華北典型區(qū)域土壤耕作方式對(duì)土壤特性和作物產(chǎn)量的影響*

關(guān)劼兮, 陳素英, 邵立威, 張玉銘, 張喜英, 路 楊, 閆宗正

華北典型區(qū)域土壤耕作方式對(duì)土壤特性和作物產(chǎn)量的影響*

關(guān)劼兮1,2, 陳素英1**, 邵立威1, 張玉銘1, 張喜英1, 路 楊1,2, 閆宗正1,2

(1. 中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所農(nóng)業(yè)資源研究中心/中國(guó)科學(xué)院農(nóng)業(yè)水資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/河北省節(jié)水農(nóng)業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 石家莊 050022; 2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 北京 100049)

華北平原是我國(guó)重要的小麥玉米種植區(qū), 長(zhǎng)期土壤旋耕免耕和秸稈全量還田帶來(lái)耕層變淺、犁底層變厚和上移、土壤養(yǎng)分表聚等現(xiàn)象, 通過(guò)耕作方式改變, 解決上述問(wèn)題對(duì)維持區(qū)域糧食生產(chǎn)有重要意義。試驗(yàn)以冬小麥-夏玉米輪作系統(tǒng)為研究對(duì)象, 分別在代表華北平原高產(chǎn)區(qū)的欒城試驗(yàn)區(qū)和代表中低產(chǎn)區(qū)的南皮試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行, 設(shè)置冬小麥播種前進(jìn)行土壤深耕、深松、窄深松3種處理, 以生產(chǎn)上常用的旋耕為對(duì)照。所有處理夏玉米季均采用土壤免耕播種, 測(cè)定項(xiàng)目包括土壤容重、作物根系、作物產(chǎn)量和水分利用效率。結(jié)果表明, 不同耕作方式對(duì)土壤特性和作物產(chǎn)量的影響具有區(qū)域差異。南皮試驗(yàn)區(qū)土壤深耕(松)顯著地(<0.05)提高了作物產(chǎn)量, 深耕、深松和窄深松處理的冬小麥產(chǎn)量比旋耕分別增加16.5%、19.3%和13.1%, 夏玉米產(chǎn)量分別增加17.3%、16.2%和21.9%, 周年產(chǎn)量分別增加16.9%、17.6%和17.8% ; 深耕、深松和窄深松處理間作物產(chǎn)量差異不顯著。欒城試驗(yàn)區(qū)冬小麥、夏玉米產(chǎn)量和周年產(chǎn)量各處理之間差異不顯著。土壤深耕、深松、窄深松和旋耕均能降低0~20 cm土層土壤緊實(shí)度和土壤容重。冬小麥播種后, 與土壤耕作前比較, 土壤深耕、深松和旋耕處理土壤緊實(shí)度南皮試驗(yàn)區(qū)分別平均降低71.6%和68.2%, 欒城試驗(yàn)區(qū)分別降低88.8%和-7.7%, 常用的旋耕模式在欒城試區(qū)沒(méi)有降低土壤緊實(shí)度。小麥?zhǔn)斋@時(shí)不同耕作方式0~40 cm土層的土壤容重均低于土壤耕作前的土壤容重, 至夏玉米收獲時(shí)不同耕作處理的土壤容重與耕作前基本一致, 不同耕作處理對(duì)土壤容重的影響差異不顯著。在南皮試驗(yàn)區(qū), 3種耕作方式與旋耕相比, 均顯著提高了冬小麥和夏玉米水分利用效率; 在欒城試驗(yàn)區(qū), 各處理冬小麥和夏玉米水分利用效率差異不顯著。本研究結(jié)果顯示在華北平原高產(chǎn)區(qū)連續(xù)實(shí)施土壤旋耕模式?jīng)]有影響作物產(chǎn)量, 而在中低產(chǎn)區(qū)實(shí)施土壤深耕或者深松模式更利于作物產(chǎn)量提高。

小麥玉米一年兩熟; 高產(chǎn)區(qū); 中低產(chǎn)區(qū); 耕作方式; 土壤容重; 產(chǎn)量構(gòu)成; 水分利用效率

華北平原是我國(guó)重要的糧食生產(chǎn)基地之一, 70%以上的耕地實(shí)施冬小麥()和夏玉米()一年兩熟輪作制。20世紀(jì)80年代開始, 隨著秸稈焚燒的禁止, 秸稈機(jī)械化還田和土壤旋耕作業(yè)迅速發(fā)展, 土壤耕作采用冬小麥旋耕后播種, 夏玉米免耕播種, 秸稈全量還田。由于長(zhǎng)期實(shí)施單一土壤免耕、旋耕和秸稈還田, 加上農(nóng)業(yè)全程機(jī)械化生產(chǎn)對(duì)土壤的壓實(shí)作用, 導(dǎo)致耕層變淺、犁底層加厚、土壤容重增大、耕層有效土量減少、土壤養(yǎng)分表聚等土壤退化特征突出[1-2], 嚴(yán)重阻礙了作物根系的深層分布和水肥吸收功能[3-5], 降低了作物的水肥資源利用率, 限制了作物產(chǎn)量的提高[6-9]。因此, 改進(jìn)土壤耕作方式對(duì)緩解土壤退化, 提升糧食持續(xù)生產(chǎn)具有重要意義。

