麦-玉两熟区组合耕作模式周期生产力综合评价

张银平，迟岩杰，王占滨，李晓冉，李洪文，刁培松※

（1. 山东理工大学农业工程与食品科学学院，淄博 255049；2. 中国农业大学工学院，北京 100083）

0 引 言

现有耕作模式主要有精耕细作和保护性耕作，2 种耕作模式对人类社会的发展贡献巨大，但也存在严重不足。在黄淮海两熟区，传统精耕细作模式下播前耕作工序多，过程复杂，耗时长，影响下茬作物及时播种，而且长期机械化翻耕、旋耕等，导致土壤结构破坏，养分流失，肥力减退，犁底层变浅变厚[1-3]。保护性耕作虽然在一熟区得到了大面积推广，但在两熟区应用有一定的局限性，秸秆大量覆盖影响播种，长期不进行翻耕，使养分和杂草种子、虫卵等在地表富集，病虫草害严重，农药（包含除草剂）使用量超标，生态环境污染[4-6]。本研究集成传统精耕细作和保护性耕作的技术优点，设计组合耕作模式，通过定位试验对其周期生产力进行综合评价，以期为麦玉两熟区土地生产力的提升提供参考。

目前针对保护性耕作模式作用和效益的研究较多，Olivella 等[7]评价了保护性耕作对土壤理化性质的影响；徐阳春等[8-9]分析了保护性耕作在平衡土壤内部生物和微生物以及减少草害、虫害等方面的生态环境效益；刘振东[10]研究了保护性耕作在防止风蚀方面的作用。原君静等[11]选取了5 个等级18 个指标对保护性耕作的适应性及生态效益进行了评价；刘月楼等[12]研究了保护性耕作对农作物年产量的影响，从产量角度评价了保护性耕作的经济效益；周景奎等[13]从投入与产出比角度分析了保护性耕作的经济效益；杨爱民等[14]从用工角度分析了保护性耕作的经济效益。高旺盛[15]提出保护性耕作“三少两高”综合效益评价原则，陈源泉等[16-17]在其基础上，提出了综合保护度综合反映指标，评价不同模式的优缺点。对生产力评价的研究还较少，刘世平[18]评价了稻麦两熟制不同栽培方式对农田生态环境和周年生产力的影响，但现有研究的评价体系对生产力的评价一般是以单一年份或周年为期限，不能很好地反应耕作模式的长期效应。本研究建立“翻耕-免耕-深松-免耕”4 a 为一个周期的组合耕作模式，对不同耕作模式的生产力（即周期生产力）进行综合评价，以更好地反映组合耕作模式的连续效应，明确不同耕作模式的周期生产力，为其在黄淮海两熟区的推广提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2012 年9 月开始在山东省淄博市临淄区凤凰镇东申村富群农机专业合作社试验基地进行，试验基地位于山东省中部的平原地区，地处北纬 36.88°，东经118.23°，年降水量650～800 mm，7、8 月份降水量集中，年均气温12.2 ℃，属典型的北温带大陆性气候。土壤为棕褐土，试验前，该地长期进行传统翻耕作业，翻耕深度15～18 cm，犁底层较浅、较厚，秸秆不还田，0～20 cm耕层土壤平均有机质含量1.16 %，平均容重1.38 g/cm3。常年种植作物为小麦和玉米。

1.2 试验方案

试验设计 3 个处理：组合耕作（Combine Tillage，CT）、连续免耕（Continuous No-tillage，CN）和连续翻耕（Continuous Plouging，CP），每个处理面积1 500 m2，3次重复。各处理每季秸秆全量还田，还田方式为切碎均匀抛撒，秸秆长度≤100 mm；翻耕深度为20 cm，由于铧式犁翻耕后无法直接进行小麦播种，在翻耕后进行旋耕整地；深松深度为30 cm，深松铲间距60 cm。4 a 间各处理作业工序如下：

