立式深旋松耕对西北半干旱区土壤水分性状及马铃薯产量的影响

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(1.甘肃省农业科学院旱地农业研究所，甘肃 兰州 730070；2.甘肃省旱作区水资源高效利用重点实验室，甘肃 兰州 730070)

“精耕细作”是我国农耕文化的精神实质，更是五千年来我国农业生产的根本方法[1]。改变耕作方式来优化土壤物理结构，对作物生长发育有积极作用[2-3]，尤其对西北黄土高原地区而言，将是提高作物抗旱性、产量和水分利用效率的有效措施[2]。自20世纪30年代以来，美国大力推广应用以免耕或者少耕为主的保护性耕作方法，这不仅使土面侵蚀降低了50%，而且结合秸秆覆盖还田等技术的应用，使得土壤物理性状和肥力状况得到根本改善，显著提高农田生产力，玉米增产10%～20%[3]。目前，全世界少免耕作应用面积达到1.69亿hm2，占世界总耕地面积的11%[3]。我国传统农业中有很多少免耕作的经验，如华北地区铁茬播种、东北地区垄作、西北地区砂田种植等[3]，其研究开始于20世纪80年代，基本探明了少免耕作对土壤物理、化学和生物性状的影响[4-9]。自20世纪末起，旋耕技术逐渐成为我国农田耕作的主要方式，但其耕作深度一般在18 cm以内，长期旋耕造成犁底层变浅和土壤僵化，不仅影响了土壤的物理和化学性状，而且使作物产量和水肥效率下降[10-12]。为解决这一问题，农业农村部出台了《全国农机深松整地作业实施规划(2016-2020年)》，以通过深松打破犁底层，优化土壤水碳环境和提高作物资源利用效率[12-15]。然而，虽然深松可以打破犁底层、促进根系生长，提高作物水肥利用能力和产量[14-17]，但不能有效降低土壤容重和增加孔隙度，进而优化土壤水分特性以实现高效利用。立式深旋松耕技术是在粉垄技术上发展而来的一项新的耕作技术，它集成了旋耕和深松的优点，能够显著降低土壤容重和提高土壤孔隙度，在西南甘蔗(Saccharum)、山药(Dioscoreaerhizoma)，华北平原小麦(Triticumaestivum)、玉米(Zeamays)等作物生产中具有显著增产效果[18-22]。西北黄土高原半干旱区是我国重要的马铃薯(Solanumtuberosum)优势主产区，但受季节性干旱胁迫的影响，产量长期在20 t·hm-2以内，低于全国平均水平[23]。近几年研发应用的全膜覆盖垄作技术，虽然提高了自然降水利用率，并使产量增加30%以上，但马铃薯的增产潜力依然未能充分发挥[23-24]，这是由于土壤供水能力无显著增加，不能有效抵御季节性干旱危害；加之长期旋耕使得土壤犁底层变浅，影响了根系发育和水分运移，导致降水生产潜力不能充分发挥[10]。鉴于以上原因，本研究以马铃薯为指示作物，在全膜覆盖垄作条件下研究了旋耕、立式深旋松耕和深松对土壤水分特性、马铃薯水分利用和产量的影响，为探索该区域抗旱增产、水分高效的耕作技术提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验地点概况

试验于2016-2017年在甘肃省农业科学院定西试验站(甘肃省定西市安定区团结镇唐家堡村，104°36′ E, 35°35′ N)进行。该区海拔1970 m，年平均气温6.2 ℃，年辐射总量5898 MJ·m-2，年日照时数2500 h，≥10 ℃年积温2075.1 ℃，无霜期140 d，属中温带半干旱气候。作物一年一熟，为典型旱地雨养农业区。试验区土壤为黄绵土，0～30 cm土层平均容重1.25 g·cm-3，田间持水量为21.18%，凋萎系数为7.2%。

