí)間與耕作方式對(duì)砂姜黑土的改良效應(yīng)和對(duì)作物的生理生態(tài)效應(yīng)也尚不明確?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】本研究基于3年的定點(diǎn)試驗(yàn)，分析不同深松（耕）時(shí)間與耕作方式對(duì)砂姜黑土土壤緊實(shí)度、土壤三相比、作物根系生長(zhǎng)、產(chǎn)量、水分利用效率和經(jīng)濟(jì)效益的影響，以確定有利于構(gòu)建砂姜黑土合理耕層的土壤耕作制度。

1 材料與方法

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)地處黃淮海平原南部，年平均氣溫16.0℃，無(wú)霜期221 d，年平均降雨量852 mm。試驗(yàn)期間逐月降雨量和平均氣溫分布值顯示（圖1），當(dāng)?shù)亟涤昙竟?jié)分配不均，主要集中在6—8月，2015年降雨量和平均氣溫分別為648.5 mm和15.3℃；2016年降雨量和平均氣溫分別為928.6 mm和15.8℃。2015年11月份和2016年1月份的降雨量相對(duì)較高，且2016年1月平均氣溫較低。該區(qū)域常年實(shí)行冬小麥-夏玉米一年兩熟種植制度，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)分為有機(jī)質(zhì)12.39 g·kg-1、全氮1.18 g·kg-1、有效磷20.12 mg·kg-1、速效鉀94.66 mg·kg-1。土壤物理機(jī)械組成為砂粒18.60%、粉粒42.20%、黏粒39.20%。

圖1 試驗(yàn)地2015—2016年度逐月降雨量和平均氣溫

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（ADMP+SNT）、秋季深耕+夏季下位深松（ADMP+SSSS）和秋季深耕+夏季側(cè)位深松（ADMP+SSSL）。秸稈還田為冬小麥和夏玉米秸稈全量還田。其中，冬小麥和夏玉米成熟后，先將作物秸稈粉碎至5 cm左右的小段，后結(jié)合相應(yīng)的耕作方式混入土壤中進(jìn)行秸稈全量還田。2014年秋季小麥播種前開始進(jìn)行定位試驗(yàn)。所有秋季耕作處理均在每年冬小麥播前進(jìn)行，使用1GQNGK-230高箱框架旋耕機(jī)進(jìn)行旋耕處理，耕作深度為10—15 cm；用1S2-460型振動(dòng)式深松機(jī)（中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)）進(jìn)行秋季深松處理，懸掛液壓翻轉(zhuǎn)犁（河南黃達(dá)）進(jìn)行秋季深耕處理，耕作深度均為30 cm。夏季側(cè)位深松和下位深松在夏玉米播種時(shí)采用深松播種機(jī)（2BMYFZQ-2B牽引式免耕指夾精量施肥播種機(jī)）進(jìn)行，深松深度為30 cm，側(cè)位深松位置為距離播種帶橫向距離10 cm，下位深松帶位于播種帶正下方。為了更接近農(nóng)田實(shí)際情況和方便大型農(nóng)機(jī)具進(jìn)行田間農(nóng)事操作，各處理采用大區(qū)對(duì)比設(shè)置，每個(gè)處理面積為10.8 m×100 m。

2014年小麥品種為豫農(nóng)416，2015年為豫農(nóng)416，2016年為鄭麥9023，播種量為225 kg·hm-2。肥料使用為180 kg N·hm-2、90 kg P2O5·hm-2和90 kg K2O·hm-2，于整地時(shí)底施；拔節(jié)期追施75 kg N·hm-2。夏玉米品種均為豫單606，種植密度為60 000株/hm2，種肥異位同播，播種時(shí)施180 kg N·hm-2、90 kg P2O5·hm-2和90 kg K2O·hm-2，大喇叭口期追施75 kg N·hm-2。澆地方式為噴灌，每個(gè)處理灌水量相同，采用水表記錄每次灌水量。試驗(yàn)進(jìn)行期間，具體灌溉日期和灌溉量分別為：2015年2月29日，灌水量為27.62 mm；2015年6月9日，灌水量為46.88 mm；2015年6月22日，灌水量為20.63 mm；2016年2月25日，灌水量為27.28 mm；2016年7月5日，灌水量為67.50 mm。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.3.1 土壤緊實(shí)度 分別于冬小麥和夏玉米拔節(jié)期、開花期、成熟期，采用美國(guó)產(chǎn)SC900土壤堅(jiān)實(shí)度儀測(cè)定0—45 cm的土壤緊實(shí)度。

1.3.2 土壤三相比R值 冬小麥和夏玉米成熟期，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，計(jì)算土壤孔隙度：

