耕作方式對褐土土壤養分及作物產量的影響

何 靖

(1.陜西地建土地工程技術研究院有限責任公司，陜西 西安 710075； 2.陜西省土地工程建設集團有限責任公司,陜西 西安 710075； 3.自然資源部 退化及未利用土地整治工程重點實驗室，陜西 西安710075； 4.陜西省土地整治工程技術研究中心，陜西 西安 710075)

土地是人類生產生活的根本，耕地是人類生命物資來源的基礎和必須品。隨著我國經濟社會的快速發展，城市建設、工業用地等非農用地不斷蠶食農業用地，土地資源成為炙手可熱的稀缺資源。為此，中央出臺了“18億畝耕地紅線”與土地復墾、土地整治、治溝造地等實現耕地“占補平衡”舉措，保障我國耕地面積。新增耕地由于土壤質量大多不高，致耕種較難或產出較低，需通過多種方式進行熟化培肥后才能滿足生產要求，其中耕作方式是生產中最重要、最原始的改善耕地質量、提升產出率的措施。目前，我國諸如免耕、深松、翻耕、旋耕等多種耕作方式并存，且均可改善土壤特性[1]，但因不同的耕作方式對土壤的擾動和強度不同，進而對土壤理化性質和生物性狀的影響差異較大[2]。如長期單一的旋耕方式會導致耕層變淺、犁底層加厚、土壤容重增大、耕層有效土量減少、土壤養分表聚等[3-4]；免耕雖有保土、增肥、增產等作用，但長期免耕會導致土壤緊實化、養分表層化現象加劇及耕作層變淺[5-6]；深松能夠有效地打破土壤犁底層限制，降低土壤緊實化和容重[7]，增加疏松耕作土層厚度，促進作物根系生長，提高作物產量[8-9]；深耕在打破犁底層限制的同時，減少養分表聚[10]、土傳病蟲害的傳播[11]，但長期深松、深耕也易造成土壤結構破壞，降低土壤肥力。隋鵬祥等[12]研究了耕作方式和秸稈還田對土壤養分的影響，指出翻耕、旋耕與秸稈還田組配能夠提高土壤表層養分含量。還有研究表明，免耕、深松、翻耕3種耕作方式組合、輪換耕作，能夠有效地克服長期單一耕作方式的缺陷[13]。為此，筆者采用免耕、深松、翻耕3種耕作方式組合、輪換，探討了其對關中平原新增耕地生土快速熟化的作用，現將結果報道如下，以期為我國新增耕地快速熟化提供借鑒。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗在陜西省土地工程建設集團秦嶺野外監測中心站生土快速熟化技術集成研究試驗區進行。試驗區地處東經107°54′5′′、北緯34°8′25′′，位于陜西省關中平原西部，南依秦嶺，北臨渭水，屬黃河中游川塬溝壑區，為暖溫帶大陸性半濕潤氣候，年平均氣溫12.9℃、降水609.5 mm、日照2 015.2 h、無霜期218 d。種植制度主要為冬小麥、玉米輪作，一年兩熟。土壤為黃土母質發育的褐土，剖面構型為A11-A12-Ab-Bt-Bk型。

1.2 試驗設計

試驗共設4種組合耕作方式(表1)，每種方式小區面積33 m2(長6 m×寬5.5 m)、重復3次，每小區間隔60 cm。

表1 試驗設計的耕作方式

1.3 試驗操作方法

耕作方式試驗小區土壤均用取自當地的生土鋪覆、人為機械壓實、靜置1年，后按設計操作。供試土壤為粉壤土，pH為8.10，電導率為139.90 μS/cm，速效鉀含量147.21 mg/kg，有效磷含量19.33 mg/kg，全氮含量0.69 g/kg,有機質含量3.18 g/kg。根據耕作方式的不同，在每季作物播種前，采用人工方式(因小區面積限制)對試驗小區土壤進行深松或翻耕。其中：深松的深為25～30 cm，翻耕的深為20～22 cm，深度誤差±2 cm；免耕的為覆蓋耕作，作物收獲后秸稈運抵集中處理場處理。

試驗小區作物種植：第一季為2017年6—10月種植夏玉米，第二季為2017年10月至2018年6月種植冬小麥，第三季為2018年6—10月種植夏玉米。

試驗小區夏玉米施肥按陜西省農業農村廳推薦的農田氮、磷、鉀肥施用量進行。施用量均為N 150 kg/hm2、P2O5120 kg/hm2、K2O 90 kg/hm2，肥料為尿素、磷酸二銨、氯化鉀。試驗小區采用定量滴灌方式灌溉，保證夏玉米和冬小麥生長所需水分。其他管理如施藥等均一致。

1.4 指標檢測

土壤養分是土壤肥力的重要指標，土壤養分含量的多寡一般決定了作物產量的高低。土壤有機質等養分含量和作物產量是表征土壤熟化程度的重要指標[18]。因此，試驗各耕作方式的差異采用土壤有機質等養分含量和玉米產量指標進行評價。

土壤養分：各耕作方式均在2018年10月第三季夏玉米收獲后，用土鉆按對角線法每小區鉆取3鉆0～20 cm耕層土壤，混合制備成土樣，測定土壤有機質、陽離子交換量、全氮、有效磷和速效鉀含量。

