不同耕作措施对宁南地区土壤物理性质及作物产量的影响

李荣，鄢慧芳，张龙，苗芳芳，勉有明，侯贤清

不同耕作措施对宁南地区土壤物理性质及作物产量的影响

李荣1，鄢慧芳1，张龙1，苗芳芳1，勉有明2，侯贤清

1宁夏大学农学院，银川 750021；2宁夏农林科学院固原分院，宁夏固原 756000

【目的】针对宁夏南部旱地降水不足、耕层浅薄、作物产量低等问题，探讨不同耕作措施对宁南地区土壤物理性质及作物产量的影响，为合理改善旱地耕层土壤结构、选用适宜耕作措施和作物增产增效提供一定的理论支撑。【方法】以马铃薯和春小麦为供试作物，在宁南旱区开展2年（2019－2020年）大田试验，设置2种耕作方式（翻耕和深松）和4种耕作深度（20、30、40和50 cm），分别为传统翻耕深度20 cm、深翻耕30 cm、深松30 cm、深松40 cm、深松50 cm等5种不同耕作措施，以传统翻耕深度20 cm处理为对照，研究不同耕作方式结合深度措施对作物收获期土壤容重、生育期土壤紧实度与水分、生育期作物生物量、产量和水分利用效率的影响。【结果】深松50 cm处理能显著降低马铃薯季和春小麦季0—60 cm层土壤容重，平均分别较对照显著降低6.49%和6.94%。马铃薯季和春小麦季各处理生育期平均土壤紧实度均以深松50 cm处理最低，分别较对照显著降低19.32%和8.11%。深松50 cm处理对提高马铃薯和春小麦季作物各生育期0—100 cm层土壤蓄水量效果最佳，平均分别较对照显著提高13.58%和25.66%。在作物整个生育期，马铃薯季和春小麦季各生育期作物干物质累积量均以深松40 cm处理最高。马铃薯季和春小麦季不同耕作处理下作物产量、纯收益和水分利用效率均以深松40 cm处理最高，马铃薯季分别较对照显著增加15.20%、18.90%和9.10%，春小麦季分别显著增加59.24%、88.20%和28.98%。不同耕作方式结合深度对土壤蓄水量、作物生物量及产量均呈极显著影响，而土壤容重和紧实度受耕作方式影响显著。【结论】不同耕作方式结合深度措施可显著改善土壤耕层结构，提高作物生育期土壤蓄水量，进而实现马铃薯和春小麦季作物产量和水分利用效率的提高，其增产增收效果以深松40 cm处理较好，可在宁南地区马铃薯和春小麦高产高效栽培中进一步推广应用。

