立式深旋松耕對西北半干旱區(qū)土壤水分性狀及馬鈴薯產(chǎn)量的影響

，，，，，

(1.甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院旱地農(nóng)業(yè)研究所，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅省旱作區(qū)水資源高效利用重點實驗室，甘肅 蘭州 730070)

“精耕細(xì)作”是我國農(nóng)耕文化的精神實質(zhì)，更是五千年來我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的根本方法[1]。改變耕作方式來優(yōu)化土壤物理結(jié)構(gòu)，對作物生長發(fā)育有積極作用[2-3]，尤其對西北黃土高原地區(qū)而言，將是提高作物抗旱性、產(chǎn)量和水分利用效率的有效措施[2]。自20世紀(jì)30年代以來，美國大力推廣應(yīng)用以免耕或者少耕為主的保護性耕作方法，這不僅使土面侵蝕降低了50%，而且結(jié)合秸稈覆蓋還田等技術(shù)的應(yīng)用，使得土壤物理性狀和肥力狀況得到根本改善，顯著提高農(nóng)田生產(chǎn)力，玉米增產(chǎn)10%～20%[3]。目前，全世界少免耕作應(yīng)用面積達(dá)到1.69億hm2，占世界總耕地面積的11%[3]。我國傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)中有很多少免耕作的經(jīng)驗，如華北地區(qū)鐵茬播種、東北地區(qū)壟作、西北地區(qū)砂田種植等[3]，其研究開始于20世紀(jì)80年代，基本探明了少免耕作對土壤物理、化學(xué)和生物性狀的影響[4-9]。自20世紀(jì)末起，旋耕技術(shù)逐漸成為我國農(nóng)田耕作的主要方式，但其耕作深度一般在18 cm以內(nèi)，長期旋耕造成犁底層變淺和土壤僵化，不僅影響了土壤的物理和化學(xué)性狀，而且使作物產(chǎn)量和水肥效率下降[10-12]。為解決這一問題，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部出臺了《全國農(nóng)機深松整地作業(yè)實施規(guī)劃(2016-2020年)》，以通過深松打破犁底層，優(yōu)化土壤水碳環(huán)境和提高作物資源利用效率[12-15]。然而，雖然深松可以打破犁底層、促進(jìn)根系生長，提高作物水肥利用能力和產(chǎn)量[14-17]，但不能有效降低土壤容重和增加孔隙度，進(jìn)而優(yōu)化土壤水分特性以實現(xiàn)高效利用。立式深旋松耕技術(shù)是在粉壟技術(shù)上發(fā)展而來的一項新的耕作技術(shù)，它集成了旋耕和深松的優(yōu)點，能夠顯著降低土壤容重和提高土壤孔隙度，在西南甘蔗(Saccharum)、山藥(Dioscoreaerhizoma)，華北平原小麥(Triticumaestivum)、玉米(Zeamays)等作物生產(chǎn)中具有顯著增產(chǎn)效果[18-22]。西北黃土高原半干旱區(qū)是我國重要的馬鈴薯(Solanumtuberosum)優(yōu)勢主產(chǎn)區(qū)，但受季節(jié)性干旱脅迫的影響，產(chǎn)量長期在20 t·hm-2以內(nèi)，低于全國平均水平[23]。近幾年研發(fā)應(yīng)用的全膜覆蓋壟作技術(shù)，雖然提高了自然降水利用率，并使產(chǎn)量增加30%以上，但馬鈴薯的增產(chǎn)潛力依然未能充分發(fā)揮[23-24]，這是由于土壤供水能力無顯著增加，不能有效抵御季節(jié)性干旱危害；加之長期旋耕使得土壤犁底層變淺，影響了根系發(fā)育和水分運移，導(dǎo)致降水生產(chǎn)潛力不能充分發(fā)揮[10]。鑒于以上原因，本研究以馬鈴薯為指示作物，在全膜覆蓋壟作條件下研究了旋耕、立式深旋松耕和深松對土壤水分特性、馬鈴薯水分利用和產(chǎn)量的影響，為探索該區(qū)域抗旱增產(chǎn)、水分高效的耕作技術(shù)提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地點概況

