深松深度對(duì)砂姜黑土耕層特性、作物產(chǎn)量和水分利用效率的影響*

程思賢, 劉衛(wèi)玲, 靳英杰, 周亞男, 周金龍, 趙亞麗, 李潮海

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深松深度對(duì)砂姜黑土耕層特性、作物產(chǎn)量和水分利用效率的影響*

程思賢, 劉衛(wèi)玲, 靳英杰, 周亞男, 周金龍, 趙亞麗**, 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)

研究深松深度對(duì)砂姜黑土耕層特性、作物產(chǎn)量和水分利用效率的影響, 可為構(gòu)建砂姜黑土合理耕層的耕作深度指標(biāo)提供依據(jù)。本研究基于多年定位大田試驗(yàn), 采用大區(qū)對(duì)比設(shè)計(jì), 設(shè)置4個(gè)深松深度(30 cm、40 cm、50 cm、60 cm)處理, 以旋耕(RT, 平均耕作深度為15 cm)作為對(duì)照, 研究不同深松深度對(duì)土壤緊實(shí)度、土壤三相比()值、作物根系形態(tài)、作物產(chǎn)量和水分利用效率的影響。研究結(jié)果表明, 深松深度增加能顯著降低土壤緊實(shí)度, 使土壤的三相比()更加合理, 進(jìn)而促進(jìn)作物根系生長(zhǎng)。不同深松深度中, 深松60 cm處理的土壤緊實(shí)度和三相比()值與對(duì)照相比降幅最大, 深松40 cm處理的冬小麥根系生物量最大, 深松50 cm處理的夏玉米根系生物量最大。深松不僅增加作物產(chǎn)量, 還提高作物水分利用效率。深松30 cm處理的周年作物產(chǎn)量最高, 比對(duì)照增產(chǎn)12.2%, 但與深松40 cm處理差異不顯著。深松50 cm處理的周年水分利用效率最高, 但與深松30 cm和深松40 cm處理差異不顯著。深松30 cm、40 cm和50 cm的周年水分利用效率比對(duì)照分別增加9.1%、8.8%和12.7%。因此, 砂姜黑土適宜的深松深度為30~40 cm。

砂姜黑土; 冬小麥; 深松深度; 土壤緊實(shí)度; 土壤三相比()值; 根系形態(tài)

砂姜黑土在黃淮海平原南部分布廣泛, 面積約達(dá)370萬hm2, 是該區(qū)主要的中低產(chǎn)土壤類型之一[1]。砂姜黑土具有干堅(jiān)實(shí)、濕黏閉、脹縮強(qiáng)、耕期短、僵塊多、結(jié)構(gòu)差等特點(diǎn), 而且有機(jī)質(zhì)含量低、土壤供肥能力差, 嚴(yán)重限制著作物增產(chǎn)[2-4]。目前, 生產(chǎn)上普遍應(yīng)用的小麥()季旋耕玉米()季免耕的耕作方式, 導(dǎo)致砂姜黑土土壤亞表層緊實(shí)化, 土體通透性變差[5], 而小型農(nóng)機(jī)具反復(fù)碾壓以及大水漫灌又加劇了下層土壤沉積壓實(shí), 犁底層不斷加厚, 土壤緊實(shí)度日益增大[6-7]。因而, 砂姜黑土存在的耕層“淺、實(shí)、少”問題尤其嚴(yán)重, 嚴(yán)重阻礙了作物根系的深層分布和水肥吸收功能, 致使作物水肥資源利用率降低、增產(chǎn)能力變?nèi)? 成為制約砂姜黑土作物高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)和土地可持續(xù)利用的主要障礙。因此, 研究砂姜黑土的改良并確定合理的耕作指標(biāo)對(duì)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要的理論和實(shí)踐意義。

