深松对三江平原春玉米田土壤水分和产量的影响

郑培峰, 张晓龙, 司 雨, 吕艳杰, 王立春, 王永军

(1.吉林农业大学 农学院, 长春 130118; 2.吉林省农业科学院资源与环境研究所/玉米国家工程实验室, 长春 130033)

三江平原位于黑龙江省东北部，由松花江、乌苏里江和黑龙江三江冲积形成，是我国重要的商品粮生产基地。玉米作为当地主要作物之一，近年来种植面积不断增加，对稳定地区粮食生产安全至关重要[1-3]。当前，三江平原玉米生产主要面临着农业用水紧张和土壤退化的双层压力[4-7]。研究表明，1955—1999年三江平原地区年降水量呈减少趋势[8]，水分蒸散量逐年增加[4]。同时湿地转化农田过程加快，农作物(水稻)面积增加带来农业灌溉用水增加[2-3]，导致水资源供需矛盾突显。在农业生产上长期采用以旋代耕的土壤耕作方式，形成不合理耕层结构，影响土壤中水分、热量和气体的传递，制约玉米生长发育和高产高效[6-7]。因此，缓解水资源供需矛盾，消除玉米农田土壤障碍，已成为三江平原玉米生产亟待解决的关键问题。合理有效的耕作方法是实现土地保护与改良的重要措施[9]，选用适当的耕作方法可以加速地表水的渗入，减少无效蒸发[10-11]。相反，不合适的耕作方法可以减少地表水渗透，加速无效蒸发，影响根系向下生长，降低作物产量[12]。以往农田生产中大多采用常规表层旋耕，造成土壤透水保水性能差[13]，影响作物正常生长。采用保护性耕作可缓解这一状况，有效减少土壤侵蚀，提高水分利用效率以及土壤结构的稳定性[14]。深松是保护性耕作的关键措施，对减轻农田土壤结构障碍，提升土壤生产力具有良好的效果[15-16]，被众多学者公认为构建合理耕层结构的有效改土技术[17]。目前，关于深松对农田土壤及作物的研究大都集中于土壤结构、水分、作物根系发育和养分循环等方面[18-22]。研究表明，农田土壤经过深松后，土壤疏松多空隙，使得作物根系下扎伸长，增强了根系对深层土壤养分和水分的吸收能力，促进作物生长[23-25]。Nidia等[26]和尹宝重等[27]研究表明，深松可显著增加土壤贮水量，提升土壤有效供水能力；
提高作物生长期阶段对深层水分的利用吸收，增加农田土壤水分消耗量和蒸散量[28]。深松可提高表层土壤碳氮含量及根际土壤酶活性，加快秸秆腐殖质分解，促进作物对营养元素吸收转化，进而提高作物产量[29-30]。此外，研究人员针对深松深度和时期开展了系列研究，主要集中在不同时期深松或不同深度深松对土壤改良和作物生长的单一效应。阎晓光等[31]研究深松时期对旱地春玉米水分利用状况和产量影响表明，与夏季深松相比，秋季深松和春季深松能增加根系对土壤水分的获取，促进玉米干物质积累，提高产量；
刘战东等[32]研究也表明相同灌溉模式下，秋季深松相比夏季深松，对作物光合能力的提高具有积极效应。关于深松深度研究中，程思贤等[33]通过设置30 cm，40 cm，50 cm和60 cm 4个深松深度对比发现，深松深度在30—40 cm对土壤改善和作物生长最为适宜；
王亮等[28]也表明深松40 cm是南疆绿洲滴灌棉田适宜的深松深度。以上研究多集中在单一深松限定因子，针对三江平原草甸黑土环境条件下，有关不同时期和深度复合效应对玉米田土壤环境、耗水特性及作物生产的系统性研究不足。因此，本研究在前人研究的基础上，设置深松时期和深松深度二因素交互试验，深松时期设定为秋季、春季和夏季；
深松深度设置30 cm和40 cm2个深度，以期探明深松时期和深松深度复合效应对三江平原玉米农田土壤水分利用、玉米生长及产量的影响，揭示深松扩容增产机理，为构建三江平原玉米农田适宜的耕层结构及深松技术的合理应用提供理论依据和实践经验。