1.2 试验设计

试验采用随机区组设计，设置传统旋耕(traditional tillage，TT，旋耕机早春耕作，耕深15 cm左右。耕作结束后用起垄覆膜机营建垄沟，并同时施肥，然后覆盖地膜；按季节用马铃薯点播器垄上穴播，每穴1株)、深松耕(deep loosening tillage，DLT，深松机早春耕作，耕深40 cm左右。耕作结束后用起垄覆膜机营建垄沟，并同时施肥，然后覆盖地膜；按季节用马铃薯点播器垄上穴播，每穴1株)和立式深旋松耕(vertically rotary sub-soiling tillage，VRT，用由定西山石农业科技有限公司和甘肃省农业科学院旱地农业研究所共同研制的立式深旋松耕作施肥覆膜一体机早春耕作，耕深40 cm左右。按季节用马铃薯点播器垄上穴播，每穴1株)3个处理。每处理3次重复，小区面积6 m×10 m=60 m2。种植作物为马铃薯，采用全膜覆盖垄上微沟种植方法，种植带宽100 cm，宽窄行种植，宽行60 cm，窄行40 cm(图1)，小沟内每隔50 cm左右扎眼以便于水分入渗；密度60000株·hm-2，2016年4月下旬播种，9月上旬收获；2017年4月下旬播种，10月上旬收获。试验于2016和2017年早春土壤消融时即进行耕作处理。传统旋耕耕作深度15 cm左右，深松耕40 cm，立式深旋松耕40 cm，均用机械操作。耕作后即进行有关参数测定，并在马铃薯播前、收获后测定0～200 cm土壤贮水量，全小区收获计算块茎产量。

图1 马铃薯全膜覆盖垄上微沟种植技术Fig.1 Potato micro-furrows on ridges and planting with plastic mulching

1.3 试验区2016-2017年降水量

根据甘肃省农业科学院定西试验站气象资料统计，试验区2016年属严重的欠水年份，马铃薯生育期内降水量为179.3 mm；2017年为平水年(未计11-12月降水量)，马铃薯生育期内降水量为353.5 mm，但两年均在马铃薯盛花期发生持续干旱，季节分配不均(图2)。2016年温度偏高，2017年则与多年平均温度基本持平。降水分布不均和气温变异均对马铃薯的生长造成一定影响，导致年际间产量不一致。

图2 2016-2017年试验区降水分布和平均气温变化Fig.2 Precipitation and average air temperature in test areas from 2016 to 2017

1.4 测定指标及方法

1.4.1土壤贮水量 在马铃薯播期、盛花期和收获期用烘干法测定0～200 cm土层土壤含水量，每20 cm为一个层次，每小区在垄上马铃薯株间测定一个位点。

土壤贮水量：SWS(mm)= WS×γ×d/100

式中:WS为土壤重量含水量(g·kg-1)；γ为土壤容重(g·cm-3)；d为土壤深度(cm)。土壤萎蔫贮水量(mm)和田间持水量(mm)的计算中，WS分别为土壤萎蔫贮水量(g·kg-1)和田间持水量(g·kg-1)。

1.4.2土壤物理性状 参照土壤理化分析的方法[25]，对0～10 cm、10～20 cm和20～40 cm土层的土壤容重、土壤总孔隙度、饱和含水量、土壤毛管孔隙度、毛管含水量进行测定。土壤容重测定采用环刀法(环刀容积为100 cm3)。土壤总孔隙度测定：利用测定容重的环刀浸入水中24 h，称重至恒质量，按公式(1)测定饱和含水量；根据公式(2)计算总孔隙度；土壤毛管孔隙度的测定：将饱和后的环刀样置于铝盒上，中间用滤纸隔开，放置12 h 烘干至恒质量，并称重，按照公式(3)计算土壤毛管含水量；毛管孔隙度依据公式(4)计算。田间持水量(%)和萎蔫系数按照Garg等[26]的方法测定。

饱和含水量=(浸泡后土质量-烘干土质量)/烘干土质量×100%

(1)

总孔隙度=饱和含水量×容重

(2)

土壤毛管含水量=(放置后的土质量-烘干的土质量)/烘干的土质量×100%

(3)

土壤毛管孔隙度=土壤毛管含水量/饱和含水量×总孔隙度

(4)

1.4.3土壤有效贮水量计算 土壤有效贮水量=土壤贮水量(mm)-土壤萎蔫贮水量(mm)，本试验中计算0～10 cm、10～20 cm和20～40 cm有效贮水量。

