梁 海，陳寶成，韓惠芳，王少博，王桂偉

（養(yǎng)分資源高效開發(fā)與綜合利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/山東農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，山東泰安 271018）

華北平原大部分地區(qū)長期采用冬小麥-夏玉米一年兩季的種植模式，小麥季多采用翻耕作業(yè)，玉米季通常為直播，在這種耕作制度下普遍存在農(nóng)田耕層變淺、土壤大孔隙減少、容重變大、犁底層加厚的問題，不利于作物生長，造成產(chǎn)量下降[1]。在常年機(jī)械壓實(shí)的耕地實(shí)施深松耕作可打破犁底層、增加土壤水氣通透性，改善土壤結(jié)構(gòu)狀態(tài)，促進(jìn)根系向下部土層發(fā)展，耕作深度的不同也導(dǎo)致各土層的物理性狀發(fā)生改變 (如導(dǎo)水率、透氣性、團(tuán)粒結(jié)構(gòu)等)，土壤有效養(yǎng)分變化亦受到其影響。隨著農(nóng)業(yè)機(jī)械化普及，每年的耕作、播種與收獲均使用大型農(nóng)機(jī)，其造成的機(jī)械壓實(shí)效果對耕層土壤的結(jié)構(gòu)造成不可忽視的影響，如今土壤壓實(shí)已成為制約玉米、小麥生產(chǎn)的一個(gè)重要因素[2]，深松耕作是一項(xiàng)保護(hù)性耕作措施，可以打破犁底層，改善土壤理化性狀，有效地降低土壤容重、增加大孔隙體積[3]，同時(shí)因深松耕作帶來的土壤結(jié)構(gòu)疏松，使得降雨和灌溉水入滲的深度和速率增加，增加心土層土壤的含水量[4]。在華北平原夏季多雨季節(jié)能有效防止?jié)n澇，而由于心土層土壤含水量的增加，在干旱季節(jié)到來時(shí)，作物的水分需求也能得到一定的滿足，增加其抗旱能力。與傳統(tǒng)的旋耕相比，深松對耕層土壤結(jié)構(gòu)的影響會使土壤養(yǎng)分的遷移狀況隨之發(fā)生變化，有研究表明土壤結(jié)構(gòu)與土壤孔隙的分布對土壤的供肥與保肥能力有著重要的影響[5]，在同樣的施肥與灌溉條件下，不同深度土層的養(yǎng)分含量會因土壤的物理性質(zhì)而有所不同。此外，耕地中的底土層 (20—40 cm) 總氮含量約占50%，總磷含量約占25%～70%[6-7]，但由于機(jī)械壓實(shí)及不合理的耕作制度導(dǎo)致土壤的緊實(shí)度加大，作物根系下扎困難，處于底土層中的養(yǎng)分難以供作物吸收利用，有研究表明深松對作物根系生長有著良好的影響，從而促進(jìn)根系對土壤水分與養(yǎng)分的吸收[8]。另一項(xiàng)研究顯示，深松處理影響了根系的空間分布，使根系吸收水肥能力增強(qiáng)，從而減少氮肥的損失[9]，此外，深松也可以使土壤養(yǎng)分的有效性提高。郭家萌等[10]發(fā)現(xiàn)深松處理增加了0—15 cm 與15—25 cm 土層的有效磷含量。而蔡麗君等[11]研究認(rèn)為深松有利于20—40 cm 的土壤速效鉀含量的提高。近年來，國內(nèi)對深松研究已開展了許多的工作，但其研究重點(diǎn)主要集中在土壤物理性狀，而對由于不同深度的松耕帶來的土壤養(yǎng)分遷移變化情況關(guān)注較少。本試驗(yàn)結(jié)合深松對土壤物理性狀及土壤有效養(yǎng)分的影響，重點(diǎn)研究不同的深度松耕與常規(guī)旋耕處理對土壤物理性狀、土壤養(yǎng)分有效化及輪作小麥、玉米生長的影響，為評價(jià)不同深度松耕對土壤理化性質(zhì)與作物生長影響提供一定的參考，也為田間選用合適的耕作深度提供幫助。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)為田間試驗(yàn)，每個(gè)小區(qū)為120 m2(長15 m、寬 8 m)，地點(diǎn)設(shè)在在山東省煙臺市朱家埠村，該區(qū)域常年種植方式為冬小麥—夏玉米一年兩季，冬小麥耕作方式為翻耕20 cm，夏玉米耕作方式為免耕制。試驗(yàn)區(qū)年平均氣溫11℃，無霜期約200 天，年平均降雨量600 mm。

