劉衛(wèi)玲，程思賢，李 娜，吳 健，楊 麗，李潮海，趙亞麗

(1.河南農業(yè)大學 農學院，河南 鄭州 450002；2.杞縣農業(yè)農村局，河南 杞縣 475000；3.中國農業(yè)科學院 棉花研究所，河南 安陽 455000)

黃淮海南部是我國糧食主產區(qū)，在我國糧食生產中占有重要地位。該區(qū)主要土壤類型是砂姜黑土，面積高達126.7萬hm2，占河南省耕地面積的1/4[1]。砂姜黑土色黑但有機質含量低、養(yǎng)分貧瘠、質地黏重、結構發(fā)育差、干堅硬、濕黏閉，屬于中低產田，對糧食生產能力限制較大。冬小麥—夏玉米一年兩熟制是砂姜黑土區(qū)的主要種植制度。目前，主要采用的耕作方式是冬小麥播前旋耕、夏玉米免耕，導致土壤耕層變淺、犁底層變厚、通透性變差、土壤養(yǎng)分不均衡，嚴重限制了作物產量的提高[2]。因此，研究砂姜黑土區(qū)適宜的耕作制度，以改良耕層結構并使土壤保持良好性能，對提升砂姜黑土地力和作物產量具有重要意義。前人研究表明，適宜的耕作方式和秸稈還田可以顯著改善土壤耕層結構[3-8]。秸稈還田可以顯著提高土壤有機質、全氮、速效磷和速效鉀的含量[3]。韓新忠等[4]研究表明，小麥秸稈還田能夠顯著提高土壤全氮和速效氮的含量，深松處理20～40 cm土層有機質、全氮、全磷和全鉀含量較不深松處理顯著提高。深耕可以增加耕層下部土壤中有效磷含量[5]。深耕結合秸稈還田對土壤養(yǎng)分具有良好的改良效應。在秸稈還田條件下，深耕能夠提高不同質地土壤的肥力，增加土壤中全氮、有效磷和速效鉀含量[6]。免耕、深松和深耕等單一的耕作方式雖有很多優(yōu)勢，但也存在一定的弊端，在生產中不宜單獨連續(xù)使用，應將其組合成一定的輪耕模式，交互使用[7]。謝迎新等[8]研究表明，夏玉米季深松+冬小麥季旋耕能夠改善土壤有機碳和養(yǎng)分狀況，但夏玉米季深松容易傷根、冬小麥季旋耕不利于前茬作物秸稈翻埋還田。前人研究大多集中在深松(耕)方式對土壤改良和作物生長的影響等方面，關于深松(耕)時期的研究較少[7-8]，目前尚沒有砂姜黑土區(qū)耕作時期與耕作方式對土壤養(yǎng)分含量和作物產量影響的研究。為此，在秸稈全量還田條件下研究不同深松(耕)時期和方式對土壤養(yǎng)分含量和冬小麥、夏玉米產量的影響，以確定砂姜黑土區(qū)適宜的土壤耕作制度，為提升砂姜黑土地力和作物持續(xù)增產提供依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗地概況

試驗于2014—2017年在河南省駐馬店市西平縣二郎鄉(xiāng)張堯村河南農業(yè)大學試驗基地 (33°19′48″N、114°01′01″E)進行，該區(qū)地處黃淮海平原南部，年平均氣溫16.0 ℃，無霜期221 d，年平均降雨量852 mm。該區(qū)域常年實行冬小麥—夏玉米一年兩熟種植制度，秋季冬小麥播前旋耕、夏季夏玉米免耕是當?shù)氐膫鹘y(tǒng)耕作方式。供試土壤屬于砂姜黑土，耕層土壤基礎養(yǎng)分含量為有機質12.39 g/kg、全氮1.18 g/kg、有效磷20.12 mg/kg、速效鉀94.66 mg/kg。土壤物理機械組成為砂粒18.60%、粉粒42.20%、黏粒39.20%。

