深松(耕)时期与方式对砂姜黑土耕层养分和冬小麦、夏玉米产量的影响

刘卫玲，程思贤，李 娜，吴 健，杨 丽，李潮海，赵亚丽

(1.河南农业大学 农学院，河南 郑州 450002；2.杞县农业农村局，河南 杞县 475000；3.中国农业科学院 棉花研究所，河南 安阳 455000)

黄淮海南部是我国粮食主产区，在我国粮食生产中占有重要地位。该区主要土壤类型是砂姜黑土，面积高达126.7万hm2，占河南省耕地面积的1/4[1]。砂姜黑土色黑但有机质含量低、养分贫瘠、质地黏重、结构发育差、干坚硬、湿黏闭，属于中低产田，对粮食生产能力限制较大。冬小麦—夏玉米一年两熟制是砂姜黑土区的主要种植制度。目前，主要采用的耕作方式是冬小麦播前旋耕、夏玉米免耕，导致土壤耕层变浅、犁底层变厚、通透性变差、土壤养分不均衡，严重限制了作物产量的提高[2]。因此，研究砂姜黑土区适宜的耕作制度，以改良耕层结构并使土壤保持良好性能，对提升砂姜黑土地力和作物产量具有重要意义。前人研究表明，适宜的耕作方式和秸秆还田可以显著改善土壤耕层结构[3-8]。秸秆还田可以显著提高土壤有机质、全氮、速效磷和速效钾的含量[3]。韩新忠等[4]研究表明，小麦秸秆还田能够显著提高土壤全氮和速效氮的含量，深松处理20～40 cm土层有机质、全氮、全磷和全钾含量较不深松处理显著提高。深耕可以增加耕层下部土壤中有效磷含量[5]。深耕结合秸秆还田对土壤养分具有良好的改良效应。在秸秆还田条件下，深耕能够提高不同质地土壤的肥力，增加土壤中全氮、有效磷和速效钾含量[6]。免耕、深松和深耕等单一的耕作方式虽有很多优势，但也存在一定的弊端，在生产中不宜单独连续使用，应将其组合成一定的轮耕模式，交互使用[7]。谢迎新等[8]研究表明，夏玉米季深松+冬小麦季旋耕能够改善土壤有机碳和养分状况，但夏玉米季深松容易伤根、冬小麦季旋耕不利于前茬作物秸秆翻埋还田。前人研究大多集中在深松(耕)方式对土壤改良和作物生长的影响等方面，关于深松(耕)时期的研究较少[7-8]，目前尚没有砂姜黑土区耕作时期与耕作方式对土壤养分含量和作物产量影响的研究。为此，在秸秆全量还田条件下研究不同深松(耕)时期和方式对土壤养分含量和冬小麦、夏玉米产量的影响，以确定砂姜黑土区适宜的土壤耕作制度，为提升砂姜黑土地力和作物持续增产提供依据。

1 材料和方法

1.1 试验地概况

试验于2014—2017年在河南省驻马店市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。该区域常年实行冬小麦—夏玉米一年两熟种植制度，秋季冬小麦播前旋耕、夏季夏玉米免耕是当地的传统耕作方式。供试土壤属于砂姜黑土，耕层土壤基础养分含量为有机质12.39 g/kg、全氮1.18 g/kg、有效磷20.12 mg/kg、速效钾94.66 mg/kg。土壤物理机械组成为砂粒18.60%、粉粒42.20%、黏粒39.20%。

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全量还田。2014年秋季冬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种前进行，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；使用中国农业大学自主研发的1S2-460型振动式深松机进行秋季深松处理，耕作深度为30 cm；使用悬挂液压翻转犁(河南商丘黄达农业机械有限公司)进行秋季深耕处理，耕作深度为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，侧位深松带位于播种带横向距离10 cm处，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。

2016年冬小麦品种为郑麦9023，2017年为百农416，播种量均为225 kg/hm2。肥料施用量均为N 180 kg/hm2、P2O590 kg/hm、K2O 90 kg/hm2，于整地时底施；拔节期均追施N 75 kg/hm2。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N 180 kg/hm2、P2O590 kg/hm2、K2O 90 kg/hm2，大喇叭口期追施N 75 kg/hm2。

