周年耕作模式对夏玉米耕层土壤及产量的影响

赵东波 高建胜 郭良海 郭建军 崔慧妮 郭智慧

摘    要：为促进黄淮海冬小麦-夏玉米一年两熟区高质量农田可持续发展，2018—2021年，采取裂区设计，冬小麦播种前旋耕（A）、深松（B）、深翻（C）作为主处理，夏玉米播种前免耕（X）、灭茬（Y）和旋耕（Z）作为副处理，对周年不同耕作模式与耕层土壤特征、夏玉米产量及稳定性的关系进行了系统研究。结果表明：小麦季深松或深翻与玉米季直接播种或灭茬播种结合的周年轮作（B-X、B-Y、C-X、C-Y），能有效的增加土壤含水量，降低土壤容重和坚实度，达到改善耕层土壤特性，有助于维持优良土壤结构的稳定性，在黄淮海一年两熟区要优于其它周年耕作模式;且夏玉米产量稳定，其中C-Y耕作模式比A-Z增产18.6%。小麦季播种前深松或深翻与玉米季播种前免耕或灭茬组成的周年耕作模式，是黄淮海区域值得推广的周年耕作管理方式。

关键词：周年耕作模式;冬小麦-夏玉米轮作区;土壤特性;产量

中图分类号：S513; S344       文献标识码：A      DOI 编码：10.3969/j.issn.1006-6500.2022.05.005

Effects of Annual Tillage Patterns on Soil Properties and Yield of Summer Maize

ZHAO Dongbo， GAO Jiansheng， GUO Lianghai， GUO Jianjun， CUI Huini， GUO Zhihui

（Dezhou Academy of Agricultural Science， Dezhou， Shandong 253015， China）

Abstract： In order to promote the sustainable development of high-quality farmland in the double cropping area of winter wheat and summer maize in Huang-Huai-Hai Region， a split-zone design was adopted from 2018 to 2021， with rotary tillage （A）， deep loosening （B）， and deep tillage （C） before sowing of winter wheat as the main treatments， and no-tillage （X）， stubble removal （Y）， and rotary tillage（Z） before sowing of summer maize as the sub-treatments， to systematically study the effects of different tillage patterns on soil characteristics of the tillage layer， summer maize yield and stability. The results showed that the annual crop rotation（B-X， B-Y， C-X， C-Y） combining deep loosening or deep tillage in wheat season with direct seeding or stubble sowing in maize season could effectively increase soil water content， reduce soil bulk and firmness， improve soil characteristics of the tillage layer， and help maintain the stability of good soil structure， which was better than other annual tillage patterns in the double cropping area of the Huang-Huai-Hai Plain， with stable summer maize yield. Among them， the C-Y tillage pattern increased maize yield by 18.6% compared with A-Z combination. The annual tillage mode composed of deep loosening or deep tillage before sowing in wheat season and no tillage or stubble before sowing in maize season is a recommended annual tillage management mode in the Huang-Huai-Hai Plain of China.

Key words： annual tillage patterns; winter wheat-summer maize rotation system; soil characteristics; yield

玉米已經发展成为我国最重要的粮食、饲料、工业原料作物，在保障中国乃至世界粮食安全方面占有极其重要地位[1]。2020年全国玉米播种面积4 126.4万hm2[2]，玉米产量26 066.5万t[3]，占到粮食总产量的38.93%，面积、总产量均居三大主粮作物之首。华北平原作为我国三大粮食主产区之一，农作物的播种面积和粮食产量约占全国的31%和36%[4]。以免耕与秸秆覆盖相结合的保护性耕作措施，在改善土壤理化特征方面已经得到验证[5]。然而近二十年来，黄淮海冬小麦-夏玉米轮作区，普遍采用小麦季“玉米秸秆粉碎还田旋耕后播种小麦”，玉米季“小麦秸秆覆盖还田免耕直接播种玉米”，长期以此周年轮作，导致耕层普遍变浅，土壤退化，已经影响到轮作作物生产的可持续性。前人在不同生态区针对耕作模式与土壤特性、微生态环境、玉米生长发育等方面开展了大量研究，发现不同农业管理方式、气候和地理区域条件下应用保护性耕作措施对玉米产量的影响存在差异[6]。深松可以有效增加玉米耕层厚度，降低中下层土壤容重和紧实度，改善根系发育，提高玉米产量[7-10]。为此，基于长期的耕作定位试验，在本研究所此前关于“播种方式对夏玉米农艺性状及产量的影响”基础上[11]，开展小麦季旋耕、深松、深翻与玉米季免耕、灭茬、旋耕结合的周年耕作模式的试验研究，分析了周年不同耕作模式对土壤特征、夏玉米产量及稳定性的影响，为黄淮海农田高质量可持续发展提供理论依据和技术支撑。

