輪耕模式對黃淮海冬小麥-夏玉米兩熟區農田土壤改良效應

于淑婷，趙亞麗,2,3，王育紅，劉衛玲，孟戰贏，穆心愿，程思賢，李潮海,2,3

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輪耕模式對黃淮海冬小麥-夏玉米兩熟區農田土壤改良效應

于淑婷1，趙亞麗1,2,3，王育紅4，劉衛玲1，孟戰贏4，穆心愿5，程思賢1，李潮海1,2,3

（1河南農業大學農學院，鄭州 450002；2河南糧食作物協同創新中心，鄭州 450002；3省部共建小麥玉米作物學國家重點實驗室，鄭州 450002；4洛陽農林科學院，河南洛陽 471023；5河南省農業科學院糧食作物研究所，鄭州 450002）

【目的】針對黃淮海地區長期采用單一土壤旋耕作業存在的弊端，研究由秸稈覆蓋深松、秸稈還田旋耕和秸稈還田深耕組成的不同輪耕模式對黃淮海兩熟區農田的土壤改良效應。【方法】連續6年定位實施5種輪耕模式：連年旋耕（CRT，CK）、連年深松（CST）、連年深耕（CDT）、深耕/旋耕（DT/RT）和深耕/旋耕/旋耕（DT/RT/RT），研究各輪耕模式對冬小麥-夏玉米農田土壤三相比R值、土壤有機碳儲量、全氮儲量、土壤酶活性、土壤呼吸速率和作物經濟效益的影響。【結果】輪耕模式、耕層深度、年份對土壤三相比R值、土壤有機碳儲量、全氮儲量和酶活性存在顯著或極顯著影響。與連年旋耕相比，連年深松模式有利于表層土壤有機碳儲量、氮儲量、土壤脲酶和蔗糖酶活性的積累，而連年深耕、深耕/旋耕和深耕/旋耕/旋耕輪耕模式有利于增加10—40 cm土層的有機碳儲量、氮儲量、土壤脲酶和蔗糖酶活性，促進土壤營養均勻分布。隨著輪耕年限的增加，0—40 cm土層的R值呈整體降低趨勢，而土壤有機碳儲量、全氮儲量呈整體增加趨勢，其中深耕/旋耕和深耕/旋耕/旋耕輪耕模式表現更為明顯。與試驗開展前相比，秸稈全量還田下的連年旋耕、連年深松、連年深耕、深耕/旋耕和深耕/旋耕/旋耕模式在0—40 cm土層的R值分別降低20.8%、33.1%、29.5%、29.7%和30.7%，有機碳儲量分別增加6.4%、14.5%、16.0%、20.6%和23.8%，全氮儲量分別增加3.1%、11.1%、11.6%、13.3%和15.7%。輪耕模式對土壤呼吸速率存在極顯著影響，與連年旋耕相比，連年深松、連年深耕、深耕/旋耕和深耕/旋耕/旋耕模式冬小麥季的土壤呼吸速率分別提高20.7%、19.3%、13.7%和9.2%，夏玉米季分別提高19.1%、18.1%、15.2%和10.4%。但與連年深耕相比，深耕/旋耕和深耕/旋耕/旋耕模式冬小麥季的土壤呼吸速率分別顯著降低5.9%和9.6%，夏玉米季分別降低3.3%和7.3%。其中，深耕/旋耕/旋耕模式冬小麥季的土壤呼吸速率比深耕/旋耕降低4.1%，夏玉米季降低4.3%。輪耕模式、年份及其交互對作物產量和經濟效益存在極顯著影響。對5種輪耕模式6年的作物周年產量和經濟效益綜合分析，以深耕/旋耕模式最高，但與深耕/旋耕/旋耕模式的作物產量和經濟效益差異均不顯著。深耕/旋耕/旋耕、深耕/旋耕、連年深耕和連年深松的周年產量比連年旋耕分別增加18.9%、21.4%、12.9%和15.7%，其經濟效益比連年旋耕分別增加31.9%、36.2%、20.3%和25.4%。【結論】深耕/旋耕/旋耕輪耕模式能夠改善耕層結構，增加土壤耕層碳氮儲量和根區酶活性，且顯著降低農田碳排放量，增產增收效果明顯，為黃淮海地區冬小麥-夏玉米兩熟制農田適宜的輪耕模式，其次是深耕/旋耕輪耕模式。

