一年兩熟地區保護性耕作深松試驗

何 明 高煥文 董培巖 崔德杰 趙文閣

(1.青島市農業機械管理局，青島 266021； 2.中國農業大學工學院，北京 100083；3.青島農業大學農學院，青島 266109)

0 引言

我國小麥玉米一年兩熟地區保護性耕作從2003年開始推廣應用，大量保護性耕作土地連續多年免耕，耕層土壤容重增大，對出苗和作物產量產生了不同程度的影響，逐步顯現出對深松的迫切需求。2011年國家開始對深松作業實施補貼，進一步調動了農戶的積極性，深松作業在一年兩熟地區大規模推廣應用。

國內近年來對深松的試驗研究集中在深松機具的設計、研制、試驗[1-4]，降低深松阻力的試驗研究方面[5-9]，對提高深松機具性能、增加深松機具種類、減少深松阻力消耗等起到了重要作用。在深松對土壤、環境、作物產量和經濟效益的影響方面，國內外開展了大量試驗研究[10-18]，進一步明確了深松有助于改善土壤耕層結構，提高土壤蓄水能力，增加作物產量。文獻[19]討論了我國北方一年一熟旱作區，多年免耕體系中引入周期性深松(2年1深松，3年1深松)的效果，指出深松降低土壤容重、增大孔隙度、增加團粒結構、提高產量，但土壤有機質和全氮含量有所降低。文獻[20]介紹了加拿大一項長期輪耕和輪作結合的試驗，結果發現持續免耕土壤結構變差，輪耕(免耕與翻耕)和輪作(單一玉米、玉米-大豆、玉米-燕麥-大麥)均能顯著改善土壤結構。文獻[21] 討論了美國中西部玉米帶，Chisel Plow(近似我國深松)對免耕作物產量的影響，指出在單一玉米連作或干旱情況下，Chisel Plow相比免耕有增產效果，但對玉米-大豆輪作地效果不大，單一大豆種植地則更無耕作必要。

總體看國內外對一年一熟區持續免耕情況下土壤性狀、產量的變化以及引進深松等耕作措施的影響進行了較多試驗研究，取得了一批重要成果。但是針對一年兩熟地區持續免耕體系中采用深松的問題，試驗研究偏少。一些現實問題，如小麥玉米一年兩熟地區，免耕體系中采用深松對土壤和產量的影響是什么，效果如何；是應夏季還是秋季進行深松；由于深松補貼，部分地區年年深松，對此尚未見有關的試驗報道，一直存在爭議。因此，從2013年開始，在一年兩熟保護性耕作高產高效體系試驗中[22]，設置了新的深松試驗區，針對上述問題開展專項試驗，指導深松的合理應用，豐富保護性耕作高產高效技術體系。

1 試驗條件、材料與方法

1.1 試驗條件

試驗設在山東省平度市蘭底鎮桑園村，屬于溫帶季風氣候，地勢平坦，土壤質地為潮土，種植制度為小麥、玉米平作一年兩熟，是山東、河南、河北等地區典型的種植制度，地下水貧瘠、依靠池塘蓄雨灌溉。2013年保護性耕作面積占本市小麥、玉米種植面積30%，且逐年擴大。根據青島農業大學測定，2012年參試土壤0～20 cm平均有機質質量比為15.10 g/kg，堿解氮質量比81.74 mg/kg、速效磷質量比20.4 mg/kg、速效鉀質量比124 mg/kg，pH值5.56。試驗地土壤肥力基本均勻，肥力水平3～4級。由于多年保護性耕作的影響，參試土壤有機質、速效磷、速效鉀含量高于當地傳統耕地，但堿解氮含量和pH值低于傳統耕地，在當地保護性耕作土壤中具有代表性。

