粉壟耕作對寧夏銀北鹽堿地土壤養(yǎng)分及玉米產(chǎn)量的影響

任曉月，陳彥云，梁新華

(寧夏大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，銀川 750021)

【研究意義】玉米是寧夏重要的糧食作物，占糧食總產(chǎn)量比重的 45.7%，是寧夏糧食產(chǎn)量第一大作物，種植區(qū)域主要集中在引黃灌區(qū)，該區(qū)域玉米面積約占寧夏玉米種植總面積的75%[1]。由于良好的光、熱自然條件和灌溉系統(tǒng)，寧夏玉米單產(chǎn)水平遠(yuǎn)高于全國平均水平。【前人研究進(jìn)展】近年來玉米生產(chǎn)能力穩(wěn)步提高，但玉米單產(chǎn)的增長速率卻逐漸降低。寧夏玉米田土壤耕層深度平均16.5 cm ，普遍存在土壤耕層深度變淺，土壤結(jié)構(gòu)緊實(shí)，有效耕層土壤量顯著減少的問題[2]。為此，寧夏銀北引黃灌區(qū)引進(jìn)粉壟耕作技術(shù)，粉壟耕作技術(shù)由廣西農(nóng)業(yè)科學(xué)院于 2008 年首次提出，并于 2012 年 3 月 28 日通過了廣西壯族自治區(qū)科學(xué)技術(shù)廳主持的科技成果鑒定。粉壟耕作的機(jī)械由廣西五豐機(jī)械有限公司提供，該機(jī)械帶有垂直螺旋鉆頭，可根據(jù)作物種植深度需求，利用螺旋鉆頭垂直旋轉(zhuǎn)入土 30～50 cm，粉碎土壤[3]。【本研究切入點(diǎn)】粉壟耕作不亂土層，同時可擴(kuò)建土壤養(yǎng)分庫、耕地水庫[4]，促進(jìn)作物充分利用土壤養(yǎng)分。經(jīng)過對多地多種作物試驗(yàn)研究表明，粉壟耕作對冬小麥[5]、玉米[6]、水稻[7]、木薯[8]等均具有增產(chǎn)效果，粉壟還可降低鹽漬化土壤鹽分[9]。因此，研究粉壟耕作后土壤性質(zhì)的變化，探尋改善土壤結(jié)構(gòu)的新型耕作模式，可以篩選出適宜寧夏銀北引黃灌區(qū)的粉壟耕作技術(shù)，實(shí)現(xiàn)土壤良性生產(chǎn)。【擬解決的關(guān)鍵問題】本試驗(yàn)通過與常規(guī)耕作相比，研究粉壟耕作對寧夏銀北引黃灌區(qū)鹽堿地土壤養(yǎng)分的影響，以期為粉壟耕作在引黃灌區(qū)鹽堿地上的推廣應(yīng)用提供理論參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)于 2020年4—10月在寧夏回族自治區(qū)石嘴山市平羅縣頭閘村(106°63′N，38°95′E)進(jìn)行，屬溫帶大陸性氣候，海拔1091 m，日照充足、晝夜溫差大、干旱少雨、年蒸發(fā)量1755 mm，年平均氣溫8.8℃，平均風(fēng)速2～3 m/s，無霜期171 d，年降雨量184 mm，試驗(yàn)區(qū)土壤為黏土，基礎(chǔ)土樣0～20 cm土層土壤有機(jī)質(zhì) 19.68 g/kg、堿解氮 76.92 mg/kg、速效磷34.69 mg/kg、速效鉀214.03 mg/kg、全氮1.10 g/kg、全磷0.86 g/kg、全鉀20.63 g/kg，pH為8.29。

1.2 實(shí)驗(yàn)材料及處理

供試玉米品種為‘迪卡5號’， 播種前于2020年 4月11日，采用廣西五豐機(jī)械有限公司自走式粉壟機(jī)耕作，交叉作業(yè)，全面深松垂直旋磨粉碎土壤，深度40 cm(FL40)和50 cm(FL50)，對照為傳統(tǒng)拖拉機(jī)耕作深度20 cm(CK)，隨機(jī)區(qū)組試驗(yàn)設(shè)計(jì)，每個小區(qū)面積50 m×3 m(150 m2)，3次重復(fù)，4月25日播種，保苗密度為6萬株/hm2，行距為65 cm，株距為25 cm。肥料用量為N 243 kg/hm2，P2O592 kg/hm2和K2O 80 kg/hm2。灌溉用水采用引黃自流灌溉，田間管理按常規(guī)進(jìn)行。各處理田間管理均一致，9月20日收獲(表1)。