耕作方式；耕作深度；土壤物理性状；土壤水分；作物产量

0 引言

【研究意义】春小麦和马铃薯是主要的口粮作物，在宁夏优势粮食特色产业中具有非常重要的地位，是自治区“十三五”时期，发展优质粮食、瓜菜、草畜、枸杞、葡萄“1+4”特色优势产业之首。宁夏南部（简称“宁南”）山区位于黄土高原西北端，耕地面积77.5万hm2，其中，旱作农田占90%，年平均降水300—600 mm，属于西北黄土高原典型的雨养农业区[1]。当地传统耕作方式（铧犁翻耕20 cm）由于技术管理粗放，连年翻耕致使土壤水分蒸发强烈，加剧了水土流失，造成土壤蓄水能力弱，降水利用率低，进而导致作物产量低而不稳，加剧了生态环境的恶化，严重制约旱地农业的可持续发展[2]。同时，当地农业生产中传统耕作方式还存在土壤有效耕层浅、犁底层上移，致使土壤结构变差，严重影响作物根系的生长及对水分、养分的吸收，制约该区粮食的生产[3]。因此，通过优化耕作措施以改善土壤耕层结构，来增强土壤的水分供应能力，将是进一步提高旱地作物产量的主要方向之一[4]。【前人研究进展】耕层质量直接影响作物的生长发育与产量的形成，耕层深度是反映土壤耕层结构与功能的重要指标[5]。据调查，宁南旱作区土壤耕层平均厚度仅为15—20 cm，低于世界公认的最适宜厚度22 cm，更低于美国的35 cm。旱地作物根系生长的有效土层深度为60 cm，紧实的土壤不仅限制作物根系的生长发育，还阻碍其对深层土壤水肥的吸收利用[6]。深耕（松）作为一项保护性耕作措施，可加深耕层而不翻转土壤、打破犁底层，有效降低耕层土壤容重、减少传统铧式犁翻耕后土壤水分的蒸发损失，改善土壤的渗透性能，提高降水资源的利用率，从而能有效抑制水土流失和土壤侵蚀，达到少耕、高产、保护性耕作的目的[7-8]。关于土壤深松国内外学者已在玉米[9]、小麦[10]、马铃薯[11]等作物做了大量研究，但大多耕作深度一般为30 cm左右。适宜的耕作方式和耕作深度能够改善土壤水分状况和促进作物生长发育。然而，不同耕作方式及深度对作物生长发育的影响因研究区域土壤类型、作物种类而异[4]。张凤杰[12]研究表明，在内蒙古平原灌区的玉米田，深松越深（50 cm），使得土壤环境更合理，更有利于作物的生长。ALAMOUTI等[13]研究表明，与半深耕和浅耕相比，深耕对土壤容重、有机碳和农作物产量影响最大。雷妙妙等[14]研究发现，休闲期深松30—40 cm有利于蓄积休闲期降雨，提高底墒；且此条件下适期播种有利于形成冬前壮苗，其产量和水分利用效率最高。韦本辉等[15]研究认为，立式深旋耕作深度达到40 cm以上时，能够显著降低土壤容重和提高孔隙度，改善土壤通透性，提高土壤蓄水能力，达到抗旱增产的目的。同时，有研究表明耕作方式和耕作深度组合可对土壤某些物理性质及作物产量产生互作效应，将两者合理搭配有利于充分发挥其作用[16]。因此，适宜的耕作方式及耕作深度对改善旱地土壤耕层结构、调节作物生育期土壤水分的空间分布及其协调性，提高作物产量和水分高效利用具有重要的现实意义。【本研究切入点】在宁夏南部旱作区，由于土壤类型多为黑垆土、黄绵土，土壤结构松散，长期翻耕造成耕层浅薄，形成一定的犁底层，影响作物的生长，进而导致粮食产量低而不稳[17]。解除犁底层限制的关键问题是建立少耕长效机制，以往大量试验多局限于不同耕作方式或耕作深度措施下某一作物农田土壤物理性质的变化，然而在不同耕作方式结合深度对旱地不同作物季农田土壤物理性质与作物产量交互作用的影响尚不明确。【拟解决的关键问题】本研究针对宁南旱区土壤有效耕作层浅、蓄水能力弱、降水利用率低等问题，以马铃薯和春小麦为研究对象，分别设置传统翻耕深度20 cm、深翻耕30 cm、深松30 cm、深松40 cm、深松50 cm等5种不同耕作措施，探究不同耕作措施对旱地土壤物理性质及作物产量与水分利用效率的影响，明确不同耕作措施下土壤物理性质与作物产量的相关性及其主要影响因子，为合理改善旱地耕层土壤结构、选用适宜耕作措施和作物增产增效提供一定的理论支撑。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

图1 2019—2020年试验期间各月份降水量分布

1.2 试验材料

马铃薯季供试品种：青薯9号原种（由海原县鸿鑫马铃薯专业合作社提供），供试肥料：尿素（N≥46.3%，产自宁夏石化分公司）、磷酸二铵（N≥20.8%，P2O5≥52.7%，产自鲁西化工）、硫酸钾（K2O≥50.0%，产自国投新疆罗布泊钾盐有限责任公司）。春小麦季供试品种：宁春4号（由宁夏农林科学院作物所提供），供试肥料：尿素和普通过磷酸钙（P2O5≥12.0%，产自鲁西化工）。

1.3 试验设计及田间管理

试验于2019和2020年先后开展马铃薯季和春小麦季不同耕作措施大田试验。试验设置2种耕作方式（翻耕和深松）和4种耕作深度（20、30、40和50 cm），分别为传统翻耕深度20 cm（C20）、深翻耕30 cm（C30）、深松30 cm（S30）、深松40 cm（S40）、深松50 cm（S50），以传统翻耕深度20 cm处理为对照，共5个处理，3次重复，小区面积10 m×4 m=40 m2。各小区设置1 m间隔保护行，以防水分径流。

深松处理：采用2年深松1次（2018年10月秋收后进行深松，而2019年10月秋收后不进行任何耕作处理）。各深松处理分别于2018年10月秋收后采用1S-230型深松机进行间隔深松，深松铲的间隔为40 cm，且两趟行程之间留有40 cm的间隔，耕作深度分别为30、40和50 cm；翻耕处理：采用传统翻耕深度和深翻耕每年进行，分别在2018和2019年10月初秋收后采用1LF-330型液压翻转犁耕翻土壤，耕作深度分别为20和30 cm。

