深松(耕)时期与方式对砂姜黑土耕层改良及其冬小麦物质积累和养分吸收的影响

刘卫玲， 程思贤， 吴健， 李娜， 杨丽， 王红梅， 赵亚丽， 李潮海

(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 开封 475000；3.中国农业科学院棉花研究所，河南 安阳 455000)

砂姜黑土面积占河南省耕地面积的1/4，是主要的中低产土壤之一[1-3]。砂姜黑土质地黏重，干缩湿胀，易旱易涝，结构性差，养分贫瘠，严重制约作物生长和产量的提高。由于砂姜黑土区常年采用冬小麦播前旋耕和夏玉米免耕直播的耕作方式，导致土壤耕层变浅、犁底层变厚、通透性变差、土壤养分不均衡等问题，极大地限制了作物产量的提高[4]。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。研究表明，合理的耕作方式可以改良土壤物理性状，改善作物根系生长环境，更好地满足作物生长需求，进而提高作物产量[5-6]。深松(耕)可以改善土壤耕层结构，增加土壤含水量，为作物生长发育提供良好的土壤环境，增强植株根系从土壤中吸收水分和养分的能力[7-11]，进而增加植株生物量，提高作物产量[12-14]。而深松结合秸秆还田对土壤的改良效果大于单一深松处理[15]。此外，耕作方式和秸秆还田对土壤呼吸速率也存在显著影响[16-19]。深松耕处理的土壤呼吸速率显著高于翻耕、旋耕和免耕处理[16,19-20]。综上，深松(耕)可以改良土壤耕层特性，增加植株干物质积累量，提高作物产量[7-20]。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[21]，生产上需多种耕作措施和耕作时期配合应用。但是，已有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)时期的研究较少，尤其缺乏深松(耕)时期与深松(耕)方式相结合的研究。而深松(耕)时期与耕作方式对砂姜黑土的改良效应和对冬小麦物质积累和养分吸收的影响也尚不明确。本研究基于连续4 a的定点试验，分析不同深松(耕)时期与深松(耕)方式对砂姜黑土改良、冬小麦物质积累和养分吸收的影响，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，常年实行冬小麦-夏玉米一年两熟种植制度。供试土壤为砂姜黑土，土壤的物理机械组成：沙粒占18.60%、粉粒占42.20%、黏粒占39.20%。试验地耕层土壤有机质含量为12.39 g·kg-1，全氮含量为1.18 g·kg-1，有效磷含量为20.12 mg·kg-1，速效钾含量为94.66 mg·kg-1。

1.2 试验设计

试验设置5个周年定位处理，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)。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，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。所有处理均为当季作物秸秆全量还田。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还田。冬小麦成熟后，将秸秆粉碎至5 cm左右的小段，覆盖地表还田。试验进行期间，秋季旋耕+夏季免耕、秋季深松+夏季免耕、秋季深耕+夏季免耕、秋季深耕+夏季下位深松、秋季深耕+夏季侧位深松处理的年均小麦玉米秸秆还田量分别为16 605,19 906,19 625,20 768和22 272 kg·hm-2。

2013年10月冬小麦播种前开始进行定位耕作处理，采用冬小麦-夏玉米一年两熟种植模式，2014年10月至2016年6月冬小麦季开展调查与取样测定。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。试验供试冬小麦品种均为豫农416，播种量为225 kg·hm-2，肥料施用量为N 225 kg·hm-2,P2O590 kg·hm-2,K2O 90 kg·hm-2；夏玉米品种均为豫单606，种植密度为60 000株·hm-2，肥料用量为N 255 kg·hm-2,P2O590 kg·hm-2和K2O 90 kg·hm-2。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 土壤孔隙度 冬小麦播种前，挖取土壤剖面，用直径5 cm，高5 cm的硬质PVC管采集0～15 cm和15～30 cm土层的原状土。土样由中国科学院南京土壤研究所利用工业显微CT(Phenix Nanotom S, GE, USA)进行扫描，利用Image J软件进行图像处理分析，并计算土壤孔隙度、孔隙体积和孔隙数量。

