梁 海，陈宝成，韩惠芳，王少博，王桂伟

（养分资源高效开发与综合利用国家重点实验室/山东农业大学资源与环境学院，山东泰安 271018）

华北平原大部分地区长期采用冬小麦-夏玉米一年两季的种植模式，小麦季多采用翻耕作业，玉米季通常为直播，在这种耕作制度下普遍存在农田耕层变浅、土壤大孔隙减少、容重变大、犁底层加厚的问题，不利于作物生长，造成产量下降[1]。在常年机械压实的耕地实施深松耕作可打破犁底层、增加土壤水气通透性，改善土壤结构状态，促进根系向下部土层发展，耕作深度的不同也导致各土层的物理性状发生改变 (如导水率、透气性、团粒结构等)，土壤有效养分变化亦受到其影响。随着农业机械化普及，每年的耕作、播种与收获均使用大型农机，其造成的机械压实效果对耕层土壤的结构造成不可忽视的影响，如今土壤压实已成为制约玉米、小麦生产的一个重要因素[2]，深松耕作是一项保护性耕作措施，可以打破犁底层，改善土壤理化性状，有效地降低土壤容重、增加大孔隙体积[3]，同时因深松耕作带来的土壤结构疏松，使得降雨和灌溉水入渗的深度和速率增加，增加心土层土壤的含水量[4]。在华北平原夏季多雨季节能有效防止渍涝，而由于心土层土壤含水量的增加，在干旱季节到来时，作物的水分需求也能得到一定的满足，增加其抗旱能力。与传统的旋耕相比，深松对耕层土壤结构的影响会使土壤养分的迁移状况随之发生变化，有研究表明土壤结构与土壤孔隙的分布对土壤的供肥与保肥能力有着重要的影响[5]，在同样的施肥与灌溉条件下，不同深度土层的养分含量会因土壤的物理性质而有所不同。此外，耕地中的底土层 (20—40 cm) 总氮含量约占50%，总磷含量约占25%～70%[6-7]，但由于机械压实及不合理的耕作制度导致土壤的紧实度加大，作物根系下扎困难，处于底土层中的养分难以供作物吸收利用，有研究表明深松对作物根系生长有着良好的影响，从而促进根系对土壤水分与养分的吸收[8]。另一项研究显示，深松处理影响了根系的空间分布，使根系吸收水肥能力增强，从而减少氮肥的损失[9]，此外，深松也可以使土壤养分的有效性提高。郭家萌等[10]发现深松处理增加了0—15 cm 与15—25 cm 土层的有效磷含量。而蔡丽君等[11]研究认为深松有利于20—40 cm 的土壤速效钾含量的提高。近年来，国内对深松研究已开展了许多的工作，但其研究重点主要集中在土壤物理性状，而对由于不同深度的松耕带来的土壤养分迁移变化情况关注较少。本试验结合深松对土壤物理性状及土壤有效养分的影响，重点研究不同的深度松耕与常规旋耕处理对土壤物理性状、土壤养分有效化及轮作小麦、玉米生长的影响，为评价不同深度松耕对土壤理化性质与作物生长影响提供一定的参考，也为田间选用合适的耕作深度提供帮助。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验为田间试验，每个小区为120 m2(长15 m、宽 8 m)，地点设在在山东省烟台市朱家埠村，该区域常年种植方式为冬小麦—夏玉米一年两季，冬小麦耕作方式为翻耕20 cm，夏玉米耕作方式为免耕制。试验区年平均气温11℃，无霜期约200 天，年平均降雨量600 mm。

供试土壤:潮棕壤 (简育湿润淋溶土)，质地为粘壤土，pH 为6.79，0—20 cm 土壤有机质含量为13.0 g/kg、全氮含量为0.69 g/kg、有效磷为35.5 mg/kg、速效钾含量为124 mg/kg。

供试作物:冬小麦品种为烟农24；夏玉米品种为伟科702。

供试肥料:玉米季基肥为山东农大肥业科技有限公司生产腐殖酸复合肥 (N-P2O5-K2O=15-15-15)，施肥量为375 kg/hm2，追肥为山东农大肥业科技有限公司生产的脲铵氮肥 (N 28%)，于玉米拔节期进行追肥，追施量为600 kg/hm2。小麦季基肥为山东农大肥业科技有限公司生产的腐殖酸复合肥 (N-P2O5-K2O=18-10-12)，施肥量为1125 kg/hm2，不再进行追肥。

供试农机:深松机械为中国农业大学和河南豪丰农业装备有限公司联合研发的1SF-200 型深松施肥机，尺寸为1520 mm × 2216 mm × 1394 mm，配套动力73.5～88.2 kW；翻耕机械为雷沃M1104-D 轮式拖拉机，配套动力为81 kW。

