2023, Vol. 50文章信息
引用本文 |
基金项目
- 吉林省科技发展计划项目(20230202041NC)；吉林省农业重大技术协同推广试点项目(E32433802)
作者简介
- 曹庆军(1986—)，男，博士，副研究员，研究方向为作物质量安全与品质调优栽培，E-mail：Qingjun501@163.com.
通讯作者
- 李刚(1963—)，男，博士，研究员，研究方向为作物质量安全，E-mail：laoli201@126.com.
文章历史
- 收稿日期：2023-09-01
2. 长春市农业机械研究院，吉林 长春 130062;
3. 吉林农业大学农学院，吉林 长春 130118;
4. 吉林省晨晖农业装备有限责任公司吉林吉林 长春 130400
2. changchun Academy of Agricultural Mechanization, Changchun 130062, China;
3. College of Agronomy, Jilin Agricultural University, Changchun 130118, China;
4. Jilin Chenhui Agricultural Equipment Co., Ltd, Changchun 130400, China
【研究意义】耕地是农业生产中最重要的物质基础保障，对国家粮食安全、社会稳定以及社会的可持续发展具有举足轻重的作用[1]。松辽平原南部薄层黑土区是我国重要的商品粮基地和优质玉米产区，近40年来传统耕作方式下高强度的持续利用[2]，造成黑土农田出现明显的“变薄、变瘦、变硬”等结构和质量退化[3]，土壤紧实度增加[4]、蓄水能力下降、作物根系生长受阻[5]，严重影响作物产量。因此，亟需改变传统耕作方式，实现薄层黑土资源的可持续健康利用。【前人研究进展】土壤的物理性质主要包括与土壤肥力维持有关的土壤质地、容重、紧实度、孔隙度以及保水透气性能等指标[6]。而土壤物理性质的变化直接影响土壤肥力的供应与维持能力[7]，进而影响土壤功能的正常发挥[8]。因此，近年来农业科技工作者对土壤物理性质的关注度逐渐提高。一般认为，耕作方式[9]、种植年限[1]、机械类型与吨位[10]、田间管理措施[11] (如秸秆还田、深松)等都直接或间接的影响土壤的物理性质[12]，而耕作方式对土壤理化性状的影响最为直接[13]。闫伟平等[14] 研究表明，吉林省西部半干旱区在免耕等保护性耕作方式下通过秸秆覆盖和减少土壤扰动次数，可减少农田水分蒸发和散失，提高雨养农业区植物可利用土壤水分含量；内蒙古呼伦贝尔黑土农田长期免耕处理能改善土壤生态功能，增加土壤蚯蚓的数量[15]，从而有利于提高土壤孔隙度、土壤团聚体稳定性，持续改善土壤结构[16]。但是，对于高纬度地区而言，秸秆大量表面覆盖造成的苗期低温与播种障碍被认为是影响秸秆覆盖免耕种植产量下降的主要原因[4]。条耕是保护性耕作少耕的一种方式，近年来在松辽平原薄层黑土区得到推广和应用[4]。【本研究切入点】团队前期研究表明，条耕种植能显著提高播种期“种床温度” [17] 和改善种床质量，显著提高幼苗群体建成质量以及后期玉米籽粒产量[18]。然而，关于不同种植年限下条耕种植对薄层黑土区土壤物理性质方面的研究还鲜有报道。【拟解决的关键问题】本研究基于九台区多年定位试验平台，探讨常规垄作、免耕种植与新型条耕种植3种不同耕作方式与种植年限对东北薄层黑土农田土壤物理性质与玉米产量的影响，以期为该区域黑土合理耕作技术体系建立提供理论支撑。
1 材料与方法 1.1 试验地概况试验于2022年5—10月在吉林省农业科学院九台保护性耕作试验示范基地进行，地点位于吉林省长春市九台区兴隆镇德强种植业家庭农场(43°54’42”N，125°42’18”E)。该区域属于温带大陆性季风气候，全年日照时长2 526.9 h、平均降雨量600 mm、活动积温2 850 ℃、无霜期140~150 d，为典型雨养农业区。试验地土壤类型为薄层黑土，试验开始前表层(0~20 cm)土壤基础养分指标为：有机质26.38 g/kg、速效氮154.12 g/kg、速效磷43.35 g/kg、速效钾127.23 g/kg、pH值为7.12。
