何 明 高煥文 董培巖 崔德杰 趙文閣

(1.青島市農(nóng)業(yè)機(jī)械管理局，青島 266021； 2.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京 100083；3.青島農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，青島 266109)

0 引言

我國(guó)小麥玉米一年兩熟地區(qū)保護(hù)性耕作從2003年開始推廣應(yīng)用，大量保護(hù)性耕作土地連續(xù)多年免耕，耕層土壤容重增大，對(duì)出苗和作物產(chǎn)量產(chǎn)生了不同程度的影響，逐步顯現(xiàn)出對(duì)深松的迫切需求。2011年國(guó)家開始對(duì)深松作業(yè)實(shí)施補(bǔ)貼，進(jìn)一步調(diào)動(dòng)了農(nóng)戶的積極性，深松作業(yè)在一年兩熟地區(qū)大規(guī)模推廣應(yīng)用。

國(guó)內(nèi)近年來對(duì)深松的試驗(yàn)研究集中在深松機(jī)具的設(shè)計(jì)、研制、試驗(yàn)[1-4]，降低深松阻力的試驗(yàn)研究方面[5-9]，對(duì)提高深松機(jī)具性能、增加深松機(jī)具種類、減少深松阻力消耗等起到了重要作用。在深松對(duì)土壤、環(huán)境、作物產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益的影響方面，國(guó)內(nèi)外開展了大量試驗(yàn)研究[10-18]，進(jìn)一步明確了深松有助于改善土壤耕層結(jié)構(gòu)，提高土壤蓄水能力，增加作物產(chǎn)量。文獻(xiàn)[19]討論了我國(guó)北方一年一熟旱作區(qū)，多年免耕體系中引入周期性深松(2年1深松，3年1深松)的效果，指出深松降低土壤容重、增大孔隙度、增加團(tuán)粒結(jié)構(gòu)、提高產(chǎn)量，但土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量有所降低。文獻(xiàn)[20]介紹了加拿大一項(xiàng)長(zhǎng)期輪耕和輪作結(jié)合的試驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)持續(xù)免耕土壤結(jié)構(gòu)變差，輪耕(免耕與翻耕)和輪作(單一玉米、玉米-大豆、玉米-燕麥-大麥)均能顯著改善土壤結(jié)構(gòu)。文獻(xiàn)[21] 討論了美國(guó)中西部玉米帶，Chisel Plow(近似我國(guó)深松)對(duì)免耕作物產(chǎn)量的影響，指出在單一玉米連作或干旱情況下，Chisel Plow相比免耕有增產(chǎn)效果，但對(duì)玉米-大豆輪作地效果不大，單一大豆種植地則更無耕作必要。

總體看國(guó)內(nèi)外對(duì)一年一熟區(qū)持續(xù)免耕情況下土壤性狀、產(chǎn)量的變化以及引進(jìn)深松等耕作措施的影響進(jìn)行了較多試驗(yàn)研究，取得了一批重要成果。但是針對(duì)一年兩熟地區(qū)持續(xù)免耕體系中采用深松的問題，試驗(yàn)研究偏少。一些現(xiàn)實(shí)問題，如小麥玉米一年兩熟地區(qū)，免耕體系中采用深松對(duì)土壤和產(chǎn)量的影響是什么，效果如何；是應(yīng)夏季還是秋季進(jìn)行深松；由于深松補(bǔ)貼，部分地區(qū)年年深松，對(duì)此尚未見有關(guān)的試驗(yàn)報(bào)道，一直存在爭(zhēng)議。因此，從2013年開始，在一年兩熟保護(hù)性耕作高產(chǎn)高效體系試驗(yàn)中[22]，設(shè)置了新的深松試驗(yàn)區(qū)，針對(duì)上述問題開展專項(xiàng)試驗(yàn)，指導(dǎo)深松的合理應(yīng)用，豐富保護(hù)性耕作高產(chǎn)高效技術(shù)體系。