供試土壤:潮棕壤 (簡育濕潤淋溶土)，質(zhì)地為粘壤土，pH 為6.79，0—20 cm 土壤有機(jī)質(zhì)含量為13.0 g/kg、全氮含量為0.69 g/kg、有效磷為35.5 mg/kg、速效鉀含量為124 mg/kg。

供試作物:冬小麥品種為煙農(nóng)24；夏玉米品種為偉科702。

供試肥料:玉米季基肥為山東農(nóng)大肥業(yè)科技有限公司生產(chǎn)腐殖酸復(fù)合肥 (N-P2O5-K2O=15-15-15)，施肥量為375 kg/hm2，追肥為山東農(nóng)大肥業(yè)科技有限公司生產(chǎn)的脲銨氮肥 (N 28%)，于玉米拔節(jié)期進(jìn)行追肥，追施量為600 kg/hm2。小麥季基肥為山東農(nóng)大肥業(yè)科技有限公司生產(chǎn)的腐殖酸復(fù)合肥 (N-P2O5-K2O=18-10-12)，施肥量為1125 kg/hm2，不再進(jìn)行追肥。

供試農(nóng)機(jī):深松機(jī)械為中國農(nóng)業(yè)大學(xué)和河南豪豐農(nóng)業(yè)裝備有限公司聯(lián)合研發(fā)的1SF-200 型深松施肥機(jī)，尺寸為1520 mm × 2216 mm × 1394 mm，配套動力73.5～88.2 kW；翻耕機(jī)械為雷沃M1104-D 輪式拖拉機(jī)，配套動力為81 kW。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)4 個(gè)處理，分別為常規(guī)翻耕2 0 c m(CK)、深松30 cm、深松35 cm、深松40 cm，重復(fù)三次，所有處理采用完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)。

小麥季:2016 年10 月18 日耕作后，進(jìn)行播種，播種量為120 kg/hm2，2017 年6 月18 日收獲；小麥?zhǔn)斋@后，于2017 年6 月26 日玉米進(jìn)行播種，株距20 cm，行距60 cm，于2017 年10 月10 日收獲。玉米季:播種時(shí)不進(jìn)行耕作，留茬點(diǎn)播玉米，所有處理土壤不受機(jī)械耕作擾動。

1.3 樣品采集與測定

冬小麥每小區(qū)選取1 米雙行，3 次重復(fù)進(jìn)行收獲測產(chǎn)，測定穗粒數(shù)，小麥植株于烘箱105℃殺青后，與籽粒一同于75℃干燥至恒重，測定千粒重及干物質(zhì)積累量。

夏玉米每小區(qū)選取5 米雙行，3 次重復(fù)進(jìn)行收獲測產(chǎn)，測定穗粒數(shù)，玉米植株在烘箱105℃殺青后，與籽粒一同于75℃干燥至恒重，測定百粒重及干物質(zhì)積累量。

土壤樣品的測定:土壤速效氮測定采用風(fēng)干土樣，以0.01 mol/L 的CaCl2溶液浸提 (水土比1∶10)，NO3--N 與NH4+-N 采用流動注射分析儀(SEAL，AA3，德國) 測定，兩者之和為土壤速效氮含量；土壤有效磷采用0.5 mol/L NaHCO3浸提—鉬藍(lán)比色法測定；土壤速效鉀采用pH 7.0 醋酸銨浸提—火焰光度計(jì)法測定；土壤有機(jī)質(zhì)用硫酸—重鉻酸鉀氧化法測定。