深松是保護(hù)性耕作的核心技術(shù)之一[8], 我國深松面積超過1 000萬hm2[9]。研究表明, 深松能打破堅(jiān)硬的犁底層, 降低深層土壤容重, 加深耕層深度, 改善土壤的通透性[10-12], 創(chuàng)造虛實(shí)并存的耕層結(jié)構(gòu), 有利于作物的根系生長(zhǎng), 有效避免作物倒伏、水土流失、蓄水保墑能力差等問題, 從而實(shí)現(xiàn)作物增產(chǎn)[13-16]。之前的研究多側(cè)重于深松作業(yè)深度為30 cm時(shí)對(duì)土壤改良及作物產(chǎn)量的影響, 但探討不同深松深度對(duì)砂姜黑土的改良效應(yīng)和對(duì)作物增產(chǎn)效應(yīng)的報(bào)道較少。另外, 前人對(duì)砂姜黑土區(qū)冬小麥-夏玉米周年土壤耕層特性、作物根系、產(chǎn)量及水分利用效率的研究還較少。本研究基于多年定點(diǎn)試驗(yàn), 通過設(shè)置不同的深松深度, 研究不同深松深度對(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)量和水分利用效率的影響, 為確定砂姜黑土適宜的深松深度提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2014—2016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 ℃, 無霜期221 d, 年平均降雨量852 mm。2015年降雨量為649 mm, 2016年降雨量為929 mm。該區(qū)域常年施行冬小麥-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, 耕層土壤的有機(jī)質(zhì)含量為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18.6%、粉粒42.2%、黏粒39.2%。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)以旋耕(RT)為對(duì)照, 設(shè)置4個(gè)深松深度處理, 分別為深松30 cm(SS30)、40 cm(SS40)、50 cm (SS50)和60 cm(SS60)。旋耕平均耕作深度為15 cm。2014年秋季冬小麥播種前開始進(jìn)行定位試驗(yàn), 所有耕作處理均在每年冬小麥播前進(jìn)行。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)大區(qū)面積為100 m× 10.8 m, 隨機(jī)排列。

2015年供試小麥品種為‘豫農(nóng)416’, 屬半冬性品種; 2016年為‘鄭麥9023’, 屬弱春性品種。兩年播種量均為225 kg·hm-2。肥料使用量為: N 180 kg·hm-2、P2O590 kg·hm-2和K2O 90 kg·hm-2, 于整地前作為底肥一次性施入, 拔節(jié)期追施N 75 kg·hm-2。2015—2016年夏季玉米品種均為‘豫單606’, 種植密度為60 000株·hm-2, 種肥同播, 播種時(shí)同時(shí)施入N 180 kg·hm-2、P2O590 kg·hm-2和K2O 90 kg·hm-2, 于大喇叭口期追施N 75 kg·hm-2。每個(gè)處理灌水量相同, 具體灌溉時(shí)間及灌水量為: 2015年2月29日, 灌水量為27.6 mm; 2015年6月9日, 灌水量為46.9 mm; 2015年6月22日, 灌水量為20.6 mm; 2016年2月25日, 灌水量為27.3 mm; 2016年7月5日, 灌水量為67.5 mm, 采用水表記錄每次灌水量。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.3.1 土壤緊實(shí)度

在冬小麥拔節(jié)期、開花期、成熟期和夏玉米拔節(jié)期、開花期、成熟期, 采用美國產(chǎn)SC 900土壤堅(jiān)實(shí)度儀測(cè)定0~45 cm(每2.5 cm為一層)的土壤緊實(shí)度。

1.3.2 土壤三相比()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 cm、15~30 cm、30~40 cm、40~50 cm和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)[17], 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, 并按照公式計(jì)算土壤三相比():

式中:為測(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,為土壤固相,為土壤液相,為土壤氣相。值越大, 土壤三相比越差[18]。

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)挖取長(zhǎng)×寬×高=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×高=60 cm×28 cm×60 cm的土塊, 裝入尼龍袋中, 用自來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)得根系干重并計(jì)算根系干重密度。

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, 每處理收獲連續(xù)20株果穗, 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

采用水分平衡法[19], 按照以下公式計(jì)算農(nóng)田耗水量(ET1-2):

ET1-2=Δ++0+(2)

式中:為灌水量(mm),0為有效降雨量(mm),為地下水補(bǔ)給量(mm), 本試驗(yàn)地下水埋深大于2.5 m,值可以忽略, Δ為各生育階段土壤儲(chǔ)水消耗量, 計(jì)算公式為:

