不同耕作模式对黑土区土壤理化性质及玉米生长发育的影响

张 洋，王鸿斌

(吉林农业大学，吉林长春130118)

土壤是作物生长的基础，对土壤进行耕作可改善耕层土壤结构，调节土壤中的固体、液体、气体的3相比例，协调好土壤中水、肥、气、热的关系，为作物生长发育创造良好的环境和条件［1］。吉林省被称为“黑土地之乡”，标准的寒地旱作农业大省，人均耕地更是高出全国平均2.18倍。经过300多年的开垦，尤其是建国初期大规模的开发，吉林省黑土地的理化性质发生了很大变化，绝大多数的土地退化，引发了严重的水土流失，导致土壤结构被破坏，营养物质流失，造成土壤理化性质恶化，不再适合作物的生长发育，形成恶性循环，严重地制约了吉林省农业的可持续发展。目前关于耕作模式的研究主要是单一的耕作方式对土壤和植物生长的影响，针对黑土区的研究鲜有报道。本试验探索不同耕作方式对玉米生长发育及土壤肥力的影响，旨在设计一种有利于提高黑土区玉米可持续的耕作模式，提高土壤质量，增强其蓄水、保墒能力和水肥气热协调能力，以得到年际间产量稳定、较高且能够满足种养结合，有利于可持续发展，可以大面推广应用的新型配套耕作技术。为不同环境耕作模式的下一步研究提供参考，为实现区域农业可持续发展以及保障国家粮食安全提供理论与技术支撑。

1 材料与方法

1.1 供试材料

试验作物为玉米品种雄玉581，并采用复合种衣剂拌种(艾克顿);试验示范面积5 hm2，于玉米全生育期采样;试验地点为吉林省梨树县梨树镇八里庙村。

1.2 处理设置

试验设均匀垄、大垄双行、新型CK、新型种植技术4种处理(表1)。每年5月初播种，2015、2016年连续处理2年。

1.3 采样方法

选完整的植株，采用土钻法挖掘根系样本，以植株为中心向下打钻，取样，记为样点A，然后以A为圆心，40 cm长度为半径，与垄向垂直两侧记为样点B、C。用土钻垂直向下钻50 cm，每10 cm取1个样品，每个样品用冲根器冲洗干净。

1.4 数据测定及处理方法

分别于2015、2016年的6月16日(苗期)、7月23日(拔节期)、8月24日(抽穗期)、10月12日(成熟期)采样，进行数据测定。

1.4.1 土壤含水量 用土钻取土，采用烘干法测定样品含水量［2］。

1.4.2 土壤容重 采用环刀法测定测定土壤容重［3－4］。

1.4.3 土壤养分含量 土壤全氮量、速效磷含量、有机质含量、硬度分别采用硫酸重铬酸钾消煮－半微量定氮法、铝锑抗比色法、重铬酸钾容量法、日本山中式硬度计测定［2］。

1.4.4 玉米株高茎粗和光合速率的测定［5］每小区在玉米不同生育时期随机取5株进行测定，取其平均值。光合速率利用Li6400光合作用仪测定。

1.4.5 数据统计 试验数据采用SAS8.01软件进行方差分析，WPS进行数据整理。

2 结果与分析

2.1 不同耕作模式对黑土区土壤物理性质的影响

2.1.1 不同耕作模式对黑土区土壤含水量的影响 从图1可以看出，在玉米苗期4个处理的土壤含水量没有明显的变异规律;但在0～20 cm土层中，新型种植处理的土壤含水量平均值较其他处理略高，这可能与其他3个处理地表裸露有关。在玉米拔节期，土壤含水量相较苗期整体下降，这与玉米生长耗水量加大有关;但是新型种植和新型CK处理的土壤含水量明显高于其他处理，这可能是由于根茬增强了土壤的保水能力。在玉米抽穗期，土壤含水量相较拔节期整体上升，这可能与大气降水有关;在0～20 cm土层内土壤含水量由大到小顺序为新型种植＞新型CK＞均匀垄＞大垄双行，这可能是因为新型种植处理中秸秆和根茬增强了土壤的蓄水能力，而由于新型CK处理没有表面秸秆覆盖，使得其土壤含水量低于新型种植处理。在玉米成熟期，在0～50 cm土层内，4个处理土壤含水量没有较明显的变化规律，但在0～20 cm土层内新型种植处理的土壤含水量略高于其他处理。

