王樹林 祁 虹 王 燕 張 謙 馮國藝 林永增

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耕層重構(gòu)對連作棉田土壤理化性狀及棉花生長發(fā)育的影響

王樹林 祁 虹 王 燕 張 謙 馮國藝 林永增*

河北省農(nóng)林科學(xué)院棉花研究所 / 農(nóng)業(yè)部黃淮海半干旱區(qū)棉花生物學(xué)與遺傳育種重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 河北石家莊 050051

針對黃河流域連作棉田常年旋耕導(dǎo)致犁底層變厚變硬, 土壤蓄水保墑能力下降, 養(yǎng)分在表層富集, 病害加重等問題, 探討土壤耕層重構(gòu)技術(shù)在黃河流域棉區(qū)生產(chǎn)上的可行性。試驗(yàn)于2014和2015年在河北省農(nóng)林科學(xué)院棉花研究所威縣試驗(yàn)站進(jìn)行, 在連作棉花20年的土壤條件下采用隨機(jī)區(qū)組試驗(yàn), 設(shè)置了T1 (0~15 cm與15~30 cm土壤互換)、T2 (0~20 cm與20~40 cm土壤互換, 同時(shí)松動40~55 cm土壤)、T3 (0~20 cm與20~40 cm土壤互換, 同時(shí)松動40~70 cm土壤)、CK (旋耕15 cm) 4個(gè)處理, 調(diào)查土壤理化性狀、棉花生育性狀、田間雜草與病衰指數(shù)等指標(biāo)。結(jié)果表明, 在20~40 cm土層T2處理容重兩年較CK分別降低0.13 g cm–3與0.15 g cm–3; 20~40 cm土層全氮、速效磷、速效鉀含量T2與T3顯著高于T1與CK; 灌水(雨)后深層土壤蓄水量增加, 播種后40~60 cm與60~80 cm土層蓄水量T2較CK 2014年增加3.5 mm、5.5 mm, 2015年增加6.7 mm、3.4 mm, 在蕾期干旱時(shí)0~20 cm與20~40 cm土層蓄水量T2較CK 2014年高6.6 mm、8.7 mm, 2015年高4.2 mm、9.2 mm。耕層重構(gòu)后棉花根系量顯著增加, 地上部干物質(zhì)積累表現(xiàn)出開花期前低、開花期后高的趨勢; 耕層重構(gòu)處理單株鈴數(shù)、單鈴重、皮棉產(chǎn)量較對照顯著提高, T2皮棉產(chǎn)量兩年較CK分別增加6.1%、10.2%。耕層重構(gòu)對滅除田間雜草具有明顯效果, T2處理病衰指數(shù)兩年分別降低41.7與31.9個(gè)百分點(diǎn)。適宜的土壤耕層重構(gòu)方式(T2)是解決連作棉田問題、提高棉花產(chǎn)量的有效措施。

耕層重構(gòu); 土壤理化性狀; 棉花發(fā)育; 病衰指數(shù)

棉花是河北省主要經(jīng)濟(jì)作物之一, 主要分布在河北省中南部干旱半干旱地區(qū), 種植方式以多年連作為主, 常年連作導(dǎo)致棉花生產(chǎn)出現(xiàn)諸多問題, 一是土壤中枯萎病、黃萎病等致病菌數(shù)量積累引起的棉花早衰、減產(chǎn)[1-2], 二是傳統(tǒng)的旋耕方式導(dǎo)致犁底層變淺, 土壤通透性降低, 影響棉花根系下扎, 同時(shí)土壤蓄水、供水能力下降[3-5], 三是土壤養(yǎng)分主要集中在上部耕層, 垂直分布不均衡, 且田間雜草危害嚴(yán)重[6-8]。目前生產(chǎn)上的土壤耕作方式有旋耕、深翻、深松等, 關(guān)于不同耕作方式對土壤水分、理化性狀、作物生長的影響, 前人做了大量研究。深翻降低土壤容重[9], 有利于蓄積休閑期降水, 改善底墑, 增加土壤含水量, 促進(jìn)作物向深層吸收土壤水分[10-11], 棉田深翻能有效降低棉花黃萎病的發(fā)生和危害[12]; 深松打破犁底層促進(jìn)根系下扎, 使深層土壤根系比例增加[13], 深層根系雖少, 但越到后期深層根系對作物光合生理、地上部營養(yǎng)生長和產(chǎn)量形成越重要[14]; 鄭成巖等[15]研究認(rèn)為, 深松+條旋耕有利于小麥對深層土壤水分的利用, 并減少了土壤水分向大氣中的耗散, 降低農(nóng)田耗水量, 有利于開花后干物質(zhì)和光合產(chǎn)物向籽粒的分配。但傳統(tǒng)深翻與深松深度大多涉及25~35 cm土層, 在解決連作棉田導(dǎo)致的上述問題時(shí), 均存有不足之處, 如對棉花病害與草害、土壤養(yǎng)分垂直分布的影響并不明顯, 為此, 我們提出了一種新的土壤耕作方式──土壤耕層重構(gòu), 即將0~20 cm耕層與20~40 cm耕層土壤互換, 同時(shí)松動40 cm以下耕層, 試圖通過土壤耕層的重新構(gòu)筑, 解決連作棉田生產(chǎn)中存在的諸多弊病。土壤耕層重構(gòu)與傳統(tǒng)深翻相似, 但又存在明顯差別, 與深翻相比, 土壤耕層重構(gòu)是將20~40 cm土壤完全覆蓋在0~20 cm土層之上, 而深翻難以對上下土層進(jìn)行完全的互換, 同時(shí)土壤耕層重構(gòu)技術(shù)可以將40 cm以下的土層松動, 最深可達(dá)70 cm。本研究設(shè)置了不同深度耕層重構(gòu)處理, 分析了耕層重構(gòu)對土壤蓄水能力、土壤容重、棉花根系及地上部生長發(fā)育的影響, 以期為解決連作棉田病害嚴(yán)重、土壤蓄水供水能力下降、棉花產(chǎn)量下降等問題提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)時(shí)間與地點(diǎn)

