張玉娥，楊習(xí)文，王 勇，周宏美，杜聰陽，賀德先

(1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院,省部共建小麥玉米作物學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河南糧食作物協(xié)同創(chuàng)新中心， 河南 鄭州 450002;2.河南省駐馬店市農(nóng)業(yè)科學(xué)院, 河南 駐馬店 463000; 3.河南省夏邑縣農(nóng)技中心, 河南 夏邑 476400)

潮土和砂姜黑土是河南省重要的土壤類型[1]，而豫東商丘和豫南駐馬店兩地區(qū)的土壤類型屬于比較典型的潮土和砂姜黑土，同時(shí)兩地區(qū)也是河南省重要的勞動(dòng)力輸出地區(qū)。隨著農(nóng)村城鎮(zhèn)化步伐加快和農(nóng)村勞動(dòng)力大量涌入城市，農(nóng)村勞動(dòng)力結(jié)構(gòu)發(fā)生很大的變化，同時(shí)農(nóng)村機(jī)械化程度也快速增長，旋耕方式整地因其操作簡單省時(shí)、省工而備受人們青睞。然而連年旋耕會(huì)導(dǎo)致耕層變淺犁底層加厚，對作物生長發(fā)育及產(chǎn)量會(huì)造成不良影響[2-3]。前人研究表明，相對于旋耕處理，深耕顯著增加了小麥葉面積指數(shù)、千粒重、穗粒數(shù)、收獲指數(shù)以及產(chǎn)量[4]。但也有研究指出，旋耕處理的土壤蓄水保墑能力高于翻耕，有利于提高小麥生育后期的土壤供水能力[5-7]。然而也有關(guān)于旋耕處理的水分利用效率低于翻耕[8]的研究報(bào)道。在土壤孔隙度和容重研究方面，孫利軍等[9]研究則指出，少耕免耕通過減少大、中孔隙數(shù)量，增加小孔隙數(shù)量改善土壤的空隙狀況，從而維持毛管孔隙度的相對穩(wěn)定。雷金銀等[10]研究發(fā)現(xiàn)，20～40 cm土層免耕容重比翻耕增加1.8%，而40～60 cm土壤容重基本不受耕作方式的影響。大量研究表明深耕能改變土壤的物理性質(zhì)從而改善農(nóng)作物的生長環(huán)境，為作物的增產(chǎn)打下基礎(chǔ)[11-13]。作物的高產(chǎn)和超高產(chǎn)與土壤養(yǎng)分狀況存在著密不可分的聯(lián)系[14]，而土壤養(yǎng)分的高低則關(guān)鍵在施肥上，當(dāng)前普遍存在農(nóng)民施肥不合理的現(xiàn)象，具體表現(xiàn)在施肥量和施肥方式上，這不僅造成了肥料利用率降低，農(nóng)民投入成本增加，而且還會(huì)對土壤及大氣環(huán)境的質(zhì)量造成威脅。例如，長期單施化肥或偏施無機(jī)肥會(huì)導(dǎo)致土壤孔隙度降低、容重增加，破壞土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性[15-17]。氮肥對于促進(jìn)作物的生長發(fā)育以及產(chǎn)量的提高和品質(zhì)的提升具有至關(guān)重要的作用[18]。大量研究表明增施氮肥后各土層土壤硝態(tài)氮含量顯著增加[19]。多數(shù)研究認(rèn)為，在一定范圍內(nèi)小麥產(chǎn)量及氮肥利用效率均隨著施氮量的增加而增加，而超過這一范圍則呈現(xiàn)降低的趨勢，只是在試驗(yàn)條件以及土壤肥力條件不同時(shí)這一臨界值略有不同。在現(xiàn)階段研究中，關(guān)于氮肥施用量對作物產(chǎn)量影響的研究較多，綜合當(dāng)前研究進(jìn)展，當(dāng)施氮量達(dá)到150 kg·hm-2左右時(shí)小麥產(chǎn)量普遍在6 000 kg·hm-2以下[20]，中等產(chǎn)量水平的小麥田氮肥用量多在200 kg·hm-2左右[21]，而當(dāng)?shù)视昧窟_(dá)到280 kg·hm-2左右時(shí)更有利于小麥田達(dá)到高產(chǎn)甚至超高產(chǎn)的水平[22]。