試驗于2016-2017年在甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院定西試驗站(甘肅省定西市安定區(qū)團結(jié)鎮(zhèn)唐家堡村，104°36′ E, 35°35′ N)進(jìn)行。該區(qū)海拔1970 m，年平均氣溫6.2 ℃，年輻射總量5898 MJ·m-2，年日照時數(shù)2500 h，≥10 ℃年積溫2075.1 ℃，無霜期140 d，屬中溫帶半干旱氣候。作物一年一熟，為典型旱地雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)。試驗區(qū)土壤為黃綿土，0～30 cm土層平均容重1.25 g·cm-3，田間持水量為21.18%，凋萎系數(shù)為7.2%。

1.2 試驗設(shè)計

試驗采用隨機區(qū)組設(shè)計，設(shè)置傳統(tǒng)旋耕(traditional tillage，TT，旋耕機早春耕作，耕深15 cm左右。耕作結(jié)束后用起壟覆膜機營建壟溝，并同時施肥，然后覆蓋地膜；按季節(jié)用馬鈴薯點播器壟上穴播，每穴1株)、深松耕(deep loosening tillage，DLT，深松機早春耕作，耕深40 cm左右。耕作結(jié)束后用起壟覆膜機營建壟溝，并同時施肥，然后覆蓋地膜；按季節(jié)用馬鈴薯點播器壟上穴播，每穴1株)和立式深旋松耕(vertically rotary sub-soiling tillage，VRT，用由定西山石農(nóng)業(yè)科技有限公司和甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院旱地農(nóng)業(yè)研究所共同研制的立式深旋松耕作施肥覆膜一體機早春耕作，耕深40 cm左右。按季節(jié)用馬鈴薯點播器壟上穴播，每穴1株)3個處理。每處理3次重復(fù)，小區(qū)面積6 m×10 m=60 m2。種植作物為馬鈴薯，采用全膜覆蓋壟上微溝種植方法，種植帶寬100 cm，寬窄行種植，寬行60 cm，窄行40 cm(圖1)，小溝內(nèi)每隔50 cm左右扎眼以便于水分入滲；密度60000株·hm-2，2016年4月下旬播種，9月上旬收獲；2017年4月下旬播種，10月上旬收獲。試驗于2016和2017年早春土壤消融時即進(jìn)行耕作處理。傳統(tǒng)旋耕耕作深度15 cm左右，深松耕40 cm，立式深旋松耕40 cm，均用機械操作。耕作后即進(jìn)行有關(guān)參數(shù)測定，并在馬鈴薯播前、收獲后測定0～200 cm土壤貯水量，全小區(qū)收獲計算塊莖產(chǎn)量。

圖1 馬鈴薯全膜覆蓋壟上微溝種植技術(shù)Fig.1 Potato micro-furrows on ridges and planting with plastic mulching

1.3 試驗區(qū)2016-2017年降水量

根據(jù)甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院定西試驗站氣象資料統(tǒng)計，試驗區(qū)2016年屬嚴(yán)重的欠水年份，馬鈴薯生育期內(nèi)降水量為179.3 mm；2017年為平水年(未計11-12月降水量)，馬鈴薯生育期內(nèi)降水量為353.5 mm，但兩年均在馬鈴薯盛花期發(fā)生持續(xù)干旱，季節(jié)分配不均(圖2)。2016年溫度偏高，2017年則與多年平均溫度基本持平。降水分布不均和氣溫變異均對馬鈴薯的生長造成一定影響，導(dǎo)致年際間產(chǎn)量不一致。

