喬云發(fā)，苗淑杰，陸欣春，王鐵成，鐘 鑫，熊西江

(1.南京信息工程大學(xué)應(yīng)用氣象學(xué)院，江蘇南京 210044；2.中國科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所，吉林長春 130102；3.黑龍江省杜爾伯特蒙古族自治縣土肥管理站，黑龍江大慶 166200)

黑龍江省西部風(fēng)沙土區(qū)是我國重要的玉米產(chǎn)區(qū)[1]，年降雨量在400 mm，年降雨量分配不均，主要集中在6—8月，春風(fēng)大，土壤水分蒸發(fā)強烈，春季作物萌芽季降水量不到全年降水量的15%，風(fēng)大干旱是制約風(fēng)沙土農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要問題[2]。加之不合理的耕作方式，導(dǎo)致土壤壓實嚴重，不僅較少的降雨不能夠在土壤中很好地蓄存，還常常因為水土流失帶走貧瘠土壤中的養(yǎng)分[3]。如何提高該區(qū)域玉米產(chǎn)量已經(jīng)成為亟待解決的問題。

農(nóng)業(yè)耕作方式對農(nóng)田土壤性狀影響較大。旋耕能很好地疏松耕層土壤[4]，有利于土壤水分儲存，為玉米的生長發(fā)育提供充足的水分[3，5]。翻耕(25 cm)和深松(30 cm)有利于提高土壤含水量[6]，結(jié)合殘茬覆蓋，玉米播種后出苗率高，株高和葉面積系數(shù)均有所提高，最終增加玉米產(chǎn)量[7]。此外，劉海忠等[8]曾經(jīng)提出秸稈還田結(jié)合深松條件下，要想提高玉米產(chǎn)量，可適當(dāng)降低磷肥施用量。研究表明，合理的耕作措施結(jié)合有效的肥料施用，可以通過改善土壤水肥狀況，增加作物對水分及養(yǎng)分的吸收，有利于植物的生長發(fā)育，從而提高產(chǎn)量。針對黑龍江省西部風(fēng)沙土地區(qū)玉米產(chǎn)區(qū)的實際情況，設(shè)置5種不同的耕作方式，同時配合秸稈還田和施用有機肥，分析其對土壤物理性狀、玉米產(chǎn)量等指標(biāo)的影響，探討適合該地區(qū)的科學(xué)有效的耕作方式。

1 材料與方法

1.1研究區(qū)概況試驗區(qū)位于黑龍江省大慶市杜爾伯特蒙古族自治縣農(nóng)業(yè)科技園區(qū)，杜爾伯特蒙古族自治縣地處松嫩平原的西部，地勢開闊平坦。處于溫帶季風(fēng)氣候帶，春季低溫、干燥、風(fēng)大；夏季溫和，降水集中，年降雨量400 mm；秋季涼爽，常伴早霜。作物生育期(6—8月)降水較集中，占全年降水量近70%。土壤類型為風(fēng)沙土，基本理化性狀為：pH 7.84，有機質(zhì)15.1 g/kg，全氮0.99 g/kg，全磷1.15 g/kg，全鉀24.3 g/kg，堿解氮52.6 mg/kg，速效磷16.7 mg/kg，速效鉀123.1 mg/kg。

1.2試驗材料供試玉米品種為吉農(nóng)302。

1.3試驗設(shè)計試驗設(shè)耕作方式、肥料施用2個因素，其中耕作方式設(shè)5個水平，分別為免耕(耕深0 cm)、常規(guī)耕作(翻深20 cm)、打破犁底層(耕深25 cm)、深松(耕深35 cm)和超深松(耕深50 cm)；肥料施用設(shè)3個水平，分別為化肥(CK)，化肥+秸稈還田和化肥+有機肥，采取隨機區(qū)組設(shè)計，計15個處理，3次重復(fù)，共計45個小區(qū)，小區(qū)面積83 m2。2015年5月11日播種，施尿素250 kg/hm2、磷酸氫二銨300 kg/hm2、硫酸鉀50 kg/hm2作基肥；在大喇叭口期追施尿素150 kg/hm2。中耕鋤草2次(定苗后和拔節(jié)期)，均采用人工除草。在5月28日和6月29日秸稈還田處理增加2次澆灌，每次灌溉量20 mm。玉米種植密度均為4.5萬株/hm2。在10月4日玉米成熟期，進行田間5點取樣測產(chǎn)。

