深松耕對石灰?guī)r紅壤物理性狀和玉米生長發(fā)育的影響*

李永賢，張曉云，吳開賢，安曈昕，周 鋒，楊友瓊，吳伯志

(云南農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)與生物技術(shù)學(xué)院，云南 昆明 650201)

土壤耕作是影響土壤耕層構(gòu)造的關(guān)鍵措施，可調(diào)節(jié)土壤的水、肥、氣、熱等土壤環(huán)境要素，使土壤理化性狀得到改善，有利于作物生長發(fā)育，產(chǎn)量增加[1]。深松耕是重要的基本耕作措施之一，也是具有顯著增產(chǎn)作用的土壤保護性耕作技術(shù)，其原理是利用深松鏟疏松土壤，打破犁底層而不翻轉(zhuǎn)土壤，不破壞土壤的自然結(jié)構(gòu)[2-3]。

目前，深松耕已在中國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中受到了高度關(guān)注和應(yīng)用推廣，并在不同地區(qū)不同土壤上進行了研究。在華北地區(qū)，與常規(guī)旋耕相比，深松耕處理20～30 cm 和30～40 cm 土層土壤緊實度分別顯著降低了37.76%和22.26%[4]；深松耕提升了耕層土壤蓄水保水能力和玉米根系吸收能力，改善玉米灌漿特性，玉米百粒質(zhì)量平均提高了14.40%[5]；顯著促進了玉米地上部氮、磷的吸收，有明顯增產(chǎn)效果[6]。在南方旱地紅壤區(qū)，深松耕較免耕、旋耕土壤團聚性好，可顯著改善深層土壤結(jié)構(gòu)，進而提高耕層土壤貯水潛力[7]。深松耕較旋耕能顯著提高0～40 cm 土層土壤入滲率[8]，有效改善土壤通透性，更好地補充和活化土壤磷，提高土壤磷的有效性，并且能減少土壤鉀素的耗竭[9]，提高了玉米葉片光合作用效率，促進玉米水肥高效利用，顯著增加了玉米穗數(shù)、穗粒數(shù)和百粒質(zhì)量[10]。然而，相關(guān)研究主要是針對黑土、灰鈣土和褐色土等，對西南地區(qū)較為典型的石灰?guī)r坡地紅壤缺乏探討。

云南省為高原地區(qū)，耕地類型以山地和坡地為主，其中滇中和滇東地區(qū)耕地多為石灰?guī)r發(fā)育的紅壤[11]。長期以來因坡耕地被過度利用，且缺乏合理養(yǎng)護，土壤理化性狀日漸惡化，犁底層增厚，耕層變淺，此外水土流失還帶走了土壤中大量有機質(zhì)和養(yǎng)分，導(dǎo)致土地生產(chǎn)力下降[12]。所以，迫切需要通過適宜的耕作措施改善土壤質(zhì)量，提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)。然而，由于該地區(qū)坡耕地地塊零碎，機械翻耕作業(yè)適宜性差；另外，農(nóng)村勞動力缺乏，耕作方式主要以小型機械旋耕或免耕為主，但長期旋耕使耕層疏松，土壤蓄水保墑能力降低，同時形成犁底層，作物根系下扎困難，而長期免耕增加了表層土壤容重，土壤通氣性差，養(yǎng)分含量較低，影響了作物生長發(fā)育，均導(dǎo)致作物產(chǎn)量下降[13-14]。因此，近年來深松耕在云南逐漸受到關(guān)注和重視[15]。

本研究擬針對云南石灰?guī)r坡耕地，以區(qū)域大宗糧食作物玉米為研究對象，以生產(chǎn)中大面積應(yīng)用的旋耕為對照，探討深松耕與旋耕配合對土壤物理性狀和玉米生長發(fā)育的影響，以期闡明深松耕在該地區(qū)的相對適宜性及其作用的持續(xù)性，為云南山區(qū)玉米增產(chǎn)能力提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2016—2018 年在云南省昆明市石林縣西街口鎮(zhèn)雨布宜村(E103.457°，N24.868°，海拔1 942.5 m)進行。該地區(qū)全年日照時間2 339.0 h，年平均氣溫16.6 ℃，年平均降雨量949.6 mm，降雨時間集中在5—10 月，全年無霜期252 d，≥10 ℃的年活動積溫4 814.6 ℃[16]。試驗地土壤為紅壤，pH 5.21，0～30 cm 土層有機質(zhì)含量12.72 g/kg，全氮含量0.741 g/kg，全磷含量0.361 g/kg，全鉀含量8.439 g/kg，堿解氮含量79.53 mg/kg，有效磷含量14.66 mg/kg，速效鉀含量130.81 mg/kg。