土壤孔隙度（%）=（1-土壤容重/土壤比重）[15]

式中，土壤比重近似值為2.65 g·cm-3。

采用烘干法測(cè)定各土層土壤含水量，計(jì)算土壤三相比R值：

式中，R是測(cè)定土壤三相比與適宜狀態(tài)下土壤三相比在空間距離上的差值，是土壤固相，是土壤液相，是土壤氣相，R值越大，土壤三相比越差[16]。

1.3.3 作物根系形態(tài) 冬小麥開花期每處理選取3點(diǎn)，每點(diǎn)以種植行為中心挖取長(zhǎng)×寬×深=32 cm×32 cm×30 cm的土塊；夏玉米開花期，每處理選取3點(diǎn)，每點(diǎn)選取3株長(zhǎng)勢(shì)均勻一致的植株，以根莖為中心，挖取長(zhǎng)×寬×深=60 cm×28 cm×60 cm的土塊。將土塊裝入尼龍袋中，自來(lái)水沖洗后用根系掃描儀掃描圖像，用WinRHIZO根系分析系統(tǒng)分析根系長(zhǎng)度、根系表面積、根系體積和根系平均直徑。然后，將根系置烘箱中105℃殺青30 min，80℃烘干至恒重后稱重，測(cè)得根系干重。

1.3.4 作物產(chǎn)量 冬小麥成熟期，每處理收獲2 m×2 m面積的植株，3次重復(fù)，脫粒，風(fēng)干，稱重計(jì)產(chǎn)；夏玉米成熟期，每處理收獲雙行20個(gè)果穗，3次重復(fù)，脫粒，風(fēng)干，稱重計(jì)產(chǎn)。

1.3.5 水分利用效率 在冬小麥和夏玉米各關(guān)鍵時(shí)期，用土鉆取0—60 cm土層土樣，用烘干法測(cè)定0—15、15—30、30—40、40—50、50—60 cm土層土壤含水量；采用水分平衡法[17]，計(jì)算農(nóng)田耗水量（ET）。

水分利用效率（WUE）=GY/ET[18-19]

式中，WUE為籽粒產(chǎn)量水分利用效率（kg·hm-2·mm-1），GY為籽粒產(chǎn)量（kg·hm-2），ET為農(nóng)田耗水量（mm）。

1.3.6 經(jīng)濟(jì)效益計(jì)算 經(jīng)濟(jì)效益以單位耕地面積的純收益表示。經(jīng)濟(jì)效益=總產(chǎn)值-總成本，總產(chǎn)值=作物產(chǎn)量×單價(jià)。其中總成本包括機(jī)械費(fèi)、化肥費(fèi)、種子費(fèi)、農(nóng)藥費(fèi)等物資成本和除草、收獲等勞動(dòng)成本。冬小麥和夏玉米單價(jià)分別為2.1 元/kg、1.8 元/kg。周年化肥費(fèi)用合計(jì)4 311 元/hm2。每公頃機(jī)械費(fèi)用標(biāo)準(zhǔn)如下：收獲和秸稈粉碎費(fèi)用冬小麥825 元/hm2、夏玉米1 050 元/hm2，深耕費(fèi)825 元/hm2，深松費(fèi)750元/hm2，旋耕費(fèi)450 元/hm2。其他費(fèi)用（包括種子、農(nóng)藥和人工費(fèi)等）冬小麥合計(jì)1 700 元/hm2，夏玉米合計(jì)1 800 元/hm2。

1.4 數(shù)據(jù)分析

利用Excel 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

2.1 耕作、年份以及其互作對(duì)土壤性狀和產(chǎn)量的影響

除年份對(duì)玉米季產(chǎn)量存在顯著性差異外，處理和年份對(duì)其他指標(biāo)均存在極顯著影響（表1）。其中，除處理×年份互作對(duì)小麥季水分利用效率存在顯著影響外，處理×年份對(duì)其他指標(biāo)均無(wú)顯著交互作用。