马铃薯季：种植密度为6万株/hm2，采用平作穴播栽培方式，宽窄行种植，宽行距60 cm，窄行距40 cm，株距40 cm，穴深15 cm，播种深度10—15 cm，于2019年5月12日播种，10月9日收获。耕作处理前基施尿素268 kg·hm-2、磷酸二铵200 kg·hm-2和硫酸钾120 kg·hm-2，现蕾期追施尿素147 kg·hm-2。

春小麦季：种植密度为350万株/hm2，行距为18 cm，播种深度为5 cm，于2020年3月28日播种，7月26日收获，耕作处理前基施尿素675 kg·hm-2和过磷酸钙750 kg·hm-2，拔节期追施尿素150 kg·hm-2。试验期间无灌溉，进行人工除草。

1.4 测定指标及测定方法

1.4.1 土壤容重 在试验处理前、马铃薯播后150 d和春小麦播后120 d，各小区（深松处理在深松铲的位置）分别使用环刀（容积V=100 cm3）每20 cm层采集0—60 cm层原状土测定土壤容重。称重后将环刀置于烘箱中，105 ℃烘至恒重，记录其质量为1（g）。最后将环刀内的土壤取出并洗净环刀，于105 ℃烘干至恒重，记录其环刀的质量2（g）。

土壤容重：v（g·cm-3）=（1-2）/V （1）

1.4.2 土壤紧实度 分别在马铃薯播后30、60、90、120和150 d，春小麦播后40、60、80、100和120 d，各小区（深松处理在深松铲的位置）分别使用托普TJSD-750-II型土壤紧实度仪测定土壤紧实度（kg·cm-2）。

1.4.3 土壤水分 分别在马铃薯播后0、30、60、90、120和150 d和春小麦播后0、40、60、80、100和120 d作物种植行采用土钻取土烘干法测定0—100 cm层土壤质量含水量，每20 cm为1层，并计算0—100 cm层土壤蓄水量。

土壤蓄水量：=×××10 （2）

式中：为土壤蓄水量，mm；为土层深度，cm；是土壤容重，g·cm-3；是土壤质量含水量，%。

1.4.4 作物生物量 在作物各个生育期，各处理重复小区随机采长势一致的3株马铃薯和春小麦植株，测定植株生物量即干物质量（马铃薯包括根系、块茎、地上部叶、茎，春小麦包括根系、地上部叶、茎、穗）。干物质于105 ℃烘箱中杀青30 min，80 ℃烘干至恒重。

1.4.5 作物产量 马铃薯季测产：收获期（播后150 d），每处理重复小区单收计产，每个小区3次重复，平均值折算每公顷产量。春小麦季测产：收获期（播后120 d），每处理重复小区均取面积为1 m×2 m的样方，每个小区3次重复，人工脱粒，籽粒风干，水分含量均控制在12%以下，平均值折算每公顷籽粒产量。

产量收入（元/hm2）=鲜薯产量×市场价格 （3）

产量纯收益（元/hm2）=产量收入-总投入 （4）

式中：总投入包括机械耕作、化肥、种子及人工费投入。

作物耗水量：ET=W1-W2+P （5）

式中：ET为作物耗水量，mm；W1为播前土壤蓄水量，mm；W2为收获后土壤蓄水量，mm；P为生育期降雨量，mm，由于试验区地下水位埋深≥50 m，降水渗度不超过1 m，地下水补给、深层渗漏、地表径流均可忽略，作物耗水量均以1 m土层土壤质量含水量计算。

水分利用效率：WUE=Y/ET （6）

式中：WUE为水分利用效率，kg·hm-2·mm-1；Y为作物产量，kg·hm-2；ET为作物耗水量，mm。

1.5 数据统计分析

采用Excel 2003进行数据处理；利用DPS 9.50进行方差分析，并采用最小显著差异法（LSD）进行多重比较（＜0.05），进行相关性分析；使用Origin 2018作图。

2 结果

2.1 不同耕作措施对耕层土壤容重的影响

不同耕作措施对耕层（0—60 cm层）土壤容重均有所改善（表1）。马铃薯季和春小麦季收获期，各耕作处理0—60 cm层土壤容重较处理前均有所降低，且随耕作深度的增加呈降低趋势，而各翻耕深度、深松深度处理间差异均不显著。马铃薯季和春小麦季，均以S50处理对降低0—60 cm各层土壤容重最为显著。马铃薯季S50处理0—60 cm各层土壤容重分别较C20处理显著降低5.51%、8.89%和5.07%，春小麦季分别显著降低8.40%、5.93%和6.48%。可见，深松30—50 cm处理能有效降低马铃薯季和春小麦季0—60 cm层土壤容重，其改善效果随耕作深度的增加而增加，但各深松深度处理间差异不显著。

