深松配施有機物料還田對黑土區坡耕地土壤物理性質的改良效應

叢 聰，王天舒，岳龍凱，周 璇，李玉明，堯水紅*

（1.中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所，北京 100081；2.黑龍江北大荒農業股份有限公司291 分公司農業技術推廣中心，黑龍江 佳木斯 150090）

坡耕地是東北黑土區一種典型的土地類型，占黑土區總耕地面積的60%［1-2］，因此東北坡耕地的可持續利用對黑土區乃至全國糧食生產安全起著十分重要的作用。近年來由于土地的分散經營，大動力及大型農機具在生產上的應用急劇下降，機械化深翻、深松（耕）面積越來越少，農民經常采用淺層旋耕的耕作方式，造成東北坡耕地土壤耕層變淺，犁底層加厚，土壤緊實層上移，土壤蓄水能力變差，作物根系下扎受阻，嚴重影響作物產量形成［3-4］。因此，亟需采用合理的耕作措施，保障東北坡耕地的可持續利用。

深松能夠打破犁底層，降低土壤容重，增加土壤含水量和通透性，在一定程度上改善土壤保水保墑能力；而且深松有利于作物根系生長和養分吸收，與傳統耕作相比有一定的增產效果。Feng 等［5］研究得出，深松顯著增加玉米根長、根密度及產量，與傳統旋耕相比，玉米根密度增加13.0%，產量提高3.7%。但Liu 等［6］和Botta 等［7］的研究指出，深松后土壤結構不穩定，土壤強度較低，易被再次壓實，且多年連續深松會增加深層土壤壓實的風險。因此，在實際生產中，僅采用深松不足以滿足坡耕地可持續利用的需求。

有機物的施用一方面可以減少焚燒、避免有機物資源的浪費，另一方面可以提高土壤有機質、改善土壤結構，是農業生產中改良土壤性質的有效措施之一［8］。Rasool 等［9］和Singh 等［10］研究表明，秸稈直接還田和過腹還田均可穩定土壤孔隙結構，促進水分入滲。此外，趙紅等［11］研究表明，有機物料還田還可提高土壤有機質含量，穩定土壤團粒結構，與施用無機肥相比，施用有機肥后土壤有機碳含量增加171.1%，土壤團聚體穩定性增加63.16%。因此，通過適當深松并結合不同有機物料還田的耕作措施，既能增加耕層土壤厚度，又能提高耕層土壤有機質含量，避免深層土壤壓實，改善土壤結構，為坡耕地的可持續利用提供可能。

目前僅有少量關于深松結合有機物料還田的研究，且這些研究多關注采用不同措施后土壤和作物產量的差異［12-14］，極少探討不同土壤耕作及有機物料還田方式對農田土壤性狀及水分利用效率等的交互作用。由于耕作方式對土壤的擾動程度和作業深度不同，使輸入的秸稈等有機物料在土壤中的分解轉化過程也存在很大的差異。為了解深松與有機物料組合還田對剖面土壤物理性質的改變，并探明其在玉米生長季對改土效果的持續時間，本研究選取典型黑土區坡耕地農田為試驗對象，測定3 年深松配合有機物料還田處理后，土壤含水量、飽和導水率和團聚體穩定性等物理性質在玉米生長季的變化，研究適于黑土坡耕地的合理農田管理措施，為黑土區農業可持續發展提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗地點為黑龍江省海倫市中國科學院東北地理與農業生態研究所黑土水土流失監測站（47°21′N，126°50′E），試驗地塊為東北典型的漫崗坡耕地，坡度約為3°，海拔210 m，處于溫帶大陸性季風氣候區，夏季炎熱多雨，冬季寒冷干燥，年均氣溫1.5℃，年均降水量530 mm，有效積溫2450℃，日照時間2600～2800 h，無霜期約120 d。土壤類型為黃土母質發育的典型黑土，2015 年試驗開始前0～20 cm 土壤的理化性質為pH 5.92、有機質20.16 g/kg、全氮1.53 g/kg、速效鉀226.2 mg/kg、有效磷31.3 mg/kg。

1.2 試驗設計

試驗從2015 年開始，于2017 年采樣分析。試驗采用裂區設計，耕作方式為主處理（旋耕和深松），有機物料還田為副處理（無還田、秸稈還田和牛糞還田），包括：旋耕+無還田（RT0），深松+無還田（SS0），旋耕+秸稈還田（RT1），深松+秸稈還田（SS1），旋耕+牛糞還田（RT2），深松+牛糞還田（SS2）6 個處理。其中，RT0 為當地農戶最常見的農田管理方式，將其作為其他5個處理的對照。每個處理設3 次重復，共18 個小區，每個小區面積為55 m2。