傳統(tǒng)的深耕(松)可以拓展土壤耕層深度, 打破犁底層, 改善耕層土壤物理性狀, 從而促進(jìn)作物生長(zhǎng), 提高作物的水分利用效率和產(chǎn)量[10-13]。通過(guò)深耕可以將聚集在上層土壤中多年未分解的秸稈翻壓到耕層以下, 加速其分解, 解決養(yǎng)分表聚問(wèn)題[14-15]。同時(shí), 深耕可減少作物土傳病蟲害的發(fā)生[16]; 深松可有效打破犁底層的限制, 促進(jìn)作物根系深扎[17], 降低土壤緊實(shí)度和容重[18], 構(gòu)建疏松的土壤耕層, 提高土壤的蓄水和保水能力, 提高作物產(chǎn)量[19]。通過(guò)深耕(松)改善土壤理化性狀、提高土壤蓄水保水保肥能力已成為該領(lǐng)域研究熱點(diǎn)。

土壤深松技術(shù)在華北平原實(shí)施多年, 關(guān)于深松對(duì)土壤理化性狀、作物產(chǎn)量、水分利用效率、作物根系和深松深施肥等方面的影響前人已經(jīng)進(jìn)行了大量研究, 但大部分研究是同一地點(diǎn)進(jìn)行, 對(duì)不同區(qū)域不同土壤類型、氣候條件和灌溉方式下的比較研究較少, 不同區(qū)域土壤最適宜的土壤耕作模式也不明確。本文通過(guò)研究了不同區(qū)域土壤深耕(松)對(duì)作物產(chǎn)量、產(chǎn)量構(gòu)成、土壤容重和作物根系的影響, 提出適合不同區(qū)域的土壤耕作模式。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)描述

試驗(yàn)于2016年10月—2017年9月分別在華北平原的中國(guó)科學(xué)院欒城農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)試驗(yàn)站(以下簡(jiǎn)稱欒城試驗(yàn)區(qū), LC)和中國(guó)科學(xué)院南皮生態(tài)農(nóng)業(yè)試驗(yàn)站(以下簡(jiǎn)稱南皮試驗(yàn)區(qū), NP)進(jìn)行。根據(jù)河北省2015年農(nóng)村統(tǒng)計(jì)年鑒, 南皮縣的冬小麥和夏玉米產(chǎn)量分別為6 049.5 kg?hm-2和5 367.0 kg?hm-2, 欒城縣分別為7 606.8 kg?hm-2和7 876.8 kg?hm-2。南皮縣產(chǎn)量較低的主要原因一是該區(qū)歷史上土壤鹽漬化較嚴(yán)重, 20世紀(jì)90年代以后隨著區(qū)域地下水位下降, 土壤逐漸脫鹽, 但大部分土壤仍為輕度鹽漬化; 二是該區(qū)域農(nóng)田化肥投入一直處于較低水平, 2015年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明, 南皮縣的化肥投入平均為306.6 kg?hm-2, 欒城縣為476.8 kg?hm-2。根據(jù)作物產(chǎn)量水平, 欒城試驗(yàn)區(qū)代表華北平原的高產(chǎn)區(qū), 南皮試驗(yàn)區(qū)代表中低產(chǎn)區(qū)。

欒城試驗(yàn)區(qū)位于37°53￠N、114°41￠E, 海拔50.1 m。屬于暖溫帶半濕潤(rùn)、半干旱季風(fēng)氣候, 雨熱同期, 年平均氣溫12.0 ℃, 年日照時(shí)數(shù)2 608 h, 多年平均降雨量480 mm, 土壤為褐土類灰黃土種, 土壤質(zhì)地以壤土為主, 地下水埋深42 m[20]。南皮試驗(yàn)區(qū)位于38°06′N、116°40′E, 海拔20 m。屬于暖溫帶半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū), 年均氣溫12.3 ℃, 年日照時(shí)數(shù)2 938.6 h, 年均降水量524.5 mm, 土壤類型為潮土, 土壤質(zhì)地以壤土為主[21-22], 淺層地下水位埋深2~10 m, 為微咸水(礦化度≤3 g?L-1)[23]。兩個(gè)試驗(yàn)區(qū)的種植制度均為冬小麥-夏玉米一年兩熟制, 兩季秸稈長(zhǎng)期連續(xù)全量還田。冬小麥秸稈覆蓋還田, 即冬小麥機(jī)械收獲時(shí)同時(shí)將秸稈拋撒地表, 夏玉米免耕播種, 夏玉米生育期粉碎的小麥秸稈一直在地表覆蓋。夏玉米秸稈粉碎還田, 即夏玉米收獲后利用秸稈粉碎機(jī)機(jī)械粉碎后, 土壤旋耕(7~10 cm), 粉碎的玉米秸稈與表層0~10 cm土壤混合。兩個(gè)站點(diǎn)的試驗(yàn)地土壤養(yǎng)分背景值詳見表1。0~20 cm土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、速效氮、速效鉀和速效磷含量欒城試驗(yàn)區(qū)比南皮試驗(yàn)區(qū)分別高43.1%、34.3%、57.1%、3.4%和-27.5%, 南皮試驗(yàn)區(qū)土壤速效磷含量高于欒城試驗(yàn)區(qū), 其他土壤養(yǎng)分含量均低于欒城試驗(yàn)區(qū)。

