深松耕作对新疆绿洲棉田土壤特性及产量形成的影响

郭仁松,王 亮,崔建平,林 涛,郑子漂,玛依拉玉素音,田立文

(新疆农业科学院 经济作物研究所/农业部荒漠绿洲作物生理生态与耕作重点实验室,乌鲁木齐 830091)

棉花是新疆主要经济作物,种植区域集中、面积大,且作物种类单一,轮作倒茬困难,棉田连作现象严重[1]。长期连作可使棉田土壤质量下降,土壤结构变劣,易形成坚硬的犁底层,阻碍土壤水、气、热交换运输,从而抑制棉花产量提高[2-3]。深松能破除犁底层,疏松耕层以下深层土壤,且不翻转土层,在浅翻耕、旋耕及免耕区域的农田上应用广泛[4-5]。张丽等[6]研究表明,深松+秸秆还田能有效打破玉米田传统犁底层,使10～30 cm土壤体积质量显著降低11.5%,土壤紧实度也较对照下降。李俊红等[7]研究发现双深松覆盖可提高土壤含水率和水分利用效率,作物干物质积累量增加,产量提高。刘卫玲等[8]研究认为,秋翻耕+夏深松土壤含水率提高11.3%,冬小麦干物质积累量增加28.2%。前人研究表明:深松能加厚耕层,增加土壤蓄水能力,促进作物根系向深层次土壤生长,提高作物中后期对土壤水分和养分的利用效率,促进作物产量形成[9-11]。但传统深松深度范围多在20～35 cm,而生产上棉田翻耕深度已达到30 cm左右,且犁底层深度在28～45 cm。因此,研究适宜新疆绿洲连作棉田深松耕作深度是亟需解决的问题。本研究以新疆绿洲连作棉田为研究对象,设置不同深松耕作深度处理,探讨深松耕作对土壤特性及棉花产量形成的影响,旨为新疆绿洲连作棉田土壤环境改善提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验概况

试验于2017年11月-2018年10月在新疆农科院阿瓦提县棉花综合试验基地进行。试验所在地是温带大陆性气候,典型的干旱区绿洲灌溉农业,降水稀少,年均降水量46.7 mm,年均蒸发量1 890.7 mm,年均气温10.4℃,无霜期211 d。试验田0～30 cm土层为中壤土,30～40 cm土层为重壤土,40～60 cm土层为黏土,犁底层厚度12 cm,棉花连作年限20 a以上,为典型的连作棉田。耕层土壤有机质6.7 g/kg,全氮0.41 g/kg,碱解氮31.5 mg/kg,速效磷19.2 mg/kg,速效钾123 mg/kg,供试棉花品种为‘新陆中88号’。

1.2 试验设计

试验采用单因素随机区组设计,在秸秆还田和常规翻耕条件下,以不深松棉田为对照(SST0),设置3个深松处理分别为30 cm(SST1)、40 cm(SST2)、50 cm(SST3),并在各处理的基础上将棉花秸秆全量粉碎还田,翌年播种前进行常规翻耕,即各处理分别为:SST0(秸秆还田+翻耕)、SST1(深松30 cm+秸秆还田+翻耕)、SST2(深松40 cm+秸秆还田+翻耕)、SST3(深松50 cm+秸秆还田+翻耕),共4个处理,3次重复,小区面积48.3 m2。深松在2017-11-25进行,采用弯刀式深松机(带有精准控制深度定位仪),深松后灌溉冬水。翻耕在2018-04-12统一进行,翻耕深度25 cm,各处理均翻耕前施基肥N:150 kg/hm2,P2O5:270 kg/hm2,K2O:75 kg/hm2。4月15日播种。棉花全生育期灌水总量为3 600 m3/hm2,随水追肥N:225 kg/hm2。采用2.05 m宽膜覆盖,1膜6行,棉花行距配置为:10 cm+66 cm,株距为11 cm,其他管理措施同大田。

1.3 测定指标及方法

1.3.1 土壤指标 在棉花生长关键期蕾期(6月15日)、花铃期(7月25日)、吐絮期(9月5日)取0～60 cm土层土样,每10 cm为一土层,取样1个,重复3次。采用环刀法测定土壤体积质量,烘干法测定土壤含水率,土壤电导率法测定土壤含盐量。利用SC-900土壤紧实度仪测定不同生育时期土壤紧实度。

