秋季深耕分层施肥对辽北地区玉米产量及土壤理化特性的影响

赵 萍，徐国发，李增玺，王瑞丽，于天阔

（沈阳农业大学工程学院，沈阳 110161）

辽北地区属于半丘陵、半平原区，春季多风少雨，十年九旱，再加上长期连年旋耕，导致犁底层增厚并上移，致使耕层变浅、土壤容重大、通水透气性差、作物根系难以向下伸展造成倒伏，同时造成耕作层与心土层之间水、气、肥及热的连通性差，不利于作物生长发育,农业生态环境亟待改善、可持续发展水平亟待提高。另外，土壤提供的自然养分满足不了作物生长所需的养分，使化肥的使用成为必然，随着经济和社会的发展，现阶段肥料的施用已经由单纯提高产量为目标转化为综合考虑产量与环境的并重，而且环境要求更为重要。目前，最常用的施肥方式为：基肥+中耕追肥、一次性基施复合肥或一次性基肥+种肥[1-3]，追肥多为降雨前后撒施，不但降低了肥料的利用率而且污染环境。一次性施肥多数也是浅层施肥[4]，也不易使肥料最大程度被利用。因此，如何合理施肥，提高其利用率有待于进一步研究。

近些年，国家高度重视地力的恢复，每年发布的中央一号文件都要提及，秸秆还田覆盖、少耕免耕等保护性耕作技术是农业改良土壤、缓减旱情的重要手段[5-8]，但也存在农机农艺不配套，配套的施肥、病虫害及杂草防治技术短缺等问题，使得难以真正大面积推广应用。因此，要想实现农业减肥增效、保墒蓄水、改善土壤结构，进而实现可持续发展，探索合理、有效、可行的耕整地及施肥方式显得尤为重要。研究表明[9-14]，深耕可以改善土壤耕层结构、改良土壤理化特性、提高雨水的利用率，是保水保土实现农业可持续发展的有效措施之一，特别是秋季深耕在改善土壤耕层结构、增加含水率方面效果更为明显[15]；分层施肥可以确保施肥深度，肥料与土壤可以有效融合，防止烧种、烧苗，还能保证耕作层养分均衡、充分吸收，提高肥料利用效率。基于以上分析，本研究分析了秋季深耕分层施肥与传统春季旋耕后播种施肥两种模式对玉米产量及土壤理化特性的影响，探索秋季深耕分层施肥模式对该地区农业的适应性及效果。为辽北地区的土壤改良、肥料有效利用及抗旱提供参考，具有一定实际意义，也为后期进一步探索保护性耕作模式奠定基础。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2018年10月至2019年10在辽宁省沈阳市法库县玉米示范基地（东经123.69o,北纬42.54o）进行。该地区位于辽宁省北部，属大陆性季风气候，春季干旱多风，夏季炎热，十年九旱，冬季寒冷，且年内降雨分布不均，年均气温6.7℃，年均降雨量约600mm，极端年最少降雨量264.7mm，极端年最大降雨量943.2mm（1985年），生育期4~9月份多年平均积温3124.2℃，生长期年平均165d，最长达174d，最短为112d。试验地块质地为壤土，多年来一直采用玉米连作、春季普通旋耕方式，耕层平均厚度为12~16cm；播前测定土壤容重为1.43g·cm-3，速效氮、磷、钾分别为70.73，10.03，54.43mg·kg-1。

1.2 试验材料

供试作物：春玉米东单118。供试肥料：尿素(300kg·hm-2)、磷酸二胺(450kg·hm-2)、硫酸钾(225kg·hm-2)。试验机具：深耕合垄施肥机。该机可一次性完成深耕、分层施肥、合垄整形成大垄,开沟深度可达到30cm，施肥深度可达到10~25cm耕层均匀施肥。作业时，两个开沟犁将耕层土壤向两侧犁开形成梯形垄沟，排肥器将肥料均匀排出，通过中间排肥管将肥料输送到垄沟底部，两侧排肥管将肥料输送到垄沟梯形面上实现分层施肥（图1）,覆土犁把犁向两侧的土壤推向垄沟，近似于梯形的整垄装置将起垄中间的浮土挤压形成平整大垄（图2）。

图1 垄沟形状及施肥方式Figure 1 Furrow shape and fertilization method

图2 深耕合垄施肥机及作业效果Figure 2 Furrow fertilizing machine and its effect

1.3 试验设计

试验地块为土壤条件相同的相邻地块，共0.67hm2，分别设置试验田（S）0.335hm2和对照田（P）0.335hm2。试验田（S）在秋季灭茬后利用深耕合垄施肥机进行深耕分层施肥处理，施肥量按1.2节供施肥料量的2/3施入，其余1/3春季播种时用施肥播种机施入，最终达到整个耕层均有化肥施入；对照田（P）在春季进行传统的普通旋耕播种施肥处理（施入总量的2/3），玉米拔节前中耕追肥（追肥量为总量的1/3），施肥总量以及其他因素均与试验田相同。

