不同耕作方式与有机物料配施后对土壤主要特性的影响

(1.黑龙江省农业科学院 土壤肥料与环境资源研究所，黑龙江省土壤环境与植物营养重点实验室，黑龙江省肥料工程 技术研究中心，黑龙江 哈尔滨150086；2.黑龙江省农业科学院 佳木斯分院，黑龙江 佳木斯154007)

0 引 言

适宜的耕作措施不仅是保证作物生长发育的基础，也是获得产量的根本保证，但不同耕作措施对玉米农田土壤生态因子的影响不同。免耕可降低耕层土壤的扰动及其结构的破坏[1-2]，增加土壤表层结构的通透性，保护土壤免受风蚀和地表水分过度蒸发的影响。浅翻后有机肥可培肥地力，提高耕层土壤养分[3]和作物产量[4]。深翻可有效打破土壤犁底层，促进土壤蓄墒，使得作物根系利用深层次的土壤水分[5]。

我国东北地区为雨养农业，尤其是春季大风少雨，土壤墒情差。合理耕作能够调节农田土壤的水肥状况，促进农作物的生长发育，达到增产的目的。近年来，随着秸秆全量还田耕作技术的推广使用和机械化水平的提高，玉米秸秆还田工作也得到推广。目前秸秆还田方式与产生的效果均不同，且缺乏对不同还田方式效应影响的研究与评价[6-7]。本文通过连续2年的定位试验，研究不同耕作措施下配合有机物料的施入对玉米早期生育及土壤的影响，探讨适合本地区的耕作措施，增强土壤保墒能力。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验于2016-2017年在黑龙江省中储粮北方农业开发公司科技园区进行(125°27′5″E，49°33′35″N)，试验区历年平均气温-0.1 ℃，无霜期105 d，降水量570 mm，蒸发量719 mm，有效积温2 571℃。土壤为厚层黏底黑土，土壤理化性质如表1。

表1 土壤基础肥力Table 1 Basic soil fertility in experimental location

1.2 试验设计

于2016开始进行玉米-大豆轮作试验，采用裂区设计，主区为耕作处理，设免耕(NT)、浅翻(ST)和深翻(DT)；副区为有机肥(M)和秸秆还田(S)处理，以单施用化肥为对照(CK)。3次重复，小区面积26 m2。试验处理于每年玉米收获后进行，采用联合收获机作业，同时将秸秆粉碎成2～10 cm，抛洒于地表(秸秆用量：12 000 kg·hm-2)。对照区和有机肥区人为移除秸秆，在有机肥区将有机肥抛洒于地表，施用量为15 t·hm-2。免耕区采用留茬，耕翻区灭茬后用210马力格兰翻转犁将秸秆(有机肥)翻到0 ～ 35 cm (浅翻区0～25 cm、深翻区0～35 cm)。各处理化肥均为统一施用，化肥基施用量325 kg·hm-2(元素比例为N∶P2O5∶K2O=2∶1∶0.5)。供试玉米品种为屯玉188，种植密度和水肥等管理一致。试验处理具体为：①免耕对照(NTCK)；②免耕+秸秆还田(NTS)；③免耕+有机肥(NTM)；④浅翻对照(STCK)；⑤浅翻+秸秆还田(STS)；⑥浅翻+有机肥(STM)；⑦深翻对照(DTCK)；⑧深翻+秸秆还田(DTS)；⑨深翻+有机肥(DTM)。

1.3 测定项目及方法

本试验于2017年玉米拔节期取土壤样品，每个小区分别取0～20 cm和20～40 cm层次，用四分法取足量土壤阴干，研磨备用。碱解氮(Av-N)用碱解扩散法[8]，有效磷(Av-P)用Olsen-钼锑抗法[8]，速效钾(Av-K)用乙酸铵浸提火焰光度法[8]，土壤微生物量碳(SMBC)、土壤微生物量氮(SMBN)用氯仿熏蒸-硫酸钾提取法[9]，地温计测定土壤温度(测定深度为5 cm、10 cm、15 cm、20 cm、25 cm)，土壤含水量采用铝盒烘干法。 土壤有机碳(SOC)分组方法采用密度分组法[10]，通过筛选收集的3种碳组分，游离态轻组有机碳(Free light fraction organic carbon,LF)，闭蓄态轻组有机碳(Occluded light fraction organic carbon,OF)以及重组有机碳(Heavy fraction organic carbon,HF)烘干后称其重量， 总有机碳分析仪(德国耶拿，multi N/C 2100型号)测定。