1.2 試驗設計

試驗設置5個冬小麥、夏玉米周年耕作處理，即秋季旋耕+夏季免耕(ART+SNT，對照)、秋季深松+夏季免耕(ASS+SNT)、秋季深耕+夏季免耕(ADMP+SNT)、秋季深耕+夏季下位深松(ADMP+SSSS)和秋季深耕+夏季側位深松(ADMP+SSSL)。秸稈還田為冬小麥和夏玉米秸稈全量還田。其中，冬小麥和夏玉米成熟后，先將秸稈粉碎至5 cm左右的小段，后結合相應的耕作方式混入土壤中進行全量還田。2014年秋季冬小麥播種前開始進行定位試驗。所有秋季耕作處理均在每年冬小麥播種前進行，使用1GQNGK-230高箱框架旋耕機進行旋耕處理，耕作深度為10～15 cm；使用中國農業(yè)大學自主研發(fā)的1S2-460型振動式深松機進行秋季深松處理，耕作深度為30 cm；使用懸掛液壓翻轉犁(河南商丘黃達農業(yè)機械有限公司)進行秋季深耕處理，耕作深度為30 cm。夏季側位深松和下位深松在夏玉米播種時采用深松播種機(2BMYFZQ-2B牽引式免耕指夾精量施肥播種機)進行，深松深度為30 cm，側位深松帶位于播種帶橫向距離10 cm處，下位深松帶位于播種帶正下方。為了更接近農田實際情況和方便大型農機具進行田間農事操作，各處理采用大區(qū)對比設置，每個處理面積為10.8 m×100 m。

2016年冬小麥品種為鄭麥9023，2017年為百農416，播種量均為225 kg/hm2。肥料施用量均為N 180 kg/hm2、P2O590 kg/hm、K2O 90 kg/hm2，于整地時底施；拔節(jié)期均追施N 75 kg/hm2。夏玉米品種均為豫單606，種植密度為60 000株/hm2，種肥異位同播，播種時施N 180 kg/hm2、P2O590 kg/hm2、K2O 90 kg/hm2，大喇叭口期追施N 75 kg/hm2。

1.3 測定項目與方法

冬小麥和夏玉米成熟期，從每個小區(qū)隨機選3個樣點，用土鉆取0～15、15～30、30～40、40～50、50～60 cm土層的土樣，去除石塊和秸稈等雜物，將每個小區(qū)的同一土層混勻成為該小區(qū)該土層的土壤樣品，帶回實驗室風干后過篩。采用重鉻酸鉀容量法—外加熱法測定土壤有機質含量，半微量凱氏定氮法測定土壤全氮含量，碳酸氫鈉浸提—鉬銻抗比色法測定土壤有效磷含量，乙酸銨浸提—火焰光度法測定土壤速效鉀含量[9]。

冬小麥成熟期，每處理收獲2 m×2 m的植株，3次重復，脫粒，風干，稱質量計產；夏玉米成熟期，每處理收獲雙行20個果穗，3次重復，脫粒，風干，稱質量計產。

1.4 數(shù)據(jù)分析

利用Excel 2010和SPSS 19.0軟件進行試驗數(shù)據(jù)處理和分析，利用SigmaPlot 12.5軟件繪圖。

2 結果與分析

2.1 不同因素及其交互作用對土壤養(yǎng)分含量的影響

由表1可知，耕作方式和土層深度對土壤各養(yǎng)分含量均存在極顯著影響，年份對土壤全氮、速效磷和速效鉀含量存在極顯著影響，對土壤有機質含量的影響不顯著。在兩因素交互作用中，除年份×耕作方式、年份×土層深度對土壤全氮含量的影響不顯著外，年份×耕作方式、年份×土層深度、耕作方式×土層深度對土壤有機質、速效磷和速效鉀含量均存在極顯著影響，耕作方式×土層深度對土壤全氮含量存在顯著影響。年份×耕作方式×土層深度對土壤各養(yǎng)分含量均存在極顯著影響。

表1 不同因素及其交互作用對土壤養(yǎng)分含量影響的方差分析Tab.1 Variance analysis of effects of different factors and their interactions on soil nutrient content

