不同耕作措施對寧南地區(qū)土壤物理性質及作物產量的影響

李榮，鄢慧芳，張龍，苗芳芳，勉有明，侯賢清

不同耕作措施對寧南地區(qū)土壤物理性質及作物產量的影響

李榮1，鄢慧芳1，張龍1，苗芳芳1，勉有明2，侯賢清

1寧夏大學農學院，銀川 750021；2寧夏農林科學院固原分院，寧夏固原 756000

【目的】針對寧夏南部旱地降水不足、耕層淺薄、作物產量低等問題，探討不同耕作措施對寧南地區(qū)土壤物理性質及作物產量的影響，為合理改善旱地耕層土壤結構、選用適宜耕作措施和作物增產增效提供一定的理論支撐。【方法】以馬鈴薯和春小麥為供試作物，在寧南旱區(qū)開展2年（2019－2020年）大田試驗，設置2種耕作方式（翻耕和深松）和4種耕作深度（20、30、40和50 cm），分別為傳統(tǒng)翻耕深度20 cm、深翻耕30 cm、深松30 cm、深松40 cm、深松50 cm等5種不同耕作措施，以傳統(tǒng)翻耕深度20 cm處理為對照，研究不同耕作方式結合深度措施對作物收獲期土壤容重、生育期土壤緊實度與水分、生育期作物生物量、產量和水分利用效率的影響?！窘Y果】深松50 cm處理能顯著降低馬鈴薯季和春小麥季0—60 cm層土壤容重，平均分別較對照顯著降低6.49%和6.94%。馬鈴薯季和春小麥季各處理生育期平均土壤緊實度均以深松50 cm處理最低，分別較對照顯著降低19.32%和8.11%。深松50 cm處理對提高馬鈴薯和春小麥季作物各生育期0—100 cm層土壤蓄水量效果最佳，平均分別較對照顯著提高13.58%和25.66%。在作物整個生育期，馬鈴薯季和春小麥季各生育期作物干物質累積量均以深松40 cm處理最高。馬鈴薯季和春小麥季不同耕作處理下作物產量、純收益和水分利用效率均以深松40 cm處理最高，馬鈴薯季分別較對照顯著增加15.20%、18.90%和9.10%，春小麥季分別顯著增加59.24%、88.20%和28.98%。不同耕作方式結合深度對土壤蓄水量、作物生物量及產量均呈極顯著影響，而土壤容重和緊實度受耕作方式影響顯著?！窘Y論】不同耕作方式結合深度措施可顯著改善土壤耕層結構，提高作物生育期土壤蓄水量，進而實現馬鈴薯和春小麥季作物產量和水分利用效率的提高，其增產增收效果以深松40 cm處理較好，可在寧南地區(qū)馬鈴薯和春小麥高產高效栽培中進一步推廣應用。

