耕层构造对土壤三相比和春玉米根系形态的影响

白 伟 孙占祥,* 张立祯 郑家明 冯良山 蔡 倩 向午燕 冯 晨 张 哲

耕层构造对土壤三相比和春玉米根系形态的影响

白 伟1孙占祥1,*张立祯2,*郑家明1冯良山1蔡 倩1向午燕1冯 晨1张 哲1

1辽宁省农业科学院耕作栽培研究所, 辽宁沈阳 110161;2中国农业大学资源与环境学院, 北京 100193

建立适宜耕层构造是解决旱作农田耕层“浅”、“实”、“少”问题的重要技术措施之一, 对北方旱作农田具有重要意义。在国家农业环境阜新科学观测实验站利用长期定位试验, 设置虚实并存耕层(furrow loose and ridge compaction plough layer, FLRC)、全虚耕层(all loose plough layer, AL)、全实耕层(all compaction plough layer, AC)、上虚下实耕层(up loose and down compaction plough layer, ULDC, CK) 4种处理, 研究耕层构造对土壤三相比和春玉米根系形态的影响。耕层构造定位试验始于2009年, 本文利用2015年和2016年数据分析果表明, 虚实并存耕层能够优化土壤三相比(< 0.05), 春玉米播种前0~10 cm土壤三相比以全实耕层构造为宜, 10~30 cm以虚实并存和全虚耕层构造为宜; 春玉米收获后20~30 cm土壤三相比的虚实并存和全虚耕层构造优于上虚下实耕层和全实耕层构造。虚实并存耕层构造能够增加春玉米吐丝期根重密度、根长密度、根表面积密度和根体积密度(< 0.05); 其中春玉米根重密度增幅7.47%~97.09%, 根长密度增幅6.62%~112.04%, 根表面积密度增幅9.80%~125.07%, 根体积密度增幅40.11%~151.97%。虚实并存耕层可以显著增加春玉米籽粒产量(< 0.05), 增幅18.19%~34.86%, 主要原因是行粒数的显著提高和秃尖的降低; 还增加群体生物产量(< 0.05), 增幅5.18%~11.30%; 和提高收获指数(< 0.05)。综合分析认为, 虚实并存耕层是改善土壤三相结构和优化春玉米根系形态的最优耕层结构, 在辽西旱作农田合理耕层构建中具有一定的应用价值。

耕作; 耕层构造; 土壤三相比; 春玉米; 根系形态

东北地区是我国最典型的春玉米一年一熟种植区, 春玉米播种面积占全国玉米总播种面积30%以上, 产量占全国玉米总产量29%以上[1]。辽宁省是我国13个粮食主产区之一, 春玉米种植面积每年稳定在200万公顷以上, 其中辽西北地区占2/3以上, 产量占辽宁省75%以上[2], 该区长期采用连年浅旋耕的耕作措施, 造成了玉米田耕层变浅、土壤紧实、耕层有效土壤量减少等问题, 导致土壤理化性状日益恶化, 根系生长受阻, 玉米产量低而不稳[3]。改善耕层构造是解决北方旱地耕层障碍问题的有效途径之一[4-8], 合理的耕层构造能够打破犁底层, 增加耕层厚度、降低土壤容重、调节土壤三相比[9-11], 促进作物根系生长[12-13], 提高作物产量和水分利用效率[14-16]。因此, 东北春玉米区采用合理的耕层构造, 改善土壤环境, 促进根系生长对提高春玉米产量和水分利用效率具有重要意义。

耕层构造将直接影响土壤环境, 根系又是作物重要吸收和代谢器官, 耕层环境改变必将影响作物根系形态指标变化, 同时制约地上部生长[17-19]。已有研究表明, 不同耕层构造在优化耕层环境的同时[20-22], 可以影响作物根深、根长、根干重等根系形态指标[23-24]。适宜耕层构造可以明显促进作物根系生长和提高作物产量, 这可能与早期土壤水分无关, 但与作物根系形态指标有关, 因为茂盛根系可以增加对土壤水分和养分的吸收利用, 对后期根系生长有着积极作用, 为作物增产创造良好条件[25-26]。耕层土壤环境与作物根系是相互联系、相互促进的统一整体, 根系在耕层结构改变后首先会产生形态上适应性变化[24], 然而关于辽西褐土区耕层构造对土壤三相比和根系形态的影响研究还不够深入。本研究利用国家农业环境阜新科学观测实验站耕层构造长期定位试验, 探讨耕层构造对土壤三相比和春玉米根系形态的影响, 以期为东北春玉米区建立合理耕层结构提供理论和技术参考。

