0 引言
【研究意义】黄淮海平原是中国重要的粮食主产区,在粮食安全战略中具有举足轻重的地位,该地区受北温带大陆性季风气候的影响,降水季节分配极度不均,粮食高产需水与水资源短缺的矛盾日益突出[1-2]。砂姜黑土是一种古老的耕作土壤,主要分布于黄淮海平原南部,是当前主要中低产土壤类型之一。砂姜黑土土质黏重,结构性差,耕作层在经过冬季冰冻之后会形成非水稳性棱角碎粒状结构,心土层在干旱时容易产生结构体间裂隙而切断毛管水,不利于蓄水保墒,农田抗旱能力较差[3]。耕作措施对土壤物理特性影响很大,通过筛选适宜耕作方式改善砂姜黑土农田蓄水保墒效果,增加作物产量,具有重要的实践意义。【前人研究进展】免耕覆盖能够降低土壤容重、提高土壤孔隙度、促进土壤水稳性团聚体的形成,进一步提高土壤保水能力,增加作物产量[4],深松可打破犁底层,降低深层土壤容重和土壤紧实度,增大土壤接纳灌溉和降水的能力,扩大土壤水库容[5-6],还可促进根系下扎,增加根系纵深分布,提高作物产量[7-8]。然而,由于土壤性质和环境条件的不同,耕作方式对土壤水分分布与利用的研究结论并不一致,不同耕作方式的影响存在明显的地域特点,关于免耕深松等保护性耕作的负面影响也不容忽视。有研究表明,免耕对土壤容重和土壤紧实度的改善效果较差,土壤含水量低,限制了作物产量的提高[6,9],深松虽然有较好的扩蓄增容和增产效果,但在干旱时土壤持水能力相对减弱[10],且耕层松紧不一,土块较大,会给作物生长发育带来不利影响[11]。前人研究指出,将保护性耕作纳入一定的轮耕体系,进行合理的组合和配置,选择推广较为适宜的轮耕制度,可减轻单一耕作方式的弊端[11-12]。【本研究切入点】对于分布面积较大的冬小麦-夏玉米一年两熟制农田,前人对冬小麦季和夏玉米季采用不同耕作方式组合的周年耕作方式研究较少,且砂姜黑土农田适耕性差,对于不同耕作方式的响应具有自身的特点,有必要开展相关研究。【拟解决的关键问题】本研究基于多年定位试验,分析周年耕作方式对砂姜黑土农田土壤容重、水分和作物产量的影响,筛选利于改善砂姜黑土农田蓄水保墒效果且提高作物产量的周年耕作方式,为该地区周年适宜耕作方式的选择与推广应用提供理论和技术支撑。1 材料与方法
1.1 试验地概况
试验地位于河南省驻马店市西平县二郎乡张尧村（33°19′48″N,114°01′01″E）,地处黄淮海平原南部,平均海拔49 m,年平均日照时数2 157.2 h,年平均气温14.8℃,无霜期221 d,年平均降雨量852 mm,正常年份的自然降水基本能满足周年作物生长发育的需求,一般不灌溉,属典型的雨养农业区。该区域常年进行冬小麦-夏玉米一年两熟的种植制度,小麦季旋耕、玉米季免耕是当地主要的耕作方式。供试土壤属于砂姜黑土土类、砂姜黑土亚类、覆泥黑姜土土属,土壤质地为黏土。1.2 试验设计
试验以夏玉米-冬小麦一年两熟的周年轮作种植制度为研究对象,在两季秸秆全量粉碎（3—5 cm）还田条件下,于2011年10月冬小麦季开始设置长期不同耕作方式定位试验。耕作方式试验处理前农田为河南省西平县土肥站多年进行统一供种、统一供肥以及统一农田管理的“全国新增千亿斤粮食生产能力西平县2010年耕地质量监测区域站土壤地力长期定位监测点”（编号hnxpdljc2010-001）,试验开始前农田耕层土壤基础养分为有机质14.83 g·kg-1,全氮1.07 g·kg-1,有效磷17.7 mg·kg-1,速效钾94 mg·kg-1,pH 6.62。试验设置5个夏玉米季-冬小麦季周年耕作方式处理,即免耕-旋耕（NRT,对照）、免耕-深耕（NDT）、深松-旋耕（SRT）、深松-免耕（SNT）和免耕-免耕（NNT）,秸秆在前茬作物机械收获时粉碎覆盖地表,在作物播种前进行相应耕作机械作业,旋耕的作业深度平均为15 cm,深松、深耕的作业深度平均为35 cm,播种方式采用机械播种,各处理播种量一致（小麦、玉米播量分别按照300 kg·hm-2和45 kg·hm-2进行）。为了更接近农田实际情况和方便大型农机具进行田间农事操作,各处理采用大区对比设置,每耕作方式处理面积为60 m×6 m=360 m2,待玉米或小麦出苗后将每处理均分为3个20 m×6 m=120 m2的小区,为3次重复。夏玉米季和冬小麦季各施氮225 kg·hm-2、P2O5 90 kg·hm-2、K2O 90 kg·hm-2,夏玉米季种肥异位同播,冬小麦季氮肥50%于整地时底施,其余50%于拔节期追施。氮、磷、钾肥分别用尿素、磷酸二铵和氯化钾。