耕作方式；耕作深度；土壤物理性狀；土壤水分；作物產量

0 引言

【研究意義】春小麥和馬鈴薯是主要的口糧作物，在寧夏優(yōu)勢糧食特色產業(yè)中具有非常重要的地位，是自治區(qū)“十三五”時期，發(fā)展優(yōu)質糧食、瓜菜、草畜、枸杞、葡萄“1+4”特色優(yōu)勢產業(yè)之首。寧夏南部（簡稱“寧南”）山區(qū)位于黃土高原西北端，耕地面積77.5萬hm2，其中，旱作農田占90%，年平均降水300—600 mm，屬于西北黃土高原典型的雨養(yǎng)農業(yè)區(qū)[1]。當地傳統(tǒng)耕作方式（鏵犁翻耕20 cm）由于技術管理粗放，連年翻耕致使土壤水分蒸發(fā)強烈，加劇了水土流失，造成土壤蓄水能力弱，降水利用率低，進而導致作物產量低而不穩(wěn)，加劇了生態(tài)環(huán)境的惡化，嚴重制約旱地農業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[2]。同時，當地農業(yè)生產中傳統(tǒng)耕作方式還存在土壤有效耕層淺、犁底層上移，致使土壤結構變差，嚴重影響作物根系的生長及對水分、養(yǎng)分的吸收，制約該區(qū)糧食的生產[3]。因此，通過優(yōu)化耕作措施以改善土壤耕層結構，來增強土壤的水分供應能力，將是進一步提高旱地作物產量的主要方向之一[4]。【前人研究進展】耕層質量直接影響作物的生長發(fā)育與產量的形成，耕層深度是反映土壤耕層結構與功能的重要指標[5]。據調查，寧南旱作區(qū)土壤耕層平均厚度僅為15—20 cm，低于世界公認的最適宜厚度22 cm，更低于美國的35 cm。旱地作物根系生長的有效土層深度為60 cm，緊實的土壤不僅限制作物根系的生長發(fā)育，還阻礙其對深層土壤水肥的吸收利用[6]。深耕（松）作為一項保護性耕作措施，可加深耕層而不翻轉土壤、打破犁底層，有效降低耕層土壤容重、減少傳統(tǒng)鏵式犁翻耕后土壤水分的蒸發(fā)損失，改善土壤的滲透性能，提高降水資源的利用率，從而能有效抑制水土流失和土壤侵蝕，達到少耕、高產、保護性耕作的目的[7-8]。關于土壤深松國內外學者已在玉米[9]、小麥[10]、馬鈴薯[11]等作物做了大量研究，但大多耕作深度一般為30 cm左右。適宜的耕作方式和耕作深度能夠改善土壤水分狀況和促進作物生長發(fā)育。然而，不同耕作方式及深度對作物生長發(fā)育的影響因研究區(qū)域土壤類型、作物種類而異[4]。張鳳杰[12]研究表明，在內蒙古平原灌區(qū)的玉米田，深松越深（50 cm），使得土壤環(huán)境更合理，更有利于作物的生長。ALAMOUTI等[13]研究表明，與半深耕和淺耕相比，深耕對土壤容重、有機碳和農作物產量影響最大。雷妙妙等[14]研究發(fā)現，休閑期深松30—40 cm有利于蓄積休閑期降雨，提高底墑；且此條件下適期播種有利于形成冬前壯苗，其產量和水分利用效率最高。韋本輝等[15]研究認為，立式深旋耕作深度達到40 cm以上時，能夠顯著降低土壤容重和提高孔隙度，改善土壤通透性，提高土壤蓄水能力，達到抗旱增產的目的。同時，有研究表明耕作方式和耕作深度組合可對土壤某些物理性質及作物產量產生互作效應，將兩者合理搭配有利于充分發(fā)揮其作用[16]。因此，適宜的耕作方式及耕作深度對改善旱地土壤耕層結構、調節(jié)作物生育期土壤水分的空間分布及其協(xié)調性，提高作物產量和水分高效利用具有重要的現實意義。【本研究切入點】在寧夏南部旱作區(qū)，由于土壤類型多為黑壚土、黃綿土，土壤結構松散，長期翻耕造成耕層淺薄，形成一定的犁底層，影響作物的生長，進而導致糧食產量低而不穩(wěn)[17]。解除犁底層限制的關鍵問題是建立少耕長效機制，以往大量試驗多局限于不同耕作方式或耕作深度措施下某一作物農田土壤物理性質的變化，然而在不同耕作方式結合深度對旱地不同作物季農田土壤物理性質與作物產量交互作用的影響尚不明確?！緮M解決的關鍵問題】本研究針對寧南旱區(qū)土壤有效耕作層淺、蓄水能力弱、降水利用率低等問題，以馬鈴薯和春小麥為研究對象，分別設置傳統(tǒng)翻耕深度20 cm、深翻耕30 cm、深松30 cm、深松40 cm、深松50 cm等5種不同耕作措施，探究不同耕作措施對旱地土壤物理性質及作物產量與水分利用效率的影響，明確不同耕作措施下土壤物理性質與作物產量的相關性及其主要影響因子，為合理改善旱地耕層土壤結構、選用適宜耕作措施和作物增產增效提供一定的理論支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

圖1 2019—2020年試驗期間各月份降水量分布

1.2 試驗材料

馬鈴薯季供試品種：青薯9號原種（由海原縣鴻鑫馬鈴薯專業(yè)合作社提供），供試肥料：尿素（N≥46.3%，產自寧夏石化分公司）、磷酸二銨（N≥20.8%，P2O5≥52.7%，產自魯西化工）、硫酸鉀（K2O≥50.0%，產自國投新疆羅布泊鉀鹽有限責任公司）。春小麥季供試品種：寧春4號（由寧夏農林科學院作物所提供），供試肥料：尿素和普通過磷酸鈣（P2O5≥12.0%，產自魯西化工）。

1.3 試驗設計及田間管理

試驗于2019和2020年先后開展馬鈴薯季和春小麥季不同耕作措施大田試驗。試驗設置2種耕作方式（翻耕和深松）和4種耕作深度（20、30、40和50 cm），分別為傳統(tǒng)翻耕深度20 cm（C20）、深翻耕30 cm（C30）、深松30 cm（S30）、深松40 cm（S40）、深松50 cm（S50），以傳統(tǒng)翻耕深度20 cm處理為對照，共5個處理，3次重復，小區(qū)面積10 m×4 m=40 m2。各小區(qū)設置1 m間隔保護行，以防水分徑流。

