耕層構(gòu)造對(duì)土壤三相比和春玉米根系形態(tài)的影響

白 偉 孫占祥,* 張立禎 鄭家明 馮良山 蔡 倩 向午燕 馮 晨 張 哲

耕層構(gòu)造對(duì)土壤三相比和春玉米根系形態(tài)的影響

白 偉1孫占祥1,*張立禎2,*鄭家明1馮良山1蔡 倩1向午燕1馮 晨1張 哲1

1遼寧省農(nóng)業(yè)科學(xué)院耕作栽培研究所, 遼寧沈陽(yáng) 110161;2中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院, 北京 100193

建立適宜耕層構(gòu)造是解決旱作農(nóng)田耕層“淺”、“實(shí)”、“少”問(wèn)題的重要技術(shù)措施之一, 對(duì)北方旱作農(nóng)田具有重要意義。在國(guó)家農(nóng)業(yè)環(huán)境阜新科學(xué)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)站利用長(zhǎng)期定位試驗(yàn), 設(shè)置虛實(shí)并存耕層(furrow loose and ridge compaction plough layer, FLRC)、全虛耕層(all loose plough layer, AL)、全實(shí)耕層(all compaction plough layer, AC)、上虛下實(shí)耕層(up loose and down compaction plough layer, ULDC, CK) 4種處理, 研究耕層構(gòu)造對(duì)土壤三相比和春玉米根系形態(tài)的影響。耕層構(gòu)造定位試驗(yàn)始于2009年, 本文利用2015年和2016年數(shù)據(jù)分析果表明, 虛實(shí)并存耕層能夠優(yōu)化土壤三相比(< 0.05), 春玉米播種前0~10 cm土壤三相比以全實(shí)耕層構(gòu)造為宜, 10~30 cm以虛實(shí)并存和全虛耕層構(gòu)造為宜; 春玉米收獲后20~30 cm土壤三相比的虛實(shí)并存和全虛耕層構(gòu)造優(yōu)于上虛下實(shí)耕層和全實(shí)耕層構(gòu)造。虛實(shí)并存耕層構(gòu)造能夠增加春玉米吐絲期根重密度、根長(zhǎng)密度、根表面積密度和根體積密度(< 0.05); 其中春玉米根重密度增幅7.47%~97.09%, 根長(zhǎng)密度增幅6.62%~112.04%, 根表面積密度增幅9.80%~125.07%, 根體積密度增幅40.11%~151.97%。虛實(shí)并存耕層可以顯著增加春玉米籽粒產(chǎn)量(< 0.05), 增幅18.19%~34.86%, 主要原因是行粒數(shù)的顯著提高和禿尖的降低; 還增加群體生物產(chǎn)量(< 0.05), 增幅5.18%~11.30%; 和提高收獲指數(shù)(< 0.05)。綜合分析認(rèn)為, 虛實(shí)并存耕層是改善土壤三相結(jié)構(gòu)和優(yōu)化春玉米根系形態(tài)的最優(yōu)耕層結(jié)構(gòu), 在遼西旱作農(nóng)田合理耕層構(gòu)建中具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

耕作; 耕層構(gòu)造; 土壤三相比; 春玉米; 根系形態(tài)

東北地區(qū)是我國(guó)最典型的春玉米一年一熟種植區(qū), 春玉米播種面積占全國(guó)玉米總播種面積30%以上, 產(chǎn)量占全國(guó)玉米總產(chǎn)量29%以上[1]。遼寧省是我國(guó)13個(gè)糧食主產(chǎn)區(qū)之一, 春玉米種植面積每年穩(wěn)定在200萬(wàn)公頃以上, 其中遼西北地區(qū)占2/3以上, 產(chǎn)量占遼寧省75%以上[2], 該區(qū)長(zhǎng)期采用連年淺旋耕的耕作措施, 造成了玉米田耕層變淺、土壤緊實(shí)、耕層有效土壤量減少等問(wèn)題, 導(dǎo)致土壤理化性狀日益惡化, 根系生長(zhǎng)受阻, 玉米產(chǎn)量低而不穩(wěn)[3]。改善耕層構(gòu)造是解決北方旱地耕層障礙問(wèn)題的有效途徑之一[4-8], 合理的耕層構(gòu)造能夠打破犁底層, 增加耕層厚度、降低土壤容重、調(diào)節(jié)土壤三相比[9-11], 促進(jìn)作物根系生長(zhǎng)[12-13], 提高作物產(chǎn)量和水分利用效率[14-16]。因此, 東北春玉米區(qū)采用合理的耕層構(gòu)造, 改善土壤環(huán)境, 促進(jìn)根系生長(zhǎng)對(duì)提高春玉米產(chǎn)量和水分利用效率具有重要意義。