深松的深度為30 cm，采用豪豐1S-250 深松機對土壤進行松動后旋耕起壟；旋耕的深度為15 cm，采用東方紅1GQN-280K 旋耕機（農戶普及機型）對淺層土壤進行旋耕，同時起壟。旋耕處理中，按區組設計將秸稈和牛糞撒施于地表，然后旋耕混拌于土壤中；深松處理中，將秸稈和牛糞撒施于地表，深松后旋耕起壟。秸稈粉碎成約5 cm，全量還田，還田量為12 t/hm2；牛糞為玉米秸過腹后腐熟肥料，還田量為8 t/hm2。

1.3 樣品采集與測定

在玉米生育期內（苗期、拔節期、灌漿期和成熟期）動態采集土壤樣品，完成相應的指標測定。苗期根系生長尚淺，深層土壤不受根系影響，僅采集0～20 cm 土壤，拔節期、灌漿期和成熟期采樣深度均為0～30 cm。

（1）土壤孔隙度、含水量、飽和導水率：使用標準環刀（直徑5 cm、容積100 cm3），在兩株玉米之間，以10 cm 為一層采集土樣。采樣時環刀放置在每層的中間部位，每層每個處理采集6 個環刀，其中3 個用于測定土壤容重和含水量，3 個用于測定飽和導水率。

土壤孔隙度和含水量均通過容重法［15］計算，含水量=100%×（1-容重/2.65）。

飽和導水率采用恒定水頭法［16］測定，計算公式：

式中，KS為飽和導水率，cm/min；Q 為出水量，mL；t 為時間，min；L 為環刀中土壤厚度，cm；S 為環刀橫截面積，cm2；ΔH 為水頭高，cm。

（2）水穩性團聚體及平均重量直徑：在每個小區內采用棋盤式五點分層采集土樣，每個處理每層每點土樣單獨裝于硬質塑料保鮮盒帶回實驗室風干。采用濕篩法［17］測定各粒級團聚體含量并計算平均重量直徑。團聚體測定分級為＞2、0.25～2、0.053～0.25、＜0.053 mm；平均重量直徑（MWD）計算公式：

式中，Bi 為各級團聚體的平均直徑，mm；Wi為各級團聚體相應質量占土壤樣品干質量的分數。

（3）土壤貫入阻力：使用荷蘭Eijkelkamp 公司生產的土壤貫入阻力儀，測定0～50 cm 深度的土壤貫入阻力，每個小區內按棋盤式測定五點數據進行平均。

1.4 數據處理

數據處理使用Excel 2016 軟件；不同處理間的差異使用單因素方差分析（One-Way ANOVA）和最小顯著差異法（LSD）進行分析比較，統計軟件為SPSS 19.0；使用Orgin 9.0 軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 深松配施有機物料對土壤孔隙度的影響

土壤孔隙度是孔隙體積與土壤總體積的比率，是土壤的重要物理指標之一，影響土壤中水、氣、熱的交換流通及儲存。在0～10 和10～20 cm兩個土層的各處理中土壤孔隙度隨生育期呈先降低后增加趨勢（圖1）；此外，土壤孔隙度隨土壤剖面深度的增加而降低，本試驗6 個處理的土壤孔隙度各生育期平均值均表現為：0～10 cm＞10～20 cm＞20～30 cm（表1）。有機物料還田對剖面土壤孔隙度改變效果及可持續時間，因處理方式的不同而存在顯著差異。與對照RT0 相比，秸稈還田RT1 處理在灌漿期和成熟期顯著增加表層0～10 cm的土壤孔隙度；在亞表層10～20 cm 和深層20～30 cm 中，RT1 對土壤孔隙度的增加效果可由拔節期持續到灌漿期（表2，圖1）。牛糞還田RT2 相對于RT0，在苗期、灌漿期和成熟期顯著增加表層0～10 cm的土壤孔隙度；在苗期和灌漿期增加10～20 cm 土層的土壤孔隙度；在拔節期和灌漿期增加20～30 cm 土層的土壤孔隙度，但在成熟期卻顯著降低20～30 cm 土層的土壤孔隙度（表2，圖1）。

