深松處理對豫北農(nóng)田土壤水分與作物耗水的影響

張 凱 劉戰(zhàn)東 強(qiáng)小嫚 米兆榮 馮榮成 孫景生

(1.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)田灌溉研究所農(nóng)業(yè)農(nóng)村部作物需水與調(diào)控重點開放實驗室， 新鄉(xiāng) 453002； 2.河南科技學(xué)院園藝園林學(xué)院， 新鄉(xiāng) 453003； 3.獲嘉縣農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心， 新鄉(xiāng) 453800)

0 引言

豫北地處華北平原南部，是我國重要的糧食產(chǎn)區(qū)，以冬小麥和夏玉米復(fù)種連作為主要種植模式，也是我國水澆地主要分布區(qū)之一[1-3]。長期農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實踐中，采用旋耕整地加地面灌溉的農(nóng)作方式導(dǎo)致土壤耕層變淺、犁底層加厚，耕層結(jié)構(gòu)變化導(dǎo)致土壤協(xié)調(diào)水肥氣熱的功能弱化[4]。同時，作物根系分布淺層化，對土壤水分和養(yǎng)分的吸收受到限制[5]，致使土壤性能不斷退化，嚴(yán)重制約糧食作物產(chǎn)量的提高。當(dāng)前，該區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與農(nóng)田土壤水分密切相關(guān)，如何在適宜的耕作方式下合理、高效地利用土壤水分，從而提高糧食產(chǎn)量已成為該區(qū)域亟需解決的科學(xué)問題。

已有研究表明，通過耕作方式構(gòu)建合理耕層結(jié)構(gòu)，是改善作物對水分和養(yǎng)分利用效率[6]、提升土壤生產(chǎn)能力的一種重要途徑[7]。深松方式能夠有效打破傳統(tǒng)旋耕產(chǎn)生的犁底層，可以為作物生長創(chuàng)造適宜的耕層環(huán)境，促進(jìn)作物生長和產(chǎn)量提高[8-10]。當(dāng)前，我國為改善農(nóng)田耕地質(zhì)量、全面提高農(nóng)業(yè)綜合生產(chǎn)能力，實現(xiàn)“藏糧于地、藏糧于技”，提出要大力推進(jìn)農(nóng)機(jī)深松整地作業(yè)[11-14]?，F(xiàn)有研究大多針對單一深松機(jī)械條件下深松深度對作物生長的影響，且注重作物產(chǎn)量對深松技術(shù)的響應(yīng)[4,15]，而針對不同深松機(jī)械下農(nóng)田土壤水分狀況和作物生長對深松技術(shù)響應(yīng)的研究較少。本文通過采用不同深松機(jī)械與深松深度的方式，研究深松耕作方式對冬小麥-夏玉米一年兩熟制農(nóng)田土壤物理性狀和土壤蓄水能力以及作物產(chǎn)量和水分利用效率的影響，以期為優(yōu)化豫北地區(qū)適宜耕層結(jié)構(gòu)乃至華北平原合理耕作方式提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗于2017—2018年在豫北新鄉(xiāng)市獲嘉縣(35.29°N、113.64°E，海拔78 m)進(jìn)行，該區(qū)多年平均氣溫14.6℃，無霜期221 d，日照時數(shù)2 058.4 h，光熱資源豐富，以一年兩熟(冬小麥-夏玉米)種植制度為主；多年平均降雨量為557.2 mm。冬小麥播種日期為2017年10月27日，收獲日期為2018年6月1日，全生育期降雨量共計185.9 mm，如圖1所示。夏玉米播種日期為2018年6月5日，收獲日期為2018年9月29日，全生育期降雨總量達(dá)285.0 mm。該區(qū)域是典型潮土分布區(qū)，試驗地土質(zhì)為砂壤土，0～100 cm土壤容重為1.45 g/cm3，冬小麥播種前土壤基礎(chǔ)肥力中有機(jī)質(zhì)質(zhì)量比13.4 g/kg，堿解氮質(zhì)量比72.61 mg/kg，速效磷質(zhì)量比9.74 mg/kg，速效鉀質(zhì)量比108.65 mg/kg，地下水埋深大于5 m。

圖1 2017—2018年冬小麥-夏玉米生育期溫度和降雨量分布Fig.1 Distribution of temperature and rainfall during winter wheat-summer maize growth period in 2017—2018

