不同耕作方式下黑土物理性状及其对玉米苗期生长的影响

谷思玉,朱玉伟,郭兴军,蔡越桐,吴 帅,张泽慧,张会慧

(东北农业大学 资源与环境学院,黑龙江 哈尔滨 150030)

摘要为解决东北黑土耕作深度不够,造成耕层土壤物理性状破坏的问题,以深翻(DN)为对照,研究免耕(NN)、旋耕(RN)、深松(SN)处理下土壤水分、温度、紧实度变化及其对玉米苗期生长的影响。结果表明,0~22.5 cm土壤紧实度急剧增加,2016年NN土壤紧实度最大增幅为314.6 kPa,SN最大降幅为220.8 kPa;2017年NN最大增幅为489.3 kPa,SN最大降幅为197.3 kPa。在2016年,耕层(0~20 cm)储水量为DN>RN>NN>SN,SN比DN降低0.085个百分点;在2017年,NN处理耕层(0~20 cm)储水量比DN增加0.036个百分点,SN与DN相比降低0.066个百分点。与DN相比,NN降低表层土温,2016年降幅为0.7 ℃,2017年降幅为1.5 ℃。SN促进玉米根系生长发育,2016年SN处理根长度、根体积、根表面积、根干质量均呈现增加趋势,与DN相比分别增加4.54%,19.21%,18.57%,14.12%,2017年SN与DN相比根长和根干质量增加量为0.58 cm和0.40 g。2016年数据线性分析表明,玉米苗期根长与水分呈负线性关系,玉米苗期干物质重与紧实度呈负线性关系,与土温呈正线性关系,紧实度对玉米苗期干物质形成线性相关性强,且影响较大。综上所述,SN降低土壤紧实度,促进玉米苗期干物质积累,有利于保持产量;NN提高紧实度,降低温度,不利于玉米苗期干物质积累和产量形成。

关键词耕作方式;物理性状;玉米生长;黑土

东北地区黑土面积广阔,耕地肥沃,是我国玉米的主产区和商品粮生产基地,种植面积占全国玉米种植面积的 1/3以上,产量约占全国玉米总产量的40%[1-2]。然而,自实施土地承包责任制以来,多年的小型农机浅旋、秸秆不还田等耕作方式,造成耕层变浅、犁底层上移等问题。耕作是农业田间管理的一项重要措施,俗话说“一年犁出病,三年没收成”。因此,适合的耕作方式,对保护土壤结构、促进作物生长、提高作物产量具有重要意义。

目前,耕作对黑土物理性质的影响报道屡见不鲜。如张少良等[3]通过长期定位试验,研究了少耕、旋耕和免耕秸秆覆盖对春季耕层土壤温度的影响,结果表明,温度变化随土壤深度增加出现滞后现象,免耕因具有保水性,容积热容量较大,造成免耕秸秆覆盖耕层土壤温度低于其他处理,影响初春温度的升高。刘爽等[4]以传统耕作为对照,研究免耕秸秆覆盖、少耕对土壤水分含量的影响,结果发现,在干旱及降水量较少的条件下,免耕水分含量高于传统耕作,少耕水分低于传统耕作。陈学文等[5]以吉林省德惠市长期定位试验为研究对象,探究免耕、秋翻与传统耕作对土壤紧实度的影响,结果表明,免耕可增加2.5~17.5 cm土壤的紧实度。由此可见,不同耕作方式会改变农田土壤物理性质,影响作物生长。然而,上述研究多是单一耕作方式的研究,很少研究不同耕作方式对黑土耕层土壤物理性状与玉米生长的影响。

黑土区玉米生长的主要限制因子是春季低温和干旱。黑土区“十年九春旱”,玉米旱灾已经占农业气象灾害的60%[6];同时,该地区春季气温偏低,对出苗、苗期生长及产量具有重大影响[7]。前人关于黑土区耕作方式对土壤物理性质研究虽然很多,但多为耕作对单个物理指标的影响,土壤物理指标间是共同作用于农田作物的。