1.2 试验设计采用双因素随机区组试验设计，试验因素分耕作方式(T)与种植年限(Y)。其中，耕作方式设常规垄作(Conventional tillage，CT)、秸秆覆盖免耕(No-tillage，NT)与条耕种植(Strip tillage，ST)。常规垄作流程：秋季玉米成熟后，采用联合收获机收获果穗，秸秆粉碎后平铺于地表，10月初利用秸秆打包专用归行机将5行秸秆归集，然后利用秸秆打包机进行打包，并将秸秆运出农田；第2年春季4月末，进行旋耕整地(旋耕深度13±2 cm)、施肥、起垄；待5 cm深度土壤温度稳定通过10 ℃后播种，并利用镇压轮进行镇压。免耕种植(NT)流程：秋季玉米成熟后，采用联合收获机收获果穗，秸秆粉碎长度≤ 25 cm并平铺于地表，第2年春季播种前1~2 d，利用秸秆归行机将播种带位置秸秆归集至休闲带上，待5 cm深度土壤温度稳定通过10 ℃后利用免耕播种机进行播种，一次性完成播种、施肥、覆土、镇压等，玉米苗后V4~V5期(第4~5叶完全展开) 进行深松作业，深松强度30±2 cm，其他操作同常规田间管理。条耕种植(ST)流程：秋季玉米成熟后，采用联合收获机收获果穗，秸秆粉碎长度≤ 25 cm并平铺于地表。然后，利用秸秆归行机将播种带位置秸秆归集至休闲带上，利用条耕机在播种带位置进行条耕作业，条耕深度＜10 cm；第2年春季，待5 cm深度土壤温度稳定通过10℃后利用免耕播种机进行播种，一次性完成播种、施肥、覆土、镇压等，玉米苗后V4~V5期进行深松作业，深松强度30±2 cm，其他操作同常规田间管理。
种植年限分种植4年与种植2年，其处理地块相应始于2018年与2020年。试验小区面积12 m×50 m，3次重复，共计18个小区，种植玉米品种为‘天育108’，于2022年5月10日播种，掺混肥(N-P-K：20%-9%-13%) 用量为850 kg/hm2，在播种时一次性施入。播种第5 d喷施精异丙甲草胺与噻吩磺隆合剂进行化学封闭除草，6月下旬和7月中下旬分别利用无人机喷施浓度为20% 氯虫苯甲酰胺防治玉米螟和粘虫，9月25日进行田间测产。
1.3 测定指标及方法1.3.1 耕层厚度与田间持水量 耕层厚度采用第三次全国土壤普查外业调查与采样技术规范(修订版)方法，采用田间剖面挖掘综合土壤颜色、犁底层以及土壤紧实度等进行综合判定耕层厚度。田间持水量采用环刀法测定，参照喇乐鹏[19] 的方法进行。
1.3.2 土壤容重、穿透阻力与土壤孔隙度 土壤容重、穿透阻力与土壤孔隙度分别在耕层(0~20 cm)与亚耕层(20~40 cm)深度进行测定。其中，土壤容重采用环刀法测定；土壤穿透阻力利用SC900型土壤硬度计(Spectrum Technologies, Inc.)，测定0~40 cm深度土壤的紧实度，耕层取0~20 cm深度平均值，亚耕层取20~40 cm深度平均值。土壤总孔隙度采用容重换算法测定，其计算公式：土壤总孔隙度(%)=(1- 土壤容重/土壤密度)×100，土壤密度取值2.65 g/cm3[19]。
1.3.3 产量与产量构成因素 在玉米生理成熟后期，每小区选择中间4行实收20 m2测产，调查测产面积内有效穗数、鲜穗质量，然后选取标准穗10穗，风干后统计每个果穗的穗粒数、百粒质量等性状，计算籽粒产量(14% 标准含水量)。
1.4 数据处理数据采用Microsoft 365进行统计处理，利用SPSS 24.0进行双因素方差分析(Two-way ANOVA)，LSD法进行差异显著性比较，采用GraphPad 9.0作图。利用R语言party包构建随机森林(Random forest)模型，建立不同种植年限下玉米产量与土壤物理性质因子之间关系。
2 结果与分析 2.1 不同种植年限与耕作方式对土壤耕层厚度与田间持水量的影响从图 1A可以看出，不同种植方式(T)、种植年限(Y)对土壤耕层厚度(TSL)和田间持水量(WHC) 均有极显著(P < 0.01) 或显著(0.01 < P < 0.05) 影响。种植2年地块，CT、NT和ST 3种种植方式处理下TSL无显著差异；而种25植4年地块，ST处理下TSL达17.55 cm，较CT提高15.46%，与NT处理差异不显著。另外，与种植2年相比，种植4年的TSL提高4.98% 且差异显著。从田间持水量比较来看(图 1B)，种植2年地块，NT、ST处理下WHC与CT处理无显著差异；而种植4年地块，ST处理WHC比CT提高30.28%，比NT略有提高但差异不显著。