本研究为2014年6月至2015年6月夏玉米-冬小麦一个轮作周期的监测试验结果,为长期定位试验的第4个周年。其中,2014年夏玉米品种选用国审郑单958,6月10日播种,9月26日收获;2014年冬小麦品种选用郑麦7698,10月10日播种,2015年6月5日收获。
1.3 测定项目与方法
在夏玉米和冬小麦收获期,每个小区在作物的行间选取较为平整的地段3个,除去土壤表层的秸秆等杂物,用容重钻和100 cm3环刀每5 cm一层取0—40 cm原状土,用小刀切去环刀外的多余土,用自封袋密封带回实验室称量湿重,将环刀中的土壤混匀后测定土壤含水量,根据环刀内湿土重、土壤含水量和环刀容积计算土壤容重[12],根据土壤容重和含水量计算土壤贮水量。土壤贮水量的计算公式[13-14]：Wi=hi×ai×bi× 10/100。式中,Wi为第i层的土壤贮水量（mm）,hi为第i层的土层深度（cm）,ai为第i层的土壤容重（g·cm-3）,bi为第i层的土壤重量含水量（%）,多层土壤的总土壤贮水量为W=∑Wi。
在夏玉米和冬小麦的关键生育时期,保证前1周内无降水和灌溉前提下进行取样,具体取样时间为夏玉米苗期（2014-6-27）、大口期（2014-7-21）、开花期（2014-8-1）、灌浆期（2014-8-22）、收获期（2014-9-26）,冬小麦苗期（2014-11-4）、越冬期（2014-12-30）、起身期（2015-3-5）、开花期（2015-4-28）、收获期（2015-6-5）,每个小区随机选5个样点,用土钻取0—20 cm、20—40 cm土样,去除石块和秸秆等杂物,每个小区的同一土层土样混匀成为该小区该土层的土壤样品,带回实验室用烘干法测定土壤含水量。
在夏玉米和冬小麦收获期,每20 cm一层取0—160 cm土样,烘干法测定剖面土壤含水量。
在冬小麦收获期对各试验小区收获10 m2测产,并对1 m双行调查单位面积成穗数、穗粒数、千粒重产量构成要素;在夏玉米收获期于每个试验处理中间选取2行（长20 m,平均行距0.6 m）,调查成穗数,收获全部果穗晒干脱粒计产,并随机选取20果穗调查穗粒数、测定百粒重。
1.4 数据统计分析
采用Microsoft Excel 2010和SPSS 19.0软件进行试验数据处理和分析,采用LSD法进行多重比较,显著性水平取P<0.05。2 结果
2.1 耕作方式对0—40 cm土层容重的影响
如表1所示,在夏玉米收获期,0—40 cm土层土壤容重以免耕-免耕处理较高,深松-免耕和深松-旋耕处理较低,免耕-免耕处理的土壤容重显著高于深松-免耕和深松-旋耕处理。其中,免耕-旋耕、免耕-深耕、深松-旋耕和深松-免耕4个处理之间0—10 cm土层土壤容重无显著差异,均显著低于免耕-免耕处理。在15—25 cm土层,免耕-深耕、深松-免耕和深松-旋耕处理土壤容重较低,与免耕-旋耕和免耕-免耕处理差异达显著水平。免耕-旋耕、免耕-深耕和免耕-免耕3个处理间25—40 cm土层土壤容重无显著差异,均显著高于深松-免耕和深松-旋耕处理。与对照免耕-旋耕处理相比,免耕-深耕处理显著降低15—25 cm土层的土壤容重,深松-免耕和深松-旋耕处理显著降低15—40 cm土层土壤容重,而免耕-免耕处理显著增加0—10 cm土层土壤容重。在冬小麦收获期,深松-免耕和免耕-免耕处理0—5 cm土层土壤容重显著低于其他处理,5—25 cm土层土壤容重以免耕-免耕处理最高,与免耕-深耕和深松-旋耕处理差异均达显著水平,在25—35 cm土层,免耕-深耕与其他各处理相比能够显著降低土壤容重,耕作方式处理对冬小麦收获期35—40 cm土层土壤容重的影响较小,各处理间差异不显著。与对照免耕-旋耕处理相比,免耕-深耕处理显著降低20—35 cm土层土壤容重,深松-旋耕和深松-免耕处理显著降低20—25 cm土层土壤容重,而深松-免耕处理的10—15 cm土层土壤容重增大,免耕-免耕处理显著增加5—20 cm土层土壤容重。另外,深松-免耕处理和免耕-免耕处理小麦季免耕显著降低0—5 cm土层土壤容重,这与夏玉米季结果相反,可能与小麦季免耕处理使土壤表层玉米秸秆量高且分解较慢有关。
Table 1
表1
表1不同耕作方式0—40 cm土层容重
Table 1Soil bulk density in 0-40 cm layer under different tillage practices
