不同耕作方式對旱地黃壤理化性質及玉米產量的影響

滕 浪， 何騰兵,2*， 曾慶慶， 林署云， 韋小了， 張 佩， 李坦東， 王立國

(1.貴州大學 農學院， 貴州 貴陽 550025； 2.貴州大學 新農村發展研究院， 貴州 貴陽 550025； 3.貴州省山地農業機械研究所， 貴州 貴陽 550025)

土壤耕作過程中，耕作器械直接作用于土壤，改變了土壤結構，為作物生長需要的水、肥、氣、熱提供了一個良好的生長環境，成為維持農業可持續發展的重要手段[1]。長期以來，旱地作物耕作方式單一，使土壤耕層變淺、土壤容重變大、土壤有機質在表層富集，作物因無法更好地吸收營養而減產。因此，以減少土壤擾動和增加秸稈還田的保護性耕作，具有保土、增肥、節水、增產和增效的作用，成為目前減肥增效的研究熱點[2-4]。基于玉米生產因土壤水分與土壤肥力利用效率差而導致的減產問題[5]，不少學者研究的保護性耕作措施對提高玉米產量已初見成效[6-7]。貴州西部地區因海拔較高，地勢陡峭坡度較大，玉米是當地的主要糧食作物，該區域是黃壤與石灰土分布交措地區，耕地以具有粘性較大的黃壤為主[8-9]，長期單一的耕作方式使土壤板結，土壤肥力下降。而貴州開展保護性耕作的研究鮮有報道[10-11]，適宜貴州西部地區的保護性耕作技術尚不成熟。因此，以黔西縣長期種植玉米的旱地黃壤為例，采用原位定點采樣，研究不同耕作方式對土壤理化性質及玉米產量的影響，為貴州西部地區提升土壤肥力及實施保護性耕作提供理論依據。

1材料與方法

1.1研究區概況

研究區位于黔西縣林泉鎮東南部，試驗地塊長期栽種玉米，冬閑旱地，面積0.43 hm2，長75 m，寬60 m，地塊間高差6 m，呈西南高東北低，土壤類型為砂頁巖風化形成的黃壤。

1.2試驗設計

試驗于2017年3月至2018年3月進行。玉米種植設傳統耕作、免耕、松耕3個處理，每處理3次重復，隨機區組排列，每個小區面積420 m2，每小區之間設0.5 m的人行橫道，地塊四周設0.5 m保護行。土壤耕作措施技術流程：1) 傳統耕作：播前除草→翻耕(鏵式犁)→旋耕(旋耕機)→耙平→播種(玉米播種機)和施肥→苗期除草、補苗→田間管理→收獲(收獲機)→秸稈還田→11月翻耕過冬；2) 免耕：播前除草→播種(玉米播種機)和施肥→苗期除草、補苗→田間管理→收獲(收獲機)→秸稈還田； 3) 松耕：播前除草→深松土壤(松耕機，三鏵深松犁)→淺旋耕(旋耕機)→耙平→播種(玉米播種機)和施肥→苗期除草、補苗→田間管理→收獲(收獲機)→秸稈還田→11月翻耕過冬，3個耕作處理小區的施肥、作物品種及其他管理措施均相同，種植規格為行距70 cm,株距25 cm。

于試驗前后對每個小區相同位置進行土壤取樣。每小區按照均等長度選取3個點，在選取的點周圍取0～20 cm土層的環刀樣，每個點取0～20 cm(表層土壤)、20～40 cm(深層土壤)的土壤約2 kg帶回實驗室分析測試。用卡尺選取試驗區中心點，在距中心點15 m和25 m處用土壤堅實度測定儀測量0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm、30～40 cm處的土壤堅實度。

1.3測定指標及方法

土壤容重、孔隙度、毛管持水量、非毛管孔隙及土壤養分均采用土壤農化常規分析方法測定[12]。土壤容重用環刀法，土壤總孔度=(1-容重/密度)，毛管持水量(田間持水量)用環刀吸水法，非毛管孔度=總孔隙度-毛管持水量，土壤pH用電位法(1∶2.5土水質量比法)，土壤有機質用油浴加熱重鉻酸鉀氧化法，土壤全氮用開氏法，土壤堿解氮用堿解擴散法，土壤速效磷用氟化銨浸提-鉬銻抗比色法，土壤有效鉀用乙酸銨浸提-火焰光度計法測定。