于2014年和2015年在河北省農(nóng)林科學(xué)院棉花研究所威縣試驗(yàn)站(河北省邢臺市威縣棗園鄉(xiāng)東張莊村)進(jìn)行試驗(yàn)。所用試驗(yàn)地土壤均為沙壤土, 0~20 cm土層基礎(chǔ)養(yǎng)分含量2014年為有機(jī)質(zhì)9.4 g kg–1, 全氮0.655 g kg–1, 速效磷21.6 mg kg–1, 速效鉀163 mg kg–1, 2015年為有機(jī)質(zhì)7.6 g kg–1, 全氮0.504 g kg–1, 速效磷18.5 mg kg–1, 速效鉀115 mg kg–1, 兩年均采用棉花品種冀雜2號。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì), 以常規(guī)旋耕為對照(CK), 旋耕深度15 cm, 設(shè)置3個(gè)處理, T1是將0~15 cm土壤與15~30 cm土壤互換; T2是將0~20 cm土壤與20~40 cm土壤互換, 同時(shí)松動40~55 cm土層, T3是將0~20 cm土壤與20~40 cm土壤互換, 同時(shí)松動40~70 cm土層。具體做法(以T2為例)是用鐵鍬先將0~20 cm土壤移至一處, 再將20~40 cm土壤移至另一處, 用鐵鍬鏟松40~55 cm土壤, 先回填0~20 cm土壤, 再回填20~40 cm土壤。3次重復(fù), 共12個(gè)小區(qū), 小區(qū)寬5.6 m, 長6.0 m, 面積33.6 m2。

兩年試驗(yàn)均于4月10日進(jìn)行不同耕層重構(gòu)處理, 4月16日施肥, 將肥爾得復(fù)合肥(N∶P2O5∶K2O為15∶13∶17)按公頃750 kg撒施于地表后灌水, 灌水量為1200 m3hm–2, 4月24日旋耕對照小區(qū), 對所有小區(qū)耙耱后統(tǒng)一播種, 塑料地膜覆蓋, 地膜寬90 cm, 厚度為0.006 mm, 由播種機(jī)一次完成播種、覆膜、壓土工序, 大小行種植, 大行距95 cm, 小行距45 cm, 株距25 cm, 每小區(qū)種8行; 2014年7月16日灌水1次, 灌水量600 m3hm–2, 2015年灌水2次, 分別為7月2日與8月1日, 灌水量600 m3hm–2, 兩年棉花生育期內(nèi)降雨量見表1, 其他管理措施同大田。

表1 棉花生育期內(nèi)降雨量及其分布

1.3 測定項(xiàng)目與方法

1.3.1 土壤蓄水量與耗水量 于4月28日(播種后)、5月13日(苗期)、6月13日(蕾期)、7月13日(初花期)、8月13日(花鈴期)與10月23日(收獲期)按0~20 cm、20~40 cm、40~60 cm、60~80 cm測定土壤含水量, 按S取樣法每小區(qū)取5個(gè)點(diǎn), 用土鉆取土后混勻立即將樣品放入鋁盒, 110℃烘干至恒重, 計(jì)算土壤含水量[16]。

按文獻(xiàn)[17], SWS=×××10/100, 式中SWS為第土層土壤蓄水量(mm),為第土層土壤含水量(%),為第土層土壤容重(g cm–3),為第土層厚度; 由于土壤容重在一個(gè)生長季內(nèi)變化較小, 因此計(jì)算不同生育階段土壤蓄水量時(shí)均以7月15日測定容重為準(zhǔn)。

生育階段耗水量=階段初土壤蓄水量+降雨量+灌溉量–階段末土壤蓄水量(本試驗(yàn)中計(jì)算0~80 cm土層總耗水量, 包括地表蒸發(fā)、植株蒸騰、水分下滲, 由于試驗(yàn)期間未發(fā)強(qiáng)降雨, 因此水分下滲所占比例小, 文中以地表蒸發(fā)與植株蒸騰為主進(jìn)行分析)。

