渭北旱塬不同耕作措施对土壤养分分布及作物产量的影响

杨 艳，刘 丹，张 霞，李忠徽，赵世翔，李 军，王旭东,2

(1.西北农林科技大学资源环境学院 陕西 杨陵 712100;2.农业部西北植物营养与农业环境重点实验室 西北农林科技大学 陕西 杨陵 712100;3.西北农林科技大学农学院 陕西 杨陵 712100)

渭北旱塬地处陕西关中平原以北、陕北丘陵沟壑以南，该地区属暖温带易旱区，蒸发量约为1 832 mm，降水量约为536 mm[1]，且主要集中在7—9月份。该地区分布的农业土壤主要为黑垆土，以种植冬小麦和春玉米为主(目前部分发展为苹果)。由于降水短缺和时空分布不合理制约着该地区冬小麦和春玉米的生长发育[2-3]。耕作措施对该地区土壤影响巨大，不仅影响土壤的蓄水保墒性、抗侵蚀状况(水蚀、风蚀)，而且还影响土壤肥力等。

不同耕作措施对土壤的扰动不同，从而对土壤性质也会产生不同的影响，国内外不同耕作措施对土壤性质影响的研究已有不少报导。徐春阳[4]等研究发现，长期连年免耕使0～5 cm土层有机碳、全氮等含量显著高于翻耕，而在5～20 cm土层养分含量显著低于翻耕。有研究[5]认为，免耕表层土壤速效钾含量高于翻耕，而底层则低于翻耕，但速效磷却在整个耕层内高于翻耕。也有研究表明[6]，深松和免耕对上层土壤的全氮含量以及对土壤底层的有效磷、速效钾含量影响较大。Franzluebber A J[7]研究连续7年的一个对比试验发现，免耕加剧了土壤养分的分层现象。宿庆瑞[8]研究发现，深松可以改善土壤有机质的含量，还能增加速效磷和钾的含量。Lupwayi[9]认为，土壤养分的分层在一定程度上会影响作物对其吸收。可见，耕作措施对土壤养分分布的影响至关重要，也影响作物对养分的吸收。

长期的单一耕作会使耕层变浅、土壤压实、犁底层增厚、通透性下降、产量降低等[10-12]。将免耕、深松、翻耕等进行合理组合与轮换，可以克服单一耕作措施的缺点[13]。国外土壤的轮耕多是结合轮作系统进行的，国内的土壤轮耕多集中在两熟或南方等地区，但对轮耕引起土壤性质变化的相互比较研究还很少，尤其是对北方地区，原因在于轮耕的试验周期较长，研究难度也较大，涉及到的长期定位试验也很少[14]。由于所处的地理位置，以往的研究对不同耕作措施下土壤水分变化、抗侵蚀性等方面关注较多[15-19]，而对土壤肥力、养分分布的变化研究相对较少。为此，我们在渭北旱塬的台塬地带(渭南市合阳县)开展了单一耕作(连年免耕、连年深松、连年翻耕)和轮耕(免耕-深松、深松-翻耕、翻耕-免耕轮耕)定位试验，研究不同耕作或轮耕措施对土壤养分分布的影响，为黄土高原黑垆土区的合理耕作和耕层构建提供理论和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地设在陕西省合阳县甘井镇(35°19′N，110°05′E)，地处渭北旱塬东部的台塬上，属于半湿润易旱区。近8年来，该地区平均降水量约547.2 mm，其中7—9月降雨量平均占全年降雨量的56.9%。土壤为中壤质黑垆土，黄土母质，平均土壤容重为1.31 g·cm-3，多年平均气温在9℃～13℃，全年无霜期180～240 d，光热资源丰富。2007年试验开始前，0～20 cm土层有机碳、全氮、全磷、全钾含量分别为4.54、1.30、0.59、5.92 g·kg-1，速效磷、钾含量分别为3.45、148.4 mg·kg-1。“春玉米-冬闲，冬小麦-夏闲”一年一熟耕作制。

