深松处理对豫北农田土壤水分与作物耗水的影响

张 凯 刘战东 强小嫚 米兆荣 冯荣成 孙景生

(1.中国农业科学院农田灌溉研究所农业农村部作物需水与调控重点开放实验室， 新乡 453002； 2.河南科技学院园艺园林学院， 新乡 453003； 3.获嘉县农业技术推广中心， 新乡 453800)

0 引言

豫北地处华北平原南部，是我国重要的粮食产区，以冬小麦和夏玉米复种连作为主要种植模式，也是我国水浇地主要分布区之一[1-3]。长期农业生产实践中，采用旋耕整地加地面灌溉的农作方式导致土壤耕层变浅、犁底层加厚，耕层结构变化导致土壤协调水肥气热的功能弱化[4]。同时，作物根系分布浅层化，对土壤水分和养分的吸收受到限制[5]，致使土壤性能不断退化，严重制约粮食作物产量的提高。当前，该区域农业生产与农田土壤水分密切相关，如何在适宜的耕作方式下合理、高效地利用土壤水分，从而提高粮食产量已成为该区域亟需解决的科学问题。

已有研究表明，通过耕作方式构建合理耕层结构，是改善作物对水分和养分利用效率[6]、提升土壤生产能力的一种重要途径[7]。深松方式能够有效打破传统旋耕产生的犁底层，可以为作物生长创造适宜的耕层环境，促进作物生长和产量提高[8-10]。当前，我国为改善农田耕地质量、全面提高农业综合生产能力，实现“藏粮于地、藏粮于技”，提出要大力推进农机深松整地作业[11-14]。现有研究大多针对单一深松机械条件下深松深度对作物生长的影响，且注重作物产量对深松技术的响应[4,15]，而针对不同深松机械下农田土壤水分状况和作物生长对深松技术响应的研究较少。本文通过采用不同深松机械与深松深度的方式，研究深松耕作方式对冬小麦-夏玉米一年两熟制农田土壤物理性状和土壤蓄水能力以及作物产量和水分利用效率的影响，以期为优化豫北地区适宜耕层结构乃至华北平原合理耕作方式提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2017—2018年在豫北新乡市获嘉县(35.29°N、113.64°E，海拔78 m)进行，该区多年平均气温14.6℃，无霜期221 d，日照时数2 058.4 h，光热资源丰富，以一年两熟(冬小麦-夏玉米)种植制度为主；多年平均降雨量为557.2 mm。冬小麦播种日期为2017年10月27日，收获日期为2018年6月1日，全生育期降雨量共计185.9 mm，如图1所示。夏玉米播种日期为2018年6月5日，收获日期为2018年9月29日，全生育期降雨总量达285.0 mm。该区域是典型潮土分布区，试验地土质为砂壤土，0～100 cm土壤容重为1.45 g/cm3，冬小麦播种前土壤基础肥力中有机质质量比13.4 g/kg，碱解氮质量比72.61 mg/kg，速效磷质量比9.74 mg/kg，速效钾质量比108.65 mg/kg，地下水埋深大于5 m。

图1 2017—2018年冬小麦-夏玉米生育期温度和降雨量分布Fig.1 Distribution of temperature and rainfall during winter wheat-summer maize growth period in 2017—2018

1.2 试验设计

试验以常规旋耕(CK)为对照，传统深松机(T)设置3个深松深度30 cm(TD1)、35 cm(TD2)、40 cm(TD3)和深松+施肥一体机(A)深度35 cm(AD2)5个处理(图2)，3次重复，共计15个小区随机排列，所有耕作处理均在冬小麦播种前进行，夏玉米季不进行耕作处理。试验区内每畦长50 m，宽3.4 m，畦埂宽30 cm，埂高20 cm，面积170 m2。2017年供试冬小麦为“百农2017”，属半冬性中晚熟品种，播种量为225 kg/hm2。肥料施用量为：N 180 kg/hm2、P2O590 kg/hm2和K2O 90 kg/hm2，于整地前作为底肥一次性施入，拔节期追施N 75 kg/hm2。2018年夏玉米品种为“金诚6号”，种植密度67 500株/hm2，种肥同播，播种时同时施入玉米复合肥50 kg(N、P、K施肥量比例为29∶6∶5)，即N 217.5 kg/hm2、P2O545 kg/hm2和K2O 37.5 kg/hm2。灌水方式为常规畦灌，冬小麦季灌水量控制在225 mm，夏玉米季灌水量在150 mm。试验区周围设有保护行，其他农事管理措施一致。

