不同耕作方式對土壤理化性狀及玉米產(chǎn)量的影響

李永平 ，王孟本，史向遠(yuǎn)，周 靜，張曉晨

（1.山西大學(xué)黃土高原研究所，山西太原030006；2.山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研究中心，山西太原030031）

土壤是作物生長的基礎(chǔ)，對土壤進(jìn)行耕作可改善耕層的土壤結(jié)構(gòu)，調(diào)節(jié)土壤中固體、液體、氣體的三相比例，協(xié)調(diào)好土壤中水、肥、氣、熱的關(guān)系，為作物生長發(fā)育創(chuàng)造良好的環(huán)境條件[1]。北方旱作農(nóng)區(qū)連續(xù)多年單一的耕作方式，使土壤存在耕層變淺、容重增大、持水保肥能力減弱、抗逆緩沖能力變差等問題[2-7]。合理的土地利用和管理能夠改善土壤的物理、化學(xué)和生物學(xué)性狀，增強土壤對外界環(huán)境變化的抵抗力，否則會導(dǎo)致土壤質(zhì)量下降，減弱土壤抗性，降低生物多樣性、土地生產(chǎn)力和生物地球化學(xué)循環(huán)等[8]。土壤耕作是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的一項重要措施，以不同的外部機械力形式作用于土壤并從本質(zhì)上改變土壤的物理化學(xué)性狀，調(diào)節(jié)土壤的水、肥、氣、熱等因子，達(dá)到提高作物產(chǎn)量的目的[9]。以往對不同耕作方式的研究，大多是從保護(hù)性耕作角度出發(fā)考慮問題，研究側(cè)重于降低水土流失、減少耕作次數(shù)、降低成本等方面。

本研究通過2 a大田試驗，對常規(guī)耕作、免耕、深翻、深松4種不同耕作方式下土壤含水量、容重和氮、磷、鉀、有機質(zhì)含量以及玉米產(chǎn)量進(jìn)行分析，旨在探索適合北方旱作農(nóng)區(qū)的耕作方式，對提高玉米產(chǎn)量和建立合理的耕作制度具有重要意義。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗地設(shè)在山西省忻州市忻府區(qū)新路村。該地區(qū)屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年平均降雨量428.7 mm，年平均氣溫8.5℃，年平均日照時數(shù)為2 807.5 h，≥10℃的積溫為3 400～3 600℃，無霜期為149 d左右。土壤為褐土性土，沙質(zhì)壤土，有機質(zhì)含量7.33 g/kg，全氮含量0.07 g/kg，堿解氮含量27.5 mg/kg，速效磷含量6.94 mg/kg，速效鉀含量95.77 mg/kg，肥力水平中等。該區(qū)為春玉米連作區(qū)，沒有灌溉條件。

1.2 試驗設(shè)計

試驗設(shè)4個處理：常規(guī)耕作（CK）、免耕、深翻、深松（表1）。各處理按隨機區(qū)組排列，重復(fù)3次，每小區(qū)長30 m，寬15 m。玉米品種為當(dāng)?shù)刂魍破贩N先玉335，5月初人工點播，播種時行距0.6 m，株距0.32 m。

表1 試驗處理描述

1.3 測定項目與方法

1.3.1 土壤含水量 用土鉆取土，采用烘干法進(jìn)行測定。取土深度為200 cm，0～100 cm為每隔10 cm取土一次，100～200 cm為每隔20 cm取土一次，然后采用烘干法及時測定土壤的含水量。

1.3.2 土壤容重 采用環(huán)刀法測定。取土深度為30 cm，每10 cm取土一次，取其平均值代表0～30 cm的土壤容重。

1.3.3 土壤養(yǎng)分含量 全氮含量的測定采用半微量開氏法，堿解氮的測定采用堿解-擴散法，有效磷測定采用0.5 mol/L NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法，速效鉀測定采用1 mol/LNH4Ac浸提-火焰光度法，有機質(zhì)測定采用重鉻酸鉀容量法。取土深度同樣為30 cm，每10 cm土樣測定一次，取其平均值。

1.3.4 玉米植株干物質(zhì)量 在玉米不同生育時期每小區(qū)取2株有代表性的植株進(jìn)行烘干稱質(zhì)量，取其平均值。

1.3.5 玉米籽粒產(chǎn)量 采用取樣測產(chǎn)和實收測產(chǎn)相結(jié)合的方法。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計

試驗采用2 a（2010，2011年）的平均數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計。試驗數(shù)據(jù)采用SAS8.01軟件[10]進(jìn)行方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同耕作方式對土壤含水量的影響

