黃土高原不同耕作方式對土壤理化性質及作物產量的影響

郁鑫 王旭東

摘要黃土高原屬干旱、半干旱雨養農業區，過去以傳統耕作方式為主。作物秸稈不還田以及對耕地直接進行翻耕，導致耕地表土裸露，因而加快了土壤有機質的礦化速率。土壤侵蝕、土壤養分流失、耕地質量下降，為此，以保護環境、提高水肥資源高效利用和實現農業可持續發展為目的保護性耕作在該地區逐漸展開。比較分析深松、免耕、傳統翻耕等不同耕作方式對土壤理化性質、作物產量的影響，以期為該區域創建合理有效的耕作方式提供理論指導。

關鍵詞耕作方式；土壤性質；作物產量；水肥利用效率；黃土高原

中圖分類號S344文獻標識碼

A文章編號0517-6611（2018）05-0144-03

AbstractThe Loess Plateau is an arid and semiarid rainfed agricultural area.In the past，the traditional tillage methods were the main ones.Crop straws were not returned and the arable lands were directly ploughed，which caused the top soil to expose and accelerated the mineralization of soil organic matter.Soil erosion and nutrient loss were increased，and the quality of cultivated land was declined.Therefore，conservation tillage methods have been gradually taken in this region in order to protect the environment，improve the efficiency of water and fertilizer use and achieve sustainable development of agriculture.In this paper，we analyzed the effect of different tillage methods such as subsoiling tillage，notillage and conventional tillage on soil physical ，chemical properties and crop yield，and some theoretical guidances were provided to establish reasonable tillage methods.

AbstractTillage method；Soil properties；Crop yield；Water and fertilizer use efficiency；Loess Plateau

耕作方式影響土壤物理性質和化學性質，進而決定了土壤質量變化的方向和程度[1-2]。黃土高原地區過去普遍采用傳統翻耕技術，近年來免耕、深松等保護性耕作技術逐漸興起[3-6]。不少地區農田也相繼采用了保護性耕作措施[7-9]。保護性耕作可在一定程度上改善土壤肥力，但在不同地區的研究中，由于氣候、土壤等差異，導致改善效果存在很大差異。傳統耕作模式在防止農田雜草和病蟲害方面具有積極作用，但也引起了土壤風蝕、水蝕、土壤貧瘠化等一系列問題，還增加了土壤水分的無效蒸發等[10]。土壤不合理耕作導致土壤質量明顯下降，土壤自我調控功能失調。近10年來，我國機械耕作活動加強，但土壤退化、沙塵暴猖獗、機械化作業成本上升也已成不爭的事實[11]。保護性耕作是對農田采取免耕、深松、作物秸稈覆蓋等措施，取消鏵式犁翻耕，在保留地表覆蓋物的前提下免耕播種，以保留土壤自我保護機能和營造機能，在蓄水保墑、培肥地力、防止揚塵、減少侵蝕、保護環境、節本增效、增加農民收入等方面表現出其他耕作方式不可替代的作用，產生良好的社會、經濟和生態效益[12]。但任何耕作都有一定的地域適應性，通過闡述黃土高原地區不同耕作方式對土壤理化性質和作物產量的影響，進而為探明該地區最適耕作方式提供指導。

1不同耕作方式對土壤物理性質的影響

1.1對土壤容重的影響

土壤容重是土壤的重要物理性質，其影響土壤的孔隙度及孔隙的大小分配，是研究土壤及作物對機械化作業的響應參數，是衡量土壤質量的重要指標之一[6]。近年來，有關不同耕作方式對土壤容重的影響較多[13-15]。研究表明，免耕可增加土壤容重[14]。嚴潔等[16]研究表明，與保護性耕作相比，傳統翻耕土壤容重明顯高。但趙洪利等[17]研究發現，在免耕、深松、翻耕3個處理間，免耕處理的土壤硬度和土壤容重都大于深松和翻耕處理。其原因是免耕處理不進行土壤耕作，在降水和自身重力影響下，容重大于深松和翻耕處理。有研究認為，免耕與傳統翻耕相比可提高土壤容重，且表層土壤容重增高尤為明顯[18]。但張志國等[19]研究發現，耕地經過長期免耕處理后，其土壤容重并沒有增加。土壤容重是土壤質地、土壤結構、土壤有機質含量以及各種自然因素綜合作用的結果，長期免耕并未對土壤容重產生顯著的影響，而是隨著土壤有機質的提高和結構的改善，在一定年限后土壤容重降低。研究表明，不同土層深度、免耕處理對土壤容重的影響不一致，免耕處理表層0～5 cm的土壤容重明顯大于傳統耕作，但是深層土壤容重基本沒有變化。說明免耕僅使土壤表層容重增加，下層土壤變化不大[20]。在進行免耕處理水稻耕作試驗時，其土壤容重指標顯著降低，甚至小于傳統耕作方式[21]。