1.4樣品采集與分析方法土壤貫穿阻力用便攜式SC900野外土壤緊實度儀測定，土壤容重、三相比和滲透速率采用環(huán)刀法測定。

1.5土壤三相比玉米成熟期采用5點取樣，用環(huán)刀分別取耕層和犁底層土，用烘干方法測定土壤三相比，計算土壤三相結(jié)構(gòu)距離R[9]：

R=[(Xg-50)2+(Xg-50)(Xg-25)+(Xy-25)2]0.5

(1)

式中：R為土壤三相結(jié)構(gòu)距離；Xg為固相體積百分比；Xy為液相體積百分比；Xq為氣相體積百分比。

1.6統(tǒng)計分析所有數(shù)據(jù)是3次重復(fù)平均的結(jié)果，利用Excel軟件進行數(shù)據(jù)整理和圖表繪制。利用單因素ANOVA分析耕作方式對玉米產(chǎn)量、土壤貫穿阻力、容重、三相比和滲透速率的影響。

2 結(jié)果與分析

2.1耕作方式和施肥對玉米產(chǎn)量的影響耕作深度明顯影響風(fēng)沙土區(qū)玉米產(chǎn)量，隨著耕作深度的增加，玉米產(chǎn)量呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢(圖1)。與常規(guī)耕作處理相比，深松和超深松處理的玉米產(chǎn)量分別增加了3.9百分點和6.2百分點，主要是由于深松和超深松土壤把遷移到剖面下層的黏粒翻耕到耕層，增加耕層土壤黏粒含量，增加耕層保水保肥性能，增加土壤團聚體；免耕減產(chǎn)6.7百分點，由于免耕措施條件下，在降雨量較大的季節(jié)，由于雨水下沉的作用，使耕層土壤板結(jié)，土壤蓄水能量減弱，孔隙減少，通透性下降；打破犁底層產(chǎn)量差異不顯著，由于打破犁底層，增加雨水滲透性，增加淋溶作用，不利于保肥和保水。在各種耕作方式條件下，施用化肥+有機肥顯著增加玉米產(chǎn)量(圖1)。與相對應(yīng)不施用有機肥處理相比較，施用化肥+有機肥處理的玉米產(chǎn)量增加19.2%～32.9%，表明風(fēng)沙土區(qū)化肥配施有機肥對增加玉米產(chǎn)量效果顯著。這一結(jié)果可以歸因于2個方面，一是施用化肥+有機肥直接增加了土壤有效養(yǎng)分；二是施用有機肥料可以改善土壤結(jié)構(gòu)性能，增強土壤保水保肥能力。有機肥的增產(chǎn)效果并未隨著耕作深度的增加而增加，最大的增產(chǎn)作用出現(xiàn)在常規(guī)耕作處理?？梢?，在風(fēng)沙土區(qū)，施用有機肥對玉米的增產(chǎn)作用要好于土壤深耕。因此，在考慮經(jīng)濟效益的前提下，常規(guī)耕作配合施用化肥+有機肥是提高該風(fēng)沙土區(qū)玉米產(chǎn)量的一項有效措施。盡管秸稈還田在培肥土壤肥力中的作用已備受農(nóng)業(yè)科學(xué)家的高度關(guān)注，在該研究的風(fēng)沙土區(qū)，采用秸稈還田雖然有一定的增產(chǎn)作用，但是要增加2次澆灌，增加生產(chǎn)成本，提高玉米產(chǎn)量的效果沒有有機肥好(圖1)。與施用化肥+有機肥的處理相比，化肥+秸稈還田玉米產(chǎn)量降低7.4%～189.0%，這主要是因為秸稈還田后要經(jīng)歷一個腐解礦化的過程，養(yǎng)分的釋放較慢，而且還會出現(xiàn)礦化微生物與作物根系競爭養(yǎng)分的現(xiàn)象。另外，秸稈還田初期會引起土壤緊實度顯著下降，降低土壤的保水能力。這些影響勢必對玉米的生長產(chǎn)生影響，最終導(dǎo)致產(chǎn)量的增加不及有機肥處理。比較而言，化肥配施有機肥對玉米增產(chǎn)效果明顯，耕作方式的效果沒有化肥+有機肥施用的效果好，免耕不適合風(fēng)沙土。