| 取样时期 Sampling time | 处理 Treatment | 土壤容重 Soil bulk density (g·cm-3) | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 0—5 cm | 5—10 cm | 10—15 cm | 15—20 cm | 20—25 cm | 25—30 cm | 30—35 cm | 35—40 cm | ||
| 夏玉米收获期 Harvest stage of summer maize | NRT (CK) | 1.28b | 1.38b | 1.50ab | 1.60a | 1.64a | 1.55a | 1.58a | 1.56a |
| NDT | 1.30b | 1.37b | 1.48ab | 1.49b | 1.59b | 1.55a | 1.59a | 1.59a | |
| SRT | 1.29b | 1.41b | 1.47b | 1.51b | 1.58b | 1.51b | 1.53b | 1.50b | |
| SNT | 1.30b | 1.40b | 1.47b | 1.47b | 1.57b | 1.50b | 1.54b | 1.50b | |
| NNT | 1.35a | 1.47a | 1.52a | 1.64a | 1.63a | 1.55a | 1.59a | 1.55a | |
| 冬小麦收获期 Harvest stage of winter wheat | NRT (CK) | 1.40a | 1.32b | 1.32b | 1.35b | 1.46a | 1.44a | 1.44a | 1.39a |
| NDT | 1.39a | 1.32b | 1.32b | 1.35b | 1.41b | 1.38b | 1.37b | 1.38a | |
| SRT | 1.39a | 1.30b | 1.35b | 1.34b | 1.37b | 1.42a | 1.45a | 1.39a | |
| SNT | 1.34b | 1.33b | 1.39a | 1.38b | 1.40b | 1.42a | 1.45a | 1.35a | |
| NNT | 1.33b | 1.38a | 1.39a | 1.43a | 1.47a | 1.42a | 1.44a | 1.35a | |
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2.2 耕作方式对0—40 cm土层贮水量的影响
由图1可以看出,播前耕作方式处理对作物收获期0—40 cm土层贮水量影响显著。在夏玉米收获期,由于生育期内的集中降雨,0—40 cm土层贮水量较高,各耕作方式处理以深松-免耕处理0—40 cm土层贮水量最高,与对照免耕-旋耕处理相比增加8.47%,差异达显著水平;免耕-深耕处理与深松-旋耕处理无显著差异,分别较对照免耕-旋耕处理增加4.64%和4.42%,而免耕-免耕处理与对照免耕-旋耕处理差异不显著。受季风气候的影响,试验地所处区域降雨多集中在夏玉米季（每年6—9月,近4个月平均降雨量占全年70%以上）,冬小麦季降雨量较小,冬小麦收获期0—40 cm土层贮水量明显低于夏玉米收获期;免耕-旋耕、免耕-深耕和深松-免耕处理0—40 cm土层贮水量较大,3个处理之间差异不显著,但均显著高于深松-旋耕和免耕-免耕处理;免耕-免耕处理0—40 cm土层贮水量最小,深松-旋耕和免耕-免耕处理0—40 cm土层贮水量与对照免耕-旋耕处理相比分别降低6.89%和12.11%。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图1不同耕作方式0—40 cm土层贮水量
同一时期处理间不同字母表示差异显著（P<0.05）。下同
-->Fig. 1Soil water storage in 0-40 cm layer under different tillage practices
Different letters in same growth stage indicate significant difference among treatments at 0.05 levels. The same as below
-->
2.3 主要生育时期0—40 cm土层含水量的动态变化