在每個(gè)地塊挖出50 cm 深度的剖面，依次以環(huán)刀采集0—10 cm、10—20 cm、20—30 cm 及30—40 cm 未受擾動的土壤樣品，測定土壤容重，計(jì)算土壤三相比。土壤三相比數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為R 值:

式中:R 為所測定土壤樣品三相比與土壤理想狀態(tài)下三相比的偏離值；X 為所測定土壤樣品固相的數(shù)值；50 為土壤理想狀態(tài)下固相的數(shù)值；Y 為所測定土壤樣品液相的數(shù)值；25 為土壤理想狀態(tài)下液相的數(shù)值；Z 為所測定土壤樣品氣相的數(shù)值；25 為土壤理想狀態(tài)下氣相的數(shù)值。

1.4 數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用SAS 8.0、Excel 2017 軟件進(jìn)行處理、統(tǒng)計(jì)分析及作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 深松對土壤容重的影響

當(dāng)土壤容重在1～1.5 g/cm3范圍內(nèi)，容重越低越有利于作物的生長。對照處理 (CK) 小麥季在0—10 cm 土層中土壤容重顯著低于各深松處理，非常適宜小麥的生長，而在20—40 cm 的兩個(gè)土層，其土壤容重則分別達(dá)到了1.9 與1.8 g/cm3，顯著高于各深松處理，且超過了作物生長適宜的容重范圍的上限 (圖1)。深松35 cm 處理0—10 cm 與10—20 cm 土層土壤容重顯著高于其他各處理，且達(dá)到甚至超過適宜土壤容重的上限，但在20—30 cm 土層與其他兩個(gè)深松處理差異不顯著。與CK 相比，三個(gè)深松處理均顯著降低了20—30 cm 與30—40 cm 土層的土壤容重。在玉米季，土壤容重總體高于小麥季，并且CK處理在0—10 cm、10—20 cm 及20—30 cm 土層的土壤容重均顯著高于各深松處理。深松35 cm 處理在0—10 cm 與10—20 cm 土層土壤容重最低，且顯著低于其他兩個(gè)處理，其他兩個(gè)深松處理在各層次的容重差異不顯著。綜合兩季作物來看，各深松處理相較于CK 處理的土壤容重更適于作物的生產(chǎn)，特別是在20—40 cm 土層。

圖 1 小麥玉米收獲期耕翻和深松處理的土壤容重Fig. 1 Soil bulk density at harvesting stage of wheat and maize under plough and subsoiling treatments

對比相同處理容重在小麥季以后玉米季的變化(圖2)，發(fā)現(xiàn)深松35 cm 土壤容重在0—30 cm 土層均有顯著下降，而CK 則在20—40 cm 土層出現(xiàn)了顯著的下降，綜合觀察發(fā)現(xiàn)玉米季土壤容重除深松35 cm 處理外，其它兩個(gè)深松處理土壤容重對比小麥季出現(xiàn)了顯著的上升。

圖 2 玉米季對比小麥季不同土層土壤容重變化Fig. 2 Soil bulk density variation in maize season relative to that in wheat in the same plot at different soil depths

2.2 深松對剖面土壤養(yǎng)分含量的影響

小麥?zhǔn)斋@期各土層土壤養(yǎng)分含量受耕作措施的影響十分顯著 (圖3)。四個(gè)土層土壤速效氮含量深松處理均顯著高于CK。三個(gè)深松處理間也差異顯著，各層有效氮含量均以深松35 cm 處理最高，其次是深松30 cm。

土壤速效鉀含量除10—20 cm 土層外，深松處理也均顯著高于CK。深松30 cm 處理土壤速效鉀含量在0—10 cm 與20—30 cm 土層中顯著高于其他兩個(gè)深松處理，在30—40 cm 土層三個(gè)深松處理差異不顯著。