三相比R值；土壤有機碳；土壤全氮儲量；土壤酶活性；土壤呼吸；經濟效益

0 引言

【研究意義】黃淮海平原是中國糧食主產區，由于該區長期采用土壤旋耕和焚燒作物秸稈，不僅污染環境，還導致土壤耕層變淺、蓄水保墑能力降低和土壤養分流失[1-2]，阻礙作物生長發育和產量形成。而合理的耕作方式結合秸稈還田可改善土壤耕層結構[3]，協調土壤生態環境和養分狀況[4]，為作物高產穩產奠定良好的土壤基礎。長期采用單一耕作措施對土壤質量存在不利影響，長期深耕會增加土壤表層水分蒸發[5]和農田碳排放[6]，長期深松不利于秸稈分布土壤深層，造成土壤表層養分富集[7]、病蟲害加重和農田碳投入增加[8]等，不利于減緩農田溫室效應，阻礙固碳減排農業生態系統的發展。因此，研究旋耕、深耕、深松等土壤耕作交替的輪耕模式對建立合理的耕作體系具有重要意義。【前人研究進展】不同耕作措施對土壤性狀有顯著影響。與旋耕相比，深松、深耕可有效降低三相比R值[9]，促進微生物的繁殖和土壤酶活性的增加[10]，使全年土壤呼吸速率增加37.3%[11]；尹寶重等[12]在海河低平原2年研究表明深松、深耕可有效提高麥田脲酶和堿性磷酸酶活性。而旋耕、深松、深耕等土壤耕作集成的輪耕模式可揚長避短，有效減輕單一耕作措施的弊端，提高土壤質量。有研究表明，輪耕措施可改善土壤耕層結構[13]，提高土壤生產性能[14]，促進養分在耕層間均勻分布[15]，從而實現作物高產[16]。TIAN等[17]研究發現長期旋耕后進行4年深耕可顯著提高土壤碳儲量和作物產量。另外，秸稈中含有大量植物生長所必需的氮、磷、鉀及微量元素[18]，秸稈還田后能改善土壤理化性狀[19]，優化農田碳排放[20]，改善田間小氣候[21]；王蕓等[22]通過大田試驗證明秸稈還田顯著提高土壤脲酶和蔗糖酶活性，進而影響土壤碳氮轉化。【本研究切入點】近年來，關于輪耕技術效應研究多集中在一年一熟區農田土壤理化性狀的研究，且主要圍繞深松、免耕、旋耕等集成的輪耕模式，而關于黃淮海兩熟制農田秸稈全量還田下深耕和旋耕交替的輪耕模式對土壤長期改良效應的研究卻鮮有報道。【擬解決的關鍵問題】通過黃淮海地區冬小麥-夏玉米兩熟制農田6年的長期輪耕定位試驗，探索秸稈全量還田條件下不同輪耕模式對土壤性狀的長期改良效應，掌握土壤質量演變規律，篩選耕層結構好、土壤肥力足、生態效益佳、生產收益好的最佳輪耕模式，以期為該區適宜輪耕模式的選擇和推廣應用提供科學支撐和理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗設置于河南省洛陽市農林科學院試驗站（34°62′N，112°45′E），該區是黃淮海平原典型的冬小麥-夏玉米一年兩熟區，屬暖溫帶大陸性季風氣候，試驗期間年平均氣溫為14.86℃，年平均降水量為578.2 mm，降水主要集中在7—9月。試驗開始前長期采用冬小麥播前旋耕（10—15 cm）、夏玉米免耕播種的耕作方式，且作物秸稈全部移出。試驗地地勢平坦，土壤類型為褐土，其中砂粒30.2%，粉粒41.6%，黏粒28.2%，pH為8.0。2009年開始試驗前土壤理化性質見表1。

表1 2009年試驗前供試土壤基本理化性質

1.2 試驗設計

在前茬作物秸稈全量還田（冬小麥秸稈粉碎覆蓋還田，夏玉米秸稈粉碎翻埋還田）條件下，2009年10月至2015年6月連續6年進行夏玉米季免耕、冬小麥季實施5種不同的輪耕模式：連年旋耕（CRT，CK）、連年深松（CST）、連年深耕（CDT）、深耕/旋耕（DT/RT）、深耕/旋耕/旋耕（DT/RT/RT）。采用隨機區組設計，各小區的面積為300 m2（60 m×5 m），3次重復。每年各試驗處理進行的土壤耕作方式見表2。其中旋耕處理采用旋耕機旋耕1遍，作業深度10—15 cm；深松處理采用振動式深松機深松1遍，作業深度為30—35 cm；深耕處理采用鏵式犁翻耕，作業深度為30—35 cm，旋耕、深松、深耕作業后均耙地2遍。夏玉米秸稈粉碎還田后隨耕作混入土壤中（圖1）。

供試冬小麥品種為濟麥20號，機械條播，2009—2012年和2013—2014年播量為125 kg·hm-2，2014—2015年播量為100 kg·hm-2；2012—2013年由于該試驗區生態條件受限冬小麥沒有種植。2009—2015年，夏玉米品種為鄭單958，采用機械免耕播種，種植密度為60 000 株/hm2。每年10月中旬播種冬小麥，翌年6月1日至5日收獲后種植夏玉米，至9月23日至28日收獲。各處理施肥及其他田間管理相同，冬小麥季施肥量為：200 kg N·hm-2，150 kg P2O5·hm-2，100 kg K2O·hm-2，全部的磷肥和鉀肥、50%的氮肥做基肥在耕作時一次性全部施入，50%的氮肥在拔節期追施；夏玉米季施肥量為：300 kg N·hm-2，150 kg P2O5·hm-2，150 kg K2O·hm-2，全部的磷肥和鉀肥、40%的氮肥在播種時一次性施入，60%的氮肥按5﹕5比例分別在拔節期和大喇叭口期追施。冬小麥季和夏玉米生長期間根據土壤墑情適時灌水，其他管理同常規大田。