圖2 2016-2017年試驗區(qū)降水分布和平均氣溫變化Fig.2 Precipitation and average air temperature in test areas from 2016 to 2017

1.4 測定指標(biāo)及方法

1.4.1土壤貯水量 在馬鈴薯播期、盛花期和收獲期用烘干法測定0～200 cm土層土壤含水量，每20 cm為一個層次，每小區(qū)在壟上馬鈴薯株間測定一個位點。

土壤貯水量：SWS(mm)= WS×γ×d/100

式中:WS為土壤重量含水量(g·kg-1)；γ為土壤容重(g·cm-3)；d為土壤深度(cm)。土壤萎蔫貯水量(mm)和田間持水量(mm)的計算中，WS分別為土壤萎蔫貯水量(g·kg-1)和田間持水量(g·kg-1)。

1.4.2土壤物理性狀 參照土壤理化分析的方法[25]，對0～10 cm、10～20 cm和20～40 cm土層的土壤容重、土壤總孔隙度、飽和含水量、土壤毛管孔隙度、毛管含水量進(jìn)行測定。土壤容重測定采用環(huán)刀法(環(huán)刀容積為100 cm3)。土壤總孔隙度測定：利用測定容重的環(huán)刀浸入水中24 h，稱重至恒質(zhì)量，按公式(1)測定飽和含水量；根據(jù)公式(2)計算總孔隙度；土壤毛管孔隙度的測定：將飽和后的環(huán)刀樣置于鋁盒上，中間用濾紙隔開，放置12 h 烘干至恒質(zhì)量，并稱重，按照公式(3)計算土壤毛管含水量；毛管孔隙度依據(jù)公式(4)計算。田間持水量(%)和萎蔫系數(shù)按照Garg等[26]的方法測定。

飽和含水量=(浸泡后土質(zhì)量-烘干土質(zhì)量)/烘干土質(zhì)量×100%

(1)

總孔隙度=飽和含水量×容重

(2)

土壤毛管含水量=(放置后的土質(zhì)量-烘干的土質(zhì)量)/烘干的土質(zhì)量×100%

(3)

土壤毛管孔隙度=土壤毛管含水量/飽和含水量×總孔隙度

(4)

1.4.3土壤有效貯水量計算 土壤有效貯水量=土壤貯水量(mm)-土壤萎蔫貯水量(mm)，本試驗中計算0～10 cm、10～20 cm和20～40 cm有效貯水量。

1.4.4水分利用效率的計算 測定馬鈴薯播前和收獲后0～200 cm土層的土壤含水量，按照公式(5)計算馬鈴薯水分利用效率。

WUE(kg·hm-2·mm-1)=塊莖產(chǎn)量(kg·hm-2)/ET (mm)

(5)

式中：塊莖產(chǎn)量由小區(qū)實際收獲產(chǎn)量換算得出，ET為蒸散量，ET=播前土壤貯水量(mm)-收獲后土壤貯水量(mm)+降水量(mm)。

1.5 數(shù)據(jù)分析

采用DPS數(shù)據(jù)處理軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行 ANOVA方差分析，并用LSD法進(jìn)行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 立式深旋松耕對土壤容重的影響

不同耕作方式對土壤容重有顯著影響，深松和旋耕的土壤容重顯著高于立式深旋松耕(圖3)。在0～10 cm土層，2016和2017年分別高10.8%、13.3%和11.2%、15.2%，10～20 cm土層分別高20.6%、13.8%和22.2%、15.2%，20～40 cm土層分別高13.2%、25.3%和13.7%、24.8%。在20～40 cm土層，深松處理的土壤容重顯著低于旋耕，2016和2017年分別降低了10.6%和9.8%。

圖3 不同耕作方式對土壤容重的影響Fig.3 Effects of tillage methods on soil bulk density TT： 傳統(tǒng)旋耕Traditional tillage； DLT： 深松耕Deep loosening tillage； VRT： 立式深旋松耕 Vertically rotary sub-soiling tillage。小寫字母不同表示差異達(dá)到P<0.05的顯著水平。下同。Different lowercase letters in the same column mean significant differences at 0.05 level. The same below.

