耕作方式对西北旱作农田土壤特性及冬小麦产量的影响

刘世举，张候平，李 彤，申兰艳，徐由春，韩 娟

(西北农林科技大学 农学院，陕西杨凌 712100)

中国西北地区现有耕地面积14.48×104hm2，占全国耕地面积的11.57%，主要以旱地为主[1]。近年来，由于对土壤实行多年连续翻耕,导致表土暴露和土壤结构被破坏[2],土壤侵蚀和水土流失严重，土地质量日益降低，制约了该地区农业生产的可持续发展[3]。因此，如何通过适宜的耕作措施改善土壤性状，提高土地生产力，已成为西北旱区农业生产中亟待解决的重要问题。相对于传统翻耕方式，深松耕、免耕能够改良土壤结构，增强土壤的蓄水保墒能力[4],减少土壤有机质的矿化分解[5]，从而提高有机质质量分数。Cheng等[6]3a双季稻田间试验表明，与传统翻耕相比，连续免耕处理下土壤养分质量分数降低、体积质量增加以及土壤酸化加剧导致早晚稻产量均显著降低。相较于传统耕作措施，免耕少耕能够减少氮素的损失途径而提高土壤中全氮质量分数[7]，并能够显著增加土壤中有机碳质量分数[8]。张星杰等[9]研究表明，免耕3a能够明显提高旱作农田土壤物理性状和化学性质，改善土壤微生物活性，进而提高土壤微生物数量。免耕还具有显著的水土保持效应，防止土壤侵蚀[10]，但因地区、年份、降雨等存在差异[11]。赵亚丽等[12]研究表明，深松耕结合秸秆还田2a显著提高冬小麦-夏玉米系统土壤酶活性和土壤微生物数量，进而使作物产量提高。目前关于不同耕作方式对西北旱区土壤特性及作物产量影响的研究主要集中于短期田间试验，以长期田间定位试验为对象，研究不同耕作措施对土壤特性以及冬小麦产量影响的报道尚不多见。本研究以西北旱区9a田间定位试验土壤为对象，分析不同耕作方式下旱作农田土壤理化性质及冬小麦产量的长期效应，探索符合该区农业生产实际的耕作方式，促进该区农业生产可持续发展。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

长期田间定位试验设在陕西省杨凌示范区西北农林科技大学北校区西区试验地(34°21′N，108°10′E)，该区属于关中平原，暖温带季风气候，无霜期210 d，年均日照时数2 196 h，年均降雨量500～600 mm。试验区土壤属土娄土，基础土壤有机质13.46 g/kg，全氮0.56 g/kg，速效磷18.24 mg/kg，速效钾128.64 mg/kg，pH 7.30。

1.2 试验设计

此试验为2010年开始进行的长期田间定位试验，试验设置深松耕+秸秆还田(简称深松耕，CPT),用深松犁深松土壤至30～35 cm深，然后旋耕土壤表层；免耕+秸秆还田(简称免耕，ZT)，为保证小麦种子发芽率，浅旋0～5 cm表层土壤；常规耕+秸秆还田(简称翻耕，PT)，用翻靶将土壤耕到20～30 cm深，共3种耕作处理，3个小区，每小区面积 375 m2(15 m×25 m)。供试冬小麦品种为‘陕麦139’。

1.3 测试项目与方法

分别于冬小麦耕前(2016-10-18)、耕后(2016-10-19)、三叶期(2016-11-26)、越冬期(2016-12-31)、扬花期(2017-05-01)、成熟期(2017-06-16)采用五点取样法测定每个小区0～20 cm土壤特性指标，取得的样本用10目筛去除可见杂质,混匀后置于冰盒,于-80 ℃冰箱中保存。

1.3.1 土壤指标 参照Wang等[13]和李彤等[14]的方法测定土壤特性指标。采用烘干法测定土壤含水量；采用激光粒度仪测定土壤颗粒机械组成；用电位法测定pH；用高锰酸钾氧化法测定有机碳质量分数；用凯氏消煮法测定全氮质量分数；用苯酚钠-次氯酸钠比色法测定土壤脲酶活性；用实时荧光定量PCR技术测定土壤中细菌丰度。

1.3.2 冬小麦产量 成熟后，每个小区随机选取3个样点(每样点1 m2)进行小麦收获，并数出每平方米穗数、每穗粒数，称出千粒质量。然后根据产量三因素计算出产量。