深松處理：采用2年深松1次（2018年10月秋收后進行深松，而2019年10月秋收后不進行任何耕作處理）。各深松處理分別于2018年10月秋收后采用1S-230型深松機進行間隔深松，深松鏟的間隔為40 cm，且兩趟行程之間留有40 cm的間隔，耕作深度分別為30、40和50 cm；翻耕處理：采用傳統(tǒng)翻耕深度和深翻耕每年進行，分別在2018和2019年10月初秋收后采用1LF-330型液壓翻轉犁耕翻土壤，耕作深度分別為20和30 cm。

馬鈴薯季：種植密度為6萬株/hm2，采用平作穴播栽培方式，寬窄行種植，寬行距60 cm，窄行距40 cm，株距40 cm，穴深15 cm，播種深度10—15 cm，于2019年5月12日播種，10月9日收獲。耕作處理前基施尿素268 kg·hm-2、磷酸二銨200 kg·hm-2和硫酸鉀120 kg·hm-2，現蕾期追施尿素147 kg·hm-2。

春小麥季：種植密度為350萬株/hm2，行距為18 cm，播種深度為5 cm，于2020年3月28日播種，7月26日收獲，耕作處理前基施尿素675 kg·hm-2和過磷酸鈣750 kg·hm-2，拔節(jié)期追施尿素150 kg·hm-2。試驗期間無灌溉，進行人工除草。

1.4 測定指標及測定方法

1.4.1 土壤容重 在試驗處理前、馬鈴薯播后150 d和春小麥播后120 d，各小區(qū)（深松處理在深松鏟的位置）分別使用環(huán)刀（容積V=100 cm3）每20 cm層采集0—60 cm層原狀土測定土壤容重。稱重后將環(huán)刀置于烘箱中，105 ℃烘至恒重，記錄其質量為1（g）。最后將環(huán)刀內的土壤取出并洗凈環(huán)刀，于105 ℃烘干至恒重，記錄其環(huán)刀的質量2（g）。

土壤容重：v（g·cm-3）=（1-2）/V （1）

1.4.2 土壤緊實度 分別在馬鈴薯播后30、60、90、120和150 d，春小麥播后40、60、80、100和120 d，各小區(qū)（深松處理在深松鏟的位置）分別使用托普TJSD-750-II型土壤緊實度儀測定土壤緊實度（kg·cm-2）。

1.4.3 土壤水分 分別在馬鈴薯播后0、30、60、90、120和150 d和春小麥播后0、40、60、80、100和120 d作物種植行采用土鉆取土烘干法測定0—100 cm層土壤質量含水量，每20 cm為1層，并計算0—100 cm層土壤蓄水量。

土壤蓄水量：=×××10 （2）

式中：為土壤蓄水量，mm；為土層深度，cm；是土壤容重，g·cm-3；是土壤質量含水量，%。

1.4.4 作物生物量 在作物各個生育期，各處理重復小區(qū)隨機采長勢一致的3株馬鈴薯和春小麥植株，測定植株生物量即干物質量（馬鈴薯包括根系、塊莖、地上部葉、莖，春小麥包括根系、地上部葉、莖、穗）。干物質于105 ℃烘箱中殺青30 min，80 ℃烘干至恒重。

1.4.5 作物產量 馬鈴薯季測產：收獲期（播后150 d），每處理重復小區(qū)單收計產，每個小區(qū)3次重復，平均值折算每公頃產量。春小麥季測產：收獲期（播后120 d），每處理重復小區(qū)均取面積為1 m×2 m的樣方，每個小區(qū)3次重復，人工脫粒，籽粒風干，水分含量均控制在12%以下，平均值折算每公頃籽粒產量。

產量收入（元/hm2）=鮮薯產量×市場價格 （3）

產量純收益（元/hm2）=產量收入-總投入 （4）

式中：總投入包括機械耕作、化肥、種子及人工費投入。

作物耗水量：ET=W1-W2+P （5）

式中：ET為作物耗水量，mm；W1為播前土壤蓄水量，mm；W2為收獲后土壤蓄水量，mm；P為生育期降雨量，mm，由于試驗區(qū)地下水位埋深≥50 m，降水滲度不超過1 m，地下水補給、深層滲漏、地表徑流均可忽略，作物耗水量均以1 m土層土壤質量含水量計算。

水分利用效率：WUE=Y/ET （6）

式中：WUE為水分利用效率，kg·hm-2·mm-1；Y為作物產量，kg·hm-2；ET為作物耗水量，mm。

1.5 數據統(tǒng)計分析

采用Excel 2003進行數據處理；利用DPS 9.50進行方差分析，并采用最小顯著差異法（LSD）進行多重比較（＜0.05），進行相關性分析；使用Origin 2018作圖。