1 材料与方法

1.1 区域概况

辽宁半干旱区位于辽宁省西北部, 属温带季风大陆性气候区, 日照充足, 四季分明, 雨热同期。全区土地面积约3×104km2, 耕地面积约6.9×105hm2, 年平均气温7~8℃, 5月至9月份日照时数1200~1300 h, 10℃以上积温2900~3400℃, 无霜期135~165 d, 年降水量300~500 mm, 且降水变率较大, 旱灾频繁, “十年九旱”是其基本气候特征。当地耕作制度主要以一季春玉米连作为主, 土壤耕作多采用连年浅旋耕, 深度12~15 cm, 为上虚下实型耕层构造。

1.2 试验地点

试验在国家农业环境阜新科学观测实验站(辽西旱作农业典型类型区, 位于辽宁省阜新市阜新蒙古族自治县阜新镇沙扎兰村, 42°06′N、121°75′E)进行。耕层构造试验为实验站长期定位试验, 开始于2009年, 本研究选取了2015年和2016年数据。试验地土壤为褐土, 耕作层含有机质1.746 g kg–1、全氮0.377 g kg–1、全磷0.172 g kg–1、全钾2.413 g kg–1、速效氮194.85mg kg–1、速效磷50.38 mg kg–1、速效钾113.78mg kg–1, pH 6.21, 田间持水量26.90%, 容重1.37 g cm–3, 地势平坦, 无灌溉条件。2015年生育期内降雨量为276.80 mm (干旱年份), 平均温度为19.83℃; 2016年生育期内降雨量为520.80 mm (丰水年份), 平均温度为20.02℃ (图1)。

图1 试验地点2015–2016年生育期内降雨量和平均温度

1.3 试验设计

采用随机区组设计, 设置4种耕层构造, 分别为上虚下实耕层构造、全虚耕层构造、虚实并存耕层构造、全实耕层构造, 3次重复。上虚下实耕层(up loose and down compaction plough layer, ULDC), 以每年春季传统旋耕机作业, 深度12~15 cm, 为当地传统种耕作模式, 连续旋耕7年, 作为本研究对照(controlled trial, CK); 全虚耕层(all loose plough layer, AL), 从2009年开始每隔1年采用“V”型深松机作业, 深度30~35 cm, 再用传统旋耕机旋耕, 已间隔深松4次; 虚实并存耕层(furrow loose and ridge compaction plough layer, FLRC), 以每年凿式深松机作业, 深度25~30 cm, 宽幅50 cm, 再用传统旋耕机旋耕, 连续隔行深松7年; 全实耕层(all compaction plough layer, AC), 采用每年免耕播种机直接播种, 连续免耕7年。每个小区面积20 m × 6 m (12垄), 试验区总面积1440 m2。2015年5月3日播种、9月30日收获; 2016年5月5日播种, 9月29日收获。品种为郑单958, 种植密度为60,000株 hm–2, 种植的行距为50 cm, 株距为33 cm。播种时施入含N 18%, P2O546%的磷酸二铵150 kg hm–2和含N、P2O5、K2O各15%的三元复合肥150 kg hm–2作为种肥, 拔节期追施含N 46%的尿素450 kg hm–2。

1.4 测定指标及方法

1.4.1 产量及其构成因素、生物产量和收获指数

玉米收获后, 从每个处理随机取3个具有代表性的10 m2样区测产, 用水分仪测定水分, 按14%含水量折合成公顷产量。从每个样区取15株, 按常规方法测定穗行数、行粒数、秃尖、百粒重等产量构成因素。从对应的10 m2样区随机取连续植株5株, 称重后在烘箱105℃杀青60 min, 85℃烘至恒重称干重, 计算植株含水率, 然后根据鲜重和5株含水率平均值折合成公顷生物产量。收获指数HI = GY/BY。式中GY为作物籽粒产量, kg hm–2; BY为作物生物产量, 单位kg hm–2。

