旱作土壤耕层及其肥力培育途径

韩晓增，邹文秀，陆欣春，段景海

(1.中国科学院东北地理与农业生态研究所黑土区农业生态院重点实验室，海伦农田生态系统国家野外观测研究站，黑龙江哈尔滨150081;2.青冈县农业技术推广中心，黑龙江青冈151600)

旱作土壤耕层及其肥力培育途径

韩晓增1，邹文秀1，陆欣春1，段景海2

(1.中国科学院东北地理与农业生态研究所黑土区农业生态院重点实验室，海伦农田生态系统国家野外观测研究站，黑龙江哈尔滨150081;2.青冈县农业技术推广中心，黑龙江青冈151600)

耕作层是人类为了栽培作物，利用工具对土壤进行扰动的深度层。耕作层的结构和厚度决定了作物的生存环境及养分和水分的供给。随着对粮食需求的不断增加，培育一个肥沃而深厚的耕作层，提高土壤地力得到了越来越多人的关注。文章综合分析了耕作层的演变和功能及其对作物根系生长和产量的重要意义，由此提出了粘质土壤(粘粒含量＞35%)的适宜耕作层深度为0～35 cm，沙质土壤为0～20 cm;综述了秸秆和有机肥还田在培育土壤耕作层方面的研究进展。随着种植结构的多元化和农用机械的不断更新，对未来土壤耕作层培育的技术模式进行了展望，即建立集成作物轮作、有机物料还田、耕作强度和频度的综合技术模式，旨在为合理耕作层培育提供理论支撑。图1，参49。

耕作层;秸秆深混还田;耕层厚度;耕作深度和频度

0 前言

关于旱地耕作层深浅、耕作频度、深度和免耕对作物产量的影响已有很多报道［1-3］，其结果存在一定的差异，有的研究学者认为免耕能够增加作物产量［4］，而有的研究学者认为深耕能够增加产量［5］，这些研究结果的差异主要源于研究背景不同，包括研究的土壤类型、质地、作物和耕作方式的长短等。以往人们讲述的土壤培育，其实就是土壤耕作层的培育。随着对粮食需求的不断增加，提高土壤地力，培育一个肥沃而深厚的耕作层得到了越来越多人的关注。

耕作的目的在于创造一个适宜作物生长的土壤层，通过耕作所建立的耕作层主要功能是协调水、肥、气和热，使其能够满足作物生长发育的需要。耕作层的结构和厚度是决定水、肥、气和热容量大小的关键因子。通过耕作、施肥、轮作等方式能够创造一个良好的耕层结构，以改善耕层土壤的物理、化学和生物学性质，促进作物的生长，进而提高土壤生产力。但是由于不合理的耕作措施，例如缺少有机物料投入、动力小的机械应用、缺少深松等，导致了犁底层的存在，使耕层变得越来越薄，结构恶化，限制了作物根系生长和吸收水分与养分的空间，限制了土壤生产力。文章从耕作层的厚度、功能及培育等方面的研究结果进行了综述，同时对耕作层的培育及其技术模式进行了展望，旨在为合理耕作层的培育提供理论支撑。

1 耕作层演变

耕作层是人类为了栽培作物，利用工具对土壤进行扰动的深度层。人类扰动土壤的目的有三个，第一是把作物种子放入适宜深度的土壤中，有利于种子萌发;第二是放入有利于作物生长和预防病虫草害的物料以最大发挥土壤的作用;第三通过扰动改善根系的生长发育空间。

