不同耕作措施對旱地玉米生長環境及產量的影響

周　靜，史向遠，李永平，張曉晨

(山西省農業科學院現代農業研究中心， 山西 太原 030031)

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不同耕作措施對旱地玉米生長環境及產量的影響

周靜，史向遠，李永平，張曉晨

(山西省農業科學院現代農業研究中心， 山西 太原 030031)

摘要：采用田間定位試驗，研究了羊糞4 m3+深耕30～35 cm(MP3)、羊糞4 m3+深耕20～25 cm(MP2)、羊糞4 m3+旋耕10～15 cm(MP1)、深耕30～35 cm(P3)、深耕20～25 cm(P2)、旋耕10～15 cm(P1)6種耕作措施下旱地玉米土壤溫度、土壤水分、土壤呼吸速率及產量的變化。結果表明：采用不同耕作措施均能有效促進旱地玉米生長，與傳統耕作方式(P1)相比，MP3、P3處理的土壤體積含水量分別提高了39.00%、32.44%；MP3處理下土壤溫度顯著高于傳統耕作0.94℃；隨著旱地玉米生育期的推進，土壤呼吸速率峰值出現在6月底，不同耕作方式下土壤呼吸速率較傳統耕作提高了0.68～1.26倍；深耕處理、深耕+羊糞處理的旱地玉米產量均顯著高于傳統耕作，其增幅在11.94%～36.51%。通過3年試驗比較，羊糞4 m3+深耕30～35 cm、羊糞4 m3+深耕20～25 cm、深耕30～35 cm效果較好。

關鍵詞：旱地玉米；耕作措施；生長環境；產量

山西省山多水少，中北部地處黃土高原，水資源貧乏，多風少雨，十年九旱，土壤水分的缺乏成為山西省農業生產發展的主要制約因素[1]。全省地處黃土高原生態環境脆弱帶，80%以上的耕地屬于旱地，玉米作為全省第一大糧食作物，旱地玉米在玉米總種植面積中占到80%以上，因此提高旱地玉米生產力對山西的農業發展具有重要的作用。土壤作為作物生長的基礎，對土壤進行耕作可改善耕層的土壤結構，調節土壤中的固體、液體、氣體的三相比例，協調好土壤中水、肥、氣、熱的關系，為作物生長發育創造良好的環境條件[2]。已有研究證明[3-7]深耕可以打破犁底層,創造疏松深厚的耕作層，提高土壤保水能力，以利于作物的根系生長，為作物的高產提供條件。過去的幾十年來，受單純追求產出利益的趨動，農民輕投入、重產出的生產經營方式，大部分地區多年來實施“燒秸稈—旋耕—播種”單一耕種方式，使得大面積的耕地存在耕層變淺，犁底層上升，土壤理化性狀變差，保水保肥能力降低，土壤生產能力降低等一系列問題。我們對山西省十個縣(市)的土壤耕層情況進行了調查，結果表明，農田土壤耕層明顯存在“淺、實、少”的問題，即土壤耕層明顯變淺，平均只有15.1 cm，低于適合玉米生長的最低耕層深度(22 cm以上)，遠低于美國玉米田土壤深耕和深松的標準(35 cm)；土壤結構緊實，容重偏高，犁底層堅硬，嚴重板結，有效耕層土壤量顯著減少，已經嚴重阻礙糧食作物產量潛力的正常發揮。目前，人們對旱地玉米耕作制度的研究多局限于深耕、深松、保護性耕作等方面，對具體耕層構建研究較少，因此，本研究立足耕層構建，以傳統土壤耕作措施為基礎，通過不同耕作措施的實施，旨在構建適合山西北部旱地玉米生長的合理耕層結構，達到改善土壤結構，增強土壤保水保肥能力，實現土壤的可持續性利用的目的。

1材料與方法

1.1試驗區概況

試驗在忻州市忻府區解原鄉新路村(38°24′51.63″N，112°39′42.69″E)進行。該區屬溫帶大陸性季風氣候，年平均氣溫為8.5℃，年平均降水量為428.7 mm，無霜期為 167 d，年日照時數為2 807.5 h。試驗田土壤類型為褐土性土，地勢略帶坡度(<8°)，為春玉米連作區，無灌溉條件，土壤基本理化性狀見表1。

