深松耕作對新疆綠洲棉田土壤特性及產(chǎn)量形成的影響

郭仁松,王 亮,崔建平,林 濤,鄭子漂,瑪依拉玉素音,田立文

(新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院 經(jīng)濟(jì)作物研究所/農(nóng)業(yè)部荒漠綠洲作物生理生態(tài)與耕作重點實驗室,烏魯木齊 830091)

棉花是新疆主要經(jīng)濟(jì)作物,種植區(qū)域集中、面積大,且作物種類單一,輪作倒茬困難,棉田連作現(xiàn)象嚴(yán)重[1]。長期連作可使棉田土壤質(zhì)量下降,土壤結(jié)構(gòu)變劣,易形成堅硬的犁底層,阻礙土壤水、氣、熱交換運(yùn)輸,從而抑制棉花產(chǎn)量提高[2-3]。深松能破除犁底層,疏松耕層以下深層土壤,且不翻轉(zhuǎn)土層,在淺翻耕、旋耕及免耕區(qū)域的農(nóng)田上應(yīng)用廣泛[4-5]。張麗等[6]研究表明,深松+秸稈還田能有效打破玉米田傳統(tǒng)犁底層,使10～30 cm土壤體積質(zhì)量顯著降低11.5%,土壤緊實度也較對照下降。李俊紅等[7]研究發(fā)現(xiàn)雙深松覆蓋可提高土壤含水率和水分利用效率,作物干物質(zhì)積累量增加,產(chǎn)量提高。劉衛(wèi)玲等[8]研究認(rèn)為,秋翻耕+夏深松土壤含水率提高11.3%,冬小麥干物質(zhì)積累量增加28.2%。前人研究表明:深松能加厚耕層,增加土壤蓄水能力,促進(jìn)作物根系向深層次土壤生長,提高作物中后期對土壤水分和養(yǎng)分的利用效率,促進(jìn)作物產(chǎn)量形成[9-11]。但傳統(tǒng)深松深度范圍多在20～35 cm,而生產(chǎn)上棉田翻耕深度已達(dá)到30 cm左右,且犁底層深度在28～45 cm。因此,研究適宜新疆綠洲連作棉田深松耕作深度是亟需解決的問題。本研究以新疆綠洲連作棉田為研究對象,設(shè)置不同深松耕作深度處理,探討深松耕作對土壤特性及棉花產(chǎn)量形成的影響,旨為新疆綠洲連作棉田土壤環(huán)境改善提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗概況

試驗于2017年11月-2018年10月在新疆農(nóng)科院阿瓦提縣棉花綜合試驗基地進(jìn)行。試驗所在地是溫帶大陸性氣候,典型的干旱區(qū)綠洲灌溉農(nóng)業(yè),降水稀少,年均降水量46.7 mm,年均蒸發(fā)量1 890.7 mm,年均氣溫10.4℃,無霜期211 d。試驗田0～30 cm土層為中壤土,30～40 cm土層為重壤土,40～60 cm土層為黏土,犁底層厚度12 cm,棉花連作年限20 a以上,為典型的連作棉田。耕層土壤有機(jī)質(zhì)6.7 g/kg,全氮0.41 g/kg,堿解氮31.5 mg/kg,速效磷19.2 mg/kg,速效鉀123 mg/kg,供試棉花品種為‘新陸中88號’。

1.2 試驗設(shè)計

試驗采用單因素隨機(jī)區(qū)組設(shè)計,在秸稈還田和常規(guī)翻耕條件下,以不深松棉田為對照(SST0),設(shè)置3個深松處理分別為30 cm(SST1)、40 cm(SST2)、50 cm(SST3),并在各處理的基礎(chǔ)上將棉花秸稈全量粉碎還田,翌年播種前進(jìn)行常規(guī)翻耕,即各處理分別為:SST0(秸稈還田+翻耕)、SST1(深松30 cm+秸稈還田+翻耕)、SST2(深松40 cm+秸稈還田+翻耕)、SST3(深松50 cm+秸稈還田+翻耕),共4個處理,3次重復(fù),小區(qū)面積48.3 m2。深松在2017-11-25進(jìn)行,采用彎刀式深松機(jī)(帶有精準(zhǔn)控制深度定位儀),深松后灌溉冬水。翻耕在2018-04-12統(tǒng)一進(jìn)行,翻耕深度25 cm,各處理均翻耕前施基肥N:150 kg/hm2,P2O5:270 kg/hm2,K2O:75 kg/hm2。4月15日播種。棉花全生育期灌水總量為3 600 m3/hm2,隨水追肥N:225 kg/hm2。采用2.05 m寬膜覆蓋,1膜6行,棉花行距配置為:10 cm+66 cm,株距為11 cm,其他管理措施同大田。