表1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.3 測定項(xiàng)目及方法

在玉米不同生長發(fā)育時期，即苗期、大喇叭口期、吐絲期、灌漿期和成熟期，S形取樣法，取0～20，20～40，40～60 cm 3層土樣，每層重復(fù)采集4份, 同時用鋁盒采集少量鮮樣，測定土壤含水量，其它樣品帶回實(shí)驗(yàn)室每份再分成2份，1份鮮樣，1份自然風(fēng)干用于土樣養(yǎng)分指標(biāo)的測定。

1.3.1 土壤水分與pH測定 土壤水分采用烘干法測定[10]；土壤pH測定：電極法測定，稱取通過1 mm篩孔風(fēng)干土樣10.0 g置于25 mL燒杯中，加蒸餾水10 mL混勻，靜置30 min，用校正過pHs-2 型計(jì)測定懸液的pH。

1.3.2 土壤化學(xué)性質(zhì)測定 土壤有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀氧化外加熱法測定，土壤堿解氮利用堿解擴(kuò)散法測定，土壤速效磷采用碳酸氧鈉法測定，土壤速效鉀采用醋酸銨浸提—火焰光度計(jì)法測定[10]。

1.3.3 玉米產(chǎn)量測定 成熟期各小區(qū)取2個10穴用于考種，考查穗數(shù)、每穗粒數(shù)、結(jié)實(shí)率和千粒重。各小區(qū)按實(shí)收穴數(shù)計(jì)產(chǎn)。玉米成熟期各小區(qū)取中間2行進(jìn)行考種，考查穗數(shù)、穗粒數(shù)、百粒重。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同粉壟耕作深度對土壤含水量的影響

由圖1可知，不同粉壟深度處理的土壤含水量在玉米不同生育期較傳統(tǒng)耕作均存在顯著差異，在苗期至灌漿期，F(xiàn)L40均顯著高于CK，F(xiàn)L40土壤含水量最高為16.99%，其次為FL50，土壤含水量為16.86%，分別較CK提高6.5%和5.8%；但在成熟期CK顯著高于FL40和FL50，可能的原因是隨著生育進(jìn)程的發(fā)展，降雨量增加同時地表蒸散量減小和玉米根系對深層土壤水分吸收的增加，呈現(xiàn)出土壤中層水分降低耕層水分增加的變化趨勢。

圖1 不同粉壟耕作深度對土壤含水量的影響

2.2 不同粉壟耕作深度對土壤pH的影響

由圖2可知，在玉米整個生育期CK的土壤pH均顯著高于FL40和FL50，說明不同粉壟耕作深度均可顯著降低土壤pH，且縱觀玉米整個生育期來看，土壤pH整體呈現(xiàn)出先增加后下降的整體變化趨勢。

2.3 不同粉壟耕作深度對土壤有機(jī)質(zhì)含量的影響

由圖3可知，不同粉壟深度處理之間土壤有機(jī)質(zhì)含量沒有差異，F(xiàn)L40和FL50在苗期和大喇叭口期土壤有機(jī)質(zhì)含量均顯著高于CK，F(xiàn)L40整個生育期土壤有機(jī)質(zhì)平均含量最高為16.75 mg/kg，其次為FL50，平均含量為16.5 mg/kg，分別較CK顯著提高了3.9%和2.4%，說明粉壟耕作處理后的土壤有機(jī)質(zhì)含量得到了明顯的提高。但到玉米吐絲期，CK的土壤有機(jī)質(zhì)含量顯著高于FL40和FL50的，這可能是由于粉壟耕作使植株在吐絲期生長發(fā)育優(yōu)于CK，對土壤有機(jī)質(zhì)大量吸收所致。