試驗數據采用Excel與SPSS進行統計分析。

2結果與分析

2.1土壤pH和有機質含量

由表1可知，試驗區耕地土壤pH呈酸性，pH表層土壤(0～20 cm)<深層土壤(20～40 cm)；傳統耕作表層土壤pH比試驗前下降0.05，免耕深層土壤下降0.01，松耕深層土壤下降0.04，不同耕作方式間土壤pH無差異，因此短期耕作方式轉換不會影響土壤的pH值。土壤有機質含量均以表層土壤>深層土壤，表層土壤有機質含量為松耕>免耕>傳統耕作，較試驗前分別降低4.74 g/kg、0.62 g/kg和4.36 g/kg；深層土壤有機質含量傳統耕作和松耕均升高，表現為松耕>傳統耕作，上升幅度分別為3.18 g/kg和1.35 g/kg，免耕深層耕作土壤有機質下降1.06 g/kg。

表1不同耕作方式土壤的pH值和有機質含量

注：不同小寫字母代表同土層處理間P<0.05水平下差異顯著，下同。

Note: Different lowercase letters in the same column indicate significant difference at 5% levels. The same below.

2.2土壤養分含量

由表2可知，試驗區土壤全氮、堿解氮、速效磷和有效鉀含量均為表層土壤>深層土壤。試驗前后各耕作方式間表層土壤和深層土壤的全氮含量相差不顯著；說明短期更換旱地耕作方式不會影響土壤的全氮含量。表層土壤堿解氮含量為松耕>免耕>傳統耕作，堿解氮含量相差不大；深層土壤松耕和免耕的堿解氮顯著高于傳統耕作，以松耕的含量最高，且高于試驗前，說明，松耕可使表層土壤堿解氮向深層土壤轉移，防止土壤堿解氮流失。各耕作方式表層土壤的速效磷含量均下降，降幅以傳統耕作的較高，差異顯著；深層土壤速效磷含量除免耕外，含量均上升，升高幅度為松耕>傳統耕作，說明傳統耕作與松耕使深層土壤速效磷含量升高，可以保護速效磷的流失。表層土壤的有效鉀含量各耕作方式均下降；深層土壤有效鉀含量除免耕略有下降外，傳統耕作與松耕均上升，上升幅度為松耕>傳統耕作，說明松耕與傳統耕作均可使表層土壤養分向深層轉移，防止有效鉀的流失。

2.3土壤容重及孔隙度

由表3可知，不同耕作方式試驗前后土壤容重變化差異不大，其中傳統耕作土壤容重增加0.05 g/cm3，免耕與松耕土壤容重均降低0.05 g/cm3，可知免耕與松耕可以使土壤質地變得疏松，防止土壤板結。試驗前后土壤總孔隙度差異較大，傳統耕作土壤總孔隙度降低3.66%，免耕與松耕土壤總孔隙分別上升3.03%和3.30%，說明傳統耕作可使土壤總孔隙降低，免耕與松耕可使土壤孔隙度增加，使得土壤質地變得越來越疏松。試驗后土壤毛管持水量均有所上升，上升幅度為免耕(44.59%)>松耕(11.92%)>傳統耕作(11.00%)，可知，免耕與松耕更加容易使土壤毛管孔隙中保持水分，使得土壤水分不易流失。試驗后土壤非毛管孔度均下降，傳統耕作降低26.10%、免耕降低56.47%，松耕降低7.35%，說明免耕使土壤大孔隙減小，土壤通氣能力減弱，松耕使得土壤大孔隙增加，透氣性能良好。

表2不同耕作方式間土壤的養分含量

表3不同耕作方式土壤的容重、孔隙度及毛管持水量

2.4不同土層的堅實度

由表4可知，土層0～10 cm與10～20 cm免耕與傳統耕作、松耕間土壤堅實度存在顯著差異，表現為免耕>松耕>傳統耕作；20～30 cm與30～40 cm免耕試驗區由于土壤堅實度過大，儀器無法探測到該深度土壤堅實度。傳統耕作方式10～20 cm土層和20～30 cm土壤堅實度分別升高157.50%、462.91%，免耕0～20 cm土壤堅實度升高105.74%，松耕0～40 cm每層土壤堅實度分別升高258.00%、82.39%和45.93%。說明，松耕可以使土壤耕作層加深，使得土壤變得疏松，改善土壤板結。

