王树林, 祁虹, 王燕, 张谦, 冯国艺, 林永增^*
河北省农林科学院棉花研究所 / 农业部黄淮海半干旱区棉花生物学与遗传育种重点实验室, 河北石家庄 050051
^* 通讯作者(Corresponding author): 林永增, E-mail:zaipei@sohu.com, Tel: 0311-87652081 第一作者联系方式: 王树林, E-mail:wshl1001@sohu.com
收稿日期:2016-07-22 接受日期:2017-01-21网络出版日期:2017-02-17基金:本研究由国家科技支撑计划项目(2013BAD05B00)资助

摘要针对黄河流域连作棉田常年旋耕导致犁底层变厚变硬, 土壤蓄水保墒能力下降, 养分在表层富集, 病害加重等问题, 探讨土壤耕层重构技术在黄河流域棉区生产上的可行性。试验于2014和2015年在河北省农林科学院棉花研究所威县试验站进行, 在连作棉花20年的土壤条件下采用随机区组试验, 设置了T1 (0~15 cm与15~30 cm土壤互换)、T2 (0~20 cm与20~40 cm土壤互换, 同时松动40~55 cm土壤)、T3 (0~20 cm与20~40 cm土壤互换, 同时松动40~70 cm土壤)、CK (旋耕15 cm) 4个处理, 调查土壤理化性状、棉花生育性状、田间杂草与病衰指数等指标。结果表明, 在20~40 cm土层T2处理容重两年较CK分别降低0.13 g cm^-3与0.15 g cm^-3; 20~40 cm土层全氮、速效磷、速效钾含量T2与T3显著高于T1与CK; 灌水(雨)后深层土壤蓄水量增加, 播种后40~60 cm与60~80 cm土层蓄水量T2较CK 2014年增加3.5 mm、5.5 mm, 2015年增加6.7 mm、3.4 mm, 在蕾期干旱时0~20 cm与20~40 cm土层蓄水量T2较CK 2014年高6.6 mm、8.7 mm, 2015年高4.2 mm、9.2 mm。耕层重构后棉花根系量显著增加, 地上部干物质积累表现出开花期前低、开花期后高的趋势; 耕层重构处理单株铃数、单铃重、皮棉产量较对照显著提高, T2皮棉产量两年较CK分别增加6.1%、10.2%。耕层重构对灭除田间杂草具有明显效果, T2处理病衰指数两年分别降低41.7与31.9个百分点。适宜的土壤耕层重构方式(T2)是解决连作棉田问题、提高棉花产量的有效措施。

关键词:耕层重构; 土壤理化性状; 棉花发育; 病衰指数
Effects of Restructuring Tilth Layers on Soil Physical and Chemical Properties and Cotton Development in Continuous Cropping Cotton Fields
WANG Shu-Lin, QI Hong, WANG Yan, ZHANG Qian, FENG Guo-Yi, LIN Yong-Zeng^*
Cotton Research Institute, Hebei Academy of Agriculture and Forestry Science / Key Laboratory of Biology and Genetic Improvement of Cotton in Huanghuaihai Semiarid Area, Ministry of Agriculture, Shijiazhuang 050051, China
Fund:This study was supported by the National Key Technology Support Program of China (2013BAD05B00)
AbstractIn continuous cropping cotton areas, the application of rotary tillage in successive years results in solid plow pan, decreases soil water storage ability, enriches nutrients in topsoil and aggravates diseases in the Yellow River Valley of China. The field experiments were conducted with randomized block design in 2014 and 2015 at Wei county experimental station of Cotton Research Institute of Hebei Academy of Agriculture and Forestry Science where cotton was cropped over 20 years. Four treatments including T1 (exchanged a soil layer of 0-15 cm for that of 15-30 cm), T2 (exchanged a soil layer of 0-20 cm for that of 20-40 cm, loosed 40-55 cm layer), T3 (exchanged a soil layer of 0-20 cm for that of 20-40 cm, loosed 40-70 cm layer) and CK (rotary tillage in the depth of 15 cm) were designed to investigate soil physical and chemical properties, cotton development traits, weeds, disease and presenility indices. The results showed that soil bulk density of T2 at 20-40 cm soil layer was 0.13 g cm^-3 and 0.15 g cm^-3 lower than those of CK in 2014 and 2015, respectively. The contents of total N, available P, available K of T2 and T3 were significantly higher than those of CK and T1 at 20-40 cm soil layer. After irrigation or rain soil water storage in deep layers increased and after sowing at 40-60 cm and 60-80 cm layers compared with CK soil water storage of T2 was 3.5 mm and 5.5 mm higher in 2014, 6.7 mm and 3.4 mm higher in 2015, respectively. At square stage in drought conditions compared with CK soil water storage of T2 at 0-20 cm and 20-40 cm layers was 6.6 mm and 8.7 mm higher in 2014, 4.2 mm and 9.2 mm higher in 2015, respectively. Restructuring tilth layers increased cotton roots greatly and dry matter accumulation above ground was lower than that of CK before flowering stage but higher after flowering stage. The boll number per plant, boll weight and lint yield of restructuring tilth layers were significantly higher than those of CK, and lint yield of T2 was increased by 6.1% and 10.2% compared with CK in 2014 and 2015 respectively. Restructuring tilth layers was effective in weeds control and decreasing diseases and presenility, and the disease and presenility indices (DPI) of T2 were decreased by 41.7% and 31.9% in 2014 and 2015, respectively. Appropriate restructuring tilth layers (T2) is an effective measure to solve problems in continuous cotton cropping fields and increase cotton yields.