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| 图 1 条耕种植对耕层厚度(A)与田间持水量(B)的影响 Fig. 1 Effect of strip tillage on the thickness of soil layers (A) and soil water holding capacity (B) |
2.2 不同种植年限与耕作方式对土壤容重和穿透阻力的影响
由表 1可知，无论种植4年还是2年地块，耕层(0~20 cm) 土壤容重(BD) 在ST、CT、NT处理下均无显著差异。对于亚耕层(20~40 cm)，种植2年地块BD在ST、CT、NT处理下无显著差异，而种植4年地块ST处理下BD较CT降低11.56%，与NT处理无显著差异。
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土壤穿透阻力(PR)比较发现，对于耕层土壤，种植2年地块与种植4年无显著差异。而不同种植方式比较，ST处理较CT处理增加49.82%，比NT降低9.67%；对于亚耕层土壤，种植4年地块PR比种植2年地块平均降低2.45%，而不同种植方式下ST处理比CT平均降低12.43%，与NT无显著差异。
2.3 不同种植年限与耕作方式对土壤孔隙度的影响土壤孔隙度(SP)显著受种植年限(Y)以及种植年限与耕作方式交互作用(Y×T)的影响(图 2)。与种植2年地块相比，种植4年地块的耕层与亚耕层SP分别降低6.45% 与2.79%。不同种植方式比较，种植2年地块，耕层土壤在3种种植方式处理下SP无显著差异；而对于种植4年地块，ST处理SP较CT处理增加11.18%，与NT处理无差异；种植2年和4年地块，ST处理下的耕层与亚耕层SP较CT分别增加7.28% 与15.92%，与NT差异不明显。
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| 图 2 条耕种植对耕层(A)与亚耕层(B)土壤孔隙度的影响 Fig. 2 Effect of strip tillage on the soil porosity of plough soil layer (A) and sub-plough soil layer (B) |
2.4 不同种植年限与耕作方式对玉米产量、产量构成因素的影响
不同种植年限与耕作方式对玉米产量、产量构成因素的影响如表 2所示。从产量来看，种植4年地块玉米籽粒产量显著高于种植2年地块。不同耕作方式下，ST处理下种植2年地块玉米产量较CT提高3.62%，而NT与CT处理无显著差异；种植4年地块，ST较CT与NT处理分别提高16.08% 与9.29%。从产量构成因素分析，种植2年和4年地块，ST处理下有效穗数比CT、NT分别增加13.29%、10.49%；有效穗长与穗粒数表现一致，均表现为种植2年地块CT显著高于NT与ST处理，而种植4年地块3种处理间无显著差异；从百粒质量比较来看，种植2年地块ST显著高于NT，而与CT无差异，而种植4年地块3种处理间无显著差异。
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2.5 玉米产量与土壤物理性状关系
利用随机森林模型对不同种植年限下影响玉米产量的土壤理化性质等影响因子的重要性进行排序，结果(图 3)表明，不同种植年限下影响玉米产量的重要因素有明显的差异。种植2年地块，TSL是影响玉米产量的最重要因子，其次为20~40 cm土壤穿透阻力(PR)和土壤孔隙度(SP)，而对于种植4年地块，0~20 cm土壤穿透阻力是影响玉米产量的最重要因子，其次是田间持水量(WHC)与土壤容重(BD)。
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| 图 3 种植2年(A)与种植4年(B)地块影响玉米产量的土壤物理性质重要性排序 Fig. 3 Importance ranking of soil physical properties affecting maize yield by cultivated for 2-years (A)and 4-years (B) |
3 讨论
