水资源短缺是限制半干旱地区农业可持续发展的重要因素，促进了耕地土壤退化，耕地土壤退化是导致土壤生态平衡失调和生产力下降的主要原因[1]。深松作为我国重要的保护性耕作措施，具有较好的生态效应和经济效应[2]。2017年6月印发的《东北黑土地保护规划纲要(2017-2030年)》，指出在东北平原旱作区重点推广深松深耕整地，提升黑土区农田系统的可持续性，巩固提升农业综合生产能力。
传统浅旋耕作方式，使土壤耕层变浅，犁底层加厚，土壤蓄水保墒能力下降，水土流失严重，使农田生态环境持续恶化，严重影响了农业生产和作物产量[3-5]。有研究表明，深松能有效打破犁底层，减少地表的径流，增加降水的入渗，促进土壤气体的流通，提高土壤的抗旱保墒能力[6-8]。张琦等[9]通过深松轮耕模式下春玉米土壤理化性质的研究，表明深松轮耕能提高土壤结构稳定性，提高土壤肥力。王景德等[10]通过深松下砂姜黑土理化性状的研究，表明秋季深松的土壤养分含量高于夏季深松。
深松能改良土壤的结构，增加土壤的孔隙度，促进根系的生长和下扎，提高根系对土壤水分和养分的吸收，从而增加作物产量[11-13]。刘卫玲等[14]通过深松时期与方式的研究，表明侧位深松更利于夏玉米根系吸收土壤养分。Kaur等[15]通过深松下氮素吸收和产量的研究，表明深松有助于解决干旱对氮肥吸收和玉米产量的限制。Schneider等[16]通过深松下作物产量的研究，表明土壤类型和气候的差异，导致不同地区深松对作物产量的影响有所不同。所以，深松是农业生产上，提升土壤生产潜力的有效措施。
针对吉林省西部地区水资源匮乏，作物水分利用效率低等问题，开展隔年深松对土壤性质、根系生长、产量以及水分利用的影响研究，从耕作方面提升农田土壤综合生产能力，为东北黑土区农业的绿色高效生产提供理论参考。
1 材料和方法
1.1 试验地概况
试验于2015-2016年在吉林省农业科学院洮南综合试验基地(45°20′N，122°49′E，海拔156.8 m)进行。基地位于松嫩平原的西部边缘，北温带大陆性季风气候，春季干旱多风少雨，夏季炎热降雨集中，秋季冷暖适中，冬季严寒少雪。年均日照时数3 005.3 h，年均太阳辐射量532.2 J/cm2，年均蒸发量2 083.3 mm，≥10 ℃活动积温2 910 ℃，全年无霜期142 d。试验土壤类型为淡黑钙土，土壤养分组成见表1。
表1 试验地土壤养分组成
Tab.1 The soil nutrient composition in the experimental field
测量深度/cmMeasure the depth全氮/(g/kg)Total N 全磷/(g/kg)Total P 全钾/(g/kg)Total K 水解性氮/(mg/kg)Hydrolytic N 有效磷/(mg/kg)Available P 速效钾/(mg/kg)Available K 有机质/(g/kg)Organic matter pH0～101.080.5624.3578.8734.00185.0012.567.9010～200.900.4323.4070.0716.0392.0012.298.1220～300.810.4522.8768.4714.0580.6711.308.2330～400.780.3722.7063.689.9968.009.908.19
在玉米种植期间，2015年的5，7，9月和2016年的5，8，9月发生了季节性的干旱。2015年全年降水476.8 mm，其中5-9月降水394 mm；2016年全年降水371.6 mm，其中5-9月降水325.7 mm(图1)。2015，2016年玉米生长过程中各灌水3次，每次灌水30 mm。
1.2 试验设计
试验设置5个处理，为春季播种前行间深松30 cm(SS-30)、春季播种前行间深松40 cm(SS-40)、秋季收获后行间深松30 cm(AS-30)、秋季收获后行间深松40 cm(AS-40)、不深松(CK)。试验2 a为一周期，2015年春季播种前和秋季收获后，分别进行机械行间深松，2016年不深松。试验采用大区设计，试验玉米品种选用先玉335，播种密度为57 000 株/hm2，试验田施肥量为纯氮213 kg/hm2、P2O5 75 kg/hm2、K2O 75 kg/hm2，播前施入35%氮肥和全部磷钾肥，拔节期施入剩余的65%氮肥。
