深松深度對魯西南土壤耕層理化性狀和作物產量的影響

劉國利，崔雙雙，孫澤強，楊光，孔曉民，韓成衛，劉盛林，石寧，王學君

(1.山東省農業科學院農業資源與環境研究所/農業農村部山東耕地保育科學觀測實驗站，山東 濟南 250100；2.無棣縣小泊頭鎮農業綜合服務中心，山東 無棣 251911；3.濟寧市農業科學研究院/國家玉米產業技術體系濟寧綜合試驗站，山東 濟寧 272031)

魯西南地區主要以冬小麥-夏玉米輪作為主，常年采用冬小麥旋耕播種、夏玉米免耕貼茬播種的耕作方式，與傳統犁耕和耙耕相比，旋耕作業具有碎土性能好、適應性強、作業效率高的優點[1]，但現行機械旋耕深度(15 cm左右)比過去的機械耕翻淺8～10 cm，長期以旋代耕，導致土壤耕層變淺，犁底層增厚變硬，土壤緊實，地力下降，土壤養分不均衡等，制約作物的生長和產量的提高[2，3]。

土壤耕作是農業生產中的一個重要環節，通過合理的土壤耕作措施可以改善耕層的土壤結構，調節土壤固相、液相、氣相的比例關系[4]，對土壤有效養分有較大影響[5]。許多研究表明，不同耕作方式影響土壤的緊實度，包括對土壤緊實性的緩解作用和負面影響[6]。而土壤的物理性狀會造成土壤水、氣和熱的差異，影響土壤中礦質養分的供應狀況，從而影響作物的生長發育、產量和品質[7]。深松作為保護性耕作的一種方式，通過拖拉機牽引深松機具，只疏松土層而不翻轉土壤，在一定程度上打破犁底層，改善耕層結構，降低土壤容重，增加土壤透性，提高土壤蓄水能力和增加耕層活土量20%以上[8-10]，優化土壤環境，增加深層根系分布，實現作物增產和耕地可持續利用[11-14]。

目前關于深松耕作方式對糧食作物生長和土壤理化性質影響的研究很多，但是針對旋耕和不同深松深度的研究較少，本研究通過對比三種深松深度與旋耕耕作對土壤含水量、緊實度等物理性質以及土壤養分、作物產量等的影響，以期為華北地區冬小麥-夏玉米耕作方式的合理選擇提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區自然條件

2015—2017年在山東省嘉祥縣運韓村進行試驗。該區屬于暖溫帶季風區大陸性氣候，多年平均氣溫13.9℃，年降水量701.8 mm，無霜期210.7 d。試驗區地處魯西南黃泛沖積平原，土壤類型為潮褐土，土壤的基本化學性質見表1。

表1 試驗土壤的基本化學性質

1.2 試驗設置

試驗共設置4個處理，分別為：RT，習慣處理，每年秋季旋耕2遍，深度15 cm；ST30，秋季深松30 cm；ST35，秋季深松35 cm；ST40，秋季深松40 cm。各深松處理除第1年深松外，其他耕作和管理均同常規。采用大區設計，每個處理區域大小為10.6 m×250 m。種植模式為冬小麥-夏玉米輪作，冬小麥品種為濟麥22，夏玉米品種為偉科702。

1.3 測定項目和方法

土壤質量含水量：在冬小麥返青-拔節期和收獲期、夏玉米收獲期進行取樣，每個處理選擇3個具有代表性的區域，用土鉆采集0～60 cm土層土樣，每20 cm為一層，去除雜物，同一小區同一土層土樣混合均勻，裝入鋁盒稱鮮重，然后110℃烘干至恒重并稱重，用下列公式計算土壤含水量。

wm(%)=(m1-m2)÷m2×100。

式中：wm為土壤質量含水量；m1為土壤鮮重；m2為土壤干重。

土壤緊實度：采用FieldScout SC 900土壤緊實度儀進行測定，測定深度為45 cm，每2.5 cm記錄一次，在冬小麥返青-拔節期和收獲期、夏玉米收獲期進行測定，每個處理每次測定10個點。

