秋季深耕分層施肥對遼北地區(qū)玉米產(chǎn)量及土壤理化特性的影響

趙 萍，徐國發(fā)，李增璽，王瑞麗，于天闊

（沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，沈陽 110161）

遼北地區(qū)屬于半丘陵、半平原區(qū)，春季多風(fēng)少雨，十年九旱，再加上長期連年旋耕，導(dǎo)致犁底層增厚并上移，致使耕層變淺、土壤容重大、通水透氣性差、作物根系難以向下伸展造成倒伏，同時造成耕作層與心土層之間水、氣、肥及熱的連通性差，不利于作物生長發(fā)育,農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境亟待改善、可持續(xù)發(fā)展水平亟待提高。另外，土壤提供的自然養(yǎng)分滿足不了作物生長所需的養(yǎng)分，使化肥的使用成為必然，隨著經(jīng)濟(jì)和社會的發(fā)展，現(xiàn)階段肥料的施用已經(jīng)由單純提高產(chǎn)量為目標(biāo)轉(zhuǎn)化為綜合考慮產(chǎn)量與環(huán)境的并重，而且環(huán)境要求更為重要。目前，最常用的施肥方式為：基肥+中耕追肥、一次性基施復(fù)合肥或一次性基肥+種肥[1-3]，追肥多為降雨前后撒施，不但降低了肥料的利用率而且污染環(huán)境。一次性施肥多數(shù)也是淺層施肥[4]，也不易使肥料最大程度被利用。因此，如何合理施肥，提高其利用率有待于進(jìn)一步研究。

近些年，國家高度重視地力的恢復(fù)，每年發(fā)布的中央一號文件都要提及，秸稈還田覆蓋、少耕免耕等保護(hù)性耕作技術(shù)是農(nóng)業(yè)改良土壤、緩減旱情的重要手段[5-8]，但也存在農(nóng)機(jī)農(nóng)藝不配套，配套的施肥、病蟲害及雜草防治技術(shù)短缺等問題，使得難以真正大面積推廣應(yīng)用。因此，要想實現(xiàn)農(nóng)業(yè)減肥增效、保墑蓄水、改善土壤結(jié)構(gòu)，進(jìn)而實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，探索合理、有效、可行的耕整地及施肥方式顯得尤為重要。研究表明[9-14]，深耕可以改善土壤耕層結(jié)構(gòu)、改良土壤理化特性、提高雨水的利用率，是保水保土實現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的有效措施之一，特別是秋季深耕在改善土壤耕層結(jié)構(gòu)、增加含水率方面效果更為明顯[15]；分層施肥可以確保施肥深度，肥料與土壤可以有效融合，防止燒種、燒苗，還能保證耕作層養(yǎng)分均衡、充分吸收，提高肥料利用效率?；谝陨戏治?，本研究分析了秋季深耕分層施肥與傳統(tǒng)春季旋耕后播種施肥兩種模式對玉米產(chǎn)量及土壤理化特性的影響，探索秋季深耕分層施肥模式對該地區(qū)農(nóng)業(yè)的適應(yīng)性及效果。為遼北地區(qū)的土壤改良、肥料有效利用及抗旱提供參考，具有一定實際意義，也為后期進(jìn)一步探索保護(hù)性耕作模式奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2018年10月至2019年10在遼寧省沈陽市法庫縣玉米示范基地（東經(jīng)123.69o,北緯42.54o）進(jìn)行。該地區(qū)位于遼寧省北部，屬大陸性季風(fēng)氣候，春季干旱多風(fēng)，夏季炎熱，十年九旱，冬季寒冷，且年內(nèi)降雨分布不均，年均氣溫6.7℃，年均降雨量約600mm，極端年最少降雨量264.7mm，極端年最大降雨量943.2mm（1985年），生育期4~9月份多年平均積溫3124.2℃，生長期年平均165d，最長達(dá)174d，最短為112d。試驗地塊質(zhì)地為壤土，多年來一直采用玉米連作、春季普通旋耕方式，耕層平均厚度為12~16cm；播前測定土壤容重為1.43g·cm-3，速效氮、磷、鉀分別為70.73，10.03，54.43mg·kg-1。