CT：翻耕（第2 年免耕、第3 年深松、第4 年免耕）—小麦播种—小麦田间管理—小麦收获与秸秆粉碎还田—玉米贴茬直播—玉米田间管理—玉米收获与秸秆粉碎还田。

CN：小麦免耕播种—小麦田间管理—小麦收获与秸秆粉碎还田—玉米贴茬直播—玉米田间管理—玉米收获与秸秆粉碎还田。

CP：翻耕—小麦播种—小麦田间管理—小麦收获与秸秆粉碎还田—玉米贴茬直播—玉米田间管理—玉米收获与秸秆粉碎还田。

1.3 供试品种与种植方式

供试小麦品种为济麦22，宽苗带播种，苗带宽度12～14 cm，播量、播种时间及收获时间如表1 所示。供试玉米品种为登海605，行距60 cm，播种密度、播种时间及收获时间如表2 所示。

表1 小麦播量、播种及收获时间Table 1 Seeding rate, sowing time and harvesting time of wheat

表2 玉米播量、播种及收获时间Table 2 Seeding rate, sowing time and harvesting time of corn

小麦播种时深施基肥：纯 N 225 kg/hm2，P2O5180 kg/hm2，K2O 180 kg/hm2，各处理在拔节期统一追施纯N 100 kg/hm2；玉米播种时深施基施：纯N 150 kg/hm2，P2O5120 kg/hm2，K2O 100 kg /hm2，大喇叭口期追施纯N 120 kg/hm2。

采用卷盘式喷灌机进行灌溉。小麦生育期灌溉越冬水60 mm、拔节水60 mm、灌浆水60 mm；玉米生育期灌溉拔节水80 mm、灌浆水80 mm。

翻耕年，冬小麦喷施1 次除草剂，1 次杀虫剂；免耕和深松年，喷施2 次除草剂、2 次杀虫剂。玉米均喷施2次除草剂、1 次杀虫剂。

2 评价指标与评价方法

2.1 评价指标选取

评价指标的选取是能否进行综合评价的关键，对后期评价的科学性至关重要。本研究在遵循科学合理、具有层次性和易于评价等原则的基础上，结合已有研究，选出目前运用较多、农民普遍关心或认为比较重要、能够准确获取的评价指标，土壤综合质量、成本投入与作物产出是生产力的重要表现，因此本文建立包含这 3 方面的生产力综合评价指标体系。

土壤综合质量指标（Integrated Quality Index，IQI）包括：土壤结构指标（Structure Index，SI）和土壤养分指标（Nutrient Index，NI）。对于土壤结构指标，土壤水稳性大团聚体以及土壤团聚体平均质量直径（Mean Weight Diameter，MWD）是体现土壤结构稳定性的重要指标[19-21]，土壤容重是衡量耕作层土壤耕作质量的重要指标[22]，因此土壤结构指标选取土壤水稳性大团聚体、大团聚体平均质量直径（MWD）和土壤容重；对于土壤养分指标，常用的指标为：有机质、全氮、碱解氮、速效磷和速效钾含量。本研究在2016 年秋季玉米收获后进行土壤取样测定经过4 a 耕作后的土壤结构和养分含量，取样时为避免深松位置及玉米根茬对土壤质量的影响，取样点位于距离2014 年深松位置15 cm 处。

成本投入包括农资投入、机械作业成本投入和人工投入，通过调研当地农业合作社的农资平均价格、机械作业平均收费及用工平均费用等确定不同耕作模式种子、化肥、农药等物资投入和各环节的机械作业投入、人工费投入。

作物产出包括作物产量和产值，作物成熟后，在不同耕作模式的试验田中分别随机选取20 m×2.4 m 的3 个样区测产，并根据当年收购价格计算产值。

2.2 评价指标值的处理

2.2.1 标准化处理

由于土壤的各项理化指标值的量纲不同，对土壤质量影响的贡献率也不相同，在计算土壤综合质量指标时，不能直接将各项指标简单累加，必须对各评价指标进行标准化，以消除各评价指标之间的量纲差异。本文通过建立隶属度函数，计算土壤的各项理化指标的隶属度值，来表示土壤各项理化指标的状态值。根据文献[18]可知，在一定的范围内，耕作对土壤质量的效应曲线均呈S 型，土壤大团聚体平均质量直径（WMD）越大土壤质量越好，土壤养分指标越高土壤越肥沃，所以本文中土壤平均质量直径（WMD）和土壤养分指标的隶属度函数也采用S型曲线，相应的隶属度函数为