各土層土壤有效磷含量深松處理均顯著高于CK。深松35 cm 各層的有效磷含量又顯著高于其他兩個(gè)處理。綜合來看，深松可以顯著增加土壤耕層和亞耕層速效氮磷鉀養(yǎng)分的含量，為下一茬玉米生長提供良好的養(yǎng)分儲備，效果最好的處理為深松35 cm。

玉米季收獲期土壤養(yǎng)分含量結(jié)果顯示 (圖4)，深松30 cm 處理0—10 cm 土層中土壤速效氮含量顯著高于其他各處理，次之為深松35 cm 處理，而在10—20 cm 與20—30 cm 土層中深松35 cm 處理顯著高于其他各處理，30—40 cm 土層中各處理間存在差異顯著，其中CK 顯著高于三個(gè)深松處理。

土壤速效鉀含量在0—10 cm 與10—20 cm 土層中深松30 cm 與深松40 cm 處理均顯著高于CK 與深松35 cm 處理，且在0—10 cm 土層中深松30 cm 處理顯著高于深松40 cm 處理，在10—20 cm 土層則相反。CK 處理20—30 cm 土層速效鉀含量與三個(gè)深松處理差異不顯著，30—40 cm 土層中深松30 cm 處理土壤速效鉀含量顯著低于其他各處理。

三個(gè)深松處理10—30 cm 土層有效磷含量均顯著高于CK 處理，深松30 cm 處理土壤有效磷含量在0—10 cm 與20—30 cm 土層均顯著高于其他各處理。上季深松速效氮磷鉀養(yǎng)分增加效果延續(xù)至玉米季，而對土壤有效磷含量的影響較上季呈現(xiàn)更顯著的效果。

圖 3 不同耕作深度小麥季收獲期土壤養(yǎng)分含量Fig. 3 Available nutrient contents in different soil depths under different tillage at wheat harvest

圖 4 不同耕作深度玉米季收獲期土壤養(yǎng)分含量Fig. 4 Available nutrient contents in different soil depths under different tillage at maize harvest

2.3 深松對土壤三相比的影響

土壤固相、液相、氣相間的容積百分比，即三相比，是評價(jià)土壤水肥氣熱相互關(guān)系的重要參數(shù)。一般土壤固相率在50% 左右、容積含水量25%～30%、氣相率15%～25%時(shí)最適宜作物的生長，即R 值近似于0。小麥、玉米收獲期不同處理R 值見表1。翻耕20 cm 處理在0—10 cm 與10—20 cm 土層的固相率相對較低，而20—30 cm 與30—40 cm 土層則較高，表明翻耕20 cm 處理僅增加了0—20 cm 土層的孔隙度，各土層比較時(shí)發(fā)現(xiàn)20—30 cm 土層R 值更為接近最適植物生長的值，而深松處理可改善20—40 cm 土層的三相比，其中以深松35 cm 處理各層次三項(xiàng)比最優(yōu)。在玉米季各深松處理在不同土層的固相率均低于翻耕20 cm 處理，且比較發(fā)現(xiàn)深松30 cm 與深松40 cm 處理R 值均維持在較為適宜的水平，整體處于9.60～5.23 之間，表明深松處理不僅可以減少耕作后由于自然沉降等因素造成的土壤復(fù)壓實(shí)的問題，也造就了更為適宜作物生長的土壤結(jié)構(gòu)。綜合比較各處理發(fā)現(xiàn)小麥季深松30 cm 各土層R 值在13.20～15.92 之間，總體最小，玉米季則以深松40 cm 的R 值總體最小，在6.03～8.81之間。

表 1 不同深松深度土壤固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)三相所占百分比 (%) 及其比值 (R)Table 1 Percentages of solid, liquid and gas phases and their ratios (R) affected by tillage treatments in wheat and maize season

