深松耕和綠肥還田對云南坡耕地耕層土壤物理性狀的影響

姚高乾，周 鋒，呂小蓉，楊友瓊，程 易，吳伯志，安曈昕

（云南農業大學 農學與生物技術學院，云南 昆明 650201）

紅壤坡耕地是云南省重要的耕地資源之一，該區域水、熱、光資源豐富，作物生產潛力巨大，是云南重要的農業生產區域［1］。由于長期以來農戶不重視養地及盲目整地，紅壤坡耕地面臨有效耕層變淺、犁底層加厚、土壤板結程度高和地力衰減等問題，導致農業生產力下降［2］。耕層是人類為了栽培作物，利用耕作工具對土壤進行擾動，耕層厚度是影響土壤物理性狀變化的重要因素，肥沃耕層構建能夠改善土壤結構［3-4］。研究紅壤坡耕地土壤耕作方式對耕地質量的調控及提高坡耕地生產地力水平具有重要意義。傳統的耕作是對土壤進行多次翻耕，這樣可以快速去除混合作物留茬，促進養分利用，但造成耕層團聚體破壞程度加大，導致耕層結構穩定性減弱，從而使得耕層變薄［5］。近些年隨著保護性耕作措施的發展，免耕成為廣泛推廣的方式［6］，大量研究表明，免耕能提高土壤結構穩定性，減少耕層破壞，但若長期免耕會導致耕層變淺，土壤容重、緊實度、剪切力不斷增加，從而不利于作物生長發育［7］。針對不同耕作措施對坡耕地農業生產帶來的影響，許多學者主要從坡耕地土壤理化性質和作物產量等方面進行研究［8-10］。徐迪等［10］通過平原地區試驗發現，深松耕處理顯著降低土壤容重，增加孔隙度，耕層土壤水分傳導性得到改善。丁昆侖等［8］通過比較試驗發現，深松耕可以打破犁底層，增加孔隙度，提高蓄納雨水能力以及粘土入滲能力，從而提高玉米產量。黃尚書等［9］通過坡耕地區域試驗發現，壓實導致含水量、孔隙度等土壤物理性質產生負面影響，進而影響作物產量，深松耕對表層土壤物理性狀改善效果較好，避免機械壓實聯合深松耕是緩解農業生產的突破口。

但是隨著對耕作技術研究和應用的深入，以不同耕作方式與秸稈還田對土壤物理性狀的影響研究居多［11-12］，耕作方式與其他種植措施的集成技術研究較少，坡耕地耕層結構退化及質量下降需要從多方面進行修復，單一耕作方式不僅不能促進作物增產，反而會對土壤生態造成不利影響［13］。探究耕作方式、秸稈還田和多樣性種植復合措施對土壤結構的改善和農業生產具有一定的影響。前人對此有一定的研究，叢聰［14］研究表明，深松20 cm+翻耕20 cm并增施牛糞能增加深層土壤孔隙度且提高土壤持水與導水能力，維持整個生育期的作物生長。韓成衛等［15］研究表明，深松+秸稈還田耕作模式的松土保墑和玉米增產效果最好。王琦明等［16］研究表明，間作集成免耕秸稈覆蓋的農田復合生產系統降低作物單位耗水，持續改善土壤蓄水能力。張曉艷［17］研究表明，免耕秸稈覆蓋下間作種植復合技術能降低土壤容重、緊實度，提高孔隙度，減少土壤團聚體的破壞率。適宜的耕作措施及種植方式對耕層結構改善及作物產量的提高具有重要實踐意義，間套作與保護性耕作具有互惠互補的生態學“契合基礎”，將二者集成于同一個系統，不僅可以改善耕層結構，降低土壤容重、緊實度等物理性狀，還可以實現集約化農作對耕地資源與水資源的高效利用［18］。