2 結果

2.1 不同耕作措施對耕層土壤容重的影響

不同耕作措施對耕層（0—60 cm層）土壤容重均有所改善（表1）。馬鈴薯季和春小麥季收獲期，各耕作處理0—60 cm層土壤容重較處理前均有所降低，且隨耕作深度的增加呈降低趨勢，而各翻耕深度、深松深度處理間差異均不顯著。馬鈴薯季和春小麥季，均以S50處理對降低0—60 cm各層土壤容重最為顯著。馬鈴薯季S50處理0—60 cm各層土壤容重分別較C20處理顯著降低5.51%、8.89%和5.07%，春小麥季分別顯著降低8.40%、5.93%和6.48%?？梢?，深松30—50 cm處理能有效降低馬鈴薯季和春小麥季0—60 cm層土壤容重，其改善效果隨耕作深度的增加而增加，但各深松深度處理間差異不顯著。

C20：傳統(tǒng)翻耕20 cm；C30：深翻耕30 cm；S30：深松30 cm；S40：深松40 cm；S50：深松50 cm。表中數值為平均值±標準差（SD），同列不同小寫字母表示同一土層處理間差異顯著（＜0.05）。下同

C20: conventional ploughing 20 cm; C30: deep ploughing 30 cm; S30: subsoiling 30 cm; S40: subsoiling 40 cm; S50: subsoiling 50 cm.The values in the table are the mean±standard deviation(SD),different lowercase letters in the same column indicate significant differences at<0.05among treatmentsin the same soil layer. The same as below

2.2 不同耕作措施對作物生育期土壤緊實度的影響

不同耕作措施對不同作物生育期土壤緊實度影響效果不同，隨播后天數的增加，各處理作物生育期土壤緊實度均呈先增大后降低的變化趨勢，馬鈴薯季在作物播后90 d達到最大，春小麥季在作物播后80 d達到最大（圖2）。不同耕作措施下，2年作物生長季土壤緊實度變化規(guī)律結果表明，耕作深度越深，土壤緊實度的降幅越大。馬鈴薯季和春小麥季各處理生育期平均土壤緊實度均以S50處理最低，分別較C20處理顯著降低19.32%和8.11%。

馬鈴薯季整個生育期不同處理下平均土壤緊實度從小到大依次為S50、S40、S30、C30、C20（圖2-a），各處理分別較C20處理顯著降低19.32%、16.78%、16.73%和14.29%。播后30 d，C30和S50處理與C20處理無顯著差異，其他處理均顯著高于C20處理；播后60 d，與C20處理相比，以C30、S30和S50處理土壤緊實度降幅較大（31.99%—43.40%），播后90 d，各處理土壤緊實度從小到大依次為S40、C30、S30、S50、C20，分別較C20處理顯著降低29.20%、20.79%、19.12%和14.95%；播后120—150 d，均以S40、S50處理較低，S30處理次之，平均分別較C20處理顯著降低23.56%、23.26%和14.66%，但C20和C30處理間差異不顯著。春小麥季各處理整個生育期平均土壤緊實度以S50處理最低，C30、S40、S30處理次之，C20處理最高（圖2-b），分別較C20處理顯著降低8.11%、5.07%、4.75%和4.52%。播后40—60 d，土壤緊實度均以S50、S40處理較低，平均分別較C20處理顯著降低8.60%和6.03%，其他處理間無顯著差異；播后80—120 d，土壤緊實度均以S50和C30處理最低，平均分別較C20處理顯著降低7.82%和6.79%，其他處理間無顯著差異。

圖中誤差棒表示P=0.05水平上的最小顯著性差異（LSD）。下同

2.3 不同耕作措施對作物生育期土壤水分的影響

由圖3可知，試驗期間馬鈴薯和春小麥季作物不同生育期各處理0—100 cm層土壤蓄水量變化趨勢表現不同。馬鈴薯季，隨播后天數的增加，各處理0—100 cm層土壤蓄水量均呈先降低后升高再降低的變化趨勢（圖3-a）。各生育期土壤蓄水量均以S40處理最高，S30、S50處理次之，平均分別較C20處理顯著增加13.58%、10.13%和7.98%，不同深松深度（S30、S40、S50）和翻耕深度（C20、C30）處理間差異均不顯著。春小麥季，各處理生育期0—100 cm層土壤蓄水量隨播后天數增加基本呈下降趨勢（圖3-b）。各生育期土壤蓄水量均以S40處理最高，S30、S50處理次之，分別較C20處理顯著增加25.66%、14.83%和14.73%，而S40處理顯著高于S30和S50處理，C30與C20處理間差異不顯著。馬鈴薯季和春小麥季整個生育期平均土壤蓄水量均以S40處理最高，分別較C20處理顯著提高13.58%和25.66%?？梢姡钏?0 cm處理對提高不同作物生育期0—100 cm層土壤蓄水量效果最佳。

