內蒙古河套平原灌區玉米適宜耕作方式研究

于曉芳，趙曉宇，胡樹平，高聚林，崔 濤，王富貴

（內蒙古農業大學，呼和浩特 010019）

內蒙古河套平原位于巴彥淖爾市，是內蒙古自治區糧食主產區之一，每年生產糧食445.0萬噸[1]。其中，玉米種植面積為25.0萬公頃，產量為221.0萬噸(2016年)，占該區玉米總產量的10.68%。耕地質量是耕地生產力的基礎，其中包含土壤的養分含量和物理結構等，不同的耕地質量作物的產量存在較大差異[2]。作物產量是反映土壤肥沃性的一個重要指標，是土壤物理、化學和生物學性質的綜合反映。內蒙古河套平原地域寬廣、農田土壤肥力分布不均勻、玉米產量差異較大[3]。加之，當地農業生產以小農機具連年淺旋耕作方式為主，導致耕層變淺、犁底層變硬、土壤保水保肥能力下降[4]，次生鹽漬化加重，從而限制了玉米產量的提高[5]。

前人研究表明，深松和深翻均可打破犁底層，降低土壤容重，改善土壤結構，增加土壤的孔隙度，提高土壤肥力，從而有利于作物生長發育和提高產量[6-7]。兩種耕作方式不同，深翻是通過鏵式犁疏松土壤，擾動土層，使得上下土層翻轉、混合，是一種傳統的農田耕作方式；深松是利用專用深松旋耕機深松鏟，將土壤耕松而不翻轉表土層，進而打破傳統耕作留下的堅實犁底層，但不會造成上下土層的混合。因此，二者對土壤的作用效果不盡相同。目前，關于兩種耕作方式作用效果及其機理的研究主要集中在相鄰地塊同等土壤肥力條件下的土壤理化性狀和作物產量的比較分析，而對不同土壤肥力水平下二者作用效果的研究結果鮮見報道。

近年來內蒙古河套平原部分地區小面積開展了深松及深翻耕作，但其作用效果及其機制尚未見報道。因此，本研究在該地區選擇采取深松和深翻的不同肥力地塊，進行取樣測試分析，以期探究兩種耕作方式對河套平原不同肥力水平的土壤理化特性與玉米產量的作用效果，為該地區針對不同土壤肥力水平采取適宜的深耕方式來改善土壤結構、提高玉米產量提供科學依據，也為我國其他地區相同土質采取適宜的深耕措施提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗點概況

2015年在內蒙古河套平原進行調研取樣，該地區地形平緩，平均坡度約0.02%；土壤以粉質黏土、輕粉質黏土為主，還有少量細粉砂土；屬于干旱—半干旱氣候，年均降雨量160 mm，年均蒸發量2000 mm，年平均氣溫7℃[3]。灌區內以引黃灌溉為主，全年灌水3～7次，年均引黃水量約1.17 × 109m3[8]。綜合考慮灌區玉米分布、灌溉、土壤、地下水等狀況，試驗取樣點分布在巴彥淖爾市的烏拉特前旗、烏拉特中旗、五原縣、杭錦后旗、臨河區、磴口縣等地 (圖1)。

圖 1 取樣點分布示意圖Fig. 1 Schematic diagram of sampling sites

1.2 試驗設計與土壤取樣方法

每個試驗點分別選低產土壤 (玉米產量低于7500 kg/hm2)、中產土壤 (玉米產量在7500～12000 kg/hm2)和高產土壤 (玉米產量高于12000 kg/hm2)，分別采取淺旋耕 (10—15 cm)、傳統翻耕 (20—30 cm) 和深松(30—35 cm) 3種耕作方式，共組成9個處理。每取樣點地塊為100 cm × 80 cm，分別取0—20 cm、20—35 cm、35—50 cm土層土樣。

1.3 測定指標

1.3.1 土壤含水量、容重和三相比 1)土壤含水量和容重采用環刀法測定，于收獲后選擇具有代表性的地塊，挖長度為100 cm、寬80 cm、深60 cm的剖面，用修土刀刮平后，用環刀取0—20 cm、20—35 cm、35—50 cm土樣，稱重后，裝入密封袋中帶回實驗室，在80℃烘箱內烘干，再稱重，計算土壤容重和土壤含水量。

