關(guān)劼兮, 陳素英, 邵立威, 張玉銘, 張喜英, 路 楊, 閆宗正

華北典型區(qū)域土壤耕作方式對土壤特性和作物產(chǎn)量的影響*

關(guān)劼兮1,2, 陳素英1**, 邵立威1, 張玉銘1, 張喜英1, 路 楊1,2, 閆宗正1,2

(1. 中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所農(nóng)業(yè)資源研究中心/中國科學(xué)院農(nóng)業(yè)水資源重點實驗室/河北省節(jié)水農(nóng)業(yè)重點實驗室 石家莊 050022; 2. 中國科學(xué)院大學(xué) 北京 100049)

華北平原是我國重要的小麥玉米種植區(qū), 長期土壤旋耕免耕和秸稈全量還田帶來耕層變淺、犁底層變厚和上移、土壤養(yǎng)分表聚等現(xiàn)象, 通過耕作方式改變, 解決上述問題對維持區(qū)域糧食生產(chǎn)有重要意義。試驗以冬小麥-夏玉米輪作系統(tǒng)為研究對象, 分別在代表華北平原高產(chǎn)區(qū)的欒城試驗區(qū)和代表中低產(chǎn)區(qū)的南皮試驗區(qū)進行, 設(shè)置冬小麥播種前進行土壤深耕、深松、窄深松3種處理, 以生產(chǎn)上常用的旋耕為對照。所有處理夏玉米季均采用土壤免耕播種, 測定項目包括土壤容重、作物根系、作物產(chǎn)量和水分利用效率。結(jié)果表明, 不同耕作方式對土壤特性和作物產(chǎn)量的影響具有區(qū)域差異。南皮試驗區(qū)土壤深耕(松)顯著地(<0.05)提高了作物產(chǎn)量, 深耕、深松和窄深松處理的冬小麥產(chǎn)量比旋耕分別增加16.5%、19.3%和13.1%, 夏玉米產(chǎn)量分別增加17.3%、16.2%和21.9%, 周年產(chǎn)量分別增加16.9%、17.6%和17.8% ; 深耕、深松和窄深松處理間作物產(chǎn)量差異不顯著。欒城試驗區(qū)冬小麥、夏玉米產(chǎn)量和周年產(chǎn)量各處理之間差異不顯著。土壤深耕、深松、窄深松和旋耕均能降低0~20 cm土層土壤緊實度和土壤容重。冬小麥播種后, 與土壤耕作前比較, 土壤深耕、深松和旋耕處理土壤緊實度南皮試驗區(qū)分別平均降低71.6%和68.2%, 欒城試驗區(qū)分別降低88.8%和-7.7%, 常用的旋耕模式在欒城試區(qū)沒有降低土壤緊實度。小麥?zhǔn)斋@時不同耕作方式0~40 cm土層的土壤容重均低于土壤耕作前的土壤容重, 至夏玉米收獲時不同耕作處理的土壤容重與耕作前基本一致, 不同耕作處理對土壤容重的影響差異不顯著。在南皮試驗區(qū), 3種耕作方式與旋耕相比, 均顯著提高了冬小麥和夏玉米水分利用效率; 在欒城試驗區(qū), 各處理冬小麥和夏玉米水分利用效率差異不顯著。本研究結(jié)果顯示在華北平原高產(chǎn)區(qū)連續(xù)實施土壤旋耕模式?jīng)]有影響作物產(chǎn)量, 而在中低產(chǎn)區(qū)實施土壤深耕或者深松模式更利于作物產(chǎn)量提高。

小麥玉米一年兩熟; 高產(chǎn)區(qū); 中低產(chǎn)區(qū); 耕作方式; 土壤容重; 產(chǎn)量構(gòu)成; 水分利用效率

華北平原是我國重要的糧食生產(chǎn)基地之一, 70%以上的耕地實施冬小麥()和夏玉米()一年兩熟輪作制。20世紀80年代開始, 隨著秸稈焚燒的禁止, 秸稈機械化還田和土壤旋耕作業(yè)迅速發(fā)展, 土壤耕作采用冬小麥旋耕后播種, 夏玉米免耕播種, 秸稈全量還田。由于長期實施單一土壤免耕、旋耕和秸稈還田, 加上農(nóng)業(yè)全程機械化生產(chǎn)對土壤的壓實作用, 導(dǎo)致耕層變淺、犁底層加厚、土壤容重增大、耕層有效土量減少、土壤養(yǎng)分表聚等土壤退化特征突出[1-2], 嚴重阻礙了作物根系的深層分布和水肥吸收功能[3-5], 降低了作物的水肥資源利用率, 限制了作物產(chǎn)量的提高[6-9]。因此, 改進土壤耕作方式對緩解土壤退化, 提升糧食持續(xù)生產(chǎn)具有重要意義。

