深耕对夏玉米产量形成及土壤理化性质的影响

王育红，席玲玲，周新，沈东风

土壤是发展农业生产的重要物质条件，耕层结构直接关系到作物的丰产和生态环境。以旋耕为主的土壤耕作方式在黄淮海夏玉米地区的农业生产中具有重要地位， 但是这种传统耕作方法也带来很多问题， 主要表现使土壤耕层变浅，犁底层加厚，耕层有效土壤数量明显减少，耕层土壤的理化性状趋于恶化，地力下降，影响作物根系发育及对水分和养分的吸收，严重影响粮食稳产和高产[1，2]。深耕可以有效地打破犁底层，调节土壤三相比例，改善土壤的耕层状况，提高土壤肥力，进而影响作物生长发育，提高作物产量[3～5]。此外,秸秆还田可以提高土壤水分含量, 减少地表径流和棵间蒸发[6～9],提高水分利用效率,增加作物干物质积累和籽粒产量[10～14].

为了明确目前生产中农田耕层结构特点和存在的问题，研究建立适宜玉米生长的合理耕层结构，提高耕地的生产能力，自2009年起，开展了不同耕作方式定位试验研究。本文通过深耕与传统耕作方式的对比分析，明确深耕对夏玉米生长发育及土壤理化特性的影响，以期为优化黄淮海地区的耕作方式提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验设在河南省洛阳农林科学院玉米综合试验站试验田(东经112.3°，北纬34.4°)进行，试验地灌排方便，地势平坦，肥力上中等且均匀，便于调节和管理。土质为粘土，土体深厚，质地均匀，基础肥力为有机质14.52 g·kg-1，全氮1.16 g·kg-1，碱解氮106.9 mg·kg-1，速效磷21.24 mg·kg-1，速效钾107.56 mg·kg-1。常年平均降水量为646 mm，属于半湿润偏旱区。由于受季风气候的影响，年内降雨分布不均，60%～80%的降雨集中在6-9月。

1.2 试验设计

随机区组设计，设常规耕作+秸秆还田(CT)、连年深耕+秸秆还田(DT)、连年深耕+秸秆不还田(NDT)、隔年深耕+秸秆还田(ADT)4个处理。小区位置和面积固定，3次重复，小区面积为8 m×30 m，共12个小区。

试验2009年玉米播种开始，2015年取样调查化验。常规耕作在小麦播种前旋耕 10～15 cm，深耕在小麦播种前深翻耕，深度30～35 cm，玉米免耕播种。隔年深耕在小麦播种前第1年深耕，玉米免耕；第2年同常规耕作;第3年小麦播种前深耕，玉米免耕播种，3年一个循环。连年深耕小麦播种前深耕，玉米免耕播种。

秸秆还田两季作物秸秆粉碎全量还田，秸秆不还田作物成熟收获后将地上部分秸秆全部移出田外。玉米品种为郑单958， 等行距种植，行距66.7 cm，株距25 cm，种植密度60 000株·hm-2。其它管理按照一般大田管理的方式进行。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 产量及产量构成因素

2015年玉米成熟收获期田间取样，每小区调查收获株数、收获穗数、选取代表性10株，测量株高穗位高，收获中间4行6米长样方，自然风干后测量产量及产量构成因素。

1.3.2 叶面积指数

2015年玉米抽雄期每区选择有代表性5株进行挂牌标记，自散粉后0、10、20、30、40、50天测量单株叶面积玉米叶面积等于叶长×叶宽×系数,完全展开叶系数为 0.75,未完全展开叶系数为 0.50,用于计算叶面积指数。

1.3.3 根系活力测定

2015年玉米拔节期、吐丝期、成熟期3个关键生育时期进行田间小区采样, 在同一个样区内按照对角线法选取代表性样株5株, 以植株主茎为中心, 在水平方向取40 cm×30 cm的长方形平面, 沿四周垂直挖土, 形成有根样的土柱, 分层截取0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm的土柱。将各层带土根系浸水16 h，之后将土洗净, 并收集保留所有的断根, 吸干根样表面水分, 用TTC法测定根系活力[15,16]。

1.3.4 土壤容重

2015年小麦成熟期, 选取每个小区3点, 采用环刀法[17]测定0～15、15～25和25～35 cm土层的土壤容重。

有效耕层土壤量/kg·hm-2=平均耕层深度/m×面积/104m2×5～10 cm的土壤容重/g·cm-3×1 000

1.3.5 土壤养分测定方法

2015年小麦成熟期, 选取每个小区3点取土样，混合，用于测定土壤有机质、全氮等养分含量依据土壤农业化学分析法测定[18]。土壤酶活性的测定参照关松荫的方法[19]进行，其中脲酶活性测定采用苯酚-次氯酸钠比色法，过氧化氢酶活性测定采用高锰酸钾滴定法转化酶活性测定采用硫代硫酸钠滴定法。