1.3.2 土壤容重測定 于7月15日(初花期)用環(huán)刀法測定0~80 cm土壤容重, 每20 cm一層, 從每個(gè)小區(qū)隨機(jī)取3個(gè)點(diǎn)計(jì)算平均數(shù)。

1.3.3 土壤養(yǎng)分含量 于播種后取樣測定0~20 cm、20~40 cm、40~60 cm、60~80 cm土層全氮、速效磷、速效鉀含量, 從每小區(qū)取5個(gè)點(diǎn), 混合均勻后風(fēng)干, 用濃硫酸消煮-凱氏定氮法測全氮, 用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法測速效磷, 用醋酸銨浸提-火焰光度計(jì)法測速效鉀[18]。

1.3.4 棉花根系性狀 于10月13日(收獲期)利用挖根法, 從每小區(qū)取3株, 以棉株為中心, 挖取寬40 cm (垂直行向), 長25 cm (沿行向), 深0~20 cm、20~40 cm、40~60 cm三層土壤, 分次裝于60目篩網(wǎng), 用水將根沖洗干凈后用GXY-A根系分析系統(tǒng)掃描, 以*.tif文件格式存儲在計(jì)算機(jī)中, 使用WinRHIZO version5.0分析圖形; 然后在85℃下烘干、稱重。

1.3.5 棉花地上部干物重 5月25日(苗期)、6月13日(蕾期)從每小區(qū)取5株棉花整株烘干, 7月13日(初花期)、8月13日(花鈴期)、9月10日(收獲期)從每小區(qū)取3株, 將莖葉、蕾鈴分開后于105℃殺青30 min后于85℃烘干至恒重測定干物質(zhì)重。

1.3.6 棉花病衰指數(shù)(Disease and Presenility Index)

9月10日第一次收獲前從每小區(qū)選擇長勢一致的50株棉花調(diào)查病衰指數(shù), 病衰指數(shù)合并棉花葉片黃萎病發(fā)病程度及早衰程度分為5級[19-20], 其中0級為整株葉片沒有發(fā)病及衰老變黃癥狀, 1級為整株25%以下葉片出現(xiàn)黃萎病及衰老變黃癥狀, 2級為整株25%~50%葉片出現(xiàn)黃萎病及衰老變黃癥狀, 3級為整株50%~75%葉片出現(xiàn)黃萎病及衰老變黃癥狀, 4級為整株75%以上葉片出現(xiàn)黃萎病及衰老變黃癥狀(包括整株死亡), 棉花病衰指數(shù)=(1×1級株數(shù)+2×2級株數(shù)+3×3級株數(shù)+4×4級株數(shù))/(4×調(diào)查總株數(shù))×100

1.3.7 田間雜草 分別于5月13日(苗期)、7月13日(初花期)、10月23日(收獲期)從每小區(qū)取寬2.8 m、長1.0 m的區(qū)域, 收取全部雜草, 于105℃殺青30 min, 85℃烘干至恒重。每次取樣后將小區(qū)雜草全部人工鋤掉。

1.3.8 棉花生育性狀及產(chǎn)量 9月10日從每小區(qū)選取長勢一致的棉花20株調(diào)查成鈴數(shù), 吐絮后分次收取全部吐絮鈴, 測定單鈴重與衣分, 收獲全部小區(qū)計(jì)產(chǎn)。

用Microsoft Excel 2003和DPS 7.05數(shù)據(jù)處理統(tǒng)計(jì)軟件分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 耕層重構(gòu)對土壤理化性質(zhì)的影響

2.1.1 土壤容重 從表2可以看出, 耕層重構(gòu)后顯著降低了不同土層土壤容重, 兩年結(jié)果趨勢基本一致。對照20~40 cm土層容重最大, 為受犁底層影響所致[21], 耕層重構(gòu)后對于20~40 cm土層降低幅度最大, 表明其打破犁底層的效果明顯; 3個(gè)重構(gòu)處理中以T1上下層容重分布最為均衡, T2在40~60 cm處, T3在40~60 cm、60~80 cm處土壤容重明顯降低, 這是由于T2擾動了50 cm土層, 而T3擾動了70 cm土層所致。

表2 耕層重構(gòu)處理不同土層土壤容重

同列不同小寫字母表示0.05水平差異顯著。

Values followed by different small letters within a column are significantly different at the 0.05 probability level.