不同小寫字母代表每個生育期處理間的顯著差異（P＜0.05）

2.4 不同耕作措施對作物產量與水分利用效率的影響

2.4.1 作物生物量 干物質積累合成是形成作物產量的關鍵，不同耕作措施下不同生育期作物生物量（干物質累積量）均呈逐漸增加的變化趨勢（圖4）。在作物整個生育期，馬鈴薯季平均作物干物質累積量以S40處理最佳，S50處理次之；春小麥季平均作物干物質累積量以S40處理最佳。在馬鈴薯季，生育期平均干物質累積量各處理高低次序表現為S40＞S50＞S30＞C30＞C20，深松各處理均較C20處理顯著增加，而C30與C20處理間差異不顯著（圖4-a）。播后60 d時，干物質累積量各處理高低次序表現為S30、S50、S40、C20、C30，以S30和S50處理較高，與C20處理差異均顯著；播后90 d，干物質累積量各處理高低次序表現為S40、S30、S50、C30、C20，以S40處理最高、S30、S50處理次之，均較C20處理顯著提高；播后120—150 d，平均干物質累積量均以S40處理最高，S50、S30和C30處理次之，均較C20處理顯著增加。春小麥季，深松和深翻耕各處理整個生育期平均作物干物質累積量高低依次為S40、S50、S30、C30，均與C20處理差異顯著（圖4-b）。播后40—60 d，平均干物質累積量以S30處理最高，S50和S40處理次之，均較C20處理顯著增加；播后80—100 d，作物干物質累積量均以S40處理最高，C30、S50處理次之，均較C20處理顯著增加。播后120 d，以S40和S50處理干物質累積量最高，C30、S30處理次之，均較C20處理顯著增加。綜上，深松措施有利于促進馬鈴薯和春小麥季作物干物質的累積，均以S40處理效果最好。

圖4 不同耕作措施下作物干物質積累量變化特征

2.4.2 作物收益與水分利用效率分析 表2為不同耕作措施下作物的收益和水分利用效率的統(tǒng)計分析。馬鈴薯季，不同耕作處理塊莖產量以S40處理最高，S50處理次之，C20處理最低。S40、S50處理分別較C20處理顯著增加15.20%和13.40%，而S30、C30處理與C20處理無顯著差異。各處理總投入以S50處理最高，而純收益和產投比均以S40處理最高，分別較C20處理顯著增加18.90%和8.50%。作物水分利用效率各處理高低次序分別為S40、S50、S30、C20、C30，其中，S40處理較C20處理顯著增加9.10%。春小麥季，籽粒產量各處理高低次序為S40、S50、S30、C30、C20，分別較C20處理顯著增加59.24%、56.55%、51.38%和15.03%；各處理總投入以S50處理最高；純收益和產投比均以S40處理最高，分別較C20處理顯著提高88.20%和43.50%。各處理作物水分利用效率以S40處理最高，S30、S50處理次之，分別較C20處理顯著增加28.98%、23.60%和20.58%。

表2 不同耕作措施下作物收益和水分利用效率

投入包括種子、肥料、人工和機械耕作費。馬鈴薯種子3 600元/hm2，春小麥種子1 200元/hm2。肥料包括氮磷鉀肥，其中，氮肥64.5元/hm2，磷肥99元/hm2，鉀肥97.5元/hm2。人工費2 000元/hm2。機械費：傳統(tǒng)翻耕深度20 cm：900元/hm2，翻耕30 cm：1 200元/hm2，深松30 cm：1 200元/hm2，深松40 cm：1 500元/hm2，深松50 cm：1 800元/hm2。產出：馬鈴薯市場價格為1.2元/kg，春小麥市場價格為3元/kg

Input includes seed, fertilizer, labor and machinery costs. Potato seeds 3 600 yuan/hm2and spring wheat seed 1 200 yuan/hm2Fertilizers of N, P and K are 64.5, 99.0 and 97.5 yuan/hm2. Labor cost 2 000 yuan/hm2. Mechanical cost: conventional ploughing tillage 20 cm: 900 yuan/hm2, deep ploughing tillage 30 cm: 1 200 yuan/hm2. subsoiling tillage 30 cm: 1 200 yuan/hm2, subsoiling tillage 40 cm: 1 500 yuan/hm2subsoiling tillage 50 cm: 1 800 yuan/hm2. Output: the market price of potato was 1.2 yuan/kg, and the market price of wheat was 3 yuan/kg

