劉衛(wèi)玲， 程思賢， 吳健， 李娜， 楊麗， 王紅梅， 趙亞麗， 李潮海

(1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，河南 鄭州 450002；2.杞縣農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，河南 開封 475000；3.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所，河南 安陽 455000)

砂姜黑土面積占河南省耕地面積的1/4，是主要的中低產(chǎn)土壤之一[1-3]。砂姜黑土質(zhì)地黏重，干縮濕脹，易旱易澇，結(jié)構(gòu)性差，養(yǎng)分貧瘠，嚴(yán)重制約作物生長和產(chǎn)量的提高。由于砂姜黑土區(qū)常年采用冬小麥播前旋耕和夏玉米免耕直播的耕作方式，導(dǎo)致土壤耕層變淺、犁底層變厚、通透性變差、土壤養(yǎng)分不均衡等問題，極大地限制了作物產(chǎn)量的提高[4]。因此，研究構(gòu)建砂姜黑土合理耕層并使其持續(xù)保持良好性能，對提升砂姜黑土地力和作物持續(xù)增產(chǎn)具有重要意義。研究表明，合理的耕作方式可以改良土壤物理性狀，改善作物根系生長環(huán)境，更好地滿足作物生長需求，進而提高作物產(chǎn)量[5-6]。深松(耕)可以改善土壤耕層結(jié)構(gòu)，增加土壤含水量，為作物生長發(fā)育提供良好的土壤環(huán)境，增強植株根系從土壤中吸收水分和養(yǎng)分的能力[7-11]，進而增加植株生物量，提高作物產(chǎn)量[12-14]。而深松結(jié)合秸稈還田對土壤的改良效果大于單一深松處理[15]。此外，耕作方式和秸稈還田對土壤呼吸速率也存在顯著影響[16-19]。深松耕處理的土壤呼吸速率顯著高于翻耕、旋耕和免耕處理[16,19-20]。綜上，深松(耕)可以改良土壤耕層特性，增加植株干物質(zhì)積累量，提高作物產(chǎn)量[7-20]。但耕作措施是把“雙刃劍”，長期采用翻耕、免耕、深松耕等任何單一耕作措施均會對土壤生產(chǎn)性能產(chǎn)生不利影響[21]，生產(chǎn)上需多種耕作措施和耕作時期配合應(yīng)用。但是，已有研究多集中在不同深松(耕)方式對土壤改良和作物生長的影響等方面，關(guān)于深松(耕)時期的研究較少，尤其缺乏深松(耕)時期與深松(耕)方式相結(jié)合的研究。而深松(耕)時期與耕作方式對砂姜黑土的改良效應(yīng)和對冬小麥物質(zhì)積累和養(yǎng)分吸收的影響也尚不明確。本研究基于連續(xù)4 a的定點試驗，分析不同深松(耕)時期與深松(耕)方式對砂姜黑土改良、冬小麥物質(zhì)積累和養(yǎng)分吸收的影響，以確定有利于構(gòu)建砂姜黑土合理耕層的土壤耕作制度。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗在河南省駐馬店市西平縣二郎鄉(xiāng)張堯村河南農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗基地 (33°19′48″N,114°01′01″E)進行。該區(qū)地處黃淮海平原南部，年平均氣溫16.0 ℃，無霜期221 d，年平均降雨量852 mm，常年實行冬小麥-夏玉米一年兩熟種植制度。供試土壤為砂姜黑土，土壤的物理機械組成：沙粒占18.60%、粉粒占42.20%、黏粒占39.20%。試驗地耕層土壤有機質(zhì)含量為12.39 g·kg-1，全氮含量為1.18 g·kg-1，有效磷含量為20.12 mg·kg-1，速效鉀含量為94.66 mg·kg-1。