1.2 试验设计

试验从2007年开始，前茬作物为玉米。在连续8年实行冬小麦-春玉米轮作模式下，将前茬作物全部秸秆粉碎覆盖地表，试验共设置6种耕作处理：(1) 免耕-深松 (NS)；(2) 深松-翻耕(SC)；(3) 翻耕-免耕 (CN)；(4) 连年免耕(NN)；(5) 连年深松 (SS)；(6) 连年翻耕(CC)。其中，免耕(N)是指前茬作物收获后不采取任何的耕作措施，秸秆粉碎覆盖地表；深松(S)是指前茬作物收获后采用深松机每间隔60 cm宽度，深松35 cm，秸秆粉碎覆盖地表；翻耕(C)是指前茬作物收获后翻耕25 cm，将秸秆粉碎翻入耕层土壤，地表疏松裸露度过休闲期。试验期间耕作方式的位置固定不变。2007—2015年作物轮作和土壤轮耕顺序见表1。2014年小麦收获后，6种耕作措施(NS、SC、CN、NN、SS、CC)的秸秆还田量分别为6 906、6 844、5 256、4 766、5 194、5 072 kg·hm-2。

玉米季施肥水平为N 300 kg·hm-2，P2O5150 kg·hm-2，K2O 150 kg·hm-2；小麦季的施肥水平为N 150 kg·hm-2，P2O5120 kg·hm-2，K2O 90 kg·hm-2，其中氮肥(N)、磷肥(P2O5)、钾肥(K2O)分别为尿素、磷酸二铵、氯化钾。磷钾均以基肥施用，氮素20%作为追肥。将肥料混合均匀后撒施于各小区。采用随机区组设计的方法，每个小区的长宽分别为22.5 m、5 m，面积为112.5 m2，共设置3次重复。供试冬小麦品种为“长6359”，春玉米品种为“郑单958”。冬小麦9月下旬播种，次年6月中旬收获；春玉米4月下旬播种，同年9月下旬收获。试验期间其它管理同当地大田，无灌溉。

1.3 测定项目和方法

于2015年9月20日春玉米收获后，用土钻分别采集0～10、10～20、20～35 cm和35～50 cm土层的土壤样品，其中各小区采样时按S形路线采集5个点组成一个混合样品(每个处理共3个混合样)，带回实验室后剔除枯枝落叶、根等杂质，过2 mm筛后保存一部分于4℃冰箱中，其余自然风干后分别过0.25 mm和1 mm筛，用于有机质及养分的测定，测定方法参照《土壤农化分析》[20]。其中，有机质采用重铬酸钾容量法(外加热法)；全氮采用凯氏定氮法；硝铵态氮采用1 mol·L-1KCl浸提，用流动分析仪测定；全磷、全钾采用NaOH熔融法，其中，全磷用钼锑抗比色法测定，全钾用火焰光度法测定；速效磷用0.5 mol·L-1NaHCO3浸提，钼锑抗比色法测定；速效钾采用1 mol·L-1NH4OAc浸提，火焰光度法测定。

1.4 数据处理与统计分析

采用Microsoft Excel 2007对数据进行整理并用Origin 9.0作图，采用 SAS 8.0对数据进行单因素方差(ANOVA)分析，用Duncan新复极差法(SSR)作多重比较。

表1 2007—2015年作物轮作与土壤轮耕次序 Table 1 Sequence of crop rotation and soil rotational tillage systems from 2007 to 2015

注：S为深松耕，N为免耕，C为翻耕；下同。

Note：S: subsoiling； N: no-tillage； C: conventional tillage； the same below.