1.4.2 春玉米根系 春玉米吐丝期(2015年8月20日、2016年8月21日)采用直径为10 cm、高为10 cm, 体积为785 cm3的柴油动力根钻取样, 取样位置为纵向2株玉米中间, 取样深度100 cm, 每10 cm为一个层次, 3次重复。将根钻中所有根系取出放于自封袋中, 冲洗干净后用WinRHIZO Program (Canada)植物根系分析系统分析根长密度、根表面积密度和根体积密度, 最后将每一样品装入纸袋风干, 测定根干重(精确到0.001 g)。

1.4.3 土壤理化性状 播种前按常规方法[27]测定土壤基本理化性质。分别于玉米播种前(2015年5月3日, 2016年5月5日)和收获后(2015年9月30日和2016年9月29日)采用环刀法测定不同土层(0~10 cm、10~20 cm、20~30 cm)的土壤容重, 每个小区测3次重复, 每个处理共9次重复。采用烘干法在玉米播种期和收获期测定0~100 cm土壤含水率, 每10 cm一个层次, 3次重复。土壤三相比=土壤固体容积∶土壤液体容积∶土壤气体容积= (100%−土壤总孔隙度)∶(土壤质量含水量×容重)∶[土壤总孔隙度–(土壤质量含水量×容重)], 土壤总孔隙度= (1−容重/比重)×100, 其中土壤比重取值为2.65[28]。

STPSD = [(g–50)2+(g–50)(g–25)+(y–25)2]0.5

GSSI = [(g–25)yq]0.4769

式中, STPSD (Soil Three-Phase Structure Distance)代表土壤三相结构距离, 土壤三相结构越接近理想状态STPSD越接近0; GSSI (Generalized Soil Structure Index)代表广义土壤结构指数, 土壤结构越接近理想状态GSSI越接近100。g为固相体积百分比(>25%),y为液相体积百分比(>0),q为气相体积百分比(>0)。

1.5 数据处理与分析方法

用Microsoft Excel整理分析试验数据并作图, 用SPSS 21.0软件统计分析, 采用Duncan’s法多重比较。

2 结果与分析

2.1 耕层构造对春玉米产量和构成因素的影响

耕层构造对春玉米产量影响显著(表1)。2015年FLRC和AC分别比CK增加34.86%、33.64%, 差异显著(<0.05), FLRC和AC差异不显著(>0.05), AL与其他3个处理差异也不显著(>0.05)。2016年表现略有不同, FLRC和AL分别比CK增加29.81%、18.19%。年际间差异显著(<0.05)。说明在不同降雨年型下耕层构造对春玉米产量有显著影响, 在干旱年份(2015年)虚实并存耕层构造和全实耕层构造能够增加春玉米产量, 在丰水年份(2016年)虚实并存耕层和全实耕层构造能够增加春玉米产量, 产量增幅18.19%~34.86%。

产量构成因素方面, 2015年成穗数和百粒重差异不显著(>0.05), 穗行数AC比CK增加13.23%, 差异显著(<0.05), FLRC与CK差异不显著(>0.05); 行粒数AC、FLRC、AL分别比CK增加33.05%、26.30%、18.98%, 差异显著(<0.05), 秃尖长AC比FLRC、CK高150.00%、88.68%, 差异显著(<0.05), AL与其他3个处理差异不显著(>0.05); 2016年成穗数、穗行数、秃尖长和百粒重差异不显著, 行粒数AL比CK增加13.17%, 差异显著(<0.05), 相关分析表明, 产量与行粒数呈极显著正相关(= 0.954**), 与秃尖长呈负相关(= −0.671)。由此表明, 耕层构造提高春玉米产量在产量构成因素方面的主要原因是行粒数显著提高和秃尖降低。

表1 耕层构造对玉米产量及构成因素的影响

数据为平均值±标准误, 同列标以不同小写字母的值在处理间0.05水平上差异显著。CK、FLRC、AL、AC分别代表上虚下实耕层、虚实并存耕层、全虚耕层、全实耕层。

Data are mean ± SE; values followed by a different letter within a column are significantly different arnong treatments at≤ 0.05. CK, FLRC, AL, and AC represent up loose and down compaction plough layer, furrow loose and ridge compaction plough layer, all loose plough layer, and all compaction plough layer respectively.