表1 南皮試驗(yàn)區(qū)和欒城試驗(yàn)區(qū)土壤養(yǎng)分含量(2016年10月)

1.2 試驗(yàn)處理

兩個(gè)試驗(yàn)區(qū)的試驗(yàn)處理相同, 都是在連續(xù)多年秸稈全量還田和土壤旋耕的基礎(chǔ)上進(jìn)行。試驗(yàn)共設(shè)置4個(gè)處理: 1)土壤常規(guī)旋耕(CK), 9月底至10月初夏玉米收獲后, 用玉米秸稈粉碎機(jī)(165型)將玉米秸稈粉碎2遍, 用旋耕犁(1GKNB-420型變速)旋耕2遍, 深度為7~10 cm, 粉碎的玉米秸稈與表層0~10 cm土壤混合, 立即播種冬小麥; 2)土壤深耕(deep tillage, DT), 夏玉米秸稈粉碎后用1L-435深耕犁深耕1遍,深度為20~25 cm, 隨著表層土壤翻轉(zhuǎn), 粉碎的玉米秸稈分布于0~25 cm土壤, 旋耕1遍后播種小麥; 3)土壤深松(subsoiling, SS), 夏玉米秸稈粉碎后用深松犁(1S-200L)深松, 深度為30~35 cm, 2個(gè)深松犁之間的寬度為60 cm, 深松后旋耕1遍播種小麥, 深松處理的玉米秸稈分布于0~10 cm土壤; 4)土壤窄深松(narrow subsoiling, NSS): 作業(yè)方式和機(jī)具與SS處理相同, 由于2個(gè)深松犁之間的寬度為30 cm, 相對(duì)于SS處理較窄。4個(gè)處理的冬小麥采用2BXF-18小麥播種機(jī)播種, 播種后立即擦地。玉米采用2BYFSF玉米播種機(jī)播種。試驗(yàn)小區(qū)面積7 m × 8 m, 4次重復(fù)。

1.3 試驗(yàn)管理

欒城試驗(yàn)區(qū)和南皮試驗(yàn)區(qū)試驗(yàn)的冬小麥品種分別為‘科農(nóng)199’和‘衡5229’, 夏玉米品種分別為‘鄭單958’和‘華農(nóng)866’, 均為當(dāng)?shù)刂髟云贩N。灌溉方式欒城站為噴灌, 南皮站為畦灌, 小麥生育期灌溉均為拔節(jié)期灌溉1水, 灌溉時(shí)用水表計(jì)量, 灌溉量為 750 m3?hm-2。欒城試驗(yàn)區(qū)冬小麥底肥施用磷酸二胺復(fù)合肥和尿素, N為125 kg?hm-2, P2O5為158 kg?hm-2,拔節(jié)期追尿素N 105?hm-2; 玉米一次底施玉米專用肥(28-5-7) 715 kg?hm-2。南皮試驗(yàn)區(qū)冬小麥底肥施用磷酸二胺復(fù)合肥和尿素, N為140 kg?hm-2, P2O5為150 kg?hm-2, 拔節(jié)期追尿素N 140 kg?hm-2; 玉米一次底施玉米專用肥(28-5-7)900 kg?hm-2。

欒城試驗(yàn)區(qū)小麥播種和收獲時(shí)間分別為2016年10月8日和2017年6月8日, 播種量為300 kg?hm-2; 夏玉米播種和收獲時(shí)間分別為2017年6月10日和2017年9月29日, 播種量為45 kg?hm-2。南皮試驗(yàn)區(qū)小麥播種和收獲時(shí)間分別為2016年10月21日和2017年6月10日, 播種量為450 kg?hm-2; 夏玉米的播種和收獲時(shí)間分別為2017年6月15日和2017年10月5日, 播種量為45 kg?hm-2。

1.4 參數(shù)測(cè)定及計(jì)算方法

土壤容重: 分別在試驗(yàn)開始前、冬小麥?zhǔn)斋@期和夏玉米收獲期, 用環(huán)刀法分層測(cè)定0~40 cm土層土壤容重, 每10 cm一層, 每個(gè)處理測(cè)定3次重復(fù)。將不銹鋼環(huán)刀中的原狀土樣轉(zhuǎn)移到鋁盒中, 在 105 ℃下烘 24 h 稱重, 計(jì)算單位體積中烘干土的質(zhì)量。

土壤緊實(shí)度: 在試驗(yàn)開始前和冬小麥播種后, 采用SC-900土壤堅(jiān)實(shí)度儀測(cè)定(SPECTRUM, USA), 測(cè)定總深度為0~45 cm, 每2.5 cm測(cè)定1個(gè)數(shù)據(jù), 每個(gè)處理測(cè)定6次重復(fù)。