2.2 深松（耕）方式對(duì)耕層特性的影響

2.2.1 深松（耕）方式對(duì)土壤緊實(shí)度的影響 由于土壤緊實(shí)度與土壤含水量呈顯著負(fù)相關(guān)，故秋季旋耕+夏季免耕處理的土壤緊實(shí)度在作物不同生育時(shí)期表現(xiàn)不同。深松（耕）可使0—45 cm土壤緊實(shí)度降低20.9%（圖2）。與秋季旋耕+夏季免耕相比，深松（耕）主要降低了15—45 cm的土壤緊實(shí)度，且對(duì)冬小麥季土壤緊實(shí)度的影響效應(yīng)大于夏玉米季。夏季免耕基礎(chǔ)上的3個(gè)耕作處理中，秋季深松+夏季免耕和秋季深耕+夏季免耕冬小麥季0—45 cm土壤緊實(shí)度比秋季旋耕+夏季免耕分別降低16.0%和23.4%，夏玉米季分別降低12.5%和22.7%，且秋季深耕+夏季免耕對(duì)土壤緊實(shí)度的緩解效應(yīng)大于秋季深松+夏季免耕。與單一秋季深松（耕）相比，秋季深耕+夏季深松使冬小麥季和夏玉米季0—45 cm土壤緊實(shí)度分別降低5.0%和6.3%。在秋季深耕基礎(chǔ)上的3個(gè)耕作處理中，秋季深耕+夏季側(cè)位深松對(duì)土壤緊實(shí)度的緩解效應(yīng)大于秋季深耕+夏季下位深松，且與秋季深耕+夏季免耕差異顯著。與秋季深耕+夏季免耕相比，秋季深耕+夏季下位深松處理冬小麥季和夏玉米季0—45 cm土壤緊實(shí)度分別降低6.3%和7.5%，秋季深耕+夏季側(cè)位深松處理分別降低11.2%和13.9%。秋季深耕+夏季側(cè)位深松的土壤緊實(shí)度比秋季旋耕+夏季免耕降低28.4%。因此，秋季深耕+夏季側(cè)位深松對(duì)土壤緊實(shí)度的緩解效果最好。

表1 耕作、年份以及其交互對(duì)土壤三相比R值、作物產(chǎn)量、水分利用效率和經(jīng)濟(jì)效益的影響

RW：冬小麥季土壤三相比；RM：夏玉米季土壤三相比；YieldW：冬小麥產(chǎn)量；YieldM：夏玉米產(chǎn)量；Yieldtotal：周年產(chǎn)量；WUEW：冬小麥季水分利用效率；WUEM：夏玉米季水分利用效率；WUEtotal：周年水分利用效率；EBW：冬小麥經(jīng)濟(jì)效益；EBM：夏玉米經(jīng)濟(jì)效益；EBtotal：周年經(jīng)濟(jì)效益

RW: Soil R value in the winter wheat period; RM: Soil R value in the summer maize period; YieldW: Yield of winter wheat; YieldM: Yield of summer maize; Yieldtotal: Annual yield; WUEW:Water use efficiency of winter wheat; WUEM: Water use efficiency of summer maize; WUEtotal: Annual water use efficiency; EBW: Economic benefit of winter wheat; EBM: Economic benefit of summer maize; EBtotal: Annual economic benefit

2.2.2 深松（耕）方式對(duì)土壤三相比R值的影響 土壤三相比R值隨耕作年份整體呈降低趨勢(shì)，以秋季旋耕+夏季免耕處理的土壤三相比R值最高。2016年秋季旋耕+夏季免耕處理小麥季、玉米季和周年15—60 cm土壤三相比R值比2015年降低32.8%、5.7%和18.8%。深松（耕）主要降低了15—60 cm土壤三相比R值，且對(duì)冬小麥季的影響效應(yīng)大于夏玉米季（表2）。與秋季旋耕+夏季免耕相比，深松（耕）使小麥季、玉米季和周年15—60 cm土壤三相比R值分別降低13.7%、12.4%和13.0%。在夏季免耕基礎(chǔ)上的3個(gè)耕作處理中，與秋季旋耕+夏季免耕相比，秋季深松+夏季免耕處理小麥季、玉米季和周年15—60 cm土壤三相比R值分別降低4.6%、3.0%和3.8%，秋季深耕+夏季免耕處理分別降低5.5%、10.0%和8.0%。與單一秋季深松（耕）相比，秋季深耕+夏季深松小麥季、玉米季和周年15—60 cm土壤三相比R值降低18.1%、12.5%和15.0%。其中，秋季深耕+夏季側(cè)位深松小麥季、玉米季和周年15—60 cm土壤三相比R值比秋季深耕+夏季免耕分別降低24.3%、16.8%和20.2%，且差異顯著。與秋季深耕+夏季下位深松相比，秋季深耕+夏季側(cè)位深松小麥季、玉米季和周年15—60 cm土壤三相比R值分別降低14.8%、15.6%和15.2%，且差異顯著。5個(gè)處理中，以秋季深耕+夏季側(cè)位深松土壤三相比R值最小，與秋季深耕+夏季免耕差異顯著，且小麥季、玉米季和周年15—60 cm土壤三相比R值比秋季旋耕+夏季免耕分別降低24.5%、25.1%和26.6%。