1.3.2 干物质和产量 在棉花生长不同生育时期,取长势均匀的具有代表性植株6株,利用烘箱120℃杀青30 min,调至80℃烘干至恒量,称量,全生育期取样6次,并用logistic方程模拟分析。棉花成熟吐絮后,每处理取吐絮棉铃50个,进行室内拷种,测定单铃质量、衣分,实数小区收获株数,实收小区产量记产。

1.4 数据处理

采用Microsoft Excel 2010、Suffer 8.0和DPS 7.05对试验数据进行统计分析和作图,不同深松处理之间差异显著性采用新复极差法,显著水平P＜0.05。

2 结果与分析

2.1 深松耕作对新疆绿洲棉田土壤体积质量的影响

由图1可知,蕾期0～60 cm土层深度内,各处理土壤体积质量随深度变化呈先增大后减小的趋势,不深松处理(SST0)土壤体积质量均明显高于其他深松处理,0～30 cm土层深度内,不同处理间土壤体积质量变化表现为SST2＜SST3＜SST1＜SST0,30～60 cm土层,SST3处理土壤体积质量最小,SST2处理次之;进入花铃期后,各处理土壤体积质量有所增大,但处理间变化规律不同,整个土层深度内,土壤体积质量为SST2＜SST3＜SST1＜SST0,不同的是30 cm土层以下,SST2和SST3处理土壤体积质量呈减小趋势,而SST1和SST0处理明显高于其他两个处理。吐絮期,0～30 cm土层各处理土壤体积质量变化规律同蕾期至花铃期变化趋势基本一致,在深层土体内,仅SST3处理土壤体积质量显著减小,而其他3个处理均呈增大变化趋势。从整个生育期来看,0～60 cm土层内,均以SST0处理土壤体积质量最大,且0～30 cm土层则以SST2处理土壤体积质量最小。与SST0相比,SST1、SST2、SST3处理0～60 cm土层平均土壤体积质量降低0.84%、3.94%、4.78%。由此说明,深松改变了棉田土壤结构,易创造深厚疏松的耕层土壤环境,随深松深度增加,土壤体积质量逐渐减小,并以SST2处理效果最好。

2.2 深松耕作对新疆绿洲棉田土壤紧实度的影响

新疆棉田经过长期连作存在坚硬的犁底层,犁底层土壤紧实度较高,阻碍棉花根系下扎和水分、养分运输。由图2可知,各处理土壤紧实度在不同生育期差异明显,蕾期0～20 cm土层土壤紧实度表现为SST2＞SST1＞SST3＞SST0,土层深度达到30 cm左右时,SST0处理土壤紧实度达到最大值,表现为SST0＞SST1＞SST2＞SST3,分别高27.97%、54.88%、61.45%。花铃期0～20 cm土层以SST0土壤紧实度最高,且在10～20 cm SST0与其他处理差异显著,30 cm以下土层与蕾期表现基本一致,但各处理间差异减小,SST0、SST1土壤紧实度高于SST2、SST3。吐絮期各处理土壤紧实度差异进一步减小,0～20 cm平均值表现为SST1＞SST3＞SST2＞SST0,30 cm以下土层表现为SST0＞SST1＞SST2＞SST3,分别高9.20%、21.73%、36.52%。与SST0相比,SST1、SST2、SST3处理0～60 cm土壤紧实度降低1.84%、9.49%、16.57%。由此说明,深松处理对耕层土壤紧实度有一定影响,但规律性不明显,而耕层以下深层次土壤紧实度则随深松深度增加呈下降趋势。