本試驗以滇東北地區長期規模化的種植模式玉米間作馬鈴薯為研究對象，集成應用綠肥還田與深松耕技術，重點研究長期不同措施對土壤緊實度、容重、剪切力等物理性狀的影響，探究玉米間作馬鈴薯生產系統中適宜的土壤耕作措施，為坡耕地合理耕層持續性改善及農業可持續發展提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于宣威市板橋鎮試驗基地，海拔1923 m，E 104°1′19″，N 26°7′26″，為典型的喀斯特沙性紅壤地區。試驗地土壤pH為6.71，有機質44.02 g·kg-1，全氮1.86 g·kg-1，堿解氮78.76 mg·kg-1，有效磷130.1 mg·kg-1，速效鉀158.9 mg·kg-1。該試驗區地處云貴高原，屬南溫帶高原季風氣候，年平均氣溫13.4 ℃，年降水量為934.41 mm，降水集中在6～8月，占全年降水量的55.9%。

1.2 試驗材料

玉米（Zea maysL.）：宣黃單8號；馬鈴薯（Solanum tuberosumL.）：宣薯2號；光葉紫花苕（Vicia villosa RothvarL.），來自當地農家種子。

1.3 試驗設計

試驗采用單因素隨機區組設計，共設置6個處理：T1.玉米單作；T2.玉米/苕子；T3.玉米‖馬鈴薯；T4.玉米‖馬鈴薯/苕子；T5.深松耕+玉米/苕子；T6.深松耕+玉米‖馬鈴薯/苕子。每個處理4次重復，共24個小區，小區坡度為6～8°。各小區面積70 m2（20 m×3.5 m），各小區間隔0.5 m，合計1680 m2。深松處理于每年2月下旬進行，間隔深松深度40 cm，所有處理小區均進行旋耕15 cm土壤耕作。

1.4 作物種植

田間作物種植示意圖如圖1，玉米單作種植規格為：寬窄行處理，行距為40 cm+80 cm，株距為20 cm，密度為82500株·hm-2；間作玉米種植規格為：寬行距為140 cm，窄行距為50 cm，間距為50 cm，株距為20 cm，密度為52500株·hm-2；間作馬鈴薯種植規格為：間作玉米140 cm寬行距中，行距為50 cm，間距為40 cm，株距為35 cm，密度為28500株·hm-2。光葉紫花苕采用種子直播，播種量為120 kg·hm-2。

種植方式：馬鈴薯采用打塘穴播，播種時間分別為2016年3月22日、2017年3月12日、2018年4月1日和2019年3月18日；玉米采用覆膜溝播種植，先覆膜（地膜為可降解黑膜）后播種，播種時間分別為2016年4月13日、2017年4月2日、2018年5月1日和2019年8月25日；光葉紫花苕采用種子直播，在馬鈴薯收獲后進行套種，播種時間分別為2016年9月14日、2017年9月27日、2018年9月15日和2019年8月25日。

1.5 土壤物理性狀及測定方法

土壤緊實度：采用英國制造的6120指針式土壤緊實度儀，按照“S”型隨機觀測法測點，測取0～20 cm土層。于玉米苗期、抽雄期、收獲期進行測定，各處理進行3次重復。

土壤容重：在玉米苗期及收獲后分別采用環刀法測定土壤容重。每個小區選取中間位置挖取土壤坡面，然后采用環刀分別取0～10、10～20 cm兩層土壤樣品，稱重后將環刀置于烘箱中，在105℃下烘干至恒重，倒出烘干后的土壤，稱取單個環刀質量。土壤容重通過如下公式計算：

式中：ρb為土壤容重（g/cm3）；m1為環刀烘干土樣與環刀質量（g）；m2為環刀質量（g）；v為環刀容積（cm3），為100 cm3。

土壤剪切力：在玉米苗期和收獲期，同一區組內沿同一等高線挖取坡面，并用小刀撥出一平面，分0～10、10～20 cm兩層進行測量。采用荷蘭產的便攜式14.10 Pocket Vane Tester型三頭抗剪儀進行測量，該儀器備有3個旋頭，本試驗均采用CL102型號（小號）。測定時垂直向下，盡量保持原狀土結構，分坡上、坡中和坡下測定，各處理3次重復。

1.6 試驗數據處理

用Excel 2010和SPSS 25.0軟件對所得的數據進行計算、整理、統計分析，利用Duncan法對數據進行差異性檢驗。

2 結果與分析

2.1 不同處理對耕層土壤緊實度的影響

土壤緊實度是影響作物根系扎根力的重要因素，也是判斷土壤耕層質量優劣的重要指標。但土壤緊實度受土壤耕作方式和降雨強度影響較大［19-20］，采取時間節點分析不同處理對土壤緊實度的影響。由表1可知，土壤緊實度4年規律總體表現為T6＜T5＜T4＜T3＜T2＜T1。