C20：传统翻耕20 cm；C30：深翻耕30 cm；S30：深松30 cm；S40：深松40 cm；S50：深松50 cm。表中数值为平均值±标准差（SD），同列不同小写字母表示同一土层处理间差异显著（＜0.05）。下同

C20: conventional ploughing 20 cm; C30: deep ploughing 30 cm; S30: subsoiling 30 cm; S40: subsoiling 40 cm; S50: subsoiling 50 cm.The values in the table are the mean±standard deviation(SD),different lowercase letters in the same column indicate significant differences at<0.05among treatmentsin the same soil layer. The same as below

2.2 不同耕作措施对作物生育期土壤紧实度的影响

不同耕作措施对不同作物生育期土壤紧实度影响效果不同，随播后天数的增加，各处理作物生育期土壤紧实度均呈先增大后降低的变化趋势，马铃薯季在作物播后90 d达到最大，春小麦季在作物播后80 d达到最大（图2）。不同耕作措施下，2年作物生长季土壤紧实度变化规律结果表明，耕作深度越深，土壤紧实度的降幅越大。马铃薯季和春小麦季各处理生育期平均土壤紧实度均以S50处理最低，分别较C20处理显著降低19.32%和8.11%。

马铃薯季整个生育期不同处理下平均土壤紧实度从小到大依次为S50、S40、S30、C30、C20（图2-a），各处理分别较C20处理显著降低19.32%、16.78%、16.73%和14.29%。播后30 d，C30和S50处理与C20处理无显著差异，其他处理均显著高于C20处理；播后60 d，与C20处理相比，以C30、S30和S50处理土壤紧实度降幅较大（31.99%—43.40%），播后90 d，各处理土壤紧实度从小到大依次为S40、C30、S30、S50、C20，分别较C20处理显著降低29.20%、20.79%、19.12%和14.95%；播后120—150 d，均以S40、S50处理较低，S30处理次之，平均分别较C20处理显著降低23.56%、23.26%和14.66%，但C20和C30处理间差异不显著。春小麦季各处理整个生育期平均土壤紧实度以S50处理最低，C30、S40、S30处理次之，C20处理最高（图2-b），分别较C20处理显著降低8.11%、5.07%、4.75%和4.52%。播后40—60 d，土壤紧实度均以S50、S40处理较低，平均分别较C20处理显著降低8.60%和6.03%，其他处理间无显著差异；播后80—120 d，土壤紧实度均以S50和C30处理最低，平均分别较C20处理显著降低7.82%和6.79%，其他处理间无显著差异。

图中误差棒表示P=0.05水平上的最小显著性差异（LSD）。下同

2.3 不同耕作措施对作物生育期土壤水分的影响

由图3可知，试验期间马铃薯和春小麦季作物不同生育期各处理0—100 cm层土壤蓄水量变化趋势表现不同。马铃薯季，随播后天数的增加，各处理0—100 cm层土壤蓄水量均呈先降低后升高再降低的变化趋势（图3-a）。各生育期土壤蓄水量均以S40处理最高，S30、S50处理次之，平均分别较C20处理显著增加13.58%、10.13%和7.98%，不同深松深度（S30、S40、S50）和翻耕深度（C20、C30）处理间差异均不显著。春小麦季，各处理生育期0—100 cm层土壤蓄水量随播后天数增加基本呈下降趋势（图3-b）。各生育期土壤蓄水量均以S40处理最高，S30、S50处理次之，分别较C20处理显著增加25.66%、14.83%和14.73%，而S40处理显著高于S30和S50处理，C30与C20处理间差异不显著。马铃薯季和春小麦季整个生育期平均土壤蓄水量均以S40处理最高，分别较C20处理显著提高13.58%和25.66%。可见，深松40 cm处理对提高不同作物生育期0—100 cm层土壤蓄水量效果最佳。