小麥根長(zhǎng)密度: 在冬小麥成熟時(shí),用直徑10 cm的根鉆取0~10 cm土壤樣品, 取樣時(shí)根鉆中心置于作物行上和行間交界處, 10 cm為1個(gè)層次, 共10個(gè)深度。每個(gè)處理層4個(gè)重復(fù)。取樣后立即帶回實(shí)驗(yàn)室, 用0.25 mm土壤篩洗凈根系, 去除雜質(zhì), 然后用1.27 cm刻度根盤測(cè)量根長(zhǎng)。用測(cè)定的不同深度根長(zhǎng)值, 計(jì)算根長(zhǎng)密度(RLD)。根長(zhǎng)密度定義為單位土壤體積中的根長(zhǎng), 單位為cm?cm-3。不同取樣地點(diǎn)某一特定深度的根長(zhǎng)密度為4個(gè)取樣重復(fù)的平均值。

土壤含水量: 采用土鉆法取土烘干, 每20 cm為1層, 每個(gè)處理測(cè)定3次重復(fù)。

農(nóng)田耗水(ET)根據(jù)水量平衡公式計(jì)算:

ET=SWD+++--R (1)

式中: ET為作物實(shí)際耗水量(mm), SWD為生育期土壤水分消耗量(mm),為降雨量(mm),為灌溉量(mm),為土壤毛細(xì)管提升水(mm),為水分下滲量(mm),為地表徑流量(mm)。試驗(yàn)期間沒(méi)有發(fā)現(xiàn)地表徑流,忽略不計(jì); 欒城試驗(yàn)區(qū)水位埋深40 m, 南皮試驗(yàn)區(qū)的地下水位埋深雖然較淺, 本文中只計(jì)算了0~1 m的土壤消耗, 土壤毛細(xì)管提升值可以忽略。在本試驗(yàn)中和值設(shè)定為0。因此, 公式(1)可以簡(jiǎn)化為ET=SWD++–。公式中的根區(qū)土壤水分下滲量()根據(jù)文獻(xiàn)[24]計(jì)算。

水分利用效率(WUE, kg?cm-3)計(jì)算公式為:

WUE=/ET (2)

式中:為經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量(kg?hm-2), ET為農(nóng)田耗水量(mm)。

冬小麥和夏玉米產(chǎn)量、生物量、產(chǎn)量構(gòu)成測(cè)定: 冬小麥和夏玉米收獲時(shí)各小區(qū)單獨(dú)收獲, 脫粒曬干后計(jì)算小麥和玉米籽粒產(chǎn)量, 折算成單產(chǎn)。并隨機(jī)在每個(gè)小區(qū)內(nèi)選擇60穗小麥和3株玉米考種, 考種項(xiàng)目包括生物量、穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒重。

1.5 氣象數(shù)據(jù)

欒城試驗(yàn)區(qū)的氣象數(shù)據(jù)來(lái)自本試驗(yàn)站建有的標(biāo)準(zhǔn)氣象站, 氣象站距離試驗(yàn)地50 m。南皮試驗(yàn)區(qū)的氣象數(shù)據(jù)來(lái)自距離該試驗(yàn)站最近的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)氣象站——泊頭氣象站(38°08￠N, 116°55￠E, 海拔13.2 m)。

1.6 數(shù)據(jù)處理

各處理取多次重復(fù)測(cè)定的數(shù)據(jù)計(jì)算平均值, 并計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)偏差; 方差和相關(guān)性分析用SPSS 11.0進(jìn)行, 用SPSS軟件分析不同處理間顯著性。用Excel軟件做圖, 處理之間的顯著性分析均在<0.05水平。

2 結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)期間氣象條件

南皮和欒城試驗(yàn)區(qū)氣象條件存在較大差異。表2為試驗(yàn)期間冬小麥和夏玉米生育期主要?dú)庀笠蛩乇容^。可以看出, 兩試驗(yàn)區(qū)冬小麥生育期≥10 ℃積溫、日均溫和降雨量基本相同; 日照時(shí)數(shù)相差較大, 南皮試驗(yàn)區(qū)生育期總?cè)照諘r(shí)數(shù)比欒城試驗(yàn)區(qū)高20.0%。夏玉米生育期≥10 ℃積溫基本相同, 南皮試驗(yàn)區(qū)比欒城試驗(yàn)區(qū)降雨量高116.2%, 日均溫高20.2%, 日照時(shí)數(shù)高8.3%。冬小麥和夏玉米生育期每月日照時(shí)數(shù)和每天的溫度日較差見圖1, 南皮試驗(yàn)區(qū)的月日照時(shí)數(shù)和溫度日較差均高于欒城試驗(yàn)區(qū)。

表2 南皮試驗(yàn)區(qū)和欒城試驗(yàn)區(qū)冬小麥和夏玉米生育期氣象因素

圖1 南皮試驗(yàn)區(qū)(南皮)和欒城試驗(yàn)區(qū)(欒城)逐月日照時(shí)數(shù)和溫度日較差(2016年10月至2017年9月)

