噴灌配套耕作措施對土壤物理性質及玉米生長的影響

汪 然,萬書勤,康躍虎,劉士平

(1.中國科學院 地理科學與資源研究所 陸地水循環及地表過程重點實驗室,北京 100101; 2.中國科學院大學,北京 100049)

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噴灌配套耕作措施對土壤物理性質及玉米生長的影響

汪 然1,2,萬書勤1,康躍虎1,劉士平1

(1.中國科學院 地理科學與資源研究所 陸地水循環及地表過程重點實驗室,北京 100101; 2.中國科學院大學,北京 100049)

針對東北雨養區中心支軸式噴灌機的發展，和對與之配套的耕作與農藝管理措施的迫切需求，以玉米為研究對象，分別在2014年及2015年在東北西部內蒙古通遼地區開展了中心支軸式噴灌機噴灌條件下魚鱗坑、深松及深松+魚鱗坑耕作等配套耕作措施對土壤物理性質及玉米生長影響的田間試驗研究。結果表明：與傳統免耕相比，不同耕作措施均能有效降低0—40 cm深度的土壤容重，提高土壤孔隙度和土壤飽和導水率，從而改善了土壤結構；雖然深松、深松+魚鱗坑兩個處理之間玉米的產量沒有顯著差異，但是采用深松、深松+魚鱗坑耕作措施可以增加玉米的莖粗和株高，并提高穗部干物質積累速率、穗干重比例和百粒重，有利于玉米的增產。

噴灌; 耕作措施; 土壤物理性質; 玉米

東北四省區不僅是我國重要的糧食主產區之一，也是我國糧食總產潛力最大的地區，東北地區玉米產量直接制約著我國玉米總產量[1-2]。四省區三分之二以上的耕地以雨養農業為主[3-4]，然而隨著氣候變化影響的加劇，雨養區農業旱災有增加的趨勢，糧食產量低而不穩，尤其是春旱嚴重，制約了當地玉米生產，以致豐富的土地資源優勢未能有效發揮[5-7]。為充分降低氣候變化對東北地區玉米產量的影響，噴灌尤其是中心支軸式噴灌機在東北各地獲得了大力發展和推廣普及，并取得了一定經濟效益[8]。

中心支軸式噴灌機在工作時，支管上安裝的噴頭離中心支軸越遠，線速度越大，為達到設計灌水定額，越遠位置噴灌強度越大，在機組末端噴灌強度往往大于100 mm/h，容易產生短時間的地表徑流[9]，因此與之配套的耕作、農藝管理等措施的綜合集成非常重要。目前我國東北四省區中心支軸式噴灌機灌溉下，作物的耕作模式大多還是沿用傳統地面灌溉方式下的模式，這在一定程度上抑制了噴灌機綜合效益的發揮。

深松耕作可有效打破犁底層，加深耕層，熟化底土，利于作物根系深扎，并能蓄雨貯墑，減少地表徑流[10]。魚鱗坑是一種水土保持措施，具有一定蓄水能力，可保土保水保肥，減少水土流失[11-12]。本試驗主要研究通遼地區中心支軸式噴灌機灌溉條件下配套深松、魚鱗坑等耕作措施對土壤物理性質及玉米生長等的影響，以期為東北四省區中心支軸式噴灌機的高效利用提供技術支持。

1　試驗區概況及試驗設計

1.1試驗區概況

本試驗2014—2015年在通遼保康縣巨寶山村開展。試驗區位于內蒙古自治區東部，屬于農牧交錯地帶，當地年平均氣溫3℃左右，年平均日照時數3 000 h左右，年平均降水量約380 mm，且主要集中在6—8月。當地水資源短缺，降雨較少，蒸發量大，主要農作物為玉米。該區地勢較為平坦，但是由于風沙作用，比較容易形成坡地，當地稱“沙坨子”。試驗區土壤為砂質壤土，土壤基礎養分狀況見表1。