1.2 試驗設(shè)計

試驗設(shè)置5個周年定位處理，即秋季旋耕+夏季免耕(ART+SNT，對照)、秋季深松+夏季免耕(ASS+SNT)、秋季深耕+夏季免耕(ADMP+SNT)、秋季深耕+夏季下位深松(ADMP+SSSS)和秋季深耕+夏季側(cè)位深松(ADMP+SSSL)。所有秋季耕作處理均在每年冬小麥播種前進行，使用1GQNGK-230高箱框架旋耕機進行旋耕處理，耕作深度為10～15 cm；使用中國農(nóng)業(yè)大學(xué)研發(fā)的1S2-460型振動式深松機進行秋季深松處理，耕作深度為30 cm，懸掛液壓翻轉(zhuǎn)犁(河南商丘黃達農(nóng)業(yè)機械有限公司)進行秋季深耕處理，耕作深度均為30 cm。夏季側(cè)位深松和下位深松在夏玉米播種時采用深松播種機(2BMYFZQ-2B牽引式免耕指夾精量施肥播種機)進行，深松深度為30 cm，側(cè)位深松帶位于播種帶橫向距離10 cm處，下位深松帶位于播種帶正下方。所有處理均為當(dāng)季作物秸稈全量還田。夏玉米成熟后，先將秸稈粉碎至5 cm左右的小段，后結(jié)合相應(yīng)的耕作方式混入土壤中進行還田。冬小麥成熟后，將秸稈粉碎至5 cm左右的小段，覆蓋地表還田。試驗進行期間，秋季旋耕+夏季免耕、秋季深松+夏季免耕、秋季深耕+夏季免耕、秋季深耕+夏季下位深松、秋季深耕+夏季側(cè)位深松處理的年均小麥玉米秸稈還田量分別為16 605,19 906,19 625,20 768和22 272 kg·hm-2。

2013年10月冬小麥播種前開始進行定位耕作處理，采用冬小麥-夏玉米一年兩熟種植模式，2014年10月至2016年6月冬小麥季開展調(diào)查與取樣測定。為了更接近農(nóng)田實際情況和方便大型農(nóng)機具進行田間農(nóng)事操作，各處理采用大區(qū)對比設(shè)置，每個處理面積為10.8 m×100 m。試驗供試冬小麥品種均為豫農(nóng)416，播種量為225 kg·hm-2，肥料施用量為N 225 kg·hm-2,P2O590 kg·hm-2,K2O 90 kg·hm-2；夏玉米品種均為豫單606，種植密度為60 000株·hm-2，肥料用量為N 255 kg·hm-2,P2O590 kg·hm-2和K2O 90 kg·hm-2。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 土壤孔隙度 冬小麥播種前，挖取土壤剖面，用直徑5 cm，高5 cm的硬質(zhì)PVC管采集0～15 cm和15～30 cm土層的原狀土。土樣由中國科學(xué)院南京土壤研究所利用工業(yè)顯微CT(Phenix Nanotom S, GE, USA)進行掃描，利用Image J軟件進行圖像處理分析，并計算土壤孔隙度、孔隙體積和孔隙數(shù)量。

1.3.2 土壤含水量 冬小麥拔節(jié)期、開花期、成熟期，用土鉆分別取0～15 cm,15～30 cm,30～40 cm,40～50 cm,50～60 cm土層土樣，裝入鋁盒中稱土樣鮮質(zhì)量，然后110 ℃烘干至質(zhì)量恒定，按照公式計算土壤含水量：土壤含水量/%=(土壤鮮質(zhì)量-土壤干質(zhì)量)/土壤干質(zhì)量×100。

1.3.3 土壤呼吸速率 在冬小麥拔節(jié)期、開花期、成熟期，采用美國LICOR公司生產(chǎn)的LI-8100A土壤呼吸儀定點測定行間土壤呼吸速率。

1.3.4 冬小麥植株干物質(zhì)量的測定 冬小麥拔節(jié)期、開花期、成熟期，每個處理選取3個具有代表性的區(qū)域，每個區(qū)域選擇3個長勢均勻一致的植株，取植株地上部分，105 ℃殺青30 min，之后65 ℃烘干至質(zhì)量恒定，測定植株干物質(zhì)量。