1.3.2 土壤含水量 冬小麦拔节期、开花期、成熟期，用土钻分别取0～15 cm,15～30 cm,30～40 cm,40～50 cm,50～60 cm土层土样，装入铝盒中称土样鲜质量，然后110 ℃烘干至质量恒定，按照公式计算土壤含水量：土壤含水量/%=(土壤鲜质量-土壤干质量)/土壤干质量×100。

1.3.3 土壤呼吸速率 在冬小麦拔节期、开花期、成熟期，采用美国LICOR公司生产的LI-8100A土壤呼吸仪定点测定行间土壤呼吸速率。

1.3.4 冬小麦植株干物质量的测定 冬小麦拔节期、开花期、成熟期，每个处理选取3个具有代表性的区域，每个区域选择3个长势均匀一致的植株，取植株地上部分，105 ℃杀青30 min，之后65 ℃烘干至质量恒定，测定植株干物质量。

1.3.5 冬小麦植株养分的测定 将备好的冬小麦成熟期植株样品用H2SO4-H2O2消煮法制备待测液，采用凯氏定氮法测定全氮含量，钒钼黄比色法测定全磷含量，火焰光度法测定全钾含量[22]。按照以下公式[23-24]计算：氮 (磷、钾)养分积累量/(kg·hm-2)=植株地上部干物质量×氮(磷、钾)含量。

1.3.6 冬小麦产量的测定 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，计产。

2 结果与分析

2.1 深松(耕)时期与方式对砂姜黑土耕层特性的影响

2.1.1 深松(耕)时期与方式对砂姜黑土土壤孔隙的影响 由于秋季冬小麦播前采取的耕作方式是旋耕、深耕和深松，故只分析这3种耕作方式的原状土CT结构。深松(耕)可以改善土壤孔隙特性，增加土壤孔隙度和孔隙体积，但土壤孔隙数量减少，表明深松(耕)可以打通土壤小孔隙为大孔隙，进而增加土壤大孔隙数量，且主要影响15～30 cm土层(表1)。在15～30 cm土层，秋季深松+夏季免耕的土壤孔隙度和孔隙体积分别较秋季旋耕+夏季免耕增加279.5%和279.2%，孔隙数量降低90.4%；秋季深耕+夏季免耕的土壤孔隙度和孔隙体积分别较秋季旋耕+夏季免耕增加14.5%和15.0%，孔隙数量降低49.1%。

2.1.2 深松(耕)时期与方式对砂姜黑土含水量的影响 深松(耕)能够增加0～60 cm 土层土壤含水量(表2)。与秋季旋耕+夏季免耕相比，深松(耕)使冬小麦拔节期、开花期和成熟期土壤含水量分别增加8.7%,5.9%和6.1%。秋季深松+夏季免耕冬小麦拔节期、开花期和成熟期土壤含水量比秋季旋耕+夏季免耕分别增加6.9%，3.3%和3.8%。秋季深耕+夏季免耕冬小麦拔节期、开花期和成熟期土壤含水量比秋季旋耕+夏季免耕分别增加7.9%,3.4%和5.7%。与单一秋季深松(耕)相比，秋季深耕+夏季深松使冬小麦拔节期、开花期和成熟期土壤含水量分别增加2.5%,4.8%和2.6%。5个处理中，以秋季深耕+夏季侧位深松土壤含水量最高。秋季深耕+夏季侧位深松冬小麦拔节期、开花期和成熟期土壤含水量比秋季深耕+夏季免耕处理分别增加4.5%,7.3%和4.5%，比秋季旋耕+夏季免耕分别增加12.7%,10.9%和10.5%，且秋季深耕+夏季侧位深松与秋季旋耕+夏季免耕差异显著，表明秋季深耕+夏季侧位深松处理可以显著提高土壤含水量。

表1 深松(耕)方式对砂姜黑土土壤孔隙的影响Table 1 Effects of deep subsoiling pattern on soil porosity

表2 深松(耕)时期与方式对砂姜黑土含水量的影响Table 2 Effects of time and pattern of deep tillage on soil water content in lime concretion black soil %

注：同一时期、同一土层不同的小写字母表示差异达5%显著水平。下同。

Note: Different lowercase letters indicate significant difference at 5% level at the same growing stage and in the same soil layer. The same as below.