傳統(tǒng)的深耕(松)可以拓展土壤耕層深度, 打破犁底層, 改善耕層土壤物理性狀, 從而促進作物生長, 提高作物的水分利用效率和產(chǎn)量[10-13]。通過深耕可以將聚集在上層土壤中多年未分解的秸稈翻壓到耕層以下, 加速其分解, 解決養(yǎng)分表聚問題[14-15]。同時, 深耕可減少作物土傳病蟲害的發(fā)生[16]; 深松可有效打破犁底層的限制, 促進作物根系深扎[17], 降低土壤緊實度和容重[18], 構(gòu)建疏松的土壤耕層, 提高土壤的蓄水和保水能力, 提高作物產(chǎn)量[19]。通過深耕(松)改善土壤理化性狀、提高土壤蓄水保水保肥能力已成為該領(lǐng)域研究熱點。

土壤深松技術(shù)在華北平原實施多年, 關(guān)于深松對土壤理化性狀、作物產(chǎn)量、水分利用效率、作物根系和深松深施肥等方面的影響前人已經(jīng)進行了大量研究, 但大部分研究是同一地點進行, 對不同區(qū)域不同土壤類型、氣候條件和灌溉方式下的比較研究較少, 不同區(qū)域土壤最適宜的土壤耕作模式也不明確。本文通過研究了不同區(qū)域土壤深耕(松)對作物產(chǎn)量、產(chǎn)量構(gòu)成、土壤容重和作物根系的影響, 提出適合不同區(qū)域的土壤耕作模式。

1 材料與方法

1.1 試驗地點描述

試驗于2016年10月—2017年9月分別在華北平原的中國科學(xué)院欒城農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)試驗站(以下簡稱欒城試驗區(qū), LC)和中國科學(xué)院南皮生態(tài)農(nóng)業(yè)試驗站(以下簡稱南皮試驗區(qū), NP)進行。根據(jù)河北省2015年農(nóng)村統(tǒng)計年鑒, 南皮縣的冬小麥和夏玉米產(chǎn)量分別為6 049.5 kg?hm-2和5 367.0 kg?hm-2, 欒城縣分別為7 606.8 kg?hm-2和7 876.8 kg?hm-2。南皮縣產(chǎn)量較低的主要原因一是該區(qū)歷史上土壤鹽漬化較嚴重, 20世紀90年代以后隨著區(qū)域地下水位下降, 土壤逐漸脫鹽, 但大部分土壤仍為輕度鹽漬化; 二是該區(qū)域農(nóng)田化肥投入一直處于較低水平, 2015年統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明, 南皮縣的化肥投入平均為306.6 kg?hm-2, 欒城縣為476.8 kg?hm-2。根據(jù)作物產(chǎn)量水平, 欒城試驗區(qū)代表華北平原的高產(chǎn)區(qū), 南皮試驗區(qū)代表中低產(chǎn)區(qū)。

欒城試驗區(qū)位于37°53￠N、114°41￠E, 海拔50.1 m。屬于暖溫帶半濕潤、半干旱季風(fēng)氣候, 雨熱同期, 年平均氣溫12.0 ℃, 年日照時數(shù)2 608 h, 多年平均降雨量480 mm, 土壤為褐土類灰黃土種, 土壤質(zhì)地以壤土為主, 地下水埋深42 m[20]。南皮試驗區(qū)位于38°06′N、116°40′E, 海拔20 m。屬于暖溫帶半濕潤季風(fēng)氣候區(qū), 年均氣溫12.3 ℃, 年日照時數(shù)2 938.6 h, 年均降水量524.5 mm, 土壤類型為潮土, 土壤質(zhì)地以壤土為主[21-22], 淺層地下水位埋深2~10 m, 為微咸水(礦化度≤3 g?L-1)[23]。兩個試驗區(qū)的種植制度均為冬小麥-夏玉米一年兩熟制, 兩季秸稈長期連續(xù)全量還田。冬小麥秸稈覆蓋還田, 即冬小麥機械收獲時同時將秸稈拋撒地表, 夏玉米免耕播種, 夏玉米生育期粉碎的小麥秸稈一直在地表覆蓋。夏玉米秸稈粉碎還田, 即夏玉米收獲后利用秸稈粉碎機機械粉碎后, 土壤旋耕(7~10 cm), 粉碎的玉米秸稈與表層0~10 cm土壤混合。兩個站點的試驗地土壤養(yǎng)分背景值詳見表1。0~20 cm土壤有機質(zhì)、全氮、速效氮、速效鉀和速效磷含量欒城試驗區(qū)比南皮試驗區(qū)分別高43.1%、34.3%、57.1%、3.4%和-27.5%, 南皮試驗區(qū)土壤速效磷含量高于欒城試驗區(qū), 其他土壤養(yǎng)分含量均低于欒城試驗區(qū)。

