趙東波 高建勝 郭良海 郭建軍 崔慧妮 郭智慧

摘? ? 要：為促進(jìn)黃淮海冬小麥-夏玉米一年兩熟區(qū)高質(zhì)量農(nóng)田可持續(xù)發(fā)展，2018—2021年，采取裂區(qū)設(shè)計(jì)，冬小麥播種前旋耕（A）、深松（B）、深翻（C）作為主處理，夏玉米播種前免耕（X）、滅茬（Y）和旋耕（Z）作為副處理，對(duì)周年不同耕作模式與耕層土壤特征、夏玉米產(chǎn)量及穩(wěn)定性的關(guān)系進(jìn)行了系統(tǒng)研究。結(jié)果表明：小麥季深松或深翻與玉米季直接播種或滅茬播種結(jié)合的周年輪作（B-X、B-Y、C-X、C-Y），能有效的增加土壤含水量，降低土壤容重和堅(jiān)實(shí)度，達(dá)到改善耕層土壤特性，有助于維持優(yōu)良土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，在黃淮海一年兩熟區(qū)要優(yōu)于其它周年耕作模式;且夏玉米產(chǎn)量穩(wěn)定，其中C-Y耕作模式比A-Z增產(chǎn)18.6%。小麥季播種前深松或深翻與玉米季播種前免耕或滅茬組成的周年耕作模式，是黃淮海區(qū)域值得推廣的周年耕作管理方式。

關(guān)鍵詞：周年耕作模式;冬小麥-夏玉米輪作區(qū);土壤特性;產(chǎn)量

中圖分類號(hào)：S513; S344? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? DOI 編碼：10.3969/j.issn.1006-6500.2022.05.005

Effects of Annual Tillage Patterns on Soil Properties and Yield of Summer Maize

ZHAO Dongbo， GAO Jiansheng， GUO Lianghai， GUO Jianjun， CUI Huini， GUO Zhihui

（Dezhou Academy of Agricultural Science， Dezhou， Shandong 253015， China）

Abstract： In order to promote the sustainable development of high-quality farmland in the double cropping area of winter wheat and summer maize in Huang-Huai-Hai Region， a split-zone design was adopted from 2018 to 2021， with rotary tillage （A）， deep loosening （B）， and deep tillage （C） before sowing of winter wheat as the main treatments， and no-tillage （X）， stubble removal （Y）， and rotary tillage（Z） before sowing of summer maize as the sub-treatments， to systematically study the effects of different tillage patterns on soil characteristics of the tillage layer， summer maize yield and stability. The results showed that the annual crop rotation（B-X， B-Y， C-X， C-Y） combining deep loosening or deep tillage in wheat season with direct seeding or stubble sowing in maize season could effectively increase soil water content， reduce soil bulk and firmness， improve soil characteristics of the tillage layer， and help maintain the stability of good soil structure， which was better than other annual tillage patterns in the double cropping area of the Huang-Huai-Hai Plain， with stable summer maize yield. Among them， the C-Y tillage pattern increased maize yield by 18.6% compared with A-Z combination. The annual tillage mode composed of deep loosening or deep tillage before sowing in wheat season and no tillage or stubble before sowing in maize season is a recommended annual tillage management mode in the Huang-Huai-Hai Plain of China.

Key words： annual tillage patterns; winter wheat-summer maize rotation system; soil characteristics; yield

