立旋深松耕作對西北半干旱區土壤水分、肥力及馬鈴薯產量的影響

2021-03-06 02:06:02譚偉軍陳自雄徐祺昕何萬春孟紅梅馬海濤陳小麗張思邈

干旱地區農業研究 2021年1期

王娟，譚偉軍，陳自雄，徐祺昕，何萬春，黃凱，孟紅梅，馬海濤,陳小麗,3，張思邈，馬寧

( 1.定西市農業科學研究院，甘肅定西 743000； 2.甘肅定西百泉馬鈴薯有限公司甘肅定西 743000；3.定西市安定區園藝工作站，甘肅定西 743000； 4.甘肅省定西市水文水資源檢測站，甘肅定西 743000)

土壤耕作是調控土壤水肥氣熱的重要措施，通過改進耕作措施實現對土壤理化性狀的改善，提高土壤水分利用效率，是旱作節水農業研究的一個重要方向[1]。西北黃土高原干旱、半干旱區旱作農田常年進行翻耕，使土壤結構遭到了一定的破壞，土壤有機質含量降低和養分流失，耕地質量變差，從而影響土地的可持續利用。耕作措施是調節土壤性狀最為直接和有效的手段，它直接影響了土壤的物理性狀，如土壤孔隙度、緊實度、容重、持水率等，其長期效應則通過影響物理性狀來改變土壤的化學和生物性狀，最終影響土壤的功能尤其是水肥供應能力[2-5]。近幾年，我國出現了一種新型深松深耕土壤的耕作措施——粉壟，主要是在粉壟專用耕作機械的整個作業幅寬上緊湊排列可方便安裝和拆卸的垂直螺旋型鉆頭，使用長度不同的鉆頭或通過控制鉆頭的入土深度，完成不同的作業深度，目前最深可至1 m，它為打破犁底層提供了新的方法。該耕作措施可將農田土壤垂直旋磨粉碎，從而使土壤疏松透氣、蓄水保水，已經在廣西的淮山藥、木薯、玉米、花生、大豆、甘蔗、桑樹、水稻等作物上進行了試驗，較傳統耕作可不同程度提高耕地生產力[6-7]。粉壟技術是土壤耕作措施的改進，與旋耕和深松相比，粉壟耕作下耕層疏松深厚、土壤調蓄水分能力增強、耗水量減少、水分利用效率提高。

立式深旋耕作技術是由甘肅省農業科學院旱地農業研究所科研人員在廣西粉壟技術的基礎上研發的一種新型土壤耕作方法，它是由一個或多個螺旋鉆頭粉碎土壤，在不改變土壤垂直層次的基礎上，耕作深(35 cm以上)、顯著提高土壤孔隙度，降低緊實度，打破土壤犁底層，兼顧表土松碎，松耙結合，能較好地改善作物生長的土壤環境，增強土壤蓄存和供應水分能力，促進作物根系發育，有效緩解季節性干旱脅迫并提高作物產量[8-10]。

甘肅定西屬于典型的黃土高原半干旱區，馬鈴薯產業已成為當地特色優勢產業和扶貧攻堅富民產業，但由于長期傳統耕作導致耕層變淺，使馬鈴薯生長受阻，產量下降；土壤上干下濕、上肥下瘦，嚴重制約馬鈴薯生長和塊莖發育，導致產量潛力未能充分發揮。本研究針對西北半干旱區馬鈴薯生產效益低等問題，以立旋深松配套技術集成示范為主，通過測定馬鈴薯播前、花期和收獲期土壤容重、萎蔫系數、田間持水量、堿解氮、速效磷、速效鉀、有機質的含量，明確立旋深松對土壤水肥供應能力的影響及其對馬鈴薯水肥利用和產量的作用機制，在改善耕地質量的基礎上提高馬鈴薯產量和品質，為半干旱區立旋深松耕作技術推廣提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地基本情況

試驗設在定西市安定區魯家溝鎮小岔口村，該區海拔1 800 m，年平均降水量350 mm，年平均氣溫7.5℃，≥10℃有效積溫2 239.1℃。試驗地土壤類型為黃綿土，地力均勻，試驗年限為2 a。2018、2019年播前土壤肥力情況見表1。2018年試驗前茬作物為玉米，2019年試驗前茬作物為馬鈴薯。