Keyword:Restructuring tilth layers; Soil physical and chemical properties; Cotton development; Disease and presenility index
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棉花是河北省主要经济作物之一, 主要分布在河北省中南部干旱半干旱地区, 种植方式以多年连作为主, 常年连作导致棉花生产出现诸多问题, 一是土壤中枯萎病、黄萎病等致病菌数量积累引起的棉花早衰、减产^{[1, 2]}, 二是传统的旋耕方式导致犁底层变浅, 土壤通透性降低, 影响棉花根系下扎, 同时土壤蓄水、供水能力下降^{[3, 4, 5]}, 三是土壤养分主要集中在上部耕层, 垂直分布不均衡, 且田间杂草危害严重^{[6, 7, 8]}。目前生产上的土壤耕作方式有旋耕、深翻、深松等, 关于不同耕作方式对土壤水分、理化性状、作物生长的影响, 前人做了大量研究。深翻降低土壤容重^[9], 有利于蓄积休闲期降水, 改善底墒, 增加土壤含水量, 促进作物向深层吸收土壤水分^{[10, 11]}, 棉田深翻能有效降低棉花黄萎病的发生和危害^[12]; 深松打破犁底层促进根系下扎, 使深层土壤根系比例增加^[13], 深层根系虽少, 但越到后期深层根系对作物光合生理、地上部营养生长和产量形成越重要^[14]; 郑成岩等^[15]研究认为, 深松+条旋耕有利于小麦对深层土壤水分的利用, 并减少了土壤水分向大气中的耗散, 降低农田耗水量, 有利于开花后干物质和光合产物向籽粒的分配。但传统深翻与深松深度大多涉及25~35 cm土层, 在解决连作棉田导致的上述问题时, 均存有不足之处, 如对棉花病害与草害、土壤养分垂直分布的影响并不明显, 为此, 我们提出了一种新的土壤耕作方式──土壤耕层重构, 即将0~20 cm耕层与20~40 cm耕层土壤互换, 同时松动40 cm以下耕层, 试图通过土壤耕层的重新构筑, 解决连作棉田生产中存在的诸多弊病。土壤耕层重构与传统深翻相似, 但又存在明显差别, 与深翻相比, 土壤耕层重构是将20~40 cm土壤完全覆盖在0~20 cm土层之上, 而深翻难以对上下土层进行完全的互换, 同时土壤耕层重构技术可以将40 cm以下的土层松动, 最深可达70 cm。本研究设置了不同深度耕层重构处理, 分析了耕层重构对土壤蓄水能力、土壤容重、棉花根系及地上部生长发育的影响, 以期为解决连作棉田病害严重、土壤蓄水供水能力下降、棉花产量下降等问题提供理论依据。
1 材料与方法1.1 试验时间与地点于2014年和2015年在河北省农林科学院棉花研究所威县试验站(河北省邢台市威县枣园乡东张庄村)进行试验。所用试验地土壤均为沙壤土, 0~20 cm土层基础养分含量2014年为有机质9.4 g kg^-1, 全氮0.655 g kg^-1, 速效磷21.6 mg kg^-1, 速效钾163 mg kg^-1, 2015年为有机质7.6 g kg^-1, 全氮0.504 g kg^-1, 速效磷18.5 mg kg^-1, 速效钾115 mg kg^-1, 两年均采用棉花品种冀杂2号。
1.2 试验设计采用随机区组设计, 以常规旋耕为对照(CK), 旋耕深度15 cm, 设置3个处理, T1是将0~15 cm土壤与15~30 cm土壤互换; T2是将0~20 cm土壤与20~40 cm土壤互换, 同时松动40~55 cm土层, T3是将0~20 cm土壤与20~40 cm土壤互换, 同时松动40~70 cm土层。具体做法(以T2为例)是用铁锹先将0~20 cm土壤移至一处, 再将20~40 cm土壤移至另一处, 用铁锹铲松40~55 cm土壤, 先回填0~20 cm土壤, 再回填20~40 cm土壤。3次重复, 共12个小区, 小区宽5.6 m, 长6.0 m, 面积33.6 m²。
两年试验均于4月10日进行不同耕层重构处理, 4月16日施肥, 将肥尔得复合肥(N:P₂O₅:K₂O为15:13:17)按公顷750 kg撒施于地表后灌水, 灌水量为1200 m³ hm^-2, 4月24日旋耕对照小区, 对所有小区耙耱后统一播种, 塑料地膜覆盖, 地膜宽90 cm, 厚度为0.006 mm, 由播种机一次完成播种、覆膜、压土工序, 大小行种植, 大行距95 cm, 小行距45 cm, 株距25 cm, 每小区种8行; 2014年7月16日灌水1次, 灌水量600 m³ hm^-2, 2015年灌水2次, 分别为7月2日与8月1日, 灌水量600 m³ hm^-2, 两年棉花生育期内降雨量见表1, 其他管理措施同大田。
表1
Table 1
表1(Table 1)

表1 棉花生育期内降雨量及其分布 Table 1 Rainfall and its distribution in cotton growth period (mm) 年份 Year 生育阶段 Growth period (month/day) 合计 Total 4/28-5/13 5/14-6/13 6/14-7/13 7/14-8/13 8/14-10/23 2014 26.2 34.4 114.3 79.1 79.2 333.2 2015 81.8 17.0 20.6 125.7 38.0 283.1

表1 棉花生育期内降雨量及其分布 Table 1 Rainfall and its distribution in cotton growth period (mm)

