粉垄耕作深度对旱区土壤关键物理性质的影响

何进宇,石伟业,刘飞杨,马巧梅,杨 艳,杨佳鹤,崔烜玮,陈彦云

(1.宁夏大学土木与水利工程学院,宁夏 银川 750021;2.宁夏节水灌溉与水资源调控工程技术研究中心,宁夏 银川 750021;3.旱区现代农业水资源高效利用教育部工程研究中心,宁夏 银川 750021;4.宁夏大学农学院,宁夏 银川 750021;5.宁夏大学生命科学学院,宁夏 银川 750021)

不同耕作方式对土壤物理性质具有不同程度的影响,进而导致农作物产量产生差异[1-2]。如今我国北方干旱地区大部分的犁田方式采用机械旋耕[3],长时间旋耕容易使土壤的耕层变浅,容重增加,且土壤养分降低,阻碍农作物生长[4]。

粉垄耕作技术是利用“自走式粉垄耕作机”的双螺旋钻头将土壤垂直旋磨粉碎并自然悬浮成垄整地的一项新型耕作技术[5]。该技术能够有效地改善土壤蓬松程度,使得土壤疏松并且透气,同时能够达到蓄水保墒的效果,较传统犁耕和旋耕操作更为方便且效果显著[6-7]。前人研究表明,粉垄耕作能有效打破犁层,使得土壤容重降低、孔隙度增加、土壤含水量提高[8-9]。

目前粉垄耕作技术及最优耕作深度在宁夏银北干旱地区尚无定论,本试验将针对不同粉垄深度对旱地土壤关键物理性状的影响开展研究,可为改善旱区土壤板结及粉垄耕作在干旱地区的推广应用提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 试验点概况

试验于2021年4—9月在宁夏暖泉农场试验地进行(106°11′E、38°42′N,海拔1 113 m),该地区属于典型干旱地区,中温带大陆性气候,年均降雨量189 mm,年均蒸发量1 583.2 mm,日照充足,无霜期约157 d,年均气温11.6℃,日夜温差12～15℃。试验地土壤属于砂质土,试验地初始土壤理化性质见表1。

表1 初始土壤理化性质Table 1 Physical and chemical properties of initial soil

1.2 试验材料

供试玉米品种为‘天赐19号’,由甘肃武威甘鑫物种有限公司生产。粉垄机械为广西五丰机械有限公司自走式粉垄机(型号1FSGL-230)。

1.3 试验设计与实施

本试验采用单因素随机区组设计,以传统旋耕20 cm为对照(CK),粉垄耕作深度为试验变量,设置粉垄30 cm(FL30)、40 cm(FL40)、50 cm(FL50)和60 cm(FL60)4个处理,各处理3次重复,共15个小区,各小区长×宽为6.5 m×2.0 m。试验区长100 m,宽38 m,四周设置宽10 m保护行。于2021年4月16日进行播前粉垄耕作,5月7日进行播种并铺设滴灌带,采用φ16内镶迷宫式滴灌带,滴头流量为2 L·h-1,使用播种、施肥、铺管一体机进行作业,一垄二管四行方式,采用宽窄行种植模式,行距40 cm,穴距22 cm,播种深度4 cm,垄距70 cm,播种量82 500粒·hm-2。全生育期内共施用6次复合水溶性肥(N+P2O5+K2O≥50%),施用量为：氮(纯N)160 kg·hm-2,磷(P2O5)52 kg·hm-2,钾(K2O)59 kg·hm-2。期间灌水14次,灌溉定额1 200 m3·hm-2。试验地于2021年9月11日收获。其他田间管理各处理保持一致。

1.4 测定项目与方法

土壤容重：分别在粉垄前、玉米不同生育时期取0～20、20～40、40～60 cm土层土壤剖面,采用环刀法测定土壤容重;土壤孔隙度：由土粒密度和容重计算得出;土壤机械稳定性团聚体：玉米收获后,收集0～20、20～40、40～60 cm土层土样,并带回实验室风干,使用干筛法分别测定土壤机械稳定性团聚体粒径分布以及稳定性,分别计算出>5 mm、2～5 mm、1～2 mm、0.5～1 mm、0.25～0.5 mm、<0.25 mm的团聚体含量;土壤蓄水量：分别在耕作前、玉米不同生育时期挖取土壤剖面,使用烘干法测定土壤含水量,进而计算土壤蓄水量,土壤蓄水量计算公式如下：