從圖1可以看出，玉米不同生育期土壤含水量的總體變化趨勢存在極顯著差異（P＝6.04，F(xiàn)＜0.000 1），成熟期0～200 cm土層土壤平均含水量最大，其中，深翻處理為13.29%，深松處理為12.33%，常規(guī)耕作處理為11.32%，免耕處理為10.57%。各個處理不同生育時期土壤含水量總的變化趨勢為：拔節(jié)期、大喇叭口期和成熟期不同耕作方式的土壤含水量均隨著土壤深度的增大呈“V”字型變化趨勢，灌漿期不同耕作方式的土壤含水量隨著土壤深度的增大呈增加趨勢。

隨著生育期的推進(jìn)，氣溫逐漸升高，蒸發(fā)量加大，土壤水分散失速率加快，導(dǎo)致土壤含水量普遍降低。但是深翻處理能夠改變土壤結(jié)構(gòu)，促使土壤微生物活動頻繁，增強土壤有機質(zhì)含量，達(dá)到以肥調(diào)水之功用，且具有較強接納和保蓄水分的能力，所以，具有較高的土壤含水量；深松處理為間隔擾動土壤，同樣具有較強接納和保蓄水分的能力，也具有較高的土壤含水量；免耕處理為硬茬播種，未進(jìn)行秸稈覆蓋，加上土壤緊實、水分入滲慢，導(dǎo)致雨水散失較多，致使土壤含水量較低。總之，各個處理土壤含水量由高到低的順序為：深翻＞深松＞常規(guī)耕作＞免耕。

2.2 不同耕作方式對不同土層土壤容重的影響

從表2可以看出，不同耕作方式下土壤容重總體上存在顯著差異，深翻處理的土壤容重平均為1.31 g/cm3，深松處理的土壤容重平均為1.43 g/cm3，分別較常規(guī)耕作（1.46 g/cm3）降低了10.27%和2.10%；免耕處理的容重最大，為1.52 g/cm3，較常規(guī)耕作增加4.1%。從不同土層深度看，不同處理方式的土壤容重也存在顯著差異，0～10，10～20 cm土層深翻和深松處理的土壤容重較低，常規(guī)耕作和免耕處理的土壤容重較高，20～30 cm土層各處理方式的土壤容重之間沒有差異。說明深翻和深松方式能改變土壤結(jié)構(gòu)，降低土壤容重，而且對0～20 cm土層效果顯著。

表2 不同耕作方式下土壤容重的變化 g/cm3

2.3 不同耕作方式對土壤N，P，K和有機質(zhì)含量的影響

由表3可知，耕作處理前與收獲后相比，不同耕作方式對土壤N，P，K和有機質(zhì)含量的影響較大。與耕作處理前相比，收獲后深翻、深松和常規(guī)耕作處理的堿解氮含量表現(xiàn)為增加，其增加幅度由高到低依次為：深翻＞深松＞常規(guī)耕作，免耕處理表現(xiàn)為降低；收獲后各種耕作方式的全氮含量與耕作處理前相比沒有差異；不同耕作方式的有效磷含量均表現(xiàn)為增加，其增加幅度由高到低的順序為：深松＞深翻＞免耕＞常規(guī)耕作；不同耕作方式速效鉀含量均表現(xiàn)為增加，增加幅度由高到低的順序為：深翻＞深松＞免耕＞常規(guī)耕作；不同耕作方式的有機質(zhì)含量表現(xiàn)為增加的趨勢，其增加幅度由高到低的順序為：深翻＞深松＞免耕＞常規(guī)耕作。

表3 不同耕作方式下土壤N，P，K和有機質(zhì)含量的變化

2.4 不同耕作方式對玉米植株干物質(zhì)積累量的影響

由表4可知，不同耕作處理的玉米植株干物質(zhì)量總體上存在顯著差異（F＝6.18，P＝0.029＜0.05）。灌漿期（8月7日）玉米植株的干物質(zhì)量以深翻處理最大，為231.7 g；深松次之，為225.0 g；常規(guī)耕作位居第3，為203.2 g；免耕最差，僅為160.8 g。從干物質(zhì)日均積累量來看，深翻處理最大，為4.65 g/d；深松為4.59 g/d，常規(guī)耕作為4.19 g/d，免耕為3.30 g/d。玉米植株干物質(zhì)日均積累量由大到小的順序為：深翻＞深松＞常規(guī)耕作＞免耕。