2.1.3 深松(耕)时期与方式对砂姜黑土呼吸速率的影响 2016年冬小麦季平均土壤呼吸速率比2015年低15.2%，但2016年冬小麦拔节期土壤呼吸速率高于2015年(表3)。深松(耕)能够显著提高冬小麦季土壤呼吸速率，且在开花期出现高峰。与秋季旋耕+夏季免耕相比，深松(耕)使冬小麦拔节期、开花期和成熟期土壤呼吸速率分别提高30.7%,24.0%和33.5%。秋季深松+夏季免耕冬小麦拔节期、开花期和成熟期土壤呼吸速率比秋季旋耕+夏季免耕处理分别提高30.4%,21.1%和29.6%。秋季深耕+夏季免耕冬小麦拔节期、开花期和成熟期土壤呼吸速率比秋季旋耕+夏季免耕分别提高30.8%,24.1%和31.5%。与单一秋季深松(耕)相比，秋季深耕+夏季深松使冬小麦拔节期、开花期和成熟期土壤呼吸速率分别提高0.1%,2.2%和4.6%。5个处理中，以秋季深耕+夏季侧位深松处理土壤呼吸速率最高。秋季深耕+夏季侧位深松冬小麦拔节期、开花期和成熟期土壤呼吸速率比秋季深耕+夏季免耕分别提高5.4%,3.6%和9.3%，比秋季旋耕+夏季免耕处理分别提高37.8%,28.6%和43.7%，且与秋季旋耕+夏季免耕差异显著。

表3 深松(耕)时期与方式对砂姜黑土呼吸速率的影响Table 3 Effects of time and pattern of deep tillage on soil respiration rate in lime concretion black soil μmol·m-2·s-1

2.2 深松(耕)时期与方式对砂姜黑土冬小麦植株物质积累和养分吸收的影响

2.2.1 深松(耕)时期与方式对砂姜黑土冬小麦植株干物质积累的影响 由图1可知，2016年冬小麦拔节期、开花期和成熟期干物质积累量分别比2015年降低25.8%,15.6%和1.4%。深松(耕)可以增加冬小麦拔节期、开花期和成熟期干物质积累量。与秋季旋耕+夏季免耕相比，深松(耕)使冬小麦拔节期、开花期和成熟期干物质积累量分别增加17.8%,16.7%和24.5%。与秋季旋耕+夏季免耕相比，秋季深松+夏季免耕冬小麦拔节期、开花期和成熟期干物质积累量分别增加12.6%,15.3%和21.7%。秋季深耕+夏季免耕冬小麦拔节期、开花期和成熟期干物质积累量比秋季旋耕+夏季免耕处理分别增加19.7%,16.8%和23.1%。与单一秋季深松(耕)相比，秋季深耕+夏季深松冬小麦拔节期、开花期和成熟期干物质积累量分别增加2.8%,1.2%和3.4%。5个处理中，以秋季深耕+夏季侧位深松处理干物质积累量最高。秋季深耕+夏季侧位深松冬小麦拔节期、开花期和成熟期干物质积累量比秋季深耕+夏季免耕分别增加3.9%,1.6%和4.1%。秋季深耕+夏季侧位深松冬小麦拔节期、开花期和成熟期干物质积累量比秋季旋耕+夏季免耕分别增加24.4%,18.6%和28.2%，且与秋季旋耕+夏季免耕差异显著。