1.1 试验区概况

试验地位于黑龙江省农业科学院佳木斯分院试验基地(46°47′N，130°24′E；
海拔111.3 m)，该地区年日照时数2 525 h，常年平均气温3.0℃，年最低气温-35℃，最高气温38.1℃，≥10℃活动积温2 590℃，无霜期130 d，2015年生育期降雨量及平均温度见图1。试验地土壤为草甸黑土，土壤有机质含量2.49%，碱解氮含量86.3 mg/kg，有效磷含量64.6 mg/kg，速效钾79.9 mg/kg，全氮含量0.14%，全磷含量0.14%，全钾含量3.12%，pH值为6.5，前茬作物为玉米，种植模式为一年一熟制。

图1 玉米生育期气象条件

1.2 试验设计

试验于2015年4月至11月进行，采取双因素随机区组设计，以常规表层旋耕15 cm为对照(CT15)，深松深度设定为30 cm和40 cm 2个深度，深松时期设定为上一年秋季(10月20日)，当年春季(4月15日)和当年夏季(6月20日)3个时期，共7个处理，分别为常规15 cm旋耕(CT15)，秋季30 cm深松(QS30)、春季30 cm深松(CS30)、夏季30 cm深松(XS30)、秋季40 cm深松(QS40)，春季40 cm深松(CS40)和夏季40 cm深松(XS40)。每个处理重复3次，共21个小区，小区面积为400 m2(长40 m，宽10 m)。供试玉米品种为先玉335，行距65 cm，密度为6.15万株/hm2，于2015年4月28日播种，2015年9月28日收获。试验过程采用机械化作业，采用弯刀式深松机对处理小区进行精准行间深松，深松宽度12 cm。试验区采用喷灌方式，在播种后喷灌35 mm，各小区灌溉量相同，试验区周围设置保护行，其他农事管理措施同周边大田。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 土壤含水量测定 采用土钻钻土烘干法测定[34]。在玉米出苗(VE)，3叶期(V3)、拔节期(V6)，吐丝期(R1)和成熟期(R6)，用土钻于各小区行间钻取0—10 cm，10—20 cm，20—35 cm和35—50 cm土层土样，置于铝盒中称取鲜土质量，称完后置于80℃烘箱中烘干至恒重，烘干后称取干土重量并记录。各小区内3次平行测定，取平均值计算土壤质量含水率。试验期间降雨量与灌溉量在50 cm土层未发生渗漏与形成径流。

土壤含水量(%)=(湿土质量—烘干土质量)/烘干土质量×100%

1.3.2 株高、穗位高测定及绿叶数调查 每个小区选取生长发育一致、叶片无病斑和破损的植株5株，用标签卡片进行标记，在R1+30 d和R6期，测定植株绿叶数(绿色区域面积占总叶面积≥50%)；
在玉米R6期，测定其株高和穗位高(植株基部到雄穗最高处的距离即为该植株的株高，植株基部到穗位节的高度即为穗位高)。

1.3.3 产量及构成因素测定 在玉米R6期，每个小区选择中间4行，连续测10 m，记录株数、穗数、倒伏率、收回全部果穗称重并数个数，按照均值法取20个果穗考种，折算成标准含水量(14%)的产量，同时测定穗粒数、含水率，百粒重等指标。

1.4 数据处理与分析

试验数据处理及统计分析采用Excel 2019和SPSS 25.0软件进行，运用Origin 28作图，不同处理间多重比较采用Duncan新复极差法，经t检验(p<0.05)。

2.1 不同时期和深度深松对玉米农田土壤含水量的影响

同一土层深度，除VE期因播种灌溉外，各处理土壤含水量变化基本与当地降雨量变化相一致，基本呈现先降低后升高的趋势，R1期含水量最低(图2)。0—10 cm和10—20 cm土壤含水量变化幅度较大，20—35 cm和35—50 cm土壤含水量变化较为稳定。0—10 cm土壤，各处理含水量在VE期和R1期差异显著，其中XS40和QS40土壤含水量在VE期和R1期显著高于CT15，分别高29.17%和9.25%，21.02%和12.94%。10—20 cm土壤含水量在各时期均高于0—10 cm，以XS40和QS40作用效果明显，在VE期和R1期与CT15相比，分别高22.67%和18.25%，8.18%和6.39%。20—35 cm各处理土壤含水量变化与CT15变化保持相对一致，在各时期基本高于CT15，且在VT期和R1期与CT15差异显著。35—50 cm土壤，各处理在VT期、R1期和R6期土壤含水量均高于CT15，在VT期作用效果最佳。