2.3 深松（耕）方式對(duì)作物根系形態(tài)的影響

2.3.1 深松（耕）方式對(duì)冬小麥根系形態(tài)的影響 從表3可以看出，冬小麥根系主要集中在0—15 cm土層，下層根系量較少。深松（耕）不僅促進(jìn)了0—15 cm冬小麥根系生長(zhǎng)，且主要促進(jìn)了15—30 cm根系生長(zhǎng)。除根系平均直徑差異不顯著外，夏季免耕基礎(chǔ)上的3個(gè)耕作處理間冬小麥根長(zhǎng)密度、根系表面積、根系體積和根系干重密度差異顯著。與秋季旋耕+夏季免耕相比，深松（耕）15—30 cm冬小麥根長(zhǎng)密度、根系表面積密度、根系體積密度和根系干重密度分別增加51.9%、30.0%、36.2%和31.0%。與秋季旋耕+夏季免耕相比，秋季深耕+夏季免耕15—30 cm冬小麥根長(zhǎng)密度、根系表面積密度、根系體積密度和根系干重密度分別增加59.3%、43.3%、42.1%和19.5%，秋季深松+夏季免耕分別增加11.1%、6.7%、11.6%和11.9%。與單一秋季深松（耕）相比，秋季深耕+夏季深松15—30 cm冬小麥根長(zhǎng)密度、根系表面積密度、根系體積密度和根系干重密度分別增加24.7%、8.0%、14.7%和26.5%。在秋季深耕基礎(chǔ)上的3個(gè)耕作處理間冬小麥根長(zhǎng)密度、根系表面積密度和根系體積密度差異顯著。其中，秋季深耕+夏季側(cè)位深松對(duì)冬小麥根系形態(tài)影響顯著，15—30 cm冬小麥根長(zhǎng)密度、根系表面積密度、根系體積密度和根系干重密度比秋季深耕+夏季免耕分別增加25.6%、4.7%、14.2%和32.0%，比秋季旋耕+夏季免耕分別增加98.3%、50.0%、62.2%和57.7%。因此，秋季深耕+夏季側(cè)位深松可以顯著促進(jìn)冬小麥下層根系生長(zhǎng)。

表2 深松（耕）方式對(duì)土壤三相比R值的影響

在同一作物生長(zhǎng)季節(jié)中，不同的小寫字母表示差異達(dá)5%顯著水平。下同

Different letters indicate significant difference at 5% level in the same growing season. The same as below

2.3.2 深松（耕）方式對(duì)夏玉米根系形態(tài)的影響 隨著土層深度的增加，夏玉米根系量下降，且主要集中在0—15 cm土層（圖3）。深松（耕）不僅促進(jìn)了0—15 cm夏玉米根系生長(zhǎng)，還主要促進(jìn)了15—30 cm根系生長(zhǎng)。除根系平均直徑差異不顯著外，夏季免耕基礎(chǔ)上的3個(gè)耕作處理間夏玉米單株根長(zhǎng)、根系表面積、根系體積和根系干重密度差異顯著。與秋季旋耕+夏季免耕相比，深松（耕）處理0—60 cm夏玉米單株根長(zhǎng)、根系表面積、根系體積和根系干重密度分別增加43.3%、31.3%、13.0%和29.6%。秋季深耕+夏季深松0—60 cm夏玉米單株根長(zhǎng)、根系表面積、根系體積和根系干重密度比單一秋季深松（耕）分別增加19.1%、5.1%、2.6%和9.2%。在秋季深耕基礎(chǔ)上的3個(gè)耕作處理中，秋季深耕+夏季側(cè)位深松0—60 cm夏玉米單株根長(zhǎng)、根系表面積、根系體積和根系干重密度比秋季深耕+夏季免耕分別增加38.9%、31.1%、21.1%和26.6%，比秋季旋耕+夏季免耕分別增加67.0%、45.3%、23.1%和49.5%。秋季深耕+夏季下位深松0—60 cm夏玉米單株根長(zhǎng)、根系表面積、根系體積和根系干重密度比秋季旋耕+夏季免耕分別增加44.4%、24.0%、5.7%和21.1%。因此，秋季深耕+夏季側(cè)深松對(duì)夏玉米根系生長(zhǎng)的促進(jìn)效應(yīng)最大。