2.5 不同耕作措施下馬鈴薯產量對土壤物理性質的響應

由表3可知，不同耕作措施下馬鈴薯季和春小麥季作物產量與土壤物理指標均存在一定的相關性（值）。馬鈴薯產量（）與0—60 cm層平均土壤容重（1）呈極顯著負相關、與生育期平均土壤緊實度（2）呈負相關；馬鈴薯產量與生育期平均0—100 cm層土壤蓄水量（3）呈顯著正相關，與生育期平均生物量（4）呈顯著正相關。春小麥產量與生育期平均0—100 cm層土壤蓄水量（3）呈正相關，與生育期平均生物量（4）呈極顯著正相關；春小麥產量（）與0—60 cm層平均土壤容重（1）呈顯著負相關，與生育期平均土壤緊實度（2）呈負相關。此外，2年作物季土壤物理指標均呈相關性：0—60 cm層平均土壤容重（1）與生育期平均土壤緊實度（2）呈正相關，與生育期平均0—100 cm層土壤蓄水量（3）呈負相關；生育期平均土壤緊實度（2）與生育期平均0—100 cm層土壤蓄水量（3）呈負相關。可見，不同耕作措施下耕層土壤容重和生育期土壤緊實度越小，對提高生育期土壤蓄水量效果越顯著，從而有利于提高作物干物質累積和產量的形成。

耕作方式、耕作深度及其二者交互作用方差分析（）結果表明，耕作方式、耕作深度及其二者交互均對作物產量、土壤蓄水量和生物量有極顯著影響，而土壤容重和緊實度受耕作方式影響顯著（表3）。馬鈴薯季耕作深度、耕作方式與耕作深度交互對土壤容重影響極顯著，而對土壤緊實度影響不顯著。春小麥季耕作深度、耕作方式與耕作深度交互作用對土壤容重和緊實度影響均不顯著。結合相關性和分析方差分析結果表明，耕作方式結合耕作深度能夠實現土壤結構和水分保蓄的協(xié)同效應，進而促進作物生物量累積和產量的提高。

3 討論

3.1 不同耕作措施對土壤物理性質的影響

土壤容重和緊實度均是反映土壤物理性質的重要指標，受多種因素影響，尤其是耕作措施[17]。耕作深度達到30—40 cm時的深耕措施可顯著降低20—40 cm層土壤容重[19]。增加耕作深度可顯著降低土壤容重和緊實度，且隨耕作深度的增加，其改良效果越好[20]。不同耕作方式對土壤容重和土壤緊實度的影響效果由大到小依次為深松＞旋耕＞免耕[21]。隨著深松深度的增加，土壤緊實度和土壤容重降幅越大，不同處理間降幅由大到小表現為：深松50 cm＞深松40 cm＞深松30 cm＞旋耕[22]。本研究結果表明，馬鈴薯季和春小麥季0—60 cm層土壤容重均以深松50 cm處理效果最佳。分析其原因：一方面?zhèn)鹘y(tǒng)翻耕深度20 cm處理破壞了土壤的結構，毛細管被切斷，經過作物的一個生長季，土壤的沉積和壓實作用導致大孔隙被堵塞，使耕層土壤容重增大，而深松措施可加深耕作層，打破犁底層，增加耕層厚度，增強土壤生物的活動，使土壤中的毛細管增多，土壤容重狀況得到改善[23]；另一方面?zhèn)鹘y(tǒng)翻耕深度20 cm處理在耕層20 cm易形成堅實的犁底層，而深松耕作30—50 cm能打破長期以來傳統(tǒng)耕作形成的犁底層，增加土壤通氣性和透氣性，從而降低土壤容重[24]。本研究還發(fā)現，馬鈴薯季和春小麥季不同耕作處理下作物生育期土壤緊實度大小表現為S50、S40、S30、C30、C20。究其原因：首先，作物生育期降水量大，傳統(tǒng)翻耕處理使土壤的穿透阻力減弱，從而降低對土壤緊實程度的調節(jié)能力[25]。其次，深松耕可打破犁底層，使深層次土壤變得疏松，降低了土壤容重，促進了作物根系向深處穿插切割等作用[26]。

表3 土壤相關物理指標與作物產量的相關分析和交互分析

*和**分別表示在＜0.05和＜0.01水平顯著相關。ns：無顯著相關性。、1—4分別代表作物產量、0—60 cm層平均土壤容重、作物生育期平均土壤緊實度、作物生育期平均0—100 cm層土壤蓄水量、作物生育期平均生物量；T：耕作方式；D：耕作深度；：相關系數；：方差的統(tǒng)計量

*and**indicate significant correlation at<0.05 and<0.01. ns: no significant correlation at<0.05 and<0.01.,1-4 refers to crop yield,average soil bulk densityat 0-60 cm layer,average soil compactness during the crop growth period,average soil water storageat 0-100 cm layerduring the crop growth period,average crop biomass during the crop growth period; T: Tillagemethod; D: Tillage depth;: Correlation coefficient;: Statistic of analysis of variance