耕層構(gòu)造將直接影響土壤環(huán)境, 根系又是作物重要吸收和代謝器官, 耕層環(huán)境改變必將影響作物根系形態(tài)指標(biāo)變化, 同時(shí)制約地上部生長(zhǎng)[17-19]。已有研究表明, 不同耕層構(gòu)造在優(yōu)化耕層環(huán)境的同時(shí)[20-22], 可以影響作物根深、根長(zhǎng)、根干重等根系形態(tài)指標(biāo)[23-24]。適宜耕層構(gòu)造可以明顯促進(jìn)作物根系生長(zhǎng)和提高作物產(chǎn)量, 這可能與早期土壤水分無(wú)關(guān), 但與作物根系形態(tài)指標(biāo)有關(guān), 因?yàn)槊⒏悼梢栽黾訉?duì)土壤水分和養(yǎng)分的吸收利用, 對(duì)后期根系生長(zhǎng)有著積極作用, 為作物增產(chǎn)創(chuàng)造良好條件[25-26]。耕層土壤環(huán)境與作物根系是相互聯(lián)系、相互促進(jìn)的統(tǒng)一整體, 根系在耕層結(jié)構(gòu)改變后首先會(huì)產(chǎn)生形態(tài)上適應(yīng)性變化[24], 然而關(guān)于遼西褐土區(qū)耕層構(gòu)造對(duì)土壤三相比和根系形態(tài)的影響研究還不夠深入。本研究利用國(guó)家農(nóng)業(yè)環(huán)境阜新科學(xué)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)站耕層構(gòu)造長(zhǎng)期定位試驗(yàn), 探討耕層構(gòu)造對(duì)土壤三相比和春玉米根系形態(tài)的影響, 以期為東北春玉米區(qū)建立合理耕層結(jié)構(gòu)提供理論和技術(shù)參考。

1 材料與方法

1.1 區(qū)域概況

遼寧半干旱區(qū)位于遼寧省西北部, 屬溫帶季風(fēng)大陸性氣候區(qū), 日照充足, 四季分明, 雨熱同期。全區(qū)土地面積約3×104km2, 耕地面積約6.9×105hm2, 年平均氣溫7~8℃, 5月至9月份日照時(shí)數(shù)1200~1300 h, 10℃以上積溫2900~3400℃, 無(wú)霜期135~165 d, 年降水量300~500 mm, 且降水變率較大, 旱災(zāi)頻繁, “十年九旱”是其基本氣候特征。當(dāng)?shù)馗髦贫戎饕砸患敬河衩走B作為主, 土壤耕作多采用連年淺旋耕, 深度12~15 cm, 為上虛下實(shí)型耕層構(gòu)造。

1.2 試驗(yàn)地點(diǎn)

試驗(yàn)在國(guó)家農(nóng)業(yè)環(huán)境阜新科學(xué)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)站(遼西旱作農(nóng)業(yè)典型類(lèi)型區(qū), 位于遼寧省阜新市阜新蒙古族自治縣阜新鎮(zhèn)沙扎蘭村, 42°06′N(xiāo)、121°75′E)進(jìn)行。耕層構(gòu)造試驗(yàn)為實(shí)驗(yàn)站長(zhǎng)期定位試驗(yàn), 開(kāi)始于2009年, 本研究選取了2015年和2016年數(shù)據(jù)。試驗(yàn)地土壤為褐土, 耕作層含有機(jī)質(zhì)1.746 g kg–1、全氮0.377 g kg–1、全磷0.172 g kg–1、全鉀2.413 g kg–1、速效氮194.85mg kg–1、速效磷50.38 mg kg–1、速效鉀113.78mg kg–1, pH 6.21, 田間持水量26.90%, 容重1.37 g cm–3, 地勢(shì)平坦, 無(wú)灌溉條件。2015年生育期內(nèi)降雨量為276.80 mm (干旱年份), 平均溫度為19.83℃; 2016年生育期內(nèi)降雨量為520.80 mm (豐水年份), 平均溫度為20.02℃ (圖1)。

圖1 試驗(yàn)地點(diǎn)2015–2016年生育期內(nèi)降雨量和平均溫度

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì), 設(shè)置4種耕層構(gòu)造, 分別為上虛下實(shí)耕層構(gòu)造、全虛耕層構(gòu)造、虛實(shí)并存耕層構(gòu)造、全實(shí)耕層構(gòu)造, 3次重復(fù)。上虛下實(shí)耕層(up loose and down compaction plough layer, ULDC), 以每年春季傳統(tǒng)旋耕機(jī)作業(yè), 深度12~15 cm, 為當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)種耕作模式, 連續(xù)旋耕7年, 作為本研究對(duì)照(controlled trial, CK); 全虛耕層(all loose plough layer, AL), 從2009年開(kāi)始每隔1年采用“V”型深松機(jī)作業(yè), 深度30~35 cm, 再用傳統(tǒng)旋耕機(jī)旋耕, 已間隔深松4次; 虛實(shí)并存耕層(furrow loose and ridge compaction plough layer, FLRC), 以每年鑿式深松機(jī)作業(yè), 深度25~30 cm, 寬幅50 cm, 再用傳統(tǒng)旋耕機(jī)旋耕, 連續(xù)隔行深松7年; 全實(shí)耕層(all compaction plough layer, AC), 采用每年免耕播種機(jī)直接播種, 連續(xù)免耕7年。每個(gè)小區(qū)面積20 m × 6 m (12壟), 試驗(yàn)區(qū)總面積1440 m2。2015年5月3日播種、9月30日收獲; 2016年5月5日播種, 9月29日收獲。品種為鄭單958, 種植密度為60,000株 hm–2, 種植的行距為50 cm, 株距為33 cm。播種時(shí)施入含N 18%, P2O546%的磷酸二銨150 kg hm–2和含N、P2O5、K2O各15%的三元復(fù)合肥150 kg hm–2作為種肥, 拔節(jié)期追施含N 46%的尿素450 kg hm–2。

1.4 測(cè)定指標(biāo)及方法

1.4.1 產(chǎn)量及其構(gòu)成因素、生物產(chǎn)量和收獲指數(shù)

