宮 亮，安景文，邢月華，劉 艷，孫文濤

(遼寧省農業(yè)科學院植物營養(yǎng)與環(huán)境資源研究所，沈陽 110161)

連年深松和施用有機肥對土壤肥力及玉米產量的影響①

宮 亮，安景文，邢月華，劉 艷，孫文濤*

(遼寧省農業(yè)科學院植物營養(yǎng)與環(huán)境資源研究所，沈陽 110161)

通過 8 年的田間定位試驗，研究了不同耕作方法及有機肥用量對春玉米產量和土壤理化性狀的影響。結果表明，連年深松能顯著降低10 ~ 20 cm和20 ~ 30 cm土壤體積質量，施用有機肥30 000 kg/hm2以上能顯著降低10 ~ 20 cm土壤體積質量；深松導致耕層土壤有機質、全氮和全磷含量呈下降趨勢，堿解氮和速效磷略有增加；耕層土壤有機質、全氮、堿解氮和速效磷含量隨有機肥用量的增加而顯著增加，全磷、全鉀和速效鉀含量增加幅度與有機肥用量無關；深松和施用有機肥均能顯著增加玉米產量，施用有機肥的增產效果好于深松，但其增產速率隨有機肥用量增加而降低。連年深松對改善土壤理化性質和提高玉米產量的效果好于隔年深松，且在施用有機肥的條件下效果更好。

耕作；體積質量；有機肥；玉米

玉米具有產量高、適應性強、用途廣泛等特點而被廣泛種植。我國玉米種植面積和總產量在全球位居第二，僅次于美國，其產業(yè)對我國農業(yè)的穩(wěn)定與發(fā)展起著重要的作用[1–2]。北方春玉米種植制度多以連作為主，耕作方式常為小型農機具為主的旋耕滅茬，導致土壤耕層變淺，犁底層增厚上移，有效耕層土壤量減少，土壤結構變差，蓄水保墑能力和生產力下降等問題，嚴重制約了我國玉米產業(yè)的發(fā)展[3–5]。

土壤耕作是農業(yè)生產中的一項重要措施。以不同的外部機械力形式作用于土壤并從本質上改變土壤的物理化學性狀，調節(jié)土壤中水、肥、氣、熱等因子，達到提高作物產量的目的[6–8]。深松是一種適合于旱地作業(yè)的保護性耕作方法，深松深度通常為30 ~ 40 cm，能夠有效打破“犁底層”而不擾亂土壤層次分布，達到調節(jié)土壤三相比、改善耕層土壤結構的目的[9–10]。大量研究結果表明，深松耕作能夠降低耕層土壤體積質量，改善土壤通透性，增加土壤孔隙度和滲透強度，提高接納雨水的能力[11–15]，增加有效耕層土壤量[15–17]，提高土壤溫度[18]，改善玉米根系生長的生態(tài)條件，提高0 ~ 40 cm 土層玉米根系質量和根系表面積[19–20]，促進根系向水平和垂直方向的生長分布，提高玉米生長后期的根系活力和抗逆性[21–22]，并且有利于土壤養(yǎng)分的轉化和利用[23–24]，有效增加玉米產量，提高水分利用效率[17,22]。施用有機肥對保證土壤的可持續(xù)利用具有重要意義。有機肥料主要來源于動植物殘體，含有大量的腐殖質類物質，對儲存和活化土壤養(yǎng)分、改善土壤結構等方面具有重要的作用[25–26]。目前的研究結論一致認為，有機肥對提高土壤有機質含量和土壤有機碳庫儲量有顯著作用[27–30]。同時有助于改善土壤的物理結構，提高大于 0.25 mm土壤水穩(wěn)性團聚體數量和質量[31–33]，降低土壤體積質量，提高土壤含水量[34–36]，調節(jié)土壤 pH，改善作物生長環(huán)境[37–38]，顯著增加土壤全氮和有效氮含量[39–40]，提高土壤速效磷的含量[41–42]，增強土壤鉀的有效性[43–44]，提高作物產量[45]。綜上所述，前人對耕作方法和有機培肥等單項措施對改良土壤理化性狀和增加玉米產量方面做了系統的研究，但在耕作方式與有機培肥的交互作用對土壤理化性狀的影響卻鮮有報道。為此，本文依托棕壤連續(xù)8年的耕作培肥試驗，研究了不同耕作措施與不同有機肥用量對耕層土壤的理化性狀及玉米產量的影響，為科學施用有機肥、減少化肥施用量、構建合理耕層、實現農田的可持續(xù)利用奠定基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗地點位于遼寧省昌圖縣老城鎮(zhèn)(42°46￠33″ N，123°57￠39″ E) ，屬于中溫帶亞濕潤季風大陸性氣候，年均日照時數 2 775.5 h，作物生長期有效日照時數1 748.8 h。多年平均降雨 607.8 mm，年平均氣溫7.0℃，無霜期 148 天。供試土壤為黃土母質發(fā)育的棕壤，耕層深度12 ~ 15 cm，0 ~ 20 cm 土壤的理化性質為pH 6. 1、有機質 18.5 g/kg、全氮 1.23 g/kg、全磷 1.08 g/kg、全鉀 13.8 g/kg、堿解氮 114.0 mg/kg、有效磷 18.2 mg/kg、速效鉀 156.0 mg/kg，土壤體積質量 1.28 g/cm3。試驗區(qū)玉米生育期內(5—9月)年際降雨量和日照時數見圖1。

