长期间作及免耕对土壤物理性状及作物产量的影响

刘 敏，赵 财，范 虹，殷 文，樊志龙，胡发龙，孙亚斌

（省部共建干旱生境作物学国家重点实验室/甘肃农业大学农学院，兰州 730070）

0 引言

河西绿洲灌区光热充沛，但降雨稀少，潜在蒸发大，资源性水资源短缺是限制农业生产的主要因素。地膜覆盖是该地区节水的重要农艺措施，但传统覆膜方式是作物收获后进行地膜回收翻耕，翌年播种时覆盖新膜，地膜的大量投入造成土壤地膜残留、土地质量下降，同时长期频繁地犁翻土壤导致表层土壤结构稳定性下降，加剧农田表层土壤的流失和养分损失[1]。因此，传统覆膜耕作方式亟需改良。

良好的土壤物理结构有利于作物根系生长，也是作物实现高产稳产的基础。研究发现，1～2 mm粒径团聚体土壤不仅有利于大豆发芽出苗，而且显著增加冠部干重、苗高及叶面积[2]，在生产上可以通过免耕增加土壤小粒径团聚体数量和比例。李海潮等[3]研究发现不同容重的土壤，随土壤容重增大玉米根系生长受阻、气生根数减少，根系衰老的速率加快；同时土壤容重对土壤调节水、气、热能力存在影响，通过提高土壤的自动调节能力可以使土壤肥力水平得以提高并满足植物对生长因子的持续需求[4]。研究表明免耕有利于增加土壤大团聚体含量、大孔隙数量[5]，并在增加土壤有机质、土壤持水性和通透性等方面具有明显效果[6]。目前，旧膜的循环再利用与免耕有机结合形成的覆膜免耕技术，在玉米、小麦、胡麻、马铃薯等多种作物生产中应用[7-10]。同时研究发现，旧膜再利用较不覆膜种植具有一定的增温保墒效果[11]，增产效果显著，并减少了地膜和田间作业投入。而间作是一种基于生态多样性，提高土地利用率和作物产量[12]，实现资源高效利用和低碳农业协调发展[13]的重要农作措施。研究发现，间作可以增加土壤大颗粒团聚体的比例并提高其有机碳含量[14]；玉米间作豌豆种植模式不仅可以提高豆科作物的固氮能力[15]，还可以改善间作土壤养分，并显著提高作物氮素利用效率和作物产量[16]。因此，通过长期定位试验，检测土壤团聚体含量、土壤容重、孔隙度等土壤物理性状指标，探明覆膜免耕和间作嵌套的种植模式对土壤的物理性质的影响，对光热资源一熟有余、两熟不足的河西灌区发展多熟种植具有重要意义。

为此，本研究借助2013年在河西绿洲灌区布设的长期保护性耕作定位试验，通过分析不同耕作措施和种植模式对农田主要土壤物理指标及产量的影响，旨在探索实现干旱区绿洲资源高效利用、提升绿洲灌区农田土壤物理特性和地膜减投的高效农作措施，为该区域农业的可持续发展提供理论指导和实践依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验地点位于甘肃农业大学绿洲农业科研教学基地（37°31′N，103°50′E，海拔 1506 m），年平均气温7.5℃，常年降雨量156 mm，年蒸发量2400 mm，全年平均日照时数2700～3030 h，无霜期约155天。试验区土壤为灌漠土，该区光照充足，适合发展间作，玉米间作豌豆是该地区主要的间作种植模式。

1.2 试验设计

试验于2013—2020年进行，设置传统覆膜耕作(CT)、覆膜免耕(NT)2个主处理，单作豌豆(P)、单作玉米(M)、玉米间作豌豆(M//P)3个副处理。每个处理设3次重复，小区面积为5.5 m×8 m=44 m2，试验处理及代码如表1所示。其中：传统覆膜耕作(CT)是指玉米收获后进行残留地膜回收再翻耕，翌年播种时旋耕耙耱后再覆盖新膜；覆膜免耕(NT)，前茬玉米覆膜收获后免耕，次年直接在旧膜上播种玉米。单作玉米(M)、豌豆(P)的种植密度为9万株/hm2和80万株/hm2，行距为40、20 cm。玉米与豌豆间作模式(M//P)采用4:3种植，玉米行距40 cm，豌豆行距20 cm，玉米与豌豆间距25 cm，其中玉米密度为5.2万株/hm2，豌豆密度为76万株/hm2。