表1 供試土壤肥力狀況Table 1 Condition of tested soil fertility

1.2 試驗設計

田間試驗設3個處理：傳統旋耕(T)，用普通旋耕機早春耕作，耕深15 cm 左右,耕作結束后用起壟覆膜機營建壟溝，并同時施肥，然后覆蓋地膜，后用馬鈴薯點播器壟上穴播，每穴1株；深翻(D)，用鏵犁進行耕翻，耕深30 cm左右，耕作結束后用起壟覆膜機營建壟溝，并同時施肥，然后覆蓋地膜，后用馬鈴薯點播器壟上穴播，每穴1株；立旋深松耕作(V)，用定西三石農業科技有限公司和甘肅省農業科學院旱地農業研究所共同研制的立式深旋松耕作施肥覆膜一體機進行耕作，耕深40 cm左右，后用馬鈴薯點播器壟上穴播，每穴1株。

試驗為大區試驗，小區面積150 m2,不設重復。肥料用量為：純N 180 kg·hm-2，P2O5180 kg·hm-2，K2O 90 kg·hm-2。試驗采用全膜覆蓋壟上微溝種植，壟面寬60 cm，壟溝寬40 cm，壟高20 cm，壟上微溝深10 cm，微溝內每隔50 cm左右扎眼以便于水分入滲；每壟種植馬鈴薯2行，播種密度60 000株·hm-2。供試黑色地膜幅寬100 cm、厚0.01 mm。氮肥選用尿素(N≥46%)，施用量391.35 kg·hm-2，磷肥選用普通過磷酸鈣(含P2O5≥12%)，施用量1 500 kg·hm-2，鉀肥選用硫酸鉀鎂肥(含K2O≥24%)，施用量375 kg·hm-2。供試品種為隴薯10號原種。2018年4月26日開始整地，起壟覆膜，5月4日開始人工點播，10月7日收獲；2019年4月13日開始整地、起壟覆膜，4月19日開始人工點播，9月14日收獲。

1.3 測定項目與方法

生育期：記錄播種期、出苗期、分枝期、開花期、塊莖膨大期、成熟期。

出苗率：馬鈴薯出苗后15 d內，調查出苗數，計算出苗率。

土壤理化性狀：測定馬鈴薯播前、花期和收獲期0～10、10～20、20～40 cm土層土壤容重、萎蔫系數、田間持水量、堿解氮、速效磷和速效鉀、有機質的含量。土壤容重測定采用環刀法，環刀容積為100 cm3；田間持水量(%)和萎蔫系數按照Garg等[11]的方法測定；土壤速效氮、速效磷和速效鉀和有機質含量測定參照土壤理化分析的方法[12]。

1.4 數據統計與分析

試驗數據使用Excel 2017進行統計匯總，并使用SPSS.19.0進行方差分析和最小顯著性檢驗(LSR法)。

2 結果與分析

2.1 立旋深松耕作對馬鈴薯生育期的影響

由表2可知，傳統旋耕(T)、深翻(D)和立旋深松(V)3種耕作方式對馬鈴薯生育期沒有明顯影響。旱作區馬鈴薯生育期受降雨量和早霜影響大，當雨量充足，且降雨與生長時節一致時有利于作物生長發育，當早霜來臨早時，會提前結束馬鈴薯生育期。根據定西市安定區氣象資料統計，試驗區2018年和2019年屬豐水年，馬鈴薯生育期內降水量為421.1 mm和407.4 mm，大量降水出現在6—8月份，馬鈴薯在各生育期沒有受到干旱影響，所以3種耕作方式對生育期無顯著影響。

表2 不同處理的馬鈴薯生育期(m-d)Table 2 Growth stage of potato of different treatments

2.2 立旋深松耕作對馬鈴薯出苗率的影響

由圖1可知，2018年和2019年，傳統旋耕(T)、深翻(D)和立旋深松(V)3種耕作方式對馬鈴薯出苗率無顯著影響，但總體上V處理出苗率高于T、D處理。2018年V處理出苗率比D處理低2.11%，但比T處理高1.08%； 2019年V處理比D處理和T處理分別高1.36%和3.21%，表明立旋深松處理有利于馬鈴薯出苗。