1.3 测定项目与方法1.3.1 土壤蓄水量与耗水量 于4月28日(播种后)、5月13日(苗期)、6月13日(蕾期)、7月13日(初花期)、8月13日(花铃期)与10月23日(收获期)按0~20 cm、20~40 cm、40~60 cm、60~80 cm测定土壤含水量, 按S取样法每小区取5个点, 用土钻取土后混匀立即将样品放入铝盒, 110℃烘干至恒重, 计算土壤含水量^[16]。
按文献[17], SWS_i=W_i× D_i× H_i× 10/100, 式中SWS_i为第i土层土壤蓄水量(mm), W_i为第i土层土壤含水量(%), D_i为第i土层土壤容重(g cm^-3), H_i为第i土层厚度; 由于土壤容重在一个生长季内变化较小, 因此计算不同生育阶段土壤蓄水量时均以7月15日测定容重为准。
生育阶段耗水量=阶段初土壤蓄水量+降雨量+灌溉量-阶段末土壤蓄水量(本试验中计算0~80 cm土层总耗水量, 包括地表蒸发、植株蒸腾、水分下渗, 由于试验期间未发强降雨, 因此水分下渗所占比例小, 文中以地表蒸发与植株蒸腾为主进行分析)。
1.3.2 土壤容重测定 于7月15日(初花期)用环刀法测定0~80 cm土壤容重, 每20 cm一层, 从每个小区随机取3个点计算平均数。
1.3.3 土壤养分含量 于播种后取样测定0~20 cm、20~40 cm、40~60 cm、60~80 cm土层全氮、速效磷、速效钾含量, 从每小区取5个点, 混合均匀后风干, 用浓硫酸消煮-凯氏定氮法测全氮, 用碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法测速效磷, 用醋酸铵浸提-火焰光度计法测速效钾^[18]。
1.3.4 棉花根系性状 于10月13日(收获期)利用挖根法, 从每小区取3株, 以棉株为中心, 挖取宽40 cm (垂直行向), 长25 cm (沿行向), 深0~20 cm、20~40 cm、40~60 cm三层土壤, 分次装于60目筛网, 用水将根冲洗干净后用GXY-A根系分析系统扫描, 以* .tif文件格式存储在计算机中, 使用WinRHIZO version5.0分析图形; 然后在85℃下烘干、称重。
1.3.5 棉花地上部干物重 5月25日(苗期)、6月13日(蕾期)从每小区取5株棉花整株烘干, 7月13日(初花期)、8月13日(花铃期)、9月10日(收获期)从每小区取3株, 将茎叶、蕾铃分开后于105℃杀青30 min后于85℃烘干至恒重测定干物质重。
1.3.6 棉花病衰指数(Disease and Presenility Index)
9月10日第一次收获前从每小区选择长势一致的50株棉花调查病衰指数, 病衰指数合并棉花叶片黄萎病发病程度及早衰程度分为5级^{[19, 20]}, 其中0级为整株叶片没有发病及衰老变黄症状, 1级为整株25%以下叶片出现黄萎病及衰老变黄症状, 2级为整株25%~50%叶片出现黄萎病及衰老变黄症状, 3级为整株50%~75%叶片出现黄萎病及衰老变黄症状, 4级为整株75%以上叶片出现黄萎病及衰老变黄症状(包括整株死亡), 棉花病衰指数=(1× 1级株数+2× 2级株数+3× 3级株数+4× 4级株数)/(4× 调查总株数)× 100
1.3.7 田间杂草 分别于5月13日(苗期)、7月13日(初花期)、10月23日(收获期)从每小区取宽2.8 m、长1.0 m的区域, 收取全部杂草, 于105℃杀青30 min, 85℃烘干至恒重。每次取样后将小区杂草全部人工锄掉。
1.3.8 棉花生育性状及产量 9月10日从每小区选取长势一致的棉花20株调查成铃数, 吐絮后分次收取全部吐絮铃, 测定单铃重与衣分, 收获全部小区计产。
用Microsoft Excel 2003和DPS 7.05数据处理统计软件分析试验数据。

2 结果与分析2.1 耕层重构对土壤理化性质的影响2.1.1 土壤容重 从表2可以看出, 耕层重构后显著降低了不同土层土壤容重, 两年结果趋势基本一致。对照20~40 cm土层容重最大, 为受犁底层影响所致^[21], 耕层重构后对于20~40 cm土层降低幅度最大, 表明其打破犁底层的效果明显; 3个重构处理中以T1上下层容重分布最为均衡, T2在40~60 cm处, T3在40~60 cm、60~80 cm处土壤容重明显降低, 这是由于T2扰动了50 cm土层, 而T3扰动了70 cm土层所致。
表2
Table 2
表2(Table 2)

表2 耕层重构处理不同土层土壤容重 Table 2 Soil bulk density of restructuring tilth layers in different layers (g cm-3) 年份 Year 处理 Treatment Tilth layer 0-20 cm 20-40 cm 40-60 cm 60-80 cm 2014 CK 1.50 a 1.55 a 1.43 a 1.41 a T1 1.45 b 1.46 b 1.45 a 1.42 a T2 1.43 b 1.42 b 1.38 b 1.41 a T3 1.44 b 1.40 b 1.36 b 1.35 b 2015 CK 1.49 a 1.54 a 1.43 a 1.42 a T1 1.47 a 1.50 a 1.45 a 1.41 a T2 1.41 b 1.39 b 1.36 b 1.43 a T3 1.40 b 1.39 b 1.32 b 1.36 b Values followed by different small letters within a column are significantly different at the 0.05 probability level. 同列不同小写字母表示0.05水平差异显著。

表2 耕层重构处理不同土层土壤容重 Table 2 Soil bulk density of restructuring tilth layers in different layers (g cm-3)

2.1.2 棉花不同生育阶段土壤蓄水量与耗水量
播种后测定不同土层蓄水量显示, 两年均为0~80 cm土层总蓄水量差异不大(表3), 但耕层重构增加了下层土壤的蓄水量, 2014年T2、T3在40~60 cm土层与60~80 cm土层较对照分别增加3.5、5.5、2.9和7.0 mm, 2015年则分别是6.7、3.4、5.9和3.5 mm, 而长期旋耕形成的犁底层阻碍了水分的下渗, 使播前所灌底墒水主要集中在0~20 cm与20~40 cm土层(图1)。
表3
Table 3
表3(Table 3)