圖1 耕作方式和施肥對玉米產(chǎn)量的影響Fig.1 Effect of tillage measure and fertilizer application on maize yield

2.2耕作方式和施肥對土壤貫穿阻力的影響耕層貫穿阻力大小反映土壤緊實狀況，直接影響植物根系的伸展。耕作處理土壤的貫穿阻力顯著低于免耕土壤，各耕作處理貫穿阻力比免耕處理降低了35%～44%(圖2)，這是因為耕作使緊實的土壤變得松散，因此土壤的貫穿阻力就會降低下來?？梢?，通過簡單的常規(guī)耕作就可以降低土壤的貫穿阻力。秸稈還田和施用有機肥可不同程度地降低土壤貫穿阻力的作用，但是在不同的耕作條件下，降低的程度不同(圖2)。在免耕、常規(guī)耕作和打破犁底層耕作制度下，秸稈還田比施用有機肥降低效果更明顯，與僅施用化肥的處理相比，在這3種施肥條件下，秸稈還田降低土壤貫穿阻力效果最顯著，分別為17.0%、23.2%和18.1%，而有機肥處理分別降低了7.4%、15.9% 和7.1%?？梢娊斩掃€田起到松散土壤的作用。而在深松和超深松條件下，施用有機肥對耕層土壤貫穿阻力的影響較秸稈還田更明顯。在這2種耕作條件下，與僅施化肥(CK)相比，化肥+秸稈還田處理降低耕層貫穿阻力分別為13.7%和1.1%，而化肥+有機肥處理降低耕層土壤貫穿阻力分別為17.1%和19.9%。

圖2 耕作方式和施肥對耕層貫穿助力的影響Fig.2 Effect of tillage measure and fertilizer application on soil infiltration capacity

2.3耕作方式和施肥對耕層土壤容重的影響土壤容重是土壤的一個非常重要的物理指標(biāo)，它不僅用于鑒定土壤顆粒間排列的緊實度，而且是計算土壤孔隙度和空氣含量的必要數(shù)據(jù)。在該研究的風(fēng)沙土區(qū)，不同耕作制度直接影響土壤容重(圖3)。與常規(guī)耕作相比，免耕、打破犁底層和超深松處理土壤容重分別增加了8.3%、3.3%和7.0%。免耕增加土壤容重，主要是由于免耕土壤雨水的下滲作用，使土壤的孔隙度變小而使土壤更緊實的結(jié)果。打破犁底層和超深松都是將耕層底部有機質(zhì)含量極低、土質(zhì)黏重的土壤混入耕層而導(dǎo)致土壤容重增加。施用有機肥顯著降低了土壤容重，受耕作制度的影響不顯著(圖3)。這是因為有機肥不僅能夠顯著提高土壤孔隙度，而且導(dǎo)致土壤的團聚作用增強。表明該地區(qū)降低風(fēng)沙土耕層土壤容重行之有效的方法是施用有機肥。秸稈還田也可有效降低風(fēng)沙土耕層土壤容重，但是其效果因耕作制度的不同而不同(圖3)。從圖3可以看出，深翻處理+秸稈還田對于降低耕層土壤容重的效果不明顯。秸稈還田制度下，與常規(guī)耕作制度相比，免耕、打破犁底層、深松和超深松處理，土壤容重分別增加了5.4%、3.2%、3.4%和2.0%。

圖3 耕作方式和施肥對耕層容重的影響Fig.3 Effect of tillage measure and fertilizer application on bulk density

