耕作深度及秸稈還田對耕層土壤理化性狀的影響

呂凱飛，周 鋒，安曈昕，楊友瓊，王 武，程 易，吳伯志

(云南農業大學 農學與生物技術學院，云南 昆明 650201)

【研究意義】耕地是人類賴以生存和發展的基礎與保障，而坡耕地是中國耕地資源重要組成部分[1]。坡耕地水土流失嚴重，加上不合理土壤耕作、有機質肥使用較少等原因，導致耕層變薄、土壤酸化、有機質及養分變少[2]，影響作物產量，嚴重制約中國農業可持續發展。【前人研究進展】合理的耕作措施能改良土壤結構，協調耕層土壤的水、肥、氣、熱等因素，為作物生長發育提供良好的土壤環境，也是提高作物產量的關鍵因素[3-5]。旋耕是目前中國主要的耕作方式之一，但旋耕耕作深度較淺，形成犁底層，增加土壤緊實度[6]。研究表明，在平原地區，單作或輪作條件下，相比于常規旋耕，翻耕能有效打破犁底層，增加耕層厚度，改善土壤孔隙度，降低土壤容重、緊實度，增加深層土壤養分，促進作物生長[7-9]。免耕對土壤結構擾動較小，表層土壤能很好地保水、保肥，但隨著時間增長，土壤緊實度、容重等增加，加劇養分分層[10]。中國秸稈資源豐富，農作物秸稈量與作物籽粒產量幾乎持平[11]，但近幾年中國秸稈還田量僅為17.60%，多數采用焚燒方式處理，嚴重污染環境[12]。秸稈還田對土壤結構也有一定的調節能力，可減少土壤徑流量、緩解土壤氮流失、增強土壤蓄水保墑能力、增加土壤有機質及養分、減少土壤裸露面積、減少蒸發量，從而維持土壤結構[13-17]。【本研究切入點】已有研究主要針對平原區進行土壤耕作措施與秸稈還田等方面，而有關山區坡耕地作物多樣性種植條件下耕作深度結合秸稈還田對土壤理化性狀影響未見研究報道。【擬解決的關鍵問題】針對云南坡耕地面積廣，多樣性種植較為普遍的現狀，基于玉米‖辣椒種植模式下，研究不同耕作深度及秸稈還田對耕層土壤理化性質的影響，為云南坡耕地耕層持續改善及農業可持續發展提供依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2016-2018年在云南省硯山縣江那鎮農業科技示范基地(23°59′N、104°45′E)進行，試驗地為典型的石灰巖紅壤，坡度8°，屬低緯北亞熱帶高原季風氣候，年平均氣溫16.1 ℃，正常年降雨量1008 mm。

1.2 試驗材料

2016年：辣椒(CapsicumannuumL.)品種為CT117,玉米(ZeamaysL.)品種為云瑞88；2017、2018年：辣椒品種為丘北辣(地方老品種)，玉米品種為云瑞88。

1.3 試驗設計

試驗采用隨機區組設計，共8個處理。T1：免耕+秸稈還田；T2：旋耕15 cm+秸稈還田；T3：翻耕20 cm+秸稈還田；T4：翻耕30 cm+秸稈還田；T5：免耕；T6：旋耕15 cm；T7：翻耕20 cm；T8：翻耕30 cm，小區面積45 m2，每個處理4次重復，共32個小區。

1.4 土壤耕作與作物種植

1.4.1 土壤耕作 試驗于2016年5月開始實施。2016、2017、2018年播種前，免耕處理采用玉米秸稈覆蓋還田，旋耕15 cm、翻耕20 cm、翻耕30 cm處理將秸稈覆蓋于地表，隨耕作翻埋還田。

1.4.2 玉米‖辣椒種植管理 玉米‖辣椒采用行比2∶6間作模式，帶幅為385 cm。玉米辣椒間距為60 cm，其中玉米種植規格：寬行距34 cm、窄行距40 cm、株距30 cm，雙株留苗，密度為34 620 株·hm-2；辣椒種植規格：窄行距45 cm，寬行距160 cm，株距35 cm，密度為4420 株·hm-2。辣椒采用育苗移栽，移栽時間為4月下旬至5月上旬。玉米采用穴播，播種時間分別為每年5月上旬。

