我国农业一直沿袭传统的以铧式犁翻耕土壤、裸露休闲耕作法。由于实行深耕细耙，破坏了土壤结构，降低了土壤的水肥含量，裸露的耕地表土也加剧了沙尘暴的肆虐，近几年频繁爆发的沙尘暴给人们敲响了警钟。首都北京作为国际化大都市，为治理大气污染，积极采取措施，其中实行的保护性耕作技术是治理裸露农田的重要措施之一。保护性耕作技术是一项系统工程，主要包括四项技术内容，即深松技术与表土处理技术、秸秆及残茬处理技术、免少耕播种技术、杂草与病虫害控制技术。其中，土壤深松是关系到保护性耕作技术能否成功推广应用的关键技术之一，它是利用深松机具的工作部件——深松铲,在不翻转土壤的条件下疏松土壤，打破土壤深处的犁底层、板结层，加深耕作层，从而达到改善土壤结构和耕地质量的技术。由于实行保护性耕作，少耕免耕，同时，播种、收获作业机具及自然降水等对土壤的压力都会造成土壤板结，在调查农田土壤情况时发现，在离表层土壤12厘米深的位置处已经产生了厚厚的板结层。板结层的存在，会影响雨水的入渗速率，导致地表径流的产生，造成地表水的大量浪费和严重的水土流失现象；大量的农药和化肥会溶于径流流到河流和湖泊中，造成周围水体和环境的严重污染，另外板结层的存在还影响了土壤内部空气流通及作物根系的发育，使得土壤深处的N、P、K等营养成分不能被作物吸收利用，从而影响作物产量。在国外，Cresswell等研究了深松对土壤水分保持及特性的研究，在国内孟庆秋[5]等研究了土壤对玉米产量及其构成的影响，李东升等研究了耕作方式对土壤微生物和土壤肥力的影响。但同时对深松对蓄水保墒、土壤物化属性、生长特性的综合研究还未见报道。本研究通过对土壤深松的综合研究旨在为保护性耕作技术的延续推广提供理论依据。
一、材料与方法
1.1 试验点基本情况
试验安排在延庆县康庄镇马坊村，试验地平整，地力中等，有水浇条件。播前土壤养分含量为：有机质1.13%、全氮0.106%、碱解氮43.2mg/kg、速效磷10.4mg/kg、有效钾82.2mg/kg。参试玉米品种为郑单958。
播种前每亩基施腐熟牛粪3m3、科霸复合肥40㎏。5月7日播种，亩播种量4㎏。6月28日玉米拔节期每亩追施肥尿素30㎏/亩，7月20日抽雄期追施尿素20㎏/亩。6月29日、7月25日、8月7日浇水灌溉。
1.2 试验处理
每个地块设计2个处理，3次重复
处理1：深松；处理2：免耕（传统旋耕）
深松深度为25～30㎝，以旋耕作为对照。每个处理种植面积10亩，试验共用地20亩。
1.3 试验监测指标
2012年6月14日，耕作处理后：分别对2个处理小区均匀分散选择3个点位（地块两端和中间），分4个土壤层次（0-10cm、10-20cm、20-30cm、30-40cm）测定基础的土壤容重、含水量、采样测试土壤养分（有机质、全氮、碱解氮、有效磷和速效钾）等指标。此外，质地测定安在两个处理小区分别挖取一个50-60 cm的土壤剖面，分层手测0-10cm、10-20cm、20-30cm、30-40cm、40-50cm层次质地；判断犁底层位置：观察两个处理小区剖面是否存在犁底层，若存在则分别测量记录其深度。
2012年7月20日，苗期每个处理小区分别均匀分散选择3个点位，调查测定4个土壤层次（0-10cm、10-20cm、20-30cm、30-40cm）容重、含水量、有机质、全氮、碱解氮、有效磷和速效钾等指标。
2012年8月27日，喇叭口期每个处理小区分别均匀分散选择3个点位，调查测定4个土壤层次
（0-10cm、10-20cm、20-30cm、30-40cm）容重、含水量、有机质、全氮、碱解氮、有效磷和速效钾等指标。
2012年10月10日，收获期在每个处理小区分别均匀分散选择3个点位，调查测定4个土壤层次（0-10cm、10-20cm、20-30cm、30-40cm）容重、含水量、有机质、全氮、碱解氮、有效磷和速效钾。
1.4测试方法
1.4.1容重：环刀法
1.4.2含水量：烘干法
1.4.3土壤养分：土壤农化常规测试方法
1.4.4 土壤入渗性能：双环入渗法
二、 结果与分析