1.2 試驗材料與處理

供試玉米品種為本地主栽品種云瑞88 (Zea maysL.Yunrui 88)。試驗設(shè)常規(guī)旋耕15 cm 和深松耕30 cm 2 個處理，重復(fù)4 次，完全隨機區(qū)組設(shè)計。行株距分別為60 cm 和25 cm，密度66 660 株/hm2，小區(qū)面積42 m2(長6 m×7 m)，小區(qū)間距1.5 m；區(qū)組間間距2 m。于2016 年、2017 年、2018 年每年的4 月下旬采用拖拉機(雷沃歐豹M1404-D)掛相應(yīng)的耕作機具(旋耕機型號為“陽宇1GBT-250”；深松機型號為“大華寶來1SZL-300”)進行耕作處理，其中旋耕處理深度為15 cm，深松耕處理為先間隔30 cm 深松30 cm后再旋耕15 cm。玉米播種期為每年的5 月中旬，收獲期為每年的10 月中旬。播種前參照當(dāng)?shù)厣a(chǎn)用肥量，施用精制有機肥(有機質(zhì)≥45%，N+P2O5+K2O≥5%) 1 500 kg/hm2，復(fù)合肥[m(N)∶m(P2O5)∶m(K2O)=15∶15∶15)]600 kg/hm2為底肥，在玉米苗期和大喇叭口時期分別追施尿素(總氮≥46.4%)225 kg/hm2和300 kg/hm2。玉米幼苗階段進行適量澆水，生育期間進行必要的病蟲害防治。

1.3 樣品采集與方法

1.3.1 樣品采集

于2016 年5 月采集試驗地土壤，進行基礎(chǔ)理化性狀測定；每年玉米大喇叭口時期(7 月)進行玉米株高、莖粗和葉面積指數(shù)測定；每年玉米收獲期(10 月)進行土壤物理性狀、農(nóng)藝性狀和產(chǎn)量測定。

1.3.2 方法

(1) 土壤基礎(chǔ)化學(xué)性狀

用土鉆按“S”形進行多點混合取樣，取至30 cm深處，取500 g 帶回實驗室，剔除植物根系和石塊等雜物后風(fēng)干，參考《土壤農(nóng)化分析》[17]進行測定。

(2) 土壤物理性狀

土壤容重、土壤孔隙度和土壤含水量采用環(huán)刀法測定：于各小區(qū)內(nèi)隨機選取3 個位置挖土壤剖面，用環(huán)刀(容積V=100 cm3)分別取0～10 cm、＞10～20 cm 和＞20～30 cm 土層土壤，立即稱質(zhì)量記為m1；之后，將環(huán)刀置于烘箱中，在105 ℃條件下烘至恒質(zhì)量記為m2；最后洗凈環(huán)刀烘干稱質(zhì)量記為m3。計算公式如下：

式中，土壤比重取近似值2.65 g/cm3；

土壤緊實度(單位：kPa)：2016 年和2017 年采用指針式土壤緊實度儀(型號6 120，美國生產(chǎn))測定；2018 年采用數(shù)顯式土壤緊實度儀(型號SC-900，美國Spectrum 生產(chǎn))測定。在每年玉米收獲期，在小區(qū)內(nèi)按“W”形隨機選取10 點分別對0～10 cm 和10～20 cm 土層進行測定。

(3) 玉米農(nóng)藝性狀及產(chǎn)量

農(nóng)藝性狀測定：每小區(qū)隨機選取具有代表性的10 株玉米，分別用塔尺、皮尺測量株高、莖粗(第2 節(jié))、穗位高和全展葉長和寬，用長寬系數(shù)法計算單葉葉面積指數(shù)。收獲期玉米地上部分帶回實驗室置于85 ℃烘箱中恒溫烘干至恒質(zhì)量，冷卻后稱其干質(zhì)量(精度：0.01 g)，換算成生物產(chǎn)量(kg/hm2)。

產(chǎn)量及產(chǎn)量性狀測定：玉米收獲時，每小區(qū)隨機選取具有代表性的20 穗用于室內(nèi)考種和出籽率計算；每小區(qū)收獲玉米穗稱鮮質(zhì)量(邊行除外)，計算經(jīng)濟產(chǎn)量(kg/hm2)。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用IBM SPSS Statistics 25.0 對所有指標(biāo)進行方差分析，Sigmaplot 12.5 進行作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 深松耕對玉米生長及產(chǎn)量的影響

