深松深度對(duì)魯西南土壤耕層理化性狀和作物產(chǎn)量的影響

劉國(guó)利，崔雙雙，孫澤強(qiáng)，楊光，孔曉民，韓成衛(wèi)，劉盛林，石寧，王學(xué)君

(1.山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部山東耕地保育科學(xué)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)站，山東 濟(jì)南 250100；2.無棣縣小泊頭鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)綜合服務(wù)中心，山東 無棣 251911；3.濟(jì)寧市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院/國(guó)家玉米產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系濟(jì)寧綜合試驗(yàn)站，山東 濟(jì)寧 272031)

魯西南地區(qū)主要以冬小麥-夏玉米輪作為主，常年采用冬小麥旋耕播種、夏玉米免耕貼茬播種的耕作方式，與傳統(tǒng)犁耕和耙耕相比，旋耕作業(yè)具有碎土性能好、適應(yīng)性強(qiáng)、作業(yè)效率高的優(yōu)點(diǎn)[1]，但現(xiàn)行機(jī)械旋耕深度(15 cm左右)比過去的機(jī)械耕翻淺8～10 cm，長(zhǎng)期以旋代耕，導(dǎo)致土壤耕層變淺，犁底層增厚變硬，土壤緊實(shí)，地力下降，土壤養(yǎng)分不均衡等，制約作物的生長(zhǎng)和產(chǎn)量的提高[2，3]。

土壤耕作是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，通過合理的土壤耕作措施可以改善耕層的土壤結(jié)構(gòu)，調(diào)節(jié)土壤固相、液相、氣相的比例關(guān)系[4]，對(duì)土壤有效養(yǎng)分有較大影響[5]。許多研究表明，不同耕作方式影響土壤的緊實(shí)度，包括對(duì)土壤緊實(shí)性的緩解作用和負(fù)面影響[6]。而土壤的物理性狀會(huì)造成土壤水、氣和熱的差異，影響土壤中礦質(zhì)養(yǎng)分的供應(yīng)狀況，從而影響作物的生長(zhǎng)發(fā)育、產(chǎn)量和品質(zhì)[7]。深松作為保護(hù)性耕作的一種方式，通過拖拉機(jī)牽引深松機(jī)具，只疏松土層而不翻轉(zhuǎn)土壤，在一定程度上打破犁底層，改善耕層結(jié)構(gòu)，降低土壤容重，增加土壤透性，提高土壤蓄水能力和增加耕層活土量20%以上[8-10]，優(yōu)化土壤環(huán)境，增加深層根系分布，實(shí)現(xiàn)作物增產(chǎn)和耕地可持續(xù)利用[11-14]。

目前關(guān)于深松耕作方式對(duì)糧食作物生長(zhǎng)和土壤理化性質(zhì)影響的研究很多，但是針對(duì)旋耕和不同深松深度的研究較少，本研究通過對(duì)比三種深松深度與旋耕耕作對(duì)土壤含水量、緊實(shí)度等物理性質(zhì)以及土壤養(yǎng)分、作物產(chǎn)量等的影響，以期為華北地區(qū)冬小麥-夏玉米耕作方式的合理選擇提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)自然條件

2015—2017年在山東省嘉祥縣運(yùn)韓村進(jìn)行試驗(yàn)。該區(qū)屬于暖溫帶季風(fēng)區(qū)大陸性氣候，多年平均氣溫13.9℃，年降水量701.8 mm，無霜期210.7 d。試驗(yàn)區(qū)地處魯西南黃泛沖積平原，土壤類型為潮褐土，土壤的基本化學(xué)性質(zhì)見表1。

表1 試驗(yàn)土壤的基本化學(xué)性質(zhì)