由图2可以看出，4种耕作模式连续处理2年，在表土层(0～10 cm)中，均匀垄、大垄双行、新型CK处理的土壤含水量2016年都比2015年低，而新型种植处理2016年比2015年高;在稳定层(10～20 cm)和犁底层(20～30 cm)土层中，均匀垄、大垄双行处理的土壤含水量都是2016年比2015年低，而新型CK、新型种植处理都是2016年比2015年高;在心土层(30～40 cm)土层中，均匀垄、大垄双行处理的土壤含水量都是2016年比2015年高，而新型CK和新型种植处理没有明显差异;在母质层(40～50 cm)的土层中，4种耕作处理2016年和2015年的土壤含水都没有明显变化。

2.1.2 不同耕作方式对土壤容重的影响 从表2可以看出，0～50 cm土体中土壤容重平均值没有显著差异，大垄双行和均匀垄处理下土壤容重变异程度较小，标准差仅为0.06～0.10之间，而新型CK和新型种植处理土壤容重变异程度较低，标准差为0.17～0.29，可见种植方式的改变对土壤容重的影响较大。

4种耕作模式连续处理2年，2016年与2015年相比，在表土层中，均匀垄、大垄双行处理的土壤容重都有上升，新型CK和新型种植处理的土壤容重有所下降，但都不显著;在稳定层/犁底层中，均匀垄和大垄双行处理的土壤容重也有所上升，而新型CK和新型种植处理有所降低，但都不显著;在心土层和母质层中，4种耕作模式的土壤容重差异不显著。总体来看，2016年与2015年相比，均匀垄和大垄双行处理的土壤容重没有显著变化，新型CK和新型种植模式处理的土壤容重有所降低，但差异不显著。

2.1.3 不同耕作方式对土壤三相的影响 根据表3可以看出，新型CK和新型种植处理表土层和稳定层固、液、气三相比接近2∶1∶1，说明固体颗粒大小一致、水分均匀、透气性较好，土壤整体保墒保水性能好，利于作物生长;大垄双行处理表土层三相比为1∶1∶1，稳定层接近2∶1∶1，说明表层固态较少，易倒伏;均匀垄处理表土层三相比为1∶0.5∶1，含水量少，稳定层三相比为1∶1∶1，可见其表土层的土壤结构处于十分不合理的状况。经过连续2年的处理，笔者发现，新型CK和新型种植这2种处理的三相比更合理。

表2 不同耕作方式下土壤容重的变化

表3 不同耕作方式下土壤的三相(固、液、气)比

2.2 不同耕作方式对土壤化学性质的影响

2.2.1 不同耕作方式对土壤碱解氮含量的影响 土壤碱解氮别称土壤有效性氮，是土壤中所有可被植物利用吸收的氮，包括所有的无机氮和部分可分解的有机氮，而土壤中碱解氮含量受到土壤有机质含量、植被状况、气候、土壤质地、地形地貌、海拔、耕作方式等多因素的影响。土壤碱解氮含量可以作为不同耕作方式对土壤供氮能力产生影响的指标。由图3可知，不同耕作模式处理间，玉米成熟期土壤碱解氮含量较苗期均有所提高，从低到高依次为均匀垄、大垄双行、新型CK、新型种植;这可能是由于随着玉米的生长，覆盖的秸秆和留田的根茬经过腐解作用后，一些氮素被释放，使得土壤碱解氮含量增加。综上所述，耕作方式能够影响土壤碱解氮的含量。4种耕作模式连续处理2年，2016年与2015年相比，均匀垄、大垄双行处理的土壤碱解氮含量有所下降，新型CK、新型种植处理的土壤碱解氮含量呈上升趋势。