2.2 深松(耕)時期與方式對土壤養(yǎng)分含量的影響

2.2.1 有機質含量 由表2可知，土壤有機質含量總體隨著土層深度的增加而減少，且深松(耕)主要影響了15～40 cm土層的有機質含量，對0～15、40～60 cm土層有機質含量影響較小。與秋季旋耕+夏季免耕處理相比，深松(耕)使冬小麥季、夏玉米季和周年15～40 cm土層的有機質含量分別增加了20.7%、18.5%和19.6%。3個秋季耕作處理中，與秋季旋耕+夏季免耕處理相比，秋季深松+夏季免耕處理冬小麥季、夏玉米季和周年15～40 cm土層的有機質含量分別增加11.5%、5.4%和8.5%，秋季深耕+夏季免耕處理分別增加18.5%、19.1%和18.8%。與單一秋季深松(耕)處理相比，秋季深耕+夏季深松處理冬小麥季、夏玉米季和周年15～40 cm土層的有機質含量分別增加10.0%、11.1%和10.5%。5個處理中，總體以秋季深耕+夏季側位深松土壤有機質含量最高。秋季深耕+夏季側位深松處理冬小麥季、夏玉米季和周年15～40 cm土層的有機質含量比秋季深耕+夏季免耕處理分別增加7.5%、8.4%和7.9%，比秋季旋耕+夏季免耕處理分別增加27.4%、29.0%和28.2%，且秋季深耕+夏季側位深松處理與秋季旋耕+夏季免耕處理差異顯著，表明秋季深耕+夏季側位深松處理可以顯著提升土壤有機質含量。

表2 深松(耕)時期與方式對土壤有機質含量的影響Tab.2 Effects of time and pattern of deep tillage on the soil organic matter content g/kg

注：同列數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示同一土層深度不同處理在 0.05水平上差異顯著，下同。
Note:Different lowercase letters after data within a column mean significant difference among different treatments under the same soil depth at 0.05 level,the same below.

2.2.2 全氮含量 由表3可知，深松(耕)明顯影響0～60 cm土層全氮含量，且在冬小麥季、夏玉米季及周年總體均以秋季旋耕+夏季免耕處理的土壤全氮含量最低，秋季深耕+夏季側位深松處理最高。深松(耕)使冬小麥季、夏玉米季和周年15～60 cm土層的全氮含量分別增加20.3%、14.7%和18.0%。3個秋季耕作處理中，與秋季旋耕+夏季免耕處理相比，秋季深松+夏季免耕處理冬小麥季、夏玉米季和周年15～60 cm土層的全氮含量分別增加11.6%、6.5%和9.5%，秋季深耕+夏季免耕處理分別增加18.5%、14.3%和16.8%。與單一秋季深松(耕)處理相比，秋季深耕+夏季深松處理使冬小麥季、夏玉米季和周年15～60 cm土層的全氮含量分別增加9.1%、7.9%和8.6%。其中，秋季深耕+夏季側位深松處理冬小麥季、夏玉米季和周年15～60 cm土層的全氮含量較秋季深耕+夏季免耕處理分別增加12.4%、6.2%和10.0%，較秋季旋耕+夏季免耕處理分別增加33.2%、21.4%和28.4%，且秋季深耕+夏季側位深松與秋季旋耕+夏季免耕差異顯著。

表3 深松(耕)時期與方式對土壤全氮含量的影響Tab.3 Effects of time and pattern of deep tillage on the soil total nitrogen content g/kg

2.2.3 速效磷含量 由表4可知，土壤速效磷含量隨著土層深度的增加總體上減少，且深松(耕)主要影響了15～40 cm土層的速效磷含量。與秋季旋耕+夏季免耕處理相比，深松(耕)處理冬小麥季、夏玉米季和周年15～40 cm土層的速效磷含量分別增加222.4%、88.5%和153.5%，且對冬小麥季的影響大于夏玉米季。3個秋季耕作處理中，與秋季旋耕+夏季免耕處理相比，秋季深松+夏季免耕處理冬小麥季、夏玉米季和周年15～40 cm土層的速效磷含量分別增加233.4%、68.8%和148.6%，秋季深耕+夏季免耕處理分別增加185.9%、75.6%和128.9%。與單一秋季深松(耕)處理相比，秋季深耕+夏季深松處理使冬小麥季、夏玉米季和周年15～40 cm土層的速效磷含量分別增加8.3%、19.2%和12.3%。其中，秋季深耕+夏季側位深松處理冬小麥季、夏玉米季和周年15～40 cm土層的速效磷含量分別比秋季深耕+夏季免耕處理增加46.0%、27.8%和38.8%，分別比秋季旋耕+夏季免耕處理增加317.2%、124.0%和217.7%，且秋季深耕+夏季側位深松處理與秋季深耕+夏季免耕處理、秋季旋耕+夏季免耕處理差異均顯著。

