深松和秸秆还田对甘肃引黄灌区土壤物理性状和玉米生产的影响

通过在甘肃引黄灌区灰钙土2015—2017年的田间试验,研究深松35 cm秸秆还田、深松35 cm秸秆不还田与传统旋耕秸秆不还田对土壤紧实度、容重、入渗率和0～100 cm土层土壤水分、玉米产量、养分吸收量的影响.结果表明: 与深松35 cm秸秆不还田及旋耕秸秆不还田相比,深松35 cm秸秆还田使0～40 cm土层土壤紧实度和容重降低最明显,2017年收获后紧实度与容重较2015年试验前分别下降42.6%、7.0%,且2016和2017年播种前与收获后0～40 cm土层紧实度和容重的变幅最小,紧实度变异系数平均为6.1%,容重为3.2%,土壤入渗率较旋耕秸秆不还田提高33.6%;深松35 cm秸秆还田可显著提高春秋两季0～100 cm土层剖面含水量,降低剖面水分变异,0～100 cm土层土壤贮水量较旋耕秸秆不还田春季增加15.5%,秋季增加5.6%,水分利用效率提高32.4%;此外,深松35 cm秸秆还田能促进玉米生产,较旋耕秸秆不还田的经济产量两年平均分别增产25.6%,生物产量提升33.3%,玉米氮、磷、钾养分吸收量分别提高49.6%、51.5%和37.6%.综上,深松35 cm秸秆还田能改善物理土壤特性,稳定耕层物理性状,提高0～100 cm土层剖面水分含量及春秋两季土壤平均贮水量,降低水分变异,是促进玉米水肥高效利用,实现高产的最优措施,为甘肃引黄灌区耕层构建技术的深入研究提供理论依据.     

轮耕对关中一年两熟区土壤物理性状和冬小麦根系生长的影响

针对关中地区土壤连续单一耕作存在的主要问题,进行了土壤轮耕效应研究。2009年至2012年在关中一年两熟区采用连续4a旋耕(RT)、翻耕-免耕-翻耕-免耕(PNT)和深松-免耕-深松-免耕(SNT)3种耕作处理,对土壤容重、紧实度及小麦根系生长进行了研究。结果表明,与试验前相比,夏玉米收获后(2013年10月)两种轮耕处理显著(P0.05)降低了0—10、10—20 cm土壤容重,旋耕处理在0—10 cm处差异不显著,而10—20 cm土壤容重显著增大;与旋耕处理相比,两种轮耕处理0—10、10—20 cm土壤容重在第4季冬小麦整个生育期内变异系数较小,土壤紧实度较低,且改善效果在冬小麦生育中后期10—20 cm土层体现更为显著;旋耕处理0—10、10—20 cm土壤紧实度与含水量均呈显著负相关,相关系数分别为-0.89、-0.85,两种轮耕处理相关性不显著;0—40 cm土层根重密度和根系活力表现为:两种轮耕处理连年旋耕。可见,长期旋耕后进行轮耕(免耕与翻耕、深松)有利于改善土壤物理状况,促进作物根系生长。     

耕作深度对蔗地土壤物理性状及甘蔗产量的影响

探讨蔗地机械化耕作深度对耕层土壤物理性状及甘蔗产量构成因子的影响,阐明深松作业的针对性土壤区位和障碍因子,可为甘蔗良好耕层的构建和土壤改良策略的制定提供科学依据.本研究设置3种深松作业深度(35、40和45 cm),以不深松为对照,对蔗地土壤物理性状(紧实度、容重、含水率、孔隙度、三相容积率)和甘蔗产量构成因素及蔗茎产量等指标进行研究.结果表明: 耕作作业深度与蔗地土壤结构特性及甘蔗产量的改善提升效应呈显著正相关.深松能够打破犁底层,显著降低土壤紧实度和容重,减小机械作业相应的贯入阻力和抗剪强度,尤其对20～30 cm土层的上述因子具有显著改善效应,对甘蔗高产意义重大.深松显著提高了30 cm以内土层的液相容积率,增大了土壤水分库容,使10～30 cm土层的水分指标显著改善.10～30 cm土层是深松对耕层土壤固相容积率改善效应最显著的区位.耕作深度的增加对甘蔗有效茎数、株高、蔗茎产量及蔗糖含量具有显著的促进效应.鉴于蔗区当前较普遍的机具装备水平,我国适宜蔗区实施机械化深松的作业深度标准应不小于40 cm.     

