深松深度对砂姜黑土耕层特性、作物产量和水分利用效率的影响*

程思贤, 刘卫玲, 靳英杰, 周亚男, 周金龙, 赵亚丽, 李潮海



深松深度对砂姜黑土耕层特性、作物产量和水分利用效率的影响*

程思贤, 刘卫玲, 靳英杰, 周亚男, 周金龙, 赵亚丽**, 李潮海**

(河南农业大学农学院/省部共建小麦玉米作物学国家重点实验室/河南粮食作物协同创新中心 郑州 450002)

研究深松深度对砂姜黑土耕层特性、作物产量和水分利用效率的影响, 可为构建砂姜黑土合理耕层的耕作深度指标提供依据。本研究基于多年定位大田试验, 采用大区对比设计, 设置4个深松深度(30 cm、40 cm、50 cm、60 cm)处理, 以旋耕(RT, 平均耕作深度为15 cm)作为对照, 研究不同深松深度对土壤紧实度、土壤三相比()值、作物根系形态、作物产量和水分利用效率的影响。研究结果表明, 深松深度增加能显著降低土壤紧实度, 使土壤的三相比()更加合理, 进而促进作物根系生长。不同深松深度中, 深松60 cm处理的土壤紧实度和三相比()值与对照相比降幅最大, 深松40 cm处理的冬小麦根系生物量最大, 深松50 cm处理的夏玉米根系生物量最大。深松不仅增加作物产量, 还提高作物水分利用效率。深松30 cm处理的周年作物产量最高, 比对照增产12.2%, 但与深松40 cm处理差异不显著。深松50 cm处理的周年水分利用效率最高, 但与深松30 cm和深松40 cm处理差异不显著。深松30 cm、40 cm和50 cm的周年水分利用效率比对照分别增加9.1%、8.8%和12.7%。因此, 砂姜黑土适宜的深松深度为30~40 cm。

砂姜黑土; 冬小麦; 深松深度; 土壤紧实度; 土壤三相比()值; 根系形态

砂姜黑土在黄淮海平原南部分布广泛, 面积约达370万hm2, 是该区主要的中低产土壤类型之一[1]。砂姜黑土具有干坚实、湿黏闭、胀缩强、耕期短、僵块多、结构差等特点, 而且有机质含量低、土壤供肥能力差, 严重限制着作物增产[2-4]。目前, 生产上普遍应用的小麦()季旋耕玉米()季免耕的耕作方式, 导致砂姜黑土土壤亚表层紧实化, 土体通透性变差[5], 而小型农机具反复碾压以及大水漫灌又加剧了下层土壤沉积压实, 犁底层不断加厚, 土壤紧实度日益增大[6-7]。因而, 砂姜黑土存在的耕层“浅、实、少”问题尤其严重, 严重阻碍了作物根系的深层分布和水肥吸收功能, 致使作物水肥资源利用率降低、增产能力变弱, 成为制约砂姜黑土作物高产稳产和土地可持续利用的主要障碍。因此, 研究砂姜黑土的改良并确定合理的耕作指标对农业可持续发展具有重要的理论和实践意义。