式中f（x）为测定的土壤指标的隶属度值；x为土壤指标的测定值，x1为土壤指标所在的 S 型隶属度函数曲线的第一转折点取值，x2为土壤指标所在的 S 型隶属度函数曲线的第二转折点取值。根据测定的土壤各项指标值的范围确定其所在隶属度函数曲线的转折点值，本研究中土壤结构指标 MWD 和土壤养分指标有机碳、全氮、碱解氮、速效磷、速效钾含量的第一转折点取值分别为0.3 mm、7 g/kg 、0.7 g/kg、60 mg/kg、25 mg/kg、100 mg/kg，第二转折点取值分别为 0.7 mm、10 g/kg、0.9 g/kg、80 mg/kg、35 mg/kg、115 mg/kg。

土壤容重反应的是土壤的紧实度，容重太大或太小的都不利于作物生长，其所在隶属度函数应该有且仅有一个最大值，因此土壤容重的隶属度函数为抛物线型，相应的隶属度函数为

式中f（n）为土壤容重的隶属度值，n为土壤容重的测定值，n1、n2、n3、n4分别为土壤容重指标所在的抛物线型隶属度函数曲线的转折点取值，根据测定的土壤容重值的大小范围确定其所在隶属度函数曲线的转折点取值为n1=1.25 g/cm3，n2=1.30 g/cm3，n3=1.35 g/cm3，n4=1.40 g/cm3。

各项土壤质量评价指标的隶属度值的范围为 0.1～1.0，指标隶属度值的大小反映指标的隶属程度，根据实际情况，土壤质量值一般不会为 0，因此将最小值定为0.1，最小值0.1 表示土壤质量最差状态，最大值1.0 表示土壤质量最好状态。

2.2.2 单项指标权重确定

土壤的各项指标对土壤综合质量的影响作用是不同的，因此必须给各项指标赋予一定的权重。本文采用相关系数法[23]计算各项土壤质量评价指标之间的相互关系，建立各项指标之间的相关系数矩阵G，然后由相关系数矩阵求出其逆矩阵G-1，由所得的逆矩阵中的相关元素计算偏相关系数，单项土壤质量指标与其他指标偏相关系数的平均值占所有指标偏相关系数平均值之和的百分比即为单项土壤质量指标占土壤综合质量指标的权重。通过计算得到各项指标权重如表3 所示。

表3 土壤指标权重计算结果Table 3 Calculation results of soil index weight

2.2.3 土壤质量综合评价指标计算

根据加乘原则，把2 项土壤结构指标和5 项土壤养分指标进行加法合成，从而求得土壤结构指标（SI）和养分指标值（NI），再将SI 和NI 进行乘法合成，求得土壤质量的综合评价指标IQI。

式中W（S）为土壤结构指标的权重值；W（N）为土壤养分指标的权重值；f（S）为土壤结构指标的隶属度值；f（N）为土壤养分指标的隶属度值。

2.3 周期生产力评价方法

高产、高效、可持续是现代农业发展的目标，本文运用综合评分法对组合耕作模式的周期生产力进行综合评价，选择产量和产值作为高产指标，低成本和高收入作为高效的指标，选用土壤养分指标NI 和土壤综合质量指标IQI 作为可持续发展的指标。将各项指标及权重代入公式（6）。

式中∑WiPi为某一耕作模式的总得分；Pi为各项指标得分；Wi为各项指标权重。

根据目前高产、高效和可持续在总指标中的相对重要性，通过查阅相关资料[17-19]、向两熟区农业合作社发放调查问卷（22 份）、电话咨询相关专家（7 人）的方式确定高产、高效和可持续在总指标中的权重分别为35%、35%和30%。其中高产指标中的周期总产量权重为20%，周期总产值权重为15%；高效指标中周期总投入权重 15%，周期纯收入权重20%，可持续指标中土壤养分指标NI 权重10%，土壤综合质量指标IQI 权重20%。