2.2 耕作方式對(duì)土壤緊實(shí)度和容重的影響

土壤緊實(shí)度和土壤容重是土壤耕性的重要指標(biāo), 緊實(shí)度和容重大的土壤影響水分入滲、根系下扎和肥料利用效率。2016年11月小麥播種后進(jìn)行了土壤緊實(shí)度的測(cè)定, 結(jié)果表明, 土壤深耕(松)可以降低土壤耕層的緊實(shí)度(圖2)。在南皮試驗(yàn)區(qū), 與土壤耕作前相比, 不同土壤耕作均降低0~20 cm土壤緊實(shí)度, 深耕、深松、窄深松和旋耕分別降低69.7%、72.7%、72.5%和68.2%, 處理間差異不顯著。20~45 cm分別降低6.7%、14.0%、28.7%和-7.0%, 土壤旋耕處理的緊實(shí)度大于耕作前, 窄深松處理與其他3個(gè)處理間差異顯著(<0.05), 其他3個(gè)處理間差異不顯著。0~20 cm土壤緊實(shí)度降低程度大于20~45 cm。在欒城試驗(yàn)區(qū), 與土壤耕作前相比, 不同土壤耕作均降低0~20 cm和20~45 cm的土壤緊實(shí)度。0~20 cm深耕、深松、窄深松和旋耕分別降低52.0%、53.3%、161.0%和-7.7%, 土壤旋耕緊實(shí)度大于土壤耕作前, 窄深松的緊實(shí)度下降最明顯。20~45 cm深耕、深松、窄深松和旋耕分別降低31.0%、35.1%、65.0%和41.7%, 土壤緊實(shí)度降低程度大于南皮試驗(yàn)區(qū)。兩個(gè)區(qū)域土壤緊實(shí)度比較, 南皮的土壤緊實(shí)度最大值位于2 000~2 500 kPa, 欒城的土壤緊實(shí)度最大值位于2 500~3 000 kPa, 欒城的土壤緊實(shí)度最大值大于南皮。

土壤深耕(松)可以降低土壤耕層的容重(圖3)。南皮試驗(yàn)區(qū)冬小麥播種前(2016年10月)進(jìn)行土壤深耕、深松、窄深松和旋耕后, 冬小麥?zhǔn)斋@時(shí)(2017年6月)的土壤容重與播種前比較, 0~40 cm土壤容重均出現(xiàn)了顯著降低(<0.05); 夏玉米收獲時(shí)(2017年10月)土壤容重與播種前相差不大。土壤深耕和深松處理在夏玉米收獲時(shí), 20 cm土層土壤容重仍低于播種前, 而窄深松和旋耕處理則與播種前的土壤容重基本相同。欒城試驗(yàn)區(qū)的土壤容重變化與南皮站基本一致, 小麥?zhǔn)斋@時(shí)與播種前相比土壤容重都出現(xiàn)了降低, 但降低不顯著(<0.05)。夏玉米收獲時(shí)土壤容重與播種前的容重相差不大, 20 cm處土壤深耕(松)處理的土壤容重低于播種前處理。

2.3 耕作方式對(duì)冬小麥根系的影響

根長(zhǎng)密度是反映作物根系生長(zhǎng)發(fā)育狀況的指標(biāo)之一, 不同耕作方式下冬小麥?zhǔn)斋@時(shí)的根長(zhǎng)密度詳見圖4?？梢钥闯? 兩個(gè)試驗(yàn)區(qū)冬小麥根長(zhǎng)密度分布趨勢(shì)一致, 均表現(xiàn)為表層大于下層。0~100 cm平均根長(zhǎng)密度南皮試驗(yàn)區(qū)為1.26 cm?cm-3, 欒城試驗(yàn)區(qū)為1.42 cm?cm-3, 欒城試驗(yàn)區(qū)比南皮高12.7%。分層來(lái)看0~20 cm土層平均根長(zhǎng)密度兩試驗(yàn)區(qū)基本相同, 但20~40 cm和40~100 cm平均根長(zhǎng)密度欒城比南皮分別高20.0%和21.4%。從耕作方式對(duì)冬小麥根長(zhǎng)密度的影響來(lái)看, 欒城試驗(yàn)區(qū)和南皮試驗(yàn)區(qū)耕作方式對(duì)冬小麥根長(zhǎng)密度的影響均不顯著。

圖2 不同耕作措施對(duì)南皮試驗(yàn)區(qū)(a)和欒城試驗(yàn)區(qū)(b)小麥苗期土壤緊實(shí)度的影響(2016年11月)

CK: rotary tillage; DT: deep tillage; SS: subsoiling; NSS: narrow subsoiling.

圖3 不同耕作措施對(duì)南皮試驗(yàn)區(qū)和欒城試驗(yàn)區(qū)冬小麥和夏玉米收獲時(shí)土壤容重的影響

DT: deep tillage; SS: subsoiling; NSS: narrow subsoiling; CK: rotary tillage.

