周年耕作模式對夏玉米耕層土壤及產量的影響

趙東波 高建勝 郭良海 郭建軍 崔慧妮 郭智慧

摘? ? 要：為促進黃淮海冬小麥-夏玉米一年兩熟區高質量農田可持續發展，2018—2021年，采取裂區設計，冬小麥播種前旋耕（A）、深松（B）、深翻（C）作為主處理，夏玉米播種前免耕（X）、滅茬（Y）和旋耕（Z）作為副處理，對周年不同耕作模式與耕層土壤特征、夏玉米產量及穩定性的關系進行了系統研究。結果表明：小麥季深松或深翻與玉米季直接播種或滅茬播種結合的周年輪作（B-X、B-Y、C-X、C-Y），能有效的增加土壤含水量，降低土壤容重和堅實度，達到改善耕層土壤特性，有助于維持優良土壤結構的穩定性，在黃淮海一年兩熟區要優于其它周年耕作模式;且夏玉米產量穩定，其中C-Y耕作模式比A-Z增產18.6%。小麥季播種前深松或深翻與玉米季播種前免耕或滅茬組成的周年耕作模式，是黃淮海區域值得推廣的周年耕作管理方式。

關鍵詞：周年耕作模式;冬小麥-夏玉米輪作區;土壤特性;產量

中圖分類號：S513; S344? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? DOI 編碼：10.3969/j.issn.1006-6500.2022.05.005

Effects of Annual Tillage Patterns on Soil Properties and Yield of Summer Maize

ZHAO Dongbo， GAO Jiansheng， GUO Lianghai， GUO Jianjun， CUI Huini， GUO Zhihui

（Dezhou Academy of Agricultural Science， Dezhou， Shandong 253015， China）

Abstract： In order to promote the sustainable development of high-quality farmland in the double cropping area of winter wheat and summer maize in Huang-Huai-Hai Region， a split-zone design was adopted from 2018 to 2021， with rotary tillage （A）， deep loosening （B）， and deep tillage （C） before sowing of winter wheat as the main treatments， and no-tillage （X）， stubble removal （Y）， and rotary tillage（Z） before sowing of summer maize as the sub-treatments， to systematically study the effects of different tillage patterns on soil characteristics of the tillage layer， summer maize yield and stability. The results showed that the annual crop rotation（B-X， B-Y， C-X， C-Y） combining deep loosening or deep tillage in wheat season with direct seeding or stubble sowing in maize season could effectively increase soil water content， reduce soil bulk and firmness， improve soil characteristics of the tillage layer， and help maintain the stability of good soil structure， which was better than other annual tillage patterns in the double cropping area of the Huang-Huai-Hai Plain， with stable summer maize yield. Among them， the C-Y tillage pattern increased maize yield by 18.6% compared with A-Z combination. The annual tillage mode composed of deep loosening or deep tillage before sowing in wheat season and no tillage or stubble before sowing in maize season is a recommended annual tillage management mode in the Huang-Huai-Hai Plain of China.

Key words： annual tillage patterns; winter wheat-summer maize rotation system; soil characteristics; yield

玉米已經發展成為我國最重要的糧食、飼料、工業原料作物，在保障中國乃至世界糧食安全方面占有極其重要地位[1]。2020年全國玉米播種面積4 126.4萬hm2[2]，玉米產量26 066.5萬t[3]，占到糧食總產量的38.93%，面積、總產量均居三大主糧作物之首。華北平原作為我國三大糧食主產區之一，農作物的播種面積和糧食產量約占全國的31%和36%[4]。以免耕與秸稈覆蓋相結合的保護性耕作措施，在改善土壤理化特征方面已經得到驗證[5]。然而近二十年來，黃淮海冬小麥-夏玉米輪作區，普遍采用小麥季“玉米秸稈粉碎還田旋耕后播種小麥”，玉米季“小麥秸稈覆蓋還田免耕直接播種玉米”，長期以此周年輪作，導致耕層普遍變淺，土壤退化，已經影響到輪作作物生產的可持續性。前人在不同生態區針對耕作模式與土壤特性、微生態環境、玉米生長發育等方面開展了大量研究，發現不同農業管理方式、氣候和地理區域條件下應用保護性耕作措施對玉米產量的影響存在差異[6]。深松可以有效增加玉米耕層厚度，降低中下層土壤容重和緊實度，改善根系發育，提高玉米產量[7-10]。為此，基于長期的耕作定位試驗，在本研究所此前關于“播種方式對夏玉米農藝性狀及產量的影響”基礎上[11]，開展小麥季旋耕、深松、深翻與玉米季免耕、滅茬、旋耕結合的周年耕作模式的試驗研究，分析了周年不同耕作模式對土壤特征、夏玉米產量及穩定性的影響，為黃淮海農田高質量可持續發展提供理論依據和技術支撐。

