耕作方式對西北旱作農田土壤特性及冬小麥產量的影響

劉世舉，張候平，李 彤，申蘭艷，徐由春，韓 娟

(西北農林科技大學 農學院，陜西楊凌 712100)

中國西北地區現有耕地面積14.48×104hm2，占全國耕地面積的11.57%，主要以旱地為主[1]。近年來，由于對土壤實行多年連續翻耕,導致表土暴露和土壤結構被破壞[2],土壤侵蝕和水土流失嚴重，土地質量日益降低，制約了該地區農業生產的可持續發展[3]。因此，如何通過適宜的耕作措施改善土壤性狀，提高土地生產力，已成為西北旱區農業生產中亟待解決的重要問題。相對于傳統翻耕方式，深松耕、免耕能夠改良土壤結構，增強土壤的蓄水保墑能力[4],減少土壤有機質的礦化分解[5]，從而提高有機質質量分數。Cheng等[6]3a雙季稻田間試驗表明，與傳統翻耕相比，連續免耕處理下土壤養分質量分數降低、體積質量增加以及土壤酸化加劇導致早晚稻產量均顯著降低。相較于傳統耕作措施，免耕少耕能夠減少氮素的損失途徑而提高土壤中全氮質量分數[7]，并能夠顯著增加土壤中有機碳質量分數[8]。張星杰等[9]研究表明，免耕3a能夠明顯提高旱作農田土壤物理性狀和化學性質，改善土壤微生物活性，進而提高土壤微生物數量。免耕還具有顯著的水土保持效應，防止土壤侵蝕[10]，但因地區、年份、降雨等存在差異[11]。趙亞麗等[12]研究表明，深松耕結合秸稈還田2a顯著提高冬小麥-夏玉米系統土壤酶活性和土壤微生物數量，進而使作物產量提高。目前關于不同耕作方式對西北旱區土壤特性及作物產量影響的研究主要集中于短期田間試驗，以長期田間定位試驗為對象，研究不同耕作措施對土壤特性以及冬小麥產量影響的報道尚不多見。本研究以西北旱區9a田間定位試驗土壤為對象，分析不同耕作方式下旱作農田土壤理化性質及冬小麥產量的長期效應，探索符合該區農業生產實際的耕作方式，促進該區農業生產可持續發展。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

長期田間定位試驗設在陜西省楊凌示范區西北農林科技大學北校區西區試驗地(34°21′N，108°10′E)，該區屬于關中平原，暖溫帶季風氣候，無霜期210 d，年均日照時數2 196 h，年均降雨量500～600 mm。試驗區土壤屬土婁土，基礎土壤有機質13.46 g/kg，全氮0.56 g/kg，速效磷18.24 mg/kg，速效鉀128.64 mg/kg，pH 7.30。

1.2 試驗設計

此試驗為2010年開始進行的長期田間定位試驗，試驗設置深松耕+秸稈還田(簡稱深松耕，CPT),用深松犁深松土壤至30～35 cm深，然后旋耕土壤表層；免耕+秸稈還田(簡稱免耕，ZT)，為保證小麥種子發芽率，淺旋0～5 cm表層土壤；常規耕+秸稈還田(簡稱翻耕，PT)，用翻靶將土壤耕到20～30 cm深，共3種耕作處理，3個小區，每小區面積 375 m2(15 m×25 m)。供試冬小麥品種為‘陜麥139’。

1.3 測試項目與方法

分別于冬小麥耕前(2016-10-18)、耕后(2016-10-19)、三葉期(2016-11-26)、越冬期(2016-12-31)、揚花期(2017-05-01)、成熟期(2017-06-16)采用五點取樣法測定每個小區0～20 cm土壤特性指標，取得的樣本用10目篩去除可見雜質,混勻后置于冰盒,于-80 ℃冰箱中保存。

1.3.1 土壤指標 參照Wang等[13]和李彤等[14]的方法測定土壤特性指標。采用烘干法測定土壤含水量；采用激光粒度儀測定土壤顆粒機械組成；用電位法測定pH；用高錳酸鉀氧化法測定有機碳質量分數；用凱氏消煮法測定全氮質量分數；用苯酚鈉-次氯酸鈉比色法測定土壤脲酶活性；用實時熒光定量PCR技術測定土壤中細菌豐度。

1.3.2 冬小麥產量 成熟后，每個小區隨機選取3個樣點(每樣點1 m2)進行小麥收獲，并數出每平方米穗數、每穗粒數，稱出千粒質量。然后根據產量三因素計算出產量。