1.2 試驗材料

供試作物：春玉米東單118。供試肥料：尿素(300kg·hm-2)、磷酸二胺(450kg·hm-2)、硫酸鉀(225kg·hm-2)。試驗機(jī)具：深耕合壟施肥機(jī)。該機(jī)可一次性完成深耕、分層施肥、合壟整形成大壟,開溝深度可達(dá)到30cm，施肥深度可達(dá)到10~25cm耕層均勻施肥。作業(yè)時，兩個開溝犁將耕層土壤向兩側(cè)犁開形成梯形壟溝，排肥器將肥料均勻排出，通過中間排肥管將肥料輸送到壟溝底部，兩側(cè)排肥管將肥料輸送到壟溝梯形面上實現(xiàn)分層施肥（圖1）,覆土犁把犁向兩側(cè)的土壤推向壟溝，近似于梯形的整壟裝置將起壟中間的浮土擠壓形成平整大壟（圖2）。

圖1 壟溝形狀及施肥方式Figure 1 Furrow shape and fertilization method

圖2 深耕合壟施肥機(jī)及作業(yè)效果Figure 2 Furrow fertilizing machine and its effect

1.3 試驗設(shè)計

試驗地塊為土壤條件相同的相鄰地塊，共0.67hm2，分別設(shè)置試驗田（S）0.335hm2和對照田（P）0.335hm2。試驗田（S）在秋季滅茬后利用深耕合壟施肥機(jī)進(jìn)行深耕分層施肥處理，施肥量按1.2節(jié)供施肥料量的2/3施入，其余1/3春季播種時用施肥播種機(jī)施入，最終達(dá)到整個耕層均有化肥施入；對照田（P）在春季進(jìn)行傳統(tǒng)的普通旋耕播種施肥處理（施入總量的2/3），玉米拔節(jié)前中耕追肥（追肥量為總量的1/3），施肥總量以及其他因素均與試驗田相同。

1.4 測定指標(biāo)、方法與數(shù)據(jù)處理

用可以精確采集不同深度“土壤環(huán)刀取樣器”采集土壤樣本，樣本數(shù)都為30個，采集后立即裝入自封袋密封。

1.4.1 土壤容重及含水率在玉米的苗期、拔節(jié)期以及收獲期分別采集試驗田和對照田0~10，10~20，20~30cm土層的土樣，測定玉米不同生長時期不同土層的容重和含水率。土壤容重利用土壤容重測定儀（環(huán)刀法）測量，含水率利用烘干法測量。

1.4.2 土壤養(yǎng)分玉米拔節(jié)期是生長最快的時期，需要有足夠的營養(yǎng)成分。因此，本研究在玉米生長剛進(jìn)入拔節(jié)期時，分別測定試驗田與對照田0~10，10~20，20~30cm土樣養(yǎng)分，主要測試指標(biāo)為土壤速效養(yǎng)分（速效氮、磷、鉀）。土壤速效氮利用堿解擴(kuò)散法測定；速效磷利用鉬銻抗比色法測定；速效鉀利用火焰光度計法測定。

1.4.3 玉米產(chǎn)量玉米收獲期，分別在試驗田和對照田隨機(jī)選取3個采樣點(diǎn)求其平均值，每個采樣點(diǎn)取6m2，進(jìn)行摘穗、扒皮、脫粒、稱重，用LDS-1G型谷物水分測定儀測定玉米實際含水量，計算產(chǎn)量時按14%標(biāo)準(zhǔn)水計算，計算公式為：最終產(chǎn)量=毛重×（1-實際含水量%）/(1-14%)，稱重采用精度為0.001kg的電子秤。

1.4.4 數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)處理采用SPSS 22.0統(tǒng)計分析軟件進(jìn)行分析，根據(jù)相關(guān)性（p<0.05）進(jìn)行顯著性比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 秋季深耕分層施肥對土壤含水率的影響