1 材料和方法

1.1 試驗地概況

試驗區位于山東省德州市德城區黃河涯鎮（116.346 7 E，37.360 0 N），年平均氣溫14.9 ℃，2019—2021年平均降水量657.9 mm（圖1），屬于中緯度暖溫帶大陸性氣候，典型的黃淮海冬小麥-夏玉米輪作區。試驗區略帶黏性的砂質土壤為主，此前長期采用小麥季滅茬旋耕播種，玉米季免耕直接播種，兩季秸稈全量還田。試驗地0～20 cm土層基礎理化性狀如表1所示。1.2 試驗處理

2018—2021年，試驗采取裂區設計，設置3個主處理（小麥播種前）：（A）旋耕。夏玉米收獲后，玉米秸稈粉碎，全量均勻還田，用旋耕犁（1GKNB-420型變速）旋耕2遍，粉碎的玉米秸稈與表層土壤（0～10 cm）混合，然后播種冬小麥;（B）深松。夏玉米秸稈粉碎后深松犁深松30～35 cm，再旋耕1遍，玉米秸稈主要分布于0～10 cm土壤;（C）深翻。夏玉米秸稈粉碎后用深耕犁（1L-435）深翻1遍，深度為25～30 cm，旋耕1遍，粉碎的玉米秸稈分布于0～30 cm土壤。設置3個副處理（玉米播種前）：（X）免耕。小麥收獲后直接玉米播種，秸稈全部還田;（Y）滅茬。小麥收獲后滅茬，小麥秸稈均勻覆蓋在土壤表面，然后播種玉米;（Z）旋耕。小麥收獲后，直接旋耕2遍，粉碎的小麥秸稈與表層土壤（0～10 cm）混合。共9種處理，依次為A-X、A-Y、A-Z、B-X、B-Y、B-Z、C-X、C-Y、C-Z。試驗小區面積12 m×20 m = 240 m2，每個處理3個重復。第1年隨機區組排列，以后固定位置。

1.3 試驗管理

采用黃淮海傳統的冬小麥-夏玉米一年兩熟輪作模式，小麥季種植‘濟麥22并統一管理，不作調查。玉米季選用當地主載品種‘登海605，6月中旬播種（見表2），播種次日灌水，種植密度設定為75 000株·hm-2，行距60 cm。玉米播種前基施復合肥（N∶P2O5∶ K2O=15∶ 15∶ 15，總養分≥45%）300 kg·hm-2。試驗周年輪作過程中，小麥和玉米的施肥、灌水、病蟲害防治等管理方式均相同，僅在耕作方式上有差異。

1.4 參數測定及計算方法

土壤含水量：玉米播種期、拔節期、開花期與成熟期，采用土鉆法分別取0～20，20～40，40～60，60～80，80～100 cm，5個土壤層，用烘干法測定土壤含水量。

土壤容重：玉米播種期、拔節期、開花期與成熟期，用環刀法分別取0～15，15～25，25～35 cm，3個土壤層，土樣轉移到鋁盒中，在105 ℃下烘24 h稱重，計算單位體積中烘干土的質量，計算土壤容重（土壤容重=烘干土樣質量 / 環刀容積）。