A：冬小麥拔節(jié)期；B：冬小麥開花期；C：冬小麥成熟期；D：夏玉米拔節(jié)期；E：夏玉米開花期；F：夏玉米成熟期

表3 深松（耕）方式對(duì)冬小麥根系形態(tài)的影響

2.4 深松（耕）方式對(duì)作物產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響

深松（耕）可以增加作物產(chǎn)量構(gòu)成因素，提高作物產(chǎn)量，且對(duì)冬小麥的增產(chǎn)效應(yīng)大于夏玉米（表4）。與秋季旋耕+夏季免耕相比，深松（耕）使冬小麥穗粒數(shù)、有效穗數(shù)、千粒重和產(chǎn)量分別增加3.8%、18.8%、0.4%和22.0%，夏玉米穗粒數(shù)、百粒重和產(chǎn)量分別增加8.7%、4.0%和8.8%，作物周年總產(chǎn)增加15.2%，且深松（耕）處理小麥季有效穗數(shù)與旋耕差異顯著。夏季免耕基礎(chǔ)上的3個(gè)耕作處理中，深松處理冬小麥穗粒數(shù)、有效穗數(shù)和產(chǎn)量比旋耕分別增加2.8%、14.0%和14.6%，夏玉米穗粒數(shù)、千粒重和產(chǎn)量分別增加6.5%、4.3%和7.9%，周年產(chǎn)量增加11.1%。深耕處理冬小麥穗粒數(shù)、有效穗數(shù)和產(chǎn)量比旋耕分別增加3.8%、18.6%和21.2%，夏玉米穗粒數(shù)、千粒重和產(chǎn)量分別增加10.3%、1.4%和7.9%，周年產(chǎn)量增加14.3%。2016年深松（耕）處理冬小麥千粒重有所降低，但差異不顯著，且深耕的增產(chǎn)效應(yīng)大于深松。秋季深耕+夏季深松與單一秋季深松（耕）比較，冬小麥穗粒數(shù)、有效穗數(shù)、千粒重和產(chǎn)量分別增加1.0%、4.2%、3.0%和7.0%，夏玉米穗粒數(shù)、千粒重和產(chǎn)量分別增加0.6%、2.2%和1.7%，作物周年總產(chǎn)增加4.4%。5個(gè)處理中，以秋季深耕+夏季側(cè)位深松的作物產(chǎn)量和產(chǎn)量構(gòu)成因素最高，但與秋季深耕+夏季免耕差異不顯著。與秋季深耕+夏季免耕相比，秋季深耕+夏季側(cè)位深松處理使冬小麥穗粒數(shù)、有效穗數(shù)、千粒重和產(chǎn)量分別增加1.5%、3.6%、4.2%和5.5%，夏玉米穗粒數(shù)、千粒重和產(chǎn)量分別增加2.4%、4.4%和3.4%，周年作物產(chǎn)量增加4.4%。與秋季旋耕+夏季免耕相比，秋季深耕+夏季側(cè)位深松處理使冬小麥穗粒數(shù)、有效穗數(shù)、千粒重和產(chǎn)量分別增加5.4%、22.9%、2.6%和27.8%，夏玉米穗粒數(shù)、千粒重和產(chǎn)量分別增加13.0%、5.9%和11.6%，周年作物產(chǎn)量增加19.4%。

圖柱上不同小寫字母表示不同處理間差異達(dá)到5%顯著水平

Different lowercase letters above the bars mean significant difference at 0.05 level

圖3 深松（耕）方式對(duì)夏玉米開花期根系形態(tài)的影響

Fig. 3 Effects of subsoiling or deep loosening mode on summer maize root morphology

表4 深松（耕）方式對(duì)作物產(chǎn)量和產(chǎn)量因素的影響

2.5 深松（耕）方式對(duì)水分利用效率的影響

深松（耕）顯著增加了冬小麥-夏玉米水分利用效率（表5）。與秋季旋耕+夏季免耕相比，深松（耕）使冬小麥季、夏玉米季及周年水分利用效率分別增加18.2%、7.9%和14.0%。夏季免耕基礎(chǔ)上的3個(gè)耕作處理中，秋季深松+夏季免耕處理冬小麥季、夏玉米季及周年水分利用效率比秋季旋耕+夏季免耕分別增加17.1%、7.0%和10.2%，秋季深耕+夏季免耕處理分別增加16.6%、6.9%和13.4%。秋季深耕+夏季深松與單一秋季深松（耕）相比，冬小麥季、夏玉米季及周年水分利用效率分別增加2.3%、1.8%和4.0%。其中，秋季深耕+夏季側(cè)位深松處理冬小麥季、夏玉米季及周年水分利用效率比秋季深耕+夏季免耕分別顯著增加3.7%、3.5%和4.1%，比秋季旋耕+夏季免耕分別增加20.9%、10.7%和18.1%。5個(gè)處理中，以秋季深耕+夏季側(cè)位深松水分利用效率最高，且顯著高于其他處理。