2.1.2 棉花不同生育階段土壤蓄水量與耗水量

播種后測定不同土層蓄水量顯示, 兩年均為0~80 cm土層總蓄水量差異不大(表3), 但耕層重構(gòu)增加了下層土壤的蓄水量, 2014年T2、T3在40~60 cm土層與60~80 cm土層較對照分別增加3.5、5.5、2.9和7.0 mm, 2015年則分別是6.7、3.4、5.9和3.5 mm, 而長期旋耕形成的犁底層阻礙了水分的下滲, 使播前所灌底墑水主要集中在0~20 cm與20~40 cm土層(圖1)。

苗期土壤蓄水量較播種后略有下降, 其中對照下降幅度大于耕層重構(gòu)各處理(表3)。0~20 cm土層蓄水量CK下降幅度最大, 蓄水量低于其他3個(gè)處理(2014年CK與T1相差不大), 20~40 cm土層兩年趨勢相同, 均是T1最高, 其他3個(gè)處理差異不顯著; 40~60 cm與60~80 cm土層蓄水量與播種后相比下降幅度不大(圖2)。說明苗期土壤水分消耗以上層為主, 這一時(shí)期棉苗自身蒸騰消耗很小, 地表蒸發(fā)占主導(dǎo)地位, 而對照水分多蓄集在表層(表4); 2015年耗水量明顯大于2014年, 是由于2015年苗期降水量偏大, 但降水多通過土壤表面蒸發(fā)而損失掉。

蕾期土壤蓄水量大幅下降, CK蓄水量最低, T3處理蓄水量最高, 且兩年差異均達(dá)顯著水平。2014年蓄水量T3與T2差異不顯著, 2015年T3顯著高于T2 (表3); 對照0~20 cm與20~40 cm土層蓄水量低于耕層重構(gòu)各處理是導(dǎo)致其0~80 cm土層蓄水量低的主要原因, 40~60 cm與60~80 cm土層蓄水量各處理間差異不大(圖3)。

苗期至蕾期土壤水分損耗加劇, 總耗水量表現(xiàn)為CK>T1>T2>T3 (表4), 主要是隨著溫度不斷升高與日照強(qiáng)度增加, 地表蒸發(fā)持續(xù)上升, 另一方面棉花根系迅速生長, 對土壤水分的吸收也不斷增加, 因此從不同土層水分損耗所占比例來看, 仍以0~20 cm與20~40 cm為主, 40~60 cm土層水分損耗增加, 60~80 cm損耗較少。

初花期土壤蓄水量進(jìn)一步下降, 但不同處理蓄水量隨耕層擾動深度增加有增加的趨勢(表3)。2014年T2與T3間差異不大, 但顯著高于T1與CK, 2015年T3蓄水量最高, T1與T2間差異不顯著, 但均顯著高于CK; 從不同土層蓄水量來看, 2014年0~20 cm與20~40 cm土層T2與T3蓄水量顯著高于對照, 2015年T1、T2、T3處理4個(gè)土層蓄水量均顯著高于對照(圖4); 這一結(jié)果表明當(dāng)遭遇初花期干旱時(shí), 耕層重構(gòu)處理仍能使土壤保持較高的蓄水量, 從而提高棉花的抗旱能力。此期耕層重構(gòu)處理耗水量2014年顯著高于CK, 2015年各處理間差異不顯著(表4), 而在苗期、蕾期對照耗水量均高于耕層重構(gòu)處理, 這一耗水規(guī)律表明, 進(jìn)入蕾期以后, 由于棉田逐漸封壟, 地表蒸發(fā)迅速降低, 棉株蒸騰成為土壤水分損耗的主體, 耕層重構(gòu)處理棉花耗水量的增加證明其植株蒸騰作用的增強(qiáng), 這是其土壤水分供應(yīng)充足, 促使棉花生長加快所引起的。

盛鈴期土壤蓄水量差異不顯著, 但不同土層蓄水量分布差異顯著。2014年盛鈴期較干旱, 0~20 cm土層蓄水量耕層重構(gòu)處理顯著高于對照, 且T3>T2>T1, 20~40 cm土層蓄水量T3與T2顯著高于T1與CK, 但40 cm以下土層蓄水量相反, 耕層重構(gòu)處理低于對照(圖5); 從土壤耗水量來看, 耕層重構(gòu)處理顯著高于對照(T1除外), 表明在干旱條件下, 耕層重構(gòu)處理深層土壤水分上移, 能夠被棉花充分利用。2015年盛鈴期灌水1次, 隨后發(fā)生2次大的降雨, 屬多水年份, 從不同土層蓄水量來看, 規(guī)律性與播種后相似, 即耕層重構(gòu)處理水分下滲, 多蓄積在下層, 而對照由于犁底層的存在, 水分多蓄積在上層土壤中。

兩年結(jié)果表明, 耕層重構(gòu)處理具有較強(qiáng)的土壤水分調(diào)節(jié)作用, 在干旱年份可調(diào)動土壤深層水分供棉花生長利用, 多雨年份可將水分蓄積在土壤下層。此期耗水量耕層重構(gòu)處理高于對照(表4), 表明在以蒸騰為主的土壤水分損耗中, 耕層重構(gòu)處理棉花能夠吸收更多的土壤水分用于生長發(fā)育。

收獲期土壤蓄水量耕層重構(gòu)處理高于對照, 2014年T2與T3顯著高于CK與T1, 2015年T3最高, T2與T1差異不顯著, 但顯著高于對照(表3); 從不同土層蓄水量來看, 對照有低于耕層重構(gòu)處理的趨勢(圖6)。此期階段耗水量表現(xiàn)為對照最高, 2014年T2與T3耗水量明顯偏低, 2015年3個(gè)耕層重構(gòu)處理間差異不大, 但均顯著低于對照(圖6), 表明隨著進(jìn)入收獲期棉花葉片脫落, 地表蒸發(fā)又成為土壤水分損耗的主體, 因此對照土壤耗水量超過土壤耕層重構(gòu)處理。