本试验研究黑土区不同耕作方式对玉米苗期的土壤温度和含水量调控效应,旨在明确耕作方式对黑土物理性状与玉米苗期生长的影响,以筛选出适宜的东北农田黑土耕层构建方式。

1 材料和方法

1.1 研究地区概况

试验地位于哈尔滨市双城区东官镇东兴村(45°45′N,126°55′E)。该区域属于温带大陆性季风气候,年均气温5.2 ℃,7月份平均温度最高23.1 ℃,夏季炎热多雨,冬季寒冷干燥,雨热同季;年均降水量546.9 mm,其中,2016年6月降雨总量为600.4 mm,2017年试验6月降雨量312.7 mm,6-8月降水量占全年降水量的60%~70%。试验地土壤为黑土,质地为重壤土,基础理化性质为:有机质34.96 g/kg,全氮1.51 g/kg,全磷0.60 g/kg,缓效钾863 mg/kg,碱解氮234 mg/kg,有效磷53.69 mg/kg,有效钾231 mg/kg,pH值5.74(水土比为1.0∶2.5)。

1.2 试验设计

试验为定位试验,设深翻(DN)、免耕(NN)、旋耕(RN)、深松(SN)4个处理。免耕只做耙茬处理,旋耕深度为15 cm,深松、深翻深度均为30 cm。小区面积为287.64 m2,3次重复,种植方式为平作。每年5月初播种,10月初收获。供试玉米品种为宏硕 616,密度为4.5万株/hm2,播种时施用福多宝缓控释复合肥(N∶P2O5∶K2O=26∶12∶14),一次性基施,施用量450 kg/hm2;播后采用广谱性除草剂进行封闭;玉米全生育期均采用机械化作业,其他田间管理同当地常规。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 土壤紧实度测定 每年6月15-25日测定,0~45 cm土层紧实度采用紧实度仪(SC-900型)测定,6次重复。

1.3.2 土壤温度测定 采用智拓温度测量仪(500-E3TW)测定,深度为10,20,30 cm,S型布点法,5次重复,测定时间为11:00-13:00。

1.3.3 土壤水分测定 采用TDR(TRIME-IPH)测定,每处理3根,深度为10,20,30,50,70,90,120 cm,测定时间为11:00-13:00。

1.3.4 土壤有机质、氮、磷、钾等测定 分别采用重铬酸钾氧化法、半微量开氏法、碱解扩散、HClO4-H2SO4法等[8]测定。

1.3.5 植株根系测定 2016年6月15日和2017年6月25日每个处理采集10株玉米植株,用锹挖30 cm深度,清除大土块,连同植株带回实验室用水洗净。用直尺测定植株根长和株高,2016年利用根系扫描仪(WinRHIZO)测定根体积、根表面积及根尖数。