1.4 数据处理

用Microsoft Excel 2003 计算数据; 用DPS7.05统计软件进行方差分析, 采用Duncan’s 新复极差法进行不同处理间多重比较。

2 结果与分析

2.1 不同耕作方式对夏玉米产量及产量构成的影响

7年定位试验结果表明(表1)：秸秆还田与不还田两种秸秆处理条件下，不同土壤耕作方式对夏玉米产量均有显著影响。深耕处理平均比常规处理(CT)增产17.6%。秸杆不还田NDT处理平均比CT处理增产11.7%；秸秆还田DT和ADT处理平均比CT处理增产20.6%，比NDT处理增产7.9%。相同秸秆处理方式下，DT与ADT处理间的产量差异不显著(P>0.05)。从产量构成因素分析，深耕可以显著提高夏玉米穗数、行粒数和百粒重，秸秆还田可显著提高行粒数。深耕处理的穗数平均比CT处理高12.5%。秸秆不还田时，深耕NDT处理的穗数平均比CT处理高11.6%；秸秆还田时，深耕处理的穗数平均比CT处理高13.0%。DT和ADT处理的穗数平均比NDT处理高1.1%。深耕处理的行粒数平均比CT处理高7.4%。NDT处理的行粒数平均比CT处理高3.0%，DT和ADT处理的行粒数平均比CT处理高9.6%，比NDT处理高6.4%。深耕处理的百粒重平均比CT处理高5.6%，NDT处理的千粒重平均比CT处理高3.7%；DT和ADT处理的百粒重平均比CT处理高6.6%，比NDT处理高2.8%。相同的秸秆处理方式下，DT与ADT处理的穗数、穗行数和百粒重均无显著差异(P>0.05)。综上分析深耕和秸秆还田具有明显的增产效果，隔年深耕不仅减低耕作次数，且具有显著增产效果。

表1 不同耕作处理对夏玉米产量及产量构成的影响Table 1 Effects of different tillage treatments on the yield and yield components of Summer Maize

注：同列不同小写字母表示处理间差异达 5%显著水平。

Note: Different small letters in same column mean significant difference at 5% level.

2.2 不同耕作方式对夏玉米散粉后叶面积指数的影响

夏玉米LAI散粉后随着天数的推移均呈先缓慢后快速下降趋势(图1)。与传统耕作(CT)比，深耕能显著提高夏玉米LAI，整个灌浆期平均提高了11.0%。其中秸秆还田DT和ADT处理LAI分别提高了12.3%、15.7%，秸秆不还田NDT处理LAI提高了4.9%。DT和ADT处理LAI平均比NDT高8.6%，二者差异不显著(P>0.05)。

图1 不同处理散粉后叶面积指数的变化Fig.1 Changes of leaf area index of different tillage treatments after maize anther

2.3 不同耕作方式对夏玉米根系活力的影响

由表2可见，根系活力与玉米的生长发育阶段相适应, 表现为拔节期到吐丝期不断加强而达到最高而后逐步降低至成熟期随着根系的衰退而下降的趋势。而不同耕作方式对根系活力影响不同, 0～30 cm土层，传统耕作(CT)根系活力随着土层的增加而减小， 10～20 cm土层根系活力在拔节期、吐丝期和成熟期比0～10 cm土层分别降低了7.2%、6.4%和12.8%，20～30 cm土层根系活力在吐丝期和成熟期比10～20 cm土层根系活力分别降低了22.7%和15.8%；深耕处理根系活力随着土层的增加而增加，10～20 cm土层根系活力在拔节期、吐丝期和成熟期比0～10 cm土层分别提高了13.7%、30.8%和6.5%，20～30 cm土层根系活力与10～20 cm土层根系活力差异不显著。

0～10 cm土层玉米根系活力在拔节期-吐丝期不同处理间差异不明显，随着根系的衰退到成熟期，深耕处理夏玉米根系活力比CT处理平均提高了9.7%。随着土层深度增加不同耕作方式根系活力差异变大，拔节期,10～20 cm土层, DT、NDT、ADT处理根系活力分别较CT增加24.3%、22.0%和 24.0%, 而吐丝期-成熟期10～30 cm 土层各处理间根系活力均表现显著差异(P<0.05), 较对照增加30%以上。由上分析, 深耕和秸秆还田均能提高根系活力，特别是对深层根系活力效果更明显。

表2 不同耕作方式对0～30 cm土层玉米根系活力的影响Table 2 Root activities of maize in 0～30 cm soil layers under different tillage treatments

注：同行不同字母表示处理间差异达5%的显著水平(P<0.05)。

Note: Different small letters in same line mean significant difference at 5% level(P<0.05)

