聂良鹏^1,3, 郭利伟¹, 牛海燕², 魏杰², 李增嘉¹, 宁堂原^1,*
1山东农业大学作物生物学国家重点实验室 / 土肥资源高效利用国家工程实验室 / 山东省高校作物生理生态重点实验室, 山东泰安 271018

²滕州市农业局, 山东滕州 277519

³民权县农业局, 河南民权 476800

^*通讯作者(Corresponding author): 宁堂原, E-mail: ningty@163.com, Tel: 0538-8249737 收稿日期:2014-12-19 基金:本研究由“十二五”国家科技支撑项目(2012BAD14B07)和国家公益性行业(农业)科研专项(201103001)资助

摘要为了解不同轮耕模式对小麦-玉米两熟制耕层构造、作物产量和品质的影响, 从2009年小麦季开始至2012年玉米生长季结束连续3个种植周期设置小麦季免耕、深松或翻耕+玉米季免耕或深松的6种耕作模式组合, 研究其对农田土壤孔隙度和水分含量、作物产量、以及籽粒蛋白质含量、油分含量和容重的影响。结果表明, 与免耕相比, 玉米季深松大幅度提高0~40 cm土壤的周年总孔隙度, 小麦季深松或翻耕改善了土壤孔隙状况。小麦季耕作和玉米季耕作的交互效应是各层次土壤毛管孔隙度的决定因素, 而玉米季耕作的独立效应是土壤各层次非毛管孔隙度的决定因素。小麦季深松和翻耕促进小麦生育后期对土壤水分的吸收, 深松较翻耕和免耕处理的小麦产量显著升高。玉米季深松比免耕提高了玉米在灌浆阶段对水分的吸收, 有利于提高玉米产量, 同时对后茬小麦有积极作用。从全年产量与品质看, 6种耕作模式组合中, 全年两季深松效果最佳, 其次是小麦季深松+玉米季免耕, 这两种轮耕模式均适合在华北平原推广应用。

关键词:轮耕; 小麦-玉米两熟制; 耕层构造; 产量; 品质
Effects of Rotational Tillage on Tilth Soil Structure and Crop Yield and Quality in Maize-Wheat Cropping System
NIE Liang-Peng^1,3, GUO Li-Wei¹, NIU Hai-Yan², WEI Jie², LI Zeng-Jia¹, NING Tang-Yuan^1,*
1State Key Laboratory of Crop Biology / National Engineering Laboratory for Efficient Utilization of Soil and Fertilizer Resources / Key Laboratory of Crop Physiology and Ecology in Universities of Shandong Province, Shandong Agricultural University, Tai’an 271018, China

² Tengzhou Agricultural Bureau, Tengzhou 277519, China

³Minquan Agricultural Bureau, Minquan 476800, China


AbstractIn a three-year field experiment from the wheat season of 2009 to the maize season of 2012 in North China., we compared the effects of six tillage systems (zero-tillage, subsoiling, and conventional tillage before wheat sowing; zero-tillage and subsoiling before maize sowing) on soil porosity, moisture content, and crop yield and quality. Compared with zero-tillage, subsoiling before maize sowing greatly increased the annual mean soil total porosity in 0-40 cm soil layer, and subsoiling or conventional tillage before wheat sowing was also in favor of improving soil total porosity in 0-40 cm layer. The interaction between tillage practices in wheat and maize seasons had the largest influence on soil porosity, and the tillage in maize season determined the soil non-capillary porosity. Subsoiling and conventional tillages in wheat season resulted in more water absorption at late wheat growth stage than zero-tillage; particularly, wheat yield in subsoiling was the highest with significant differences from those of zero-tillage and conventional tillage. Subsoiling in maize season had more water absorption at filling stage and yield promotion than zero-tillage. Meanwhile, subsoiling in maize season had a successive effect in the following wheat season. In an overview of yield and grain quality, subsoiling in both maize and wheat seasons was the most optimal tillage mode for wheat-maize cropping system in North China, followed by subsoiling in wheat season plus zero-tillage in maize season.