保护性耕作对农田土壤水分和冬小麦产量的影响

保护性耕作是提高土壤蓄水保墒能力并增加作物产量的重要农艺措施之一.基于河南省长期定位试验2011-2016年数据,分析不同耕作措施(传统耕作、免耕和深松处理)对土壤水分、作物产量和水分利用效率的影响.结果表明: 2011-2016年免耕和深松耕作处理下冬小麦拔节期平均相对保墒率分别为7.3%和-0.68%,且免耕较传统耕作显著提高了冬小麦拔节期0～60 cm土壤贮水量.与传统耕作相比,免耕提高了冬小麦拔节期、扬花期、灌浆期和成熟期0～100 cm土壤平均含水量,而深松耕作并未明显提高冬小麦拔节期土壤平均含水量.此外,免耕较传统耕作能够显著提高冬小麦产量和水分利用效率,尤其在较干旱年份其增产效果更优.因此,免耕的蓄水保墒及增产效果在较干旱年份明显优于深松耕作.     

机械化保护性耕作条件下土壤质量的数值化评价

通过9年的长期田间定位试验研究了陕西关中平原中部冬小麦 夏玉米轮作条件下深松耕（ST）、旋耕（RT）、秸秆还（SR）、免耕（NTS）等保护性耕作措施及传统耕作（TT）对土壤理化性状和作物产量的影响,并采用主成分分析方法进行土壤质量的综合评价.结果表明：与传统耕作相比,保护性耕作模式提高了土壤肥力质量,改善了土壤物理环境条件;显著提高了土壤脲酶和碱性磷酸酶的活性;除秸秆覆盖免耕处理的玉米和小麦产量低于传统耕作外,其他保护性耕作措施均不同程度地提高了作物产量,其中小麦增产13%～28%,玉米增产3%～12%.与传统耕作相比,保护性耕作土壤质量指数提高了19.8%～44.0%.综合考虑经济效应和生态效益,隔年深松、秸秆粉碎联合旋耕作业以及秸秆覆盖联合深松作业不仅能增加作物产量还可改善土壤质量,可在研究区进行推广应用.     

保护性耕作和杂草管理对冬小麦农田土壤水分及有机碳的影响

在秸秆全量还田的试验田中(从2004年起),于2008-2009年及2009-2010年冬小麦生育期间,研究了不同耕作措施(旋耕、耙耕、免耕、深松和常规耕作)和杂草管理对冬小麦田土壤水分及有机碳的影响.结果表明:在未除草条件下,免耕、深松的杂草总密度显著提高;而在除草条件下,杂草密度显著下降.小麦从拔节期到灌浆期0～60 cm土层水分含量呈明显波动变化,田间保留一定量的杂草可增加不同耕作方式0～20 cm的土壤水分含量,表现出一定的土壤水分保持效应.保留杂草仅提高了拔节期0～20 cm土层的土壤有机碳含量;而在抽穗期和灌浆期,0～20、20～40和40～60 cm土层有机碳含量均低于去除杂草处理.去除杂草条件下,深松显著提高了冬小麦籽粒产量;保留杂草条件下,旋耕的籽粒产量最高,常规耕作产量最低.     

不同耕作措施对冬小麦-夏玉米复种连作系统土壤有机碳和水分利用效率的影响

在连续8年田间定位试验的基础上,分析了关中平原冬小麦 夏玉米复种连作系统2008—2009年连续两个生长季期间不同耕作措施(结合秸秆还田和不还田)对土壤有机碳和水分利用率的影响.结果表明: 相对于传统耕作,保护性耕作有利于土壤有机碳、水分利用效率和作物产量的提高,其中在“深松+秸秆还田”耕作模式下的增幅最高,土壤有机碳含量在0～30 cm土层增幅达到19.5%,水分利用效率和作物产量提高了16.9%和20.5%,而免耕模式则有效提高了0～10 cm土层有机碳含量.在该地区土壤和气候条件下,深松结合秸秆粉碎还田是最理想的耕作模式,最有利于土壤有机碳累积,并提高水分利用效率和作物产量.     

耕作方式转变对小麦/玉米两熟农田土壤固碳能力的影响

采用大田试验、室内分析与生产调研相结合的方法,研究了耕作方式对农田生态系统固碳能力的影响.结果表明：少、免耕以及秸秆还田等保护性耕作措施有利于土壤有机碳的累积;免耕秸秆还田（NTS）方式0～5 cm土层土壤有机碳累积量比传统耕作（CTA）方式高18.0%,旋耕秸秆还田（RTS）0～5和5～10 cm土层比CTA分别高17.6%和25.0%,而翻耕秸秆还田（CTS）方式10～30 cm土层土壤总有机碳累积量比CTA高31.8%;CTA转变为NTS后,源于农田投入的碳排放减少了54.3 kg·hm^-2·a^-1,而转变为CTS、RTS后,分别增加了46.9 kg·hm^-2·a^-1和34.4 kg·hm^-2·a^-1;综合土壤碳累积与农田投入碳排放可知,传统耕作转变为保护性耕作方式后可实现由“碳源”向“碳汇”的转变,而CTS、RTS、NTS 3种耕作方式中以RTS的固碳能力最强,达1011.1 kg·hm^-2·a^-1.     