由图2可知,在0—20 cm土层,夏玉米苗期和大口期,土壤含水量受耕作方式处理的影响较小,各处理之间差异不明显;夏玉米开花期和灌浆期,以夏玉米季免耕的处理（免耕-旋耕、免耕-深耕和免耕-免耕处理）土壤含水量最高,深松-旋耕和深松-免耕处理土壤含水量较低,在开花期分别较对照免耕-旋耕处理降低14.4%和16.9%,夏玉米收获期各处理间差异不明显。在冬小麦生育前期（苗期、越冬期和起身期）,各处理以深松-免耕处理土壤含水量最高,在越冬期和起身期与对照免耕-旋耕处理差异达显著水平,在冬小麦生育后期（开花期和收获期）,以免耕-深耕处理0—20 cm土层土壤含水量最高,但各处理间差异未达显著水平。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图2不同耕作方式0—40 cm土层含水量
-->Fig. 2Soil water content in 0-40 cm layer under different tillage practices
-->
在20—40 cm土层,在夏玉米-冬小麦整个周年内,各处理均表现为深松-免耕处理的土壤含水量最高,与对照免耕-旋耕处理相比,增幅为4.71%—16.56%,其中在冬小麦起身期增幅最大。在夏玉米大口期及冬小麦的苗期、越冬期、起身期和开花期,均以对照免耕-旋耕处理土壤含水量最低,而在夏玉米灌浆期和冬小麦收获期以免耕-免耕处理土壤含水量最低。在夏玉米-冬小麦整个周年内,免耕-深耕、深松-旋耕、免耕-免耕处理均与对照免耕-旋耕处理无显著差异。
2.4 收获期0—160 cm剖面土壤含水量
如图3所示,在夏玉米收获期,各处理0—160 cm土壤剖面含水量在40—60 cm出现最高峰,而在80—120 cm出现最低谷。与对照免耕-旋耕处理相比,免耕-深耕处理降低80—160 cm土壤含水量,其中在80—140 cm差异达显著水平,深松-免耕处理增加0— 80 cm土壤含水量,其中在20—60 cm差异达显著水平,免耕-免耕处理增加了40—160 cm土层含水量,而深松-旋耕处理与对照免耕-旋耕处理0—160 cm各土层土壤含水量无显著差异。在冬小麦收获期,与对照免耕-旋耕处理相比,深松-免耕处理增加20—60 cm土层含水量,免耕-免耕处理与对照免耕-旋耕处理相比降低0—40 cm土层含水量,而40—160 cm各土层土壤含水量有所增加,免耕-深耕、深松-旋耕处理与对照免耕-旋耕处理相比,增加0—40 cm土层含水量,降低40—160 cm各土层土壤含水量,与免耕-免耕处理规律相反,这表明不同耕作方式可改变土壤水分在不同土层的分布,采用深耕深松等方式能够改善0—40 cm土层的土壤结构,增加其土壤含水量。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图3不同耕作方式0—160 cm土层含水量
-->Fig. 3Soil water content in 0-160 cm layer under different tillage practices
-->
2.5 收获期不同耕作处理0—40 cm土层主要养分状况
从土壤耕作层养分状况（表2）分析认为,在全量秸秆还田条件下,经历4周年定位耕作试验后,与对照免耕-旋耕处理相比,免耕-深耕、深松-旋耕、深松-免耕和免耕-免耕处理0—20 cm土层土壤有机碳、全氮、有效磷含量均有所增加,深松-免耕、免耕-免耕处理明显增加0—20 cm土层速效钾含量。在20—40 cm土层,深松-旋耕处理的土壤有机碳、全氮含量显著增加,免耕-深耕、深松-旋耕、深松-免耕和免耕-免耕处理的土壤有效磷含量与对照免耕-旋耕处理相比,差异均达显著水平。Table 2
表2
表2小麦玉米收获期不同耕作处理0—40 cm土层主要养分状况
Table 2Contents of main soil nutrients in 0-40 cm layer under different tillage practices at harvest of wheat and maize
| 取样时期 Sampling time | 处理 Treatment | 0—20 cm土层Layer in 0—20 cm | 20—40 cm土层Layer in 20—40 cm | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 有机碳 Organic C | 全氮 Total N | 有效磷 Avaible P | 速效钾 Avaible K | 有机碳 Organic C | 全氮 Total N | 有效磷 Avaible P | 速效钾 Avaible K | |||