1.2試驗設計

在玉米中心支軸式噴灌機灌溉區開展配套耕作措施研究。2014年布置一個魚鱗坑(SPT)耕作措施處理，2015年布置深松(ST)、深松+魚鱗坑(SST)兩個耕作措施處理，兩年都以不作任何耕作措施的免耕(NT)作為對照，每個處理三個重復。

2014年、2015年玉米齊出苗之后，在壟間挖魚鱗坑，魚鱗坑為直徑30 cm，深度30 cm左右的圓形坑；2015年4月9日采用大型拖拉機(450匹)進行深松，深松深度為40 cm左右。試驗區玉米品種為偉科702。2014年玉米5月21日齊苗，7月21日開始抽穗，10月4日收獲。2015年玉米6月6日齊苗，7月22日開始抽穗，10月6日收獲。

表1　試驗區土壤基礎養分狀況

1.3試驗觀測與方法

1.3.1土壤容重、孔隙度及飽和導水率在玉米播種前與收獲后，各個處理分別在0—10，30—40 cm兩個深度取三個土樣測容重及飽和導水率，重復三次，以上數據均取平均值。其中容重用環刀法測定，飽和導水率用特制的環刀取土帶回實驗室用定水位法測定。

土壤總孔隙度計算公式為[13]：

P=(1-di·ρ)×100%

式中：P表示土壤總孔隙度(%)；di表示土壤容重(g/cm3)；ρ表示土壤密度(g/cm3)，采用“常用密度值”(2.65 g/cm3)。

1.3.2玉米冠層水面蒸發量監測在玉米冠層頂部安裝一直徑為20 cm的銅質標準蒸發皿，蒸發皿高度隨作物高度增加而調整。蒸發皿為自動補水式，可以自動記錄皿內水量，精度達到1 mm。同時，每天定時(8：00)觀測蒸發皿剩余水量。

1.3.3玉米生長指標及產量指標玉米生育前期每個小區固定10株玉米,測定玉米株高及莖粗，數據取平均值；待玉米抽穗后開始測玉米干物質重量，在每個小區隨機取三株玉米，分別包括莖、葉及穗；收獲期每個小區隨機取25個玉米穗，考種并測產，考種項目主要包括棒長、禿尖、棒行數、百粒重及出籽率。

1.4數據處理

采用Excel 2003進行數據處理和圖表繪制，并采用SAS軟件進行統計分析。

2　結果與分析

2.1灌溉、降雨及冠層水面蒸發量

圖1為2014年、2015年玉米生育期內冠層累計降雨量、水面蒸發量以及灌溉量。從圖1可知，2015年玉米在生育期內的有效降雨次數明顯較2014年多，分別為35次和23次，但是累計降雨量差異不大，分別為287.64，283.62 mm，2015年的有效降雨次數明顯較2014年多，但是總降雨量差異不大。其中在2014年7月中旬單次最大降雨量達94 mm，占玉米生育期降雨量的1.3左右，7月17—19日三日降雨達152 mm，占整個玉米生育期降雨量的50%以上；而2015年最大降雨量為7月底的56 mm，遠低于2014年的最大降雨量，且降雨分布更加均勻。頻繁、均勻的降雨明顯降低了玉米冠層的水面蒸發量。2014年玉米生育期內冠層累計水面蒸發量為718.03 mm，而2015年的累計水面蒸發量僅為632.40 mm，較2014年降低了11.9%。總體而言，2014年和2015年分別是年干旱年、平水年。2014年玉米灌溉了3次，平均每次灌水量平均為23.7 mm，總灌水量71.0 mm ；而2015年玉米僅灌溉了1次，灌水量27 mm。這主要是因為2015年降雨次數多、降雨分布均勻，使得玉米生育期內2015年土壤墑情明顯較2014年的好，因此減少了灌溉次數和總灌水量。因此，與2015年相比，2014年的大的降雨以及更多次數的灌溉，更易產生地表徑流。