Keyword:Rotational tillage; Maize-wheat cropping system; Tilth soil structure; Yield; Grain quality
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良好的农田耕层结构可以协调土壤的水分和养分状况, 为作物高产奠定良好的土壤基础; 而适宜的耕作措施可以建立良好的农田耕层结构, 有利于作物的生长发育和产量形成^{[1, 2]}。传统耕作以翻耕为主, 但其在创造良好耕层的同时, 却增加了水土和养分流失^{[3, 4]}。免耕技术由于能减少水土流失等环境问题, 近年来在世界上得到了较快的应用^{[4, 5]}。但是长期免耕会导致土壤耕层变浅、养分表层富化下层穷化、病虫草害加重等不良影响, 不利于作物均衡利用土壤养分而高产稳产^{[6, 7]}。土壤轮耕技术通过翻耕、深松与免耕等土壤耕作措施的有机组合, 可以扬长避短, 有效地改善土壤孔隙度和容重等重要理化性状, 调节土壤肥力, 克服单一耕作方式带来的不利影响, 是用地养地相结合的农田生产技术^{[6, 7, 8]}。在小麦-大豆轮作系统中, 免耕5年后, 作物产量显著下降, 引入深松可以使作物根系分布更广更深, 促进了地上部生长和水分高效利用, 小麦产量显著提高^[9]。在燕麦-大麦轮作系统中, 深松能够减轻因长期免耕而造成的耕层质量下降, 显著提升燕麦和大麦的产量^[10]。在一熟区、稻麦两熟区、双季稻区和其他两熟区长期免耕的农田上开展轮耕有利于改良土壤结构、降低容重、增加孔隙度、改善土壤水气热状况, 从而避免长期免耕造成的产量下降, 甚至能显著增产^{[7, 11, 12, 13]}。因此, 在长期免耕的农田中开展适宜的轮耕研究对农田的可持续增产有重要意义。
小麦-玉米两熟是华北平原最主要的农作制度^[14], 以小麦季翻耕玉米季免耕为主, 近年来全年免耕的面积在不断增大^{[4, 15]}, 随着免耕或少耕年限的增多, 土壤上松下紧, 容重增加, 孔隙度下降, 严重阻碍作物根系的生长, 影响作物水分与养分吸收与利用, 最终导致产量下降^{[7, 13]}。研究表明, 免耕地块小麦季实施轮耕有利于改变长期免耕造成的容重增加、孔隙度下降等不利影响, 利于作物根系生长、产量提高及品质改善^{[7, 13, 15]}。但有人研究指出, 在小麦-玉米两熟条件下, 玉米季深松比小麦季深松更利于全年作物高产和肥水高效^{[16, 17]}。目前的研究多是在玉米免耕条件下进行的小麦不同耕作方式比较, 缺乏玉米季不同耕作方式的轮耕模式比较, 不能确定小麦-玉米种植制度下最优的轮耕组合。因此, 本研究在华北平原小麦-玉米两熟区选择一块连续10年进行小麦季翻耕玉米季免耕的农田, 小麦季设置免耕、深松和翻耕3种耕作方式, 玉米季设置深松和免耕2种耕作方式, 开展6种轮耕模式对比研究, 分析不同轮耕模式对土壤孔隙、容重、水分及作物产量和品质的影响, 探求能够改善耕层构造, 提高作物产量和品质的适宜轮耕模式, 为该地区建立改善农田耕层构造、提高作物产量与品质的轮耕模式提供理论依据和技术支撑。
1 材料与方法1.1 试验点概况试验点山东省滕州市西岗镇半阁村(34° 95′ N, 117° 04′ E)为华北平原典型的小麦-玉米一年两熟区, 属暖温带季风气候, 四季分明, 年均日照2383.0 h, 年平均气温13.6º C, 年平均降水量773.1 mm, 且主要集中在7月至9月。供试土壤为沙姜黑土, 质地黏壤, 地下水在5 m以下。试验前0~20 cm土壤pH 6.77, 容重1.36 g cm^-3, 含有机质25.08 g kg^-1、全氮1.48 g kg^-1、速效磷50.16 mg kg^-1、速效钾192.33 mg kg^-1; 20~40 cm土壤pH 7.48, 容重1.45 g cm^-3, 含有机质16.87 mg g^-1、全氮0.96 mg g^-1、速效磷4.11 mg kg^-1、速效钾155.67 mg kg^-1。
1.2 试验设计2009年10月至2012年10月连续3年6个生长季, 采用裂区设计, 主区为小麦季耕作方式(免耕ZT、深松SS和翻耕CT), 副区为玉米季耕作方式(深松SS和免耕ZT), 共6个处理。小区面积15 m × 50 m, 3次重复。使用ZS-180型振动深松机间隔深松, 深度35~40 cm, 间隔60 cm。翻耕深度15~18 cm。小麦、玉米播种时均使用2BMF-7/14型多功能免耕播种机一次性完成旋耕(深度6 cm)、施底肥、播种作业。
小麦品种为良星66, 玉米品种为郑单958。小麦、玉米秸秆等量还田, 秸秆被粉碎后均匀撒于地表, 然后进行耕作处理, 2009年玉米秸秆还田量为10 125 kg hm^-2, 2010年小麦秸秆还田量为9235 kg hm^-2, 玉米秸秆还田量为10 048 kg hm^-2, 2011年小麦秸秆还田量为8974 kg hm^-2, 玉米秸秆还田量为9968 kg hm^-2; 2012年小麦秸秆还田量为9286 kg hm^-2, 玉米秸秆还田量为10 134 kg hm^-2。小麦季基施三元复混肥(N-P₂O₅-K₂O含量配比为18-15-12) 750 kg hm^-2, 后期不追肥, 基本苗293.1万株 hm^-2; 玉米季基施配方肥(N-P₂O₅-K₂O含量配比为30-5-5) 300 kg hm^-2, 大喇叭口期追施尿素600 kg hm^-2, 密度为6.75万株 hm^-2。其他田间种植管理方式同常规生产种植管理, 基本符合Derpsch等^[18]指出的耕作试验标准化要求。小麦季于10月6日耕地, 10月7日播种, 次年6月7日至8日收获; 玉米季于6月9日耕地, 6月10日播种, 10月5日收获。
1.3 取样与测定2009— 2010年度为预处理, 不取样。2010— 2011和2011— 2012年度小麦拔节期(4月8日左右)、开花期(5月6日左右)、收获期(6月8日左右)和玉米拔节期(7月11日左右)、开花期(8月9日左右)、收获期(10月5日左右)用环刀和土钻进行土壤取样, 环刀取0~ 40 cm土层土样测定土壤总孔隙度、土壤毛管孔隙度、土壤非毛管孔隙度; 土钻取0~100 cm土层土样, 取样后立即将样品放入铝盒, 110℃烘干至恒重, 计算土壤含水量^[19]。深松区取样地点为深松作业处, 其他耕作处理为随机取样, 重复5次。土壤总孔隙度(%) = (1 - 容重/比重) × 100, 土壤毛管孔隙度(%) = 毛管水体积/土壤体积 × 100, 土壤非毛管孔隙度 = 土壤总孔隙度 - 土壤毛管孔隙度^[19]。
2010— 2011和2011— 2012年度于小麦收获期(6月8日左右)、玉米收获期(10月5日左右)取样测产, 取3 m²小麦、10 m双行玉米, 3次重复。取部分籽粒用于品质测定, 采用凯氏定氮法测定蛋白质含量, 用改良双波长比色法测定淀粉含量及组分, 用索式提取法测定油分含量, 采用盛泰HGT-1000型容重仪测定小麦容重^[20]。
1.4 数据分析用Microsoft Excel 2007录入与整理数据, 用DPS 7.05统计分析, 用最小显著极差法(LSD法)进行多重比较, 用Origin 8作图。年度内方差变异来源为区组间、小麦季耕作、玉米季耕作、两季耕作交互效应和误差, 将各方差组分占总变异方差的百分比作为耕作或互作效应的作用力^[21]。