1.3.6 玉米苗期地上部和地下部生物量测定 将1.3.5采集的玉米植株,地上部和地下部分离杀青、烘干后称重。

1.3.7 玉米产量测定 每年10月初收获时测定,每重复取4行,每行连续取10株果穗,脱粒、烘干称重,折算出(按籽粒含水率15%)籽粒产量。

1.4 数据处理

采用Excel 2010和SPSS 19进行数据统计分析。

2 结果与分析

2.1 不同耕作方式对玉米苗期土壤水分含量的影响

从图1可以看出,农田黑土水分随土层加深呈现增加趋势。从2016年变化看出,水分含量为22.11%~32.78%;与DN相比,10 cm土层RN和NN水分含量增加,增幅分别为0.032,0.023个百分点,而SN水分含量降低,与DN相比降幅为1.52%;与DN相比,15~60 cm土层其他处理土壤水分含量均降低,20 cm土层SN水分减少最多,降幅为0.062个百分点。说明NN减少表层水分蒸发,增加土壤表层水分含量;SN处理降低了10~60 cm土壤水分,DN处理使土壤水分在20~60 cm土层滞留。不同处理耕层(0~20 cm)储水量大小为DN>RN>NN>SN,SN储水量比DN降低0.085个百分点。由2017年变化看出,干旱时水分变化幅度加大,水分含量为6.85%~33.26%,10 cm土壤水分为SN低于其他处理,NN高于其他处理。不同处理耕层(0~20 cm)储水量大小为NN>RN>DN>SN,NN耕层储水量比DN高0.036个百分点,SN与DN相比降低0.066个百分点。说明NN处理在干旱年份或干旱地区具有保水作用,有利于苗期作物生长;SN有利于耕层水分的入渗。

图1 玉米苗期不同耕作处理土壤平均含水率
Fig.1 Soil moisture content of different tillage treatments in maize seedling stage

2.2 不同耕作方式对玉米苗期土壤温度的影响

从图2可以看出,随土层加深土温呈下降趋势。2016年各处理土温变化显示,NN处理0~10 cm土温降低明显,与DN相比温度降低0.7 ℃,0~10 cm土温与其他处理均存在显著差异。2017年数据表明,与DN处理相比NN和RN分别使0~10 cm土壤温度降低1.5,1.3 ℃。说明NN处理可以有效降低温度,在东北地区温度是制约玉米生长的重要因素,温度降低,使玉米苗期生长发育缓慢。

不同字母表示差异显著P<0.05。
Different letters indicate significant difference at P<0.05.

图2 不同处理的土壤温度
Fig.2 Effect of different tillage methods on farmland black soil temperature

2.3 不同耕作方式对玉米苗期土壤紧实度的影响

从图3苗期土壤紧实度变化可以看出,随着土层深度向下农田黑土紧实度逐渐增大。从2016年数据看出,0~22.5 cm土壤紧实度急剧增加,22.5 cm土层以下则变化趋于平缓;与DN处理相比,0~7.5 cm各处理土壤紧实度均增加,NN增量最大,最大增幅为314.6 kPa;7.5~20.0 cm土层SN紧实度最小,SN最大降幅为220.8 kPa,NN紧实度最大;30.0~40.0 cm土层NN紧实度逐渐减小。2017年变化趋势基本与2016年一致,2017年NN最大增幅为489.3 kPa,SN最大降幅为197.3 kPa。

图3 不同耕作处理的土壤紧实度
Fig.3 Soil compaction in different tillage treatments

2.4 不同耕作方式对玉米苗期生长的影响

从表1,2可以看出,2016年玉米苗期地上部干质量、根干质量、根体积、根表面积呈SN>DN>RN>NN趋势,与DN相比,SN处理根长度、根体积、根表面积、根干质量均呈现增加趋势,分别增加4.54%,19.21%,18.57%,14.12%;2017年根长大小表现为SN>DN>NN>RN,SN与DN相比增加0.58 cm,根干质量大小表现为SN>DN >RN>NN,SN与DN相比增加0.40 g,NN处理植株干质量比DN降低58.09%。株高和地上部干质量为DN处理最优,表明SN有效促进玉米苗期根系生长,有利于干质量积累。根尖数大小表现出DN>SN>NN>RN的趋势,平均直径则为RN>SN>DN>NN。2016年玉米产量表现为SN>DN>RN>NN,SN与DN相比产量增加0.13 t/hm2;与NN相比SN增产7.12%,2017年产量大小为SN>DN>NN>RN,SN与DN相比增产0.12 t/hm2。与DN处理相比,SN处理有利于玉米根体积、根表面积、根长度等指标的增加,养分吸收面积加大,根系干质量提高。NN处理对玉米苗期生长具有负向影响,尽管使土壤墒情改善,但是地温降低、土壤紧实度增大,不利于苗期根系伸展和生长,产量较低。

表1 玉米苗期根系特性
Tab.1 Characteristics of maize seedling root system

注:不同小写字母表示差异显著P<0.05。表2同。
Note:Different lowercase letters indicate significant difference at P<0.05.The same as Tab.2.

