粉垄耕作对宁夏银北盐碱地土壤养分及玉米产量的影响

任晓月，陈彦云，梁新华

(宁夏大学生命科学学院，银川 750021)

【研究意义】玉米是宁夏重要的粮食作物，占粮食总产量比重的 45.7%，是宁夏粮食产量第一大作物，种植区域主要集中在引黄灌区，该区域玉米面积约占宁夏玉米种植总面积的75%[1]。由于良好的光、热自然条件和灌溉系统，宁夏玉米单产水平远高于全国平均水平。【前人研究进展】近年来玉米生产能力稳步提高，但玉米单产的增长速率却逐渐降低。宁夏玉米田土壤耕层深度平均16.5 cm ，普遍存在土壤耕层深度变浅，土壤结构紧实，有效耕层土壤量显著减少的问题[2]。为此，宁夏银北引黄灌区引进粉垄耕作技术，粉垄耕作技术由广西农业科学院于 2008 年首次提出，并于 2012 年 3 月 28 日通过了广西壮族自治区科学技术厅主持的科技成果鉴定。粉垄耕作的机械由广西五丰机械有限公司提供，该机械带有垂直螺旋钻头，可根据作物种植深度需求，利用螺旋钻头垂直旋转入土 30～50 cm，粉碎土壤[3]。【本研究切入点】粉垄耕作不乱土层，同时可扩建土壤养分库、耕地水库[4]，促进作物充分利用土壤养分。经过对多地多种作物试验研究表明，粉垄耕作对冬小麦[5]、玉米[6]、水稻[7]、木薯[8]等均具有增产效果，粉垄还可降低盐渍化土壤盐分[9]。因此，研究粉垄耕作后土壤性质的变化，探寻改善土壤结构的新型耕作模式，可以筛选出适宜宁夏银北引黄灌区的粉垄耕作技术，实现土壤良性生产。【拟解决的关键问题】本试验通过与常规耕作相比，研究粉垄耕作对宁夏银北引黄灌区盐碱地土壤养分的影响，以期为粉垄耕作在引黄灌区盐碱地上的推广应用提供理论参考依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验于 2020年4—10月在宁夏回族自治区石嘴山市平罗县头闸村(106°63′N，38°95′E)进行，属温带大陆性气候，海拔1091 m，日照充足、昼夜温差大、干旱少雨、年蒸发量1755 mm，年平均气温8.8℃，平均风速2～3 m/s，无霜期171 d，年降雨量184 mm，试验区土壤为黏土，基础土样0～20 cm土层土壤有机质 19.68 g/kg、碱解氮 76.92 mg/kg、速效磷34.69 mg/kg、速效钾214.03 mg/kg、全氮1.10 g/kg、全磷0.86 g/kg、全钾20.63 g/kg，pH为8.29。

1.2 实验材料及处理

供试玉米品种为‘迪卡5号’， 播种前于2020年 4月11日，采用广西五丰机械有限公司自走式粉垄机耕作，交叉作业，全面深松垂直旋磨粉碎土壤，深度40 cm(FL40)和50 cm(FL50)，对照为传统拖拉机耕作深度20 cm(CK)，随机区组试验设计，每个小区面积50 m×3 m(150 m2)，3次重复，4月25日播种，保苗密度为6万株/hm2，行距为65 cm，株距为25 cm。肥料用量为N 243 kg/hm2，P2O592 kg/hm2和K2O 80 kg/hm2。灌溉用水采用引黄自流灌溉，田间管理按常规进行。各处理田间管理均一致，9月20日收获(表1)。

表1 试验设计

1.3 测定项目及方法

在玉米不同生长发育时期，即苗期、大喇叭口期、吐丝期、灌浆期和成熟期，S形取样法，取0～20，20～40，40～60 cm 3层土样，每层重复采集4份, 同时用铝盒采集少量鲜样，测定土壤含水量，其它样品带回实验室每份再分成2份，1份鲜样，1份自然风干用于土样养分指标的测定。

1.3.1 土壤水分与pH测定 土壤水分采用烘干法测定[10]；土壤pH测定：电极法测定，称取通过1 mm筛孔风干土样10.0 g置于25 mL烧杯中，加蒸馏水10 mL混匀，静置30 min，用校正过pHs-2 型计测定悬液的pH。

1.3.2 土壤化学性质测定 土壤有机质采用重铬酸钾氧化外加热法测定，土壤碱解氮利用碱解扩散法测定，土壤速效磷采用碳酸氧钠法测定，土壤速效钾采用醋酸铵浸提—火焰光度计法测定[10]。

1.3.3 玉米产量测定 成熟期各小区取2个10穴用于考种，考查穗数、每穗粒数、结实率和千粒重。各小区按实收穴数计产。玉米成熟期各小区取中间2行进行考种，考查穗数、穗粒数、百粒重。