玉米收獲后, 從每個(gè)處理隨機(jī)取3個(gè)具有代表性的10 m2樣區(qū)測(cè)產(chǎn), 用水分儀測(cè)定水分, 按14%含水量折合成公頃產(chǎn)量。從每個(gè)樣區(qū)取15株, 按常規(guī)方法測(cè)定穗行數(shù)、行粒數(shù)、禿尖、百粒重等產(chǎn)量構(gòu)成因素。從對(duì)應(yīng)的10 m2樣區(qū)隨機(jī)取連續(xù)植株5株, 稱重后在烘箱105℃殺青60 min, 85℃烘至恒重稱干重, 計(jì)算植株含水率, 然后根據(jù)鮮重和5株含水率平均值折合成公頃生物產(chǎn)量。收獲指數(shù)HI = GY/BY。式中GY為作物籽粒產(chǎn)量, kg hm–2; BY為作物生物產(chǎn)量, 單位kg hm–2。

1.4.2 春玉米根系 春玉米吐絲期(2015年8月20日、2016年8月21日)采用直徑為10 cm、高為10 cm, 體積為785 cm3的柴油動(dòng)力根鉆取樣, 取樣位置為縱向2株玉米中間, 取樣深度100 cm, 每10 cm為一個(gè)層次, 3次重復(fù)。將根鉆中所有根系取出放于自封袋中, 沖洗干凈后用WinRHIZO Program (Canada)植物根系分析系統(tǒng)分析根長(zhǎng)密度、根表面積密度和根體積密度, 最后將每一樣品裝入紙袋風(fēng)干, 測(cè)定根干重(精確到0.001 g)。

1.4.3 土壤理化性狀 播種前按常規(guī)方法[27]測(cè)定土壤基本理化性質(zhì)。分別于玉米播種前(2015年5月3日, 2016年5月5日)和收獲后(2015年9月30日和2016年9月29日)采用環(huán)刀法測(cè)定不同土層(0~10 cm、10~20 cm、20~30 cm)的土壤容重, 每個(gè)小區(qū)測(cè)3次重復(fù), 每個(gè)處理共9次重復(fù)。采用烘干法在玉米播種期和收獲期測(cè)定0~100 cm土壤含水率, 每10 cm一個(gè)層次, 3次重復(fù)。土壤三相比=土壤固體容積∶土壤液體容積∶土壤氣體容積= (100%?土壤總孔隙度)∶(土壤質(zhì)量含水量×容重)∶[土壤總孔隙度–(土壤質(zhì)量含水量×容重)], 土壤總孔隙度= (1?容重/比重)×100, 其中土壤比重取值為2.65[28]。

STPSD = [(g–50)2+(g–50)(g–25)+(y–25)2]0.5

GSSI = [(g–25)yq]0.4769

式中, STPSD (Soil Three-Phase Structure Distance)代表土壤三相結(jié)構(gòu)距離, 土壤三相結(jié)構(gòu)越接近理想狀態(tài)STPSD越接近0; GSSI (Generalized Soil Structure Index)代表廣義土壤結(jié)構(gòu)指數(shù), 土壤結(jié)構(gòu)越接近理想狀態(tài)GSSI越接近100。g為固相體積百分比(>25%),y為液相體積百分比(>0),q為氣相體積百分比(>0)。

1.5 數(shù)據(jù)處理與分析方法

用Microsoft Excel整理分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)并作圖, 用SPSS 21.0軟件統(tǒng)計(jì)分析, 采用Duncan’s法多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 耕層構(gòu)造對(duì)春玉米產(chǎn)量和構(gòu)成因素的影響

耕層構(gòu)造對(duì)春玉米產(chǎn)量影響顯著(表1)。2015年FLRC和AC分別比CK增加34.86%、33.64%, 差異顯著(<0.05), FLRC和AC差異不顯著(>0.05), AL與其他3個(gè)處理差異也不顯著(>0.05)。2016年表現(xiàn)略有不同, FLRC和AL分別比CK增加29.81%、18.19%。年際間差異顯著(<0.05)。說(shuō)明在不同降雨年型下耕層構(gòu)造對(duì)春玉米產(chǎn)量有顯著影響, 在干旱年份(2015年)虛實(shí)并存耕層構(gòu)造和全實(shí)耕層構(gòu)造能夠增加春玉米產(chǎn)量, 在豐水年份(2016年)虛實(shí)并存耕層和全實(shí)耕層構(gòu)造能夠增加春玉米產(chǎn)量, 產(chǎn)量增幅18.19%~34.86%。

產(chǎn)量構(gòu)成因素方面, 2015年成穗數(shù)和百粒重差異不顯著(>0.05), 穗行數(shù)AC比CK增加13.23%, 差異顯著(<0.05), FLRC與CK差異不顯著(>0.05); 行粒數(shù)AC、FLRC、AL分別比CK增加33.05%、26.30%、18.98%, 差異顯著(<0.05), 禿尖長(zhǎng)AC比FLRC、CK高150.00%、88.68%, 差異顯著(<0.05), AL與其他3個(gè)處理差異不顯著(>0.05); 2016年成穗數(shù)、穗行數(shù)、禿尖長(zhǎng)和百粒重差異不顯著, 行粒數(shù)AL比CK增加13.17%, 差異顯著(<0.05), 相關(guān)分析表明, 產(chǎn)量與行粒數(shù)呈極顯著正相關(guān)(= 0.954**), 與禿尖長(zhǎng)呈負(fù)相關(guān)(= ?0.671)。由此表明, 耕層構(gòu)造提高春玉米產(chǎn)量在產(chǎn)量構(gòu)成因素方面的主要原因是行粒數(shù)顯著提高和禿尖降低。