1.4 数据处理与统计分析

数据的计算与处理采用Excel 2010和SPSS17.0、SigmaPlot 12.5软件进行统计和相关性分析并作图，采用多因素方差分析的简单效应分析数据的差异显著性水平(P<0.05)。

2 结果与分析

2.1 不同耕作措施对玉米苗期出苗率和土壤温度的影响

玉米出苗率和土壤温度仅针对不同耕作处理，即免耕、浅翻、深翻(NT、ST和DT)进行的调查。土壤温度的变化均随着土层的加深而降低(图1)。表层土壤5 cm层次以NT处理温度最高，ST和DT处理温度相近；10 cm层次以ST温度最高，NT次之，DT最低。15 cm 层次3种耕作处理土壤温度相近，随着土层的加深，耕作处理间温度均相近，只有DT在20 cm层次温度高出其他两个处理约10%。

NT和ST、DT出苗率不同(图2)，NT的出苗率仅为40%，ST和DT的平均出苗率较高，均达到了70%左右，但ST和DT处理间差异不显著。

图1玉米苗期3种耕作措施下的土壤温度
Fig.1Soiltemperatureswiththreetillagetreatmentsatmaizeseedlingstage

注：不同小写字母为同一土壤层次不同处理之间差异在0.05水平上显著。下同。

Note：Different small letters indicate significant differences between treatments in the same soil layer at 0.05 level.The same is as below.

图23种耕作措施的玉米出苗率
Fig.2Emergencerateswiththreetillagetreatments

2.2 不同处理对玉米拔节期土壤水分和速效养分的影响

在玉米拔节期，施入有机肥和秸秆还田，均不同程度提高0～20 cm和20～40 cm土壤水分，耕作处理土壤水分含量均高于NT处理，但在不同层次间均没有达到差异显著水平。

图3 不同处理的土壤水分含量Fig.3 Soil moistures content with different treatments

玉米拔节期3种耕作措施对0～40 cm土壤速效养分影响不同。0～20 cm层次，施有机肥后NTM、STM和DTM的有效磷含量分别比NTCK、STCK和DTCK提高了9.03%、21.3%和41.3%，但只有DTM处理与DTCK处理差异达到显著水平(P<0.05)；秸秆还田后NTS、STS处理有效磷含量略有降低趋势，而DTS明显增加了有效磷含量为58.7%(P<0.05)。20～40 cm 土层也只有DTS处理显著提高了土壤速效磷含量达86.1%(P<0.05)。可见深翻配合施用有机肥或秸秆，均能提高土壤有效磷的含量，尤其是20～40 cm土层有效磷含量，这可能与有机肥和秸秆中含有大量的磷元素有关。

施用有机肥和秸杆还田提高了表层土壤速效钾含量，在免耕上影响显著(P<0.05)。这是因为在秸秆还田初期，秸秆中的钾元素可以快速的分解，为土壤提供大量的钾元素。而不同处理对土壤碱解氮含量的影响不明显。

多因素方差分析显示，土壤有效磷受耕作方式、土层、耕作方式与有机物料的交互作用及耕作方式与土层之间的交互作用较明显，而土壤速效钾受它们的交互作用影响较小，仅对耕作方式及土壤层次的单方面因素敏感(表3)。

表2 玉米拔节期土壤速效养分含量(mg·kg-1)Table 2 Soil available nutrients at maize jointing stage

表3 多因素方差分析研究耕作方式、有机物料、土壤层次及其交互作用对土壤速效养分的影响Table 3 Multivariate analysis of variance for the effect of tillage,organic materials,soil layers and their interactions on soil available nutrients