1.3.5 冬小麥植株養(yǎng)分的測定 將備好的冬小麥成熟期植株樣品用H2SO4-H2O2消煮法制備待測液，采用凱氏定氮法測定全氮含量，釩鉬黃比色法測定全磷含量，火焰光度法測定全鉀含量[22]。按照以下公式[23-24]計算：氮 (磷、鉀)養(yǎng)分積累量/(kg·hm-2)=植株地上部干物質(zhì)量×氮(磷、鉀)含量。

1.3.6 冬小麥產(chǎn)量的測定 冬小麥成熟期，每處理收獲2 m×2 m的植株，3次重復(fù)，脫粒，風(fēng)干，計產(chǎn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 深松(耕)時期與方式對砂姜黑土耕層特性的影響

2.1.1 深松(耕)時期與方式對砂姜黑土土壤孔隙的影響 由于秋季冬小麥播前采取的耕作方式是旋耕、深耕和深松，故只分析這3種耕作方式的原狀土CT結(jié)構(gòu)。深松(耕)可以改善土壤孔隙特性，增加土壤孔隙度和孔隙體積，但土壤孔隙數(shù)量減少，表明深松(耕)可以打通土壤小孔隙為大孔隙，進而增加土壤大孔隙數(shù)量，且主要影響15～30 cm土層(表1)。在15～30 cm土層，秋季深松+夏季免耕的土壤孔隙度和孔隙體積分別較秋季旋耕+夏季免耕增加279.5%和279.2%，孔隙數(shù)量降低90.4%；秋季深耕+夏季免耕的土壤孔隙度和孔隙體積分別較秋季旋耕+夏季免耕增加14.5%和15.0%，孔隙數(shù)量降低49.1%。

2.1.2 深松(耕)時期與方式對砂姜黑土含水量的影響 深松(耕)能夠增加0～60 cm 土層土壤含水量(表2)。與秋季旋耕+夏季免耕相比，深松(耕)使冬小麥拔節(jié)期、開花期和成熟期土壤含水量分別增加8.7%,5.9%和6.1%。秋季深松+夏季免耕冬小麥拔節(jié)期、開花期和成熟期土壤含水量比秋季旋耕+夏季免耕分別增加6.9%，3.3%和3.8%。秋季深耕+夏季免耕冬小麥拔節(jié)期、開花期和成熟期土壤含水量比秋季旋耕+夏季免耕分別增加7.9%,3.4%和5.7%。與單一秋季深松(耕)相比，秋季深耕+夏季深松使冬小麥拔節(jié)期、開花期和成熟期土壤含水量分別增加2.5%,4.8%和2.6%。5個處理中，以秋季深耕+夏季側(cè)位深松土壤含水量最高。秋季深耕+夏季側(cè)位深松冬小麥拔節(jié)期、開花期和成熟期土壤含水量比秋季深耕+夏季免耕處理分別增加4.5%,7.3%和4.5%，比秋季旋耕+夏季免耕分別增加12.7%,10.9%和10.5%，且秋季深耕+夏季側(cè)位深松與秋季旋耕+夏季免耕差異顯著，表明秋季深耕+夏季側(cè)位深松處理可以顯著提高土壤含水量。

表1 深松(耕)方式對砂姜黑土土壤孔隙的影響Table 1 Effects of deep subsoiling pattern on soil porosity

表2 深松(耕)時期與方式對砂姜黑土含水量的影響Table 2 Effects of time and pattern of deep tillage on soil water content in lime concretion black soil %

注：同一時期、同一土層不同的小寫字母表示差異達5%顯著水平。下同。

Note: Different lowercase letters indicate significant difference at 5% level at the same growing stage and in the same soil layer. The same as below.