土壤容重 (g/cm3) = (烘干后帶土環刀重-環刀重) /環刀容積

土壤含水率 (g/kg) = (烘干前帶土環刀重-烘干后帶土環刀重) / (烘干后帶土環刀重-環刀重) × 1000

2) 土壤三相比的測定在取土樣同時，用DIK-1601土壤三相儀測定各土層土壤三相比[9]。所測定土壤樣品三相比與農田土壤理想狀態下三相比 (固相50%，液相25%，氣相25%) 的偏離值[10]為R值，計算如下：

式中：R為所測定土壤樣品三相比與土壤理想狀態下三相比的偏離值；X為所測定土壤樣品固相的數值；Y為所測定土壤樣品液相的數值；Z為所測定土壤樣品氣相的數值；50為土壤理想狀態下固相的數值；第一個25為土壤理想狀態下液相的數值；第二個25為土壤理想狀態下氣相的數值。

1.3.2 土壤養分指標 將取回的土壤樣品放置陰涼處通風晾干，研磨后過0.15～0.25 mm土篩[9]，分別測定不同粒徑土樣的土壤養分含量。土壤有機質采用重鉻酸鉀氧化—容量法測定；全氮采用半微量凱氏定氮法，用K-9840 型凱氏定氮儀測定；速效磷采用碳酸氫鈉浸提—鉬銻抗比色法測定；速效鉀采用醋酸銨浸提—火焰光度法測定[11]。

1.3.3 土壤質量指數 土壤質量指數能夠綜合有效地反映土壤質量的變異信息，采用加權求和模型對深松條件下土壤含水量、土壤容重、土壤全氮、土壤速效鉀等指標，進行土壤質量指數的計算[12]。

式中：FQI是土壤質量指標；Wi為第i個因子的權重；Fi為第i個因子的隸屬度；n為參評因子數。

1.4 數據處理

用Microsoft Excel 2003與Sigma Plot 12.5進行試驗數據處理和繪制統計圖表，用SPSS 20.0 進行方差分析。

2 結果與分析

2.1 耕作方式對不同產量水平地塊土壤含水量、容重和三相比R值的影響

2.1.1 土壤含水量 由表1可知，0—50 cm以內土層土壤含水量隨著土層深度與地塊產量水平的遞增而逐漸增加；在高、中、低三個產量水平下，土壤含水量均表現為旋耕 ＜ 翻耕 ＜ 深松；土壤含水量在不同產量水平土壤間和不同耕作方式間差異均達到極顯著水平，且耕作方式和土壤肥力水平間互作效應達到顯著或極顯著水平。

進一步對不同土壤肥力條件下各耕作方式對土壤含水量的作用效果進行分析可知，在低、中、高產土壤下，深松均較旋耕顯著提高了0—50 cm土層的土壤含水量，低產土壤0—20、20—35、35—50 cm土層分別提高13.59%、21.22%、20.59%，中產土壤分別提高7.25%、16.58%、20.07%，高產土壤分別提高13.24%、11.35%、32.11%。而傳統翻耕在低產土壤下較旋耕顯著提高了0—20 cm和20—35 cm土層的土壤含水量，提高幅度分別為10.45%和16.07%；在中產土壤下僅20—35 cm土層的含水量較旋耕顯著提高了9.60%；在高產土壤下較旋耕顯著提高了20—35 cm和35—50 cm土層的含水量，提高幅度為5.36%和21.91%。進一步將深松與傳統翻耕的作用效果進行對比分析表明，在低產土壤下深松在35—50 cm土層的土壤含水量較傳統翻耕顯著高出14.00%，在中產土壤下0—50 cm土層二者的土壤含水量均無顯著差異，在高產土壤下深松在20—35 cm、35—50 cm土層的含水量較傳統翻耕分別顯著高出5.69%和8.37%。