從整個(gè)生育期土壤耗水量來看, 2014年T1、T2、T3較CK降低3.3、11.4和7.9 mm, CK與T1差異不顯著, 但顯著高于T2與T3; 2015年則分別降低20.0、22.2和27.0 mm, CK顯著高于T1、T2與T3 (表4)。

2.1.3 土壤養(yǎng)分垂直分布 表5表明兩年結(jié)果趨勢基本一致。對照的土壤全氮、速效磷、速效鉀主要集中在0~20 cm土層, 隨著土層深度增加, 土壤養(yǎng)分含量迅速下降; 耕層重構(gòu)3個(gè)處理0~20 cm土層養(yǎng)分含量均低于對照, 且差異達(dá)顯著水平, 但20~40 cm土層養(yǎng)分含量則高于對照, 其中T2與T3處理的全氮、速效磷、速效鉀含量均顯著高于對照, 40 cm以下土層全氮差異不大, 而速效磷與速效鉀含量在40 cm以下土層較對照仍有不同程度增加。根據(jù)以上結(jié)果可知, T2與T3處理提高了下層土壤的養(yǎng)分含量, 使養(yǎng)分在土層中的垂直分布更加均衡。

2.2 耕層重構(gòu)對棉花生長發(fā)育的影響

2.2.1 棉花根系生長分布 耕層重構(gòu)對不同土層棉花根系生長均具有明顯的促進(jìn)作用, 兩年結(jié)果趨勢一致。2014年根系長度T1、T2、T3分別比對照增加14.3%、19.3%和26.4%, 2015年則分別增加11.0%、26.4%和43.3%, 耕層重構(gòu)對20~40 cm與40~60 cm土層根系生長量增加尤為顯著, 根長、根干重、表面積與體積都較對照有大幅度提高, 并且0~20 cm土層根系各項(xiàng)指標(biāo)也較對照顯著增加。由此可見, 耕層重構(gòu)后明顯促進(jìn)了棉花根系的下扎, 不僅使下層土壤中根系生長量有了大幅度的提高, 對上層土層根系生長也有明顯的促進(jìn)作用, 這有助于棉花吸收利用下層土壤中的水分, 提高其抗旱能力。

表3 耕層重構(gòu)處理棉花不同生育階段0~80 cm土層蓄水量

同列不同小寫字母表示0.05水平差異顯著。

Values followed by different small letters within a column are significantly different at the 0.05 probability level.

表4 耕層重構(gòu)處理棉花不同生育階段耗水量

同列不同小寫字母表示0.05水平差異顯著。

Values followed by different small letters within a column are significantly different at the 0.05 probability level.

表5 耕層重構(gòu)處理不同土層土壤養(yǎng)分含量

同列不同小寫字母表示0.05水平差異顯著。

Values followed by different small letters within a column are significantly different at the 0.05 probability level.

2.2.2 棉花地上部干物質(zhì)積累 在整個(gè)生育期中, 耕層重構(gòu)處理棉花干物質(zhì)積累與對照相比, 表現(xiàn)出前期低、后期高的特點(diǎn)。苗期干物質(zhì)積累對照顯著高于3個(gè)耕層重構(gòu)處理, 其中T1又顯著高于T2與T3, 蕾期CK仍顯著高于其他3個(gè)處理, 但T1、T2與T3之間差異不顯著, 初花期CK與各耕層重構(gòu)處理之間差異均不顯著, 盛鈴期T2與T3顯著高于CK與T1, 吐絮期2014年T1、T2、T3干物質(zhì)積累較CK分別增加10.6%、24.1%和30.0%, 2015年則分別增加16.8%、25.8%和42.9%, 且差異達(dá)到顯著水平; 2014年花鈴期屬干旱年份, T2與T3長勢均較穩(wěn)健, 干物質(zhì)積累相差不大, 2015年由于花鈴期灌水一次, 加上出現(xiàn)2次大的降雨, 導(dǎo)致T3棉花生長偏旺, 莖葉干物質(zhì)積累顯著高于其他處理。這一結(jié)果表明土壤耕層經(jīng)重構(gòu)后, 對棉花前期生長不利, 但具有明顯的后發(fā)優(yōu)勢。