2.4 耕作方式對(duì)土壤水分和作物水分利用效率的影響

土壤水分是供給作物用水的重要來(lái)源。不同耕作方式對(duì)土壤水分的影響具有相同的趨勢(shì), 圖5為代表性的深耕和旋耕處理對(duì)土壤水分的影響?？梢钥闯? 無(wú)論是旋耕還是深耕處理, 小麥從播種到收獲, 南皮試驗(yàn)區(qū)0~2 m土壤水分高于欒城試驗(yàn)區(qū)。小麥?zhǔn)斋@時(shí), 欒城0~2 m土壤含水量從上至下為10%左右, 整體處于較低狀態(tài); 南皮試驗(yàn)區(qū)0~1 m土層含水量很低, 表層基本達(dá)到凋萎濕度, 但1~2 m土壤含水量較高。至夏玉米收獲時(shí), 隨著夏玉米生育期灌溉和降雨的補(bǔ)充, 土壤含水量整體比冬小麥?zhǔn)斋@時(shí)提高, 南皮試驗(yàn)區(qū)由于降雨遠(yuǎn)高于欒城試驗(yàn)區(qū), 其1~2 m土層的土壤含水量較高。

圖4 耕作方式對(duì)欒城試驗(yàn)區(qū)和南皮試驗(yàn)區(qū)冬小麥?zhǔn)斋@期根長(zhǎng)密度的影響

CK: rotary tillage; DT: deep tillage; SS: subsoiling; NSS: narrow subsoiling.

圖5 旋耕和深耕處理下南皮試驗(yàn)區(qū)和欒城試驗(yàn)區(qū)不同時(shí)間土壤含水量的變化

在南皮試驗(yàn)區(qū), 深耕(松)處理顯著增加了冬小麥和夏玉米的水分利用效率(表3)。與CK相比, 深耕、深松和窄深松處理使冬小麥的水分利用效率分別提高27.8%、23.8%和25.8%, 夏玉米的水分利用效率分別提高14.1%、11.6%和18.7%, 周年水分利用效率分別提高20.1%、17.2%和22.4%, 與CK處理均達(dá)到顯著水平(<0.05)。在欒城試驗(yàn)區(qū), 深耕(松)處理對(duì)冬小麥和夏玉米水分利用效率的影響不顯著。

表3 不同耕作方式對(duì)南皮試驗(yàn)區(qū)和欒城試驗(yàn)區(qū)冬小麥和夏玉米水分利用效率的影響

同列不同小寫字母表示不同處理間在<0.05水平差異顯著。Different lowercase letters in the same column mean significant differences among treatments at 0.05 level.

2.5 耕作方式對(duì)冬小麥和夏玉米產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響

對(duì)長(zhǎng)期秸稈還田和土壤旋耕的農(nóng)田, 冬小麥播種前進(jìn)行土壤深耕和深松處理, 兩個(gè)試驗(yàn)區(qū)域?qū)Χ←満拖挠衩桩a(chǎn)量的影響不同(表4)。

南皮試驗(yàn)區(qū)不同耕作方式對(duì)冬小麥和夏玉米均具有增產(chǎn)效應(yīng), 夏玉米的增產(chǎn)效應(yīng)稍高于冬小麥。深耕、深松和窄深松處理冬小麥產(chǎn)量分別比CK顯著增加16.5%、19.3%和13.1%(<0.05), 但深耕、深松和窄深松處理間差異不顯著。土壤耕作方式對(duì)夏玉米產(chǎn)量也具有顯著(<0.05)增產(chǎn)作用, 深耕、深松和窄深松處理分別比CK增產(chǎn)17.3%、16.2%和21.9%。深松和深耕均提高了夏玉米的穗數(shù), 深耕、深松和窄深松處理穗數(shù)分別比CK提高8.0%、6.2%和21.8%, 窄深松處理與CK差異顯著。與CK相比不同耕作處理夏玉米千粒重差異不顯著。

欒城試驗(yàn)區(qū)不同土壤耕作方式對(duì)冬小麥和夏玉米的增產(chǎn)效應(yīng)不顯著。窄深松處理的冬小麥產(chǎn)量最高, 比CK增產(chǎn)7.6%, 深耕、深松和CK之間產(chǎn)量差異不顯著, 與窄深松產(chǎn)量差異顯著(<0.05)。土壤深耕松對(duì)玉米產(chǎn)量的增產(chǎn)效果不顯著。深耕、深松和窄深松與CK處理的夏玉米產(chǎn)量差異不顯著。深耕和窄深松均提高了夏玉米的穗數(shù)(<0.05), 分別比CK提高17.9%和14.5%, 深松處理的穗數(shù)高于CK, 差異不顯著。

南皮試驗(yàn)區(qū)土壤深耕、深松和窄深松的周年產(chǎn)量分別比CK顯著(<0.05)提高16.9%、17.6%和17.8%; 欒城試驗(yàn)區(qū)增產(chǎn)不顯著。

表4 不同耕作處理對(duì)冬小麥和夏玉米產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成的影響

CK: 常規(guī)旋耕; DT: 深耕; SS: 深松; NSS: 窄深松。同列同一試驗(yàn)區(qū)不同小寫字母表示<0.05水平差異顯著。CK: rotary tillage; DT: deep tillage; SS: subsoiling; NSS: narrow subsoiling. Different lowercase letters in the same column for the same experiment site mean significant differences among treatments at 0.05 level.