圖1 試驗區(qū)年際降雨量和日照時數Fig. 1 Interannual variations of precipitation and sunshine duration in tested pilot area

1.2 試驗設計

試驗采用裂區(qū)設計，以耕作處理為主區(qū)，設置旋耕、連年深松和隔年深松 3種耕作方式，分別用T1、T2和T3表示，秋整地，從2007年開始進行。旋耕處理為常規(guī)耕作方式，耕作深度15 cm，滅茬起壟同時進行。連年深松處理在旋耕處理基礎上使用深松犁進行壟溝深松，深度為30 cm，每年進行一次。隔年深松處理內容與連年深松處理相同，隔年進行一次，耕作年份為 2007、2009、2011、2013、2015。每個試驗區(qū)面積600 m2，3次重復。有機培肥處理作為副區(qū)，從2010年開始進行。設置 4 個有機肥用量水平，分別為每公頃施雞糞 0、15 000、30 000和 45 000 kg，分別用 M0、M1、M2和M3表示，試驗區(qū)面積 150 m2。在整地前，將風干腐熟雞糞均勻撒施地表，然后進行耕作處理。雞糞養(yǎng)分含量為：全氮30.35 g/kg、全磷41.48 g/kg、全鉀19.8 g/kg、有機質58.7 g/kg、pH 7.6。各處理化肥施用量相同，分別為 N 210 kg/hm2，P2O590 kg/hm2，K2O 90 kg/hm2。肥料種類為普通尿素(N 46%)，磷酸二銨(N 18%、P2O546%)，氯化鉀(K2O 60%)，全部磷鉀肥料和 50%氮肥在播種時一次性施入，剩余氮肥在玉米拔節(jié)期追施。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 測定項目 玉米收獲后測定0 ~ 20 cm土壤有機質、全量氮磷鉀、速效氮磷鉀，10 ~ 20 cm 和 20 ~ 30 cm 土壤體積質量，從 2007 年開始，隔年測定一次。每年在玉米成熟后測定產量。

1.3.2 測定方法 土壤養(yǎng)分：有機質用重鉻酸鉀–濃硫酸外加熱法測定；堿解氮用水解擴散指示劑溶液吸收法測定；速效鉀用火焰光度法測定；速效磷用鉬銻抗比色法測定；全氮用半微量凱氏全自動凱氏定氮法測定；全鉀用氫氧化鈉熔融火焰光度法測定；全磷用濃硫酸–高氯酸消解，鉬銻抗比色法測定。土壤體積質量：采用環(huán)刀法測定。作物產量：以小區(qū)為單位實收，測定籽粒含水量，按籽粒含水量 16% 來折算出公頃面積玉米產量。