2.2.3 棉花產(chǎn)量構(gòu)成 耕層重構(gòu)對棉花單株鈴數(shù)、單鈴重與皮棉產(chǎn)量都有顯著的提高作用。2014年耕層重構(gòu)3個(gè)處理單株鈴數(shù)顯著高于對照, 單鈴重T2與T3顯著高于CK與T1, 但衣分耕層重構(gòu)處理顯著低于對照, 最終皮棉產(chǎn)量T1、T2、T3分別較CK增加2.3%、6.1%、8.0%; 2015年單株鈴數(shù)以T2最高, 且顯著高于其他處理, 單鈴重3個(gè)耕層重構(gòu)處理間差異不顯著, 但顯著高于CK, 衣分差異不大,皮棉產(chǎn)量T1、T2、T3較CK分別增加6.4%、10.2%和5.1%, 由以上結(jié)果可知, 耕層重構(gòu)通過增加單株鈴數(shù)與單鈴重而提高棉花產(chǎn)量, 2014年干旱較重, T3蓄水保墑效果得以充分發(fā)揮, 是棉花產(chǎn)量高的主要原因, 但干旱也導(dǎo)致對照衣分偏高[22], 2015年花鈴期受灌水與降雨影響, T3處理土壤水分偏高, 導(dǎo)致棉花旺長, 使其產(chǎn)量低于T2處理, 而充足的土壤水分也使不同處理間衣分差異不大。

表6 耕層重構(gòu)處理不同土層棉花根系性狀

同列不同小寫字母表示0.05水平差異顯著。

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表7 耕層重構(gòu)處理棉花地上部干物質(zhì)積累

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表8 耕層重構(gòu)處理棉花產(chǎn)量與產(chǎn)量構(gòu)成

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2.3 耕層重構(gòu)對棉田雜草及病害早衰的影響

田間試驗(yàn)表明, 耕層重構(gòu)滅除田間雜草效果明顯, 基本徹底滅除。T1、T2、T3對雜草的控制效果相差不大, 除CK外, 耕層重構(gòu)各小區(qū)雜草量很少, 可能為田間操作過程中從小區(qū)外帶入的雜草種子萌發(fā)形成。

表9 耕層重構(gòu)處理不同生育期棉田雜草量

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耕層重構(gòu)后顯著降低了棉花的病衰指數(shù), 2014年CK病衰指數(shù)達(dá)到76.3%, 顯著高于3個(gè)耕層重構(gòu)處理, 其中T1又顯著高于T2與T3, T2與T3病衰指數(shù)分別為34.6%與36.3%, 之間差異不顯著; 2015年棉花病衰指數(shù)總體低于2014年, 但變化規(guī)律一致。耕層重構(gòu)處理棉花后期表現(xiàn)出病葉少、早衰輕的特征, 有效解決了連作棉田病害嚴(yán)重、后期早衰的問題。

3 討論

良好的農(nóng)田耕層結(jié)構(gòu)可以協(xié)調(diào)土壤的水分和養(yǎng)分狀況, 為作物高產(chǎn)奠定良好的土壤基礎(chǔ), 而適宜的耕作措施可以建立良好的農(nóng)田耕層結(jié)構(gòu), 改善土壤結(jié)構(gòu)狀況, 為作物的健壯生長提供適宜的土壤生態(tài)環(huán)境, 有利于作物的生長發(fā)育和產(chǎn)量形成[23-25]。土壤耕層重構(gòu)概念(特指T2, 下同)的提出, 為長期連作棉田中出現(xiàn)的諸多弊病提供了新的解決途徑。

傳統(tǒng)深翻(松)技術(shù)在打破犁底層、降低土壤容重方面具有一定作用[26-27], 能夠提高土壤貯蓄降水的能力[28-29], 減少地表蒸發(fā)[30], 提高水分利用效率[31-32], 但其深翻(松)深度一般在25~35 cm, 且在小麥、玉米上研究較多。本研究中, 經(jīng)土壤耕層重構(gòu)后犁底層被徹底打破, 使0~60 cm土層土壤容重顯著降低, 便于棉花根系下扎與土壤水分下滲, 在灌水與大雨后水分更多蓄積在下層土壤當(dāng)中, 減少了地表蒸發(fā), 達(dá)到了蓄水保墑的目的, 而對照由于水分多蓄集在上層, 在棉花生長前期土壤水分消耗以地表蒸發(fā)為主, 大量水分通過地表蒸發(fā)形成無效耗水; 另一方面, 在河北省中南部地區(qū), 6月中下旬(棉花蕾期)“十年九旱”, 此期正值棉花需水關(guān)鍵期, 常規(guī)耕作方式棉花在蕾期易受干旱脅迫而造成后期早衰[19], 耕層重構(gòu)處理在此期由于中下層土壤可提供較好的水分供應(yīng)條件, 棉花生長基本不受影響, 表現(xiàn)出較強(qiáng)的抗旱能力; 中后期土壤耕層重構(gòu)處理表現(xiàn)出較強(qiáng)的水分緩沖能力, 在干旱年份可為棉花生長提供較好的水分條件(2014年), 在多雨年份可將水分蓄積到中下層土壤當(dāng)中, 減少地表蒸發(fā)損失(2015年)。