1.2 試驗設(shè)計

試驗以常規(guī)旋耕(CK)為對照，傳統(tǒng)深松機(jī)(T)設(shè)置3個深松深度30 cm(TD1)、35 cm(TD2)、40 cm(TD3)和深松+施肥一體機(jī)(A)深度35 cm(AD2)5個處理(圖2)，3次重復(fù)，共計15個小區(qū)隨機(jī)排列，所有耕作處理均在冬小麥播種前進(jìn)行，夏玉米季不進(jìn)行耕作處理。試驗區(qū)內(nèi)每畦長50 m，寬3.4 m，畦埂寬30 cm，埂高20 cm，面積170 m2。2017年供試冬小麥為“百農(nóng)2017”，屬半冬性中晚熟品種，播種量為225 kg/hm2。肥料施用量為：N 180 kg/hm2、P2O590 kg/hm2和K2O 90 kg/hm2，于整地前作為底肥一次性施入，拔節(jié)期追施N 75 kg/hm2。2018年夏玉米品種為“金誠6號”，種植密度67 500株/hm2，種肥同播，播種時同時施入玉米復(fù)合肥50 kg(N、P、K施肥量比例為29∶6∶5)，即N 217.5 kg/hm2、P2O545 kg/hm2和K2O 37.5 kg/hm2。灌水方式為常規(guī)畦灌，冬小麥季灌水量控制在225 mm，夏玉米季灌水量在150 mm。試驗區(qū)周圍設(shè)有保護(hù)行，其他農(nóng)事管理措施一致。

圖2 2017年冬小麥播種前深松整地處理Fig.2 Subsoiling before sowing winter wheat in 2017

1.3 測定項目與方法

1.3.1土壤容重

采用土壤容重鉆測定0～40 cm土層深度的容重，每10 cm為一個土層，每個處理3次重復(fù)。

1.3.2土壤貯水量

采用取土干燥法測定，各處理每7～10 d測定1次，測定深度為100 cm，每20 cm土層取樣，先稱濕土質(zhì)量，在105℃恒溫下干燥8 h后稱干土質(zhì)量。對各處理進(jìn)行3次平行測定，取平均值，計算土壤質(zhì)量含水率。同時，根據(jù)土壤質(zhì)量含水率計算各個生育時期的土壤貯水量。

土壤貯水量及土壤質(zhì)量含水率計算式為[16]

W=10wρh

(1)

其中

w=(wa-wb)/wb

(2)

式中W——土壤貯水量，mm

ρ——土壤容重，g/cm3

h——土層厚度，cm

w——土壤質(zhì)量含水率，g/g

wa——鮮土質(zhì)量，g

wb——干燥土質(zhì)量，g

1.3.3作物產(chǎn)量

在成熟期，冬小麥每個小區(qū)隨機(jī)選取2 m2(1 m×2 m)為樣本，夏玉米每小區(qū)選取14 m2(相鄰兩行連續(xù)10 m)為樣本，籽粒經(jīng)自然風(fēng)干后稱量，換算成公頃產(chǎn)量。

1.3.4水分利用效率

采用水分平衡法計算作物農(nóng)田耗水量[17]

ET=P-R-F-SW

(3)

式中ET——耗水量，mm

P——降水量，mm

R——徑流量，mm

F——深層滲漏量，mm

SW——生育期末與生育期初土壤貯水量之差，mm

試驗地區(qū)為潮土，疏松多孔，再加上試驗地平整，地表徑流小；在有作物生長的農(nóng)田，多雨年份降水入滲深度不超過2 m，所以R和F可忽略不計。因此式(3)可化簡為

ET=P-SW

(4)

水分利用效率計算式為

WUE=Y/ET

(5)

式中WUE——水分利用效率，kg/(hm2·mm)

Y——籽粒產(chǎn)量，kg/hm2

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS 22.0軟件One way ANOVA分析不同耕作處理之間的差異顯著性并采用Duncan新復(fù)極差法(SSR)進(jìn)行多重比較，顯著水平取p<0.05。利用Excel 2013軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析，OriginPro 2019軟件制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 深松處理對農(nóng)田土壤容重的影響