圖3 不同粉壟耕作深度對土壤有機(jī)質(zhì)含量的影響

2.4 不同粉壟耕作深度對土壤速效養(yǎng)分的影響

由表2可知，在玉米整個生育期土壤堿解氮的變化規(guī)律為：各處理間均呈現(xiàn)出先升高后下降的趨勢，特別是FL40和FL50的堿解氮從苗期至喇叭口期迅速升高至峰值，然后又急速下降，且CK的堿解氮含量在成熟期顯著高于粉壟耕作處理的，這可能是由于粉壟耕作使植株在吐絲期后生長發(fā)育優(yōu)于CK，對土壤堿解氮吸收量增大而致；在大喇叭口期FL40和FL50的堿解氮含量顯著高于CK，尤其以FL40最為明顯，說明經(jīng)粉壟處理后的土壤堿解氮含量明顯增加。 在玉米整個生育期土壤中的速效磷變化規(guī)律為：CK和FL40的土壤速效磷在苗期至大喇叭口期略有上升，自吐絲期至成熟期呈逐漸下降的趨勢；而FL50則是在整個生育期呈逐步下降的趨勢，這符合玉米整個生育期對土壤速效磷吸收的規(guī)律；但在整個生育期FL40和FL50速效磷的平均含量均高于CK，尤其以FL50最為顯著，說明粉壟處理后的土壤速效磷含量提高。在玉米整個生育期土壤速效鉀變化規(guī)律為：CK和FL40的土壤速效鉀在苗期至吐絲期呈先下降后上升的趨勢，在吐絲期達(dá)到最高值，隨后在灌漿期至成熟期呈逐漸下降的趨勢，且FL40在生育前期的土壤速效鉀含量顯著高于CK，說明FL40可有效提高土壤速效鉀的含量，而FL50的作用不明顯。

表2 不同耕作處理對土壤速效養(yǎng)分的影響

2.5 粉壟耕作對玉米產(chǎn)量性狀的影響

玉米收獲后，對不同處理的玉米植株進(jìn)行了考種分析，由表3得出：玉米籽粒的產(chǎn)量構(gòu)成要素中，粉壟耕作深度對玉米籽粒的百粒重、穗粒數(shù)、 667 m2穗數(shù)和產(chǎn)量影響顯著。其中，F(xiàn)L40百粒重最高，為55.47 g/百粒，其次是FL50，為54.65 g/百粒，分別較CK顯著提高9.5%和7.9%；FL40穗粒數(shù)最高(638.57粒/穗)，顯著高于FL50(557.44粒/穗)，兩者分別顯著高于CK 32.4%和15.5%； 穗數(shù)與穗粒數(shù)相似，F(xiàn)L40最高，平均為3985.38穗/667 m2，顯著高于FL50(3503.86穗/667 m2)，兩者分別顯著高于CK 31.9%和15.9%；從產(chǎn)量來看，仍以FL40最高、平均為1049.89 kg/667 m2，顯著高于FL50(768.93 kg/667 m2)，提高36.5%，也顯著高于CK(708.33 kg/667 m2)48.2%。FL50較CK提高了8.6%，但兩者之間差異不顯著。

表3 不同粉壟耕作深度對玉米產(chǎn)量的影響

2.6 玉米產(chǎn)量與粉壟耕作處理后的土壤含水量、pH、速效養(yǎng)分和有機(jī)質(zhì)含量的相關(guān)性分析

由圖4可知，粉壟耕作處理后的玉米產(chǎn)量與土壤中速效養(yǎng)分堿解氮和速效鉀之間存在相關(guān)性，達(dá)到極顯著水平，說明土壤中的堿解氮和速效鉀含量影響了玉米的產(chǎn)量；而土壤水分、pH、有機(jī)質(zhì)和速效磷與玉米產(chǎn)量之間沒有明顯的相關(guān)性，這可能是由于經(jīng)粉壟處理后的土壤堿解氮和速效鉀含量升高后更易被玉米植株吸收所致，進(jìn)而影響玉米產(chǎn)量；而速效磷不易被植株吸收所致。

圖4 玉米產(chǎn)量與土壤含水量、pH、有機(jī)質(zhì)和速效養(yǎng)分的相關(guān)系數(shù)熱圖

3 討 論

3.1 粉壟耕作對土壤含水量和pH的影響

李軼冰等[11]研究認(rèn)為粉壟耕作后易于調(diào)用深層水分，土壤調(diào)蓄水分更通暢。劉江漢等[12]研究認(rèn)為粉壟耕作后各處理土壤含水量有顯著提升，土壤三相比例有所優(yōu)化。其中30～45 cm土層以F45效果更好，本研究也發(fā)現(xiàn)粉壟處理后的土壤水分顯著提升，尤其以玉米生育前期最為明顯，且粉壟40 cm處理更好。主要原因可能是粉壟耕作深度較深，深層土壤孔隙度因而提高，水分滲透性得到改善，使得深層土壤含水量顯著提高，從而改善底層土壤環(huán)境，對底層土壤養(yǎng)分的利用也將有所改善。