表5 深松（耕）方式對(duì)水分利用效率的影響

2.6 深松（耕）方式對(duì)經(jīng)濟(jì)效益的影響

深松（耕）可以增加經(jīng)濟(jì)效益（表6）。與秋季旋耕+夏季免耕相比，秋季深松（耕）+夏季免耕的經(jīng)濟(jì)效益增加19.8%。秋季深耕+夏季免耕和秋季深松+夏季免耕處理的經(jīng)濟(jì)效益比秋季旋耕+夏季免耕分別增加20.3%和15.5%，且與秋季旋耕+夏季免耕差異顯著。秋季深耕+夏季深松與單一秋季深松（耕）比較，經(jīng)濟(jì)效益增加3.3%。其中，秋季深耕+夏季側(cè)位深松與秋季深耕+夏季免耕差異不顯著，但秋季深耕+夏季側(cè)位深松的經(jīng)濟(jì)效益最高。與秋季旋耕+夏季免耕相比，秋季深耕+夏季側(cè)位深松的經(jīng)濟(jì)效益增加24.4%。

3 討論

3.1 深松（耕）方式對(duì)耕層土壤特性的影響

土壤緊實(shí)度是衡量土壤緊實(shí)程度和評(píng)價(jià)土壤退化與質(zhì)量的重要指標(biāo)之一，土壤三相比是評(píng)價(jià)土壤水、肥、氣、熱相互關(guān)系的重要參數(shù)[20]，旱作農(nóng)業(yè)理想的土壤三相比是50﹕25﹕25[21]。深松和深耕均能降低土壤緊實(shí)度，在耕層下部深耕處理的土壤緊實(shí)度顯著小于深松處理，但耕層上部?jī)烧卟町愝^小[6, 22-23]。除0—15 cm表層土外，夏季深松處理玉米吐絲期的土壤容重和緊實(shí)度明顯小于旋耕[24]。冬小麥季連年深松和深耕較連年旋耕顯著降低土壤亞表層三相比R值[25]。但單季深松（耕）還存在一些弊端，如在干旱時(shí)期，夏季深松處理耕層土壤的持水能力會(huì)被減弱[26]。而冬小麥和夏玉米兩季均進(jìn)行深松處理后，0—40 cm土層的土壤總孔隙度最高，其作物單季產(chǎn)量和周年產(chǎn)量均顯著高于其他耕作處理[27]。本研究發(fā)現(xiàn)，深松（耕）能夠顯著降低土壤緊實(shí)度和土壤三相比R值，這與前人研究結(jié)果一致[22-25]。與單一秋季深松（耕）處理相比，秋季深耕+夏季深松能夠顯著降低土壤緊實(shí)度和土壤三相比R值，秋季深耕+夏季側(cè)位深松較秋季深耕+夏季下位深松15—45 cm土壤緊實(shí)度和0—60 cm土壤三相比R值顯著降低12.5%和10.3%，且對(duì)冬小麥季的減幅效應(yīng)大于夏玉米季。在秋季深耕基礎(chǔ)上的3個(gè)耕作處理，秋季深耕+夏季側(cè)位深松對(duì)土壤緊實(shí)度的緩解效應(yīng)大于秋季深耕+夏季下位深松，且與秋季深耕+夏季免耕差異顯著。秋季深耕+夏季側(cè)位深松比秋季旋耕+夏季免耕土壤緊實(shí)度和土壤三相比R值分別降低28.4%和17.4%。因此，秋季深耕+夏季側(cè)位深松對(duì)耕層土壤物理結(jié)構(gòu)的緩解效果最好。