2.1 不同耕作方式对作物不同生育期不同深度层次土壤容重的影响
2.1.1耕作后两种耕作方式对不同深度耕层土壤松紧属性的影响
根据耕作后对试验地块不同处理的监测结果分析（图1）可知，与旋耕处理比，深松+旋耕处理使各层次土壤容重有不同幅度的降低，即土壤变得相对疏松，土壤容重降低幅度约为0.04-0.20g/cm3，降低约2.8-14.0%。在20-40cm亚耕层，土壤明显变得疏松，如在20-30cm层次，深松耕作将土壤容重由1.55 g/cm3降低到1.51 g/cm3，降低0.04 g/cm3； 在30-40cm层次，深松耕作将土壤容重由1.58 g/cm3降低到1.51 g/cm3，降低0.07g/cm3。
图1 耕作后不同处理不同深度耕层次土壤容重
2.1.2 苗期两种耕作方式下不同深度耕层土壤松紧情况
根据苗期对试验地块不同处理的监测结果分析（图2）可知，旋耕处理和深松+旋耕耕作处理与耕作后监测结果类似，即深松+旋耕耕作处理各层次土壤容重相比于旋耕耕作处理土壤容重要低，相差约0.02-0.14g/cm3。在20-40 cm层次，深松+旋耕耕作处理各层次土壤容重相比于旋耕耕作处理土壤容重要低，相差约0.02-0.06g/cm3。
图2 苗期不同处理不同深度耕层土壤容重
2.1.3 喇叭口期两种耕作方式下不同深度耕层土壤松紧情况
根据喇叭口期对试验地块不同处理的监测结果分析（图3）可知，旋耕处理和深松+旋耕耕作处理与耕作后及苗期监测结果类似，即深松+旋耕耕作处理各层次土壤容重相比于旋耕耕作处理土壤容重要低，相差约0.04-0.16g/cm3。在20-40 cm层次，深松+旋耕耕作处理各层次土壤容重相比于旋耕耕作处理土壤容重要低，相差约0.04-0.05g/cm3。
图3 喇叭口期不同处理不同深度耕层土壤容重
2.1.4 收获期两种耕作方式下不同深度耕层土壤松紧情况
根据收获期对试验地块不同处理的监测结果分析（图4）可知，除0-10cm层次旋耕处理土壤容重低于深松+旋耕耕作处理外，其他层次旋耕处理和深松+旋耕耕作处理与耕作后、苗期和喇叭口期监测结果类似，即深松+旋耕耕作处理各层次土壤容重相比于旋耕耕作处理土壤容重要低，相差约0.03-0.10g/cm3。在20-40 cm层次，深松+旋耕耕作处理各层次土壤容重相比于旋耕耕作处理土壤容重要低，相差约0.07-0.10g/cm3。
图4 收获期不同处理不同深度耕层土壤容重
2.1.5 不同耕作方式对不同时期生育期土壤容重的影响
从整个生育期看（图5），不同层次土壤松紧度存在一定变化，但各层次的变化没有一致规律，内在的原因可能与不同层次土壤固液气三相物质组成不同，受季节变化及人为管理等因素的影响不同，因此变化的表现不同。
图5两处理不同生育期土壤容重
2.2 不同耕作方式对土壤含蓄水保墒的影响
2.2.1土壤含水量情况
图6是玉米关键生长期的土壤质量含水量的对比曲线图，图7和表1分别是玉米各关键生长期的平均土壤质量含水量。从整个玉米生长期的平均土壤质量含水量可以看出，与传统旋耕相比，采用深松处理的地块，在0-100cm整个土层内的土壤平均质量含水量增加5.9%，体现出较好的蓄水保墒能力。
表1不同耕作处理土壤质量含水量平均值的空间变化
耕作深度cm | 0~10 | 10~20 | 20~30 | 30~40 | 40~50 | 50~60 | 60~70 | 70~80 | 80~90 | 90~100 | 平均值 | 增加值 |
深松处理 | 0.1206 | 0.1258 | 0.1088 | 0.0997 | 0.1194 | 0.1302 | 0.1325 | 0.1281 | 0.1264 | 0.1293 | 0.1221 | 0.0059 |
传统旋耕 | 0.1106 | 0.1060 | 0.0991 | 0.0997 | 0.1145 | 0.1207 | 0.1301 | 0.1279 | 0.1242 | 0.1290 | 0.1162 |
2.2.2土壤水分入渗性能