玉米已經(jīng)發(fā)展成為我國(guó)最重要的糧食、飼料、工業(yè)原料作物，在保障中國(guó)乃至世界糧食安全方面占有極其重要地位[1]。2020年全國(guó)玉米播種面積4 126.4萬hm2[2]，玉米產(chǎn)量26 066.5萬t[3]，占到糧食總產(chǎn)量的38.93%，面積、總產(chǎn)量均居三大主糧作物之首。華北平原作為我國(guó)三大糧食主產(chǎn)區(qū)之一，農(nóng)作物的播種面積和糧食產(chǎn)量約占全國(guó)的31%和36%[4]。以免耕與秸稈覆蓋相結(jié)合的保護(hù)性耕作措施，在改善土壤理化特征方面已經(jīng)得到驗(yàn)證[5]。然而近二十年來，黃淮海冬小麥-夏玉米輪作區(qū)，普遍采用小麥季“玉米秸稈粉碎還田旋耕后播種小麥”，玉米季“小麥秸稈覆蓋還田免耕直接播種玉米”，長(zhǎng)期以此周年輪作，導(dǎo)致耕層普遍變淺，土壤退化，已經(jīng)影響到輪作作物生產(chǎn)的可持續(xù)性。前人在不同生態(tài)區(qū)針對(duì)耕作模式與土壤特性、微生態(tài)環(huán)境、玉米生長(zhǎng)發(fā)育等方面開展了大量研究，發(fā)現(xiàn)不同農(nóng)業(yè)管理方式、氣候和地理區(qū)域條件下應(yīng)用保護(hù)性耕作措施對(duì)玉米產(chǎn)量的影響存在差異[6]。深松可以有效增加玉米耕層厚度，降低中下層土壤容重和緊實(shí)度，改善根系發(fā)育，提高玉米產(chǎn)量[7-10]。為此，基于長(zhǎng)期的耕作定位試驗(yàn)，在本研究所此前關(guān)于“播種方式對(duì)夏玉米農(nóng)藝性狀及產(chǎn)量的影響”基礎(chǔ)上[11]，開展小麥季旋耕、深松、深翻與玉米季免耕、滅茬、旋耕結(jié)合的周年耕作模式的試驗(yàn)研究，分析了周年不同耕作模式對(duì)土壤特征、夏玉米產(chǎn)量及穩(wěn)定性的影響，為黃淮海農(nóng)田高質(zhì)量可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)區(qū)位于山東省德州市德城區(qū)黃河涯鎮(zhèn)（116.346 7 E，37.360 0 N），年平均氣溫14.9 ℃，2019—2021年平均降水量657.9 mm（圖1），屬于中緯度暖溫帶大陸性氣候，典型的黃淮海冬小麥-夏玉米輪作區(qū)。試驗(yàn)區(qū)略帶黏性的砂質(zhì)土壤為主，此前長(zhǎng)期采用小麥季滅茬旋耕播種，玉米季免耕直接播種，兩季秸稈全量還田。試驗(yàn)地0～20 cm土層基礎(chǔ)理化性狀如表1所示。1.2 試驗(yàn)處理

2018—2021年，試驗(yàn)采取裂區(qū)設(shè)計(jì)，設(shè)置3個(gè)主處理（小麥播種前）：（A）旋耕。夏玉米收獲后，玉米秸稈粉碎，全量均勻還田，用旋耕犁（1GKNB-420型變速）旋耕2遍，粉碎的玉米秸稈與表層土壤（0～10 cm）混合，然后播種冬小麥;（B）深松。夏玉米秸稈粉碎后深松犁深松30～35 cm，再旋耕1遍，玉米秸稈主要分布于0～10 cm土壤;（C）深翻。夏玉米秸稈粉碎后用深耕犁（1L-435）深翻1遍，深度為25～30 cm，旋耕1遍，粉碎的玉米秸稈分布于0～30 cm土壤。設(shè)置3個(gè)副處理（玉米播種前）：（X）免耕。小麥?zhǔn)斋@后直接玉米播種，秸稈全部還田;（Y）滅茬。小麥?zhǔn)斋@后滅茬，小麥秸稈均勻覆蓋在土壤表面，然后播種玉米;（Z）旋耕。小麥?zhǔn)斋@后，直接旋耕2遍，粉碎的小麥秸稈與表層土壤（0～10 cm）混合。共9種處理，依次為A-X、A-Y、A-Z、B-X、B-Y、B-Z、C-X、C-Y、C-Z。試驗(yàn)小區(qū)面積12 m×20 m = 240 m2，每個(gè)處理3個(gè)重復(fù)。第1年隨機(jī)區(qū)組排列，以后固定位置。

