0 引言
【研究意义】黄淮海南部为我国粮食主产区,在粮食生产中占有重要地位[1],其主要土壤类型为砂姜黑土。砂姜黑土面积占河南省耕地面积的1/4,是主要的中低产田。砂姜黑土具有干坚实、湿粘闭、质地黏重、结构和耕性差、有机质含量低等特点,对粮食生产能力限制较大。砂姜黑土区的主要种植制度是冬小麦-夏玉米一年轮耕制,目前耕作方式主要采用冬小麦播前旋耕,夏玉米免耕直播,导致土壤耕层变浅、犁底层变厚变硬、通透性差、土壤养分不均衡,严重限制了作物产量的提高[2]。因此,研究构建砂姜黑土合理耕层并使其持续保持良好性能,对提升砂姜黑土地力和作物持续增产具有重要意义。【前人研究进展】合理的耕作方式可以改良土壤物理性状,改善作物生长条件,更好地满足作物需求,提高作物产量[3,4]。深松能够打破犁底层,降低深层土壤紧实度,改善土壤孔隙状况[5,6]。梁金凤等[7]研究发现深松能够疏松土壤,促进玉米根系向深处生长,有利于根系吸收水分和养分,为高产奠定物质基础。深耕也可以提高作物产量[8],而深耕或深松结合秸秆还田有利于作物产量和水分利用效率的提高[9]。综上,深松（耕）可以打破犁底层,增加土壤含水量,降低土壤容重和土壤紧实度,促进根系下扎,增加根系深层分布[10,11,12],有利于作物对水肥的吸收利用,提高作物产量,增加经济效益[13]。但耕作措施是把“双刃剑”,长期采用翻耕、免耕、深松耕等任何单一耕作措施均会对土壤生产性能产生不利影响[14]。【本研究切入点】前人的研究多集中在不同深松（耕）方式对土壤改良和作物生长的影响等方面,关于深松（耕）时间的研究较少,尤其缺乏深松（耕）时间与耕作方式相结合的研究;深松（耕）时间与耕作方式对砂姜黑土的改良效应和对作物的生理生态效应也尚不明确。【拟解决的关键问题】本研究基于3年的定点试验,分析不同深松（耕）时间与耕作方式对砂姜黑土土壤紧实度、土壤三相比、作物根系生长、产量、水分利用效率和经济效益的影响,以确定有利于构建砂姜黑土合理耕层的土壤耕作制度。1 材料与方法
1.1 试验地概况
试验于2014—2017年在河南省驻马店西平县二郎乡张尧村河南农业大学试验基地 （33°19′48″N,114°01′01″E）进行,该区地处黄淮海平原南部,年平均气温16.0℃,无霜期221 d,年平均降雨量852 mm。试验期间逐月降雨量和平均气温分布值显示（图1）,当地降雨季节分配不均,主要集中在6—8月,2015年降雨量和平均气温分别为648.5 mm和15.3℃;2016年降雨量和平均气温分别为928.6 mm和15.8℃。2015年11月份和2016年1月份的降雨量相对较高,且2016年1月平均气温较低。该区域常年实行冬小麦-夏玉米一年两熟种植制度,秋季小麦播前旋耕、夏季玉米免耕播种是当地的传统耕作方式。供试土壤属于砂姜黑土,耕层土壤基础养分为有机质12.39 g·kg-1、全氮1.18 g·kg-1、有效磷20.12 mg·kg-1、速效钾94.66 mg·kg-1。土壤物理机械组成为砂粒18.60%、粉粒42.20%、黏粒39.20%。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图1试验地2015—2016年度逐月降雨量和平均气温
-->Fig. 1Monthly precipitation and average temperature in 2015-2016 of the experimental field
-->
1.2 试验设计
试验设置5个冬小麦-夏玉米周年耕作处理,即秋季旋耕+夏季免耕（ART+SNT,对照）、秋季深松+夏季免耕（ASS+SNT）、秋季深耕+夏季免耕（ADMP+SNT）、秋季深耕+夏季下位深松（ADMP+SSSS）和秋季深耕+夏季侧位深松（ADMP+SSSL）。秸秆还田为冬小麦和夏玉米秸秆全量还田。其中,冬小麦和夏玉米成熟后,先将作物秸秆粉碎至5 cm左右的小段,后结合相应的耕作方式混入土壤中进行秸秆全量还田。2014年秋季小麦播种前开始进行定位试验。所有秋季耕作处理均在每年冬小麦播前进行,使用1GQNGK-230高箱框架旋耕机进行旋耕处理,耕作深度为10—15 cm;用1S2-460型振动式深松机（中国农业大学）进行秋季深松处理,悬挂液压翻转犁（河南黄达）进行秋季深耕处理,耕作深度均为30 cm。夏季侧位深松和下位深松在夏玉米播种时采用深松播种机（2BMYFZQ-2B牵引式免耕指夹精量施肥播种机）进行,深松深度为30 cm,侧位深松位置为距离播种带横向距离10 cm,下位深松带位于播种带正下方。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,每个处理面积为10.8 m×100 m。2014年小麦品种为豫农416,2015年为豫农416,2016年为郑麦9023,播种量为225 kg·hm-2。肥料使用为180 kg N·hm-2、90 kg P2O5·hm-2和90 kg K2O·hm-2,于整地时底施;拔节期追施75 kg N·hm-2。夏玉米品种均为豫单606,种植密度为60 000株/hm2,种肥异位同播,播种时施180 kg N·hm-2、90 kg P2O5·hm-2和90 kg K2O·hm-2,大喇叭口期追施75 kg N·hm-2。浇地方式为喷灌,每个处理灌水量相同,采用水表记录每次灌水量。试验进行期间,具体灌溉日期和灌溉量分别为：2015年2月29日,灌水量为27.62 mm;2015年6月9日,灌水量为46.88 mm;2015年6月22日,灌水量为20.63 mm;2016年2月25日,灌水量为27.28 mm;2016年7月5日,灌水量为67.50 mm。
