不同耕作方式对土壤水分和养分变化的影响

李玉梅，王根林，孟祥海，李 艳,，胡颖慧，金 梁，王 伟，蔡姗姗，李承阳，魏 丹

（1.黑龙江省农业科学院土壤肥料与环境资源研究所，哈尔滨 150086；2.黑龙江省农业科学院畜牧研究所，哈尔滨 150086；3.黑龙江省农业科学院牡丹江分院，黑龙江 牡丹江 150021；4.东北农业大学生命科学学院，哈尔滨 150030；5.北京农林科学院植物营养与资源研究所，北京 100010）

耕作措施可改变表层土壤物理性质，影响土壤水分和养分迁移[1-2]。与传统耕翻比较，免耕提高表层0～20 cm土壤含水量[3-4]，在80～100 cm土层含水量达最高[5]。免耕配合秸秆覆盖在作物播种期减少表层土壤水分蒸发[6]，夏玉米水分利用效率比不覆盖处理提高11.26%[7]，冬小麦水分生产效率比无覆盖处理平均提高4.6%～25.2%[8]。不同耕作措施对土壤物理性状影响不同，养分在土壤层次间分布差异较大[9]。黄土高原旱地免耕秸秆覆盖17个月后，表层土壤全碳含量增加20.77%[10]。连续翻耕3年，土壤全碳含量未出现明显流失，连续翻耕16年后，土壤全碳含量流失达到40%。不同耕作方式下土壤有机质积累顺序为免耕＞覆盖＞翻压[11]，长期免耕土壤耕层变薄、营养表层富集[12]。

秸秆还田提高土壤有机质含量，连续5年秸秆还田提高土壤有机质含量8.5%～9.9%，年均增长率为0.01%[13-14]，有机物料在相对较短时间内（1～3年）已转化为稳定态有机质[15]。秸秆还田可改善土壤物理结构，提高土壤水养库容。单施秸秆、秸秆与化肥配施均可提高0～40 cm土壤含水量，秸秆与氮肥配施显著提高土壤全氮含量，比未施秸秆处理明显提高12～23 mg·kg-1[16-17]，土壤有效氮含量与秸秆还田量呈显著正相关；0～20 cm土层，秸秆覆盖免耕土壤全氮含量提高10.6%～15.8%，碱解氮含量比清茬翻耕处理增加23.3%[18]。

不同农业措施针对土壤性状季节变化差异性显著[19-20]。以往耕作研究多侧重于某一时间段整体变化，分析多年后对土壤理化性状及产量等因素影响，针对土壤性状在一年中、不同耕层季节变化研究较少[20]，尤其是我国东北草甸土研究鲜有报道。本研究通过田间定位试验，探讨不同耕作方式与秸秆还田下典型旱地草甸土理化性状季节动态变化，分析土壤水分和养分运移变化，为生产中综合评价、确定合理耕作与土壤培肥技术提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验地点位于黑龙江省牡丹江市温春镇（44.60′N，129.58′E），寒温带大陆性季风气候，年平均气温5.9℃，年平均降雨量500～600 mm，属于二三积温带，平均活动积温2 300～2 500℃。土壤类型为草甸土，质地为壤质粘土，基础理化性质：全氮1.51 g·kg-1，全磷0.71 g·kg-1，全钾2.53 g·kg-1，碱解氮117.6 mg·kg-1，速效磷 19.2 mg·kg-1，有效钾235.0 mg·kg-1，有机碳19.30 g·kg-1，pH 7.63。

1.2 试验设计

试验时间2016年4月～2017年10月，共设置6个处理，分别为免耕（NT）、浅翻20 cm（ST）、深翻35 cm（DT）、免耕秸秆覆盖（NT-S）、浅翻秸秆还田20 cm（ST-S）、深翻秸秆还田35 cm（DT-S）。每小区面积234 m2，3次重复，各处理施肥量为N 160 kg·hm-2、P2O5110 kg·hm-2、K2O 75 kg·hm-2。秸秆还田：在玉米收获后利用打茬机将秸秆粉碎至长度小于10 cm，用150马力大型机械带动五铧翻转犁将秸秆翻埋于不同深度土层。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 样品采集与测定

供试玉米品种为当地适宜品种益农玉10号，在玉米生长不同时期（播期、拔节期、大喇叭口期、成熟期），分别采集 0～10、10～20、20～30、30～40和40～50 cm土层土样，分析测定土壤相关理化指标。

土壤含水量测定采用环刀法，土壤硝态氮、铵态氮测定采用0.5 mol·L-1氯化钾溶液浸提后，连续流动分析仪（AMS-Alliance Futura）测定。土壤有机碳测定采用TOC仪（购自德国Analytik Jena公司）。