表3 耕层重构处理棉花不同生育阶段0~80 cm土层蓄水量 Table 3 Soil water storage of restructuring tilth layers at 0-80 cm layers in different cotton growing stages (mm) 年份 Year 处理 Treatment 4月28日 April 28 5月13日 May 13 6月13日 June 13 7月13日 July 13 8月13日 Aug. 13 10月23日 Oct. 23 2014 CK 225.1 a 209.6 a 134.4 c 128.7 b 166.4 a 135.1 b T1 222.8 a 212.9 a 141.5 b 128.2 b 166.8 a 136.0 b T2 222.5 a 212.6 a 149.7 a 135.2 a 168.3 a 143.8 a T3 224.1 a 213.6 a 152.6 a 136.7 a 167.7 a 141.9 a 2015 CK 241.6 a 229.0 a 163.8 c 129.6 c 261.3 a 152.1 c T1 245.0 a 235.6 a 179.7 b 143.2 b 264.2 a 175.4 b T2 242.4 a 232.7 a 177.1 b 140.9 b 262.2 a 175.1 b T3 243.2 a 234.8 a 184.3 a 149.3 a 265.6 a 180.7 a Values followed by different small letters within a column are significantly different at the 0.05 probability level. 同列不同小写字母表示0.05水平差异显著。

表3 耕层重构处理棉花不同生育阶段0~80 cm土层蓄水量 Table 3 Soil water storage of restructuring tilth layers at 0-80 cm layers in different cotton growing stages (mm)

图1
Fig. 1

	Figure OptionViewDownloadNew Window
	图1 4月28日(播种后)耕层重构处理土壤蓄水量Fig. 1 Soil water storage of restructuring tilth layers treatments on Apr. 28 (after sowing)

苗期土壤蓄水量较播种后略有下降, 其中对照下降幅度大于耕层重构各处理(表3)。0~20 cm土层蓄水量CK下降幅度最大, 蓄水量低于其他3个处理(2014年CK与T1相差不大), 20~40 cm土层两年趋势相同, 均是T1最高, 其他3个处理差异不显著; 40~60 cm与60~80 cm土层蓄水量与播种后相比下降幅度不大(图2)。说明苗期土壤水分消耗以上层为主, 这一时期棉苗自身蒸腾消耗很小, 地表蒸发占主导地位, 而对照水分多蓄集在表层(表4); 2015年耗水量明显大于2014年, 是由于2015年苗期降水量偏大, 但降水多通过土壤表面蒸发而损失掉。
图2
Fig. 2

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	图2 5月13日(苗期)不同处理土壤蓄水量Fig. 2 Soil water storage of restructuring tilth layers treatments on May 13 (seedling stage)

表4
Table 4
表4(Table 4)

表4 耕层重构处理棉花不同生育阶段耗水量 Table 4 Soil water consumption of restructuring tilth layers in different cotton growth stages (mm) 年份 Year 处理 Treatment 生育阶段 Growth stage (month/day) 合计 Total 4/28-5/13 5/14-6/13 6/14-7/13 7/14-8/13 8/14-10/23 2014 CK 41.8 a 109.6 a 120.0 b 101.4 b 110.5 a 483.3 a T1 36.0 b 105.8 b 127.6 a 100.5 b 110.0 a 480.0 a T2 36.1 b 97.2 c 128.9 a 106.0 a 103.7 b 471.9 b T3 36.7 b 95.4 c 130.2 a 108.1 a 105.0 b 475.4 b 2015 CK 94.3 a 82.8 a 114.8 a 54.0 c 147.2 a 492.6 a T1 91.1 b 72.9 b 117.0 a 64.7 b 126.8 b 472.6 b T2 91.6 b 72.5 b 116.8 a 64.4 b 125.1 b 470.4 b T3 90.2 b 67.5 c 115.6 a 69.4 a 127.1 b 465.6 b Values followed by different small letters within a column are significantly different at the 0.05 probability level. 同列不同小写字母表示0.05水平差异显著。

表4 耕层重构处理棉花不同生育阶段耗水量 Table 4 Soil water consumption of restructuring tilth layers in different cotton growth stages (mm)

蕾期土壤蓄水量大幅下降, CK蓄水量最低, T3处理蓄水量最高, 且两年差异均达显著水平。2014年蓄水量T3与T2差异不显著, 2015年T3显著高于T2 (表3); 对照0~20 cm与20~40 cm土层蓄水量低于耕层重构各处理是导致其0~80 cm土层蓄水量低的主要原因, 40~60 cm与60~80 cm土层蓄水量各处理间差异不大(图3)。
图3
Fig. 3

	Figure OptionViewDownloadNew Window
	图3 6月13日(蕾期)不同处理土壤蓄水量Fig. 3 Soil water storage of restructuring tilth layers treatments on June 13 (square stage)

苗期至蕾期土壤水分损耗加剧, 总耗水量表现为CK> T1> T2> T3 (表4), 主要是随着温度不断升高与日照强度增加, 地表蒸发持续上升, 另一方面棉花根系迅速生长, 对土壤水分的吸收也不断增加, 因此从不同土层水分损耗所占比例来看, 仍以0~20 cm与20~40 cm为主, 40~60 cm土层水分损耗增加, 60~80 cm损耗较少。
初花期土壤蓄水量进一步下降, 但不同处理蓄水量随耕层扰动深度增加有增加的趋势(表3)。2014年T2与T3间差异不大, 但显著高于T1与CK, 2015年T3蓄水量最高, T1与T2间差异不显著, 但均显著高于CK; 从不同土层蓄水量来看, 2014年0~20 cm与20~40 cm土层T2与T3蓄水量显著高于对照, 2015年T1、T2、T3处理4个土层蓄水量均显著高于对照(图4); 这一结果表明当遭遇初花期干旱时, 耕层重构处理仍能使土壤保持较高的蓄水量, 从而提高棉花的抗旱能力。此期耕层重构处理耗水量2014年显著高于CK, 2015年各处理间差异不显著(表4), 而在苗期、蕾期对照耗水量均高于耕层重构处理, 这一耗水规律表明, 进入蕾期以后, 由于棉田逐渐封垄, 地表蒸发迅速降低, 棉株蒸腾成为土壤水分损耗的主体, 耕层重构处理棉花耗水量的增加证明其植株蒸腾作用的增强, 这是其土壤水分供应充足, 促使棉花生长加快所引起的。
图4
Fig. 4