不同小写字母代表每个生育期处理间的显著差异（P＜0.05）

2.4 不同耕作措施对作物产量与水分利用效率的影响

2.4.1 作物生物量 干物质积累合成是形成作物产量的关键，不同耕作措施下不同生育期作物生物量（干物质累积量）均呈逐渐增加的变化趋势（图4）。在作物整个生育期，马铃薯季平均作物干物质累积量以S40处理最佳，S50处理次之；春小麦季平均作物干物质累积量以S40处理最佳。在马铃薯季，生育期平均干物质累积量各处理高低次序表现为S40＞S50＞S30＞C30＞C20，深松各处理均较C20处理显著增加，而C30与C20处理间差异不显著（图4-a）。播后60 d时，干物质累积量各处理高低次序表现为S30、S50、S40、C20、C30，以S30和S50处理较高，与C20处理差异均显著；播后90 d，干物质累积量各处理高低次序表现为S40、S30、S50、C30、C20，以S40处理最高、S30、S50处理次之，均较C20处理显著提高；播后120—150 d，平均干物质累积量均以S40处理最高，S50、S30和C30处理次之，均较C20处理显著增加。春小麦季，深松和深翻耕各处理整个生育期平均作物干物质累积量高低依次为S40、S50、S30、C30，均与C20处理差异显著（图4-b）。播后40—60 d，平均干物质累积量以S30处理最高，S50和S40处理次之，均较C20处理显著增加；播后80—100 d，作物干物质累积量均以S40处理最高，C30、S50处理次之，均较C20处理显著增加。播后120 d，以S40和S50处理干物质累积量最高，C30、S30处理次之，均较C20处理显著增加。综上，深松措施有利于促进马铃薯和春小麦季作物干物质的累积，均以S40处理效果最好。

图4 不同耕作措施下作物干物质积累量变化特征

2.4.2 作物收益与水分利用效率分析 表2为不同耕作措施下作物的收益和水分利用效率的统计分析。马铃薯季，不同耕作处理块茎产量以S40处理最高，S50处理次之，C20处理最低。S40、S50处理分别较C20处理显著增加15.20%和13.40%，而S30、C30处理与C20处理无显著差异。各处理总投入以S50处理最高，而纯收益和产投比均以S40处理最高，分别较C20处理显著增加18.90%和8.50%。作物水分利用效率各处理高低次序分别为S40、S50、S30、C20、C30，其中，S40处理较C20处理显著增加9.10%。春小麦季，籽粒产量各处理高低次序为S40、S50、S30、C30、C20，分别较C20处理显著增加59.24%、56.55%、51.38%和15.03%；各处理总投入以S50处理最高；纯收益和产投比均以S40处理最高，分别较C20处理显著提高88.20%和43.50%。各处理作物水分利用效率以S40处理最高，S30、S50处理次之，分别较C20处理显著增加28.98%、23.60%和20.58%。

表2 不同耕作措施下作物收益和水分利用效率

投入包括种子、肥料、人工和机械耕作费。马铃薯种子3 600元/hm2，春小麦种子1 200元/hm2。肥料包括氮磷钾肥，其中，氮肥64.5元/hm2，磷肥99元/hm2，钾肥97.5元/hm2。人工费2 000元/hm2。机械费：传统翻耕深度20 cm：900元/hm2，翻耕30 cm：1 200元/hm2，深松30 cm：1 200元/hm2，深松40 cm：1 500元/hm2，深松50 cm：1 800元/hm2。产出：马铃薯市场价格为1.2元/kg，春小麦市场价格为3元/kg

Input includes seed, fertilizer, labor and machinery costs. Potato seeds 3 600 yuan/hm2and spring wheat seed 1 200 yuan/hm2Fertilizers of N, P and K are 64.5, 99.0 and 97.5 yuan/hm2. Labor cost 2 000 yuan/hm2. Mechanical cost: conventional ploughing tillage 20 cm: 900 yuan/hm2, deep ploughing tillage 30 cm: 1 200 yuan/hm2. subsoiling tillage 30 cm: 1 200 yuan/hm2, subsoiling tillage 40 cm: 1 500 yuan/hm2subsoiling tillage 50 cm: 1 800 yuan/hm2. Output: the market price of potato was 1.2 yuan/kg, and the market price of wheat was 3 yuan/kg