表1　0～30 cm土層土壤養分含量

1.2試驗材料

試驗材料為玉米品種大豐30，由山西省農科院大豐種業選育；試驗所需羊糞來源于當地養殖場，其水分和養分含量見表2；試驗所需復合肥購買于當地農資市場，含量為N∶P2O5∶K2O=15∶15∶15。

表2　羊糞水分和養分含量

1.3試驗方法

試驗采用大區設計，每處理占地470 m2(47 m×10 m)，共6個處理，具體試驗設計如表3所示。每個處理之間設置主通道2條，寬2 m；輔助通道2條，每條寬1 m，四邊設保護行4～6 m。株行距0.32 m×0.6 m，行長10 m，種植密度4 400株·667m-2。

1.4觀測指標與數據處理

1.4.1土壤采集分別于播前、收后采用蛇形取樣法取樣，水分樣測定深度200 cm，0～100 cm每10 cm取土一次，100～200 cm每20 cm取土一次收集土樣；養分樣測定深度30 cm，每10 cm取土一次，收集土樣。

1.4.2指標測定

(1) 土壤溫度和土壤呼吸速率

采用美國LI-COR公司生產的LI-8100A土壤碳通量自動測量系統測定，為了盡量避免由于安置氣室對土壤擾動而造成的短期內呼吸速率的波動，在每次測定時，提前24 h將PVC圈嵌入1/2株行距交叉處土壤中，PVC圈為直徑10 cm，高4 cm的聚乙烯圓柱體，嵌入土壤2 cm。土壤呼吸速率測定均選在8∶00—10∶00進行，該時間段測定值可以代表24 h平均值[8]。在測定土壤呼吸的同時，在PVC圈附近選擇1個點將土壤熱電偶探針插入10 cm 深度的土壤，測定土壤溫度。

(2) 土壤水分

采用土鉆取土烘干法測定。

土壤含水量(體積含水量%)=土壤含水量(重量含水量%)×土壤容重

(3) 玉米水分利用效率

水分利用效率(kg·hm-2·mm-1)=籽粒產量(kg·hm-2)/作物全生育期耗水量(mm)。

(4) 產量性狀及產量的測定

收獲期每小區取中間2行，收獲面積4.8 m2，并從中隨機選取10株測量株高、穗位高、禿尖長、莖粗。從中隨機選取20個穗統計穗長、穗粗、百粒質量。并將4.8 m2的所有玉米穗曬干后脫粒計產，根據取樣測產和實收測產相結合測定旱地玉米產量。

1.4.3數據分析 試驗所用數據為試驗第3年數據，采用Microsoft Excel進行試驗數據處理，采用DPS7.05統計軟件進行試驗數據的方差分析，多重比較用Duncan 新復極差法。

表3　試驗處理描述

2結果與分析

2.1不同耕作方式對表層土壤水分含量的影響

圖1為不同耕作措施下旱地玉米土壤體積含水量隨玉米生育期的變化趨勢。由圖1可知，隨著旱地玉米生育期的推進，土壤體積含水量呈波浪型的變化趨勢。不同耕作措施下，土壤體積含水量差異較大，與傳統耕作方式(P1)相比,深耕處理、深耕+羊糞處理均能有效提高土壤體積含水量。不同耕作處理下，MP3處理的表層土壤平均體積含水量為23.41%、MP2處理為21.71%、MP1處理為19.81%、P3處理為22.31%、P2處理為19.05%、P1處理為16.84%。深耕+羊糞處理能有效提高土壤體積含水量28.88%～39.00%；深耕處理能有效提高土壤體積含水量13.08%～32.44%。從總體上看，與傳統旋耕相比，深耕35 cm的保水效果較好，但在同種耕作條件下，深耕35 cm+羊糞4 m3的保水效果最好。

圖1不同耕作措施對土壤水分含量的影響

Fig.1The effects of different tillage measures

on soil water content

2.2不同耕作方式對土壤溫度的影響

由表4可知，春玉米生育期內，土壤溫度呈先升后降的變化趨勢，峰值出現在8月末。不同耕作方式下，土壤溫度變化幅度較大，其中：深耕+羊糞處理、深耕處理與傳統耕作方式相比，差異顯著。MP3處理下土壤溫度較高，春玉米生育期內平均土壤溫度為20.77℃,與P1相比，能有效提高土壤溫度4.77%。從不同耕作方式對土壤溫度的影響來看，深耕35 cm處理和深耕35 cm+羊糞處理具有較好的保溫效果。

表4　不同耕作方式對土壤(0～10 cm)溫度的影響/℃

注：同一列數值后的不同小寫字母表示處理間在P<0.05水平差異顯著。下同。

Note: Values followed by different letters within the same column are significantly different at the 0.05 probability level. The same below.