1.3 测定项目与方法
1.3.1 土壤紧实度 分别于冬小麦和夏玉米拔节期、开花期、成熟期,采用美国产SC900土壤坚实度仪测定0—45 cm的土壤紧实度。1.3.2 土壤三相比R值 冬小麦和夏玉米成熟期,每个处理选择3个具有代表性的区域,用环刀法测定0—15、15—30、30—40、40—50、50—60 cm土层土壤容重,计算土壤孔隙度：
土壤孔隙度（%）=（1-土壤容重/土壤比重）[15]
式中,土壤比重近似值为2.65 g·cm-3。
采用烘干法测定各土层土壤含水量,计算土壤三相比R值：
R=|$\sqrt[2]{0.4\times {{(X-50)}^{2}}+Y-25{{}^{2}}+0.6\times Z-25{{}^{2}}}$|
式中,R是测定土壤三相比与适宜状态下土壤三相比在空间距离上的差值,X是土壤固相,Y是土壤液相,Z是土壤气相,R值越大,土壤三相比越差[16]。
1.3.3 作物根系形态 冬小麦开花期每处理选取3点,每点以种植行为中心挖取长×宽×深=32 cm×32 cm×30 cm的土块;夏玉米开花期,每处理选取3点,每点选取3株长势均匀一致的植株,以根茎为中心,挖取长×宽×深=60 cm×28 cm×60 cm的土块。将土块装入尼龙袋中,自来水冲洗后用根系扫描仪扫描图像,用WinRHIZO根系分析系统分析根系长度、根系表面积、根系体积和根系平均直径。然后,将根系置烘箱中105℃杀青30 min,80℃烘干至恒重后称重,测得根系干重。
1.3.4 作物产量 冬小麦成熟期,每处理收获2 m×2 m面积的植株,3次重复,脱粒,风干,称重计产;夏玉米成熟期,每处理收获双行20个果穗,3次重复,脱粒,风干,称重计产。
1.3.5 水分利用效率 在冬小麦和夏玉米各关键时期,用土钻取0—60 cm土层土样,用烘干法测定0—15、15—30、30—40、40—50、50—60 cm土层土壤含水量;采用水分平衡法[17],计算农田耗水量（ET）。
水分利用效率（WUE）=GY/ET[18,19]
式中,WUE为籽粒产量水分利用效率（kg·hm-2·mm-1）,GY为籽粒产量（kg·hm-2）,ET为农田耗水量（mm）。
1.3.6 经济效益计算 经济效益以单位耕地面积的纯收益表示。经济效益=总产值-总成本,总产值=作物产量×单价。其中总成本包括机械费、化肥费、种子费、农药费等物资成本和除草、收获等劳动成本。冬小麦和夏玉米单价分别为2.1 元/kg、1.8 元/kg。周年化肥费用合计4 311 元/hm2。每公顷机械费用标准如下：收获和秸秆粉碎费用冬小麦825 元/hm2、夏玉米1 050 元/hm2,深耕费825 元/hm2,深松费750元/hm2,旋耕费450 元/hm2。其他费用（包括种子、农药和人工费等）冬小麦合计1 700 元/hm2,夏玉米合计1 800 元/hm2。
1.4 数据分析
利用Excel 2010和SPSS 19.0 软件进行试验数据处理和分析,利用SigmaPlot 12.5软件绘图。2 结果
2.1 耕作、年份以及其互作对土壤性状和产量的影响
除年份对玉米季产量存在显著性差异外,处理和年份对其他指标均存在极显著影响（表1）。其中,除处理×年份互作对小麦季水分利用效率存在显著影响外,处理×年份对其他指标均无显著交互作用。Table 1
表1
表1耕作、年份以及其交互对土壤三相比R值、作物产量、水分利用效率和经济效益的影响
Table 1Effects of tillage pattern, year and their interaction on the global analyses of variance of soil R value, crop yield, water use efficiency and economic benefit
| 项目Item | RW | RM | YieldW | YieldM | Yieldtotal | WUEW | WUEM | WUEtotal | EBW | EBM | EBtotal |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 处理Treatment | <0.001 | <0.001 | 0.006 | <0.001 | <0.001 | <0.001 | <0.001 | <0.001 | 0.006 | <0.001 | <0.001 |
| 年份Year | 0.003 | <0.001 | 0.003 | 0.013 | <0.001 | <0.001 | <0.001 | <0.001 | 0.009 | 0.007 | <0.001 |
| 处理×年份Treatment×Year | 0.870 | 0.127 | 0.923 | 0.611 | 0.674 | 0.029 | 0.975 | 0.931 | 0.923 | 0.610 | 0.711 |
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2.2 深松（耕）方式对耕层特性的影响