2.2 耕层构造对春玉米生物产量和收获指数的影响

耕层构造对春玉米群体生物产量和收获指数影响显著(图2)。2015年群体生物产量FLRC和AL分别比CK增加11.30%、6.04%, 差异显著(<0.05)。2016年群体生物产量表现不同, FLRC比CK增加5.18%, 差异显著(<0.05); AC和CK差异不显著(>0.05)。2015年群体收获指数AC比CK增加31.27%, 差异显著(<0.05), FLRC、AL与CK、AC差异不显著(>0.05)。2016年群体收获指数表现不同, FLRC比AC、CK分别高22.28%、23.38%, 差异显著(<0.05)。两年之间差异不显著, 说明无论干旱年份还是丰水年份虚实并存耕层构造均能提高春玉米群体生物产量, 增幅5.18%~11.30%; 干旱年份全实耕层构造能够提高春玉米收获指数, 丰水年份虚实并存耕层构造和全虚耕层构造能够提高春玉米收获指数。

图2 耕层构造对春玉米生物产量及收获指数的影响

标以不同字母的柱值在< 0.05水平上差异显著。处理缩写同表1。

Bars labelled with different letters are significantly different at< 0.05. Abbreviations are the same as those described in Table 1.

2.3 耕层构造对土壤三相比的影响

春玉米播种前耕层构造对土壤三相比影响显著(<0.05)(表2), 2015年0~10 cm土层固相AC与FLRC、AL、CK差异显著(<0.05), 液相AC与FLRC、AL、CK差异显著(<0.05), 气相FLRC、AL与AC、CK差异显著(<0.05); GSSI指标AC比CK高9.70%, 差异显著(<0.05); STPSD指标差异不显著(>0.05), 说明该层全实耕层构造土壤结构最接近理想状态。10~20 cm土层固相AC与FLRC、AL差异显著(<0.05); 液相差异不显著(>0.05); 气相AL与CK、FLRC、AC差异显著(<0.05); GSSI指标差异不显著(>0.05); STPSD指标AL比CK低47.79%, 差异显著(<0.05), 该层全虚耕层构造土壤结构最接近理想状态。20~30 cm土层固相AC与FLRC、AL差异显著(<0.05); 液相差异不显著(>0.05); 气相AL与AC和CK差异显著(<0.05); GSSI指标差异不显著(>0.05); STPSD指标AL比CK低45.90%, 差异显著(<0.05), 该层全虚耕层构造土壤结构最接近理想状态。2016年0~10 cm土层固相AC与CK、FLRC、AL差异显著(<0.05), 液相AC与FLRC、AL、CK差异显著(<0.05), 气相FLRC、AL、CK与AC差异显著(<0.05); GSSI指标AC比CK高9.12%, 差异显著(<0.05); STPSD指标差异不显著(>0.05), 该层全实耕层构造土壤结构最接近理想状态。10~20 cm土层固相AC、CK与FLRC、AL差异显著(<0.05); 液相差异不显著(>0.05); 气相FLRC与AC、CK差异显著(<0.05); GSSI指标FLRC、AL分别比CK低52.46%、63.61%, 差异显著(<0.05)。该层虚实并存和全虚耕层构造土壤结构最接近理想状态。20~30 cm土层固相、液相、气相、GSSI指标差异均不显著(>0.05); STPSD指标AL比CK低31.63%, 差异显著(<0.05), 该层全虚耕层构造土壤结构最接近理想状态。由此表明, 春玉米播种前无论是干旱年份还是丰水年份0~10 cm土壤三相比均以全实耕层构造为宜, 10~30 cm土壤三相比以虚实并存和全虚耕层构造为宜。

表2 春玉米播种前耕层构造对土壤三相比的影响

(续表2)

数据为平均值±标准误, 同列标以不同字母的值在0.05水平上差异显著。GSSI和STPSD分别代表广义土壤结构指数和土壤三相结构距离。处理缩写同表1。

Data is mean ± SE. Values followed by a different letter within a column are significantly different among treatments at≤ 0.05. GSSI and STPSD represent generalized soil structure index, soil three-phase structure distance respectively. Abbreviations are the same as those described in Table 1.