2.2.2 不同耕作方式对土壤速效磷含量的影响 磷是细胞膜的组成成分，不仅能促进植物根系的生长发育，还可以提高植物抗性，在植物的生命活动中具有无可替代的作用。土壤中磷的含量是土壤肥力的决定因素之一，其中速效磷是土壤中可被植物吸收的磷元素，因此一般将土壤速效磷的含量作为土壤磷素养分供应能力的指标。目前，关于可持续耕作模式措施对土壤速效磷含量的影响还没有统一的结论。本试验中不同耕作模式下耕层土壤速效磷含量的变化情况基本一致(图4)，随着玉米的生长发育，土壤速效磷含量先缓慢增加后缓慢降低。在玉米拔节期土壤速效磷含量达到最大，这可能是因为随着气温的上升速效磷的来源增多，之后，随着玉米对磷需求量的加大，土壤中速效磷含量缓慢下降。

4种耕作模式连续处理2年，2016年与2015年相比，均匀垄、大垄双行处理的土壤速效磷含量有所下降，新型CK、新型种植处理的土壤速效磷含量有所上升。可见，新型种植模式能够有效增加土壤速效磷含量。

2.2.3 不同耕作方式对土壤速效钾含量的影响 钾被誉为植物生长发育三要素之一，是植物生长发育必不可少的物质，也是植物体内和外界代谢必不可少的物质。因此，土壤速效钾的含量是评价土壤肥力的一个重要指标。由图5可知，在不同处理不同生育时期内，土壤速效钾含量无明显变化。但总体呈现表现为新型种植＞新型CK＞大垄双行＞均匀垄，拔节期＞抽穗期＞成熟期＞苗期。以上结果表明，不同耕作方式对土壤速效钾含量具有一定的影响，但具体影响的效果有待进一步研究。2016年与2015年相比，均匀垄和大垄双行的土壤速效钾含量有所下降，新型CK和新型种植处理的土壤速效钾含量有所上升。

2.2.4 不同耕作方式对土壤有机质含量的影响 有机质作是土壤肥力的物质基础。由表4可知，在表土层和稳定层中均表现为新型种植＞新型CK＞大垄双行＞均匀垄;均匀垄、大垄双行处理的有机质含量均小于20 g/kg，新型种植、新型CK处理土壤的有机质含量高于均匀垄和大垄双行处理。随着土层的加深，有机质含量均在减少，但新型种植技术中，犁底层以下层次的有机质含量变异规律不明显。

2016年与2015年相比，在表土层中，均匀垄、大垄双行、新型CK处理的土壤有机质含量都有所下降，而新型种植处理的土壤有机质含量有所上升，但差异不显著;在稳定层中，均匀垄、大垄双行处理的土壤含有机质量均下降，而新型CK、新型种植处理的土壤有机质含量显著上升;在心土层、母质层中，4种耕作模式的土壤有机质含量都没有明显变化。而犁底层中，除均匀垄外，其他3个处理均差异显著。

表4 不同耕作方式下土壤有机质含量的变化

2.3 不同耕作方式对土壤对玉米生长发育的影响

2.3.1 不同耕作模式对玉米株高、茎粗的影响 土壤环境的变化，对玉米植株生长也会造成一定的影响。由图6可知，苗期玉米茎粗没有明显变化;拔节期新型种植处理表现最好，均匀垄处理最差;抽穗期和成熟期新型种植、新型CK处理表现较好，均匀垄处理最差。由图7可知，玉米生育期内4种处理的株高没有明显变化。2016年和2015年相比，玉米株高和茎粗在苗期没有明显变化，但是从拔节期到成熟期，均匀垄、大垄双行处理的玉米株高和茎粗均有所下降，新型CK、新型种植处理的玉米株高和茎粗有所上升。

2.3.2 不同种植方式对玉米生育期净光合速率(Pn)的影响通过对玉米不同生育期净光合速率(Pn)的采集，获取不同处理下玉米各生长阶段净光合速率的变化情况(图8)。新型种植、新型CK处理的净光合速率在不同生长阶段均高于其他2种处理。这可能是由于在新型种植模式、新型CK模式下，土壤保水能力的增强以及茎粗、株高的明显增加使光合能力增强所致。与2015年相比，2016年均匀垄、大垄双行处理的玉米光合速率有所下降，新型CK、新型种植处理的玉米光合速率有所上升。