1.2 試驗(yàn)設(shè)置

試驗(yàn)共設(shè)置4個(gè)處理，分別為：RT，習(xí)慣處理，每年秋季旋耕2遍，深度15 cm；ST30，秋季深松30 cm；ST35，秋季深松35 cm；ST40，秋季深松40 cm。各深松處理除第1年深松外，其他耕作和管理均同常規(guī)。采用大區(qū)設(shè)計(jì)，每個(gè)處理區(qū)域大小為10.6 m×250 m。種植模式為冬小麥-夏玉米輪作，冬小麥品種為濟(jì)麥22，夏玉米品種為偉科702。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目和方法

土壤質(zhì)量含水量：在冬小麥返青-拔節(jié)期和收獲期、夏玉米收獲期進(jìn)行取樣，每個(gè)處理選擇3個(gè)具有代表性的區(qū)域，用土鉆采集0～60 cm土層土樣，每20 cm為一層，去除雜物，同一小區(qū)同一土層土樣混合均勻，裝入鋁盒稱鮮重，然后110℃烘干至恒重并稱重，用下列公式計(jì)算土壤含水量。

wm(%)=(m1-m2)÷m2×100。

式中：wm為土壤質(zhì)量含水量；m1為土壤鮮重；m2為土壤干重。

土壤緊實(shí)度：采用FieldScout SC 900土壤緊實(shí)度儀進(jìn)行測(cè)定，測(cè)定深度為45 cm，每2.5 cm記錄一次，在冬小麥返青-拔節(jié)期和收獲期、夏玉米收獲期進(jìn)行測(cè)定，每個(gè)處理每次測(cè)定10個(gè)點(diǎn)。

土壤養(yǎng)分：在冬小麥返青-拔節(jié)期和收獲期、夏玉米收獲期進(jìn)行取樣，每個(gè)處理選擇3個(gè)具有代表性的區(qū)域，用土鉆采集0～60 cm土層土樣，每20 cm為一層，去除雜物，同一小區(qū)同一土層混合均勻，風(fēng)干，粉碎過篩。土壤堿解氮測(cè)定采用擴(kuò)散法，土壤有效磷測(cè)定采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻鈧比色法，土壤速效鉀測(cè)定采用火焰光度法[15]。

產(chǎn)量：分別在冬小麥和夏玉米收獲時(shí)，按樣方測(cè)產(chǎn)，冬小麥每個(gè)處理3個(gè)樣方，每個(gè)樣方不小于5 m2；夏玉米每個(gè)處理3個(gè)樣方，每個(gè)樣方不小于10 m2。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

用Microsoft Excel 2007軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算和作圖，用DPS 7.05統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 深松深度對(duì)土壤物理性狀的影響

2.1.1 深松深度對(duì)土壤含水量的影響 土壤含水量多少，直接影響植物的生長(zhǎng)狀況。從圖1可以看出，與習(xí)慣處理(RT)相比，深松處理對(duì)0～20 cm土層土壤含水量影響較小，但明顯影響20～60 cm土層土壤水分含量。深松處理ST30、ST35和ST40明顯增加0～20 cm和20～40 cm土壤含水量，兩年平均分別增加3.20%、7.88%、3.69%和1.07%、14.58%、11.71%；降低40～60 cm土壤含水量，不同深松深度處理平均下降12.78%、13.74%和7.28%。土壤含水量具有明顯的年際變化，2016年土壤含水量高于2017年，且不同處理2016年波動(dòng)幅度較大而2017年較平穩(wěn)。2016年0～20、20～40、40～60 cm土壤含水量變異系數(shù)分別為0.19、0.15和0.10，2017年則分別為0.11、0.11和0.16?？梢姡寥浪譅顩r較好的條件下，深松處理主要影響土壤0～40 cm土壤含水量，而土壤水分狀況較差的條件下，深松處理主要影響40～60 cm土壤含水量變化。隨著深松深度的增加，土壤調(diào)蓄水分的能力逐漸增強(qiáng)。