春玉米收获后耕层构造对土壤三相比影响显著(<0.05)(表3), 2015年0~10 cm土层固相AC与FLRC、AL、CK差异显著(<0.05), 液相AL与CK差异显著(<0.05), 气相AC与FLRC、CK差异显著(<0.05); GSSI指标AL比CK高5.30%, 差异显著(<0.05); STPSD指标FLRC、AL分别比CK低15.42%、20.04%, 差异显著(<0.05), , 该层虚实并存和全虚耕层构造土壤结构最接近理想状态。10~20 cm土层固相、液相、气相、GSSI指标、GSSI指标均差异不显著(>0.05)。20~30 cm土层固相FLRC、AL与CK差异显著(<0.05), 液相、气相、GSSI指标、STPSD指标均差异不显著(>0.05)。2016年0~10 cm土层固相AC与CK、FLRC、AL差异显著(<0.05), 液相、气相、GSSI指标均差异不显著(>0.05), FLRC与CK、AC差异显著(<0.05), 该层虚实并存耕层构造土壤结构最接近理想状态。10~20 cm土层固相、液相、气相、GSSI指标、STPSD指标均差异不显著(>0.05)。20~30 cm土层固相AC与FLRC、AL差异显著(<0.05); 固相FLRC与AC差异显著(<0.05); 气相和GSSI指标差异不显著(>0.05); STPSD指标FLRC、AL分别比CK低8.90%、6.90%, 差异显著(<0.05), 该层以虚实并存和全虚耕层构造土壤结构最接近理想状态。由此表明, 无论是干旱年份还是丰水年份春玉米收获后20~30 cm土层虚实并存和全虚耕层构造土壤三相比优于上虚下实耕层和全实耕层构造。

表3 春玉米收获后耕层构造对土壤三相比的影响

数据为平均值±标准误, 同列标以不同字母的值在0.05水平上差异显著。GSSI和STPSD分别代表广义土壤结构指数和土壤三相结构距离。处理缩写同表1。

Data is mean± SE. Values followed by a different letter within a column are significantly different among treatments at≤ 0.05. GSSI and STPSD represent generalized soil structure index, soil three-phase structure distance respectively. Abbreviations are the same as those described in Table 1.

2.4 耕层构造对春玉米根系形态的影响

2.4.1 根重密度 耕层构造对春玉米根重密度影响显著(<0.05)(图3), 2015年0~10 cm根重密度AC、FLRC、AL分别比CK增加64.32%、38.11%、9.33%, 差异显著(<0.05); 10~20 cm根重密度FLRC、AL、AC分别比CK增加97.09%、46.24%、26.87%, 差异显著(<0.05); 20~30 cm根重密度AL比CK增加10.22%, 差异显著(<0.05); 40~50 cm根重密度FLRC、AC、AL分别比CK增加50.98%、47.59%、23.08%, 差异显著(<0.05); 50~100 cm根重密度各处理间一直保持着这种差异性。2016年根重密度表现不同, 0~10 cm根重密度FLRC、AL分别比CK增加80.34%、7.47%, 差异显著(<0.05); 10~20 cm根重密度FLRC比CK增加75.84%, 差异显著(<0.05); 20~30 cm根重密度AL比CK增加11.93%, 差异显著(<0.05); 40~50 cm根重密度差异不显著(>0.05), 50~60 cm根重密度AL、AC与CK差异显著(<0.05); 60~70 cm根重密度各处理间一直保持着这种差异性。说明干旱年份全实耕层和虚实并存耕层构造能够增加春玉米根重密度; 丰水年份虚实并存耕层构造和全虚耕层构造能够增加春玉米根重密度, 增幅7.47%~97.09%。

图3 耕层构造对春玉米根重密度的影响

标以不同字母的柱值在< 0.05水平上差异显著。处理缩写同表1。

Bars labelled with different letters are significantly different at< 0.05. Abbreviations are the same as those described in Table 1.