2 结果与分析

2.1 不同耕作措施下土壤有机质含量及分布变化

由表2可知，6种耕作措施，表层(0～10 cm)土壤有机质含量以CC处理的最低，CN、SC、NN处理与CC处理相比差异不显著，但含量高于CC处理；SS、NS处理有机质含量分别比CC处理高9.8%、7.0%，差异达显著水平。在10～20 cm土层，SS处理的有机质含量最低，NN、CC、CN、SC、NS处理有机质含量分别比SS处理的高22.3%、21.8%、11.9%、11.8%、7.3%，差异达显著水平。在20～35 cm土层，同样是SS处理的有机质含量最低，SC处理与SS处理差异不显著，NN、CC、CN、NS处理显著高于SS处理。在35～50 cm土层，仍然以SS处理的有机质含量最低，有机质含量为NN>CC>NS>SC>CN>SS。

表2 不同耕作措施下土壤有机质含量/(g·kg-1) Table 2 Soil organic matter of different tillage measures

注：同一行不同小写字母表示差异达到5%的显著水平(P<0.05)，同一列不同大写字母表示差异达到5%的显著水平(P<0.05)，下同。

Note: different lowercase letters in the same line mean significant difference atP<0.05 level; different uppercase letters in the same column mean significant difference atP<0.05 level, the same below.

各处理有机质含量均随土层加深而降低，相对而言，在3种单一耕作模式中，SS处理的表层与底层(指10 cm以下土层)差异最大。在3种轮耕模式中，NS处理表层与底层的差异大于SC或CN处理。轮耕(NS、SC、CN)比单一耕作(CC、NN)上下层差异大，但没有SS处理的上下层差异大。

2.2 不同耕作措施下土壤养分含量及分布变化

2.2.1 土壤氮素含量及分布 土壤全氮变化(见表3)显示，表层(0～10 cm)土壤各处理全氮含量差异达到显著水平(P<0.05)，以CC处理全氮含量最低，CN、NN处理与CC处理差异不显著，SS、NS、SC处理的全氮含量分别比CC处理显著提高11.6%、10.5%、7.0%。在10～20、20～35、35～50 cm土层中，均以SS处理全氮含量最低，其它各处理全氮含量均显著高于SS处理；其中，在10～20 cm土层，全氮含量高低顺序为CN>CC>NN>SC>NS>SS，在20～35、35～50 cm土层，全氮含量高低顺序均为CC>CN>NN>NS>SC>SS。CN、CC处理的全氮含量相对较高，SS处理在10 cm以下全氮含量相对最低。

各处理全氮含量均随土层加深而降低，与有机质的垂直变化规律基本一致。在6种耕作措施中，SS处理表层与底层差异最大，在3种轮耕(NS、SC、CN)模式中，以NS处理表层与底层差异最大；轮耕比NN或CC处理的上下层差异大。

表3 不同耕作措施下土壤全氮含量/(g·kg-1) Table 3 Soil total nitrogen of different tillage meusures

土壤硝态氮变化(见图1)显示，不同耕作措施显著影响0～50 cm土层硝态氮的分布状况。6种耕作措施(除NN处理外)的硝态氮含量均在20～35 cm土层间有明显的累积峰，这主要与当年的降雨有关，由图2可以看出，2015年的降雨主要在6月份，并且在作物收获前的7—9月份的降雨并不高，从而导致硝态氮主要在该层累积。其中以CC处理在20～35 cm土层含量最高，NS、CN、SS处理的硝态氮含量居中，NN、SC处理的硝态氮含量相对较低。在0～10 cm土层，硝态氮含量由高到低依次为CN>CC>NN>SS>NS>SC，且处理间差异达到了显著性(P<0.05)。在10～20 cm土层，硝态氮含量由高到低依次为NN>CC>NS>SC>CN>SS，NS与SC处理差异不显著，其它各处理差异达显著水平。在35～50 cm 土层，各处理硝态氮含量高低顺序为NN>CC>CN>NS>SC>SS，其中NS、CN、CC处理间差异不显著，其它3个处理(3者之间差异性显著)硝态氮含量显著高于前三者。

图1 不同耕作措施对土壤硝态氮含量的影响 Fig.1 Effect of different tillage measures on nitric nitrogen

图2 2015年5—9月份降雨量与2007—2015年 5—9月份的平均降雨量

Fig.2 The precipitation in 2015 between 5 and 9 month and the average precipitation from 2007 to 2015 between 5 and 9 month