1.3 测定项目与方法

冬小麦和夏玉米成熟期，从每个小区随机选3个样点，用土钻取0～15、15～30、30～40、40～50、50～60 cm土层的土样，去除石块和秸秆等杂物，将每个小区的同一土层混匀成为该小区该土层的土壤样品，带回实验室风干后过筛。采用重铬酸钾容量法—外加热法测定土壤有机质含量，半微量凯氏定氮法测定土壤全氮含量，碳酸氢钠浸提—钼锑抗比色法测定土壤有效磷含量，乙酸铵浸提—火焰光度法测定土壤速效钾含量[9]。

冬小麦成熟期，每处理收获2 m×2 m的植株，3次重复，脱粒，风干，称质量计产；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，称质量计产。

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 结果与分析

2.1 不同因素及其交互作用对土壤养分含量的影响

由表1可知，耕作方式和土层深度对土壤各养分含量均存在极显著影响，年份对土壤全氮、速效磷和速效钾含量存在极显著影响，对土壤有机质含量的影响不显著。在两因素交互作用中，除年份×耕作方式、年份×土层深度对土壤全氮含量的影响不显著外，年份×耕作方式、年份×土层深度、耕作方式×土层深度对土壤有机质、速效磷和速效钾含量均存在极显著影响，耕作方式×土层深度对土壤全氮含量存在显著影响。年份×耕作方式×土层深度对土壤各养分含量均存在极显著影响。

表1 不同因素及其交互作用对土壤养分含量影响的方差分析Tab.1 Variance analysis of effects of different factors and their interactions on soil nutrient content

2.2 深松(耕)时期与方式对土壤养分含量的影响

2.2.1 有机质含量 由表2可知，土壤有机质含量总体随着土层深度的增加而减少，且深松(耕)主要影响了15～40 cm土层的有机质含量，对0～15、40～60 cm土层有机质含量影响较小。与秋季旋耕+夏季免耕处理相比，深松(耕)使冬小麦季、夏玉米季和周年15～40 cm土层的有机质含量分别增加了20.7%、18.5%和19.6%。3个秋季耕作处理中，与秋季旋耕+夏季免耕处理相比，秋季深松+夏季免耕处理冬小麦季、夏玉米季和周年15～40 cm土层的有机质含量分别增加11.5%、5.4%和8.5%，秋季深耕+夏季免耕处理分别增加18.5%、19.1%和18.8%。与单一秋季深松(耕)处理相比，秋季深耕+夏季深松处理冬小麦季、夏玉米季和周年15～40 cm土层的有机质含量分别增加10.0%、11.1%和10.5%。5个处理中，总体以秋季深耕+夏季侧位深松土壤有机质含量最高。秋季深耕+夏季侧位深松处理冬小麦季、夏玉米季和周年15～40 cm土层的有机质含量比秋季深耕+夏季免耕处理分别增加7.5%、8.4%和7.9%，比秋季旋耕+夏季免耕处理分别增加27.4%、29.0%和28.2%，且秋季深耕+夏季侧位深松处理与秋季旋耕+夏季免耕处理差异显著，表明秋季深耕+夏季侧位深松处理可以显著提升土壤有机质含量。

表2 深松(耕)时期与方式对土壤有机质含量的影响Tab.2 Effects of time and pattern of deep tillage on the soil organic matter content g/kg

注：同列数据后不同小写字母表示同一土层深度不同处理在 0.05水平上差异显著，下同。
Note:Different lowercase letters after data within a column mean significant difference among different treatments under the same soil depth at 0.05 level,the same below.

2.2.2 全氮含量 由表3可知，深松(耕)明显影响0～60 cm土层全氮含量，且在冬小麦季、夏玉米季及周年总体均以秋季旋耕+夏季免耕处理的土壤全氮含量最低，秋季深耕+夏季侧位深松处理最高。深松(耕)使冬小麦季、夏玉米季和周年15～60 cm土层的全氮含量分别增加20.3%、14.7%和18.0%。3个秋季耕作处理中，与秋季旋耕+夏季免耕处理相比，秋季深松+夏季免耕处理冬小麦季、夏玉米季和周年15～60 cm土层的全氮含量分别增加11.6%、6.5%和9.5%，秋季深耕+夏季免耕处理分别增加18.5%、14.3%和16.8%。与单一秋季深松(耕)处理相比，秋季深耕+夏季深松处理使冬小麦季、夏玉米季和周年15～60 cm土层的全氮含量分别增加9.1%、7.9%和8.6%。其中，秋季深耕+夏季侧位深松处理冬小麦季、夏玉米季和周年15～60 cm土层的全氮含量较秋季深耕+夏季免耕处理分别增加12.4%、6.2%和10.0%，较秋季旋耕+夏季免耕处理分别增加33.2%、21.4%和28.4%，且秋季深耕+夏季侧位深松与秋季旋耕+夏季免耕差异显著。