深松是保护性耕作的核心技术之一[8], 我国深松面积超过1 000万hm2[9]。研究表明, 深松能打破坚硬的犁底层, 降低深层土壤容重, 加深耕层深度, 改善土壤的通透性[10-12], 创造虚实并存的耕层结构, 有利于作物的根系生长, 有效避免作物倒伏、水土流失、蓄水保墒能力差等问题, 从而实现作物增产[13-16]。之前的研究多侧重于深松作业深度为30 cm时对土壤改良及作物产量的影响, 但探讨不同深松深度对砂姜黑土的改良效应和对作物增产效应的报道较少。另外, 前人对砂姜黑土区冬小麦-夏玉米周年土壤耕层特性、作物根系、产量及水分利用效率的研究还较少。本研究基于多年定点试验, 通过设置不同的深松深度, 研究不同深松深度对砂姜黑土土壤紧实度、土壤三相比、作物根系生长、产量和水分利用效率的影响, 为确定砂姜黑土适宜的深松深度提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2014—2016年在河南省驻马店西平县二郎乡张尧村河南农业大学试验基地(33°19′48″N, 114°01′01″E)进行。该区地处黄淮海平原南部, 年平均气温16.0 ℃, 无霜期221 d, 年平均降雨量852 mm。2015年降雨量为649 mm, 2016年降雨量为929 mm。该区域常年施行冬小麦-夏玉米一年两熟种植制度, 秋季小麦播前旋耕、夏季玉米免耕播种是当地的传统耕作方式。供试土壤属于砂姜黑土, 耕层土壤的有机质含量为12.39 g·kg–1、全氮1.18 g·kg–1、有效磷20.12 mg·kg–1、速效钾94.66 mg·kg–1, 土壤物理机械组成为砂粒18.6%、粉粒42.2%、黏粒39.2%。

1.2 试验设计

试验以旋耕(RT)为对照, 设置4个深松深度处理, 分别为深松30 cm(SS30)、40 cm(SS40)、50 cm (SS50)和60 cm(SS60)。旋耕平均耕作深度为15 cm。2014年秋季冬小麦播种前开始进行定位试验, 所有耕作处理均在每年冬小麦播前进行。为了更接近农田实际情况和方便大型农机具进行田间农事操作, 各处理采用大区对比设置, 每个大区面积为100 m× 10.8 m, 随机排列。

2015年供试小麦品种为‘豫农416’, 属半冬性品种; 2016年为‘郑麦9023’, 属弱春性品种。两年播种量均为225 kg·hm-2。肥料使用量为: N 180 kg·hm-2、P2O590 kg·hm-2和K2O 90 kg·hm-2, 于整地前作为底肥一次性施入, 拔节期追施N 75 kg·hm-2。2015—2016年夏季玉米品种均为‘豫单606’, 种植密度为60 000株·hm-2, 种肥同播, 播种时同时施入N 180 kg·hm-2、P2O590 kg·hm-2和K2O 90 kg·hm-2, 于大喇叭口期追施N 75 kg·hm-2。每个处理灌水量相同, 具体灌溉时间及灌水量为: 2015年2月29日, 灌水量为27.6 mm; 2015年6月9日, 灌水量为46.9 mm; 2015年6月22日, 灌水量为20.6 mm; 2016年2月25日, 灌水量为27.3 mm; 2016年7月5日, 灌水量为67.5 mm, 采用水表记录每次灌水量。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 土壤紧实度

在冬小麦拔节期、开花期、成熟期和夏玉米拔节期、开花期、成熟期, 采用美国产SC 900土壤坚实度仪测定0~45 cm(每2.5 cm为一层)的土壤紧实度。

1.3.2 土壤三相比()值

冬小麦和夏玉米成熟期, 每个处理选择3个具有代表性的区域, 用环刀法测定0~15 cm、15~30 cm、30~40 cm、40~50 cm和50~60 cm土层土壤容重, 计算土壤孔隙度: 土壤孔隙度(%)=(1-土壤容重/土壤比重)[17], 土壤比重近似值为2.65 g·cm-3。采用烘干法测定各土层土壤含水量, 并按照公式计算土壤三相比():

式中:为测定土壤三相比与适宜状态下土壤三相比在空间距离上的差值,为土壤固相,为土壤液相,为土壤气相。值越大, 土壤三相比越差[18]。

1.3.3 作物根系形态

冬小麦开花期每处理选取3点, 每点挖取长×宽×高=32 cm×32 cm×30 cm的土块; 夏玉米开花期, 每处理选取3点, 每点选取3株长势均匀一致的植株, 以根茎为中心, 挖取长×宽×高=60 cm×28 cm×60 cm的土块, 装入尼龙袋中, 用自来水冲洗后用根系扫描仪扫描图像, 用WinRHIZO根系分析系统分析根系长度、根系表面积、根系体积和根系平均直径。然后, 将根系置烘箱中105 ℃杀青30 min, 80 ℃烘干至恒重后称重, 测得根系干重并计算根系干重密度。