1.3 測定指標(biāo)及方法

1.3.1 土壤指標(biāo) 在棉花生長關(guān)鍵期蕾期(6月15日)、花鈴期(7月25日)、吐絮期(9月5日)取0～60 cm土層土樣,每10 cm為一土層,取樣1個,重復(fù)3次。采用環(huán)刀法測定土壤體積質(zhì)量,烘干法測定土壤含水率,土壤電導(dǎo)率法測定土壤含鹽量。利用SC-900土壤緊實度儀測定不同生育時期土壤緊實度。

1.3.2 干物質(zhì)和產(chǎn)量 在棉花生長不同生育時期,取長勢均勻的具有代表性植株6株,利用烘箱120℃殺青30 min,調(diào)至80℃烘干至恒量,稱量,全生育期取樣6次,并用logistic方程模擬分析。棉花成熟吐絮后,每處理取吐絮棉鈴50個,進(jìn)行室內(nèi)拷種,測定單鈴質(zhì)量、衣分,實數(shù)小區(qū)收獲株數(shù),實收小區(qū)產(chǎn)量記產(chǎn)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2010、Suffer 8.0和DPS 7.05對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析和作圖,不同深松處理之間差異顯著性采用新復(fù)極差法,顯著水平P＜0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 深松耕作對新疆綠洲棉田土壤體積質(zhì)量的影響

由圖1可知,蕾期0～60 cm土層深度內(nèi),各處理土壤體積質(zhì)量隨深度變化呈先增大后減小的趨勢,不深松處理(SST0)土壤體積質(zhì)量均明顯高于其他深松處理,0～30 cm土層深度內(nèi),不同處理間土壤體積質(zhì)量變化表現(xiàn)為SST2＜SST3＜SST1＜SST0,30～60 cm土層,SST3處理土壤體積質(zhì)量最小,SST2處理次之;進(jìn)入花鈴期后,各處理土壤體積質(zhì)量有所增大,但處理間變化規(guī)律不同,整個土層深度內(nèi),土壤體積質(zhì)量為SST2＜SST3＜SST1＜SST0,不同的是30 cm土層以下,SST2和SST3處理土壤體積質(zhì)量呈減小趨勢,而SST1和SST0處理明顯高于其他兩個處理。吐絮期,0～30 cm土層各處理土壤體積質(zhì)量變化規(guī)律同蕾期至花鈴期變化趨勢基本一致,在深層土體內(nèi),僅SST3處理土壤體積質(zhì)量顯著減小,而其他3個處理均呈增大變化趨勢。從整個生育期來看,0～60 cm土層內(nèi),均以SST0處理土壤體積質(zhì)量最大,且0～30 cm土層則以SST2處理土壤體積質(zhì)量最小。與SST0相比,SST1、SST2、SST3處理0～60 cm土層平均土壤體積質(zhì)量降低0.84%、3.94%、4.78%。由此說明,深松改變了棉田土壤結(jié)構(gòu),易創(chuàng)造深厚疏松的耕層土壤環(huán)境,隨深松深度增加,土壤體積質(zhì)量逐漸減小,并以SST2處理效果最好。