1.4 测定指标、方法与数据处理

用可以精确采集不同深度“土壤环刀取样器”采集土壤样本，样本数都为30个，采集后立即装入自封袋密封。

1.4.1 土壤容重及含水率在玉米的苗期、拔节期以及收获期分别采集试验田和对照田0~10，10~20，20~30cm土层的土样，测定玉米不同生长时期不同土层的容重和含水率。土壤容重利用土壤容重测定仪（环刀法）测量，含水率利用烘干法测量。

1.4.2 土壤养分玉米拔节期是生长最快的时期，需要有足够的营养成分。因此，本研究在玉米生长刚进入拔节期时，分别测定试验田与对照田0~10，10~20，20~30cm土样养分，主要测试指标为土壤速效养分（速效氮、磷、钾）。土壤速效氮利用碱解扩散法测定；速效磷利用钼锑抗比色法测定；速效钾利用火焰光度计法测定。

1.4.3 玉米产量玉米收获期，分别在试验田和对照田随机选取3个采样点求其平均值，每个采样点取6m2，进行摘穗、扒皮、脱粒、称重，用LDS-1G型谷物水分测定仪测定玉米实际含水量，计算产量时按14%标准水计算，计算公式为：最终产量=毛重×（1-实际含水量%）/(1-14%)，称重采用精度为0.001kg的电子秤。

1.4.4 数据处理数据处理采用SPSS 22.0统计分析软件进行分析，根据相关性（p<0.05）进行显著性比较。

2 结果与分析

2.1 秋季深耕分层施肥对土壤含水率的影响

由图3可知，耕作方式对土壤含水率的影响较为显著（p<0.05），玉米生长拔节期差异最为明显。秋季深耕分层施肥处理有较为明显的蓄水保水效果，在玉米生长苗期0~10，10~20，20~30cm土层试验田比对照田土壤含水率数值分别提高3.6%、1.4%、1.0%；在玉米拔节期0~10，10~20，20~30cm土层试验田比对照田含水率的数值分别提高3.9%、3.1%、3.0%；在玉米收获期0~10，10~20，20~30cm土层试验田比对照田含水率数值分别提高

图3 不同耕作模式对耕作层土壤含水率的影响Figure 3 The effects of different tillage modes on soil moisture content in tillage layer

2.2 秋季深耕分层施肥对土壤容重的影响

土壤容重是反映土壤紧实程度、孔隙状况等结构性特征的重要参数，容重的变化影响着土壤的热、肥、水、气状况，从而影响作物的生长[16]。在土壤环境相同的条件下，容重大，则表明土壤紧实板硬，结构性不好，反之，表明土壤疏松多孔，结构性良好[17]。

由图4可知，在玉米苗期和拔节期耕作方式对土壤容重影响显著（p<0.05），在拔节期影响相对更加明显，其中在10~20cm土层，秋季深耕处理比春季旋耕处理土壤容重降低10.7%；玉米收获期在0~10cm土层耕作方式对土壤容重影响不显著(p>0.05),10~20cm土层及20~30cm土层耕作方式对土壤容重影响显著（p<0.05）。总体来说，在10~30cm土层，深耕分层施肥降低土壤容重的效果更加明显。

图4 不同耕作方式对土壤容重的影响Figure 4 Effects of different tillage methods on soil bulk density

2.3 秋季深耕分层施肥对土壤有效养分的影响

耕作方式可以改变土壤结构,影响土壤养分转化，进而影响土壤肥力变化[18]。本研究在玉米拔节期测试两种耕作施肥模式下不同深度土壤速效氮、磷、钾的含量，通过对比分析研究秋季深耕分层施肥对土壤速效性养分的影响。

由图5～图7可知，耕作方式对土壤速效养分影响显著（p<0.05），而且相同耕层不同处理情况下差异也十分显著，均达5%显著水平。秋季深耕分层施肥（试验田）相比春季普通旋耕播种施肥处理（对照田）可以显著提高各耕层土壤速效养分含量。在0~10cm和10~20cm土层，秋季深耕分层施肥土壤速效氮含量增加较多，分别增加25.4%和37.4%；在20~30cm土层增加9.9%。秋季深耕分层施肥使各土层土壤速效磷含量提升幅度也很大，其中10~20cm土层最大，提升72.7%；0~10cm土层最低，但也提升22.8%。秋季深耕分层施肥使0~10cm土层速效钾含量提升51.9%，10~20cm及20~30cm土层提升较小，分别提升16.7%和20.6%。两个处理下3种速效养分含量随土层深度变化规律基本相同，以0~10cm土层速效养分含量最高，20~30cm土层速效养分含量最低。