1.4 數據處理

試驗數據均采用Microsoft Excel 2013進行處理,采用SPSS 16.0軟件中LSD法對各處理間試驗數據進行方差分析，利用SigmaPlot 12.5繪制圖表。

2 結果與分析

2.1 不同耕作方式對土壤含水量的影響

由圖1可以看出，3種耕作方式下，土壤含水量總體呈現出先減少后增加的趨勢，在揚花期降到最低。ZT處理下土壤含水量顯著高于CPT和PT處理，分別較CPT和PT提高了2.9%和 9.7%(P<0.05)。耕前和三葉期ZT處理下土壤含水量顯著高于CPT和PT，分別較CPT和PT提高了9.6%和18.4%(P<0.05)；耕后和成熟期CPT和ZT處理下土壤含水量顯著高于PT處理，分別較PT提高了8.4%和9.1%，而CPT和ZT處理間土壤含水量無顯著差異 (P>0.05)。

圖1 不同耕作方式下0～20 cm土層土壤含水量Fig.1 Soil water content in 0-20 cm soil layer under different tillage methods

2.2 不同耕作方式對土壤顆粒組成的影響

由圖2可以看出，3種耕作方式對土壤顆粒組成沒有顯著影響。隨著冬小麥的生長，CPT和PT處理土壤中黏粒質量分數總體呈現出先增大再減小的趨勢，ZT處理土壤中黏粒質量分數呈現出逐漸減小的趨勢，3種耕作方式的土壤黏粒質量分數差異不顯著(P>0.05)。耕前和三葉期ZT處理下土壤黏粒質量分數顯著高于CPT和PT處理，分別較CPT和PT提高了60.2%、 49.4%和20.0%、24.5%(P<0.05)。ZT處理下土壤中粉粒質量分數高于CPT和PT處理，分別較CPT和PT提高了5.6%和3.9%，但三者之間無顯著性差異(P>0.05)。CPT處理下土壤中砂粒質量分數高于PT和ZT處理，分別較PT和ZT提高了2.5%和10.0%，但三者之間差異不顯著(P>0.05)。

2.3 不同耕作方式對土壤有機碳和全氮質量分數的影響

由圖3可以看出，3種耕作方式下土壤有機碳(SOC)質量分數均呈現出先增加后下降再增加的趨勢。在冬小麥各生育期，CPT和ZT處理下土壤有機碳質量分數均顯著高于PT處理，分別較PT提高了40.5%和31.9%(P<0.05)，其大小規律為：CPT> ZT> PT，其中在成熟期，CPT處理下土壤有機碳質量分數達到最大值，最大值為17.2 g/kg。

圖2 不同耕作方式下0～20 cm土層土壤顆粒機械組成Fig.2 Mechanical composition of soil particles in 0-20 cm soil layer under different tillage methods

由圖4可以看出，冬小麥全生育期，CPT、ZT能顯著提高土壤全氮質量分數，CPT和ZT處理下土壤中全氮質量分數顯著高于PT處理，分別較翻耕提高了34.9%和34.3%(P<0.05)；耕前和耕后CPT和ZT處理下土壤中的全氮質量分數顯著高于PT，分別較PT提高了32.7%、 29.0%和43.0%、35.9%(P<0.05)。成熟期土壤中全氮質量分數CPT>ZT>PT，CPT處理下土壤中全氮質量分數顯著高于ZT和PT，分別較ZT和PT提高了11.8%和35.9%(P<0.05)。三葉期、越冬期和揚花期ZT和CPT處理下土壤中的全氮質量分數顯著高于PT，分別較PT提高了38.2%、51.4%、31.5%和32.1%、37.7%、 27.8%(P<0.05)，其大小規律為：免耕>深松 耕>翻耕。

圖3 不同耕作方式下0～20 cm 土層土壤有機碳質量分數Fig.3 Soil organic carbon mass fraction in 0-20 cm soil layer under different tillage methods

圖4 不同耕作方式下0～20 cm土層土壤全氮質量分數Fig.4 Total nitrogen mass fraction in 0-20 cm soil under different tillage methods