2.1.2 土壤容重 由表2可以看出，土壤容重隨著土壤產量水平的提升而下降，各土層土壤容重的變化規律均表現為 20—35 cm ＞ 0—20 cm ＞ 35—50 cm。不同產量水平下，耕作方式對土壤容重的影響均表現為深松 ＞ 傳統翻耕 ＞ 旋耕；土壤容重在不同產量水平地塊間和不同耕作方式間均存在顯著差異 (P＜0.05) 或極顯著差異 (P＜ 0.01)，且耕作方式與產量水平間的互作效應達顯著或極顯著水平。各產量水平地塊的耕作方式對土壤容重作用效果進行分析表明，在低、中、高產田，深松較旋耕顯著降低了0—50 cm土層的土壤容重，低產田條件下0—20、20—35、35—50 cm各土層分別降低了5.73%、8.59%、5.23%，中產田分別降低5.81%、6.92%、5.96%，高產田分別降低6.71%、8.61%、7.59%。而傳統翻耕在低產田條件下0—20 cm和20—35 cm土層的土壤容重分別較旋耕顯著降低2.55%和4.91%；中產田水平下僅在20—35 cm土層較旋耕顯著降低3.14%；在高產田條件下0—50 cm土層的土壤容重與旋耕相比差異均不顯著。且傳統翻耕降低的幅度均小于同產量水平條件下深松對土壤容重的作用效果。

表 1 不同產量水平和耕作方式下的土壤含水量(g/kg)Table 1 Soil water content under different maize yield levels and tillage methods

表 2 不同產量水平和耕作方式下的土壤容重 (g/cm3)Table 2 Soil bulk density under different maize yield levels and tillage methods

深松和傳統深翻對土壤容重的作用效果對比分析表明，在低產田條件下深松在0—20 cm和20—35 cm土層的土壤容重較傳統翻耕顯著降低了3.27%和3.87%，在中產田條件下35—50 cm土層較傳統翻耕顯著降低3.40%，在高產田條件下的0—20、20—35、35—50 cm土層較傳統翻耕分別顯著降低5.44%、7.38%和6.94%。

2.1.3 土壤三相比R值 農田理想的土壤三相比為固相50%、液相25%、氣相25%[10]，合理調控三相比為作物生長發育提供良好的水、熱、氣、肥條件，從而促進玉米的根系下扎能力和營養吸收速率。R值為所測定土壤樣品三相比與土壤理想狀態下三相比的偏離值[9]。由表3可以得出，不同產量水平地塊的土壤三相比R值表現出隨著產量的提高土壤三相比越趨近于理想三相比；各產量水平條件下耕作方式對R值的影響均為深松 ＞ 傳統翻耕 ＞ 旋耕。土壤三相比R值在不同產量水平地塊間和不同耕作方式間均存在顯著差異 (P＜ 0.05) 或極顯著差異(P＜ 0.01)，且耕作方式與產量水平間的互作效應達到顯著或極顯著水平。

由表3可知，在各產量水平下，深松均較旋耕顯著降低了0—50 cm土層的土壤三相比R值。在低產田條件下0—20、20—35、35—50 cm各土層深松較旋耕分別降低了17.70%、40.22%、52.79%，中產田條件下分別降低了12.24%、37.19%、56.81%，高產田條件下分別降低了24.79%、33.97%、89.97%。傳統翻耕在中產田和高產田條件下0—20、20—35、35—50 cm土層的R值均較旋耕顯著降低，中產田條件下分別降低了10.47%、18.63%、18.79%，高產田條件下分別降低了11.84%、17.35%、57.74%，而在低產田條件下僅20—35、35—50 cm土層的土壤三相比R值較旋耕顯著降低19.82%、13.73%，且傳統翻耕降低的幅度均小于同產量地塊條件下深松對該土層土壤容重的作用效果。

分析比較深松和深翻的作用效果表明，在低產田條件下深松處理下的0—20、20—35、35—50 cm土層的土壤三相比R值均較傳統翻耕顯著降低了11.22%、25.45%、45.28%，在中產田和高產田條件下深松處理下的20—35 cm和35—50 cm土層土壤三相比R值較傳統翻耕分別顯著降低了22.81%、46.82%和20.11%、76.27%。

表 3 不同產量水平和耕作方式下的土壤三相比R值Table 3 R values of the solid/liquid/gaseous phases under different yield levels and tillage methods

