内蒙古河套平原灌区玉米适宜耕作方式研究

于晓芳，赵晓宇，胡树平，高聚林，崔 涛，王富贵

（内蒙古农业大学，呼和浩特 010019）

内蒙古河套平原位于巴彦淖尔市，是内蒙古自治区粮食主产区之一，每年生产粮食445.0万吨[1]。其中，玉米种植面积为25.0万公顷，产量为221.0万吨(2016年)，占该区玉米总产量的10.68%。耕地质量是耕地生产力的基础，其中包含土壤的养分含量和物理结构等，不同的耕地质量作物的产量存在较大差异[2]。作物产量是反映土壤肥沃性的一个重要指标，是土壤物理、化学和生物学性质的综合反映。内蒙古河套平原地域宽广、农田土壤肥力分布不均匀、玉米产量差异较大[3]。加之，当地农业生产以小农机具连年浅旋耕作方式为主，导致耕层变浅、犁底层变硬、土壤保水保肥能力下降[4]，次生盐渍化加重，从而限制了玉米产量的提高[5]。

前人研究表明，深松和深翻均可打破犁底层，降低土壤容重，改善土壤结构，增加土壤的孔隙度，提高土壤肥力，从而有利于作物生长发育和提高产量[6-7]。两种耕作方式不同，深翻是通过铧式犁疏松土壤，扰动土层，使得上下土层翻转、混合，是一种传统的农田耕作方式；深松是利用专用深松旋耕机深松铲，将土壤耕松而不翻转表土层，进而打破传统耕作留下的坚实犁底层，但不会造成上下土层的混合。因此，二者对土壤的作用效果不尽相同。目前，关于两种耕作方式作用效果及其机理的研究主要集中在相邻地块同等土壤肥力条件下的土壤理化性状和作物产量的比较分析，而对不同土壤肥力水平下二者作用效果的研究结果鲜见报道。

近年来内蒙古河套平原部分地区小面积开展了深松及深翻耕作，但其作用效果及其机制尚未见报道。因此，本研究在该地区选择采取深松和深翻的不同肥力地块，进行取样测试分析，以期探究两种耕作方式对河套平原不同肥力水平的土壤理化特性与玉米产量的作用效果，为该地区针对不同土壤肥力水平采取适宜的深耕方式来改善土壤结构、提高玉米产量提供科学依据，也为我国其他地区相同土质采取适宜的深耕措施提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验点概况

2015年在内蒙古河套平原进行调研取样，该地区地形平缓，平均坡度约0.02%；土壤以粉质黏土、轻粉质黏土为主，还有少量细粉砂土；属于干旱—半干旱气候，年均降雨量160 mm，年均蒸发量2000 mm，年平均气温7℃[3]。灌区内以引黄灌溉为主，全年灌水3～7次，年均引黄水量约1.17 × 109m3[8]。综合考虑灌区玉米分布、灌溉、土壤、地下水等状况，试验取样点分布在巴彦淖尔市的乌拉特前旗、乌拉特中旗、五原县、杭锦后旗、临河区、磴口县等地 (图1)。

图 1 取样点分布示意图Fig. 1 Schematic diagram of sampling sites

1.2 试验设计与土壤取样方法

每个试验点分别选低产土壤 (玉米产量低于7500 kg/hm2)、中产土壤 (玉米产量在7500～12000 kg/hm2)和高产土壤 (玉米产量高于12000 kg/hm2)，分别采取浅旋耕 (10—15 cm)、传统翻耕 (20—30 cm) 和深松(30—35 cm) 3种耕作方式，共组成9个处理。每取样点地块为100 cm × 80 cm，分别取0—20 cm、20—35 cm、35—50 cm土层土样。

1.3 测定指标

1.3.1 土壤含水量、容重和三相比 1)土壤含水量和容重采用环刀法测定，于收获后选择具有代表性的地块，挖长度为100 cm、宽80 cm、深60 cm的剖面，用修土刀刮平后，用环刀取0—20 cm、20—35 cm、35—50 cm土样，称重后，装入密封袋中带回实验室，在80℃烘箱内烘干，再称重，计算土壤容重和土壤含水量。