表1 各處理下不同土層的土壤孔隙度在各生育期平均值

表2 旋耕條件下有機物料還田對剖面各指標在不同生育期的影響

深松與旋耕相比對表層0～10 cm 土壤孔隙度，除無物料還田SS0 比RT0 在成熟期有顯著增加外，秸稈還田SS1 和牛糞還田SS2 與相對應有機物料還田條件的旋耕相比，各生育期上均無顯著差異（圖1 左）。深松增加亞表層10～20 cm 和深層20～30 cm 土壤孔隙度，且這一增加效果因配施不同物料而有所差異。亞表層10～20 cm 各生育期平均土壤孔隙度，無物料還田的SS0 與RT0相比增加7.07%，秸稈還田的SS1 與RT1 相比增加4.01%，且SS0 和SS1 對土壤孔隙度的增加效果均從拔節期持續到成熟期；牛糞還田的SS2 與RT2相比增加2.76%，而SS2 增加效果僅由苗期持續到灌漿期（圖1 中）。在深層20～30 cm，無物料還田的SS0 與RT0 相比增加6.96%，SS0 對土壤孔隙度的增加效果由拔節期持續到灌漿期；秸稈還田的SS1 與RT1 相比增加2.95%，而SS1 僅在拔節期和成熟期對土壤孔隙度有增加效果；牛糞還田的SS2與RT2 相比增加3.44%，但SS2 對深層20～30 cm土壤孔隙度的增加效果由拔節期持續到成熟期（圖1 右）。

2.2 深松配施有機物料對土壤含水量的影響

土壤含水量能夠反映土壤保水持水能力，對養分運移和作物生長有重要作用。土壤含水量受試驗點的氣候影響顯著，拔節期為試驗點的干旱期，因而各處理各土層拔節期土壤含水量均最低（圖2）。此外，本試驗中各處理的土壤含水量在不同土層間無明顯規律（表1）。秸稈還田RT1 處理相對于RT0，在苗期、拔節期和成熟期顯著增加表層0～10 cm 和亞表層10～20 cm的土壤含水量，增加幅度為7.32%～11.54%；對深層20～30 cm土壤含水量無顯著影響（表2，圖2）。牛糞還田RT2 相對于RT0，在灌漿期增加亞表層10～20 cm的土壤含水量，但在拔節期顯著降低20～30 cm土層的土壤含水量（表2，圖2）。

深松與旋耕相比，對表層0～10 cm 土壤含水量，除無物料還田的苗期、秸稈還田的灌漿期和牛糞還田的拔節期外，其余各處理各生育期無顯著影響（圖2 左）。在亞表層10～20 cm 中，無物料還田的SS0 與RT0 相比，各生育期平均土壤含水量增加9.30%，且增加效果由苗期持續到灌漿期，而深松配施秸稈還田的SS1 和牛糞還田的SS2分別與旋耕的RT1 和RT2 相比，除拔節期外，各生育期土壤含水量差異均不顯著（圖2 中）。在深層20～30 cm，各生育期平均土壤含水量，無物料還田的SS0 與RT0 相比增加6.4%，增加效果由拔節期持續到灌漿期；秸稈還田的SS1 與RT1 相比，各生育期平均土壤含水量增加3.96%，增加效果由灌漿期持續到成熟期；牛糞還田的SS2 與RT2 相比，僅在拔節期土壤含水量顯著增加7.39%（圖2 右）。

2.3 深松配施有機物料對土壤飽和導水率的影響

土壤飽和導水率（Ks）是反映土壤水分入滲快慢的指標，影響土壤水分的運移和儲存。土壤Ks隨生育期無明顯變化規律；但各處理的土壤Ks 隨土壤剖面深度的增加而降低，本試驗6 個處理的土壤Ks 各生育期平均值均表現為0～10 cm＞10～20 cm＞20～30 cm（表1）。有機物料還田對剖面土壤Ks 改變效果，因還田物料不同而存在顯著差異。與對照RT0 相比，秸稈還田的RT1 處理在成熟期增加深層20～30 cm 土壤Ks；而牛糞還田的RT2 在灌漿期增加表層0～10 cm 土壤Ks，在苗期增加10～20 cm 土層的土壤Ks，但在成熟期卻降低深層20～30 cm 土層的土壤Ks（表2，圖3）。

深松與旋耕相比，表層0～10 cm 除秸稈還田的苗期和牛糞還田的拔節期外，其余土壤Ks 無顯著差異（圖3 左）。在亞表層10～20 cm 中，無物料還田的SS0 與RT0 相比，各生育期土壤Ks 平均增加60.1%，增加效應由苗期持續到拔節期；秸稈還田SS1 與RT1 相比平均增加87.6%，增加效應持續整個玉米生育季；牛糞還田SS2 與RT2 相比平均增加92.5%，增加效果由拔節期持續到成熟期（圖3 中）。在深層20～30 cm，各生育期平均土壤Ks，無物料還田的SS0 與RT0 相比增加126.2%，SS2與RT2 相比平均增加125.2%，這兩種有機物配施條件下深松對土壤Ks的增加效應均由拔節期持續到成熟期；秸稈還田的SS1 與RT1 相比，各生育期土壤Ks 差異不顯著（圖3 右）。