土壤堅實度：玉米播種期、拔節期、開花期與成熟期，使用土壤硬度計（TYD-2型，浙江托普儀器有限公司生產）測定15，25，35 cm深度的土壤堅實度。

夏玉米產量測定和考種：人工收獲各小區中間2行的果穗，脫粒曬干后測含水量和產量，按14%標準含水量折算小區產量，計算玉米單產。每小區連續選擇20個果穗進行考種，考種項目包含穗粒數、單穗重、千粒重等。

1.5 氣象數據

試驗區氣象數據來自德州國家氣象觀測站。

1.6 數據處理與分析

采用Microsoft Excel 2019進行數據整理和作圖;IBM SPSS Statistics 26軟件統計和分析數據，采用單因素（one-way ANOVA）和Duncans法進行方差分析和多重比較。

2 結果與分析

2.1 試驗期間氣象條件

2019—2021年試驗區氣象條件存在較大差異。圖1為2019—2021試驗區夏玉米生育期主要的氣象因素。生育期所需積溫和日均氣溫差別不大，2020年生育期積溫最少;2021年最多，比2020年增加6.01%。2021年因為9月下旬和10月上旬降雨導致玉米收獲推遲4～5 d，計算的積溫高于實際生產需求。年降雨量和生育期內降雨量年際之間差別較大，2019年全年降雨僅為404.4 mm，而2021年7月降雨量就達到400.0 mm，全年降雨量是2019年的2.5倍。生育期內總日照時長和日均日照時長年際差別較大，2021年比2019年分別降低了20.6%，24.3%。

2.2 周年不同耕作模式對土壤含水量的影響

由圖1和圖2可以看出，不同年份間降水量差別很大，但試驗區位于引黃灌溉區，土壤含水量年際間無顯著差異。不同時期，周年不同耕作模式對土壤各層含水量的影響差異明顯。周年耕作模式A-X、A-Y和A-Z土壤含水量低于周年耕作模式B-X、B-Y、B-Z、C-X、C-Y、C-Z對應的土壤層含水量。尤其開花期到成熟期，B-X、B-Y、B-Z、C-X、C-Y、C-Z耕作模式對應的各土壤層平均含水量均高于A-X、A-Y和A-Z各土壤層的平均含水量。耕作模式B-X、B-Y、B-Z和C-X、C-Y、C-Z對土壤含水量的影響無明顯差異。小麥播種前耕作模式B和C的各土壤層含水量均明顯大于A，五個土壤層含水量B分別比A高8.99%，11.88%，18.43%，8.02%，2.59%，C分別比A高8.99%，11.56%，15.95%，8.23%，3.00%;土壤含水量隨著土壤深度增加差異逐漸變大，在60 cm深度時差異達到最大，然后差異逐漸變小。玉米季Z耕作模式的土壤含水量在土壤深度20，40，60，100 cm時均明顯大于Y和X。

2.3 周年不同耕作模式對土壤容重的影響

由表3可以看出，隨著土壤深度增加，土壤容重明顯增加;2019—2021年份間各層土壤容重無明顯差異。小麥播種前B和C耕作模式的土壤容重明顯低于A耕作模式的土壤容重;玉米播種前Z耕作模式土壤深度0～25 cm時的容重明顯低于X和Y耕作模式的土壤容重，在土壤深度25～35 cm時容重差異不明顯。對比周年不同耕作模式平均土壤容重可以發現，B-Z和C-Z最低，但與其他耕作模式各生育期對應的土壤容重差值小。

2.4 周年不同耕作模式對土壤堅實度的影響

由表4可以看出，隨著土壤深度增加，土壤堅實度明顯增加;隨著玉米生長發育，播種期、拔節期、開花期、成熟期對應的土壤堅實度也逐漸增加;2019—2021年，年份間平均土壤堅實度有所降低。小麥播種前的耕作方式其平均土壤堅實度B