2.2 深松耕作對新疆綠洲棉田土壤緊實度的影響

新疆棉田經(jīng)過長期連作存在堅硬的犁底層,犁底層土壤緊實度較高,阻礙棉花根系下扎和水分、養(yǎng)分運(yùn)輸。由圖2可知,各處理土壤緊實度在不同生育期差異明顯,蕾期0～20 cm土層土壤緊實度表現(xiàn)為SST2＞SST1＞SST3＞SST0,土層深度達(dá)到30 cm左右時,SST0處理土壤緊實度達(dá)到最大值,表現(xiàn)為SST0＞SST1＞SST2＞SST3,分別高27.97%、54.88%、61.45%?；ㄢ徠?～20 cm土層以SST0土壤緊實度最高,且在10～20 cm SST0與其他處理差異顯著,30 cm以下土層與蕾期表現(xiàn)基本一致,但各處理間差異減小,SST0、SST1土壤緊實度高于SST2、SST3。吐絮期各處理土壤緊實度差異進(jìn)一步減小,0～20 cm平均值表現(xiàn)為SST1＞SST3＞SST2＞SST0,30 cm以下土層表現(xiàn)為SST0＞SST1＞SST2＞SST3,分別高9.20%、21.73%、36.52%。與SST0相比,SST1、SST2、SST3處理0～60 cm土壤緊實度降低1.84%、9.49%、16.57%。由此說明,深松處理對耕層土壤緊實度有一定影響,但規(guī)律性不明顯,而耕層以下深層次土壤緊實度則隨深松深度增加呈下降趨勢。

2.3 深松耕作對新疆綠洲棉田土壤含鹽量的影響

新疆棉田普遍存在次生鹽堿化問題,棉田土壤含鹽量的變化對棉花生長產(chǎn)生重要影響。如圖3所示,蕾期至花鈴期各處理土壤鹽分含量變化規(guī)律基本一致,在0～30 cm土層,各處理土壤鹽分含量變化規(guī)律表現(xiàn)為SST2＜SST3＜SST1＜SST0處理,SST0處理鹽分濃度峰值出現(xiàn)在20～30 cm土層,而30～60 cm土層內(nèi),土壤鹽分含量變化規(guī)律則表現(xiàn)為SST0＜SST1＜SST2＜SST3處理,且SST0處理顯著低于其他處理,隨土層深度增加,深松處理土壤鹽分濃度逐漸增大,土壤鹽分被淋洗至深層土壤,且隨深松深度增加,深層土壤鹽分增大,這主要是由于不深松處理土壤緊實度大,鹽分未能隨水向深層淋洗,而深松處理打破了土壤犁底層,增大了土壤通透性,易于鹽分隨水向下移動,脫鹽效果較好。至吐絮期,各處理土壤含鹽量明顯增大,上層土體內(nèi)土壤含鹽量高于下層土壤含鹽量,以SST3處理土壤含鹽量較大,而深層土壤內(nèi)則呈相反的變化規(guī)律,這可能是由于生育末期形成返鹽的作用,且深松深度愈大返鹽越強(qiáng)烈。綜上表明,增加深松深度,可使土壤透性增大,有利于耕作層脫鹽,且SST2處理可維持更低的安全鹽分土壤環(huán)境。

2.4 深松耕作對新疆綠洲棉田土壤含水率的影響

由圖4可知,棉花蕾期,在0～30 cm土層內(nèi),以SST2處理土壤含水率最高,SST0處理土壤含水率最低,30 cm土層以下,SST0處理土壤含水率明顯增大,其他處理土壤水分含量波動較大,這可能是由于深松打破土壤犁底層,深層土壤水分向上移動造成,而不深松處理由于犁底層的存在,下層土壤水分向上移動受阻,故含水量增加。進(jìn)入花鈴期,0～60 cm土層,各處理間土壤水分含量變化差異更明顯,且不同處理變化規(guī)律與蕾期一致,30 cm土層以上,處理間土壤含水率呈SST2＞SST3＞SST1＞SST0。到吐絮期,各處理表層土壤含水率顯著降低,隨土層深度增加,土壤含水率逐漸增大,且仍以SST2處理土壤含水率最大。苗期、花鈴期0～30 cm土層土壤含水率以SST2最高,較SST0增加31.00%、64.50%。分析表明,在0～30 cm土層,各生育時期SST2處理土壤含水率顯著高于其他處理,SST0處理最低,在30～60 cm土層,SST0處理土壤含水率明顯增大,深松處理有利于蓄水保墑,可提高深層土壤的水分利用率,以SST2處理保水性能最好。