深松有利于减少土壤水分的散失，保持土壤水分稳定。深松深度对VE期0—20 cm，V6期和R1期20—50 cm土壤含水量影响显著，对V3期和R6期各层土壤含水量无显著影响；
不同时期深松及不同深度和时期深松交互作用主要对VE期和V3期10—20 cm，20—35 cm和35—50 cm土壤含水量影响显著(表1)。

2.2 不同时期和深度深松对玉米农艺性状的影响

由图3可知，QS30对R6期玉米株高存在显著影响，与CT15相比，QS30处理植株高度降低5.53%；
CS40和XQS40处理成熟期玉米穗位高与CT15有显著差异，与CT15相比，分别降低6.67%和10.98%(p<0.05)。方差分析结果显示，深松深度对株高影响极显著。深松深度和时期交互作用对穗位高影响显著(表2)。吐丝后30 d，除CS30外，其绿叶数与CT15相比无显著差异，成熟期各处理绿叶数差异显著，较CT15均有不同程度延迟黄叶、落叶效果，其中以QS30，QS40和XS30作用效果显著，较CT15分别高34.85%，48.02%和15.12%(p<0.05)。方差分析结果表明，不同时期深松对R1+30 d和R6期绿叶数有显著影响，不同深度深松及二者交互作用影响不显著(表2)。

图2 不同时期和深度深松对生育期不同土层含水量的影响

表1 不同时期和深度深松对土壤含水量影响方差分析

2.3 不同时期和深度深松对玉米产量及产量构成的影响

不同时期和深度深松对玉米秃尖长度、有效穗数、穗粒数、百粒重和籽粒产量的影响见表3。各处理籽粒产量相较于CT15均有不同程度提高。QS30，CS30，XS30，QS40，CS40和XS40各处理籽粒产量分别较CT15增加5.13%，1.28%，3.85%，10.26%，7.69%和5.13%，QS40籽粒产量最高。40 cm相较30 cm深松对提高产量具有较好效果，同一时期下，QS40，CS40和XS40处理较QS30，CS30，XS30分别增加4.88%，6.33%和1.23%；
同一深度，秋季深松与春季和夏季深松相比，产量均得到增加，QS30和QS40分别较CS30，XS30和CS40，XS40增加3.66%，1.22%和2.33%，4.65%。秋季和春季深松对缩短秃尖长度取得较好效果，QS30，CS30，QS40和CS40与CT15相比，其秃尖长度分别降低49.06%，37.74%，56.60%和30.19%。产量构成方面，收获穗数和百粒重各处理彼此间差异不显著，QS30，QS40和CS40处理穗粒数显著高于CT15，分别高11.94%、14.67%和11.55%。方差分析表明，深松时期和深松深度均对籽粒产量影响显著，其中深松时期对籽粒产量影响极显著，深松深度对秃尖影响显著。

图3 不同时期和深度深松对玉米相关农艺性状的影响

表2 深松对玉米农艺性状方差分析

采用玉米连作的三江平原春玉米田地区，近些年一直采用播前旋耕的机械耕作方式，导致土壤在亚表层形成紧实的犁底层，影响到当地农业的可持续发展。采用深松可改善土壤质量，改良土壤结构，打破犁底层，增加土壤的通透性，对稳定和提升作物产量具有重要作用。

表3 不同时期和深度深松对玉米产量及其构成因数的影响

土壤水分是植物获取水分的重要来源，与玉米生长发育息息相关。研究表明，深松可通过改变土壤结构，促进水分入渗，提高土壤深层含水量[26-28]。本文研究结果与之相同，深松可提高土壤水分含量，以10—50 cm土壤含水量最为明显。深松40 cm整体上优于深松30 cm，且深松深度主要影响玉米V6期和R1期20—35 cm和35—50 cm土壤含水量；
相关研究已表明，深松深度的增加，会扩大土壤疏松层，从而增加土壤水分含量[28]，这与本文结果相一致，但也有部分研究认为当深松深度过大时会造成水分供需失衡[26]，作物无法有效吸收土壤水分，农田耗水量降低[25]，造成不同生态区域深松差异的原因可能与取样时期，当地气候条件和土壤类型有关，有待进一步验证。本文结果显示，秋季深松效果优于春季深松和夏季深松，对VE期10—35 cm和V3期0—50 cm土壤含水量影响显著；
这与阎晓光等[31]的结果相一致，春季和夏季深松与秋季深松相比，水分蒸发加剧，此外，夏季深松过程中会对作物根系造成伤害，减弱了根系对土壤水分的吸收能力。试验结果显示，QS40处理深松效果最佳，显著提高V6-R6期土壤含水量；
以R1期为例，与CT15相比，其在0—10 cm，10—20 cm，20—35 cm和35—50 cm土壤含水量分别高12.94%，6.39%，7.81%和6.69%。