表1 南皮試驗區(qū)和欒城試驗區(qū)土壤養(yǎng)分含量(2016年10月)

1.2 試驗處理

兩個試驗區(qū)的試驗處理相同, 都是在連續(xù)多年秸稈全量還田和土壤旋耕的基礎(chǔ)上進行。試驗共設(shè)置4個處理: 1)土壤常規(guī)旋耕(CK), 9月底至10月初夏玉米收獲后, 用玉米秸稈粉碎機(165型)將玉米秸稈粉碎2遍, 用旋耕犁(1GKNB-420型變速)旋耕2遍, 深度為7~10 cm, 粉碎的玉米秸稈與表層0~10 cm土壤混合, 立即播種冬小麥; 2)土壤深耕(deep tillage, DT), 夏玉米秸稈粉碎后用1L-435深耕犁深耕1遍,深度為20~25 cm, 隨著表層土壤翻轉(zhuǎn), 粉碎的玉米秸稈分布于0~25 cm土壤, 旋耕1遍后播種小麥; 3)土壤深松(subsoiling, SS), 夏玉米秸稈粉碎后用深松犁(1S-200L)深松, 深度為30~35 cm, 2個深松犁之間的寬度為60 cm, 深松后旋耕1遍播種小麥, 深松處理的玉米秸稈分布于0~10 cm土壤; 4)土壤窄深松(narrow subsoiling, NSS): 作業(yè)方式和機具與SS處理相同, 由于2個深松犁之間的寬度為30 cm, 相對于SS處理較窄。4個處理的冬小麥采用2BXF-18小麥播種機播種, 播種后立即擦地。玉米采用2BYFSF玉米播種機播種。試驗小區(qū)面積7 m × 8 m, 4次重復(fù)。

1.3 試驗管理

欒城試驗區(qū)和南皮試驗區(qū)試驗的冬小麥品種分別為‘科農(nóng)199’和‘衡5229’, 夏玉米品種分別為‘鄭單958’和‘華農(nóng)866’, 均為當(dāng)?shù)刂髟云贩N。灌溉方式欒城站為噴灌, 南皮站為畦灌, 小麥生育期灌溉均為拔節(jié)期灌溉1水, 灌溉時用水表計量, 灌溉量為 750 m3?hm-2。欒城試驗區(qū)冬小麥底肥施用磷酸二胺復(fù)合肥和尿素, N為125 kg?hm-2, P2O5為158 kg?hm-2,拔節(jié)期追尿素N 105?hm-2; 玉米一次底施玉米專用肥(28-5-7) 715 kg?hm-2。南皮試驗區(qū)冬小麥底肥施用磷酸二胺復(fù)合肥和尿素, N為140 kg?hm-2, P2O5為150 kg?hm-2, 拔節(jié)期追尿素N 140 kg?hm-2; 玉米一次底施玉米專用肥(28-5-7)900 kg?hm-2。

欒城試驗區(qū)小麥播種和收獲時間分別為2016年10月8日和2017年6月8日, 播種量為300 kg?hm-2; 夏玉米播種和收獲時間分別為2017年6月10日和2017年9月29日, 播種量為45 kg?hm-2。南皮試驗區(qū)小麥播種和收獲時間分別為2016年10月21日和2017年6月10日, 播種量為450 kg?hm-2; 夏玉米的播種和收獲時間分別為2017年6月15日和2017年10月5日, 播種量為45 kg?hm-2。

1.4 參數(shù)測定及計算方法

土壤容重: 分別在試驗開始前、冬小麥?zhǔn)斋@期和夏玉米收獲期, 用環(huán)刀法分層測定0~40 cm土層土壤容重, 每10 cm一層, 每個處理測定3次重復(fù)。將不銹鋼環(huán)刀中的原狀土樣轉(zhuǎn)移到鋁盒中, 在 105 ℃下烘 24 h 稱重, 計算單位體積中烘干土的質(zhì)量。

土壤緊實度: 在試驗開始前和冬小麥播種后, 采用SC-900土壤堅實度儀測定(SPECTRUM, USA), 測定總深度為0~45 cm, 每2.5 cm測定1個數(shù)據(jù), 每個處理測定6次重復(fù)。