2.4耕作方式和施肥對耕層土壤三相結(jié)構(gòu)距離R值的影響土壤三相結(jié)構(gòu)距離(R)是表示土壤固液氣三相比值的綜合評價指標(biāo)，土壤三相結(jié)構(gòu)越接近理想狀態(tài)R值越接近0，當(dāng)R值為0時為植物生長最佳土壤物理狀態(tài)。圖4的結(jié)果表明，土壤R值隨著耕作方式的不同而呈現(xiàn)出波動性變化。與常規(guī)耕作處理相比，深松處理降低了土壤的三相比R值(僅3.1%)，免耕、打破犁底層和超深松處理土壤三相比R值比常規(guī)耕作分別增加了15.8%、3.1%和16.3%。表明免耕因長期不耕作，土壤非常緊實，導(dǎo)致土壤三相比不協(xié)調(diào)。打破風(fēng)沙土犁底層后，基于風(fēng)沙土松散的特點，土壤的保水能力會明顯降低，從而引起土壤三相比不理想。超深松處理因為底層黏重、有機質(zhì)含量低的土壤翻入耕層，引起三相比較高。施用有機肥調(diào)整了免耕和超深松處理耕層土壤的三相比R值，比其相對應(yīng)常規(guī)施肥處理分別降低了8.2%和8.4%。這是因為施用有機肥后，有機肥在緊實和貧瘠的土壤中作為土壤結(jié)構(gòu)改變的橋梁，使土壤的結(jié)構(gòu)變好，提高土壤的保水和氣體保有量，因此降低了三相比R值?？梢娪袡C肥在改良土壤結(jié)構(gòu)中起到非常重要的作用。秸稈還田主要降低了免耕和超深松處理耕層土壤的三相比R值，比常規(guī)肥料處理分別降低了2.3%和21.5%。然而，秸稈還田增加了常規(guī)耕作和深松條件下土壤的三相比R值，分別比常規(guī)施肥處理增加了5.7%和5.0%。

圖4 耕作方式和施肥對耕層三相結(jié)構(gòu)距離R值的影響Fig.4 Effect of tillage measure and fertilizer application on three-phase structure distance R of plough layer

2.5耕作方式和施肥對水滲透速率的影響水分滲透速率表示土壤對水分滲透能力的重要參數(shù)，耕作制度、施用有機肥和秸稈還田對土壤水分滲透速率都有顯著的影響(圖5)。從圖5可以看出，在常規(guī)施肥條件下，土壤水分滲透速率最大的是打破犁地層處理，比常規(guī)耕作增加73.3%，這是因為多年耕作壓實在耕層下的緊實、堅硬的犁地層被打碎，水分可以順利滲透到下層，而引起滲透速率增加的結(jié)果。免耕處理滲透速率最小，僅為常規(guī)耕作的48.4%，歸因于長期不耕作，土壤容重增加，孔隙度降低。深翻處理土壤水分滲透速率比常規(guī)耕作處理提高73.1%，但與打破犁地層處理幾乎沒有差別，這種結(jié)果來源于深翻處理打破了犁底層。而超深翻處理雖然兼顧了深翻的2個特點，但因為剖面深層黏粒翻混入耕層土壤，使其滲水能力低于深松處理43.2%。可見，在風(fēng)沙土區(qū)，為了保護土壤水分滲透速率，保護犁底層所處位置非常關(guān)鍵。

施用有機肥明顯增加土壤水分滲透速率，但是并沒有改變不同耕作制度對土壤水分滲透速率的影響規(guī)律(圖5)。施用有機肥后，免耕、常規(guī)耕作、打破犁地層、深松和超深松處理土壤水分滲透速率比常規(guī)施肥增加了19%～114%。這一結(jié)果完全歸因于有機肥對土壤結(jié)構(gòu)改良所起的作用。

除了打破犁底層耕作條件外，秸稈還田增加了各種耕作制度條件下的土壤水分滲透速率。比較而言，在常規(guī)耕作和超深松條件下，秸稈還田在增加土壤水分滲透速率中的作用與有機肥的作用效果相一致。但是，在免耕條件下，秸稈還田處理土壤水分滲透速率比有機肥處理低24.1%；在深翻條件下，又比有機肥處理增加10.5%。表明秸稈還田對水分滲透速率的影響與有機肥的影響機制有所不同，其機理有待于進一步研究。