表6 深松（耕）方式對(duì)作物生產(chǎn)成本和經(jīng)濟(jì)效益的影響

3.2 深松（耕）方式對(duì)作物根系和產(chǎn)量的影響

根系是作物地上部和土壤連接的通道，根系發(fā)育直接影響植株地上部對(duì)土壤養(yǎng)分、水分的吸收利用，從而影響作物產(chǎn)量。研究結(jié)果表明，深松可以打破犁底層，降低土壤容重，增加孔隙度，提高土壤蓄水能力，有利于作物根系下扎，提高作物產(chǎn)量[28-30]。本研究結(jié)果同樣表明，秋季深松（耕）有利于疏松土壤，促進(jìn)作物下層根系的延伸，增加作物根長(zhǎng)密度、根系體積、根系表面積和根系干重密度。5個(gè)處理中，秋季深耕+夏季側(cè)位深松冬小麥開花期的根長(zhǎng)密度、根系體積密度、根系表面積密度和根系干重密度和夏玉米季開花期的單株根長(zhǎng)、根系體積、根系表面積和根系干重密度均為最大。2016年冬小麥季根系各指標(biāo)相對(duì)2015年有所降低，但總體趨勢(shì)不變。主要是因?yàn)?015年夏玉米收獲后連續(xù)降雨使冬小麥播種延遲，加上2016年1月份遇到低溫冷害，導(dǎo)致冬小麥根系生長(zhǎng)發(fā)育緩慢。作物產(chǎn)量和根系生長(zhǎng)量密切相關(guān)[31]。下層作物根系發(fā)達(dá)，有利于根系對(duì)深層土壤養(yǎng)分的吸收利用，供應(yīng)地上部的生長(zhǎng)發(fā)育，為高產(chǎn)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。秋季深松（耕）顯著增加了冬小麥、夏玉米及周年產(chǎn)量，對(duì)冬小麥季的增產(chǎn)效應(yīng)大于夏玉米季，且深耕增產(chǎn)效應(yīng)大于深松。2016年冬小麥和夏玉米產(chǎn)量比2015年作物產(chǎn)量較低，主要是因?yàn)?016年冬小麥生長(zhǎng)發(fā)育后期由于連續(xù)降雨加上雨后干熱風(fēng)導(dǎo)致赤霉病大面積爆發(fā)，產(chǎn)量降低；2016年7—8月份降雨量較大加上氣溫較高，影響夏玉米授粉，導(dǎo)致產(chǎn)量降低。在秋季深耕基礎(chǔ)上的3個(gè)耕作處理中，秋季深耕+夏季側(cè)位深松與秋季深耕+夏季免耕產(chǎn)量差異不顯著，但秋季深耕+夏季側(cè)位深松處理產(chǎn)量最高。因此，秋季深耕+夏季側(cè)位深松處理有利于作物根系的生長(zhǎng)及產(chǎn)量的提高。

3.3 深松（耕）方式對(duì)水分利用效率的影響

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)不僅要高產(chǎn)，而且要高效，需要平衡考慮資源的高效利用。水分利用效率是衡量不同耕作方式節(jié)水保墑效果和水資源利用效率的一個(gè)重要指標(biāo)[32]。深松和深耕均有利于提高小麥和玉米的水分利用效率[33-35]。桑曉光[34]等研究表明，深松能明顯促進(jìn)小麥拔節(jié)后0—200 cm土層土壤貯水的吸收，顯著提高產(chǎn)量和水分利用效率。本研究同樣表明，深松（耕）能夠增加冬小麥和夏玉米0—60 cm土層土壤蓄水量。與秋季旋耕+夏季免耕相比，深松（耕）使冬小麥、夏玉米和周年土壤蓄水量分別增加66.3%、32.9%和350.8%。秋季深耕+夏季側(cè)位深松土壤蓄水量最大，與秋季深耕+夏季免耕相比，使冬小麥、夏玉米和周年土壤蓄水量分別增加74.1%、5.1%和33.6%。深松（耕）能夠提高周年總產(chǎn)，顯著增加周年水分利用效率，且深耕的周年水分利用效率大于深松，但兩者差異不顯著，研究結(jié)果與前人研究一致[35]。秋季深耕+夏季深松與單一秋季深松（耕）相比，作物產(chǎn)量和水分利用效率均有所提高。尤其在干旱年份，秋季深耕+夏季深松的蓄水保墑能力更強(qiáng)，而在降水量較大的年份，夏季深松的效果不顯著。5個(gè)處理中，以秋季深耕+夏季側(cè)位深松的作物產(chǎn)量和水分利用效率最高。雖然秋季深耕+夏季側(cè)位深松的作物產(chǎn)量與秋季深耕+夏季免耕差異不顯著，但秋季深耕+夏季側(cè)位深松的水分利用效率顯著高于秋季深耕+夏季免耕和秋季深耕+夏季下位深松。此外，由于夏季下位深松的深松帶和玉米播種帶在同一水平位置，玉米直接在深松帶上方播種，播種質(zhì)量較差，進(jìn)而導(dǎo)致玉米出苗較差。而夏季側(cè)位深松的深松帶距離玉米播種帶橫向距離10 cm，不僅可以疏松玉米播種帶土壤，提高播種質(zhì)量，而且深松同步深施肥還可以提高肥料的利用效率。綜上所述，秋季深耕+夏季側(cè)位深松是砂姜黑土區(qū)適宜的土壤耕作制度。

4 結(jié)論

深松（耕）顯著降低了土壤緊實(shí)度和土壤三相比R值，促進(jìn)了冬小麥和夏玉米根系生長(zhǎng)，提高了作物產(chǎn)量，增加了水分利用效率和經(jīng)濟(jì)效益。秋季深耕+夏季深松的作物產(chǎn)量和水分利用效率均高于單一秋季深松（耕）。在5個(gè)不同的深松（耕）處理中，秋季深耕+夏季側(cè)位深松的產(chǎn)量、水分利用效率和經(jīng)濟(jì)效益最高。因此，秋季深耕+夏季側(cè)位深松是砂姜黑土區(qū)適宜的土壤耕作制度。