2.2 耕作方式對不同產量水平地塊土壤養分含量的影響

由圖2可以看出，隨著產量水平的提高，耕地土壤中全氮、速效磷、速效鉀與有機質的含量逐漸增加，土壤養分含量隨土層深度增加而呈現降低趨勢。高、中、低田水平下，耕作方式對土壤提升的作用效果表現為深松 ＞ 傳統翻耕 ＞ 旋耕。

2.2.1 土壤全氮含量 由圖2可知，低產田水平下0—50 cm土層，深松與旋耕間土壤全氮含量差異不顯著；中產田水平下0—35 cm土層土壤全氮含量二者間仍差異不顯著，在35—50 cm土層深松土壤全氮較旋耕顯著增加了0.22 g/kg；高產田水平，深松使20—35 cm和35—50 cm土層的土壤全氮較旋耕顯著提高了0.22 g/kg和0.23 g/kg，而在0—20 cm土層二者間差異不顯著。各產量水平條件下傳統翻耕處理的0—50 cm土層土壤全氮與旋耕相比差異均不顯著。深松與傳統翻耕相比較，在低產和中產田條件下土壤全氮含量二者間差異不顯著，在高產田條件下土壤全氮含量二者在35—50 cm土層差異顯著，深松較傳統翻耕顯著增加了24.05%，由此說明低產和中產田水平下采取各耕作方式對土壤全氮量的影響不明顯，而高產田水平下采取深松處理有利于提高土壤全氮含量。

2.2.2 土壤速效磷含量 在低、中、高產田水平下，深松較旋耕均顯著提高了0—50 cm土層的土壤速效磷含量。低產田條件下0—20、20—35、35—50 cm各土層分別提高了2.01、3.07、2.29 mg/kg，中產田條件下分別提高了2.80、2.86、2.12 mg/kg，高產田條件下分別提高了4.17、3.15、2.56 mg/kg。傳統翻耕在低、中產田條件下0—50 cm各土層的土壤速效磷含量與旋耕間差異不顯著，高產田條件下在0—20、20—35、35—50 cm各土層傳統翻耕處理下的土壤速效磷含量較旋耕顯著提高2.47、1.34、1.21 mg/kg，提高的幅度小于深松。對深松和傳統翻耕比較分析表明，深松與傳統翻耕間在低產和中產田條件下0—50 cm土層土壤速效磷含量差異不顯著，在高產田條件下深松較傳統翻耕顯著提高了12.48%、16.94%和14.25%。由此說明，在高、中、低產田水平下采取深松耕作方式均能提高土壤速效磷含量；高產田水平采取深翻耕作也能顯著提高土壤速效磷含量，但作用效果不如深松。

圖 2 耕作方式對不同產量水平土壤養分含量的影響Fig. 2 Effect of tillage methods on soil nutrient contents under different yield levels

2.2.3 土壤速效鉀含量 低、中、高產田水平下，深松較旋耕均顯著提高了0—50 cm土層的速效鉀含量，低產田條件下0—20、20—35、35—50 cm各土層分別提高了65.23、53.39、32.03 mg/kg，中產田條件下分別提高58.53、39.03、38.82 mg/kg，高產田條件下分別提高 51.96、45.28、42.94 mg/kg。在低、中產土壤條件下，傳統翻耕0—20、20—35 cm土層的速效鉀含量較旋耕顯著提高了48.10、29.73 mg/kg和36.57、28.50 mg/kg；高產田條件下傳統翻耕處理的0—20 cm和35—50 cm土層速效鉀含量較旋耕顯著提高了35.99 mg/kg和20.05 mg/kg。對深松和傳統翻耕的對比分析表明，深松在低高產田條件下0—50 cm土層的速效鉀含量與傳統翻耕間差異不顯著，中產田水平下深松在0—20 cm土層速效鉀含量較傳統翻耕顯著提高了9.02%，高產田條件下深松在35—50 cm土層速效鉀含量較傳統翻耕顯著提高了24.32%。