表2 2009—2015年在冬小麥季的土壤耕作處理

RT：旋耕；ST：深松；DT：深耕。下同

RT: Rotary tillage; ST: Subsoiling tillage; DT: Deep tillage. The same as below

圖1 不同耕作方式下0—30 cm土層秸稈分布

1.3 測定項目與方法

1.3.1 土壤物理性狀測定 2009年試驗開始前及2013—2015年冬小麥成熟期和夏玉米成熟期，每小區選擇3個有代表性的區域，用環刀法測定0—10、10—20、20—30、30—40 cm土層土壤容重和土壤孔隙度，其中土壤孔隙度（%）=（1-土壤容重/土壤比重）×100%[23]，土壤比重近似值為2.65 g·cm-3；同時用烘干法計算各土層土壤含水量。土壤三相比理想狀態是50﹕25﹕25，采用冀保毅等[24]的土壤三相比偏離值R分析土壤三相比，其公式為：

R=（1）

X =100×（1-土壤孔隙度） （2）

Y =100×土壤含水率 （3）

Z =100×（土壤孔隙度-土壤含水率） （4）

式中，R為所測土壤樣品三相比與適宜狀態下土壤三相比在空間距離上的差值；X為所測土壤樣品固相的數值；Y為所測土壤樣品液相的數值；Z為所測土壤樣品氣相的數值；0.4為土壤固相數據所占有的權重；0.6為土壤氣相數據所占有的權重。R值越小，土壤結構越接近理想狀態。

1.3.2 土壤化學性狀測定 2009年試驗開始前及2013—2015年冬小麥成熟期，每小區以對角線設置5個取樣點，分別采集0—10、10—20、20—30、30—40 cm土層土樣，用于測定土壤養分含量。土壤有機碳含量采用重鉻酸鉀外加熱法測定，全氮含量采用半微量凱氏定氮法測定[25]。對于同一深度土壤，土壤有機碳儲量（soil organic carbon storage，SCS）與全氮儲量（soil total nitrogen storage，STN）的計算方法[7,17]如下：

SCS=（5）

式中，表示土壤層次；SCS表示層土壤的有機碳儲量，t·hm-2；C為第層土壤有機碳質量分數，g·kg-1；B是第層土壤容重，g·cm-3；H為第層土壤深度，cm；10-1是轉換系數。同理計算全氮儲量STN。

1.3.3 土壤酶活性測定 2013—2015年冬小麥成熟期和夏玉米成熟期，結合土壤養分測定取樣，采集0—10、10—20、20—30、30—40 cm土層土壤鮮樣測定土壤酶活性[26]。脲酶活性采用苯酚鈉比色法，蔗糖酶活性采用3, 5—二硝基水楊酸比色法。

1.3.4 土壤呼吸 2013—2015年冬小麥拔節期、開花期、成熟期和夏玉米拔節期、開花期、成熟期，采用美國LICOR公司生產的LI—8100A土壤呼吸儀定點測量土壤呼吸速率。每小區以對角線設置5個固定測量點，測點放置聚氯乙烯圈（polyvinylchlorid，PVC，直徑20 cm，高11 cm）作為土壤呼吸測定室，管環頂距地面2—3 cm。測定時間為8：00—11：00。

1.3.5 作物產量 冬小麥成熟后每小區選3個點，每點3 m2，脫粒曬干，稱重計產；夏玉米成熟后每小區選3個點，每點取20個果穗，脫粒曬干，稱重計產。

1.3.6 經濟效益計算 經濟效益以單位耕地面積的純收益表示。

經濟效益=總產值-總成本，總產值=作物產量×價格。其中總成本包括機械費（耕作、播種和收獲）、化肥費、種子費、農藥費等物資成本和除草、收獲等勞動成本。冬小麥和夏玉米單價分別為2.1 元/kg、1.8 元/kg。尿素（N 46%）2.25 元/kg，磷酸二銨（P2O546%，N 18%）3.2 元/kg，硫酸鉀（K2O 50%）3.20 元/kg。每公頃機械費用標準如下：收獲和秸稈粉碎費用，冬小麥825 元/hm2、夏玉米1 050元/hm2，深耕費825 元/hm2，深松費750 元/hm2，旋耕費450 元/hm2。其他投入（包括種子、農藥和人工費）冬小麥合計1 700 元/hm2，夏玉米合計1 800 元/hm2。

1.4 數據分析

利用Excel 2007進行數據處理，利用SPSS 17.0 進行數據統計分析，不同處理間用Duncan新復極差法（SSR）進行多重比較，利用SigmaPlot 12.5軟件繪制圖表。