图1 2015，2016年试验地区的降水量
Fig.1 Precipitation in the test area in 2015 and 2016
1.3 测定项目和方法
1.3.1 土壤指标测定 2015年播种前，测定0～60 cm土层的全氮、全磷、全钾、水解性氮、速效磷和钾、有机质和pH值。全氮含量采用H2SO4消煮-凯氏定氮法测定，全磷含量采用浓H2SO4-HClO4消煮-钼锑抗比色法测定，全钾含量采用NaOH熔融-火焰光度计法测定[17]。水解性氮含量采用碱解扩散法测定，有效磷含量采用钼锑抗比色法测定，速效钾含量采用乙酸铵浸提-火焰光度法测定，土壤有机质采用重铬酸钾氧化-外加热法测定[17]。土壤pH采用Mettler-toledo 320 pH计测定，土水比为1∶2.5。
2015，2016年秋季收获后，采用环刀法测定0～40 cm土层的容重，使用JC-JSD-01土壤紧实度检测仪测定土壤紧实度。2016年在玉米各生育时期，采用烘干法测定0～100 cm土壤的含水量。
1.3.2 根系活力指标测定 玉米吐丝期，挖取0～40 cm土壤中的根系，采用氯化三苯基四氮唑(TTC)还原法测定TTC还原量和根系活力[18]。采用甲烯蓝染色，根据供试液浓度的变化用比色法测出根的吸收面积。已知1 mg甲烯蓝成单分子层时所占面积为1.1 m2，据此可算出根系的总吸收面积和活跃吸收面积。计算公式为：
根系活力(μg/(g·h))=TTC还原量(μg)/根重(g)×时间(h)
总吸收面积(m2)=((C1-C1′)×V1)+((C2-C2′)×V2)×1.1
活跃吸收面积(m2)=((C3-C3′)×V3)×1.1
比表面=根的吸收面积/根的体积
式中，C为溶液原来的浓度mg/mL，C′为浸提后的浓度mg/mL，V为根体积mL，1，2，3为烧杯编号。
1.3.3 测产 玉米收获期，收取20 m2内的全部果穗，根据平均单穗质量，挑选20个均匀穗风干，测定穗粒数和百粒质量等，计算产量(含14%水)。采用水分平衡法，计算农田耗水量(ET)[19]，根据公式：WUE=Yield/ET[20]，计算水分利用效率。
1.4 数据分析
用Microsofit Excel 2013和SPSS 19.0软件进行数据整理和统计分析。采用Person相关系数评价根系活性指标、容重、紧实度和产量之间的关联，采用单因素方差分析(One-way ANOVA)进行处理间的差异分析。
2 结果与分析
2.1 深松对土壤性质的影响
2.1.1 深松对土壤穿透阻力的影响 土壤穿透阻力，又叫土壤紧实度，是土壤强度的指标。图2-A中，0～30 cm土层深松处理的紧实度显著低于CK，其中0～10 cm土层AS-40的紧实度显著低于AS-30、SS-40和SS-30，10～20 cm土层AS-30和AS-40的紧实度显著低于SS-30和SS-40，20～30 cm土层SS-40和AS-40的紧实度显著低于AS-30和SS-30。30～40 cm土层AS-40和SS-40的紧实度显著低于AS-30、SS-30和CK，其中AS-40的紧实度显著低于SS-40。
图2-B中，0～30 cm土层深松处理的紧实度显著低于CK，其中0～10 cm土层AS-30的紧实度显著低于SS-40、SS-30和AS-40，10～20 cm土层AS-30紧实度显著低于SS-40、AS-40和SS-30，20～30 cm土层AS-40和SS-40的紧实度显著低于AS-30和SS-30。30～40 cm土层SS-40和AS-40的紧实度显著低于SS-30、AS-30和CK，其中SS-40的紧实度显著低于AS-40。
不同小写字母表示P<0.05水平的差异显著性。图3-5同。
Different lowercase letters indicate the significance of P<0.05 level.The same as Fig.3-5.
