長期不同耕作措施對黃綿土體積質量和作物水分利用效率的影響

鄧超超，李玲玲，謝軍紅，彭正凱，王進斌，頡健輝，沈吉成，Eunice Essel

(甘肅省干旱生境作物學重點實驗室，甘肅農業大學 農學院，蘭州 730070)

土壤體積質量作為重要的土壤物理性質之一，與土壤孔隙度及土壤水分入滲等息息相關，土壤體積質量的增加會引起土壤性狀的惡變，如土壤孔隙度顯著減小，土壤變得堅硬，形成地表徑流，雨水難以入滲，水分利用效率低，嚴重影響作物的生長發育，從而引起產量的降低[1]。土壤物理質量的好壞源于土壤結構，并最終由耕作措施影響[2]，大量研究表明[3-4]適宜的耕作方式可以有效改善土壤結構，減少耕地表層侵蝕及延緩土壤肥力衰退等。隴中黃土高原屬典型半干旱雨養農業區，降水量年變率和季節變率大,復雜多變的自然條件和長期傳統耕作對土地的不合理利用，使該地區成為中國水土流失最為嚴重的地區，嚴重的水土流失破壞生態環境，導致該地區土壤質量下降，有限降水的利用效率降低[5-7]。保護性耕作是一項對農田實行少耕、免耕，盡可能減少土壤耕作并用作物秸稈、殘茬覆蓋地表，用化學藥物來控制作物雜草和病蟲害，從而減少土壤風蝕、水蝕，提高土壤肥力和抗旱能力先進農業耕作技術[8]。許多國內外專家通過土壤理化性狀，深入研究了不同保護性耕作措施對旱作農業耕地質量的影響，但研究結果存在差異[9-10]。劉世平等[11]研究認為，免耕措施能增加土壤體積質量，Meharban 等[12]研究指出保護性耕作與傳統翻耕相比能夠降低土壤體積質量，武際等[13]研究表明，免耕提高耕層土壤體積質量，降低土壤含水率。這些差異可能是因研究區域、供試作物、觀測時間長短等不同引起。因此，隴中黃土高原從2001年開始機械化保護性耕作研究[14]。目前，耕作措施對隴中黃土高原西部黃綿土體積質量隨時間的變化的長期響應研究較少。為此，本研究基于甘肅農業大學2001年布設于隴中黃土高原西部的不同耕作措施長期定位試驗，研究耕作措施對隴中黃土高原西部黃綿土體積質量、小麥和豌豆產量、水分利用效率的影響及其隨時間的變化，以期為該區保護性耕作措施推廣應用提供理論和技術依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

本研究依托始于2001年的長期定位試驗，于2001、2007及2014年進行。該定位試驗設在位于甘肅省定西市安定區李家堡鎮的甘肅農業大學旱作農業綜合實驗站。該區屬中溫帶半干旱偏旱區，太陽輻射量為592.9 kJ·cm-2，多年平均日照時數2 476.6 h；年均氣溫6.4 ℃，≥10 ℃積溫為2 239.1 ℃，年均無霜期為140 d；多年平均降水量為390.9 mm，年蒸發量達到1 531 mm，為典型的1年1熟雨養農業區。

試區土壤為典型黃綿土(2001年8月主要理化特性見表1)，土層深厚，土質較綿軟，質地較均勻， 貯水性能良好，2007年總降雨量454.7 mm，較多年平均降雨量多63.8 mm，春小麥和豌豆生育期降雨量分別為182.9 mm和148.1 mm，2014年總降雨量360.3 mm，較多年平均降雨量少30.6 mm，春小麥和豌豆生育期降水分別為168.4 mm和140.5 mm。2007和2014年降雨量分布見圖1。