目前，關(guān)于不同耕作措施對土壤物理性狀影響的報(bào)道較多，但大部分研究圍繞以少免耕為主的保護(hù)性耕作措施[23-25]，而當(dāng)前廣大農(nóng)民普遍接受和采用的依然為旋耕模式。而且關(guān)于不同耕作方式以及氮肥處理對小麥玉米兩季作物整個(gè)生育期不同土層土壤的物理性質(zhì)周年動(dòng)態(tài)變化影響的系統(tǒng)研究較少，本試驗(yàn)在豫東潮土和駐馬店砂姜黑土地區(qū)同時(shí)進(jìn)行，以當(dāng)前黃淮平原農(nóng)民普遍采用的耕作制度、氮肥用量及追肥方式為對照，通過研究不同栽培措施對不同土壤類型不同土層土壤物理性狀季節(jié)變化的影響，以期在小麥玉米一年兩熟制條件下為土壤肥力的持續(xù)提升提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)點(diǎn)概況

試驗(yàn)分別在河南省商丘市夏邑縣李集鎮(zhèn)程集村和駐馬店市驛城區(qū)水屯鎮(zhèn)王莊村進(jìn)行。商丘試驗(yàn)點(diǎn)位于東經(jīng)116°08′58″、北緯34°20′08″，處在黃河故道決口平原區(qū)，是典型的平原沖積區(qū)，地勢平坦，土質(zhì)肥沃，土壤質(zhì)地為潮土，多年平均降水量726 mm。駐馬店試驗(yàn)點(diǎn)位于東經(jīng)113°48′23″、北緯32°58′46″，地處亞熱帶與暖溫帶的過渡地帶，土壤質(zhì)地為砂姜黑土。兩個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)土壤的主要物理性狀和基礎(chǔ)肥力狀況見表1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用裂-裂區(qū)設(shè)計(jì)。主因子為耕作模式(A)，深耕即經(jīng)深翻之后加旋耕一遍，深翻深度約為30 cm；旋耕即旋耕機(jī)旋耕一遍，深度約為15 cm；玉米季免耕即小麥?zhǔn)斋@后直接播種玉米。副因子為施純氮總量(B)。副副因子為氮肥施用方式(C)，其中商丘潮土區(qū)小麥季底肥與拔節(jié)期比例為7∶3,6∶4和5∶5，駐馬店砂姜黑土區(qū)設(shè)為全底施、底肥與越冬肥比例8∶2以及底肥與拔節(jié)肥比例8∶2三種方式，玉米季底肥與大口期追肥比例為7.5∶2.5，4∶6以及底肥∶大喇叭口期∶灌漿期為5∶2.5∶2.5。共計(jì)18個(gè)處理，四次重復(fù)，小區(qū)面積為64 m2。具體方式見表2。

表1 兩個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)土壤主要物理性狀和基礎(chǔ)肥力情況 Table 1 Main soil physical properties and soil fertility in the two experimental sites

表2 不同土壤類型的處理方式 Table 2 The different treatments of two soil types

試驗(yàn)于2013年進(jìn)行，供試小麥品種為矮抗58，前茬均為玉米，玉米秸稈還田后均勻散于試驗(yàn)田內(nèi)，商丘潮土區(qū)于2013年10月18日播種，駐馬店砂姜黑土區(qū)于2013年10月12日播種。播種量為180 kg·hm-2，磷肥用量(P2O5)為150 kg·hm-2，鉀肥用量(K2O)為150 kg·hm-2，基肥與磷鉀肥均在整地前施入，追肥在相應(yīng)時(shí)期用手扶式化肥播種機(jī)施入。小麥?zhǔn)斋@后玉米免耕直播，小麥秸稈還田后均勻散于試驗(yàn)田內(nèi)，供試玉米品種為鄭單958，商丘潮土區(qū)于2014年6月9日播種，駐馬店砂姜黑土區(qū)于2014年6月5日播種，種植密度為4萬株·hm-2，磷肥用量(P2O5)為120 kg·hm-2，鉀肥用量(K2O)為120 kg·hm-2，磷鉀肥隨著播種機(jī)一起施入，基肥與追肥用手扶式化肥播種機(jī)施入。兩地小麥季均灌拔節(jié)水，玉米季降雨量適中所以未灌水。

1.3 測定項(xiàng)目及方法

分別于小麥季的分蘗期、越冬期、拔節(jié)期、開花期、成熟期以及玉米季的拔節(jié)期和成熟期采集土壤樣品，土壤剖面環(huán)刀法測定土壤物理性質(zhì)，土鉆法“S”型采集每個(gè)小區(qū)0～20 cm和20～40 cm土層樣品，風(fēng)干過篩備用。