2.2.4 速效鉀含量 由表5可知，深松(耕)增加了土壤速效鉀含量，且主要增加了15～40 cm土層速效鉀含量。在15～40 cm土層，深松(耕)處理冬小麥季、夏玉米季和周年的土壤速效鉀含量分別比秋季旋耕+夏季免耕處理增加10.4%、11.3%和10.9%。3個秋季耕作處理中，與秋季旋耕+夏季免耕處理相比，秋季深松+夏季免耕處理冬小麥季、夏玉米季和周年15～40 cm土層的速效鉀含量分別增加4.1%、3.5%和3.8%，秋季深耕+夏季免耕處理分別增加9.3%、13.4%和11.6%。與單一秋季深松(耕)處理相比，秋季深耕+夏季深松處理冬小麥季、夏玉米季和周年15～40 cm土層的速效鉀含量分別增加6.9%、5.2%和6.0%。其中，秋季深耕+夏季側位深松處理冬小麥季、夏玉米季和周年的土壤速效鉀含量分別比秋季深耕+夏季免耕處理增加13.5%、3.7%和7.9%，分別比秋季旋耕+夏季免耕處理增加24.0%、17.5%和20.4%。

表4 深松(耕)時期與方式對土壤速效磷含量的影響Tab.4 Effects of time and pattern of deep tillage on the soil available phosphorus content mg/kg

表5 深松(耕)時期與方式對土壤速效鉀含量的影響Tab.5 Effects of time and pattern of deep tillage on the soil available potassium content mg/kg

續(xù)表5 深松(耕)時期與方式對土壤速效鉀含量的影響Tab.5(Continued) Effects of time and pattern of deep tillage on the soil available potassium content mg/kg

2.3 深松(耕)時期與方式對冬小麥、夏玉米產量的影響

由圖1可知，深松(耕)可以提高作物產量，使冬小麥、夏玉米和作物周年產量分別增加15.7%、12.1%和14.1%。3個秋季耕作處理中，與秋季旋耕+夏季免耕處理相比，秋季深松+夏季免耕處理冬小麥、夏玉米和作物周年產量分別增加10.1%、10.4%和10.2%，秋季深耕+夏季免耕處理分別增加16.2%、11.2%和14.0%。秋季深耕+夏季深松處理對作物的增產效果優(yōu)于單一秋季深松(耕)處理。與單一秋季深松(耕)處理相比，秋季深耕+夏季深松處理冬小麥、夏玉米和周年產量分別增加4.6%、2.4%和3.6%。其中，秋季深耕+夏季側位深松處理冬小麥、夏玉米和周年作物產量分別比秋季深耕+夏季免耕處理增加2.2%、3.9%和2.9%，分別比秋季旋耕+夏季免耕處理增加18.7%、15.5%和17.3%。表明秋季深耕+夏季側位深松對作物的增產效果最佳。

2.4 土壤養(yǎng)分含量與冬小麥—夏玉米周年產量的相關性分析

由表6可知，冬小麥—夏玉米周年產量與土壤養(yǎng)分含量呈正相關。其中，產量與土壤有機質、全氮及速效磷含量均呈顯著正相關。土壤有機質含量與土壤全氮、速效鉀含量均呈顯著正相關。土壤全氮含量與土壤速效鉀、速效磷含量均呈顯著正相關。土壤速效磷含量與速效鉀含量呈正相關。表明砂姜黑土的土壤養(yǎng)分含量越高，冬小麥—夏玉米周年產量越高。

不同小寫字母表示不同處理間差異達到5%顯著水平Different lowercase letters mean significant differences at the 0.05 level 圖1 深松(耕)時期與方式對作物產量的影響Fig.1 Effects of time and pattern of deep tillage on crop yield

表6 土壤養(yǎng)分含量與冬小麥—夏玉米產量的相關性Tab.6 Correlation between soil nutrients contents and yield of winter wheat and summer maize

注：*、**分別表示在0.05、0.01水平上顯著、極顯著相關。
Note:*,** represent significant correlation at the levels of 0.05,0.01 respectively.