2.3不同耕作方式對土壤呼吸速率的影響

由圖2可知，隨著春玉米生育期的推進，土壤呼吸速率變化趨勢基本表現為不對稱的單峰型曲線，峰值主要出現在6月底7月初。采用不同耕作方式，均能有效提高土壤呼吸速率，除苗期(6月1日)測定的P2處理下土壤呼吸速率與P1差異不顯著外，其他各處理在春玉米生長的不同階段土壤呼吸速率均顯著高于傳統耕作方式(P1)(P<0.05)。不同耕作方式下，MP3、MP2、MP1、P3、P2、P1的土壤呼吸速率變化范圍依次為2.45～9.98、1.91～10.39、1.88～8.20、1.50～6.19、1.22～4.54、0.84～3.77 μmol·m-2·s-1。在8月之前，隨著春玉米的生長，加之降雨量增加，氣溫適宜，玉米根系活力逐漸增強，同時，有機肥的深施為微生物活動提供了充足的氮源，土壤微生物呼吸逐漸增強，此后隨著旱地玉米逐漸成熟，生長減緩，根系分泌物減少，同時，隨著節氣的變化，氣溫和降水量也逐漸減少，土壤呼吸速率逐漸降低。綜合分析不同耕作方式對土壤呼吸的影響可知，深耕25 cm+羊糞處理能維持較高的土壤呼吸，同時在旱地玉米生長后期，降幅平緩，能維持較高的土壤呼吸速率。

圖2不同耕作措施對土壤呼吸速率的影響

Fig.2The effects of different tillage measures

on soil respiration rate

2.4不同耕作方式對旱地玉米水分利用效率的影響

旱地玉米生育期內共降雨64次，降雨總量為454.4 mm，在6—8月有效降水次數為37次，降水量為359.10 mm，占生育期總降水量的78.81%。>10 mm的降水13次，占降水總量的69.45%，如表5所示。土壤(0～60 cm)蓄水層厚度為MP3>P2>MP2>P3>MP1>P1，除MP1與P1差異不顯著(P>0.05)外，其他各處理間差異顯著。深耕+羊糞處理、深耕處理具有較好的保墑作用。由表6可知，無論采用何種耕作方式，均能有效提高旱地玉米水分利用效率，與傳統耕作方式(P1)相比，其增幅在13.76%～40.80%。不同耕作方式下，MP3處理的旱地玉米水分利用效率較高，與P3相比，能顯著提高旱地玉米水分利用效率17.48%；與P1相比，能顯著提高旱地玉米水分利用效率40.80%。可見，耕作方式對土壤蓄水能力和旱地玉米水分利用效率影響較大，深耕+羊糞處理、深耕處理在一定程度上增加了土壤粗糙度，有利降水的入滲，減少了地表徑流；同時羊糞的施用，有利于良好土壤結構的形成，增強了土壤的疏松性，有利于土壤蓄水保墑能力的提高。

表5　6—9月降水量分布

2.5不同耕作方式對旱地玉米穗部性狀和產量的影響

不同耕作方式對旱地玉米產量及產量構成因素影響不同。不同耕作方式對穗長影響較大，不同處理間，除MP3、MP2差異不顯著外，各處理間差異顯著(P<0.5)，MP3、MP2的穗長最長，其值為18.90 cm，顯著高于其他處理。各處理中，穗粗表現為MP3>P3>MP1>P2>MP2>P1，無論采用何種耕作方式，穗粗均顯著大于旋耕(P1)。不同耕作方式對旱地玉米百粒重影響較大，不同處理比較，P3、MP3處理的旱地玉米百粒重較高，MP1、P1處理次之，MP2、P2處理最小。不同耕作方式對旱地玉米穗粒數，禿尖長影響不大，各處理間差異不顯著，但就其變化趨勢可知，旋耕處理下穗粒數較低，禿尖長最大。旱地玉米的產量隨著耕作方式的不同而不同，其大小依次為MP3>MP2>P3>P2>MP1>P1，與P1相比，旱地玉米產量增幅在9.23%～36.51%，各處理間差異顯著。