2 结果与分析2.1 轮耕条件下土壤总孔隙度的周年变化2.1.1 0~10 cm土壤总孔隙度的周年变化 不同轮耕处理对土壤表层0~10 cm土壤总孔隙度周年变化波动较大, 但年度间变化趋势一致。两季作物均在拔节期达到土壤总孔隙度峰值; 土壤总孔隙度在玉米季表现深松> 免耕, 在小麦季表现翻耕> 深松> 免耕(图1-A, B)。从平均值看, 各轮耕模式的总孔隙度均比ZT-ZT模式显著提高, 其中CT-SS最高, 其次是SS-SS。表明全年免耕不利于0~10 cm土层土壤总孔隙度的提高, 增加玉米季深松处理有利于提高总孔隙度。
2.1.2 10~20 cm土壤总孔隙度的周年变化 不同轮耕措施对土壤10~20 cm总孔隙度周年变化波动较大, 但年度间变化趋势一致。无论小麦季采用哪种耕作方式, 玉米季深松比免耕处理土壤周年总孔隙度都有大幅度提高(图1-C, D)。玉米季深松条件下的3种年内轮耕措施在小麦和玉米拔节期时土壤总孔隙度各有一个峰值, 拔节期后逐步降低; 玉米季免耕条件下, ZT-ZT土壤总孔隙度周年内基本不变, SS-ZT和CT-ZT总孔隙度在小麦拔节期后持续降低至玉米收获。表明小麦季免耕和玉米季免耕都不利于10~20 cm土层土壤总孔隙度的提高。由各种轮耕模式周年总孔隙度的均值可以看出, 无论玉米季深松还是免耕, 小麦季总孔隙度均为深松> 翻耕> 免耕。
2.1.3 20~40 cm土壤总孔隙度的周年变化 无论小麦季采用哪种耕作方式, 玉米季深松比免耕处理土壤周年总孔隙度都有大幅度提高。玉米季免耕条件下, ZT-ZT土壤总孔隙度周年内基本不变, SS-ZT总孔隙度在小麦拔节期后持续降低至玉米收获, CT-ZT总孔隙度周年内随着生育期推移有少量降低。玉米季深松条件下, ZT-SS土壤总孔隙度在小麦季基本不变, 玉米季持续降低; SS-SS总孔隙度在小麦和玉米拔节期时达到峰值, 拔节期后逐步降低; CT-SS总孔隙度在小麦季随着生育期推移有少量降低, 在玉米季表现大幅降低趋势。从平均值看, 各轮耕模式的总孔隙度除CT-ZT外均比ZT-ZT模式显著提高, 其中SS-SS最高。表明全年免耕不利于20~ 40 cm土层土壤总孔隙度的提高, 深松处理有利于提高其总孔隙度(图1-E, F)。
图1
Fig. 1

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	图1 不同处理表层土壤0~10 cm (A, B)、10~20 cm (C, D)、20~40 cm (E, F)土壤总孔隙度的周年变化 处理为全年小麦-玉米两季轮耕模式, 其中ZT为免耕, SS为深松, CT为传统翻耕。Fig. 1 Annual changes of soil porosity in 0-10 cm (A, B), 10-20 cm (C, D), and 20-40 cm (E, F) layer under different treatments Treatments are the whole year tillage patterns (wheat-maize) including zero-tillage (ZT), subsoiling (SS), and conventional tillage (CT).

2.2 轮耕措施对土壤毛管孔隙与非毛管孔隙的影响2.2.1 轮耕措施对土壤毛管孔隙度的影响 不同轮耕措施对玉米收获期土壤毛管孔隙影响不同, 两年处理对土壤毛管孔隙度的影响趋势一致(表1)。无论小麦季采用哪种耕作方式, SS比ZT能显著降低0~40 cm土层土壤毛管孔隙度。玉米季免耕处理条件下, 小麦季耕作方式对0~40 cm土层土壤毛管孔隙的影响为ZT> CT> SS, ZT与CT、ZT与SS差异显著(P< 0.05), 但CT与SS无显著差异。玉米季深松条件下, 小麦季耕作方式对0~40 cm土层土壤毛管孔隙的影响为ZT> CT> SS, 差异显著。作用力分析可知, 玉米季耕作因素对0~10 cm土壤毛管孔隙度的作用力达33.26%, 是0~10 cm土壤毛管孔隙度的决定因素; 小麦季耕作和玉米季耕作的交互效应是影响20~40 cm土壤毛管孔隙度的决定因素。
2.2.2 轮耕措施对土壤非毛管孔隙度的影响 不同轮耕措施对玉米收获期土壤非毛管孔隙影响不同, 两年处理对土壤非毛管孔隙度的影响趋势一致(表1)。无论小麦季采用哪种耕作方式, 玉米季深松比免耕处理能显著提高0~40 cm土层土壤非毛管孔隙度。玉米季免耕条件下, 小麦季耕作方式对0~40 cm土层土壤非毛管孔隙的影响为深松> 翻耕> 免耕, 其中深松与翻耕无显著差异, 但均显著高于免耕。玉米季深松条件下, 小麦季耕作方式对0~40 cm土层土壤非毛管孔隙的影响为深松> 翻耕> 免耕, 差异显著。作用力分析可知, 玉米季耕作对0~40 cm土壤非毛管孔隙度有显著影响, 其平均作用力达37.03%; 而小麦季耕作仅对0~10 cm土层非毛管孔隙度有显著影响; 小麦季耕作和玉米季耕作的交互效应对0~20 cm土层非毛管孔隙度有显著影响, 其作用力达24.91%, 大于小麦季耕作的独立效应。
表1
Table 1
表1(Table 1)