1.2對土壤孔隙度和土壤團聚體的影響

土壤孔隙與耕作方式有密切聯系。戰秀梅等[22]研究表明，對土壤進行深松、深耕處理，其下層土壤孔隙度有顯著提高，深松、深耕處理結合秸稈還田可有效改善表層土壤的孔隙度。高建華等[23]研究表明，保護性耕作措施對調節土壤孔隙度有顯著作用。土壤孔隙的良好分布將顯著調節土壤水分、土壤氣體、土壤生物活性等土壤狀況問題。土壤團聚體是土壤養分和土壤水分的重要儲存庫，土壤團聚體的大小及數量反映土壤肥力的高低。趙洪利等[17]研究不同耕作方式對黃土高原旱地麥田土壤物理性質的影響，指出免耕有促進土壤團聚體形成的作用，且形成的團聚體有較高的水穩性。翻耕加快了耕層內有機質礦化速度，減少了有機無機復合膠體數量，使土粒間黏合力下降，水穩性團聚體數量顯著降低。嚴潔等[16]研究表明，隨著免耕年限的增加，土壤團聚體數量成逐年增加的趨勢，進行5年保護性耕作，其土壤團聚體比進行2、3年保護性耕作的土壤團聚體數量明顯增加。保護性耕作及其輪耕可提高耕層團聚體的穩定性[24]。程科等[25]研究表明，免耕/深松與深松/翻耕和翻耕/免耕2種輪耕模式相比，免耕/深松輪耕方式更有利于大團聚體的形成。長期采取土壤保護性措施，可明顯提高土壤物理微環境，特別是改善了土壤微環境中土壤團聚體的物理性質。

1.3對土壤水分的影響

黃土高原旱作農業區，應以增加休閑期自然降水入滲量、提高土壤含水量、減少土壤蒸發量為主要目標，從而提高耕地土壤質量。土壤水分受耕作方式和秸稈覆蓋度的影響較大。郭賢仕等[26]研究表明，免耕加秸稈覆蓋處理的土壤年平均含水量比傳統耕作處理高1百分點，免耕秸稈不覆蓋處理與傳統耕作處理的土壤年平均含水量差異不明顯。

不同層次的土壤水分受耕作方式的影響較大。傳統耕作由于播種時對土壤的擾動較大，表層土壤水分散失較快，對墑情較差的土壤影響較大，將嚴重影響出苗率；但20～40 cm土層水分下降較慢，這與毛管孔隙的阻斷有關系。免耕處理的土壤表層水分下降較慢，但整個耕作層土壤水分下降卻快于傳統耕作處理，播種后持續干旱也能使耕作層土壤水分下降到很低的水平。覆蓋免耕處理耕作層水分下降較慢，各層次均保持較高的水分含量。國外研究表明，在免耕條件下，0～20 cm土層的飽和導水率為4.20 cm/h，翻耕為2.06 cm/h，免耕顯著高于翻耕。免耕土壤飽和導水率高，滲水快，主要與免耕條件下形成的良好土體結構有關[27]。

免耕由于其對結構和孔隙的影響，進一步影響水分的入滲、徑流和土壤侵蝕。趙君范等[28]對黃土高原區的研究表明，降水強度為85 mm/h時，免耕秸稈覆蓋與傳統耕作相比，徑流出現時間延遲2.16～3.83 min，徑流量降低18.4%～347%，入滲量增加20.5%～38.6%，土壤侵蝕量減少865%～166.0%。武際等[29]研究麥稻輪作下耕作模式對土壤理化性質和作物產量的影響，指出免耕處理的土壤含水量明顯降低。郭曉霞等[30]研究表明，采用秸稈覆蓋加免耕的保護性耕作措施的耕地，其土壤水分的保蓄能力顯著提高。

1.4對土壤溫度的影響

耕作方式對土壤溫度的影響受廣大學者的關注。陳繼康等[31]認為，耕作影響土壤溫度的主要原因之一是耕地土壤秸稈覆蓋度。郭曉霞等[30]發現，留茬覆蓋能有效調節土壤溫度，土壤溫度在0～5 cm土層變化幅度較大，且隨土層深度的增加土壤溫度變化趨勢呈逐漸降低的趨勢。

不同生長季節，免耕覆蓋表現出“降溫效應”和“增溫效應”的雙重效應。免耕在冬季可以提高土壤溫度，降低凍害，而在春季會導致土壤溫度不能快速升溫甚至影響到作物的返青等。這主要是由于免耕對土壤水分的影響及表層覆蓋等對吸收太陽輻射、土壤溫度散失影響的綜合結果[32]。

2不同耕作方式對土壤化學性質的影響

2.1對土壤養分的影響

免耕是否有助于土壤肥力的提高，該爭論已在學術界存留已久。研究指出，免耕處理0～5 cm耕層土壤全氮含量顯著高于翻耕處理，而5～10、10～20 cm耕層全氮含量明顯低于翻耕處理[33]。關于土壤速效養分的變化，馮躍華等

[34]認為，免耕0～5 cm土層的土壤速效氮、速效鉀含量均高于翻耕處理。研究指出，免耕處理與翻耕處理相比較，耕層中速效鉀含量顯著較高，且免耕年限越久，速效磷、速效鉀含量呈現出不斷上升的趨勢[35]。