表1 试验处理及代码

供试玉米(Zea mays L.)品种为‘先玉335’，豌豆(Pisum sativum L.)品种为‘陇豌1号’。灌溉及施肥制度与当地高产田保持一致，灌溉定额4650 m3/hm2；玉米总施氮量为360 kg/hm2，豌豆总施氮量为135 kg/hm2，磷肥按照N:P为2:1的比例全部作为基肥施用。

1.3 测定指标和计算方法

1.3.1 土壤团聚体组成 分别于2019年9月20日和2020年9月23日，在玉米收获后取0～30 cm土层土壤样品，每10 cm为一层，每个处理3次重复，其中间作种植处理取样时，在玉米带和豌豆带分别随机采集2点，混合为1个土样。土壤团聚体采用湿筛法进行测定，将样品放置于孔径自上而下为2、1、0.5、0.25 mm的各级套筛之上，进行振荡筛分5 min（30次/min），最后将各级筛层团聚体洗入铝盒中，烘干称重，根据公式(1)计算所得各粒径团聚体质量百分比[17]。

式中Ai为某粒级团聚体的质量百分数(%)；Gi为该粒级团聚体的烘干质量(g)；MT为团聚体总质量(g)。

1.3.2 土壤团聚体平均重量直径(MWD)根据式(2)计算土壤团聚体平均重量直径[18]。

1.3.3 土壤容重和孔隙度 采用环刀法，分别对土层深度为0～10、10～20、20～30 cm的容重进行测定，各层次3次重复，取样时间与团聚体取样时间相同。根据式(3)计算容重[19]，式(4)为土壤总孔隙度的计算方法。

式中，pd为某层土壤的容重(g/cm3)；M为质量(g)；V为单位体积(cm3)。

其中土壤比重近似2.65 g/cm³。

1.3.4 产量 测产以小区为单位，单打单收，自然风干后称重，用水分仪测定水分后，按13%含水量折合成公顷产量。

1.4 数据分析

所有数据采用Microsoft Excel 2019和SPSS 19.0统计软件进行整理与统计分析，处理间的显著性检验采用Duncan法(α=0.05)。

2 结果与分析

2.1 不同耕作和种植模式下土壤水稳性团聚体含量的构成

耕作措施和种植模式及二者交互作用对土壤水稳性团聚体含量有显著影响（图1）。覆膜免耕处理(NT)较传统耕作处理(CT)显著增加了≥0.25 mm水稳性团聚体含量，2年中各土层中水稳性大团聚体的含量NT较CT增加了2.02%～7.76%。说明覆膜免耕对耕层土壤的扰动小，减少了土壤机械破坏造成土壤团聚体破碎，从而增加了土壤大团聚体的含量，进而改善土壤物理结构。间作种植处理(M//P)下大团聚体含量显著高于单作，NTM//P分别较NTP和NTM增加12.60%～20.11%和7.05%～9.03%；CTM//P分别较CTP和CTM增加14.48%～19.28%和8.94%～11.55%；且NTM//P与CTM//P差异显著，NTM//P较CTM//P增加了2.20%～5.80%。说明覆膜免耕间作种植模式有利于大团聚体的形成。

图1 不同耕作措施和种植模式下农田土壤团聚体组成

2.2 不同耕作和种植模式对土壤团聚体平均重量直径(MWD)的影响

耕作措施和种植模式对土壤团聚体平均重量直径(MWD)有显著影响，且两者的交互作用仅对0～10 cm土层的MWD影响显著（表2）。2个试验年度中，各处理的MWD值均呈现均随着土层深度增加而降低的趋势。覆膜免耕处理较传统耕作处理显著提升了土壤团聚体平均重量直径，NT较CT在各土层中MWD值提升了2.42%～4.14%。说明覆膜免耕有利于提高团聚体的团聚度，增强团聚体的稳定性。间作种植处理下MWD值显著高于单作，其中NTM//P分别较NTP和NTM增加9.72%～12.29%和5.76%～8.00%；CTM//P分别较CTP和CTM增加9.62%～12.44%和4.01%～7.57%；且NTM//P与CTM//P在0～10 cm土层间差异显著，NTM//P较CTM//P增加了1.63%～4.64%。说明覆膜免耕间作种植模式有利于表层大团聚体的形成并提高其稳定性。