2 結果

2.1 輪耕、耕深、年份以及其交互對土壤性狀和產量的影響

除年份對土壤脲酶的影響不顯著外，輪耕、年份、耕深對土壤R值、土壤有機碳儲量、全氮儲量、脲酶活性和蔗糖酶活性均存在極顯著影響（表3），且輪耕、年份對土壤呼吸速率、作物產量和經濟效益均存在極顯著影響（表4）。其中輪耕×耕深對各指標均存在顯著交互作用；除冬小麥成熟期的土壤有機碳儲量、全氮儲量、脲酶活性和蔗糖酶活性外，輪耕×年份對各指標均存在顯著交互作用；除冬小麥成熟期的土壤全氮儲量，年份×耕深對各指標均存在顯著影響；除冬小麥成熟期的R值、土壤有機碳儲量和夏玉米成熟期的脲酶活性外，輪耕×年份×耕深對各指標均存在顯著影響。

2.2 輪耕模式對土壤R值的影響

不同輪耕模式對0—40 cm土層的R值具有明顯的影響（表5）。與2009年試驗前（BT）相比，連續6年耕作處理后0—40 cm土層的R值隨輪耕周期的延長呈整體降低趨勢。CRT、CST、CDT、DT/RT和DT/RT/RT模式0—40 cm土層的R值比試驗前分別降低20.8%、33.1%、29.5%、29.7%和30.7%。R值隨土層深度增加而增加，且土層間差異顯著（表6）。在冬小麥成熟期，CDT、DT/RT、DT/RT/RT和CST模式0—40 cm土層的R值比對照分別降低6.9%、8.4%、10.5%和12.4%，各土層的R值均以CST最低，其次是DT/RT/RT，且顯著高于CRT。在夏玉米成熟期，CDT、DT/RT、DT/RT/RT和CST模式0—40 cm土層的R值比CRT分別降低19.0%、14.5%、7.6%和13.2%。其中20—40 cm土層的R值以CDT最低，且顯著高于DT/RT/RT、CRT，這與冬小麥季的結果相反，可能與該地區夏玉米季降雨較多有關（每年7—9月的降雨量占全年降雨量的72%以上）。

表3 輪耕、耕深、年份以及其交互對R值、土壤有機碳儲量、土壤氮儲量、土壤脲酶、土壤蔗糖酶的影響

RW，冬小麥季土壤三相比；RM，夏玉米季土壤三相比；SCSW，冬小麥季土壤有機碳儲量；STNW，冬小麥季土壤全氮儲量；UreaseW，冬小麥季土壤脲酶活性；UreaseM，夏玉米季土壤脲酶活性；InvertaseW，冬小麥季土壤蔗糖酶活性；InvertaseM，夏玉米季土壤蔗糖酶活性。下同

RW, soil R value in the winter wheat period; RM, soil R value in the summer maize period; SCSW, soil organic carbon storage in the winter wheat period; STNW, soil total nitrogen storage in the winter wheat period; UreaseW, soil urease activity in the winter wheat period; UreaseM, soil urease activity in the summer maize period; InvertaseW, soil invertase activity in the winter wheat period; InvertaseM, soil invertase activity in the summer maize period. The same as below

表4 輪耕、年份以及其交互對土壤呼吸速率、作物產量和經濟效益的影響

RsW，冬小麥季土壤呼吸速率；RsM，夏玉米季土壤土壤呼吸速率；YieldW，冬小麥產量；YieldM，夏玉米產量；Yieldtotal，周年產量；EBW，冬小麥經濟效益；EBM，夏玉米經濟效益；EBtotal，周年經濟效益

RsW, soil respiration rate in the winter wheat period; RsM, soil respiration rate in the summer maize period; YieldW, yield of winter wheat; YieldM, yield of summer maize; Yieldtotal, annual yield; EBW, economic benefit of winter wheat; EBM, economic benefit of summer maize; EBtotal, annual economic benefit

表5 輪耕模式對0—40 cm土層R值的影響

BT：2009年試驗前；相同土層、同列數據后不同小寫字母表示同年份不同處理間差異達到5%的顯著水平（＜0.05）。下同

BT: Before 2009; Different lowercase letters in the same column meant significant difference at the 0.05 level in the same soil layer and same year. The same as below

表6 輪耕、耕深、年份對土壤性質的影響

2.3 輪耕對土壤有機碳儲量的影響

與2009年試驗前相比，各耕作模式0—40 cm土層有機碳儲量呈現整體增加趨勢（圖2）。CRT、CST、CDT、DT/RT和DT/RT/RT模式0—40 cm土層的有機碳儲量比試驗前分別顯著增加6.4%、14.5%、16.0%、20.6%和23.8%，年平均累積增加速率分別為0.58、1.31、1.44、1.86和2.15 t·hm-2·a-1。2013—2015年冬小麥成熟期0—40 cm土層的土壤有機碳儲量均以DT/RT/RT最高，DT/RT次之，且顯著高于CST、CDT和CRT模式，而CST和CDT顯著高于對照CRT。土壤有機碳儲量隨土層深度增加而減少，且土層間差異顯著（表6）。不同耕作模式主要增加了10—40 cm土層的有機碳儲量。2013—2015年10—40 cm土層的有機碳儲量均表現為DT/RT/RT＞DT/RT＞CDT＞CST＞CRT，其中DT/RT/RT與DT/RT差異不顯著，較CDT、CST、CRT分別增加5.7%、11.9%、19.9%，CDT與CST差異不顯著，均顯著高于CRT。