2.3 深松耕作对新疆绿洲棉田土壤含盐量的影响

新疆棉田普遍存在次生盐碱化问题,棉田土壤含盐量的变化对棉花生长产生重要影响。如图3所示,蕾期至花铃期各处理土壤盐分含量变化规律基本一致,在0～30 cm土层,各处理土壤盐分含量变化规律表现为SST2＜SST3＜SST1＜SST0处理,SST0处理盐分浓度峰值出现在20～30 cm土层,而30～60 cm土层内,土壤盐分含量变化规律则表现为SST0＜SST1＜SST2＜SST3处理,且SST0处理显著低于其他处理,随土层深度增加,深松处理土壤盐分浓度逐渐增大,土壤盐分被淋洗至深层土壤,且随深松深度增加,深层土壤盐分增大,这主要是由于不深松处理土壤紧实度大,盐分未能随水向深层淋洗,而深松处理打破了土壤犁底层,增大了土壤通透性,易于盐分随水向下移动,脱盐效果较好。至吐絮期,各处理土壤含盐量明显增大,上层土体内土壤含盐量高于下层土壤含盐量,以SST3处理土壤含盐量较大,而深层土壤内则呈相反的变化规律,这可能是由于生育末期形成返盐的作用,且深松深度愈大返盐越强烈。综上表明,增加深松深度,可使土壤透性增大,有利于耕作层脱盐,且SST2处理可维持更低的安全盐分土壤环境。

2.4 深松耕作对新疆绿洲棉田土壤含水率的影响

由图4可知,棉花蕾期,在0～30 cm土层内,以SST2处理土壤含水率最高,SST0处理土壤含水率最低,30 cm土层以下,SST0处理土壤含水率明显增大,其他处理土壤水分含量波动较大,这可能是由于深松打破土壤犁底层,深层土壤水分向上移动造成,而不深松处理由于犁底层的存在,下层土壤水分向上移动受阻,故含水量增加。进入花铃期,0～60 cm土层,各处理间土壤水分含量变化差异更明显,且不同处理变化规律与蕾期一致,30 cm土层以上,处理间土壤含水率呈SST2＞SST3＞SST1＞SST0。到吐絮期,各处理表层土壤含水率显著降低,随土层深度增加,土壤含水率逐渐增大,且仍以SST2处理土壤含水率最大。苗期、花铃期0～30 cm土层土壤含水率以SST2最高,较SST0增加31.00%、64.50%。分析表明,在0～30 cm土层,各生育时期SST2处理土壤含水率显著高于其他处理,SST0处理最低,在30～60 cm土层,SST0处理土壤含水率明显增大,深松处理有利于蓄水保墒,可提高深层土壤的水分利用率,以SST2处理保水性能最好。

2.5 深松耕作对新疆绿洲棉田棉花干物质积累的影响

不同处理棉花各生育时期的干物质积累情况如图5,深松对棉花干物质积累量的影响主要表现在盛花期之后,呈现SST 2＞SST 3＞SST 1＞SST0,且各处理间差异显著(P＜0.05);SST2处理干物质积累量显著高于其他处理,其他生育时期虽然各处理干物质积累量呈相同的变化规律,但差异不显著。表明适度深松有助于促进棉花单株干物质的形成,深松40 cm棉花各生育时期干物质积累量最高。

应用Logistic生长模型对各处理棉花的干物质积累过程进行拟合(表1)。从棉花总干物质积累的动态变化来看,随深松深度的增加,单株干物质最大积累速率和生长特征值均呈现为先增大后减小的变化趋势,当深松40 cm时,积累速率和生长特征值(GT)达到最大,不进行深松处理的最大积累速率最小。各处理干物质积累进入快速增长期的起始日差异不大,SST0处理持续期最长,随着深松深度的增加,快速积累持续期明显缩短。最大积累速率(Vm)则表现为SST2＞SST3＞SST1＞SST0。综上表明,深松有利于加快干物质的快速积累量,缩短积累期。

表1 棉花干物质积累的Logistic生长模型及相关参数Table1 Growth model and related parameters of logistic for dry matter accumulation of cotton

2.6 深松耕作对新疆绿洲棉田产量的影响

由表2可知,深松处理促进了棉花产量形成,籽棉产量表现为SST2＞SST3＞SST1＞SST0,分别较SST0高18.20%、2.45%、0.26%。其中SST2、SST3单 株 结 铃 数 显 著 高 于SST0(P＜0.05),SST2单铃质量与衣分较SST0有所提高,但差异不显著(P＞0.05)。可见适当的深松可以提高棉田产量,其中深松40 cm对提高棉花单株结铃数和产量的效果最显著。

表2 深松耕作棉花产量及产量因子Table2 Component factors and yield of cotton under treatment of subsoiling