图5 耕作方式对土壤速效氮的影响Figure 5 Effects of tillage methods on soil available nitrogen（N）

图7 耕作方式对土壤速效钾的影响Figure 7 Effects of Tillage Methods on soil available potassium（K）

由此可见，深耕可以使土壤容重降低，使得土壤通透性得到改善，导致土壤有机氮有效矿化分解，增加了土壤速效氮的含量，同时土壤环境趋于良好，保证了土壤缓效态钾的良好释放，从而提高了土壤有效钾的含量。另外，深耕使土壤接近于中性[19]，有利于土壤无效磷素的效化,促使土壤速效磷含量增加。

图6 耕作方式对土壤速效磷的影响Figure 6 Effects of tillage methods on soil available phosphorus（P）

2.4 秋季深耕分层施肥对玉米产量的影响

本研究在收获期按1.4.3节方法对试验田和对照田进行测产，测得的结果如表1。由表1可知，试验田和对照田单位面积上玉米穗数基本持平，但产量提高11.99%，增产效果明显。

表1 不同耕作方式下玉米产量Table 1 Maize yield in different tillage methods

3 讨论与结论

深耕可以降低土壤容重，这与孟庆阳等[11-12]的研究结果一致。本试验研究中在玉米生长苗期、拔节期及收获期10~30cm土层春季旋耕和秋季深耕对土壤容重的影响有显著性差异，尤其在10~20cm土层秋季深耕可降低土壤容重8%~10.7%。结果表明深耕处理可以有效打破坚实的犁底层，改善耕作层中下层土壤板结情况，使土壤环境得到良好改善，从而提高土壤可持续生产能力。

秋季深耕和春季旋耕对土壤含水率的影响存在显著性差异，秋季深耕吸水储水效果明显，有效提高耕作层土壤含水率，特别是在苗期和拔节期，0~20cm土层更为明显，其中10~20cm最为明显。分析其原因，秋季深耕分层施肥合垄整形成大垄，来年直接播种，这样有效避免了春季风大动土导致的水分流失；其次，秋季深耕打破犁底层，降低土壤容重，增加了土壤孔隙，改善了土壤固、液、气三相比，土壤底层有效吸收了深秋的雨水和冬季的雪水，锁住了水分防止了径流，提高了蓄水能力。因此，秋季深耕对于旱作农业来说是很好的选择。

张玉玲等[20]通过试验研究得出深耕可以提高土壤养分，DÍAZ-ZORITA[21]研究得出深耕有利于土壤养分的转化与利用。本研究中秋季深耕分层施肥提高了土壤肥力，相对于普通春季旋耕播种施肥，0~30cm耕作层土壤速效磷、速效钾含量均有显著提升（p<0.05）。在0~10cm养分都有提升，速效氮含量提高25.4%，说明浅旋浅施肥肥料挥发损失严重（尤其是氮素），利用率很低；而秋季深耕施肥经过冬春的冻融交替，形成了良好的土体结构，使得肥料与土壤长时间融合，同时土壤疏松，提高了水分的入渗和贮存，增加了肥料的溶解能力，减少其挥发与流失。其次，深耕使得土壤环境改善，导致有机氮有效矿化分解，缓效态钾良好释放，无效磷素效化明显，使得速效氮磷钾有明显提升，综合评价增幅顺序应该为速效钾>速效磷>速效氮，至于速效磷在10~20cm土层增幅达到72.7%，除了和效化有关，也和磷酸二铵的使用量较大有关，试验地块初始土壤检测时含速效磷偏低，因此配肥时比例较大，建议具体应用时可根据实际情况合理配肥。

本研究机具达到了分层且深层施肥的效果，使得整个土壤耕作层肥力均衡，符合玉米拔节孕穗期、抽穗开花期、籽粒形成期的养分需求规律，增产效果明显。秋季分层深施肥可以为农业减肥增效提供一种途径。本研究结果表明秋季深耕分层施肥是适合辽宁乃至东北的一种玉米生产耕作方式。但在生产实际应用过程中，应因地制宜，结合具体土壤实际情况，进行合理深耕和施肥。而且也不必年年连续深耕，建议根据土壤情况每隔1年或2年进行深耕1次，也就是深耕和免耕或旋耕轮耕的保护性耕作模式。