表2 玉米苗期生物量与产量
Tab.2 Maize seedling biomass and yield

2.5 玉米苗期生长状况与耕层土壤物理性质之间线性分析

表3为苗期根系指标与耕层物理性质之间线性分析。将数据标准化后进行数据处理,结果显示,温度和玉米苗期指标线性关系中斜率为正数且在各指标中最大,但相关性不显著,说明温度能促进玉米植株生长发育,但影响较小。水分对玉米苗期根长和株高线性关系中斜率为最大负值,水分与根长数据间相关性显著,说明水分对玉米苗期根长生长具有阻碍作用;紧实度和根重、地上部重均具有显著负相关,说明紧实度对玉米干物质形成影响较大。

表3 2016年6月苗期根系指标与耕层物理性质之间线性分析
Tab.3 2016 year,the linear analysis between the root index of the seedling stage
and the physical properties of the plough layer in June

注:*.数据间相关性显著。
Note:*.The correlation between data is significant.

3 讨论与结论

3.1 耕作方式对玉米苗期土壤物理性质的影响

土壤水分、温度及紧实度对作物生长发育具有重要作用[9-11]。在2年试验中,免耕处理土壤10 cm水分含量增加,土壤温度降低,明显影响了玉米苗期的生长;在2016年与深翻相比深松降低了10~60 cm土壤含水量,使耕层土壤含水量降低,且10~20 cm土层较疏松,在深翻处理20~60 cm土壤含水量高于其他处理,土壤犁底层不明显,这与王岩等[12]在冀西北栗钙土中得出的松耕、翻耕和免耕对土壤含水量影响结果不一致,可能是由于黑土质地是偏重壤,透水性比栗钙土差。深松打破了长期传统深翻形成的犁底层,增加了通气孔隙,利于水分下移[13-14],试验第1年降水量高,能突显深松促进水分入渗的优势;深翻切断了土壤孔隙,加上犁底层的阻隔作用,减弱了土壤水分的入渗速率[15],使水分向下运动受阻,造成DN土壤水分在20~60 cm土层滞留,使60~120 cm土壤水分减少;免耕减少表层水分蒸发,提高表层含水量,与杨永辉等[16-18]研究结果相符,与深翻处理相比,2017年降雨少,免耕的特点表现突出。2017年免耕处理增加耕层储水量,NN储水量比DN高3.62%,因为土壤未进行翻动,没有改变孔隙比例,土壤水分蒸发作用弱,含水量增加,土壤热容量和导热率增大,导致土温变化滞后性加强[19],0~10 cm土层温度降低。

3.2 耕作方式对玉米苗期生长的影响

耕作可以改变土壤环境,从而对玉米根系生长发育产生影响,也影响地上部发育和产量形成[20-21]。深松可以降低土壤紧实度,打破犁底层,促进玉米根系深扎及长发育[22]。本试验表明,在2016年与深翻相比,深松降低了土壤含水量、紧实度,有效促进玉米苗期根长度、根体积、根表面积及根干质量的增长,增量分别为4.54%,19.21%,18.57%,14.12%,为玉米后期生长发育奠定了物质基础,2016年(水分充沛)SN与DN相比产量增加0.13 t/hm2,2017年(干旱年)SN与DN相比增产0.12 t/hm2;免耕具有保水性,2017年产生减产的原因是由于NN处理干旱出苗不齐,进行补种,使玉米苗期植株干质量比DN降低58.09%,导致干旱年份NN产量较低。免耕表层土壤含水量,紧实度均有所增加,而根长度、根体积、根表面积、根平均直径及根干质量均降低,说明免耕处理土壤紧实度增加以及土壤温度的降低不利于苗期根系生长,减少了干物质积累,从而导致与DN相比产量降低。