鹽堿地因土壤高鹽、高 pH 問題對作物有鹽堿脅迫作用，鹽堿脅迫對種子萌發(fā)及作物生長影響顯著[13]，在作物生長期間，鹽堿脅迫作用還會抑制作物對土壤水分和養(yǎng)分的吸收，從而影響作物產(chǎn)量。本研究表明，粉壟耕作可顯著降低平羅玉米地土層深度在40～60 cm的pH，為玉米種子萌發(fā)及生長提供良好的條件。這與楊博，屈忠義等[14]的研究：粉壟耕作 0～40 cm 深度土壤可顯著降低pH的結(jié)論相符。

3.2 粉壟耕作對土壤速效養(yǎng)分的影響

已有研究表明，旱地、水田經(jīng)粉壟整地處理的土壤其有機(jī)質(zhì)和速效氮、磷、鉀含量均比未粉壟的原土土壤高[15-16]，本研究也發(fā)現(xiàn)土壤速效磷經(jīng)粉壟處理后在整個玉米生育期含量均提高，以粉壟50 cm處理最為明顯；粉壟整地過程中，由于其溫度提高、水分分布均勻、氧氣充足，使得土壤微生物活動加劇，這些因素都促進(jìn)了土壤有機(jī)質(zhì)含量增加[17]。本研究表明土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮和速效鉀經(jīng)粉壟處理后在生育前期含量明顯增加，有機(jī)質(zhì)增加以苗期和大喇叭口期最為明顯，堿解氮則以大喇叭口期最為明顯，速效鉀則是以FL40處理的玉米生育前期最為顯著，但在生育后期都呈逐漸下降趨勢，推測這與玉米生育后期大量吸收養(yǎng)分有很大的關(guān)系。此結(jié)論與聶勝委，張玉亭等[18]的研究：在相同的品種、肥、水、管理等條件下，通過改變耕作方式能夠提高作物對養(yǎng)分的吸收和利用率，耕層土壤養(yǎng)分在成熟期下降的結(jié)論是一致的。分析原因可能是粉壟耕作后土壤容重顯著降低，使土壤的通透性提高[19]，促進(jìn)了土壤氮素的礦化分解與緩效鉀的釋放，且粉壟耕作能夠打破部分犁底層，使土壤含水量、孔隙度等土壤環(huán)境條件得到改善，有利于土壤中速效磷的有效性提高[20-22]。

3.3 粉壟耕作對玉米產(chǎn)量的影響

聶勝委等[23]研究發(fā)現(xiàn)，粉壟耕作能夠增加小麥、玉米兩季作物產(chǎn)量，促進(jìn)作物對養(yǎng)分的吸收，適當(dāng)增加耕作層的厚度更有助于小麥產(chǎn)量的提高。韋本輝等[24]研究表明粉壟栽培技術(shù)可以增加馬鈴薯的產(chǎn)量，并提高商品薯的比例。本研究也發(fā)現(xiàn)粉壟耕作處理后的玉米產(chǎn)量要高于CK。可能是粉壟耕作后土壤結(jié)構(gòu)得到明顯改善，提高了土壤養(yǎng)分含量，更加適合玉米生長，使玉米產(chǎn)量顯著增加。

3.4 玉米產(chǎn)量與粉壟耕作處理后的土壤含水量、pH、速效養(yǎng)分和有機(jī)質(zhì)含量的相關(guān)性分析

劉征等[25]從時間和空間上對河北省山區(qū)的土壤養(yǎng)分及玉米的產(chǎn)量進(jìn)行了定量分析和相關(guān)性研究，研究發(fā)現(xiàn)土壤中全磷和速效鉀的含量是影響玉米產(chǎn)量的主要因素。本研究則發(fā)現(xiàn)經(jīng)過粉壟處理后的土壤堿解氮和速效鉀的含量是影響玉米產(chǎn)量的主要因素。這可能的原因是經(jīng)粉壟處理后的土壤養(yǎng)分被激活，速效養(yǎng)分含量增加，作物生長前期獲得了較好的根系生長效果，最終獲利了增產(chǎn)效果[18]。而磷肥施入土壤后很容易被固定從而使作物難以吸收[26]，這可能是本研究中土壤速效磷與玉米產(chǎn)量相關(guān)性不顯著的原因。

4 結(jié) 論

粉壟耕作對改善土壤理化性質(zhì)及養(yǎng)分水平具有良好的作用。經(jīng)粉壟整地后，土壤水分、速效養(yǎng)分含量增加，利于玉米生長前期根系生長，從而為最終的增產(chǎn)奠定良好基礎(chǔ)。