2.2.1 深松（耕）方式对土壤紧实度的影响 由于土壤紧实度与土壤含水量呈显著负相关,故秋季旋耕+夏季免耕处理的土壤紧实度在作物不同生育时期表现不同。深松（耕）可使0—45 cm土壤紧实度降低20.9%（图2）。与秋季旋耕+夏季免耕相比,深松（耕）主要降低了15—45 cm的土壤紧实度,且对冬小麦季土壤紧实度的影响效应大于夏玉米季。夏季免耕基础上的3个耕作处理中,秋季深松+夏季免耕和秋季深耕+夏季免耕冬小麦季0—45 cm土壤紧实度比秋季旋耕+夏季免耕分别降低16.0%和23.4%,夏玉米季分别降低12.5%和22.7%,且秋季深耕+夏季免耕对土壤紧实度的缓解效应大于秋季深松+夏季免耕。与单一秋季深松（耕）相比,秋季深耕+夏季深松使冬小麦季和夏玉米季0—45 cm土壤紧实度分别降低5.0%和6.3%。在秋季深耕基础上的3个耕作处理中,秋季深耕+夏季侧位深松对土壤紧实度的缓解效应大于秋季深耕+夏季下位深松,且与秋季深耕+夏季免耕差异显著。与秋季深耕+夏季免耕相比,秋季深耕+夏季下位深松处理冬小麦季和夏玉米季0—45 cm土壤紧实度分别降低6.3%和7.5%,秋季深耕+夏季侧位深松处理分别降低11.2%和13.9%。秋季深耕+夏季侧位深松的土壤紧实度比秋季旋耕+夏季免耕降低28.4%。因此,秋季深耕+夏季侧位深松对土壤紧实度的缓解效果最好。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图2深松（耕）方式对2016年冬小麦和夏玉米土壤紧实度的影响
A：冬小麦拔节期;B：冬小麦开花期;C：冬小麦成熟期;D：夏玉米拔节期;E：夏玉米开花期;F：夏玉米成熟期
-->Fig. 2Effects of subsoiling or deep loosening on soil penetration resistance of winter wheat and summer maize in 2016
A: Jointing of winter wheat; B: Anthesis of winter wheat; C: Maturity of winter wheat; D: Jointing of summer maize; E: Anthesis of summer maize; F: Maturity of summer maize
-->
2.2.2 深松（耕）方式对土壤三相比R值的影响 土壤三相比R值随耕作年份整体呈降低趋势,以秋季旋耕+夏季免耕处理的土壤三相比R值最高。2016年秋季旋耕+夏季免耕处理小麦季、玉米季和周年15—60 cm土壤三相比R值比2015年降低32.8%、5.7%和18.8%。深松（耕）主要降低了15—60 cm土壤三相比R值,且对冬小麦季的影响效应大于夏玉米季（表2）。与秋季旋耕+夏季免耕相比,深松（耕）使小麦季、玉米季和周年15—60 cm土壤三相比R值分别降低13.7%、12.4%和13.0%。在夏季免耕基础上的3个耕作处理中,与秋季旋耕+夏季免耕相比,秋季深松+夏季免耕处理小麦季、玉米季和周年15—60 cm土壤三相比R值分别降低4.6%、3.0%和3.8%,秋季深耕+夏季免耕处理分别降低5.5%、10.0%和8.0%。与单一秋季深松（耕）相比,秋季深耕+夏季深松小麦季、玉米季和周年15—60 cm土壤三相比R值降低18.1%、12.5%和15.0%。其中,秋季深耕+夏季侧位深松小麦季、玉米季和周年15—60 cm土壤三相比R值比秋季深耕+夏季免耕分别降低24.3%、16.8%和20.2%,且差异显著。与秋季深耕+夏季下位深松相比,秋季深耕+夏季侧位深松小麦季、玉米季和周年15—60 cm土壤三相比R值分别降低14.8%、15.6%和15.2%,且差异显著。5个处理中,以秋季深耕+夏季侧位深松土壤三相比R值最小,与秋季深耕+夏季免耕差异显著,且小麦季、玉米季和周年15—60 cm土壤三相比R值比秋季旋耕+夏季免耕分别降低24.5%、25.1%和26.6%。
Table 2
表2
表2深松（耕）方式对土壤三相比R值的影响
Table 2Effect of subsoiling or deep loosening mode on R value
| 年份 Year | 作物 Crop | 处理 Treatment | 土层深度 Soil depth (cm) | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 0-15 | 15-30 | 30-40 | 40-50 | 50-60 | |||
| 2015 | 冬小麦 Winter wheat | 秋季旋耕+夏季免耕 ART+SNT | 13.8b | 12.7a | 10.3a | 8.6ab | 8.3a |
| 秋季深松+夏季免耕 ASS+SNT | 12.9b | 12.6a | 9.3bc | 8.9a | 7.8ab | ||
| 秋季深耕+夏季免耕 ADMP+SNT | 12.9b | 11.6b | 9.7a | 9.0a | 7.9ab | ||
| 秋季深耕+夏季下位深松 ADMP+SSSS | 14.9a | 10.1c | 9.0c | 8.1b | 6.2bc | ||
| 秋季深耕+夏季侧位深松 ADMP+SSSL | 13.7b | 10.3c | 7.4d | 7.3c | 5.6c | ||
| 夏玉米 Summer maize | 秋季旋耕+夏季免耕 ART+SNT | 9.7c | 10.7a | 11.6a | 9.5b | 11.1a | |
| 秋季深松+夏季免耕 ASS+SNT | 9.9c | 8.9b | 11.0a | 11.1a | 11.7a | ||
| 秋季深耕+夏季免耕 ADMP+SNT | 11.7b | 8.3b | 11.0a | 10.6a | 11.1a | ||