1 材料和方法

1.1 试验地概况

试验区位于山东省德州市德城区黄河涯镇（116.346 7 E，37.360 0 N），年平均气温14.9 ℃，2019—2021年平均降水量657.9 mm（图1），属于中纬度暖温带大陆性气候，典型的黄淮海冬小麦-夏玉米轮作区。试验区略带黏性的砂质土壤为主，此前长期采用小麦季灭茬旋耕播种，玉米季免耕直接播种，两季秸秆全量还田。试验地0～20 cm土层基础理化性状如表1所示。1.2 试验处理

2018—2021年，试验采取裂区设计，设置3个主处理（小麦播种前）：（A）旋耕。夏玉米收获后，玉米秸秆粉碎，全量均匀还田，用旋耕犁（1GKNB-420型变速）旋耕2遍，粉碎的玉米秸秆与表层土壤（0～10 cm）混合，然后播种冬小麦;（B）深松。夏玉米秸秆粉碎后深松犁深松30～35 cm，再旋耕1遍，玉米秸秆主要分布于0～10 cm土壤;（C）深翻。夏玉米秸秆粉碎后用深耕犁（1L-435）深翻1遍，深度为25～30 cm，旋耕1遍，粉碎的玉米秸秆分布于0～30 cm土壤。设置3个副处理（玉米播种前）：（X）免耕。小麦收获后直接玉米播种，秸秆全部还田;（Y）灭茬。小麦收获后灭茬，小麦秸秆均匀覆盖在土壤表面，然后播种玉米;（Z）旋耕。小麦收获后，直接旋耕2遍，粉碎的小麦秸秆与表层土壤（0～10 cm）混合。共9种处理，依次为A-X、A-Y、A-Z、B-X、B-Y、B-Z、C-X、C-Y、C-Z。试验小区面积12 m×20 m = 240 m2，每个处理3个重复。第1年随机区组排列，以后固定位置。

1.3 试验管理

采用黄淮海传统的冬小麦-夏玉米一年两熟轮作模式，小麦季种植‘济麦22并统一管理，不作调查。玉米季选用当地主载品种‘登海605，6月中旬播种（见表2），播种次日灌水，种植密度设定为75 000株·hm-2，行距60 cm。玉米播种前基施复合肥（N∶P2O5∶ K2O=15∶ 15∶ 15，总养分≥45%）300 kg·hm-2。试验周年轮作过程中，小麦和玉米的施肥、灌水、病虫害防治等管理方式均相同，仅在耕作方式上有差異。

1.4 参数测定及计算方法

土壤含水量：玉米播种期、拔节期、开花期与成熟期，采用土钻法分别取0～20，20～40，40～60，60～80，80～100 cm，5个土壤层，用烘干法测定土壤含水量。

土壤容重：玉米播种期、拔节期、开花期与成熟期，用环刀法分别取0～15，15～25，25～35 cm，3个土壤层，土样转移到铝盒中，在105 ℃下烘24 h称重，计算单位体积中烘干土的质量，计算土壤容重（土壤容重=烘干土样质量 / 环刀容积）。

土壤坚实度：玉米播种期、拔节期、开花期与成熟期，使用土壤硬度计（TYD-2型，浙江托普仪器有限公司生产）测定15，25，35 cm深度的土壤坚实度。

夏玉米产量测定和考种：人工收获各小区中间2行的果穗，脱粒晒干后测含水量和产量，按14%标准含水量折算小区产量，计算玉米单产。每小区连续选择20个果穗进行考种，考种项目包含穗粒数、单穗重、千粒重等。