小麥根長密度: 在冬小麥成熟時,用直徑10 cm的根鉆取0~10 cm土壤樣品, 取樣時根鉆中心置于作物行上和行間交界處, 10 cm為1個層次, 共10個深度。每個處理層4個重復(fù)。取樣后立即帶回實驗室, 用0.25 mm土壤篩洗凈根系, 去除雜質(zhì), 然后用1.27 cm刻度根盤測量根長。用測定的不同深度根長值, 計算根長密度(RLD)。根長密度定義為單位土壤體積中的根長, 單位為cm?cm-3。不同取樣地點某一特定深度的根長密度為4個取樣重復(fù)的平均值。

土壤含水量: 采用土鉆法取土烘干, 每20 cm為1層, 每個處理測定3次重復(fù)。

農(nóng)田耗水(ET)根據(jù)水量平衡公式計算:

ET=SWD+++--R (1)

式中: ET為作物實際耗水量(mm), SWD為生育期土壤水分消耗量(mm),為降雨量(mm),為灌溉量(mm),為土壤毛細管提升水(mm),為水分下滲量(mm),為地表徑流量(mm)。試驗期間沒有發(fā)現(xiàn)地表徑流,忽略不計; 欒城試驗區(qū)水位埋深40 m, 南皮試驗區(qū)的地下水位埋深雖然較淺, 本文中只計算了0~1 m的土壤消耗, 土壤毛細管提升值可以忽略。在本試驗中和值設(shè)定為0。因此, 公式(1)可以簡化為ET=SWD++–。公式中的根區(qū)土壤水分下滲量()根據(jù)文獻[24]計算。

水分利用效率(WUE, kg?cm-3)計算公式為:

WUE=/ET (2)

式中:為經(jīng)濟產(chǎn)量(kg?hm-2), ET為農(nóng)田耗水量(mm)。

冬小麥和夏玉米產(chǎn)量、生物量、產(chǎn)量構(gòu)成測定: 冬小麥和夏玉米收獲時各小區(qū)單獨收獲, 脫粒曬干后計算小麥和玉米籽粒產(chǎn)量, 折算成單產(chǎn)。并隨機在每個小區(qū)內(nèi)選擇60穗小麥和3株玉米考種, 考種項目包括生物量、穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒重。

1.5 氣象數(shù)據(jù)

欒城試驗區(qū)的氣象數(shù)據(jù)來自本試驗站建有的標(biāo)準(zhǔn)氣象站, 氣象站距離試驗地50 m。南皮試驗區(qū)的氣象數(shù)據(jù)來自距離該試驗站最近的國家標(biāo)準(zhǔn)氣象站——泊頭氣象站(38°08￠N, 116°55￠E, 海拔13.2 m)。

1.6 數(shù)據(jù)處理

各處理取多次重復(fù)測定的數(shù)據(jù)計算平均值, 并計算標(biāo)準(zhǔn)偏差; 方差和相關(guān)性分析用SPSS 11.0進行, 用SPSS軟件分析不同處理間顯著性。用Excel軟件做圖, 處理之間的顯著性分析均在<0.05水平。

2 結(jié)果與分析

2.1 試驗期間氣象條件

南皮和欒城試驗區(qū)氣象條件存在較大差異。表2為試驗期間冬小麥和夏玉米生育期主要氣象因素比較?？梢钥闯? 兩試驗區(qū)冬小麥生育期≥10 ℃積溫、日均溫和降雨量基本相同; 日照時數(shù)相差較大, 南皮試驗區(qū)生育期總?cè)照諘r數(shù)比欒城試驗區(qū)高20.0%。夏玉米生育期≥10 ℃積溫基本相同, 南皮試驗區(qū)比欒城試驗區(qū)降雨量高116.2%, 日均溫高20.2%, 日照時數(shù)高8.3%。冬小麥和夏玉米生育期每月日照時數(shù)和每天的溫度日較差見圖1, 南皮試驗區(qū)的月日照時數(shù)和溫度日較差均高于欒城試驗區(qū)。

表2 南皮試驗區(qū)和欒城試驗區(qū)冬小麥和夏玉米生育期氣象因素

圖1 南皮試驗區(qū)(南皮)和欒城試驗區(qū)(欒城)逐月日照時數(shù)和溫度日較差(2016年10月至2017年9月)