2.4 深松對小麥、玉米產(chǎn)量及其構(gòu)成的影響

不同深度松耕處理冬小麥、夏玉米產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素見表2。與CK 相比，各深松處理小麥籽粒產(chǎn)量均顯著提高，深松30 cm、深松35 cm 與深松40 處理冬小麥籽粒產(chǎn)量分別增加了10.9%，15.3%和15.5%；深松30 cm 與35 cm 處理的夏玉米產(chǎn)量亦顯著高于CK，分別增加了12.0%和14.9%，深松40 cm 比翻耕20 cm 玉米產(chǎn)量增加了9.4%。小麥季各深松處理間有效穗數(shù)差異不顯著，但均顯著高于翻耕20 cm 處理，而玉米季各處理間有效穗數(shù)則不存在顯著差異；小麥季各處理穗粒數(shù)以深松30 cm 最高，而玉米季則以深松35 cm 最高； 小麥季與玉米季千粒重均以深松35 cm 處理最高，且顯著高于其它處理。計(jì)算小麥、玉米周年產(chǎn)量增產(chǎn)效果，深松30 cm、35 cm、40 cm 處理分別比對照增產(chǎn)11.6%、15.1%、11.8%，均達(dá)顯著差異水平。綜上所述，深松可以有效地增加小麥、玉米的穗粒數(shù)和千粒重，是促進(jìn)產(chǎn)量提高的主要原因。

3 討論

本試驗(yàn)采用大田試驗(yàn)，設(shè)置不同深松處理對照傳統(tǒng)翻耕，研究了對小麥玉米產(chǎn)量及土壤理化性狀的影響。相對于傳統(tǒng)翻耕，不同的深松處理小麥玉米產(chǎn)量均有增加，增產(chǎn)率平均約為13%左右，與前人在華北地區(qū)大田試驗(yàn)的增幅相近[12-13]，深松在東北、西北和華北地區(qū)均能提高小麥玉米的產(chǎn)量，在年均降雨量 ≥ 600 mm 和年均氣溫 ＞ 12℃時(shí)效果更顯著[14]，本試驗(yàn)區(qū)氣候與該氣候條件相近，因而深松效果較為顯著。

土壤容重與質(zhì)地、壓實(shí)狀況、顆粒密度、有機(jī)質(zhì)及各種管理措施有關(guān)，直接影響土壤通氣、透水性能，也影響土壤溫度狀況。適宜的土壤容重對保水至關(guān)重要，在一定范圍內(nèi)，容重小的土壤，上層土壤的水分容易蒸發(fā)，下層土壤水分容易滲漏，而容重過大的土壤則不利于水分入滲，易造成徑流損失。本試驗(yàn)結(jié)果出現(xiàn)了各處理玉米季的土壤容重整體大于小麥季的現(xiàn)象，原因?yàn)榻涤旯喔仁沟猛寥赖淖匀怀两党潭燃哟?，另外玉米季采用了免耕直播的方法，沉降的效果結(jié)合機(jī)器播種壓實(shí)導(dǎo)致了玉米季容重整體出現(xiàn)增大現(xiàn)象，而試驗(yàn)中深松35 cm 整體容重則出現(xiàn)了下降的現(xiàn)象，應(yīng)為小麥季深松35 cm處理土壤構(gòu)造處于較為適宜玉米根系生長的狀態(tài)，其根系整體下扎深度加深，從而降低了相應(yīng)土層容重。深松除影響了土壤結(jié)構(gòu)，本試驗(yàn)中，深松40 cm 處理相對其他處理更好的改善了各土層土壤固液氣三相的比例，R 值在一定程度上能反映各土層結(jié)構(gòu)的合理性，其中玉米季與小麥季各深松處理以深松40 cm 總體R 值最小，即土壤結(jié)構(gòu)更合理。在耕地采用深松耕作能增加耕層的土壤大孔隙，在華北平原區(qū)域，種肥同播機(jī)械已經(jīng)逐漸得到普及，在播種時(shí)肥料同時(shí)施入土壤中，在土壤孔隙度適宜的條件下，降雨和灌溉水能有效地被吸持在耕層中，減少徑流損失，若土壤容重較大，水分難以下滲，肥料在水中釋放后便極可能隨著徑流而損失，也因不能進(jìn)入較深的土層而造成氮肥的揮發(fā)損失和污染環(huán)境。深松耕作可使深層緊實(shí)的土壤結(jié)構(gòu)向適宜作物生長的疏松程度變化，且不會對耕層土壤造成過大的擾動而破壞土壤團(tuán)聚體，有利于水分下滲維持土壤墑情，對土壤團(tuán)聚體破壞較少，有利于提高養(yǎng)分的有效性。深松耕作促進(jìn)土壤結(jié)構(gòu)改善和作物根系的生長，減少根系下扎的機(jī)械阻力[15-17]，深松深度在30 cm 時(shí)玉米根系的單株生長明顯得到了改善[18]，作物的根系生長得以促進(jìn)從而加強(qiáng)了其水肥吸收能力，最終可提高作物的產(chǎn)量。