土壤铵态氮变化(见表4)显示，表层(0～10 cm)土壤CC处理的铵态氮含量最低，SS处理与CC处理差异不显著，SC、NS、CN、NN处理分别较CC处理高136.8%、64.0%、51.8%、36.0%，差异达显著水平。在10～20 cm土层，SC处理铵态氮含量最低，CN处理与SC处理差异不显著，NS、CC、SS、NN处理显著高于SC处理，分别高57.7%、50.6%、39.1%、37.8%。在20～35 cm土层，CN处理铵态氮含量最低，其它处理均显著高于CN处理，大小顺序为NS>NN>CC>SS>SC>CN。相比较而言，NS处理的铵态氮含量较高。在35～50 cm土层，处理间铵态氮含量差异不显著。土壤上下层比较发现，多数处理土壤铵态氮在10～20 cm土层较高(SC除外)，然后随着土壤深度的加深而呈波动性变化。

2.2.2 土壤磷素含量及分布 由表5可知，不同耕作处理土壤表层(0～10 cm)全磷含量差异不显著。在10～20 cm土层，以CN处理的全磷含量最低，NS、SC、SS处理与CN处理差异不显著，CC、NN处理显著高于CN处理(分别高36.2%、27.7%)。在20～35、35～50 cm土层，均是NS处理全磷最低，其它处理均显著高于NS处理，全磷含量大小顺序为CC>NN>SS>SC>CN>NS(在35～50 cm土层，除NN与CC处理有变动外)。6种耕作的全磷含量均随土层加深而降低，表层全磷含量显著高于底层(除CC处理外)。在3种单一耕作(NN、SS、CC)中，SS处理表层与底层差异最大。在3种轮耕模式中，以NS处理表层与底层差异最大。轮耕比NN或CC处理的上下层差异大。相比较而言，CC处理在0～35 cm土层全磷分布较均匀，这可能与翻耕使土壤与肥料混合均匀有关。

表4 不同耕作措施下土壤铵态氮含量/(mg·kg-1) Table 4 Soil ammonium nitrogen of different tillage measures

表5 不同耕作措施下土壤全磷含量/(g·kg-1) Table 5 Soil total phosphorus of different tillage measures

土壤速效磷变化(见表6)显示，不同耕作处理表层(0～10 cm)土壤以CN处理的速效磷含量最低，CC处理与CN处理差异不显著，NS、SC、NN、SS处理显著高于CN处理。在10～20 cm土层，NS处理速效磷含量最低，SC、CN处理与NS处理差异不显著，而CC、NN、SS处理比NS处理分别高270.2%、192.9%、78.7%，差异显著。在20～35、35～50 cm土层，均是SC处理速效磷含量最低，NS处理与SC处理差异不显著，其它处理显著高于SC处理，其中在20～35 cm土层，速效磷含量大小顺序为NN>CC>CN>SS>NS>SC，35～50 cm土层，除SS处理与CN处理顺序有变动外，速效磷含量大小顺序与20～35 cm相同。不同耕作处理土壤速效磷均随土层加深而降低，表层速效磷含量显著高于底层。单一耕作中SS处理表层与底层差异最大。3种轮耕模式中，同样还是NS处理表层与底层差异最大。

表6 不同耕作措施下土壤速效磷含量/(mg·kg-1) Table 6 Soil available phosphorus of different tillage measures

2.2.3 土壤钾素含量及分布 由表7可以看出，表层(0～10 cm)土壤全钾含量除了SS处理显著高于NN处理外，其它处理间差异不显著。在10～20 cm土层，SS处理全钾含量最低，其它处理均显著高于SS处理，全钾含量高低顺序为CC>NN>SC>NS>SC>SS。在20～35 cm土层，同样是SS处理全钾含量最低，其中CN、CC处理与SS处理差异不显著，NS、SC、NN处理显著高于SS处理。在35～50 cm土层，CN处理全钾含量最低，其它处理均显著高于CN处理，全钾含量高低顺序为NN>NS>SC>SS>CC>CN。6种耕作模式中SS处理的全钾含量在表层较高，这可能与深松处理下作物长势好导致秸秆还田量大有关。