3 結(jié)論與討論

3.1 討論

研究結(jié)果表明, 針對(duì)華北平原冬小麥-夏玉米一年兩熟制長(zhǎng)期單一旋耕和免耕的農(nóng)田, 在冬小麥播種前進(jìn)行深耕(松)處理不僅提高了當(dāng)季冬小麥的產(chǎn)量, 對(duì)下茬夏玉米也具有增產(chǎn)作用, 這與其他同類型地區(qū)的研究結(jié)果一致[9,25]。但是耕作方式有區(qū)域適應(yīng)性, 土壤耕作對(duì)產(chǎn)量的效應(yīng)受土壤、氣候等環(huán)境因子等影響, 在不同區(qū)域的增產(chǎn)效應(yīng)不同[26]。李永平等[27]研究發(fā)現(xiàn), 深耕和深松處理比常規(guī)旋耕分別提高玉米產(chǎn)量20.4%和3.7%; 梁金鳳等[28]研究不同耕作方式對(duì)土壤理化性狀及玉米根系生長(zhǎng)和產(chǎn)量的影響, 發(fā)現(xiàn)耕作方式對(duì)玉米的產(chǎn)量無(wú)顯著影響。本研究2個(gè)試驗(yàn)區(qū)的不同耕作方式對(duì)產(chǎn)量的影響也不相同。南皮試驗(yàn)區(qū), 深耕(松)對(duì)冬小麥和夏玉米的增產(chǎn)效應(yīng)均達(dá)顯著水平(<0.05), 欒城試驗(yàn)區(qū)深耕(松)處理的冬小麥和夏玉米產(chǎn)量與常規(guī)旋耕(CK)的差異不顯著, 增產(chǎn)效應(yīng)不顯著。南皮試區(qū)和欒城試區(qū)的差異表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:

1)耕作方式對(duì)土壤容重和作物根系的影響。與欒城試驗(yàn)區(qū)相比, 南皮試驗(yàn)區(qū)的土壤肥力較低。0~20 cm和20~40 cm土壤有機(jī)質(zhì)比欒城試驗(yàn)區(qū)分別低47.2%和44.8%, 全氮低34.1%和58.3%, 速效氮低63.6%和70.9%, 速效鉀低5.1%和25.3%; 僅速效磷含量南皮試驗(yàn)區(qū)高于欒城試驗(yàn)區(qū), 0~20 cm和20~40 cm土層分別高34.7%和34.4%。在土壤肥力較低的情況下, 土壤深松和深耕顯著降低了土壤緊實(shí)度和土壤容重, 促進(jìn)了作物根系的生長(zhǎng)和作物產(chǎn)量, 深耕、深松和窄深松的作物產(chǎn)量異不顯著, 但與常規(guī)旋耕之間差異顯著。欒城試驗(yàn)區(qū)由于長(zhǎng)期采用噴灌灌溉, 1~2 m土壤含水量難以得到補(bǔ)充, 深層土壤含水量較低, 雖然促進(jìn)了冬小麥下層根系的生長(zhǎng), 但是生育后期土壤水分供應(yīng)不足, 影響根系吸水和產(chǎn)量提升。

2)土壤水分條件和水分利用效率。冬小麥生育期降雨量不能滿足其生長(zhǎng)發(fā)育的需求, 并且隨著水資源日益短缺, 華北平原區(qū)的欒城和南皮試驗(yàn)區(qū)冬小麥生產(chǎn)均采取了調(diào)虧灌溉, 因此, 生育期的土壤水分供應(yīng)能力對(duì)冬小麥穩(wěn)產(chǎn)和高產(chǎn)起決定作用。南皮試驗(yàn)區(qū)冬小麥生育期土壤水分含量高于欒城試驗(yàn)區(qū), 尤其是冬小麥生育后期, 深層土壤水分高低對(duì)冬小麥的灌漿具有重要作用。南皮試驗(yàn)區(qū)冬小麥生育期深耕、深松、窄深松和旋耕(CK)的土壤耗水分別為169.1 mm、177.3 mm、150.4 mm和194.7 mm, CK的土壤耗水量最高, 但處理間差異不顯著。在深(松)耕處理增產(chǎn)的前提下, 水分利用效率也相應(yīng)提高, 與CK間達(dá)到顯著水平。欒城試驗(yàn)區(qū)處理間的土壤耗水和產(chǎn)量均沒(méi)有差異, 最終水分利用效率差異也不顯著。

從不同土壤耕作方式的作業(yè)過(guò)程和動(dòng)力消耗來(lái)看, 深耕、深松的作業(yè)程序和動(dòng)力消耗基本相同, 深耕或者深松后進(jìn)行旋耕播種, 窄深松則相當(dāng)于深松2次進(jìn)行旋耕后播種, 動(dòng)力消耗較高, 深耕、深松和窄深松對(duì)土壤特性和作物產(chǎn)量的影響之間差異不顯著。因此, 生產(chǎn)上不推薦使用窄深松。