2.5 不同耕作措施下马铃薯产量对土壤物理性质的响应

由表3可知，不同耕作措施下马铃薯季和春小麦季作物产量与土壤物理指标均存在一定的相关性（值）。马铃薯产量（）与0—60 cm层平均土壤容重（1）呈极显著负相关、与生育期平均土壤紧实度（2）呈负相关；马铃薯产量与生育期平均0—100 cm层土壤蓄水量（3）呈显著正相关，与生育期平均生物量（4）呈显著正相关。春小麦产量与生育期平均0—100 cm层土壤蓄水量（3）呈正相关，与生育期平均生物量（4）呈极显著正相关；春小麦产量（）与0—60 cm层平均土壤容重（1）呈显著负相关，与生育期平均土壤紧实度（2）呈负相关。此外，2年作物季土壤物理指标均呈相关性：0—60 cm层平均土壤容重（1）与生育期平均土壤紧实度（2）呈正相关，与生育期平均0—100 cm层土壤蓄水量（3）呈负相关；生育期平均土壤紧实度（2）与生育期平均0—100 cm层土壤蓄水量（3）呈负相关。可见，不同耕作措施下耕层土壤容重和生育期土壤紧实度越小，对提高生育期土壤蓄水量效果越显著，从而有利于提高作物干物质累积和产量的形成。

耕作方式、耕作深度及其二者交互作用方差分析（）结果表明，耕作方式、耕作深度及其二者交互均对作物产量、土壤蓄水量和生物量有极显著影响，而土壤容重和紧实度受耕作方式影响显著（表3）。马铃薯季耕作深度、耕作方式与耕作深度交互对土壤容重影响极显著，而对土壤紧实度影响不显著。春小麦季耕作深度、耕作方式与耕作深度交互作用对土壤容重和紧实度影响均不显著。结合相关性和分析方差分析结果表明，耕作方式结合耕作深度能够实现土壤结构和水分保蓄的协同效应，进而促进作物生物量累积和产量的提高。

3 讨论

3.1 不同耕作措施对土壤物理性质的影响

土壤容重和紧实度均是反映土壤物理性质的重要指标，受多种因素影响，尤其是耕作措施[17]。耕作深度达到30—40 cm时的深耕措施可显著降低20—40 cm层土壤容重[19]。增加耕作深度可显著降低土壤容重和紧实度，且随耕作深度的增加，其改良效果越好[20]。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[21]。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[22]。本研究结果表明，马铃薯季和春小麦季0—60 cm层土壤容重均以深松50 cm处理效果最佳。分析其原因：一方面传统翻耕深度20 cm处理破坏了土壤的结构，毛细管被切断，经过作物的一个生长季，土壤的沉积和压实作用导致大孔隙被堵塞，使耕层土壤容重增大，而深松措施可加深耕作层，打破犁底层，增加耕层厚度，增强土壤生物的活动，使土壤中的毛细管增多，土壤容重状况得到改善[23]；另一方面传统翻耕深度20 cm处理在耕层20 cm易形成坚实的犁底层，而深松耕作30—50 cm能打破长期以来传统耕作形成的犁底层，增加土壤通气性和透气性，从而降低土壤容重[24]。本研究还发现，马铃薯季和春小麦季不同耕作处理下作物生育期土壤紧实度大小表现为S50、S40、S30、C30、C20。究其原因：首先，作物生育期降水量大，传统翻耕处理使土壤的穿透阻力减弱，从而降低对土壤紧实程度的调节能力[25]。其次，深松耕可打破犁底层，使深层次土壤变得疏松，降低了土壤容重，促进了作物根系向深处穿插切割等作用[26]。

表3 土壤相关物理指标与作物产量的相关分析和交互分析

*和**分别表示在＜0.05和＜0.01水平显著相关。ns：无显著相关性。、1—4分别代表作物产量、0—60 cm层平均土壤容重、作物生育期平均土壤紧实度、作物生育期平均0—100 cm层土壤蓄水量、作物生育期平均生物量；T：耕作方式；D：耕作深度；：相关系数；：方差的统计量

*and**indicate significant correlation at<0.05 and<0.01. ns: no significant correlation at<0.05 and<0.01.,1-4 refers to crop yield,average soil bulk densityat 0-60 cm layer,average soil compactness during the crop growth period,average soil water storageat 0-100 cm layerduring the crop growth period,average crop biomass during the crop growth period; T: Tillagemethod; D: Tillage depth;: Correlation coefficient;: Statistic of analysis of variance