1.3.4 作物产量

冬小麦成熟期, 每处理收获2 m×2 m面积的植株, 3次重复, 脱粒, 风干, 称重计产; 夏玉米成熟期, 每处理收获连续20株果穗, 3次重复, 脱粒, 风干, 称重计产。

1.3.5 水分利用效率

采用水分平衡法[19], 按照以下公式计算农田耗水量(ET1-2):

ET1-2=Δ++0+(2)

式中:为灌水量(mm),0为有效降雨量(mm),为地下水补给量(mm), 本试验地下水埋深大于2.5 m,值可以忽略, Δ为各生育阶段土壤储水消耗量, 计算公式为:

式中:为土层编号,为总土层数,γ为第层土壤干容重(g·cm-3),H为第层土壤厚度(cm),θ1和θ2分别为第层土壤时段初和时段末的含水量, 以占干土重的百分数计(%)。当Δ为负数时, 表示阶段末土壤储水量较阶段初增加。

按照以下公式[20-21]计算水分利用效率(WUE):

WUE=GY/ET (4)

式中: WUE为籽粒产量水分利用效率(kg·hm-2·mm-1), GY为籽粒产量(kg·hm-2), ET为农田耗水量(mm)。

1.4 数据分析

采用One way ANOVA分析不同耕作处理之间的差异显著性并采用Duncan新复极差法(SSR)进行多重比较, 显著水平取<0.05。采用Microsoft Excel 2010和SPSS 19.0软件进行试验数据处理和统计分析, 采用SigmaPlot 12.5软件绘图。

2 结果与分析

2.1 深松深度、年份及其交互对土壤紧实度、三相比(R)值、作物产量和水分利用效率影响的方差分析

由表1可以看出, 处理方式对土壤紧实度、土壤三相比()值、作物产量和水分利用效率均存在极显著影响; 年份除对冬小麦产量、夏玉米产量和作物水分利用效率存在极显著影响外, 对其他指标均无显著影响; 处理方式与年份也存在交互作用, 其中处理×年份对夏玉米产量、夏玉米水分利用效率和周年水分利用效率存在显著性影响, 对其他指标无显著性影响。

表1 冬小麦季深松深度、年份以及其交互对土壤紧实度、三相比(R)值、作物产量和水分利用效率影响的方差分析

PRW: 冬小麦季土壤紧实度; PRM: 夏玉米季土壤紧实度;W: 冬小麦季土壤三相比()值;M: 夏玉米季土壤三相比()值; YieldW: 冬小麦产量; YieldM: 夏玉米产量; Yieldtotal: 周年产量; WUEW: 冬小麦水分利用效率; WUEM: 夏玉米水分利用效率; WUEtotal: 周年水分利用效率。ns: 差异未达5%显著水平。PRW:soil penetration resistance in winter wheat season; PRM: soil penetration resistance in summer maize season;W: soil three-phase () value in winter wheat season;M: soil three-phase () value in summer maize season; YieldW: yield of winter wheat; YieldM: yield of summer maize; Yieldtotal: annual yield; WUEW: water use efficiency of winter wheat; WUEM: water use efficiency of summer maize; WUEtotal: annul water use efficiency. ns: no significant difference at 5% level.