1.4 數據統計

試驗數據用Excel 2007進行作圖，用SPSS19.0軟件作裂區(qū)試驗的統計分析，采用Duncan 法進行多重比較，顯著水平為0.05。

2 結果與分析

2.1 不同處理對土壤體積質量的影響

土壤的物理性狀主要是指土壤體積質量、水分、通氣性、熱特性等，各因素之間互相影響、相互作用，其中，體積質量更為重要。在土壤質地相似的條件下，體積質量大小可反映土壤的松緊度、孔隙度、水分入滲率和持水力。土壤體積質量過大會妨礙根系生長，過小則漏風跑墑。一般作物根系生長適宜的土壤體積質量范圍在1.1 ~ 1.3 g/cm3。各處理10 ~ 20 cm土層土壤體積質量年際間變化趨勢見圖 2。從圖 2 可見，T1M0處理土壤體積質量年際間有波動但無明顯變化趨勢，其他處理土壤體積質量逐年下降，且 T2M2、T2M3 處理土壤體積質量下降幅度顯著大于其他處理。

圖2 10 ~ 20 cm土壤體積質量年際間變化趨勢Fig. 2 Interannual variations of soil bulk densities of surface soils (10–20 cm) under different treatments

對 2015 年玉米收獲后測定的各處理 10 ~ 20 cm土壤體積質量進行方差分析和多重比較，結果見表1。從表 1 可見，耕作、培肥及耕作培肥交互作用均能顯著降低耕層土壤體積質量。主區(qū)間 3種不同耕作方式相比，T2 處理效果顯著好于 T1 處理，T3 處理能夠降低土壤體積質量，但與T1相比差異不顯著，這可能是因為隔年深松周期較長，降雨和土壤自然沉降導致土壤體積質量增加。副區(qū)間 4個有機肥施用量相比，M3效果最顯著，M2 次之，M1 能降低土壤體積質量但與 M0 相比差異不顯著，說明施用有機肥能夠降低土壤體積質量，且在一定范圍內，土壤體積質量隨有機肥用量而降低。比較耕作與培肥交互作用發(fā)現，與T1M0處理相比，T1、T2 和 T3 三種耕作方式配施M1、M2 和 M3 三種用量有機肥，分別能夠降低土壤體積質量1.56% ~ 2.34%、3.13% ~ 7.81% 和 2.34% ~ 3.91%。在 20 ~ 30 cm 土層，無論是否施用有機肥，只有連年深松土壤體積質量降低，但差異未達到顯著水平。說明施用有機肥只能顯著降低 0 ~ 20 cm 土層體積質量。深松受耕作周期、降雨和土壤自然沉降等因素影響，對降低 20 ~ 30 cm 土層體積質量效果不顯著。

表1 2015年土壤體積質量方差分析結果Table 1 Variance analyses of soil bulk densities in 2015

2.2 不同處理對土壤養(yǎng)分積累的影響

各處理 0 ~ 20 cm 土層土壤養(yǎng)分年際間變化趨勢見圖3。從圖 3 可見，T1M0處理耕層土壤養(yǎng)分含量均無明顯變化趨勢。T2M0和T3M0處理土壤有機質、全氮和全磷含量呈下降趨勢，堿解氮和速效磷呈增加趨勢，這可能是因為深松降低了土壤體積質量，增加了土壤孔隙度和含水量，改善了土壤環(huán)境，促進土壤微生物活動，加速了有機質、全氮和全磷的礦化分解；全鉀和速效鉀含量與 T1M0 處理相比無顯著差異。T1、T2 和 T3 三種耕作方式配施M1、M2 和M3 三個不同用量有機肥的處理，耕層土壤養(yǎng)分呈逐年上升趨勢。