3.2 不同耕作措施对土壤水分的影响

深耕措施可打破犁底层障碍，增加土壤有效孔隙，对降低土壤水分蒸发、增加土壤蓄水储墒方面具有显著效果[27]，耕翻深度的增加能提高土壤的蓄水能力[28]。秦红灵等[29]研究表明，深松对提高莜麦生育期内0—100 cm层土壤贮水量效果较显著；Sun等[30]认为，深松处理能够增加土壤蓄水量，且干旱季节的土壤水分增加幅度比雨季高。邹文秀等[31]研究发现，与免耕处理相比，浅耕（耕翻15—20 cm）的0—35 cm层土壤蓄水量有所降低，而深耕（耕翻35—50 cm）处理的0—35 cm层土壤蓄水量显著增加。本研究结果表明，与春小麦季相比，马铃薯季土壤蓄水量变化幅度相对较大，这与马铃薯生育期降水充沛有关。在降水较少的春小麦季，深松40 cm处理土壤蓄水量高于其他耕作处理，究其原因：在相对干旱情况下，深松40 cm处理相对深耕（翻耕和深松30 cm）和超深松（50 cm）处理能降低土壤扰动，减少水分蒸发，以蓄存较多的水分[32]，且在降水较少的春小麦季将降水蓄纳于深层，利于根系的下扎[33]。在降水较多的马铃薯季，深松40 cm处理土壤蓄水量最高，这是由于深松40 cm处理有利于加深耕层[34]，使土壤形成天然的入渗通道，以利于蓄存降水，提高土壤的蓄水量[35-36]。

3.3 不同耕作措施对作物产量的影响

合理深耕可打破紧实犁底层的障碍[37]，使0—35 cm耕作层处于比较疏松的均匀状态[38]，促进根系向下伸长，进而为作物干物质累积与产量形成创造一个适宜的土壤环境[39-40]。BRUNEL-SALDIAS等[41]研究表明，深松40 cm处理能够提高燕麦和小麦的生物量，为作物高产奠定基础。孟丽丽等[28]研究表明，与翻耕20 cm、翻耕30 cm处理相比，翻耕40 cm、翻耕50 cm处理均可显著提高整个生育期尤其块茎膨大后期的马铃薯干物质累积量。张凤杰等[22]研究表明，深松处理有效增加玉米干物质积累。本研究结果表明，深松40 cm可显著增加马铃薯季和春小麦季干物质累积。分析其原因：适宜的深松深度，有效打破犁底层，提高土壤的通水、透气性能，利于作物根系深扎和水分和养分吸收，使作物干物质累积量增加[4, 28]。

张绪成等[4]研究发现，旋耕深度为40 cm条件下，能够改善黄土高原旱作区土壤水分状况，显著提高马铃薯产量和水分利用效率。刘战东等[42]在焦作市广利灌区的研究显示，砂质粘土深松40 cm更有利于玉米产量和水分利用效率同步提高。刘国利等[43]在鲁西南地区潮褐土的研究表明，深松耕作对冬小麦和夏玉米均有增产效果，且深松深度越大，作物产量越高，以深松40 cm最佳。本研究结果表明，作物产量及水分利用效率均随耕作深度的增加呈先增后减，当深松40 cm时可获得最大作物产量及水分利用效率。可能是因为适宜的耕作深度能有效打破犁底层，增加土壤的通透性，改善土壤微环境，提高接纳雨水的能力，保持较好的水分供需关系，增强作物对水分的利用效率，然而深松深度过大导致土壤水肥下渗严重，超过了作物根系吸收水肥的主要范围[5, 44]，不利于水分高效利用，这与BRUNEL-SALDIAS等[41]的研究结果一致。这说明适宜的耕作方式及耕作深度主要受不同生态区域土壤、气候等环境因子和作物类型等影响，导致农田土壤物理结构改变和作物生产潜能对不同耕作措施的响应存在很大差异[45]。通过相关分析及方差分析发现，不同耕作方式和耕作深度对土壤蓄水量、作物生物量以及产量均呈极显著影响，而土壤容重和紧实度受耕作方式影响显著。不同耕作方式与耕作深度的交互作用可极显著影响土壤蓄水量、作物生物量以及产量，可实现土壤结构与蓄水量间的协同效应，进而促进作物生物量累积和产量的提高。究其原因：（1）深耕或深松可打破犁底层，增加耕层厚度为30—40 cm时，能够有效蓄积大气降水，将其完全转换为有效水分供作物利用[31]。（2）传统翻耕方式由于犁底层等障碍性层次的存在，减小了耕作层的深度，限制了作物根系生长发育的空间[46]，而耕作深度越深，调蓄大气降水的耕层越厚，能够调蓄的大气降水就越多，当耕作深度为50 cm时增加了深层土壤水分的入渗，不利于耕层土壤水分的保持[31]。

