郑家明，孙占祥,冯良山，杨 宁，白 伟，冯 晨，张 哲，蔡 倩，向午燕

(辽宁省农业科学院,辽宁 沈阳 110161)

中国北方地区春季干旱少雨，夏季降水集中，保蓄降水是该区域抵御旱灾，提高水分利用效率，增加作物产量的重要关键技术[1]。目前中国北方雨养旱作农业区由于土地经营分散，农业生产中多以小型机具为主，加之人们对耕地的连续高强度开发和不合理使用，使农田土壤有效耕层变浅，犁底层加厚并上移，耕层土壤养分质地趋于恶化，地力下降，作物增产及水分利用效率提高受到限制[2]。深松通过深松铲局部打破犁底层，利于集蓄更多降水，减少田间地表径流，促进作物生长，提高水分利用效率，可较好地为区域农业增产和稳产提供保障[3-5]。间隔深松能够在纵向形成虚实并存的结构基础上，横向也形成虚实交替结构，并提高土壤的保水能力和养分有效性[6-8]，间隔深松紧实部分还可以促进水分由耕层下部向上部移动的作用，同时虚实并存耕层结构利于玉米生长，具有防止玉米后期倒伏的作用[9]。郑洪兵等[10]通过31 a的长期定位试验证明间隔深松耕作是改善土壤硬度，提高土壤宜耕性的有效耕作方法。虚实并存耕层结构能够明显提高玉米出苗率、增加苗期玉米株高、茎粗及叶片数，并显著提高玉米产量，增产幅度为8.17%～15.02%[11]。其中苗紧行松的间隔耕作方式能有效降低土壤硬度，提高土壤含水量，改善土壤结构，促使耕层土壤水气协调[12]。目前研究多采用定位的方式，对垄和沟间隔深松年际间更替的效果研究较少。秋夏年际交替间隔深松主要指秋收后进行垄台深松，至第二年初夏玉米拔节前进行垄沟中耕深松，两种深松方法在不同年份交替进行。秋夏年际交替间隔深松有效地将秋季间隔深松和初夏农田中耕深松结合起来，我们对其技术效果亦进行了研究。

1 材料与方法

1.1 试验地点与试验材料

试验在农业部辽宁阜新农业环境与耕地保育科学观测试验站进行，玉米品种为郑单958，试验田土壤为褐土，耕作试验之前农田长期没有进行深松耕作，一直采用春季灭茬(浅旋耕8 cm左右)后直接播种的种植方式。2012年、2013年和2014年降水量分别为483.7、462.3、216.3 mm。

1.2 试验设计

试验设秋季全方位深松(BS),秋季连年垄台深松(RS),初夏连年垄沟中耕深松(FS)等方式，于6月上旬玉米拔节前进行作业；秋夏年际交替间隔深松(AS)，2011年为秋季垄台深松、2012年为6月上旬玉米拔节前垄沟中耕，以此年际间交替实施；以春季旋耕15cm为对照(CK)。每个试验处理面积为300 m2，重复3次，深松深度均为28cm，玉米种植密度为60 000 株·hm-2，播种时施用三元复合肥(N、P2O5、K2O含量均为15%)375 kg·hm-2，拔节期前追施尿素(N含量为46%)375 kg·hm-2。2012年、2013年和2014年玉米播种期分别为4月29日、4月30日、5月6日，收获时期分别为9月25日、9月27日和9月21日。

1.3 调查内容与方法

1.3.1 土壤容重 每年玉米收获后深松作业实施前采用环刀法分别测定每个小区垄上和垄沟土壤容重，每5 cm为一测定层次，纵向分别计算0～15 cm和15～30 cm平均土壤容重，横向分别计算垄和沟平均土壤容重。

1.3.2 土壤含水量与贮水量 玉米生长关键时期在玉米垄和沟交接处采用土钻钻取土壤样本，用105℃烘干法测定0～100 cm土壤含水量(约1个月测定1次)，每10 cm为1个测定层次，并计算土壤贮水量，如公式(1)。0～30 cm土壤容重按照每年测定结果进行计算，30～100 cm土壤按照平均土壤容重1.5 g·cm-3进行计算。

W=φm·ρ·h

(1)

式中,W为土壤贮水量(mm)，φm为土壤重量含水量(%)，ρ为土壤容重(g·cm-3)，h为土壤厚度(mm)。

1.3.3 土壤耗水量 采用土壤水分平衡法式(2)进行计算。

ET=I+P-RO-DP+CR±ΔSF±ΔSW

(2)

式中，ET为作物生育期耗水量(mm),I和P分别为该时段内的灌水量和降雨量(mm)，RO为降雨和灌溉时土壤的表面径流量(mm)(本试验由于田间设有田埂，因此忽略)，DP为深层土壤渗漏量(mm)，CR为地下水由毛管上升到根区的水量(mm)(由于试验田地下水位较低，因此忽略)，ΔSF为土壤水侧向渗漏量(mm)，包括侧向流入量SFin和侧向流出量SFout2项(本试验忽略)，ΔSW为土壤含水量的变化量(mm)。