3.2 不同耕作措施對土壤水分的影響

深耕措施可打破犁底層障礙，增加土壤有效孔隙，對降低土壤水分蒸發(fā)、增加土壤蓄水儲墑方面具有顯著效果[27]，耕翻深度的增加能提高土壤的蓄水能力[28]。秦紅靈等[29]研究表明，深松對提高莜麥生育期內0—100 cm層土壤貯水量效果較顯著；Sun等[30]認為，深松處理能夠增加土壤蓄水量，且干旱季節(jié)的土壤水分增加幅度比雨季高。鄒文秀等[31]研究發(fā)現，與免耕處理相比，淺耕（耕翻15—20 cm）的0—35 cm層土壤蓄水量有所降低，而深耕（耕翻35—50 cm）處理的0—35 cm層土壤蓄水量顯著增加。本研究結果表明，與春小麥季相比，馬鈴薯季土壤蓄水量變化幅度相對較大，這與馬鈴薯生育期降水充沛有關。在降水較少的春小麥季，深松40 cm處理土壤蓄水量高于其他耕作處理，究其原因：在相對干旱情況下，深松40 cm處理相對深耕（翻耕和深松30 cm）和超深松（50 cm）處理能降低土壤擾動，減少水分蒸發(fā)，以蓄存較多的水分[32]，且在降水較少的春小麥季將降水蓄納于深層，利于根系的下扎[33]。在降水較多的馬鈴薯季，深松40 cm處理土壤蓄水量最高，這是由于深松40 cm處理有利于加深耕層[34]，使土壤形成天然的入滲通道，以利于蓄存降水，提高土壤的蓄水量[35-36]。

3.3 不同耕作措施對作物產量的影響

合理深耕可打破緊實犁底層的障礙[37]，使0—35 cm耕作層處于比較疏松的均勻狀態(tài)[38]，促進根系向下伸長，進而為作物干物質累積與產量形成創(chuàng)造一個適宜的土壤環(huán)境[39-40]。BRUNEL-SALDIAS等[41]研究表明，深松40 cm處理能夠提高燕麥和小麥的生物量，為作物高產奠定基礎。孟麗麗等[28]研究表明，與翻耕20 cm、翻耕30 cm處理相比，翻耕40 cm、翻耕50 cm處理均可顯著提高整個生育期尤其塊莖膨大后期的馬鈴薯干物質累積量。張鳳杰等[22]研究表明，深松處理有效增加玉米干物質積累。本研究結果表明，深松40 cm可顯著增加馬鈴薯季和春小麥季干物質累積。分析其原因：適宜的深松深度，有效打破犁底層，提高土壤的通水、透氣性能，利于作物根系深扎和水分和養(yǎng)分吸收，使作物干物質累積量增加[4, 28]。

張緒成等[4]研究發(fā)現，旋耕深度為40 cm條件下，能夠改善黃土高原旱作區(qū)土壤水分狀況，顯著提高馬鈴薯產量和水分利用效率。劉戰(zhàn)東等[42]在焦作市廣利灌區(qū)的研究顯示，砂質粘土深松40 cm更有利于玉米產量和水分利用效率同步提高。劉國利等[43]在魯西南地區(qū)潮褐土的研究表明，深松耕作對冬小麥和夏玉米均有增產效果，且深松深度越大，作物產量越高，以深松40 cm最佳。本研究結果表明，作物產量及水分利用效率均隨耕作深度的增加呈先增后減，當深松40 cm時可獲得最大作物產量及水分利用效率?？赡苁且驗檫m宜的耕作深度能有效打破犁底層，增加土壤的通透性，改善土壤微環(huán)境，提高接納雨水的能力，保持較好的水分供需關系，增強作物對水分的利用效率，然而深松深度過大導致土壤水肥下滲嚴重，超過了作物根系吸收水肥的主要范圍[5, 44]，不利于水分高效利用，這與BRUNEL-SALDIAS等[41]的研究結果一致。這說明適宜的耕作方式及耕作深度主要受不同生態(tài)區(qū)域土壤、氣候等環(huán)境因子和作物類型等影響，導致農田土壤物理結構改變和作物生產潛能對不同耕作措施的響應存在很大差異[45]。通過相關分析及方差分析發(fā)現，不同耕作方式和耕作深度對土壤蓄水量、作物生物量以及產量均呈極顯著影響，而土壤容重和緊實度受耕作方式影響顯著。不同耕作方式與耕作深度的交互作用可極顯著影響土壤蓄水量、作物生物量以及產量，可實現土壤結構與蓄水量間的協(xié)同效應，進而促進作物生物量累積和產量的提高。究其原因：（1）深耕或深松可打破犁底層，增加耕層厚度為30—40 cm時，能夠有效蓄積大氣降水，將其完全轉換為有效水分供作物利用[31]。（2）傳統(tǒng)翻耕方式由于犁底層等障礙性層次的存在，減小了耕作層的深度，限制了作物根系生長發(fā)育的空間[46]，而耕作深度越深，調蓄大氣降水的耕層越厚，能夠調蓄的大氣降水就越多，當耕作深度為50 cm時增加了深層土壤水分的入滲，不利于耕層土壤水分的保持[31]。

