不同耕作方式下玉米抗旱保苗及土壤蓄水保墒效应的层次递进分析

姜春霞 ，单宇茜 ，杜宇昕 ，杜瑞卿 ，刘恩科 ，张冬梅

（1.山西农业大学山西有机旱作农业研究院/省部共建有机旱作农业国家重点实验室（筹）/有机旱作山西省重点实验室，山西 太原 030031；2.南阳师范学院 生命科学与农业工程学院，河南 南阳 473061）

玉米的种植面积、总产量、单产均居山西省谷类作物的首位，是对国民经济贡献率最大的作物。山西省地处黄土高原东部，位于世界三大玉米黄金生产带，其光、热、雨等自然资源与玉米生长发育同步，但是山西玉米多为旱地种植，干旱缺水成为其产量提高的主要制约因素。统计资料表明，全省各地春旱最为普遍，10 a 中有6～9 a 不同程度春旱，严重影响玉米的播种及出苗[1]。因此，发展节水、生态、环保、可持续发展的有机旱作农业种植技术，因地制宜地采用少耕、深耕、深松等农业工程措施，提高土壤蓄水保墒能力，以提高作物抗旱能力。

土壤水分条件对作物生长、发育和产量形成起着举足轻重的作用。研究表明，通过水分来调节其他肥力因素，可实现以水调肥、以水调气、以水调热，从而使作物稳产高产[2]。合理的耕作措施对土壤水分状况产生正面影响[3]。IQBAL 等[4]研究认为，深耕增加了土壤与外界环境的接触，使土壤能够容纳更多的雨水并增加土壤的储水能力。杨雪等[5]在黄淮海平原黑龙港流域中部吴桥县研究表明，在深旋松耕处理下丰水时会促进降雨下渗、减少地表径流，而水分亏缺时则会保留更多水分，从而提高了土壤含水量。赵亚丽等[6]研究指出，深耕与深松增加了较深地层的土壤贮水量，减少了休闲期农田水分的无效损耗。前人针对不同耕作方式对土壤蓄水保墒效应开展了大量研究[5-8]，但均侧重于研究单一的土壤耕作方式对土壤水分、作物耗水特性及水分利用效率的影响，极少探讨耕作时期、耕作方式及深耕（松）间隔期对苗期土壤含水量、贮水量及玉米出苗率的影响。

本试验结合目前生产上较多采用的连旋带播技术，设置耕作时期、耕作方法、深耕（深松）间隔期三因素不完全随机区组试验，采用方差分析、判别分析、聚类分析方法层次递进分析，明确深耕（深松）技术对土壤含水量、贮水量及玉米出苗的影响，提出合理的节水、生态、高效的土壤耕作技术，提高土壤蓄水保墒能力，增强玉米抗旱保苗率，为该区域玉米高产稳产奠定基础。

1 材料和方法

1.1 试验地概况

试验于2021年在晋中市榆次区山西农业大学东阳试验基地进行。试验区位于北纬37°32′56″、东经112°40′42″，平均海拔在795～805 m，年平均气温10 ℃，年平均无霜期158 d。试验田土壤类型为潮土，主要为耕种壤质浅色草甸地。试验前0～20 cm 土壤有机质含量为13.3 g/kg，全氮、全磷、全钾含量分别为1.24、0.95、27.42 g/kg，有效氮、有效磷、有效钾含量分别为39.1、4.5、175.2 mg/kg，属中等肥力。2021年是丰水年，年降水量为467 mm，较多年平均降水量增加了79 mm，降水量集中于6—9月。试验区2021年5—10月与多年（1980—2010年）平均降水量如图1 所示。

图1 试验区2021年5—10月与多年平均（1980—2010年）降水量变化Fig.1 Change of precipitation from May to October in 2021 and the average precipitation from 1980 to 2010 in the experimental area

1.2 试验材料

供试玉米品种为大丰30，购买于山西大丰种业有限公司。

1.3 试验设计

试验采用多因素不完全随机区组设计，第1 因素为耕作时期，有3 个水平，即秋耕、秋耕+春耕、春耕；第2 因素为耕作方式，有3 个水平，即旋耕、深翻+旋耕、深松+旋耕；第3 因素为深耕（松）间隔期，有2 个水平，即1、2 次/a；试验处理分别为：A1.秋深翻+秋旋耕；A2.秋隔年深翻+秋旋耕；A3.秋隔年深松+秋旋耕；A4.秋旋耕；AB1.秋深翻+春旋耕；AB2.秋隔年深翻+春旋耕；AB3.秋隔年深松+春旋耕；AB4.秋旋耕+春旋耕；B1.春深翻+春旋耕；B2.春隔年深翻+春旋耕；B3.春隔年深松+春旋耕；B4.春旋耕；以上处理都是在玉米机械收获后秸秆粉碎还田的基础上进行。设置秋旋耕（秸秆不还田，D1）、春旋耕（秸秆不还田，D2）、连旋带播（D3）为对照，共15 个处理，5 次重复，共75 个小区，小区面积为100 m2。玉米种植密度为6万株/hm2。播种日期为2021年5月18日，收获日期为2021年11月25日。于播前一次性底施复合肥923 kg/hm2（N-P2O5-K2O为26-16-10），中期不追肥。分别于6月8日和8月17日通过滴灌方法进行补灌，灌水量分别为53.6、40.1 mm。其他管理措施同大田。