图2 2015年(A)、2016年(B)土壤的紧实度对比
Fig.2 Soil compactness comparison in 2015(A)and 2016(B)
2.1.2 深松对土壤容重的影响 图3-A中，0～30 cm土层深松处理的容重显著低于CK，其中0～20 cm土层AS-30和AS-40的容重显著低于SS-40和SS-30，AS-30的容重显著低于AS-40，SS-40的容重显著低于SS-30。20～30 cm土层SS-40和AS-40的容重显著低于AS-30和SS-30。30～40 cm土层AS-40和SS-40的容重显著低于AS-30、SS-30和CK，其中AS-40的容重显著低于SS-40。
图3-B中，0～30 cm土层深松处理的容重显著低于CK，其中0～10 cm土层AS-40和SS-40的容重显著低于SS-30和AS-30，10～30 cm土层SS-30和AS-30的容重显著低于AS-40和SS-40，SS-30的容重显著低于AS-30。30～40 cm土层AS-40和SS-40的容重显著低于AS-30和SS-30，其中AS-40的容重显著低于SS-40。
图3 2015年(A)、2016年(B)土壤的容重对比
Fig.3 Comparison of soil bulk density in 2015(A)and 2016(B)
2.1.3 深松对土壤含水量的影响 图4中，播种期各处理土壤的含水量相对较高，其中AS-30和AS-40在20～40 cm土层的含水量显著高于SS-30、SS-40和CK，深松处理在40～60 cm，60～80 cm土层的含水量显著高于CK。苗期，AS-30、AS-40和SS-40在0～20 cm土层的含水量显著高于SS-30和CK，深松处理在20～40 cm土层的含水量显著高于CK，SS-40和AS-40在40～60 cm土层的含水量显著高于SS-30、AS-30和CK。拔节期，深松处理在0～80 cm土层的含水量显著高于CK，其中深松处理在20～40 cm土层的含水量与CK差值最大。吐丝期，深松处理在0～100 cm土层的含水量显著高于CK，其中AS-40和AS-30在20～40 cm土层的含水量显著高于SS-40和SS-30，并且AS-40的含水量显著高于AS-30。灌浆期，深松处理在0～40 cm土层的含水量显著高于CK，AS-40和SS-40在40～80 cm土层的含水量显著高于AS-30、SS-30和CK。成熟期，SS-40、SS-30、AS-30在0～20 cm土层的含水量显著高于CK，深松处理在20～80 cm土层的含水量显著高于CK。
图4 2016年不同时期土壤的含水量对比
Fig.4 Comparison of soil moisture content in different periods in 2016
2.2 深松对玉米根系活性的影响
玉米根系是活跃的吸收器官和合成器官，根的生长情况和活力水平，直接影响地上部的生长、干物质积累以及产量水平。表2中Pearson相关性分析的结果显示，根系干质量与总吸收面积和活跃吸收面积有极显著的相关性，根系干质量与总比表面积、活跃比表面积、TTC还原量、根系活力、容重、紧实度和产量有显著的相关性。TTC还原量、根系活力与活跃吸收面积、总比表面积和活跃比表面积有极显著的相关性，与总吸收面积、容重、紧实度和产量有显著的相关性。总吸收面积与总比表面积有显著的相关性，活跃吸收面积与活跃比表面积、总吸收面积有极显著的相关性，总比表面积与活跃比表面积有极显著的相关性。容重与紧实度有极显著相关性，容重、紧实度与活跃吸收面积、总比表面积和活跃比表面积有显著的负相关性，容重与总吸收面积有极显著的负相关性，紧实度与总吸收面积有显著的负相关性。产量与总吸收面积、活跃吸收面积、总比表面积和活跃比表面积有显著的相关性，产量与容重和紧实度有负相关性。
表2 玉米根系活性指标的相关性分析
Tab.2 Correlation analysis of maize root activity indexes
注：*.显著相关性；**.极显著相关性。
Note：*.Significant correlation；**.Very significant correlation.