耕作活动可改变土壤的水力学特性, 影响土壤的持水和导水能力[19]。土壤水分入渗性能是影响土壤质地好坏的重要因素，它决定着降水或灌水水分入渗进入土壤的数量和深度，从而显著地影响土壤的贮水量和地表径流等。土壤的入渗能力主要决定于土壤空隙和导水率等因素，因此采用不同的耕作方式可对其产生一定影响。
2种不同耕作处理的土壤入渗速率随时间的变化规律如图8所示。深松和传统旋耕方式的土壤初始水分入渗速率分别为3.15cm/min和2.25cm/min，深松处理的土壤初始水分入渗率比传统旋耕提高了约40%，其有利于强降雨条件下改善土壤水分的快速入渗，特别是在雨水比较多的季节，较好的入渗条件有利于增加雨水的收集。
图8不同处理条件下土壤水分入渗率随时间的变化
不同处理模式下土壤水分的稳定入渗率结果显示（表2），深松处理在44min后达到0.65cm/min的稳定入渗率，传统处理在40 min后达到0.4cm/min的稳定入渗率。与传统旋耕处理相比，深松作业稳定入渗率提高了62.5%。
表2不同处理下土壤水分稳定入渗率
耕作处理 | 稳定入渗率（cm/min） | 达到稳定入渗率的时间（min） |
深松 | 0.65 | 44 |
传统 | 0.4 | 40 |
图9不同处理条件下土壤累计入渗量随时间的变化
表3不同耕作处理下60分钟后累计入渗量
耕作处理 | 累计入渗量(cm) | 入渗深度(cm) | 比传统处理累计入渗量增加的百分数（%） |
深松 | 37.65 | 114 | 58 |
传统 | 23.81 | 98 |
从表3可知，60min后深松模式和传统旋耕模式的累计入渗量分别为37.65cm和23.81cm，同等条件下深松处理显著提高了土壤水分累计入渗量，提高了约58%。
因此，从双环入渗仪进行的田间土壤入渗结果来看，深松技术有利于改善土壤水分入渗性能，其稳定入渗率及累计入渗量都显著高于传统耕作模式，分别提高了62.5%和58%，该性能的改善会显著提高土壤的蓄水保墒能力。
2.3不同耕作方式对土壤养分的影响
不同耕作方式处理条件下，土壤上（0-20cm）下（20-40cm）层次土壤养分含量比值不同，6月14日深松+旋耕处理的有机质、全氮、碱解氮、有效磷和速效钾的上下层次比值相对于旋耕处理下降，也就是说旋耕处理土壤养分富集于上层，底层养分较少，经过深松处理，土壤养分有下移趋势（表4）。
表4 不同耕作处理上下层次土壤养分含量比较（6月14日）
处理 | 土层cm | 碱解氮mg/kg | 有效磷mg/kg | 有效钾mg/kg | 有机质g/kg | 全氮g/kg | 上下层次比值 | ||||
碱解氮 | 有效磷 | 有效钾 | 有机质 | 全氮 | |||||||
深松+旋耕 | 0-20 | 98.6 | 88.3 | 388.4 | 24.0 | 1.6 | 1.58 | 1.97 | 1.39 | 1.63 | 1.58 |
20-40 | 62.6 | 44.8 | 280.1 | 14.7 | 1.0 | ||||||
旋耕 | 0-20 | 79.4 | 51.3 | 551.7 | 25.4 | 1.6 | 2.04 | 3.55 | 2.73 | 1.89 | 1.95 |
20-40 | 38.9 | 14.5 | 202.4 | 13.4 | 0.8 | ||||||
7月20日的深松+旋耕处理的有机质、碱解氮、有效磷和速效钾的上下层次比值相对于旋耕处理上升，只有深松+旋耕处理的全氮含量水平相比旋耕处理下降（表5）。
表5 不同耕作处理上下层次土壤养分含量比较（7月20日）
处理 | 土层cm | 碱解氮mg/kg | 有效磷mg/kg | 有效钾mg/kg | 有机质g/kg | 全氮g/kg | 上下层次比值 | ||||
碱解氮 | 有效磷 | 有效钾 | 有机质 | 全氮 | |||||||
深松+旋耕 | 0-20 | 130.1 | 64.2 | 348.9 | 25.7 | 1.4 | 1.81 | 5.12 | 1.94 | 1.57 | 1.46 |
20-40 | 71.8 | 12.6 | 179.4 | 16.4 | 0.9 | ||||||