2.3 不同处理对土壤微生物碳、氮的影响

不同耕作方式下施用有机肥和秸秆还田可不同程度的提高玉米拔节期0～20 cm和20～40 cm层次土壤微生物量碳(SMBC)的含量。0～20 cm层次，3种耕作处理(NTCK、STCK和DTCK)对SMBC含量影响不大(图4)。秸秆还田后NTS处理的SMBC含量比NTCK高35.8%，STS比STCK高39.3%，DTS比DTCK高25.0%；施用有机肥后STM和DTM处理分别比STCK和DTCK处理高80.9%和34.3%，且差异达显著水平(P<0.05)。

20～40 cm层次，对比3种耕作处理(NTCK、STCK和DTCK)，STCK和DTCK比NTCK提升SMBC的效果明显；施用有机物料后，以NT条件下各处理提升SMBC的效果明显，均达到差异显著(P<0.05)，而ST和DT条件下各处理差异不明显。在NT条件下，施用秸秆更利于提高深层次的SMBC含量，有机肥次之。

图4 不同处理对土壤微生物量碳的影响Fig.4 The effect of different treatments on soil microbial biomass carbon content

施入有机肥和秸秆还田可不同程度的提高玉米拔节期0～40 cm层次土壤微生物量氮(SMBN)的含量(图5)。0～20 cm层次，3种耕作措施对SMBN无明显影响，施用有机肥和秸秆后，只有STS处理的SMBN含量明显高于DTCK达88.8%(P<0.05)。20～40 cm 土层，DTCK明显高于NTCK和STCK；施用有机物料后，以NT处理的SMBN提升效果最为明显，NTM和NTS分比NTCK含量高出127%和289%(P<0.05)。在免耕处理上无论施用有机肥还是秸秆，对于提升SMBN的效果好于耕翻处理。

图5 不同处理对土壤微生物量氮的影响Fig.5 The effect of different treatments on soil microbial biomass nitrogen content

2.4 不同处理对土壤碳及碳组分的影响

0～20 cm土层仅DTCK处理土壤SOC含量明显高于其他处理(P<0.05，表4)； LF变化较大，0～20 cm层次以DTS处理含量最高；施入有机肥和秸秆后均不同程度提高了各处理的OF含量。20～40 cm 层次，不同处理对SOC的影响较小，但对游离态轻组有机碳(LF)的影响较为明显，其中施用有机肥的LF含量最高，在此层次，不同处理对闭续态轻组有机碳(OF)和重组有机碳(HF)的含量影响无明显差异。耕翻处理能够提高土壤0～20 cm SOC、LF含量，且施入有机肥和秸秆还田后对LF的影响较大。无论0～20 cm还是20～40 cm层次HF均没有显著变化。多因素方差分析表明，耕作方式和有机肥的交互作用对SMBC具有显著影响，而SOC则对任何耕作方式、有机物料及土壤层次的交互作用影响明显(表5)。LF和OF显著受到有机物料及有关有机物料的交互作用的影响，HF仅受耕作方式和有机物料的交互的显著影响。

表4 不同处理对土壤有机碳及其组分含量Table 4 The effect of different treatments on soil organic carbon and its fractions

注：每列上不同小写字母代表不同处理之间差异达0.05水平。

Note：Different small letters in the same line indicate significant differences between treatments at 0.05 level.

表5 多因素方差分析研究耕作方式、有机物料、土壤层次及其交互作用对土壤指标的影响Table 5 Multivariate analysis of variance for the effect of tillage,organic materials,soil layers and their interactions on soil variables

3 讨 论

不同耕作措施对土壤的扰动程度存在较大差异，进而影响土壤养分及作物生长。传统耕作在翻耕以后，水分容易散失。有研究表明，免耕降低了土壤耕作对耕层土壤的扰动和土壤结构的破坏[11]，可以使春玉米产量大幅度提高[12]。但是，连年保护性耕作会使土壤容重增大，孔隙度变小，影响作物根系的生长发育和对水分及养分的吸收利用[4]，不利于产量的积累。本试验结果显示，免耕处理(NT)的出苗率远远低于其他耕作处理，仅为40%，若要保证玉米产量，还需要进行大面积的补苗。谷思玉的研究认为免耕处理的温度低于深翻，免耕处理因为土壤未经过进行扰动，土壤孔隙的比例没有改变，水分蒸发作用弱，从而增加了耕层储水量，土壤热容量和导热率增大，导致土壤温度的滞后性加强，故0～10 cm土层温度降低[13]。而本研究结果，0～10 cm免耕(NT)的温度高于深翻(DT)，其原因还有待于进一步验证。深翻(DT)处理提高了土壤20 cm层次的土壤温度，土壤温度的提升对于北方地区玉米生育早期的生长发育有着重要作用。