适当增加耕作深度，可获得作物较高的收益以弥补增加耕作深度产生的成本，过度增加耕作深度不仅会增加农田土壤侵蚀的风险，还会增加耕地成本[19]。本研究中，除耕作因素的投入差异外，各项管理措施保持一致，虽然深松处理的费用略高于翻耕，且随深度的增加所需机械动力燃料费有所增加，但由于显著增加了作物的产量，其产投比较高，以深松40 cm处理效果最佳。因此，在今后研究旱地合理耕层深度指标时，不仅要考虑耕作方式和耕作深度对土壤结构和环境质量的影响，还要综合考虑土壤水肥利用情况及作物增产增收效果。同时，本研究仅涉及2种作物类型、一个轮作周期和2种降水年型，仍需进行长期定位研究。

4 结论

与传统翻耕深度20 cm处理（对照）相比，深松50 cm处理对马铃薯和春小麦季0—60 cm层土壤容重改善效果最为显著。马铃薯和春小麦季各生育期土壤紧实度均以深松50 cm处理最低，分别较对照显著降低19.32%和8.11%。马铃薯和春小麦季各生育期0—100 cm层土壤蓄水量均以深松40 cm处理最高，作物整个生育期作物干物质量均以深松40 cm处理最佳。马铃薯和春小麦季深松40 cm处理下作物产量、纯收益和水分利用效率均最高。可见，在宁南地区马铃薯和春小麦季，耕作方式结合深度可极显著影响生育期土壤蓄水量和作物产量，可实现土壤结构与水分间的协同效应，以深松40 cm处理作物增产增收效果较好。

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Effects of Different Tillage Practices on Soil Physical Properties and Crop Yield in the Region of Southern Ningxia

LI Rong1, YAN Huifang1, ZHANG Long1, MIAO Fangfang1, Mian Youming2, HOU Xianqing

1School of Agriculture, Ningxia University, Yinchuan 750021;2Guyuan Branch of Ningxia Academy of Agriculture and Forestry Sciences, Guyuan 756000, Ningxia

【Objective】In order to solve the problems of insufficient precipitation, shallow plough layer and low water use efficiency in the dry land of Southern Ningxia, we investigated the effects of different tillage practices on soil physical properties and crop yield in the region of southern Ningxia, and provided certain theory support for improving the topsoil structure reasonably in dryland, selecting the suitable tillage practice and increasing crop yield and benefit. 【Method】using potato and spring wheat as test crops, two tillage methods and four tillage depths of conventional ploughing 20 cm (C20, as a control), deep ploughing 30 cm (C30), subsoiling 30 cm (S30), subsoiling 40 cm (S40) and subsoiling 50 cm (S50) were set in arid region of southern Ningxia between 2019 and 2020 for the two-year field experiment to study the effects of different tillage methods with depths on soil bulk density during the harvest period, soil compactness water storage, and crop biomass during the growth periods,, yield and water use efficiency. 【Result】The average soil bulk density at 0-60 cm layer in potato season and spring wheat season under the S50 treatment was significantly decreased by 6.49% and 6.94%, compared with the control treatment. In the whole growth period, the average soil compactness with the S50 treatment in potato season and spring wheat season was the lowest, which was significantly increased by 19.32% and 8.11%, respectively, compared with the control treatment. The improvement in the soil water storage with the S50 treatment during the whole growth period in potato season and spring wheat season was the best, which was significantly increased by 13.58% and 25.66%, respectively, compared with the control treatment. The S40 treatment had the highest dry matter accumulation in potato season and spring wheat season. Crop yield, net income and water use efficiency were the highest under the S40 treatment in potato season and spring wheat season, which were significantly increased by 15.20%, 18.90% and 9.10% in potato season, and increased by 59.24%, 88.20% and 28.98% in spring wheat season, when compared with the control treatment. The tillage methods with depths had extremely significant effects on soil water storage, crop biomass and yield, while soil density and compactness were extremely affected by tillage methods. 【Conclusion】The tillage method combined with depth could significantly improve the topsoil structure, and increase soil water storage during the crop growing period, thereby promoting the increase of crop yield and water use efficiency. The subsoiling 40 cm treatment had the best effect of crop yield and income increasing in potato and spring wheat season, and it could be further promoted and applied in the cultivation of potato and spring wheat for high yield and efficiency in the region of southern Ningxia.

tillage method; tillage depth; soil physical characteristics; soil water; crop yield

2023-01-13；

2023-03-10

国家自然科学基金（32160515）、宁夏自然科学基金（2022AAC03061，2023AAC03150和2023AAC03149）

李荣，E-mail：lironge_mail@126.com。通信作者侯贤清，E-mail：houxianqing1981@126.com

10.3864/j.issn.0578-1752.2023.18.005

（责任编辑 杨鑫浩，李莉）