由圖3(圖中不同小寫字母表示各處理在p<0.05水平上顯著)可以看出，通過不同深松機(jī)具和深松深度處理，兩季作物成熟期土壤容重各處理在10～30 cm土層較旋耕對照差異顯著(p<0.05)。冬小麥?zhǔn)斋@后，0～10 cm土層容重僅在傳統(tǒng)深松機(jī)深松深度30 cm處理下顯著低于其他各處理；10～20 cm土層傳統(tǒng)深松機(jī)在深松深度30 cm和35 cm處理較對照土壤容重顯著降低，分別降低6.21%和3.29%(p<0.05)，其他深松處理與對照之間的差異不顯著；20～30 cm土層傳統(tǒng)深松機(jī)在深松深度35 cm和40 cm處理較對照土壤容重顯著降低，分別降低2.32%和7.05%，同時深松深度在40 cm處理容重又顯著低于35 cm處理(p<0.05)，其他各處理之間差異未達(dá)顯著水平；30～40 cm土層深松處理土壤容重均低于對照處理，但處理之間差異均不顯著(p>0.05)。夏玉米收獲后，0～40 cm土層土壤容重僅傳統(tǒng)機(jī)深松深度40 cm處理在10～30 cm土層顯著低于其他各處理，0～10 cm和30～40 cm土層各處理之間差異不顯著(p>0.05)。

圖3 冬小麥-夏玉米復(fù)種體系作物收獲后不同深度土層土壤容重Fig.3 Soil bulk density of different depths after harvest in winter wheat-summer maize multiple cropping system

2.2 深松處理對農(nóng)田土壤水分分布的影響

在冬小麥-夏玉米復(fù)種體系作物的整個生育期，不同處理土壤水分分布情況如圖4所示。從圖中可以看出，當(dāng)灌溉和降雨發(fā)生時，通過深松處理的土壤貯水量深度較對照處理更深；同時，在冬小麥灌漿期，作物對土壤水分的需求量相對較低，加之該時間段天氣炎熱，因此該階段土壤貯水量較低，該試驗40 cm以下土層的貯水量各深松處理均高于對照，其中傳統(tǒng)深松機(jī)械在深松深度35 cm處理該時期土壤貯水量高于其他處理。圖中還可以直觀看出，灌水后深松處理的水分能夠向更深層的土壤運移，這樣能夠增加深層土壤水分的蓄積，這對冬小麥和夏玉米生育期對土壤水分的吸收較為有利。整體上，深松處理能夠增加冬小麥-夏玉米連作0～100 cm土層貯水量，TD1、TD2、TD3、AD2處理較旋耕對照CK處理0～100 cm土層貯水量冬小麥季分別增加11.2%、20.6%、13.4%、6.2%；夏玉米季分別增加17.7%、14.3%、15.1%、20.8%。此外，深松與旋耕方式相比，主要對土壤40 cm以下土層的土壤水分變化產(chǎn)生影響。同時，土壤深松深度的增加還有利于提高深層土壤水分的蓄積。

圖4 冬小麥播種后土壤貯水量變化Fig.4 Changes in soil water storage after winter wheat sowing

2.3 深松處理對作物產(chǎn)量及產(chǎn)量性狀的影響

深松機(jī)具和深松深度對冬小麥、夏玉米產(chǎn)量和產(chǎn)量性狀的影響顯著(表1)，深松處理作物產(chǎn)量整體較旋耕對照顯著增加(p<0.05)。冬小麥產(chǎn)量由大到小各處理順序為TD3、TD2、TD1、AD2、CK，其中傳統(tǒng)深松機(jī)深松深度40 cm處理產(chǎn)量較旋耕處理增產(chǎn)16.0%，且顯著高于其他處理；傳統(tǒng)深松機(jī)深松深度30、35 cm和深松+施肥一體機(jī)深松深度35 cm處理較旋耕對照分別顯著增產(chǎn)9.2%、8.4%、12.3%(p<0.05)；夏玉米產(chǎn)量由大到小各處理順序為AD2、TD2、TD3、TD1、CK，其中深松處理產(chǎn)量均顯著高于旋耕對照，分別增產(chǎn)10.9%、9.6%、9.1%、4.2%(p<0.05)。產(chǎn)量性狀方面，冬小麥穗數(shù)和穗粒數(shù)均以傳統(tǒng)深松機(jī)深松深度40 cm處理最高，顯著高于旋耕對照，但與其他深松處理之間差異不顯著；千粒質(zhì)量則表現(xiàn)為所有處理之間差異均未達(dá)顯著水平(p>0.05)。夏玉米穗數(shù)和穗粒數(shù)方面，則分別以傳統(tǒng)深松機(jī)深松深度35 cm和30 cm處理最高，且顯著高于旋耕對照；穗數(shù)方面各處理與冬小麥趨勢一致；但穗粒數(shù)傳統(tǒng)深松機(jī)不同深松深度處理均顯著高于深松+施肥一體機(jī)處理，且各深松處理均顯著高于旋耕對照；百粒質(zhì)量方面同樣表現(xiàn)為各處理之間沒有顯著差異(p>0.05)。從上述結(jié)果可以看出，深松處理可以顯著提高作物產(chǎn)量，且對冬小麥的增產(chǎn)效應(yīng)大于夏玉米。