2.4 深松配施有機物料對土壤貫入阻力的影響

土壤貫入阻力是反映耕層土壤緊實程度的指標，對調節作物根系生長和土壤養分吸收具有重要意義。本試驗中各處理的土壤貫入阻力均呈現隨土壤深度的增加而增加的趨勢，且土壤貫入阻力最大值表現為：苗期（1.76 MPa）＜拔節期（1.87 MPa）＜灌漿期（2.13 MPa）＜成熟期（2.87 MPa）。秸稈還田的RT1 和牛糞還田的RT2 處理下土壤貫入阻力在苗期、拔節期、灌漿期和成熟期均顯著小于對照RT0（圖4）。深松與旋耕相比，無物料還田條件下各生育期土壤貫入阻力SS0 較RT0 平均降低13.7%，且土壤貫入阻力顯著降低的土層為5～25 cm；SS1 與RT1 相比貫入阻力平均降低21.6%，土壤貫入阻力顯著降低的土層為0～35 cm；SS2 與RT2 相比貫入阻力平均降低24.3%，土壤貫入阻力顯著降低的土層為0～45 cm（圖4）。

2.5 深松配施有機物料對土壤平均重量直徑的影響

平均重量直徑（MWD）是土壤團聚體穩定性的指標，反映了土壤結構的優劣，對改善土壤性質有重要的作用。本試驗中各處理的土壤團聚體穩定性指標MWD 在不同土層和不同生育期間無明顯規律（表1）。秸稈還田的RT1 處理相對于RT0，在拔節期顯著增加亞表層10～20 cm的土壤MWD，但顯著降低深層20～30 cm的土壤MWD（表2，圖5）。牛糞還田的RT2 相對于RT0，在苗期和拔節期增加亞表層10～20 cm的土壤MWD，增加幅度為27.4%～40.8%；但在拔節期顯著降低20～30 cm 土層的土壤MWD（表2，圖5）。

深松與旋耕的土壤MWD，在表層0～10 cm中，無物料和牛糞還田各生育期間無顯著差異；但秸稈還田的SS1 與RT1 相比，平均增加21.3%，且這一增加效應持續整個玉米生長季（圖5 左）。在亞表層10～20 cm，無物料和牛糞還田的處理，除拔節期外其余各生育期，深松與旋耕間的土壤MWD無顯著差異；但秸稈還田的SS1 與RT1 相比，平均增加23.1%，且這一增加效應也持續整個玉米生育季（圖5 中）。20～30 cm 土層，無物料還田的SS0 與RT0 相比，僅在灌漿期土壤MWD 有顯著差異；秸稈還田下SS1 與RT1 相比，在灌漿期和成熟期土壤MWD 均有顯著差異；牛糞還田下SS2與RT2 相比，各生育期的土壤MWD 均無顯著差異（圖5 右）。

3 討論

3.1 深松對土壤物理性質的影響

深松耕作由于比傳統旋耕作業深度更深，對深層土壤的擾動程度大，且不翻轉土層，因此能夠影響深層土壤的物理性質。本試驗中玉米采用壟作方式種植，表層0～10 cm 土壤均經過旋耕起壟處理，無物料還田的深松和旋耕處理間，土壤孔隙度、含水量、飽和導水率、團聚體穩定性除個別生育期外均無顯著差異。本研究中發現深松顯著增加亞表層10～20 cm 和深層20～30 cm的土壤孔隙度和含水量，這是由于旋耕處理作業深度較淺，未影響到10～20 和20～30 cm 土層，并且由于機械壓實使其土壤變緊實，土壤孔隙空間變小，持水性降低［18］。楊永輝等［19］研究發現，深松與常規耕作相比更利于土壤水分就地入滲，能夠顯著提高10～50 cm 土壤飽和導水率。本試驗中深松后土壤飽和導水率在各時期亞表層10～20 cm 和深層20～30 cm的土層均顯著提高，這是由于深松后增加了深層土壤的透水性大孔隙，因此提高了水分的導水入滲能力。有研究表明深松能夠打破堅硬的犁底層，降低土壤緊實程度［20］，本研究結果顯示深松顯著降低土壤貫入阻力，與前人研究結果一致。