表1 小麦-玉米种植制度中轮耕措施对土壤毛管孔隙度(CP)和非毛管孔隙度(NCP)的影响 Table 1 Effects of rotational tillage on soil capillary porosity (CP) and non-capillary porosity (NCP) in wheat-maize cropping system (%) 处理/变异来源 Treatment/variance source 0-10 cm 10-20 cm 20-40 cm 毛管孔隙度 CP 非毛管孔隙度 NCP 毛管孔隙度 CP 非毛管孔隙度 NCP 毛管孔隙度 CP 非毛管孔隙度 NCP 2010-2011 免耕-免耕 ZT-ZT 38.56 a 6.72 d 37.50 a 6.04 d 34.14 a 4.50 d 免耕-深松 ZT-SS 36.12 b 12.72 c 29.65 b 15.63 c 21.99 b 19.97 c 深松-免耕 SS-ZT 35.64 b 11.02 c 30.15 b 16.09 c 22.34 b 17.21 c 深松-深松 SS-SS 29.69 d 20.42 a 24.36 d 22.74 a 15.35 d 27.55 a 翻耕-免耕 CT-ZT 36.25 b 10.29 c 30.21 b 15.02 c 23.34 b 15.42 c 翻耕-深松 CT-SS 33.28 c 17.79 b 27.46 c 18.57 b 18.96 c 23.19 b 区组 Block 3.26 2.34 2.87 1.37 2.67 3.26 主区 Main plot 17.44* 16.38* 11.34 9.36 13.48 12.33 副区 Sub-plot 33.26* 39.67* 32.41* 38.26* 34.84* 33.17* 互作 Interaction 20.37* 22.14* 40.37* 27.68* 46.18* 35.88 误差 Error 3.21 2.24 3.54 3.36 3.37 3.49 2011-2012 免耕-免耕 ZT-ZT 37.88 a 7.01 d 35.98 a 7.55 d 33.75 a 4.76 d 免耕-深松 ZT-SS 36.24 b 10.47 c 28.54 b 17.68 c 22.04 b 17.54 c 深松-免耕 SS-ZT 35.21 b 11.34 c 29.13 b 16.05 c 22.41 b 16.28 c 深松-深松 SS-SS 28.34 d 20.49 a 24.45 d 20.81 a 15.44 d 26.48 a 翻耕-免耕 CT-ZT 36.57 b 13.95 c 31.86 b 16.05 c 27.43 b 16.10 c 翻耕-深松 CT-SS 32.49 c 18.87 b 27.67 c 18.66 b 19.15 c 23.00 b 区组 Block 3.42 2.48 2.96 1.43 2.51 3.41 主区 Main plot 16.38* 17.64* 12.29 10.24 12.77 13.42 副区 Sub-plot 32.17* 40.13* 33.68* 37.47* 33.76* 33.28* 互作 Interaction 21.65* 23.07* 39.28* 27.93* 47.37* 36.74 误差 Error 4.32 2.38 3.67 3.32 3.25 3.53 Treatments are the whole year tillage patterns (wheat-maize) including zero-tillage (ZT), subsoiling (SS), and conventional tillage (CT), and the data are measured values of soil capillary porosity and non-capillary porosity. Different letters after measured data indicate significant difference among treatments. The main plot and sub-plot in variance source indicate tillage in wheat and maize seasons, respectively. Data are the percentages over the total variance (effect). The asterisk (* ) indicates that the effect is significant at P< 0.05. 处理为全年小麦-玉米两季轮耕模式, 数据为土壤毛管或非毛管孔隙度, 数据后不同字母表示处理间达差异显著(P< 0.05)。变异来源, 主区为小麦季耕作, 副区为玉米季耕作, 互作为两季耕作交互效应; 数据为作用力(占总方差百分比), * 表示作用力(P< 0.05)在0.05水平上差异显著。

表1 小麦-玉米种植制度中轮耕措施对土壤毛管孔隙度(CP)和非毛管孔隙度(NCP)的影响 Table 1 Effects of rotational tillage on soil capillary porosity (CP) and non-capillary porosity (NCP) in wheat-maize cropping system (%)

2.3 轮耕措施对土壤含水量的影响不同轮耕处理对土壤含水量的影响不同, 两年土壤含水量变化规律一致(表2)。小麦收获期土壤含水量的差异主要体现在0~100 cm土层; 无论玉米季采用哪种耕作方式, 小麦季耕作方式对小麦收获期土壤0~100 cm土层含水量大小的影响为免耕> 翻耕> 深松。表明土壤孔隙影响土壤水分的分布, 较大的土壤总孔隙度有利于小麦根系对土壤水分的吸收。
玉米收获期时, 无论小麦季采用哪种耕作方式, 玉米季免耕比深松处理能显著提高0~100 cm土层土壤含水量。无论玉米季免耕还是深松处理, 小麦季耕作方式对玉米收获期土壤0~100 cm土层含水量的影响均不显著。
表2
Table 2
表2(Table 2)

