不同耕作方式对旱地黄壤理化性质及玉米产量的影响

滕 浪， 何腾兵,2*， 曾庆庆， 林署云， 韦小了， 张 佩， 李坦东， 王立国

(1.贵州大学 农学院， 贵州 贵阳 550025； 2.贵州大学 新农村发展研究院， 贵州 贵阳 550025； 3.贵州省山地农业机械研究所， 贵州 贵阳 550025)

土壤耕作过程中，耕作器械直接作用于土壤，改变了土壤结构，为作物生长需要的水、肥、气、热提供了一个良好的生长环境，成为维持农业可持续发展的重要手段[1]。长期以来，旱地作物耕作方式单一，使土壤耕层变浅、土壤容重变大、土壤有机质在表层富集，作物因无法更好地吸收营养而减产。因此，以减少土壤扰动和增加秸秆还田的保护性耕作，具有保土、增肥、节水、增产和增效的作用，成为目前减肥增效的研究热点[2-4]。基于玉米生产因土壤水分与土壤肥力利用效率差而导致的减产问题[5]，不少学者研究的保护性耕作措施对提高玉米产量已初见成效[6-7]。贵州西部地区因海拔较高，地势陡峭坡度较大，玉米是当地的主要粮食作物，该区域是黄壤与石灰土分布交措地区，耕地以具有粘性较大的黄壤为主[8-9]，长期单一的耕作方式使土壤板结，土壤肥力下降。而贵州开展保护性耕作的研究鲜有报道[10-11]，适宜贵州西部地区的保护性耕作技术尚不成熟。因此，以黔西县长期种植玉米的旱地黄壤为例，采用原位定点采样，研究不同耕作方式对土壤理化性质及玉米产量的影响，为贵州西部地区提升土壤肥力及实施保护性耕作提供理论依据。

1材料与方法

1.1研究区概况

研究区位于黔西县林泉镇东南部，试验地块长期栽种玉米，冬闲旱地，面积0.43 hm2，长75 m，宽60 m，地块间高差6 m，呈西南高东北低，土壤类型为砂页岩风化形成的黄壤。

1.2试验设计

试验于2017年3月至2018年3月进行。玉米种植设传统耕作、免耕、松耕3个处理，每处理3次重复，随机区组排列，每个小区面积420 m2，每小区之间设0.5 m的人行横道，地块四周设0.5 m保护行。土壤耕作措施技术流程：1) 传统耕作：播前除草→翻耕(铧式犁)→旋耕(旋耕机)→耙平→播种(玉米播种机)和施肥→苗期除草、补苗→田间管理→收获(收获机)→秸秆还田→11月翻耕过冬；2) 免耕：播前除草→播种(玉米播种机)和施肥→苗期除草、补苗→田间管理→收获(收获机)→秸秆还田； 3) 松耕：播前除草→深松土壤(松耕机，三铧深松犁)→浅旋耕(旋耕机)→耙平→播种(玉米播种机)和施肥→苗期除草、补苗→田间管理→收获(收获机)→秸秆还田→11月翻耕过冬，3个耕作处理小区的施肥、作物品种及其他管理措施均相同，种植规格为行距70 cm,株距25 cm。

于试验前后对每个小区相同位置进行土壤取样。每小区按照均等长度选取3个点，在选取的点周围取0～20 cm土层的环刀样，每个点取0～20 cm(表层土壤)、20～40 cm(深层土壤)的土壤约2 kg带回实验室分析测试。用卡尺选取试验区中心点，在距中心点15 m和25 m处用土壤坚实度测定仪测量0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm、30～40 cm处的土壤坚实度。

1.3测定指标及方法

土壤容重、孔隙度、毛管持水量、非毛管孔隙及土壤养分均采用土壤农化常规分析方法测定[12]。土壤容重用环刀法，土壤总孔度=(1-容重/密度)，毛管持水量(田间持水量)用环刀吸水法，非毛管孔度=总孔隙度-毛管持水量，土壤pH用电位法(1∶2.5土水质量比法)，土壤有机质用油浴加热重铬酸钾氧化法，土壤全氮用开氏法，土壤碱解氮用碱解扩散法，土壤速效磷用氟化铵浸提-钼锑抗比色法，土壤有效钾用乙酸铵浸提-火焰光度计法测定。