土壤養分：在冬小麥返青-拔節期和收獲期、夏玉米收獲期進行取樣，每個處理選擇3個具有代表性的區域，用土鉆采集0～60 cm土層土樣，每20 cm為一層，去除雜物，同一小區同一土層混合均勻，風干，粉碎過篩。土壤堿解氮測定采用擴散法，土壤有效磷測定采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻鈧比色法，土壤速效鉀測定采用火焰光度法[15]。

產量：分別在冬小麥和夏玉米收獲時，按樣方測產，冬小麥每個處理3個樣方，每個樣方不小于5 m2；夏玉米每個處理3個樣方，每個樣方不小于10 m2。

1.4 數據處理與分析

用Microsoft Excel 2007軟件進行數據計算和作圖，用DPS 7.05統計分析軟件進行差異顯著性檢驗。

2 結果與分析

2.1 深松深度對土壤物理性狀的影響

2.1.1 深松深度對土壤含水量的影響 土壤含水量多少，直接影響植物的生長狀況。從圖1可以看出，與習慣處理(RT)相比，深松處理對0～20 cm土層土壤含水量影響較小，但明顯影響20～60 cm土層土壤水分含量。深松處理ST30、ST35和ST40明顯增加0～20 cm和20～40 cm土壤含水量，兩年平均分別增加3.20%、7.88%、3.69%和1.07%、14.58%、11.71%；降低40～60 cm土壤含水量，不同深松深度處理平均下降12.78%、13.74%和7.28%。土壤含水量具有明顯的年際變化，2016年土壤含水量高于2017年，且不同處理2016年波動幅度較大而2017年較平穩。2016年0～20、20～40、40～60 cm土壤含水量變異系數分別為0.19、0.15和0.10，2017年則分別為0.11、0.11和0.16。可見，土壤水分狀況較好的條件下，深松處理主要影響土壤0～40 cm土壤含水量，而土壤水分狀況較差的條件下，深松處理主要影響40～60 cm土壤含水量變化。隨著深松深度的增加，土壤調蓄水分的能力逐漸增強。

圖1 不同深松深度處理的土壤含水量

2.1.2 深松深度對土壤緊實度的影響 土壤緊實度直接影響作物根系生長，進而影響養分吸收利用，最終影響作物產量。由圖2可以看出，土壤緊實度隨著土壤深度的增加呈增加趨勢；小麥季0～25 cm增加較快，25～35 cm有所下降，35～45 cm又逐漸升高；玉米季0～20 cm快速增加，20～35 cm變化較小，35～45 cm也呈增加趨勢。與旋耕處理相比，ST30主要降低了15～30 cm土壤緊實度，平均下降3.85%，而0～15 cm和30～45 cm土壤緊實度略有增加；ST35主要降低了土壤15～30 cm土壤緊實度，其次為30～45、0～15 cm，下降幅度分別為22.65%、17.35%和10.15%；ST40主要降低了30～45 cm土壤緊實度，其次為15～30 cm，下降幅度分別為25.33%和15.82%，增加0～15 cm土壤緊實度，增幅14.43%。總體來說，深松耕作主要降低15～45 cm土壤緊實度，其中ST35和ST40降低效果更好，但對0～15 cm土壤緊實度影響較小。

圖2 不同深松深度處理的土壤緊實度

2.2 深松深度對土壤養分分布的影響

2.2.1 深松深度對土壤堿解氮的影響 由圖3可以看出，土壤堿解氮含量隨著土壤深度的增加呈下降趨勢，0～20 cm土壤堿解氮含量顯著高于20～40 cm和40～60 cm土壤堿解氮含量。小麥返青-拔節期，與RT處理相比，深松處理增加0～20 cm土層土壤堿解氮，ST30、ST35和ST40兩年平均分別增加5.70%、35.60%和46.16%；降低40～60 cm土層土壤堿解氮，ST30、ST35和ST40兩年平均分別降低11.72%、24.57%和25.37%。小麥收獲期，與RT相比，深松處理也增加0～20 cm土層土壤堿解氮含量，ST30、ST35和ST40分別增加7.40%、10.09%和7.14%；降低40～60 cm土層土壤堿解氮含量， ST30、ST35和ST40分別降低15.69%、9.63%和2.79%。玉米收獲期，與RT相比，深松處理降低0～20 cm土層土壤堿解氮含量，ST30、ST35和ST40兩年平均分別降低20.44%、11.16%和16.13%；增加40～60 cm土層土壤堿解氮含量，ST30、ST35和ST40分別增加20.96%、41.31%和26.87%。深松處理對各時期20～40 cm土層土壤堿解氮含量的影響較小。可以初步得出，深松促進了冬小麥季堿解氮在0～20 cm土層的累積，減少了其在40～60 cm土層的分布，而夏玉米季則相反。可見，深松可以改變堿解氮在不同土層土壤中的分布，促進土壤氮素的運移。