2.2.4 土壤有機質含量 低、中、高產田水平下，深松較傳統翻耕均顯著提高了0—50 cm土層的有機質含量，低產田條件下0—20、20—35、35—50 cm各土層分別提高4.88、3.60、3.55 g/kg，中產田條件下分別提高3.43、3.91、4.08 g/kg，高產田條件下分別提高4.23、3.28、4.00 g/kg。在低產和中產田條件下傳統翻耕處理在0—20、20—35、35—50 cm土層的有機質含量較傳統翻耕顯著提高了2.77、2.64、1.72 g/kg和2.39、2.61、2.74 g/kg，在高產田條件下傳統翻耕較旋耕在0—20和35—50 cm土層顯著提高了1.96 g/kg和2.67 g/kg。深松與傳統翻耕作用效果比較表明，二者在低產田水平下0—20和35—50 cm土層的有機質含量差異顯著，深松較傳統翻耕提高16.92% 和18.58%；中產田水平下深松較傳統翻耕在20—35 cm土層有機質含量顯著提高10.52%；高產田水平下 深松較傳統翻耕在0—20和35—50 cm土層有機質含量顯著提高14.84%和11.78%。由此說明，在高、中、低產田水平下采取深松和深翻耕作均顯著提升了土壤有機質含量，但深松的作用效果好于深翻。

2.3 耕作方式與土壤肥力互作對玉米產量的影響

根據各取樣點玉米產量調查結果(圖3) 可見，玉米產量在不同肥力水平間和不同耕作方式間均表現出極顯著差異，且耕作方式和土壤肥力水平間互作效應達到顯著或極顯著水平。三個產量水平土壤下，三種耕作方式下的玉米產量由高到低均為深松 ＞傳統翻耕 ＞ 旋耕，不同耕作方式之間差異顯著 (P＜0.05) 。具體來說，低、中、高產土壤上，深松和傳統翻耕處理的玉米產量較旋耕分別顯著提高了47.97%、40.74%、16.27% 和32.79%、23.46%、8.03%，且深松耕作較深翻的增產效果在各土壤肥力水平下均達到顯著。

圖 3 耕作方式與土壤肥力互作對玉米產量的影響Fig. 3 Effect of tillage methods on maize yield under different farmland fertility levels

2.4 耕作方式與土壤肥力互作的玉米增產潛力分析

圖4表明，采用翻耕，低產土壤肥力的拐點出現在土壤質量指數為0.289左右，此時，玉米產量最高，達到9.551 t/hm2，較低產土壤最高玉米產量增加22.75%；中產土壤肥力的拐點出現在土壤質量指數為0.329左右，此時玉米產量最高，達到13.333 t/hm2，較中產土壤最高玉米產量增加了16.96%；高產土壤肥力的拐點出現土壤質量指數為0.322左右，此時玉米產量達到16.667 t/hm2，較高產土壤最高玉米產量增加了16.55%。因此可知，采取傳統翻耕措施的玉米增產潛力表現為低產土壤＞中產土壤＞高產土壤。采用深松，低產土壤肥力的拐點出現在土壤質量指數為0.321左右，此時玉米產量最高，達到10.077 t/hm2，較低產土壤最高玉米產量增加29.56%；中產土壤肥力的拐點出現在土壤質量指數為0.348左右，此時，玉米產量最高，達到15.647 t/hm2，較中產土壤肥力水平下最高玉米產量增加了25.37%；高產土壤肥力的拐點出現在土壤質量指數為0.366左右，此時，玉米產量最高，達到18.114 t/hm2，較高土壤肥力水平下最高玉米產量增加了16.13%。由此可知，采取深松措施的玉米增產潛力表現為低產土壤＞中產土壤＞高產土壤。

3 討論

3.1 深耕對土壤肥力及玉米產量的影響

圖 4 不同玉米產量水平地塊采用翻耕與深松的增產潛力Fig. 4 Potential productivity of different yield level farmlands under plowing and subsoiling