與常規(guī)旋耕相比，深松耕僅顯著增加了2016 年玉米經(jīng)濟產(chǎn)量(圖1)，但不同年份間存在明顯的差異，2016 和2017 年深松耕較旋耕的玉米經(jīng)濟產(chǎn)量分別增加13.76%和2.32%，2018 年反而減產(chǎn)4.36%。說明深松耕能提高玉米經(jīng)濟產(chǎn)量，但連年深松耕降低增產(chǎn)優(yōu)勢，甚至減產(chǎn)。如圖1 所示：在2016 和2017 年，深松耕處理地上部生物產(chǎn)量較旋耕處理分別顯著增加28.21%和21.38% (P＜0.05)，而2018 年則表現(xiàn)為深松耕處理小于旋耕處理，與前2 年相反，降低了1.53%。總體來看，3 年間玉米地上部生物產(chǎn)量變化規(guī)律與經(jīng)濟產(chǎn)量相對一致，均表現(xiàn)為前2 年深松耕顯著高于或高于旋耕，在2018 年相反，說明在前2 年，深松耕能顯著增加玉米生物量的積累，但隨著深松耕年限的延長，其增加效果會下降，之后再繼續(xù)深松耕反而不利于玉米地上部生物量的積累。

圖1 深松耕對玉米產(chǎn)量的影響Fig.1 Effects of sub-soiling on yield of maize

由表1 所示：從產(chǎn)量性狀上看，穗長和穗粗是影響玉米經(jīng)濟產(chǎn)量的主要因素。與旋耕相比，2016 年深松耕顯著增加了玉米穗長和穗粗，從而顯著提高了玉米產(chǎn)量；2017 年深松耕較旋耕在一定程度上改善了玉米穗部性狀，但差異不顯著；與前2 年不同，2018 年深松耕玉米百粒質(zhì)量雖顯著大于旋耕，但其余穗部性狀均較旋耕差，并在禿尖長和穗粒數(shù)上表現(xiàn)顯著。

由表2 所示：同一年份下，深松耕對玉米葉面積指數(shù)影響顯著(P＜0.05)，表現(xiàn)為深松耕處理玉米葉面積指數(shù)高于(2016 年)或顯著高于(2017年)旋耕處理，而2018 年卻表現(xiàn)為旋耕處理玉米葉面積指數(shù)顯著低于深松耕處理。深松耕對玉米株高和莖粗雖無顯著影響，但也表現(xiàn)出與對葉面積指數(shù)相同的影響規(guī)律：前2 年深松耕玉米株高和莖粗大于旋耕處理，2018 年則相反。說明在玉米生長前期，隨著深松耕年限延長，深松耕促進玉米生長、增產(chǎn)的效果持續(xù)2 年后會呈下降趨勢，并且與旋耕相比，連年深松耕促進玉米生長的幅度逐年降低，甚至在第3 年出現(xiàn)負增長。

表1 深松耕對玉米產(chǎn)量性狀的影響Tab.1 Effect of sub-soiling on the yield traits of maize

表2 深松耕對大喇叭口時期玉米生長的影響Tab.2 Effect of sub-soiling on the maize growth at the big flare stage

如表3 所示：在玉米收獲期，由于2017 年玉米生長前期葉面積指數(shù)較其他2 年高，利于后期玉米生長，所以無論是株高、穗位高，還是莖粗，都較其他2 年大，生長最好。隨著耕作年限增加，不同耕作處理表現(xiàn)出與玉米大喇叭口時期相同的影響規(guī)律。

2.2 深松耕對土壤容重的影響

如表4 所示：各處理土壤容重隨土層深度的增加而增大，不論土層深度，2 種耕作方式的土壤容重均表現(xiàn)為深松耕＜旋耕。具體來看，在2016 年，0～10 cm 土層，深松耕處理土壤容重顯著低于旋耕處理(P＜0.05)，降低幅度達11.30%；2017 年，與旋耕處理相比，深松耕處理顯著降低了3 個土層土壤容重(P＜0.05)，其中＞10～20 cm和＞20～30 cm 土層降低幅度較為明顯，分別達到11.76%和13.74%；從2018 年各土層土壤容重平均值來看，與旋耕相比，深松耕對容重的影響與前2 年相似，但影響幅度下降。說明深松耕對降低土壤容重有一定的促進作用，隨深松耕年限延長，促進程度先增加后減小。另外，2 種耕作方式實施3 年后，無論是旋耕還是深松耕均使土壤容重增加，特別是＞10～20 cm 和＞20～30 cm 土層。