1.4 测定项目及方法

于播期、苗期采用土钻分别取0～10、10～20、20～30 cm 土样，采用烘干法测定0～30 cm 土壤含水率（播期、苗期土壤含水率平均值）。于成熟期采用烘干法测定0～200 cm 土壤含水率，每隔20 cm取土一次。

1.5 数据处理

采用Excel 2007 和SPSS 21.0 软件进行数据处理及统计分析。

2 结果与分析

2.1 土壤水分及玉米出苗情况分析

由表1 可知，秋隔年深松+秋旋耕和秋隔年深松+春旋耕可以改善播期和苗期的耕层土壤水分条件，0～10 cm 土壤含水量分别较对照D1、D2 和D3平均值提高了1.2、2.2 百分点，10～20 cm 土壤含水量分别较对照D1、D2 和D3 平均值提高了2.1、1.8 百分点，20～30 cm 土壤含水量分别较对照D1、D2 和D3 平均值提高了2.4、2.4 百分点，为玉米的抗旱播种保苗和苗期生长创造了较好的水分条件。

表1 土壤水分及玉米出苗情况Tab.1 Soil water content and maize seedling emergence rate

秋隔年深松+秋旋耕处理的出苗率为93.3%，较秋旋耕处理提高了2.3 百分点，较对照D1、D2 和D3 分别提高了6.3、1.0、6.0 百分点；秋隔年深松+春旋耕处理的出苗率为93.0%，较秋旋耕+春旋耕处 理 提高了1.7 百分 点；较 对 照D1、D2 和D3 分别提高了6.0、0.7、5.7 百分点。

秋隔年深松+秋旋耕收获期0～200 cm 土壤贮水量分别较对照D1、D2 和D3 提高了37、38、58 mm；秋隔年深松+春旋耕收获期0～200 cm 土壤贮水量分别较对照D1、D2 和D3 提高了34、35、55 mm；春隔年深松+春旋耕收获期0～200 cm 土壤贮水量分别较对照D1、D2 和D3 提高了42、43、63 mm。结果表明，深松处理发挥了明显的纳雨蓄墒作用。

2.2 方差分析和多重比较

从表2 可以看出，对苗期0～30 cm 土壤含水率、成熟期0～200 cm 土壤贮水量、玉米出苗率的方差分析表明，不同耕作方式对各指标都有极显著影响（P<0.01）。

表2 组均值的均等性检验分析Tab.2 Test analysis for equality of group means

通过多重比较分析（Duncan 法）得出，0～10 cm土壤含水率较高的处理为AB2、D3、A3、A2、AB3（相互间无显著差异），但最好的为AB3 处理，其次为A3、A2 处理，AB2、D3 处理与其他耕作方式间无显著差异。10～20 cm 土壤含水率较高的处理为AB4、B3、D3、A4、AB3、A3、AB1、A2、A1（相互间无显著差异），但最好的为A1 处理，其次为AB1、A2 处理，由于AB4、B3、D3、A4、AB3、A3 处理与其他耕作方式间无显著差异，所以，也无选取的意义。20～30 cm 土壤含水率较高的处理为AB1、A2、A3、AB2、AB3（相互间无显著差异），但最好的为AB3、AB2、A3 处理，其他耕作方式间无显著差异，所以，也无选取的意义。0～200 cm 土壤贮水量较高的处理为AB2，其次为A3、AB1。出苗率较高的为B1处理，其次为B2、A3 处理。

综合分析表明，秋隔年深松+秋旋耕（A3）出现次数最多，其抗旱保苗蓄墒能力优于其他处理，其次为秋隔年深松+春旋耕（AB3）。

2.3 不同耕作方式的聚类分析

依据5 个指标，对15 种耕作方式进行层次聚类Q 型聚类分析，结果如图2 所示。从图2 可以看出，B3 的样本、AB3 的样本、A3 的样本聚为一类，D3 的样本、AB4 的样本聚为一类，剩余其他50 个样本单位聚为一类。同一种耕作方式下的各个重复样本也都能聚到一起，正确率达100%。

图2 15 种耕作方式（5 重复）的Q 型聚类分析Fig.2 Q-type cluster analysis of 15 tillage methods（5 replicates）