1 試驗(yàn)條件、材料與方法

1.1 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)設(shè)在山東省平度市蘭底鎮(zhèn)桑園村，屬于溫帶季風(fēng)氣候，地勢(shì)平坦，土壤質(zhì)地為潮土，種植制度為小麥、玉米平作一年兩熟，是山東、河南、河北等地區(qū)典型的種植制度，地下水貧瘠、依靠池塘蓄雨灌溉。2013年保護(hù)性耕作面積占本市小麥、玉米種植面積30%，且逐年擴(kuò)大。根據(jù)青島農(nóng)業(yè)大學(xué)測(cè)定，2012年參試土壤0～20 cm平均有機(jī)質(zhì)質(zhì)量比為15.10 g/kg，堿解氮質(zhì)量比81.74 mg/kg、速效磷質(zhì)量比20.4 mg/kg、速效鉀質(zhì)量比124 mg/kg，pH值5.56。試驗(yàn)地土壤肥力基本均勻，肥力水平3～4級(jí)。由于多年保護(hù)性耕作的影響，參試土壤有機(jī)質(zhì)、速效磷、速效鉀含量高于當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)耕地，但堿解氮含量和pH值低于傳統(tǒng)耕地，在當(dāng)?shù)乇Ｗo(hù)性耕作土壤中具有代表性。

1.2 試驗(yàn)機(jī)具

按傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)試驗(yàn)的觀念，夏深松和秋深松的對(duì)比試驗(yàn)應(yīng)選用相同的機(jī)具，便于比較時(shí)排除機(jī)具因素的影響。如果在實(shí)際生產(chǎn)中兩個(gè)季節(jié)可以使用相同機(jī)具，像北方一年一熟地區(qū)，上述做法是可行合理的。但是，在一年兩熟地區(qū)生產(chǎn)中，夏季和秋季基本采用不同的深松機(jī)具。夏季多采用玉米深松播種聯(lián)合作業(yè)機(jī)(圖1)，而該機(jī)不可能用于秋季播小麥。秋季本地區(qū)可以獨(dú)立深松，也可以和播種聯(lián)合作業(yè)。深松與小麥播種聯(lián)合作業(yè)的機(jī)具(圖2)，由于播種機(jī)構(gòu)不同，同樣難以在夏季使用。獨(dú)立深松機(jī)具是可以在夏季作業(yè)的，但從夏季搶農(nóng)時(shí)、減少跑墑，以及減少機(jī)具進(jìn)地次數(shù)的角度，聯(lián)合作業(yè)比獨(dú)立深松具有明顯優(yōu)勢(shì)。農(nóng)戶不可能為利用一個(gè)深松機(jī)而放棄聯(lián)合作業(yè)。因此，機(jī)械化農(nóng)業(yè)試驗(yàn)的觀念應(yīng)該是夏深松和秋深松各自選用最合適的機(jī)具，這樣既比較了不同時(shí)間季節(jié)，也比較了不同的機(jī)具，才是更全面、合理的，試驗(yàn)結(jié)果可以迅速推廣應(yīng)用。

夏深松選用河北農(nóng)哈哈2BSQPY-4 型玉米深松播種聯(lián)合作業(yè)機(jī)(圖1)，工作幅寬2.4 m，拖拉機(jī)配套動(dòng)力51 kW以上。

秋深松選用山東大華4鏟式深松機(jī)(圖3)和河南豪豐2BMFS-12/6型小麥免耕播種機(jī)(圖4)。小麥?zhǔn)敲苤沧魑?，播種耗用功率大，深松播種聯(lián)合作業(yè)需要大功率拖拉機(jī)，如山東大華2BMSFS-12/6型小麥深松播種聯(lián)合作業(yè)機(jī)(圖2)，作業(yè)幅寬2.4 m,需要88 kW以上拖拉機(jī)。本地區(qū)農(nóng)田地塊不大，大功率拖拉機(jī)利用率很低，勢(shì)必提高深松作業(yè)成本。因此，試驗(yàn)選取獨(dú)立深松機(jī)。