渭北高原典型黑垆土区土壤物理性状及其对小麦产量的影响

2015年在调查渭北高原黑垆土施肥量、产量和土壤性状(紧实度)的基础上,确定了61块冬小麦田为研究对象,分层采集0～50 cm土壤样品,研究了土壤紧实度、容重、水稳性团聚体的变异规律及其与小麦产量、化肥偏生产力的偏相关关系.结果表明: 0～50 cm土层土壤紧实度和水稳性团聚体具有弱变异特征,变异系数分别为9.9%、4.9%;容重具有中等变异特征,变异系数为27.5%.小麦产量、化肥偏生产力与0～50 cm土壤紧实度均呈极显著负相关,其中与0～10、10～20和20～35 cm土层相关性状的关系更密切.小麦产量与土壤紧实度、容重、>0.25 mm水稳性团聚体含量、有机质的多元回归分析表明,产量最终取决于土壤紧实度和有机质两个关键因素.因此,提高土壤有机质含量,降低表层(0～20 cm)和犁底层(20～35 cm)土壤紧实度是提高渭北高原黑垆土区小麦产量的关键.     

耕作方式及施氮量对砂姜黑土区小麦氮代谢及籽粒产量和蛋白质含量的影响

为明确砂姜黑土区小麦(Triticum aestivum)产量和品质形成的耕作方式及施氮量最优组合, 在大田试验条件下, 以深松、旋耕和常规耕作3种耕作方式为主区, 0、120、225、330 kg·hm^-2 4个施氮量为副区, 研究了不同耕作方式及施氮量组合对小麦拔节后氮代谢、籽粒产量和蛋白质含量的影响。结果表明, 随着生育期的推进, 叶片谷氨酰胺合成酶活性、游离氨基酸含量和可溶性蛋白含量均呈先升后降的趋势, 深松方式配合中高氮处理的峰值在花后10天, 而常规耕作和旋耕的4个施氮处理以及深松的低氮处理峰值多在开花期。与常规耕作和旋耕相比, 深松耕作显著降低了10-40 cm的土壤容重, 提高了土壤总空隙度和根干质量, 有利于中后期根系氮素吸收。耕作方式和施氮量对籽粒产量和蛋白质含量影响显著, 均以深松方式最高。3种耕作方式下小麦产量和蛋白质含量均随施氮量增加而增加, 籽粒产量以深松方式配合330 kg·hm^-2施氮量最高, 而常规耕作和旋耕方式的产量在施氮量为225 kg·hm^-2时达到最大。3种耕作方式下籽粒蛋白质含量均以施氮225 kg·hm^-2最高。因此, 在砂姜黑土区宜采用深松耕作方式配合适宜的施氮量, 以改善土壤条件, 促进根系氮素吸收, 延长叶片功能期, 达到产量与蛋白品质提升之目的。     

耕作方式与施肥对陇东旱塬冬小麦-春玉米轮作农田土壤理化性质及产量的影响

以陇东黄土旱塬已进行7年的田间定位试验为基础,分析了免耕和传统耕作条件下5个施肥处理冬小麦收获期土壤水分、土壤容重（2011年）及土壤养分和产量（2005-2011年）变化,探讨了耕作方式和施肥对冬小麦-春玉米轮作农田土壤蓄水保墒效果及土壤肥力和产量的影响.结果表明： 2011年免耕条件下0～200 cm各土层土壤含水量、0～20 cm和20～40 cm土层土壤容重及土壤有机质、速效氮、速效磷含量均高于传统耕作.相同耕作条件下氮磷化肥与有机肥配施处理的土壤有机质、速效氮、速效磷含量高于其他施肥处理;不同耕作方式及施肥处理下速效钾呈逐年减少的趋势;传统翻耕处理的产量高于免耕,相同耕作条件下氮磷化肥与有机肥配施处理产量最高,不施肥对照产量最低.不同耕作方式和施肥处理的土壤蓄水保墒能力和肥力效应以免耕优于传统翻耕,产量以传统翻耕下有机无机肥配施处理最好.     