土壤容重 (g/cm3) = (烘干后带土环刀重-环刀重) /环刀容积

土壤含水率 (g/kg) = (烘干前带土环刀重-烘干后带土环刀重) / (烘干后带土环刀重-环刀重) × 1000

2) 土壤三相比的测定在取土样同时，用DIK-1601土壤三相仪测定各土层土壤三相比[9]。所测定土壤样品三相比与农田土壤理想状态下三相比 (固相50%，液相25%，气相25%) 的偏离值[10]为R值，计算如下：

式中：R为所测定土壤样品三相比与土壤理想状态下三相比的偏离值；X为所测定土壤样品固相的数值；Y为所测定土壤样品液相的数值；Z为所测定土壤样品气相的数值；50为土壤理想状态下固相的数值；第一个25为土壤理想状态下液相的数值；第二个25为土壤理想状态下气相的数值。

1.3.2 土壤养分指标 将取回的土壤样品放置阴凉处通风晾干，研磨后过0.15～0.25 mm土筛[9]，分别测定不同粒径土样的土壤养分含量。土壤有机质采用重铬酸钾氧化—容量法测定；全氮采用半微量凯氏定氮法，用K-9840 型凯氏定氮仪测定；速效磷采用碳酸氢钠浸提—钼锑抗比色法测定；速效钾采用醋酸铵浸提—火焰光度法测定[11]。

1.3.3 土壤质量指数 土壤质量指数能够综合有效地反映土壤质量的变异信息，采用加权求和模型对深松条件下土壤含水量、土壤容重、土壤全氮、土壤速效钾等指标，进行土壤质量指数的计算[12]。

式中：FQI是土壤质量指标；Wi为第i个因子的权重；Fi为第i个因子的隶属度；n为参评因子数。

1.4 数据处理

用Microsoft Excel 2003与Sigma Plot 12.5进行试验数据处理和绘制统计图表，用SPSS 20.0 进行方差分析。

2 结果与分析

2.1 耕作方式对不同产量水平地块土壤含水量、容重和三相比R值的影响

2.1.1 土壤含水量 由表1可知，0—50 cm以内土层土壤含水量随着土层深度与地块产量水平的递增而逐渐增加；在高、中、低三个产量水平下，土壤含水量均表现为旋耕 ＜ 翻耕 ＜ 深松；土壤含水量在不同产量水平土壤间和不同耕作方式间差异均达到极显著水平，且耕作方式和土壤肥力水平间互作效应达到显著或极显著水平。

进一步对不同土壤肥力条件下各耕作方式对土壤含水量的作用效果进行分析可知，在低、中、高产土壤下，深松均较旋耕显著提高了0—50 cm土层的土壤含水量，低产土壤0—20、20—35、35—50 cm土层分别提高13.59%、21.22%、20.59%，中产土壤分别提高7.25%、16.58%、20.07%，高产土壤分别提高13.24%、11.35%、32.11%。而传统翻耕在低产土壤下较旋耕显著提高了0—20 cm和20—35 cm土层的土壤含水量，提高幅度分别为10.45%和16.07%；在中产土壤下仅20—35 cm土层的含水量较旋耕显著提高了9.60%；在高产土壤下较旋耕显著提高了20—35 cm和35—50 cm土层的含水量，提高幅度为5.36%和21.91%。进一步将深松与传统翻耕的作用效果进行对比分析表明，在低产土壤下深松在35—50 cm土层的土壤含水量较传统翻耕显著高出14.00%，在中产土壤下0—50 cm土层二者的土壤含水量均无显著差异，在高产土壤下深松在20—35 cm、35—50 cm土层的含水量较传统翻耕分别显著高出5.69%和8.37%。