3 结果与分析

3.1 周期土壤质量评价

连续4 a 耕作后不同耕作模式0～30 cm 土层的R*0.25（粒径大于0.25 mm 的水稳性大团聚体）含量、平均质量直径和土壤容重的测量结果如表4 所示。

3.1.1 耕作模式对土壤大团聚体含量及MWD 的影响

土壤水稳性大团聚体（直径大于0.25 mm 的土壤团粒）反映了土壤结构的稳定性、持水性和抗侵蚀的能力，比较表4 中的水稳性大团聚体含量可知，在0～30 cm 土层，土壤水稳性大团聚体含量从高到低均为 CT、CN 和CP。在0～10 cm 土层，CT 处理与CN 处理差异不显著，两者均显著高于 CP 处理（P<0.05），分别高 35.54%和32.42%；在>10 ～20 cm 土层各处理之间差异显著（P<0.05），CT 处理比CN 处理高8.93%，比CP 处理高达22.79%，CN 处理比CP 处理高12.72%；在>20～30 cm土层CT 处理比处理CN 和CP 分别高16.17%和34.33%。比较0～30 cm 土层的水稳性大团聚体平均含量可知，CT处理比CN 处理和CP 处理分别高8.2%和30.4%。说明秸秆连续还田条件下，与连续翻耕模式和连续免耕模式相比，组合耕作模式显著增加0～30 cm 土层土壤水稳定性大团聚体含量，连续免耕模式只增加0～10 cm 土层土壤水稳性大团聚体含量，连续翻耕模式则显著降低 0～30 cm 土壤水稳性大团聚体含量，对土壤大团聚体有破坏作用。分析可知，耕作对土壤水稳性大团聚体的形成有影响，连续翻耕模式由于过度耕作对表层土壤水稳性大团聚体结构造成破坏，同时在>20～30 cm 土层形成较厚的犁底层，不利于土壤水稳性大团聚体的形成，但在>10～20 cm 土层，连续翻耕的土壤水稳性大团聚体含量比0～10 土层和>20～30 cm 土层高，可能是因为连续翻耕将秸秆翻到>10～20 cm 土层，增加了该土层的有机碳含量，有利于土壤水稳性大团聚的形成；连续免耕模式由于耕作较少对土壤水稳性大团聚体的破坏作用小，其各层土壤的水稳性大团聚体含量均比连续翻耕高，地表秸秆覆盖增加了0～10 cm 土层的土壤有机碳的含量，有利于土壤水稳性大团聚体的形成，但随着免耕年限的增加，机械对土壤的压实次数增多，导致土壤表层紧实度增加，透气、透水性变差，不利于>10～20 和>20～30 cm土层土壤水稳性大团聚体的形成；组合耕作模式在4 a 周期内进行1 次翻耕，可将表层积累的有机碳翻到亚表层，增加亚表层土壤有机碳含量，免耕年份的秸秆覆盖在地表，避免雨水对地面的直接冲刷，并在4 a 周期内进行1次深松，打破犁底层，增强土壤的透气、透水能力，促进土壤水稳性大团聚体的形成，从而显著增加0～30 cm土壤水稳性大团聚体含量。

土壤团聚体的粒径分布反映土壤质量，土壤大团聚体平均质量直径（MWD）是表示土壤团聚体粒径分布的常用指标，水稳性团聚体 MWD 越大表示土壤团聚体的平均粒径团结度越高，稳定性越强。由表4 可知，在0～30 cm 土层，各处理的MWD 从高到低为CT、CN 和CP。在0～10 cm 土层，CT 处理和CN 处理之间差异不显著，两者均显著高于CP 处理；在>10～20 cm 土层CT 处理显著高于 CN 和CP 处理，CN 和 CP 处理差异不显著；在>20～30 cm 土层，各处理差异显著。分析其原因可知，耕作对土壤水稳性团聚体的稳定性影响显著（P<0.05），连续翻耕破坏土壤水稳性团聚体的稳定性，不利于形成较大直径的水稳性大团聚体；CN 处理的耕作强度比 CT处理小，但在>10～20 和>20～30 cm 土层的土壤水稳性团聚体MWD 却显著低于CT 处理，可能是由于连续免耕的秸秆长期覆盖在地表，有机碳在表层积累，>10～20 和>20～30 cm 土层的有机质含量较少，不利于形成较大直径的水稳性大团聚体。