试验数据采用Excel与SPSS进行统计分析。

2结果与分析

2.1土壤pH和有机质含量

由表1可知，试验区耕地土壤pH呈酸性，pH表层土壤(0～20 cm)<深层土壤(20～40 cm)；传统耕作表层土壤pH比试验前下降0.05，免耕深层土壤下降0.01，松耕深层土壤下降0.04，不同耕作方式间土壤pH无差异，因此短期耕作方式转换不会影响土壤的pH值。土壤有机质含量均以表层土壤>深层土壤，表层土壤有机质含量为松耕>免耕>传统耕作，较试验前分别降低4.74 g/kg、0.62 g/kg和4.36 g/kg；深层土壤有机质含量传统耕作和松耕均升高，表现为松耕>传统耕作，上升幅度分别为3.18 g/kg和1.35 g/kg，免耕深层耕作土壤有机质下降1.06 g/kg。

表1不同耕作方式土壤的pH值和有机质含量

注：不同小写字母代表同土层处理间P<0.05水平下差异显著，下同。

Note: Different lowercase letters in the same column indicate significant difference at 5% levels. The same below.

2.2土壤养分含量

由表2可知，试验区土壤全氮、碱解氮、速效磷和有效钾含量均为表层土壤>深层土壤。试验前后各耕作方式间表层土壤和深层土壤的全氮含量相差不显著；说明短期更换旱地耕作方式不会影响土壤的全氮含量。表层土壤碱解氮含量为松耕>免耕>传统耕作，碱解氮含量相差不大；深层土壤松耕和免耕的碱解氮显著高于传统耕作，以松耕的含量最高，且高于试验前，说明，松耕可使表层土壤碱解氮向深层土壤转移，防止土壤碱解氮流失。各耕作方式表层土壤的速效磷含量均下降，降幅以传统耕作的较高，差异显著；深层土壤速效磷含量除免耕外，含量均上升，升高幅度为松耕>传统耕作，说明传统耕作与松耕使深层土壤速效磷含量升高，可以保护速效磷的流失。表层土壤的有效钾含量各耕作方式均下降；深层土壤有效钾含量除免耕略有下降外，传统耕作与松耕均上升，上升幅度为松耕>传统耕作，说明松耕与传统耕作均可使表层土壤养分向深层转移，防止有效钾的流失。

2.3土壤容重及孔隙度

由表3可知，不同耕作方式试验前后土壤容重变化差异不大，其中传统耕作土壤容重增加0.05 g/cm3，免耕与松耕土壤容重均降低0.05 g/cm3，可知免耕与松耕可以使土壤质地变得疏松，防止土壤板结。试验前后土壤总孔隙度差异较大，传统耕作土壤总孔隙度降低3.66%，免耕与松耕土壤总孔隙分别上升3.03%和3.30%，说明传统耕作可使土壤总孔隙降低，免耕与松耕可使土壤孔隙度增加，使得土壤质地变得越来越疏松。试验后土壤毛管持水量均有所上升，上升幅度为免耕(44.59%)>松耕(11.92%)>传统耕作(11.00%)，可知，免耕与松耕更加容易使土壤毛管孔隙中保持水分，使得土壤水分不易流失。试验后土壤非毛管孔度均下降，传统耕作降低26.10%、免耕降低56.47%，松耕降低7.35%，说明免耕使土壤大孔隙减小，土壤通气能力减弱，松耕使得土壤大孔隙增加，透气性能良好。

表2不同耕作方式间土壤的养分含量

表3不同耕作方式土壤的容重、孔隙度及毛管持水量

2.4不同土层的坚实度

由表4可知，土层0～10 cm与10～20 cm免耕与传统耕作、松耕间土壤坚实度存在显著差异，表现为免耕>松耕>传统耕作；20～30 cm与30～40 cm免耕试验区由于土壤坚实度过大，仪器无法探测到该深度土壤坚实度。传统耕作方式10～20 cm土层和20～30 cm土壤坚实度分别升高157.50%、462.91%，免耕0～20 cm土壤坚实度升高105.74%，松耕0～40 cm每层土壤坚实度分别升高258.00%、82.39%和45.93%。说明，松耕可以使土壤耕作层加深，使得土壤变得疏松，改善土壤板结。