2.1.2 土壤容重 由表2可以看出，土壤容重随着土壤产量水平的提升而下降，各土层土壤容重的变化规律均表现为 20—35 cm ＞ 0—20 cm ＞ 35—50 cm。不同产量水平下，耕作方式对土壤容重的影响均表现为深松 ＞ 传统翻耕 ＞ 旋耕；土壤容重在不同产量水平地块间和不同耕作方式间均存在显著差异 (P＜0.05) 或极显著差异 (P＜ 0.01)，且耕作方式与产量水平间的互作效应达显著或极显著水平。各产量水平地块的耕作方式对土壤容重作用效果进行分析表明，在低、中、高产田，深松较旋耕显著降低了0—50 cm土层的土壤容重，低产田条件下0—20、20—35、35—50 cm各土层分别降低了5.73%、8.59%、5.23%，中产田分别降低5.81%、6.92%、5.96%，高产田分别降低6.71%、8.61%、7.59%。而传统翻耕在低产田条件下0—20 cm和20—35 cm土层的土壤容重分别较旋耕显著降低2.55%和4.91%；中产田水平下仅在20—35 cm土层较旋耕显著降低3.14%；在高产田条件下0—50 cm土层的土壤容重与旋耕相比差异均不显著。且传统翻耕降低的幅度均小于同产量水平条件下深松对土壤容重的作用效果。

表 1 不同产量水平和耕作方式下的土壤含水量(g/kg)Table 1 Soil water content under different maize yield levels and tillage methods

表 2 不同产量水平和耕作方式下的土壤容重 (g/cm3)Table 2 Soil bulk density under different maize yield levels and tillage methods

深松和传统深翻对土壤容重的作用效果对比分析表明，在低产田条件下深松在0—20 cm和20—35 cm土层的土壤容重较传统翻耕显著降低了3.27%和3.87%，在中产田条件下35—50 cm土层较传统翻耕显著降低3.40%，在高产田条件下的0—20、20—35、35—50 cm土层较传统翻耕分别显著降低5.44%、7.38%和6.94%。

2.1.3 土壤三相比R值 农田理想的土壤三相比为固相50%、液相25%、气相25%[10]，合理调控三相比为作物生长发育提供良好的水、热、气、肥条件，从而促进玉米的根系下扎能力和营养吸收速率。R值为所测定土壤样品三相比与土壤理想状态下三相比的偏离值[9]。由表3可以得出，不同产量水平地块的土壤三相比R值表现出随着产量的提高土壤三相比越趋近于理想三相比；各产量水平条件下耕作方式对R值的影响均为深松 ＞ 传统翻耕 ＞ 旋耕。土壤三相比R值在不同产量水平地块间和不同耕作方式间均存在显著差异 (P＜ 0.05) 或极显著差异(P＜ 0.01)，且耕作方式与产量水平间的互作效应达到显著或极显著水平。

由表3可知，在各产量水平下，深松均较旋耕显著降低了0—50 cm土层的土壤三相比R值。在低产田条件下0—20、20—35、35—50 cm各土层深松较旋耕分别降低了17.70%、40.22%、52.79%，中产田条件下分别降低了12.24%、37.19%、56.81%，高产田条件下分别降低了24.79%、33.97%、89.97%。传统翻耕在中产田和高产田条件下0—20、20—35、35—50 cm土层的R值均较旋耕显著降低，中产田条件下分别降低了10.47%、18.63%、18.79%，高产田条件下分别降低了11.84%、17.35%、57.74%，而在低产田条件下仅20—35、35—50 cm土层的土壤三相比R值较旋耕显著降低19.82%、13.73%，且传统翻耕降低的幅度均小于同产量地块条件下深松对该土层土壤容重的作用效果。

分析比较深松和深翻的作用效果表明，在低产田条件下深松处理下的0—20、20—35、35—50 cm土层的土壤三相比R值均较传统翻耕显著降低了11.22%、25.45%、45.28%，在中产田和高产田条件下深松处理下的20—35 cm和35—50 cm土层土壤三相比R值较传统翻耕分别显著降低了22.81%、46.82%和20.11%、76.27%。

表 3 不同产量水平和耕作方式下的土壤三相比R值Table 3 R values of the solid/liquid/gaseous phases under different yield levels and tillage methods