根系活性指标Root activity indexes根系干质量Root dryweight总吸收面积Totalabsorptionsurface活跃吸收面积Activelyabsorptionsurface活跃吸收面积/总吸收面积Actively absorptionsurface/Totalabsorption surface总比表面积Totalspecificsurface活跃比表面积ActivespecificsurfaceTTC还原量Reductiveamount ofTTC by root根系活力Rootsactivity土壤容重Soil bulkdensity土壤紧实度Soilcompaction产量Yield根系干质量-0.97**0.99**0.370.89*0.90*0.81*0.81*-0.95*-0.93*0.89*Root dry weight总吸收面积-0.99**0.520.95*0.96**0.82*0.82*-0.96**-0.93*0.95*Total absorption surface活跃吸收面积-0.800.99**0.99**0.96**0.96**-0.95*-0.94*0.94*Actively absorp-tion surface活跃吸收面积-0.740.720.770.77-0.76-0.740.63/总吸收面积Actively absorp-tion surface/Total absorption sur-face总比表面积-0.99**0.97**0.97**-0.90*-0.87*0.93*Total specific surface活跃比表面积-0.96**0.96**-0.92*-0.87*0.94*Active specific surfaceTTC还原量-1.00**-0.85*-0.91*0.83*Reductive a-mount of TTC by root根系活力--0.85*-0.91*0.83*Roots activity容重-0.96**-0.52Soil bulk density紧实度--0.58Soil compaction产量-Yield
吐丝期挖取0～40 cm土层的玉米根系，测定根系的活力指标。图5中，2015，2016年，深松处理玉米根系的总吸收面积、活跃吸收面积、总比表面积、TTC还原量和根系活力显著高于CK。2015年，SS-40和SS-30根系的总吸收面积、活跃吸收面积、活跃吸收面积/总吸收面积、总比表面积、活跃比表面积、TTC还原量和根系活力显著高于AS-40和AS-30，SS-40、SS-30和AS-40的活跃比表面积分别比CK高3.44%，2.47%，0.26%，根系活力分别比CK高21.95%，17.74%，8.99%，5.80%。2016年，AS-40根系的总吸收面积、活跃吸收面积、总比表面积、活跃比表面积、TTC还原量和根系活力显著高于SS-40，并且AS-30显著高于SS-30，AS-40和SS-40的活跃吸收面积/总吸收面积显著高于AS-30和SS-30。AS-40、SS-40、AS-30和SS-30的活跃比表面积分别比CK高2.47%，1.85%，1.32%，0.62%，根系活力分别比CK高20.37%，18.23%，7.83%，5.92%。
图5 玉米根系的活性指标对比
Fig.5 Comparison of activity indexes of maize root system
2.3 深松对产量和WUE的影响
2015年，深松处理的穗粒数与CK的差异不显著，深松处理的百粒质量、产量和WUE高于CK，其中SS-40和SS-30显著高于AS-40、AS-30和CK，并且SS-40的产量和WUE显著高于SS-30。SS-40、SS-30、AS-40和AS-30的WUE，分别比CK高5.26%，10.03%，0.67%，1.04%。2016年，AS-40、AS-30和SS-40的百粒质量、产量和WUE显著高于SS-30和CK，其中AS-40显著高于AS-30和SS-40，并且AS-30显著高于SS-30。SS-40、SS-30、AS-40和AS-30的WUE，分别比CK高2.02%,6.05%,7.26%，12.9%。
表3 玉米产量、产量构成因素及其WUE
Tab.3 Yield，yield components and WUE of maize