表4不同耕作方式不同土层的土壤坚实度

Table 4 Soil firmness in different soil layers under different tillage methods

耕作方式Farming methods土壤深度/cm Depth of soil0～1010～2020～3030～40传统耕作 Traditional tillage31.41 b80.88 b455.28 a-免耕 No-till167.54 a344.67 a--松耕 Loose tillage43.69 b156.41 b285.87 b417.18

注：表中“-”为土壤太硬，仪器无法进行该深度数据测试。

Note: The “-” in the table indicated that the soil was too hard for the instrument to test the depth data.

2.5土壤水分含量

由图1可知，玉米地土壤含水量垄沟>垄上，3种耕作方式下垄上土壤含水量为免耕(3.96%)>松耕(1.21%)>传统耕作(0.96%)，垄沟为松耕(8.53%)>免耕(7.95%)>传统耕作(7.74%)，即垄上土壤水分易向垄沟流动，以松耕垄上土壤水分转移量最大，能够防止玉米旱地土壤水分流失。

图1不同耕作方式土壤的含水量

2.6玉米产量

从图2可知，不同耕作方式下玉米产量为松耕>传统耕作>免耕，其中，松耕是传统耕作的1.01倍，是免耕的1.08倍，可知松耕能够使玉米更好的吸收土壤中的养分，保障玉米更好地生长，提高玉米产量。

图2不同耕作方式玉米的产量

3结论与讨论

3.1不同耕作方式土壤的化学性质

采用不同耕作方式可以改善土壤肥力，尤其松耕改善土壤养分最为明显，这与前人研究结果一致[10，13-14]。松耕由于耕作土层较深，使得表层腐化土壤与深层土壤发生交换，表层土壤有机质下降4.74 g/kg，深层土壤有机质含量显著增加3.18 g/kg，与张云贵[3]、潘雅文[15]等研究结果一致，可能是松耕地上生物量增多，耕作时生物质埋在深层土壤中，导致有机质含量增加；免耕试验区有机质含量均下降，这可能是免耕0～40 cm土壤结构基本基本无变化，导致表层生物量无法向下转移，使土壤中有机质含量略有下降，与黄界颍[16]的研究结果一致，也有可能是满足作物生长需要的碳源，土壤中有机质发生矿化，在土壤微生物的作用下，使土壤中有机质含量下降；试验区中传统耕作下表层土壤有机质显著下降4.36 g/kg，深层土壤有机质增加1.35 g/kg，这可能是传统耕作深度在0～30 cm内，导致表层生物质较多的土壤填埋在底层中，土壤耕作层有机含量变化较大，与何腾兵[10]的研究结果一致。因此，要保护深层土壤有机质含量，使土壤碳含量不易流失，可以加深土壤耕层深度，使表层生物质能填埋在深层土壤中，在微生物的作用下分解，使土壤中有机质含量增加，为植物生长提供碳源。

不同耕作试验区土壤全氮含量以免耕变化幅度最大，与崔思远等[17]、VARVEL G E等[18]研究免耕方式下对稻麦土壤中全氮含量变化规律研究一致，是因为免耕使土壤有机质下降，土壤碳氮比降低，导致土壤全氮流失。HUANG M等[19]研究发现，免耕过程中表层土壤全氮含量增加，可能是由于免耕未扰动土壤，主根生长受到抑制，侧根生长加强，使根系向水平方向延伸，土壤中表层土壤养分被根系吸收利用，导致表层土壤养分含量略有下降，而深层土壤养分向表层土壤迁移，导致深层土壤全氮含量降低。松耕与传统耕作土壤全氮含量随着土层的加深逐渐降低，与胡春胜利等[20]不同耕作方式下秸秆还田研究结果一致，松耕使表层土壤全氮含量下降趋势大于深层土壤，可能是由于耕作过程中表层土壤与深层土壤发生置换，致使土壤中全氮含量降低。