| 秋季深耕+夏季下位深松 ADMP+SSSS | 11.7b | 7.9b | 9.4b | 9.2b | 11.1a | ||
| 秋季深耕+夏季侧位深松 ADMP+SSSL | 14.7a | 5.4c | 7.5c | 9.0b | 10.8a | ||
| 2016 | 冬小麦 Winter wheat | 秋季旋耕+夏季免耕 ART+SNT | 6.6b | 6.5a | 5.7a | 7.1a | 7.5a |
| 秋季深松+夏季免耕 ASS+SNT | 6.9b | 7.1a | 5.0ab | 5.5bc | 7.4a | ||
| 秋季深耕+夏季免耕 ADMP+SNT | 7.6ab | 6.8a | 4.9ab | 5.6b | 7.5a | ||
| 秋季深耕+夏季下位深松 ADMP+SSSS | 9.2a | 6.6a | 4.3bc | 5.0c | 6.7b | ||
| 秋季深耕+夏季侧位深松 ADMP+SSSL | 9.0a | 4.1b | 3.5c | 4.2d | 5.3c | ||
| 夏玉米 Summer maize | 秋季旋耕+夏季免耕 ART+SNT | 12.3b | 12.3a | 9.9a | 9.0ab | 9.2a | |
| 秋季深松+夏季免耕 ASS+SNT | 11.8b | 9.8c | 9.7a | 9.7a | 8.9a | ||
| 秋季深耕+夏季免耕 ADMP+SNT | 15.0a | 9.6c | 7.4c | 8.4bc | 8.6a | ||
| 秋季深耕+夏季下位深松 ADMP+SSSS | 11.5b | 10.8b | 8.4b | 7.7c | 9.4a | ||
| 秋季深耕+夏季侧位深松 ADMP+SSSL | 11.5b | 6.7d | 6.7d | 7.9c | 8.4a | ||
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2.3 深松（耕）方式对作物根系形态的影响
2.3.1 深松（耕）方式对冬小麦根系形态的影响 从表3可以看出,冬小麦根系主要集中在0—15 cm土层,下层根系量较少。深松（耕）不仅促进了0—15 cm冬小麦根系生长,且主要促进了15—30 cm根系生长。除根系平均直径差异不显著外,夏季免耕基础上的3个耕作处理间冬小麦根长密度、根系表面积、根系体积和根系干重密度差异显著。与秋季旋耕+夏季免耕相比,深松（耕）15—30 cm冬小麦根长密度、根系表面积密度、根系体积密度和根系干重密度分别增加51.9%、30.0%、36.2%和31.0%。与秋季旋耕+夏季免耕相比,秋季深耕+夏季免耕15—30 cm冬小麦根长密度、根系表面积密度、根系体积密度和根系干重密度分别增加59.3%、43.3%、42.1%和19.5%,秋季深松+夏季免耕分别增加11.1%、6.7%、11.6%和11.9%。与单一秋季深松（耕）相比,秋季深耕+夏季深松15—30 cm冬小麦根长密度、根系表面积密度、根系体积密度和根系干重密度分别增加24.7%、8.0%、14.7%和26.5%。在秋季深耕基础上的3个耕作处理间冬小麦根长密度、根系表面积密度和根系体积密度差异显著。其中,秋季深耕+夏季侧位深松对冬小麦根系形态影响显著,15—30 cm冬小麦根长密度、根系表面积密度、根系体积密度和根系干重密度比秋季深耕+夏季免耕分别增加25.6%、4.7%、14.2%和32.0%,比秋季旋耕+夏季免耕分别增加98.3%、50.0%、62.2%和57.7%。因此,秋季深耕+夏季侧位深松可以显著促进冬小麦下层根系生长。Table 3
表3
表3深松（耕）方式对冬小麦根系形态的影响
Table 3Effect of subsoiling or deep loosening mode on wheat root system growth
| 年份 Year | 土层 Soil layer (cm) | 处理 Treatment | 根长密度 Root length density (cm·cm-3) | 根系表面积密度 Root surface area density (m2·m-3) | 根系平均直径密度 Root average diameter density (mm·m-3) | 根系体积密度 Root volume density (cm3·m-3) | 根系干重密度 Root dry weight density (g·m-3) |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 2015 | 0-15 | 秋季旋耕+夏季免耕 ART+SNT | 1.14c | 13.9c | 26.1b | 1387.4b | 241.4 e |
| 秋季深松+夏季免耕 ASS+SNT | 1.24bc | 14.5bc | 25.9b | 1447.9b | 268.8d | ||
| 秋季深耕+夏季免耕 ADMP+SNT | 1.59a | 20.2a | 27.4a | 2186.2a | 349.8b | ||
| 秋季深耕+夏季下位深松 ADMP+SSSS | 1.35b | 14.8b | 26.7ab | 1612.0b | 301.8c | ||
| 秋季深耕+夏季侧位深松 ADMP+SSSL | 1.59a | 20.5a | 26.9ab | 2319.0a | 369.1a | ||
| 15-30 | 秋季旋耕+夏季免耕 ART+SNT | 0.14d | 1.3c | 18.2a | 82.0d | 15.1d | |