表4 4 a 耕作后不同耕作模式0～30 cm 土层的R*0.25 含量、平均质量直径和土壤容重Table 4 R*0.25 content, Mean Weight Diameter(MWD) and soil bulk density of different tillage modes in 0～30 cm soil layers after four years

3.1.2 耕作模式对土壤容重的影响

土壤容重反映土壤的松紧度，适宜的土壤容重有利于植物根系生长对水分养分的吸收，所以能否创造松紧适宜的耕作层是衡量土壤耕作质量的重要指标，一般适宜作物生长的土壤容重在1.3～1.4 g/cm3之间。根据表4，4 a 组合耕作后0～10 和>20～30 cm 土层土壤容重大小顺序从高到低均为CP、CN 和CT，>10～20 cm 土层土壤容重高到低的顺序为CN、CP 和CT。分析原因可能是CP处理连续4 a 进行翻耕，使地表裸露，经喷灌水、雨水等的冲刷，表层土壤板结严重，导致0～10 cm 土壤容重增加；连续翻耕在>20～30 cm 形成犁底层，增加了该土层土壤容重，大于1.5 g/cm3，不利于作物的生长；连续4 a的秸秆还田，翻耕到>10～20 cm 土层，使该土层有机质含量高于CN 处理，因此该层土壤容重小于CN 处理。而CN 处理由于4 a 未进行耕作，对土壤大团聚体的破坏作用小，同时又有秸秆覆盖在地表，增加了表层土壤有机质含量，0～10 cm 土层土壤容重较处理CP 小，但连续4 a 免耕的土壤遭到碾压后紧实度增加，4 a 未翻耕，>10～20 cm 土层土壤有机质较少，团聚体含量少，容重有所增加，略大于CP 处理，显著大于CT 处理；>20～30 cm 土层CN 处理由于连续4 a 未进行翻耕，试验前长期传统耕作形成的犁底层变得不明显，土壤容重显著小于 CP 处理，但由于未进行深松作业，原有的犁底层并未被打破，因此土壤容重显著大于CT 处理。0～20 cm 耕层的土壤质量反映土壤维持作物生长的能力，是生产力的重要体现[24]，CT 处理在4 a 内进行一次翻耕，可显著减小耕层（0～20 cm）土壤容重；第3 年进行了深松，打破了原有的犁底层，有效减小了>20～30 cm 的土壤容重。比较3种耕作模式下的土壤容重可知，连续4 a 组合耕作后，CT处理 0～20 cm 土层的平均土壤容重比初始容重减小0.043 g/cm3，0～30 cm 土层的平均土壤容重比连续免耕和连续翻耕分别小0.089 和0.125 g/cm3，可见组合模式可以有效降低0～30 cm 土层土壤容重。