2.4 不同耕作方式對土壤pH的影響

由圖5可以看出，土壤pH受不同耕作方式的影響較為顯著，CPT、ZT處理下的土壤pH顯著低于PT土壤。3種耕作方式下，土壤pH大小規律為：PT>ZT>CPT。耕前、耕后和成熟期，PT處理下土壤pH顯著高于ZT和CPT，分別較ZT和CPT提高了1.6%、1.5%、1.9%和4.1%、4.6%、3.6%(P<0.05)，其大小規律為：PT>ZT>CPT；三葉期、越冬期和揚花期PT處理下土壤pH顯著高于ZT和CPT，分別較ZT和CPT提高了2.2%、3.4%、2.3%和1.7%、3.9%、2.6%(P<0.05)，其大小規律為：PT>ZT≈CPT。

圖中不同小寫字母表示統計檢驗5%水平差異顯著，下同 Different lowercase letters in the figure indicate a significant difference at the 5% level of statistical test,the same below

圖5 不同耕作方式下0～20 cm 土層土壤pH
Fig.5 pH of 0-20 cm soil under different tillage methods

2.5 不同耕作方式對土壤脲酶活性的影響

由圖6可以看出，3種耕作方式下，在小麥全生育期，土壤脲酶活性均呈現出上升趨勢，且其活性具有顯著差異(P<0.05)，表現為：CPT>ZT>PT。CPT和ZT處理下土壤脲酶活性分別較PT提高了14.1%和12.8%。

圖6 不同耕作方式下0～20 cm 土層土壤脲酶活性Fig.6 Urease activity in 0-20 cm soil under different tillage methods

2.6 不同耕作方式對細菌豐度的影響

由圖7可以看出，在冬小麥全生育期，細菌豐度總體表現出先增加后降低再增加的趨勢，CPT、ZT處理顯著影響了細菌豐度。與耕前相比，耕后不同耕作方式下細菌豐度都有明顯增加，隨著生育期的推進，三葉期和越冬期3種耕作方式下細菌豐度又顯著降低，越冬期之后逐漸升高，在成熟期達到最大值。耕前、越冬期、揚花期和成熟期，ZT處理下細菌豐度顯著高于CPT和PT，分別較CPT和PT提高了17.0%、33.0%、11.2%、116.1%和92.3%、58.5%、26.0%、35.7%(P<0.05)。耕后和三葉期CPT處理下細菌豐度顯著高于ZT和PT，較免耕和翻耕提高了31.8%、 39.3%和63.2%、177.4%(P<0.05)。

2.7 不同耕作方式對冬小麥產量的影響

由圖8可以看出，3種耕作方式中，CPT處理下冬小麥產量最高，為7 888.26 kg/hm2，其次是PT處理，CPT處理下冬小麥產量分別較ZT和PT提高了15.2%和7.6%。與PT相比，CPT處理能夠顯著增加冬小麥產量，分析原因可能是CPT處理下土壤理化性質得到改善，冬小麥生長在良好的土壤環境中，促進了冬小麥生長發育，最終提高了產量。

圖7 不同耕作方式下土壤中細菌豐度Fig.7 Bacterial abundance in soil under different tillage methods

圖8 不同耕作方式下冬小麥產量Fig.8 Winter wheat yield under different tillage methods

3 討 論

3.1 不同耕作方式對土壤物理性質的影響

因對土壤的擾動程度不同，導致土壤含水量出現差異。相關研究結果表明，深松耕、免耕都能顯著提高土壤含水量[15-16]，茍琪琪等[17]研究表明，深松耕分別提高了耕層10、30 cm的土壤含水量7.66%、8.74%。本研究結果表明，免耕和深松耕均較翻耕提高土壤含水量，與丁晉利等[18]的研究結果一致。究其原因可能是深松耕和免耕減小了對土壤擾動的程度，有利于形成良好的土壤結構，較翻耕有更好的儲水能力，減少農田土壤表面水分蒸發，有利于蓄集降雨。另外，秸稈覆蓋可減少土壤水分蒸散量，降低土壤通透性，從而使得土壤水分質量分數增加[19]。本試驗結果表明，3種耕作方式對土壤顆粒組成沒有顯著影響，可能是因為地表秸稈覆蓋過多減弱了雨滴對地表的擊濺作用，使雨滴動能減小，減弱了濺蝕作用[20]，造成耕作方式對土壤顆粒組成沒有顯著性差異。