图2 2017年冬小麦播种前深松整地处理Fig.2 Subsoiling before sowing winter wheat in 2017

1.3 测定项目与方法

1.3.1土壤容重

采用土壤容重钻测定0～40 cm土层深度的容重，每10 cm为一个土层，每个处理3次重复。

1.3.2土壤贮水量

采用取土干燥法测定，各处理每7～10 d测定1次，测定深度为100 cm，每20 cm土层取样，先称湿土质量，在105℃恒温下干燥8 h后称干土质量。对各处理进行3次平行测定，取平均值，计算土壤质量含水率。同时，根据土壤质量含水率计算各个生育时期的土壤贮水量。

土壤贮水量及土壤质量含水率计算式为[16]

W=10wρh

(1)

其中

w=(wa-wb)/wb

(2)

式中W——土壤贮水量，mm

ρ——土壤容重，g/cm3

h——土层厚度，cm

w——土壤质量含水率，g/g

wa——鲜土质量，g

wb——干燥土质量，g

1.3.3作物产量

在成熟期，冬小麦每个小区随机选取2 m2(1 m×2 m)为样本，夏玉米每小区选取14 m2(相邻两行连续10 m)为样本，籽粒经自然风干后称量，换算成公顷产量。

1.3.4水分利用效率

采用水分平衡法计算作物农田耗水量[17]

ET=P-R-F-SW

(3)

式中ET——耗水量，mm

P——降水量，mm

R——径流量，mm

F——深层渗漏量，mm

SW——生育期末与生育期初土壤贮水量之差，mm

试验地区为潮土，疏松多孔，再加上试验地平整，地表径流小；在有作物生长的农田，多雨年份降水入渗深度不超过2 m，所以R和F可忽略不计。因此式(3)可化简为

ET=P-SW

(4)

水分利用效率计算式为

WUE=Y/ET

(5)

式中WUE——水分利用效率，kg/(hm2·mm)

Y——籽粒产量，kg/hm2

1.4 数据分析

采用SPSS 22.0软件One way ANOVA分析不同耕作处理之间的差异显著性并采用Duncan新复极差法(SSR)进行多重比较，显著水平取p<0.05。利用Excel 2013软件进行数据处理分析，OriginPro 2019软件制图。

2 结果与分析

2.1 深松处理对农田土壤容重的影响

由图3(图中不同小写字母表示各处理在p<0.05水平上显著)可以看出，通过不同深松机具和深松深度处理，两季作物成熟期土壤容重各处理在10～30 cm土层较旋耕对照差异显著(p<0.05)。冬小麦收获后，0～10 cm土层容重仅在传统深松机深松深度30 cm处理下显著低于其他各处理；10～20 cm土层传统深松机在深松深度30 cm和35 cm处理较对照土壤容重显著降低，分别降低6.21%和3.29%(p<0.05)，其他深松处理与对照之间的差异不显著；20～30 cm土层传统深松机在深松深度35 cm和40 cm处理较对照土壤容重显著降低，分别降低2.32%和7.05%，同时深松深度在40 cm处理容重又显著低于35 cm处理(p<0.05)，其他各处理之间差异未达显著水平；30～40 cm土层深松处理土壤容重均低于对照处理，但处理之间差异均不显著(p>0.05)。夏玉米收获后，0～40 cm土层土壤容重仅传统机深松深度40 cm处理在10～30 cm土层显著低于其他各处理，0～10 cm和30～40 cm土层各处理之间差异不显著(p>0.05)。

图3 冬小麦-夏玉米复种体系作物收获后不同深度土层土壤容重Fig.3 Soil bulk density of different depths after harvest in winter wheat-summer maize multiple cropping system

2.2 深松处理对农田土壤水分分布的影响

在冬小麦-夏玉米复种体系作物的整个生育期，不同处理土壤水分分布情况如图4所示。从图中可以看出，当灌溉和降雨发生时，通过深松处理的土壤贮水量深度较对照处理更深；同时，在冬小麦灌浆期，作物对土壤水分的需求量相对较低，加之该时间段天气炎热，因此该阶段土壤贮水量较低，该试验40 cm以下土层的贮水量各深松处理均高于对照，其中传统深松机械在深松深度35 cm处理该时期土壤贮水量高于其他处理。图中还可以直观看出，灌水后深松处理的水分能够向更深层的土壤运移，这样能够增加深层土壤水分的蓄积，这对冬小麦和夏玉米生育期对土壤水分的吸收较为有利。整体上，深松处理能够增加冬小麦-夏玉米连作0～100 cm土层贮水量，TD1、TD2、TD3、AD2处理较旋耕对照CK处理0～100 cm土层贮水量冬小麦季分别增加11.2%、20.6%、13.4%、6.2%；夏玉米季分别增加17.7%、14.3%、15.1%、20.8%。此外，深松与旋耕方式相比，主要对土壤40 cm以下土层的土壤水分变化产生影响。同时，土壤深松深度的增加还有利于提高深层土壤水分的蓄积。