依据耕作方式各指标的均值（表1）进行聚类分析，结果如图3 所示。结果表明，各耕作方式聚类结果与层次聚类Q 型聚类结果完全相同。

图3 15 种耕作方式（均值）的Q 型聚类分析Fig.3 Q-type cluster analysis of 15 tillage methods（means）

2.4 不同耕作方式的判别分析

依据5 个指标，对15 种耕作方式进行判别分析，结果如表3 所示。第一判别函数方差贡献率为99.3%，包含了足够的信息，因此，依据第一判别函数进行分类和选择优秀类，有99.3%的可信度。

表3 判别函数特征值Tab.3 Discriminant function eigenvalues

由图4 可知，15 个耕作方式可分为三类，分类边界清晰，各类又分布比较集中。依据第一判别函数值的大小可以看出，最好的一类是：7（AB3）、3（A3）、11（B3），最差的一类是：15（D3）、8（AB4），剩下其他的为一类。除1（A1）、4（A4）、10（B2）、13（D1）正确判别率为80%外，其余各耕作方式正确判别率为100%，说明判别分析正确、高效。

图4 判别分析分类Fig.4 Discriminant analysis classification diagram

由以上结果可知，隔年深松+秋旋耕/春旋耕的抗旱保苗蓄墒优于其他处理，而秋旋耕+春旋耕及连旋带播增加了土壤水分的散失，对玉米出苗产生不利影响。

3 结论与讨论

山西绝大部分区域早春播种所需土壤水分主要依靠土壤基本墒情以及降水补充，春季干旱成为制约旱作玉米正常播种与出苗的关键问题[10]，关系到玉米产量的形成[11]。因此，采用合理耕作方式改善土壤蓄水保墒能力，对黄土高原旱地农业具有重要意义。

刘洋等[12]研究表明，土壤含水率在不同时间不同耕种方法下各有不同，其中，深松耕作处理不但提高了土壤含水率，还可以增强土壤的蓄水能力。顾顺芳[13]研究表明，3 a 深松+1 a 免耕的耕作方式可以促进土壤含水量的增加，因为深松疏松了土壤而不翻动土壤，不仅打破犁底层，而且改善了土壤的通透性，增加对降雨和雪水的有效蓄存，提高了旱地蓄水保墒的性能。杨雪等[5]研究表明，不同耕作时期对土壤蓄水量影响不同，在耕种早期采用深旋松耕的耕作方式容易跑墒，随着时间推移，深旋松耕处理表现出利于降水入渗、储蓄更多水分的优势，并且越是干旱的时段表现越突出。苟琪琪等[14]和张洋等[15]研究认为，深松耕种时土壤含水率变化波动较小，深松尽管减少了50 cm 土壤含水率，但对10、30、70 cm 土壤含水率均有不同的改善。LIU等[16]研究认为，深松耕种大雨之后土壤湿度增加了0.5%，旋耕作为当前我国农业生产中的一项常规耕作措施，可以使土壤土质疏松，地表平顺，但连年旋耕会造成土层中毛细孔隙数下降，导致土壤通气、渗漏水、增温性差；而降雨后造成土壤结皮，从而产生土壤板结。李永平等[17]通过4 a 的定位试验研究表明，深翻模式具有较强的蓄水保水能力，深松模式次之，免耕模式较差。张娟等[18]研究表明，与深翻处理相比，深松显著提高播种期—孕穗期0～300 cm 土壤蓄水量。由此可见，不同学者对不同耕作方式对土壤蓄水能力研究结果不尽相同。本研究采用方差分析和多重比较法、层次Q 型聚类法、判别分析法对各指标进行分析，层次Q 型聚类分析可以从总体上进行科学有效的分类，揭示出各种耕作方式土壤蓄水保墒效应的相似性和差异性，进而采用基于聚类分析结果进行判别分析，既可以科学分类，又可以依据判别函数方差贡献率判断出各分类结果的优劣性和可靠程度，避免主观分析筛选结果总体性不强、可信度相对低的弊端，由此筛选出适宜该区域的耕作方式。本研究结果表明，秋隔年深松+秋旋耕、秋隔年深松+春旋耕较对照增加0～30 cm 土壤含水量；深松耕作处理不仅明显提高土壤含水量，且能提高0～200 cm 土壤贮水量，有利于提高土壤的蓄水能力，这与刘洋等[12]的研究一致。秋隔年深松+秋旋耕、秋隔年深松+春旋耕增强了土地的蓄水保墒和耐旱能力，有利于玉米的出苗，从而为作物高产稳产奠定基础，这与薛志伟[19]的研究结论一致。深松只疏松土壤不翻动土层，打破犁底层并改良土壤的渗透性，增强对雨水和雪水的蓄存能力，提高旱地蓄水保墒的性能，可作为该研究区旱地农业提高土壤蓄水保墒能力的耕作措施之一。