2.2 耕作方式对不同产量水平地块土壤养分含量的影响

由图2可以看出，随着产量水平的提高，耕地土壤中全氮、速效磷、速效钾与有机质的含量逐渐增加，土壤养分含量随土层深度增加而呈现降低趋势。高、中、低田水平下，耕作方式对土壤提升的作用效果表现为深松 ＞ 传统翻耕 ＞ 旋耕。

2.2.1 土壤全氮含量 由图2可知，低产田水平下0—50 cm土层，深松与旋耕间土壤全氮含量差异不显著；中产田水平下0—35 cm土层土壤全氮含量二者间仍差异不显著，在35—50 cm土层深松土壤全氮较旋耕显著增加了0.22 g/kg；高产田水平，深松使20—35 cm和35—50 cm土层的土壤全氮较旋耕显著提高了0.22 g/kg和0.23 g/kg，而在0—20 cm土层二者间差异不显著。各产量水平条件下传统翻耕处理的0—50 cm土层土壤全氮与旋耕相比差异均不显著。深松与传统翻耕相比较，在低产和中产田条件下土壤全氮含量二者间差异不显著，在高产田条件下土壤全氮含量二者在35—50 cm土层差异显著，深松较传统翻耕显著增加了24.05%，由此说明低产和中产田水平下采取各耕作方式对土壤全氮量的影响不明显，而高产田水平下采取深松处理有利于提高土壤全氮含量。

2.2.2 土壤速效磷含量 在低、中、高产田水平下，深松较旋耕均显著提高了0—50 cm土层的土壤速效磷含量。低产田条件下0—20、20—35、35—50 cm各土层分别提高了2.01、3.07、2.29 mg/kg，中产田条件下分别提高了2.80、2.86、2.12 mg/kg，高产田条件下分别提高了4.17、3.15、2.56 mg/kg。传统翻耕在低、中产田条件下0—50 cm各土层的土壤速效磷含量与旋耕间差异不显著，高产田条件下在0—20、20—35、35—50 cm各土层传统翻耕处理下的土壤速效磷含量较旋耕显著提高2.47、1.34、1.21 mg/kg，提高的幅度小于深松。对深松和传统翻耕比较分析表明，深松与传统翻耕间在低产和中产田条件下0—50 cm土层土壤速效磷含量差异不显著，在高产田条件下深松较传统翻耕显著提高了12.48%、16.94%和14.25%。由此说明，在高、中、低产田水平下采取深松耕作方式均能提高土壤速效磷含量；高产田水平采取深翻耕作也能显著提高土壤速效磷含量，但作用效果不如深松。

图 2 耕作方式对不同产量水平土壤养分含量的影响Fig. 2 Effect of tillage methods on soil nutrient contents under different yield levels

2.2.3 土壤速效钾含量 低、中、高产田水平下，深松较旋耕均显著提高了0—50 cm土层的速效钾含量，低产田条件下0—20、20—35、35—50 cm各土层分别提高了65.23、53.39、32.03 mg/kg，中产田条件下分别提高58.53、39.03、38.82 mg/kg，高产田条件下分别提高 51.96、45.28、42.94 mg/kg。在低、中产土壤条件下，传统翻耕0—20、20—35 cm土层的速效钾含量较旋耕显著提高了48.10、29.73 mg/kg和36.57、28.50 mg/kg；高产田条件下传统翻耕处理的0—20 cm和35—50 cm土层速效钾含量较旋耕显著提高了35.99 mg/kg和20.05 mg/kg。对深松和传统翻耕的对比分析表明，深松在低高产田条件下0—50 cm土层的速效钾含量与传统翻耕间差异不显著，中产田水平下深松在0—20 cm土层速效钾含量较传统翻耕显著提高了9.02%，高产田条件下深松在35—50 cm土层速效钾含量较传统翻耕显著提高了24.32%。