2.1.3 深松(耕)時期與方式對砂姜黑土呼吸速率的影響 2016年冬小麥季平均土壤呼吸速率比2015年低15.2%，但2016年冬小麥拔節(jié)期土壤呼吸速率高于2015年(表3)。深松(耕)能夠顯著提高冬小麥季土壤呼吸速率，且在開花期出現(xiàn)高峰。與秋季旋耕+夏季免耕相比，深松(耕)使冬小麥拔節(jié)期、開花期和成熟期土壤呼吸速率分別提高30.7%,24.0%和33.5%。秋季深松+夏季免耕冬小麥拔節(jié)期、開花期和成熟期土壤呼吸速率比秋季旋耕+夏季免耕處理分別提高30.4%,21.1%和29.6%。秋季深耕+夏季免耕冬小麥拔節(jié)期、開花期和成熟期土壤呼吸速率比秋季旋耕+夏季免耕分別提高30.8%,24.1%和31.5%。與單一秋季深松(耕)相比，秋季深耕+夏季深松使冬小麥拔節(jié)期、開花期和成熟期土壤呼吸速率分別提高0.1%,2.2%和4.6%。5個處理中，以秋季深耕+夏季側(cè)位深松處理土壤呼吸速率最高。秋季深耕+夏季側(cè)位深松冬小麥拔節(jié)期、開花期和成熟期土壤呼吸速率比秋季深耕+夏季免耕分別提高5.4%,3.6%和9.3%，比秋季旋耕+夏季免耕處理分別提高37.8%,28.6%和43.7%，且與秋季旋耕+夏季免耕差異顯著。

表3 深松(耕)時期與方式對砂姜黑土呼吸速率的影響Table 3 Effects of time and pattern of deep tillage on soil respiration rate in lime concretion black soil μmol·m-2·s-1

2.2 深松(耕)時期與方式對砂姜黑土冬小麥植株物質(zhì)積累和養(yǎng)分吸收的影響

2.2.1 深松(耕)時期與方式對砂姜黑土冬小麥植株干物質(zhì)積累的影響 由圖1可知，2016年冬小麥拔節(jié)期、開花期和成熟期干物質(zhì)積累量分別比2015年降低25.8%,15.6%和1.4%。深松(耕)可以增加冬小麥拔節(jié)期、開花期和成熟期干物質(zhì)積累量。與秋季旋耕+夏季免耕相比，深松(耕)使冬小麥拔節(jié)期、開花期和成熟期干物質(zhì)積累量分別增加17.8%,16.7%和24.5%。與秋季旋耕+夏季免耕相比，秋季深松+夏季免耕冬小麥拔節(jié)期、開花期和成熟期干物質(zhì)積累量分別增加12.6%,15.3%和21.7%。秋季深耕+夏季免耕冬小麥拔節(jié)期、開花期和成熟期干物質(zhì)積累量比秋季旋耕+夏季免耕處理分別增加19.7%,16.8%和23.1%。與單一秋季深松(耕)相比，秋季深耕+夏季深松冬小麥拔節(jié)期、開花期和成熟期干物質(zhì)積累量分別增加2.8%,1.2%和3.4%。5個處理中，以秋季深耕+夏季側(cè)位深松處理干物質(zhì)積累量最高。秋季深耕+夏季側(cè)位深松冬小麥拔節(jié)期、開花期和成熟期干物質(zhì)積累量比秋季深耕+夏季免耕分別增加3.9%,1.6%和4.1%。秋季深耕+夏季側(cè)位深松冬小麥拔節(jié)期、開花期和成熟期干物質(zhì)積累量比秋季旋耕+夏季免耕分別增加24.4%,18.6%和28.2%，且與秋季旋耕+夏季免耕差異顯著。

深松(耕)能夠顯著增加冬小麥花后干物質(zhì)積累比例(圖1)。與秋季旋耕+夏季免耕處理相比，深松(耕)使冬小麥花后干物質(zhì)積累比例增加20.6%，且與秋季旋耕+夏季免耕差異顯著。與秋季旋耕+夏季免耕相比，秋季深松+夏季免耕處理的冬小麥花后干物質(zhì)積累比例增加17.6%，秋季深耕+夏季免耕處理增加17.4%。與單一秋季深松(耕)相比，秋季深耕+夏季深松冬小麥花后干物質(zhì)積累比例增加5.2%。其中，秋季深耕+夏季側(cè)位深松冬小麥花后干物質(zhì)積累比例較秋季深耕+夏季免耕增加5.9%，且與秋季深耕+夏季免耕差異顯著。與秋季旋耕+夏季免耕相比，秋季深耕+夏季側(cè)位深松冬小麥花后干物質(zhì)積累比例增加24.3%。