圖3 土壤堿解氮含量剖面變化

2.2.2 深松深度對土壤有效磷含量的影響 從圖4可以看出，土壤有效磷主要分布于0～20 cm土壤中，其含量顯著高于20～40 cm和40～60 cm的含量，20～60 cm土壤有效磷變化幅度不大。與RT處理相比，總體來說深松處理降低0～20 cm土壤有效磷含量，ST30、ST35、ST40兩年平均分別降低25.10%、10.88%、17.68%，但對20～40、40～60 cm土壤有效磷含量有增加趨勢，兩年平均分別增加-2.43%、35.02%、30.15%和39.78%、51.75%和34.59%。可見，深松能夠促進土壤磷素從表層向深層運移，有利于有效磷在深層土壤中積累。

圖4 土壤有效磷含量剖面變化

2.2.3 深松深度對土壤速效鉀含量的影響 從圖5可以看出，土壤速效鉀含量隨著土壤深度的增加呈直線下降趨勢，0～40 cm土層降幅較大。與RT處理相比，深松處理，尤其ST35和ST40，增加各土層土壤中速效鉀含量，兩年平均0～20 cm土層分別增加24.61%和19.89%，20～40 cm土層分別增加50.20%和25.15%，40～60 cm土層分別增加36.05%和15.03%。可見，深松35 cm和40 cm能夠促進速效鉀在各土層中的積累，尤其是深松35 cm時增加幅度最大。土壤速效鉀主要來源于作物秸稈和土壤鉀的釋放，深松對其釋放的促進作用機理還需要進一步研究。

2.3 深松深度對作物產量的影響

總體來說，深松能夠增加冬小麥、夏玉米產量，且深松深度增加，其增幅也呈升高趨勢(表2)。不同深松深度對夏玉米產量無顯著影響，但對冬小麥產量影響顯著，ST40處理可顯著增加冬小麥產量，增幅7.23%～9.99%。因此，在本試驗條件下，深松耕作可增加冬小麥和夏玉米周年產量，以深松40 cm增產效果最好。

圖5 土壤速效鉀含量剖面變化

表2 不同處理冬小麥、夏玉米產量

3 討論與結論

土壤含水量和土壤硬度(緊實度)均是反映土壤物理性質和質量的重要指標，受多種因素影響，尤其是耕作措施[16]。本研究結果表明，深松處理增加耕層0～40 cm土壤含水量，降低40～60 cm土壤含水量，且深松深度為35、40 cm時效果更明顯。出現此種結果的原因可能是旋耕(深度約為15 cm)破壞表層土壤，增加土壤與空氣的接觸面積，又因犁底層的存在，水分下移較少，流失較多，而深松耕作能夠打破犁底層，增加水分下移，減少水分散發，因而深松處理可以增加耕層土壤含水量，但因深松耕作后深層土壤中的部分水分上移供作物生長需要，致使深層土壤含水量降低。土壤緊實度隨土層深度增加總體呈增大趨勢，深松耕作可以降低土壤緊實度，但主要降低15～45 cm土壤緊實度，尤以ST35和ST40效果更明顯，對0～15 cm土壤緊實度影響較小。上述結果與前人研究結果一致[17，18]。

研究證明深層耕作影響土壤養分含量[19，20]。本研究結果也表明，深松耕作改變了氮、磷在土壤中的分布，增加了土壤速效鉀含量，與李永平[21]、蔡麗君[22]等的研究結果一致。與傳統耕作相比，深松可以改良土壤耕層特性，促進作物生長發育，提高作物產量[23，24，14]，秋深松40 cm處理對作物的增產幅度大于深松30 cm處理[2]。本研究結果也表明，深松耕作能夠增加冬小麥和夏玉米周年產量，松深40 cm時增產效果最好。

綜上所述，深松耕作措施增加耕層土壤含水量，降低土壤緊實度，促進土壤中養分的運移和均衡分布，增加了作物產量。