2.2 耕作方式對土壤緊實度和容重的影響

土壤緊實度和土壤容重是土壤耕性的重要指標(biāo), 緊實度和容重大的土壤影響水分入滲、根系下扎和肥料利用效率。2016年11月小麥播種后進行了土壤緊實度的測定, 結(jié)果表明, 土壤深耕(松)可以降低土壤耕層的緊實度(圖2)。在南皮試驗區(qū), 與土壤耕作前相比, 不同土壤耕作均降低0~20 cm土壤緊實度, 深耕、深松、窄深松和旋耕分別降低69.7%、72.7%、72.5%和68.2%, 處理間差異不顯著。20~45 cm分別降低6.7%、14.0%、28.7%和-7.0%, 土壤旋耕處理的緊實度大于耕作前, 窄深松處理與其他3個處理間差異顯著(<0.05), 其他3個處理間差異不顯著。0~20 cm土壤緊實度降低程度大于20~45 cm。在欒城試驗區(qū), 與土壤耕作前相比, 不同土壤耕作均降低0~20 cm和20~45 cm的土壤緊實度。0~20 cm深耕、深松、窄深松和旋耕分別降低52.0%、53.3%、161.0%和-7.7%, 土壤旋耕緊實度大于土壤耕作前, 窄深松的緊實度下降最明顯。20~45 cm深耕、深松、窄深松和旋耕分別降低31.0%、35.1%、65.0%和41.7%, 土壤緊實度降低程度大于南皮試驗區(qū)。兩個區(qū)域土壤緊實度比較, 南皮的土壤緊實度最大值位于2 000~2 500 kPa, 欒城的土壤緊實度最大值位于2 500~3 000 kPa, 欒城的土壤緊實度最大值大于南皮。

土壤深耕(松)可以降低土壤耕層的容重(圖3)。南皮試驗區(qū)冬小麥播種前(2016年10月)進行土壤深耕、深松、窄深松和旋耕后, 冬小麥?zhǔn)斋@時(2017年6月)的土壤容重與播種前比較, 0~40 cm土壤容重均出現(xiàn)了顯著降低(<0.05); 夏玉米收獲時(2017年10月)土壤容重與播種前相差不大。土壤深耕和深松處理在夏玉米收獲時, 20 cm土層土壤容重仍低于播種前, 而窄深松和旋耕處理則與播種前的土壤容重基本相同。欒城試驗區(qū)的土壤容重變化與南皮站基本一致, 小麥?zhǔn)斋@時與播種前相比土壤容重都出現(xiàn)了降低, 但降低不顯著(<0.05)。夏玉米收獲時土壤容重與播種前的容重相差不大, 20 cm處土壤深耕(松)處理的土壤容重低于播種前處理。

2.3 耕作方式對冬小麥根系的影響

根長密度是反映作物根系生長發(fā)育狀況的指標(biāo)之一, 不同耕作方式下冬小麥?zhǔn)斋@時的根長密度詳見圖4?？梢钥闯? 兩個試驗區(qū)冬小麥根長密度分布趨勢一致, 均表現(xiàn)為表層大于下層。0~100 cm平均根長密度南皮試驗區(qū)為1.26 cm?cm-3, 欒城試驗區(qū)為1.42 cm?cm-3, 欒城試驗區(qū)比南皮高12.7%。分層來看0~20 cm土層平均根長密度兩試驗區(qū)基本相同, 但20~40 cm和40~100 cm平均根長密度欒城比南皮分別高20.0%和21.4%。從耕作方式對冬小麥根長密度的影響來看, 欒城試驗區(qū)和南皮試驗區(qū)耕作方式對冬小麥根長密度的影響均不顯著。

圖2 不同耕作措施對南皮試驗區(qū)(a)和欒城試驗區(qū)(b)小麥苗期土壤緊實度的影響(2016年11月)

CK: rotary tillage; DT: deep tillage; SS: subsoiling; NSS: narrow subsoiling.

圖3 不同耕作措施對南皮試驗區(qū)和欒城試驗區(qū)冬小麥和夏玉米收獲時土壤容重的影響

DT: deep tillage; SS: subsoiling; NSS: narrow subsoiling; CK: rotary tillage.

2.4 耕作方式對土壤水分和作物水分利用效率的影響

土壤水分是供給作物用水的重要來源。不同耕作方式對土壤水分的影響具有相同的趨勢, 圖5為代表性的深耕和旋耕處理對土壤水分的影響?？梢钥闯? 無論是旋耕還是深耕處理, 小麥從播種到收獲, 南皮試驗區(qū)0~2 m土壤水分高于欒城試驗區(qū)。小麥?zhǔn)斋@時, 欒城0~2 m土壤含水量從上至下為10%左右, 整體處于較低狀態(tài); 南皮試驗區(qū)0~1 m土層含水量很低, 表層基本達到凋萎濕度, 但1~2 m土壤含水量較高。至夏玉米收獲時, 隨著夏玉米生育期灌溉和降雨的補充, 土壤含水量整體比冬小麥?zhǔn)斋@時提高, 南皮試驗區(qū)由于降雨遠高于欒城試驗區(qū), 其1~2 m土層的土壤含水量較高。

圖4 耕作方式對欒城試驗區(qū)和南皮試驗區(qū)冬小麥?zhǔn)斋@期根長密度的影響

CK: rotary tillage; DT: deep tillage; SS: subsoiling; NSS: narrow subsoiling.

