谷思玉，朱玉偉，郭興軍，蔡越桐，吳 帥，張澤慧，張會(huì)慧

(東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150030)

東北地區(qū)黑土面積廣闊，耕地肥沃，是我國(guó)玉米的主產(chǎn)區(qū)和商品糧生產(chǎn)基地，種植面積占全國(guó)玉米種植面積的 1/3以上，產(chǎn)量約占全國(guó)玉米總產(chǎn)量的40%[1-2]。然而，自實(shí)施土地承包責(zé)任制以來，多年的小型農(nóng)機(jī)淺旋、秸稈不還田等耕作方式，造成耕層變淺、犁底層上移等問題。耕作是農(nóng)業(yè)田間管理的一項(xiàng)重要措施，俗話說“一年犁出病，三年沒收成”。因此，適合的耕作方式，對(duì)保護(hù)土壤結(jié)構(gòu)、促進(jìn)作物生長(zhǎng)、提高作物產(chǎn)量具有重要意義。

目前，耕作對(duì)黑土物理性質(zhì)的影響報(bào)道屢見不鮮。如張少良等[3]通過長(zhǎng)期定位試驗(yàn)，研究了少耕、旋耕和免耕秸稈覆蓋對(duì)春季耕層土壤溫度的影響，結(jié)果表明，溫度變化隨土壤深度增加出現(xiàn)滯后現(xiàn)象，免耕因具有保水性，容積熱容量較大，造成免耕秸稈覆蓋耕層土壤溫度低于其他處理，影響初春溫度的升高。劉爽等[4]以傳統(tǒng)耕作為對(duì)照，研究免耕秸稈覆蓋、少耕對(duì)土壤水分含量的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在干旱及降水量較少的條件下，免耕水分含量高于傳統(tǒng)耕作，少耕水分低于傳統(tǒng)耕作。陳學(xué)文等[5]以吉林省德惠市長(zhǎng)期定位試驗(yàn)為研究對(duì)象，探究免耕、秋翻與傳統(tǒng)耕作對(duì)土壤緊實(shí)度的影響，結(jié)果表明，免耕可增加2.5～17.5 cm土壤的緊實(shí)度。由此可見，不同耕作方式會(huì)改變農(nóng)田土壤物理性質(zhì)，影響作物生長(zhǎng)。然而，上述研究多是單一耕作方式的研究，很少研究不同耕作方式對(duì)黑土耕層土壤物理性狀與玉米生長(zhǎng)的影響。

黑土區(qū)玉米生長(zhǎng)的主要限制因子是春季低溫和干旱。黑土區(qū)“十年九春旱”，玉米旱災(zāi)已經(jīng)占農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害的60%[6]；同時(shí)，該地區(qū)春季氣溫偏低，對(duì)出苗、苗期生長(zhǎng)及產(chǎn)量具有重大影響[7]。前人關(guān)于黑土區(qū)耕作方式對(duì)土壤物理性質(zhì)研究雖然很多，但多為耕作對(duì)單個(gè)物理指標(biāo)的影響，土壤物理指標(biāo)間是共同作用于農(nóng)田作物的。

本試驗(yàn)研究黑土區(qū)不同耕作方式對(duì)玉米苗期的土壤溫度和含水量調(diào)控效應(yīng)，旨在明確耕作方式對(duì)黑土物理性狀與玉米苗期生長(zhǎng)的影響，以篩選出適宜的東北農(nóng)田黑土耕層構(gòu)建方式。

1 材料和方法

1.1 研究地區(qū)概況

試驗(yàn)地位于哈爾濱市雙城區(qū)東官鎮(zhèn)東興村(45°45′N，126°55′E)。該區(qū)域?qū)儆跍貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候，年均氣溫5.2 ℃，7月份平均溫度最高23.1 ℃，夏季炎熱多雨，冬季寒冷干燥，雨熱同季；年均降水量546.9 mm，其中，2016年6月降雨總量為600.4 mm，2017年試驗(yàn)6月降雨量312.7 mm，6-8月降水量占全年降水量的60%～70%。試驗(yàn)地土壤為黑土，質(zhì)地為重壤土，基礎(chǔ)理化性質(zhì)為：有機(jī)質(zhì)34.96 g/kg，全氮1.51 g/kg，全磷0.60 g/kg，緩效鉀863 mg/kg，堿解氮234 mg/kg，有效磷53.69 mg/kg，有效鉀231 mg/kg，pH值5.74(水土比為1.0∶2.5)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)為定位試驗(yàn)，設(shè)深翻(DN)、免耕(NN)、旋耕(RN)、深松(SN)4個(gè)處理。免耕只做耙茬處理，旋耕深度為15 cm，深松、深翻深度均為30 cm。小區(qū)面積為287.64 m2，3次重復(fù)，種植方式為平作。每年5月初播種，10月初收獲。供試玉米品種為宏碩 616，密度為4.5萬株/hm2，播種時(shí)施用福多寶緩控釋復(fù)合肥(N∶P2O5∶K2O=26∶12∶14)，一次性基施，施用量450 kg/hm2；播后采用廣譜性除草劑進(jìn)行封閉；玉米全生育期均采用機(jī)械化作業(yè)，其他田間管理同當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目及方法