表2 小麦-玉米种植制度中轮耕措施对收获期0~100 cm土层土壤含水量的影响 Table 2 Effects of rotational tillage on soil moisture content in 0-100 cm soil layers at harvest stage in wheat-maize cropping system (%) 生长季 Cropping season 处理 Treatment 土层 Soil layer 0-10 cm 10-20 cm 20-40 cm 40-60 cm 60-100 cm 2010-2011 小麦季 Wheat season 免耕-免耕 ZT-ZT 12.71± 0.26 a 15.34± 0.33 a 16.82± 0.26 a 17.66± 0.21 a 18.74± 0.18 a 免耕-深松 ZT-SS 12.84± 0.24 a 15.31± 0.31 a 16.71± 0.24 a 17.54± 0.26 a 18.66± 0.19 a 深松-免耕 SS-ZT 12.26± 0.31 a 13.47± 0.24 c 14.53± 0.19 c 15.21± 0.29 c 15.96± 0.14 c 深松-深松 SS-SS 12.12± 0.26 a 13.23± 0.22 c 14.46± 0.21 c 15.13± 0.20 c 15.78± 0.16 c 翻耕-免耕 CT-ZT 12.63± 0.22 a 14.60± 0.28 b 15.69± 0.27 b 16.43± 0.27 b 17.45± 0.21 b 翻耕-深松 CT-SS 12.54± 0.29 a 14.51± 0.26 b 15.45± 0.28 b 16.24± 0.27 b 17.26± 0.17 b 玉米季 Maize season 免耕-免耕 ZT-ZT 20.88± 0.35 a 20.79± 0. 39 a 19.70± 0.31 a 19.83± 0.27 a 20.54± 0.16 a 免耕-深松 ZT-SS 19.30± 0.33 b 17.88± 0.35 b 18.09± 0.33 b 18.16± 0.26 b 18.43± 0.18 b 深松-免耕 SS-ZT 20.26± 0.39 a 20.15± 0.37 a 19.02± 0.35 a 19.09± 0.21 a 19.67± 0.21 a 深松-深松 SS-SS 18.56± 0.32 b 17.13± 0.36 b 17.34± 0.31 b 17.36± 0.23 b 17.49± 0.17 b 翻耕-免耕 CT-ZT 20.48± 0.31 a 20.41± 0.32 a 19.29± 0.34 a 19.39± 0.26 a 20.01± 0.19 a 翻耕-深松 CT-SS 18.74± 0.34 b 17.76± 0.34 b 17.92± 0.36 b 17.95± 0.28 b 18.19± 0.16 b 2011-2012 小麦季 Wheat season 免耕-免耕 ZT-ZT 10.65± 0.37 a 13.76± 0.29 a 14.95± 0.24 a 15.78± 0.35 a 16.85± 0.24 a 免耕-深松 ZT-SS 10.77± 0.32 a 13.69± 0.26 a 14.81± 0.27 a 15.63± 0.33 a 16.68± 0.26 a 深松-免耕 SS-ZT 10.29± 0.29 a 11.83± 0.36 c 12.85± 0.26 c 13.82± 0.27 c 14.65± 0.28 c 深松-深松 SS-SS 10.17± 0.29 a 11.67± 0.31 c 12.67± 0.22 c 13.76± 0.26 c 14.54± 0.22 c 翻耕-免耕 CT-ZT 10.48± 0.33 a 12.93± 0.29 b 13.91± 0.29 b 14.74± 0.29 b 15.74± 0.19 b 翻耕-深松 CT-SS 10.41± 0.35 a 12.74± 0.28 b 13.68± 0.27 b 14.50± 0.51 b 15.56± 0.21 b 玉米季 Maize season 免耕-免耕 ZT-ZT 17.67± 0.34 a 18.57± 0.29 a 18.21± 0.23 a 18.34± 0.32 a 19.07± 0.24 a 免耕-深松 ZT-SS 16.24± 0.33 b 16.84± 0.34 b 16.56± 0.27 b 16.62± 0.26 b 16.92± 0.21 b 深松-免耕 SS-ZT 17.02± 0.38 a 17.89± 0.32 a 17.58± 0.24 a 17.67± 0.28 a 18.28± 0.18 a 深松-深松 SS-SS 15.52± 0.31 b 16.09± 0.31 b 15.82± 0.21 b 15.85± 0.24 b 16.01± 0.23 b 翻耕-免耕 CT-ZT 17.25± 0.32 a 18.18± 0.36 a 17.79± 0.28 a 17.92± 0.21 a 18.56± 0.21 a 翻耕-深松 CT-SS 15.69± 0.36 b 16.71± 0.33 b 15.46± 0.31 b 15.53± 0.26 b 15.77± 0.24 b Treatments are the whole year tillage patterns (wheat-maize) including zero-tillage (ZT), subsoiling (SS), and conventional tillage (CT). Data are means ± SD over three replicates and different letters afterwards indicate significant difference among treatments in the same cropping season (P< 0.05). 处理为全年小麦-玉米两季轮耕模式, 其中ZT为免耕, SS为深松, CT为传统翻耕。数据为3次重复的平均值± 标准差, 数据后不同字母表示同一作物季中处理间达显著差异(P< 0.05)。

表2 小麦-玉米种植制度中轮耕措施对收获期0~100 cm土层土壤含水量的影响 Table 2 Effects of rotational tillage on soil moisture content in 0-100 cm soil layers at harvest stage in wheat-maize cropping system (%)