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	图4 7月13日(初花期)不同处理土壤蓄水量Fig. 4 Soil water storage of restructuring tilth layers treatments on July 13 (initial bloom stage)

盛铃期土壤蓄水量差异不显著, 但不同土层蓄水量分布差异显著。2014年盛铃期较干旱, 0~20 cm土层蓄水量耕层重构处理显著高于对照, 且T3> T2> T1, 20~40 cm土层蓄水量T3与T2显著高于T1与CK, 但40 cm以下土层蓄水量相反, 耕层重构处理低于对照(图5); 从土壤耗水量来看, 耕层重构处理显著高于对照(T1除外), 表明在干旱条件下, 耕层重构处理深层土壤水分上移, 能够被棉花充分利用。2015年盛铃期灌水1次, 随后发生2次大的降雨, 属多水年份, 从不同土层蓄水量来看, 规律性与播种后相似, 即耕层重构处理水分下渗, 多蓄积在下层, 而对照由于犁底层的存在, 水分多蓄积在上层土壤中。
图5
Fig. 5

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	图5 8月13日(花铃期)不同处理土壤蓄水量Fig. 5 Soil water storage of restructuring tilth layers treatments on Aug. 13 (boll stage)

两年结果表明, 耕层重构处理具有较强的土壤水分调节作用, 在干旱年份可调动土壤深层水分供棉花生长利用, 多雨年份可将水分蓄积在土壤下层。此期耗水量耕层重构处理高于对照(表4), 表明在以蒸腾为主的土壤水分损耗中, 耕层重构处理棉花能够吸收更多的土壤水分用于生长发育。
收获期土壤蓄水量耕层重构处理高于对照, 2014年T2与T3显著高于CK与T1, 2015年T3最高, T2与T1差异不显著, 但显著高于对照(表3); 从不同土层蓄水量来看, 对照有低于耕层重构处理的趋势(图6)。此期阶段耗水量表现为对照最高, 2014年T2与T3耗水量明显偏低, 2015年3个耕层重构处理间差异不大, 但均显著低于对照(图6), 表明随着进入收获期棉花叶片脱落, 地表蒸发又成为土壤水分损耗的主体, 因此对照土壤耗水量超过土壤耕层重构处理。
图6
Fig. 6

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	图6 10月23日(收获期)不同处理土壤蓄水量Fig. 6 Soil water storage of restructuring tilth layers treatments on Oct. 13 (boll open stage)

从整个生育期土壤耗水量来看, 2014年T1、T2、T3较CK降低3.3、11.4和7.9 mm, CK与T1差异不显著, 但显著高于T2与T3; 2015年则分别降低20.0、22.2和27.0 mm, CK显著高于T1、T2与T3 (表4)。
2.1.3 土壤养分垂直分布 表5表明两年结果趋势基本一致。对照的土壤全氮、速效磷、速效钾主要集中在0~20 cm土层, 随着土层深度增加, 土壤养分含量迅速下降; 耕层重构3个处理0~20 cm土层养分含量均低于对照, 且差异达显著水平, 但20~40 cm土层养分含量则高于对照, 其中T2与T3处理的全氮、速效磷、速效钾含量均显著高于对照, 40 cm以下土层全氮差异不大, 而速效磷与速效钾含量在40 cm以下土层较对照仍有不同程度增加。根据以上结果可知, T2与T3处理提高了下层土壤的养分含量, 使养分在土层中的垂直分布更加均衡。
表5
Table 5
表5(Table 5)

表5 耕层重构处理不同土层土壤养分含量 Table 5 Soil nutrient contents of restructuring tilth layers in different soils layers 年份 Year 处理Treatment 全氮Total N (g kg-1) 速效磷 Available P (mg kg-1) 速效钾 Available K (mg kg-1) 0-20 cm 20-40 cm 40-60 cm 60-80 cm 0-20 cm 20-40 cm 40-60 cm 60-80 cm 0-20 cm 20-40 cm 40-60 cm 60-80 cm 2014 CK 0.678 a 0.416 b 0.413 a 0.402 a 23.4 a 7.7 c 2.7 b 2.3 a 185 a 83 b 72 c 66 a T1 0.543 b 0.421 b 0.407 a 0.474 a 20.9 b 10.5 b 3.7 b 2.0 a 156 b 86 b 79 bc 71 a T2 0.530 b 0.491 a 0.426 a 0.435 a 20.0 b 14.0 a 6.7 a 2.1 a 139 c 105 a 88 b 73 a T3 0.504 b 0.501 a 0.412 a 0.455 a 20.5 b 14.4 a 8.7 a 2.1 a 138 c 98 a 96 a 74 a 2015 CK 0.631 a 0.398 b 0.406 a 0.387 a 19.2 a 6.3 c 2.1 b 2.2 a 122 a 66 b 51 b 58 a T1 0.552 b 0.391 b 0.395 a 0.413 a 17.1 b 10.6 b 2.9 b 2.1 a 108 b 81 a 56 b 60 a T2 0.528 b 0.490 a 0.419 a 0.402 a 17.5 b 13.2 a 5.4 a 2.3 a 106 b 80 a 62 a 63 a T3 0.511 b 0.506 a 0.426 a 0.418 a 16.9 b 13.1 a 6.6 a 2.5 a 101 b 84 a 66 a 60 a Values followed by different small letters within a column are significantly different at the 0.05 probability level. 同列不同小写字母表示0.05水平差异显著。