表1 冬小麥-夏玉米復(fù)種體系不同深松處理作物產(chǎn)量與產(chǎn)量性狀Tab.1 Yield and yield components of winter wheat-summer maize multiple cropping system with different subsoiling treatments

注：同列不同小寫字母表示差異顯著(p<0.05)，下同。

2.4 深松處理對作物水分利用效率的影響

麥小麥-夏玉米復(fù)種體系作物整個生育期的作物耗水情況和水分利用效率見表2。冬小麥季，傳統(tǒng)深松機(jī)深松深度35 cm和40 cm處理與旋耕對照相比能夠顯著降低作物耗水量25.7 mm和17.7 mm；所有深松處理耗水強(qiáng)度均顯著低于旋耕處理，其中以傳統(tǒng)深松機(jī)深松深度35 cm處理耗水強(qiáng)度最低，較旋耕對照低5.4%；冬小麥深松處理水分利用效率均顯著高于旋耕對照，提高了0.59～2.83 kg/(hm2·mm)，其由大到小順序為TD3、TD2、TD1、AD2、CK，對應(yīng)處理較對照分別提高20.3%、13.0%、7.3%、4.2%(p<0.05)。夏玉米季，深松處理耗水量和耗水強(qiáng)度均顯著低于旋耕處理，耗水量降低了7.9～32.6 mm，耗水強(qiáng)度降低了0.07～0.28 mm/d，其中均以深松+施肥一體機(jī)深松深度35 cm處理最低；而夏玉米深松處理水分利用效率則顯著高于旋耕處理，以深松+施肥一體機(jī)深松深度35 cm處理水分利用效率最高，較旋耕對照增加20.1%，傳統(tǒng)深松機(jī)處理由大到小順序為TD3、TD2、TD1，較對照分別提高2.80、2.38、1.76 kg/(hm2·mm)(p<0.05)。因此，深松方式能夠較大幅度地提高冬小麥-夏玉米復(fù)種體系作物的水分利用效率，達(dá)到旱地冬小麥-夏玉米復(fù)種水分高效生產(chǎn)的目的。

表2 冬小麥-夏玉米復(fù)種體系不同深松處理作物耗水量與水分利用效率Tab.2 Water consumption and water use efficiency of winter wheat-summer maize multiple cropping system with different subsoiling treatments

3 討論

以冬小麥-夏玉米周年復(fù)種方式的豫北地區(qū)近些年一直采用冬小麥播前旋耕和夏玉米免耕貼茬播種的農(nóng)作方式，該方式使土壤在亞表層形成了緊實的犁底層。尚金霞等[18]研究認(rèn)為，深松可有效改善深層土壤結(jié)構(gòu)，打破犁底層，增加土壤通透性能。梁金鳳等[19]研究表明，深松耕作可以降低表層土壤(0～25 cm)容重，其效果大于深層土壤(25～45 cm)。也有研究報道，深松使10～30 cm的土壤容重降低，而30～50 cm差異不明顯[20-21]。本研究結(jié)果顯示，深松處理對0～10 cm土層土壤容重影響不明顯，但深松處理可以使10～30 cm土層土壤容重顯著降低，30～40 cm差異不顯著(p>0.05)，這與之前的研究結(jié)果基本一致；其中以傳統(tǒng)深松機(jī)深松深度35 cm和40 cm處理較為明顯，對土壤容重的降低作用大于深松+施肥一體機(jī)處理。而本研究中深松處理0～10 cm土層土壤容重差異不明顯，主要原因應(yīng)該是由于本試驗設(shè)計在深松處理后又對土壤進(jìn)行了旋耕處理，與該區(qū)連年旋耕，耕層土壤受到頻繁擾動，土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性下降有一定影響[22]。