3.2 結(jié)論

本研究結(jié)果表明, 針對(duì)華北平原冬小麥-夏玉米一年兩熟種植中長(zhǎng)期采用單一土壤旋耕和免耕農(nóng)田, 實(shí)施土壤深耕、深松和窄深松處理對(duì)作物產(chǎn)量的影響不同。在代表華北平原高產(chǎn)區(qū)土壤深耕(松)對(duì)冬小麥、夏玉米和全年產(chǎn)量的增產(chǎn)效應(yīng)不顯著, 可以繼續(xù)實(shí)施土壤旋耕作業(yè)。但中低產(chǎn)區(qū)域土壤深耕(松)多少年后對(duì)降低作物產(chǎn)量和高產(chǎn)區(qū)需要不需要進(jìn)行土壤深耕(松)需要做進(jìn)一步研究。

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Soil tillage practices affecting the soil characteristics and yield of winter wheat and summer maize in North China*

GUAN Jiexi1,2, CHEN Suying1**, SHAO Liwei1, ZHANG Yuming1, ZHANG Xiying1, LU Yang1,2, YAN Zongzheng1,2

(1. Center for Agricultural Resources Research, Institute of Genetics and Developmental Biology, Chinese Academy of Sciences / Key Laboratory of Agricultural Water Resources, Chinese Academy of Sciences / Hebei Key Laboratory of Agricultural Water-saving, Shijiazhuang 050022, China; 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

The North China Plain (NCP) is one of the most intensively farmed agricultural regions in China, with approximately 70% of the total cultivated land being used for an annual double-cropping system of winter wheat and summer maize. Owing to the long-term rotary and no tillage practices accompanying with the whole straw of winter wheat and summer maize return to field for several years, soil physical characteristics are gradually changing in terms of the increased soil pan depth, bulk density and content of soil nutrients in the surface soil layer. Improving soil quality by changing the tillage practices might help to maintain crop productivity in this region. An experiment was conducted for the winter wheat-summer maize rotation system in Luancheng County, which represented a high yield region, and in Nanpi County, which represented a medium and low yield region, in the NCP. Four treatments — soil deep tillage (DT), subsoiling (SS), narrow subsoiling (NSS), and rotary tillage (control, CK) — before winter wheat sowing and no tillage before summer maize sowing to all treatments were simultaneously conducted at the two areas. Soil bulk density, crop root growth, soil water use, yield and water use efficiency (WUE) were monitored throughout. Results showed that the effects of different tillage practices on soil and crop were different in the two regions. At Nanpi, deep tillage and subsoiling significantly increased crop yield. Compared with traditional rotary tillage, winter wheat yield was improved by 16.5% under DT, 19.3% under SS, and 13.1% under NSS. Yield of summer maize was increased by 17.3%, 16.2%, and 21.9%, respectively, with annual yield increases of 16.9%, 17.6% and 17.8%, respectively. Yield differences were not observed among the DT, SS, and NSS treatments. However, no significant difference in crop yield among the four treatments was found at Luancheng. Furthermore, four tillage practices reduced soil penetration resistance and bulk density for the 0-20-cm soil layer in both Luancheng and Nanpi. At Nanpi, after sowing winter wheat, the soil penetration resistance of the 0-20-cm soil layer under DT, SS, NSS and CK decreased by 69.7%, 72.7%, 72.5% and 68.2%, respectively. At Luancheng, soil penetration resistance of the 0-20-cm soil layer was reduced by 88.8% averagely under treatments of deep tillage and subsoiling, and slightly increased by 7.7% under CK. Soil bulk density of the 0-40-cm soil layer under the four tillage treatments were all lower at wheat harvest compared with that before tillage. Until the summer maize harvest, soil bulk density under different tillage treatments was essentially similar to that before tillage, and there was no significant difference among the four tillage treatments. At Nanpi, WUE of winter wheat and summer maize was significantly increased under DT, SS, and NSS compared with that under CK. At Luancheng, the WUE of winter wheat and summer maize was similar among the four treatments. These results indicated that different tillage practices in the low yield regions benefited crop production and water productivity. However, in the high yield regions, the three tillage practices did not enhance crop performance compared with traditional tillage practice. Therefore, it is suggested that the model of soil rotary tillage can be continuously implemented in the high yield regions of the NCP, whereas DT can be beneficially implemented in the medium and low yield regions.

Winter wheat-summer maize rotation system; High-yield area; Medium and low-yield area; Tillage pattern; Soil bulk density; Yield composition; Water use efficiency

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* 國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃專項(xiàng)(2016YFD0300808, 2016YFC0401403)和國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31371578)資助

陳素英, 主要從事農(nóng)田節(jié)水和保護(hù)性耕作技術(shù)研究。E-mail: csy@sjziam.ac.cn

關(guān)劼兮, 主要從事農(nóng)田節(jié)水機(jī)理與技術(shù)研究。E-mail: gjx391214674@qq.com

2019-04-02

2019-06-04

* This study was supported by the National Key R&D Program of China (2016YFD0300808, 2016YFC0401403) and the National Natural Science Foundation of China (31371578).

, E-mail: csy@sjziam.ac.cn

Jun. 4, 2019

Apr. 2, 2019;

S342

2096-6237(2019)11-1663-10

10.13930/j.cnki.cjea.190246