圖5 耕作方式和施肥對耕層土壤水分滲透數(shù)率的影響Fig.5 Effect of tillage measure and fertilizer application on penetration rate of soil moisture

3 討論

黑龍江省西部風(fēng)沙土區(qū)氣候干旱、土壤貧瘠、耕作方式和施肥不合理等現(xiàn)象已經(jīng)成為制約作物產(chǎn)量的重要因素[4]。在耕作的過程中，由于機械壓力，土壤緊實度越來越大，土壤結(jié)構(gòu)變差[10]。因此，研究者提出通過合理的耕作制度來改善土壤物理性狀，進而提高作物產(chǎn)量的措施。該研究結(jié)果表明，打破犁地層是加大土壤滲透性的關(guān)鍵。這一結(jié)果與王立春等[11]的研究一致，他們認為土壤透水性與表土的疏松度關(guān)系不是很大，透水速率的增加與消除耕層下部堅實的不透水層有直接關(guān)系。打破犁底層和深翻土壤的貫穿阻力較小，滲透速率比較高。盡管超深翻處理打破了犁底層，但是因為在超深松的過程中，心土層和底土層較黏重的土壤被翻混入耕層，最終導(dǎo)致耕層對水分的滲透速率提升較小。盡管可以通過耕作方式改善土壤物理性狀，但是對提高玉米產(chǎn)量的作用較小。

有機肥的施用對改善風(fēng)沙土物理性狀效果顯著。各種耕作方式下，土壤容重均顯著降低，有機肥在改善土壤結(jié)構(gòu)中起到2方面作用，一是有機肥作為土壤結(jié)構(gòu)的黏結(jié)物質(zhì)，促進土壤中團聚體的形成[12]。二是施用有機肥可使板結(jié)程度大的土壤變得疏松，從而能夠顯著提高土壤孔隙度[13]。施用有機肥降低風(fēng)沙土土壤容重，免耕和超深松土壤的三相結(jié)構(gòu)距離R值較其他耕作處理降低明顯。這是由于免耕和超深松耕層土壤都比較緊實，水氣環(huán)境最差，有機肥的調(diào)節(jié)效果也就最明顯，這與郭海斌等[14]的研究結(jié)果相一致，有機肥在改善土壤物理性狀的同時，有大量的有效養(yǎng)分輸入到土壤中，促進玉米的生長發(fā)育，最終獲得較高的產(chǎn)量。秸稈還田同樣是作為有機物料填加到土壤中，雖然對土壤理化性狀有所改善，但是由于秸稈的施入增加風(fēng)沙土通透性，降低土壤保水性，需要增加澆灌次數(shù)，增加生產(chǎn)成本。

4 結(jié)論

改變耕作方式來提高沙土區(qū)玉米產(chǎn)量，免耕措施使玉米減產(chǎn)6.7%，深翻和超深翻處理雖然玉米產(chǎn)量分別增加了3.9百分點和6.2百分點，但是高強度深翻增加動力，增加投入，不宜選擇。施用有機肥是提高沙土區(qū)玉米產(chǎn)量的一種非常有效的措施，增產(chǎn)效果遠高于耕作方式。在相同耕作方式下，與施化肥相比，化肥配施有機肥處理玉米增產(chǎn)達19.2%～32.9%；有機肥處理比秸稈還田處理增產(chǎn)7.4%～189.0%?？傊?，在東北風(fēng)沙土區(qū)，施用有機肥是提高玉米生產(chǎn)最有效的方法之一；從經(jīng)濟效益來看，風(fēng)沙土區(qū)不宜采用秸稈直接還田；從耕作方式來看，常規(guī)翻耕20 cm是最優(yōu)的耕作方式；從耕作方式、有機物料還田、經(jīng)濟效益方式交互來看，東北風(fēng)沙土區(qū)最適耕作、施肥方式是在施用有機肥的條件下，進行翻耕20 cm作業(yè)。

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