3.1.3 耕作模式对土壤养分的影响

秸秆作为植物残体，腐解后能够提供作物生长所需的大量和微量元素，秸秆还田可以减少肥料的施用量。表5 是不同耕作模式的土壤养分含量，可以看出，秸秆还田4 a 后，全氮、速效磷、速效钾含量都有显著增加，但碱解氮增加不显著。耕作模式对 0～30 cm 土层的全氮、速效磷、速效钾含量的影响显著（P<0.05），对>20～30 cm 土层土壤碱解氮的含量影响显著，但对0～10 和>10～20 cm 土层碱解氮影响不显著。0～10 cm 土层，CT 处理和CN 处理的全氮含量、速效磷含量和速效钾含量都显著高于CP 处理，CT 处理和CN 处理之间差异不显著；>10～20 cm 土层，CT 处理和CP 处理的全氮含量、速效磷含量和速效钾含量均显著高于CN 处理，CT处理和CP 处理之间差异不显著；>20～30 cm 土层，CT处理的全氮、碱解氮、速效磷和速效钾含量均最高，特别是速效磷含量显著高于CN 处理和CP 处理。比较0～30 cm 土层全氮、速效磷和有效钾的平均含量可知， CT处理的平均全氮含量分别比CN 处理和CCT 处理高0.05和0.09 g/kg，速效磷平均含量分别高0.62 和1.45 mg/kg，有效钾平均含量分别高1.46 和3.02 mg/kg。说明组合耕作模式能够显著增加 0～30 cm 土层的全氮、速效磷、有效钾的含量。

不同耕作模式的有机碳含量方面，0～10 cm 不同耕作模式的土壤有机碳含量差异达到显著水平（P<0.05），有机碳含量从高到低的顺序为CN、CT 和 > CP，CN 处理和CT 处理差异不显著，但两者均显著高于CP 处理；>10～20 cm 土层土壤有机碳含量从高到低的顺序为 CT、CP 和CN，CT 处理与CP 处理差异不显著，但两者均显著高于CN 处理（P<0.05）；>20～30 cm 土层土壤有机碳含量从高到低的顺序为CT、CN 和CP，CT 处理有机碳含量显著高于CN 处理和CP 处理（P<0.05），CN 处理和CP 处理差异不显著。说明在秸秆还田条件下，连续免耕模式只增加 0～10 cm 土层土壤有机碳含量，使得有机碳在表层积累，而亚表层出现养分分化现象，这也是CN 处理在 10～20 cm 土层土壤大团聚体含量少、土壤容重较大的原因；连续翻耕模式增加>10～20 cm 土层土壤有机碳含量，而0～10 和>20～30 cm 土层有机碳含量显著小于组合耕作模式和连续免耕模式，有机碳在各层之间的分布也不均匀，特别是>20～30 cm 土层有机碳含量很低；而组合耕作模式可显著增加0～30 cm 土层土壤有机碳含量，平均有机碳含量比连续免耕和连续翻耕分别高0.36 和0.61 g/kg，并且各层之间有机碳含量分布较均匀。

表5 4 a 后不同耕作模式的土壤养分含量Table 5 Soil nutrient content of different tillage modes after four years

3.1.4 土壤综合质量评价

将各项土壤指标按式（1）和式（2）标准化，然后按式（3）计算得到土壤结构指标 SI，按式（4）计算得到土壤养分指标NI，再按式（5）计算得到土壤综合质量指标IQI，如表6 所示。从土壤结构指标看，CT 处理在各土层的土壤结构指标均最高，说明组合耕作模式可以提高土壤结构质量，连续免耕只提高>20～30 cm 土层土壤结构质量，连续翻耕对各层土壤结构均造成破坏；从土壤养分指标看，CT 处理的各土层土壤养分指标均最高，说明组合耕作模式提高土壤养分质量，而连续免耕只提高表层土壤养分质量，连续翻耕提高>10～20 cm 土层土壤养分质量；从土壤综合质量指标看，CT 处理的各土层土壤综合质量指标均最高，说明组合耕作模式能够提高土壤的综合质量，土壤生产力较高。