圖1　玉米生育期不同年限累計灌溉、降雨及冠層蒸發量

2.2不同耕作措施對土壤表層容重及孔隙度的影響

試驗發現，與當地傳統對照免耕相比，2015年5月31日，深松、深松+魚鱗坑耕作措施都可以降低土壤容重，0—10 cm的土壤容重分別降低了5.2%和8.1%，30—40 cm的土壤容重分別降低了0.6%和3.6%，其中后者土壤容重降低的較前者快，說明在試驗初期(5月31日)，深松+魚鱗坑綜合耕作措施較深松單項耕作措施降低土壤容重的效果更好，尤其是對于表層0—10 cm的土壤(表2)。

玉米生育期后(10月1日)，2014年的配套魚鱗坑耕作措施顯著降低了土壤容重，其中，0—10 cm和30—40 cm的土壤容重分別降低了13.5%和8.1%。然而2015年的深松、深松+魚鱗坑耕作措施對土壤容重的影響不明顯，0—10 cm的土壤容重分別降低了-0.6%和1.3%，30—40 cm的土壤容重分別降低了5.2%和0.6%，可能的原因是2015年降雨分布均勻、降雨次數多但大降雨少，灌水也僅灌溉了一次，因降雨和灌溉造成地表徑流的少。因此與當地傳統對照免耕相比，深松、深松+魚鱗坑耕作措施的效果不明顯。

表2　2014-2015年不同耕作處理下不同深度土壤容重　g/cm3

注：不同字母表示處理之間顯著水平差異(p<0.05)。下表同。

此外，從表2中還可以發現，與2014年10月份土壤容重相比，經過一個冬季后，2015年5月份不同層次土壤容重都增加了，這主要受土壤凍融過程、干濕交替和耕作措施等的綜合影響。2015年玉米生育期后，與試驗初期(2015年5月31日)相比，試驗末期(2015年10月1日)所有處理表層0—10 cm土壤容重均降低了，尤其是免耕對照處理，土壤容重由1.72 g/cm3降低到了1.59 g/cm3，降低了7.6%，深松、深松+魚鱗坑處理土壤容重僅分別降低了1.8%和0.6%；但是免耕、深松+魚鱗坑處理30—40 cm土壤容重均增加到了1.70 g/cm3以上，分別增加了3.0%，6.2%。這主要同玉米的生長以及土壤的空間變異等有關。

土壤總孔隙度是指單位容積土壤內孔隙所占的百分比。由表3可知，2014年試驗末期魚鱗坑土壤總孔隙度較對照土壤總孔隙度顯著提高，其中0—10 cm提高近20%，30—40 cm提高近13%。2015年，試驗初期，深松及深松+魚鱗坑耕作措施較對照免耕顯著提高了土壤總孔隙度，但是試驗末期，土壤表層(0—10 cm)土壤孔隙度差異不顯著。該研究結果同堯水紅、曹立為二人研究土壤孔隙度結果一致[14-15]，可能原因是由于2015年降雨頻率大，土壤干濕交替次數較多，最終土壤表層總孔隙度趨于穩定。

表3　2014-2015年不同耕作處理下不同深度土壤總孔隙度　%

2.3不同耕作措施對土壤飽和導水率的影響

由表4可知，與當地傳統對照免耕相比，2015年深松、深松+魚鱗坑耕作措施都可顯著提高土壤飽和導水率，尤其是在試驗初期(5月31日)表層0—10 cm的土壤飽和導水率，平均提高了20倍，30—40 cm深度平均提高了3倍；作物生長末期(10月1日)0—10 cm，30—40 cm深度土壤飽和導水率平均提高了5倍和2倍，然而深松、深松+魚鱗坑耕作措施之間的土壤飽和導水率差異并不顯著。

另外從表4中還可以發現，玉米生育期后，免耕對照處理，0—10 cm的土壤飽和導水率增加了，但是30—40 cm深度的減少了，這同土壤容重的變化規律正好相反；而深松、深松+魚鱗坑處理各層次土壤飽和導水率均降低。