表1 耕層構(gòu)造對(duì)玉米產(chǎn)量及構(gòu)成因素的影響

數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤, 同列標(biāo)以不同小寫(xiě)字母的值在處理間0.05水平上差異顯著。CK、FLRC、AL、AC分別代表上虛下實(shí)耕層、虛實(shí)并存耕層、全虛耕層、全實(shí)耕層。

Data are mean ± SE; values followed by a different letter within a column are significantly different arnong treatments at≤ 0.05. CK, FLRC, AL, and AC represent up loose and down compaction plough layer, furrow loose and ridge compaction plough layer, all loose plough layer, and all compaction plough layer respectively.

2.2 耕層構(gòu)造對(duì)春玉米生物產(chǎn)量和收獲指數(shù)的影響

耕層構(gòu)造對(duì)春玉米群體生物產(chǎn)量和收獲指數(shù)影響顯著(圖2)。2015年群體生物產(chǎn)量FLRC和AL分別比CK增加11.30%、6.04%, 差異顯著(<0.05)。2016年群體生物產(chǎn)量表現(xiàn)不同, FLRC比CK增加5.18%, 差異顯著(<0.05); AC和CK差異不顯著(>0.05)。2015年群體收獲指數(shù)AC比CK增加31.27%, 差異顯著(<0.05), FLRC、AL與CK、AC差異不顯著(>0.05)。2016年群體收獲指數(shù)表現(xiàn)不同, FLRC比AC、CK分別高22.28%、23.38%, 差異顯著(<0.05)。兩年之間差異不顯著, 說(shuō)明無(wú)論干旱年份還是豐水年份虛實(shí)并存耕層構(gòu)造均能提高春玉米群體生物產(chǎn)量, 增幅5.18%~11.30%; 干旱年份全實(shí)耕層構(gòu)造能夠提高春玉米收獲指數(shù), 豐水年份虛實(shí)并存耕層構(gòu)造和全虛耕層構(gòu)造能夠提高春玉米收獲指數(shù)。

圖2 耕層構(gòu)造對(duì)春玉米生物產(chǎn)量及收獲指數(shù)的影響

標(biāo)以不同字母的柱值在< 0.05水平上差異顯著。處理縮寫(xiě)同表1。

Bars labelled with different letters are significantly different at< 0.05. Abbreviations are the same as those described in Table 1.

2.3 耕層構(gòu)造對(duì)土壤三相比的影響

春玉米播種前耕層構(gòu)造對(duì)土壤三相比影響顯著(<0.05)(表2), 2015年0~10 cm土層固相AC與FLRC、AL、CK差異顯著(<0.05), 液相AC與FLRC、AL、CK差異顯著(<0.05), 氣相FLRC、AL與AC、CK差異顯著(<0.05); GSSI指標(biāo)AC比CK高9.70%, 差異顯著(<0.05); STPSD指標(biāo)差異不顯著(>0.05), 說(shuō)明該層全實(shí)耕層構(gòu)造土壤結(jié)構(gòu)最接近理想狀態(tài)。10~20 cm土層固相AC與FLRC、AL差異顯著(<0.05); 液相差異不顯著(>0.05); 氣相AL與CK、FLRC、AC差異顯著(<0.05); GSSI指標(biāo)差異不顯著(>0.05); STPSD指標(biāo)AL比CK低47.79%, 差異顯著(<0.05), 該層全虛耕層構(gòu)造土壤結(jié)構(gòu)最接近理想狀態(tài)。20~30 cm土層固相AC與FLRC、AL差異顯著(<0.05); 液相差異不顯著(>0.05); 氣相AL與AC和CK差異顯著(<0.05); GSSI指標(biāo)差異不顯著(>0.05); STPSD指標(biāo)AL比CK低45.90%, 差異顯著(<0.05), 該層全虛耕層構(gòu)造土壤結(jié)構(gòu)最接近理想狀態(tài)。2016年0~10 cm土層固相AC與CK、FLRC、AL差異顯著(<0.05), 液相AC與FLRC、AL、CK差異顯著(<0.05), 氣相FLRC、AL、CK與AC差異顯著(<0.05); GSSI指標(biāo)AC比CK高9.12%, 差異顯著(<0.05); STPSD指標(biāo)差異不顯著(>0.05), 該層全實(shí)耕層構(gòu)造土壤結(jié)構(gòu)最接近理想狀態(tài)。10~20 cm土層固相AC、CK與FLRC、AL差異顯著(<0.05); 液相差異不顯著(>0.05); 氣相FLRC與AC、CK差異顯著(<0.05); GSSI指標(biāo)FLRC、AL分別比CK低52.46%、63.61%, 差異顯著(<0.05)。該層虛實(shí)并存和全虛耕層構(gòu)造土壤結(jié)構(gòu)最接近理想狀態(tài)。20~30 cm土層固相、液相、氣相、GSSI指標(biāo)差異均不顯著(>0.05); STPSD指標(biāo)AL比CK低31.63%, 差異顯著(<0.05), 該層全虛耕層構(gòu)造土壤結(jié)構(gòu)最接近理想狀態(tài)。由此表明, 春玉米播種前無(wú)論是干旱年份還是豐水年份0~10 cm土壤三相比均以全實(shí)耕層構(gòu)造為宜, 10~30 cm土壤三相比以虛實(shí)并存和全虛耕層構(gòu)造為宜。