2.2 深松深度对土壤耕层特性的影响

2.2.1 土壤紧实度

深松可以显著降低土壤紧实度, 使0~45 cm土层土壤紧实度降低12.6%, 且对冬小麦季的影响大于夏玉米季(图1)。随着深松深度的增加, 土壤紧实度的降幅增加。土壤紧实度与土壤含水量相关[22], 由于各生育期土壤含水量不同, 各生育期间无明显变化规律, 但随着作物生长发育, 各处理间差异逐渐变小, 与旋耕相比, 其降幅范围由冬小麦拔节期8.4%~27.2%降为夏玉米成熟期1.9%~10.8%。深松30 cm、40 cm、50 cm和60 cm的冬小麦季平均土壤紧实度分别比旋耕降低5.6%、13.1%、17.5%和19.8%, 以深松60 cm处理的土壤紧实度降幅最大, 但与深松40 cm和深松50 cm差异不显著。深松30 cm、40 cm、50 cm和60 cm的夏玉米季平均土壤紧实度分别比旋耕降低5.5%、10.0%、13.4%和15.9%, 也以深松60 cm处理的土壤紧实度降幅最大, 但与深松50 cm差异不显著。表明深松深度越深, 土壤紧实度的降幅越大。

2.2.2 土壤三相比()值

深松显著降低了土壤三相比()值, 且对冬小麦季的影响大于夏玉米季(表2)。不同处理因深松深度不同, 土壤三相比()值受影响的土层深度不同, 深松深度以下土层的土壤三相比()值不受影响。深松主要降低了15~60 cm土层的土壤三相比()值。在冬小麦季15~60 cm土层, 深松30 cm、40 cm、50 cm和60 cm的土壤三相比()值分别比旋耕降低3.9%、50.7%、61.7%和71.2%, 随着深松深度的增加, 土壤三相比()值降幅越明显。深松60 cm处理的土壤三相比()值最小, 但与深松50 cm的差异不显著。在夏玉米季15~60 cm土层, 深松30 cm、40 cm、50 cm和60 cm的土壤三相比()值分别比旋耕降低14.7%、19.8%、24.7%和33.9%, 随着深松深度的增加, 土壤三相比()值降幅越明显。深松60 cm的土壤三相比()值最小, 且与其他处理均呈显著性差异。

2.3 深松深度对作物根系生长的影响

2.3.1 冬小麦根系生长

从表3可以看出, 冬小麦根系主要集中在0~15 cm土层, 下层土壤中根系较少。深松显著增加了冬小麦根长、根系表面积、根系体积和根系干重密度, 但对根系平均直径影响较小。不同深松深度对不同土层根系形态影响不同。0~30 cm土层, 深松处理的根长平均比旋耕增加58.5%, 其中深松40 cm增加最多, 但与深松30 cm差异不显著, 深松30 cm和深松40 cm与旋耕相比分别增加65.2%和78.8%; 深松处理的根系表面积平均比旋耕增加42.6%, 深松40 cm增加最多且与各处理均存在显著性差异, 比旋耕增加63.8%; 深松处理的根系体积除深松40 cm外均与旋耕无显著性差异, 深松40 cm比旋耕增加47.0%, 但深松处理间无显著性差异; 深松处理的根系干重密度平均比旋耕增加29.8%, 深松40 cm增加最多, 但与深松30 cm差异不显著, 深松30 cm和深松40 cm与旋耕相比分别增加42.7%和47.9%。0~15 cm土层与0~30 cm土层规律相同, 除根系体积外, 深松处理显著增加根长、根系表面积和根系干重密度, 平均比旋耕的根长、根系表面积和根系干重密度分别增加53.8%、39.0%和27.1%, 且均为深松30 cm和深松40 cm促进效果最好。15~30 cm土层, 深松处理的根长、根系表面积、根系体积和根系干重密度分别平均比旋耕增加86.9%、73.0%、63.1%和79.4%, 其中深松60 cm增加最多且与其他处理均呈显著性差异, 深松60 cm的根长、根系表面积、根系体积和根系干重密度分别比旋耕增加131.1%、108.2%、101.3%和126.6%。在5个不同的处理中, 深松40 cm的冬小麦根系最发达, 但与深松30 cm差异不显著, 故深松30 cm和深松40 cm对冬小麦根系生长的促进效果最好。

图1 冬小麦深松深度对不同时期土壤紧实度的影响(A:冬小麦拔节期; B: 夏玉米拔节期; C:冬小麦开花期; D:夏玉米开花期; E:冬小麦成熟期; F:夏玉米成熟期)

RT: 旋耕; SS30: 深松30 cm; SS40: 深松40 cm; SS50: 深松50 cm; SS60: 深松60 cm。RT: rotary tillage; SS30: subsoiling 30 cm; SS40: subsoiling 40 cm; SS50: subsoiling 50 cm; SS60: subsoiling 60 cm.