W=H×10ab

(1)

式中,H为该层土壤的深度(cm);a为土壤容重(g·cm-3);b为土壤质量含水量(%)。

玉米产量：在玉米收获期内每个小区采集10穗玉米果实进行室内考种,分别使用直尺、游标卡尺、电子天平测量玉米的穗长、穗粗、穗重,并记录穗行数、行粒数,再将每个玉米的籽粒全部脱去,测算每穗籽粒数和200粒籽粒的质量。通过这些数据和田间密度调查计算玉米籽粒产量。

1.5 数据处理

试验数据采用Microsoft Excel 2016进行数据分析与制图,SPSS 25.0进行方差分析,采用Duncan法进行显著性分析。

2 结果与分析

2.1 粉垄耕作深度对土壤容重的影响

粉垄耕作使得0～60 cm有效耕作层内的土壤容重出现显著变化,不同粉垄耕作深度处理以及对照处理对玉米全生育期土壤不同深度容重的影响如表2所示,可以看出,FL40、FL50与FL60处理相对于CK处理在全生育期中,0～20 cm土层深度存在显著性差异,FL40与FL50处理在土壤0～40 cm深度范围内相对于CK处理在玉米不同时期均存在显著性差异,但在土壤40～60 cm深度范围内,FL40和FL50处理相对于CK处理在苗期以及喇叭口期并无显著差异,该现象可能是由于这两个时期降雨导致水分下渗到40～60 cm土层并累积所致。FL40处理使得土壤在玉米苗期、喇叭口期、抽雄期、灌浆期和成熟期0～20 cm土层容重分别减少了18.95%、10.53%、15.04%、17.24%和11.30%,20～40 cm土层容重减少了9.63%、10.20%、6.97%、6.75%和8.57%,40～60 cm土层容重减少了3.54%、7.20%、5.64%、7.91%和6.87%,FL50处理使得土壤0～20 cm土层容重减少了19.70%、13.95%、17.79%、14.29%和11.55%,20～40 cm土层减少了5.43%、8.21%、3.73%、3.75%和7.86%,40～60 cm土层减少了3.54%、8.44%、8.33%、6.47%和11.61%,FL60处理使得土壤0～20 cm土层容重减少了18.45%、15.00%、11.28%、14.53%和12.04%,20～40 cm土层减少了10.86%、6.22%、7.71%、2.75%和14.52%,40～60 cm土层减少了7.07%、5.21%、10.05%、10.07%和11.61%。根据以上3个处理各土层容重减少情况来看,粉垄耕作能够使得土壤耕层土壤得到充分粉碎,其中FL40处理对20～40 cm土层容重改善较好,FL50处理对0～20 cm土层容重改善较好,FL60处理对40～60 cm土层容重改善较好。

表2 不同粉垄耕作深度对土壤容重的影响/(g·cm-3)Table 2 Effect of different milling tillage depths on soil bulk density

2.2 粉垄耕作深度对土壤孔隙度的影响

相较于传统旋耕,粉垄耕作使得0～60 cm有效耕作层内土壤孔隙度发生显著变化,由表3可知,FL50处理在玉米全生育期对0～20 cm土层土壤孔隙度的改善最好,相对于CK处理各生育期分别提升了19.91%、12.89%、17.73%、14.93%、12.17%,FL40处理对20～40 cm土层土壤孔隙度的改善最好,分别在各生育期提升了9.75%、10.22%、7.03%、6.81%和9.14%,而FL60处理对40～60 cm土层土壤孔隙度改善最好,玉米生长各生育期的土壤孔隙度相对于CK分别提升了6.97%、5.49%、10.68%、11.51%和12.75%。

表3 不同粉垄耕作深度对土壤孔隙度的影响/%Table 3 Effect of different milling tillage depths on soil porosity

注：小写字母代表P<0.05显著水平。Note：Lowercase letters represent P<0.05 significant level.图1 不同粉垄耕作深度对玉米各生育期0～60 cm土壤蓄水量的影响Fig.1 Effect of different milling tillage depths on soil water storage at various fertility stages of maize