不同时期人类利用的工具不同，产生的耕作层也不尽相同。原始社会用石斧和石锛等工具把树砍到，晒干，然后放火烧掉，利用灰烬提供养分，用石刀或尖头木棒掘土挖穴播种，不加管理，等到成熟时用石镰收割，即“刀耕火种”，此时的耕作只有掘土、播种和收割，没有中耕除草、施肥灌溉等，这样形成的耕作层仅限于作物播种的层次。由于那时人类居无定所，对某一块土壤的扰动是临时的，因此无法形成一个稳定的耕作层。到了夏、商、周奴隶社会，出现了青铜农具，这时的人类已经懂得中耕除草，增加了对土壤的扰动，形成了一定的耕作层，但是由于当时耕作粗放，未采取任何养地措施，土地连续种植三年以上就会被弃荒，耕作层随之消失。春秋战国时期后，随着人口增加和土地世袭，长期撂荒已经不能满足社会需求，同时铁制农具和畜力耕作的出现可以翻动土壤，具有了铲除杂草的能力，提高了耕作效率，此时已经出现了施肥和灌溉，进一步增加了对土壤的扰动，同时此时开始持续地利用土壤，形成了较稳定的耕作层［6］。

二十世纪初我国引进了西洋犁，50年代大量引进了苏式五铧犁，60年代创造了带心土铲的双层深翻犁，进一步提高了耕作效率，加强了对土壤的扰动强度和频率，形成了稳定的耕作层。但是，二十世纪30年代由于不合理的土壤耕作，美国西部和前苏联都发生了大规模的“黑风暴”，导致耕层表层大量流失。由此，人们开始探讨保护性耕作。保护性耕作的原则是不使用铧式犁翻耕土壤，实行免耕播种，减少对土壤的耕作次数，实行地表秸秆残茬覆盖，田间作业次数由7次～8次减到1次～3次［7-8］。虽然免耕减少机械的田间作业次数，但是每一季播种和施肥时还是会对一定面积的土壤产生扰动，形成一个耕作层，这个耕作层的面积只占土壤耕种地块的10%。传统耕作由于长期机械碾压导致了土壤犁底层的出现，机械碾压的时间越长犁底层越厚，耕作层就越浅，限制了作物的生长发育。二十世纪70年代初，黑龙江省的科研机构和农业院校，进行了土壤深松耕法的多年和多点试验、示范和推广。与传统的浅耕和耙地相比，深松或深耕能够打破犁底层增加耕层厚度，减小底层容重，增加孔隙度，极大的提高了降水的入渗量［9］。因此，从原始社会的刀耕火种，到目前应用大型机械扰动，人类创造了从几厘米到数米深的耕层。但是适宜的土壤耕层深度，应当根据作物根系生长发育分布空间和土层储水能力以及土壤类型而定。

2 耕作层功能

不同的耕作方式培育了不同的土壤耕作层。根据生产实践，农田土壤的土体一般可以分为四层，每一层的物理、化学、生物性状及调节土壤肥力因素的作用都不尽相同，采取的措施也不同。①表土层:约0～15 cm，此层经常受气候条件和耕作栽培措施的影响，变化较大。这一层按照松紧状况及对作物生长发育的影响，又可以划分为2层，即覆盖层(0～3 cm)和种床层(3 cm～15 cm)。覆盖层受气候条件影响最大，其结构状况直接影响渗入土壤的水分总量、地表径流、水土流失、水分蒸发、气体交换和作物出苗等;种床层由于镇压，该层较紧实，毛管孔隙发达，下层水分能够沿着毛管上升到种子部位，保证种子发芽。②稳定层:约15 cm～35 cm，也称根系活跃层。其中一部分是原来的犁底层和心土层，经过深耕施肥改造而成。在平翻耕法条件下这一层的容重一般比种床层小，是根系分布较多的部位，是作物对养分、水分、空气要求的敏感地带。因此，这一层的物理性状、蓄水保水和供水供肥能力，对作物生长发育有重要的影响。③心土层(35 cm～60 cm):也称保证层。土壤结构紧密，非毛管孔隙约占7%～10%，根系分布量约占根系总量的20%～30%。该层受外界条件影响较小，肥力因素比较稳定，物质转化和移动缓慢。心土层的性状对于耕层肥力和作物生长也有影响。对于蓄水保肥，特别是对灌溉条件或地下水位低的地块在一定程度上起着蓄水库的作用。上层输送的土壤水分和养分从大孔隙渗透到下层，当作物需要时，贮存在下层的水分和养分，又以毛细管作用补给上层利用。因此，创造一个土体深厚，耕层疏松，心土层紧实的土体构造，对协调水、肥、气及热的供应，保证作物生育期间对肥力的需要，达到高产是非常重要的。④犁底层，土壤深耕时，常常因为农机具的作用和底土较强的塑性，在耕层和心土层之间形成了一个容重较大(1.5 g·cm-3～1.8 g·cm-3)且封闭式的犁底层。在犁底层中总孔隙度极少，而大孔隙更少。犁底层的存在减弱了耕层和心土层之间的能量和物质流通。它有使雨水和养分保存在耕层，为根系直接吸收的优点;也有不能使雨水深贮在下层心土层有效防止耕层涝害或防止大量蒸发、妨碍根系伸展、改变根型、妨碍利用心土层的能量和物质的缺点。根据犁底层的特性，土壤耕作时应尽量避免形成犁底层，而在已形成犁底层的土壤上应该进行打破或消灭犁底层的耕作措施［10］。