2016年玉米收獲期，T1、T2、T3與T4的土壤緊實度分別較T6高出20.45%、21.41%、15.01%和12.94%；且T6與T1、T2土壤緊實度差異極顯著（P＜0.01），T6與T3差 異 顯 著（P＜0.05），與T4差異不顯著。2017年玉米收獲期，T6與對照T1相比，土壤緊實度減少15.06%，且差異顯著（P＜0.05），與其他處理差異不顯著。2018年玉米收獲期，T1、T2、T3與T4的土壤緊實度分別較T6高44.56%、45.93%、40.02%和36.37%；且T6與其他處理均達到極顯著差異（P＜0.01），T1與T2差異不顯著，T3與T4差異不顯著。2019年玉米收獲期，T6與T1、T2相比，土壤緊實度分別減少16.75%、12.06%，且差異極顯著（P＜0.01），與其他處理差異不顯著。經過4年連續耕作發現，深松耕、綠肥還田、間作集成技術較其他處理，不同年份不同時期均能降低土壤緊實度，有利于土壤疏松多孔，促進根系扎根。

2.2 不同處理對耕層土壤容重的影響

由表2可知，不同處理對不同耕層土壤容重影響差異不一致，對0～10 cm土壤容重影響最小，無論是苗期還是收獲期各處理間差異均不顯著。對10～20 cm土壤容重的影響達到了顯著水平（P＜0.05），無論是苗期還是收獲期，土壤容重規律表現為T6＜T3＜T4＜T5＜T1＜T2。在10～20 cm土層中，2016年玉米收獲期，T6與T2相比，土壤容重降低9.07%，且差異顯著（P＜0.05），T6與其他處理無顯著差異；2017年玉米收獲期，T6與T1、T2相比，土壤容重分別降低7.00%和9.74%，且差異顯著（P＜0.05），T6與其他處理無顯著差異；2018年玉米收獲期，T6與T1、T2相比，土壤容重分別降低3.86%和4.58%，且差異極顯著（P＜0.01），T6與其他處理無顯著差異；2019年玉米收獲期，T6與T1、T2相比，土壤容重分別降低3.17%和3.94%，T6與T1、T2、T4差異顯著（P＜0.05），T6與T3、T5無顯著差異。說明經過4年連續耕作，在10～20 cm土層深松耕、綠肥還田、間作集成技術與其他處理相比，降低了土壤容重。

由表2還可以看出，雖然不同的處理對不同深層土壤容重的影響不一樣，但隨著土層深度的增加，土壤容重增加明顯，對比不同年份不同時期不同耕層土壤容重的變化可以發現，隨著處理開展之后時間的延長，表現出后期土壤容重大于前期，但深松耕、綠肥還田、間作集成技術能明顯緩解土壤容重隨著時間的增加而變大的趨勢。

2.3 不同處理對耕層土壤剪切力的影響

由表3可知，不同處理對不同耕層土壤剪切力影響差異不一致，對0～10 cm土壤剪切力影響最小，隨著年份的增加，差異不顯著。對10～20 cm土壤剪切力的影響在玉米苗期均達到了極顯著水平（P＜0.01），土壤剪切力規律表現為T6＜T5＜T3＜T4＜T1＜T2。在10～20 cm土層中，2016年玉米苗期，T1、T2、T3與T4的土壤剪切力分別較T6高出24.36%、38.99%、41.40%和43.89%；且T6與T4土壤剪切力差異極顯著（P＜0.01），T6與T1、T2、T3差異顯著（P＜0.05）；2017年玉米苗期，T1、T2和T4的土壤剪切力分別較T6高出91.26%、134.19%和42.93%，且差異顯著（P＜0.05），與其他處理差異不顯著；2018年玉米苗期，T6土壤剪切力最小，T1土壤剪切力最大，且T6與其他處理均差異極顯著（P＜0.01）；2019年玉米苗期和收獲期，T6與T1、T2相比，土壤剪切力平均值分別減少24.39%和26%，且差異極顯著（P＜0.01）。說明經過4年連續耕作，在10～20 cm土層中，深松耕、綠肥還田、間作集成技術與其他處理相比，降低了土壤剪切力。