2.4.2 根长密度 耕层构造对春玉米根长密度影响显著(<0.05)(图4), 2015年0~10 cm根长密度AC、FLRC、AL分别比CK增加112.04%、65.35%、6.62%, 差异显著(<0.05); 10~20 cm根长密度FLRC、AL、AC分别比CK增加57.24%、50.51%、30.25%, 差异显著(<0.05); 20~30 cm根长密度AL比CK增加35.97%, 差异显著(<0.05); 40~50 cm根长密度FLRC、AC、AL分别比CK增加41.18%、37.67%、12.24%, 差异显著(<0.05); 50~100 cm根重密度各处理间一直保持着这种差异性。2016年根长密度表现不同, 0~10 cm根长密度FLRC、AC、AL分别比CK增加50.04%、37.60%、23.72%, 差异显著(<0.05); 10~20 cm根长密度FLRC比CK增加14.23%, 差异显著(<0.05); 20~30 cm根长密度AL、AC与CK差异显著(<0.05), 但均低于CK; 30~40 cm根长密度与20~30 cm表现一致; 50~80 cm根长密度FLRC和CK差异显著(<0.05), 80~100 cm根长密度差异不显著(>0.05)。说明干旱年份全实耕层和虚实并存耕层构造能够增加春玉米根长密度; 丰水年份虚实并存耕层构造能够增加春玉米根长密度, 增幅6.62%~112.04%。

2.4.3 根表面积密度 耕层构造对春玉米根表面积密度影响显著(<0.05)(图5), 2015年0~10 cm根表面积密度AC、FLRC分别比CK增加125.07%、63.49%, 差异显著(<0.05); 10~20 cm根表面积密度FLRC、AC、AL分别比CK增加49.70%、25.93%、13.36%, 差异显著(<0.05); 20~30 cm根表面积密度AC比CK增加38.66%, 差异显著(<0.05); 40~50 cm根表面积密度FLRC、AC、AL分别比CK增加124.01%、71.77%、30.32%, 差异显著(<0.05); 50~100 cm根表面积密度各处理间一直保持着这种差异性。2016年根表面积密度表现不同, 0~10 cm根表面积密度FLRC、AL分别比CK增加15.03%、9.80%, 差异显著(<0.05); 10~20 cm根表面积密度FLRC比CK增加44.29%, 差异显著(<0.05); 20~30 cm根表面积密度FLRC比CK增加38.72%, 差异显著(<0.05); 40~100 cm根表面积密度FLRC和CK差异不显著(>0.05)。说明干旱年份全实耕层和虚实并存耕层构造能够增加春玉米根表面积密度; 丰水年份虚实并存耕层构造能够增加春玉米根表面积密度, 增幅9.80%~125.07%。

图4 耕层构造对春玉米根长密度的影响

标以不同字母的柱值在< 0.05水平上差异显著。处理缩写同表1。

Bars labelled with different letters are significantly different at< 0.05. Abbreviations are the same as those described in Table 1.

图5 耕层构造对春玉米根表面积密度的影响

标以不同字母的柱值在< 0.05水平上差异显著。处理缩写同表1。

Bars labelled d with different letters are significantly different at< 0.05. Abbreviations are the same as those described in Table 1.

2.4.4 根体积密度 耕层构造对春玉米根体积密度影响显著(<0.05)(图6), 2015年0~10 cm根体积密度AC、FLRC分别比CK增加125.92%、53.35%, 差异显著(<0.05); 10~20 cm根体积密度AC、FLRC分别比CK增加47.04%、43.56%, 差异显著(<0.05); 20~30 cm根体积密度AC比CK增加29.97%, 差异显著(<0.05); 40~50 cm根体积密度AC、AL、FLRC分别比CK增加151.97%、97.10%、83.55%, 差异显著(<0.05); 50~100 cm根体积密度各处理间一直保持着这种差异性。2016年根体积密度表现不同, 0~10 cm根体积密度AC比CK增加35.55%, 差异显著(<0.05); 10~20 cm根体积密度AC、FLRC分别比CK增加86.74%、76.76%, 差异显著(<0.05); 20~30 cm根体积密度FLRC、AC、AL分别比CK增加97.06%、69.71%、63.67%, 差异显著(<0.05); 40~50 cm根体积密度AL、FLRC分别比CK增加42.11%、40.11%, 差异显著(<0.05); 60~100 cm根体积密度差异不显著(>0.05), 说明干旱年份全实耕层和虚实并存耕层构造能够增加春玉米根体积密度, 增幅40.11%~151.97%; 丰水年份虚实并存耕层构造和全虚耕层构造能够增加春玉米根体积密度, 且随着降雨量增加, 对深层根体积密度影响越小。