1.4.4水分利用效率的计算 测定马铃薯播前和收获后0～200 cm土层的土壤含水量，按照公式(5)计算马铃薯水分利用效率。

WUE(kg·hm-2·mm-1)=块茎产量(kg·hm-2)/ET (mm)

(5)

式中：块茎产量由小区实际收获产量换算得出，ET为蒸散量，ET=播前土壤贮水量(mm)-收获后土壤贮水量(mm)+降水量(mm)。

1.5 数据分析

采用DPS数据处理软件对数据进行 ANOVA方差分析，并用LSD法进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 立式深旋松耕对土壤容重的影响

不同耕作方式对土壤容重有显著影响，深松和旋耕的土壤容重显著高于立式深旋松耕(图3)。在0～10 cm土层，2016和2017年分别高10.8%、13.3%和11.2%、15.2%，10～20 cm土层分别高20.6%、13.8%和22.2%、15.2%，20～40 cm土层分别高13.2%、25.3%和13.7%、24.8%。在20～40 cm土层，深松处理的土壤容重显著低于旋耕，2016和2017年分别降低了10.6%和9.8%。

图3 不同耕作方式对土壤容重的影响Fig.3 Effects of tillage methods on soil bulk density TT： 传统旋耕Traditional tillage； DLT： 深松耕Deep loosening tillage； VRT： 立式深旋松耕 Vertically rotary sub-soiling tillage。小写字母不同表示差异达到P<0.05的显著水平。下同。Different lowercase letters in the same column mean significant differences at 0.05 level. The same below.

2.2 立式深旋松耕对土壤饱和含水量和毛管含水量的影响

在0～40 cm土层，VRT的饱和含水量显著高于DLT和TT(图4)，其中0～10 cm土层VRT在2016和2017年较DLT、TT分别增加了26.4%、27.3%和26.1%、30.6%，10～20 cm土层分别增加了30.7%、38.1%和31.7%、42.7%，20～40 cm土层分别增加了28.8%、51.6%和30.4%、54.4%。在0～20 cm土层，DLT和TT之间的饱和含水量无显著差异，但在20～40 cm土层，DLT显著高于TT，在2016和2017年分别提高了17.7%和18.3%。

与土壤饱和含水量变化趋势相同，VRT的土壤毛管含水量显著高于DLT和TT，在0～10 cm、10～20 cm和20～40 cm土层，2016和2017年VRT的毛管含水量较DLT分别增加了41.0%、38.8%、39.5%和44.7%、40.3%、40.2%，较TT分别增加了47.3%、51.5%、76.6%和49.4%、51.9%、82.9%。在20～40 cm土层，DLT的毛管含水量显著高于TT，2016和2017年分别增加了26.6%、30.5%。

2.3 立式深旋松耕对土壤孔隙度的影响

与DLT和TT相比，VRT显著提高了0～40 cm土层的孔隙度(图5)。2016和2017年VRT的总孔隙度在0～10 cm、10～20 cm和20～40 cm土层，分别较DLT提高了14.0%、8.4%、13.7%和13.4%、12.5%、14.8%，较TT提高了12.3%、21.4%、21.0%和13.3%、15.9%、23.7%。在20～40 cm土层，DLT的土壤总孔隙度较TT增加，2016和2017年分别提高了6.4%和7.8%。

图4 不同耕作方式对土壤饱和含水量和毛管含水量的影响Fig.4 Effects of tillage methods on soil saturation moisture content and capillary moisture content

VRT较DLT和TT显著提高了土壤毛管孔隙度，2016和2017年在0～10 cm、10～20 cm和20～40 cm土层分别较DLT提高了27.2%、15.0%、23.1%和30.1%、14.8%、23.3%，较TT分别增加了30.0%、33.2%、41.0%和29.7%、31.8%、46.6%。DLT和TT的毛管孔隙度在0～20 cm土层无显著差异，但在20～40 cm土层DLT显著高于TT，2016和2017年分别增加了14.5%和18.9%。