表6 标准化后的土壤质量指标Table 6 Standardized soil quality indexes

3.2 周期产量和产值评价

3.2.1 耕作模式对作物产量的影响

2013—2016 年间不同耕作模式作物产量与产值计算结果如表7 所示。由表7 可知，2013 年CN 处理的小麦产量和玉米产量均显著高于 CT 处理和 CP 处理，这是因为CN 处理长期翻耕后进行了免耕，减少了耕作对土壤团聚体的破坏，改善了土壤结构，并且2014 年CT处理进行免耕后小麦产量和玉米产量均显著高于 CP 处理，说明长期翻耕后免耕可以提高小麦和玉米产量，小麦增产幅度为4%～6.5%，玉米增产幅度为7.5%～9%；而2014 年CN 处理小麦产量和玉米产量仍显著高于CP处理，小麦产量比CP 处理高4.8%，玉米产量比CP 处理高7.7%，说明CN 处理连续免耕2 a 土壤结构仍能保持较好的状态，能维持增产优势，但2015 年CN 处理小麦产量比CP 处理仅高2%，玉米产量差异不显著，这是因为连续3 a 免耕，随着机器进地次数的增多，对表层土壤的压实作用导致土壤紧实度增加，表层土壤容重增大，土壤结构变差，使得增产优势有所减弱；而 2015年 CT 处理进行深松后的小麦和玉米产量显著高于 CN处理和CP 处理，小麦产量分别高15.56%和22.68%，玉米产量分别高，说明免耕1 a 后深松能够改善土壤结构，降低土壤容重，显著提高小麦和玉米产量，并且 2016年CT 处理的小麦产和玉米产量均显著高于CN 处理和CP 处理，其中小麦产量比 CN 处理和 CP 处理分别高16.22%和17.52%，玉米产量比CN 处理和CP 处理分别高 3.69%和 7.49%，增产幅度较大，说明深松后免耕仍能保持较好的土壤结构，增产显著，但CN 处理的小麦与玉米产量与CP 处理无显著差异，可能是因为连续4 a未进行翻耕，养分在土壤表层富集，亚表层养分分化，不利于作物根系生长，导致增产作用减弱，需要进行必要的耕作。

3.2.2 周期总产量与总产值评价

从表7 中可以看出，4 a 周期各处理小麦总产量和总产值以及玉米总产量和总产值从高到低的顺序均为CT、CN 和CP。CT 处理小麦总产量显著高于CN 处理和CP处理，分别高7.7%和10.7%，CN 处理与CP 处理差异不显著；CT 处理的玉米总产量与CN 处理无显著差异，两者均显著高于CP 处理；CT 处理的粮食总产值显著高于CN 处理和 CP，处理间差异显著。因此组合耕作模式具有较高的周期生产力。

表7 2013-2016 年不同耕作模式的作物产量与产值Table 7 Crop yields and output value of different tillage modes from 2013 to 2016

3.3 周期经济效益评价

周期经济效益包括周期投入和周期产出，其中周期投入包含种子、化肥、农药等农资投入、机械投入和人工投入，如表8 所示。在施肥量和灌溉量相同的条件下，机械作业费用从高到低的顺序为CP、CT 和 CN，处理间差异显著，由于连续免耕减少了耕整地机械作业环节，因此CN 处理每公顷的机械作业投入最低，相应的人工费投入也较低；CP 处理要进行4 a 的翻耕整地，翻耕后还要进行旋耕整地，因此机械作业费投入最高，相应的人工费投入也最高；而组合耕作在4 a 内进行1 次翻耕和1次深松，机械作业费用投入比连续免耕高，但显著低于连续翻耕，相应的人工费投入也显著低于连续翻耕，与连续免耕无显著差异，是相对轻简化的耕作模式。各处理农资投入从高到低的顺序为 CN、CP 和CT，在施肥量相同的情况下，CT 处理和CN 处理比CP 处理投入更多的种子和农药，这是由于免耕年份的秸秆覆盖影响小麦出苗，且不能将杂草和虫卵翻扣在底层，需要化学控草和杀虫，但与连续免耕相比，组合耕作模式在4 a 周期内进行的一次翻耕能够显著减少农药施用量，减少农药对生态环境的污染，是相对生态的耕作模式。从周期总投入看，各处理从高到低得顺序为CP、CT 和CN，CT 处理和CN 处理差异不显著，总投入分别比CP 处理每公顷节约3 069 和3 969 元，可见组合耕作模式和连续免耕具有良好的省工节本效应。