2.4 轮耕模式对作物产量的影响SS-SS在单季产量及周年产量上最高, SS-ZT其次, ZT-ZT最低(表3)。玉米季深松处理的轮耕模式比免耕的轮耕模式能提高小麦、玉米及其周年产量。小麦免耕、深松和翻耕条件下, 玉米季深松比免耕的轮耕模式周年产量分别提高13.3%~19.4%、11.4%和7.1%~7.9%。玉米季免耕条件下, 小麦季3种耕作方式对作物产量的影响表现为深松> 翻耕> 免耕, 小麦季深松和翻耕处理周年产量分别比免耕提高27.7%~30.3%和13.5%~14.0%。玉米季深松条件下, 小麦季深松和翻耕处理的周年产量分别比免耕提高21.7%~25.6%和3.1%~7.4%。作用力分析表明, 小麦季耕作、玉米季耕作及其交互效应显著影响小麦、玉米及其周年产量; 而小麦季耕作极显著影响小麦产量, 玉米季耕作极显著影响玉米产量, 小麦季耕作与玉米季耕作的交互效应极显著影响小麦、玉米周年产量。
表3
Table 3
表3(Table 3)

表3 小麦-玉米种植制度中轮耕措施对作物产量的影响 Table 3 Effects of rotational tillage on crop yield in wheat-maize cropping (kg hm-2) 处理/变异来源 Treatment/variance source 小麦产量 Wheat yield 玉米产量 Maize yield 周年产量 Total yield 2010-2011 免耕-免耕 ZT-ZT 6560.1 d 7245.9 d 13806.0 d 免耕-深松 ZT-SS 7425.9 c 8211.2 c 15637.1 c 深松-免耕 SS-ZT 8175.2 b 9452.8 b 17628.0 b 深松-深松 SS-SS 9457.2 a 10179.7 a 19636.9 a 翻耕-免耕 CT-ZT 7709.0 bc 7966.3 cd 15675.3 c 翻耕-深松 CT-SS 8141.8 bc 8646.4 bc 16788.2 bc 区组 Block 7.98 7.80 8.08 主区 Main plot 66.22* * 15.40* 71.89* 副区 Sub-plot 22.11* 76.32* * 18.89* 互作 Interaction 3.59* 0.38* 1.04* * 误差 Error 0.03 0.08 0.02 2011-2012 免耕-免耕 ZT-ZT 6609.7 d 7225.2 d 13834.9 d 免耕-深松 ZT-SS 7877.3 bc 8634.7 c 16512.0 c 深松-免耕 SS-ZT 8343.0 b 9687.4 b 18030.4 b 深松-深松 SS-SS 9743.2 a 10347.6 a 20090.8 a 翻耕-免耕 CT-ZT 7886.6 bc 7879.6 cd 15766.2 c 翻耕-深松 CT-SS 8165.1 b 8852.5 bc 17017.6 bc 区组 Block 7.63 7.00 7.55 主区 Main plot 59.16* * 21.94* 65.48* 副区 Sub-plot 26.28* 68.95* * 24.76* 互作 Interaction 6.82* 2.01* 2.12* * 误差 Error 0.04 0.07 0.03 Treatments are the whole year tillage patterns (wheat-maize) including zero-tillage (ZT), subsoiling (SS), and conventional tillage (CT). Different letters after measured data indicate significant difference among treatments. The main plot and sub-plot in variance source indicate tillage in wheat and maize seasons, respectively. Data are the percentages over the total variance (effect). The asterisk (* ) indicates that the effect is significant at P< 0.05. 处理为全年小麦-玉米两季轮耕模式, 数据后不同字母表示处理间达显著差异(P< 0.05)。变异来源, 主区为小麦季耕作, 副区为玉米季耕作, 互作为两季耕作交互效应; 数据为作用力(占总方差百分比), * 表示作用力在0.05水平上差异显著。

表3 小麦-玉米种植制度中轮耕措施对作物产量的影响 Table 3 Effects of rotational tillage on crop yield in wheat-maize cropping (kg hm-2)

2.5 轮耕模式对作物品质的影响2.5.1 轮耕措施对小麦籽粒品质的影响 不同轮耕处理对小麦收获期籽粒品质的影响两年趋势一致(表4)。小麦季免耕条件下, 玉米季深松比免耕能显著提高小麦籽粒中蛋白质含量。小麦季深松和翻耕条件下, 玉米季深松比免耕能提高小麦籽粒品质, 但差异不显著。玉米季免耕条件下, 小麦季耕作方式对小麦各品质指标的影响表现为深松> 翻耕> 免耕。其中, 对小麦蛋白质含量和容重的影响显著; 对油分和淀粉含量表现为深松与免耕、深松与翻耕间差异显著, 翻耕与免耕处理间差异不显著。玉米季深松条件下, 小麦季3种耕作方式对小麦各品质指标表现为深松> 翻耕> 免耕。综合来看, 轮耕处理的小麦蛋白质、油分和淀粉含量均高于全年免耕处理, 其中全年深松处理的各营养物质含量最高, 其次是小麦季深松玉米季免耕轮耕模式。
表4
Table 4
表4(Table 4)