旋耕 | 0-20 | 127.1 | 48.2 | 120.1 | 23.9 | 1.4 | 1.47 | 2.79 | 1.56 | 1.37 | 1.48 |
20-40 | 86.6 | 17.3 | 77.0 | 17.4 | 1.0 | ||||||
8月27日的深松+旋耕处理的有效磷、速效钾的上下层次比值相对于旋耕处理上升，有机质、碱解氮、全氮含量水平相比旋耕处理下降（表6）。
表6 不同耕作处理上下层次土壤养分含量比较（8月27日）
处理 | 土层cm | 碱解氮mg/kg | 有效磷mg/kg | 有效钾mg/kg | 有机质g/kg | 全氮g/kg | 上下层次比值 | ||||
碱解氮 | 有效磷 | 有效钾 | 有机质 | 全氮 | |||||||
深松+旋耕 | 0-20 | 82.8 | 67.7 | 267.8 | 20.8 | 1.1 | 1.45 | 4.39 | 2.72 | 1.37 | 1.45 |
20-40 | 57.2 | 15.4 | 98.3 | 15.3 | 0.8 | ||||||
旋耕 | 0-20 | 100.4 | 48.2 | 204.6 | 24.0 | 1.3 | 1.68 | 2.55 | 2.16 | 1.67 | 1.29 |
20-40 | 59.9 | 18.9 | 94.6 | 14.4 | 1.0 | ||||||
由以上结果可知，在耕作后，旋耕处理的0-20cm与20-40cm土层的土壤各养分含量比值基本上要高于深松+旋耕处理的，但在苗期和喇叭口期旋耕处理的0-20cm与20-40cm土层的土壤各养分含量比值与深松+旋耕处理的比较，没有一致的规律性，这可能与不同层次土壤养分的转化吸收利用及养分的运移有一定的关系，但具体原因没有更多的证据来说明。
2.4不同耕作方式对玉米生长特性及产量的影响
2.4.1对生育期的影响
从表7可以看出，深松处理和对照的生育进程保持一致，基本表现为品种特性，处理之间没有差异。
表7 不同处理的玉米生育期（月/日）
处理 | 播种期 | 出苗期 | 拔节期 | 大喇叭 口期 | 抽雄期 | 吐丝期 | 成熟期 | 生育期 |
深松+旋耕 | 5/7 | 5/18 | 6/26 | 7/9 | 7/22 | 7/24 | 9/29 | 134 |
旋耕（CK） | 5/7 | 5/18 | 6/26 | 7/9 | 7/22 | 7/24 | 9/29 | 134 |
2.4.2对主要生育期株高的影响
从表8可以看出，拔节期和大喇叭口期深松处理的株高与对照的株高有明显差异。吐丝期和成熟期两个处理的株高差异不明显。
表8 不同处理的玉米主要生育期株高（厘米）
处理 | 拔节期 | 大喇叭口期 | 吐丝期 | 成熟期 |
深松+旋耕 | 77 | 226.5 | 289 | 289 |
旋耕（CK） | 69 | 215.5 | 281 | 281 |
2.4.3对主要生育期叶面积的影响
从表9可以看出，四个主要生育期深松处理与对照的叶面积均有差异尤其是在吐丝期和成熟期，差异更是达到20%左右。
表9不同处理的玉米主要生育期单株叶面积（厘米2）
处理 | 拔节期 | 大喇叭口期 | 吐丝期 | 成熟期 |
深松 | 2637.1 | 7379.3 | 10217.0 | 4819.3 |
旋耕（CK） | 2487.6 | 7226.6 | 8230.1 | 4007.1 |
2.4.4对主要生育期单株干物重的影响
从表10可以看出，四个主要生育期深松处理与对照的单株干物重都有差异。
表10 不同处理的玉米主要生育期单株干物重（g）
处理 | 拔节期 | 大喇叭口期 | 吐丝期 | 成熟期 |
深松+旋耕 | 22.4 | 91.6 | 172.9 | 347.9 |
旋耕（CK） | 21.5 | 86.6 | 150.3 | 336.8 |
2.4.5对籽粒灌浆速度的影响