對2015年測定的耕層土壤養(yǎng)分含量進行方差分析結果見表 2。從表 2 可見，施用有機肥能顯著改善耕層土壤養(yǎng)分含量，不同耕作措施對耕層土壤堿解氮含量有顯著影響，耕作培肥交互作用對提高耕層土壤全氮和堿解氮具有顯著作用。

對區(qū)間內各因素進行多重比較結果見表 3。從表3 可見，深松能顯著提高耕層土壤堿解氮含量，且連年深松的效果好于隔年深松；耕層土壤有機質、全氮、堿解氮和速效磷含量隨有機肥施用量的增加而顯著增加。M2和M3處理可有效提高土壤全磷含量，但兩者間差異不顯著。M1、M2和M3處理能顯著提高全鉀和速效鉀含量，但兩者增加幅度與有機肥用量無明顯相關性。

2.3 不同處理對玉米產量的影響

各處理年際間產量變化趨勢見圖 4。從圖 4 可見，T1M0 處理產量年際間有波動但無明顯變化趨勢，其他處理產量均呈增加趨勢。各處理產量從大到小依次為：T2M3、T2M2>T3M3、T3M2、T1M3、T1M2>T3M1、T2M1、T1M1，并且T1M3、T2M1、T3M1處理產量在施用有機肥的前 3年增產效果顯著。

圖3 耕層土壤有機質、全量養(yǎng)分和速效養(yǎng)分含量年際變化Fig. 3 Interannual variations of contents of organic matter, total and available nutrients of surface soils (0 – 20 cm) under different treatments

對2015年各處理玉米產量進行方差分析和多重比較結果見表4。從表4可見，耕作、培肥及耕作培肥交互作用均能顯著增加玉米產量。主區(qū)內耕作方式多重比較結果表明，T2處理和T3處理產量均顯著高于T1處理，T2處理增產效果好于T3處理，但兩者間差異不顯著。副區(qū)內不同有機肥施用量多重比較結果說明，施用有機肥能顯著增加玉米產量，增產效果依次為M3>M2>M1。與T1M0相比，T2M0和T3M0分別增產2.38% 和2.08%，T1M1、T1M2和T1M3分別增產4.72%、7.75% 和8.51%；與T2M0相比，T2M1、T2M2和T2M3分別增產2.95%、8.41% 和8.72%；與T3M0相比，T3M1、T3M2和T3M3分別增產3.06%、6.30% 和6.96%。說明施用有機肥的增產效果好于耕作方式，但其增產速率隨有機肥用量增加而降低。

表2 2015 年土壤養(yǎng)分含量方差分析結果Table 2 Variance analyses of soil nutrition content in 2015

表3 區(qū)間多重比較結果Table 3 The results of variance analysis of the plot in 2015

圖4 玉米產量年際變化Fig. 4 Interannual variations of maize yields under different treatments

表4 玉米產量方差分析結果Table 4 The results of variance analysis of maize yield in 2015

3 結論與討論

近年來，深松耕作方式在我國發(fā)展很快，眾多學者對其作用進行了研究認為，深松打破了犁底層，降低了深層土壤體積質量，土壤疏松多孔，有利于蓄水、保墑，為作物根系生長創(chuàng)造了良好環(huán)境[46–47]。但邊少鋒等[48]研究顯示，深松對于0 ~ 50 cm 土層體積質量無顯著影響，卻使整個土層松緊度趨于一致。也有學者研究認為，深松處理0 ~ 20 cm 土層體積質量略高于旋耕處理[4,49]。這可能是因為，目前農業(yè)生產中主要有間隔深松、壟溝深松、中耕深松、壟翻深松、全面深松等不同的深松方式，農機具又分為鑿式犁、翼鏟式犁、鵝掌式犁等，深松雖然能將犁底層破壞，但由于深松方式及深松農機具的不同，可能使體積質量較大的下層土壤有上移，或者深松過程中深松犁對上層土壤有一定的擠壓作用，如果旋耕不能充分打碎這部分土壤，則會導致表層土壤體積質量增大。本試驗采用的是鑿式犁進行壟溝深松，對土層結構擾動較小，同時在耕層施入有機肥，并且進行深松一年后測定土壤體積質量，因此對表層土壤體積質量的降低作用大于深層土壤，這與梁金鳳等[50]研究結果一致。