2.2.2 深松(耕)時期與方式對砂姜黑土冬小麥植株氮、磷、鉀吸收的影響 與冬小麥植株干物質(zhì)積累規(guī)律相似，2016年冬小麥植株氮磷鉀積累量較2015年均有所降低(表4)。深松(耕)能夠增加冬小麥成熟期養(yǎng)分積累量。與秋季旋耕+夏季免耕相比，深松(耕)使冬小麥季植株氮磷鉀積累分別增加44.9%，51.0%和52.7%。與秋季旋耕+夏季免耕相比，秋季深松+夏季免耕冬小麥季的植株氮磷鉀積累分別增加33.5%，46.3%和47.1%，且差異顯著。秋季深耕+夏季免耕的冬小麥季植株氮磷鉀積累比秋季旋耕+夏季免耕分別增加44.4%，47.5%和49.5%。與單一秋季深松(耕)相比，秋季深耕+夏季深松處理使冬小麥季的植株氮磷鉀積累分別增加8.7%，5.6%和5.9%。5個處理中，以秋季深耕+夏季側(cè)位深松處理的植株養(yǎng)分積累量最高。秋季深耕+夏季側(cè)位深松的冬小麥季植株氮磷鉀積累比秋季深耕+夏季免耕分別增加12.4%，13.8%和9.6%。秋季深耕+夏季側(cè)位深松處理冬小麥季植株氮磷鉀積累比秋季旋耕+夏季免耕分別增加62.3%，67.8%和63.8%，且差異顯著。

2.3 深松(耕)時期與方式對砂姜黑土冬小麥產(chǎn)量的影響

受氣象因素和病蟲害影響，2016年的冬小麥產(chǎn)量比2015年低8.0%(圖2)。與秋季旋耕+夏季免耕相比，秋季深松(耕)可以使冬小麥產(chǎn)量顯著提高22.0%。秋季深松+夏季免耕處理冬小麥產(chǎn)量比秋季旋耕+夏季免耕增加14.6%，秋季深耕+夏季免耕處理冬小麥產(chǎn)量比秋季旋耕+夏季免耕增加21.2%。與單一秋季深松(耕)相比，秋季深耕+夏季深松冬小麥產(chǎn)量增加7.0%。5個處理中，以秋季深耕+夏季側(cè)位深松的冬小麥產(chǎn)量最高。秋季深耕+夏季側(cè)位深松的冬小麥產(chǎn)量比秋季深耕+夏季免耕增加5.5%，比秋季旋耕+夏季免耕增加27.8%。

圖1 深松(耕)時期與方式對砂姜黑土冬小麥干物質(zhì)積累量的影響

表4 深松(耕)時期與方式對砂姜黑土冬小麥植株養(yǎng)分積累量的影響Table 4 Effects of time and pattern of deep tillage on plant nutrient accumulation of winter wheat in lime concretion black soilkg·hm-2

圖2 深松(耕)時期與方式對砂姜黑土冬小麥產(chǎn)量的影響Fig.2 Effects of time and pattern of deep tillage on yield of winter wheat in lime concretion black soil

3 結(jié)論與討論

2016年各處理的土壤呼吸速率、植株干物質(zhì)積累量和氮、磷、鉀吸收量、產(chǎn)量均低于2015年，造成土壤改良效果與作物生長發(fā)育不一致。2016年冬小麥產(chǎn)量和各測定指標(biāo)值降低的主要原因有3點：一是2015年冬小麥播種前遭遇連續(xù)降雨，冬小麥播種推遲，導(dǎo)致冬小麥地上和地下生長發(fā)育延遲；二是2016年1月份遭遇低溫冷害，冬小麥生長發(fā)育緩慢，且導(dǎo)致單位面積有效穗數(shù)下降；三是2016年冬小麥生長發(fā)育后期赤霉病發(fā)病嚴(yán)重，導(dǎo)致產(chǎn)量降低。雖然2016年各測定指標(biāo)值低于2015年，年份間存在差異，但2個年份各深松(耕)處理的差異規(guī)律基本一致。