| 2014年夏玉米收获期 At harvest of summer maize in 2014 | NRT (CK) | 10.80b | 1.18b | 8.34d | 147.3b | 5.40b | 0.67b | 1.00e | 110.3b | |
| NDT | 12.16a | 1.28a | 15.54b | 147.2b | 5.66ab | 0.70b | 3.44b | 115.5ab | ||
| SRT | 12.08ab | 1.27a | 11.25c | 147.2b | 6.18a | 0.75a | 2.78c | 117.8a | ||
| SNT | 12.14a | 1.28a | 9.28d | 155.4a | 5.14b | 0.66b | 2.31d | 120.0a | ||
| NNT | 11.88ab | 1.29a | 17.71a | 154.2a | 5.36b | 0.68b | 4.19a | 120.6a | ||
| 2015年冬小麦收获期 At harvest of winter wheat in 2015 | NRT(CK) | 11.35b | 1.14c | 6.48e | 160.4bc | 5.19b | 0.62c | 1.26d | 133.4ab | |
| NDT | 12.59a | 1.27ab | 14.06b | 157.1c | 5.69a | 0.69ab | 3.46a | 130.3b | ||
| SRT | 12.15ab | 1.21bc | 11.37c | 157.0c | 5.93a | 0.70a | 2.45b | 129.0b | ||
| SNT | 12.88a | 1.32a | 9.01d | 167.1b | 5.14b | 0.63bc | 1.65c | 136.3a | ||
| NNT | 12.67a | 1.30a | 16.24a | 182.1a | 5.13b | 0.64abc | 2.34b | 130.5b | ||
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2.6 夏玉米籽粒产量及其构成要素
由表3可知,与对照免耕-旋耕处理相比,免耕-深耕和免耕-免耕处理籽粒产量有所降低,分别降低了7.86%和2.88%,深松-旋耕和深松-免耕处理的籽粒产量有所增高,分别增加了2.17%和4.63%,由籽粒产量构成因素分析,耕作方式主要通过增减玉米穗粒数从而影响夏玉米籽粒产量。Table 3
表3
表3不同耕作方式夏玉米籽粒产量及其构成要素
Table 3Grain yield and its components of summer maize under different tillage practices
| 处理 Treatment | 成穗数 Spikes (个/hm2) | 穗粒数 Grains per spike | 百粒重 100-grain weight (g) | 籽粒产量 Grain yield (kg·hm-2) | 增产率 Increase ratios (%) |
|---|---|---|---|---|---|
| NRT (CK) | 66003a | 466bc | 28.24a | 8677bc | — |
| NDT | 64958a | 454c | 27.10a | 7995d | -7.86 |
| SRT | 66777a | 487ab | 27.29a | 8865ab | 2.17 |
| SNT | 64800a | 512a | 27.39a | 9079a | 4.63 |
| NNT | 64902a | 473b | 27.47a | 8426c | -2.88 |
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2.7 冬小麦籽粒产量及其构成要素
从表4可以看出,与对照免耕-旋耕处理相比,免耕-深耕、深松-旋耕、深松-免耕处理均可显著增加冬小麦籽粒产量,增产率分别为7.34%、13.45%和16.07%,而免耕-免耕处理籽粒产量降低1.46%。进一步从产量构成因素分析,各处理之间成穗数和穗粒数无显著差异,各处理主要是籽粒千粒重的改变而引起籽粒产量的差异。耕作方式处理同时对小麦籽粒品质性状产生影响,各处理间以深松-免耕处理籽粒容重最大,对照免耕-旋耕处理籽粒容重最小,免耕-深耕、深松-旋耕、免耕-免耕处理间无显著差异。Table 4