从图10可以看出，深松处理的千粒重增长趋势与对照的前期和后期千粒重增长接近，从8月中旬至9月上旬的灌浆高峰期，深松处理的千粒重增长幅度明显高于对照。
图10 灌浆速度
由表11可以看出，深松处理的玉米株高和穗位均略高于对照，亩有效穗数高于对照，空秆率和倒伏（折）率则低于对照，延庆和密云表现基本一致，大兴由于是收的青贮，没有做这方面的调查。
表11不同处理的玉米植株性状表现
处理 | 密度 （株/亩） | 有效穗数 （株/亩） | 株高 (cm) | 穗位 (cm) | 空秆率 (%) | 倒伏(折)率 (%) |
深松 | 5000 | 4817 | 289 | 122.6 | 3.66 | 1.7 |
旋耕（CK） | 5000 | 4723 | 281 | 120.6 | 5.54 | 2.2 |
2.4.6对玉米穗部性状的影响
由表12可见，深松处理的穗长、穗粒数和千粒重均高于对照。
表12 不同处理的玉米穗部性状
区县 | 处理 | 穗长 （cm） | 穗粗 （cm） | 秃尖 （cm） | 穗粒数 | 千粒重 （g） |
延庆 | 深松 | 17.8 | 5.2 | 0.4 | 593.6 | 342.5 |
旋耕（CK） | 17.0 | 5.2 | 0.6 | 576.0 | 336.1 |
2.4.7对产量构成因素及单产的影响
深松处理后的玉米产量达到832.4公斤/亩，较对照旋耕增产7.10%。
表13 2种耕作模式下的玉米产量表现
处理 | 有效穗数 （株/亩） | 穗粒数 | 千粒重 （g） | 折合亩产 （㎏） | 较对照增减 （%） |
深松 | 4817 | 593.6 | 342.5 | 832.4 | 7.1 |
旋耕（CK） | 4723 | 576.0 | 336.1 | 777.2 |
三、 讨论
3.1深松作业降低了土壤容重，提高了土壤结构，改善了土壤蓄水保墒能力[18]，可见深松处理对于多年实施免耕操作的玉米地块确实起到了打破犁底层，疏松土壤的作用，从而减少了土壤板结，促进了空气与土壤水的流通，提高了土壤根系对土壤深处NPK等营养成分的吸收，对提高玉米产量和品质有很好的效果。
3.2从整个生长期看，深松处理造成不同层次土壤松紧度存在一定变化，但各层次的变化没有一致规律，内在的原因可能与不同层次土壤固液气三相物质组成不同，受季节变化及人为管理等因素的影响不同，因此变化的表现不同。在苗期和喇叭口期深松+旋耕处理的0-40cm土层的土壤各养分含量与旋耕处理的相比较，没有一致规律性，这可能与不同时期不同层次土壤养分的转化与作物的吸收利用及养分的运移有关系，需要下一步设计相应试验提供更多的证据来说明。
3.3从双环入渗仪进行的田间土壤入渗结果来看，深松处理的稳定入渗率及累计入渗量都显著高于传统耕作模式，分别提高了62.5%和58%，试验结果证明深松技术有利于改善土壤水分入渗性能。 深松技术改变了土壤的物理属性，影响着土壤水分的入渗特性,深松对犁底层的疏松作用使得土壤总孔隙度变大，增加了团粒之间大空隙的数量，改善了土壤导水性能，有利于土壤保持水分，增加土壤含水量。
四、结论
1) 整个生育期，与旋耕处理相比，深松+旋耕耕作处理使土壤容重降低约0.02-0.16 g/cm3。特别是在20-40cm亚耕层，土壤明显变得疏松，深松耕作使土壤容重平均由1.57 g/cm3降低到1.51 g/cm3，降低0.06 g/cm3，降低了约4.0%。
2)采用深松处理的地块，与旋耕处理相比，在0-100cm整个土层内的土壤平均质量含水量增加5.9%，表明深松可以显著改善土壤入渗性能，体现出较好的蓄水保墒能力。
3)在耕作后，旋耕处理的0-20cm与20-40cm土层的土壤各养分含量比值基本上要高于深松+旋耕处理的，即深松有使土壤养分向 下移动的趋势。
4)深松处理的玉米植株生长速度、单株叶面积、籽粒灌浆速度及植株干物重、籽粒产量等均要高于对照，深松处理后的玉米产量达到832.4公斤/亩，较对照旋耕增产7.10%。
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