1.5 指標測定

1.5.1 土壤物理指標測定 容重：采用環刀法，在每個小區“S”形取5個點，在0～10、10～20、20～30 cm的深度各取一個環刀，稱鮮重后用膠帶纏牢，運回室內后除去膠帶，吸水至恒重，稱吸水后的重量；放到烘箱105 ℃下烘至恒重，稱干重；將環刀內土壤倒出，把環刀清洗干凈稱環刀重。然后計算土壤容重[18]。

緊實度：使用SC-900緊實度儀測定，按照“S”型隨機觀測法，在每個小區10和20 cm深度處測量，分別取6個樣點。

剪切力：使用剪切力儀測量，在取環刀時，分別測量每個環刀附近0、10、20 cm土壤剪切力。

1.5.2 土壤養分測定 土壤取樣：在玉米收獲后，每個小區按“ S ”型用直徑5 cm土鉆取10～20 cm土樣，土樣帶回風干后，過1 mm篩。

土壤堿解氮：采用堿解擴散法。土壤速效磷：采用鉬銻抗比色法。土壤有效鉀：采用火焰光度計比色法[19]。

1.6 數據處理分析

采用Excel 2016和SPSS 20.0軟件進行試驗數據處理和分析。

2 結果與分析

2.1 耕作深度及秸稈還田對土壤物理性狀的影響

2.1.1 不同深度及秸稈還田對土壤容重的影響 土壤容重是體現土壤物理性質的重要指標之一。由表1可知，0～10 cm耕層土壤容重在2016年T5處理高于T6、T7、T8處理，高3.04%～8.26%；2017～2018年均表現為T5>T6>T7>T3>T2>T8>T1>T4，且各處理間差異不顯著。10～20 cm耕層土壤容重在2016-2018年總體表現為T4較小，T5較大，2017年T1顯著高于T4。20～30 cm耕層土壤容重在2017-2018年均表現為T4、T8較小，T1較大，說明T4、T8能降低土壤10～30 cm耕層土壤容重，降低1.07%～2.86%。在2016-2018年，各試驗處理對20～30 cm耕層土壤容重的影響無顯著差異。就各處理而言，翻耕30 cm+秸稈還田降低土壤容重效果更為明顯。

表1 不同處理土壤容重

2.1.2 耕作深度及秸稈還田對土壤緊實度的影響 土壤緊實度是反應土壤物理性狀的重要指標之一。由表2可知，耕層0～10 cm土壤緊實度在2016年表現為T7>T2>T5>T8>T6>T1>T3>T4，T7顯著高于T3、T4(P<0.05)。在2017、2018年均表現為T5最大，且T5處理顯著高于T6、T7、T8處理(P<0.05)，高22.86%～59.35%。耕層0～20 cm土壤緊實度在2016-2018年總體表現為T5、T1較大，T1、T5顯著高于T6、T7、T8(P<0.05)，高12.89%～46.38%。2016-2018年不同深度土壤緊實度均表現為T5較大；與T1相比、T3、T4均能顯著降低0～10 cm及0～20 cm耕層土壤緊實度；T4對降低土壤緊實度最為明顯。2017年0～20 cm土壤緊實度偏小主要是因為冬季降雨較多，土壤含水量偏大。與秸稈不還田相比，2016、2018年秸稈還田顯著降低耕層0～10 cm土壤緊實度(P<0.05)。就處理而言T3、T4均能顯著降低土壤緊實度，T4效果更為明顯。