表4
表4不同耕作方式冬小麦籽粒产量及其构成要素
Table 4Grain yield and its components of winter wheat under different tillage practices
| 处理 Treatment | 成穗数 Spikes (×104·hm-2) | 穗粒数 Grains per spike | 千粒重 1000-grain weight (g) | 籽粒产量 Grain yield (kg·hm-2) | 增产率 Increase ratios (%) | 籽粒容重 Grain volume weight (g·L-1) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| NRT(CK) | 635a | 35a | 46.35b | 8259c | — | 819.0c |
| NDT | 624a | 35a | 48.62a | 8865b | 7.34 | 826.4b |
| SRT | 655a | 36a | 48.26a | 9370a | 13.45 | 827.9b |
| SNT | 649a | 37a | 49.18a | 9586a | 16.07 | 833.6a |
| NNT | 628a | 36a | 45.23b | 8138c | -1.46 | 826.9b |
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2.8 夏玉米-冬小麦周年籽粒产量
如图4所示,由于两季作物产量的提高,深松-旋耕和深松-免耕处理显著增加夏玉米-冬小麦周年籽粒产量,增幅分别为7.67%和10.21%,免耕-深耕处理冬小麦籽粒产量增加而夏玉米产量降低,最终周年籽粒产量降低0.44%,与对照免耕-旋耕处理差异未达显著水平,免耕-免耕处理夏玉米-冬小麦籽粒产量均有所降低,最终周年籽粒产量降低2.19%。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图4不同耕作方式周年籽粒产量
-->Fig. 4Annual grain yield under different tillage practices
-->
3 讨论
3.1 耕作方式对土壤容重的影响
土壤容重与农田的持水保水能力相关,且直接影响作物根系的生长发育,进一步影响作物的水分吸收利用和产量形成。前人研究结果表明,深耕和深松有利于降低20—40 cm土层土壤容重,加深耕层[15-16],小麦、玉米两季均深松或深耕降低土壤容重的效果优于小麦单季深松或深耕[17],而免耕可增加5—20 cm土层土壤容重[18],连续免耕4年以后土壤容重显著增加[19];不同耕作方式下土壤容重表现为免耕>旋耕>深松,深松处理对犁底层土壤容重的降低作用最为明显[6],深松结合秸秆还田利于作物根系下扎和对土壤深层水分的利用,提高作物抵御季节性干旱的能力[20]。也有研究表明,与免耕相比,机械耕作降低作物生育前期土壤容重,经过生育期内自然沉降和淋溶作用,收获期土壤容重达到或接近免耕水平[21]。本试验中,冬小麦季深耕显著降低冬小麦收获期20—35 cm土层土壤容重,对夏玉米收获期15—25 cm土层土壤容重也产生了显著影响,夏玉米季深松显著降低夏玉米收获期15—40 cm土层土壤容重,同时降低冬小麦收获期20—25 cm土层土壤容重,以上结果表明,经过多年定位处理,耕作方式不仅对当季作物收获期土壤容重产生影响,同时对后茬作物收获期土壤容重影响显著,但作用效果减弱,作用土层变浅。另外,冬小麦季免耕处理显著降低0—5 cm土层土壤容重,表明秸秆还田条件下免耕可降低表层土壤容重,这与高建华等[22]研究结果一致。3.2 耕作方式对土壤水分的影响