2 结果与分析

2.1 不同粉垄耕作深度对土壤含水量的影响

由图1可知，不同粉垄深度处理的土壤含水量在玉米不同生育期较传统耕作均存在显著差异，在苗期至灌浆期，FL40均显著高于CK，FL40土壤含水量最高为16.99%，其次为FL50，土壤含水量为16.86%，分别较CK提高6.5%和5.8%；但在成熟期CK显著高于FL40和FL50，可能的原因是随着生育进程的发展，降雨量增加同时地表蒸散量减小和玉米根系对深层土壤水分吸收的增加，呈现出土壤中层水分降低耕层水分增加的变化趋势。

图1 不同粉垄耕作深度对土壤含水量的影响

2.2 不同粉垄耕作深度对土壤pH的影响

由图2可知，在玉米整个生育期CK的土壤pH均显著高于FL40和FL50，说明不同粉垄耕作深度均可显著降低土壤pH，且纵观玉米整个生育期来看，土壤pH整体呈现出先增加后下降的整体变化趋势。

2.3 不同粉垄耕作深度对土壤有机质含量的影响

由图3可知，不同粉垄深度处理之间土壤有机质含量没有差异，FL40和FL50在苗期和大喇叭口期土壤有机质含量均显著高于CK，FL40整个生育期土壤有机质平均含量最高为16.75 mg/kg，其次为FL50，平均含量为16.5 mg/kg，分别较CK显著提高了3.9%和2.4%，说明粉垄耕作处理后的土壤有机质含量得到了明显的提高。但到玉米吐丝期，CK的土壤有机质含量显著高于FL40和FL50的，这可能是由于粉垄耕作使植株在吐丝期生长发育优于CK，对土壤有机质大量吸收所致。

图3 不同粉垄耕作深度对土壤有机质含量的影响

2.4 不同粉垄耕作深度对土壤速效养分的影响

由表2可知，在玉米整个生育期土壤碱解氮的变化规律为：各处理间均呈现出先升高后下降的趋势，特别是FL40和FL50的碱解氮从苗期至喇叭口期迅速升高至峰值，然后又急速下降，且CK的碱解氮含量在成熟期显著高于粉垄耕作处理的，这可能是由于粉垄耕作使植株在吐丝期后生长发育优于CK，对土壤碱解氮吸收量增大而致；在大喇叭口期FL40和FL50的碱解氮含量显著高于CK，尤其以FL40最为明显，说明经粉垄处理后的土壤碱解氮含量明显增加。 在玉米整个生育期土壤中的速效磷变化规律为：CK和FL40的土壤速效磷在苗期至大喇叭口期略有上升，自吐丝期至成熟期呈逐渐下降的趋势；而FL50则是在整个生育期呈逐步下降的趋势，这符合玉米整个生育期对土壤速效磷吸收的规律；但在整个生育期FL40和FL50速效磷的平均含量均高于CK，尤其以FL50最为显著，说明粉垄处理后的土壤速效磷含量提高。在玉米整个生育期土壤速效钾变化规律为：CK和FL40的土壤速效钾在苗期至吐丝期呈先下降后上升的趋势，在吐丝期达到最高值，随后在灌浆期至成熟期呈逐渐下降的趋势，且FL40在生育前期的土壤速效钾含量显著高于CK，说明FL40可有效提高土壤速效钾的含量，而FL50的作用不明显。

表2 不同耕作处理对土壤速效养分的影响

2.5 粉垄耕作对玉米产量性状的影响

玉米收获后，对不同处理的玉米植株进行了考种分析，由表3得出：玉米籽粒的产量构成要素中，粉垄耕作深度对玉米籽粒的百粒重、穗粒数、 667 m2穗数和产量影响显著。其中，FL40百粒重最高，为55.47 g/百粒，其次是FL50，为54.65 g/百粒，分别较CK显著提高9.5%和7.9%；FL40穗粒数最高(638.57粒/穗)，显著高于FL50(557.44粒/穗)，两者分别显著高于CK 32.4%和15.5%； 穗数与穗粒数相似，FL40最高，平均为3985.38穗/667 m2，显著高于FL50(3503.86穗/667 m2)，两者分别显著高于CK 31.9%和15.9%；从产量来看，仍以FL40最高、平均为1049.89 kg/667 m2，显著高于FL50(768.93 kg/667 m2)，提高36.5%，也显著高于CK(708.33 kg/667 m2)48.2%。FL50较CK提高了8.6%，但两者之间差异不显著。