圖5 旋耕和深耕處理下南皮試驗區(qū)和欒城試驗區(qū)不同時間土壤含水量的變化

在南皮試驗區(qū), 深耕(松)處理顯著增加了冬小麥和夏玉米的水分利用效率(表3)。與CK相比, 深耕、深松和窄深松處理使冬小麥的水分利用效率分別提高27.8%、23.8%和25.8%, 夏玉米的水分利用效率分別提高14.1%、11.6%和18.7%, 周年水分利用效率分別提高20.1%、17.2%和22.4%, 與CK處理均達到顯著水平(<0.05)。在欒城試驗區(qū), 深耕(松)處理對冬小麥和夏玉米水分利用效率的影響不顯著。

表3 不同耕作方式對南皮試驗區(qū)和欒城試驗區(qū)冬小麥和夏玉米水分利用效率的影響

同列不同小寫字母表示不同處理間在<0.05水平差異顯著。Different lowercase letters in the same column mean significant differences among treatments at 0.05 level.

2.5 耕作方式對冬小麥和夏玉米產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響

對長期秸稈還田和土壤旋耕的農(nóng)田, 冬小麥播種前進行土壤深耕和深松處理, 兩個試驗區(qū)域?qū)Χ←満拖挠衩桩a(chǎn)量的影響不同(表4)。

南皮試驗區(qū)不同耕作方式對冬小麥和夏玉米均具有增產(chǎn)效應(yīng), 夏玉米的增產(chǎn)效應(yīng)稍高于冬小麥。深耕、深松和窄深松處理冬小麥產(chǎn)量分別比CK顯著增加16.5%、19.3%和13.1%(<0.05), 但深耕、深松和窄深松處理間差異不顯著。土壤耕作方式對夏玉米產(chǎn)量也具有顯著(<0.05)增產(chǎn)作用, 深耕、深松和窄深松處理分別比CK增產(chǎn)17.3%、16.2%和21.9%。深松和深耕均提高了夏玉米的穗數(shù), 深耕、深松和窄深松處理穗數(shù)分別比CK提高8.0%、6.2%和21.8%, 窄深松處理與CK差異顯著。與CK相比不同耕作處理夏玉米千粒重差異不顯著。

欒城試驗區(qū)不同土壤耕作方式對冬小麥和夏玉米的增產(chǎn)效應(yīng)不顯著。窄深松處理的冬小麥產(chǎn)量最高, 比CK增產(chǎn)7.6%, 深耕、深松和CK之間產(chǎn)量差異不顯著, 與窄深松產(chǎn)量差異顯著(<0.05)。土壤深耕松對玉米產(chǎn)量的增產(chǎn)效果不顯著。深耕、深松和窄深松與CK處理的夏玉米產(chǎn)量差異不顯著。深耕和窄深松均提高了夏玉米的穗數(shù)(<0.05), 分別比CK提高17.9%和14.5%, 深松處理的穗數(shù)高于CK, 差異不顯著。

南皮試驗區(qū)土壤深耕、深松和窄深松的周年產(chǎn)量分別比CK顯著(<0.05)提高16.9%、17.6%和17.8%; 欒城試驗區(qū)增產(chǎn)不顯著。

表4 不同耕作處理對冬小麥和夏玉米產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成的影響

CK: 常規(guī)旋耕; DT: 深耕; SS: 深松; NSS: 窄深松。同列同一試驗區(qū)不同小寫字母表示<0.05水平差異顯著。CK: rotary tillage; DT: deep tillage; SS: subsoiling; NSS: narrow subsoiling. Different lowercase letters in the same column for the same experiment site mean significant differences among treatments at 0.05 level.