關(guān)于傳統(tǒng)深翻(松)對土壤養(yǎng)分的影響研究較少, 戰(zhàn)秀梅等[27]認(rèn)為深翻與深松增加了土壤全量及有效氮、磷含量, 并能促進(jìn)土壤速效鉀的釋放, 李海潮等[33]研究表明, 深翻可促進(jìn)玉米的生長和后期干物質(zhì)的積累; 本研究從棉花生長發(fā)育進(jìn)程來看, 耕層重構(gòu)后由于將0~20 cm與20~40 cm土層互換, 上層土壤養(yǎng)分、微生物活性條件較差, 是前期棉花生長的限制因子, 因此棉花苗期與蕾期生長慢于常規(guī)耕作方式, 而此期土壤水分供應(yīng)充足, 非棉花生長限制因子; 進(jìn)入蕾期后, 隨著棉花根系伸長, 逐漸進(jìn)入20 cm以下養(yǎng)分豐富土層中, 此期正值易旱期, 耕層重構(gòu)處理中下層土壤能提供更好的水分與養(yǎng)分供應(yīng)條件, 起到誘導(dǎo)根系下扎的作用, 棉花生長加快; 進(jìn)入初花期后, 棉花地上部干物質(zhì)積累與常規(guī)耕作方式持平, 中后期耕層重構(gòu)處理棉花生長表現(xiàn)出明顯的后發(fā)優(yōu)勢, 得益于其中下層根系生長量顯著高于常規(guī)耕作方式, 為地上部生長提供了良好的基礎(chǔ)。

關(guān)于深翻(松)對于田間雜草的影響, 未見相關(guān)報(bào)道; 劉海洋等[12]研究發(fā)現(xiàn)深翻能降低棉田土壤中的黃萎菌微菌核數(shù)量, 棉花黃萎病發(fā)病程度也輕于常規(guī)棉田, 萬川等[34]在煙草上的研究認(rèn)為, 土壤深翻并不能有效抑制煙草青枯病危害的發(fā)生, 反而使該病發(fā)生的嚴(yán)重程度增加, 但其試驗(yàn)是在深翻的同時(shí)混合了不同土層土壤, 本試驗(yàn)是將20~40 cm土層土壤翻至0~20 cm土層之上, 結(jié)果表明對棉花后期的黃萎病與早衰有極強(qiáng)的抑制作用, 棉花后發(fā)優(yōu)勢明顯; 另一方面, 土壤耕層重構(gòu)在滅除雜草方面具有明顯的優(yōu)勢, 這也是其優(yōu)于深翻(松)技術(shù)的重要方面。

耕層重構(gòu)處理在降低土層容重、調(diào)節(jié)土壤水分供應(yīng)、平衡養(yǎng)分垂直分布方面均具良好效果, 在3種重構(gòu)方式中, T1在增加深層土壤蓄水量、提高棉花產(chǎn)量等方面效果差于T2與T3, 尤其是在抑制棉花病害與早衰方面效果較差, 其病衰指數(shù)顯著高于T2與T3, 而T3在干旱年份水分供應(yīng)能力略好于T2, 但在多雨年份容易導(dǎo)致棉花旺長, 原因在于其深松深度達(dá)到70 cm, 在多雨年份水分大量下滲蓄積在下層, 可使土壤長期處于水分供應(yīng)充足狀態(tài), 促進(jìn)了棉花根系的生長, 進(jìn)一步導(dǎo)致棉花地上部營養(yǎng)生長偏旺, 使?fàn)I養(yǎng)生長與生殖生長失調(diào), 而T2處理棉花無論在干旱年份還是在多雨年份, 均表現(xiàn)出較穩(wěn)健的長勢。

土壤耕層重構(gòu)需借助于單鏵主副旋轉(zhuǎn)深翻犁完成, 可由220馬力拖拉機(jī)帶動一次完成將0~20 cm土壤與20~40 cm土壤互換并使40~55 cm土壤深松, 每公頃成本約1200元, 為旋耕成本的2.5倍左右, 由于耕層重構(gòu)一次成本較高, 不能也不必每年進(jìn)行, 因此對耕層重構(gòu)后土壤容重、養(yǎng)分分布、蓄水保墑能力、土壤微生物等的變化還需開展定位監(jiān)測研究, 以確定一次耕層重構(gòu)的效果持續(xù)年限; 從土壤耕層重構(gòu)的效果來看, 其打破犁底層后降低土壤容重、提高土壤蓄水保墑能力應(yīng)能持續(xù)多年, 但隨著年限增加, 效果會有降低趨勢; 20~40 cm土層養(yǎng)分含量增加的效果持續(xù)年限會較長, 且隨著0~20 cm土層養(yǎng)分、微生物的增加, 前期對棉花生長的抑制作用會很快消失, 但對棉花中后期的生長仍會有較強(qiáng)的促進(jìn)作用, 對棉花病害與早衰的抑制作用、對棉田雜草的防除預(yù)計(jì)也會有很好的持續(xù)效果。