耕层是作物根系主要活动层，耕层厚度与作物稳产和高产性密切相关[20]，也是评价农田耕地质量的重要指标[21]。一般而言，农田耕层厚度受耕作方式和耕作年限影响较大[22]，本研究表明种植2年地块，ST、NT与CT处理之间耕层厚度无显著差异，而种植4年地块，ST处理下耕层厚度较CT处理提高25.46%，这是因为在ST处理模式下通过连续苗期深松处理，能有效打破犁底层[23]，从而增加有效耕层厚度。研究表明，与单一耕作相比，秸秆还田能有效增加土壤耕层厚度，这也是NT、ST处理在秸秆还田与苗期深松作用交互处理下耕层厚度明显增加[24]。通常而言，多年保护性耕作有利于提高耕层土壤田间持水量，ST、NT处理下种植4年地块耕层田间持水量比CT提高30.28%，这与焦帅等[24]、杨建君等[23] 的研究结果一致。在少免耕保护性耕作条件下，减少土壤扰动有利于耕层土壤水稳性大团聚体结构的改善[26]，同时秸秆还田被微生物分解后形成的有机物质[27]，能显著促进团聚体形成[8]，在二者共同作用下使得薄层黑土田间持水量的提高。
关于免少耕对土壤紧实度的影响还存在较大争议[28]，这主要与耕作年限以及种植规模和习惯密切相关[27]。在短期免耕种植条件下，特别是黏重黑土区，由于田间机械作业压实和黏重土壤颗粒沉积作用[29]，往往导致表层黑土容重增加[25]。然而本研究发现，ST、NT与CT 3种耕作方式下0~20 cm土壤容重并无显著差异，这可能是因为ST与NT处理下苗期深松对改善表层土壤紧实度有显著作用[30]；此外，也有研究表明免、少耕保护性耕作与传统垄作相比在苗期土壤容重差异较大，而随时间推迟差异越来越小[25]，这可能是本研究ST、NT与CT处理下收获期0~20 cm深度土壤容重无差异的主要原因。而对于20~40 cm亚耕层土壤，ST、NT处理下种植4年地块土壤容重较CT降低11.56%，这可能是由于多年保护性耕作提高了深层土壤中蚯蚓等土壤动物的数量[26]，从而有利于改善土壤紧实度，降低土壤容重[8]。土壤穿透阻力一般与土壤容重呈正相关，土壤穿透阻力除了受土壤紧实度影响外[31]，还受土壤质地的影响[27]，这可能是ST和NT处理下薄层黏重黑土穿透阻力增加的主要原因。本研究还发现，ST和NT处理下种植4年地块较种植2年地块土壤穿透阻力有下降趋势，这在一定程度上表明长期保护性耕作对改善土壤穿透性能[9] 具有积极意义[32]。保护性耕作对改善土壤孔隙度具有重要作用，本研究也证实种植4年地块ST处理下0~20 cm与20~40 cm土壤孔隙度较CT分别增加7.28% 与15.92%，这主要得益于保护性耕作条件下减少土壤扰动和秸秆还田显著增加了土壤有机质和土壤动物活动[33]。
保护性耕作对提高土壤生态功能的作用无需置疑，但是对于作物产量的影响存在较大争议。在高纬度地区秸秆覆盖还田条件下，播种机作业性能[34] 以及播种期低温[35] 是导致免耕种植减产的主要原因。本研究证实，ST处理较CT、NT处理产量分别提高13.29%、10.49%，而ST处理下玉米产量提升主要得益于单位面积有效穗数的增加，这与程志鹏等[36] 的研究结果一致。随机森林模型分析结果进一步说明，不同种植年限下土壤物理性质差异也与玉米产量密切相关[37]。因次，从耕作措施来看，提高土壤结构质量是提高作物产量潜力的重要途径。
4 结论不同种植年限与耕作方式对松辽平原南部薄层黑土农田土壤物理性质与玉米产量均有不同程度的影响。与常规垄作以及免耕相比，随种植年限增加，条耕增产效果更佳明显，条耕种植2年与4年处理比CT分别增产3.62% 与16.08%，仅种植4年处理下ST比NT增产9.29%。从产量构成因素分析来看，ST处理下单位面积有效穗数较其他处理增加10.49%~13.29%，是玉米增产主要原因。3种耕作方式下，ST处理耕层厚度和田间持水量与CT相比显著提高，与NT相比无明显差异；同时，种植2年地块3种耕作方式下土壤耕层厚度和耕层田间持水量亦无显著差异。与CT相比，ST处理增加了0~20 cm土壤穿透阻力，却降低了20~40 cm土壤穿透阻力，与此同时提高了20~40 cm土壤孔隙度。随机森林模型结果进一步表明，耕层厚度和耕层穿透阻力分别是连续种植2年与种植4年条件下影响玉米产量的主要因子。
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(责任编辑 陈丽娥)