表5 耕层重构处理不同土层土壤养分含量 Table 5 Soil nutrient contents of restructuring tilth layers in different soils layers

2.2 耕层重构对棉花生长发育的影响2.2.1 棉花根系生长分布 耕层重构对不同土层棉花根系生长均具有明显的促进作用, 两年结果趋势一致。2014年根系长度T1、T2、T3分别比对照增加14.3%、19.3%和26.4%, 2015年则分别增加11.0%、26.4%和43.3%, 耕层重构对20~40 cm与40~60 cm土层根系生长量增加尤为显著, 根长、根干重、表面积与体积都较对照有大幅度提高, 并且0~20 cm土层根系各项指标也较对照显著增加。由此可见, 耕层重构后明显促进了棉花根系的下扎, 不仅使下层土壤中根系生长量有了大幅度的提高, 对上层土层根系生长也有明显的促进作用, 这有助于棉花吸收利用下层土壤中的水分, 提高其抗旱能力。
表6
Table 6
表6(Table 6)

表6 耕层重构处理不同土层棉花根系性状 Table 6 Cotton roots characteristic of restructuring tilth layers in different soil layers 年份 Year 处理Treatment 根长 Length (cm) 表面积 Surface area (cm2) 体积 Volume (cm3) 干重 Weight (g) 0-20 cm 20-40 cm 40-60 cm 合计 Total 0-20 cm 20-40 cm 40-60 cm 合计 Total 0-20 cm 20-40 cm 40-60 cm 合计 Total 0-20 cm 20-40 cm 40-60 cm 合计 Total 2014 CK 1963 c 644 c 386 c 2992 c 365.6 b 78.0 c 33.7 c 477.3 c 12.5 b 1.6 c 0.5 c 14.6 c 22.0 c 0.9 b 0.3 c 23.2 c T1 2274 b 679 c 466 b 3420 b 435.9 a 115.5 b 42.9 c 594.3 b 13.4 ab 2.1 bc 0.8 b 16.3 b 25.0 b 1.2 b 0.5 b 26.6 b T2 2231 b 769 b 570 b 3571 b 445.9 a 135.3 a 51.1 b 632.3 ab 14.2 a 2.9 b 1.0 b 18.1 ab 25.7 b 1.8 a 0.7 b 28.2 b T3 2641 a 829 a 641 a 3781 a 462.9 a 141.7 a 73.2 a 677.8 a 15.3 a 4.3 a 1.4 a 21.0 a 28.7 a 1.9 a 1.1 a 31.7 a 2015 CK 1692 c 387 d 106 c 2185 c 291.5 b 61.5 c 58.9 c 411.9 b 9.8 b 1.4 c 1.1 b 12.3 c 18.6 c 0.7 c 0.4 c 19.7 c T1 1816 b 469 c 141 b 2426 b 349.7 a 93.6 b 74.3 b 517.6 a 10.6 ab 1.8 bc 1.6 a 14.0 b 22.3 b 1.0 b 0.6 b 23.9 b T2 1946 b 598 b 217 a 2761 b 355.8 a 112.4 a 80.9 b 549.1 a 11.5 a 2.5 b 1.6 a 15.6 b 24.6 b 1.4 a 0.7 b 26.7 b T3 2129 a 715 a 286 a 3130 a 371.6 a 118.7 a 98.6 a 588.9 a 12.4 a 3.7 a 1.8 a 17.9 a 28.1 a 1.5 a 0.9 a 30.5 a Values followed by different small letters within a column are significantly different at the 0.05 probability level. 同列不同小写字母表示0.05水平差异显著。

表6 耕层重构处理不同土层棉花根系性状 Table 6 Cotton roots characteristic of restructuring tilth layers in different soil layers

2.2.2 棉花地上部干物质积累 在整个生育期中, 耕层重构处理棉花干物质积累与对照相比, 表现出前期低、后期高的特点。苗期干物质积累对照显著高于3个耕层重构处理, 其中T1又显著高于T2与T3, 蕾期CK仍显著高于其他3个处理, 但T1、T2与T3之间差异不显著, 初花期CK与各耕层重构处理之间差异均不显著, 盛铃期T2与T3显著高于CK与T1, 吐絮期2014年T1、T2、T3干物质积累较CK分别增加10.6%、24.1%和30.0%, 2015年则分别增加16.8%、25.8%和42.9%, 且差异达到显著水平; 2014年花铃期属干旱年份, T2与T3长势均较稳健, 干物质积累相差不大, 2015年由于花铃期灌水一次, 加上出现2次大的降雨, 导致T3棉花生长偏旺, 茎叶干物质积累显著高于其他处理。这一结果表明土壤耕层经重构后, 对棉花前期生长不利, 但具有明显的后发优势。
表7
Table 7
表7(Table 7)