表9 表示的是为不同耕作模式的周期经济效益，分析可知，4 a 周期不同耕作模式的个处理纯收入、物质投入净产率、劳动投入净产率、产投比的从高到低的顺序均为CT、CN 和CP。在一个周期内，CT 处理的每公顷总收入、纯收入和净产值均显著高于CN 处理和CP 处理，总收入比CN 处理和CP 处理分别高6 747.1 和11 744.3 元，纯收入比CN 和CP 处理分别增加5 847.1 和14 813.3 元，说明组合耕作模式具有良好的经济效益。从物质和劳动力的利用方面看，CT 处理和CN 处理的物质投入净产率、劳动投入净产率以及产/投比均显著高于 CP 处理，说明组合耕作模式和连续免耕能够提高物质农资的利用率，提高劳动效率。

表8 2013—2016 年不同耕作模式的总投入Table 8 Total cost of different tillage modes from 2013 to 2016 (元·hm-2)

表9 不同耕作模式的周期经济效益分析Table 9 Analysis of periodic economic benefits of different tillage modes

3.4 周期综合生产力评价

评分标准应包含各项指标数据，根据测定及计算的各项指标数据，划分评分段，评分标准及结果如表10 所示。将各指标得分及权重代入式（6），计算得到不同耕作模式的得分。CT 处理得分4.85，CN 处理得分3.8，CP处理得分1.7，CT 处理得分显著高于CN 处理和CP 处理，组合耕作模式的周期综合生产力最高，连续免耕次之，连续翻耕最低。

表10 各项指标评分标准及评分Table 10 Criterions and points of comprehensive evaluation index

4 讨 论

在保证生产力提高的前提下，耕作模式对生态环境的影响也是农业技术必须重点考虑的内容。化肥、农药、机械等现代物资的投入对于提高生产力、促进现代农业发展具有重要的作用，但是这些物质直接或间接的来源于化石能源，不合理使用也容易带来一系列的环境问题，如水体污染、农药残留、温室气体排放等[25]。本文通过对不同耕作模式对土壤质量的影响以及对投入成本的分析，定性分析了耕作模式对生态环境的影响，组合耕作模式能提高土壤质量，提高土壤生态质量，同时较连续翻耕模式节约机械投入成本，较连续免耕模式节约农药投入，减少了化石能源的投入，对生态环境的污染相对较小。但不同耕作模式对生态环境的具体影响要利用能值分析、生态服务评价等方法进行评价，其结果有待进行长期连续试验研究。

5 结 论

本研究针对两熟区现有耕作模式存在的问题，设计了“翻耕-免耕-深松-免耕”的4 a 组合耕作模式，通过4 a的定位试验，运用综合评价法对两熟区组合耕作模式、连续翻耕和连续免耕模式的周期生产力进行了综合评价，结果表明：

1）组合耕作模式可以提高土壤的结构质量，有效降低0～30 cm 土层土壤容重，平均容重比连续免耕和连续翻耕分别小0.089 和0.125 g/cm3；组合耕作模式提高土壤养分质量，增加0～30 cm 土层全氮、速效磷和速效钾含量，对碱解氮含量影响不显著，增加土壤有机碳含量，平均有机碳含量比连续免耕和连续翻耕分别高 0.36 和0.61 g/kg，并且各层之间有机碳含量分布较均匀；连续翻耕破坏0～20 cm 土壤结构，在>20～30 cm 土层形成犁底层，增加土壤容重，并且只增加>10～20 cm 土层有机碳含量，各层养分分布不均；连续免耕虽未对土壤结构造成破坏，但只增加0～10 cm 土层有机碳含量，使土壤养分在表层积累。

2）组合耕作模式的周期总投入显著低于连续翻耕，比连续翻耕节约成本3 069 元/hm2，粮食总产量和总产值显著高于连续免耕和连续翻耕，总收入比连续免耕和连续翻耕分别高6 747.1 和11 744.3 元，节本增效显著。

3）组合耕作模式、连续免耕和连续翻耕的周期生产力的综合评价得分分别为 4.85、3.8 和 1.7，组合耕作模式的得分显著高于连续免耕和连续翻耕，具有较高的周期生产力。

本研究可为小麦-玉米两熟区耕作模式的优化提供参考，促进两熟区的生产力提升和节本增效。