表2 冬小麦季深松深度对不同土层三相比(R)值的影响

同一作物数据后不同小写字母表示不同处理间差异达5%显著水平。For the same crop, different lowercase letters indicate significant difference at 5% level among different treatments.

表3 2015年和2016年冬小麦季深松深度对冬小麦开花期根系生长的影响

同一作物同一土层不同小写字母表示不同处理间差异达5%显著水平。Different lowercase letters indicate significant differences among treatments in the same soil layer for the same crop at 5% level.

2.3.2 夏玉米根系生长

玉米根系分布随土层的加深而下降, 以0~15 cm土层根系分布最多(图2)。深松显著增加了夏玉米根长、根系表面积、根系体积和根系干重密度, 同样对根系平均直径影响较小。0~60 cm土层, 深松处理的根长、根系表面积、根系体积和根系干重密度分别平均比旋耕增加73.7%、63.2%、55.8%和52.9%, 其中深松50 cm增加最多且与其他处理均呈显著性差异, 深松50 cm的根长、根系表面积、根系体积和根系干重密度分别比旋耕增加119.9%、99.0%、76.9%和89.0%。0~15 cm土层, 深松处理的根长、根系表面积、根系体积和根系干重密度分别平均比旋耕增加73.2%、60.7%、54.5%和49.0%, 深松50 cm增加最多, 除根系体积与深松30 cm、40 cm和深松60 cm的不显著外, 其余均呈显著性差异。深松50 cm的根长、根系表面积和根系干重密度分别比旋耕增加129.5%、97.0%和85.2%, 深松40 cm、深松50 cm和深松60 cm的根系体积分别比旋耕增加49.9%、73.9%和54.4%。15~60 cm土层与0~60 cm土层规律相同, 深松处理的根长、根系表面积、根系体积和根系干重密度分别平均比旋耕增加74.1%、66.8%、58.3%和62.2%, 且深松50 cm增加最多并与其他处理均呈显著性差异, 深松50 cm的根长、根系表面积、根系体积和根系干重密度分别比旋耕增加108.8%、102.0%、82.9%和98.1%。在5个处理中, 深松50 cm处理的夏玉米根系最发达, 且与其他处理均呈显著性差异, 故深松50 cm对夏玉米根系生长的促进效果最好。

同一土层不同小写字母表示处理间差异达5%显著水平。Different lowercase letters above the bars mean significant differences among treatments for the same soil layer at 0.05 level.

2.4 深松深度对产量的影响

深松可以提高作物产量, 且对冬小麦的增产效应大于夏玉米(表4)。与旋耕相比, 深松使冬小麦增产11.3%, 夏玉米增产6.0%, 作物周年总产增加8.7%。深松30 cm和40 cm的冬小麦产量与其他处理呈显著性差异, 分别比旋耕增加20.1%和16.7%。深松30 cm、40 cm和50 cm的夏玉米产量与其他处理呈显著性差异, 分别比旋耕增加5.1%、6.1%和11.0%。深松30 cm和40 cm的周年作物总产量与旋耕呈显著性差异, 分别比旋耕增加12.2%和11.3%。不同深松深度间差异不显著, 但深松30 cm和40 cm处理的周年作物总产量与旋耕处理呈显著性差异。表明砂姜黑土深松30 cm和40 cm的作物增产效果最好。

表4 2015年和2016年小麦季深松深度对作物产量的影响

同列不同小写字母表示处理间差异达5%显著水平。Different lowercase letters in the same column indicate significant differences among treatments at 5% level.