图5 不同耕作方式对土壤总孔隙度和毛管孔隙度的影响Fig.5 Effects of tillage methods on total soil porosity and capillary porosity

2.4 立式深旋松耕对土壤田间持水量和萎蔫贮水量的影响

在0～40 cm土层，VRT、DLT和TT的田间持水量无显著差异，但土壤萎蔫贮水量在3个处理间差异明显(图6)。VRT的萎蔫贮水量在0～40 cm明显下降，在2016和2017年，VRT在0～10 cm、10～20 cm和20～40 cm土层的萎蔫贮水量较DLT分别下降了34.9%、23.8%、21.2%和45.2%、11.0%、18.8%，较TT分别下降了47.9%、22.4%、47.7%和49.0%、32.7%、44.0%。在0～20 cm土层，DLT和TT的萎蔫贮水量无显著差别，但在20～40 cm土层DLT显著低于TT，2016和2017年分别下降了21.9%和21.2%。

2.5 立式深旋松耕对0～100 cm土层土壤有效水贮量的影响

不同处理的土壤贮水量在不同土层和年份有显著差别(图7)。2016年为干旱年份，VRT贮水量显著高于DLT和TT，在0～10 cm增加了21.0%和17.4%，在10～20 cm土层增加了20.0%和29.7%，在20～40 cm土层，VRT显著高于DLT、DLT显著高于TT，分别增加了16.4%和9.4%；2017年3个处理的土壤贮水量在0～10 cm和20～40 cm土层无显著差异，但在10～20 cm土层，TT显著低于VRT和DLT，分别降低了24.4%和23.4%。

土壤有效贮水量在处理间差异明显，2016和2017年3个土层的土壤有效贮水量均以VRT最高(图7)。与DLT相比，VRT在0～10 cm、10～20 cm和20～40 cm土层的有效贮水量在2016和2017年分别增加了136.9%、81.8%、87.1%和86.9%、38.5%、34.3%，较TT分别增加了200.1%、139.5%、575.2%和44.6%、124.6%、114.2%。2016年DLT在0～40 cm土层的土壤有效贮水量显著高于TT，分别增加了25.0%、32.0%和261.2%，2017年除0～10 cm土层的有效贮水量DLT显著低于TT(降低了22.5%)外，在10～20 cm和20～40 cm土层DLT显著高于TT，分别增加了62.3%和59.6%。

2.6 立式深旋松耕对马铃薯产量和水分利用效率的影响

VRT显著提高了马铃薯块茎产量(表2)。2016和2017年VRT的块茎产量分别较DLT和TT增加了156.8%、47.8%和24.8%、41.0%。处理间耗水量在不同年份表现不同，2016年VRT耗水量显著高于DLT和TT，分别增加了33.5%和24.0%，但在2017年处理间无显著差异。VRT显著提高了WUE，2016和2017年较DLT和TT分别增加了92.3%、19.2%和18.9%、26.6%。

图6 不同耕作方式对土壤田间持水量和萎蔫贮水量的影响Fig.6 Effects of tillage methods on field moisture capacity and soil wilted moisture

图7 不同耕作方式对土壤总贮水量和土壤有效贮水量的影响Fig.7 Effects of tillage methods on soil moisture and soil available moisture

年份Year处理Treatment产量Yield (kg·hm-2)耗水量ET (mm)水分利用效率WUE (kg·hm-2·mm-1)2016立式深旋松耕VRT32897.3±2506.3a297.8±23.8a110.5±8.9a深松耕 DLT12812.3±1387.7c223.1±22.2b57.4±6.2c传统旋耕 TT22253.3±1236.5b240.1±18.8b92.7±7.3b2017立式深旋松耕VRT42833.3±2304.9a344.0±30.5a124.5±10.0a深松耕 DLT34333.3±3250.6b328.0±29.1a104.7±12.9ab传统旋耕 TT30388.9±2754.2b309.0±30.3a98.3±9.5b

注：不同字母表示同一年份不同处理差异显著(P<0.05)。

Note: Different letters in the same year mean significant differences among treatments at 0.05 levels.