| 秋季深松+夏季免耕 ASS+SNT | 0.16d | 1.4c | 18.7a | 100.9c | 18.7c | ||
| 秋季深耕+夏季免耕 ADMP+SNT | 0.28b | 2.4a | 18.6a | 169.3a | 19.6c | ||
| 秋季深耕+夏季下位深松 ADMP+SSSS | 0.23c | 1.8b | 18.0a | 126.3b | 24.0b | ||
| 秋季深耕+夏季侧位深松 ADMP+SSSL | 0.38a | 2.4a | 18.7a | 171.9a | 27.3a | ||
| 2016 | 0-15 | 秋季旋耕+夏季免耕 ART+SNT | 0.17b | 4.6b | 45.8c | 761.7d | 190.8c |
| 秋季深松+夏季免耕 ASS+SNT | 0.17b | 4.7b | 48.6b | 835.9c | 207.9b | ||
| 秋季深耕+夏季免耕 ADMP+SNT | 0.18ab | 5.1a | 49.1b | 866.5b | 227.2b | ||
| 秋季深耕+夏季下位深松 ADMP+SSSS | 0.19a | 4.9ab | 46.8bc | 896.5ab | 265.6a | ||
| 秋季深耕+夏季侧位深松 ADMP+SSSL | 0.19a | 4.9ab | 53.9a | 937.5a | 276.9a | ||
| 15-30 | 秋季旋耕+夏季免耕 ART+SNT | 0.13c | 1.7c | 25.7a | 153.6c | 23.4d | |
| 秋季深松+夏季免耕 ASS+SNT | 0.14c | 1.8b | 25.8a | 162.1c | 24.4d | ||
| 秋季深耕+夏季免耕 ADMP+SNT | 0.15b | 1.9b | 25.9a | 165.4c | 26.4c | ||
| 秋季深耕+夏季下位深松 ADMP+SSSS | 0.14c | 1.8b | 26.5a | 177.1b | 28.0b | ||
| 秋季深耕+夏季侧位深松 ADMP+SSSL | 0.16a | 2.1a | 26.9a | 210.3a | 33.4a |
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2.3.2 深松（耕）方式对夏玉米根系形态的影响 随着土层深度的增加,夏玉米根系量下降,且主要集中在0—15 cm土层（图3）。深松（耕）不仅促进了0—15 cm夏玉米根系生长,还主要促进了15—30 cm根系生长。除根系平均直径差异不显著外,夏季免耕基础上的3个耕作处理间夏玉米单株根长、根系表面积、根系体积和根系干重密度差异显著。与秋季旋耕+夏季免耕相比,深松（耕）处理0—60 cm夏玉米单株根长、根系表面积、根系体积和根系干重密度分别增加43.3%、31.3%、13.0%和29.6%。秋季深耕+夏季深松0—60 cm夏玉米单株根长、根系表面积、根系体积和根系干重密度比单一秋季深松（耕）分别增加19.1%、5.1%、2.6%和9.2%。在秋季深耕基础上的3个耕作处理中,秋季深耕+夏季侧位深松0—60 cm夏玉米单株根长、根系表面积、根系体积和根系干重密度比秋季深耕+夏季免耕分别增加38.9%、31.1%、21.1%和26.6%,比秋季旋耕+夏季免耕分别增加67.0%、45.3%、23.1%和49.5%。秋季深耕+夏季下位深松0—60 cm夏玉米单株根长、根系表面积、根系体积和根系干重密度比秋季旋耕+夏季免耕分别增加44.4%、24.0%、5.7%和21.1%。因此,秋季深耕+夏季侧深松对夏玉米根系生长的促进效应最大。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图3深松（耕）方式对夏玉米开花期根系形态的影响
图柱上不同小写字母表示不同处理间差异达到5%显著水平
-->Fig. 3Effects of subsoiling or deep loosening mode on summer maize root morphology
Different lowercase letters above the bars mean significant difference at 0.05 level
-->
2.4 深松（耕）方式对作物产量及产量构成因素的影响
深松（耕）可以增加作物产量构成因素,提高作物产量,且对冬小麦的增产效应大于夏玉米（表4）。与秋季旋耕+夏季免耕相比,深松（耕）使冬小麦穗粒数、有效穗数、千粒重和产量分别增加3.8%、18.8%、0.4%和22.0%,夏玉米穗粒数、百粒重和产量分别增加8.7%、4.0%和8.8%,作物周年总产增加15.2%,且深松（耕）处理小麦季有效穗数与旋耕差异显著。夏季免耕基础上的3个耕作处理中,深松处理冬小麦穗粒数、有效穗数和产量比旋耕分别增加2.8%、14.0%和14.6%,夏玉米穗粒数、千粒重和产量分别增加6.5%、4.3%和7.9%,周年产量增加11.1%。深耕处理冬小麦穗粒数、有效穗数和产量比旋耕分别增加3.8%、18.6%和21.2%,夏玉米穗粒数、千粒重和产量分别增加10.3%、1.4%和7.9%,周年产量增加14.3%。2016年深松（耕）处理冬小麦千粒重有所降低,但差异不显著,且深耕的增产效应大于深松。秋季深耕+夏季深松与单一秋季深松（耕）比较,冬小麦穗粒数、有效穗数、千粒重和产量分别增加1.0%、4.2%、3.0%和7.0%,夏玉米穗粒数、千粒重和产量分别增加0.6%、2.2%和1.7%,作物周年总产增加4.4%。5个处理中,以秋季深耕+夏季侧位深松的作物产量和产量构成因素最高,但与秋季深耕+夏季免耕差异不显著。与秋季深耕+夏季免耕相比,秋季深耕+夏季侧位深松处理使冬小麦穗粒数、有效穗数、千粒重和产量分别增加1.5%、3.6%、4.2%和5.5%,夏玉米穗粒数、千粒重和产量分别增加2.4%、4.4%和3.4%,周年作物产量增加4.4%。与秋季旋耕+夏季免耕相比,秋季深耕+夏季侧位深松处理使冬小麦穗粒数、有效穗数、千粒重和产量分别增加5.4%、22.9%、2.6%和27.8%,夏玉米穗粒数、千粒重和产量分别增加13.0%、5.9%和11.6%,周年作物产量增加19.4%。Table 4