1.3.1 土壤物理性質(zhì) 環(huán)刀法測定土壤容重=環(huán)刀內(nèi)濕土重×100/[環(huán)刀容積×(100+樣品含水量)]；土壤總孔隙度(%)=100×(1-容重/比重)；土壤田間持水量采用威爾科克斯法(環(huán)刀法)測定。

1.3.2 土壤氮素含量 全氮采用凱氏定氮法測定；堿解氮采用堿解擴(kuò)散法測定。

1.3.3 收獲與計(jì)產(chǎn) 小麥、玉米收獲時(shí)每個(gè)小區(qū)64 m2均采取實(shí)收測產(chǎn)。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

采用DPS數(shù)據(jù)處理軟件及Excel對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 耕作模式及氮肥運(yùn)籌對不同類型土壤主要物理性質(zhì)的影響

由表3可知，耕作方式對潮土0～20 cm土層土壤容重和孔隙度以及砂姜黑土0～20 cm土層容重、孔隙度和田間持水量影響均未達(dá)到顯著水平，對潮土0～20 cm土層田間持水量，以及20～40 cm土層兩種土壤下容重、孔隙度和田間持水量影響均達(dá)到顯著或者極顯著水平。氮肥施用總量以及氮肥施用方式以及互作效應(yīng)對土壤物理性質(zhì)影響不顯著。具體而言，兩類土壤容重隨著土層加深呈現(xiàn)增加趨勢。0～20 cm土層，潮土與砂姜黑土土壤容重在旋耕與深耕處理間無明顯差異；20～40 cm土層中，相對于旋耕，深耕顯著降低了潮土與砂姜黑土的土壤容重，分別降低了2.56%和1.94%。兩種類型土壤孔隙度及田間持水量隨著土壤土層的加深呈現(xiàn)降低趨勢。深耕處理下兩類土壤的土壤孔隙度及田間持水量均大于旋耕處理，且在20～40 cm土層中，相對于旋耕，深耕處理下潮土土壤孔隙度以及田間持水量分別提高了3.29%和7.41%，砂姜黑土分別提高了2.10%和5.97%。

表3 耕作模式及氮肥運(yùn)籌對不同類型土壤物理性質(zhì)的影響 Table 3 Effects of different treatments on soil physical properties of two soil types

2.2 耕作模式及氮肥運(yùn)籌對不同類型土壤氮素含量的影響

由表4可知，不同處理以及各因素間的交互作用對兩種土壤全氮和堿解氮含量影響達(dá)到顯著或極顯著水平。不同耕作模式對兩種土質(zhì)土壤不同土層全氮以及堿解氮含量影響呈現(xiàn)出一致規(guī)律。其中0～20 cm土層全氮含量和堿解氮含量表現(xiàn)為深耕<旋耕，旋耕處理下潮土土壤的全氮以及堿解氮分別比深耕處理高出5.61%和3.18%，砂漿黑土分別高6.86%和6.48%；20～40 cm土層全氮含量和堿解氮含量則表現(xiàn)為深耕>旋耕，深耕處理下潮土全氮及堿解氮含量分別比旋耕處理高7.59%和1.77%，砂漿黑土分別高12.66%和17.75%。可見，相對旋耕處理，深耕處理能降低土壤表層氮素含量，增大20～40 cm土層氮素含量。但無論深耕與旋耕，兩種類型土壤全氮以及堿解氮含量影響均隨施氮量增加而增加。說明增施氮肥可增加土壤全氮含量以及堿解氮含量。

表4 不同處理對不同類型土壤氮素含量的影響 Table 4 Effects of different treatments on total nitrogen content and alkali-hydrolyzable N content of two soil types