表4不同耕作方式不同土層的土壤堅實度

Table 4 Soil firmness in different soil layers under different tillage methods

耕作方式Farming methods土壤深度/cm Depth of soil0～1010～2020～3030～40傳統耕作 Traditional tillage31.41 b80.88 b455.28 a-免耕 No-till167.54 a344.67 a--松耕 Loose tillage43.69 b156.41 b285.87 b417.18

注：表中“-”為土壤太硬，儀器無法進行該深度數據測試。

Note: The “-” in the table indicated that the soil was too hard for the instrument to test the depth data.

2.5土壤水分含量

由圖1可知，玉米地土壤含水量壟溝>壟上，3種耕作方式下壟上土壤含水量為免耕(3.96%)>松耕(1.21%)>傳統耕作(0.96%)，壟溝為松耕(8.53%)>免耕(7.95%)>傳統耕作(7.74%)，即壟上土壤水分易向壟溝流動，以松耕壟上土壤水分轉移量最大，能夠防止玉米旱地土壤水分流失。

圖1不同耕作方式土壤的含水量

2.6玉米產量

從圖2可知，不同耕作方式下玉米產量為松耕>傳統耕作>免耕，其中，松耕是傳統耕作的1.01倍，是免耕的1.08倍，可知松耕能夠使玉米更好的吸收土壤中的養分，保障玉米更好地生長，提高玉米產量。

圖2不同耕作方式玉米的產量

3結論與討論

3.1不同耕作方式土壤的化學性質

采用不同耕作方式可以改善土壤肥力，尤其松耕改善土壤養分最為明顯，這與前人研究結果一致[10，13-14]。松耕由于耕作土層較深，使得表層腐化土壤與深層土壤發生交換，表層土壤有機質下降4.74 g/kg，深層土壤有機質含量顯著增加3.18 g/kg，與張云貴[3]、潘雅文[15]等研究結果一致，可能是松耕地上生物量增多，耕作時生物質埋在深層土壤中，導致有機質含量增加；免耕試驗區有機質含量均下降，這可能是免耕0～40 cm土壤結構基本基本無變化，導致表層生物量無法向下轉移，使土壤中有機質含量略有下降，與黃界潁[16]的研究結果一致，也有可能是滿足作物生長需要的碳源，土壤中有機質發生礦化，在土壤微生物的作用下，使土壤中有機質含量下降；試驗區中傳統耕作下表層土壤有機質顯著下降4.36 g/kg，深層土壤有機質增加1.35 g/kg，這可能是傳統耕作深度在0～30 cm內，導致表層生物質較多的土壤填埋在底層中，土壤耕作層有機含量變化較大，與何騰兵[10]的研究結果一致。因此，要保護深層土壤有機質含量，使土壤碳含量不易流失，可以加深土壤耕層深度，使表層生物質能填埋在深層土壤中，在微生物的作用下分解，使土壤中有機質含量增加，為植物生長提供碳源。

不同耕作試驗區土壤全氮含量以免耕變化幅度最大，與崔思遠等[17]、VARVEL G E等[18]研究免耕方式下對稻麥土壤中全氮含量變化規律研究一致，是因為免耕使土壤有機質下降，土壤碳氮比降低，導致土壤全氮流失。HUANG M等[19]研究發現，免耕過程中表層土壤全氮含量增加，可能是由于免耕未擾動土壤，主根生長受到抑制，側根生長加強，使根系向水平方向延伸，土壤中表層土壤養分被根系吸收利用，導致表層土壤養分含量略有下降，而深層土壤養分向表層土壤遷移，導致深層土壤全氮含量降低。松耕與傳統耕作土壤全氮含量隨著土層的加深逐漸降低，與胡春勝利等[20]不同耕作方式下秸稈還田研究結果一致，松耕使表層土壤全氮含量下降趨勢大于深層土壤，可能是由于耕作過程中表層土壤與深層土壤發生置換，致使土壤中全氮含量降低。