表4　2015年不同耕作處理下不同深度土壤飽和導水率K　102cm/d

綜合表2，3，4可知，魚鱗坑、深松、深松+魚鱗坑等耕作措施都能降低土壤容重、提高土壤孔隙度和土壤飽和導水率，從而改善了土壤結構，改善了土壤的透氣透水性能[16]。尤其是在降雨量集中且有大降雨的年份，魚鱗坑、深松等耕作措施的效果更明顯。

2.4不同耕作措施下玉米的生長響應

2.4.1不同耕作措施下玉米莖粗、株高的生長響應從圖2中可知所有處理的莖粗從6月中旬開始快速生長，至7月中旬莖粗達到最大點，隨后莖粗開始緩慢減小；在整個玉米生長發育期，免耕對照處理玉米的莖粗低于深松(ST)、深松+魚鱗坑處理(SST)的莖粗，但是深松及深松+魚鱗坑耕作措施的株高差異不顯著，其中免耕對照玉米莖粗最大值大約為深松、深松+魚鱗坑處理莖粗最大值的83%左右。所有處理的株高自7月上旬開始進入快速生長期，至7月下旬株高停止生長，8月初株高保持在一定高度。在生長期前期，免耕對照的株高與其他兩個處理的差異不顯著，在6月中旬以后免耕對照的株高明顯低于其他兩個處理，但是深松(ST)、深松+魚鱗坑(SST)耕作措施的株高差異不顯著，其中免耕對照株高大約為深松、深松+魚鱗坑處理株高的95%。

由此可知，采用深松、深松+魚鱗坑耕作措施后，從作物生長前期開始就為作物提供了良好的生長環境[17-18]，從而使得玉米生長后期的莖粗、株高均高于免耕處理。

圖2　不同耕作措施下玉米株高及莖粗生長的響應

2.4.2不同耕作措施下玉米生長后期地上部分干物質轉移不同耕作處理對玉米生長后期營養體物質轉運的影響詳見表5。免耕對照處理(NT)莖及葉鞘和葉片干物質積累最大值出現于抽穗開始時(5 d)，而深松(ST)、深松+魚鱗坑(SST)處理，莖及葉鞘和葉片干物質積累的最大值分別出現于抽穗開始后的15 d。從抽穗后15 d開始，深松、深松+魚鱗坑處理莖及葉鞘和葉片干物質積累速率明顯高于免耕對照處理。進入抽穗期后，玉米籽粒形成開始，營養器官中光合產物向籽粒轉運，相較于免耕對照處理，從抽穗后15 d開始，深松、深松+魚鱗坑處理穗部干物質積累速率明顯高于免耕對照處理。

2.4.3不同耕作措施下玉米生長后期地上部分干物質分配從表6可以得出，抽穗后5 d，玉米地上部分器官莖及葉片的干物質積累占全株干物質的比重最高，分別達到60%及30%左右，總計占全株地上部分90%的干物質量。抽穗后25 d，玉米進入灌漿期，此時穗干重占地上部分干物質比例達22%左右。進入灌漿期后，玉米穗及籽粒成為干物質分配的中心，此后玉米穗及籽粒占地上部分干物質的比例不斷升高，而莖及葉片占地上部分干物質的比例不斷下降。抽穗45 d后，玉米進入蠟熟期，穗及籽粒干重占地上部分干物質重已經達到最大值，達到60%以上。

表5　2015年不同耕作處理對玉米生長后期營養體物質轉運的影響　%

免耕對照處理玉米的葉片、莖及葉鞘的干重比例均較深松、深松+魚鱗坑處理的高，且在抽穗后25 d至抽穗后35 d，不同處理之間莖及葉鞘的干重比例差異顯著，但至抽穗45 d后差異不顯著；從抽穗后的5～45 d，深松、深松+魚鱗坑處理玉米的穗干重比例一直較免耕對照處理的高。由此說明，深松、深松+魚鱗坑處理能夠提高穗及籽粒重。