綜合圖1～圖4可知，土壤全氮以及堿解氮含量在追肥施入之前各個(gè)時(shí)期整體表現(xiàn)為C1>C2>C3，即底肥施入之前隨著底施氮量的增加而升高，而在追肥施入后的小麥季揚(yáng)花期和成熟期以及玉米季成熟期整體表現(xiàn)為C3>C2>C1，即追肥施入之后隨著追施氮量的增加而升高。其中，C1、C2和C3處理下潮土區(qū)0～20 cm土層土壤全氮含量周年變化范圍分別為1.01～1.26、1.03～1.23 g·kg-1和1.05～1.23 g·kg-1，20～40 cm土層分別為0.71～0.99、0.75～0.88 g·kg-1和0.73～0.90 g·kg-1。C1、C2和C3處理下砂姜黑土區(qū)0～20 cm土層土壤全氮含量周年變化范圍分別為0.89～1.16、0.96～1.20 g·kg-1和0.98～1.11 g·kg-1；20～40 cm土層分別為0.71～0.99、0.75～0.97 g·kg-1和0.73～0.95 g·kg-1。C1、C2和C3處理下潮土區(qū)0～20 cm土層土壤堿解氮含量周年變化范圍分別為90.6～114.7、89.3～114.5 mg·kg-1和91.9～102.5 mg·kg-1；20～40 cm土層分別為55.1～82.2、60.3～80.3 mg·kg-1和58.2～78.2 mg·kg-1。C1、C2和C3處理下砂姜黑土區(qū)0～20 cm土層土壤堿解氮含量周年變化范圍分別為95.6～124.3、96.3～119.5 mg·kg-1和88.1～112.2 mg·kg-1；20～40 cm土層分別為58.2～83.3、54.5～79.0 mg·kg-1和54.1～80.7 mg·kg-1。

注：W-T:小麥分蘗期；W-W:小麥越冬期；W-J:小麥拔節(jié)期；W-F:小麥揚(yáng)花期；W-M:小麥成熟期；M-J:玉米拔節(jié)期；M-M:玉米成熟期。下同。

Note: W-T: wheat-tilling； W-W: wheat-winter； W-J: wheat-jointing； W-F: wheat-flouring； W-M: wheat-mature； M-J: maize-jointing； M-M: maize-mature. The same below.

圖1 不同追肥方式對潮土土壤全氮含量周年變化的影響

Fig.1 Effects of different treatments on total nitrogen content of fluvo-aquic soil

2.3 不同耕作方式及氮肥運(yùn)籌對兩種類型土壤周年作物產(chǎn)量的影響

表5表明，相對于旋耕處理，深耕明顯增加了兩種土壤的周年作物產(chǎn)量，其中潮土區(qū)增加了4.30%，砂姜黑土區(qū)增加了2.63%。不同施氮量對潮土周年產(chǎn)量影響達(dá)到顯著水平，表現(xiàn)為隨著氮肥施用總量的增加而增加，即B1>B2>B3，其中，B1處理分別比B2和B3增產(chǎn)3.57%和6.72%。砂姜黑土區(qū)則表現(xiàn)為B2>B1>B3，B1和B2處理顯著高于B3處理，且B1比B3高12.35%，B2比B3高13.12%。氮肥追施方式對潮土區(qū)周年作物產(chǎn)量影響達(dá)到顯著水平，以C2和C3表現(xiàn)出較高的產(chǎn)量，其中C2處理下比C1高1.60%；C3處理比C1高3.79%。氮肥追施方式對砂姜黑土地區(qū)周年作物產(chǎn)量影響不顯著，但以C1處理下產(chǎn)量最高。三因素之間兩兩交互作用或者三者交互作用效果未達(dá)到顯著水平。故三因素各自最佳處理的組合即為最優(yōu)處理組合，即對于潮土區(qū)最優(yōu)組合為A1B1C3，而砂姜黑土區(qū)為A1B2C1。

圖2 不同追肥方式對砂姜黑土土壤 全氮含量周年變化的影響 Fig.2 Effects of different treatments on total nitrogen content of lime concretion black soil

圖3 不同追肥方式對潮土土壤堿解氮含量周年變化的影響 Fig.3 Effects of different treatments on alkali-hydrolyzable N content of fluvo-aquic soil

圖4 不同追肥方式對砂姜黑土土壤堿解氮 含量周年變化的影響 Fig.4 Effects of different treatments on alkali-hydrolyzable N content of lime concretion black soil表5 不同處理對冬小麥/夏玉米產(chǎn)量的影響/(kg·hm-2) Table 5 Effects of different treatments on annual crop yield of two soil types