1.5 气象数据

试验区气象数据来自德州国家气象观测站。

1.6 数据处理与分析

采用Microsoft Excel 2019进行数据整理和作图;IBM SPSS Statistics 26软件统计和分析数据，采用单因素（one-way ANOVA）和Duncans法进行方差分析和多重比较。

2 结果与分析

2.1 试验期间气象条件

2019—2021年试验区气象条件存在较大差异。图1为2019—2021试验区夏玉米生育期主要的气象因素。生育期所需积温和日均气温差别不大，2020年生育期积温最少;2021年最多，比2020年增加6.01%。2021年因为9月下旬和10月上旬降雨导致玉米收获推迟4～5 d，计算的积温高于实际生产需求。年降雨量和生育期内降雨量年际之间差别较大，2019年全年降雨仅为404.4 mm，而2021年7月降雨量就达到400.0 mm，全年降雨量是2019年的2.5倍。生育期内总日照时长和日均日照时长年际差别较大，2021年比2019年分别降低了20.6%，24.3%。

2.2 周年不同耕作模式对土壤含水量的影响

由图1和图2可以看出，不同年份间降水量差别很大，但试验区位于引黄灌溉区，土壤含水量年际间无显著差异。不同时期，周年不同耕作模式对土壤各层含水量的影响差异明显。周年耕作模式A-X、A-Y和A-Z土壤含水量低于周年耕作模式B-X、B-Y、B-Z、C-X、C-Y、C-Z对应的土壤层含水量。尤其开花期到成熟期，B-X、B-Y、B-Z、C-X、C-Y、C-Z耕作模式对应的各土壤层平均含水量均高于A-X、A-Y和A-Z各土壤层的平均含水量。耕作模式B-X、B-Y、B-Z和C-X、C-Y、C-Z对土壤含水量的影响无明显差异。小麦播种前耕作模式B和C的各土壤层含水量均明显大于A，五个土壤层含水量B分别比A高8.99%，11.88%，18.43%，8.02%，2.59%，C分别比A高8.99%，11.56%，15.95%，8.23%，3.00%;土壤含水量随着土壤深度增加差异逐渐变大，在60 cm深度时差异达到最大，然后差异逐渐变小。玉米季Z耕作模式的土壤含水量在土壤深度20，40，60，100 cm时均明显大于Y和X。

2.3 周年不同耕作模式对土壤容重的影响

由表3可以看出，随着土壤深度增加，土壤容重明显增加;2019—2021年份间各层土壤容重无明显差异。小麦播种前B和C耕作模式的土壤容重明显低于A耕作模式的土壤容重;玉米播种前Z耕作模式土壤深度0～25 cm时的容重明显低于X和Y耕作模式的土壤容重，在土壤深度25～35 cm时容重差异不明显。对比周年不同耕作模式平均土壤容重可以发现，B-Z和C-Z最低，但与其他耕作模式各生育期对应的土壤容重差值小。

2.4 周年不同耕作模式对土壤坚实度的影响

由表4可以看出，随着土壤深度增加，土壤坚实度明显增加;随着玉米生长发育，播种期、拔节期、开花期、成熟期对应的土壤坚实度也逐渐增加;2019—2021年，年份间平均土壤坚实度有所降低。小麦播种前的耕作方式其平均土壤坚实度B