1.3.4 作物产量与水分利用效率 玉米成熟时测定每个小区玉米产量，采样小区面积为50 m2。同时计算玉米水分利用效率，计算公式如下式。

WUE=0.1·Y/ET

(3)

式中，WUE为作物水分利用效率(kg·m-3),Y为作物单位面积产量(kg·hm-2),ET为作物生育期耗水量(mm)。

2 结果与分析

2.1 不同耕作方式对土壤容重的影响

作物收获后0～30 cm土层不同耕作方式下土壤容重纵向分布情况如表1所示，在试验实施前(2011年秋季)各处理差异不显著。采用不同耕作方式后， 0～15 cm土层平均土壤容重CK一直处于最低水平，2012年RS>FS>BS≈AS>CK；2013年AS>FS≈RS>BS>CK；2014年FS≈RS>AS≈BS≈CK。15～30 cm土层平均土壤容重CK一直处于最高水平，2012年CK>RS>FS>AS≈BS；2013年CK>RS≈AS≈FS>BS；2014年CK>RS≈FS>AS≈BS。

作物收获后0～30 cm土层不同耕作方式下土壤容重横向分布情况如表2所示，CK无论垄或沟其土壤容重一直处于最高水平。垄体位置土壤容重，2012年CK>FS>AS ≈RS≈BS；2013年CK>FS≈AS>RS≈BS；2014年CK>FS>AS≈RS≈BS。垄沟位置土壤容重，2012年CK>RS>BS≈FS≈AS；2013年CK≈RS>AS>BS≈FS；2014年CK>RS>BS≈AS≈FS。

根据以上土壤容重特征，我们可以将不同处理土壤容重表述为：CK为上虚下实型，BS为均匀疏松型，RS为垄虚沟实型，FS为垄实沟虚型(相对其它处理)，AS为年际疏松交替型。

2.2 不同耕作方式对土壤水分的影响

不同耕作方式对土壤贮水量的影响如图1(a)所示，2012年、2013年及2014年玉米生育前期降水相对丰沛，采用深松作业后土壤的蓄水能力较CK高，2014年玉米生育后期试验 区域遭受历史罕见的严重伏旱[13-14]，使土壤贮水量大量消耗，深松处理保蓄的土壤水分显然成为作物稳产的关键因素之一。

表1 2011-2014年不同耕作方式下土壤容重纵向变化情况/(g·cm-3)

注：同列不同小写字母表示LSD0.05差异显著；同列不同大写字母表示LSD0.01差异显著，下同。

Note:Different lowercase letters in the same column showed significant differences in LSD0.05, while different uppercase letters showed significant differences in LSD0.01, the same below.

表2 2011-2014年不同耕作方式下土壤容重横向(0～30 cm)变化情况/(g·cm-3)

对玉米生育期土壤平均贮水量进行比较，采用深松耕作均能提高土壤贮水量，如图1(b)。其中2012年玉米生育期土壤平均贮水量BS、AS、FS和RS均显著高于CK，经计算分别提高10.9、10.9、9.0 mm和8.2 mm；2013年玉米生育期平均土壤贮水量BS最高，较CK高16.3 mm，其次为AS和FS分别高14.6 mm和12.7 mm，再次为RS较CK高6.0 cm；2014年玉米生育期平均土壤贮水量BS和AS最高，较CK分别高23.2 mm和17.2 mm，其次为FS和RS，较CK分别高15.7 mm和7.1 mm。

2.3 不同耕作方式对作物产量和水分利用效率的影响

不同耕作方式下玉米的产量和水分利用效率如表3所示，2012年AS产量最高，其次为BS，再次为RS和FS，经计算分别比CK增产28.65%、21.47%、13.35%和13.23%；2013年BS和AS产量最高，其次为RS和FS，经计算分别比CK高18.93%、17.22%、11.01%和9.45%；2014年AS产量最高，其次为BS，之后依次为RS和FS，经计算分别比CK高17.38%、16.21%、9.91%和5.90%。2012年和2013年降水相对充足，采用深松耕作具有增加土壤贮水能力的作用，因此会降低农田的耗水量。2012年全生育期AS较CK少耗水22.3 mm，BS少耗水14.6 mm，FS少耗水7.6 mm，RS少耗水3.6 mm；2013年全生育期BS耗水量最少，比CK少26.9 mm；其次为FS、AS和RS，分别比CK少20.1、17.1 mm和11.7 mm。2014年由于遭受严重旱灾，为降低玉米干旱胁迫消耗了大量的土壤贮水量，整个生育期BS和FS分别较CK多消耗22.8 mm和9.5 mm土壤水分，AS和RS与CK耗水量差异不显著。通过比较不同处理的水分利用效率，2012年AS最高，其次为BS，再次为FS和RS，分别较CK提高0.73、0.53、0.31 kg·cm-3和0.30 kg·cm-3；2013年BS和AS最高，其次为FS和RS，分别较CK提高0.67、0.55、0.37 kg·cm-3和0.35 kg·cm-3；2014年AS、RS、BS和FS较CK分别提高0.27、0.24、0.21 kg·cm-3和0.07 kg·cm-3。总体上,AS处理在3 a研究中,玉米持续保持着高生产能力和水分利用效率，较CK产量提高17.22%～28.65%，水分利用效率提高0.27～0.73 kg·m-3；2013年与BS产量和水分利用效率差异不显著，而较其他两年分别提高1.00%～5.92%，0.06～0.20 kg·m-3；较FS产量提高5.59%～13.50%，水分利用效率除2014年差异不显著外，较其他两年提高0.20～0.43 kg·m-3。