圖1 不同深松深度處理的土壤含水量

2.1.2 深松深度對(duì)土壤緊實(shí)度的影響 土壤緊實(shí)度直接影響作物根系生長(zhǎng)，進(jìn)而影響?zhàn)B分吸收利用，最終影響作物產(chǎn)量。由圖2可以看出，土壤緊實(shí)度隨著土壤深度的增加呈增加趨勢(shì)；小麥季0～25 cm增加較快，25～35 cm有所下降，35～45 cm又逐漸升高；玉米季0～20 cm快速增加，20～35 cm變化較小，35～45 cm也呈增加趨勢(shì)。與旋耕處理相比，ST30主要降低了15～30 cm土壤緊實(shí)度，平均下降3.85%，而0～15 cm和30～45 cm土壤緊實(shí)度略有增加；ST35主要降低了土壤15～30 cm土壤緊實(shí)度，其次為30～45、0～15 cm，下降幅度分別為22.65%、17.35%和10.15%；ST40主要降低了30～45 cm土壤緊實(shí)度，其次為15～30 cm，下降幅度分別為25.33%和15.82%，增加0～15 cm土壤緊實(shí)度，增幅14.43%?？傮w來說，深松耕作主要降低15～45 cm土壤緊實(shí)度，其中ST35和ST40降低效果更好，但對(duì)0～15 cm土壤緊實(shí)度影響較小。

圖2 不同深松深度處理的土壤緊實(shí)度

2.2 深松深度對(duì)土壤養(yǎng)分分布的影響

2.2.1 深松深度對(duì)土壤堿解氮的影響 由圖3可以看出，土壤堿解氮含量隨著土壤深度的增加呈下降趨勢(shì)，0～20 cm土壤堿解氮含量顯著高于20～40 cm和40～60 cm土壤堿解氮含量。小麥返青-拔節(jié)期，與RT處理相比，深松處理增加0～20 cm土層土壤堿解氮，ST30、ST35和ST40兩年平均分別增加5.70%、35.60%和46.16%；降低40～60 cm土層土壤堿解氮，ST30、ST35和ST40兩年平均分別降低11.72%、24.57%和25.37%。小麥?zhǔn)斋@期，與RT相比，深松處理也增加0～20 cm土層土壤堿解氮含量，ST30、ST35和ST40分別增加7.40%、10.09%和7.14%；降低40～60 cm土層土壤堿解氮含量， ST30、ST35和ST40分別降低15.69%、9.63%和2.79%。玉米收獲期，與RT相比，深松處理降低0～20 cm土層土壤堿解氮含量，ST30、ST35和ST40兩年平均分別降低20.44%、11.16%和16.13%；增加40～60 cm土層土壤堿解氮含量，ST30、ST35和ST40分別增加20.96%、41.31%和26.87%。深松處理對(duì)各時(shí)期20～40 cm土層土壤堿解氮含量的影響較小。可以初步得出，深松促進(jìn)了冬小麥季堿解氮在0～20 cm土層的累積，減少了其在40～60 cm土層的分布，而夏玉米季則相反?？梢?，深松可以改變堿解氮在不同土層土壤中的分布，促進(jìn)土壤氮素的運(yùn)移。

圖3 土壤堿解氮含量剖面變化

2.2.2 深松深度對(duì)土壤有效磷含量的影響 從圖4可以看出，土壤有效磷主要分布于0～20 cm土壤中，其含量顯著高于20～40 cm和40～60 cm的含量，20～60 cm土壤有效磷變化幅度不大。與RT處理相比，總體來說深松處理降低0～20 cm土壤有效磷含量，ST30、ST35、ST40兩年平均分別降低25.10%、10.88%、17.68%，但對(duì)20～40、40～60 cm土壤有效磷含量有增加趨勢(shì)，兩年平均分別增加-2.43%、35.02%、30.15%和39.78%、51.75%和34.59%?？梢?，深松能夠促進(jìn)土壤磷素從表層向深層運(yùn)移，有利于有效磷在深層土壤中積累。