1.3.1 土壤緊實(shí)度測(cè)定 每年6月15-25日測(cè)定，0～45 cm土層緊實(shí)度采用緊實(shí)度儀(SC-900型)測(cè)定，6次重復(fù)。

1.3.2 土壤溫度測(cè)定 采用智拓溫度測(cè)量?jī)x(500-E3TW)測(cè)定，深度為10，20，30 cm，S型布點(diǎn)法，5次重復(fù)，測(cè)定時(shí)間為11：00-13：00。

1.3.3 土壤水分測(cè)定 采用TDR(TRIME-IPH)測(cè)定，每處理3根，深度為10，20，30，50，70，90，120 cm，測(cè)定時(shí)間為11：00-13：00。

1.3.4 土壤有機(jī)質(zhì)、氮、磷、鉀等測(cè)定 分別采用重鉻酸鉀氧化法、半微量開氏法、堿解擴(kuò)散、HClO4-H2SO4法等[8]測(cè)定。

1.3.5 植株根系測(cè)定 2016年6月15日和2017年6月25日每個(gè)處理采集10株玉米植株，用鍬挖30 cm深度，清除大土塊，連同植株帶回實(shí)驗(yàn)室用水洗凈。用直尺測(cè)定植株根長(zhǎng)和株高，2016年利用根系掃描儀(WinRHIZO)測(cè)定根體積、根表面積及根尖數(shù)。

1.3.6 玉米苗期地上部和地下部生物量測(cè)定 將1.3.5采集的玉米植株，地上部和地下部分離殺青、烘干后稱重。

1.3.7 玉米產(chǎn)量測(cè)定 每年10月初收獲時(shí)測(cè)定，每重復(fù)取4行，每行連續(xù)取10株果穗，脫粒、烘干稱重，折算出(按籽粒含水率15%)籽粒產(chǎn)量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2010和SPSS 19進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同耕作方式對(duì)玉米苗期土壤水分含量的影響

從圖1可以看出，農(nóng)田黑土水分隨土層加深呈現(xiàn)增加趨勢(shì)。從2016年變化看出，水分含量為22.11%～32.78%；與DN相比，10 cm土層RN和NN水分含量增加，增幅分別為0.032,0.023個(gè)百分點(diǎn)，而SN水分含量降低，與DN相比降幅為1.52%；與DN相比，15～60 cm土層其他處理土壤水分含量均降低，20 cm土層SN水分減少最多，降幅為0.062個(gè)百分點(diǎn)。說明NN減少表層水分蒸發(fā)，增加土壤表層水分含量；SN處理降低了10～60 cm土壤水分，DN處理使土壤水分在20～60 cm土層滯留。不同處理耕層(0～20 cm)儲(chǔ)水量大小為DN>RN>NN>SN，SN儲(chǔ)水量比DN降低0.085個(gè)百分點(diǎn)。由2017年變化看出，干旱時(shí)水分變化幅度加大，水分含量為6.85%～33.26%，10 cm土壤水分為SN低于其他處理，NN高于其他處理。不同處理耕層(0～20 cm)儲(chǔ)水量大小為NN>RN>DN>SN，NN耕層儲(chǔ)水量比DN高0.036個(gè)百分點(diǎn)，SN與DN相比降低0.066個(gè)百分點(diǎn)。說明NN處理在干旱年份或干旱地區(qū)具有保水作用，有利于苗期作物生長(zhǎng)；SN有利于耕層水分的入滲。

圖1 玉米苗期不同耕作處理土壤平均含水率Fig.1 Soil moisture content of different tillage treatments in maize seedling stage

2.2 不同耕作方式對(duì)玉米苗期土壤溫度的影響

從圖2可以看出，隨土層加深土溫呈下降趨勢(shì)。2016年各處理土溫變化顯示，NN處理0～10 cm土溫降低明顯，與DN相比溫度降低0.7 ℃，0～10 cm土溫與其他處理均存在顯著差異。2017年數(shù)據(jù)表明，與DN處理相比NN和RN分別使0～10 cm土壤溫度降低1.5，1.3 ℃。說明NN處理可以有效降低溫度，在東北地區(qū)溫度是制約玉米生長(zhǎng)的重要因素，溫度降低，使玉米苗期生長(zhǎng)發(fā)育緩慢。

不同字母表示差異顯著P<0.05。Different letters indicate significant difference at P<0.05.