3 耕作层影响根系生长及其因素

土壤剖面结构即机械阻力、颗粒组成和孔隙度等，通过影响水、气、热和营养元素在土壤中的移动和分布从而影响作物根系的生长发育［5］。已有研究表明，玉米、小麦根系的分布空间对其生长及产量具有重要的作用［11-12］，玉米吐丝期根系的93.9%和88.3%分布于0～35cm，而仅有少部分分布于35 cm以下［13］。

Ferro等的研究证实作物根系的生长与土壤容重之间呈显著的负相关关系［14］。土壤容重过大时，毛管孔隙多，不透水和不通气，使土壤中产生了水热矛盾，对根系的生长阻力增大，不利于根系伸展。有研究指出，当土壤中孔隙直径＜0.25 mm时，一般作物的侧根不能穿入;＜0.035 mm～0.075 mm时，支根则难以伸入;＜0.01 mm～0.013 mm时，根毛则无法通过。其与土壤容重和土壤含水量密切相关［15］。土壤紧实，孔隙小，根系不能穿入容重1.9 g·cm-3以上的土壤，一般土壤1.7 g·cm-3～1.8 g·cm-3是个极值，而粘土1.6 g·cm-3～1.7 g·cm-3是临界点，没有根能穿入［16］。豌豆上的研究表明，土壤容重为1.0 g·cm-3时，任何水分状态对根系的生长都不会产生机械阻力，而当土壤含水量在0.1 MPa～0.2 MPa时，土壤含水量偏大，空气少，根系的伸展受到了限制;当土壤含水量在0.2 MPa～0.3 MPa时，根生长的最为茂盛;若土壤含水量低于这个范围，根系的生长就会受到影响。如果土壤容重为1.1 g·cm-3，土壤含水量为0.25 MPa时，根系的生长就会受到机械阻力的影响，若土壤含水量继续降低，土壤含水量和机械阻力同时限制根系的生长。对于粘重的土壤容重在1.4 g·cm-3以上时，机械阻力是影响根系生长的主要因素，而土壤通气和水分条件影响较小［10］。

利用耕翻创造一个适宜的耕层厚度增产效果很显著，那么耕作深度达到多少才能为提高土壤肥力和满足作物生长需求发挥最大的作用呢?大量研究报道了深松能够增加作物的产量［17-18］。对于小麦来说深耕30 cm，消除犁底层，促进了小麦根系的生长及其对水分的吸收，增加了叶面积指数和光合作用，小麦产量较常规耕法提高9.27%，水分利用效率提高1.43 kg·(mm·hm2)-1～4.65 kg·(mm·hm2)-1［19］。同时增加耕作深度也能促进玉米和大豆的根系发育，增加产量［20］。但是是否耕作深度越深，增产效果越明显呢?陈恩凤先生早在1961年就报道了小麦一般耕作深度为33 cm左右增产效果显著，幅度最高;耕作深度为33 cm～48 cm时仍然表现为增产，增产幅度开始降低;当耕作深度大于48 cm后增产效果逐渐减少了。这一结果与土壤发生发育及其特征和作物根系的生长及其特征密切相关［1］。说明土壤质地和土体构型不同，土壤的耕作深度可以因地而异。