速效养分是是决定作物生长农田稳定输出和生态平衡的关键因素[21]。研究表明，不同耕作方式下土壤碱解氮、速效磷有效钾含量均是随着土层深度的增加而逐渐减少，与何腾兵等[10，22]的研究结果一致。3种耕作方式表层土壤速效养分均呈降低趋势，与杨艳[23-24]等研究结果一致，可能是玉米侧根较为发达，且主要分布在表层土壤中，因吸收表层土壤的养分而导致速效养分降低。传统耕作与松耕表层土壤中速效养分降低，可能是耕作原因使土壤养分向下迁移，与深层土壤养分有所上升相对应；3种耕作方式中松耕对土壤碱解氮、速效磷、有效钾含量影响最大，与何润兵[25]的研究结果一致，原因是松耕过程中土壤结构严重改变，使土壤水分与通气性增加，导致土壤中养分活化率增加，进而导致速效养分含量增加，也可能是因为松耕过程中易使深层土壤与表层土壤发生交换，使得表层土壤养分降低，深层土壤养分增加。免耕不同深度土壤的碱解氮、速效磷、有效钾含量均呈降低趋势，与张仁陟[26-27]等的研究结果不一致，可能是由于试验时间较短，土壤中N、P、K不能活化增加土壤中速效养分的含量，同样也可能是由于玉米根系吸收养分导致速效养分降低。传统耕作方式下深层土壤碱解氮流失19.15%，速效磷增长22.46%，有效钾增长13.58%，传统耕作方式下速效养分变化无明显规律，影响因素较难确定。总之，在3种不同的耕作方式下，松耕能使表层土壤速效养分向深层土壤移动，有助于增长土壤肥力。

3.2不同耕作方式土壤的物理性质

已有研究表明，合理的耕作措施可以改善土壤结构和土壤容重、孔隙以及毛管孔隙，从而保障土壤的透气性及保水率，减少水土侵蚀[7,28-29]。研究结果表明，试验前后土壤容重及总孔隙发生了显著差异，传统耕作方式下土壤容重上升了0.05 g/cm3，总孔隙下降3.66%，与郑洪兵等[30]长期定位研究传统耕作方式对土壤容重的变化趋势一致，可能是因为长期耕作方式单一，导致土壤硬度有增加的趋势，使得土壤总孔隙占比下降；免耕方式下土壤容重降低0.05 g/cm3，总孔隙增加3.03%，与雷金银[31]的研究结果一致，与冯跃华等[32]研究结果不一致，可能是由于土层未松动，玉米主根无法垂直延伸，进而侧根较发达，向水平方向生长，从而导致表层土壤疏松，增加了表层土壤孔隙占比；也有学者认为，长期免耕会导致土壤板结而影响作物生长[33-34]。松耕土壤容重降低0.05 g/cm3，土壤总孔隙增加3.30%，与张丽娜等[34]研究结果一致，可能是由于松耕过程中，土壤基本结构发生了改变，使得表层土壤变得疏松，导致土壤容重降低，总孔隙增加；也有可能是松耕条件下玉米根系发达，导致土壤容重降低，孔隙增加。

保护性耕作作为一项节水增效的重要措施,能够减少水土流失,提高土壤蓄水能力[35]，缓解我国水资源匮乏和提高农作物水分利用效率的重要途径[36-37]。不同耕作方式之间毛管持水量与非毛管持孔度有显著差异，3种耕作方式中毛管持水量均呈上升趋势，且免耕>松耕>传统耕作，与张国盛等[38-39]研究结果一致，可能是免耕方式下，仅作物生长根系及根系分泌物对土壤结构造成影响，致使土壤非毛管孔隙较小，导致土壤水分不易流失，因而保水能力较好，使得免耕条件下毛管持水量较大；传统耕作与松耕条件下，容易使土壤结构发生变化，造成非毛管孔隙增大，增强土壤透气性，但是不易保护土壤水分流失，与前人的研究结果基本一致[40-41]。总之，松耕与免耕能够使表层土壤变得疏松，增加孔隙度及田间持水量，是改善旱地土壤结构与含水量的有效措施。