1.4 数据处理

试验数据均采用Microsoft Excel 2013进行处理,采用SPSS 16.0软件中LSD法对各处理间试验数据进行方差分析，利用SigmaPlot 12.5绘制图表。

2 结果与分析

2.1 不同耕作方式对土壤含水量的影响

由图1可以看出，3种耕作方式下，土壤含水量总体呈现出先减少后增加的趋势，在扬花期降到最低。ZT处理下土壤含水量显著高于CPT和PT处理，分别较CPT和PT提高了2.9%和 9.7%(P<0.05)。耕前和三叶期ZT处理下土壤含水量显著高于CPT和PT，分别较CPT和PT提高了9.6%和18.4%(P<0.05)；耕后和成熟期CPT和ZT处理下土壤含水量显著高于PT处理，分别较PT提高了8.4%和9.1%，而CPT和ZT处理间土壤含水量无显著差异 (P>0.05)。

图1 不同耕作方式下0～20 cm土层土壤含水量Fig.1 Soil water content in 0-20 cm soil layer under different tillage methods

2.2 不同耕作方式对土壤颗粒组成的影响

由图2可以看出，3种耕作方式对土壤颗粒组成没有显著影响。随着冬小麦的生长，CPT和PT处理土壤中黏粒质量分数总体呈现出先增大再减小的趋势，ZT处理土壤中黏粒质量分数呈现出逐渐减小的趋势，3种耕作方式的土壤黏粒质量分数差异不显著(P>0.05)。耕前和三叶期ZT处理下土壤黏粒质量分数显著高于CPT和PT处理，分别较CPT和PT提高了60.2%、 49.4%和20.0%、24.5%(P<0.05)。ZT处理下土壤中粉粒质量分数高于CPT和PT处理，分别较CPT和PT提高了5.6%和3.9%，但三者之间无显著性差异(P>0.05)。CPT处理下土壤中砂粒质量分数高于PT和ZT处理，分别较PT和ZT提高了2.5%和10.0%，但三者之间差异不显著(P>0.05)。

2.3 不同耕作方式对土壤有机碳和全氮质量分数的影响

由图3可以看出，3种耕作方式下土壤有机碳(SOC)质量分数均呈现出先增加后下降再增加的趋势。在冬小麦各生育期，CPT和ZT处理下土壤有机碳质量分数均显著高于PT处理，分别较PT提高了40.5%和31.9%(P<0.05)，其大小规律为：CPT> ZT> PT，其中在成熟期，CPT处理下土壤有机碳质量分数达到最大值，最大值为17.2 g/kg。

图2 不同耕作方式下0～20 cm土层土壤颗粒机械组成Fig.2 Mechanical composition of soil particles in 0-20 cm soil layer under different tillage methods

由图4可以看出，冬小麦全生育期，CPT、ZT能显著提高土壤全氮质量分数，CPT和ZT处理下土壤中全氮质量分数显著高于PT处理，分别较翻耕提高了34.9%和34.3%(P<0.05)；耕前和耕后CPT和ZT处理下土壤中的全氮质量分数显著高于PT，分别较PT提高了32.7%、 29.0%和43.0%、35.9%(P<0.05)。成熟期土壤中全氮质量分数CPT>ZT>PT，CPT处理下土壤中全氮质量分数显著高于ZT和PT，分别较ZT和PT提高了11.8%和35.9%(P<0.05)。三叶期、越冬期和扬花期ZT和CPT处理下土壤中的全氮质量分数显著高于PT，分别较PT提高了38.2%、51.4%、31.5%和32.1%、37.7%、 27.8%(P<0.05)，其大小规律为：免耕>深松 耕>翻耕。

图3 不同耕作方式下0～20 cm 土层土壤有机碳质量分数Fig.3 Soil organic carbon mass fraction in 0-20 cm soil layer under different tillage methods

图4 不同耕作方式下0～20 cm土层土壤全氮质量分数Fig.4 Total nitrogen mass fraction in 0-20 cm soil under different tillage methods