耕作播种方式对稻茬小麦根系发育、土壤水分和硝态氮含量的影响

2016—2018年,以深旋耕播种模式为对照,研究了浅旋耕播种和免耕带旋播种模式对稻茬小麦根系发育、土壤水分和硝态氮含量的影响。结果表明: 孕穗期以前免耕带旋播种和浅旋耕播种处理耕层土壤含水量高于深旋耕播种处理,而硝态氮含量低于深旋耕播种处理。拔节和开花期根重密度和根表面积密度处理间差异不显著。2016—2017年,3种耕播方式的产量和地上部分氮吸收量无显著差异;2017—2018年,免耕带旋播种和浅旋耕播种处理的产量较深旋耕播种分别增加10.9%和10.5%,地上部分氮吸收量分别增加17.5%和12.0%。与深旋耕播种和浅旋耕播种处理相比,免耕带旋播种处理播种效率高、断垄率低。综上,免耕带旋播种处理可提高稻茬小麦的播种质量,增强土壤保墒能力,降低氮淋溶风险,促进产量和环境效益的协同提升。     

粉垄耕作对耕地土壤酶活性、微生物群落结构和功能多样性的影响

粉垄耕作是中国的一种新型耕作技术,对耕地质量和作物增产有重要影响。设置传统耕作深度20 cm(CK)、粉垄耕作深度35 cm(FL1)和粉垄耕作深度50 cm(FL2)对玉米耕地进行处理,重点研究了粉垄耕作技术对土壤微生态的影响,并阐明土壤微生物群落组成及功能对粉垄耕作的响应。结果表明,FL1、FL2和CK处理玉米产量分别为8.58、8.38和6.22 t/hm~2,FL1和FL2处理增产率分别为34.7%—37.9%。在0—20、20—40 cm土层中,粉垄耕作两个处理的土壤酶活性、微生物群落多样性和功能多样性均显著高于CK处理。通过结构方程模型发现,粉垄耕作直接提高了土壤酶活性、细菌参与养分循环的功能基团和细菌的群落结构,并通过细菌群落间接影响了真菌群落,增加了真菌参与养分循环的功能基团和真菌群落多样性,使土壤微生物碳源利用的能力和功能多样性指数得到提升,以FL1效果更佳。总之,研究从微生物的角度解释了粉垄耕作对土壤微生态的影响机制,为粉垄耕作提升土壤耕地质量提供了理论依据。     

短期深旋松对黄淮海沙姜黑土耕层结构及小麦生长的影响

针对黄淮海平原由于连年旋耕所导致的犁底层加厚上移、耕层变浅的问题,引入一种全新的耕作技术——深旋松耕,以改良耕层障碍因素,提高冬小麦产量.设置深松20 cm(SS₂₀)、深旋松30 cm(DVR₃₀)两个处理,以深松20 cm为对照,研究深旋松耕作对土壤物理特性及小麦开花期光合特性的影响.结果表明: DVR₃₀处理能够充分破除犁底层,DVR₃₀处理10～20和20～30 cm土层容重分别较SS₂₀处理降低了9.5%和11.2%,DVR₃₀处理20～30 cm穿透阻力较SS₂₀处理降低了42.3%.DVR₃₀能够增强水分入渗能力,提高土壤深层贮水量.随着深度的增加,DVR₃₀处理土壤含水量显著增加,30～40和40～50 cm土层含水量分别较SS₂₀处理提高16.9%和10.6%,且差异达到显著水平,0～50 cm土壤贮水量提高3.3%.DVR₃₀处理创造了良好的耕层环境,促进了小麦开花期光合能力的提高,与SS₂₀处理相比,DVR₃₀处理小麦开花期叶片相对叶绿素含量(SPAD)及净光合速率分别提高1.3%和15.5%,小麦地上部、地下部干物质累积量亦有显著增加,同时DVR₃₀处理通过提高小麦有效穗数,提高了产量,实际增产12.4%.综上,短期深旋松耕作能够充分破除犁底层、深松活土,为构建合理耕层结构、充分挖掘耕层潜力提供了一种新的技术手段.     