表7 耕层重构处理棉花地上部干物质积累 Table 7 Dry matter accumulation above ground of restructuring tilth layers (g plant-1) 年份 Year 处理 Treatment 苗期 Seedling stage 蕾期 Square stage 初花期 Initial bloom stage 花铃期 Boll stage 吐絮期 Boll open stage 茎叶 Stem and leaf 蕾铃 Square and boll 茎叶 Stem and leaf 蕾铃 Square and boll 茎叶 Stem and leaf 蕾铃 Square and boll 2014 CK 0.95 a 5.4 a 35.9 c 10.8 a 79.9 b 65.5 b 59.7 c 116.9 c T1 0.83 b 4.9 b 38.2 b 9.0 a 85.7 b 71.2 a 66.0 b 129.3 b T2 0.71 c 4.9 b 40.6 ab 4.5 b 96.7 a 75.7 a 74.1 a 145.0 a T3 0.72 c 4.8 b 43.1 a 5.2 b 97.9 a 72.6 a 77.6 a 151.9 a 2015 CK 0.92 a 4.8 a 45.5 b 12.4 a 75.4 c 61.8 a 52.9 c 103.5 c T1 0.83 b 4.4 b 47.9 b 7.7 b 82.5 c 63.8 a 61.8 b 120.9 b T2 0.75 c 4.1 b 52.5 a 5.8 b 92.6 b 63.2 a 74.5 b 130.3 a T3 0.73 c 4.0 b 54.1 a 6.0 b 102.7 a 60.1 a 85.5 a 115.0 b Values followed by different small letters within a column are significantly different at the 0.05 probability level. 同列不同小写字母表示0.05水平差异显著。

表7 耕层重构处理棉花地上部干物质积累 Table 7 Dry matter accumulation above ground of restructuring tilth layers (g plant-1)

2.2.3 棉花产量构成 耕层重构对棉花单株铃数、单铃重与皮棉产量都有显著的提高作用。2014年耕层重构3个处理单株铃数显著高于对照, 单铃重T2与T3显著高于CK与T1, 但衣分耕层重构处理显著低于对照, 最终皮棉产量T1、T2、T3分别较CK增加2.3%、6.1%、8.0%; 2015年单株铃数以T2最高, 且显著高于其他处理, 单铃重3个耕层重构处理间差异不显著, 但显著高于CK, 衣分差异不大, 皮棉产量T1、T2、T3较CK分别增加6.4%、10.2%和5.1%, 由以上结果可知, 耕层重构通过增加单株铃数与单铃重而提高棉花产量, 2014年干旱较重, T3蓄水保墒效果得以充分发挥, 是棉花产量高的主要原因, 但干旱也导致对照衣分偏高^[22], 2015年花铃期受灌水与降雨影响, T3处理土壤水分偏高, 导致棉花旺长, 使其产量低于T2处理, 而充足的土壤水分也使不同处理间衣分差异不大。
表8
Table 8
表8(Table 8)

表8 耕层重构处理棉花产量与产量构成 Table 8 Cotton yield and yield components in different treatments 年份 Year 处理 Treatment 单株铃数 Boll number per plant 单铃重 Boll weight (g) 衣分 Lint (%) 皮棉产量 Lint yield (kg hm-2) 2014 CK 16.4 b 5.2 b 40.9 a 1693 b T1 17.5 a 5.3 b 38.6 b 1732 b T2 17.8 a 5.5 a 38.5 b 1797 a T3 17.9 a 5.5 a 39.1 b 1829 a 2015 CK 12.9 c 5.6 b 39.1 a 1549 c T1 13.6 b 5.8 a 38.1 a 1648 b T2 13.9 a 5.8 a 38.6 a 1706 a T3 13.4 b 5.8 a 38.2 a 1628 b Values followed by different small letters within a column are significantly different at the 0.05 probability level. 同列不同小写字母表示0.05水平差异显著。

表8 耕层重构处理棉花产量与产量构成 Table 8 Cotton yield and yield components in different treatments

2.3 耕层重构对棉田杂草及病害早衰的影响田间试验表明, 耕层重构灭除田间杂草效果明显, 基本彻底灭除。T1、T2、T3对杂草的控制效果相差不大, 除CK外, 耕层重构各小区杂草量很少, 可能为田间操作过程中从小区外带入的杂草种子萌发形成。
表9
Table 9
表9(Table 9)

表9 耕层重构处理不同生育期棉田杂草量 Table 9 Weeds weight at different cotton growing stages in different treatments (g m-2) 年份 Year 处理 Treatment 苗期 Seedling stage 初花期 Initial bloom stage 收获期 Harvest stage 2014 CK 9.7 a 16.9 a 66.8 a T1 0.5 b 1.2 b 0.5 b T2 0.8 b 0.5 b 0.4 b T3 0.2 b 2.0 b 1.8 b 2015 CK 10.4 a 15.9 a 81.7 a T1 0.8 b 1.7 b 0.9 b T2 1.2 b 0.8 b 1.7 b T3 0.1 b 2.4 b 1.6 b Values followed by different small letters within a column are significantly different at the 0.05 probability level. 同列不同小写字母表示0.05水平差异显著。

表9 耕层重构处理不同生育期棉田杂草量 Table 9 Weeds weight at different cotton growing stages in different treatments (g m-2)

耕层重构后显著降低了棉花的病衰指数, 2014年CK病衰指数达到76.3%, 显著高于3个耕层重构处理, 其中T1又显著高于T2与T3, T2与T3病衰指数分别为34.6%与36.3%, 之间差异不显著; 2015年棉花病衰指数总体低于2014年, 但变化规律一致。耕层重构处理棉花后期表现出病叶少、早衰轻的特征, 有效解决了连作棉田病害严重、后期早衰的问题。
图7
Fig. 7

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	图7 耕层重构处理棉花病衰指数Fig. 7 Disease and presenility index in different treatments