1.3 試驗(yàn)管理

采用黃淮海傳統(tǒng)的冬小麥-夏玉米一年兩熟輪作模式，小麥季種植‘濟(jì)麥22并統(tǒng)一管理，不作調(diào)查。玉米季選用當(dāng)?shù)刂鬏d品種‘登海605，6月中旬播種（見表2），播種次日灌水，種植密度設(shè)定為75 000株·hm-2，行距60 cm。玉米播種前基施復(fù)合肥（N∶P2O5∶ K2O=15∶ 15∶ 15，總養(yǎng)分≥45%）300 kg·hm-2。試驗(yàn)周年輪作過程中，小麥和玉米的施肥、灌水、病蟲害防治等管理方式均相同，僅在耕作方式上有差異。

1.4 參數(shù)測(cè)定及計(jì)算方法

土壤含水量：玉米播種期、拔節(jié)期、開花期與成熟期，采用土鉆法分別取0～20，20～40，40～60，60～80，80～100 cm，5個(gè)土壤層，用烘干法測(cè)定土壤含水量。

土壤容重：玉米播種期、拔節(jié)期、開花期與成熟期，用環(huán)刀法分別取0～15，15～25，25～35 cm，3個(gè)土壤層，土樣轉(zhuǎn)移到鋁盒中，在105 ℃下烘24 h稱重，計(jì)算單位體積中烘干土的質(zhì)量，計(jì)算土壤容重（土壤容重=烘干土樣質(zhì)量 / 環(huán)刀容積）。

土壤堅(jiān)實(shí)度：玉米播種期、拔節(jié)期、開花期與成熟期，使用土壤硬度計(jì)（TYD-2型，浙江托普儀器有限公司生產(chǎn)）測(cè)定15，25，35 cm深度的土壤堅(jiān)實(shí)度。

夏玉米產(chǎn)量測(cè)定和考種：人工收獲各小區(qū)中間2行的果穗，脫粒曬干后測(cè)含水量和產(chǎn)量，按14%標(biāo)準(zhǔn)含水量折算小區(qū)產(chǎn)量，計(jì)算玉米單產(chǎn)。每小區(qū)連續(xù)選擇20個(gè)果穗進(jìn)行考種，考種項(xiàng)目包含穗粒數(shù)、單穗重、千粒重等。

1.5 氣象數(shù)據(jù)

試驗(yàn)區(qū)氣象數(shù)據(jù)來自德州國(guó)家氣象觀測(cè)站。

1.6 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Microsoft Excel 2019進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和作圖;IBM SPSS Statistics 26軟件統(tǒng)計(jì)和分析數(shù)據(jù)，采用單因素（one-way ANOVA）和Duncans法進(jìn)行方差分析和多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)期間氣象條件

2019—2021年試驗(yàn)區(qū)氣象條件存在較大差異。圖1為2019—2021試驗(yàn)區(qū)夏玉米生育期主要的氣象因素。生育期所需積溫和日均氣溫差別不大，2020年生育期積溫最少;2021年最多，比2020年增加6.01%。2021年因?yàn)?月下旬和10月上旬降雨導(dǎo)致玉米收獲推遲4～5 d，計(jì)算的積溫高于實(shí)際生產(chǎn)需求。年降雨量和生育期內(nèi)降雨量年際之間差別較大，2019年全年降雨僅為404.4 mm，而2021年7月降雨量就達(dá)到400.0 mm，全年降雨量是2019年的2.5倍。生育期內(nèi)總?cè)照諘r(shí)長(zhǎng)和日均日照時(shí)長(zhǎng)年際差別較大，2021年比2019年分別降低了20.6%，24.3%。