表2 春玉米播種前耕層構(gòu)造對(duì)土壤三相比的影響

(續(xù)表2)

數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤, 同列標(biāo)以不同字母的值在0.05水平上差異顯著。GSSI和STPSD分別代表廣義土壤結(jié)構(gòu)指數(shù)和土壤三相結(jié)構(gòu)距離。處理縮寫(xiě)同表1。

Data is mean ± SE. Values followed by a different letter within a column are significantly different among treatments at≤ 0.05. GSSI and STPSD represent generalized soil structure index, soil three-phase structure distance respectively. Abbreviations are the same as those described in Table 1.

春玉米收獲后耕層構(gòu)造對(duì)土壤三相比影響顯著(<0.05)(表3), 2015年0~10 cm土層固相AC與FLRC、AL、CK差異顯著(<0.05), 液相AL與CK差異顯著(<0.05), 氣相AC與FLRC、CK差異顯著(<0.05); GSSI指標(biāo)AL比CK高5.30%, 差異顯著(<0.05); STPSD指標(biāo)FLRC、AL分別比CK低15.42%、20.04%, 差異顯著(<0.05), , 該層虛實(shí)并存和全虛耕層構(gòu)造土壤結(jié)構(gòu)最接近理想狀態(tài)。10~20 cm土層固相、液相、氣相、GSSI指標(biāo)、GSSI指標(biāo)均差異不顯著(>0.05)。20~30 cm土層固相FLRC、AL與CK差異顯著(<0.05), 液相、氣相、GSSI指標(biāo)、STPSD指標(biāo)均差異不顯著(>0.05)。2016年0~10 cm土層固相AC與CK、FLRC、AL差異顯著(<0.05), 液相、氣相、GSSI指標(biāo)均差異不顯著(>0.05), FLRC與CK、AC差異顯著(<0.05), 該層虛實(shí)并存耕層構(gòu)造土壤結(jié)構(gòu)最接近理想狀態(tài)。10~20 cm土層固相、液相、氣相、GSSI指標(biāo)、STPSD指標(biāo)均差異不顯著(>0.05)。20~30 cm土層固相AC與FLRC、AL差異顯著(<0.05); 固相FLRC與AC差異顯著(<0.05); 氣相和GSSI指標(biāo)差異不顯著(>0.05); STPSD指標(biāo)FLRC、AL分別比CK低8.90%、6.90%, 差異顯著(<0.05), 該層以虛實(shí)并存和全虛耕層構(gòu)造土壤結(jié)構(gòu)最接近理想狀態(tài)。由此表明, 無(wú)論是干旱年份還是豐水年份春玉米收獲后20~30 cm土層虛實(shí)并存和全虛耕層構(gòu)造土壤三相比優(yōu)于上虛下實(shí)耕層和全實(shí)耕層構(gòu)造。

表3 春玉米收獲后耕層構(gòu)造對(duì)土壤三相比的影響

數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤, 同列標(biāo)以不同字母的值在0.05水平上差異顯著。GSSI和STPSD分別代表廣義土壤結(jié)構(gòu)指數(shù)和土壤三相結(jié)構(gòu)距離。處理縮寫(xiě)同表1。

Data is mean± SE. Values followed by a different letter within a column are significantly different among treatments at≤ 0.05. GSSI and STPSD represent generalized soil structure index, soil three-phase structure distance respectively. Abbreviations are the same as those described in Table 1.

2.4 耕層構(gòu)造對(duì)春玉米根系形態(tài)的影響

2.4.1 根重密度 耕層構(gòu)造對(duì)春玉米根重密度影響顯著(<0.05)(圖3), 2015年0~10 cm根重密度AC、FLRC、AL分別比CK增加64.32%、38.11%、9.33%, 差異顯著(<0.05); 10~20 cm根重密度FLRC、AL、AC分別比CK增加97.09%、46.24%、26.87%, 差異顯著(<0.05); 20~30 cm根重密度AL比CK增加10.22%, 差異顯著(<0.05); 40~50 cm根重密度FLRC、AC、AL分別比CK增加50.98%、47.59%、23.08%, 差異顯著(<0.05); 50~100 cm根重密度各處理間一直保持著這種差異性。2016年根重密度表現(xiàn)不同, 0~10 cm根重密度FLRC、AL分別比CK增加80.34%、7.47%, 差異顯著(<0.05); 10~20 cm根重密度FLRC比CK增加75.84%, 差異顯著(<0.05); 20~30 cm根重密度AL比CK增加11.93%, 差異顯著(<0.05); 40~50 cm根重密度差異不顯著(>0.05), 50~60 cm根重密度AL、AC與CK差異顯著(<0.05); 60~70 cm根重密度各處理間一直保持著這種差異性。說(shuō)明干旱年份全實(shí)耕層和虛實(shí)并存耕層構(gòu)造能夠增加春玉米根重密度; 豐水年份虛實(shí)并存耕層構(gòu)造和全虛耕層構(gòu)造能夠增加春玉米根重密度, 增幅7.47%~97.09%。

圖3 耕層構(gòu)造對(duì)春玉米根重密度的影響

標(biāo)以不同字母的柱值在< 0.05水平上差異顯著。處理縮寫(xiě)同表1。

Bars labelled with different letters are significantly different at< 0.05. Abbreviations are the same as those described in Table 1.