2.5 周年不同耕作模式对夏玉米产量及稳定性的影响

由表5可以看出，周年不同耕作模式对应的夏玉米产量，2020年平均产量比2019年增产1.52%，2021年比2020年减产2.01%，产量差异不显著。小麦季播种前B和C耕作模式对应的夏玉米产量显著高于A耕作模式对应的产量，分别增产7.5%，7.6%。玉米季播种前X和Y耕作模式对应的夏玉米产量显著高于Z耕作模式对应的产量，分别增产9.4%，9.8%。穗粒数、单穗重、千粒重呈现与产量相同的规律，2019—2021年份间差异不显著，小麦季播种前B和C耕作模式显著高于A耕作模式，玉米季播种前X和Y耕作模式显著高于Z耕作模式。裂区试验设计9种周年耕作模式，其中B-X、B-Y、C-X、C-Y耕作模式，夏玉米平均产量最高，这4种耕作模式间无显著差异，平均亩产显著高于其它5种耕作模式，C-Y与A-Z的差异最大，C-Y比A-Z增产18.6%。穗粒数、单穗重和千粒重都是产量的重要构成要素，表现出与夏玉米单位产量相同的规律。

小麦季播种前深松或深翻与玉米季播种前免耕或灭茬组成的周年耕作模式，在黄淮海一年两熟区要优于其它周年耕作模式。小麦季深翻玉米季灭茬（C-Y）最好，但与其它3种周年耕作模式（B-X、B-Y、C-X）没有达到统计学上的显著差异。

3 结论与讨论

优良的土壤结构是实现作物高产稳产的基础，耕作措施能够直接作用于土壤，改变土壤结构，创造良好的耕层环境，从而促进作物生长[12]。华北平原作为我国粮食主产区，目前普遍采用小麦季播种前旋耕整地，玉米季免耕播种的栽培措施。长期旋耕、少耕的耕作模式，造成耕层变浅，犁底层上升，耕层土壤结构性变差，进而导致作物产量降低[13-14]。研究结果表明，小麦季深翻或深松与玉米季直接播种或灭茬播种结合的周年轮作（B-X、B-Y、C-X、C-Y），能有效地增加土壤含水量，降低土壤容重和坚实度，达到改善耕层土壤特性，有助于维持优良土壤結构的稳定性。赵亚丽等[8]研究发现，在河南省温县小麦季播种前设置耕作方式，深耕和深松可以有效降低土壤容重，提高土壤含水量，改善耕层土壤水分条件，提高作物干物质积累能力。毛红玲等[9]研究表明，免耕和深松与传统耕作相比，蓄水保墒作用更明显，2年平均土壤含水量比传统耕作分别增加6.72%，5.24%。赵萍等[10]研究发现，秋季深耕打破犁底层，降低土壤容重，增加了土壤孔隙。

研究结果表明，小麦播种前深松或深翻与玉米播种前免耕或灭茬组成的周年耕作模式，在黄淮海一年两熟区要优于其它周年耕作模式。其中小麦季深翻玉米季灭茬的周年耕作模式最好，比小麦季旋耕玉米季免耕直接播种的夏玉米增产18.6%。这与此前研究结果基本一致，郭良海等[11]研究表明，夏季旋耕播种的土壤含水量比免耕播种和灭茬播种高，土壤容重和坚实度也较低，但由于大量小麦秸秆的存在，导致耕作层松软、孔隙过大，因此不利于玉米的播种出苗，导致玉米苗势较弱，影响了后期的生长发育，最终影响玉米的产量。张丽华等[15]研究发现，小麦播种前采取深翻或深松比旋耕，次年玉米产量分别增加8.36%，14.35%。李景等[16]研究表明，长期免耕和深松提高了土壤团聚体颗粒态有机碳及全氮含量，支持了夏玉米播种前旋耕等翻动土壤的耕作模式对于土壤耕层结构具有破坏作用，成为降低夏玉米产量的一个因素。周年耕作模式与土壤、气候等环境因素共同影响作物的产量[17]。小麦播种前深松或深翻与玉米播种前免耕或灭茬组成的周年耕作模式，在黄淮海一年两熟区要优于其它周年耕作模式，有望带动德州市粮食大面积均衡增产，助力德州市吨半粮生产能力建设[18]。

综上所述，针对黄淮海冬小麦-夏玉米一年两熟区，长期采用冬小麦播种前旋耕夏玉米播种前免耕的周年耕作模式不利于夏玉米高产和稳产;小麦季播种前深松或深翻与玉米季播种前免耕或灭茬组成的周年耕作模式，要优于其它周年耕作模式，是黄淮海区域值得推荐的周年耕作管理方式。

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