表 2 不同深松深度處理冬小麥、玉米產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成Table 2 Yield and yield components of winter wheat and summer maize under different depths of subsoiling

在不同耕作方式的影響下，土壤的有效養(yǎng)分亦會受到較大的影響[19]，本試驗(yàn)研究結(jié)果表明，相較于傳統(tǒng)的翻耕20 cm 處理，深松耕作能夠促使較深土層 (10—40 cm) 的養(yǎng)分向有效態(tài)轉(zhuǎn)化。本試驗(yàn)中出現(xiàn)小麥季0—10 cm 翻耕20 cm 處理低于深松處理而玉米季卻相反的現(xiàn)象，原因可能是在玉米季高溫多雨，翻耕20 cm 處理0—10 cm 土層結(jié)構(gòu)相較其他處理更為疏松，有利于通氣透水，微生物活躍，小麥季殘茬經(jīng)微生物作用向有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化較多。其中深松35 cm 處理速效氮在各土層的含量變化相較其他處理平緩，且含量保持在相對較高水平，表明深松35 cm 對土壤速效氮具有最良好的影響。有試驗(yàn)表明在黑龍江地區(qū)機(jī)械耕作可以顯著增加土壤有效磷和速效鉀的含量[20]，并且不同耕作方式對土壤有效磷的影響也不盡相同，其中以深松耕作對0—30 cm 土層有效磷增加影響最大[21]，本試驗(yàn)中翻耕20 cm 處理在小麥季20—30 與30—40 cm 土層均顯著低于各處理，在玉米季土壤容重增大，翻耕20 cm 處理在各土層中的有效磷含量均低于其他各深松處理，而深松35 cm 與深松30 cm 處理有效磷含量無論在小麥季或是玉米季均較高，這可能是在小麥玉米輪作體系中作物的需磷特性、土壤溫度與土壤的濕度條件共同對土壤磷及肥料中的磷素有效性起作用，但由于磷施入土層中后容易被土壤固定，造成其在土壤中的擴(kuò)散系數(shù)小，移動緩慢，進(jìn)而降低其有效性，而深松耕作改善了土壤物理結(jié)構(gòu)與濕度條件，為磷的遷移提供了較良好的條件，因此使得磷素能遷移到較深的土層，提高其有效性。

4 結(jié)論

相較于傳統(tǒng)翻耕，在小麥播種進(jìn)行前深松能夠有效地降低0—40 cm 各土層的土壤容重，改善其三相比，使得其R 值更小即更趨近適于作物生長的三相比值。與深松30、40 cm 相比，深松35 cm 可以更顯著地增加0—40 cm 土層有效氮磷鉀含量，顯著增加小麥、玉米產(chǎn)量。綜合考慮土壤培肥效果和成本，建議在實(shí)際生產(chǎn)中推廣深松35 cm。