3 結(jié)論與討論

3.1 討論

研究結(jié)果表明, 針對華北平原冬小麥-夏玉米一年兩熟制長期單一旋耕和免耕的農(nóng)田, 在冬小麥播種前進行深耕(松)處理不僅提高了當(dāng)季冬小麥的產(chǎn)量, 對下茬夏玉米也具有增產(chǎn)作用, 這與其他同類型地區(qū)的研究結(jié)果一致[9,25]。但是耕作方式有區(qū)域適應(yīng)性, 土壤耕作對產(chǎn)量的效應(yīng)受土壤、氣候等環(huán)境因子等影響, 在不同區(qū)域的增產(chǎn)效應(yīng)不同[26]。李永平等[27]研究發(fā)現(xiàn), 深耕和深松處理比常規(guī)旋耕分別提高玉米產(chǎn)量20.4%和3.7%; 梁金鳳等[28]研究不同耕作方式對土壤理化性狀及玉米根系生長和產(chǎn)量的影響, 發(fā)現(xiàn)耕作方式對玉米的產(chǎn)量無顯著影響。本研究2個試驗區(qū)的不同耕作方式對產(chǎn)量的影響也不相同。南皮試驗區(qū), 深耕(松)對冬小麥和夏玉米的增產(chǎn)效應(yīng)均達顯著水平(<0.05), 欒城試驗區(qū)深耕(松)處理的冬小麥和夏玉米產(chǎn)量與常規(guī)旋耕(CK)的差異不顯著, 增產(chǎn)效應(yīng)不顯著。南皮試區(qū)和欒城試區(qū)的差異表現(xiàn)在以下幾個方面:

1)耕作方式對土壤容重和作物根系的影響。與欒城試驗區(qū)相比, 南皮試驗區(qū)的土壤肥力較低。0~20 cm和20~40 cm土壤有機質(zhì)比欒城試驗區(qū)分別低47.2%和44.8%, 全氮低34.1%和58.3%, 速效氮低63.6%和70.9%, 速效鉀低5.1%和25.3%; 僅速效磷含量南皮試驗區(qū)高于欒城試驗區(qū), 0~20 cm和20~40 cm土層分別高34.7%和34.4%。在土壤肥力較低的情況下, 土壤深松和深耕顯著降低了土壤緊實度和土壤容重, 促進了作物根系的生長和作物產(chǎn)量, 深耕、深松和窄深松的作物產(chǎn)量異不顯著, 但與常規(guī)旋耕之間差異顯著。欒城試驗區(qū)由于長期采用噴灌灌溉, 1~2 m土壤含水量難以得到補充, 深層土壤含水量較低, 雖然促進了冬小麥下層根系的生長, 但是生育后期土壤水分供應(yīng)不足, 影響根系吸水和產(chǎn)量提升。

2)土壤水分條件和水分利用效率。冬小麥生育期降雨量不能滿足其生長發(fā)育的需求, 并且隨著水資源日益短缺, 華北平原區(qū)的欒城和南皮試驗區(qū)冬小麥生產(chǎn)均采取了調(diào)虧灌溉, 因此, 生育期的土壤水分供應(yīng)能力對冬小麥穩(wěn)產(chǎn)和高產(chǎn)起決定作用。南皮試驗區(qū)冬小麥生育期土壤水分含量高于欒城試驗區(qū), 尤其是冬小麥生育后期, 深層土壤水分高低對冬小麥的灌漿具有重要作用。南皮試驗區(qū)冬小麥生育期深耕、深松、窄深松和旋耕(CK)的土壤耗水分別為169.1 mm、177.3 mm、150.4 mm和194.7 mm, CK的土壤耗水量最高, 但處理間差異不顯著。在深(松)耕處理增產(chǎn)的前提下, 水分利用效率也相應(yīng)提高, 與CK間達到顯著水平。欒城試驗區(qū)處理間的土壤耗水和產(chǎn)量均沒有差異, 最終水分利用效率差異也不顯著。

從不同土壤耕作方式的作業(yè)過程和動力消耗來看, 深耕、深松的作業(yè)程序和動力消耗基本相同, 深耕或者深松后進行旋耕播種, 窄深松則相當(dāng)于深松2次進行旋耕后播種, 動力消耗較高, 深耕、深松和窄深松對土壤特性和作物產(chǎn)量的影響之間差異不顯著。因此, 生產(chǎn)上不推薦使用窄深松。

3.2 結(jié)論

本研究結(jié)果表明, 針對華北平原冬小麥-夏玉米一年兩熟種植中長期采用單一土壤旋耕和免耕農(nóng)田, 實施土壤深耕、深松和窄深松處理對作物產(chǎn)量的影響不同。在代表華北平原高產(chǎn)區(qū)土壤深耕(松)對冬小麥、夏玉米和全年產(chǎn)量的增產(chǎn)效應(yīng)不顯著, 可以繼續(xù)實施土壤旋耕作業(yè)。但中低產(chǎn)區(qū)域土壤深耕(松)多少年后對降低作物產(chǎn)量和高產(chǎn)區(qū)需要不需要進行土壤深耕(松)需要做進一步研究。