2.2 周年不同耕作模式對(duì)土壤含水量的影響

由圖1和圖2可以看出，不同年份間降水量差別很大，但試驗(yàn)區(qū)位于引黃灌溉區(qū)，土壤含水量年際間無顯著差異。不同時(shí)期，周年不同耕作模式對(duì)土壤各層含水量的影響差異明顯。周年耕作模式A-X、A-Y和A-Z土壤含水量低于周年耕作模式B-X、B-Y、B-Z、C-X、C-Y、C-Z對(duì)應(yīng)的土壤層含水量。尤其開花期到成熟期，B-X、B-Y、B-Z、C-X、C-Y、C-Z耕作模式對(duì)應(yīng)的各土壤層平均含水量均高于A-X、A-Y和A-Z各土壤層的平均含水量。耕作模式B-X、B-Y、B-Z和C-X、C-Y、C-Z對(duì)土壤含水量的影響無明顯差異。小麥播種前耕作模式B和C的各土壤層含水量均明顯大于A，五個(gè)土壤層含水量B分別比A高8.99%，11.88%，18.43%，8.02%，2.59%，C分別比A高8.99%，11.56%，15.95%，8.23%，3.00%;土壤含水量隨著土壤深度增加差異逐漸變大，在60 cm深度時(shí)差異達(dá)到最大，然后差異逐漸變小。玉米季Z耕作模式的土壤含水量在土壤深度20，40，60，100 cm時(shí)均明顯大于Y和X。

2.3 周年不同耕作模式對(duì)土壤容重的影響

由表3可以看出，隨著土壤深度增加，土壤容重明顯增加;2019—2021年份間各層土壤容重?zé)o明顯差異。小麥播種前B和C耕作模式的土壤容重明顯低于A耕作模式的土壤容重;玉米播種前Z耕作模式土壤深度0～25 cm時(shí)的容重明顯低于X和Y耕作模式的土壤容重，在土壤深度25～35 cm時(shí)容重差異不明顯。對(duì)比周年不同耕作模式平均土壤容重可以發(fā)現(xiàn)，B-Z和C-Z最低，但與其他耕作模式各生育期對(duì)應(yīng)的土壤容重差值小。

2.4 周年不同耕作模式對(duì)土壤堅(jiān)實(shí)度的影響

由表4可以看出，隨著土壤深度增加，土壤堅(jiān)實(shí)度明顯增加;隨著玉米生長(zhǎng)發(fā)育，播種期、拔節(jié)期、開花期、成熟期對(duì)應(yīng)的土壤堅(jiān)實(shí)度也逐漸增加;2019—2021年，年份間平均土壤堅(jiān)實(shí)度有所降低。小麥播種前的耕作方式其平均土壤堅(jiān)實(shí)度B

2.5 周年不同耕作模式對(duì)夏玉米產(chǎn)量及穩(wěn)定性的影響

由表5可以看出，周年不同耕作模式對(duì)應(yīng)的夏玉米產(chǎn)量，2020年平均產(chǎn)量比2019年增產(chǎn)1.52%，2021年比2020年減產(chǎn)2.01%，產(chǎn)量差異不顯著。小麥季播種前B和C耕作模式對(duì)應(yīng)的夏玉米產(chǎn)量顯著高于A耕作模式對(duì)應(yīng)的產(chǎn)量，分別增產(chǎn)7.5%，7.6%。玉米季播種前X和Y耕作模式對(duì)應(yīng)的夏玉米產(chǎn)量顯著高于Z耕作模式對(duì)應(yīng)的產(chǎn)量，分別增產(chǎn)9.4%，9.8%。穗粒數(shù)、單穗重、千粒重呈現(xiàn)與產(chǎn)量相同的規(guī)律，2019—2021年份間差異不顯著，小麥季播種前B和C耕作模式顯著高于A耕作模式，玉米季播種前X和Y耕作模式顯著高于Z耕作模式。裂區(qū)試驗(yàn)設(shè)計(jì)9種周年耕作模式，其中B-X、B-Y、C-X、C-Y耕作模式，夏玉米平均產(chǎn)量最高，這4種耕作模式間無顯著差異，平均畝產(chǎn)顯著高于其它5種耕作模式，C-Y與A-Z的差異最大，C-Y比A-Z增產(chǎn)18.6%。穗粒數(shù)、單穗重和千粒重都是產(chǎn)量的重要構(gòu)成要素，表現(xiàn)出與夏玉米單位產(chǎn)量相同的規(guī)律。

小麥季播種前深松或深翻與玉米季播種前免耕或滅茬組成的周年耕作模式，在黃淮海一年兩熟區(qū)要優(yōu)于其它周年耕作模式。小麥季深翻玉米季滅茬（C-Y）最好，但與其它3種周年耕作模式（B-X、B-Y、C-X）沒有達(dá)到統(tǒng)計(jì)學(xué)上的顯著差異。