2.2 立式深旋松耕對土壤飽和含水量和毛管含水量的影響

在0～40 cm土層，VRT的飽和含水量顯著高于DLT和TT(圖4)，其中0～10 cm土層VRT在2016和2017年較DLT、TT分別增加了26.4%、27.3%和26.1%、30.6%，10～20 cm土層分別增加了30.7%、38.1%和31.7%、42.7%，20～40 cm土層分別增加了28.8%、51.6%和30.4%、54.4%。在0～20 cm土層，DLT和TT之間的飽和含水量無顯著差異，但在20～40 cm土層，DLT顯著高于TT，在2016和2017年分別提高了17.7%和18.3%。

與土壤飽和含水量變化趨勢相同，VRT的土壤毛管含水量顯著高于DLT和TT，在0～10 cm、10～20 cm和20～40 cm土層，2016和2017年VRT的毛管含水量較DLT分別增加了41.0%、38.8%、39.5%和44.7%、40.3%、40.2%，較TT分別增加了47.3%、51.5%、76.6%和49.4%、51.9%、82.9%。在20～40 cm土層，DLT的毛管含水量顯著高于TT，2016和2017年分別增加了26.6%、30.5%。

2.3 立式深旋松耕對土壤孔隙度的影響

與DLT和TT相比，VRT顯著提高了0～40 cm土層的孔隙度(圖5)。2016和2017年VRT的總孔隙度在0～10 cm、10～20 cm和20～40 cm土層，分別較DLT提高了14.0%、8.4%、13.7%和13.4%、12.5%、14.8%，較TT提高了12.3%、21.4%、21.0%和13.3%、15.9%、23.7%。在20～40 cm土層，DLT的土壤總孔隙度較TT增加，2016和2017年分別提高了6.4%和7.8%。

圖4 不同耕作方式對土壤飽和含水量和毛管含水量的影響Fig.4 Effects of tillage methods on soil saturation moisture content and capillary moisture content

VRT較DLT和TT顯著提高了土壤毛管孔隙度，2016和2017年在0～10 cm、10～20 cm和20～40 cm土層分別較DLT提高了27.2%、15.0%、23.1%和30.1%、14.8%、23.3%，較TT分別增加了30.0%、33.2%、41.0%和29.7%、31.8%、46.6%。DLT和TT的毛管孔隙度在0～20 cm土層無顯著差異，但在20～40 cm土層DLT顯著高于TT，2016和2017年分別增加了14.5%和18.9%。

圖5 不同耕作方式對土壤總孔隙度和毛管孔隙度的影響Fig.5 Effects of tillage methods on total soil porosity and capillary porosity

2.4 立式深旋松耕對土壤田間持水量和萎蔫貯水量的影響

在0～40 cm土層，VRT、DLT和TT的田間持水量無顯著差異，但土壤萎蔫貯水量在3個處理間差異明顯(圖6)。VRT的萎蔫貯水量在0～40 cm明顯下降，在2016和2017年，VRT在0～10 cm、10～20 cm和20～40 cm土層的萎蔫貯水量較DLT分別下降了34.9%、23.8%、21.2%和45.2%、11.0%、18.8%，較TT分別下降了47.9%、22.4%、47.7%和49.0%、32.7%、44.0%。在0～20 cm土層，DLT和TT的萎蔫貯水量無顯著差別，但在20～40 cm土層DLT顯著低于TT，2016和2017年分別下降了21.9%和21.2%。