2.4 輪耕對土壤全氮儲量的影響

與2009年試驗前相比，2013—2015年的土壤全氮儲量有不同程度的增加（圖3）。CRT、CST、CDT、DT/RT和DT/RT/RT模式0—40 cm土層全氮儲量比試驗前分別增加3.1%、11.1%、11.6%、13.3%和15.7%，年平均累積增加速率分別為26.9、96.0、100.3、114.6和135.3 kg·hm-2·a-1。在2013—2015年冬小麥成熟期，0—40 cm土層的全氮儲量以DT/RT/RT最高，與CST、CDT、DT/RT三者差異不顯著，比對照CRT顯著增加11.1%。土壤全氮儲量的變化趨勢與土壤有機碳儲量一致，土壤全氮儲量隨耕層的加深遞減，且不同耕作模式主要增加了10—40 cm土層的全氮儲量。其中以DT/RT/RT最高，與CDT、DT/RT之間相差不大，較CST、CRT分別增加5.4%和11.0%，CST較CRT增加4.9%。

2.5 輪耕對土壤脲酶活性的影響

土壤脲酶能促進尿素水解生成利于作物生長的氨，反應了土壤的供氮能力和水平。由表6可知，土壤脲酶活性的變化在年際間差異不大，隨耕層增加遞減，且土層間差異顯著。在冬小麥成熟期，DT/RT/RT、DT/RT和CDT模式在0—40 cm土層的脲酶活性無顯著差異，均顯著高于CST、CRT，而CST比CRT顯著增加20.7%。在夏玉米成熟期，CDT、DT/RT、DT/RT/RT和CST模式在0—40 cm土層的脲酶活性比對照CRT顯著增加31.9%、30.4%、25.8%和23.7%，其中DT/RT/RT、DT/RT、CDT之間相差不大，DT/RT、CDT與CST差異顯著。由圖4可知，各耕作模式對不同土層脲酶活性的影響顯著，主要增加了10—40 cm土層的脲酶活性。在冬小麥成熟期，以CDT和DT/RT的脲酶活性較高，與DT/RT/RT差異不顯著，而與CST、CRT差異顯著，DT/RT/RT與CST差異不顯著，比CRT顯著增加26.6%。在夏玉米成熟期，CDT、DT/RT、DT/RT/RT模式比CST分別增加17.0%、14.7%和7.6%，而CST與CRT差異顯著。

圖柱上不同小寫字母表示同土層不同處理間差異達到5%顯著水平；圖柱上不同大寫字母表示0—40 cm土層不同處理間差異達到5%顯著水平。下同

圖3 輪耕模式對0—40 cm土層土壤全氮儲量的影響

圖4 輪耕模式對0—40 cm土層土壤脲酶活性的影響

2.6 輪耕對土壤蔗糖酶活性的影響

土壤蔗糖酶可使蔗糖分解為易溶性的營養物質，表征了土壤有機碳累積與分解轉化規律[27]。由表6可知，土壤蔗糖酶活性隨輪耕年限延長有不同程度的增加，并隨耕層增加遞減，土層間差異顯著。在冬小麥成熟期，CDT、DT/RT、DT/RT/RT和CST模式在0—40 cm土層蔗糖酶活性較CRT顯著增加32.5%、34.4%、30.0%和21.0%，其中CDT、DT/RT和DT/RT/RT三者間差異不顯著，比CST顯著增加9.5%、11.1%和7.4%。在夏玉米成熟期，CDT、DT/RT與DT/RT/RT差異不顯著，比CRT分別顯著增加22.7%和23.9%，CST比CRT顯著增加13.8%。由圖5可知，各耕作模式主要增加了10—40 cm土層的蔗糖酶活性。在冬小麥成熟期，CDT、DT/RT和DT/RT/RT比CST顯著增加28.9%、26.6%和17.2%，比CRT顯著增加51.7%、48.9%和38.0%。在夏玉米成熟期，以CDT的蔗糖酶活性最高，與DT/RT和DT/RT/RT差異不顯著，而顯著高于CST和CRT。結果表明經過長期定位后，耕作措施不僅對當季作物的土壤蔗糖酶活性影響顯著，還對后茬作物的土壤性質改良效應顯著。

圖5 輪耕模式對0—40 cm土層土壤蔗糖酶活性的影響

2.7 輪耕對土壤呼吸速率的影響

在冬小麥-夏玉米兩熟區農田，土壤呼吸速率均在冬小麥開花期和夏玉米開花期出現高峰，深耕、深松和輪耕模式均顯著提高土壤呼吸速率（圖6）。在冬小麥和夏玉米的各個生育時期，土壤呼吸速率均表現為CDT＞CST＞DT/RT＞DT/RT/RT＞CRT。CDT、CST、DT/RT和DT/RT/RT的土壤呼吸速率平均值比CRT模式在冬小麥季分別顯著提高19.3%、20.7%、13.7%和9.2%，在夏玉米季分別提高18.1%、19.1%、15.2%和10.4%。CDT與CST差異不顯著，顯著高于2種輪耕模式，DT/RT比DT/RT/RT在冬小麥季顯著提高4.1%，在夏玉米季顯著提高4.3%。