2.5 周年不同耕作模式對夏玉米產量及穩定性的影響

由表5可以看出，周年不同耕作模式對應的夏玉米產量，2020年平均產量比2019年增產1.52%，2021年比2020年減產2.01%，產量差異不顯著。小麥季播種前B和C耕作模式對應的夏玉米產量顯著高于A耕作模式對應的產量，分別增產7.5%，7.6%。玉米季播種前X和Y耕作模式對應的夏玉米產量顯著高于Z耕作模式對應的產量，分別增產9.4%，9.8%。穗粒數、單穗重、千粒重呈現與產量相同的規律，2019—2021年份間差異不顯著，小麥季播種前B和C耕作模式顯著高于A耕作模式，玉米季播種前X和Y耕作模式顯著高于Z耕作模式。裂區試驗設計9種周年耕作模式，其中B-X、B-Y、C-X、C-Y耕作模式，夏玉米平均產量最高，這4種耕作模式間無顯著差異，平均畝產顯著高于其它5種耕作模式，C-Y與A-Z的差異最大，C-Y比A-Z增產18.6%。穗粒數、單穗重和千粒重都是產量的重要構成要素，表現出與夏玉米單位產量相同的規律。

小麥季播種前深松或深翻與玉米季播種前免耕或滅茬組成的周年耕作模式，在黃淮海一年兩熟區要優于其它周年耕作模式。小麥季深翻玉米季滅茬（C-Y）最好，但與其它3種周年耕作模式（B-X、B-Y、C-X）沒有達到統計學上的顯著差異。

3 結論與討論

優良的土壤結構是實現作物高產穩產的基礎，耕作措施能夠直接作用于土壤，改變土壤結構，創造良好的耕層環境，從而促進作物生長[12]。華北平原作為我國糧食主產區，目前普遍采用小麥季播種前旋耕整地，玉米季免耕播種的栽培措施。長期旋耕、少耕的耕作模式，造成耕層變淺，犁底層上升，耕層土壤結構性變差，進而導致作物產量降低[13-14]。研究結果表明，小麥季深翻或深松與玉米季直接播種或滅茬播種結合的周年輪作（B-X、B-Y、C-X、C-Y），能有效地增加土壤含水量，降低土壤容重和堅實度，達到改善耕層土壤特性，有助于維持優良土壤結構的穩定性。趙亞麗等[8]研究發現，在河南省溫縣小麥季播種前設置耕作方式，深耕和深松可以有效降低土壤容重，提高土壤含水量，改善耕層土壤水分條件，提高作物干物質積累能力。毛紅玲等[9]研究表明，免耕和深松與傳統耕作相比，蓄水保墑作用更明顯，2年平均土壤含水量比傳統耕作分別增加6.72%，5.24%。趙萍等[10]研究發現，秋季深耕打破犁底層，降低土壤容重，增加了土壤孔隙。

研究結果表明，小麥播種前深松或深翻與玉米播種前免耕或滅茬組成的周年耕作模式，在黃淮海一年兩熟區要優于其它周年耕作模式。其中小麥季深翻玉米季滅茬的周年耕作模式最好，比小麥季旋耕玉米季免耕直接播種的夏玉米增產18.6%。這與此前研究結果基本一致，郭良海等[11]研究表明，夏季旋耕播種的土壤含水量比免耕播種和滅茬播種高，土壤容重和堅實度也較低，但由于大量小麥秸稈的存在，導致耕作層松軟、孔隙過大，因此不利于玉米的播種出苗，導致玉米苗勢較弱，影響了后期的生長發育，最終影響玉米的產量。張麗華等[15]研究發現，小麥播種前采取深翻或深松比旋耕，次年玉米產量分別增加8.36%，14.35%。李景等[16]研究表明，長期免耕和深松提高了土壤團聚體顆粒態有機碳及全氮含量，支持了夏玉米播種前旋耕等翻動土壤的耕作模式對于土壤耕層結構具有破壞作用，成為降低夏玉米產量的一個因素。周年耕作模式與土壤、氣候等環境因素共同影響作物的產量[17]。小麥播種前深松或深翻與玉米播種前免耕或滅茬組成的周年耕作模式，在黃淮海一年兩熟區要優于其它周年耕作模式，有望帶動德州市糧食大面積均衡增產，助力德州市噸半糧生產能力建設[18]。

綜上所述，針對黃淮海冬小麥-夏玉米一年兩熟區，長期采用冬小麥播種前旋耕夏玉米播種前免耕的周年耕作模式不利于夏玉米高產和穩產;小麥季播種前深松或深翻與玉米季播種前免耕或滅茬組成的周年耕作模式，要優于其它周年耕作模式，是黃淮海區域值得推薦的周年耕作管理方式。

參考文獻：

[1]董樹亭， 張吉旺. 建立玉米現代產業技術體系，加快玉米生產發展[J]. 玉米科學， 2008， 16（4）： 18-20， 25.