年份Year处理Treatments穗粒数/粒Kernels per ear百粒质量/g100-kernel weight产量/(kg/hm2)YieldWUE/(kg/mm)2015SS-30652±6.5a34.7±0.3a12 197.1±122.0b25.2±0.3bSS-40651±6.5a35.8±0.4a12 748.8±127.5a26.3±0.3aAS-30646±6.5a33.2±0.3b11 662.0±116.6c24.1±0.2cAS-40646±6.5a33.6±0.3b11 708.5±117.1c24.2±0.2cCK638±6.4a32.9±0.3b11 585.2±115.9c23.9±0.2c2016SS-30598±6.0cd30.2±0.3d10 528.3±105.3c25.3±0.3cSS-40604±6.0bc32.0±0.3c10 921.0±109.2b26.3±0.3bAS-30612±6.1b34.1±0.3b11 066.8±110.7b26.6±0.3bAS-40628±6.3a36.6±0.4a11 639.1±116.4a28.0±0.3aCK590±5.9d29.6±0.3d10 332.1±103.3c24.8±0.2c
3 讨论与结论
深松显著降低了土壤的穿透阻力和容重，显著提高了深松部位到地表土壤的含水量。0～30 cm土层，深松处理的紧实度和容重显著低于CK；30～40 cm土层，AS-40和SS-40的紧实度和容重显著低于CK。刘卫玲等[21]、Cai等[22]和刘战东等[23]认为，深松能改善土壤结构，降低容重，增加土壤的孔隙度和田间持水量，促进土壤的水分入渗。2015年深松处理的紧实度和容重低于2016年。Hamilton等[24]认为，深松的耕作效果至少能够有效地持续一个作物生长季。深松部位的土壤含水量高于CK，其中20～40 cm土层，深松处理的含水量显著高于CK。肖继兵等[25]认为，深松能打破犁底层，提高土壤孔隙度和水分入渗深度，增加土壤含水量。本研究认为，深松对土壤的穿透阻力、容重和含水量的改善效果会逐渐减弱，由于上层土壤受环境和机械作业等影响较大，使深松对土壤的调节效果减弱较快，这与Schneider等[16]的研究结论一致。适当增加深松深度，能够有效提高深松对土壤的调节作用。在干旱和半干旱地区，深松能提高土壤的蓄水保墒水平，延缓水分的流失，提升土壤的抗旱能力。
深松促进了根系的生长，提高了根系的活性。Pearson相关性分析的结果显示，根系活力与紧实度和容重有显著的负相关性，根系活力与活跃吸收面积、总比表面积和活跃比表面积有极显著的正相关性，与根系干质量、总吸收面积和产量有显著的正相关性。张瑞富等[26]认为，深松可以促进根系纵深分布，显著增加下层根系干质量，延缓根系的衰老。高鹏等[27]认为，合理深松能促进玉米根系向下生长，增加玉米根的干质量、表面积和总根体积。2015，2016年，深松处理的活跃比表面积和根系活力显著高于CK，其中2016年SS-40和AS-40显著高于SS-30和AS-30，并且AS-40显著高于SS-40。Lü等[28]、Holloway等[29]和Zhang等[30]认为，深松有利根系的固定和下扎，能促进根系对土壤中水分和养分的吸收。本研究认为，深松对根系活性的促进作用，会随间隔时间的延长逐渐减弱，适当增加深松深度，能够增强根系的活性。
深松显著增加了百粒质量和产量，显著提高了作物群体的WUE。Ishaq等[31]认为，深松土壤的养分利用率较高，土壤养分利用率与养分吸收、籽粒产量呈正相关。2015，2016年，深松处理的百粒质量、产量和WUE均高于CK，2016年AS-40的百粒质量、产量和WUE显著高于SS-40，AS-40显著高于AS-30。李立娟等[32]、Liang等[33]和郑侃等[34]认为，深松能提高玉米群体产量和群体WUE。本研究认为，适当增加深松深度，能够提高作物产量和WUE，深松对产量和WUE的促进作用，会随着时间的推移逐渐减弱。
综上所述，间隔深松能有效改善土壤结构，提升干旱地区土壤的蓄水保墒能力，延缓水分流失，提高根系活性和WUE，促进作物产量的增加，秋季深松对土壤改良的效果最好。适当增加深松深度，能有效提升深松的效果，但深松效果会随着时间的推移逐渐减弱。
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