表2 不同耕作措施和种植模式下土壤不同深度团聚体几何平均直径 mm

2.3 不同耕作和种植模式对土壤容重的影响

耕作措施和种植模式对土壤容重有显著影响，而二者互作效应对其影响不显著（图2）。2个试验年度中，各处理土壤容重均随土层深度的增加而升高，覆膜免耕处理(NT)较传统耕作处理(CT)显著降低了0～30 cm土层土壤容重，2年中各个土层土壤容重NT较CT分别降低了1.31%、1.32%和1.57%。说明经过2年的免耕土壤紧实度下降，相比长期传统覆膜翻耕处理，免耕减小了机械对土壤的扰动和压实作用，有利于土壤结构体的稳步发育。玉米间作豌豆处理下土壤容重显著低于单作种植模式，其中NTM//P分别较NTP和NTM土壤容重降低1.34%～4.49%和2.00%～3.25%；CTM//P分别较CTP和CTM降低1.27%～3.92%和1.37%～3.89%。说明间作种植模式较单作能有效降低土壤容重。

图2 不同耕作措施和种植模式下不同深度土壤容重

2.4 不同耕作和种植模式对土壤孔隙度的影响

耕作措施与种植模式对土壤孔隙度有显著影响，耕作措施×种植模式互作效应对其影响不显著（表3）。2个试验年度中各处理土壤孔隙度均随土层深度的增加而减小，在0～30 cm土层中覆膜免耕处理(NT)与传统耕作处理(CT)间差异显著，NT较CT土壤孔隙度增加了1.97%、2.10%、2.28%。说明免耕可以在一定程度上增加土壤的通透性，形成较疏松多孔的土壤结构。玉米间作豌豆处理下土壤孔隙度显著高于单作种植模式，其中NTM//P分别较NTP和NTM土壤孔隙度增加3.79%～6.44%和2.01%～4.20%；CTM//P分别较CTP和CTM提高低3.12%～4.74%和1.39%～3.26%。说明间作模式能提高土壤总孔隙度，增加土壤的透水透气性。

表3 不同耕作措施和种植模式下不同深度土壤孔隙度 %

2.5 不同耕作和种植模式对作物产量的影响

种植模式显著影响玉米籽粒产量，耕作措施、耕作措施×种植模式的互作效应对玉米籽粒产量的影响不显著（表4）。在同一耕作处理下，玉米籽粒产量在单作、间作两种不同种植模式间差异显著。覆膜免耕(NT)处理下，单位面积间作玉米籽粒产量较单作玉米显著增产31.92%～33.38%；传统耕作处理(CT)下，单位面积间作玉米籽粒产量较单作玉米显著增产29.41%～31.68%。说明一膜两年用玉米产量与传统覆膜相当，同时玉米间作豌豆模式有利于提高玉米的籽粒产量。

表4 不同耕作措施和种植模式下作物产量 kg/hm2

3 结论

与传统覆膜相比，NT显著增加了0～30 cm土层水稳性大团聚体含量与土壤团聚体稳定性，并降低了耕层的土壤容重，增加了表层土壤的通透性；在覆膜免耕条件下，M//P处理下≥0.25 mm水稳性团聚体含量、MWD值以及土壤孔隙度显著高于单作，更能有效改善土壤结构。本试验中，覆膜免耕玉米产量与传统覆膜相当，而种植模式对玉米籽粒产量有显著影响，单位面积间作玉米籽粒产量在两种耕作措施下分别较单作玉米增加29.41%～31.68%、31.92%～33.38%。因此，覆膜免耕方式下禾豆间作种植模式是该区域改善农田土壤物理特性、提高作物产量、实现资源高效利用的有效农作措施。