表4 不同耕作方式下玉米不同生長時期的干物質(zhì)量 g

2.5 不同耕作方式對玉米產(chǎn)量的影響

從圖2可以看出，不同處理之間產(chǎn)量存在顯著差異（F＝8.12，P＝0.008＜0.05），不同耕作方式下玉米產(chǎn)量由高到低的順序為：深翻＞深松＞常規(guī)耕作＞免耕。深翻處理的產(chǎn)量最高，達(dá)到7 360.0 kg/hm2；深松次之，為 6 342.9 kg/hm2；常規(guī)耕作位居第3，為6 114.0 kg/hm2；免耕最低，為5 190.0 kg/hm2。

3 結(jié)論

不同耕作方式對旱地玉米土壤含水量、容重、氮、磷、鉀、有機質(zhì)含量以及植株干物質(zhì)積累量、產(chǎn)量均有影響。（1）土壤物理性狀方面。由于不同耕作處理對土壤結(jié)構(gòu)進(jìn)行了不同程度的改變，導(dǎo)致了土壤容重和接納、蓄積雨水的能力存在較大差異。深翻、深松和常規(guī)耕作處理均對土壤進(jìn)行了擾動，土壤容重較低，深翻處理0～30 cm土壤容重為1.31 g/cm3，深松處理的土壤容重為 1.43 g/cm3，分別較常規(guī)耕作（1.46 g/cm3）降低了10.27%和2.10%；免耕未對土壤進(jìn)行任何操作，土壤容重較大，為1.52 g/cm3，較常規(guī)耕作增加4.1%。不同耕作方式的土壤含水量在玉米生長的不同時期表現(xiàn)均不相同，就各個耕作處理之間相比，拔節(jié)期、大喇叭口期、灌漿期和成熟期的各個處理土壤含水量由高到低的順序均為：深翻＞深松＞常規(guī)耕作＞免耕。（2）土壤化學(xué)性狀方面。與常規(guī)耕作相比，深翻、深松和免耕處理的土壤N，P，K和有機質(zhì)含量均存在差異。速效鉀和有機質(zhì)含量不同處理均表現(xiàn)為增加，其中，深翻處理增加幅度最大，深松次之，免耕最小。有效磷含量深松處理增加幅度最大，深翻次之，免耕最小。不同耕作處理的全氮含量之間沒有差異，堿解氮含量為深翻和深松處理較常規(guī)耕作處理增加，而免耕處理降低。（3）玉米產(chǎn)量方面。不同耕作方式對旱地玉米產(chǎn)量影響較大，深翻和深松處理與常規(guī)耕作處理相比，深翻處理的玉米產(chǎn)量可達(dá)7 360.0 kg/hm2，深松處理為6 342.9 kg/hm2，分別較常規(guī)耕作處理提高20.38%和3.74%，具有增產(chǎn)效應(yīng)。而免耕處理與常規(guī)耕作處理相比，玉米產(chǎn)量減少924.0 kg/hm2，減產(chǎn)15.11%。

4 討論

土地利用方式可改變土壤狀況并影響很多生態(tài)過程[11-15]。合理的土地利用方式可改善土壤結(jié)構(gòu)，增強土壤對外界環(huán)境變化的抵抗力[8]；不合理的土地利用方式會降低土壤質(zhì)量[9]。深翻和深松分別通過鏵式犁和深松鏟疏松土壤，雖然都對土壤產(chǎn)生了擾動，但深翻翻轉(zhuǎn)了土壤，深松不翻轉(zhuǎn)土壤。王育紅等[16-18]研究表明，深翻和深松均可打破犁底層，增加耕作層厚度，降低土壤容重，增強土壤對降水的蓄納能力，提高土壤水分含量，增強土壤微生物活動能力，有利于土壤有機質(zhì)的分解，提高土壤肥力，達(dá)到抗旱增產(chǎn)的效果，這與本試驗研究結(jié)果基本一致。免耕作為重要的保護(hù)性耕作技術(shù)，對土壤不進(jìn)行任何處理，基本不擾動土壤，與常規(guī)耕作相比，同樣可以改變土壤結(jié)構(gòu)和容重，調(diào)節(jié)土壤水氣分配[19-20]，進(jìn)而使土壤的水、肥、氣、熱狀況重新組合。關(guān)于免耕對作物的增產(chǎn)和減產(chǎn)效應(yīng)均有較多報道。邱紅波等[21]研究認(rèn)為，免耕栽培玉米較翻耕栽培玉米倒伏率高，有效株數(shù)少，從而導(dǎo)致單位面積產(chǎn)量顯著低于翻耕栽培玉米。馮延江[22]研究認(rèn)為，免耕條件下玉米產(chǎn)量比傳統(tǒng)耕作有所增加。本研究結(jié)果認(rèn)為，深翻或者深松對改善土壤結(jié)構(gòu)、提高土壤水分和養(yǎng)分含量、增加玉米產(chǎn)量均具有重要作用。

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