3 結(jié)論與討論

優(yōu)良的土壤結(jié)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)作物高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的基礎(chǔ)，耕作措施能夠直接作用于土壤，改變土壤結(jié)構(gòu)，創(chuàng)造良好的耕層環(huán)境，從而促進(jìn)作物生長(zhǎng)[12]。華北平原作為我國(guó)糧食主產(chǎn)區(qū)，目前普遍采用小麥季播種前旋耕整地，玉米季免耕播種的栽培措施。長(zhǎng)期旋耕、少耕的耕作模式，造成耕層變淺，犁底層上升，耕層土壤結(jié)構(gòu)性變差，進(jìn)而導(dǎo)致作物產(chǎn)量降低[13-14]。研究結(jié)果表明，小麥季深翻或深松與玉米季直接播種或滅茬播種結(jié)合的周年輪作（B-X、B-Y、C-X、C-Y），能有效地增加土壤含水量，降低土壤容重和堅(jiān)實(shí)度，達(dá)到改善耕層土壤特性，有助于維持優(yōu)良土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。趙亞麗等[8]研究發(fā)現(xiàn)，在河南省溫縣小麥季播種前設(shè)置耕作方式，深耕和深松可以有效降低土壤容重，提高土壤含水量，改善耕層土壤水分條件，提高作物干物質(zhì)積累能力。毛紅玲等[9]研究表明，免耕和深松與傳統(tǒng)耕作相比，蓄水保墑作用更明顯，2年平均土壤含水量比傳統(tǒng)耕作分別增加6.72%，5.24%。趙萍等[10]研究發(fā)現(xiàn)，秋季深耕打破犁底層，降低土壤容重，增加了土壤孔隙。

研究結(jié)果表明，小麥播種前深松或深翻與玉米播種前免耕或滅茬組成的周年耕作模式，在黃淮海一年兩熟區(qū)要優(yōu)于其它周年耕作模式。其中小麥季深翻玉米季滅茬的周年耕作模式最好，比小麥季旋耕玉米季免耕直接播種的夏玉米增產(chǎn)18.6%。這與此前研究結(jié)果基本一致，郭良海等[11]研究表明，夏季旋耕播種的土壤含水量比免耕播種和滅茬播種高，土壤容重和堅(jiān)實(shí)度也較低，但由于大量小麥秸稈的存在，導(dǎo)致耕作層松軟、孔隙過大，因此不利于玉米的播種出苗，導(dǎo)致玉米苗勢(shì)較弱，影響了后期的生長(zhǎng)發(fā)育，最終影響玉米的產(chǎn)量。張麗華等[15]研究發(fā)現(xiàn)，小麥播種前采取深翻或深松比旋耕，次年玉米產(chǎn)量分別增加8.36%，14.35%。李景等[16]研究表明，長(zhǎng)期免耕和深松提高了土壤團(tuán)聚體顆粒態(tài)有機(jī)碳及全氮含量，支持了夏玉米播種前旋耕等翻動(dòng)土壤的耕作模式對(duì)于土壤耕層結(jié)構(gòu)具有破壞作用，成為降低夏玉米產(chǎn)量的一個(gè)因素。周年耕作模式與土壤、氣候等環(huán)境因素共同影響作物的產(chǎn)量[17]。小麥播種前深松或深翻與玉米播種前免耕或滅茬組成的周年耕作模式，在黃淮海一年兩熟區(qū)要優(yōu)于其它周年耕作模式，有望帶動(dòng)德州市糧食大面積均衡增產(chǎn)，助力德州市噸半糧生產(chǎn)能力建設(shè)[18]。

綜上所述，針對(duì)黃淮海冬小麥-夏玉米一年兩熟區(qū)，長(zhǎng)期采用冬小麥播種前旋耕夏玉米播種前免耕的周年耕作模式不利于夏玉米高產(chǎn)和穩(wěn)產(chǎn);小麥季播種前深松或深翻與玉米季播種前免耕或滅茬組成的周年耕作模式，要優(yōu)于其它周年耕作模式，是黃淮海區(qū)域值得推薦的周年耕作管理方式。

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