2.3 粉垄耕作深度对土壤蓄水量的影响

粉垄耕作能使得土壤容重以及孔隙度得到显著改善,以至于影响0～60 cm有效耕作层内土壤蓄水量的变化。由图1可以看出,随着玉米生育期的变化土壤蓄水量整体呈现出先升后降再升高的趋势,且FL40处理效果最佳,且在苗期、喇叭口期和成熟期土壤蓄水量都大于其他处理,但是在抽雄期和灌浆期土壤蓄水量却低于其他处理,这可能是由于这两个时期天气气温过高,导致土壤蒸发变强,且该时期玉米生长所需水分较大从而导致土壤蓄水量低于其余各时期。FL40处理在苗期相对于CK提升了44.03%,在喇叭口期提升了18.08%,在成熟期提升了24.86%,其他时期变化不明显。

2.4 粉垄耕作深度对土壤团聚体的影响

粉垄耕作相对于传统旋耕能使得土壤机械稳定性团聚体得到显著改变,由图2可以看出,FL40处理对0.25～5 mm土壤机械稳定性团聚体的影响最大,相对于CK在0～20 cm土层内提升了22.11%,20～40 cm土层内提升了4.38%,40～60 cm土层内提升了2.39%;其次为FL30处理。但对于0～20 cm土层内大于5 mm的机械稳定性团聚体,CK处理大于粉垄耕作处理,在20～40 cm与40～60 cm范围内,FL60处理相对于CK提升最大,分别提升了18.93%和10.78%。

图2 不同粉垄耕作深度对土壤团聚体粒径分布的影响Fig.2 Effect of different milling tillage depths on the particle size distribution of soil agglomerates

2.5 粉垄耕作深度对玉米产量的影响

粉垄耕作对玉米产量及其构成因素的影响如表4所示,CK处理穗长最低,FL50和FL60处理穗长最高且与其他处理差异显著,较CK分别增加20.47%和18.04%;穗粗表现与穗长相似,仍然以FL50和FL60最高,较CK分别增加13.91%和7.30%,因此穗重的表现与穗长等其他穗部特征相似。对于重要的产量构成因素穗粒重和百粒重,不同处理表现为FL50>FL60>FL30>FL40>CK,籽粒产量表现亦是如此,FL60、FL50和FL30处理与CK相比分别增产57.14%、15.48%和8.79%。

表4 不同粉垄耕作深度对玉米产量的影响Table 4 Effect of different milling tillage depths on yield of maize

3 讨 论

3.1 粉垄耕作对土壤容重以及孔隙度的影响

土壤孔隙度作为土壤物理质量的重要指标,在评价生物生产力等方面具有重要作用。不同的孔隙分布形状和连续性影响土壤水的渗透、存储和排水情况[10]。研究发现,粉垄耕作后耕层0～60 cm土壤容重出现下降且孔隙度得到提升的现象,其中FL40处理对于中层土壤(20～40 cm)的改善相对于其他处理要好,分析其原因可能是因为粉垄耕作能够有效打破土壤犁底层,使得有效耕层深度加大、使土层变得更加松软,进而使得土壤容重降低、孔隙度提升[11]。张邦彦等[10]、曹明海等[11]和熊梓沁等[12]也有结论表明粉垄耕作能够有效降低土壤容重并提升土壤孔隙度,以上结论与本试验结果相似。不同粉垄耕作深度对不同土层的影响不同,考虑到粉垄机耕地的难易程度,且为了农作物能够得到适合土壤条件,可以根据农作物的根系活动层来选择粉垄耕作深度。

3.2 粉垄耕作对土壤蓄水量的影响

刘江汉等[13]和彭光爵等[14]研究表明,粉垄耕作相对于传统耕作能够较好地提升土壤含水量,刘世举等[15]结果表明,深松耕使土壤水分含量提升了6.5%～9.7%;邬小春等[16]结果表明,春季深松耕对土壤含水量的提升效果较好。刘斌等[17]研究发现,粉垄耕作下的木薯苗期、膨大期与成熟期的土壤蓄水量在不同深度均明显大于传统耕作。以上研究均表明粉垄耕作有利于降水的下渗与贮存。本试验中土壤蓄水量在玉米全生育期出现了先上升后下降再上升的现象,且FL40处理对土壤蓄水量的改善效果最好,分析认为该处理使得土壤容重以及孔隙度得到了改善,且粉垄后被掀起的土壤自然悬浮成垄,在田垄之间自然形成了“U”形槽,有利于降水与灌溉水的自然储存,使得土壤的蓄水能力也得到了提升[18]。粉垄耕作较传统耕打破了犁底层,深层土壤孔隙度因而提高,因而水分可以在深层次土壤充分下渗,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[19]。