施用秸秆和有机肥，能够使土壤中的碳、氮保持同步，提高不同耕作方式土壤的速效养分[14-15]及微生物量碳氮的含量[16-17]，为作物的生长提供较好的营养条件。粉碎秸秆施入田中，可以和土壤充分混合，加速微生物对秸秆的分解。有研究表明秸秆还田后土壤速效养分的增加主要表现在0～10 cm的土层上[18]，而在本试验中，浅翻(ST)和深翻(DT)条件下对20～40 cm层次提升作用更大，与其他研究学者的结果一致[19-23]，这是因为将秸秆翻入土壤深层次时，玉米秸秆中富含的氮、磷、钾等营养成分显著培肥了深层次土壤[24-25]。在免耕中，有机肥增加0～20 cm和20～40 cm SMBC含量的效果明显，尤其是提高土壤20 cm层次效果较好，这与张奇[26]的结果一致。秸秆深还增加土壤亚表层(20～40 cm) 有机碳及腐殖质含量。同时，秸秆粉碎还田处理对土壤有机质积累有明显的作用，主要是由于粉碎秸秆施入田中，可以和土壤充分混合，加速微生物对秸秆的分解[27]，也为玉米生育重要孕穗期储备营养物质。同样，有机肥也富含大量的，激发土壤微生物及酶活性，促进土壤有机氮、有机磷及有机钾的矿化[17]。

秸秆还田显著增加了土壤中LF和OF的含量；无有机物料施入的条件下，耕翻土壤可以明显增加0～20 cm和20～40 cm层次SOC和LF的含量；施用有机肥时，对于提高深翻处理20～40 cm层次土壤LF含量有明显的效果，这与徐寓军的研究结果一致[28]，施用秸秆能够显著提高土壤活性有机碳的组分，因为秸秆和有机肥等回归土壤后提高了土壤有机碳的外源输入量，从秸秆残留物中施肥的营养同时也增加了地下的生物量，有助于作物的生长[29-30]。HF在土壤中相对稳定，随着外援碳物质的增加，积累到土壤中的重组碳含量增加，这说明土壤贮存了更多的潜在性碳，可以相对提高土壤有机质的含量。但是在短期内有机碳的增加并不明显，测定活性有机碳的含量可以敏感的反映出土壤碳的变化情况[31-32]，在相同耕作措施下不同有机物料添加对土壤的有机碳的影响并不明显，但是对于活性有机碳的影响DT和NT均达差异显著水平。

拔节期正是玉米地上和地下部分同时快速生长发育，是对水肥需求量最大、最敏感的时期，满足此阶段的玉米生长所必须的养分尤为重要。此阶段，外源有机碳的加入，能够提高土壤的养分，同时还可以降低土壤容重，增加土壤孔隙[33-34]，也说明短期内，由于正激发效应，通过微生物作用使有机质矿质化，部分养分供植物吸收利用。

4 结 论

不同耕作措施配合施用不同有机物料对于玉米生育早期农田土壤特性有着重要影响，耕翻处理配合施用有机肥或者秸秆，能够提升土壤的有机碳、活性有机碳及微生物碳氮等含量，尤其提升20～40 cm层次的效果明显；免耕措施施入有机物料后明显提高了0～20 cm和20～40 cm土壤层次活性有机碳的含量；即使无任何有机物料施入，深翻仍能明显提高土壤有机碳的含量。有机物料还田是改善土壤结构、提升土壤养分的重要农艺措施，对于东北冷凉地区的特殊气候，将其与耕作措施相结合，可提高深层次土壤养分。有机物料还田改善土壤环境是一个长期的过程，后续还应结合玉米产量，对土壤养分进行综合评价。