由圖3可知，耕作方式對土壤含水率的影響較為顯著（p<0.05），玉米生長拔節(jié)期差異最為明顯。秋季深耕分層施肥處理有較為明顯的蓄水保水效果，在玉米生長苗期0~10，10~20，20~30cm土層試驗田比對照田土壤含水率數(shù)值分別提高3.6%、1.4%、1.0%；在玉米拔節(jié)期0~10，10~20，20~30cm土層試驗田比對照田含水率的數(shù)值分別提高3.9%、3.1%、3.0%；在玉米收獲期0~10，10~20，20~30cm土層試驗田比對照田含水率數(shù)值分別提高

圖3 不同耕作模式對耕作層土壤含水率的影響Figure 3 The effects of different tillage modes on soil moisture content in tillage layer

2.2 秋季深耕分層施肥對土壤容重的影響

土壤容重是反映土壤緊實程度、孔隙狀況等結(jié)構(gòu)性特征的重要參數(shù)，容重的變化影響著土壤的熱、肥、水、氣狀況，從而影響作物的生長[16]。在土壤環(huán)境相同的條件下，容重大，則表明土壤緊實板硬，結(jié)構(gòu)性不好，反之，表明土壤疏松多孔，結(jié)構(gòu)性良好[17]。

由圖4可知，在玉米苗期和拔節(jié)期耕作方式對土壤容重影響顯著（p<0.05），在拔節(jié)期影響相對更加明顯，其中在10~20cm土層，秋季深耕處理比春季旋耕處理土壤容重降低10.7%；玉米收獲期在0~10cm土層耕作方式對土壤容重影響不顯著(p>0.05),10~20cm土層及20~30cm土層耕作方式對土壤容重影響顯著（p<0.05）。總體來說，在10~30cm土層，深耕分層施肥降低土壤容重的效果更加明顯。

圖4 不同耕作方式對土壤容重的影響Figure 4 Effects of different tillage methods on soil bulk density

2.3 秋季深耕分層施肥對土壤有效養(yǎng)分的影響

耕作方式可以改變土壤結(jié)構(gòu),影響土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化，進(jìn)而影響土壤肥力變化[18]。本研究在玉米拔節(jié)期測試兩種耕作施肥模式下不同深度土壤速效氮、磷、鉀的含量，通過對比分析研究秋季深耕分層施肥對土壤速效性養(yǎng)分的影響。

由圖5～圖7可知，耕作方式對土壤速效養(yǎng)分影響顯著（p<0.05），而且相同耕層不同處理情況下差異也十分顯著，均達(dá)5%顯著水平。秋季深耕分層施肥（試驗田）相比春季普通旋耕播種施肥處理（對照田）可以顯著提高各耕層土壤速效養(yǎng)分含量。在0~10cm和10~20cm土層，秋季深耕分層施肥土壤速效氮含量增加較多，分別增加25.4%和37.4%；在20~30cm土層增加9.9%。秋季深耕分層施肥使各土層土壤速效磷含量提升幅度也很大，其中10~20cm土層最大，提升72.7%；0~10cm土層最低，但也提升22.8%。秋季深耕分層施肥使0~10cm土層速效鉀含量提升51.9%，10~20cm及20~30cm土層提升較小，分別提升16.7%和20.6%。兩個處理下3種速效養(yǎng)分含量隨土層深度變化規(guī)律基本相同，以0~10cm土層速效養(yǎng)分含量最高，20~30cm土層速效養(yǎng)分含量最低。

圖5 耕作方式對土壤速效氮的影響Figure 5 Effects of tillage methods on soil available nitrogen（N）

圖7 耕作方式對土壤速效鉀的影響Figure 7 Effects of Tillage Methods on soil available potassium（K）

由此可見，深耕可以使土壤容重降低，使得土壤通透性得到改善，導(dǎo)致土壤有機(jī)氮有效礦化分解，增加了土壤速效氮的含量，同時土壤環(huán)境趨于良好，保證了土壤緩效態(tài)鉀的良好釋放，從而提高了土壤有效鉀的含量。另外，深耕使土壤接近于中性[19]，有利于土壤無效磷素的效化,促使土壤速效磷含量增加。

圖6 耕作方式對土壤速效磷的影響Figure 6 Effects of tillage methods on soil available phosphorus（P）