1.2 试验设计

试验设4 个处理，分别为常规翻耕2 0 c m(CK)、深松30 cm、深松35 cm、深松40 cm，重复三次，所有处理采用完全随机区组设计。

小麦季:2016 年10 月18 日耕作后，进行播种，播种量为120 kg/hm2，2017 年6 月18 日收获；小麦收获后，于2017 年6 月26 日玉米进行播种，株距20 cm，行距60 cm，于2017 年10 月10 日收获。玉米季:播种时不进行耕作，留茬点播玉米，所有处理土壤不受机械耕作扰动。

1.3 样品采集与测定

冬小麦每小区选取1 米双行，3 次重复进行收获测产，测定穗粒数，小麦植株于烘箱105℃杀青后，与籽粒一同于75℃干燥至恒重，测定千粒重及干物质积累量。

夏玉米每小区选取5 米双行，3 次重复进行收获测产，测定穗粒数，玉米植株在烘箱105℃杀青后，与籽粒一同于75℃干燥至恒重，测定百粒重及干物质积累量。

土壤样品的测定:土壤速效氮测定采用风干土样，以0.01 mol/L 的CaCl2溶液浸提 (水土比1∶10)，NO3--N 与NH4+-N 采用流动注射分析仪(SEAL，AA3，德国) 测定，两者之和为土壤速效氮含量；土壤有效磷采用0.5 mol/L NaHCO3浸提—钼蓝比色法测定；土壤速效钾采用pH 7.0 醋酸铵浸提—火焰光度计法测定；土壤有机质用硫酸—重铬酸钾氧化法测定。

在每个地块挖出50 cm 深度的剖面，依次以环刀采集0—10 cm、10—20 cm、20—30 cm 及30—40 cm 未受扰动的土壤样品，测定土壤容重，计算土壤三相比。土壤三相比数据转换为R 值:

式中:R 为所测定土壤样品三相比与土壤理想状态下三相比的偏离值；X 为所测定土壤样品固相的数值；50 为土壤理想状态下固相的数值；Y 为所测定土壤样品液相的数值；25 为土壤理想状态下液相的数值；Z 为所测定土壤样品气相的数值；25 为土壤理想状态下气相的数值。

1.4 数据分析

试验数据采用SAS 8.0、Excel 2017 软件进行处理、统计分析及作图。

2 结果与分析

2.1 深松对土壤容重的影响

当土壤容重在1～1.5 g/cm3范围内，容重越低越有利于作物的生长。对照处理 (CK) 小麦季在0—10 cm 土层中土壤容重显著低于各深松处理，非常适宜小麦的生长，而在20—40 cm 的两个土层，其土壤容重则分别达到了1.9 与1.8 g/cm3，显著高于各深松处理，且超过了作物生长适宜的容重范围的上限 (图1)。深松35 cm 处理0—10 cm 与10—20 cm 土层土壤容重显著高于其他各处理，且达到甚至超过适宜土壤容重的上限，但在20—30 cm 土层与其他两个深松处理差异不显著。与CK 相比，三个深松处理均显著降低了20—30 cm 与30—40 cm 土层的土壤容重。在玉米季，土壤容重总体高于小麦季，并且CK处理在0—10 cm、10—20 cm 及20—30 cm 土层的土壤容重均显著高于各深松处理。深松35 cm 处理在0—10 cm 与10—20 cm 土层土壤容重最低，且显著低于其他两个处理，其他两个深松处理在各层次的容重差异不显著。综合两季作物来看，各深松处理相较于CK 处理的土壤容重更适于作物的生产，特别是在20—40 cm 土层。

图 1 小麦玉米收获期耕翻和深松处理的土壤容重Fig. 1 Soil bulk density at harvesting stage of wheat and maize under plough and subsoiling treatments

对比相同处理容重在小麦季以后玉米季的变化(图2)，发现深松35 cm 土壤容重在0—30 cm 土层均有显著下降，而CK 则在20—40 cm 土层出现了显著的下降，综合观察发现玉米季土壤容重除深松35 cm 处理外，其它两个深松处理土壤容重对比小麦季出现了显著的上升。

图 2 玉米季对比小麦季不同土层土壤容重变化Fig. 2 Soil bulk density variation in maize season relative to that in wheat in the same plot at different soil depths

2.2 深松对剖面土壤养分含量的影响

小麦收获期各土层土壤养分含量受耕作措施的影响十分显著 (图3)。四个土层土壤速效氮含量深松处理均显著高于CK。三个深松处理间也差异显著，各层有效氮含量均以深松35 cm 处理最高，其次是深松30 cm。

土壤速效钾含量除10—20 cm 土层外，深松处理也均显著高于CK。深松30 cm 处理土壤速效钾含量在0—10 cm 与20—30 cm 土层中显著高于其他两个深松处理，在30—40 cm 土层三个深松处理差异不显著。