表6　不同耕作措施對旱地玉米水分利用效率的影響

表7　不同耕作方式對旱地玉米穗部性狀及產量的影響

3討論

3.1不同耕作方式對旱地玉米生長環境的影響

土壤是農作物賴以生存的基礎，土壤耕層深度對農田生態系統的養分等物質循環影響較大，會造成土壤有機質、養分含量以及土壤微生物區系的變化，影響土壤的水、肥、氣等狀況，進而影響作物的產量。

農業機械深耕土地，可以有效地打破犁底層,疏松土壤，放寒增溫,增加土壤的通氣和蓄滲性能,同時改變土壤的水力學特性,影響土壤的持水和導水能力[9-10]，進而調節肥力，影響作物、土壤條件及土壤內部水肥氣熱的關系。本研究結果與宮亮等[11]的研究結果基本一致，深耕比較明顯的作用是消除了土壤隔閡,根系的主要分布層土壤疏松,增強了接納降水的能力,減輕了地面徑流水分損耗,從而提高了水分利用率。并且改善了根系的生長條件,有利于根系下扎和吸收深層土壤水分,提高了經濟產量和水分生產率。

3.2不同耕作方式對土壤呼吸速率的影響

本研究表明隨著旱地玉米生育期的推進土壤呼吸速率呈現先升高后降低的變化趨勢，這與張丁辰、張俊麗等的研究結果基本一致[12-14]，土壤呼吸速率的峰值出現在7月初，這是因為旱地玉米生長季溫度較高，土壤水分蒸發量大，土壤水分和溫度成為影響土壤呼吸的主要限制因子，6-7月試驗區降雨頻繁，土壤呼吸對它的限制因子產生響應，表現為較強的土壤呼吸速率。在本研究中，增施有機肥能有效提高土壤呼吸速率，這是因為土壤呼吸的主要碳源是土壤有機質,故施用有機肥通常會增加土壤呼吸量，同時深耕改善了土壤通透性，加強氣體在土壤中的遷移和擴散，促進有機質的分解，并且使土壤深層豐富的有機質重新移至土表，而將未分解的植物殘茬及脫落物掩埋至土壤深處，加速其腐解過程，從而表現為土壤呼吸速率增加[15]。

3.3不同耕作方式對旱地玉米穗部性狀及產量的影響

玉米穗部性狀是構成產量的主要性狀，與籽粒產量之間有著密切的聯系，而玉米穗部性狀往往受生態和栽培條件影響較大[16-17]，本研究結果表明不同耕作方式對旱地玉米禿尖長、穗粒數影響不大，對穗長、穗粗、百粒重有較大影響。施用羊糞的處理穗長顯著高于其他處理，深耕處理的穗粗、百粒重顯著高于旋耕。張權等[18]的試驗結果表明深耕處理平均比常規處理增產15.56%，衛曉軼、張小潔[19-20]等研究結果也表明深耕處理配合施用有機肥對作物增產效果顯著，與本實驗結果一致。這是因為深耕增加了耕層厚度,有利于作物根系活動容積的提高,擴大根系營養范圍,對玉米百粒重、結實率的提高有利，同時，由于畜禽糞肥除含有豐富的氮磷鉀外，還含有多種微量元素，且有機質在分解過程中會產生一些中間產物，而這些中間產物含有一定的活性基團，會與土壤中的一些微量元素絡合或螯合，從而提高了微量元素的有效性，進而提高了作物產量。孫仕軍等對東北地區不同耕作深度下玉米產量和穗部性狀的研究表明，淺耕區的玉米穗長和穗粗沒有深耕區長勢好，禿尖情況淺耕區的不嚴重，比深耕區好。 淺耕區平均每棒的穗重、籽粒重和百粒重比深耕區高6.44、3.66 g和2.78 g。產量對比，淺耕區相對較高，每公頃產量高出深耕區355.5 kg，其產量結果與本試驗結果不一致，其原因有可能一方面是由于地域差異性所致的土壤、降水類型等因素不同所致，另一方面可能與試驗時間長短有關。