圖柱上不同小寫字母表示同生育時期不同處理間差異達到5%顯著水平

2.8 輪耕對作物產量的影響

2009—2015年各耕作模式的冬小麥和夏玉米產量如表7所示。5種耕作模式5年的冬小麥產量平均值由高到低依次為DT/RT＞DT/RT/RT＞CST＞CDT＞CRT，且DT/RT/RT、DT/RT、CST和CDT比對照CRT分別增產14.8%、16.8%、11.5%、13.4%。DT/RT/RT的夏玉米產量和周年產量介于DT/RT和CST之間，且與兩者差異不顯著，其周年產量比CRT顯著增產18.9%，DT/RT、CST和CDT的周年產量比CRT分別顯著增產21.4%、15.7%和12.9%。

2.9 輪耕對作物經濟效益的影響

由于不同年份作物產量和農資投入不同，各輪耕模式的經濟效益存在顯著差異（表8）。不同年份作物周年總產值的變化規律與作物周年產量一致，CDT、CST、DT/RT、DT/RT/RT和CRT模式6年的總成本依次是10 941.9、10 866.9、10 754.4、10 691.9和10 566.9 元/hm2，其中以CDT最高，CRT最低。比較5種耕作模式6年的經濟效益，DT/RT/RT與DT/RT、CST差異不顯著，但比CDT顯著增收10.1%，比CRT顯著增收31.9%。

表7 2009-2015年輪耕模式對冬小麥-夏玉米產量及周年產量的影響

相同年份、同列數據后不同小寫字母表示同作物不同處理間差異達到5%顯著水平。下同

Different lowercase letters in the same column meant significant difference at the 0.05 level in the same crop and same year. The same as below

表8 不同輪耕模式對作物生產成本和經濟效益的影響

3 討論

耕作的目的是改善土壤質量，通過調節土壤微環境的水、肥、氣、熱關系，綜合改善土壤的物理、化學和生物性狀[28]。其中土壤三相比能反映土壤的松緊程度、充水和充氣程度及水汽容量[29]，是衡量農田土壤物理性狀的重要指標。前人研究結果表明，長期旋耕易形成明顯的犁底層，阻礙作物根系生長及對土壤養分的充分利用[30]，而小麥季深松可改善土壤孔隙狀況[13]，增加土壤深層蓄水量[31]，深耕能降低冬小麥季20—35 cm土層容重和夏玉米季15—25 cm土層容重，增加0—40 cm土層含水量[32]。平衡土壤容重、孔隙度和土壤含水量間的比例，可創造良好耕層結構和適宜孔隙比例。本研究結果表明，與連年旋耕相比，冬小麥季連年深松、深耕及深耕和旋耕組合的輪耕模式均顯著降低土壤亞表層R值，這與郭海斌等[9]的研究結果相似。土壤亞表層的R值在冬小麥成熟期以連年深松最低，夏玉米成熟期以連年深耕最低，主要是因為該區冬小麥季降雨較少，深松的土壤蓄水保墑能力最好[33]，而夏玉米季降雨、灌溉充分，深耕后翻轉的土壤能最大限度地接納雨水和灌溉水，擴大土壤水庫容[1]。

輪耕可改善土壤耕層物理結構，協調耕層良好的水熱條件，平衡有機質和全氮在耕層間分布[15]。本研究結果表明，連年旋耕和連年深松的土壤有機碳、氮儲量表現為表層富集現象，而連年深耕、深耕/旋耕和深耕/旋耕/旋耕模式促進了10—40 cm土層有機碳、氮儲量的增加，其可能原因有2個方面：一是耕作處理改變了秸稈在耕層的分布特征，其中旋耕和深松0—10 cm土層分別占91%、93%，而深耕0—10 cm土層占51%，10—30 cm土層占49%（圖1），秸稈腐解釋放養分到土壤，從而提高下層土壤碳氮儲量[4]。二是輪耕增加了耕層根系的數量和分布[34]，促進了土壤碳庫的輸入。深耕和旋耕集成的輪耕模式固碳、固氮效果較連年深耕模式不顯著，可能是因為定位時間較短，秸稈還田對土壤改良效應明顯，使土壤有機碳的分解減慢。本文采用等深度法計算土壤有機碳、全氮儲量，與多數研究[7,15,17]結果一致。隨輪耕年限的延長，5種耕作措施各土層的碳、氮儲量均有不同程度的增加，且土層間差異顯著。但是目前國內外關于土壤碳、氮儲量是否隨輪耕年限增加而增加的結論不一，VALBOA等[35]研究連續24年的深耕、深松試驗結果表明，0—40 cm土層的碳、氮儲量無明顯變化；但有學者指出長期旋耕后進行深松6年[36]和深耕4年[17]均能顯著提高0—30 cm土層固碳量，這與本研究結果一致。