圖2 山東大華 2BMSFS-12/6型小麥深松播種機(jī)Fig.2 2BMSFS-12/6 wheat no-till drill with sub-soiling by Dahua of Shandong

圖3 山東大華4鏟式深松機(jī)Fig.3 Four shovels sub-soiler by Dahua of Shandong

圖4 河南豪豐2BMFS-12/6型小麥免耕播種機(jī)Fig.4 2BMFS-12/6 wheat no-till drill by Haofeng of Henan

1.3 試驗(yàn)區(qū)設(shè)計(jì)

深松單因素、3水平、3次重復(fù)，共9個(gè)小區(qū)。為適應(yīng)機(jī)械作業(yè)，試驗(yàn)小區(qū)長(zhǎng)70 m、寬4.8 m，小區(qū)間隔離帶1 m,重復(fù)間隔離帶10 m。傳統(tǒng)對(duì)照3個(gè)小區(qū),總計(jì)12個(gè)小區(qū)，占地5 400 m2左右。試區(qū)布置如圖5。圖中：D1表示夏深松(播種玉米時(shí)深松)，行間深松、彎柱式楔形鏟、鏟間距60 cm、松土深度30 cm，秋季不深松；D2表示秋深松(播種小麥前深松)，全面深松、倒梯形弧面鏟、鏟間距60 cm、松土深度30 cm，夏季不深松；D3表示不深松，全年免耕；CK表示傳統(tǒng)耕作對(duì)照。

圖5 深松試驗(yàn)區(qū)布置Fig.5 Arrangement of sub-soiling experiment plots

1.4 試驗(yàn)區(qū)管理

試驗(yàn)地小麥、玉米生產(chǎn)作業(yè)工藝為：玉米機(jī)械收獲—秸稈全部粉碎覆蓋—秋深松(或不深松)—小麥免耕施肥播種—灌水—田間管理；小麥機(jī)械收獲—秸稈全部粉碎覆蓋—夏深松與玉米施肥播種聯(lián)合作業(yè)(或玉米施肥播種作業(yè))—灌水—田間管理。

播小麥?zhǔn)┝蛩徕洀?fù)合肥750 kg/hm2，播玉米施海藻復(fù)混肥750 kg/hm2,小麥灌越冬水(450 m3/hm2)1次，返青水(375 m3/hm2)1次，玉米正常年份不灌水。

除深松作業(yè)外，各試驗(yàn)小區(qū)其它作業(yè)和管理措施相同。傳統(tǒng)對(duì)照處理為收獲后人工抱走秸稈、根茬還田，旋耕整地兩遍，傳統(tǒng)播種。

1.5 田間測(cè)試方法

1.5.1測(cè)產(chǎn)

小麥測(cè)產(chǎn)：每小區(qū)3點(diǎn)隨機(jī)取樣，測(cè)定產(chǎn)量三要素，每個(gè)樣點(diǎn)取11行測(cè)定行距，2 m距離測(cè)定有效穗數(shù)，同時(shí)隨機(jī)取50頭穗帶回實(shí)驗(yàn)室脫粒干燥后，測(cè)定穗粒數(shù)、千粒質(zhì)量。玉米測(cè)產(chǎn)：每小區(qū)3點(diǎn)隨機(jī)取樣，測(cè)定行距，每行測(cè)定10 m玉米株數(shù)用于計(jì)算株距，其中隨機(jī)選取10株帶回實(shí)驗(yàn)室干燥測(cè)定穗粒數(shù)和千粒質(zhì)量。

1.5.2測(cè)土

取樣：每小區(qū)3點(diǎn)隨機(jī)取樣，0～20 cm表層土壤混合樣品。

土壤含水量采用干燥法測(cè)定；土壤容重采用環(huán)刀法測(cè)定；土壤孔隙度采用計(jì)算法測(cè)定；土壤有機(jī)質(zhì)含量采用重鉻酸鉀容重法測(cè)定；土壤細(xì)菌數(shù)量采用平板培養(yǎng)菌落計(jì)數(shù)法測(cè)定。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 產(chǎn)量