2.3 不同耕作方式對(duì)玉米苗期土壤緊實(shí)度的影響

從圖3苗期土壤緊實(shí)度變化可以看出，隨著土層深度向下農(nóng)田黑土緊實(shí)度逐漸增大。從2016年數(shù)據(jù)看出，0～22.5 cm土壤緊實(shí)度急劇增加，22.5 cm土層以下則變化趨于平緩；與DN處理相比，0～7.5 cm各處理土壤緊實(shí)度均增加，NN增量最大，最大增幅為314.6 kPa；7.5～20.0 cm土層SN緊實(shí)度最小，SN最大降幅為220.8 kPa，NN緊實(shí)度最大；30.0～40.0 cm土層NN緊實(shí)度逐漸減小。2017年變化趨勢(shì)基本與2016年一致，2017年NN最大增幅為489.3 kPa，SN最大降幅為197.3 kPa。

圖3 不同耕作處理的土壤緊實(shí)度Fig.3 Soil compaction in different tillage treatments

2.4 不同耕作方式對(duì)玉米苗期生長(zhǎng)的影響

從表1，2可以看出，2016年玉米苗期地上部干質(zhì)量、根干質(zhì)量、根體積、根表面積呈SN>DN>RN>NN趨勢(shì)，與DN相比，SN處理根長(zhǎng)度、根體積、根表面積、根干質(zhì)量均呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，分別增加4.54%，19.21%，18.57%，14.12%；2017年根長(zhǎng)大小表現(xiàn)為SN>DN>NN>RN，SN與DN相比增加0.58 cm，根干質(zhì)量大小表現(xiàn)為SN>DN >RN>NN，SN與DN相比增加0.40 g，NN處理植株干質(zhì)量比DN降低58.09%。株高和地上部干質(zhì)量為DN處理最優(yōu)，表明SN有效促進(jìn)玉米苗期根系生長(zhǎng)，有利于干質(zhì)量積累。根尖數(shù)大小表現(xiàn)出DN>SN>NN>RN的趨勢(shì)，平均直徑則為RN>SN>DN>NN。2016年玉米產(chǎn)量表現(xiàn)為SN>DN>RN>NN，SN與DN相比產(chǎn)量增加0.13 t/hm2；與NN相比SN增產(chǎn)7.12%，2017年產(chǎn)量大小為SN>DN>NN>RN，SN與DN相比增產(chǎn)0.12 t/hm2。與DN處理相比，SN處理有利于玉米根體積、根表面積、根長(zhǎng)度等指標(biāo)的增加，養(yǎng)分吸收面積加大，根系干質(zhì)量提高。NN處理對(duì)玉米苗期生長(zhǎng)具有負(fù)向影響，盡管使土壤墑情改善，但是地溫降低、土壤緊實(shí)度增大，不利于苗期根系伸展和生長(zhǎng)，產(chǎn)量較低。

表1 玉米苗期根系特性Tab.1 Characteristics of maize seedling root system

注：不同小寫字母表示差異顯著P<0.05。表2同。
Note：Different lowercase letters indicate significant difference at P<0.05.The same as Tab.2.

表2 玉米苗期生物量與產(chǎn)量Tab.2 Maize seedling biomass and yield

2.5 玉米苗期生長(zhǎng)狀況與耕層土壤物理性質(zhì)之間線性分析

表3為苗期根系指標(biāo)與耕層物理性質(zhì)之間線性分析。將數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，結(jié)果顯示，溫度和玉米苗期指標(biāo)線性關(guān)系中斜率為正數(shù)且在各指標(biāo)中最大，但相關(guān)性不顯著，說明溫度能促進(jìn)玉米植株生長(zhǎng)發(fā)育，但影響較小。水分對(duì)玉米苗期根長(zhǎng)和株高線性關(guān)系中斜率為最大負(fù)值，水分與根長(zhǎng)數(shù)據(jù)間相關(guān)性顯著，說明水分對(duì)玉米苗期根長(zhǎng)生長(zhǎng)具有阻礙作用;緊實(shí)度和根重、地上部重均具有顯著負(fù)相關(guān)，說明緊實(shí)度對(duì)玉米干物質(zhì)形成影響較大。

表3 2016年6月苗期根系指標(biāo)與耕層物理性質(zhì)之間線性分析Tab.3 2016 year，the linear analysis between the root index of the seedling stageand the physical properties of the plough layer in June

注：*.數(shù)據(jù)間相關(guān)性顯著。
Note：*.The correlation between data is significant.