表3 深松(耕)时期与方式对土壤全氮含量的影响Tab.3 Effects of time and pattern of deep tillage on the soil total nitrogen content g/kg

2.2.3 速效磷含量 由表4可知，土壤速效磷含量随着土层深度的增加总体上减少，且深松(耕)主要影响了15～40 cm土层的速效磷含量。与秋季旋耕+夏季免耕处理相比，深松(耕)处理冬小麦季、夏玉米季和周年15～40 cm土层的速效磷含量分别增加222.4%、88.5%和153.5%，且对冬小麦季的影响大于夏玉米季。3个秋季耕作处理中，与秋季旋耕+夏季免耕处理相比，秋季深松+夏季免耕处理冬小麦季、夏玉米季和周年15～40 cm土层的速效磷含量分别增加233.4%、68.8%和148.6%，秋季深耕+夏季免耕处理分别增加185.9%、75.6%和128.9%。与单一秋季深松(耕)处理相比，秋季深耕+夏季深松处理使冬小麦季、夏玉米季和周年15～40 cm土层的速效磷含量分别增加8.3%、19.2%和12.3%。其中，秋季深耕+夏季侧位深松处理冬小麦季、夏玉米季和周年15～40 cm土层的速效磷含量分别比秋季深耕+夏季免耕处理增加46.0%、27.8%和38.8%，分别比秋季旋耕+夏季免耕处理增加317.2%、124.0%和217.7%，且秋季深耕+夏季侧位深松处理与秋季深耕+夏季免耕处理、秋季旋耕+夏季免耕处理差异均显著。

2.2.4 速效钾含量 由表5可知，深松(耕)增加了土壤速效钾含量，且主要增加了15～40 cm土层速效钾含量。在15～40 cm土层，深松(耕)处理冬小麦季、夏玉米季和周年的土壤速效钾含量分别比秋季旋耕+夏季免耕处理增加10.4%、11.3%和10.9%。3个秋季耕作处理中，与秋季旋耕+夏季免耕处理相比，秋季深松+夏季免耕处理冬小麦季、夏玉米季和周年15～40 cm土层的速效钾含量分别增加4.1%、3.5%和3.8%，秋季深耕+夏季免耕处理分别增加9.3%、13.4%和11.6%。与单一秋季深松(耕)处理相比，秋季深耕+夏季深松处理冬小麦季、夏玉米季和周年15～40 cm土层的速效钾含量分别增加6.9%、5.2%和6.0%。其中，秋季深耕+夏季侧位深松处理冬小麦季、夏玉米季和周年的土壤速效钾含量分别比秋季深耕+夏季免耕处理增加13.5%、3.7%和7.9%，分别比秋季旋耕+夏季免耕处理增加24.0%、17.5%和20.4%。

表4 深松(耕)时期与方式对土壤速效磷含量的影响Tab.4 Effects of time and pattern of deep tillage on the soil available phosphorus content mg/kg

表5 深松(耕)时期与方式对土壤速效钾含量的影响Tab.5 Effects of time and pattern of deep tillage on the soil available potassium content mg/kg

续表5 深松(耕)时期与方式对土壤速效钾含量的影响Tab.5(Continued) Effects of time and pattern of deep tillage on the soil available potassium content mg/kg

2.3 深松(耕)时期与方式对冬小麦、夏玉米产量的影响

由图1可知，深松(耕)可以提高作物产量，使冬小麦、夏玉米和作物周年产量分别增加15.7%、12.1%和14.1%。3个秋季耕作处理中，与秋季旋耕+夏季免耕处理相比，秋季深松+夏季免耕处理冬小麦、夏玉米和作物周年产量分别增加10.1%、10.4%和10.2%，秋季深耕+夏季免耕处理分别增加16.2%、11.2%和14.0%。秋季深耕+夏季深松处理对作物的增产效果优于单一秋季深松(耕)处理。与单一秋季深松(耕)处理相比，秋季深耕+夏季深松处理冬小麦、夏玉米和周年产量分别增加4.6%、2.4%和3.6%。其中，秋季深耕+夏季侧位深松处理冬小麦、夏玉米和周年作物产量分别比秋季深耕+夏季免耕处理增加2.2%、3.9%和2.9%，分别比秋季旋耕+夏季免耕处理增加18.7%、15.5%和17.3%。表明秋季深耕+夏季侧位深松对作物的增产效果最佳。