3.2 不同耕作方式對土壤化學性質的影響

土壤環境的物質循環和能量轉化受耕作方式的影響很大[21]。本研究結果表明，深松耕、免耕處理均能夠顯著提高土壤中有機碳和全氮質量分數，這與Roldán等[22]、李文鳳等[23]研究結果一致。這可能是因為深松耕、免耕對土壤造成的干擾程度減小，削弱了土壤有機質的氧化和礦化分解[24]。張婧等[25]研究表明土壤有機碳與全氮的消長是一致的，深松耕和免耕可以減少對土壤的擾動，因而土壤與外界空氣接觸較少，從而減弱土壤的礦化分解速率。另外，土壤中的細菌等微生物通過對保留在地表秸稈的降解，也導致土壤中有機碳質量分數增加[26]。其次，翻耕加劇了對土壤中含有大量有機碳、全氮的大團聚體的破壞，形成了大量游離小顆粒和含有較少有機質、全氮的小團聚體，而游離小顆粒的穩定性極差，容易降解[27]，從而降低了土壤有機碳和全氮質量分數[26-27]。

土壤pH關系到土壤中營養元素的轉化及微生物區系的改變，是指示土壤肥力的重要指標。本研究結果表明，土壤pH均呈弱堿性，且相較于傳統翻耕，深松耕和免耕處理顯著降低了土壤pH，這可能是因為秸稈腐解產生的酸性物質延緩土壤pH的增加，而且翻耕在增加土壤養分和調節土壤酸堿度方面的效果低于深松耕和免耕[28]。另外，可能是土壤中有機質分解過程中產生的CO2使得土壤pH降低[29]。其次，可能是因為深松耕和免耕處理下提高了土壤含水量進而導致土壤pH降低[30]。

3.3 不同耕作方式對土壤生物特性的影響

耕作措施對脲酶的活性有顯著的影響，特別是傳統鏵式犁的使用使脲酶活性在所有土層均降低[31]。本研究結果表明，深松耕能夠顯著增加土壤脲酶活性，較翻耕提高了14.1%，這與Roscoe等[32]、趙亞麗等[12]的研究結果一致。這可能是因為深松耕能夠打破犁底層，改善土壤通氣狀況，促進根系生長以及還田的秸稈本身帶入的大量微生物增加了土壤酶的來源[33-34]。另外，可能是長期實行深松耕，土壤中物質循環和轉化能力增強[21]，使得土壤中營養物質的循環增強，從而提高了土壤中脲酶活性[35]。

耕作方式能夠顯著影響土壤中微生物豐度。梁金鳳等[36]研究表明，土壤深松耕能夠增加土壤中細菌對土壤耕層微生態環境的適應性，提高細菌總量。本研究結果表明，深松耕、免耕處理顯著增加細菌群落的豐富度，分析其原因可能與土壤養分及土壤物理化學性質等綜合因素有關[9,14]，如水分、空氣、酸堿度等。另外，可能是耕作措施減少了對土壤的擾動，使得土壤透氣性增加，供給細菌以適宜的生存環境，從而使其豐度增加。其次，免耕處理下脲酶活性的提高直接影響植物對N的吸收，促進N的轉化。因此，土壤脲酶活性的提高也能間接提高土壤微生物的活性。

3.4 不同耕作方式對冬小麥產量的影響

本研究結果表明，與翻耕相比，深松耕與免耕下冬小麥產量效應并不一致。深松耕處理下冬小麥產量較翻耕提高了7.6%，而免耕處理下冬小麥產量較翻耕降低了7.6%(P<0.05)。分析其原因可能是深松耕可以打破犁底層[37]，改善土壤的理化性質和生物特性，尤其是在雨養生產條件下，有利于土壤貯水，提高降水入滲，增加土壤含水量，從而促進小麥根系生長及其對土壤水分和養分的吸收利用[38]，最終提高了小麥產量。而免耕方式下，產量降低的原因可能是免耕增大了麥田土壤緊實度、吸收養分的根系的生長受到抑制以及麥田其他生物對養分的競爭增大。

4 結 論

與傳統翻耕相比，深松耕處理下冬小麥產量提高了7.6%，而免耕處理下冬小麥產量降低了7.6%。此外，深松耕和免耕處理均能通過減少對土壤的擾動，顯著改善土壤水分狀況，提高土壤有機碳和全氮質量分數，增加土壤脲酶活性。深松耕通過打破犁底層，有利于冬小麥根系對土壤水分和養分的吸收，具有明顯的增產效應。而免耕處理下麥田土壤緊實度增大、抑制根系對養分的吸收，導致冬小麥產量下降。總之，深松耕在西北旱區是一種較為合理的耕作方式。