圖1 不同處理的馬鈴薯出苗率 Fig.1 Emergence rate of potato of different treatments

2.3 立旋深松耕作對土壤容重的影響

由表3可知，2018年和2019年，隨著馬鈴薯生育期的推進，不同處理0～10、10～20 cm土層土壤容重逐漸增加，從播期到花期平均增加了0.12、0.17 g·cm-3, 從花期到收獲期平均增加了0.02、0.04 g·cm-3；在20～40 cm土層，土壤容重從播期到花期平均增加了0.02 g·cm-3,從花期到收獲期平均增加了0.03 g·cm-3。隨著土層深度的增加，播前各處理土壤容重呈增加趨勢，花期和收獲期0～10 cm和10～20 cm土層，各處理土壤容重無顯著差異，但20～40 cm土層T處理的土壤容重顯著大于D、V處理, V處理土壤容重最小，說明立旋深松處理降低了20～40 cm土壤容重；與T和D處理相比，V處理在2018年和2019年分別降低土壤容重幅度為12.8%和3.6%。

表3 不同處理的土壤容重/(g·cm-3)Table 3 Soil bulk density of different treatments

2.4 立旋深松耕作對土壤萎蔫系數的影響

表4是2018年和2019年3個處理下0～10、10～20、20～40 cm土層土壤萎蔫系數。由表4可知，隨著馬鈴薯生育期的推進，不同處理0～10、10～20、20～40 cm土層土壤萎蔫系數呈先增加后減小的趨勢，在花期達到最大值,在收獲期降低，2018年和2019年各土層花期土壤萎蔫系數比播種前平均增加0.44%、0.21%、0.15%，收獲后比花期平均降低0.46%、0.37%、0.18%。從土壤剖面看，隨著土層深度的增加，不同處理播前、花期和收獲后土壤萎蔫系數都逐漸減小，但無顯著差異。在花期，0～10、10～20、20～40 cm土層，3種耕作方式土壤萎蔫系數均以V處理最小，2018年V處理比T和D處理平均降低0.14%、0.14%、0.11%，2019年為0.02%、0.06%、0.02%，說明立旋深松處理有利于土壤吸納水分。

表4 不同處理的土壤萎蔫系數/%Table 4 Soil wilting coefficient of different treatments

2.5 立旋深松耕作對田間持水量的影響

不同處理下0～10、10～20、20～40 cm土層土壤田間持水量見表5。由表可知，隨著生育期的推進，各處理0～10、10～20、20～40 cm土層田間持水量先增加而后減小，在花期達到最大值。隨著土層深度的增加，不同處理播前、花期和收獲后土壤田間持水量都逐漸減小，其中V處理在花期和收獲期不同深度田間持水量均高于T和D處理，2018年花期，V處理比T、D處理高0.7%、0.6%，2019年高1.4%、0.8%；在2018年收獲期，V處理比T、D處理高0.50%、0.4%，2019年高1.5%、1.0%，說明立旋深松處理有利于土壤水庫的擴增，提高貯水能力。