3 討論

土壤耕作措施是影響土壤理化性狀的主要因素之一，其通過改變土壤的理化性狀調(diào)節(jié)土壤的水、肥、氣、熱等因子，為作物的根系生長創(chuàng)造適宜的環(huán)境條件，從而達(dá)到提高作物產(chǎn)量的目的。前人研究報(bào)道，耕作措施對0～20 cm土壤容重影響較大，深層影響較小[26]。本研究結(jié)果與前人不同，本試驗(yàn)中，在0～20 cm土層，土壤容重在旋耕和深耕處理間不明顯，這可能是深耕處理中，在深耕之后又旋耕一遍，導(dǎo)致上層兩處理間差異不顯著。在20～40 cm土層，土壤容重、土壤孔隙度和田間持水量在深耕和旋耕處理間差異顯著，相對于旋耕，深耕能降低作物周年各生育時(shí)期的土壤容重、增大土壤孔隙度和增加田間持水量等。但隨著生育期的加快，不同處理的容重均呈現(xiàn)緩慢升高的趨勢，而孔隙度、田間持水量呈降低的趨勢，這與前人研究也有相似之處[27]。與長期施用有機(jī)肥相比，長期施用化肥會(huì)導(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)變差，降低土壤蓄水能力以及通氣透水能力[28]。亦有研究結(jié)果提出長期施用化肥并未對土壤物理性質(zhì)造成顯著影響[29]。本研究表明氮肥施用量及追肥方式對兩種土壤容重、孔隙度及田間持水量等物理性質(zhì)影響不明顯。

本試驗(yàn)中，較旋耕處理而言，深耕處理降低了0～20 cm土層全氮和堿解氮含量，增加了20～40 cm土層全氮以及堿解氮含量，打破了養(yǎng)分在土壤表層富集的現(xiàn)象。增加氮肥施用總量能提高兩種類型土壤氮素含量，且追肥時(shí)期的后移和后期追肥量的增加都有利于作物生長發(fā)育后期的土壤全氮以及堿解氮含量的增加。這也與聶良鵬等[30]得出深耕能增加土壤全氮含量，且增加施氮量能顯著增加土壤氮素含量[20-21]的結(jié)論一致。

耕作方式的不同會(huì)導(dǎo)致土壤物理性質(zhì)狀況的改變，從而會(huì)造成小麥群體和產(chǎn)量結(jié)構(gòu)的明顯差異[31]。大量研究表明相對于旋耕而言，深耕能顯著增加冬小麥和夏玉米的產(chǎn)量[5,8]，拔節(jié)期追施氮肥有利于作物生育后期的營養(yǎng)生長和生殖生長，繼而達(dá)到增產(chǎn)之目的[32-33]。本研究結(jié)果表明小麥季深耕玉米季免耕直播能顯著提高潮土和砂姜黑土周年產(chǎn)量。對于潮土區(qū)，作物產(chǎn)量隨著施氮量的增加而增加，而小麥季重施拔節(jié)肥、玉米季增施穗肥則能顯著提高作物周年產(chǎn)量，這與前人[32-33]研究結(jié)果有相似之處；而對于砂姜黑土區(qū)，作物產(chǎn)量隨著施氮量的增加先升高后降低，以B2(小麥季240 kg·hm-2，玉米季180 kg·hm-2)產(chǎn)量最高，之所以追肥方式之間差異不明顯，可能是由于砂姜黑土年降水量較為充沛對養(yǎng)分的吸附作用較強(qiáng)，而商丘潮土區(qū)降水較少對氮肥的響應(yīng)較為明顯所致。

4 結(jié) 論

深耕能降低土壤容重、增大土壤孔隙度以及田間持水量，起到打破犁底層疏松土壤的作用，增加土壤的通透性，提高土壤貯水能力，并且降低土壤表層養(yǎng)分富集使養(yǎng)分向下層土壤轉(zhuǎn)移，從而為作物根系下扎提供條件，更好地促進(jìn)作物生長發(fā)育并提高產(chǎn)量。增施氮肥、追肥時(shí)期的后移和后期追肥比例的增加均有利于培肥地力提高作物產(chǎn)量。對于砂姜黑土區(qū)而言，周年施氮量到達(dá)540 kg·hm-2時(shí)反而使作物產(chǎn)量下降。在潮土區(qū)和砂姜黑土區(qū)采用小麥季深耕玉米季免耕直播的模式既有利于作物周年產(chǎn)量的提高和土壤主要理化狀況的改善，同時(shí)由于旋耕模式省工節(jié)本，又不會(huì)耽誤農(nóng)時(shí)，建議采用小麥季隔年深耕玉米季直播的耕作模式進(jìn)行農(nóng)事生產(chǎn)。本條件下，在潮土區(qū)采用B1C3(小麥季300 kg·hm-2純氮，按照底肥與拔節(jié)期追肥之比為1∶1施入，玉米季240 kg·hm-2純氮，按底肥與拔節(jié)期追肥大喇叭口期追肥之比為2∶1∶1施入)施肥模式；砂漿黑土地區(qū)采用B2C1(小麥季240 kg·hm-2全底施，玉米季180 kg·hm-2純氮，底肥與拔節(jié)期追肥之比3∶1施入)施肥模式為宜。

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