玉米產量：第三季夏玉米收獲時，各小區剔除邊行玉米植株，清點并校正田間玉米實有株數；各小區選取中間2行收獲，統計穗數；各小區隨機選擇3個樣點，每個樣點每3穗取1穗，統計穗粒數、百粒重等。玉米(理論)產量按株數×結穗率×穗粒數×百粒重/100 000計算。

2 結果與分析

2.1 耕作方式對土壤有機質和陽離子交換量的影響

由表1可知，各耕作方式土壤有機質含量為7.66～8.94 g/kg，均值為8.23 g/kg，變異系數為0.059，不同耕作方式的土壤有機質含量差異較小、數值穩定；土壤陽離子交換量(CEC)為14.83～15.13 cmol/kg，均值為15.00 cmol/kg，變異系數為0.008，不同耕作方式的土壤陽離子交換量差異較小、數值穩定。表明土壤有較強的保肥、酸堿緩沖能力[14]。各耕作方式中，A4的土壤有機質含量和CEC最大，其次為A1、A3、A2，表明不同耕作方式對土壤有機質含量和CEC有一定程度的影響，但影響程度較小。

與初始土壤有機質含量比較，A1、A2、A3、A4耕作方式有機質含量分別提高了163.52%、140.88%、149.37%和181.13%，有效改善了土壤有機質含量，其中A4耕作方式提升效果最為明顯。

與試驗區當地全國第二次土壤普查的耕地土壤有機質和CEC值比較，各生土熟化試驗小區的土壤有機質含量均低于當地耕地土壤有機質含量，其中A1低31.9%、A2低37.7%、A3低35.5%、A4低27.3%，表明各不同耕作方式雖然對生土熟化有機質含量提高有一定的促進作用，但因熟化時間較短效果不顯著，需要較長時間進行熟化。各生土熟化試驗小區的CEC值與當地全國二次土壤普查的耕地土壤CEC值基本一致，差值在±1%左右，表明現階段生土熟化的土壤酸堿緩沖能力與當地耕作土壤相當，具有較強的保肥能力。

表2 不同耕作方式的土壤有機質含量和CEC

2.2 耕作方式對土壤氮磷鉀的影響

由表3可知，4種耕作方式的土壤全氮含量是A1

與土壤初始氮磷鉀含量比較，A1、A2、A3、A4耕作方式下全氮的含量分別降低了33.33%、27.54%、17.39%和23.19%，有效磷含量分別降低了39.11%、2.74%、33.06%和55.35%，與現有耕作方式對土壤養分影響研究不一致，需要后期進一步研究；速效鉀含量變化不一致，A1、A2、A3耕作方式下分別提高了14.35%、4.82%和24.52%，A4耕作方式下速效鉀含量降低了4.15%，其作用機理需要進一步研究。

表3 試驗耕作方式的土壤氮磷鉀含量

2.3 耕作方式對玉米產量的影響

由表4可知，A2耕作方式的玉米平均穗粒數最多，A3耕作方式的玉米穗數最多，A4耕作方式的玉米百粒重最大，玉米理論產量值排序為A4>A2>A3>A1。不同耕作方式理論產量以A1耕作方式理論產量為1個計算單位，則A2耕作方式理論產量為1.043，A3耕作方式理論產量為1.021，A4耕作方式理論產量為1.064；即：A2耕作方式下的產量較之A1提高4.3%，A3耕作方式產量較之A1提高2.1%，A4耕作方式產量較之A1提高6.4%，A4耕作方式下夏玉米的理論產量值最高，表明A4耕作方式對夏玉米產量影響最大，其次為A2，A3次之，A1耕作方式相對其他3種耕作方式對夏玉米產量的影響最小。

表4 試驗耕作方式的玉米產量

3 結論與討論

不同耕作方式下的土壤養分含量變化不同，但整體而言，均對提升土壤肥力有積極作用，與已有研究結果一致[13]。現有研究不同耕作方式對土壤理化性質的報道，主要集中于耕地土壤養分層化[5]、耕地土壤物理特性[1]等方面，本研究的目的在于提升新增耕地的土壤質量，實現生土快速熟化、滿足農業生產要求。從試驗結果看，不同耕作方式小區的土壤有機質含量小于當地土壤常規含量，而有研究表明免耕能夠提高土壤有機質含量[15-16]，后續研究中免耕措施的輪換次序和次數可適當調整；CEC明顯大于當地常規數值，表明現階段的耕作方式能夠保障生土快速熟化過程中實現CEC的增加并符合有機質和CEC的相關關系[17]；試驗區位于秦嶺峪河洪積扇臺塬區，耕地肥力等級介于7～8級，對試驗小區耕地按照《全國耕地類型區、耕地地力等級劃分》標準進行等級劃分，試驗小區CEC值均大于12.0；有機質、全氮、速效鉀含量值介于劃分標準值之間；有效磷含量基本介于劃分標準值之間(A2=18.8 mg/kg>15 mg/kg)；表明試驗小區耕地質量最低達到八類地，與實際生產相符，產量值與當地玉米產值類似且稍有富足，說明不同耕作方式進行組合形成不同的耕作方式，有助于土壤肥力的快速提升、加快生土熟化過程，使不具有生產力或生產力較低的新增耕地達到正常生產水平。

根據上述分析討論可以看出，A4耕作模式下作物產量最高，提升土壤有機質效果最好，但對于土壤氮磷鉀的提升效果均為負值，這是生土熟化研究機理方面的缺失，需要進一步研究。