2.5不同耕作措施對玉米產量的影響

由表7及圖1可知，2014年降雨較集中于7月中旬，魚鱗坑在玉米生育期其他階段對雨水的蓄積作用不顯著，盡管在免耕基礎上挖魚鱗坑增加了棒行數(穗粒數)，但是總體上魚鱗坑耕作措施對玉米產量構成及產量的影響有限，兩種耕作措施之間產量構成要素及產量差異不顯著。2015年，免耕對照區玉米棒長、禿尖長度、百粒重、產量均與深松、深松+魚鱗坑處理差異顯著，深松、深松+魚鱗坑處理玉米棒長增加了4 cm左右，禿尖長度減少了1 cm左右，百粒重增加了7%～11%，最終產量比免耕對照區增產16%～17%，總體上深松、深松+魚鱗坑兩種耕作之間玉米產量構成要素及產量差異不顯著，但是產量均較2014年的低。

表6　2015年玉米生育后期干物質在各器官間的分配比例　%

綜合以上兩年玉米產量分析可以得出，與免耕相比，配套深松耕作措施對玉米產量及產量構成影響較顯著，而單獨的魚鱗坑耕作措施對玉米增產效果不顯著。

表7　不同耕作措施對玉米產量構成的影響

注：2015年由于玉米種子的問題首次播種出苗率較低，故所有處理均于5月18日重新播種，由于玉米生長期較2014年短，所以產量較2014年的低。

3　結 論

(1)與免耕相比，配套魚鱗坑、深松、深松+魚鱗坑等耕作措施都可有效降低0—40 cm土壤容重，提高土壤孔隙度和土壤飽和導水率，從而改善了土壤結構；尤其是在降雨量集中且有大降雨的年份，魚鱗坑、深松等耕作措施的效果更明顯。

(2)與免耕相比，深松、深松+魚鱗坑耕作措施下玉米的莖粗、株高和穗部干物質積累速率生長指標均較高，穗干重比例和百粒重產量指標都相對較大，同時試驗區的玉米也增產16%以上，即深松、深松+魚鱗坑等耕作措施可為玉米生長提供良好的生長環境，使得玉米長勢好，產量高。

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Influence of Matching Tillage Measures on Soil Characteristics and Maize Growth Under Sprinkler

WANG Ran1,2,WAN Shuqin1,KANG Yuehu1,LIU Shiping1

(1.Key Laboratory of Water Cycle and Related Surface Processes,Institute of Geographical Sciences and Natural Resources Research,Chinese Academy of Sciences， Beijing 100101， China; 2.University of Chinese Academy of Sciences， Beijing 100049， China)

Under the background of global climate change,the drought disaster in rain-fed district becomes more serious,which restricts the local maize′s production.The rich land resource fails to give full exertion,so water saving irrigation technology is well developed in the Northeast China these years.For the sprinkler′s development and its demand for matching tillage and agronomic management in the rain-fed district of Northeast China,with maize as the research object,a field experiment with four tillage (no tillage,subsoiling-tillage,scale-like pit tillage,subsoiling plus scale-like pit tillage)was conducted to investigate the tillage effects on soil characteristic and maize growth in 2014 and 2015.The main results show as follows: three different tillage patterns can improve the soil structure by reducing the bulk density and improving the soil porosity and infiltration rate of the surface soil (0—40 cm); Though the difference of yield between the subsoiling tillage and the subsoiling plus scale-like pit tillage are not significant,the subsoiling tillage and subsoiling plus scale-like pit tillage can improve the height,stem diameter,100 seed weight,corn ear dry weight and the dry matter accumulation rate in the stage of maize growth,which is beneficial to increase the yield; Compared with the conventional no tillage,the two tillage treatment can increase the yield of maize significantly.

sprinkler irrigation; tillage; soil characteristic; maize

2016-01-28

2016-02-04

國家科技支撐計劃課題(2014BAD12B05,2013BAD05B08)

汪然(1990—),男,安徽舒城人,在讀碩士,主要從事農田節水灌溉研究。E-mail:1144069218@qq.com

萬書勤(1978—),女,江西撫州人,副研究員,碩士生導師,主要從事農田水循環與節水灌溉研究。E-mail:wansq@igsnrr.ac.cn

S152.4

A

1005-3409(2016)05-0106-05