式中:為土層編號(hào),為總土層數(shù),γ為第層土壤干容重(g·cm-3),H為第層土壤厚度(cm),θ1和θ2分別為第層土壤時(shí)段初和時(shí)段末的含水量, 以占干土重的百分?jǐn)?shù)計(jì)(%)。當(dāng)Δ為負(fù)數(shù)時(shí), 表示階段末土壤儲(chǔ)水量較階段初增加。

按照以下公式[20-21]計(jì)算水分利用效率(WUE):

WUE=GY/ET (4)

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)。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用One way ANOVA分析不同耕作處理之間的差異顯著性并采用Duncan新復(fù)極差法(SSR)進(jìn)行多重比較, 顯著水平取<0.05。采用Microsoft Excel 2010和SPSS 19.0軟件進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計(jì)分析, 采用SigmaPlot 12.5軟件繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 深松深度、年份及其交互對(duì)土壤緊實(shí)度、三相比(R)值、作物產(chǎn)量和水分利用效率影響的方差分析

由表1可以看出, 處理方式對(duì)土壤緊實(shí)度、土壤三相比()值、作物產(chǎn)量和水分利用效率均存在極顯著影響; 年份除對(duì)冬小麥產(chǎn)量、夏玉米產(chǎn)量和作物水分利用效率存在極顯著影響外, 對(duì)其他指標(biāo)均無顯著影響; 處理方式與年份也存在交互作用, 其中處理×年份對(duì)夏玉米產(chǎn)量、夏玉米水分利用效率和周年水分利用效率存在顯著性影響, 對(duì)其他指標(biāo)無顯著性影響。

表1 冬小麥季深松深度、年份以及其交互對(duì)土壤緊實(shí)度、三相比(R)值、作物產(chǎn)量和水分利用效率影響的方差分析

PRW: 冬小麥季土壤緊實(shí)度; PRM: 夏玉米季土壤緊實(shí)度;W: 冬小麥季土壤三相比()值;M: 夏玉米季土壤三相比()值; YieldW: 冬小麥產(chǎn)量; YieldM: 夏玉米產(chǎn)量; Yieldtotal: 周年產(chǎn)量; WUEW: 冬小麥水分利用效率; WUEM: 夏玉米水分利用效率; WUEtotal: 周年水分利用效率。ns: 差異未達(dá)5%顯著水平。PRW:soil penetration resistance in winter wheat season; PRM: soil penetration resistance in summer maize season;W: soil three-phase () value in winter wheat season;M: soil three-phase () value in summer maize season; 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: annul water use efficiency. ns: no significant difference at 5% level.

2.2 深松深度對(duì)土壤耕層特性的影響

2.2.1 土壤緊實(shí)度

深松可以顯著降低土壤緊實(shí)度, 使0~45 cm土層土壤緊實(shí)度降低12.6%, 且對(duì)冬小麥季的影響大于夏玉米季(圖1)。隨著深松深度的增加, 土壤緊實(shí)度的降幅增加。土壤緊實(shí)度與土壤含水量相關(guān)[22], 由于各生育期土壤含水量不同, 各生育期間無明顯變化規(guī)律, 但隨著作物生長(zhǎng)發(fā)育, 各處理間差異逐漸變小, 與旋耕相比, 其降幅范圍由冬小麥拔節(jié)期8.4%~27.2%降為夏玉米成熟期1.9%~10.8%。深松30 cm、40 cm、50 cm和60 cm的冬小麥季平均土壤緊實(shí)度分別比旋耕降低5.6%、13.1%、17.5%和19.8%, 以深松60 cm處理的土壤緊實(shí)度降幅最大, 但與深松40 cm和深松50 cm差異不顯著。深松30 cm、40 cm、50 cm和60 cm的夏玉米季平均土壤緊實(shí)度分別比旋耕降低5.5%、10.0%、13.4%和15.9%, 也以深松60 cm處理的土壤緊實(shí)度降幅最大, 但與深松50 cm差異不顯著。表明深松深度越深, 土壤緊實(shí)度的降幅越大。