2.4.2 根長(zhǎng)密度 耕層構(gòu)造對(duì)春玉米根長(zhǎng)密度影響顯著(<0.05)(圖4), 2015年0~10 cm根長(zhǎng)密度AC、FLRC、AL分別比CK增加112.04%、65.35%、6.62%, 差異顯著(<0.05); 10~20 cm根長(zhǎng)密度FLRC、AL、AC分別比CK增加57.24%、50.51%、30.25%, 差異顯著(<0.05); 20~30 cm根長(zhǎng)密度AL比CK增加35.97%, 差異顯著(<0.05); 40~50 cm根長(zhǎng)密度FLRC、AC、AL分別比CK增加41.18%、37.67%、12.24%, 差異顯著(<0.05); 50~100 cm根重密度各處理間一直保持著這種差異性。2016年根長(zhǎng)密度表現(xiàn)不同, 0~10 cm根長(zhǎng)密度FLRC、AC、AL分別比CK增加50.04%、37.60%、23.72%, 差異顯著(<0.05); 10~20 cm根長(zhǎng)密度FLRC比CK增加14.23%, 差異顯著(<0.05); 20~30 cm根長(zhǎng)密度AL、AC與CK差異顯著(<0.05), 但均低于CK; 30~40 cm根長(zhǎng)密度與20~30 cm表現(xiàn)一致; 50~80 cm根長(zhǎng)密度FLRC和CK差異顯著(<0.05), 80~100 cm根長(zhǎng)密度差異不顯著(>0.05)。說(shuō)明干旱年份全實(shí)耕層和虛實(shí)并存耕層構(gòu)造能夠增加春玉米根長(zhǎng)密度; 豐水年份虛實(shí)并存耕層構(gòu)造能夠增加春玉米根長(zhǎng)密度, 增幅6.62%~112.04%。

2.4.3 根表面積密度 耕層構(gòu)造對(duì)春玉米根表面積密度影響顯著(<0.05)(圖5), 2015年0~10 cm根表面積密度AC、FLRC分別比CK增加125.07%、63.49%, 差異顯著(<0.05); 10~20 cm根表面積密度FLRC、AC、AL分別比CK增加49.70%、25.93%、13.36%, 差異顯著(<0.05); 20~30 cm根表面積密度AC比CK增加38.66%, 差異顯著(<0.05); 40~50 cm根表面積密度FLRC、AC、AL分別比CK增加124.01%、71.77%、30.32%, 差異顯著(<0.05); 50~100 cm根表面積密度各處理間一直保持著這種差異性。2016年根表面積密度表現(xiàn)不同, 0~10 cm根表面積密度FLRC、AL分別比CK增加15.03%、9.80%, 差異顯著(<0.05); 10~20 cm根表面積密度FLRC比CK增加44.29%, 差異顯著(<0.05); 20~30 cm根表面積密度FLRC比CK增加38.72%, 差異顯著(<0.05); 40~100 cm根表面積密度FLRC和CK差異不顯著(>0.05)。說(shuō)明干旱年份全實(shí)耕層和虛實(shí)并存耕層構(gòu)造能夠增加春玉米根表面積密度; 豐水年份虛實(shí)并存耕層構(gòu)造能夠增加春玉米根表面積密度, 增幅9.80%~125.07%。

圖4 耕層構(gòu)造對(duì)春玉米根長(zhǎng)密度的影響

標(biāo)以不同字母的柱值在< 0.05水平上差異顯著。處理縮寫(xiě)同表1。

Bars labelled with different letters are significantly different at< 0.05. Abbreviations are the same as those described in Table 1.

圖5 耕層構(gòu)造對(duì)春玉米根表面積密度的影響

標(biāo)以不同字母的柱值在< 0.05水平上差異顯著。處理縮寫(xiě)同表1。

Bars labelled d with different letters are significantly different at< 0.05. Abbreviations are the same as those described in Table 1.

2.4.4 根體積密度 耕層構(gòu)造對(duì)春玉米根體積密度影響顯著(<0.05)(圖6), 2015年0~10 cm根體積密度AC、FLRC分別比CK增加125.92%、53.35%, 差異顯著(<0.05); 10~20 cm根體積密度AC、FLRC分別比CK增加47.04%、43.56%, 差異顯著(<0.05); 20~30 cm根體積密度AC比CK增加29.97%, 差異顯著(<0.05); 40~50 cm根體積密度AC、AL、FLRC分別比CK增加151.97%、97.10%、83.55%, 差異顯著(<0.05); 50~100 cm根體積密度各處理間一直保持著這種差異性。2016年根體積密度表現(xiàn)不同, 0~10 cm根體積密度AC比CK增加35.55%, 差異顯著(<0.05); 10~20 cm根體積密度AC、FLRC分別比CK增加86.74%、76.76%, 差異顯著(<0.05); 20~30 cm根體積密度FLRC、AC、AL分別比CK增加97.06%、69.71%、63.67%, 差異顯著(<0.05); 40~50 cm根體積密度AL、FLRC分別比CK增加42.11%、40.11%, 差異顯著(<0.05); 60~100 cm根體積密度差異不顯著(>0.05), 說(shuō)明干旱年份全實(shí)耕層和虛實(shí)并存耕層構(gòu)造能夠增加春玉米根體積密度, 增幅40.11%~151.97%; 豐水年份虛實(shí)并存耕層構(gòu)造和全虛耕層構(gòu)造能夠增加春玉米根體積密度, 且隨著降雨量增加, 對(duì)深層根體積密度影響越小。