各土层土壤有效磷含量深松处理均显著高于CK。深松35 cm 各层的有效磷含量又显著高于其他两个处理。综合来看，深松可以显著增加土壤耕层和亚耕层速效氮磷钾养分的含量，为下一茬玉米生长提供良好的养分储备，效果最好的处理为深松35 cm。

玉米季收获期土壤养分含量结果显示 (图4)，深松30 cm 处理0—10 cm 土层中土壤速效氮含量显著高于其他各处理，次之为深松35 cm 处理，而在10—20 cm 与20—30 cm 土层中深松35 cm 处理显著高于其他各处理，30—40 cm 土层中各处理间存在差异显著，其中CK 显著高于三个深松处理。

土壤速效钾含量在0—10 cm 与10—20 cm 土层中深松30 cm 与深松40 cm 处理均显著高于CK 与深松35 cm 处理，且在0—10 cm 土层中深松30 cm 处理显著高于深松40 cm 处理，在10—20 cm 土层则相反。CK 处理20—30 cm 土层速效钾含量与三个深松处理差异不显著，30—40 cm 土层中深松30 cm 处理土壤速效钾含量显著低于其他各处理。

三个深松处理10—30 cm 土层有效磷含量均显著高于CK 处理，深松30 cm 处理土壤有效磷含量在0—10 cm 与20—30 cm 土层均显著高于其他各处理。上季深松速效氮磷钾养分增加效果延续至玉米季，而对土壤有效磷含量的影响较上季呈现更显著的效果。

图 3 不同耕作深度小麦季收获期土壤养分含量Fig. 3 Available nutrient contents in different soil depths under different tillage at wheat harvest

图 4 不同耕作深度玉米季收获期土壤养分含量Fig. 4 Available nutrient contents in different soil depths under different tillage at maize harvest

2.3 深松对土壤三相比的影响

土壤固相、液相、气相间的容积百分比，即三相比，是评价土壤水肥气热相互关系的重要参数。一般土壤固相率在50% 左右、容积含水量25%～30%、气相率15%～25%时最适宜作物的生长，即R 值近似于0。小麦、玉米收获期不同处理R 值见表1。翻耕20 cm 处理在0—10 cm 与10—20 cm 土层的固相率相对较低，而20—30 cm 与30—40 cm 土层则较高，表明翻耕20 cm 处理仅增加了0—20 cm 土层的孔隙度，各土层比较时发现20—30 cm 土层R 值更为接近最适植物生长的值，而深松处理可改善20—40 cm 土层的三相比，其中以深松35 cm 处理各层次三项比最优。在玉米季各深松处理在不同土层的固相率均低于翻耕20 cm 处理，且比较发现深松30 cm 与深松40 cm 处理R 值均维持在较为适宜的水平，整体处于9.60～5.23 之间，表明深松处理不仅可以减少耕作后由于自然沉降等因素造成的土壤复压实的问题，也造就了更为适宜作物生长的土壤结构。综合比较各处理发现小麦季深松30 cm 各土层R 值在13.20～15.92 之间，总体最小，玉米季则以深松40 cm 的R 值总体最小，在6.03～8.81之间。

表 1 不同深松深度土壤固态、液态和气态三相所占百分比 (%) 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 深松对小麦、玉米产量及其构成的影响

不同深度松耕处理冬小麦、夏玉米产量及产量构成因素见表2。与CK 相比，各深松处理小麦籽粒产量均显著提高，深松30 cm、深松35 cm 与深松40 处理冬小麦籽粒产量分别增加了10.9%，15.3%和15.5%；深松30 cm 与35 cm 处理的夏玉米产量亦显著高于CK，分别增加了12.0%和14.9%，深松40 cm 比翻耕20 cm 玉米产量增加了9.4%。小麦季各深松处理间有效穗数差异不显著，但均显著高于翻耕20 cm 处理，而玉米季各处理间有效穗数则不存在显著差异；小麦季各处理穗粒数以深松30 cm 最高，而玉米季则以深松35 cm 最高； 小麦季与玉米季千粒重均以深松35 cm 处理最高，且显著高于其它处理。计算小麦、玉米周年产量增产效果，深松30 cm、35 cm、40 cm 处理分别比对照增产11.6%、15.1%、11.8%，均达显著差异水平。综上所述，深松可以有效地增加小麦、玉米的穗粒数和千粒重，是促进产量提高的主要原因。