深松(耕)能够显著增加冬小麦花后干物质积累比例(图1)。与秋季旋耕+夏季免耕处理相比，深松(耕)使冬小麦花后干物质积累比例增加20.6%，且与秋季旋耕+夏季免耕差异显著。与秋季旋耕+夏季免耕相比，秋季深松+夏季免耕处理的冬小麦花后干物质积累比例增加17.6%，秋季深耕+夏季免耕处理增加17.4%。与单一秋季深松(耕)相比，秋季深耕+夏季深松冬小麦花后干物质积累比例增加5.2%。其中，秋季深耕+夏季侧位深松冬小麦花后干物质积累比例较秋季深耕+夏季免耕增加5.9%，且与秋季深耕+夏季免耕差异显著。与秋季旋耕+夏季免耕相比，秋季深耕+夏季侧位深松冬小麦花后干物质积累比例增加24.3%。

2.2.2 深松(耕)时期与方式对砂姜黑土冬小麦植株氮、磷、钾吸收的影响 与冬小麦植株干物质积累规律相似，2016年冬小麦植株氮磷钾积累量较2015年均有所降低(表4)。深松(耕)能够增加冬小麦成熟期养分积累量。与秋季旋耕+夏季免耕相比，深松(耕)使冬小麦季植株氮磷钾积累分别增加44.9%，51.0%和52.7%。与秋季旋耕+夏季免耕相比，秋季深松+夏季免耕冬小麦季的植株氮磷钾积累分别增加33.5%，46.3%和47.1%，且差异显著。秋季深耕+夏季免耕的冬小麦季植株氮磷钾积累比秋季旋耕+夏季免耕分别增加44.4%，47.5%和49.5%。与单一秋季深松(耕)相比，秋季深耕+夏季深松处理使冬小麦季的植株氮磷钾积累分别增加8.7%，5.6%和5.9%。5个处理中，以秋季深耕+夏季侧位深松处理的植株养分积累量最高。秋季深耕+夏季侧位深松的冬小麦季植株氮磷钾积累比秋季深耕+夏季免耕分别增加12.4%，13.8%和9.6%。秋季深耕+夏季侧位深松处理冬小麦季植株氮磷钾积累比秋季旋耕+夏季免耕分别增加62.3%，67.8%和63.8%，且差异显著。

2.3 深松(耕)时期与方式对砂姜黑土冬小麦产量的影响

受气象因素和病虫害影响，2016年的冬小麦产量比2015年低8.0%(图2)。与秋季旋耕+夏季免耕相比，秋季深松(耕)可以使冬小麦产量显著提高22.0%。秋季深松+夏季免耕处理冬小麦产量比秋季旋耕+夏季免耕增加14.6%，秋季深耕+夏季免耕处理冬小麦产量比秋季旋耕+夏季免耕增加21.2%。与单一秋季深松(耕)相比，秋季深耕+夏季深松冬小麦产量增加7.0%。5个处理中，以秋季深耕+夏季侧位深松的冬小麦产量最高。秋季深耕+夏季侧位深松的冬小麦产量比秋季深耕+夏季免耕增加5.5%，比秋季旋耕+夏季免耕增加27.8%。

图1 深松(耕)时期与方式对砂姜黑土冬小麦干物质积累量的影响

表4 深松(耕)时期与方式对砂姜黑土冬小麦植株养分积累量的影响Table 4 Effects of time and pattern of deep tillage on plant nutrient accumulation of winter wheat in lime concretion black soilkg·hm-2

图2 深松(耕)时期与方式对砂姜黑土冬小麦产量的影响Fig.2 Effects of time and pattern of deep tillage on yield of winter wheat in lime concretion black soil