3 討論

3.1 耕層構(gòu)造與作物產(chǎn)量

多數(shù)研究已經(jīng)證實(shí)適宜耕層構(gòu)造能夠促進(jìn)作物生長(zhǎng)并增產(chǎn), 馮倩倩等[29]研究表明, 虛實(shí)并存耕層構(gòu)造能增加作物有效穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒重等產(chǎn)量構(gòu)成因素, 進(jìn)而增加籽粒產(chǎn)量; 全實(shí)耕層構(gòu)造顯著降低穗粒數(shù)和千粒重, 不利于作物增產(chǎn); 劉武仁等[30]研究表明, 虛實(shí)并存耕層構(gòu)造比上虛下實(shí)耕層構(gòu)造和全虛耕層構(gòu)造分別增產(chǎn)20.06%和4.08%; 不同耕層構(gòu)造方式對(duì)春玉米籽粒產(chǎn)量和群體生物產(chǎn)量的影響與作物生育期降雨的數(shù)量與分布息息相關(guān),在不同年份表現(xiàn)不同[3]。本研究表明, 不同耕層構(gòu)造對(duì)春玉米籽粒產(chǎn)量、群體生物產(chǎn)量和收獲指數(shù)影響顯著(<0.05), 虛實(shí)并存耕層和全實(shí)耕層構(gòu)造能夠增加春玉米產(chǎn)量, 產(chǎn)量增幅18.19%~34.86%, 主要原因是行粒數(shù)顯著提高和禿尖降低。虛實(shí)并存耕層構(gòu)造能提高春玉米群體生物產(chǎn)量, 增幅5.18%~ 11.30%; 豐水年份虛實(shí)并存耕層構(gòu)造和全虛耕層構(gòu)造能夠提高春玉米收獲指數(shù), 干旱年份全實(shí)耕層構(gòu)造能夠提高春玉米收獲指數(shù)。

圖6 耕層構(gòu)造對(duì)春玉米根體積密度的影響

標(biāo)以不同字母的柱值在< 0.05水平上差異顯著。處理縮寫(xiě)同表1。

Bars labelled with different letters are significantly different at< 0.05. Abbreviations are the same as those described in Table 1.

3.2 耕層構(gòu)造與土壤三相比

耕層構(gòu)造直接影響土壤物理指標(biāo)變化, 多數(shù)研究認(rèn)為不同耕層構(gòu)造能夠改變土壤固、液、氣三相的分配。李曉龍等[28]研究表明, 虛實(shí)并存耕層比上虛下實(shí)耕層具有較大的GSSI值和較小的STPSD值, 耕層土壤結(jié)構(gòu)更加接近理想狀態(tài), 可以有效地改善土壤物理結(jié)構(gòu), 特別是20~40 cm土層的GSSI和STPSD均顯著優(yōu)于對(duì)照; 趙亞麗等[31]研究表明, 虛實(shí)并存耕層構(gòu)造顯著降低了土壤緊實(shí)度和土壤三相比R值, 比上虛下實(shí)耕層構(gòu)造土壤緊實(shí)度降低20.9%, 土壤三相比R值降低12.9%。本研究表明, 春玉米播種前耕層構(gòu)造對(duì)土壤三相比影響顯著(<0.05), 無(wú)論是干旱年份還是豐水年份0~10 cm土壤三相比均以全實(shí)耕層構(gòu)造為宜, 10~30 cm土壤三相比以虛實(shí)并存和全虛耕層構(gòu)造為宜; 春玉米收獲后耕層構(gòu)造對(duì)土壤三相比影響顯著(<0.05), 無(wú)論是干旱年份還是豐水年份春玉米收獲后20~30 cm土層虛實(shí)并存和全虛耕層構(gòu)造的土壤三相比優(yōu)于上虛下實(shí)耕層構(gòu)造。

3.3 耕層構(gòu)造與作物根系

土壤與作物的動(dòng)態(tài)聯(lián)系主要集中在作物根系[32], 耕層結(jié)構(gòu)改變將直接影響作物根系形態(tài)指標(biāo)變化, 多數(shù)研究認(rèn)為耕層構(gòu)造可以影響作物根系形態(tài)指標(biāo)。趙亞麗等[31]研究表明, 虛實(shí)并存耕層構(gòu)造比上虛下實(shí)耕層構(gòu)造玉米根長(zhǎng)、根系表面積、根系體積、根系干重密度分別增加67.0%、45.3%、23.1%、49.5%; 高飛等[33]研究表明, 虛實(shí)并存耕層比對(duì)照0~30 cm的根干重、根長(zhǎng)、根表面積、根體積分別提高59.1%、22.8%、41.1%、59.2%。本研究結(jié)果表明, 干旱年份全實(shí)耕層和虛實(shí)并存耕層構(gòu)造能夠增加春玉米根重密度、根長(zhǎng)密度、根表面積密度和根體積密度; 其中春玉米根重密度增幅7.47%~97.09%, 根長(zhǎng)密度增幅6.62%~112.04%, 根表面積密度增幅9.80%~ 125.07%, 根體積密度增幅40.11%~151.97%, 但增幅與前人研究結(jié)果略有不同, 主要是耕作方式、降雨量、生態(tài)環(huán)境等因素的不同所致。