我國耕地土壤淺、實、少，犁地層增厚變硬，蓄水保墑能力差，土壤養分不均衡等現象已經成為限制我國作物產量提高的主要因素之一[13]。據此，本課題組自2011年以來一直開展深松對土壤理化特性及玉米產量影響的研究，尹斌[14]和張鳳杰[15]在河套平原灌區開展關于深松對土壤理化特性和玉米產量影響的研究表明，深松措施較淺旋可以顯著降低0—40 cm土層的緊實，改善土壤緊實環境，增強生育后期土壤深層 (40—60 cm) 的蓄水能力和增大后期深層(20—40 cm) 土壤水穩性團聚體粒徑的效果，改善根系生長及構型，延緩葉片衰老，提高玉米產量8.90%～21.98%[14-15]；張峰[16]也在該地區開展的深翻對土壤理化特性及玉米產影響研究結果表明，深翻措施較淺旋能降低土壤容重和緊實度，增加氣相和液相的比例，增強土壤結構性，改善土壤物理性質，并能優化根系的垂直分布，減緩葉片的衰老速度，可增產12.90%。且國內也有其他學者對深耕措施的作用機理做了大量的研究[17-19]，研究結果與本課題組研究結果相一致。因此，本課題在此研究基礎上，對深松及深翻技術在河套灌區推廣應用，并對深松及深翻對不同產量水平耕地的作用效果進行調研和評價，結果表明在河套灌區高、中、低不同產量水平的耕地，采用深松和翻耕措施后較淺旋均能降低土壤容重，提高土壤含水量，改善土壤固液氣三相，提升土壤養分，提高玉米產量，且總體表現為深松的效果顯著好于深翻。

3.2 深耕對不同土壤類型耕地肥力及玉米產量的作用效果

內蒙古河套灌區從1980年開始使用小四輪農機進行旋耕滅茬農事操作，迄今為止已有40年的歷史，導致耕層變薄，耕層與犁底層之間形成較為明顯的犁底層[20]，嚴重影響了土壤和作物生產潛力的充分發揮[21]。本研究對比河套地區淺旋耕、深松和深翻三種耕作措施對不同產量水平地塊的土壤物理特性、養分含量及玉米產量的影響，結果表明，與本地區近些年廣泛使用的淺旋耕相比，深松和深翻均顯著降低了土壤容重，增加了土壤孔隙度，提高了0—60 cm土壤蓄水能力，提升土壤養分，提高了玉米產量，深松的效果又優于翻耕。但是，不同地區和土壤上深松與深翻的作用不盡一致。戰秀梅等[22]對東北黑土的研究結果表明，翻耕改善土壤理化性質和提高玉米產量的效果顯著優于深松，秸稈連年還田條件下，這種優勢更加顯著。何鑫[23]在黑土的研究也表明，深松更利于改善土壤結構，提高土壤速效養分，促進苗期玉米生長。王淑蘭等[24]在渭北旱塬質地較重的土壤研究表明，深松改善土壤環境質量、提升土壤肥力和增產增收的作用好于連續翻耕與淺旋耕。王旭東等[25]對黃土高原黑壚土的研究結果表明，深松比翻耕能更好地提高土壤碳庫和玉米產量。本研究所在的河套平原，土壤質地主要為粉質黏土，深松后土壤的固液氣三相比更趨近于理想狀態，土壤養分含量提高，產量水平越低的土壤，深松的效果越顯著。本研究對深松和深耕措施對玉米的增產潛力進行了預測，結果表明深松對低、中、高土壤肥力水平的作用潛力分別為29.56%、25.37%和16.13%，翻耕分別為22.75%、16.96%和16.55%。這為推動這兩項技術在河套平原地區的大面積應用提供了理論支持。

4 結論

在河套平原地區低、中、高肥力水平的耕地，采用深松和翻耕耕作方式較農戶常規淺旋耕均顯著提高了0—50 cm土層的土壤含水量、土壤全氮含量、速效磷含量、速效鉀含量和有機質含量，降低了土壤容重，使固液氣三相比更趨近于理想狀態，但二者作用效果存在不同程度的差異。深松和翻耕使低、中、高產田的玉米產量較農戶常規淺旋耕增加47.97%和32.79%，40.74%和23.46%，16.27%和8.03%。深松對低、中、高產田增產潛力為16.13%～29.56%，翻耕增產潛力為16.55%～22.75%。綜合分析不同肥力水平下的土壤理化特性、玉米產量及其增產潛力，內蒙古河套灌區低肥力與中肥力水平下宜采取深松耕作，高肥力水平下深松與翻耕均可。