2.2.4 土壤有机质含量 低、中、高产田水平下，深松较传统翻耕均显著提高了0—50 cm土层的有机质含量，低产田条件下0—20、20—35、35—50 cm各土层分别提高4.88、3.60、3.55 g/kg，中产田条件下分别提高3.43、3.91、4.08 g/kg，高产田条件下分别提高4.23、3.28、4.00 g/kg。在低产和中产田条件下传统翻耕处理在0—20、20—35、35—50 cm土层的有机质含量较传统翻耕显著提高了2.77、2.64、1.72 g/kg和2.39、2.61、2.74 g/kg，在高产田条件下传统翻耕较旋耕在0—20和35—50 cm土层显著提高了1.96 g/kg和2.67 g/kg。深松与传统翻耕作用效果比较表明，二者在低产田水平下0—20和35—50 cm土层的有机质含量差异显著，深松较传统翻耕提高16.92% 和18.58%；中产田水平下深松较传统翻耕在20—35 cm土层有机质含量显著提高10.52%；高产田水平下 深松较传统翻耕在0—20和35—50 cm土层有机质含量显著提高14.84%和11.78%。由此说明，在高、中、低产田水平下采取深松和深翻耕作均显著提升了土壤有机质含量，但深松的作用效果好于深翻。

2.3 耕作方式与土壤肥力互作对玉米产量的影响

根据各取样点玉米产量调查结果(图3) 可见，玉米产量在不同肥力水平间和不同耕作方式间均表现出极显著差异，且耕作方式和土壤肥力水平间互作效应达到显著或极显著水平。三个产量水平土壤下，三种耕作方式下的玉米产量由高到低均为深松 ＞传统翻耕 ＞ 旋耕，不同耕作方式之间差异显著 (P＜0.05) 。具体来说，低、中、高产土壤上，深松和传统翻耕处理的玉米产量较旋耕分别显著提高了47.97%、40.74%、16.27% 和32.79%、23.46%、8.03%，且深松耕作较深翻的增产效果在各土壤肥力水平下均达到显著。

图 3 耕作方式与土壤肥力互作对玉米产量的影响Fig. 3 Effect of tillage methods on maize yield under different farmland fertility levels

2.4 耕作方式与土壤肥力互作的玉米增产潜力分析

图4表明，采用翻耕，低产土壤肥力的拐点出现在土壤质量指数为0.289左右，此时，玉米产量最高，达到9.551 t/hm2，较低产土壤最高玉米产量增加22.75%；中产土壤肥力的拐点出现在土壤质量指数为0.329左右，此时玉米产量最高，达到13.333 t/hm2，较中产土壤最高玉米产量增加了16.96%；高产土壤肥力的拐点出现土壤质量指数为0.322左右，此时玉米产量达到16.667 t/hm2，较高产土壤最高玉米产量增加了16.55%。因此可知，采取传统翻耕措施的玉米增产潜力表现为低产土壤＞中产土壤＞高产土壤。采用深松，低产土壤肥力的拐点出现在土壤质量指数为0.321左右，此时玉米产量最高，达到10.077 t/hm2，较低产土壤最高玉米产量增加29.56%；中产土壤肥力的拐点出现在土壤质量指数为0.348左右，此时，玉米产量最高，达到15.647 t/hm2，较中产土壤肥力水平下最高玉米产量增加了25.37%；高产土壤肥力的拐点出现在土壤质量指数为0.366左右，此时，玉米产量最高，达到18.114 t/hm2，较高土壤肥力水平下最高玉米产量增加了16.13%。由此可知，采取深松措施的玉米增产潜力表现为低产土壤＞中产土壤＞高产土壤。

3 讨论

3.1 深耕对土壤肥力及玉米产量的影响

图 4 不同玉米产量水平地块采用翻耕与深松的增产潜力Fig. 4 Potential productivity of different yield level farmlands under plowing and subsoiling