3 討論與結(jié)論

3.1 耕作方式對(duì)玉米苗期土壤物理性質(zhì)的影響

土壤水分、溫度及緊實(shí)度對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育具有重要作用[9-11]。在2年試驗(yàn)中，免耕處理土壤10 cm水分含量增加，土壤溫度降低，明顯影響了玉米苗期的生長(zhǎng)；在2016年與深翻相比深松降低了10～60 cm土壤含水量，使耕層土壤含水量降低，且10～20 cm土層較疏松，在深翻處理20～60 cm土壤含水量高于其他處理，土壤犁底層不明顯，這與王巖等[12]在冀西北栗鈣土中得出的松耕、翻耕和免耕對(duì)土壤含水量影響結(jié)果不一致，可能是由于黑土質(zhì)地是偏重壤，透水性比栗鈣土差。深松打破了長(zhǎng)期傳統(tǒng)深翻形成的犁底層，增加了通氣孔隙，利于水分下移[13-14]，試驗(yàn)第1年降水量高，能突顯深松促進(jìn)水分入滲的優(yōu)勢(shì)；深翻切斷了土壤孔隙，加上犁底層的阻隔作用，減弱了土壤水分的入滲速率[15]，使水分向下運(yùn)動(dòng)受阻，造成DN土壤水分在20～60 cm土層滯留，使60～120 cm土壤水分減少；免耕減少表層水分蒸發(fā)，提高表層含水量，與楊永輝等[16-18]研究結(jié)果相符，與深翻處理相比，2017年降雨少，免耕的特點(diǎn)表現(xiàn)突出。2017年免耕處理增加耕層儲(chǔ)水量，NN儲(chǔ)水量比DN高3.62%，因?yàn)橥寥牢催M(jìn)行翻動(dòng)，沒有改變孔隙比例，土壤水分蒸發(fā)作用弱，含水量增加，土壤熱容量和導(dǎo)熱率增大，導(dǎo)致土溫變化滯后性加強(qiáng)[19]，0～10 cm土層溫度降低。

3.2 耕作方式對(duì)玉米苗期生長(zhǎng)的影響

耕作可以改變土壤環(huán)境，從而對(duì)玉米根系生長(zhǎng)發(fā)育產(chǎn)生影響，也影響地上部發(fā)育和產(chǎn)量形成[20-21]。深松可以降低土壤緊實(shí)度，打破犁底層，促進(jìn)玉米根系深扎及長(zhǎng)發(fā)育[22]。本試驗(yàn)表明，在2016年與深翻相比，深松降低了土壤含水量、緊實(shí)度，有效促進(jìn)玉米苗期根長(zhǎng)度、根體積、根表面積及根干質(zhì)量的增長(zhǎng)，增量分別為4.54%，19.21%，18.57%，14.12%，為玉米后期生長(zhǎng)發(fā)育奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)，2016年(水分充沛)SN與DN相比產(chǎn)量增加0.13 t/hm2，2017年(干旱年)SN與DN相比增產(chǎn)0.12 t/hm2；免耕具有保水性，2017年產(chǎn)生減產(chǎn)的原因是由于NN處理干旱出苗不齊，進(jìn)行補(bǔ)種，使玉米苗期植株干質(zhì)量比DN降低58.09%，導(dǎo)致干旱年份NN產(chǎn)量較低。免耕表層土壤含水量，緊實(shí)度均有所增加，而根長(zhǎng)度、根體積、根表面積、根平均直徑及根干質(zhì)量均降低，說明免耕處理土壤緊實(shí)度增加以及土壤溫度的降低不利于苗期根系生長(zhǎng)，減少了干物質(zhì)積累，從而導(dǎo)致與DN相比產(chǎn)量降低。

在2016年水分充沛時(shí)，SN降低10～60 cm土層水分含量，而DN土壤水分在20～60 cm土層滯留。在2017年干旱時(shí)，NN處理0～20 cm土層儲(chǔ)水量比DN高3.62%。NN降低苗期表層(0～10 cm)土溫，2016年和2017年分別降低0.7，1.5 ℃。試驗(yàn)?zāi)攴軸N有效降低10～20 cm土層緊實(shí)度，NN處理0～20 cm土層緊實(shí)度最大。玉米苗期SN處理根干質(zhì)量、根體積、根長(zhǎng)、根表面積、產(chǎn)量均優(yōu)于其他處理。線性回歸分析得出，耕層緊實(shí)度對(duì)玉米苗期干物質(zhì)積累影響效果顯著。綜上，本試驗(yàn)條件下，SN處理降低土壤耕層緊實(shí)度，促進(jìn)苗期玉米根長(zhǎng)度、根表面積、根體積生長(zhǎng)，利于產(chǎn)量增加；NN干旱時(shí)提高耕層(0～20 cm)水分，降低土壤(0～10 cm)溫度，不利于玉米苗期生長(zhǎng)發(fā)育，降低玉米產(chǎn)量。