3 讨论

耕作方式作为农作制度的主要组成因素之一，通过改变土壤的物理性状，进而影响其理化和生物性状，对作物资源利用效率和产量形成有重要的调节作用[12-17]。西北黄土高原地区降水匮乏，年际分布不均，季节性干旱特征非常明显[23-24]；而且由于常年的浅旋耕，使得土壤通透性下降，犁底层变浅，限制了作物根系生长，降低了土壤水肥供应能力，这一负面影响强化了干旱胁迫对作物生长的危害[10,15,17]。因此，生产上亟须能够同时打破犁底层并提高土壤通透性的耕作措施，以同时提高土壤水分入渗、保持和供应能力。本试验结果表明，深松能够有效打破犁底层，在20～40 cm的土壤容重降低了10.6%、9.8%，土壤总孔隙度和毛管孔隙度分别升高了6.4%～7.8%和14.5%～18.9%，但0～20 cm土层变化不明显；而立式深旋松耕不仅打破了犁底层，而且显著增加了通透性，其土壤容重较旋耕下降了11.2%～24.8%，土壤总孔隙度和毛管孔隙度分别升高了12.3%～23.7%和29.7%～46.6%。

土壤容重、总孔隙度和毛管孔隙度的变化，必将引起土壤水分特性的相应改变[7,11,15-17]。本试验中，虽然马铃薯采用起垄覆膜种植的方法，但立式深旋松耕在0～20 cm土层的饱和持水量和毛管持水量均较深松和旋耕明显升高，而萎蔫贮水量则显著下降，其中饱和持水量提高了26.1% ～54.4%，土壤毛管含水量增加了38.8%～82.9%，萎蔫贮水量下降了11.0%～49.0%；3种耕作方式的田间持水量无明显变化，这主要是本研究计算了绝对贮水量(mm)，但相对值的田间持水量(%)立式深旋松耕显著高于深松(数据未列出)。在20～40 cm土层，立式深旋松耕和深松耕的饱和含水量、毛管耗水量均显著高于旋耕，萎蔫贮水量显著低于旋耕。证明立式深旋松耕不仅具有疏松土壤、提高通透性的作用，而且能够有效打破犁底层，改善土壤的水分特性和提高供水能力；深松虽然能够有效打破犁底层，使20～40 cm土层的土壤水分特性发生改变，但其通透性没有显著增加，其0～20 cm土层的水分特性和供水能力较旋耕变化不明显。

优化的土壤物理性状和水分特性，是土壤供水能力提高的基础[18-22]。本试验通过测定土壤实际贮水量和萎蔫贮水量的差值，取得了土壤有效贮水量，结果表明，无论年份降水多少，立式深旋松耕较深松和旋耕能显著提高土壤有效贮水量。其中在干旱的2016年，立式深旋松耕的土壤有效贮水量较深松耕增加了81.8%～136.9%，在平水的2017年，这一数值为34.3%～86.9%；较旋耕分别在2016和2017年增加了139.5%～575.2%和44.6%～124.6%，表明立式深旋松耕在干旱年份对土壤有效贮水量的增加幅度高于降水相对充足的平水年，暗示这一耕作技术将有显著的抗旱作用。由于土壤有效水的显著提高，显著促进了马铃薯的生长，立式深旋松耕的块茎产量较深松耕和旋耕分别增加了24.8%～156.8%和41.0%～47.8%，干旱的2016年耗水量分别增加了33.5%和24.0%，而水分利用效率增加了18.9%～92.3%和19.2%～26.6%。因此，由于立式深旋松耕不仅能够很好地疏松土壤，降低土壤容重和改善水分特性[20]，提高有效贮水量，而且能够有效打破犁底层[18,21-22]，显著优化了0～40 cm不同层次的土壤物理性状和水分特性，提高了土壤供水能力，尤其使得干旱年份的土壤有效贮水量大幅度增加，这对提高土壤-作物体系的抗旱力有明显促进作用，使得马铃薯产量和水分效率显著增加。

4 结论

立式深旋松耕显著优化土壤的水分特性，提高有效水含量，这一效果在干旱年份尤为明显，提高块茎产量和WUE，是适合于黄土高原半干旱区抗旱增产、水分高效的耕作方法。