我国耕地土壤浅、实、少，犁地层增厚变硬，蓄水保墒能力差，土壤养分不均衡等现象已经成为限制我国作物产量提高的主要因素之一[13]。据此，本课题组自2011年以来一直开展深松对土壤理化特性及玉米产量影响的研究，尹斌[14]和张凤杰[15]在河套平原灌区开展关于深松对土壤理化特性和玉米产量影响的研究表明，深松措施较浅旋可以显著降低0—40 cm土层的紧实，改善土壤紧实环境，增强生育后期土壤深层 (40—60 cm) 的蓄水能力和增大后期深层(20—40 cm) 土壤水稳性团聚体粒径的效果，改善根系生长及构型，延缓叶片衰老，提高玉米产量8.90%～21.98%[14-15]；张峰[16]也在该地区开展的深翻对土壤理化特性及玉米产影响研究结果表明，深翻措施较浅旋能降低土壤容重和紧实度，增加气相和液相的比例，增强土壤结构性，改善土壤物理性质，并能优化根系的垂直分布，减缓叶片的衰老速度，可增产12.90%。且国内也有其他学者对深耕措施的作用机理做了大量的研究[17-19]，研究结果与本课题组研究结果相一致。因此，本课题在此研究基础上，对深松及深翻技术在河套灌区推广应用，并对深松及深翻对不同产量水平耕地的作用效果进行调研和评价，结果表明在河套灌区高、中、低不同产量水平的耕地，采用深松和翻耕措施后较浅旋均能降低土壤容重，提高土壤含水量，改善土壤固液气三相，提升土壤养分，提高玉米产量，且总体表现为深松的效果显著好于深翻。

3.2 深耕对不同土壤类型耕地肥力及玉米产量的作用效果

内蒙古河套灌区从1980年开始使用小四轮农机进行旋耕灭茬农事操作，迄今为止已有40年的历史，导致耕层变薄，耕层与犁底层之间形成较为明显的犁底层[20]，严重影响了土壤和作物生产潜力的充分发挥[21]。本研究对比河套地区浅旋耕、深松和深翻三种耕作措施对不同产量水平地块的土壤物理特性、养分含量及玉米产量的影响，结果表明，与本地区近些年广泛使用的浅旋耕相比，深松和深翻均显著降低了土壤容重，增加了土壤孔隙度，提高了0—60 cm土壤蓄水能力，提升土壤养分，提高了玉米产量，深松的效果又优于翻耕。但是，不同地区和土壤上深松与深翻的作用不尽一致。战秀梅等[22]对东北黑土的研究结果表明，翻耕改善土壤理化性质和提高玉米产量的效果显著优于深松，秸秆连年还田条件下，这种优势更加显著。何鑫[23]在黑土的研究也表明，深松更利于改善土壤结构，提高土壤速效养分，促进苗期玉米生长。王淑兰等[24]在渭北旱塬质地较重的土壤研究表明，深松改善土壤环境质量、提升土壤肥力和增产增收的作用好于连续翻耕与浅旋耕。王旭东等[25]对黄土高原黑垆土的研究结果表明，深松比翻耕能更好地提高土壤碳库和玉米产量。本研究所在的河套平原，土壤质地主要为粉质黏土，深松后土壤的固液气三相比更趋近于理想状态，土壤养分含量提高，产量水平越低的土壤，深松的效果越显著。本研究对深松和深耕措施对玉米的增产潜力进行了预测，结果表明深松对低、中、高土壤肥力水平的作用潜力分别为29.56%、25.37%和16.13%，翻耕分别为22.75%、16.96%和16.55%。这为推动这两项技术在河套平原地区的大面积应用提供了理论支持。

4 结论

在河套平原地区低、中、高肥力水平的耕地，采用深松和翻耕耕作方式较农户常规浅旋耕均显著提高了0—50 cm土层的土壤含水量、土壤全氮含量、速效磷含量、速效钾含量和有机质含量，降低了土壤容重，使固液气三相比更趋近于理想状态，但二者作用效果存在不同程度的差异。深松和翻耕使低、中、高产田的玉米产量较农户常规浅旋耕增加47.97%和32.79%，40.74%和23.46%，16.27%和8.03%。深松对低、中、高产田增产潜力为16.13%～29.56%，翻耕增产潜力为16.55%～22.75%。综合分析不同肥力水平下的土壤理化特性、玉米产量及其增产潜力，内蒙古河套灌区低肥力与中肥力水平下宜采取深松耕作，高肥力水平下深松与翻耕均可。