2.3 深松耕對土壤含水量的影響

如表5 所示：在玉米收獲期，降雨減少，氣溫下降，土壤水分狀況相對穩(wěn)定，3 個土層土壤含水量差異不大，2017 年土壤含水量高于其他2 年。在2017 年和2018 年，深松耕＞10～20 cm和＞20～30 cm 土層土壤含水量顯著高于旋耕，說明深松耕有利于保持深層土壤水分。

2.4 深松耕對土壤總孔隙度的影響

如表6 所示：深松耕對土壤總孔隙度的影響規(guī)律表現(xiàn)為深松耕＞旋耕。從不同年份來看，不同土層的土壤總孔隙度在2017 年最大，2016 年次之，2018 年最??；在2016 年0～10 cm 土層和2017 年0～10 cm、＞10～20 cm 以及＞20～30 cm 土層，深松耕處理土壤總孔隙度顯著大于旋耕處理(P＜0.05)，分別達11.30%和8.04%、11.76%以及13.74%；2018 年2 處理間土壤總孔隙度無顯著差異，但從平均值來看，仍是深松耕處理土壤總孔隙度最大。此外，與旋耕相比，2017 年和2018年均表現(xiàn)出深松耕處理對＞20～30 cm 土層土壤總孔隙度的增加幅度比對0～10 cm 和＞10～20 cm 土層土壤總孔隙度的大，說明深松耕更有利于增加深層土壤總孔隙度，有助于土壤氣體的交換和水分蓄積和運輸。

表3 深松耕對收獲期玉米生長的影響Tab.3 Effect of sub-soiling on the maize growth at the harvest time

表4 深松耕對土壤容重的影響Tab.4 Effect of sub-soiling on the soil bulk density

2.5 深松耕對土壤緊實度的影響

土壤緊實度也稱土壤貫穿阻力，反映土壤的機械化適耕性。如表7 所示：連續(xù)耕作3 年后，土壤緊實度與土壤容重結(jié)果表現(xiàn)一致，無論是旋耕還是深松耕的土壤緊實度都明顯增加。各處理土壤呈現(xiàn)上松下緊的現(xiàn)象，隨著深松耕年限增加，深松耕處理各土層土壤緊實度表現(xiàn)出先降低后增加的變化趨勢。具體來說，在2016 年和2017 年0～10 cm、＞10～20 cm 土層，深松耕處理土壤緊實度均低于旋耕處理，其中，對2016 年＞10～20 cm 土層土壤緊實度降低效果顯著(P＜0.05)，降幅達12.77%；與前2 年相反，與旋耕相比，2018 年深松耕處理增加了0～10 cm 和＞10～20 cm 土層土壤緊實度，增幅分別達9.02%和7.42%。

3 討論

本研究針對典型的石灰?guī)r坡耕地，通過3 年的大田試驗，研究發(fā)現(xiàn)與常規(guī)旋耕相比，第1 年深松耕處理后，土壤犁底層被打破，容重和緊實度降低，土壤孔隙增加，保水效果提高，為玉米生長發(fā)育創(chuàng)造了良好的環(huán)境，增產(chǎn)效果顯著，但隨深松耕年限延長，土壤容重和緊實度較第1 年增加，土壤總孔隙減少，深松耕增產(chǎn)效果下降，第3 年甚至減產(chǎn)。所以，為實現(xiàn)該地區(qū)玉米高效增產(chǎn)，隔年深松耕土壤是值得推廣的耕作方式。另外，除了深松耕年限，還應(yīng)考慮當(dāng)?shù)厣a(chǎn)上連年深松耕的勞動力投入、深松耕與其他耕作方式輪換的可行性以及是否需要配合其他農(nóng)藝措施等。