2.5 深松深度对水分利用效率的影响

深松的冬小麦季、夏玉米季以及周年水分利用效率均显著高于旋耕, 且冬小麦季水分利用效率的增幅大于夏玉米季(表5)。与旋耕相比, 深松使冬小麦季的水分利用效率提高10.8%, 夏玉米季提高7.0%, 周年水分利用效率提高8.7%。深松30 cm、40 cm、50 cm和60 cm的冬小麦季水分利用效率分别比旋耕增加15.7%、14.6%、6.7%和6.3%, 其中深松30 cm处理的水分利用效率增幅最大, 与深松50 cm和深松60 cm呈显著性差异, 但与深松40 cm差异不显著。深松30 cm、40 cm、50 cm和60 cm的夏玉米季水分利用效率分别比旋耕提高4.6%、4.8%、16.0%和2.6%, 其中深松50 cm处理的水分利用效率增幅最大, 且与其他处理均呈显著性差异。深松30 cm、40 cm、50 cm和60 cm的周年水分利用效率分别比旋耕增加9.1%、8.8%、12.7%和4.1%, 其中深松50 cm处理的水分利用效率最高, 但与深松30 cm和深松40 cm的水分利用效率差异不显著。

表5 2015年和2016年小麦季深松深度对水分利用效率的影响

同列不同小写字母表示处理间差异达5%显著水平。Different lowercase letters in the same column indicate significant differences among treatments at 5% level.

3 讨论

3.1 深松深度对耕层土壤耕层特性的影响

土壤紧实度作为一个重要的土壤物理特性指标, 其大小直接影响作物根系的生长发育。而土壤三相的不同分配和比率, 也影响土壤的通气、透水、供水、保水等物理性质[23-24]。前人研究结果表明, 深松可以有效打破犁底层, 显著降低土壤紧实度, 改善土壤耕层结构, 使土壤三相比趋于合理[25-27]。孔晓民等[10]研究表明, 不同耕作方式对土壤容重和土壤紧实度的影响效果由大到小依次为: 深松>旋耕>免耕。随着深松深度的增加, 土壤紧实度和土壤容重降幅越大, 不同处理间降幅由大到小表现为: 深松50 cm>深松40 cm>深松30 cm>旋耕[28]。本研究结果表明, 深松可以显著降低砂姜黑土的土壤紧实度和土壤容重, 并改善土壤结构, 降低土壤三相比()值。在不同的深松深度中, 随着深松深度的增加, 土壤耕层结构的改良效果越好。不同处理间改良效果由大到小表现为深松60 cm>深松50 cm>深松40 cm>深松30 cm>旋耕, 与已有的研究结果一致[10,28]。