2.3.3 不同耕作模式对玉米产量的影响 由表5可知，2015年，新型种植、新型CK与大垄双行间产量差异不显著，大垄双行与均匀垄间产量也无显著差异，但新型种植、新型CK与均匀垄处理的产量差异显著。2016年，新型种植与其他处理产量差异显著，而新型CK和均匀垄均与大垄双行差异不显著。不同耕作方式下玉米产量由高到低的顺序为新型种植＞新型CK＞大垄双行＞均匀垄。与2015年相比，2016年均匀垄、大垄双行处理的玉米产量有所下降，新型CK、新型种植处理的玉米产量有所上升，增幅分别为1.76%、3.81%。

表5 不同耕作方式对玉米产量的影响

3 结论与讨论

3.1 不同耕作模式对黑土区土壤含水量的影响

土壤含水量是影响作物生长发育的重要因素之一，而旱地土壤主要是靠自然降水来补充水分，水分除植物的有效利用外，主要通过表层蒸发、径流损失、向下渗漏等方式流失。因此，如何提高旱地土壤保水蓄水能力视农业可持续发展的关键问题之一。廖允成等研究表明，深松和残茬能够减少水分渗漏损失，提高土壤的蓄水能力［6］。朱文珊等研究发现，免耕和秸秆覆盖还田可以有效减少地表蒸发和水分径流的损失，进而提高土壤水分的利用率［7］。本试验结果表明，不同耕作模式对土壤含水量的影响存在明显差异，尤其是在0～20 cm的耕层土层中，土壤含水量表现为新型种植＞新型CK＞均匀垄＞大垄双行。在玉米不同的生育期内，各处理的土壤含水量都呈现“升高—降低—升高”的变化趋势，而在各个生育期中新型种植处理的土壤含水量均明显大于其他处理。不同耕作方式间含水量的差异主要原因可能是深松能够加强土壤的蓄水能力，根茬还田减少了水分渗漏，免耕和秸秆覆盖还能够减少地表蒸发和地表径流带来的水分损失，保证耕层土壤含水量，为玉米生长发育提供了充足的水分。随着玉米的生长发育，土壤含水量整体下降，尤其在拔节期，蒸腾耗水在土壤含水量动态变化中起主导作用，使耕作模式的调节作用被削弱，但与其他处理相比，新型CK、新型种植处理的土壤保水能力仍具有很大优势。

3.2 不同耕作模式对黑土区土壤容重和三相比的影响

土壤容重是衡量土壤是否适宜种植作物的一个重要指标。有研究证明，土壤容重与植物水分吸收、氮磷钾含量积累负相关，土壤容重的变化还会影响植物干物质的积累，土壤种植理想的三相比为2∶1∶1，根茬和秸秆还田能够有效降低土壤容重，调节土壤三相比［8－10］。虽然目前关于不同耕作方式对于土壤容重的影响还存在分歧，但是深松已被证实可以降低土壤容重［3］。本试验发现，在耕层土壤的表土层和稳定层中，土壤容重从小到大依次为新型种植＜新型CK＜大垄双行＜均匀垄的规律，而且新型种植、新型CK处理的土壤容重显著小于其他2种处理，新型种植处理表土层土壤容重小于新型CK处理;新型CK和新型种植处理表土层和稳定层土壤固、液、气三相比接近2∶1∶1，其他处理土壤三相比均不理想。综上所述，深松可以降低耕层土壤容重，这与前人的研究结果［11］一致;根茬还田主要可以降低稳定层土壤容重，而秸秆覆盖还田则主要作用于表土层;根茬还田结合秸秆覆盖可以调节土壤三相比，使其接近理想状态(2∶1∶1)。

3.3 不同耕作模式对黑土区土壤氮磷钾含量和有机质含量的影响

土壤氮磷钾和有机质含量是衡量土壤肥沃程度的重要指标，也是影响植物生长发育的关键因子。大量研究证明，根茬和秸秆还田能提高土壤有机质含量，深松能间接提高有机质含量，而有机质不仅对氮磷钾有吸附作用，被微生物分解后还会产生无机元素，因此有机质含量与氮磷钾含量有一定的正相关关系［12－15］。本试验结果表明，土壤氮磷钾和有机质含量在表土层和稳定层土壤中均表现为新型种植＞新型CK＞大垄双行＞均匀垄;随着剖面加深，有机质含量均逐渐减少，但新型种植技术中，犁底层以下土层有机质含量明显高于其他处理;新型种植和新型CK处理的碱解氮、速效钾含量均高于其他处理。说明根茬还田和秸秆覆盖能有效增加土壤氮磷钾和有机质含量，而且对耕层以下土壤也有明显的效果，这不仅能满足当季作物生长发育所需，还能起到改善贫瘠土壤的效果;深松再加上根茬还田和秸秆覆盖还能调节pH值，改良土壤。