表1 試區土壤主要理化特性Table 1 Physical and chemical properties of tested soil

圖1 2007和2014年月降雨量Fig.1 Monthly rainfall in 2007 and 2014

1.2 試驗設計

試驗采用雙序列輪作方式(豌豆-小麥、小麥-豌豆)。各序列分別設6個處理，具體為傳統耕作(T)：試驗地前茬作物8月份收獲后進行第1次耕作，8月底和9月分別進行第2、3次耕作,耕深依次20 cm、10 cm和5 cm，9月份耕后耱1次，10月份凍結前再耱1次，這是定西地區典型的傳統耕作方式 ；免耕(NT)：試驗整個階段都免耕不覆蓋，播種時用免耕播種機一次性完成施肥和播種；傳統耕作+秸稈還田(TS)：耕作方式同T，但隨第1次耕作將所有前茬作物秸稈翻入土壤；免耕+秸稈覆蓋(NTS)：整個試驗期采取完全免耕，免耕播種機一次性完成施肥和播種，收獲脫粒后的作物秸稈覆蓋再還原小區；傳統耕作+地膜覆蓋(TP)：耕作方式同T，在第2次耱后在地表覆蓋塑料薄膜，膜寬40 cm，間距20 cm，膜側種植作物；免耕+地膜覆蓋(NTP)：整個試驗階段采取免耕，覆膜及播種方式同TP。重復4次，小區面積80 m2(4 m×20 m)，隨機區組排列。試驗春小麥品種為‘定西40號’，豌豆品種為‘綠農2號’。春小麥播量187.5 kg·hm-2；豌豆播量180 kg·hm-2。麥行距20 cm，豌豆行距24 cm，播深均為7 cm。春小麥播期為每年3月中旬，7月下旬至8月上旬收獲；豌豆于4月上旬播種，7月中、下旬收獲。小麥各處理施氮105 kg·hm-2，P2O5105 kg·hm-2(尿素+二銨)；豌豆各處理施氮20 kg·hm-2，P2O5105 kg·hm-2，播種時作基肥混施。作物生長期田間雜草人工拔除，休閑期用2，4- D 丁酯與草甘膦除去。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 土壤體積質量 春小麥、豌豆收獲后，采用環刀法[15]測定0～5 cm、5～10 cm和10～30 cm土壤體積質量。

1.3.2 土壤總孔隙度 土壤總空隙度=(1-土壤體積質量/土壤密度)×100%。式中，土壤密度取值2.65 g·cm-3。

1.3.3 土壤水分 測定播前和收后土壤含水量，測定深度為200 cm。其中0～5 cm、5～10 cm和10～30 cm層次采用烘干法[15]測定質量含水量， TRIME水分測定儀(德國TRIME-PICO TDR)測定30～50 cm、50～80 cm、80～110 cm、110～140 cm、140～170 cm和170～200 cm層次體積含水量。

體積含水量=質量含水量×土壤體積質量

1.3.4 產量測算 各小區去除邊行單打單收，再折算成每公頃產量(Y)。

1.3.5 耗水量(ET)ET=P+W1-W2

式中，P為春小麥和豌豆生育期降水量(mm)，W1和W2分別為播前收后0～200 cm土層內的貯水量(mm)。

1.3.6 水分利用效率(WUE)WUE=Y/ET

式中，Y為籽粒產量(kg·hm-2)，ET為實際耗水量(mm)。

1.4 數據處理

采用Microsoft excel 2016對數據進行處理，用SPSS 19.0進行顯著性與統計分析。

2 結果與分析

2.1 不同耕作措施對黃綿土體積質量和總孔隙度的影響

由表2可知，耕作措施對0～30 cm土壤體積質量的影響主要集中在0～10 cm土層。豌豆-春小麥輪作序列下，2007年小麥地0～5 cm土壤體積質量NTS最低，T最高，NTS 與T差異顯著，5～10 cm和10～30 cm土壤體積質量各處理間無顯著差異。2014年0～5 cm土壤體積質量T>NT>TS>TP>NTP>NTS，NTS與T差異顯著，5～10 cm土層NTS處理土壤體積質量明顯低于T、NT、TP處理，NTS與T處理差異顯著，10～30 cm土層中，各處理間均無顯著差異。

2007年小麥地0～5 cm和5～10 cm土壤孔隙度均為NTS最大，T最低，NTS 與T差異顯著。春小麥-豌豆輪作序列下，2007年0～5 cm土壤體積質量T>TP>NT>TS NTP>NTS，NTS與T、TP差異顯著，與NT、TS和NTP 無差異，5～10 cm土壤體積質量NTS與T差異顯著，與其他處理差異不顯著，10～30 cm各處理間無顯著差異。2014年0～5 cm土層NTS處理土壤體積質量最低，NTS與T處理差異顯著，5～10 cm土層中，NTS與NT、TP差異不顯著，與T差異顯著，10～30 cm土層中，NTS與T差異顯著。

同時，以2007年和2014年同處理平均值比較，0～30 cm土壤體積質量隨保護性耕作應用年限的延長而逐漸降低。如NTS處理2001、2007和2014年0～5 cm土壤體積質量分別為1.29 g·cm-3、1.14 g·cm-3和1.03 g·cm-3。