表4
表4深松（耕）方式对作物产量和产量因素的影响
Table 4Effects of subsoiling or deep loosening mode on crop yield and yield factors
| 年份 Year | 处理 Treatment | 冬小麦Winter wheat | 夏玉米Summer maize | 总产 Total yield (t·hm-2) | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 有效穗数 Spike number (×104·hm-2) | 穗粒数 Grain number per spike | 千粒重 1000-grain weight (g) | 产量 Yield (t·hm-2) | 穗数 Ear number (×104株/hm2) | 穗粒数 Grain number per ear | 百粒重 100-grain weight (g) | 产量 Yield (t·hm-2) | |||
| 2015 | 秋季旋耕+夏季免耕 ART+SNT | 586.8b | 44.3a | 45.7b | 8.0b | 5.8a | 587.0c | 35.5c | 9.2b | 17.2b |
| 秋季深松+夏季免耕 ASS+SNT | 656.4a | 45.0a | 46.3ab | 9.2a | 5.8a | 594.8bc | 37.7b | 10.0a | 19.2a | |
| 秋季深耕+夏季免耕 ADMP+SNT | 667.8a | 45.1a | 46.4ab | 9.4a | 5.8a | 618.8ab | 36.2bc | 9.9a | 19.3a | |
| 秋季深耕+夏季下位深松 ADMP+SSSS | 666.0a | 44.9a | 47.7ab | 9.6b | 5.6a | 590.1c | 38.1b | 10.2a | 19.8a | |
| 秋季深耕+夏季侧位深松 ADMP+SSSL | 675.0a | 46.2a | 48.1a | 10.1a | 5.7a | 637.2a | 38.6a | 10.4a | 20.5a | |
| 2016 | 秋季旋耕+夏季免耕 ART+SNT | 504.1c | 44.7b | 46.1a | 7.1c | 5.8a | 461.4d | 29.2b | 7.2b | 14.3c |
| 秋季深松+夏季免耕 ASS+SNT | 586.8b | 46.5ab | 44.9a | 8.1b | 5.7ab | 521.7bc | 29.8a | 7.7a | 15.8b | |
| 秋季深耕+夏季免耕 ADMP+SNT | 626.4a | 47.3a | 44.0a | 8.9ab | 5.7ab | 537.8ab | 29.4b | 7.8a | 16.7a | |
| 秋季深耕+夏季下位深松 ADMP+SSSS | 637.8a | 47.1a | 45.1a | 9.2a | 5.4b | 512.0c | 29.4b | 7.5b | 16.7a | |
| 秋季深耕+夏季侧位深松 ADMP+SSSL | 666.0a | 47.6a | 46.1a | 9.2a | 5.5ab | 547.7a | 29.9a | 7.9a | 17.1a | |
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2.5 深松（耕）方式对水分利用效率的影响
深松（耕）显著增加了冬小麦-夏玉米水分利用效率（表5）。与秋季旋耕+夏季免耕相比,深松（耕）使冬小麦季、夏玉米季及周年水分利用效率分别增加18.2%、7.9%和14.0%。夏季免耕基础上的3个耕作处理中,秋季深松+夏季免耕处理冬小麦季、夏玉米季及周年水分利用效率比秋季旋耕+夏季免耕分别增加17.1%、7.0%和10.2%,秋季深耕+夏季免耕处理分别增加16.6%、6.9%和13.4%。秋季深耕+夏季深松与单一秋季深松（耕）相比,冬小麦季、夏玉米季及周年水分利用效率分别增加2.3%、1.8%和4.0%。其中,秋季深耕+夏季侧位深松处理冬小麦季、夏玉米季及周年水分利用效率比秋季深耕+夏季免耕分别显著增加3.7%、3.5%和4.1%,比秋季旋耕+夏季免耕分别增加20.9%、10.7%和18.1%。5个处理中,以秋季深耕+夏季侧位深松水分利用效率最高,且显著高于其他处理。Table 5
表5
表5深松（耕）方式对水分利用效率的影响
Table 5Effects of subsoiling or deep loosening mode on water use efficiency (kg·hm-2·mm-1)