3.4 不同耕作模式对玉米株高、茎粗、光合速率及产量的影响

耕作模式一般是通过改变土壤物理、化学性质来影响作物的生长发育和产量［16－17］。从玉米生育期看，在拔节期之后，株高和茎粗开始有所差异，新型种植、新型CK和大垄双行优于均匀垄种植处理;通过对玉米不同生育期净光合速率的比较可知，新型种植模式具有一定优势;不同耕作模式之间产量存在明显差异，不同耕作方式下玉米产量由高到低的顺序为新型种植＞新型CK＞大垄双行＞均匀垄。不同处理下玉米茎粗、光合速率、产量的差异是多种原因造成的:首先，新型种植处理不仅增加了土壤含水量，还通过深松，降低了水分转运阻碍，有利于玉米的水分吸收;其次，新型种植处理改变了土壤容重和土壤三相比，增加土壤孔隙度，在满足水分吸收的情况下还能促进根系发育，加强玉米对营养物质的吸收能力;最后，新型种植模式能有效提升土壤肥力，不仅保证了玉米生长发育的营养需求，还提供了更加利于玉米吸收养分的环境。不仅提升玉米光合速率，还在产量上表现出显著优势，其中新型CK主要是通过根茬还田，改变稳定层土壤性状，而新型种植模式为根茬还田加秸秆覆盖，在整个耕作层都有改变，使得新型种植模式在土壤肥力上优于新型CK，进而影响到玉米的整体发育和产量。

3.5 不同耕作模式持续处理对土壤理化性质和玉米产量的影响

不同的耕作模式对土壤的影响也不同，不合理的耕作模式可以使土壤理化性质恶化，不适宜作物的生长发育，而持续采用不合理耕作模式进行种植会加剧土壤肥力衰退，造成恶性循环。可持续的耕作模式不仅能够保护土壤理化性能，还可以改善被破坏的土壤性状。在本试验中，2016年与2015年相比，4种处理模式在心土层和母质层中含水量无明显变化规律;均匀垄和大垄双行处理使得耕层土壤含水量有所下降，新型CK和新型种植处理使得耕层土壤含水量有所上升，但新型CK处理中表层土壤含水量也有下降趋势，稳定层含水量增加，而新型种植处理下，表层土壤的含水量也有所增加;均匀垄和大垄双行处理使得耕层土壤容重有所上升，新型CK和新型种植处理使得耕层土壤容重有所下降;均匀垄和大垄双行耕层土壤的速效磷、速效钾和碱解氮含量有所下降，新型CK和新型种植模式处理有所上升。均匀垄和大垄双行耕作模式使玉米的光合速率有所下降，新型CK和新型种植模式处理使玉米株高和茎粗有所上升，但苗期除外。玉米均匀垄和大垄双行耕作模式使玉米产量有所下降，新型CK和新型种植模式处理使玉米产量有所上升，增幅分别为1.76%和3.81%。4种处理的差异可能是因为均匀垄、大垄双行这2种传统耕作模式对土壤结构破坏严重，使土壤团聚体减少，保水能力下降，有机质消耗速度远远大于其补充速度，造成土壤养分严重流失，进而影响作物的生长发育，造成减产;而新型CK种植模式虽然减轻了对土壤造成的破坏，但是仅通过根茬还田，表层土壤的含水量依旧下降，仅能维持土壤不被破坏，并不能改良已被破坏的土壤性质。而新型种植模式处理下，不仅保持土壤结构，减少土壤水分的散失，增加土壤保水能力，为种子的萌发创造最有力的条件，而且通过秸秆覆盖土壤，在土壤表面形成1个厚厚的保护层，能够减少土壤水分流失，增加土壤的保水能力，改善土壤结构，不仅起到增加作物产量的作用，对土壤的改良也有很大的功效。

综上所述，本试验认为新型种植模式(均匀垄、免耕、深松、根茬还田、秸秆全部还田)是符合梨树县黑土区土壤情况的一种可持续的耕作模式。