表2 不同處理耕層土壤容重方差分析 （g/cm3）

表3 不同處理耕層土壤剪切力方差分析 （kg/cm2）

由表3還可以看出，雖然不同的處理對不同年份不同深層土壤剪切力的影響不一樣，但隨著土層深度的增加，土壤剪切力增加明顯，對比不同年份不同時期不同耕層土壤剪切力的變化可以發現，隨著處理開展之后時間的延長，表現出后期土壤剪切力大于前期，但深松耕、綠肥還田、間作集成技術能明顯緩解土壤剪切力隨著時間的增加而變大的趨勢。

3 討論

深松耕、綠肥還田和間作集成技術隨著連年處理，土壤緊實度、剪切力和土壤容重都不同程度降低，其中土壤緊實度表現最明顯，在玉米收獲期，集成技術與對照相比，4年分別降低16.98%、15.06%、30.82%和16.75%，這與王萬寧［21］、孔曉民等［22］、蔡麗君［23］、李霞等［24］、張麗等［25］的試驗結果相似，即深松耕與旋耕相比，均能降低土壤緊實度，是改善耕層結構的有效措施，主要原因是試驗前經過深松耕作，打破犁底層，土壤物理性狀引起土壤結構較大變化，而旋耕深度15 cm左右，導致深層結構變化較小，對緊實度的影響較小。本試驗通過技術集成，不僅將深松耕打破犁底層作用體現出來，而且利用間作馬鈴薯收獲過程中對土壤耕層進行破壞，降低了土壤緊實度，但目前并無相關文獻研究關于馬鈴薯收獲過程對土壤緊實度的影響，需要進一步驗證。

本研究表明，通過技術集成可以降低10～20 cm土層容重，在玉米收獲期表現顯著，集成技術與對照相比，4年分別降低4.60%、7.00%、3.86%和3.17%，這與徐永剛等［26］、戰秀梅等［27］、王萬寧等［28］、劉衛玲等［29］的試驗結果一致，即深松耕降低土壤容重，提高土壤孔隙度。劉衛玲等［29］認為雖然深松耕可以降低土壤容重，但單一深松耕作會使耕層土壤的持水能力下降，引起作物吸水能力不足。但本試驗通過集成技術不僅降低土壤容重，而且通過間作及綠肥還田能夠充分利用耕層田間持水量，這與徐永剛等［26］試驗結果一致。并且該技術集成也保持良好的土壤容重范圍［1］，宋鴿等［1］認為坡耕地合理耕層適宜性閥值土壤容重為0.92～1.21 g/cm3，本試驗土壤容重為1.04～1.37 g/cm3。同時在本研究中，土壤剪切力的表現規律與土壤容重保持一致，集成技術與對照相比，在玉米苗期，10～20 cm土壤剪切力4年分別減少19.59%、47.72%、23.4%和28.31%。因此，通過技術集成可以持續改善土壤耕層結構，提高耕地質量。

前人的研究結果主要集中在單一土壤耕作方式或深松耕與秸稈還田量對土壤容重、緊實度、含水量等物理性狀的影響［30-31］，而本試驗以滇東北長期規模化種植模式（玉米間作馬鈴薯）為研究對象，將其與深松耕和綠肥還田結合并集成應用相關技術措施，不僅可以降低土壤容重、緊實度和剪切力等物理性狀，而且還增加間作群體產量。這與趙曉宇［32］、張文超［33］的研究結果一致，復合種植技術集成可以發揮各自優勢并催生彼此間的協同效應，減少土壤容重、緊實度，增加土壤含水量，改善耕層結構。除此之外，土壤深松耕、作物間套復種多樣性種植復合技術也有利于作物生長發育、提高作物產量效益、坡耕地水土資源的利用和保護［31，34-37］。因此，本試驗集成復合技術有利于坡耕地合理耕層構建及山區農業可持續發展。

4 結論

經過4年生產周期試驗，得出如下結論，深松耕+玉米‖馬鈴薯/苕子這一復合技術能降低土壤容重、剪切力和緊實度，并且通過連續耕作，該復合技術對玉米后期土壤容重、剪切力和緊實度等土壤物理性狀影響顯著。因此，這一復合技術適于山區坡耕地土壤耕層持續改善及農業持續發展。