3 结论与讨论

2016年各处理的土壤呼吸速率、植株干物质积累量和氮、磷、钾吸收量、产量均低于2015年，造成土壤改良效果与作物生长发育不一致。2016年冬小麦产量和各测定指标值降低的主要原因有3点：一是2015年冬小麦播种前遭遇连续降雨，冬小麦播种推迟，导致冬小麦地上和地下生长发育延迟；二是2016年1月份遭遇低温冷害，冬小麦生长发育缓慢，且导致单位面积有效穗数下降；三是2016年冬小麦生长发育后期赤霉病发病严重，导致产量降低。虽然2016年各测定指标值低于2015年，年份间存在差异，但2个年份各深松(耕)处理的差异规律基本一致。

本研究结果表明，深松(耕)能够改良土壤耕层特性，增加土壤含水量、土壤孔隙和土壤呼吸速率，这与已有研究结果相似[15,25-32]。深松(耕)可以改善土壤孔隙特性，增加土壤孔隙度、孔隙体积和大孔隙数量。甘磊等[26]研究同样表明，耕作措施不仅可以改变土壤原有的界面特征，也改变了土壤孔隙特征。翻耕破坏土层结构，导致土壤大孔隙数量减少，而中小孔隙的数量增加[27-28]。秋季深耕孔隙数量显著高于秋季深松，但土壤孔隙度显著低于深松，这表明孔隙数量和孔隙度变化趋势有时可能不完全一致。可能是因为秋季深松提高了孔隙的联通性，但深耕处理增加中小孔隙数量，且中等孔隙适合根系生长，小孔隙能保持土壤水分和养分运行[29-30]。

但是，单季深松(耕)存在一定的弊端，如夏季干旱时进行深松，耕层的土壤保水能力会减弱[33]。而冬小麦和夏玉米播前均进行深松，不仅可以提高土壤孔隙度，作物的单季和周年产量也显著高于单一秋季深松(耕)[34]。在本试验中，秋季深耕+夏季深松处理的土壤含水量和土壤呼吸速率比单一秋季深松(耕)分别增加3.3%和2.2%。由于该试验区夏季降雨量大且集中，夏季深松不仅可以有效疏松土壤，还可以增强土壤蓄水保墒能力。在5个试验处理中，秋季深耕+夏季侧位深松对土壤的改良效果最好。秋季深耕+夏季侧位深松处理的土壤含水量和土壤呼吸速率比秋季旋耕+夏季免耕分别增加35.4%和57.7%。故秋季深耕+夏季侧位深松对耕层土壤结构的改良效果最好。

深松(耕)可以改善耕层土壤结构和功能，创造有利于作物根系生长的土壤环境，进而促进作物植株生长[13,35-37]，增加植株氮磷钾的吸收[25,38]。本研究结果同样表明，深松(耕)能够显著增加植株干物质积累量和养分积累量，提高作物产量。5个处理中，以秋季深耕+夏季侧位深松处理的冬小麦植株干物质积累量、养分积累量和产量最高。与秋季旋耕+夏季免耕处理相比，秋季深耕+夏季侧位深松处理的冬小麦植株干物质积累量、植株氮磷钾积累和产量分别增加28.2%，62.3%，67.8%和63.8%，产量增加27.8%。此外，在秋季深耕的基础上进行夏季侧位深松，由于深松带位于玉米播种带横向距离10 cm处，不仅可以疏松播种带的土壤，提高玉米播种质量，而且深松的同时深施肥还可以提高肥料的利用效率。

综上所述，秋季深松(耕)对土壤耕层改良、冬小麦物质积累和养分吸收的效果优于秋季旋耕，且秋季深耕的综合效应大于秋季深松。而秋季深耕+夏季深松对土壤耕层改良的效果优于单一秋季深松(耕)，其冬小麦物质积累、养分吸收和产量均高于秋季深松(耕)+夏季免耕。5个处理中，以秋季深耕+夏季侧位深松对土壤耕层的改良效果最好，植株干物质积累量、养分积累量和产量最高，是砂姜黑土区适宜的土壤耕作制度。