1.3.2 数据处理

运用Excel 2013处理试验数据，SPSS 19.0软件分析单因素方差。

2 结果与分析

2.1 翻耕方式对土壤水分变化的影响

不同耕作方式影响土壤水分变化，0～20 cm土层含水量主要由降雨量决定[3]。

由图1可知，土壤含水量随土层深度而增加。由于冬季降雨量偏少，免耕（NT）前期土壤含水量较低，播期0～10 cm土层，土壤含水量略高于浅翻，但差异较小；拔节期土壤含水量低于DT和ST处理，比NT处理出苗时间提前3～5 d，与玉米生长快、需水量大有关；受2017年度秋季降雨量较多、生育期均未扰动土壤影响，成熟期NT处理30～50 cm土层土壤含水量比ST和DT平均提高6.72%；同一土层，DT比ST处理土壤含水量平均增加3.23%～8.41%；除成熟期外，其他3个时期DT与NT处理均明显提高0～30 cm土层含水量，其中0～20 cm土层，比ST平均提高4.96%，20～30 cm土层，提高5.88%；整个生育期分析，0～50 cm土层平均含水量以DT＞NT＞ST，DT和NT分别比ST高0.66和0.57个百分点。

图1 不同翻耕方式对土壤水分变化的影响Fig.1 Effects of different tillage methods on soil moisture change

不同时期内土壤水分布趋势，成熟期＞拔节期＞播种期＞大喇叭口期。土壤水分变化也受生育期自然降雨量和玉米生长对水分需求影响，如图2所示。2016年秋季至2017年9月末总降水量为491.9 mm，冬季降水量偏少，2016年12月至2017年3月份总降水量不足20 mm，因此播期土壤含水量较低。4月份降水量开始增加，降水量最大分布在7、8月份，占总降水量40.62%，但大喇叭口期是玉米生长需水量最大时期，因此土壤含水量较低。

图2 自然降雨量Fig.2 Natural rainfall

2.2 翻耕与秸秆还田对土壤水分变化的影响

不同翻耕配合秸秆还田处理，土壤含水量随时间和空间发生变化。

由图3可知，土壤含水量随土层深度而增加，不同时期均表现为成熟期＞拔节期＞播期＞大喇叭口期，其中大喇叭口期0～20和20～50 cm土层，3个处理平均含水量为13.83%和14.43%，成熟期为16.66%和17.16%，差异显著。

免耕秸秆覆盖（NT-S）明显增加前期0～10 cm土层含水量，表现为玉米出苗提前和前期生长速度较快，而10～30 cm土层表现为降低趋势，与秸秆覆盖减少冬季雨雪下渗量有关；拔节期，0～20 cm土层，NT-S＜DT-S＜ST-S；大喇叭口期，随土层深度增加，各处理土壤含水量均表现为增-减-增趋势，差异不显著；成熟期，20～50 cm土层，NTS处理土壤含水量平均23.58%，比ST-S和DT-S分别增加12.2%和7.42%，与生育期未深松等耕作管理措施有关。播种期和成熟期，DT-S处理比ST-S处理平均提高含水量5.15%，而拔节期和大喇叭口期接近。同一土层，DT-S处理土壤水分略高于ST-S处理，其中以20～30 cm土层较明显，与秸秆还田深度增加，提高土壤蓄水能力有关。

图3 翻耕与秸秆还田对土壤水分变化的影响Fig.3 Effect of tillage and straw returning on soil moisturechange

2.3 耕作方式对土壤养分运移变化的影响

由图4a可知，土壤NH4-N含量随土层深度增加而降低，NT、DT、ST处理分别由8.18、14.54和12.63 mg·kg-1降至4.15、7.54和6.65 mg·kg-1，降幅为49.27%、48.14%和47.34%。由图4b可知，同一土层，NT处理NO3-N含量均低于ST和DT处理，差异显著；除20～30 cm外，同一土层，ST处理NH4-N含量略低于DT处理，差异较大。DT处理土壤NO3-N随土层深度增加而增加，不同深度土层，NT与ST处理土壤NO3-N变化趋势一致，均显著低于DT处理，与深耕打破犁底层，增加肥料和土壤中氮转化有关[19]。由图4c可知，耕作方式对土壤有机碳影响总体变化趋势基本一致，随土层深度增加有机碳含量逐渐减少。耕翻加速土壤有机质氧化[17]，0～20 cm土层土壤碳氧化速度为DT＞ST＞NT，有机碳含量则正相反。20～50 cm土层，土壤有机碳含量以NT＞DT＞ST。短期免耕（2～5年）土壤有机碳含量增加不显著，但可增强土壤有机碳稳定性[18]，因此NT处理有机碳降低幅度小于DT和ST处理。