[2] 國家統計局. 2020年玉米播種面積（千公頃）： 41264.26[DB/OL].[2022-03-09]. https：//data.stats.gov.cn/easyquery.htm？cn=C01&zb=A0D0E&sj=2020.

[3] 國家統計局. 2020年玉米產量（萬噸）： 26066.52[DB/OL].[2022-03-09].https：//data.stats.gov.cn/easyquery.htm？cn=C01&zb=A0D0F&sj=2020.

[4] 國家統計局. 中國統計年鑒-2019[M]. 北京： 中國統計出版社， 2019.

[5] 楊雅麗， 馬雪松， 解宏圖， 等. 保護性耕作對土壤微生物群落及其介導的碳循環功能的影響[J]. 應用生態學報， 2021， 32（8）： 2675-2684.

[6] 高燕， 張延， 張旸， 等. 耕作方式和種植模式對黑土碳氮含量及玉米產量年際變化的交互效應[J]. 土壤與作物， 2020， 9（4）： 323-334.

[7] 高飛， 李霞， 任佰朝， 等. 小麥玉米周年生產中耕作方式對夏玉米根系特性和產量的影響[J]. 中國農業科學， 2017， 50（11）： 2141-2149.

[8] 趙亞麗， 薛志偉， 郭海斌， 等. 耕作方式與秸稈還田對土壤呼吸的影響及機理[J]. 農業工程學報， 2014， 30（19）： 155-165.

[9] 毛紅玲， 李軍， 賈志寬， 等. 旱作麥田保護性耕作蓄水保墑和增產增收效應[J]. 農業工程學報， 2010， 26（8）： 44-51.

[10]趙萍， 徐國發， 李增璽， 等. 秋季深耕分層施肥對遼北地區玉米產量及土壤理化特性的影響[J]. 沈陽農業大學學報， 2021， 52（4）： 500-505.

[11]郭良海， 高建勝， 郭智慧， 等. 播種方式對夏玉米農藝性狀及產量的影響[J]. 安徽農業科學， 2018， 46（17）： 59-61.

[12] 李曉林， 張宏彥. 黃淮海平原耕地質量現狀、問題及解決對策[C]//中國土壤學會第十一屆全國會員代表大會暨第七屆海峽兩岸土壤肥料學術交流研討會論文集. 北京： 中國土壤學會， 2008： 373-379.

[13] 何進， 李洪文， 高煥文. 中國北方保護性耕作條件下深松效應與經濟效益研究[J]. 農業工程學報， 2006（10）： 62-67.

[14] 侯賢清， 李榮， 賈志寬， 等. 不同農作區土壤輪耕模式與生態效應研究進展[J]. 生態學報， 2016， 36（5）： 1215-1223.

[15] 張麗華， 徐晨， 于江， 等. 半濕潤區秸稈還田對土壤水分、溫度及玉米產量的影響[J]. 水土保持學報， 2021， 35（4）： 299-306.

[16] 李景， 吳會軍， 武雪萍， 等. 長期免耕和深松提高了土壤團聚體顆粒態有機碳及全氮含量[J]. 中國農業科學， 2021， 54（2）： 334-344.

[17] TOLIVER D K， LARSON J A， ROBERTS R K， et al. Effects of no-till on yields as influenced by crop and environmental factors[J]. Agronomy Journal， 2012， 104（2）： 530-541.

[18] 徐萍， 楊憲杰， 馮佐龍， 等. 華北平原小麥新型耕作施肥播種方式增產增效研究[J/OL]. 中國生態農業學報（中英文）： 1-10[2022-01-26].http：//kns.cnki.net/kcms/detail/13.1432.S.20220124.1823.003.html.