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（責(zé)任編輯 楊鑫浩）

Effects of Pattern of Deep Tillage on Topsoil Features, Yield and Water Use Efficiency in Lime Concretion Black Soil

ZHAO YaLi, LIU WeiLing, CHENG SiXian, ZHOU YaNan, ZHOU JinLong, WANG XiuLing, ZHANG MouBiao, WANG Qun, LI ChaoHai

(College of Agronomy, Henan Agricultural University/National Key Laboratory of Wheat and Maize Crop Science/Collaborative Innovation Center of Henan Grain Crops, Zhengzhou 450002)

【Objective】The object of the study was to study the effects of subsoiling pattern on topsoil features, crop yield and water use efficiency (WUE), and to identify the suitable tillage system in lime concretion black soil. The results could provide basis for the construction of suitable topsoil of lime concretion black soil. 【Method】 Five treatments, namely, rotary tillage in autumn (ART+SNT, CK), subsoiling in autumn (ASS+SNT), deep mouldboard ploughing in autumn (ADMP+SNT), deep mouldboard ploughing in autumn and sublevel subsoiling in summer (ADMP+SSSS), and deep mouldboard ploughing in autumn and lateral subsoiling in summer (ADMP+SSSL), were carried out to investigate the time and pattern of deep tillage on soil physical property, root growth, crop yield and WUE of winter wheat , summer maize rotation system. 【Result】 Deep tillage significantly reduced soil compaction and soil three-phase R values, promoted roots growth of winter wheat and summer maize, thus increased crop yield and WUE, and the effects of DMP were higher than that of ASS, the effects in winter wheat growth period were bigger than that in summer maize growth period. Compared with ART+SNT, the soil penetration resistance of deep tillage in autumn decreased by 20.9%, soil three-phase R value decreased by 12.9%, root dry weight density increased by 29.8%, wheat yield increase by 22.0%, maize yield increased by 8.8%, and total yield of winter wheat and summer maize increased by 15.2%. The WUE during winter wheat growth period, summer maize growth period and whole year increased by 18.2%, 7.9% and 14.0%, respectively, and economic benefits increased by 19.8%. The improvement effects of ADMP+SSS treatment on soil properties were better than that of single deep tillage in autumn. The root growth, yield and WUE of ADMP+SSS were all higher than that of single deep tillage in autumn. Compared with deep tillage in autumn, the soil penetration resistance and soil three-phase R values of ADMP+SSS decreased by 5.6% and 15.0%, respectively. The crop yield and WUE of ADMP+SSS increased by 4.4% and 4.0%, respectively, and economic benefits increased by 3.3%. Among the five treatments, the improvement effect on soil character of ADMP+SSSL treatment was best, and the root growth, crop yield and WUE were highest. The soil penetration resistance and soil three-phase R values of ADMP+SSSL were 28.4% and 26.6%, respectively, higher than that of ART+SNT. The root length, root surface area, root volume and root dry weight density of ADMP+SSSL were 67.0%, 45.3%, 23.1% and 49.5%, respectively, higher than that of ART+SNT. The yields of winter wheat, summer maize and total yield of ADMP+SSSL were 5.5%, 3.4% and 4.4%, respectively, higher than that of ADMP +SNT; 27.8%, 11.6% and 19.4%, respectively, higher than that of ART+SNT. The WUE during winter wheat growth period, summer maize growth period and whole year of ADMP+SSSL were 3.7%, 3.5% and 4.1%, respectively, higher than that of ADMP +SNT; 20.9%, 10.7% and 18.1%, respectively, higher than that of ART+SNT. Economic benefit of ADMP+SSSL was 24.4% higher than that of ART+SNT.【Conclusion】The crop yield and WUE of ADMP+SSS treatment were higher than that of deep tillage in autumn. Among the five treatments of different deep tillage time and pattern, the crop yield and the WUE of ADMP+SSSL were highest. Thus, the deep mouldboard ploughing in autumn combined with lateral subsoiling in summer was the suitable pattern of deep tillage in lime concretion black soil.

tillage pattern; soil three-phase R value; yield; water use efficiency; economic benefit

2017-11-10；

2018-03-12

國(guó)家公益性行業(yè)（農(nóng)業(yè)）科研專項(xiàng)（201503117）、國(guó)家自然科學(xué)基金（31771729）、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2016YFD0300106）

趙亞麗，Tel：0371-56990188；E-mail：zhaoyali2006@126.com。

李潮海，Tel：0371-56990186；E-mail：lichaohai2005@163.com

10.3864/j.issn.0578-1752.2018.13.005