V6期至R1期是玉米需水的关键时期，试验结果中，深松后20—35 cm，35—50 cm土壤水分变化相对稳定，其土壤水分含量高于0—20 cm，在V6期至R1期未出现明显下降，与CT15存在明显差异；
造成这种情况的原因或是，0—10 cm和10—20 cm土壤，经深松后土层疏松层加厚，产生输送土壤水分入渗的有效通道，增加水的渗透能力[35-36]，同时气温升高，土壤表层水分蒸发剧烈，加之玉米处于需水旺盛期，虽发生降雨，但作用较小，因而0—10 cm和10—20 cm土壤水分呈现下降趋势；
20—35 cm，35—50 cm土壤经过深松后，质地变得松软，水分运动阻力减弱，随着气温逐渐回暖，土壤水分蒸发加剧，土壤水分供给与消耗能力明显增强，造成在V6期和R1期20—35 cm，35—50 cm土壤水分含量略微下降，CT15上升。因此，当季节性降雨分布与作物需求不一致时，深松可为当季作物保留更多的深层土壤水分，供给下一阶段作物生长使用[37]。

深松可促进深层根系生长发育，提高农作物产量[27,38]。玉米R1期后，延长绿叶期，有助于植株有机物积累；
叶片是植物光合作用的场所，可反映植株的光合能力。深松可延缓作物衰老过程[39]。比较试验处理玉米株高，穗位高和绿叶数等指标发现，QS30可在保持穗位高的前提下，有效降低植株高度，而CS40和XS40与之相反，即可在保持植株高度的基础上，降低植株穗位高度；
QS30，QS40和XS30较CT15均有不同程度延迟黄叶、落叶效果。统计结果表明，深松并没有改变玉米物候期，这表明各深松株高、穗位高和绿叶数的变化并不是由于物候期变化而引起，可能是由于深松改善了农田耕层的疏松状况，利于根系深扎和水肥的调动利用，提高了玉米生长所需水肥的持续供应能力，从而对玉米发育产生良好效应。

深松可通过改善土壤结构，影响作物根区环境，促进其根系对水分和养分的吸收，有效地提高植物地上部分的水分和养分供应[40-41]。对作物生产潜能具有积极作用[42]。试验结果显示，深松与常规旋耕相比，玉米穗粒数显著提高，使玉米籽粒产量增加[43]。深松深度增加，可以提高穗粒数、百粒重和籽粒产量，深松时期对玉米籽粒产量产生积极影响，随着深松时期的推延，果穗秃尖长度和百粒重呈现出逐渐增大的趋势，穗粒数和籽粒产量呈现下降趋势。多重比较发现，40 cm深松相较于30 cm深松对产量提升效果显著，同一时期下，QS40，CS40和XS40处理较QS30，CS30，XS30分别增加4.88%，6.33%和1.23%，与Kuang等[36]和Wang等[44]研究结果相一致；
玉米产量间的差异可能是由于耕作深度对土壤颗粒结构的影响，减少了根系生长的空间阻力，提高了玉米对地上部水分和养分供应能力[45]，同时玉米根系吸收养分的主要耕层集中在0—40 cm，30 cm深松和40 cm深松的差异对玉米根系吸收养分区间影响较大，因而彼此对产量的影响具有显著差异。基于试验结果，可以发现深松深度对玉米产量正调节效应可能存在某种正相关或者线性关系；
秋季深松较其他季节效果最佳。

综上，秋季40 cm深松可有效保持土壤水分稳定，在各生育时期均起到保水蓄墒的作用，30 cm和40 cm深松均提高土壤水分含量，保水蓄墒，延长绿叶期，促进光合产物及产量形成，但40 cm深松效果更加明显；
深松时期在秋季表现最佳。综合试验分析得出，秋季40 cm深松是三江平原春玉米实现提质增产的最佳深松组合。

感谢国家玉米产业技术体系佳木斯站为本试验顺利进行提供帮助。

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