速效養分是是決定作物生長農田穩定輸出和生態平衡的關鍵因素[21]。研究表明，不同耕作方式下土壤堿解氮、速效磷有效鉀含量均是隨著土層深度的增加而逐漸減少，與何騰兵等[10，22]的研究結果一致。3種耕作方式表層土壤速效養分均呈降低趨勢，與楊艷[23-24]等研究結果一致，可能是玉米側根較為發達，且主要分布在表層土壤中，因吸收表層土壤的養分而導致速效養分降低。傳統耕作與松耕表層土壤中速效養分降低，可能是耕作原因使土壤養分向下遷移，與深層土壤養分有所上升相對應；3種耕作方式中松耕對土壤堿解氮、速效磷、有效鉀含量影響最大，與何潤兵[25]的研究結果一致，原因是松耕過程中土壤結構嚴重改變，使土壤水分與通氣性增加，導致土壤中養分活化率增加，進而導致速效養分含量增加，也可能是因為松耕過程中易使深層土壤與表層土壤發生交換，使得表層土壤養分降低，深層土壤養分增加。免耕不同深度土壤的堿解氮、速效磷、有效鉀含量均呈降低趨勢，與張仁陟[26-27]等的研究結果不一致，可能是由于試驗時間較短，土壤中N、P、K不能活化增加土壤中速效養分的含量，同樣也可能是由于玉米根系吸收養分導致速效養分降低。傳統耕作方式下深層土壤堿解氮流失19.15%，速效磷增長22.46%，有效鉀增長13.58%，傳統耕作方式下速效養分變化無明顯規律，影響因素較難確定。總之，在3種不同的耕作方式下，松耕能使表層土壤速效養分向深層土壤移動，有助于增長土壤肥力。

3.2不同耕作方式土壤的物理性質

已有研究表明，合理的耕作措施可以改善土壤結構和土壤容重、孔隙以及毛管孔隙，從而保障土壤的透氣性及保水率，減少水土侵蝕[7,28-29]。研究結果表明，試驗前后土壤容重及總孔隙發生了顯著差異，傳統耕作方式下土壤容重上升了0.05 g/cm3，總孔隙下降3.66%，與鄭洪兵等[30]長期定位研究傳統耕作方式對土壤容重的變化趨勢一致，可能是因為長期耕作方式單一，導致土壤硬度有增加的趨勢，使得土壤總孔隙占比下降；免耕方式下土壤容重降低0.05 g/cm3，總孔隙增加3.03%，與雷金銀[31]的研究結果一致，與馮躍華等[32]研究結果不一致，可能是由于土層未松動，玉米主根無法垂直延伸，進而側根較發達，向水平方向生長，從而導致表層土壤疏松，增加了表層土壤孔隙占比；也有學者認為，長期免耕會導致土壤板結而影響作物生長[33-34]。松耕土壤容重降低0.05 g/cm3，土壤總孔隙增加3.30%，與張麗娜等[34]研究結果一致，可能是由于松耕過程中，土壤基本結構發生了改變，使得表層土壤變得疏松，導致土壤容重降低，總孔隙增加；也有可能是松耕條件下玉米根系發達，導致土壤容重降低，孔隙增加。

保護性耕作作為一項節水增效的重要措施,能夠減少水土流失,提高土壤蓄水能力[35]，緩解我國水資源匱乏和提高農作物水分利用效率的重要途徑[36-37]。不同耕作方式之間毛管持水量與非毛管持孔度有顯著差異，3種耕作方式中毛管持水量均呈上升趨勢，且免耕>松耕>傳統耕作，與張國盛等[38-39]研究結果一致，可能是免耕方式下，僅作物生長根系及根系分泌物對土壤結構造成影響，致使土壤非毛管孔隙較小，導致土壤水分不易流失，因而保水能力較好，使得免耕條件下毛管持水量較大；傳統耕作與松耕條件下，容易使土壤結構發生變化，造成非毛管孔隙增大，增強土壤透氣性，但是不易保護土壤水分流失，與前人的研究結果基本一致[40-41]。總之，松耕與免耕能夠使表層土壤變得疏松，增加孔隙度及田間持水量，是改善旱地土壤結構與含水量的有效措施。