適當增加耕作深度，可獲得作物較高的收益以彌補增加耕作深度產生的成本，過度增加耕作深度不僅會增加農田土壤侵蝕的風險，還會增加耕地成本[19]。本研究中，除耕作因素的投入差異外，各項管理措施保持一致，雖然深松處理的費用略高于翻耕，且隨深度的增加所需機械動力燃料費有所增加，但由于顯著增加了作物的產量，其產投比較高，以深松40 cm處理效果最佳。因此，在今后研究旱地合理耕層深度指標時，不僅要考慮耕作方式和耕作深度對土壤結構和環(huán)境質量的影響，還要綜合考慮土壤水肥利用情況及作物增產增收效果。同時，本研究僅涉及2種作物類型、一個輪作周期和2種降水年型，仍需進行長期定位研究。

4 結論

與傳統(tǒng)翻耕深度20 cm處理（對照）相比，深松50 cm處理對馬鈴薯和春小麥季0—60 cm層土壤容重改善效果最為顯著。馬鈴薯和春小麥季各生育期土壤緊實度均以深松50 cm處理最低，分別較對照顯著降低19.32%和8.11%。馬鈴薯和春小麥季各生育期0—100 cm層土壤蓄水量均以深松40 cm處理最高，作物整個生育期作物干物質量均以深松40 cm處理最佳。馬鈴薯和春小麥季深松40 cm處理下作物產量、純收益和水分利用效率均最高?？梢姡趯幠系貐^(qū)馬鈴薯和春小麥季，耕作方式結合深度可極顯著影響生育期土壤蓄水量和作物產量，可實現土壤結構與水分間的協(xié)同效應，以深松40 cm處理作物增產增收效果較好。

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Effects of Different Tillage Practices on Soil Physical Properties and Crop Yield in the Region of Southern Ningxia

LI Rong1, YAN Huifang1, ZHANG Long1, MIAO Fangfang1, Mian Youming2, HOU Xianqing

1School of Agriculture, Ningxia University, Yinchuan 750021;2Guyuan Branch of Ningxia Academy of Agriculture and Forestry Sciences, Guyuan 756000, Ningxia

【Objective】In order to solve the problems of insufficient precipitation, shallow plough layer and low water use efficiency in the dry land of Southern Ningxia, we investigated the effects of different tillage practices on soil physical properties and crop yield in the region of southern Ningxia, and provided certain theory support for improving the topsoil structure reasonably in dryland, selecting the suitable tillage practice and increasing crop yield and benefit. 【Method】using potato and spring wheat as test crops, two tillage methods and four tillage depths of conventional ploughing 20 cm (C20, as a control), deep ploughing 30 cm (C30), subsoiling 30 cm (S30), subsoiling 40 cm (S40) and subsoiling 50 cm (S50) were set in arid region of southern Ningxia between 2019 and 2020 for the two-year field experiment to study the effects of different tillage methods with depths on soil bulk density during the harvest period, soil compactness water storage, and crop biomass during the growth periods,, yield and water use efficiency. 【Result】The average soil bulk density at 0-60 cm layer in potato season and spring wheat season under the S50 treatment was significantly decreased by 6.49% and 6.94%, compared with the control treatment. In the whole growth period, the average soil compactness with the S50 treatment in potato season and spring wheat season was the lowest, which was significantly increased by 19.32% and 8.11%, respectively, compared with the control treatment. The improvement in the soil water storage with the S50 treatment during the whole growth period in potato season and spring wheat season was the best, which was significantly increased by 13.58% and 25.66%, respectively, compared with the control treatment. The S40 treatment had the highest dry matter accumulation in potato season and spring wheat season. Crop yield, net income and water use efficiency were the highest under the S40 treatment in potato season and spring wheat season, which were significantly increased by 15.20%, 18.90% and 9.10% in potato season, and increased by 59.24%, 88.20% and 28.98% in spring wheat season, when compared with the control treatment. The tillage methods with depths had extremely significant effects on soil water storage, crop biomass and yield, while soil density and compactness were extremely affected by tillage methods. 【Conclusion】The tillage method combined with depth could significantly improve the topsoil structure, and increase soil water storage during the crop growing period, thereby promoting the increase of crop yield and water use efficiency. The subsoiling 40 cm treatment had the best effect of crop yield and income increasing in potato and spring wheat season, and it could be further promoted and applied in the cultivation of potato and spring wheat for high yield and efficiency in the region of southern Ningxia.

tillage method; tillage depth; soil physical characteristics; soil water; crop yield

2023-01-13；

2023-03-10

國家自然科學基金（32160515）、寧夏自然科學基金（2022AAC03061，2023AAC03150和2023AAC03149）

李榮，E-mail：lironge_mail@126.com。通信作者侯賢清，E-mail：houxianqing1981@126.com

10.3864/j.issn.0578-1752.2023.18.005

（責任編輯 楊鑫浩，李莉）