2.2.2 土壤三相比()值

深松顯著降低了土壤三相比()值, 且對(duì)冬小麥季的影響大于夏玉米季(表2)。不同處理因深松深度不同, 土壤三相比()值受影響的土層深度不同, 深松深度以下土層的土壤三相比()值不受影響。深松主要降低了15~60 cm土層的土壤三相比()值。在冬小麥季15~60 cm土層, 深松30 cm、40 cm、50 cm和60 cm的土壤三相比()值分別比旋耕降低3.9%、50.7%、61.7%和71.2%, 隨著深松深度的增加, 土壤三相比()值降幅越明顯。深松60 cm處理的土壤三相比()值最小, 但與深松50 cm的差異不顯著。在夏玉米季15~60 cm土層, 深松30 cm、40 cm、50 cm和60 cm的土壤三相比()值分別比旋耕降低14.7%、19.8%、24.7%和33.9%, 隨著深松深度的增加, 土壤三相比()值降幅越明顯。深松60 cm的土壤三相比()值最小, 且與其他處理均呈顯著性差異。

2.3 深松深度對(duì)作物根系生長(zhǎng)的影響

2.3.1 冬小麥根系生長(zhǎng)

從表3可以看出, 冬小麥根系主要集中在0~15 cm土層, 下層土壤中根系較少。深松顯著增加了冬小麥根長(zhǎng)、根系表面積、根系體積和根系干重密度, 但對(duì)根系平均直徑影響較小。不同深松深度對(duì)不同土層根系形態(tài)影響不同。0~30 cm土層, 深松處理的根長(zhǎng)平均比旋耕增加58.5%, 其中深松40 cm增加最多, 但與深松30 cm差異不顯著, 深松30 cm和深松40 cm與旋耕相比分別增加65.2%和78.8%; 深松處理的根系表面積平均比旋耕增加42.6%, 深松40 cm增加最多且與各處理均存在顯著性差異, 比旋耕增加63.8%; 深松處理的根系體積除深松40 cm外均與旋耕無顯著性差異, 深松40 cm比旋耕增加47.0%, 但深松處理間無顯著性差異; 深松處理的根系干重密度平均比旋耕增加29.8%, 深松40 cm增加最多, 但與深松30 cm差異不顯著, 深松30 cm和深松40 cm與旋耕相比分別增加42.7%和47.9%。0~15 cm土層與0~30 cm土層規(guī)律相同, 除根系體積外, 深松處理顯著增加根長(zhǎng)、根系表面積和根系干重密度, 平均比旋耕的根長(zhǎng)、根系表面積和根系干重密度分別增加53.8%、39.0%和27.1%, 且均為深松30 cm和深松40 cm促進(jìn)效果最好。15~30 cm土層, 深松處理的根長(zhǎng)、根系表面積、根系體積和根系干重密度分別平均比旋耕增加86.9%、73.0%、63.1%和79.4%, 其中深松60 cm增加最多且與其他處理均呈顯著性差異, 深松60 cm的根長(zhǎng)、根系表面積、根系體積和根系干重密度分別比旋耕增加131.1%、108.2%、101.3%和126.6%。在5個(gè)不同的處理中, 深松40 cm的冬小麥根系最發(fā)達(dá), 但與深松30 cm差異不顯著, 故深松30 cm和深松40 cm對(duì)冬小麥根系生長(zhǎng)的促進(jìn)效果最好。

圖1 冬小麥深松深度對(duì)不同時(shí)期土壤緊實(shí)度的影響(A:冬小麥拔節(jié)期; B: 夏玉米拔節(jié)期; C:冬小麥開花期; D:夏玉米開花期; E:冬小麥成熟期; F:夏玉米成熟期)

RT: 旋耕; SS30: 深松30 cm; SS40: 深松40 cm; SS50: 深松50 cm; SS60: 深松60 cm。RT: rotary tillage; SS30: subsoiling 30 cm; SS40: subsoiling 40 cm; SS50: subsoiling 50 cm; SS60: subsoiling 60 cm.

表2 冬小麥季深松深度對(duì)不同土層三相比(R)值的影響

同一作物數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示不同處理間差異達(dá)5%顯著水平。For the same crop, different lowercase letters indicate significant difference at 5% level among different treatments.

表3 2015年和2016年冬小麥季深松深度對(duì)冬小麥開花期根系生長(zhǎng)的影響

同一作物同一土層不同小寫字母表示不同處理間差異達(dá)5%顯著水平。Different lowercase letters indicate significant differences among treatments in the same soil layer for the same crop at 5% level.