3 讨论

3.1 耕层构造与作物产量

多数研究已经证实适宜耕层构造能够促进作物生长并增产, 冯倩倩等[29]研究表明, 虚实并存耕层构造能增加作物有效穗数、穗粒数、千粒重等产量构成因素, 进而增加籽粒产量; 全实耕层构造显著降低穗粒数和千粒重, 不利于作物增产; 刘武仁等[30]研究表明, 虚实并存耕层构造比上虚下实耕层构造和全虚耕层构造分别增产20.06%和4.08%; 不同耕层构造方式对春玉米籽粒产量和群体生物产量的影响与作物生育期降雨的数量与分布息息相关,在不同年份表现不同[3]。本研究表明, 不同耕层构造对春玉米籽粒产量、群体生物产量和收获指数影响显著(<0.05), 虚实并存耕层和全实耕层构造能够增加春玉米产量, 产量增幅18.19%~34.86%, 主要原因是行粒数显著提高和秃尖降低。虚实并存耕层构造能提高春玉米群体生物产量, 增幅5.18%~ 11.30%; 丰水年份虚实并存耕层构造和全虚耕层构造能够提高春玉米收获指数, 干旱年份全实耕层构造能够提高春玉米收获指数。

图6 耕层构造对春玉米根体积密度的影响

标以不同字母的柱值在< 0.05水平上差异显著。处理缩写同表1。

Bars labelled with different letters are significantly different at< 0.05. Abbreviations are the same as those described in Table 1.

3.2 耕层构造与土壤三相比

耕层构造直接影响土壤物理指标变化, 多数研究认为不同耕层构造能够改变土壤固、液、气三相的分配。李晓龙等[28]研究表明, 虚实并存耕层比上虚下实耕层具有较大的GSSI值和较小的STPSD值, 耕层土壤结构更加接近理想状态, 可以有效地改善土壤物理结构, 特别是20~40 cm土层的GSSI和STPSD均显著优于对照; 赵亚丽等[31]研究表明, 虚实并存耕层构造显著降低了土壤紧实度和土壤三相比R值, 比上虚下实耕层构造土壤紧实度降低20.9%, 土壤三相比R值降低12.9%。本研究表明, 春玉米播种前耕层构造对土壤三相比影响显著(<0.05), 无论是干旱年份还是丰水年份0~10 cm土壤三相比均以全实耕层构造为宜, 10~30 cm土壤三相比以虚实并存和全虚耕层构造为宜; 春玉米收获后耕层构造对土壤三相比影响显著(<0.05), 无论是干旱年份还是丰水年份春玉米收获后20~30 cm土层虚实并存和全虚耕层构造的土壤三相比优于上虚下实耕层构造。

3.3 耕层构造与作物根系

土壤与作物的动态联系主要集中在作物根系[32], 耕层结构改变将直接影响作物根系形态指标变化, 多数研究认为耕层构造可以影响作物根系形态指标。赵亚丽等[31]研究表明, 虚实并存耕层构造比上虚下实耕层构造玉米根长、根系表面积、根系体积、根系干重密度分别增加67.0%、45.3%、23.1%、49.5%; 高飞等[33]研究表明, 虚实并存耕层比对照0~30 cm的根干重、根长、根表面积、根体积分别提高59.1%、22.8%、41.1%、59.2%。本研究结果表明, 干旱年份全实耕层和虚实并存耕层构造能够增加春玉米根重密度、根长密度、根表面积密度和根体积密度; 其中春玉米根重密度增幅7.47%~97.09%, 根长密度增幅6.62%~112.04%, 根表面积密度增幅9.80%~ 125.07%, 根体积密度增幅40.11%~151.97%, 但增幅与前人研究结果略有不同, 主要是耕作方式、降雨量、生态环境等因素的不同所致。