圖4 土壤有效磷含量剖面變化

2.2.3 深松深度對(duì)土壤速效鉀含量的影響 從圖5可以看出，土壤速效鉀含量隨著土壤深度的增加呈直線下降趨勢(shì)，0～40 cm土層降幅較大。與RT處理相比，深松處理，尤其ST35和ST40，增加各土層土壤中速效鉀含量，兩年平均0～20 cm土層分別增加24.61%和19.89%，20～40 cm土層分別增加50.20%和25.15%，40～60 cm土層分別增加36.05%和15.03%?？梢?，深松35 cm和40 cm能夠促進(jìn)速效鉀在各土層中的積累，尤其是深松35 cm時(shí)增加幅度最大。土壤速效鉀主要來源于作物秸稈和土壤鉀的釋放，深松對(duì)其釋放的促進(jìn)作用機(jī)理還需要進(jìn)一步研究。

2.3 深松深度對(duì)作物產(chǎn)量的影響

總體來說，深松能夠增加冬小麥、夏玉米產(chǎn)量，且深松深度增加，其增幅也呈升高趨勢(shì)(表2)。不同深松深度對(duì)夏玉米產(chǎn)量無顯著影響，但對(duì)冬小麥產(chǎn)量影響顯著，ST40處理可顯著增加冬小麥產(chǎn)量，增幅7.23%～9.99%。因此，在本試驗(yàn)條件下，深松耕作可增加冬小麥和夏玉米周年產(chǎn)量，以深松40 cm增產(chǎn)效果最好。

圖5 土壤速效鉀含量剖面變化

表2 不同處理冬小麥、夏玉米產(chǎn)量

3 討論與結(jié)論

土壤含水量和土壤硬度(緊實(shí)度)均是反映土壤物理性質(zhì)和質(zhì)量的重要指標(biāo)，受多種因素影響，尤其是耕作措施[16]。本研究結(jié)果表明，深松處理增加耕層0～40 cm土壤含水量，降低40～60 cm土壤含水量，且深松深度為35、40 cm時(shí)效果更明顯。出現(xiàn)此種結(jié)果的原因可能是旋耕(深度約為15 cm)破壞表層土壤，增加土壤與空氣的接觸面積，又因犁底層的存在，水分下移較少，流失較多，而深松耕作能夠打破犁底層，增加水分下移，減少水分散發(fā)，因而深松處理可以增加耕層土壤含水量，但因深松耕作后深層土壤中的部分水分上移供作物生長(zhǎng)需要，致使深層土壤含水量降低。土壤緊實(shí)度隨土層深度增加總體呈增大趨勢(shì)，深松耕作可以降低土壤緊實(shí)度，但主要降低15～45 cm土壤緊實(shí)度，尤以ST35和ST40效果更明顯，對(duì)0～15 cm土壤緊實(shí)度影響較小。上述結(jié)果與前人研究結(jié)果一致[17，18]。

研究證明深層耕作影響土壤養(yǎng)分含量[19，20]。本研究結(jié)果也表明，深松耕作改變了氮、磷在土壤中的分布，增加了土壤速效鉀含量，與李永平[21]、蔡麗君[22]等的研究結(jié)果一致。與傳統(tǒng)耕作相比，深松可以改良土壤耕層特性，促進(jìn)作物生長(zhǎng)發(fā)育，提高作物產(chǎn)量[23，24，14]，秋深松40 cm處理對(duì)作物的增產(chǎn)幅度大于深松30 cm處理[2]。本研究結(jié)果也表明，深松耕作能夠增加冬小麥和夏玉米周年產(chǎn)量，松深40 cm時(shí)增產(chǎn)效果最好。

綜上所述，深松耕作措施增加耕層土壤含水量，降低土壤緊實(shí)度，促進(jìn)土壤中養(yǎng)分的運(yùn)移和均衡分布，增加了作物產(chǎn)量。