2.3.2 夏玉米根系生長(zhǎng)

玉米根系分布隨土層的加深而下降, 以0~15 cm土層根系分布最多(圖2)。深松顯著增加了夏玉米根長(zhǎng)、根系表面積、根系體積和根系干重密度, 同樣對(duì)根系平均直徑影響較小。0~60 cm土層, 深松處理的根長(zhǎng)、根系表面積、根系體積和根系干重密度分別平均比旋耕增加73.7%、63.2%、55.8%和52.9%, 其中深松50 cm增加最多且與其他處理均呈顯著性差異, 深松50 cm的根長(zhǎng)、根系表面積、根系體積和根系干重密度分別比旋耕增加119.9%、99.0%、76.9%和89.0%。0~15 cm土層, 深松處理的根長(zhǎng)、根系表面積、根系體積和根系干重密度分別平均比旋耕增加73.2%、60.7%、54.5%和49.0%, 深松50 cm增加最多, 除根系體積與深松30 cm、40 cm和深松60 cm的不顯著外, 其余均呈顯著性差異。深松50 cm的根長(zhǎng)、根系表面積和根系干重密度分別比旋耕增加129.5%、97.0%和85.2%, 深松40 cm、深松50 cm和深松60 cm的根系體積分別比旋耕增加49.9%、73.9%和54.4%。15~60 cm土層與0~60 cm土層規(guī)律相同, 深松處理的根長(zhǎng)、根系表面積、根系體積和根系干重密度分別平均比旋耕增加74.1%、66.8%、58.3%和62.2%, 且深松50 cm增加最多并與其他處理均呈顯著性差異, 深松50 cm的根長(zhǎng)、根系表面積、根系體積和根系干重密度分別比旋耕增加108.8%、102.0%、82.9%和98.1%。在5個(gè)處理中, 深松50 cm處理的夏玉米根系最發(fā)達(dá), 且與其他處理均呈顯著性差異, 故深松50 cm對(duì)夏玉米根系生長(zhǎng)的促進(jìn)效果最好。

同一土層不同小寫字母表示處理間差異達(dá)5%顯著水平。Different lowercase letters above the bars mean significant differences among treatments for the same soil layer at 0.05 level.

2.4 深松深度對(duì)產(chǎn)量的影響

深松可以提高作物產(chǎn)量, 且對(duì)冬小麥的增產(chǎn)效應(yīng)大于夏玉米(表4)。與旋耕相比, 深松使冬小麥增產(chǎn)11.3%, 夏玉米增產(chǎn)6.0%, 作物周年總產(chǎn)增加8.7%。深松30 cm和40 cm的冬小麥產(chǎn)量與其他處理呈顯著性差異, 分別比旋耕增加20.1%和16.7%。深松30 cm、40 cm和50 cm的夏玉米產(chǎn)量與其他處理呈顯著性差異, 分別比旋耕增加5.1%、6.1%和11.0%。深松30 cm和40 cm的周年作物總產(chǎn)量與旋耕呈顯著性差異, 分別比旋耕增加12.2%和11.3%。不同深松深度間差異不顯著, 但深松30 cm和40 cm處理的周年作物總產(chǎn)量與旋耕處理呈顯著性差異。表明砂姜黑土深松30 cm和40 cm的作物增產(chǎn)效果最好。

表4 2015年和2016年小麥季深松深度對(duì)作物產(chǎn)量的影響

同列不同小寫字母表示處理間差異達(dá)5%顯著水平。Different lowercase letters in the same column indicate significant differences among treatments at 5% level.

2.5 深松深度對(duì)水分利用效率的影響

深松的冬小麥季、夏玉米季以及周年水分利用效率均顯著高于旋耕, 且冬小麥季水分利用效率的增幅大于夏玉米季(表5)。與旋耕相比, 深松使冬小麥季的水分利用效率提高10.8%, 夏玉米季提高7.0%, 周年水分利用效率提高8.7%。深松30 cm、40 cm、50 cm和60 cm的冬小麥季水分利用效率分別比旋耕增加15.7%、14.6%、6.7%和6.3%, 其中深松30 cm處理的水分利用效率增幅最大, 與深松50 cm和深松60 cm呈顯著性差異, 但與深松40 cm差異不顯著。深松30 cm、40 cm、50 cm和60 cm的夏玉米季水分利用效率分別比旋耕提高4.6%、4.8%、16.0%和2.6%, 其中深松50 cm處理的水分利用效率增幅最大, 且與其他處理均呈顯著性差異。深松30 cm、40 cm、50 cm和60 cm的周年水分利用效率分別比旋耕增加9.1%、8.8%、12.7%和4.1%, 其中深松50 cm處理的水分利用效率最高, 但與深松30 cm和深松40 cm的水分利用效率差異不顯著。