图4 不同耕作方式对土壤养分变化的影响Fig.4 Effects of different tillage methodson soil nutrient changes

2.4 耕作与秸秆还田方式对土壤养分运移变化的影响

由图4a、5a可知，耕作方式对土壤NH4-N含量影响趋势一致，不同翻耕与秸秆还田方式下，随土层深度增加NH4-N含量下降。同一土层，NTS处理NH4-N含量均低于ST-S和DT-S处理。秸秆还田下不同翻耕深度对NH4-N影响较小，除0～10 cm土层外，同一土层ST-S与DT-S处理NH4-N含量差异不显著。

由图5b可知，深翻与秸秆还田均可增加土壤NO3-N含量。NT-S处理，各土层间NO3-N含量变化较小，平均9.96 mg·kg-1；ST-S处理，NO3-N含量随土层深度逐渐增加，平均33.96 mg·kg-1；DT-S处理，NO3-N含量随土层深度先增后减，平均49.36 mg·kg-1，与NT-S和ST-S处理，差异显著；40～50 cm土层，DT-S处理土壤NO3-N含量略低，原因有待进一步分析。

图5 耕作与秸秆还田方式对土壤养分的影响Fig.5 Effects of soil nutrient with tillage and straw returning

由图5c可知，与单一耕作方式对土壤有机碳影响一致，翻耕配合秸秆还田后，随土层深度增加，土壤有机碳含量呈逐渐降低趋势。0～20 cm土层土壤有机碳含量变化不大，30～50 cm土层降低较为明显，平均下降33.41%；ST-S和DT-S处理在0～20 cm土层土壤总有机碳量均低于NT-S处理，20～40 cm土层则相反，但差异不显著，与短期内秸秆还田土壤有机碳氧化速度、腐殖化程度相关，需进一步分析。

3 讨 论

3.1 耕作方式对土壤水分和养分运移变化的影响

旱地草甸土采用免耕、浅翻和深翻后，土壤水分和养分发生季节性变化。研究表明，耕作改变表层土壤物理性状，影响土壤水分和养分平衡，随土壤被犁翻次数增多，有机质损失，加剧表层土壤流失和风蚀，导致农田土壤退化[21-22]。与翻耕相比，免耕措施可保持土壤水分[11]。本研究表明，草甸土短期免耕后，土壤含水量表现为增加趋势，与上述研究一致。免耕可降低土壤有机碳氧化，稳定土壤有机碳含量[23]。薛建福等研究表明，短期免耕未提高土壤有机碳含量，可减弱有机碳脂族性，增加芳香性和土壤有机碳稳定性[24]。上述结果与本研究一致，免耕对土壤有机碳降低作用较弱。

3.2 耕作与秸秆还田方式对土壤水分和养分运移变化的影响

整秸秆表面覆盖后土壤水分随深度变化较弱[24-25]，而深层覆盖可降低土壤重力水由上层向下层入渗速率，阻碍秸秆层以下土壤水分蒸发散失[14,24]。施用秸秆等非腐解有机物料，可显著提高土壤中生物量碳和氮含量[25]。玉米覆盖免耕5年后，前期土壤硝态氮含量低于不还田处理，后期由于秸秆开始释放氮，可满足小麦生长后期对氮素需求[8]。本研究表明，免耕秸秆覆盖可在降雪较少冬季保持耕作层土壤蓄水量，但由于秸秆仅覆盖地表，土壤NH4-N和NO3-N提高影响较小，与上述研究结果不同，与土壤类型、作物种类等不同有关。深翻与浅翻比较，增加各土层含水量，配合秸秆还田后加速土壤氮转化，NO3-N含量增加，原因有待进一步分析。

4 结论

草甸土质地为壤质粘土，土壤砂性较强，长期耕作后土壤有机质下降、肥力降低。以秸秆还田土壤培肥为前提，构建合理深、浅、免耕结合耕作措施，是提高土壤肥力前提和保障。本试验结果表明，免耕与免耕秸秆覆盖可提高表层土壤前期含水量，为玉米出苗和前期生长提供充分水分和温度，但短期内对土壤NH4-N、NO3-N及有机碳等肥力指标影响不大。同一时期同一土层，深耕35 cm及秸秆还田对土壤水分和养分影响大于浅耕20 cm及秸秆还田处理。短期耕作与培肥下土壤理化性状季节性变化，受年季间降雨、作物生长等因素影响。