4 讨论

土壤团聚体是土壤结构构成的基础，影响土壤的各种理化性质，其含量与稳定性是衡量土体安全、土壤肥沃的评价指标之一[20]，并且与土壤的通透性、透水性以及养分储存等能力有密切关系[21]。MWD是反映土壤团聚体稳定性的常用指标，其值越大，表示团聚体的平均粒径团聚度越高，稳定性越强[22]。武均等[23]研究发现，较传统耕作相比，免耕在一定程度上可以提高＞0.25 mm团聚体含量；何如等[24]研究发现，相比与免耕处理，传统耕作处理下＞0.25 mm团聚体含量降低了2.20%～9.10%。本研究得出相似结论，在0～30 cm土层≥0.25 mm水稳性团聚体含量在NT与CT处理间存显著差异，NT较CT≥0.25 mm水稳性团聚体含量提高2.02%～7.76%；同时在NT处理下，不同种植模式间存在显著差异，M//P分别较P、M水稳性大团聚体含量增加12.60%～20.11%和7.05%～11.55%，原因是传统耕作覆膜方式在播种时对土壤进行旋耕，导致团聚体被挤压破碎，耕层内的有机质矿化分解加快、有机和矿质复合结合胶体含量减少，导致土粒之间的粘结力下降，影响了团粒结构体的形成[25]。而间作增加土壤团聚体含量的原因可能是不同作物间根系对土粒的缠绕起到成型动力的作用，提高了根系分泌物含量，真菌菌丝和植物根系分泌多糖及其他复合物增加，土壤中微生物的活性增强，微团聚体与土壤颗粒的黏合作用加强，促进微团聚体向大颗粒团聚体转化[26]。另有研究结果表明免耕和间作模式可提高水稳性团聚体的平均重量直径[27-28]，本研究得出相似结果，NT可以显著增加直径≥0.25 mm团聚体平均重量直径，且在免耕处理下，间作处理的MWD值显著高于其他处理，分别较P、M增加6.95%、12.07%。这可能是因为传统春播深翻加剧了对耕层土壤结构的扰动，致使土壤团聚体的结构进行了重新分布，降低了土壤进行自身调节和自我恢复的能力，从而破坏了土壤团粒结构的稳定性[29]；而间作作物根系较为发达，通过不同作物的根系缠绕和固结作用使土壤更容易形成较大粒级的团聚体，进而增加土壤团聚体稳定性[30]。因此在覆膜免耕的基础上，采用玉米间作豌豆种植模式能够有效增加水稳性大团聚体的含量，并提升土壤团聚体的稳定性。

土壤孔隙度以及土壤容重是反映土壤紧实、充气状况和土壤物理质量的重要指标[31]。谢军红等[32]通过全膜双垄沟播玉米耕作定位试验研究发现，免耕较传统耕作可以显著降低土壤容重，同时将土壤孔隙度增加3.06%。本试验得到相似结论，NT较CT作显著降低了0～30 cm土层的土壤容重，显著提高了0～30 cm土层土壤总孔隙度。2年间M//P分别较P、M土壤容重降低了2.97%、1.98%，土壤孔隙度增加了4.50%、2.98%。其影响原因可能是每年的深翻耕对地表土壤结构造成了破坏，同时，在作物的生育期土壤经过不断堵塞大孔隙度从而使地表容重增大[33]。而免耕避免了机具压实土壤，土壤中微生物的活性增强，有利于形成良好的土体结构，致使土壤有效毛细管增多，且孔隙连续性改善，从而在一定程度上降低了土壤容重，增加了土壤孔隙度，有利于水分的快速移动和土壤气体交换。不同种植模式下作物种类不同，其从土壤中吸收的营养与水分也有差异，形成了不同的土壤环境，因而造成土壤容重、总孔隙度发生变化[34]。

本研究中，免耕覆膜耕作玉米产量与传统耕作覆膜相当，种植模式对玉米籽粒产量有显著影响，单位面积间作玉米籽粒产量在两种耕作措施下分别较单作玉米增加29.41%～31.68%、31.92%～33.38%，这与前人研究结果相似。张展军等[35]研究表明，当种植密度一致时，免耕一膜两年用和传统耕作一样，拥有相同的密植增产潜力和水分利用效率。覆膜免耕和间作嵌套的种植模式对作物产量的影响可能是通过改变土壤物理环境实现，覆膜免耕条件下土壤紧实度下降，减小了机械对土壤的扰动和压实作用，有利于土壤结构体的稳步发育，同时间作模式通过增加了不同作物间根系的交互作用，较单作更有利于形成较疏松多孔的土壤结构。土壤物理条件的改变会影响热、气、水和养分在土壤中的含量和移动，进而影响植物的根系生长发育，进而影响植物地上部分生长和植物生物量形成[36-37]。