3.2 有機物料還田對土壤物理性質的影響

有機物料還田可以改善土壤理化性質，增加土壤養分含量及提高水肥利用效率。研究表明秸稈還田可提高土壤的孔隙空間和持水孔隙，增加土壤貯水量［21］。本研究中發現：秸稈及牛糞還田增加0～30 cm 土壤孔隙度；增加表層0～10 cm 和亞表層10～20 cm 土壤含水量，但降低深層20～30 cm 土壤含水量；在少數生育期改變土壤飽和導水率。可見，秸稈還田能夠起到疏松土壤、增強蓄水能力、促進水分入滲的作用，這與溫美娟等［22］的研究結果相同。有機物質是良好的有機膠結劑，能夠膠結較小的團聚體并促進大團聚體的形成，改善土壤結構［23］，大量研究［24-27］指出，秸稈還田與未還田處理相比可顯著提高耕層土壤水穩性團聚體含量及平均重量直徑。張麗娜等［28］也研究發現，深松能夠提高＞0.25 mm 團聚體含量，增加土壤團聚性。本研究發現，深松在秸稈和牛糞還田條件下，能顯著增加亞表層10～20 cm 土壤團聚體平均重量直徑，提高團聚體穩定度，形成良好的土壤結構，這與張麗娜等［28］研究結果一致。在整個生育期秸稈及牛糞還田均顯著降低土壤的貫入阻力，這是由于有機物料還田后，對土壤起到疏松作用，進而降低土壤緊實性［29］。

3.3 深松配施有機物料還田對土壤物理性質的影響

本研究中，深松配施秸稈和牛糞還田能增加亞表層10～20 cm、深層20～30 cm 土壤的孔隙度和深層土壤的含水量，提高10～30 cm 土壤飽和導水率，這表明深松配施有機物料還田有疏松土壤、增強蓄水和水分入滲的作用［30-31］，且這一效果可持續至成熟期，持續時間長于單獨深松或單獨有機物料還田的處理。本研究發現深松配施秸稈還田處理可顯著增加各生育期0～20 cm 土壤大團聚體含量及平均重量直徑；深松配施牛糞還田在拔節期顯著增加0～20 cm 土壤平均重量直徑；而在灌漿期和成熟期無顯著影響，可能是由于牛糞在玉米生育前期完全分解，致使后期無有機質的輸入，導致處理間團聚體穩定度無差異，這一結果說明了深松配施秸稈還田對土壤結構的改善效果優于深松配施牛糞還田處理。此外，本研究還發現深松配施秸稈和牛糞還田后土壤貫入阻力降低21.6%～24.3%，所影響的耕層厚度（35～45 cm）大于深松無物料還田的處理（25 cm），且這一耕層增厚效益持續整個玉米生育季。這進一步表明深松配施有機物料還田能在一定程度上增加耕層土壤厚度，改善土壤結構［31-32］。

4 結論

深松配施有機物料技術在維護表層0～10 cm土壤物理性狀穩定的情況下，將有機物料還田入亞表層10～20 cm 和深層20～30 cm 土壤，顯著地增加10～30 cm的土壤孔隙度、含水量和飽和導水率。在10～30 cm 土層，深松配施有機物料對土壤孔隙度的增加幅度為2.76%～4.01%，對土壤含水量的增加幅度為3.96%～7.39%，對土壤飽和導水率的增加幅度為87.6%～125.2%，均大于無物料還田的深松處理。

深松配施有機物料技術增加耕層深度，且這一耕層增厚效益持續整個玉米生育季。深松配施秸稈和牛糞還田后土壤貫入阻力降低21.6%～24.3%，所影響的耕層厚度（35～45 cm）大于深松無物料還田的處理（25 cm），且這一耕層增厚效益持續整個玉米生育季。

深松配施秸稈還田改善10～30 cm 土壤結構穩定性，且這一改善效應持續整個玉米生育季。在10～30 cm 土層，深松配施秸稈還田對土壤團聚體平均重量直徑的增加幅度為21.3%～23.1%，顯著高于深松配施牛糞還田和無物料還田的深松處理。

綜上所述，深松配施有機物料顯著地改善土壤物理性質，增加耕層深度，但在改善土壤結構穩定性方面深松配施秸稈還田優于深松配施牛糞還田，因此深松配施有機物料尤其是配施秸稈還田處理是黑土區坡耕地耕層構建較為適宜的耕作技術，這一技術的推廣對黑土區農業可持續發展具有重要的意義。