3.3 粉垄耕作对土壤团聚体的影响

本试验结果表明粉垄耕作能够有效改善土壤机械稳定性团聚体(0.25～5 mm)的数量,其中FL40效果最好,分析其原因可能是由于粉垄机在运行期间能够有效切割片状或块状的土块以及石块,使得土壤中的小团聚体能够更加有效的吸附于土壤中的有机质,从而影响团聚体的分布,形成更大的机械稳定性团聚体[20]。杨博等[21]、王世佳等[22-23]、申章佑等[24]和张宇等[25]研究表明,粉垄耕作更有利于土壤大团聚体的形成;除了粉垄耕作外,旋耕以及深松耕也能达到增加土壤稳定性团聚体的效果,苗芳芳等[26]表明深松耕加上秸秆覆盖能够有效提升0～40 cm土层内>0.25 mm粒径的团聚体数量。

3.4 粉垄耕作对玉米产量的影响

截至目前,粉垄耕作技术目前已在小麦[27]、玉米[28]和马铃薯[29]等作物上取得了较多研究成果。关于粉垄耕作改变作物产量的研究主要集中粉垄结合其他农艺措施上,张邦彦等[10]认为,粉垄耕作打破犁底层,改善了土壤耕层环境,提高了土壤的蓄水能力,结合覆膜实现了有效的保水保墒、改善了土壤水温状况,促进了马铃薯苗期的生长,提高了马铃薯的最终产量;蒋发辉等[30]认为,粉垄耕作通过调蓄土壤水分和改善土壤环境促进了红薯根系下扎和养分吸收,进而提高了红薯的块茎产量;邓小华等[31]认为,不同的粉垄深度通过影响养分在烤烟不同器官之间的分配从而影响了最终产量。大量试验证明,玉米产量很大程度上取决于其产量构成因素,其中穗粒重对产量的影响较大[32],本试验通过对玉米产量构成因素的测定与分析发现,各粉垄处理间穗行数差异不显著,而百粒重和穗粒重与传统耕作处理相比差异显著,因此粉垄处理的最终产量均高于传统耕作。分析其原因认为：(1)粉垄耕作打破了犁底层,降低了土壤容重,增加了土壤孔隙度,促进了水分在深层耕层中的流通与渗透,通过“U”型槽等机制提升了土壤的蓄水能力,在一定程度上改善了土壤的水分条件。促进了后期深层土壤蓄水量的提升与稳定,有研究表明,玉米穗重在一定程度上受到生长发育后期土壤蓄水量的影响[33],在种植年份降水量较小、蒸发量较大的环境下,粉垄耕作保证了后期土壤中拥有足够的水分以供应玉米度过重要的灌浆期。(2)粉垄耕作降低了土壤容重,增加了土壤孔隙度,而容重影响了土壤的紧实度和贯入阻力,减小这些土壤物理性质就是减轻作物生长的阻力与负担,可以保证作物根系下扎和种子萌发[34],粉垄通过改善土壤的物理性质促进了玉米根系的下扎和对水分的吸收,保证了玉米在生育时期内充足的水分供应。

4 结 论

1)不同粉垄耕作深度使得不同土层的容重以及孔隙度受到不同程度的改善,FL50处理使玉米苗期土壤0～20 cm土层容重降低了19.70%,孔隙度上升了19.91%。FL40处理在玉米喇叭口期使土壤20～40 cm土层容重降低了10.20%,孔隙度上升了10.22%。FL60处理在玉米成熟期使土壤40～60 cm土层容重降低了11.61%,孔隙度上升了12.75%。

2)FL40处理能提升土壤蓄水量,在苗期相对于CK提升了44.03%,喇叭口期提升了18.08%,抽雄期减弱了0.10%,灌浆期降低了3.35%,成熟期提升了24.86%。

3)FL40处理能提升各土层机械稳定性团聚体(0.25～5 mm)数量,相对于CK处理0～20 cm土层提升了22.11%,20～40 cm土层提升了4.38%,40～60 cm土层提升了2.39%。

4)粉垄耕作可以改善土壤的水分条件与土壤环境,提高玉米籽粒产量,其中FL60、FL50、FL30处理较CK处理分别增产57.14%、15.48%、8.79%。