2.4 不同耕作方式对土壤pH的影响

由图5可以看出，土壤pH受不同耕作方式的影响较为显著，CPT、ZT处理下的土壤pH显著低于PT土壤。3种耕作方式下，土壤pH大小规律为：PT>ZT>CPT。耕前、耕后和成熟期，PT处理下土壤pH显著高于ZT和CPT，分别较ZT和CPT提高了1.6%、1.5%、1.9%和4.1%、4.6%、3.6%(P<0.05)，其大小规律为：PT>ZT>CPT；三叶期、越冬期和扬花期PT处理下土壤pH显著高于ZT和CPT，分别较ZT和CPT提高了2.2%、3.4%、2.3%和1.7%、3.9%、2.6%(P<0.05)，其大小规律为：PT>ZT≈CPT。

图中不同小写字母表示统计检验5%水平差异显著，下同 Different lowercase letters in the figure indicate a significant difference at the 5% level of statistical test,the same below

图5 不同耕作方式下0～20 cm 土层土壤pH
Fig.5 pH of 0-20 cm soil under different tillage methods

2.5 不同耕作方式对土壤脲酶活性的影响

由图6可以看出，3种耕作方式下，在小麦全生育期，土壤脲酶活性均呈现出上升趋势，且其活性具有显著差异(P<0.05)，表现为：CPT>ZT>PT。CPT和ZT处理下土壤脲酶活性分别较PT提高了14.1%和12.8%。

图6 不同耕作方式下0～20 cm 土层土壤脲酶活性Fig.6 Urease activity in 0-20 cm soil under different tillage methods

2.6 不同耕作方式对细菌丰度的影响

由图7可以看出，在冬小麦全生育期，细菌丰度总体表现出先增加后降低再增加的趋势，CPT、ZT处理显著影响了细菌丰度。与耕前相比，耕后不同耕作方式下细菌丰度都有明显增加，随着生育期的推进，三叶期和越冬期3种耕作方式下细菌丰度又显著降低，越冬期之后逐渐升高，在成熟期达到最大值。耕前、越冬期、扬花期和成熟期，ZT处理下细菌丰度显著高于CPT和PT，分别较CPT和PT提高了17.0%、33.0%、11.2%、116.1%和92.3%、58.5%、26.0%、35.7%(P<0.05)。耕后和三叶期CPT处理下细菌丰度显著高于ZT和PT，较免耕和翻耕提高了31.8%、 39.3%和63.2%、177.4%(P<0.05)。

2.7 不同耕作方式对冬小麦产量的影响

由图8可以看出，3种耕作方式中，CPT处理下冬小麦产量最高，为7 888.26 kg/hm2，其次是PT处理，CPT处理下冬小麦产量分别较ZT和PT提高了15.2%和7.6%。与PT相比，CPT处理能够显著增加冬小麦产量，分析原因可能是CPT处理下土壤理化性质得到改善，冬小麦生长在良好的土壤环境中，促进了冬小麦生长发育，最终提高了产量。

图7 不同耕作方式下土壤中细菌丰度Fig.7 Bacterial abundance in soil under different tillage methods

图8 不同耕作方式下冬小麦产量Fig.8 Winter wheat yield under different tillage methods

3 讨 论

3.1 不同耕作方式对土壤物理性质的影响

因对土壤的扰动程度不同，导致土壤含水量出现差异。相关研究结果表明，深松耕、免耕都能显著提高土壤含水量[15-16]，苟琪琪等[17]研究表明，深松耕分别提高了耕层10、30 cm的土壤含水量7.66%、8.74%。本研究结果表明，免耕和深松耕均较翻耕提高土壤含水量，与丁晋利等[18]的研究结果一致。究其原因可能是深松耕和免耕减小了对土壤扰动的程度，有利于形成良好的土壤结构，较翻耕有更好的储水能力，减少农田土壤表面水分蒸发，有利于蓄集降雨。另外，秸秆覆盖可减少土壤水分蒸散量，降低土壤通透性，从而使得土壤水分质量分数增加[19]。本试验结果表明，3种耕作方式对土壤颗粒组成没有显著影响，可能是因为地表秸秆覆盖过多减弱了雨滴对地表的击溅作用，使雨滴动能减小，减弱了溅蚀作用[20]，造成耕作方式对土壤颗粒组成没有显著性差异。