豫北地區(qū)冬小麥生長季降雨分布較少，降雨主要分布在夏玉米生長季[23]。該區(qū)作物生長對水分的需求很大，應(yīng)更好地利用蓄積在土壤中的水分以對作物生長起更大作用。張麗等[21]研究表明，深松明顯提高了土壤非毛細(xì)管的比例，加強(qiáng)了土壤的滲水能力，減少了因毛細(xì)管作用引起的土壤深層水分蒸發(fā)，同時可以改善土壤氣體交換條件，達(dá)到蓄水保墑的效果。SU等[24]研究表明，深松方式對深層土壤含水率有重要影響，尤其是40 cm土層以下的土壤含水率會顯著增加。本研究表明，不同深松處理對土壤貯水量有顯著影響，水分監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示灌水后深松處理的水分能夠向深層的土壤運移，這樣能夠增加深層土壤水分的蓄積，這與前人的研究結(jié)果基本一致。同時，本研究中隨著深松深度的增加深層土壤水分的蓄積更為明顯，這對冬小麥和夏玉米生育期吸收土壤中水分較為有利。

深松方式還可以改善土壤對作物的供水，不僅提高了農(nóng)田土壤的蓄水能力，還提高了作物吸收營養(yǎng)和水分的能力[25-27]，直接影響作物的生長和產(chǎn)量[28]。黃明等[29]在深松對小麥生產(chǎn)影響的研究中指出，深松能改善小麥產(chǎn)量構(gòu)成要素，促進(jìn)干物質(zhì)的積累與轉(zhuǎn)運，進(jìn)而提高作物產(chǎn)量。本研究結(jié)果表明，深松處理能夠顯著增加作物的穗數(shù)和穗粒數(shù)，進(jìn)而顯著提升了作物的產(chǎn)量，且對冬小麥的增產(chǎn)效應(yīng)大于夏玉米，其中以傳統(tǒng)深松機(jī)深松深度40 cm處理的效果最好，這與前人研究的結(jié)果一致。還有研究認(rèn)為，深松可以改善土壤的滲透性，增強(qiáng)深層土壤的蓄水保墑能力，進(jìn)而提高作物水分利用效率[16,30-31]。本研究結(jié)果顯示，深松能較大幅度地提高冬小麥-夏玉米復(fù)種體系作物的水分利用效率，深松處理兩季平均較旋耕對照提高12.4%，并顯著降低了作物的耗水量和耗水強(qiáng)度(p<0.05)，表明深松方式能夠有效促進(jìn)作物對土壤水分的利用。綜合來看，由于作物生長受不同區(qū)域小氣候環(huán)境條件的影響存在較大差異，難以做到不同地區(qū)作物深松效果的一致性。因此，在本試驗條件下實施的深松方式是豫北地區(qū)保持土壤低容重、高蓄水能力、提高作物產(chǎn)量較為理想的農(nóng)田耕作方式。下一步研究的重點需要加強(qiáng)在不同區(qū)域、不同土壤類型以及不同農(nóng)作模式下的深松試驗，以期通過多生態(tài)類型的深松技術(shù)研究為農(nóng)田生態(tài)的可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)。

4 結(jié)論

(1)通過對田間深松耕作方式的試驗表明，在豫北潮土區(qū)，深松方式對土壤0～10 cm土層土壤容重影響不明顯，10～30 cm土層土壤容重顯著降低，而30～40 cm土層土壤容重差異不顯著(p>0.05)；深松處理改善了10～30 cm土層土壤的疏松狀況，優(yōu)化了土層結(jié)構(gòu)。

(2)不同深松處理對土壤周年0～100 cm土層貯水量兩季作物均高于對照CK處理，深松處理較旋耕對照平均增加29.8%。同時，深松處理能夠顯著增加作物的穗數(shù)和穗粒數(shù)(p<0.05)，進(jìn)而提高作物產(chǎn)量，且深松處理還能較大幅度地提高冬小麥-夏玉米復(fù)種體系作物的水分利用效率，降低了作物的耗水量和耗水強(qiáng)度，深松處理兩季平均水分利用效率較旋耕對照提高12.4%，其中以傳統(tǒng)深松機(jī)深松深度40 cm處理的效果最佳。因此，在冬小麥播種前深松，對以旱作冬小麥-夏玉米復(fù)種體系為主的豫北地區(qū)具有很高的推廣價值。

(3)深松處理不僅改善了豫北農(nóng)田10～30 cm土層土壤的結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)了0～100 cm土層的貯水能力，對提高冬小麥和夏玉米產(chǎn)量及水分利用效率也有顯著效果，是該地區(qū)較為適宜的耕作方式。