2.4 秋季深耕分層施肥對玉米產(chǎn)量的影響

本研究在收獲期按1.4.3節(jié)方法對試驗田和對照田進(jìn)行測產(chǎn)，測得的結(jié)果如表1。由表1可知，試驗田和對照田單位面積上玉米穗數(shù)基本持平，但產(chǎn)量提高11.99%，增產(chǎn)效果明顯。

表1 不同耕作方式下玉米產(chǎn)量Table 1 Maize yield in different tillage methods

3 討論與結(jié)論

深耕可以降低土壤容重，這與孟慶陽等[11-12]的研究結(jié)果一致。本試驗研究中在玉米生長苗期、拔節(jié)期及收獲期10~30cm土層春季旋耕和秋季深耕對土壤容重的影響有顯著性差異，尤其在10~20cm土層秋季深耕可降低土壤容重8%~10.7%。結(jié)果表明深耕處理可以有效打破堅實的犁底層，改善耕作層中下層土壤板結(jié)情況，使土壤環(huán)境得到良好改善，從而提高土壤可持續(xù)生產(chǎn)能力。

秋季深耕和春季旋耕對土壤含水率的影響存在顯著性差異，秋季深耕吸水儲水效果明顯，有效提高耕作層土壤含水率，特別是在苗期和拔節(jié)期，0~20cm土層更為明顯，其中10~20cm最為明顯。分析其原因，秋季深耕分層施肥合壟整形成大壟，來年直接播種，這樣有效避免了春季風(fēng)大動土導(dǎo)致的水分流失；其次，秋季深耕打破犁底層，降低土壤容重，增加了土壤孔隙，改善了土壤固、液、氣三相比，土壤底層有效吸收了深秋的雨水和冬季的雪水，鎖住了水分防止了徑流，提高了蓄水能力。因此，秋季深耕對于旱作農(nóng)業(yè)來說是很好的選擇。

張玉玲等[20]通過試驗研究得出深耕可以提高土壤養(yǎng)分，DíAZ-ZORITA[21]研究得出深耕有利于土壤養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化與利用。本研究中秋季深耕分層施肥提高了土壤肥力，相對于普通春季旋耕播種施肥，0~30cm耕作層土壤速效磷、速效鉀含量均有顯著提升（p<0.05）。在0~10cm養(yǎng)分都有提升，速效氮含量提高25.4%，說明淺旋淺施肥肥料揮發(fā)損失嚴(yán)重（尤其是氮素），利用率很低；而秋季深耕施肥經(jīng)過冬春的凍融交替，形成了良好的土體結(jié)構(gòu)，使得肥料與土壤長時間融合，同時土壤疏松，提高了水分的入滲和貯存，增加了肥料的溶解能力，減少其揮發(fā)與流失。其次，深耕使得土壤環(huán)境改善，導(dǎo)致有機(jī)氮有效礦化分解，緩效態(tài)鉀良好釋放，無效磷素效化明顯，使得速效氮磷鉀有明顯提升，綜合評價增幅順序應(yīng)該為速效鉀>速效磷>速效氮，至于速效磷在10~20cm土層增幅達(dá)到72.7%，除了和效化有關(guān)，也和磷酸二銨的使用量較大有關(guān)，試驗地塊初始土壤檢測時含速效磷偏低，因此配肥時比例較大，建議具體應(yīng)用時可根據(jù)實際情況合理配肥。

本研究機(jī)具達(dá)到了分層且深層施肥的效果，使得整個土壤耕作層肥力均衡，符合玉米拔節(jié)孕穗期、抽穗開花期、籽粒形成期的養(yǎng)分需求規(guī)律，增產(chǎn)效果明顯。秋季分層深施肥可以為農(nóng)業(yè)減肥增效提供一種途徑。本研究結(jié)果表明秋季深耕分層施肥是適合遼寧乃至東北的一種玉米生產(chǎn)耕作方式。但在生產(chǎn)實際應(yīng)用過程中，應(yīng)因地制宜，結(jié)合具體土壤實際情況，進(jìn)行合理深耕和施肥。而且也不必年年連續(xù)深耕，建議根據(jù)土壤情況每隔1年或2年進(jìn)行深耕1次，也就是深耕和免耕或旋耕輪耕的保護(hù)性耕作模式。