試驗(yàn)區(qū)每季的產(chǎn)量，經(jīng)過方差檢驗(yàn)(F檢驗(yàn))確認(rèn)不同處理間具有顯著差異(P<0.05)或差異(P<0.10)后，取每一處理3個(gè)小區(qū)的平均產(chǎn)量作為該處理產(chǎn)量，結(jié)果如表1。3種深松處理(D1、D2、D3)、1種傳統(tǒng)耕作處理(CK)，2013年6月—2017年6月共8個(gè)季節(jié)的產(chǎn)量及對(duì)比如表1所示。

表1 深松試驗(yàn)區(qū)小麥、玉米產(chǎn)量對(duì)比(2013—2017年)Tab.1 Wheat and corn yields in sub-soiling plots from 2013 to 2017 t/hm2

注：*表示深松當(dāng)季產(chǎn)量最高的小區(qū)；** 表示2013年D2小區(qū)沒有深松，其玉米產(chǎn)量與不深松小區(qū)相同。

圖6 夏深松增產(chǎn)幅度變化曲線Fig.6 Reduction trend of yield increasing rate in summer sub-soiling compared to no sub-soiling

從表1可見，不深松(免耕)相比深松產(chǎn)量低，但相比傳統(tǒng)耕作仍然是增產(chǎn)的，平均增產(chǎn)幅度達(dá)到16%。考慮到免耕投入少、成本低，所以一年兩作地區(qū)長(zhǎng)期免耕雖然不是最佳選擇，但當(dāng)前仍是可行的。

從表1可見，5年8次收獲中有6次當(dāng)季深松獲得的產(chǎn)量最高，證明深松對(duì)當(dāng)季產(chǎn)量影響最大。

從表1可見，深松實(shí)施的第1年，深松比不深松增產(chǎn)18%。表明多年免耕的土壤，進(jìn)行深松可取得顯著增產(chǎn)效果。

從表1的5年累計(jì)產(chǎn)量看，由大到小依次為夏深松、秋深松、不深松，初步證明夏深松的增產(chǎn)效果優(yōu)于秋深松。夏深松相比秋深松增2.3%、比不深松增5.9%。

從表1結(jié)果可見，每年深松有明顯的增產(chǎn)效應(yīng)遞減現(xiàn)象。表1和圖6顯示，夏深松第1年比不深松增產(chǎn)18%, 隨后增幅迅速遞減。 表1顯示，秋深松第1年增產(chǎn)8.3%，第2年降為4.0%，第3年降為1.9%。夏深松第5年、秋深松第3年增幅降到2%以下。

2.2 土壤容重、孔隙度、田間持水量、有機(jī)質(zhì)含量及土壤細(xì)菌數(shù)量

2017年土壤容重、孔隙度、田間持水量測(cè)定結(jié)果見表2，測(cè)定時(shí)間為2017年6月19日，2014—2017年土壤有機(jī)質(zhì)含量測(cè)定結(jié)果見表3, 土壤細(xì)菌、真菌數(shù)量測(cè)試結(jié)果見表4，測(cè)定時(shí)間為2014年6月17日。

表2 試驗(yàn)區(qū)土壤容重、孔隙度及田間持水量Tab.2 Soil bulk density, porosity and field water holding capacity of sub-soiling trial plots

表3 2014—2017年深松試驗(yàn)區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量比Tab.3 Organic matter contents during 2014—2017 at sub-soiling trial plots g/kg

從表2可知，深松降低土壤容重、增加土壤孔隙度和田間持水量，從而有利于提高作物產(chǎn)量。夏深松比不深松降低土壤容重6.1%、增加孔隙度5.2%，提高田間持水量10.2%。

表4 不同深松處理的土壤細(xì)菌、真菌數(shù)量Tab.4 Number of soil bacteria and epiphyte at different sub-soiling trial plots