表5 2015年和2016年小麥季深松深度對(duì)水分利用效率的影響

同列不同小寫字母表示處理間差異達(dá)5%顯著水平。Different lowercase letters in the same column indicate significant differences among treatments at 5% level.

3 討論

3.1 深松深度對(duì)耕層土壤耕層特性的影響

土壤緊實(shí)度作為一個(gè)重要的土壤物理特性指標(biāo), 其大小直接影響作物根系的生長(zhǎng)發(fā)育。而土壤三相的不同分配和比率, 也影響土壤的通氣、透水、供水、保水等物理性質(zhì)[23-24]。前人研究結(jié)果表明, 深松可以有效打破犁底層, 顯著降低土壤緊實(shí)度, 改善土壤耕層結(jié)構(gòu), 使土壤三相比趨于合理[25-27]。孔曉民等[10]研究表明, 不同耕作方式對(duì)土壤容重和土壤緊實(shí)度的影響效果由大到小依次為: 深松>旋耕>免耕。隨著深松深度的增加, 土壤緊實(shí)度和土壤容重降幅越大, 不同處理間降幅由大到小表現(xiàn)為: 深松50 cm>深松40 cm>深松30 cm>旋耕[28]。本研究結(jié)果表明, 深松可以顯著降低砂姜黑土的土壤緊實(shí)度和土壤容重, 并改善土壤結(jié)構(gòu), 降低土壤三相比()值。在不同的深松深度中, 隨著深松深度的增加, 土壤耕層結(jié)構(gòu)的改良效果越好。不同處理間改良效果由大到小表現(xiàn)為深松60 cm>深松50 cm>深松40 cm>深松30 cm>旋耕, 與已有的研究結(jié)果一致[10,28]。

3.2 深松深度對(duì)作物根系和產(chǎn)量的影響

作物的根系具有固持植物體, 吸收水分和溶于水中的礦物質(zhì), 并將水與礦物質(zhì)輸導(dǎo)至地上部分等作用, 而緊實(shí)脅迫嚴(yán)重限制了作物根系生長(zhǎng)、分布和吸收功能以及產(chǎn)量形成[29]。前人研究結(jié)果表明, 土壤的物理性狀對(duì)作物的根系生長(zhǎng)發(fā)育有較大影響[25,30], 而深松可以改善土壤孔隙狀況, 增加土壤通透性, 有利于根系下扎, 促進(jìn)根系生長(zhǎng)[31]。作物的根系干重密度、根系體積隨土層深度加深呈遞減的趨勢(shì)[32], 深松可以促進(jìn)作物根系特別是下層根系干物質(zhì)密度的增加, 增加根系縱深分布[25], 并提高作物的根系活性, 進(jìn)而使作物增產(chǎn)[33-35]。本研究結(jié)果表明, 深松可以有效改良土壤結(jié)構(gòu), 促進(jìn)作物根系的延伸, 增加作物的根長(zhǎng)、根系體積、根系表面積和根系干重密度, 進(jìn)而實(shí)現(xiàn)作物增產(chǎn), 此與前人研究結(jié)果一致。在不同的深松深度中, 深松40 cm處理的冬小麥根長(zhǎng)、根系體積、根系表面積值和根系干重密度最大, 但與深松30 cm不存在顯著性差異; 深松50 cm處理的夏玉米根長(zhǎng)、根系體積、根系表面積值和根系干重密度最大, 并與各處理相比均存在顯著性差異。深松30 cm對(duì)冬小麥增產(chǎn)效果最大, 深松50 cm對(duì)夏玉米增產(chǎn)效果最大, 深松30 cm對(duì)周年增產(chǎn)效果最大, 但與深松40 cm周年產(chǎn)量之間差異不顯著。而張鳳杰等[28]和Cai等[36]研究表明, 隨著深松深度加深, 作物的根系生長(zhǎng)發(fā)育促進(jìn)效果越好, 作物產(chǎn)量越高。與之前研究結(jié)果不同的主要原因如下: 由于砂姜黑土干堅(jiān)實(shí)、濕黏閉、脹縮強(qiáng)、耕期短、僵塊多、結(jié)構(gòu)差等特點(diǎn), 普通深松機(jī)無法達(dá)到深層次深松目的, 故本試驗(yàn)采用的是橫向旋轉(zhuǎn)式深松機(jī)進(jìn)行粉壟式深松, 該深松方法在冬小麥播種前進(jìn)行深層次深松作業(yè)時(shí)將下層部分未腐熟土壤帶到了上層, 深松后降雨引起土壤一定程度的沉降, 影響小麥出苗質(zhì)量, 尤其降低深松帶上基本苗數(shù), 深松60 cm處理的深松帶上基本苗數(shù)比其他深松處理平均減少21.7%, 進(jìn)而影響冬小麥產(chǎn)量。但到了夏玉米季, 土壤經(jīng)過半年多的腐熟和沉降, 土壤耕層逐漸穩(wěn)定, 除深松60 cm處理外, 深松深度越深增產(chǎn)效果越好。隨著深松年限的增加, 土壤耕層的進(jìn)一步穩(wěn)定, 深松60 cm處理增產(chǎn)效果可能會(huì)更好。