2.4 不同耕作措施对耕层土壤物理特性的影响

从图2中可以看出，深耕土壤耕层平均厚度20.03 cm,与传统耕作比，耕层厚度增加了58.9%，有效耕层土壤量增加59.2%。深耕还可以有效降低耕层土壤容重， 小麦收获后15～25 cm的土壤容重平均降低11.0%，25～35 cm的土壤容重平均降低10.5%。秸秆还田也可有效地降低深层土壤容重，25～35 cm的土壤容重比秸秆不还田处理低4.6%。隔年深耕处理与连年深耕处理对耕层土壤深度、土壤容重的影响差异不大。深耕结合秸秆还田显著能有效降低土壤容重、增加耕层厚度，有效改善耕层土壤质量。

图2 不同耕作处理对耕层土壤物理的影响Fig.2 Effects of different tillage treatments on topsoil physical characteristics

2.5 不同耕作措施对土壤有机质含量的影响

表3表明，相同的耕作方式下，秸秆还田处理土壤有机质含量高于秸秆不还田处理；相同的秸秆还田处理下，深耕和隔年的土壤有机质含量高于传统耕作处理，两者之间差异不显著(P>0.05)。0～10 cm土层，与CT比，DT和ADT 处理的土壤有机质含量分别提高了4.1%和3.5%，NDT处理处理的则下降了3.5%,差异不显著，DT和ADT与NDT间差异达显著水平(P<0.05)。10～40 cm土层，深耕土壤有机质含量比传统耕作的提高10%以上，达显著水平，深耕+秸秆还田处理土壤有机质含量高于与深耕秸秆不还田处理的， 10～20 cm土层差异不显著(P>0.05)， 20～40 cm土层差异达显著水平(P<0.05)。可见，秸秆还田与深耕处理可以显著提高10～40 cm土层土壤有机质含量，隔年深耕与连年深耕处理之间差异不显著(P>0.05)。

2.6 深耕提高了土壤酶活性，增加了养分有效性

表4表明,0～20 cm土层，深耕显著可提高酶活性。与CT处理比，NDT处理脲酶活性提高了5.35%，过氧化氢酶提高了5.10%,转化酶提高了5.26%;DT处理脲酶活性提高了10.54%%，过氧化氢酶提高了12.24%，转化酶提高了11.28%,DT和ADT处理与NDT处理对土壤酶活性影响差异达显著水平(P<0.05), 二者间差异不显著(P>0.05)。说明秸秆还田既培肥了土壤，也显著地改善土壤脲酶活性，增加了土壤供氮能力，过氧化氢酶的增加，改善了土壤特性，有利于微生物的生长，从而提高肥料和土壤养分的有效性；转化酶活性增强，秸秆分解和转化的速率加快，为作物的生长发育提供充足的营养和好的环境。

表3不同耕作措施对土壤有机质含量的影响(玉米成熟期2015年)

Table3 Effects of different tillage treatments on the content of soil organic matter(Maize maturity in 2015 year)

土层/cmSoillayer有机质/%OrganicmatterCTDTNDTADT0^101.72ab1.79a1.66b1.78a10^201.63a1.84b1.79b1.85b20^300.85a1.55bd1.23c1.57d30^400.75a0.89bd0.82c0.91d

注：同行不同字母表示处理间差异达5%的显著水平(P<0.05)。

Note: Different small letters in same line mean significant difference at 5% level(P<0.05).

表4 深耕对土壤酶活性的影响(0～20 cm土层) Table 4 Effects of different tillage treatments on the activities of soil enzyme in 0～20 cm

注：同列不同小写字母表示处理间差异达 5%显著水平(P<0.05)。

Note： Different small letters in same column mean significant difference at 5% level(P<0.05).

3 结论与讨论

深耕能够增加玉米产量，同时改善土壤物理状况[20,21]。本试验表明深耕可显著提高下玉米产量，平均比CT增产17.6%，能使层厚度增加58.9%，有效耕层土壤量增加59.2%，15～35 cm土壤容重下降10%以下。能延缓根系衰老，有效地提高深层根系活力。0～10 cm土层玉米根系活力在拔节期至吐丝期不同处理间差异不明显，随着根系的衰退到成熟期，深耕处理夏玉米根系活力平均提高了9.7%；而10 cm土层以下则提高20%以上。玉米高产的最主要因素取决于提高对光能利用，而叶面积指数就是反映玉米群体光合性能的一个重要指标[22]。深耕可显著提高夏玉米LAI，灌浆期平均提高了11.0%。7年深耕结合秸秆还田后不仅提高土壤养分, 而且还能提高土壤酶活性。本试验在深耕条件下，还田秸秆被翻埋的深度增加，显著地改善10～40 cm土层土壤肥力，该结论与前人的研究结论相一致[23]。因为在耕层土壤中较高的土壤C/N和较高的土壤过氧化氢酶活性均有利于秸秆被转化为有机质。

试验研究表明，在秸秆还田条件下，隔年深耕不仅降低耕作次数，且具有显著增产和改善土壤理化特性的效果，与连年深耕效果差异不显著。从节本增效角度，本地区应加快该项耕作技术的推广。

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