3 讨论

本试验采用大田试验，设置不同深松处理对照传统翻耕，研究了对小麦玉米产量及土壤理化性状的影响。相对于传统翻耕，不同的深松处理小麦玉米产量均有增加，增产率平均约为13%左右，与前人在华北地区大田试验的增幅相近[12-13]，深松在东北、西北和华北地区均能提高小麦玉米的产量，在年均降雨量 ≥ 600 mm 和年均气温 ＞ 12℃时效果更显著[14]，本试验区气候与该气候条件相近，因而深松效果较为显著。

土壤容重与质地、压实状况、颗粒密度、有机质及各种管理措施有关，直接影响土壤通气、透水性能，也影响土壤温度状况。适宜的土壤容重对保水至关重要，在一定范围内，容重小的土壤，上层土壤的水分容易蒸发，下层土壤水分容易渗漏，而容重过大的土壤则不利于水分入渗，易造成径流损失。本试验结果出现了各处理玉米季的土壤容重整体大于小麦季的现象，原因为降雨灌溉使得土壤的自然沉降程度加大，另外玉米季采用了免耕直播的方法，沉降的效果结合机器播种压实导致了玉米季容重整体出现增大现象，而试验中深松35 cm 整体容重则出现了下降的现象，应为小麦季深松35 cm处理土壤构造处于较为适宜玉米根系生长的状态，其根系整体下扎深度加深，从而降低了相应土层容重。深松除影响了土壤结构，本试验中，深松40 cm 处理相对其他处理更好的改善了各土层土壤固液气三相的比例，R 值在一定程度上能反映各土层结构的合理性，其中玉米季与小麦季各深松处理以深松40 cm 总体R 值最小，即土壤结构更合理。在耕地采用深松耕作能增加耕层的土壤大孔隙，在华北平原区域，种肥同播机械已经逐渐得到普及，在播种时肥料同时施入土壤中，在土壤孔隙度适宜的条件下，降雨和灌溉水能有效地被吸持在耕层中，减少径流损失，若土壤容重较大，水分难以下渗，肥料在水中释放后便极可能随着径流而损失，也因不能进入较深的土层而造成氮肥的挥发损失和污染环境。深松耕作可使深层紧实的土壤结构向适宜作物生长的疏松程度变化，且不会对耕层土壤造成过大的扰动而破坏土壤团聚体，有利于水分下渗维持土壤墒情，对土壤团聚体破坏较少，有利于提高养分的有效性。深松耕作促进土壤结构改善和作物根系的生长，减少根系下扎的机械阻力[15-17]，深松深度在30 cm 时玉米根系的单株生长明显得到了改善[18]，作物的根系生长得以促进从而加强了其水肥吸收能力，最终可提高作物的产量。

表 2 不同深松深度处理冬小麦、玉米产量及产量构成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响下，土壤的有效养分亦会受到较大的影响[19]，本试验研究结果表明，相较于传统的翻耕20 cm 处理，深松耕作能够促使较深土层 (10—40 cm) 的养分向有效态转化。本试验中出现小麦季0—10 cm 翻耕20 cm 处理低于深松处理而玉米季却相反的现象，原因可能是在玉米季高温多雨，翻耕20 cm 处理0—10 cm 土层结构相较其他处理更为疏松，有利于通气透水，微生物活跃，小麦季残茬经微生物作用向有机质转化较多。其中深松35 cm 处理速效氮在各土层的含量变化相较其他处理平缓，且含量保持在相对较高水平，表明深松35 cm 对土壤速效氮具有最良好的影响。有试验表明在黑龙江地区机械耕作可以显著增加土壤有效磷和速效钾的含量[20]，并且不同耕作方式对土壤有效磷的影响也不尽相同，其中以深松耕作对0—30 cm 土层有效磷增加影响最大[21]，本试验中翻耕20 cm 处理在小麦季20—30 与30—40 cm 土层均显著低于各处理，在玉米季土壤容重增大，翻耕20 cm 处理在各土层中的有效磷含量均低于其他各深松处理，而深松35 cm 与深松30 cm 处理有效磷含量无论在小麦季或是玉米季均较高，这可能是在小麦玉米轮作体系中作物的需磷特性、土壤温度与土壤的湿度条件共同对土壤磷及肥料中的磷素有效性起作用，但由于磷施入土层中后容易被土壤固定，造成其在土壤中的扩散系数小，移动缓慢，进而降低其有效性，而深松耕作改善了土壤物理结构与湿度条件，为磷的迁移提供了较良好的条件，因此使得磷素能迁移到较深的土层，提高其有效性。

4 结论

相较于传统翻耕，在小麦播种进行前深松能够有效地降低0—40 cm 各土层的土壤容重，改善其三相比，使得其R 值更小即更趋近适于作物生长的三相比值。与深松30、40 cm 相比，深松35 cm 可以更显著地增加0—40 cm 土层有效氮磷钾含量，显著增加小麦、玉米产量。综合考虑土壤培肥效果和成本，建议在实际生产中推广深松35 cm。