图4 冬小麦播种后土壤贮水量变化Fig.4 Changes in soil water storage after winter wheat sowing

2.3 深松处理对作物产量及产量性状的影响

深松机具和深松深度对冬小麦、夏玉米产量和产量性状的影响显著(表1)，深松处理作物产量整体较旋耕对照显著增加(p<0.05)。冬小麦产量由大到小各处理顺序为TD3、TD2、TD1、AD2、CK，其中传统深松机深松深度40 cm处理产量较旋耕处理增产16.0%，且显著高于其他处理；传统深松机深松深度30、35 cm和深松+施肥一体机深松深度35 cm处理较旋耕对照分别显著增产9.2%、8.4%、12.3%(p<0.05)；夏玉米产量由大到小各处理顺序为AD2、TD2、TD3、TD1、CK，其中深松处理产量均显著高于旋耕对照，分别增产10.9%、9.6%、9.1%、4.2%(p<0.05)。产量性状方面，冬小麦穗数和穗粒数均以传统深松机深松深度40 cm处理最高，显著高于旋耕对照，但与其他深松处理之间差异不显著；千粒质量则表现为所有处理之间差异均未达显著水平(p>0.05)。夏玉米穗数和穗粒数方面，则分别以传统深松机深松深度35 cm和30 cm处理最高，且显著高于旋耕对照；穗数方面各处理与冬小麦趋势一致；但穗粒数传统深松机不同深松深度处理均显著高于深松+施肥一体机处理，且各深松处理均显著高于旋耕对照；百粒质量方面同样表现为各处理之间没有显著差异(p>0.05)。从上述结果可以看出，深松处理可以显著提高作物产量，且对冬小麦的增产效应大于夏玉米。

表1 冬小麦-夏玉米复种体系不同深松处理作物产量与产量性状Tab.1 Yield and yield components of winter wheat-summer maize multiple cropping system with different subsoiling treatments

注：同列不同小写字母表示差异显著(p<0.05)，下同。

2.4 深松处理对作物水分利用效率的影响

麦小麦-夏玉米复种体系作物整个生育期的作物耗水情况和水分利用效率见表2。冬小麦季，传统深松机深松深度35 cm和40 cm处理与旋耕对照相比能够显著降低作物耗水量25.7 mm和17.7 mm；所有深松处理耗水强度均显著低于旋耕处理，其中以传统深松机深松深度35 cm处理耗水强度最低，较旋耕对照低5.4%；冬小麦深松处理水分利用效率均显著高于旋耕对照，提高了0.59～2.83 kg/(hm2·mm)，其由大到小顺序为TD3、TD2、TD1、AD2、CK，对应处理较对照分别提高20.3%、13.0%、7.3%、4.2%(p<0.05)。夏玉米季，深松处理耗水量和耗水强度均显著低于旋耕处理，耗水量降低了7.9～32.6 mm，耗水强度降低了0.07～0.28 mm/d，其中均以深松+施肥一体机深松深度35 cm处理最低；而夏玉米深松处理水分利用效率则显著高于旋耕处理，以深松+施肥一体机深松深度35 cm处理水分利用效率最高，较旋耕对照增加20.1%，传统深松机处理由大到小顺序为TD3、TD2、TD1，较对照分别提高2.80、2.38、1.76 kg/(hm2·mm)(p<0.05)。因此，深松方式能够较大幅度地提高冬小麦-夏玉米复种体系作物的水分利用效率，达到旱地冬小麦-夏玉米复种水分高效生产的目的。

表2 冬小麦-夏玉米复种体系不同深松处理作物耗水量与水分利用效率Tab.2 Water consumption and water use efficiency of winter wheat-summer maize multiple cropping system with different subsoiling treatments