本研究結(jié)果表明，深松(耕)能夠改良土壤耕層特性，增加土壤含水量、土壤孔隙和土壤呼吸速率，這與已有研究結(jié)果相似[15,25-32]。深松(耕)可以改善土壤孔隙特性，增加土壤孔隙度、孔隙體積和大孔隙數(shù)量。甘磊等[26]研究同樣表明，耕作措施不僅可以改變土壤原有的界面特征，也改變了土壤孔隙特征。翻耕破壞土層結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致土壤大孔隙數(shù)量減少，而中小孔隙的數(shù)量增加[27-28]。秋季深耕孔隙數(shù)量顯著高于秋季深松，但土壤孔隙度顯著低于深松，這表明孔隙數(shù)量和孔隙度變化趨勢有時可能不完全一致?？赡苁且驗榍锛旧钏商岣吡丝紫兜穆?lián)通性，但深耕處理增加中小孔隙數(shù)量，且中等孔隙適合根系生長，小孔隙能保持土壤水分和養(yǎng)分運行[29-30]。

但是，單季深松(耕)存在一定的弊端，如夏季干旱時進行深松，耕層的土壤保水能力會減弱[33]。而冬小麥和夏玉米播前均進行深松，不僅可以提高土壤孔隙度，作物的單季和周年產(chǎn)量也顯著高于單一秋季深松(耕)[34]。在本試驗中，秋季深耕+夏季深松處理的土壤含水量和土壤呼吸速率比單一秋季深松(耕)分別增加3.3%和2.2%。由于該試驗區(qū)夏季降雨量大且集中，夏季深松不僅可以有效疏松土壤，還可以增強土壤蓄水保墑能力。在5個試驗處理中，秋季深耕+夏季側(cè)位深松對土壤的改良效果最好。秋季深耕+夏季側(cè)位深松處理的土壤含水量和土壤呼吸速率比秋季旋耕+夏季免耕分別增加35.4%和57.7%。故秋季深耕+夏季側(cè)位深松對耕層土壤結(jié)構(gòu)的改良效果最好。

深松(耕)可以改善耕層土壤結(jié)構(gòu)和功能，創(chuàng)造有利于作物根系生長的土壤環(huán)境，進而促進作物植株生長[13,35-37]，增加植株氮磷鉀的吸收[25,38]。本研究結(jié)果同樣表明，深松(耕)能夠顯著增加植株干物質(zhì)積累量和養(yǎng)分積累量，提高作物產(chǎn)量。5個處理中，以秋季深耕+夏季側(cè)位深松處理的冬小麥植株干物質(zhì)積累量、養(yǎng)分積累量和產(chǎn)量最高。與秋季旋耕+夏季免耕處理相比，秋季深耕+夏季側(cè)位深松處理的冬小麥植株干物質(zhì)積累量、植株氮磷鉀積累和產(chǎn)量分別增加28.2%，62.3%，67.8%和63.8%，產(chǎn)量增加27.8%。此外，在秋季深耕的基礎(chǔ)上進行夏季側(cè)位深松，由于深松帶位于玉米播種帶橫向距離10 cm處，不僅可以疏松播種帶的土壤，提高玉米播種質(zhì)量，而且深松的同時深施肥還可以提高肥料的利用效率。

綜上所述，秋季深松(耕)對土壤耕層改良、冬小麥物質(zhì)積累和養(yǎng)分吸收的效果優(yōu)于秋季旋耕，且秋季深耕的綜合效應(yīng)大于秋季深松。而秋季深耕+夏季深松對土壤耕層改良的效果優(yōu)于單一秋季深松(耕)，其冬小麥物質(zhì)積累、養(yǎng)分吸收和產(chǎn)量均高于秋季深松(耕)+夏季免耕。5個處理中，以秋季深耕+夏季側(cè)位深松對土壤耕層的改良效果最好，植株干物質(zhì)積累量、養(yǎng)分積累量和產(chǎn)量最高，是砂姜黑土區(qū)適宜的土壤耕作制度。