3.3 深松深度對(duì)水分利用效率的影響

植物水分利用效率是評(píng)價(jià)植物生長(zhǎng)適宜程度的綜合生理生態(tài)指標(biāo)[37]。前人研究表明, 深松降低了表層土壤容重, 增加接納雨水的能力, 進(jìn)而增強(qiáng)了作物對(duì)水分的利用效率[38-41]。深松可以提高土壤蓄水能力, 增加土壤含水量, 且深松50 cm的水分利用效率高于深松30 cm和旋耕[36]。本研究結(jié)果表明, 深松能夠顯著增加周年水分利用效率, 這與前人的研究結(jié)果一致[38-41]。在冬小麥季, 深松30 cm作物的水分利用效率最高, 但與深松40 cm的差異不顯著; 在夏玉米季, 深松50 cm作物的水分利用效率最高, 且與其他處理呈顯著性差異; 周年中, 深松50 cm作物的水分利用效率最高, 但深松30 cm、40 cm和50 cm之間差異不顯著。目前, 通過保護(hù)性耕作達(dá)到保土、節(jié)水、增產(chǎn)、增效已成為農(nóng)業(yè)技術(shù)發(fā)展的重要趨勢(shì)[42], 而隨著深松深度的增加, 其成本也有所增加, 在本試驗(yàn)中, 深松30 cm和深松40 cm在增加產(chǎn)量的同時(shí), 還能節(jié)約成本, 提高資源利用效率, 對(duì)土壤也起到了改良效果。因此, 綜合考慮增產(chǎn)節(jié)本增效的目的, 砂姜黑土適宜的深松深度為30~40 cm。

4 結(jié)論

深松能夠顯著降低土壤緊實(shí)度和三相比()值, 促進(jìn)了作物根系的生長(zhǎng)發(fā)育, 進(jìn)而增加作物產(chǎn)量, 提高水分利用效率。隨著深松深度的增加, 深松對(duì)土壤耕層結(jié)構(gòu)的改良效果越好, 以深松60 cm的改良效果最顯著。不同的深松深度中, 深松30 cm和深松40 cm的作物增產(chǎn)效果最好, 深松30 cm、深松40 cm和深松50 cm的水分利用效率最高。因此, 砂姜黑土適宜的深松深度為30~40 cm。

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Effects of subsoiling depth on topsoil properties, crop yield and water use efficiency in Lime Concretion Black soil*

CHENG Sixian, LIU Weiling, JIN Yingjie, ZHOU Yanan, ZHOU Jinlong, ZHAO Yali**, LI Chaohai**