2.5 立式深旋松耕對0～100 cm土層土壤有效水貯量的影響

不同處理的土壤貯水量在不同土層和年份有顯著差別(圖7)。2016年為干旱年份，VRT貯水量顯著高于DLT和TT，在0～10 cm增加了21.0%和17.4%，在10～20 cm土層增加了20.0%和29.7%，在20～40 cm土層，VRT顯著高于DLT、DLT顯著高于TT，分別增加了16.4%和9.4%；2017年3個處理的土壤貯水量在0～10 cm和20～40 cm土層無顯著差異，但在10～20 cm土層，TT顯著低于VRT和DLT，分別降低了24.4%和23.4%。

土壤有效貯水量在處理間差異明顯，2016和2017年3個土層的土壤有效貯水量均以VRT最高(圖7)。與DLT相比，VRT在0～10 cm、10～20 cm和20～40 cm土層的有效貯水量在2016和2017年分別增加了136.9%、81.8%、87.1%和86.9%、38.5%、34.3%，較TT分別增加了200.1%、139.5%、575.2%和44.6%、124.6%、114.2%。2016年DLT在0～40 cm土層的土壤有效貯水量顯著高于TT，分別增加了25.0%、32.0%和261.2%，2017年除0～10 cm土層的有效貯水量DLT顯著低于TT(降低了22.5%)外，在10～20 cm和20～40 cm土層DLT顯著高于TT，分別增加了62.3%和59.6%。

2.6 立式深旋松耕對馬鈴薯產(chǎn)量和水分利用效率的影響

VRT顯著提高了馬鈴薯塊莖產(chǎn)量(表2)。2016和2017年VRT的塊莖產(chǎn)量分別較DLT和TT增加了156.8%、47.8%和24.8%、41.0%。處理間耗水量在不同年份表現(xiàn)不同，2016年VRT耗水量顯著高于DLT和TT，分別增加了33.5%和24.0%，但在2017年處理間無顯著差異。VRT顯著提高了WUE，2016和2017年較DLT和TT分別增加了92.3%、19.2%和18.9%、26.6%。

圖6 不同耕作方式對土壤田間持水量和萎蔫貯水量的影響Fig.6 Effects of tillage methods on field moisture capacity and soil wilted moisture

圖7 不同耕作方式對土壤總貯水量和土壤有效貯水量的影響Fig.7 Effects of tillage methods on soil moisture and soil available moisture

年份Year處理Treatment產(chǎn)量Yield (kg·hm-2)耗水量ET (mm)水分利用效率WUE (kg·hm-2·mm-1)2016立式深旋松耕VRT32897.3±2506.3a297.8±23.8a110.5±8.9a深松耕 DLT12812.3±1387.7c223.1±22.2b57.4±6.2c傳統(tǒng)旋耕 TT22253.3±1236.5b240.1±18.8b92.7±7.3b2017立式深旋松耕VRT42833.3±2304.9a344.0±30.5a124.5±10.0a深松耕 DLT34333.3±3250.6b328.0±29.1a104.7±12.9ab傳統(tǒng)旋耕 TT30388.9±2754.2b309.0±30.3a98.3±9.5b

注：不同字母表示同一年份不同處理差異顯著(P<0.05)。

Note: Different letters in the same year mean significant differences among treatments at 0.05 levels.

3 討論

耕作方式作為農(nóng)作制度的主要組成因素之一，通過改變土壤的物理性狀，進(jìn)而影響其理化和生物性狀，對作物資源利用效率和產(chǎn)量形成有重要的調(diào)節(jié)作用[12-17]。西北黃土高原地區(qū)降水匱乏，年際分布不均，季節(jié)性干旱特征非常明顯[23-24]；而且由于常年的淺旋耕，使得土壤通透性下降，犁底層變淺，限制了作物根系生長，降低了土壤水肥供應(yīng)能力，這一負(fù)面影響強化了干旱脅迫對作物生長的危害[10,15,17]。因此，生產(chǎn)上亟須能夠同時打破犁底層并提高土壤通透性的耕作措施，以同時提高土壤水分入滲、保持和供應(yīng)能力。本試驗結(jié)果表明，深松能夠有效打破犁底層，在20～40 cm的土壤容重降低了10.6%、9.8%，土壤總孔隙度和毛管孔隙度分別升高了6.4%～7.8%和14.5%～18.9%，但0～20 cm土層變化不明顯；而立式深旋松耕不僅打破了犁底層，而且顯著增加了通透性，其土壤容重較旋耕下降了11.2%～24.8%，土壤總孔隙度和毛管孔隙度分別升高了12.3%～23.7%和29.7%～46.6%。