| 年份 Year | 处理 Treatment | 冬小麦季 Winter wheat | 夏玉米季 Summer maize | 周年 Whole year |
|---|---|---|---|---|
| 2015 | 秋季旋耕+夏季免耕 ART+SNT | 18.1c | 26.0c | 22.1d |
| 秋季深松+夏季免耕 ASS+SNT | 20.8b | 27.8b | 24.3c | |
| 秋季深耕+夏季免耕 ADMP+SNT | 21.3b | 27.6b | 24.5c | |
| 秋季深耕+夏季下位深松 ADMP+SSSS | 21.7b | 28.2ab | 25.0b | |
| 秋季深耕+夏季侧位深松 ADMP+SSSL | 22.8a | 28.7a | 25.9a | |
| 2016 | 秋季旋耕+夏季免耕 ART+SNT | 17.1c | 15.7d | 16.4d |
| 秋季深松+夏季免耕 ASS+SNT | 19.3b | 16.8b | 18.0c | |
| 秋季深耕+夏季免耕 ADMP+SNT | 21.7a | 16.9ab | 19.1ab | |
| 秋季深耕+夏季下位深松 ADMP+SSSS | 21.7a | 16.3c | 19.0b | |
| 秋季深耕+夏季侧位深松 ADMP+SSSL | 21.9a | 17.2a | 19.5a | |
| 平均 Mean | 秋季旋耕+夏季免耕 ART+SNT | 18.1d | 20.8c | 19.2d |
| 秋季深松+夏季免耕 ASS+SNT | 21.2c | 22.3b | 21.2c | |
| 秋季深耕+夏季免耕 ADMP+SNT | 21.1b | 22.7b | 21.8b | |
| 秋季深耕+夏季下位深松 ADMP+SSSS | 21.4b | 22.9b | 22.0b | |
| 秋季深耕+夏季侧位深松 ADMP+SSSL | 21.9a | 23.1a | 22.7a |
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2.6 深松（耕）方式对经济效益的影响
深松（耕）可以增加经济效益（表6）。与秋季旋耕+夏季免耕相比,秋季深松（耕）+夏季免耕的经济效益增加19.8%。秋季深耕+夏季免耕和秋季深松+夏季免耕处理的经济效益比秋季旋耕+夏季免耕分别增加20.3%和15.5%,且与秋季旋耕+夏季免耕差异显著。秋季深耕+夏季深松与单一秋季深松（耕）比较,经济效益增加3.3%。其中,秋季深耕+夏季侧位深松与秋季深耕+夏季免耕差异不显著,但秋季深耕+夏季侧位深松的经济效益最高。与秋季旋耕+夏季免耕相比,秋季深耕+夏季侧位深松的经济效益增加24.4%。Table 6
表6
表6深松（耕）方式对作物生产成本和经济效益的影响
Table 6Effects of different tillage patterns on total cost and economic benefits (yuan/hm2)
| 项目 Item | 处理 Treatment | 年份 Year | 平均 Average | |
|---|---|---|---|---|
| 2014-2015 | 2015-2016 | |||
| 总产值 Total output | 秋季旋耕+夏季免耕 ART+SNT | 33360c | 27870c | 30615c |
| 秋季深松+夏季免耕 ASS+SNT | 37320b | 30870b | 34095b | |
| 秋季深耕+夏季免耕 ADMP+SNT | 37560b | 32730a | 35145ab | |
| 秋季深耕+夏季下位深松 ADMP+SSSS | 38520ab | 32820a | 35670ab | |
| 秋季深耕+夏季侧位深松 ADMP+SSSL | 39930a | 33540a | 36735a | |
| 总成本 Total cost | 秋季旋耕+夏季免耕 ART+SNT | 10136 | 10136 | 10136 |
| 秋季深松+夏季免耕 ASS+SNT | 10436 | 10436 | 10436 | |
| 秋季深耕+夏季免耕 ADMP+SNT | 10511 | 10511 | 10511 | |
| 秋季深耕+夏季下位深松 ADMP+SSSS | 11261 | 11261 | 11261 | |
| 秋季深耕+夏季侧位深松 ADMP+SSSL | 11261 | 11261 | 11261 | |
| 经济效益 Economic benefit | 秋季旋耕+夏季免耕 ART+SNT | 23224c | 17734c | 20479c |
| 秋季深松+夏季免耕 ASS+SNT | 26884b | 20434b | 23659b | |
| 秋季深耕+夏季免耕 ADMP+SNT | 27049b | 22219a | 24634ab | |
| 秋季深耕+夏季下位深松 ADMP+SSSS | 27259ab | 21559a | 24409ab | |
| 秋季深耕+夏季侧位深松 ADMP+SSSL | 28669a | 22279a | 25474a | |
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3 讨论
3.1 深松（耕）方式对耕层土壤特性的影响