3.2 深松深度对作物根系和产量的影响

作物的根系具有固持植物体, 吸收水分和溶于水中的矿物质, 并将水与矿物质输导至地上部分等作用, 而紧实胁迫严重限制了作物根系生长、分布和吸收功能以及产量形成[29]。前人研究结果表明, 土壤的物理性状对作物的根系生长发育有较大影响[25,30], 而深松可以改善土壤孔隙状况, 增加土壤通透性, 有利于根系下扎, 促进根系生长[31]。作物的根系干重密度、根系体积随土层深度加深呈递减的趋势[32], 深松可以促进作物根系特别是下层根系干物质密度的增加, 增加根系纵深分布[25], 并提高作物的根系活性, 进而使作物增产[33-35]。本研究结果表明, 深松可以有效改良土壤结构, 促进作物根系的延伸, 增加作物的根长、根系体积、根系表面积和根系干重密度, 进而实现作物增产, 此与前人研究结果一致。在不同的深松深度中, 深松40 cm处理的冬小麦根长、根系体积、根系表面积值和根系干重密度最大, 但与深松30 cm不存在显著性差异; 深松50 cm处理的夏玉米根长、根系体积、根系表面积值和根系干重密度最大, 并与各处理相比均存在显著性差异。深松30 cm对冬小麦增产效果最大, 深松50 cm对夏玉米增产效果最大, 深松30 cm对周年增产效果最大, 但与深松40 cm周年产量之间差异不显著。而张凤杰等[28]和Cai等[36]研究表明, 随着深松深度加深, 作物的根系生长发育促进效果越好, 作物产量越高。与之前研究结果不同的主要原因如下: 由于砂姜黑土干坚实、湿黏闭、胀缩强、耕期短、僵块多、结构差等特点, 普通深松机无法达到深层次深松目的, 故本试验采用的是横向旋转式深松机进行粉垄式深松, 该深松方法在冬小麦播种前进行深层次深松作业时将下层部分未腐熟土壤带到了上层, 深松后降雨引起土壤一定程度的沉降, 影响小麦出苗质量, 尤其降低深松带上基本苗数, 深松60 cm处理的深松带上基本苗数比其他深松处理平均减少21.7%, 进而影响冬小麦产量。但到了夏玉米季, 土壤经过半年多的腐熟和沉降, 土壤耕层逐渐稳定, 除深松60 cm处理外, 深松深度越深增产效果越好。随着深松年限的增加, 土壤耕层的进一步稳定, 深松60 cm处理增产效果可能会更好。

3.3 深松深度对水分利用效率的影响

植物水分利用效率是评价植物生长适宜程度的综合生理生态指标[37]。前人研究表明, 深松降低了表层土壤容重, 增加接纳雨水的能力, 进而增强了作物对水分的利用效率[38-41]。深松可以提高土壤蓄水能力, 增加土壤含水量, 且深松50 cm的水分利用效率高于深松30 cm和旋耕[36]。本研究结果表明, 深松能够显著增加周年水分利用效率, 这与前人的研究结果一致[38-41]。在冬小麦季, 深松30 cm作物的水分利用效率最高, 但与深松40 cm的差异不显著; 在夏玉米季, 深松50 cm作物的水分利用效率最高, 且与其他处理呈显著性差异; 周年中, 深松50 cm作物的水分利用效率最高, 但深松30 cm、40 cm和50 cm之间差异不显著。目前, 通过保护性耕作达到保土、节水、增产、增效已成为农业技术发展的重要趋势[42], 而随着深松深度的增加, 其成本也有所增加, 在本试验中, 深松30 cm和深松40 cm在增加产量的同时, 还能节约成本, 提高资源利用效率, 对土壤也起到了改良效果。因此, 综合考虑增产节本增效的目的, 砂姜黑土适宜的深松深度为30~40 cm。

4 结论

深松能够显著降低土壤紧实度和三相比()值, 促进了作物根系的生长发育, 进而增加作物产量, 提高水分利用效率。随着深松深度的增加, 深松对土壤耕层结构的改良效果越好, 以深松60 cm的改良效果最显著。不同的深松深度中, 深松30 cm和深松40 cm的作物增产效果最好, 深松30 cm、深松40 cm和深松50 cm的水分利用效率最高。因此, 砂姜黑土适宜的深松深度为30~40 cm。

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Effects of subsoiling depth on topsoil properties, crop yield and water use efficiency in Lime Concretion Black soil*

CHENG Sixian, LIU Weiling, JIN Yingjie, ZHOU Yanan, ZHOU Jinlong, ZHAO Yali**, LI Chaohai**

(College of Agronomy, Henan Agricultural University /Co-construction State Key Laboratory of Wheat and Maize Crop Science / Collaborative Innovation Center of Henan Grain Crops, Zhengzhou 450002, China)