不同耕作措施下0～30 cm土壤孔隙度發生顯著變化(表3)。在豌豆-春小麥輪作序列，2007年0～5 cm土壤孔隙度NTS與其他處理間差異顯著；5～10 cm土壤孔隙度 NTS與T、TS差異顯著，與NT、TP和NTP差異不顯著；10～30 cm土壤孔隙度NTS與T差異顯著。2014年0～5 cm土壤孔隙度NTS>NTP>TS>TP >NT> T，NTS與T差異顯著，5～10 cm土壤孔隙度 NTS與其他各處理間差異顯著，10～30 cm土壤孔隙度NTS與T差異顯著。春小麥-豌豆輪作序列下，2007年、2014年 0～5 cm、5～10 cm土壤孔隙度均表現為NTS最大，T最小，NTS與T差異顯著， 10～30 cm土壤孔隙度NTS與TS差異不顯著，與T差異顯著。

同時，以2007年和2014年同處理平均值比較，0～30 cm土壤孔隙度隨保護性耕作應用年限的延長而逐漸增大。如NTS處理2001、2007、2014年0～5 cm土壤孔隙度分別為51.32%、58.49%、61.32%。這表明保護性耕作可降低0～30 cm 土層土壤體積質量，提升土壤孔隙度；其中免耕秸稈覆蓋顯著降低0～10 cm土層土壤體積質量，并顯著提升該土層土壤孔隙度，且隨著應用年限的延長，效果更為突出。

因此，應用保護性耕作有利于土壤結構的持續改善，進而為作物增產奠定基礎，其中以免耕秸稈覆蓋效果最佳。

表22001―2014不同耕作措施下小麥和豌豆地0～30cm土壤體積質量

Table 2 Soil volumic mass of 0-30 cm in spring wheat and pea field under different tillage practices from 2001 to 2014g·cm-3

注：同列不同小寫字母表示處理間0.05水平上差異顯著，下同。

Note:Different lowercase letters indicate significant difference at 0.05 level,the same below.

表3 2001―2014不同耕作措施下小麥和豌豆地0～30 cm土壤孔隙度Table 3 Soil porosity of 0-30 cm of wheat and pea field under different tillage practices from 2001 to 2014 %

2.2 不同耕作措施下播種期0～200 cm土壤體積含水量垂直變化

不同保護性耕作措施對小麥播種期土壤體積含水量的影響主要集中在0～10 cm土層(圖2)。2007年豌豆地和春小麥地播種期0～5 cm土壤體積含水量NTS與T、NT差異顯著，5～10 cm體積含水量NTS與T、NT、TP處理差異顯著，10～30 cm各處理間不顯著。豌豆地0～10 cm土層平均體積含水量由大到小的排序為NTS>NTP>TS>TP>NT>T，NTS和NTP較T分別提高25.83%和18.09%，春小麥地0～10 cm土層平均體積含水量表現相同趨勢，NTS、NTP較T分別提高36.33%和23.31%。2014年豌豆地、春小麥地表層0～10 cm 土壤平均含水量NTS和NTP處理高，T和NT低，NTS和NTP處理與T和NT處理達顯著，10～30 cm體積含水量豌豆地NTS與T差異顯著，春小麥地NTS和NTP與T差異顯著。豌豆地0～10 cm土層平均體積含水量由大到小的排序為NTS>NTP>TP>TS >NT>T，NTS和NTP較T提高49.16%和36.47%。春小麥表現相同趨勢，NTS和NTP較T分別提高44.29%和38.71%。

因此，免耕秸稈覆蓋和免耕地膜覆蓋能有效防止土壤水分蒸發，使土壤具有較高含水量,為種子萌發及幼苗生長提供良好的環境條件。

短線表示LSD值在0.05水平上差異顯著 Short lines indicate the LSD value is significant difference at 0.05 level

2.3 不同耕作措施對豌豆和春小麥耗水量、產量及水分利用效率的影響

由于2007年作物播種后20多天無有效降水，此時作物出苗不齊，豌豆缺苗尤為嚴重，因此，2007年豌豆、春小麥產量嚴重低下。如表4所示，保護性耕作措施對作物耗水存在差異，2007年豌豆NTS處理耗水最多，NT最少，NTS與NT差異不顯著；春小麥處理T耗水最多，NTS次之， NTS與T差異不顯著。2014年豌豆NTS耗水最多，NTS與T差異顯著，春小麥也是NTS耗水最多，TP最少，NTS與TP差異顯著。以2 a平均值比較，豌豆NTS比其余各處理多消耗水分19.50 ～32.44 mm，春小麥NTS處理分別較其余各處理多消耗2.21～47.63 mm水分。

表4 不同耕作措施對耗水量、產量及水分利用效率的影響Table 4 Effects of different tillage treatments on water consumption,yield and water use efficiency