3 讨论

3.1 深松耕作对棉田土壤特性的影响

深松耕作措施可扰动深层次土壤,且不翻转土层,改善和调节土壤结构。新疆绿洲棉田种植区,长期采用传统翻耕方式,土壤粉质化加重,土壤孔隙度减小,土壤穿透阻力增加[12]。黄健等[13]研究表明随着土壤体积质量的增加,土壤团粒结构逐渐丧失,土壤结构紧密坚实,土壤通透性能降低。Alamouti等[14]发现与常规耕作相比,深松可使0～50 cm土层深度土壤体积质量平均降低0.14 g/cm3,且在深度32 cm时对土壤体积质量影响最大。土壤紧实度与土壤体积质量呈正相关,深松后耕层土壤孔隙度增加,土壤紧实度较深松前下降25.66%,土壤通气状况改善[15]。本研究表明深松可显著降低新疆棉田土壤体积质量,在0～30 cm土层土壤体积质量蕾期各处理差异明显,以深松40 cm土壤体积质量最小。30～60 cm土层土壤体积质量SST3、SST2显著低于SST0。0～60 cm平均土壤紧实度表现为SST3＜SST2＜SST1＜SST0,较SST0分别降低16.57%、9.49%、1.84%。说明深松深度增加可有效疏松耕层以下土壤,降低深层次土壤体积质量和土壤紧实度,改善土壤结构。

深松可以改善土壤渗透性,增加深层土壤蓄水量,提高土壤水分利用率[16]。新疆棉田次生盐碱化问题突出,盐分过高可通过渗透胁迫、离子毒害,影响作物生长[17]。王新兵等[18]通过深松与浅旋耕作相比,认为0～20 cm土壤含水率略降低,20～50 cm则显著增加7.14%。秦都林[19]研究表明,深松可降低蕾期和花铃期0～40 cm土壤含盐量。刘长江等[20]研究发现垄沟深松40 cm和中耕深松30 cm显著降低苏打盐碱化旱田有效耕层土壤含盐量。本研究表明深松40 cm显著提高蕾期、花铃期0～30 cm土层土壤含水率,较对照增加31.00%、64.50%,30～60 cm土层蕾期、花铃期土壤含水率则随深松深度增加而降低,但吐絮期以深松40 cm最高,较对照增加12.10%。蕾期、花铃期0～30 cm土壤含盐量以深松40 cm最低,较对照下降11.10%、19.10%,吐絮期增加4.30%。30～60 cm土层土壤含盐量蕾期、花铃期以SST0最低,深松处理间差异不明显,吐絮期则SST0显著高于深松处理。可见,深松40 cm使深层土壤水分向耕层运移,保证棉花关键生育期土壤含水率维持在较高水平,同时深松提高了冬灌水的压盐碱效果,使棉花关键生育期耕层土壤含盐量维持较低水平,利于棉花生长和产量形成。

3.2 深松耕作对棉花产量形成的影响

深松增加了耕层深度,促进根系对土壤水分与养分的吸收,显著增加根系与地上部的干物质积累量[21]。秦都林[19]研究表明深松显著增加棉花花铃期干物质积累量,进而使皮棉产量提高16.10%,产量增加主要是群体结铃数和铃质量增加11.70%和7.30%,对衣分无显著影响。本研究与前人研究结果基本一致,深松40 cm时能显著促进棉花干物质积累量,盛花期及以后干物质积累量显著高于其他处理,深松40 cm使棉花干物质提早进入快速积累期,同时最大速率(Vm)、生长特征值(GT)显著高于SST0。深松可显著提高籽棉产量,深松40 cm时产量最高,较对照增加18.20%,产量增加主要原因是单株结铃数提高,较SST0增加15.00%,而单铃质量和衣分无显著差异。

4 结论

新疆绿洲棉田膜下滴灌条件下,采用秋深松耕作方式,可有效打破棉田长期耕作形成的犁底层,疏松深层土壤,增加耕层厚度,降低棉花关键生长期土壤体积质量和土壤紧实度,提高耕层土壤含水率,使耕层土壤含盐量显著降低,提高冬水的脱盐效果,促进棉花花铃期干物质积累,并最终提高棉花产量。现阶段新疆主产棉区长期连作模式,导致犁底层加厚变硬,耕层土壤生产力退化的背景下,采用深松40 cm打破犁底层,改善土壤环境,具有较好的增产效果和应用前景。