表4 小麦-玉米种植制度中轮耕措施对小麦品质的影响 Table 4 Effects of rotational tillage on wheat grain quality in wheat-maize cropping system 处理 Treatment 2010-2011 2011-2012 蛋白质 Protein (%) 油分 Oil (%) 淀粉 Starch (%) 容重 Test weight (g L-1) 蛋白质 Protein (%) 油分 Oil (%) 淀粉 Starch (%) 容重 Test weight (g L-1) 免耕-免耕 ZT-ZT 13.18 c 1.82 b 64.8 c 762 c 13.12 c 1.81 b 64.7 c 754 c 免耕-深松 ZT-SS 13.46 b 1.87 b 65.4 bc 769 bc 13.46 b 1.85 b 65.1 bc 766 bc 深松-免耕 SS-ZT 13.70 a 2.21 a 66.7 a 783 a 13.69 a 2.20 a 66.7 a 779 a 深松-深松 SS-SS 13.78 a 2.34 a 67.3 a 786 a 13.79 a 2.34 a 67.4 a 782 a 翻耕-免耕 CT-ZT 13.56 b 1.89 b 65.4 bc 770 b 13.55 b 1.88 b 65.2 bc 767 b 翻耕-深松 CT-SS 13.65 ab 1.91 b 65.8 b 776 ab 13.62 ab 1.92 b 65.9 b 769 ab Treatments are the whole year tillage patterns (wheat-maize) including zero-tillage (ZT), subsoiling (SS), and conventional tillage (CT). Different letters after values indicate significant difference among treatments in the same cropping season (P< 0.05). 处理为全年小麦-玉米两季轮耕模式, 其中ZT为免耕, SS为深松, CT为传统翻耕, 数据后不同字母表示同一作物季中处理间达显著差异(P< 0.05)。

表4 小麦-玉米种植制度中轮耕措施对小麦品质的影响 Table 4 Effects of rotational tillage on wheat grain quality in wheat-maize cropping system

2.5.2 轮耕措施对玉米籽粒品质的影响 2011年和2012年各轮耕处理对玉米籽粒品质的影响表现一致。小麦季免耕处理条件下, 玉米季深松比免耕处理能显著提高玉米籽粒品质(表5)。小麦季深松和翻耕处理条件下, 与玉米季免耕相比, 玉米季深松能提高玉米籽粒品质; 深松处理条件下仅对蛋白质含量差异显著; 翻耕处理条件下, 对淀粉和支链淀粉含量差异显著。玉米季免耕条件下, 小麦季深松比免耕处理显著提高玉米籽粒品质; 小麦季翻耕比免耕处理能显著提高淀粉含量和支链淀粉含量。小麦季深松与翻耕处理对品质的影响不显著。玉米季深松条件下, 小麦季深松比免耕能显著提高籽粒蛋白质含量; 小麦季翻耕与免耕、翻耕与深松处理对籽粒品质影响不显著。综合来看, 轮耕处理的玉米蛋白质、油分和淀粉含量均高于全年免耕处理, 其中全年深松处理的各营养物质含量最高, 其次是CT-SS和SS-ZT轮耕模式。
表5
Table 5
表5(Table 5)

表5 小麦-玉米种植制度中轮耕措施对玉米品质的影响 Table 5 Effects of rotational tillage on maize grain quality in wheat-maize cropping system (%) 处理 Treatment 2010-2011 2011-2012 蛋白质 Protein 油分 Oil 淀粉 Starch 直链淀粉 Amylose 支链淀粉 Amylopectin 蛋白质 Protein 油分 Oil 淀粉 Starch 直链淀粉 Amylose 支链淀粉 Amylopectin 免耕-免耕 ZT-ZT 6.83 c 3.73 b 52.12 c 16.52 b 35.60 c 6.79 c 3.66 b 52.07 c 16.50 b 35.57 c 免耕-深松 ZT-SS 7.51 b 4.44 a 60.23 a 18.95 a 41.28 ab 7.54 b 4.45 a 60.34 a 19.02 a 41.32 a 深松-免耕 SS-ZT 7.49 b 4.27 a 60.34 a 18.99 a 41.35 ab 7.51 b 4.31 a 60.50 a 19.03 a 41.47 a 深松-深松 SS-SS 8.09 a 4.87 a 62.78 a 19.11 a 43.67 a 8.11 a 4.92 a 62.87 a 19.15 a 43.72 a 翻耕-免耕 CT-ZT 7.23 bc 3.98 ab 56.86 b 17.75 ab 39.11 b 7.22 bc 3.96 ab 56.83 b 17.76 ab 39.07 b 翻耕-深松 CT-SS 7.67 ab 4.75 a 61.49 a 19.03 a 42.46 a 7.69 ab 4.77 a 61.55 a 19.06 a 42.49 a Treatments are the whole year tillage patterns (wheat-maize) including zero-tillage (ZT), subsoiling (SS), and conventional tillage (CT). Different letters after values indicate significant difference among treatments in the same cropping season (P< 0.05). 处理为全年小麦-玉米两季轮耕模式, 其中ZT为免耕, SS为深松, CT为传统翻耕, 数据后不同字母表示同一作物季中处理间达显著差异(P< 0.05)。

表5 小麦-玉米种植制度中轮耕措施对玉米品质的影响 Table 5 Effects of rotational tillage on maize grain quality in wheat-maize cropping system (%)