3 讨论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, 改善土壤结构状况, 为作物的健壮生长提供适宜的土壤生态环境, 有利于作物的生长发育和产量形成^{[23, 24, 25]}。土壤耕层重构概念(特指T2, 下同)的提出, 为长期连作棉田中出现的诸多弊病提供了新的解决途径。
传统深翻(松)技术在打破犁底层、降低土壤容重方面具有一定作用^{[26, 27]}, 能够提高土壤贮蓄降水的能力^{[28, 29]}, 减少地表蒸发^[30], 提高水分利用效率^{[31, 32]}, 但其深翻(松)深度一般在25~35 cm, 且在小麦、玉米上研究较多。本研究中, 经土壤耕层重构后犁底层被彻底打破, 使0~60 cm土层土壤容重显著降低, 便于棉花根系下扎与土壤水分下渗, 在灌水与大雨后水分更多蓄积在下层土壤当中, 减少了地表蒸发, 达到了蓄水保墒的目的, 而对照由于水分多蓄集在上层, 在棉花生长前期土壤水分消耗以地表蒸发为主, 大量水分通过地表蒸发形成无效耗水; 另一方面, 在河北省中南部地区, 6月中下旬(棉花蕾期)“ 十年九旱” , 此期正值棉花需水关键期, 常规耕作方式棉花在蕾期易受干旱胁迫而造成后期早衰^[19], 耕层重构处理在此期由于中下层土壤可提供较好的水分供应条件, 棉花生长基本不受影响, 表现出较强的抗旱能力; 中后期土壤耕层重构处理表现出较强的水分缓冲能力, 在干旱年份可为棉花生长提供较好的水分条件(2014年), 在多雨年份可将水分蓄积到中下层土壤当中, 减少地表蒸发损失(2015年)。
关于传统深翻(松)对土壤养分的影响研究较少, 战秀梅等^[27]认为深翻与深松增加了土壤全量及有效氮、磷含量, 并能促进土壤速效钾的释放, 李海潮等^[33]研究表明, 深翻可促进玉米的生长和后期干物质的积累; 本研究从棉花生长发育进程来看, 耕层重构后由于将0~20 cm与20~40 cm土层互换, 上层土壤养分、微生物活性条件较差, 是前期棉花生长的限制因子, 因此棉花苗期与蕾期生长慢于常规耕作方式, 而此期土壤水分供应充足, 非棉花生长限制因子; 进入蕾期后, 随着棉花根系伸长, 逐渐进入20 cm以下养分丰富土层中, 此期正值易旱期, 耕层重构处理中下层土壤能提供更好的水分与养分供应条件, 起到诱导根系下扎的作用, 棉花生长加快; 进入初花期后, 棉花地上部干物质积累与常规耕作方式持平, 中后期耕层重构处理棉花生长表现出明显的后发优势, 得益于其中下层根系生长量显著高于常规耕作方式, 为地上部生长提供了良好的基础。
关于深翻(松)对于田间杂草的影响, 未见相关报道; 刘海洋等^[12]研究发现深翻能降低棉田土壤中的黄萎菌微菌核数量, 棉花黄萎病发病程度也轻于常规棉田, 万川等^[34]在烟草上的研究认为, 土壤深翻并不能有效抑制烟草青枯病危害的发生, 反而使该病发生的严重程度增加, 但其试验是在深翻的同时混合了不同土层土壤, 本试验是将20~40 cm土层土壤翻至0~20 cm土层之上, 结果表明对棉花后期的黄萎病与早衰有极强的抑制作用, 棉花后发优势明显; 另一方面, 土壤耕层重构在灭除杂草方面具有明显的优势, 这也是其优于深翻(松)技术的重要方面。
耕层重构处理在降低土层容重、调节土壤水分供应、平衡养分垂直分布方面均具良好效果, 在3种重构方式中, T1在增加深层土壤蓄水量、提高棉花产量等方面效果差于T2与T3, 尤其是在抑制棉花病害与早衰方面效果较差, 其病衰指数显著高于T2与T3, 而T3在干旱年份水分供应能力略好于T2, 但在多雨年份容易导致棉花旺长, 原因在于其深松深度达到70 cm, 在多雨年份水分大量下渗蓄积在下层, 可使土壤长期处于水分供应充足状态, 促进了棉花根系的生长, 进一步导致棉花地上部营养生长偏旺, 使营养生长与生殖生长失调, 而T2处理棉花无论在干旱年份还是在多雨年份, 均表现出较稳健的长势。
土壤耕层重构需借助于单铧主副旋转深翻犁完成, 可由220马力拖拉机带动一次完成将0~20 cm土壤与20~40 cm土壤互换并使40~55 cm土壤深松, 每公顷成本约1200元, 为旋耕成本的2.5倍左右, 由于耕层重构一次成本较高, 不能也不必每年进行, 因此对耕层重构后土壤容重、养分分布、蓄水保墒能力、土壤微生物等的变化还需开展定位监测研究, 以确定一次耕层重构的效果持续年限; 从土壤耕层重构的效果来看, 其打破犁底层后降低土壤容重、提高土壤蓄水保墒能力应能持续多年, 但随着年限增加, 效果会有降低趋势; 20~40 cm土层养分含量增加的效果持续年限会较长, 且随着0~20 cm土层养分、微生物的增加, 前期对棉花生长的抑制作用会很快消失, 但对棉花中后期的生长仍会有较强的促进作用, 对棉花病害与早衰的抑制作用、对棉田杂草的防除预计也会有很好的持续效果。
4 结论耕层重构降低了不同土层土壤容重, 增加了土壤蓄水保墒能力, 使棉田在灌水或雨后能将多余水分蓄积于深层土壤, 减少表层无效蒸发, 干旱时供给棉花生长所需水分, 起到耐涝抗旱的作用; 同时使不同土层垂直养分分布更加均衡, 促进棉花根系下扎, 提高地上部干物质积累, 降低了后期棉花病害与早衰的发生, 灭除田间杂草, 增加了单株铃数、单铃重与皮棉产量, 是解决连作棉田病害严重、土壤蓄水供水能力下降、棉花产量下降等问题的有效耕作措施; 综合考虑3种不同耕层重构方式成本与效果, 以互换0~20 cm与20~40 cm土层, 同时松动40~55 cm土层效果最佳。
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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