土壤容重、總孔隙度和毛管孔隙度的變化，必將引起土壤水分特性的相應(yīng)改變[7,11,15-17]。本試驗中，雖然馬鈴薯采用起壟覆膜種植的方法，但立式深旋松耕在0～20 cm土層的飽和持水量和毛管持水量均較深松和旋耕明顯升高，而萎蔫貯水量則顯著下降，其中飽和持水量提高了26.1% ～54.4%，土壤毛管含水量增加了38.8%～82.9%，萎蔫貯水量下降了11.0%～49.0%；3種耕作方式的田間持水量無明顯變化，這主要是本研究計算了絕對貯水量(mm)，但相對值的田間持水量(%)立式深旋松耕顯著高于深松(數(shù)據(jù)未列出)。在20～40 cm土層，立式深旋松耕和深松耕的飽和含水量、毛管耗水量均顯著高于旋耕，萎蔫貯水量顯著低于旋耕。證明立式深旋松耕不僅具有疏松土壤、提高通透性的作用，而且能夠有效打破犁底層，改善土壤的水分特性和提高供水能力；深松雖然能夠有效打破犁底層，使20～40 cm土層的土壤水分特性發(fā)生改變，但其通透性沒有顯著增加，其0～20 cm土層的水分特性和供水能力較旋耕變化不明顯。

優(yōu)化的土壤物理性狀和水分特性，是土壤供水能力提高的基礎(chǔ)[18-22]。本試驗通過測定土壤實際貯水量和萎蔫貯水量的差值，取得了土壤有效貯水量，結(jié)果表明，無論年份降水多少，立式深旋松耕較深松和旋耕能顯著提高土壤有效貯水量。其中在干旱的2016年，立式深旋松耕的土壤有效貯水量較深松耕增加了81.8%～136.9%，在平水的2017年，這一數(shù)值為34.3%～86.9%；較旋耕分別在2016和2017年增加了139.5%～575.2%和44.6%～124.6%，表明立式深旋松耕在干旱年份對土壤有效貯水量的增加幅度高于降水相對充足的平水年，暗示這一耕作技術(shù)將有顯著的抗旱作用。由于土壤有效水的顯著提高，顯著促進(jìn)了馬鈴薯的生長，立式深旋松耕的塊莖產(chǎn)量較深松耕和旋耕分別增加了24.8%～156.8%和41.0%～47.8%，干旱的2016年耗水量分別增加了33.5%和24.0%，而水分利用效率增加了18.9%～92.3%和19.2%～26.6%。因此，由于立式深旋松耕不僅能夠很好地疏松土壤，降低土壤容重和改善水分特性[20]，提高有效貯水量，而且能夠有效打破犁底層[18,21-22]，顯著優(yōu)化了0～40 cm不同層次的土壤物理性狀和水分特性，提高了土壤供水能力，尤其使得干旱年份的土壤有效貯水量大幅度增加，這對提高土壤-作物體系的抗旱力有明顯促進(jìn)作用，使得馬鈴薯產(chǎn)量和水分效率顯著增加。

4 結(jié)論

立式深旋松耕顯著優(yōu)化土壤的水分特性，提高有效水含量，這一效果在干旱年份尤為明顯，提高塊莖產(chǎn)量和WUE，是適合于黃土高原半干旱區(qū)抗旱增產(chǎn)、水分高效的耕作方法。