土壤酶活性是土壤生物學活性的重要表現，土壤蔗糖酶和脲酶在土壤碳氮循環中起著重要作用[37]。孟慶陽等[38]研究發現與旋耕措施相比，小麥季深耕對20—40 cm土層的蔗糖酶活性無顯著影響，這可能主要與秸稈還田后對土壤亞表層的長期改良效應有關。本研究通過6年的定位試驗，研究結果表明與連年旋耕相比，連年深松的脲酶和蔗糖酶活性在0—10 cm土層富集，連年深耕和2種輪耕模式在10—40 cm土層的脲酶活性增加38.4%，蔗糖酶活性增加38.2%，這主要由于深耕措施將秸稈翻埋到土壤亞表層，增加了亞表層的秸稈還田量和土壤有機碳、氮含量，土壤有機質等營養物質是土壤酶促反應的底物，土壤有效養分的增加能夠提高有機碳礦化率、微生物量和土壤酶活性[30,39]，這與孫瑞蓮等[40]研究指出土壤脲酶、蔗糖酶活性與有機質、堿解氮均呈顯著正相關的結果一致。

土壤有機質是微生物進行分解活動排放CO2的物質基礎，土壤酶活性反映了土壤中物質代謝的旺盛程度，與土壤微生物數量及呼吸強度有直接關系[41]。本試驗中，連年深松、連年深耕和2種輪耕模式的有機碳氮儲量和土壤酶活性較高，進而加速土壤呼吸速率。土壤呼吸速率均在冬小麥開花期和夏玉米開花期出現高峰，這可能與施肥有關，同時根系生長旺盛，產生的分泌物促進根際微生物呼吸，根呼吸和微生物呼吸增加促進了土壤呼吸速率的提高。較連年深耕模式，深耕和旋耕結合的輪耕模式冬小麥季的平均土壤呼吸速率顯著降低7.7%，夏玉米季降低3.5%。主要是因為深耕、旋耕隔年輪換改善了土壤的通氣性，減少了土壤擾動，降低了土壤有機質的分解，進而造成土壤呼吸速率下降，這與張俊麗等[42]研究結果相似，即土壤耕層擾動越深，土壤呼吸速率越高。深耕/旋耕/旋耕的土壤呼吸速率顯著低于深耕/旋耕，表明在改良深層土壤結構的同時，適當減少土壤擾動頻率，可有效減少農田碳排放，促進土壤固碳固氮。

孔凡磊等[43]研究發現多年免耕后進行翻耕、旋耕使冬小麥有效穗數提高23.2%，增產14.4%。隔年深耕、旋耕處理可有效打破犁底層，加速土壤的熟化，提高了土壤養分含量和深層根系活力[34]，從而提高作物產量。另外，小麥季輪耕不僅提高了冬小麥的產量，其后效影響到夏玉米季，顯著提高夏玉米產量，結果表明經過長期定位后，耕作措施不僅對當季作物的土壤性狀影響顯著，還對后茬作物的土壤性質改良效應顯著，這與聶良鵬等[13]的結果一致。本試驗通過比較輪耕模式6年的周年產量和經濟效益發現，深耕/旋耕、深耕/旋耕/旋耕和連年深松增產效應差異不明顯，主要是由于該地區冬小麥季降雨較少，深松和隔年深耕旋耕交替的耕作措施可減少土壤表面水分的蒸發，提高水分利用效率，使各處理間的冬小麥產量差異不明顯。并且與深耕/旋耕、連年深松相比，長期進行深耕/旋耕/旋耕模式不但使農機具田間操作化繁為簡，節省人力及物力的消耗和開支，而且減少了土壤亞表層的擾動頻率，進而有效降低了農田呼吸速率，提高了土壤碳氮儲量，因此深耕/旋耕/旋耕模式更適宜在該區進行試驗推廣。

輪耕后土壤耕作改變不同土層碳氮儲量的內在機制是復雜的，受耕作方式、土壤水熱狀況等特性影響，特別是輪耕模式對土壤磷、鉀、水肥利用效率和秸稈在耕層間腐解、釋放養分的機制，需進行更加深入的研究，才能更加準確地評價各輪耕模式對土壤的培肥效應。

4 結論

秸稈還田條件下，深松、深耕和旋耕結合的輪耕模式可顯著降低0—40 cm土層的R值，改善土壤物理性狀，增加0—40 cm土層碳氮儲量、脲酶和蔗糖酶活性；通過對處理6年后的土壤性狀、作物產量和經濟效益綜合評價分析，以深耕/旋耕/旋耕輪耕模式最佳。深耕/旋耕/旋耕的輪耕模式創造了良好的耕層結構，提高了土壤碳氮儲量，優化了土壤根區酶活性和農田碳排放機制，可作為黃淮海地區冬小麥-夏玉米兩熟制農田適宜的輪耕模式。

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（責任編輯 楊鑫浩）

Improvement Effects of Rotational Tillage Patterns on Soil in the Winter Wheat-Summer Maize Double Cropping Area of Huang-Huai-Hai Region