4 结论

干旱年和丰水年虚实并存耕层构造和全实耕层构造均能增加春玉米产量, 丰水年产量增幅为18.19%~34.86%, 主要原因是行粒数显著提高和秃尖降低。无论干旱年份还是丰水年份虚实并存耕层构造均能提高春玉米群体生物产量。虚实并存耕层能够优化土壤三相比, 无论是干旱年份还是丰水年份0~10 cm土壤三相比均以全实耕层构造为宜, 10~30 cm土壤三相比以虚实并存和全虚耕层构造为宜; 春玉米收获后20~30 cm土层虚实并存构造和全虚耕层构造优于上虚下实耕层构造。虚实并存耕层和全虚耕层构造能够增加春玉米吐丝期根重密度、根长密度、根表面积密度和根体积密度。相对于传统旋耕耕作构建的上虚下实耕层结构, 虚实并存耕层能优化土壤三相比, 促进作物根系生长, 增加作物产量, 是辽西旱作农业区比较理想的合理耕层构造方式。

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Effects of plough layer construction on soil three phase rate and root morpho­logy of spring maize in northeast China

BAI Wei1, SUN Zhan-Xiang1,*, ZHANG Li-Zhen2,*, ZHENG Jia-Ming1, FENG Liang-Shan1, CAI Qian1, XIANG Wu-Yan1, FENG Chen1, and ZHANG Zhe1

1Tillage and Cultivation Research Institute, Liaoning Academy of Agricultural Sciences, Shenyang 110161, Liaoning, China;2College of Resources and Environmental Sciences, China Agricultural University, Beijing 100193, China

Establishing reasonable plough layer construction is regarded as one of important methods for solving some rainfed farmland problems, which is of great significance in the dryland of northern China. The experiment was conducted with four tillage treatment, including furrow loose and ridge compaction plough layer (FLRC), all loose plough layer (AL), all compaction plough layer (AC), up loose and down compaction plough layer (ULDC, CK), at Fuxin National Agricultural Environmental Science Observation Experimental Station, at which the long-term plough layer construction position fixed experiment began in 2009. The data in 2015 and 2016 showed that the FLRC treatment optimized (< 0.05) the soil three phase rate, which in 0−10 cm soil layer was optimized by AC treatment before spring corn sowing, while in 10−30 cm soil layer was optimized by FLRC and AL treatments. After the spring corn was harvested, the soil three phase’s rate in 20−30 cm soil layer in FLRC and AL treatments was better than that in ULDC and AC treatments. Compared with the ULDC treatment, FLRC treatment increased (< 0.05) the root weight density by 7.47%−97.09%, the root length density by 6.62%−112.04%, the root surface area density by 9.80%−125.07%, and the root bulk density by 40.11%−151.97% at silking period in spring corn. The FLRC treatment significantly increased the yield of spring maize by 18.19%−34.86% (< 0.05) due to the significant increase in number of grains and the decrease of baldness, increased the population biomass by 5.18%−11.30% (< 0.05), and improved the harvest index (< 0.05). In conclusion, the furrow loose and ridge compaction plough layer is the optimal construction for improving soil three phase rate and root morphology of spring maize, with certain application value in the construction of reasonable plough layer of dry farmland in northern China.

tillage; layer construction; soil three phase rate; spring maize; root morphology

10.3724/SP.J.1006.2020.93044

本研究由中国博士后科学基金项目(2017M620103), 辽宁省“兴辽英才计划”项目(XLYC1807051), 中央引导地方科技发展专项资金项目(2019040005-JH6/104), 国家重点研发计划项目(2016YFD0300204), 辽宁省自然科学基金计划重点项目(20180540004), 辽宁省“百千万人才工程”项目项目(201746), 辽宁省农业科学院学科建设计划项目(2019DD062010)和农业科研杰出人才及其创新团队项目资助。

This study was supported by the China Postdoctoral Science Fund(2017M620103), the Liaoning Revitalization Talents Program (XLYC1807051), the Central Government Guides Local Science and Technology Development Projects (2019040005-JH6/104), the National Key Research and Development Program of China (2016YFD0300204), the Liaoning Natural Science Foundation Project Key Projects (20180540004), the “Liaoning Bai-Qian-Wan Talent” Program (201746), the Liaoning Academy of Agricultural Sciences Discipline Construction Plan (2019DD062010), and the Outstanding Talents in Agricultural Scientific Research and Their Team.

孙占祥, E-mail: sunzx67@163.com; 张立祯, E-mail: zhanglizhen@cau.edu.cn

E-mail: libai200008@126.com

2019-08-05;

2019-12-26;

2020-01-16.

URL: http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1809.s.20200115.1618.030.html