3 結論與討論

土壤養(yǎng)分對作物產量形成至關重要。其中，有機質是土壤中營養(yǎng)元素的重要來源，是評價農田肥力高低的重要指標之一，而氮、磷、鉀是作物生長發(fā)育的必需營養(yǎng)元素。前人研究表明，耕作方式和秸稈還田均能影響土壤中有機質、全氮、速效磷和速效鉀含量[5-6,10-11]。耕作方式能夠影響土壤中養(yǎng)分分布、移動及其含量和有效性[12]。不同的耕作深度和強度會改變秸稈在不同土層中的分布，秸稈還田的深度對不同土層有機質含量影響顯著[8,13]。深松對0～20 cm土層的有機質含量影響不顯著，主要顯著增加20～40 cm土層有機質的積累[14]。翻耕能夠提高土壤有效肥力[15-16]。深耕能夠增加耕層下部土壤有效磷含量[5-6,10-11]。李永平等[17]研究表明，與耕作處理前相比，不同耕作處理有效磷含量均表現(xiàn)為增加，且增加幅度由高到低依次為深松、深翻、免耕和常規(guī)旋耕。戰(zhàn)秀梅等[18]研究表明，無論有無秸稈還田，速效磷含量均表現(xiàn)為深翻>深松>旋耕，且前者與旋耕差異顯著。此外，深松/翻耕輪耕體系在增加土壤速效養(yǎng)分含量方面表現(xiàn)尤為突出[19]。深松和深翻能夠促進土壤速效鉀的釋放，秸稈連年還田土壤速效鉀的增加效果顯著大于秸稈隔年還田[18]。本研究結果表明，在秸稈還田條件下，深松(耕)能夠增加15～40 cm土層土壤養(yǎng)分含量和作物產量，且秋季深耕+夏季深松處理對土壤養(yǎng)分的提升效果優(yōu)于單一秋季深松(耕)處理，這與前人研究結果相似[15-19]。

不同的耕作方式造成土壤有機質礦化和秸稈腐解環(huán)境的不同，進而引起不同耕作方式間土壤養(yǎng)分含量的差異[20]。深松(耕)可以疏松耕層下部土壤，緩解土壤緊實對養(yǎng)分的限制。深耕還能將上層土壤養(yǎng)分帶入耕層下部[6,21]，增加下層土壤養(yǎng)分含量。而有機質分解產生的有機酸及其產物對某些固定磷的化合物有良好的溶解能力[22]，可以降低礦物質對鉀的固定作用，從而增加土壤中速效磷和速效鉀含量[23-24]。在本研究中，秋季深耕處理不僅可以創(chuàng)造深厚耕層，促進作物根系下扎，還有利于玉米秸稈翻埋還田和腐解，提高土壤有機質和有效養(yǎng)分含量，而夏季深松結合冬小麥秸稈覆蓋還田既有利于疏松耕層、提高肥力，又可以減少蒸發(fā)，提高土壤蓄水能力，故秋季深耕+夏季深松處理對土壤養(yǎng)分的提升和作物的增產效應優(yōu)于單一秋季深松(耕)處理。同時，夏季下位深松對夏玉米播種、出苗存在不利影響，而側位深松更利于夏玉米根系吸收土壤養(yǎng)分。因此，5個處理中，以秋季深耕+夏季側位深松處理的作物產量和土壤養(yǎng)分含量最高。

綜上所述，深松(耕)能夠增加15～40 cm土層有機質、全氮、速效磷和速效鉀含量，提高作物產量。秋季深耕+夏季深松處理對土壤養(yǎng)分提升和作物增產的效果均高于單一秋季深松(耕)處理。在5個不同的深松(耕)時期與方式中，秋季深耕+夏季側位深松處理對土壤養(yǎng)分改良和作物增產的效果最佳，是砂姜黑土區(qū)適宜的深松(耕)時期和方式。