在2016年水分充沛时,SN降低10~60 cm土层水分含量,而DN土壤水分在20~60 cm土层滞留。在2017年干旱时,NN处理0~20 cm土层储水量比DN高3.62%。NN降低苗期表层(0~10 cm)土温,2016年和2017年分别降低0.7,1.5 ℃。试验年份SN有效降低10~20 cm土层紧实度,NN处理0~20 cm土层紧实度最大。玉米苗期SN处理根干质量、根体积、根长、根表面积、产量均优于其他处理。线性回归分析得出,耕层紧实度对玉米苗期干物质积累影响效果显著。综上,本试验条件下,SN处理降低土壤耕层紧实度,促进苗期玉米根长度、根表面积、根体积生长,利于产量增加;NN干旱时提高耕层(0~20 cm)水分,降低土壤(0~10 cm)温度,不利于玉米苗期生长发育,降低玉米产量。

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Effects of Different Tillage Ways on Seedling Growth of Maize and Soil Physical Properties in Mollisol Region

GU Siyu,ZHU Yuwei,GUO Xingjun,CAI Yuetong,WU Shuai,ZHANG Zehui,ZHANG Huihui

(College of Resources and Environment,Northeast Agricultural University,Harbin 150030,China)

AbstractIn order to solve the problem of low soil depth and it causes the damage to the physical properties of the plough layer in Northeast China. The effect of treatment including four tillage methods,Deep mold-board tillage(DN),No-tillage(NN),Rotary tillage(RN)and Subsoiling tillage(SN)on the soil moisture,soil temperature,soil compaction,and corn growth were studied to investigate the effect of soil physical properties on the root growth and thus the corn growth. Soil compaction increaseded sharply from soil(0-22.5 cm).In 2016,subsoiling reduced soil compaction treatment NN increased the soil compaction significantly with a maximum of 314.6 kPa respectively,SN soil compaction decreased the maximum value of 220.8 kPa. In 2017,NN increased,soil compaction maximum value was 489.3 kPa,SN decreased,soil compaction maximum value was 197.3 kPa.Compared with the treatment DN,in 2016,compared with DN,the water content of the plough layer(0-20 cm)was DN>RN>NN>SN,and the storage capacity of SN was 0.085 percentage points lower than DN. In 2017,NN increased the water storage of plough layer(0-20 cm)by 0.036 percentage points,SN was 0.066 percentage points lower than DN. Soil temperature of treatment NN dropped by 0.7 ℃ in 2016 and 1.5 ℃ in 2017. Compared with treatment DN,corn plant features of treatment SN,root length,root volume,root surface area and root dry weight showed an increasing trend by 4.54%,19.21%,18.57%,14.12% respectively. Compared with DN,the root length and root dry weight of SN increased by 0.58 cm and 0.40 g in 2017.The 2016 data linear analysis showed that,maize seedling root length showed a negative linear relationship with the moisture,dry matter weight showed a negative linear relationship with the compactness,but showed the positive linear relationship with the soil temperature,the compactness had a strong linear correlation with dry matter formation in maize seedling stage. In summary,SN can reduce soil compaction,promote the growth of maize root,favorable yield formation,NN can improve the compaction and reduce the temperature,which is not conducive to the accumulation of dry matter and the formation of yield in the seedling stage of maize.

Key words:Tillage managements;Physical property;Maize growth;Mollisol

中图分类号S152;S184

文献标识码:A

文章编号:1000-7091(2018)04-0226-06

doi:10.7668/hbnxb.2018.04.032

收稿日期2018-03-15

基金项目中国农业科学院创新工程(CAAS-XTCX2016008);“十三五”粮丰工程项目(2017YFD0300502-2);中国农业科学院土壤质量重点开放实验室基金项目(201701)

作者简介谷思玉(1964-),女,黑龙江肇源人,教授,博士,主要从事土壤肥力修复与培育研究。

通讯作者张会慧(1986-),男,内蒙古赤峰人,讲师,博士,主要从事土壤培肥与植物生理研究。