表7 不同耕作措施下土壤全钾含量/(g·kg-1) Table 7 Soil total potassium of different tillage

从土壤速效钾含量(见表8)可以看出，表层(0～10 cm)，CC处理的速效钾含量最低，NN、CN、SS、SC、NS处理均显著高于CC处理(分别高45.2%、40.9%、30.1%、26.8%、25.2%)。在10～20 cm土层，SS处理速效钾含量最低，其中NS处理与SS处理差异不显著，NN、CC、SC、CN处理显著高于SS处理，分别高38.1%、26.0%、23.6%、14.3%。在20～35 cm土层，同样是SS处理速效钾含量最低，其它处理均显著高于SS处理，大小顺序为NN>CC>NS>SC>CN>SS。在35～50 cm土层，虽然以SS处理速效钾含量最低，但多数处理与SS处理差异未达到显著性水平(NS处理除外)。6个处理的速效钾含量随土层加深而降低，表层速效钾含量显著高于底层，单一耕作中SS处理表层与底层差异最大。3种轮耕模式中，CN处理表层与底层差异最大。轮耕比NN或CC处理的上下层差异大。

表8 不同耕作措施下土壤速效钾含量/(mg·kg-1) Table 8 Soil available potassium of different tillage

2.3 不同耕作处理对作物产量的影响

由表9可知，不同耕作措施的冬小麦与玉米产量均达到了显著性差异。8年的冬小麦产量表现为NS>SC>CN>SS>CC>NN，其中NS和SC轮耕处理显著高于其它4种耕作方式(P<0.05)。6种耕作方式之间玉米产量表现为NS>SC>CN>SS>NN>CC，3种轮耕方式与连年免耕(NN)和翻耕(CC)相比较，达到显著差异水平(P<0.05)，轮耕之间差异不显著；单一耕作间的春玉米产量差异也不显著。由表9还可以看出，免耕(NN)处理与翻耕(CC)处理相比，其小麦产量降低，而玉米产量虽有所提高，但差异不显著。

3 讨论与结论

不同耕作措施对土壤产生的物理扰动不同，从而影响土壤有机质矿化以及水分、养分运动，进而影

表9 2007—2015年不同耕作下冬小麦和 春玉米的平均产量/(kg·hm-2) Table 9 Average yield of winter wheat and spring maize of different tillage from 2007 to 2015

响土壤养分的分布[21-23]。不同耕作措施的有机质含量均随土层加深而呈逐渐降低的趋势，这与陈孙华[24]等研究相同。有研究认为，免耕能够显著提高表层土壤有机质含量[25]，本研究的结果与其稍有不同。而王碧胜[26]等研究提出，在表土层，免耕模式有机质含量较传统耕作虽有所提高，但差异并不显著，本研究结果与其一致。本研究发现，与翻耕(CC)处理相比，免耕(NN)处理在0～10 cm表层增加了有机质含量，但未达到显著水平，这可能与长期免耕下作物产量有所减低(表9)，秸秆还田量(4 766 kg·hm-2)相应减少有关(该试验小麦籽粒与秸秆的比值为1∶1.1，玉米的比值为1∶1.2)；在西北半湿润易旱条件下，农作物秸秆在表层土壤中的矿化率高达80%左右[27]。而在底层(10～20、20～35、35～50 cm)土壤中，免耕处理的有机质又趋于最高，这与免耕对土壤扰动小，有利于有机质的保存有关[28-29]。深松(SS)处理的表层(0～10 cm)土壤有机质含量高，且与底层(10～20、20～35、35～50 cm)差异大，这与深松后作物长势好、秸秆还田量较大(5 194 kg·hm-2)有关。另外，深松引起底层土壤通气性改善，促进底层有机质的矿化，从而导致表层与底层的差异大。翻耕(CC)使整个土层(0～50 cm)有机质含量分布相对比较均匀，这与该耕作引起上下层土壤每年换位有关。