有機肥富含有多種營養(yǎng)元素，具有巨大的表面積和表面能，不但是有機無機養(yǎng)分的儲備庫，還可以活化土壤中潛在養(yǎng)分[40,51]，同時降低土壤體積質量，增加田間持水量，改善土壤微環(huán)境提升土壤肥力[52–53]。本研究結果也表明，施用有機肥能夠有效降低耕層土壤體積質量，增加土壤養(yǎng)分含量，增加玉米產量，且與深松同時進行，能放大兩者的改土培肥效果。但有機肥用量不足則效果不顯著，用量過大則降低其培肥增產效率。本試驗條件下，施用 30 000 kg/hm2腐熟雞糞具有較好的效果，但未考慮化肥與有機肥的交互作用。在當前化肥過量施用現象普遍、農業(yè)面源污染風險增加的情況下，應考慮利用有機肥代替化肥，降低化肥用量，提高有機肥用量。在不同的耕作制度下，探討有機物料與化肥的合理配比，將是今后研究的方向。

正如前文所述，在現行耕作制度下，耕層結構變差的現象已受到廣泛關注，深松能夠有效打破犁底層也被眾多學者所認可，但筆者認為，由于犁底層上移導致耕層物理結構變壞是長期不合理耕作造成的，通過深松雖可以改善這一情況，卻不可能通過單一的深松耕作方式，通過一年或幾年時間使土壤結構恢復到原來的狀態(tài)。而應該選擇旋耕–深松或免耕–深松等多種耕作方式相結合，對不同層次的土壤結構進行長期修復，同時利用施用有機肥或秸稈還田等措施增加土壤有機質含量，提高耕作方式的改土效果。在本試驗條件下及土壤類型和氣候相近區(qū)域，在旋耕的基礎上采取壟溝深松處理，同時每年施用有機肥 30 000 kg/hm2左右，可顯著改善土壤的物理性質及養(yǎng)分狀況，提高春玉米產量。

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Effects of Continuous Subsoiling and Organic Fertilization on Corn Yield and Soil Fertility

GONG Liang, AN Jingwen, XING Yuehua, LIU Yan, SUN Wentao*
(Institute of Plant Nutrition and Environmental Resources,Liaoning Academy of Agricultural Sciences,Shenyang110161,China)

A 8-year located field plot experiment was conducted to study the influences of different tillage methods and application of organic manure on the yield of spring maize and physical and chemical properties of soil. The results showed that compared with the tillage method of normal plowing, continuous subsoiling decreased the soil bulk density remarkable in 10–20 cm and 20–30 cm soil layer, particularly in 10–20 cm with the application of organic fertilizer more than 30 000 kg/hm2. Continuous subsoiling increased available N and P contents, but reduced soil organic matter, total N and total P contents in the surface soil. The contents of organic matter, Total N, available N and available P increased with the increasing application of organic fertilizer while the increase of total P, total K and available K contents was not affected by the application of organic manure. Organic manure showed better than continuous subsoiling in increasing maize yield, but the yield-increase rate was reduced with the increasing application of organic manure. Continuous subsoiling showed better in improving soil physical and chemical properties and increasing maize yield than biennial subsoiling, particularly with the application of organic fertilizer.

Tillage methods; Bulk; Organic fertilization; Corn

S344；S513.01

10.13758/j.cnki.tr.2016.06.005

國家科技支撐計劃項目(2011BAD16B12、2012BAD09B02、2013BAD05B07)和遼寧省科技攻關項目(2015020049-202)資助。

* 通訊作者(wentaosw@163.com)

宮亮(1981—)，男，遼寧本溪人，碩士，副研究員，主要從事土壤與肥料研究工作。E-mail：gongliang1900@sina.com