2.5 深松耕作對新疆綠洲棉田棉花干物質(zhì)積累的影響

不同處理棉花各生育時期的干物質(zhì)積累情況如圖5,深松對棉花干物質(zhì)積累量的影響主要表現(xiàn)在盛花期之后,呈現(xiàn)SST 2＞SST 3＞SST 1＞SST0,且各處理間差異顯著(P＜0.05);SST2處理干物質(zhì)積累量顯著高于其他處理,其他生育時期雖然各處理干物質(zhì)積累量呈相同的變化規(guī)律,但差異不顯著。表明適度深松有助于促進(jìn)棉花單株干物質(zhì)的形成,深松40 cm棉花各生育時期干物質(zhì)積累量最高。

應(yīng)用Logistic生長模型對各處理棉花的干物質(zhì)積累過程進(jìn)行擬合(表1)。從棉花總干物質(zhì)積累的動態(tài)變化來看,隨深松深度的增加,單株干物質(zhì)最大積累速率和生長特征值均呈現(xiàn)為先增大后減小的變化趨勢,當(dāng)深松40 cm時,積累速率和生長特征值(GT)達(dá)到最大,不進(jìn)行深松處理的最大積累速率最小。各處理干物質(zhì)積累進(jìn)入快速增長期的起始日差異不大,SST0處理持續(xù)期最長,隨著深松深度的增加,快速積累持續(xù)期明顯縮短。最大積累速率(Vm)則表現(xiàn)為SST2＞SST3＞SST1＞SST0。綜上表明,深松有利于加快干物質(zhì)的快速積累量,縮短積累期。

表1 棉花干物質(zhì)積累的Logistic生長模型及相關(guān)參數(shù)Table1 Growth model and related parameters of logistic for dry matter accumulation of cotton

2.6 深松耕作對新疆綠洲棉田產(chǎn)量的影響

由表2可知,深松處理促進(jìn)了棉花產(chǎn)量形成,籽棉產(chǎn)量表現(xiàn)為SST2＞SST3＞SST1＞SST0,分別較SST0高18.20%、2.45%、0.26%。其中SST2、SST3單 株 結(jié) 鈴 數(shù) 顯 著 高 于SST0(P＜0.05),SST2單鈴質(zhì)量與衣分較SST0有所提高,但差異不顯著(P＞0.05)?？梢娺m當(dāng)?shù)纳钏煽梢蕴岣呙尢锂a(chǎn)量,其中深松40 cm對提高棉花單株結(jié)鈴數(shù)和產(chǎn)量的效果最顯著。

表2 深松耕作棉花產(chǎn)量及產(chǎn)量因子Table2 Component factors and yield of cotton under treatment of subsoiling

3 討論

3.1 深松耕作對棉田土壤特性的影響

深松耕作措施可擾動深層次土壤,且不翻轉(zhuǎn)土層,改善和調(diào)節(jié)土壤結(jié)構(gòu)。新疆綠洲棉田種植區(qū),長期采用傳統(tǒng)翻耕方式,土壤粉質(zhì)化加重,土壤孔隙度減小,土壤穿透阻力增加[12]。黃健等[13]研究表明隨著土壤體積質(zhì)量的增加,土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)逐漸喪失,土壤結(jié)構(gòu)緊密堅實,土壤通透性能降低。Alamouti等[14]發(fā)現(xiàn)與常規(guī)耕作相比,深松可使0～50 cm土層深度土壤體積質(zhì)量平均降低0.14 g/cm3,且在深度32 cm時對土壤體積質(zhì)量影響最大。土壤緊實度與土壤體積質(zhì)量呈正相關(guān),深松后耕層土壤孔隙度增加,土壤緊實度較深松前下降25.66%,土壤通氣狀況改善[15]。本研究表明深松可顯著降低新疆棉田土壤體積質(zhì)量,在0～30 cm土層土壤體積質(zhì)量蕾期各處理差異明顯,以深松40 cm土壤體積質(zhì)量最小。30～60 cm土層土壤體積質(zhì)量SST3、SST2顯著低于SST0。0～60 cm平均土壤緊實度表現(xiàn)為SST3＜SST2＜SST1＜SST0,較SST0分別降低16.57%、9.49%、1.84%。說明深松深度增加可有效疏松耕層以下土壤,降低深層次土壤體積質(zhì)量和土壤緊實度,改善土壤結(jié)構(gòu)。