不同耕作处理下，全氮的分布规律与有机质大致相似，也随土层加深逐渐减少，同样也以深松(SS)处理的土壤全氮上下层差异最大。这与深松条件下促进了底层土壤有机氮的矿化，提高了玉米对氮素的吸收有关[30]。不同处理土壤硝态氮普遍在20～35 cm土层相对较高，这是由作物吸收及随土壤水分向下淋溶共同所致。由于玉米生育的中后期(8—9月份)当地雨量相对较高，从而引起硝态氮向下移动。相比较而言，翻耕(CC)处理硝态氮在该土层含量最高，原因在于翻耕创造了良好的通气状况，有利于硝化作用发生，对土壤中氮素转化为硝态氮有促进作用[31]。铵态氮含量普遍在10～20 cm土层高于表层(0～10 cm)，这与北方石灰性土壤pH值较高，表层土壤氨挥发多有关[32]。

6种耕作措施下，在0～50 cm土层全磷均以表层最高，其原因是该地区磷肥施用多撒施于地表，磷被土壤固定所致。10 cm以下层次的土壤，翻耕(CC)、免耕(NN)处理的全磷含量较三种轮耕措施(NS、SC、CN)高，这与翻耕使上下土层土壤发生置换有关；免耕条件下可能是由于秸秆粉碎覆盖在地表，在覆盖条件下，一般土温会较低，而当土壤温度低于作物生长发育的适宜温度(玉米在10℃)时磷的吸收将会受到阻碍，即对磷吸收减少[33]。不同耕作措施间速效磷含量趋势与土壤全磷趋于一致，免耕、翻耕处理底层土壤速效磷在作物收获时含量高，也进一步说明了二者对磷素的吸收减少。

土壤全钾含量总体来看处理间差异较小，只有SS处理相对而言表层含量较高，这与该处理秸秆还田量相对较大[34]，从而较多地补充了土壤中被植物带走的钾素有关[12]。深松(SS)处理速效钾含量低，也进一步证实了作物对钾素吸收多，通过秸秆还田是引起该处理上下土层钾素存在差异的主要原因。深松打破犁底层有利于保水，有利于作物根系的生长，从而提高作物产量[35]，本试验的结果也发现，深松与免耕、深松与翻耕进行轮耕，小麦和玉米的产量均相对较高。相对于翻耕(CC)，长期免耕(NN)处理下的小麦产量、玉米产量并未显著提高，甚至出现减产现象，这与一些研究结果不同[36]，试验区的黑垆土属于偏黏的土壤质地类型，其矿物以伊利石为主，易发生板结。长期免耕不扰动土壤，导致耕层变浅，植物根系分布较浅[37]，不利于对养分的吸收(免耕处理下底层各养分含量均比较高)，从而导致产量不增加或降低。其原因还需要进一步深入研究。

在渭北高原黑垆土地区，通过8年的长期耕作定位试验，结果表明：不同耕作措施影响着该地区土壤的养分分布和作物产量。相比翻耕(CC)处理，深松(SS)、深松+免耕(NS)处理均能显著提高表层(0～10 cm)有机质含量，其中深松处理引起表层与底层有机质的差异大于免耕(NN)或翻耕(CC)，而轮耕(NS、SC、CN)对上下层有机质有一定的调节作用；深松(SS)引起多数养分上下层差异比较大，轮耕(NS、SC、CN)对养分分布的影响小于深松(SS)，但大于免耕(NN)或翻耕(CC)；长期免耕并没有显著增加作物产量，甚至产量有一定程度降低；而深松与免耕、深松与传统耕作相结合进行轮耕，可以获得较高的玉米或小麦产量，是该地区较适宜的耕作模式，但不同的耕作模式对土壤物理、化学、生物学性状以及水分等方面的影响还需要进一步深入研究。

致谢：感谢西北农林科技大学农学院李军教授及其团队提供的田间试验和部分数据材料。

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