4結論

本研究表明不同耕作措施對旱地玉米的生長均有不同程度的影響，隨著生育期的推進，土壤體積含水量變化與當年降水量關系密切，不同耕作措施下，深耕35 cm+羊糞4 m3的蓄水保墑效果最好。同時在旱地玉米生育期內，土壤溫度呈先升后降的單峰變化趨勢，深耕35 cm+羊糞處理能保持較高地溫。土壤呼吸速率變化趨勢基本表現為不對稱的單峰型曲線，峰值主要出現在7月初，與傳統耕作相比，采用不同耕作方式，均能有效提高土壤呼吸速率(苗期除外)，深耕25 cm+羊糞處理土壤呼吸速率較高，在旱地玉米生長后期，降幅平緩。不同耕作方式對旱地玉米禿尖長、穗粒數影響不大，對穗長、穗粗、百粒重有較大影響，施用羊糞的處理穗長顯著高于其他處理，深耕處理的穗粗、百粒重顯著高于旋耕。旱地玉米的產量隨著耕作方式的不同而不同，其由大到小依次為MP3>MP2>P3>P2>MP1>P1，與傳統耕作相比，旱地玉米產量增幅在9.23%～36.51%，各處理間差異顯著。綜上所述，深耕25～35 cm，配施羊糞能有效改善土壤的水溫條件及作物根系生長環境，增強了土壤呼吸量，改善了土壤通透性，有利于土壤有機質的提高，為作物高產穩產創造了有利條件，但是本試驗只完成了一個試驗周期的工作，羊糞施入田間，肥效具有遲緩性，下一步應該繼續定位試驗，對完成一個施肥周期后不同年份不同耕層土壤的狀態進行研究。

參 考 文 獻：

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Effects of different tillage practices on growing

environment and yield of dryland maize

ZHOU Jing, SHI Xiang-yuan, LI Yong-ping, ZHANG Xiao-chen

(ModernAgriculturalResearchCenter,ShanxiAcademyofAgriculturalSciences,Taiyuan,Shanxi030031,China)

Abstract：A fixed position field experiment approach was employed to investigate the effects of six different tillage practices, including deep tillage (30～35 cm) with applied sheep manure (4 m3of volume) (MP3), deep tillage (20～25 cm) with applied sheep manure (4 m3of volume) (MP2), rotary tillage (10～15 cm) with applied sheep manure (4 m3of volume) (MP1), deep tillage (30～35 cm) (P3), deep tillage (20～25 cm) (P2), and rotary tillage (10～15 cm) (P1), on soil temperature, soil moisture, soil respiration rate and yield of dryland maize. The results showed that the growth of dryland maize was promoted effectively after application of different tillage practices. Comparing to conventional tillage, the soil moisture of MP3 and P3 were increased by 39% and 32.44%. Geothermal energy of MP3 became increased more significantly than that by conventional tillage. During maize growth period, peak of soil respiration rate appeared in late June, and soil respiration rate was 0.68～1.26 times higher than that by conventional approach. In terms of the yield, the difference was also significant and the increases varied from 11.94% to 36.51%. Based on the comprehensive experimental results from three successive years, MP3, MP2 and P3 were the appropriate tillage practices.

Keywords:dryland maize; tillage practices; growing environment; yield

中圖分類號：S513

文獻標志碼：A

通信作者：史向遠(1975—)，男，山西山陰人，副研究員，主要從事作物耕作與栽培方面的研究。

作者簡介：周靜(1982—)，女，甘肅酒泉人，碩士研究生，主要從事土壤與作物營養方面的研究。 E-mail;zhoujingdeyi919@163.com。

基金項目：山西省科技攻關計劃項目(20110311037)；山西省農業科學院博士研究基金(YBSJJ1301037)

收稿日期：2014-12-12

doi:10.7606/j.issn.1000-7601.2016.01.21

文章編號：1000-7601(2016)01-0134-06