2.4 土壤养分含量与冬小麦—夏玉米周年产量的相关性分析

由表6可知，冬小麦—夏玉米周年产量与土壤养分含量呈正相关。其中，产量与土壤有机质、全氮及速效磷含量均呈显著正相关。土壤有机质含量与土壤全氮、速效钾含量均呈显著正相关。土壤全氮含量与土壤速效钾、速效磷含量均呈显著正相关。土壤速效磷含量与速效钾含量呈正相关。表明砂姜黑土的土壤养分含量越高，冬小麦—夏玉米周年产量越高。

不同小写字母表示不同处理间差异达到5%显著水平Different lowercase letters mean significant differences at the 0.05 level 图1 深松(耕)时期与方式对作物产量的影响Fig.1 Effects of time and pattern of deep tillage on crop yield

表6 土壤养分含量与冬小麦—夏玉米产量的相关性Tab.6 Correlation between soil nutrients contents and yield of winter wheat and summer maize

注：*、**分别表示在0.05、0.01水平上显著、极显著相关。
Note:*,** represent significant correlation at the levels of 0.05,0.01 respectively.

3 结论与讨论

土壤养分对作物产量形成至关重要。其中，有机质是土壤中营养元素的重要来源，是评价农田肥力高低的重要指标之一，而氮、磷、钾是作物生长发育的必需营养元素。前人研究表明，耕作方式和秸秆还田均能影响土壤中有机质、全氮、速效磷和速效钾含量[5-6,10-11]。耕作方式能够影响土壤中养分分布、移动及其含量和有效性[12]。不同的耕作深度和强度会改变秸秆在不同土层中的分布，秸秆还田的深度对不同土层有机质含量影响显著[8,13]。深松对0～20 cm土层的有机质含量影响不显著，主要显著增加20～40 cm土层有机质的积累[14]。翻耕能够提高土壤有效肥力[15-16]。深耕能够增加耕层下部土壤有效磷含量[5-6,10-11]。李永平等[17]研究表明，与耕作处理前相比，不同耕作处理有效磷含量均表现为增加，且增加幅度由高到低依次为深松、深翻、免耕和常规旋耕。战秀梅等[18]研究表明，无论有无秸秆还田，速效磷含量均表现为深翻>深松>旋耕，且前者与旋耕差异显著。此外，深松/翻耕轮耕体系在增加土壤速效养分含量方面表现尤为突出[19]。深松和深翻能够促进土壤速效钾的释放，秸秆连年还田土壤速效钾的增加效果显著大于秸秆隔年还田[18]。本研究结果表明，在秸秆还田条件下，深松(耕)能够增加15～40 cm土层土壤养分含量和作物产量，且秋季深耕+夏季深松处理对土壤养分的提升效果优于单一秋季深松(耕)处理，这与前人研究结果相似[15-19]。

不同的耕作方式造成土壤有机质矿化和秸秆腐解环境的不同，进而引起不同耕作方式间土壤养分含量的差异[20]。深松(耕)可以疏松耕层下部土壤，缓解土壤紧实对养分的限制。深耕还能将上层土壤养分带入耕层下部[6,21]，增加下层土壤养分含量。而有机质分解产生的有机酸及其产物对某些固定磷的化合物有良好的溶解能力[22]，可以降低矿物质对钾的固定作用，从而增加土壤中速效磷和速效钾含量[23-24]。在本研究中，秋季深耕处理不仅可以创造深厚耕层，促进作物根系下扎，还有利于玉米秸秆翻埋还田和腐解，提高土壤有机质和有效养分含量，而夏季深松结合冬小麦秸秆覆盖还田既有利于疏松耕层、提高肥力，又可以减少蒸发，提高土壤蓄水能力，故秋季深耕+夏季深松处理对土壤养分的提升和作物的增产效应优于单一秋季深松(耕)处理。同时，夏季下位深松对夏玉米播种、出苗存在不利影响，而侧位深松更利于夏玉米根系吸收土壤养分。因此，5个处理中，以秋季深耕+夏季侧位深松处理的作物产量和土壤养分含量最高。

综上所述，深松(耕)能够增加15～40 cm土层有机质、全氮、速效磷和速效钾含量，提高作物产量。秋季深耕+夏季深松处理对土壤养分提升和作物增产的效果均高于单一秋季深松(耕)处理。在5个不同的深松(耕)时期与方式中，秋季深耕+夏季侧位深松处理对土壤养分改良和作物增产的效果最佳，是砂姜黑土区适宜的深松(耕)时期和方式。