前人研究表明,与旋耕相比,免耕能够有效增加0—30 cm土层贮水量和水分含量[23-24],土壤含水量较旋耕处理增加10.3%[24],免耕时间越长,土壤剖面含水量增加效果越明显[25]。旋耕和深松分别有利于表层和深层土壤的水分储蓄[16],深松处理20—40 cm土层土壤含水量比旋耕提高3.4%[6]。也有研究表明,与连续免耕相比,两年免耕后进行深松显著提高50—100 cm土壤水分含量[5]。本试验中,深松-免耕处理增加玉米季0—40 cm土壤贮水量和周年内20—40 cm土壤水分含量,深松与免耕结合表现出较好的蓄水保墒效果,与柏炜霞等[26]的研究结果一致,而深松-旋耕处理在冬小麦收获期与对照相比,0—40 cm土壤贮水量有所降低,分析认为主要在于本研究地区降雨多集中在夏玉米季（每年6—9月份,降雨量占全年70%以上）,深松-旋耕处理有利于在玉米季贮存水分,而在降雨较少的小麦季可能加剧地面水分蒸发,最终导致冬小麦收获期贮水量较对照降低。另外,本试验结果显示,免耕-免耕处理在作物收获期增加40—160 cm土壤含水量,而0—40 cm土层土壤含水量较低,且显著降低冬小麦收获期0—40 cm土壤贮水量,这除了与该处理蓄水能力相对较弱外,还可能与该处理作物根系主要利用0—40 cm层水分有关,这与前人研究结果有异。彭文英[27]研究指出,长期实施免耕和秸秆覆盖只有在达到一定程度时,免耕的增水效果才会明显。因此,本试验中免耕-免耕处理的土壤水分条件较差可能还与实施年限有关,各耕作方式的效果在不同年际间可能存在差异,尚需深入研究。3.3 耕作方式对作物产量的影响
关于耕作方式对作物产量的影响,前人研究很多但结果并不一致。谢瑞芝等[28]通过统计得出,中国保护性耕作的产量结果多显示为增产,但也有10.92%的减产数据报道。研究表明,深松有利于延长小麦光合功能期,增强籽粒灌浆速率,最终提高穗粒数和千粒重[29],深松处理的夏玉米穗粒数与旋耕相比增加2.5%[6],与传统耕作方式相比,深耕和深松分别提高周年作物产量10.7%和9.8%[15],免耕处理年均产量增加6.1%[30]。周年轮耕试验结果表明,在秸秆还田条件下,小麦季播前深松和深耕可显著增加夏玉米籽粒产量[15],免耕-免耕较免耕-旋耕处理夏玉米籽粒产量连续两年平均增产7.35%[31],免耕-深松可创造良好的土壤耕层结构,促进作物生长发育,增加作物产量[11]。本试验中,与对照免耕-旋耕处理相比,夏玉米季深松（SRT和SNT处理）增加夏玉米穗粒数和冬小麦千粒重,从而增加了夏玉米-冬小麦籽粒产量,其中以深松-免耕处理产量增加效果最优,而免耕-免耕处理虽然未出现文献[32-33]报道的出苗率较低、成穗数较小,但与对照免耕-旋耕处理相比,周年籽粒产量降低2.19%,该试验结果与陈宁宁等[34]研究结果一致。值得注意的是,免耕-深耕处理显著增加冬小麦籽粒产量,但夏玉米籽粒产量降低7.86%,与前人[15]研究不一致。虽然深松-旋耕、深松-免耕处理较对照免耕-旋耕处理增加了机械成本,但能够增加夏玉米-冬小麦周年籽粒产量和提高耕层土壤基础肥力,按深松费用450元/hm2、旋耕费用300 元/hm2[35]、小麦售价2.2 元/kg、玉米售价1.6 元/kg计算,深松-旋耕、深松-免耕处理与对照相比经济效益分别增加2 295 元/hm2、3 413 元/hm2,籽粒产量增加带来的收益足以弥补机械投入的增加。从长远来看,深松-旋耕、深松-免耕处理具有一定的推广应用价值。此外,通过进一步分析发现,虽然免耕-免耕处理在两季作物收获期土壤有机碳、全氮、有效磷以及速效钾含量均较其他耕作方式处理高,但其周年产量表现为最低。因此,分析耕作处理作物增产原因不仅要考虑土壤养分供应状况,还应考虑其他如土壤水分状况、适耕性、作物出苗情况及产量构成等因素,这需要进一步深入研究。
4 结论
在夏玉米季-冬小麦季周年耕作中,免耕-深耕处理显著降低夏玉米收获期15—25 cm土层和冬小麦收获期20—35 cm土层的土壤容重,深松-免耕和深松-旋耕处理显著降低夏玉米收获期15—40 cm土层和冬小麦收获期20—25 cm土层的土壤容重。免耕-深耕、深松-旋耕和深松-免耕处理能够增加夏玉米收获期0—40 cm土壤贮水量。深松-免耕处理增加夏玉米-冬小麦整个周年内20—40 cm土层土壤含水量,免耕-免耕处理增加作物收获期40—160 cm土层的土壤含水量。深松-旋耕和深松-免耕处理显著增加夏玉米-冬小麦周年籽粒产量。综上所述,深松- 旋耕和深松-免耕处理能够降低土壤容重、增加夏玉米-冬小麦轮作体系作物籽粒产量,特别是深松-免耕处理能够改善土壤蓄水保墒效果,且产量增加效果较优,可作为相对较适宜的黄淮砂姜黑土区周年耕作方式。致谢：在试验过程中得到河南省农业科学院李向东研究员、夏来坤博士和河南省西平县农业技术推广中心谢耀丽高级农艺师的大力支持和帮助,在此深表感谢！
The authors have declared that no competing interests exist.