3 讨论何进等^[22]指出深松能降低玉米季土壤容重。侯贤清等^[23]研究表明, 与传统翻耕相比, 免耕-深松-免耕和深松-免耕-深松模式显著降低土壤容重, 改善土壤的孔隙状况。免耕处理10 cm以下土层基本不受扰动, 土壤孔隙度呈平稳减少趋势^[24]。也有研究表明, 长期免耕后, 由于土壤生物的作用, 孔隙度
会加强, 而且较为稳定^[1]。本试验结果指出, 玉米季深松比免耕处理能大幅度提高0~40 cm土壤周年总孔隙度。与全年免耕相比, 其他各种轮耕模式0~ 40 cm土壤周年总孔隙度有大幅度提高(图1)。无论玉米季采用哪种耕作方式, 小麦季免耕处理不利于改善土壤孔隙状况, 而翻耕和深松可以改善土壤孔隙状况, 常年免耕土壤下层孔隙比较稳定。这与耕作措施作业的深度有关^{[25, 26]}。小麦季免耕处理由于不
对土壤进行耕作处理, 土壤比较紧实, 土壤周年总孔隙度显著小于小麦季翻耕和深松, 土壤表层由于受到播种的影响, 孔隙有所提高, 常年免耕下层土壤受到外界机械作用很小土壤孔隙比较稳定。小麦季翻耕处理作业深度15~18 cm, 使0~20 cm土壤周年总孔隙度显著高于小麦季免耕。小麦季深松处理对土壤有效作业深度35~40 cm, 因此10~40 cm的土壤孔隙度显著高于小麦季翻耕和免耕(图1-C~F)。
本研究表明, 小麦季耕作和玉米季耕作的交互效应是各层次土壤毛管孔隙度的决定因素, 玉米季耕作的独立效应是土壤各层次非毛管孔隙度的决定因素。两季耕作的交互作用显著影响0~40 cm土层土壤毛管孔隙, 而对20~40 cm土层非毛管孔隙度影响不显著。小麦季深松、玉米季深松处理的轮耕模式能显著降低0~40 cm土层土壤毛管孔隙度, 提高0~40 cm土层土壤非毛管孔隙度。这是因为随着土壤层次的加深, 耕作措施作用力基本稳定, 但秸秆因素的作用力呈现减小趋势, 而耕作秸秆互作效应的作用力逐渐加大, 成为土壤毛管孔隙度的决定性因素, 耕作因素是非毛管孔隙度的决定性因素^[14]。
深松可打破犁底层, 增强土壤对降水的蓄纳能力, 深松后进行少免耕可以促进根系对50~100 cm土层土壤水分的消耗^[27]。深松可以促进作物根系对深层土壤水分的消耗^[28]。本试验结果表明, 小麦季深松和翻耕处理促进了作物生育后期对土壤水分的吸收, 土壤含水量降低。无论小麦季采用哪种耕作方式, 与玉米季免耕相比玉米季深松处理提高了玉米在灌浆阶段对水分的吸收, 有利于玉米籽粒灌浆, 玉米收获期土壤毛管孔隙度进一步印证此结论(表1)。
长期免耕后进行土壤耕作有利于提高作物产量, 长年翻耕比长年免耕有利于小麦产量的提高^[7]。小麦季深松可以提高小麦季土壤孔隙度, 改善土壤养分状况, 进而提高小麦和玉米的产量^[14]。玉米季深松可以延缓玉米花后叶片的衰老^[29], 促进小麦对水分、养分的吸收^[30]。本研究表明, 小麦季深松比翻耕、免耕处理能提高小麦季产量, 玉米季深松比免耕处理能提高玉米季产量。孔凡磊等^[7]研究表明小麦季深松后效能影响到玉米季。而本研究表明玉米季深松不仅能提高玉米季产量, 其深松后效能影响到小麦季, 提高小麦产量。
不同耕作措施所带来的各种效应, 都可以归结为土壤孔隙的变化而引发的其他理化性能的改变^[25]。耕作方式可以改变土壤毛管孔隙度, 进而改变土壤水分含量^[26]。轮耕可以显著提高土壤孔隙和含水量, 进而改善小麦籽粒的生长发育条件, 促进各种酶活性的增加, 提高小麦籽粒品质^[30]; 轮耕影响了土壤容重, 而土壤容重会影响小麦品质^[31]; 土壤孔隙会影响小麦的根系发育^[32], 进而影响小麦品质, 较大的土壤孔隙有利于小麦营养品质的提高。在本试验中, SS-SS土壤周年总孔隙度最高, 小麦和玉米籽粒品质各指标最高, 而其收获期土壤含水量最低。ZT-ZT土壤周年总孔隙度最低, 小麦和玉米籽粒品质各指标最低(表4和表5), 其收获期土壤含水量最高。这表明轮耕方式通过影响土壤孔隙度和含水量, 最终影响作物籽粒品质, 较大的土壤孔隙度、较低的土壤容重有利于作物品质的提升。
4 结论在本试验条件下, 小麦季深松-玉米季深松处理的0~40 cm土壤周年总孔隙度最高, 其作物单季产量和周年产量均显著高于其他处理, 其小麦收获期和玉米收获期土壤含水量均低于其他处理; 而小麦籽粒品质与小麦季深松-玉米季免耕处理无显著差异, 但均高于其他处理; 玉米籽粒品质与小麦季翻耕-玉米季深松处理无显著差异, 但均高于其他处理。全年免耕处理的0~40 cm土壤周年总孔隙度最低, 其作物收获期土壤含水量最高, 不利于作物产量和营养品质的提高。玉米季采用相同的耕作方式下, 小麦季耕作方式对作物产量、品质的影响表现为深松优于翻耕, 翻耕优于免耕。与玉米季免耕相比, 玉米季深松处理的轮耕模式不仅能提高玉米季产量, 而且深松后效能影响到小麦季进而提高小麦产量。与全年免耕处理相比, 各种轮耕措施都能提高土壤孔隙度, 提高作物产量、改善营养品质。小麦季深松+玉米季深松处理是改善土壤耕层构造、提高作物产量、品质的最佳轮耕模式, 其次是小麦季深松+玉米季免耕处理。
The authors have declared that no competing interests exist.

作者已声明无竞争性利益关系。


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