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Soil tillage practices affecting the soil characteristics and yield of winter wheat and summer maize in North China*

GUAN Jiexi1,2, CHEN Suying1**, SHAO Liwei1, ZHANG Yuming1, ZHANG Xiying1, LU Yang1,2, YAN Zongzheng1,2

(1. Center for Agricultural Resources Research, Institute of Genetics and Developmental Biology, Chinese Academy of Sciences / Key Laboratory of Agricultural Water Resources, Chinese Academy of Sciences / Hebei Key Laboratory of Agricultural Water-saving, Shijiazhuang 050022, China; 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

The North China Plain (NCP) is one of the most intensively farmed agricultural regions in China, with approximately 70% of the total cultivated land being used for an annual double-cropping system of winter wheat and summer maize. Owing to the long-term rotary and no tillage practices accompanying with the whole straw of winter wheat and summer maize return to field for several years, soil physical characteristics are gradually changing in terms of the increased soil pan depth, bulk density and content of soil nutrients in the surface soil layer. Improving soil quality by changing the tillage practices might help to maintain crop productivity in this region. An experiment was conducted for the winter wheat-summer maize rotation system in Luancheng County, which represented a high yield region, and in Nanpi County, which represented a medium and low yield region, in the NCP. Four treatments — soil deep tillage (DT), subsoiling (SS), narrow subsoiling (NSS), and rotary tillage (control, CK) — before winter wheat sowing and no tillage before summer maize sowing to all treatments were simultaneously conducted at the two areas. Soil bulk density, crop root growth, soil water use, yield and water use efficiency (WUE) were monitored throughout. Results showed that the effects of different tillage practices on soil and crop were different in the two regions. At Nanpi, deep tillage and subsoiling significantly increased crop yield. Compared with traditional rotary tillage, winter wheat yield was improved by 16.5% under DT, 19.3% under SS, and 13.1% under NSS. Yield of summer maize was increased by 17.3%, 16.2%, and 21.9%, respectively, with annual yield increases of 16.9%, 17.6% and 17.8%, respectively. Yield differences were not observed among the DT, SS, and NSS treatments. However, no significant difference in crop yield among the four treatments was found at Luancheng. Furthermore, four tillage practices reduced soil penetration resistance and bulk density for the 0-20-cm soil layer in both Luancheng and Nanpi. At Nanpi, after sowing winter wheat, the soil penetration resistance of the 0-20-cm soil layer under DT, SS, NSS and CK decreased by 69.7%, 72.7%, 72.5% and 68.2%, respectively. At Luancheng, soil penetration resistance of the 0-20-cm soil layer was reduced by 88.8% averagely under treatments of deep tillage and subsoiling, and slightly increased by 7.7% under CK. Soil bulk density of the 0-40-cm soil layer under the four tillage treatments were all lower at wheat harvest compared with that before tillage. Until the summer maize harvest, soil bulk density under different tillage treatments was essentially similar to that before tillage, and there was no significant difference among the four tillage treatments. At Nanpi, WUE of winter wheat and summer maize was significantly increased under DT, SS, and NSS compared with that under CK. At Luancheng, the WUE of winter wheat and summer maize was similar among the four treatments. These results indicated that different tillage practices in the low yield regions benefited crop production and water productivity. However, in the high yield regions, the three tillage practices did not enhance crop performance compared with traditional tillage practice. Therefore, it is suggested that the model of soil rotary tillage can be continuously implemented in the high yield regions of the NCP, whereas DT can be beneficially implemented in the medium and low yield regions.

Winter wheat-summer maize rotation system; High-yield area; Medium and low-yield area; Tillage pattern; Soil bulk density; Yield composition; Water use efficiency

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* 國家重點研發(fā)計劃專項(2016YFD0300808, 2016YFC0401403)和國家自然科學(xué)基金項目(31371578)資助

陳素英, 主要從事農(nóng)田節(jié)水和保護性耕作技術(shù)研究。E-mail: csy@sjziam.ac.cn

關(guān)劼兮, 主要從事農(nóng)田節(jié)水機理與技術(shù)研究。E-mail: gjx391214674@qq.com

2019-04-02

2019-06-04

* This study was supported by the National Key R&D Program of China (2016YFD0300808, 2016YFC0401403) and the National Natural Science Foundation of China (31371578).

, E-mail: csy@sjziam.ac.cn

Jun. 4, 2019

Apr. 2, 2019;

S342

2096-6237(2019)11-1663-10

10.13930/j.cnki.cjea.190246