耕作引起的土壤養分變化與土壤有機質變化關系密切。研究發現，多年免耕后土壤有機質含量高于常規耕作。張志國等[19]研究發現，長期免耕秸稈覆蓋和犁耕相比，表層有機質和有機碳均顯著增加，并且隨氮肥施用量的增加而增加[36]。李友軍等[37]研究認為，深松覆蓋和免耕覆蓋均能提高土壤有機質含量，表層土壤全氮和堿解氮含量均增加顯著。與翻耕相比，深松覆蓋和免耕覆蓋在0～20 cm土層的有機質含量分別提高6.02%和3.99%，土壤全氮含量分別提高28.72%和22.34%[37]。

2.2對土壤pH的影響

耕作處理對土壤酸堿性有一定的影響。免耕處理土壤的pH顯著低于傳統耕作處理，這是由有機質分解過程中產生的中間產物和終極產物導致的。秸稈還田免耕處理土壤耕層pH明顯低于傳統翻耕土壤[13]。

3不同耕作方式對土壤酶活性及微生物多樣性的影響

土壤酶是土壤肥力的重要貢獻者，其受耕作方式、秸稈覆蓋等不同人為管理措施的影響較大。土壤耕作方式的選擇直接影響土壤酶的活性。王蕓等[38]研究表明，深松加秸稈還田后，土壤脲酶、蔗糖酶活性顯著提高，土壤氮及土壤碳的轉化也受到顯著影響。保護性耕作加秸稈還田能夠顯著提高土壤微生物量碳和活躍微生物量[38]。張麗華等[39]在黃土高原地區的研究表明，免耕結合秸稈覆蓋后，土壤纖維素分解菌的數量顯著提高，比傳統耕作高出39.7%～95.2%；免耕秸稈覆蓋土壤微生物量磷，比傳統耕作增加29.1%。劉躍光等[40]研究發現，蚯蚓數量隨著對土壤擾動的減少和作物殘茬數量的增加而上升。何玉梅等[41]在黃土高原地區的研究表明，免耕秸稈覆蓋能改善土壤真菌群落結構組成，影響土壤真菌群落的多樣性和均勻性，有利于有益真菌的大量繁殖。

4不同耕作方式對作物產量的影響

不同耕作方式引起土壤的物理、化學和生物學性質發生變化，從而對產量產生重要影響。余海英等[42]研究認為，免耕有利于作物增產，這是由于免耕可降低土壤容重、促進土壤團聚體形成，從而提高土壤蓄水能力和水分利用率，進而促進作物增產。王育紅等[43]研究表明，連續2年深松處理冬小麥比傳統耕作平均增產18.8%。方日堯[44]研究認為，保護性耕作可提高土壤蓄水保墑能力，具有秋雨春用和增產增收的作用。趙亞麗等[45]研究得出，深松與秸稈還田均可顯著增加冬小麥、夏玉米以及周年作物產量。深松和深耕的周年作物產量分別比常規耕作提高10.7%和9.8%。冬小麥產量分別提高9.2%和10.3%，夏玉米產量分別提高12.8%和9.3%。張向前等[46]研究發現，玉米產量與土壤中大部分酶活性和微生物數量都有顯著相關關系，這是因為酶活性和微生物數量對土壤肥力的影響較大，進而對農作物產量有顯著影響。而深松、深耕、秸稈還田等農業管理措施均可提高土壤酶活性，增加土壤微生物量，降低土壤容重等土壤性質，進而可提高農作物產量。張勝愛等[47]在對耕地連續進行3年免耕的試驗中得出，免耕措施并未對小麥的產量造成減產，反而仍能保持小麥產量的較高水平。秦嘉海[48]通過西北地區不同耕作與覆蓋措施對玉米農藝性狀的研究發現，與傳統耕作處理相比，免耕留茬秸稈覆蓋與免耕留茬下玉米穗粒數、穗粒重、百粒重均有所增加。

5問題與展望

不同耕作方式對土壤的物理、化學以及生物學性質產生很大的影響，進而影響到土壤保水、供水性，養分分布和供應，以及作物生長和產量的高低。但不同耕作對土壤的影響又受土壤、氣候特征的影響。少耕、免耕等措施在國外的研究中大多表現出良好的效果，但在我國一些地區，尤其是土壤黏重、有機質含量低的地區，改良土壤及增產效果并不明顯，甚至由于病蟲害的加重造成減產。近幾年，我國一些地區的土壤出現耕層變淺（犁底層上移）、表層土壤緊實、結構退化的問題。土壤表現出自調控能力下降現象，降水多則澇，降水少則旱；施肥多易倒伏，施肥少則長勢差。土壤中水肥資源利用效率低，土壤抵御氣候變化的能力下降。針對我國土壤有機質含量低、土壤結構差、水肥調控能力弱的現實，如何把免耕、深松等保護性耕作與傳統翻耕、淺耕等有效結合，根據不同地域的氣候土壤特征進行合理的耕作組合或輪耕，是生產、科研中急需思考和解決的問題。

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