3 讨论

以冬小麦-夏玉米周年复种方式的豫北地区近些年一直采用冬小麦播前旋耕和夏玉米免耕贴茬播种的农作方式，该方式使土壤在亚表层形成了紧实的犁底层。尚金霞等[18]研究认为，深松可有效改善深层土壤结构，打破犁底层，增加土壤通透性能。梁金凤等[19]研究表明，深松耕作可以降低表层土壤(0～25 cm)容重，其效果大于深层土壤(25～45 cm)。也有研究报道，深松使10～30 cm的土壤容重降低，而30～50 cm差异不明显[20-21]。本研究结果显示，深松处理对0～10 cm土层土壤容重影响不明显，但深松处理可以使10～30 cm土层土壤容重显著降低，30～40 cm差异不显著(p>0.05)，这与之前的研究结果基本一致；其中以传统深松机深松深度35 cm和40 cm处理较为明显，对土壤容重的降低作用大于深松+施肥一体机处理。而本研究中深松处理0～10 cm土层土壤容重差异不明显，主要原因应该是由于本试验设计在深松处理后又对土壤进行了旋耕处理，与该区连年旋耕，耕层土壤受到频繁扰动，土壤结构稳定性下降有一定影响[22]。

豫北地区冬小麦生长季降雨分布较少，降雨主要分布在夏玉米生长季[23]。该区作物生长对水分的需求很大，应更好地利用蓄积在土壤中的水分以对作物生长起更大作用。张丽等[21]研究表明，深松明显提高了土壤非毛细管的比例，加强了土壤的渗水能力，减少了因毛细管作用引起的土壤深层水分蒸发，同时可以改善土壤气体交换条件，达到蓄水保墒的效果。SU等[24]研究表明，深松方式对深层土壤含水率有重要影响，尤其是40 cm土层以下的土壤含水率会显著增加。本研究表明，不同深松处理对土壤贮水量有显著影响，水分监测数据显示灌水后深松处理的水分能够向深层的土壤运移，这样能够增加深层土壤水分的蓄积，这与前人的研究结果基本一致。同时，本研究中随着深松深度的增加深层土壤水分的蓄积更为明显，这对冬小麦和夏玉米生育期吸收土壤中水分较为有利。

深松方式还可以改善土壤对作物的供水，不仅提高了农田土壤的蓄水能力，还提高了作物吸收营养和水分的能力[25-27]，直接影响作物的生长和产量[28]。黄明等[29]在深松对小麦生产影响的研究中指出，深松能改善小麦产量构成要素，促进干物质的积累与转运，进而提高作物产量。本研究结果表明，深松处理能够显著增加作物的穗数和穗粒数，进而显著提升了作物的产量，且对冬小麦的增产效应大于夏玉米，其中以传统深松机深松深度40 cm处理的效果最好，这与前人研究的结果一致。还有研究认为，深松可以改善土壤的渗透性，增强深层土壤的蓄水保墒能力，进而提高作物水分利用效率[16,30-31]。本研究结果显示，深松能较大幅度地提高冬小麦-夏玉米复种体系作物的水分利用效率，深松处理两季平均较旋耕对照提高12.4%，并显著降低了作物的耗水量和耗水强度(p<0.05)，表明深松方式能够有效促进作物对土壤水分的利用。综合来看，由于作物生长受不同区域小气候环境条件的影响存在较大差异，难以做到不同地区作物深松效果的一致性。因此，在本试验条件下实施的深松方式是豫北地区保持土壤低容重、高蓄水能力、提高作物产量较为理想的农田耕作方式。下一步研究的重点需要加强在不同区域、不同土壤类型以及不同农作模式下的深松试验，以期通过多生态类型的深松技术研究为农田生态的可持续发展提供理论依据。

4 结论

(1)通过对田间深松耕作方式的试验表明，在豫北潮土区，深松方式对土壤0～10 cm土层土壤容重影响不明显，10～30 cm土层土壤容重显著降低，而30～40 cm土层土壤容重差异不显著(p>0.05)；深松处理改善了10～30 cm土层土壤的疏松状况，优化了土层结构。

(2)不同深松处理对土壤周年0～100 cm土层贮水量两季作物均高于对照CK处理，深松处理较旋耕对照平均增加29.8%。同时，深松处理能够显著增加作物的穗数和穗粒数(p<0.05)，进而提高作物产量，且深松处理还能较大幅度地提高冬小麦-夏玉米复种体系作物的水分利用效率，降低了作物的耗水量和耗水强度，深松处理两季平均水分利用效率较旋耕对照提高12.4%，其中以传统深松机深松深度40 cm处理的效果最佳。因此，在冬小麦播种前深松，对以旱作冬小麦-夏玉米复种体系为主的豫北地区具有很高的推广价值。

(3)深松处理不仅改善了豫北农田10～30 cm土层土壤的结构，增强了0～100 cm土层的贮水能力，对提高冬小麦和夏玉米产量及水分利用效率也有显著效果，是该地区较为适宜的耕作方式。