由表3可見，深松土壤有機(jī)質(zhì)含量低于不深松，4年平均夏深松土壤有機(jī)質(zhì)含量比不深松低5.6%，秋深松比不深松低1.6%。

表4表明，深松處理的土壤細(xì)菌數(shù)量比不深松平均減少50%，土壤細(xì)菌活力減少、土壤肥力降低。

3 結(jié)果分析與討論

3.1 夏深松與秋深松效果分析

3.1.1夏深松

(1)夏深松的優(yōu)勢(shì)為:深松后雨季到來，利于土壤蓄墑；作業(yè)地表為小麥秸稈覆蓋，比玉米秸稈數(shù)量少、強(qiáng)度低，深松機(jī)堵塞少、易于保證作業(yè)質(zhì)量；深松與播種聯(lián)合作業(yè)時(shí)，玉米行距大,可以與深松行距一致，每行玉米都播在深松溝同一部位，土壤松軟一致，保持播深穩(wěn)定；玉米行數(shù)少、播種消耗功率小，加上深松，中型拖拉機(jī)仍然可以作業(yè)，動(dòng)力利用好，作業(yè)成本低。如試驗(yàn)區(qū)夏深松費(fèi)用300元/hm2，而秋深松費(fèi)用600元/hm2。

(2)夏深松的劣勢(shì)為：該時(shí)期土壤比較干旱，深松作業(yè)易產(chǎn)生土坷拉、跑墑，影響玉米出苗。對(duì)有灌水條件的地區(qū)，可以通過播后灌水保全苗。對(duì)于干旱嚴(yán)重，又缺乏灌溉條件的地區(qū)，采用夏深松風(fēng)險(xiǎn)較大。

(3)綜合來看，夏深松增產(chǎn)效果好,獲得增產(chǎn)的周期長(zhǎng),作業(yè)費(fèi)用低，應(yīng)該大規(guī)模推廣應(yīng)用。但在缺乏灌溉條件的地區(qū)，實(shí)施夏深松的年份不宜固定，干旱時(shí)應(yīng)繼續(xù)免耕，直至墑情較好的年份出現(xiàn)再進(jìn)行深松。保護(hù)性耕作不要求年年深松，如3或4年深松1次，3年出現(xiàn)1次合適墑情的概率還是很大的。嚴(yán)重干旱地區(qū)3年也難保證出現(xiàn)1年好墑情，應(yīng)采用秋深松。

3.1.2秋深松

(1)秋深松優(yōu)點(diǎn)為：土壤墑情一般較好，可以保證松土質(zhì)量；適合作業(yè)時(shí)間較長(zhǎng)，可以獨(dú)立深松。

(2)秋深松缺點(diǎn)：秋后雨季結(jié)束，深松的蓄水保墑作用有限，還可能因動(dòng)土增加跑墑；玉米秸稈多、根茬壯，深松鏟易被堵塞，影響深松作業(yè)效果；小麥對(duì)種床要求高，深松后播小麥，有兩方面原因會(huì)影響出苗：土壤中有土坷拉、孔隙大，土壤松軟不均，由于小麥?zhǔn)敲苤沧魑?、行距小，難以與深松行距匹配，小麥只能播在深松溝不同部位，土壤松軟不一、導(dǎo)致播種深淺不一；小麥播種機(jī)行數(shù)多、負(fù)荷重，深松是在重負(fù)荷作業(yè)上再加重負(fù)荷，需要拖拉機(jī)功率更大。如山東大華生產(chǎn)的2BMSFS-12/6型小麥深松播種聯(lián)合作業(yè)機(jī)，需要88 kW以上拖拉機(jī)，其它田間作業(yè)一般不需要這么大功率，造成拖拉機(jī)動(dòng)力利用差，深松作業(yè)成本上升。

(3)綜合來看，秋深松產(chǎn)量低于夏深松、作業(yè)費(fèi)用較高，大面積應(yīng)用夏深松更有利農(nóng)戶增產(chǎn)增收。但在干旱嚴(yán)重、灌溉條件缺乏的地區(qū)，玉米青貯、收獲機(jī)壓地嚴(yán)重應(yīng)及時(shí)疏松的地區(qū)等，還是必須采用秋深松。