图1 玉米生长季0～100 cm土壤贮水量变化Fig.1 Change of soil water storage in 0～100 cm during maize growth season

表3 2012-2014年不同耕作方式下玉米产量和水分利用效率

3 结论与讨论

土壤是作物生长的基础，由于中国农田很少休闲，年复一年进行农业生产，耕作模式在农业生产中发挥着重要作用，几千年来，精耕细作已成为中国农业的特色[15]。耕作能降低土壤容重，提高土壤保水能力，调节土壤中固体、液体、气体的三相比例，协调土壤中水、肥、气、热的关系，利于作物的根系生长，并为作物的高产奠定良好基础[16-17]。深松耕作具有耕作层深，划破犁底层等优点，可以降低土壤耕层的容重，增加通透性，改善土壤环境，加速雨水下渗，增加土壤耕层水分，促进作物增产[18-19]。李传友等[20]研究表明，通过深松可提高土壤蓄水能力，土壤累计入渗量提高58%～264%，土壤含水量增加3.2%～5.9%。罗洋等[21]的研究证明，虚实并存的耕层构造有利于玉米生长发育，株高和最大叶面积可提高8.37%～14.18%，气生根条数和叶片净光合速率也明显提高。目前关于间隔深松的研究多集中在固定的耕作体系，关于间隔深松位置更替、耕作时间和后效等研究还相对较少[22-23]，尚未形成完整的间隔深松理论和技术体系。

本研究通过3 a定位试验发现，不同耕作方式对土壤容重的影响不同，可以将不同耕作处理土壤容重特征表述为：CK为上虚下实型，BF为均匀疏松型，RS为垄虚沟实型，FS为垄实沟虚型(相对)，AS为年际疏松交替型。土壤容重与土壤贮水能力存在密切关系[24-25]，AS由于在2011年秋季和2012年初夏分别对农田垄和沟进行了间隔深松作业，2012年作物收获后至2013年作物收获前并未对农田耕层进行深度耕作作业，2013年作物收获后和2014年初夏又分别对垄和沟进行了间隔深松作业，因此年际间土壤容重存在更替变化。但试验证明这不会影响其年际间土壤贮水能力，总体上AS与BS一样会保持较高的土壤贮水能力，能够为不同降水年型下玉米稳产提供保障。这是因为深松具有后效作用[26-27]，同时土壤水分在年际间也存在蓄留效应[28]。3 a间BS、AS、FS和RS在不同年份土壤平均贮水量的变化范围分别是10.9～23.2 mm、10.9～17.2 mm、9.0～15.7 mm和6.0～8.2 mm。

由于深松作业会增加农田的贮水量，可为作物生长创造相对较好的土壤水分条件，3 a中深松处理均明显增加了玉米产量和水分利用效率，尤其相对于其他3种深松方式，AS处理玉米持续保持着高生产能力和水分利用效率。尽管AS和BS在一定条件下具有相近的土壤蓄水能力，但有研究证明间隔深松可以在土壤中形成虚实并存的耕层结构，利于干旱季节土壤水分由下部移动到土壤耕层，并提高玉米的抗倒伏能力[2,9,29]，AS可在保留间隔深松优点的同时，实现全方位深松的蓄水效果，这为2012年和2014年AS玉米产量和水分利用效率较BS提高创造了条件。而AS相对于RS和FS两种间隔深松方式，采用交替的深松方式更能降低土壤容重，改善土壤耕层结构，提高土壤蓄水能力，使玉米保持更高的生产力。同时，一般全方位深松较间隔深松需要更多的能耗[30]，因此AS在降低作业成本方面具有优势，是更加理想的深松耕作方式。尤其在半干旱地区，通过年际间在秋季和初夏进行间隔深松，能够创造出较好的耕层结构，利于蓄保秋季降水和夏季的集中降水，具有较好的应用前景。