表3 不同粉垄耕作深度对玉米产量的影响

2.6 玉米产量与粉垄耕作处理后的土壤含水量、pH、速效养分和有机质含量的相关性分析

由图4可知，粉垄耕作处理后的玉米产量与土壤中速效养分碱解氮和速效钾之间存在相关性，达到极显著水平，说明土壤中的碱解氮和速效钾含量影响了玉米的产量；而土壤水分、pH、有机质和速效磷与玉米产量之间没有明显的相关性，这可能是由于经粉垄处理后的土壤碱解氮和速效钾含量升高后更易被玉米植株吸收所致，进而影响玉米产量；而速效磷不易被植株吸收所致。

图4 玉米产量与土壤含水量、pH、有机质和速效养分的相关系数热图

3 讨 论

3.1 粉垄耕作对土壤含水量和pH的影响

李轶冰等[11]研究认为粉垄耕作后易于调用深层水分，土壤调蓄水分更通畅。刘江汉等[12]研究认为粉垄耕作后各处理土壤含水量有显著提升，土壤三相比例有所优化。其中30～45 cm土层以F45效果更好，本研究也发现粉垄处理后的土壤水分显著提升，尤其以玉米生育前期最为明显，且粉垄40 cm处理更好。主要原因可能是粉垄耕作深度较深，深层土壤孔隙度因而提高，水分渗透性得到改善，使得深层土壤含水量显著提高，从而改善底层土壤环境，对底层土壤养分的利用也将有所改善。

盐碱地因土壤高盐、高 pH 问题对作物有盐碱胁迫作用，盐碱胁迫对种子萌发及作物生长影响显著[13]，在作物生长期间，盐碱胁迫作用还会抑制作物对土壤水分和养分的吸收，从而影响作物产量。本研究表明，粉垄耕作可显著降低平罗玉米地土层深度在40～60 cm的pH，为玉米种子萌发及生长提供良好的条件。这与杨博，屈忠义等[14]的研究：粉垄耕作 0～40 cm 深度土壤可显著降低pH的结论相符。

3.2 粉垄耕作对土壤速效养分的影响

已有研究表明，旱地、水田经粉垄整地处理的土壤其有机质和速效氮、磷、钾含量均比未粉垄的原土土壤高[15-16]，本研究也发现土壤速效磷经粉垄处理后在整个玉米生育期含量均提高，以粉垄50 cm处理最为明显；粉垄整地过程中，由于其温度提高、水分分布均匀、氧气充足，使得土壤微生物活动加剧，这些因素都促进了土壤有机质含量增加[17]。本研究表明土壤有机质、碱解氮和速效钾经粉垄处理后在生育前期含量明显增加，有机质增加以苗期和大喇叭口期最为明显，碱解氮则以大喇叭口期最为明显，速效钾则是以FL40处理的玉米生育前期最为显著，但在生育后期都呈逐渐下降趋势，推测这与玉米生育后期大量吸收养分有很大的关系。此结论与聂胜委，张玉亭等[18]的研究：在相同的品种、肥、水、管理等条件下，通过改变耕作方式能够提高作物对养分的吸收和利用率，耕层土壤养分在成熟期下降的结论是一致的。分析原因可能是粉垄耕作后土壤容重显著降低，使土壤的通透性提高[19]，促进了土壤氮素的矿化分解与缓效钾的释放，且粉垄耕作能够打破部分犁底层，使土壤含水量、孔隙度等土壤环境条件得到改善，有利于土壤中速效磷的有效性提高[20-22]。

3.3 粉垄耕作对玉米产量的影响

聂胜委等[23]研究发现，粉垄耕作能够增加小麦、玉米两季作物产量，促进作物对养分的吸收，适当增加耕作层的厚度更有助于小麦产量的提高。韦本辉等[24]研究表明粉垄栽培技术可以增加马铃薯的产量，并提高商品薯的比例。本研究也发现粉垄耕作处理后的玉米产量要高于CK。可能是粉垄耕作后土壤结构得到明显改善，提高了土壤养分含量，更加适合玉米生长，使玉米产量显著增加。

3.4 玉米产量与粉垄耕作处理后的土壤含水量、pH、速效养分和有机质含量的相关性分析

刘征等[25]从时间和空间上对河北省山区的土壤养分及玉米的产量进行了定量分析和相关性研究，研究发现土壤中全磷和速效钾的含量是影响玉米产量的主要因素。本研究则发现经过粉垄处理后的土壤碱解氮和速效钾的含量是影响玉米产量的主要因素。这可能的原因是经粉垄处理后的土壤养分被激活，速效养分含量增加，作物生长前期获得了较好的根系生长效果，最终获利了增产效果[18]。而磷肥施入土壤后很容易被固定从而使作物难以吸收[26]，这可能是本研究中土壤速效磷与玉米产量相关性不显著的原因。

4 结 论

粉垄耕作对改善土壤理化性质及养分水平具有良好的作用。经粉垄整地后，土壤水分、速效养分含量增加，利于玉米生长前期根系生长，从而为最终的增产奠定良好基础。