YU ShuTing1, ZHAO YaLi1,2,3, WANG YuHong4, LIU WeiLing1, MENG ZhanYing4, Mu XinYuan5, CHENG SiXian1, LI ChaoHai1,2,3

(1College of Agronomy, Henan Agricultural University, Zhengzhou 450002;2Collaborative Innovation Center of Henan Grain Crops, Zhengzhou 450002;3Co-construction State Key Laboratory of Wheat and Maize Crop Science, Zhengzhou 450002;4Luoyang Academy of Agriculture and Forestry Sciences, Luoyang 471023, Henan;5Cereal Crops Institute, Henan Academy of Agricultural Sciences, Zhengzhou 450002)

A long-term practice of applying single soil rotary tillage pattern in this area has caused soil compaction, poor ability in retaining rainwater and providing nutrients. Effects of different rotational tillage patterns, which were pairwise combined with subsoiling (ST), rotary tillage (RT) and deep tillage (DT) with straw mulching, on soil long-term improvement effects were studied in the winter wheat-summer maize double cropping area of Huang-huai-hai region.【Method】The experiments of CRT (continuous rotary tillage), CST (continuous subsoiling), CDT (continuous deep tillage), DT/RT (rotary tillage in first year, deep tillage in second year, again deep tillage followed by alternating the next year) and DT/RT/RT (deep tillage in first year, rotary tillage in second year, rotary tillage in third year, again deep tillage followed by alternating the next year) were conducted before sowing winter wheat, and different rotational tillage patterns on the ratios of soil solid-liquid-gaseous, soil organic carbon storage, soil total nitrogen storage, soil enzyme activity, soil respiration rate, and crop economic benefit were analyzed. 【Result】The results showed that, there were significant effects ofrotational tillage, soil depth and tillage year on the ratios of soil solid-liquid-gaseous, soil carbon organic storage, soil total nitrogen storage and soil enzyme activity. Compared with CRT, the CST patterns increased soil organic carbon sequestration, soil total nitrogen storage, soil urease and invertase activity of surface soil, and CDT, DT/RT, DT/RT/RT increased soil organic carbon sequestration, soil total nitrogen storage, soil urease and invertase activity at 10-40 cm soil layer of winter wheat and summer maize. With the increasing cultivation, the R value at 0-40 cm soil layer under the five rotational tillage patterns showed a trend of overall decrease, and the soil organic carbon storage and soil total nitrogen storage showed a trend of overall increase, and the variation tendency under DT/RT and DT/RT/RT were more obvious. Compared to pretreatment, the R values under CRT, CST, CDT, DT/RT, DT/RT/RT were significantly decreased by 20.8%, 33.1%, 29.5%, 29.7%, 30.7%, while the soil organic carbon storage significantly increased by 6.4%, 14.5%, 16.0%, 20.6%, 23.8% and the soil total nitrogen storage increased by 3.1%, 11.1%, 11.6%, 13.3%, 15.7%, respectively. There were significant effects of rotational tillage on the soil respiration rate. Compared with CRT, CST, CDT, DT/RT, and DT/RT/RT increased soil respiration rate by 20.7%, 19.3%, 13.7%, and 9.2% during winter wheat season, and increased by 19.1%, 18.1%, 15.2%, and 10.4% during summer maize season, respectively. However, DT/RT, DT/RT/RT declined soil respiration rate by 5.9%, 9.6% during winter wheat season, and declined by 3.3%, 7.3% during summer maize season, respectively,relative to CDT. Compared with DT/RT, the soil respiration rate of DT/RT/RT was declined by 4.1% during winter wheat season and declined by 4.3% during summer maize season.Rotational tillage, tillage year and tillage×year had significant effects on crop yield and economic benefit. Through comprehensive evaluation and analysis of the winter wheat and summer maize annual grain yield and economic benefit of five rotational tillage patterns in six years, DT/RT was the best, but DT/RT/RT had no significant difference relative to DT/RT. Compared with CRT, the average annual yields of 6 years under DT/RT/RT, DT/RT, CDT, CST were increased by 18.9%, 21.4%, 12.9%, 15.7%, and the average economic benefits were increased by 31.9%, 36.2%, 20.3%, 25.4%, respectively.【Conclusion】DT/RT/RT improved good tilth soil structure, increased the distribution of soil organic carbon characteristics, total nitrogen storage and enzyme activities of root zone in the top soil layer, declined farmland carbon emission, improved significantly crop yield and economic benefit. Therefore, DT/RT/RT can be selected as an suitable tillage practice for double-crop system of winter wheat-summer maize in Huang-huai-hai area,followed by DT/RT rotation tillage.

ratio of soil solid-liquid-gaseous; soil organic carbon; soil total nitrogen storage; soil enzyme activity; soil respiration; economic benefit

2016-12-20；

2017-03-29

國家重點研發計劃項目（2016YFD0300106）、國家公益性行業（農業）科研專項（201503117）、國家現代玉米產業技術體系（CARS-02-19）

李潮海，E-mail：lichaohai2005@163.com

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