1.2 試驗機具

按傳統農業試驗的觀念，夏深松和秋深松的對比試驗應選用相同的機具，便于比較時排除機具因素的影響。如果在實際生產中兩個季節可以使用相同機具，像北方一年一熟地區，上述做法是可行合理的。但是，在一年兩熟地區生產中，夏季和秋季基本采用不同的深松機具。夏季多采用玉米深松播種聯合作業機(圖1)，而該機不可能用于秋季播小麥。秋季本地區可以獨立深松，也可以和播種聯合作業。深松與小麥播種聯合作業的機具(圖2)，由于播種機構不同，同樣難以在夏季使用。獨立深松機具是可以在夏季作業的，但從夏季搶農時、減少跑墑，以及減少機具進地次數的角度，聯合作業比獨立深松具有明顯優勢。農戶不可能為利用一個深松機而放棄聯合作業。因此，機械化農業試驗的觀念應該是夏深松和秋深松各自選用最合適的機具，這樣既比較了不同時間季節，也比較了不同的機具，才是更全面、合理的，試驗結果可以迅速推廣應用。

夏深松選用河北農哈哈2BSQPY-4 型玉米深松播種聯合作業機(圖1)，工作幅寬2.4 m，拖拉機配套動力51 kW以上。

秋深松選用山東大華4鏟式深松機(圖3)和河南豪豐2BMFS-12/6型小麥免耕播種機(圖4)。小麥是密植作物，播種耗用功率大，深松播種聯合作業需要大功率拖拉機，如山東大華2BMSFS-12/6型小麥深松播種聯合作業機(圖2)，作業幅寬2.4 m,需要88 kW以上拖拉機。本地區農田地塊不大，大功率拖拉機利用率很低，勢必提高深松作業成本。因此，試驗選取獨立深松機。

圖2 山東大華 2BMSFS-12/6型小麥深松播種機Fig.2 2BMSFS-12/6 wheat no-till drill with sub-soiling by Dahua of Shandong

圖3 山東大華4鏟式深松機Fig.3 Four shovels sub-soiler by Dahua of Shandong

圖4 河南豪豐2BMFS-12/6型小麥免耕播種機Fig.4 2BMFS-12/6 wheat no-till drill by Haofeng of Henan

1.3 試驗區設計

深松單因素、3水平、3次重復，共9個小區。為適應機械作業，試驗小區長70 m、寬4.8 m，小區間隔離帶1 m,重復間隔離帶10 m。傳統對照3個小區,總計12個小區，占地5 400 m2左右。試區布置如圖5。圖中：D1表示夏深松(播種玉米時深松)，行間深松、彎柱式楔形鏟、鏟間距60 cm、松土深度30 cm，秋季不深松；D2表示秋深松(播種小麥前深松)，全面深松、倒梯形弧面鏟、鏟間距60 cm、松土深度30 cm，夏季不深松；D3表示不深松，全年免耕；CK表示傳統耕作對照。

圖5 深松試驗區布置Fig.5 Arrangement of sub-soiling experiment plots

1.4 試驗區管理

試驗地小麥、玉米生產作業工藝為：玉米機械收獲—秸稈全部粉碎覆蓋—秋深松(或不深松)—小麥免耕施肥播種—灌水—田間管理；小麥機械收獲—秸稈全部粉碎覆蓋—夏深松與玉米施肥播種聯合作業(或玉米施肥播種作業)—灌水—田間管理。

播小麥施硫酸鉀復合肥750 kg/hm2，播玉米施海藻復混肥750 kg/hm2,小麥灌越冬水(450 m3/hm2)1次，返青水(375 m3/hm2)1次，玉米正常年份不灌水。

除深松作業外，各試驗小區其它作業和管理措施相同。傳統對照處理為收獲后人工抱走秸稈、根茬還田，旋耕整地兩遍，傳統播種。

1.5 田間測試方法

1.5.1測產

小麥測產：每小區3點隨機取樣，測定產量三要素，每個樣點取11行測定行距，2 m距離測定有效穗數，同時隨機取50頭穗帶回實驗室脫粒干燥后，測定穗粒數、千粒質量。玉米測產：每小區3點隨機取樣，測定行距，每行測定10 m玉米株數用于計算株距，其中隨機選取10株帶回實驗室干燥測定穗粒數和千粒質量。