保护性耕作对陇中旱作农田水分特征的影响

陇中旱农区生产力水平低而不稳,而保护性耕作措施是农业可持续发展的重要途径.本研究依托2001年建立在陇中旱农区的长期不同耕作措施的定位试验,研究了不同耕作措施对土壤水分入渗、蒸发、作物产量和水分利用效率的影响.该试验共设6个处理,分别为传统耕作(T)、免耕秸秆覆盖(NTS)、免耕(NT)、传统耕作+秸秆翻入(TS)、传统耕作+覆膜(TP)、免耕覆膜(NTP),春小麦和豌豆年间轮作.结果表明:与T处理相比, NTS处理的小麦地和豌豆地的土壤容重显著降低,总孔隙度显著增加.保护性耕作措施降低了豌豆地0～5 cm土壤渗吸率,NTS处理渗吸率比T处理降低56.2%.保护性耕作提高了土壤饱和导水率,无论小麦地和豌豆地,NTS均比T处理显著提高了饱和导水率,增幅为52.8%～107.1%.保护性耕作显著降低了作物生育期棵间蒸发量,NTP、TP、NTS比T处理降低了14.4%～50.8%,并减弱了雨后土壤蒸发.保护性耕作提高了作物产量和水分利用效率,NTS、TP、NTP的产量比传统耕作提高了9.5%～62.8%,水分利用效率比传统耕作提高了0.4%～50.9%.因此,在陇中旱农区,保护性耕作措施可以提高水分利用效率,增加作物产量.     

华北旱地覆膜春玉米田水温效应及增产限制因子

为探求覆膜栽培春玉米旱作田土壤水温变化特征及其对玉米产量和水分利用效率(WUE)的影响,设计垄作覆膜、垄作裸地、平作覆膜、平作裸地(对照)4个处理的田间试验,对春玉米田各生育时段的土壤温度、土层水分、耗水结构及玉米产量进行了监测.结果表明：自播种到抽雄的生育前期春玉米田覆膜较裸地增温1～3 ℃,土壤积温增加155.2～280.9 ℃;延长生育期约5.9～10.7 d.自播种到成苗期覆膜保水效应显著,WUE较裸地提高81.6%～136.4%.春玉米成苗到拔节期正值该区域稳定干旱期,覆膜处理土壤供水层深达80～100 cm,干旱胁迫使WUE较对照降低17.0%～21.6%,产生奢侈耗水.春玉米小喇叭口期后进入雨季,各处理土体复水,并产生过饱渗漏,最终使收获期土体水分与播期持平,贮水丰富.垄作覆膜较裸地增产9.5%;平作覆膜不利于降水入渗而导致渍水,减产5.0%;垄作裸地与平作裸地差异不显著.以雨季前气象干旱期的土壤枯水与雨季后的土壤库水为特征的春玉米田水分供求时序失衡,限制了春玉米的高产.     

Soil Tillage Management Affects Maize Grain Yield by Regulating Spatial Distribution Coordination of Roots,Soil Moisture and Nitrogen Status

The spatial distribution of the root system through the soil profile has an impact on moisture and nutrient uptake by plants, affecting growth and productivity. The spatial distribution of the roots, soil moisture, and fertility are affected by tillage practices. The combination of high soil density and the presence of a soil plow pan typically impede the growth of maize (Zea mays L.).We investigated the spatial distribution coordination of the root system, soil moisture, and N status in response to different soil tillage treatments (NT: no-tillage, RT: rotary-tillage, SS: subsoiling) and the subsequent impact on maize yield, and identify yield-increasing mechanisms and optimal soil tillage management practices. Field experiments were conducted on the Huang-Huai-Hai plain in China during 2011 and 2012. The SS and RT treatments significantly reduced soil bulk density in the top 0–20 cm layer of the soil profile, while SS significantly decreased soil bulk density in the 20–30 cm layer. Soil moisture in the 20–50 cm profile layer was significantly higher for the SS treatment compared to the RT and NT treatment. In the 0-20 cm topsoil layer, the NT treatment had higher soil moisture than the SS and RT treatments. Root length density of the SS treatment was significantly greater than density of the RT and NT treatments, as soil depth increased. Soil moisture was reduced in the soil profile where root concentration was high. SS had greater soil moisture depletion and a more concentration root system than RT and NT in deep soil. Our results suggest that the SS treatment improved the spatial distribution of root density, soil moisture and N states, thereby promoting the absorption of soil moisture and reducing N leaching via the root system in the 20–50 cm layer of the profile. Within the context of the SS treatment, a root architecture densely distributed deep into the soil profile, played a pivotal role in plants’ ability to access nutrients and water. An optimal combination of deeper deployment of roots and resource (water and N) availability was realized where the soil was prone to leaching. The correlation between the depletion of resources and distribution of patchy roots endorsed the SS tillage practice. It resulted in significantly greater post-silking biomass and grain yield compared to the RT and NT treatments, for summer maize on the Huang-Huai-Hai plain.