4 結(jié)論

干旱年和豐水年虛實(shí)并存耕層構(gòu)造和全實(shí)耕層構(gòu)造均能增加春玉米產(chǎn)量, 豐水年產(chǎn)量增幅為18.19%~34.86%, 主要原因是行粒數(shù)顯著提高和禿尖降低。無(wú)論干旱年份還是豐水年份虛實(shí)并存耕層構(gòu)造均能提高春玉米群體生物產(chǎn)量。虛實(shí)并存耕層能夠優(yōu)化土壤三相比, 無(wú)論是干旱年份還是豐水年份0~10 cm土壤三相比均以全實(shí)耕層構(gòu)造為宜, 10~30 cm土壤三相比以虛實(shí)并存和全虛耕層構(gòu)造為宜; 春玉米收獲后20~30 cm土層虛實(shí)并存構(gòu)造和全虛耕層構(gòu)造優(yōu)于上虛下實(shí)耕層構(gòu)造。虛實(shí)并存耕層和全虛耕層構(gòu)造能夠增加春玉米吐絲期根重密度、根長(zhǎng)密度、根表面積密度和根體積密度。相對(duì)于傳統(tǒng)旋耕耕作構(gòu)建的上虛下實(shí)耕層結(jié)構(gòu), 虛實(shí)并存耕層能優(yōu)化土壤三相比, 促進(jìn)作物根系生長(zhǎng), 增加作物產(chǎn)量, 是遼西旱作農(nóng)業(yè)區(qū)比較理想的合理耕層構(gòu)造方式。

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Effects of plough layer construction on soil three phase rate and root morpho-logy of spring maize in northeast China

BAI Wei1, SUN Zhan-Xiang1,*, ZHANG Li-Zhen2,*, ZHENG Jia-Ming1, FENG Liang-Shan1, CAI Qian1, XIANG Wu-Yan1, FENG Chen1, and ZHANG Zhe1

1Tillage and Cultivation Research Institute, Liaoning Academy of Agricultural Sciences, Shenyang 110161, Liaoning, China;2College of Resources and Environmental Sciences, China Agricultural University, Beijing 100193, China

Establishing reasonable plough layer construction is regarded as one of important methods for solving some rainfed farmland problems, which is of great significance in the dryland of northern China. The experiment was conducted with four tillage treatment, including furrow loose and ridge compaction plough layer (FLRC), all loose plough layer (AL), all compaction plough layer (AC), up loose and down compaction plough layer (ULDC, CK), at Fuxin National Agricultural Environmental Science Observation Experimental Station, at which the long-term plough layer construction position fixed experiment began in 2009. The data in 2015 and 2016 showed that the FLRC treatment optimized (< 0.05) the soil three phase rate, which in 0?10 cm soil layer was optimized by AC treatment before spring corn sowing, while in 10?30 cm soil layer was optimized by FLRC and AL treatments. After the spring corn was harvested, the soil three phase’s rate in 20?30 cm soil layer in FLRC and AL treatments was better than that in ULDC and AC treatments. Compared with the ULDC treatment, FLRC treatment increased (< 0.05) the root weight density by 7.47%?97.09%, the root length density by 6.62%?112.04%, the root surface area density by 9.80%?125.07%, and the root bulk density by 40.11%?151.97% at silking period in spring corn. The FLRC treatment significantly increased the yield of spring maize by 18.19%?34.86% (< 0.05) due to the significant increase in number of grains and the decrease of baldness, increased the population biomass by 5.18%?11.30% (< 0.05), and improved the harvest index (< 0.05). In conclusion, the furrow loose and ridge compaction plough layer is the optimal construction for improving soil three phase rate and root morphology of spring maize, with certain application value in the construction of reasonable plough layer of dry farmland in northern China.

tillage; layer construction; soil three phase rate; spring maize; root morphology

10.3724/SP.J.1006.2020.93044

本研究由中國(guó)博士后科學(xué)基金項(xiàng)目(2017M620103), 遼寧省“興遼英才計(jì)劃”項(xiàng)目(XLYC1807051), 中央引導(dǎo)地方科技發(fā)展專項(xiàng)資金項(xiàng)目(2019040005-JH6/104), 國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2016YFD0300204), 遼寧省自然科學(xué)基金計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目(20180540004), 遼寧省“百千萬(wàn)人才工程”項(xiàng)目項(xiàng)目(201746), 遼寧省農(nóng)業(yè)科學(xué)院學(xué)科建設(shè)計(jì)劃項(xiàng)目(2019DD062010)和農(nóng)業(yè)科研杰出人才及其創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目資助。

This study was supported by the China Postdoctoral Science Fund(2017M620103), the Liaoning Revitalization Talents Program (XLYC1807051), the Central Government Guides Local Science and Technology Development Projects (2019040005-JH6/104), the National Key Research and Development Program of China (2016YFD0300204), the Liaoning Natural Science Foundation Project Key Projects (20180540004), the “Liaoning Bai-Qian-Wan Talent” Program (201746), the Liaoning Academy of Agricultural Sciences Discipline Construction Plan (2019DD062010), and the Outstanding Talents in Agricultural Scientific Research and Their Team.

孫占祥, E-mail: sunzx67@163.com; 張立禎, E-mail: zhanglizhen@cau.edu.cn

E-mail: libai200008@126.com

2019-08-05;

2019-12-26;

2020-01-16.

URL: http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1809.s.20200115.1618.030.html