1.5.2測土

取樣：每小區3點隨機取樣，0～20 cm表層土壤混合樣品。

土壤含水量采用干燥法測定；土壤容重采用環刀法測定；土壤孔隙度采用計算法測定；土壤有機質含量采用重鉻酸鉀容重法測定；土壤細菌數量采用平板培養菌落計數法測定。

2 試驗結果

2.1 產量

試驗區每季的產量，經過方差檢驗(F檢驗)確認不同處理間具有顯著差異(P<0.05)或差異(P<0.10)后，取每一處理3個小區的平均產量作為該處理產量，結果如表1。3種深松處理(D1、D2、D3)、1種傳統耕作處理(CK)，2013年6月—2017年6月共8個季節的產量及對比如表1所示。

表1 深松試驗區小麥、玉米產量對比(2013—2017年)Tab.1 Wheat and corn yields in sub-soiling plots from 2013 to 2017 t/hm2

注：*表示深松當季產量最高的小區；** 表示2013年D2小區沒有深松，其玉米產量與不深松小區相同。

圖6 夏深松增產幅度變化曲線Fig.6 Reduction trend of yield increasing rate in summer sub-soiling compared to no sub-soiling

從表1可見，不深松(免耕)相比深松產量低，但相比傳統耕作仍然是增產的，平均增產幅度達到16%。考慮到免耕投入少、成本低，所以一年兩作地區長期免耕雖然不是最佳選擇，但當前仍是可行的。

從表1可見，5年8次收獲中有6次當季深松獲得的產量最高，證明深松對當季產量影響最大。

從表1可見，深松實施的第1年，深松比不深松增產18%。表明多年免耕的土壤，進行深松可取得顯著增產效果。

從表1的5年累計產量看，由大到小依次為夏深松、秋深松、不深松，初步證明夏深松的增產效果優于秋深松。夏深松相比秋深松增2.3%、比不深松增5.9%。

從表1結果可見，每年深松有明顯的增產效應遞減現象。表1和圖6顯示，夏深松第1年比不深松增產18%, 隨后增幅迅速遞減。 表1顯示，秋深松第1年增產8.3%，第2年降為4.0%，第3年降為1.9%。夏深松第5年、秋深松第3年增幅降到2%以下。

2.2 土壤容重、孔隙度、田間持水量、有機質含量及土壤細菌數量

2017年土壤容重、孔隙度、田間持水量測定結果見表2，測定時間為2017年6月19日，2014—2017年土壤有機質含量測定結果見表3, 土壤細菌、真菌數量測試結果見表4，測定時間為2014年6月17日。

表2 試驗區土壤容重、孔隙度及田間持水量Tab.2 Soil bulk density, porosity and field water holding capacity of sub-soiling trial plots

表3 2014—2017年深松試驗區土壤有機質質量比Tab.3 Organic matter contents during 2014—2017 at sub-soiling trial plots g/kg

從表2可知，深松降低土壤容重、增加土壤孔隙度和田間持水量，從而有利于提高作物產量。夏深松比不深松降低土壤容重6.1%、增加孔隙度5.2%，提高田間持水量10.2%。

表4 不同深松處理的土壤細菌、真菌數量Tab.4 Number of soil bacteria and epiphyte at different sub-soiling trial plots

由表3可見，深松土壤有機質含量低于不深松，4年平均夏深松土壤有機質含量比不深松低5.6%，秋深松比不深松低1.6%。

表4表明，深松處理的土壤細菌數量比不深松平均減少50%，土壤細菌活力減少、土壤肥力降低。

3 結果分析與討論

3.1 夏深松與秋深松效果分析

3.1.1夏深松

(1)夏深松的優勢為:深松后雨季到來，利于土壤蓄墑；作業地表為小麥秸稈覆蓋，比玉米秸稈數量少、強度低，深松機堵塞少、易于保證作業質量；深松與播種聯合作業時，玉米行距大,可以與深松行距一致，每行玉米都播在深松溝同一部位，土壤松軟一致，保持播深穩定；玉米行數少、播種消耗功率小，加上深松，中型拖拉機仍然可以作業，動力利用好，作業成本低。如試驗區夏深松費用300元/hm2，而秋深松費用600元/hm2。

(2)夏深松的劣勢為：該時期土壤比較干旱，深松作業易產生土坷拉、跑墑，影響玉米出苗。對有灌水條件的地區，可以通過播后灌水保全苗。對于干旱嚴重，又缺乏灌溉條件的地區，采用夏深松風險較大。