深松可以改善土壤滲透性,增加深層土壤蓄水量,提高土壤水分利用率[16]。新疆棉田次生鹽堿化問題突出,鹽分過高可通過滲透脅迫、離子毒害,影響作物生長[17]。王新兵等[18]通過深松與淺旋耕作相比,認(rèn)為0～20 cm土壤含水率略降低,20～50 cm則顯著增加7.14%。秦都林[19]研究表明,深松可降低蕾期和花鈴期0～40 cm土壤含鹽量。劉長江等[20]研究發(fā)現(xiàn)壟溝深松40 cm和中耕深松30 cm顯著降低蘇打鹽堿化旱田有效耕層土壤含鹽量。本研究表明深松40 cm顯著提高蕾期、花鈴期0～30 cm土層土壤含水率,較對照增加31.00%、64.50%,30～60 cm土層蕾期、花鈴期土壤含水率則隨深松深度增加而降低,但吐絮期以深松40 cm最高,較對照增加12.10%。蕾期、花鈴期0～30 cm土壤含鹽量以深松40 cm最低,較對照下降11.10%、19.10%,吐絮期增加4.30%。30～60 cm土層土壤含鹽量蕾期、花鈴期以SST0最低,深松處理間差異不明顯,吐絮期則SST0顯著高于深松處理?？梢?深松40 cm使深層土壤水分向耕層運(yùn)移,保證棉花關(guān)鍵生育期土壤含水率維持在較高水平,同時深松提高了冬灌水的壓鹽堿效果,使棉花關(guān)鍵生育期耕層土壤含鹽量維持較低水平,利于棉花生長和產(chǎn)量形成。

3.2 深松耕作對棉花產(chǎn)量形成的影響

深松增加了耕層深度,促進(jìn)根系對土壤水分與養(yǎng)分的吸收,顯著增加根系與地上部的干物質(zhì)積累量[21]。秦都林[19]研究表明深松顯著增加棉花花鈴期干物質(zhì)積累量,進(jìn)而使皮棉產(chǎn)量提高16.10%,產(chǎn)量增加主要是群體結(jié)鈴數(shù)和鈴質(zhì)量增加11.70%和7.30%,對衣分無顯著影響。本研究與前人研究結(jié)果基本一致,深松40 cm時能顯著促進(jìn)棉花干物質(zhì)積累量,盛花期及以后干物質(zhì)積累量顯著高于其他處理,深松40 cm使棉花干物質(zhì)提早進(jìn)入快速積累期,同時最大速率(Vm)、生長特征值(GT)顯著高于SST0。深松可顯著提高籽棉產(chǎn)量,深松40 cm時產(chǎn)量最高,較對照增加18.20%,產(chǎn)量增加主要原因是單株結(jié)鈴數(shù)提高,較SST0增加15.00%,而單鈴質(zhì)量和衣分無顯著差異。

4 結(jié)論

新疆綠洲棉田膜下滴灌條件下,采用秋深松耕作方式,可有效打破棉田長期耕作形成的犁底層,疏松深層土壤,增加耕層厚度,降低棉花關(guān)鍵生長期土壤體積質(zhì)量和土壤緊實度,提高耕層土壤含水率,使耕層土壤含鹽量顯著降低,提高冬水的脫鹽效果,促進(jìn)棉花花鈴期干物質(zhì)積累,并最終提高棉花產(chǎn)量?，F(xiàn)階段新疆主產(chǎn)棉區(qū)長期連作模式,導(dǎo)致犁底層加厚變硬,耕層土壤生產(chǎn)力退化的背景下,采用深松40 cm打破犁底層,改善土壤環(huán)境,具有較好的增產(chǎn)效果和應(yīng)用前景。