深松打破犁底层的同时疏松表层，增加耕层厚度，被疏松的土层增加了土壤孔隙度，改善了土壤的渗透性［21］，进而增加了土壤对大气降水的蓄存能力，营造地下水库，使更多的雨水贮存在深层土壤中以供作物利用，提高雨水资源利用效率和旱地蓄水保墒性能。研究报道深松能够使犁底层田间的土壤饱和导水率提高4倍多，提高了降水的入渗能力，显著增加了50 cm～100 cm土层的土壤含水量［22］。同时深松打破了犁底层，土壤容重降低20%［23］，总孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度分别增加15.0%、10.4%和37.8%［24］，扩大了蓄水空间，可接纳更多的降水存储在大孔隙中。相反如果犁底层存在，耕作层内的多余土壤水分难以下渗，使原有的蓄水空间不能得到充分利用。对黑土的研究表明，0～35 cm土层的最大储水能力(即饱和持水量)为227.5 mm［25］，此层10年平均土壤含水量是84 mm［24］，所能接纳单次最大降雨量为143.5 mm而不产生径流，从对研究区域近50年单次降雨量的分析可知，该地区最大的单次降雨量为81 mm［26］，所以0～35 cm土层具有接纳单次最大降水的能力，见图1。同时该层土壤有效水分(田间持水量-凋萎含水量)为115.5 mm，说明吸收的降水能够完全转换为有效水分供作物利用。

不同土壤类型会影响根系生长空间和土壤储水能力。障碍性层次的土壤(例如黑土的犁底层，白浆土的白浆层)，在约20 cm～30 cm左右存在障碍层，限制根系生长发育的空间，且80%以上的根系分布在该层次，影响了根系对土壤中水分和养分的吸收。而对于不存在障碍性层次的土壤来说有10%以上的根系分布在20 cm～35 cm土层，促使作物根系能够更充分利用土壤中的水分和养分。因此，对于粘质土壤包括黑土、黑钙土、白浆土、暗棕壤和草甸土，最适宜的耕层深度为0～35 cm。而对于不存在障碍性层次的沙质土壤来说，适宜耕作层深度为0～20 cm，因为沙质土壤的质地松散，土壤中的孔隙比较大，如果耕作深度太深会导致施入土壤的生产资料淋溶至下层，引起作物养分供应不足。

图1 黑土土壤含水量及单次最大降雨量Fig.1Soil moisture content and maximum rainfall for one time

4 基于秸秆还田的耕层培育

作物秸秆中含有丰富的氮、磷、钾等营养元素，作

为有机肥资源，秸秆占我国有机肥资源总量的12%～19%。经过吸水和土壤微生物作用的秸秆，一部分纤维素和半纤维素被分解释放出氮、磷和钾等补充土壤养分，减少了化肥施用量;剩下未分解的木质素等留在土壤中，不仅增加了土壤有机质含量［27-29］，改善了土壤物理及生物性状，还能增加土壤中有机胶结物质的含量，促进土壤团聚体的形成［30］，增加土壤团聚体的稳定性［31］，改善土壤结构［32］。研究表明秸秆还田能够降低土壤容重，增加土壤孔隙度和大粒径微团聚体数量及水稳定性［31，33］。所以施用秸秆能够提高土壤肥力，改善土壤的结构。