2007年豌豆產量NTS>TS>NT>NTP>T>TP，NTS與其余各處理差異顯著，NTS較T提高1.69倍。春小麥產量NTS最高，NTP次之，T最低，NTS與NTP無顯著差異，與T差異顯著，NTS、NTP較T分別提高68.09%、64.99%。2014年豌豆產量NTS>NTP>TP>TS>NT>T，NTS與NTP、TP差異不顯著，與T差異顯著，NTS較T提高34.95%。春小麥產量NTS、NTP較T分別提高53.95%、47.51%。

不同保護性耕作措施對豌豆和春小麥水分利用效率的影響基本與產量一致，NTS和NTP提高了豌豆和春小麥的水分利用效率。2007年豌豆、春小麥水分利用效率NTS比T分別提高1.63倍和68.75%。2014年豌豆和春小麥水分利用效率NTS較T分別提高77.68%和50.81%。

綜上所述，免耕秸稈覆蓋和免耕地膜覆蓋在增加作物耗水量的同時豌豆和春小麥的產量及分利用效率也隨之提高。

3 討論與結論

3.1 不同耕作措施對土壤體積質量的影響

耕作措施對土壤最顯著的影響就是引起土壤物理結構的變化[16]，但就耕作措施對土壤體積質量影響研究結果不盡一致。廖萍和黃國勤[17]研究發現，免耕秸稈覆蓋可以降低土壤體積質量，增加土壤孔隙度，改善土壤的通透性。但也有研究表明[18]，免耕與傳統耕作處理下0～10 cm土層土壤體積質量差異不明顯，且免耕地土壤體積質量略高。本研究通過連續7 a和14 a的保護性耕作定位試驗發現，保護性耕作各處理均能降低土壤體積質量，增加土壤孔隙度，且隨保護性耕作應用年限的延長，免耕秸稈覆蓋降低0～5 cm和5～10 cm土層土壤體積質量，增加土壤孔隙度效果越顯著，這與姚珍等[19]、王昌全等[20]研究結果一致，認為與傳統耕作農田相比，長期免耕能降低土壤體積質量，增加土壤總孔隙度。在農業生產中，耕層土壤體積質量的好壞直接影響著土壤肥力狀況和作物根系的發育[21]。因此，在隴中黃土高原西部旱農區實施免耕秸稈覆蓋有助于降低土壤體積質量，增加土壤孔隙度，形成良好的土壤結構；且增加秸稈覆蓋后，有利于土壤疏松多孔，為作物生長發育奠定良好土壤物理基礎。

3.2 不同耕作措施對土壤含水量、作物耗水量、產量及水分利用效率的影響

春旱突出是困擾黃土高原旱作農業的主要問題[22]，作物播種期農田土壤水分狀況不僅與降雨量的多少密切相關，而且與耕作方式以及地表裸露狀況有關[23-24]。本研究通過測定不同耕作措施下豌豆和春小麥播種期0～200 cm土壤含水量發現，免耕秸稈覆蓋和免耕地膜覆蓋0～10 cm土層平均土壤體積含水量顯著高于傳統耕作，為作物出苗提供了良好的水分環境，這與張麗華等[25]在渭北旱塬半濕潤區研究表明保護性耕作有利于土壤水分蓄存結果相似；同時研究發現，免耕秸稈覆蓋和免耕地膜覆蓋相較于傳統耕作豌豆和春小麥耗水量增加的同時產量和水分利用效率也顯著提高，但與免耕地膜覆蓋不利于降低土壤體積質量，增加土壤孔隙度，這與黃高寶等[5]和張仁陟等[10]在此同一定位試驗前期研究結果一致。其中免耕秸稈覆蓋處理2007年的豌豆、春小麥產量和水分利用效率分別較傳統耕作提高1.69倍、1.63倍和68.09%、68.75%，2014年豌豆、春小麥產量和水分利用效率分別提高34.95%、77.68%和53.95%、50.81%。其原因是長期免耕秸稈覆蓋有利于土壤體積質量降低，土壤孔隙度的提高，利于降雨下滲和蓄存[26]；而且秸稈覆蓋和免耕地膜覆蓋有效減少休閑期農田地表裸露面積，降低土壤水分蒸發，降低有限降水的無效損耗，從而提高作物產量與水分利用效率[27]。

總之，在隴中黃土高原地區推廣以免耕秸稈覆蓋為代表的保護性耕作措施，可以持續改善土壤結構，提高水分利用效率和作物產量，促進農業可持續發展。