3.2 不同耕作方式对土壤化学性质的影响

土壤环境的物质循环和能量转化受耕作方式的影响很大[21]。本研究结果表明，深松耕、免耕处理均能够显著提高土壤中有机碳和全氮质量分数，这与Roldán等[22]、李文凤等[23]研究结果一致。这可能是因为深松耕、免耕对土壤造成的干扰程度减小，削弱了土壤有机质的氧化和矿化分解[24]。张婧等[25]研究表明土壤有机碳与全氮的消长是一致的，深松耕和免耕可以减少对土壤的扰动，因而土壤与外界空气接触较少，从而减弱土壤的矿化分解速率。另外，土壤中的细菌等微生物通过对保留在地表秸秆的降解，也导致土壤中有机碳质量分数增加[26]。其次，翻耕加剧了对土壤中含有大量有机碳、全氮的大团聚体的破坏，形成了大量游离小颗粒和含有较少有机质、全氮的小团聚体，而游离小颗粒的稳定性极差，容易降解[27]，从而降低了土壤有机碳和全氮质量分数[26-27]。

土壤pH关系到土壤中营养元素的转化及微生物区系的改变，是指示土壤肥力的重要指标。本研究结果表明，土壤pH均呈弱碱性，且相较于传统翻耕，深松耕和免耕处理显著降低了土壤pH，这可能是因为秸秆腐解产生的酸性物质延缓土壤pH的增加，而且翻耕在增加土壤养分和调节土壤酸碱度方面的效果低于深松耕和免耕[28]。另外，可能是土壤中有机质分解过程中产生的CO2使得土壤pH降低[29]。其次，可能是因为深松耕和免耕处理下提高了土壤含水量进而导致土壤pH降低[30]。

3.3 不同耕作方式对土壤生物特性的影响

耕作措施对脲酶的活性有显著的影响，特别是传统铧式犁的使用使脲酶活性在所有土层均降低[31]。本研究结果表明，深松耕能够显著增加土壤脲酶活性，较翻耕提高了14.1%，这与Roscoe等[32]、赵亚丽等[12]的研究结果一致。这可能是因为深松耕能够打破犁底层，改善土壤通气状况，促进根系生长以及还田的秸秆本身带入的大量微生物增加了土壤酶的来源[33-34]。另外，可能是长期实行深松耕，土壤中物质循环和转化能力增强[21]，使得土壤中营养物质的循环增强，从而提高了土壤中脲酶活性[35]。

耕作方式能够显著影响土壤中微生物丰度。梁金凤等[36]研究表明，土壤深松耕能够增加土壤中细菌对土壤耕层微生态环境的适应性，提高细菌总量。本研究结果表明，深松耕、免耕处理显著增加细菌群落的丰富度，分析其原因可能与土壤养分及土壤物理化学性质等综合因素有关[9,14]，如水分、空气、酸碱度等。另外，可能是耕作措施减少了对土壤的扰动，使得土壤透气性增加，供给细菌以适宜的生存环境，从而使其丰度增加。其次，免耕处理下脲酶活性的提高直接影响植物对N的吸收，促进N的转化。因此，土壤脲酶活性的提高也能间接提高土壤微生物的活性。

3.4 不同耕作方式对冬小麦产量的影响

本研究结果表明，与翻耕相比，深松耕与免耕下冬小麦产量效应并不一致。深松耕处理下冬小麦产量较翻耕提高了7.6%，而免耕处理下冬小麦产量较翻耕降低了7.6%(P<0.05)。分析其原因可能是深松耕可以打破犁底层[37]，改善土壤的理化性质和生物特性，尤其是在雨养生产条件下，有利于土壤贮水，提高降水入渗，增加土壤含水量，从而促进小麦根系生长及其对土壤水分和养分的吸收利用[38]，最终提高了小麦产量。而免耕方式下，产量降低的原因可能是免耕增大了麦田土壤紧实度、吸收养分的根系的生长受到抑制以及麦田其他生物对养分的竞争增大。

4 结 论

与传统翻耕相比，深松耕处理下冬小麦产量提高了7.6%，而免耕处理下冬小麦产量降低了7.6%。此外，深松耕和免耕处理均能通过减少对土壤的扰动，显著改善土壤水分状况，提高土壤有机碳和全氮质量分数，增加土壤脲酶活性。深松耕通过打破犁底层，有利于冬小麦根系对土壤水分和养分的吸收，具有明显的增产效应。而免耕处理下麦田土壤紧实度增大、抑制根系对养分的吸收，导致冬小麦产量下降。总之，深松耕在西北旱区是一种较为合理的耕作方式。