表2 不同處理土壤緊實度分析

2.1.3 耕作深度及秸稈還田對土壤剪切力的影響 土壤剪切力是顯示土壤物理性狀的重要指標之一，由表3可知，2016-2018年耕層0～20 cm土壤剪切力總體表現為T5較大；0～10、10～20 cm土壤剪切力T7、T8之間均無顯著差異；20～30 cm土壤緊實度均表現為T8較小；說明深翻耕能增加耕層厚度，進而減小土壤剪切力；同種耕作方式下，T8效果優于T7。就處理來看T4能顯著降低各耕層土壤剪切力。綜合來看，2016-2018年T4處理的土壤剪切力較低，表明翻耕30 cm+秸稈還田能有效降低土壤的剪切力。

表3 不同處理土壤剪切力分析

續表3 Continued table 3

2.2 耕作深度及秸稈還田對土壤養分的影響

由表4可知，2017年10～20 cm土壤中堿解氮表現為T5>T4>T1>T3>T8>T2>T6>T7，T5顯著高于T2、T6、T7處理(P<0.05)；有效磷表現為T5>T2>T1>T6>T4>T8>T3>T7，T2、T5顯著高于T1、T3、T4、T6、T7、T8處理(P<0.05)；速效鉀表現為T8>T4>T3>T6>T5>T2>T1>T7，T8顯著(P<0.05)高于其他處理。2018年土壤中堿解氮表現為T3>T4>T2>T1>T7>T6>T8>T5，T4顯著(P<0.05)高于T5、T6、T8；土壤有效磷表現為T4>T3>T1>T7>T5>T8>T6>T2，T4、T3顯著高于其他處理；土壤速效鉀表現為T4>T7>T3>T8>T5>T2>T6>T1，T4、T3顯著高于T1、T2。2017年、2018年不同養分規律不一致，2017年T4、T3的10～20 cm有效磷均含量較低，小于T2；2018年T4、T3的10～20 cm土壤堿解氮、有效磷和速效鉀含量均高于T2，說明隨試驗時間的延長，翻耕不同深度均能提升10～20 cm土壤速效養分含量。總體而言，隨試驗時間的延長，秸稈還田處理能增加10～20 cm土壤速效養分含量。

表4 各處理10～20 cm土壤速效養分分析

3 討 論

作物生長需要適宜的土壤環境，不同耕作方式及秸稈還田是改善土壤環境的重要手段。有研究表明，深耕顯著降低了土壤貫穿阻力與容重，且在深耕過程中打破犁底層、改變生物群落特征、有效增加深層土壤養分含量，可為作物根系生長提供良好的生長環境[20]。趙亞麗等[21]研究表明，深耕能提高冬小麥及夏玉米產量，分別提高9.2%、12.85%。秸稈還田也是改善土壤的重要方式之一。秸稈還田可以降低土壤容重、減少土壤裸露面積、減少蒸發量；可提高土壤有機碳含量，提升N、P、K含量及土壤肥力，維持土壤結構，為作物生長提供良好的生長條件，進而提高作物產量[22]。本研究結果表明，與傳統旋耕相比翻耕20 cm、翻耕30 cm能降低0～30 cm土壤容重、緊實度、剪切力，增加10～20 cm土壤速效養分。秸稈還田能降低土壤緊實度、剪切力，2018年秸稈還田處理的10～20 cm土壤堿解氮、有效磷、速效鉀含量明顯提高，總體表現出秸稈還田年限越長土壤養分提高越明顯，這與前人結果基本一致[23-24]。翻耕20 cm、翻耕30 cm處理能降低土壤容重、緊實度、剪切力等物理性狀，同時提高10～20 cm土壤堿解氮、有效磷、速效鉀含量。雖然翻耕30 cm對物理性狀影響較大，但其耕作成本較高、對土壤養分提升較慢，因而將翻耕20 cm作為最適合的耕作深度。

4 結 論

翻耕20 cm能改善土壤緊實度、容重、剪切力等物理性狀，秸稈還田能降低耕層0～10 cm土壤緊實度。翻耕20 cm+秸稈還田能顯著降低土壤緊實度、土壤容重、土壤剪切力等物理性狀，提高10～20 cm土壤堿解氮、有效磷、速效鉀含量，有利于坡耕地耕層結構持續改善。因此，翻耕20 cm+秸稈還田是本試驗地區最為合適的耕作與秸稈還田結合方式。