Lime Concretion Black soil is widely distributed in the south of the Huang-Huai-Hai Plain with area of 3.7 million hm2, which is one of the main middle-to-low-yielding soil types in the region. Currently, the long-term continuous farming system is made possible by using small-sized 4-wheel tractors. However, owing to the years of over exploitation and improper mechanical plough, the effective depth of topsoil has gradually decreased and the plow pan thickened. The problem of shallow, solid and little topsoil in the plough layer has limited the ability of storage and release of fertilizer and continuous increase in crop yield in the Lime Concretion Black soils. Subsoiling is one of the main technologies in conservation tillage and the area with sub-soling in China has exceeded 10 million hm2. Studies have shown that subsoiling can improve soil properties in plough layer by reducing soil bulk density and penetration resistance, increasing soil porosity, hydraulic conductivity and infiltration rate, and creating more favorable soil environment for root growth and crop production than rotary tillage. However, most studies have been carried out only on the 30 cm depth of subsoiling and little research has been focused on the effects of different depths of subsoiling on soil characteristics, root growth, crop yield and water use efficiency under wheat-maize cropping system in Lime Concretion Black soils.The objective of this study was to determine the effects of the depth of subsoiling on topsoil properties, crop yield and water use efficiency and to build the basis for establishing suitable depth of subsoiling in Lime Concretion Black soils. To that end, a multi-year experiment with four depths of subsoiling [30 cm(SS30), 40 cm(SS40), 50 cm(SS50) and 60 cm(SS60)] and rotary tillage (RT) as the control was carried out to study the effects of different depths of subsoiling on soil penetration resistance, soil three-phase () value, root growth, crop yield and water use efficiency. The results showed that increasing depth of subsoiling significantly reduced soil compaction, created more suitable soil three-phase () value and thus promoted crop root growth. In the four depths of subsoiling, decrease in soil penetration resistance and soil three-phase () value were the highest under SS60 treatment, root weight of winter wheat was the highest under SS40 treatment and root weight of summer maize the highest under SS50. Subsoiling not only increased crop yield, but also increased water use efficiency. Annual crop yield was the highest under SS30 treatment, 12.2% higher than that under RT. There was no significant difference in annual crop yield between SS30 and SS40 treatments. Annual water use efficiency was the highest under SS50 treatment, which was 12.7% higher than that under RT. Also there was no significant difference in annual crop yield among SS30, SS40 and SS50 treatments. Annual water use efficiency was respectively 9.1% and 8.8% higher under SS30 and SS40 treatments than that under RT. Therefore, subsoiling at the 30–40 cm depth was a suitable depth in Lime Concretion Black soils.

Lime Concretion Black soil; Winter wheat; Subsoiling depth; Soil compaction; Soil three-phase () value; Root morphology

s: ZHAO Yali, E-mail: zhaoyali2006@126.com; LI Chaohai, E-mail: lichaohai2005@163.com

Dec. 18, 2017;

Apr. 24, 2018

10.13930/j.cnki.cjea.171149

S341.1; S512.1+1; S513

A

1671-3990(2018)09-1355-11

赵亚丽, 主要研究方向为玉米生理生态, E-mail: zhaoyali2006@126.com; 李潮海, 主要研究方向为玉米生理生态, E-mail: lichaohai2005@163.com 程思贤, 主要研究方向为玉米生理生态。E-mail: 85785619@qq.com

2017-12-18

2018-04-24

* This study was supported by the Special Fund for Agro-scientific Research in the Public Interest of China (201503117), the National Natural Science Foundation of China (31771729), and the National Key Research and Development Project of China (2016YFD0300106).

* 国家公益性行业(农业)科研专项(201503117)、国家自然科学基金项目(31771729)和国家重点研发计划项目(2016YFD0300106)资助

程思贤, 刘卫玲, 靳英杰, 周亚男, 周金龙, 赵亚丽, 李潮海. 深松深度对砂姜黑土耕层特性、作物产量和水分利用效率的影响[J]. 中国生态农业学报, 2018, 26(8): 1355-1365

CHENG S X, LIU W L, JIN Y J, ZHOU Y N, ZHOU J L, ZHAO Y L, LI C H. Effects of subsoiling depth on topsoil properties, crop yield and water use efficiency in Lime Concretion Black soil[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2018, 26(9): 1355-1365