土壤紧实度是衡量土壤紧实程度和评价土壤退化与质量的重要指标之一,土壤三相比是评价土壤水、肥、气、热相互关系的重要参数[20],旱作农业理想的土壤三相比是50﹕25﹕25[21]。深松和深耕均能降低土壤紧实度,在耕层下部深耕处理的土壤紧实度显著小于深松处理,但耕层上部两者差异较小[6, 22-23]。除0—15 cm表层土外,夏季深松处理玉米吐丝期的土壤容重和紧实度明显小于旋耕[24]。冬小麦季连年深松和深耕较连年旋耕显著降低土壤亚表层三相比R值[25]。但单季深松（耕）还存在一些弊端,如在干旱时期,夏季深松处理耕层土壤的持水能力会被减弱[26]。而冬小麦和夏玉米两季均进行深松处理后,0—40 cm土层的土壤总孔隙度最高,其作物单季产量和周年产量均显著高于其他耕作处理[27]。本研究发现,深松（耕）能够显著降低土壤紧实度和土壤三相比R值,这与前人研究结果一致[22,23,24,25]。与单一秋季深松（耕）处理相比,秋季深耕+夏季深松能够显著降低土壤紧实度和土壤三相比R值,秋季深耕+夏季侧位深松较秋季深耕+夏季下位深松15—45 cm土壤紧实度和0—60 cm土壤三相比R值显著降低12.5%和10.3%,且对冬小麦季的减幅效应大于夏玉米季。在秋季深耕基础上的3个耕作处理,秋季深耕+夏季侧位深松对土壤紧实度的缓解效应大于秋季深耕+夏季下位深松,且与秋季深耕+夏季免耕差异显著。秋季深耕+夏季侧位深松比秋季旋耕+夏季免耕土壤紧实度和土壤三相比R值分别降低28.4%和17.4%。因此,秋季深耕+夏季侧位深松对耕层土壤物理结构的缓解效果最好。3.2 深松（耕）方式对作物根系和产量的影响
根系是作物地上部和土壤连接的通道,根系发育直接影响植株地上部对土壤养分、水分的吸收利用,从而影响作物产量。研究结果表明,深松可以打破犁底层,降低土壤容重,增加孔隙度,提高土壤蓄水能力,有利于作物根系下扎,提高作物产量[28,29,30]。本研究结果同样表明,秋季深松（耕）有利于疏松土壤,促进作物下层根系的延伸,增加作物根长密度、根系体积、根系表面积和根系干重密度。5个处理中,秋季深耕+夏季侧位深松冬小麦开花期的根长密度、根系体积密度、根系表面积密度和根系干重密度和夏玉米季开花期的单株根长、根系体积、根系表面积和根系干重密度均为最大。2016年冬小麦季根系各指标相对2015年有所降低,但总体趋势不变。主要是因为2015年夏玉米收获后连续降雨使冬小麦播种延迟,加上2016年1月份遇到低温冷害,导致冬小麦根系生长发育缓慢。作物产量和根系生长量密切相关[31]。下层作物根系发达,有利于根系对深层土壤养分的吸收利用,供应地上部的生长发育,为高产打下坚实的基础。秋季深松（耕）显著增加了冬小麦、夏玉米及周年产量,对冬小麦季的增产效应大于夏玉米季,且深耕增产效应大于深松。2016年冬小麦和夏玉米产量比2015年作物产量较低,主要是因为2016年冬小麦生长发育后期由于连续降雨加上雨后干热风导致赤霉病大面积爆发,产量降低;2016年7—8月份降雨量较大加上气温较高,影响夏玉米授粉,导致产量降低。在秋季深耕基础上的3个耕作处理中,秋季深耕+夏季侧位深松与秋季深耕+夏季免耕产量差异不显著,但秋季深耕+夏季侧位深松处理产量最高。因此,秋季深耕+夏季侧位深松处理有利于作物根系的生长及产量的提高。3.3 深松（耕）方式对水分利用效率的影响
农业生产不仅要高产,而且要高效,需要平衡考虑资源的高效利用。水分利用效率是衡量不同耕作方式节水保墒效果和水资源利用效率的一个重要指标[32]。深松和深耕均有利于提高小麦和玉米的水分利用效率[33,34,35]。桑晓光[34]等研究表明,深松能明显促进小麦拔节后0—200 cm土层土壤贮水的吸收,显著提高产量和水分利用效率。本研究同样表明,深松（耕）能够增加冬小麦和夏玉米0—60 cm土层土壤蓄水量。与秋季旋耕+夏季免耕相比,深松（耕）使冬小麦、夏玉米和周年土壤蓄水量分别增加66.3%、32.9%和350.8%。秋季深耕+夏季侧位深松土壤蓄水量最大,与秋季深耕+夏季免耕相比,使冬小麦、夏玉米和周年土壤蓄水量分别增加74.1%、5.1%和33.6%。深松（耕）能够提高周年总产,显著增加周年水分利用效率,且深耕的周年水分利用效率大于深松,但两者差异不显著,研究结果与前人研究一致[35]。秋季深耕+夏季深松与单一秋季深松（耕）相比,作物产量和水分利用效率均有所提高。尤其在干旱年份,秋季深耕+夏季深松的蓄水保墒能力更强,而在降水量较大的年份,夏季深松的效果不显著。5个处理中,以秋季深耕+夏季侧位深松的作物产量和水分利用效率最高。虽然秋季深耕+夏季侧位深松的作物产量与秋季深耕+夏季免耕差异不显著,但秋季深耕+夏季侧位深松的水分利用效率显著高于秋季深耕+夏季免耕和秋季深耕+夏季下位深松。此外,由于夏季下位深松的深松带和玉米播种带在同一水平位置,玉米直接在深松带上方播种,播种质量较差,进而导致玉米出苗较差。而夏季侧位深松的深松带距离玉米播种带横向距离10 cm,不仅可以疏松玉米播种带土壤,提高播种质量,而且深松同步深施肥还可以提高肥料的利用效率。综上所述,秋季深耕+夏季侧位深松是砂姜黑土区适宜的土壤耕作制度。4 结论
深松（耕）显著降低了土壤紧实度和土壤三相比R值,促进了冬小麦和夏玉米根系生长,提高了作物产量,增加了水分利用效率和经济效益。秋季深耕+夏季深松的作物产量和水分利用效率均高于单一秋季深松（耕）。在5个不同的深松（耕）处理中,秋季深耕+夏季侧位深松的产量、水分利用效率和经济效益最高。因此,秋季深耕+夏季侧位深松是砂姜黑土区适宜的土壤耕作制度。The authors have declared that no competing interests exist.