3.2 年年深松增產(chǎn)效應(yīng)遞減分析

出現(xiàn)增產(chǎn)效應(yīng)遞減，是因?yàn)樯钏蓪?duì)產(chǎn)量的影響有兩面性。深松有利于增產(chǎn)，如疏松土壤、增加土壤孔隙度、提高土壤田間持水量(表2)[10-18]；深松不利于增產(chǎn)，是因?yàn)樯钏珊蟮乇砀叩筒黄?、土壤緊實(shí)度軟硬不勻、將影響播深均勻性，深松產(chǎn)生的土坷拉將不同程度地降低播種質(zhì)量。從長(zhǎng)期看，深松可能導(dǎo)致土壤有機(jī)質(zhì)含量增長(zhǎng)緩慢，細(xì)菌和真菌減少(表3、4)[19]。也有專家認(rèn)為深松會(huì)加大肥料淋浴損失等。本期深松試驗(yàn)開始時(shí)，試驗(yàn)區(qū)已經(jīng)連續(xù)5年免耕、土壤相對(duì)板結(jié)，深松的正面作用大于負(fù)面，取得明顯增產(chǎn)效果。但后續(xù)幾年，土壤已經(jīng)疏松，繼續(xù)深松的正面作用下降，而負(fù)面影響卻不斷積累，導(dǎo)致增產(chǎn)效應(yīng)遞減。年年深松到一定時(shí)間，投入將大于產(chǎn)出。以秋深松為例，年均產(chǎn)小麥8 t/hm2、玉米9 t/hm2，實(shí)施秋深松的第3年，增產(chǎn)幅度降為1.9%，增收小麥152 kg/hm2、玉米171 kg/hm2，合計(jì)577元/hm2, 深松作業(yè)費(fèi)用600元/hm2，投入大于產(chǎn)出。粗略看出，增產(chǎn)幅度降到2%左右即為投入大于產(chǎn)出的臨界點(diǎn)，從表1可見，夏深松第5年、秋深松第3年增產(chǎn)幅度降到臨界點(diǎn)。

4 結(jié)論

(1)目前一年兩熟地區(qū)持續(xù)免耕相比傳統(tǒng)耕作大多數(shù)仍然是增產(chǎn)的。但深松有利于把保護(hù)性耕作保水保土的優(yōu)勢(shì)，更好地轉(zhuǎn)化為產(chǎn)量?jī)?yōu)勢(shì)，因此保護(hù)性耕作免耕體系中引入深松，是一項(xiàng)可行的增產(chǎn)措施。基于深松對(duì)產(chǎn)量影響的兩面性，既有疏松土壤、增加持水量等正面影響，也有降低播種質(zhì)量、減慢土壤有機(jī)質(zhì)積累等負(fù)面影響，深松不是一定增產(chǎn)增收。需要把握好深松的季節(jié)、年限、機(jī)具與作業(yè)時(shí)機(jī)等。

(2)從試驗(yàn)初步結(jié)果看，夏深松產(chǎn)量高于秋深松，保持增產(chǎn)的時(shí)間較長(zhǎng)，作業(yè)費(fèi)用較低。建議大面積推廣應(yīng)用，有利于農(nóng)戶增產(chǎn)增收，但在夏季干旱嚴(yán)重、灌溉條件缺乏的地區(qū)，在玉米青貯、重型收獲機(jī)壓實(shí)嚴(yán)重的地區(qū)等，應(yīng)選擇秋深松。

(3)年年深松存在增產(chǎn)效應(yīng)遞減現(xiàn)象，到一定年限投入將大于產(chǎn)出，多年連續(xù)深松不可取。初步試驗(yàn)看，夏深松5年、秋深松3年左右將出現(xiàn)投入大于產(chǎn)出的拐點(diǎn)。深松應(yīng)該有間隔地合理進(jìn)行，深松周期因地區(qū)、氣候、土壤、作物而不同，建議按區(qū)域開展專項(xiàng)試驗(yàn)。