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

Lime Concretion Black soil is widely distributed in the south of the Huang-Huai-Hai Plain with area of 3.7 million hm2, which is one of the main middle-to-low-yielding soil types in the region. Currently, the long-term continuous farming system is made possible by using small-sized 4-wheel tractors. However, owing to the years of over exploitation and improper mechanical plough, the effective depth of topsoil has gradually decreased and the plow pan thickened. The problem of shallow, solid and little topsoil in the plough layer has limited the ability of storage and release of fertilizer and continuous increase in crop yield in the Lime Concretion Black soils. Subsoiling is one of the main technologies in conservation tillage and the area with sub-soling in China has exceeded 10 million hm2. Studies have shown that subsoiling can improve soil properties in plough layer by reducing soil bulk density and penetration resistance, increasing soil porosity, hydraulic conductivity and infiltration rate, and creating more favorable soil environment for root growth and crop production than rotary tillage. However, most studies have been carried out only on the 30 cm depth of subsoiling and little research has been focused on the effects of different depths of subsoiling on soil characteristics, root growth, crop yield and water use efficiency under wheat-maize cropping system in Lime Concretion Black soils.The objective of this study was to determine the effects of the depth of subsoiling on topsoil properties, crop yield and water use efficiency and to build the basis for establishing suitable depth of subsoiling in Lime Concretion Black soils. To that end, a multi-year experiment with four depths of subsoiling [30 cm(SS30), 40 cm(SS40), 50 cm(SS50) and 60 cm(SS60)] and rotary tillage (RT) as the control was carried out to study the effects of different depths of subsoiling on soil penetration resistance, soil three-phase () value, root growth, crop yield and water use efficiency. The results showed that increasing depth of subsoiling significantly reduced soil compaction, created more suitable soil three-phase () value and thus promoted crop root growth. In the four depths of subsoiling, decrease in soil penetration resistance and soil three-phase () value were the highest under SS60 treatment, root weight of winter wheat was the highest under SS40 treatment and root weight of summer maize the highest under SS50. Subsoiling not only increased crop yield, but also increased water use efficiency. Annual crop yield was the highest under SS30 treatment, 12.2% higher than that under RT. There was no significant difference in annual crop yield between SS30 and SS40 treatments. Annual water use efficiency was the highest under SS50 treatment, which was 12.7% higher than that under RT. Also there was no significant difference in annual crop yield among SS30, SS40 and SS50 treatments. Annual water use efficiency was respectively 9.1% and 8.8% higher under SS30 and SS40 treatments than that under RT. Therefore, subsoiling at the 30–40 cm depth was a suitable depth in Lime Concretion Black soils.

Lime Concretion Black soil; Winter wheat; Subsoiling depth; Soil compaction; Soil three-phase () value; Root morphology

s: ZHAO Yali, E-mail: zhaoyali2006@126.com; LI Chaohai, E-mail: lichaohai2005@163.com

Dec. 18, 2017;

Apr. 24, 2018

10.13930/j.cnki.cjea.171149

S341.1; S512.1+1; S513

A

1671-3990(2018)09-1355-11

趙亞麗, 主要研究方向?yàn)橛衩咨砩鷳B(tài), E-mail: zhaoyali2006@126.com; 李潮海, 主要研究方向?yàn)橛衩咨砩鷳B(tài), E-mail: lichaohai2005@163.com 程思賢, 主要研究方向?yàn)橛衩咨砩鷳B(tài)。E-mail: 85785619@qq.com

2017-12-18

2018-04-24

* This study was supported by the Special Fund for Agro-scientific Research in the Public Interest of China (201503117), the National Natural Science Foundation of China (31771729), and the National Key Research and Development Project of China (2016YFD0300106).

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

程思賢, 劉衛(wèi)玲, 靳英杰, 周亞男, 周金龍, 趙亞麗, 李潮海. 深松深度對(duì)砂姜黑土耕層特性、作物產(chǎn)量和水分利用效率的影響[J]. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào), 2018, 26(8): 1355-1365

CHENG S X, LIU W L, JIN Y J, ZHOU Y N, ZHOU J L, ZHAO Y L, LI C H. Effects of subsoiling depth on topsoil properties, crop yield and water use efficiency in Lime Concretion Black soil[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2018, 26(9): 1355-1365