秸秆直接还田分为覆盖还田和翻压还田，目前关于秸秆覆盖还田效应的研究已广泛报道［28，34］。Jordan等研究表明秸秆覆盖改善了土壤容重、孔隙度状况和土壤团聚体的稳定性，进一步促进了降水的入渗［35］。但是Spaccini研究发现与秸秆覆盖还田相比，玉米秸秆混合施入土壤更能有效地提高土壤团聚体的稳定性［36］。秸秆与土壤混合后能够加速秸秆分解，并增加土壤微生物数量，改善土壤中微生物的分布状况［37］。同时秸秆还田深度是影响秸秆还田质量的一个重要因素。早在1995年Angers等就认为影响土壤有机质含量的是秸秆还田的埋藏深度，而不是土壤耕作深度［38］。秸秆深层还田有利于增加整个土层的土壤有机质含量和微团聚体的团聚度［39］，增加土壤有益微生物数量，提高酶活性［40］，有利于水分入渗［41］，降低表层和亚表层土壤团聚体中的胡敏酸氧化度，改善活性结构，使胡敏酸结构趋于简单化和年轻化［42］。关于不同数量秸秆对土壤培育的影响也有大量报道，土壤有机质含量随着秸秆还田的增加而增加的同时，土壤团聚体的稳定性也随之增加［43］。尽管秸秆还田是培育土壤耕层的有效措施之一，但是在实行过程中要针对土壤类型、气候特点等选择适宜的施用方式和施用量。

5 基于有机肥的耕层培育

有机肥在广义上包括动物废弃物和植物残体，是经过一段时间发酵腐熟后形成的一类肥料，另外还包括饼肥、堆肥、沤肥、厩肥和绿肥等［44］。施用有机肥不仅能增加土壤养分含量，改善土壤的物理性质，还能通过形成有机无机复合体和微团聚体提高土壤有机质数量，更新和活化土壤中老的有机质，改善土壤中腐殖质的品质，全面提高土壤肥力［45-46］。研究表明，施用有机肥后土壤中的有机质含量提高了11.8%～16.5%，松结合态腐殖质含量和松结态/紧结态腐殖质比值提高，有机肥通过改善＜0.002 mm复合体的腐殖质品质，从而改善和更新整个土壤腐殖质的活性［45］。对胡敏酸光学性质的研究表明，施用有机肥使胡敏酸的结构变得简单，木质素和脂族结构比例增加，而氧化度、缩合度和芳香度下降，使胡敏酸向年轻化的方向发展［46］。有机肥的施用除了改善土壤，提高土壤肥力，还能提高土壤中转化酶、蛋白酶、淀粉酶、蔗糖酶、磷酸酶、脱氢酶和ATP酶等的活性，因此对土壤中养分转化、有效性提高和能量代谢均有作用［47］。

有机肥培育土壤耕作层的过程中，土壤肥力的提高与有机肥的施用量密切相关。经过13年低量有机肥处理，栗褐土有机质含量增加幅度比较平缓，13年增加了65%左右;而施高量有机肥的处理，土壤有机质则呈显著的增加态势，施用13年后，土壤有机质含量成倍地增加［48］，说明增加有机肥的投入量能够更有效，更快速地提高土壤肥力。有机肥施用后对土壤影响的时效研究表明，在施入大量有机肥后的第一年，SOC未发生改变，而在第二年，与无肥相比，SOC增加了28%;而在连续施用4年-5年有机肥的土壤中停止施用后的第一年，SOC比无肥处理高28%，第二年比无肥高46%［49］。将有机肥施入土壤的不同位置也能够起到培肥土壤的作用，韩晓增等研究表明，将有机肥施入20 cm～35 cm能够增加该层土壤有机碳的含量，同时明显改善了该层土壤的物理性质［41］，培育了深厚的耕作层。因此在利用有机肥培育土壤耕作层的过程中要根据土壤的实际情况因地制宜，确定适宜的施用量和施用时间。

6 黑土区培肥新途径

长久以来人们关注的土壤培肥，其实就是对土壤耕作层的培育。随着种植结构的多元化和农业机械的不断完善和更新，现在考虑土壤耕作层培育的技术措施时，应该结合作物轮作、秸秆还田、施用有机肥、耕作的强度和频度，同时根据土壤类型确定需要培育的耕作层厚度。根据我们对东北黑土培肥的研究结果，对于粘粒含量＞35%的粘质土壤，耕作层培育的技术模式建议如下:

(1)在玉米连作种植区域，建议实行集成“深翻-免耕-少耕”模式。技术要点为三年(每年1个生长季)一个技术周期，第一年玉米收获后秸秆在深翻犁的驱动下一次性深混还田，还田深度为0～35 cm;第二年玉米收获后免耕;第三年秸秆覆盖免耕种植玉米，秋季收获后，采用少耕与秸秆粉碎还田;第四年种植玉米。此技术模式能够改善土壤耕层结构，提高土壤保水供水能力，再配以精准施肥技术，达到水肥增效目的。

(2)在大豆和玉米都种植的区域建议如下2个技术模式，①“大豆-玉米”轮作肥田技术模式。技术要点是以两年(每年1个生长季)为一个技术周期，第一年种植大豆不施用氮肥和减少施用农药，秋季收获后免耕;第二年秸秆覆盖免耕播种玉米，玉米收获后秸秆在深翻犁的驱动下深混还田，还田深度为0～35 cm。②“玉米-大豆-大豆”大豆重迎茬高效种植模式。技术要点是第一年种植玉米，秋季收获后，玉米茬平翻后第二年种植平播大豆或小垄大豆(迎茬)，秋季旋松起标准垄型，第三年春种植标准垄大豆(重茬)，秋季免耕。

(3)在小麦种植区域选择“玉米-小麦-大豆”高效轮作模式。技术要点是第一年种植玉米，秋季收获后平翻，第二年在平翻的玉米茬上种植平播小麦，小麦收获后平翻，第三年种植大豆，秋季收获后免耕。

(4)大剂量有机肥间隔使用配合秸秆还田技术模式。在玉米秸秆还田的时候配施大剂量的有机肥，利用秸秆深埋技术，将秸秆和有机肥深混入0～35 cm土层，建议有机肥的施用量为22.5 t·hm-2。

在粘粒含量较少的沙质土壤中建议在应用上述技术的同时需要注意以下几个问题:(1)沙质土壤的培肥应该以有机肥和秸秆堆沤培肥为主，如果想要实行秸秆还田，秸秆的长度一定要控制在5 cm以下，否则可能造成不保水不保肥的负面影响;(2)沙质土壤的耕翻深度应该控制在0～20 cm。

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The Soil Cultivated Layer in Dryland and Technical Patterns in Cultivating Soil Fertility

HAN Xiao-zeng1，ZOU Wen-xiu1，LU Xin-chun1，DUAN Jing-hai2
(1.Key Laboratory of Mollisols Agroecology，National Observation Station of Hailun Agroecology System，Northeast Institute of Geograpthy and Agroecology，CAS，Harbin 150081，China; 2.Qinggang Center of Agriculture Technology Extension，Qingang 151600，China)

The soil cultivated layer is that human activity disturbed the depth of soil by tools in order to cultivate crops.The structure and depth of soil cultivated layer determined the habitat and supply of nutrient and water for crop.The construction of fertile and deep cultivated soil layer and improvement of soil fertility were attracting more and more attention with the increased demand for food.The evolution and function of soil cultivated layer and its effect on crop root and yield were reviewed comprehensively，suitable depths of cultivated layer were suggested for clay soil(clay content＞35%)with 0～35 cm depth and sandy soil with 0～20 cm depth based on above mentioned.The influence of straw and organic matter incorporation on soil cultivated layer was discussed.The prospective of technical patterns of soil cultivated layer，including the integrated technical pattern involving crop rotation，straw and organic matter incorporation，depth and frequency of soil tillage，which will provide relevant reference for the construction of suitable soil cultivated layer.

cultivated layer;straw incorporation combined with mixing soil in 0～35 cm depth;the depth of cultivated layer;the depth and frequency of tillage

S155.4+3

A

10.11689/j.issn.2095-2961.2015.04.001

2095-2961(2015)04-0145-06

2015-11-10.

东北农业大学黑土实验室开放基金项目;公益性行业(农业)科研专项(201303126，201303011，201303030，201503120).

及通讯作者简介:韩晓增(1957-)，男，辽宁瓦房店人，研究员，主要从事土壤生态方面的研究工作.