表5 深松耕對土壤含水量的影響Tab.5 Effect of sub-soiling on the soil moisture content

表6 深松耕對土壤總孔隙度的影響Tab.6 Effect of sub-soiling on the soil total porosity

表7 深松耕對土壤緊實度的影響Tab.7 Effect of sub-soiling on the soil compactness

深松耕具有顯著的增產(chǎn)作用已在許多地區(qū)得到了證實，其主要的增產(chǎn)機制是降低了土壤容重和緊實度[18-19]，深松后的土壤虛實并存，土壤孔隙增多，通氣性得到改善，導(dǎo)熱性及蓄水能力增強，雨水滲透到深層土壤，有效減少了地面徑流和水分蒸發(fā)，作物根系下扎得更深，提高了作物對水肥的利用率，進而實現(xiàn)增產(chǎn)[20-21]。另外，深松耕不擾亂土層，利于保持土壤養(yǎng)分上高下低的垂直分布規(guī)律，降低土壤有機質(zhì)礦化速率，從而促進土壤有機質(zhì)含量的增加，加快深土層的熟化[22]，為作物根群創(chuàng)造了良好的土壤環(huán)境。因此，深松耕協(xié)調(diào)改善了土壤水肥氣熱條件，能更好地供給作物生長所需的水分與養(yǎng)分，作物根系發(fā)育良好，其營養(yǎng)范圍擴大，土壤透水性和通氣性得到相應(yīng)改善，好氧性微生物活動頻繁，有機物質(zhì)能更充分地被分解，養(yǎng)分能有效被作物利用[23]。

多項研究結(jié)果均表明：深松耕對土壤改良作用效果好，也能顯著提高作物產(chǎn)量，但本研究中，受土壤容重、總孔隙度以及緊實度的影響，與常規(guī)旋耕相比，深松耕處理在前期雖能增加玉米產(chǎn)量，但隨著深松耕時間延長，增產(chǎn)率呈下降趨勢，甚至減產(chǎn)，說明連年深松耕不利于增產(chǎn)。也有少量研究表明：連年深松耕會引起底層土壤通透性增大，底層有機質(zhì)的礦化增加，不利于有機碳的固定和累積[24]。導(dǎo)致這一問題的原因可能有以下兩方面。一方面深松耕效應(yīng)有一定的持續(xù)期，深松耕頻繁反而會影響其作用的發(fā)揮。例如，鄭侃等[25]研究結(jié)果表明：深松耕+免耕處理2～3 年時可使作物產(chǎn)量顯著提高，增產(chǎn)量為13.96%，當(dāng)連續(xù)深松耕4 年以上時，作物增產(chǎn)速率開始下降；同樣的，何進等[26]認為：無需連年深松耕土壤，因為其效果可持續(xù)4 年以上，建議免耕4 年后，進行1 次深松耕，土壤結(jié)構(gòu)會得以保持，作物高產(chǎn)效果穩(wěn)定；LOPEZ 等[27]則表示2～3 年深松耕1 次利于作物維持高產(chǎn)。其次，可能是長期相同的耕作措施容易引起病蟲害的發(fā)生，影響作物產(chǎn)量。深松耕后土壤疏松，透氣性好，有利于致病菌的生長和繁殖，連年深松耕的農(nóng)田土壤致病菌數(shù)量較常規(guī)旋耕有較大幅度的提高，并隨深松耕年限的延長而增加。SONG 等[28]研究表明：連年深松耕處理會顯著增加病菌數(shù)量，玉米病害逐年加重趨勢明顯。所以，還需從土壤化學(xué)性狀，比如有機質(zhì)含量、土壤有效養(yǎng)分等方面進一步研究連年深松耕對于該地區(qū)玉米產(chǎn)量的影響機理。

4 結(jié)論

本研究通過3 年大田試驗，發(fā)現(xiàn)與旋耕(對照)相比，深松耕顯著降低了耕層(0～20 cm)土壤容重和土壤緊實度，且在2016 年分別降低了7.24%和12.22%，增加了土壤總孔隙度，有利于保持深層土壤水分，有助于促進玉米生長發(fā)育，顯著增加干物質(zhì)積累量，進而提高玉米經(jīng)濟產(chǎn)量和生物產(chǎn)量，但其效果隨深松耕年限的延長先增后減；隨著深松耕年限增加，與同年旋耕處理相比，深松耕處理增產(chǎn)優(yōu)勢呈下降趨勢，甚至減產(chǎn)，表現(xiàn)為深松耕處理分別增加經(jīng)濟和生物產(chǎn)量13.76%和28.21% (2016 年)、2.32%和21.38%(2017 年)，2018 年減產(chǎn)4.36%和1.53%。深松耕在該地區(qū)具有一定適宜性，其效果能持續(xù)2 年，且在第1 年最為明顯，所以隔年深松耕配合旋耕是較為適宜的耕作措施。