表5 不同處理的田間持水量/%Table 5 Field water capacity of different treatments

2.6 立旋深松耕作對土壤養分含量的影響

2018、2019年不同處理下0～10、10～20、20～40 cm土層土壤堿解氮、速效磷、速效鉀、有機質含量見表6、7。由表可知，2018年播前，T、D處理堿解氮含量都隨著土層深度的增加而減小，V處理則是10～20 cm土層最大，為40.96 mg·kg-1；速效磷和速效鉀都是隨著土層深度的增加而減小；T處理有機質含量隨著土層深度的增加而減小，D、V處理10～20 cm土層最大，分別為5.15 mg·kg-1和5.53 mg·kg-1；在花期，不同處理0～10、10～20 cm和20～40 cm土層有機質比播前都有減小的趨勢，而速效磷和速效鉀則都相對增加，主要是由于施肥增加了土壤各層次土壤速效磷和速效鉀的含量，有機質含量則是T、D處理比播前減小，而V處理則變化不明顯，說明立旋深松養分利用效率高于傳統旋耕和深松，能夠保證土壤養分的充分供應；收獲后T處理0～10、10～20 cm和20～40 cm土層速效磷和速效鉀含量隨深度增加而減小，0～10 cm土層速效磷和速效鉀含量比播前有所增加，可能主要是成熟期馬鈴薯植株葉片脫落的原因。2019年，在播前和花期，D、V處理堿解氮含量都隨著土層深度的增加而增加，速效磷含量T、D處理在各生育期隨著土層深度的增加而減少，但V處理在10～20 cm土層含量最高。兩年的數據表明：隨著生育期的推進，各處理不同層次土壤養分都有減小的趨勢，但收獲后V處理各層次土壤養分變化幅度比T和D小，說明立旋深松能夠更好地利用各層次土壤養分，有更高的養分利用效率。

表6 不同處理的土壤養分含量(2018年)Table 6 The soil nutrient content of different treatments (2018)

2.7 立旋深松耕作對馬鈴薯產量和商品薯率的影響

由圖2可以看出，2018年T、D和V處理的產量分別為22 386.2、27 597.0 kg·hm-2和28 222.4 kg·hm-2，V、D處理的產量要顯著高于T處理，V處理比D和T處理分別增產2.3%和26.1%。2019年T、D和V處理的產量分別為54 949.5、57 900.0、61 650.0 kg·hm-2，V處理產量高于D和T處理，增產分別為6.5%和12.2%。兩年立旋深松比深翻和傳統旋耕處理平均增產4.4%和19.1%。由圖3可知，不同處理對馬鈴薯商品薯率無顯著影響，主要是由于試驗地為滴灌區，機械化作業及連續多年滴灌造成土壤質地較硬所致。

圖2 不同處理的馬鈴薯產量 Fig 2 Potato yield of different treatments

圖3 不同處理的馬鈴薯商品薯率Fig 3 The commodity potato rate of different treatments

3 討論

深松是隨著保護性耕作而發展起來的一種代替傳統翻耕的土壤耕作方式，可松碎土壤而不亂土層，能打破犁底層，降低表層土壤容重，增加土壤通透性,增加土壤含水量，提高水分入滲深度[13-16]，利于防風蝕和水蝕，受到國內外廣泛重視，被視為一項重要的增產措施。通過耕層調控打破犁底層，降低土壤容重和提高孔隙度來促進土壤水分、水氣交換，可顯著改善土壤水分條件和促進作物生長[17]。本試驗中，立旋深松處理比深翻處理和傳統旋耕處理分別提高馬鈴薯出苗率1.36%和3.21%，表明立旋深松處理有助于馬鈴薯出苗。隨著馬鈴薯生育期的推進，立旋深松、深翻、傳統旋耕處理0～10、10～20 cm土層土壤容重逐漸增加，從播期到花期平均增加了0.12、0.17 g·cm-3, 從花期到收獲期平均增加了0.02、0.04 g·cm-3，土壤容重都逐漸增加，但立旋深松處理土壤容重低于傳統旋耕和深松，特別是能夠顯著降低20～40 cm土層土壤容重，與T和D處理相比，V處理在2018、2019年分別降低土壤容重幅度為12.8%和3.6%，從而更有利于馬鈴薯根系的生長發育。相比于傳統旋耕和深松，立旋深松一方面減小了土壤萎蔫系數，另一方面提高了土壤田間持水量，說明立旋深松提高了土壤的保水能力，能夠更好地為馬鈴薯生長發育提供水分。相比于傳統旋耕和深松，立旋深松則顯著提高了馬鈴薯產量，兩年立旋深松比深翻和傳統旋耕處理平均增產為4.4%和19.1%，說明立旋深松能夠較好改善作物的生長環境，從而提高作物產量。本試驗是在滴灌區進行，由于機械化作業及連續多年滴灌造成土壤質地較硬，應加大立旋深松耕作技術應用和示范。