4 結(jié)論

耕層重構(gòu)降低了不同土層土壤容重, 增加了土壤蓄水保墑能力, 使棉田在灌水或雨后能將多余水分蓄積于深層土壤, 減少表層無效蒸發(fā), 干旱時(shí)供給棉花生長所需水分, 起到耐澇抗旱的作用; 同時(shí)使不同土層垂直養(yǎng)分分布更加均衡, 促進(jìn)棉花根系下扎, 提高地上部干物質(zhì)積累, 降低了后期棉花病害與早衰的發(fā)生, 滅除田間雜草, 增加了單株鈴數(shù)、單鈴重與皮棉產(chǎn)量, 是解決連作棉田病害嚴(yán)重、土壤蓄水供水能力下降、棉花產(chǎn)量下降等問題的有效耕作措施; 綜合考慮3種不同耕層重構(gòu)方式成本與效果, 以互換0~20 cm與20~40 cm土層, 同時(shí)松動40~55 cm土層效果最佳。

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[32] 李濤, 李金銘, 趙景輝, 常志斌. 深耕對小麥發(fā)育及節(jié)水效果影響的研究. 山東農(nóng)業(yè)科學(xué), 2003, (3): 18–20 Li T, Li J M, Zhao J H, Chang Z B. Effect of deep tillage on development of wheat and water-saving.,2003, (3): 18–20 (in Chinese with English abstract)

[33] 李潮海, 梅沛沛, 王群, 郝四平. 下層土壤容重對玉米植株養(yǎng)分吸收和分配的影響. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué), 2007, 40: 1371–1378 Li C H, Mei P P, Wang Q, Hao S P. Influences of soil bulk density in deep soil layers on absorption and distribution of nitrogen, phosophrous and potassium in maize (L.)., 2007, 40: 1371–1378 ( in Chinese with English abstract)

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Effects of Restructuring Tilth Layers on Soil Physical and Chemical Properties and Cotton Development in Continuous Cropping Cotton Fields

WANG Shu-Lin, QI Hong, WANG Yan, ZHANG Qian, FENG Guo-Yi, and LIN Yong-Zeng*

Cotton Research Institute, Hebei Academy of Agriculture and Forestry Science / Key Laboratory of Biology and Genetic Improvement of Cotton in Huanghuaihai Semiarid Area, Ministry of Agriculture, Shijiazhuang 050051, China

In continuous cropping cotton areas, the application of rotary tillage in successive years results in solid plow pan, decreases soil water storage ability, enriches nutrients in topsoil and aggravates diseases in the Yellow River Valley of China. The field experiments were conducted with randomized block design in 2014 and 2015 at Wei county experimental station of Cotton Research Institute of Hebei Academy of Agriculture and Forestry Science where cotton was cropped over 20 years. Four treatments including T1 (exchanged a soil layer of 0–15 cm for that of 15–30 cm), T2 (exchanged a soil layer of 0–20 cm for that of 20–40 cm, loosed 40–55 cm layer), T3 (exchanged a soil layer of 0–20 cm for that of 20–40 cm, loosed 40–70 cm layer) and CK (rotary tillage in the depth of 15 cm) were designed to investigate soil physical and chemical properties, cotton development traits, weeds, disease and presenility indices. The results showed that soil bulk density of T2 at 20–40 cm soil layer was 0.13 g cm–3and 0.15 g cm–3lower than those of CK in 2014 and 2015, respectively. The contents of total N, available P, available K of T2 and T3 were significantly higher than those of CK and T1 at 20–40 cm soil layer. After irrigation or rain soil water storage in deep layers increased and after sowing at 40–60 cm and 60–80 cm layers compared with CK soil water storage of T2 was 3.5 mm and 5.5 mm higher in 2014, 6.7 mm and 3.4 mm higher in 2015, respectively. At square stage in drought conditions compared with CK soil water storage of T2 at 0–20 cm and 20–40 cm layers was 6.6 mm and 8.7 mm higher in 2014, 4.2 mm and 9.2 mm higher in 2015, respectively. Restructuring tilth layers increased cotton roots greatly and dry matter accumulation above ground was lower than that of CK before flowering stage but higher after flowering stage. The boll number per plant, boll weight and lint yield of restructuring tilth layers were significantly higher than those of CK, and lint yield of T2 was increased by 6.1% and 10.2% compared with CK in 2014 and 2015 respectively. Restructuring tilth layers was effective in weeds control and decreasing diseases and presenility, and the disease and presenility indices (DPI) of T2 were decreased by 41.7% and 31.9% in 2014 and 2015, respectively. Appropriate restructuring tilth layers (T2) is an effective measure to solve problems in continuous cotton cropping fields and increase cotton yields.

Restructuring tilth layers; Soil physical and chemical properties; Cotton development; Disease and presenility index

10.3724/SP.J.1006.2017.00741

本研究由國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2013BAD05B00)資助。

This study was supported by the National Key Technology Support Program of China (2013BAD05B00).

(Corresponding author): 林永增, E-mail: zaipei@sohu.com, Tel: 0311-87652081

王樹林, E-mail: wshl1001@sohu.com

(收稿日期): 2016-07-22; Accepted(接受日期): 2017-01-21; Published online(網(wǎng)絡(luò)出版日期): 2017-02-17.

URL: http://www.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20170217.1009.022.html