(3)綜合來看，夏深松增產效果好,獲得增產的周期長,作業費用低，應該大規模推廣應用。但在缺乏灌溉條件的地區，實施夏深松的年份不宜固定，干旱時應繼續免耕，直至墑情較好的年份出現再進行深松。保護性耕作不要求年年深松，如3或4年深松1次，3年出現1次合適墑情的概率還是很大的。嚴重干旱地區3年也難保證出現1年好墑情，應采用秋深松。

3.1.2秋深松

(1)秋深松優點為：土壤墑情一般較好，可以保證松土質量；適合作業時間較長，可以獨立深松。

(2)秋深松缺點：秋后雨季結束，深松的蓄水保墑作用有限，還可能因動土增加跑墑；玉米秸稈多、根茬壯，深松鏟易被堵塞，影響深松作業效果；小麥對種床要求高，深松后播小麥，有兩方面原因會影響出苗：土壤中有土坷拉、孔隙大，土壤松軟不均，由于小麥是密植作物、行距小，難以與深松行距匹配，小麥只能播在深松溝不同部位，土壤松軟不一、導致播種深淺不一；小麥播種機行數多、負荷重，深松是在重負荷作業上再加重負荷，需要拖拉機功率更大。如山東大華生產的2BMSFS-12/6型小麥深松播種聯合作業機，需要88 kW以上拖拉機，其它田間作業一般不需要這么大功率，造成拖拉機動力利用差，深松作業成本上升。

(3)綜合來看，秋深松產量低于夏深松、作業費用較高，大面積應用夏深松更有利農戶增產增收。但在干旱嚴重、灌溉條件缺乏的地區，玉米青貯、收獲機壓地嚴重應及時疏松的地區等，還是必須采用秋深松。

3.2 年年深松增產效應遞減分析

出現增產效應遞減，是因為深松對產量的影響有兩面性。深松有利于增產，如疏松土壤、增加土壤孔隙度、提高土壤田間持水量(表2)[10-18]；深松不利于增產，是因為深松后地表高低不平、土壤緊實度軟硬不勻、將影響播深均勻性，深松產生的土坷拉將不同程度地降低播種質量。從長期看，深松可能導致土壤有機質含量增長緩慢，細菌和真菌減少(表3、4)[19]。也有專家認為深松會加大肥料淋浴損失等。本期深松試驗開始時，試驗區已經連續5年免耕、土壤相對板結，深松的正面作用大于負面，取得明顯增產效果。但后續幾年，土壤已經疏松，繼續深松的正面作用下降，而負面影響卻不斷積累，導致增產效應遞減。年年深松到一定時間，投入將大于產出。以秋深松為例，年均產小麥8 t/hm2、玉米9 t/hm2，實施秋深松的第3年，增產幅度降為1.9%，增收小麥152 kg/hm2、玉米171 kg/hm2，合計577元/hm2, 深松作業費用600元/hm2，投入大于產出。粗略看出，增產幅度降到2%左右即為投入大于產出的臨界點，從表1可見，夏深松第5年、秋深松第3年增產幅度降到臨界點。

4 結論

(1)目前一年兩熟地區持續免耕相比傳統耕作大多數仍然是增產的。但深松有利于把保護性耕作保水保土的優勢，更好地轉化為產量優勢，因此保護性耕作免耕體系中引入深松，是一項可行的增產措施。基于深松對產量影響的兩面性，既有疏松土壤、增加持水量等正面影響，也有降低播種質量、減慢土壤有機質積累等負面影響，深松不是一定增產增收。需要把握好深松的季節、年限、機具與作業時機等。

(2)從試驗初步結果看，夏深松產量高于秋深松，保持增產的時間較長，作業費用較低。建議大面積推廣應用，有利于農戶增產增收，但在夏季干旱嚴重、灌溉條件缺乏的地區，在玉米青貯、重型收獲機壓實嚴重的地區等，應選擇秋深松。

(3)年年深松存在增產效應遞減現象，到一定年限投入將大于產出，多年連續深松不可取。初步試驗看，夏深松5年、秋深松3年左右將出現投入大于產出的拐點。深松應該有間隔地合理進行，深松周期因地區、氣候、土壤、作物而不同，建議按區域開展專項試驗。