免耕或深松结合秸秆覆盖提升土壤碳氮水含量和马铃薯产量的协同效应

张 龙，李 简，赵富贵，李 丹，侯贤清，李 荣

（宁夏大学农学院，宁夏 银川 750021）

马铃薯为世界四大粮食作物之一[1]。我国西北黄土丘陵旱作农业生产区，年降水有限，且大多以无效、微效降水为主，制约着马铃薯的生长和产量的提高[2]。此外，该区常年采用传统铧犁对土壤进行频繁耕作、耙耱，严重破坏了0—15 cm土层的土壤结构和团聚体稳定性，致使土壤有机质分解，养分流失，保水能力变差，耕地质量整体降低[3–4]。因此，亟需研究适宜的耕作和培肥措施来增加土壤肥力，提高作物生育期的水肥供应，实现旱地作物增产增收。

少耕和免耕在一定程度上可以增碳、保水，改善土壤通透性[5–6]，深松可打破犁底层，降低土壤容重，有利于雨水下渗，促进根系下扎，提高深层土壤养分的有效性[7]。但也有研究发现，长期免耕会导致土壤紧实，不利于作物根系生长和产量的提高，连年深松降低土壤水分的蓄存[4]。旱地土壤实施秸秆地表覆盖不仅能够提高耕层土壤碳、氮含量，还可改善田间水分状况，促进作物生长和增产[8–9]。研究表明，耕作结合秸秆覆盖能减轻土壤干燥程度，增加土壤蓄水量[10]，协调农田土壤水、热及养分环境，促进马铃薯生育中后期生长[11]。殷文等[12]试验结果表明，免耕覆盖秸秆能够促进作物生物量累积，进而提高玉米产量。宋霄君等[13]研究表明，深松结合秸秆覆盖提高土壤表层(0—20 cm)碳氮含量的效果优于免耕覆盖。本研究连续3年开展大田定位试验，比较了不同耕作方式结合秸秆覆盖下旱地土壤有机碳、全氮及蓄水量，调查了马铃薯的生长和产量，为西北黄土丘陵旱作马铃薯高产栽培和可持续发展提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

田间试验于2014—2016年在宁夏固原市彭阳县城阳乡长城塬旱作农业试验站实施。研究区位于宁夏南部山区，为西北黄土丘陵区(E106°52′，N36°15′)，平均海拔 1800 m，年平均降水量 431 mm 左右，且时空分布不均，7—9月占全年降雨量60%以上，属典型雨养区。年均气温8.1℃，无霜期120～160天。2014、2015和2016年降水总量分别为396.3、463.2、369.0 mm，马铃薯生育期 (5—9月)降水量分别为283.4、331.7、248.4 mm。本研究采用国内较常用的降水年型划分标准[14]划分试验年降水类型。丰水年：，干旱年：式中：为试验当年降雨量(mm)，为多年平均降雨量(mm)， δ为多年降雨量的均方差。根据宁夏彭阳县40年(1977—2016 年)平均降水量(430.5 mm)和均方差 (99.4 mm)数据，丰水年降雨量>472.3 mm ，干旱年降雨量<406.7 mm。将试验年份降水年型进行划分，2014和2016年为干旱年份，2015年为平水年份。试验田为旱塬地，地势平坦，土壤为黄绵土。播种前0—40 cm土层土壤有机碳、全氮含量分别为4.36、0.60 g/kg，速效氮、磷、钾含量分别为58.6、8.4、150 mg/kg，属低等肥力水平。

1.2 试验设计

试验共设置6个处理，分别为免耕秸秆覆盖(NS)、免耕不覆盖(NN)、深松秸秆覆盖(SS)、深松不覆盖(SN)、传统耕作秸秆覆盖(CS)、传统耕作不覆盖(CN)，随机区组排列，3次重复，18个小区，各小区长宽分别为4 和9 m。试验处理及耕作管理如表1，秸秆为玉米秸秆。

表1 试验处理具体实施方法Table 1 Practices for each experimental treatment

试验地2013年前为春玉米，已采用传统耕作方式多年。供试马铃薯品种为陇薯3号，平作栽培方式，宽窄行种植(宽行60 cm，窄行40 cm，株距40 cm)，种植密度5万株/hm2，穴播后少量覆土。试验期间无水浇灌，人工除草。施肥处理结合秋耕实行施肥，施肥量为农家肥(腐熟牛粪) 30 t/hm2，尿素(N≥46%) 150 kg/hm2，磷酸二铵 (N≥18%，P2O5≥46%) 150 kg/hm2，硫酸钾 (K2O≥50%) 150 kg/hm2。马铃薯分别于2014年4月28日、2015年5月2日和2016年5月4日播种，于2014年10月3日、2015年9月23日和2016年10月2日收获。

1.3 试验方法

1.3.1 土壤有机碳和全氮含量测定 2013年试验田处理前和2016年10月马铃薯收获后采集0—20、20—40 cm土层土样，装入自封袋中带回实验室风干、磨细，过0.25 mm筛，分别采用重铬酸钾容量法—外加热法、凯氏定氮法[15]测定有机碳和全氮含量。

1.3.2 土壤水分测定 在马铃薯播种、现蕾(播后60 天)、块茎形成 (播后 90 天)及块茎膨大期 (播后120 天)，利用土钻采取0—200 cm土层鲜土样，每20 cm为1层，烘干法测定土壤质量含水量，重复3次。

土壤蓄水量[15]公式：

式中：W为土壤蓄水量(mm)；10为换算系数(cm换算为mm)；h为土层深度(cm)；a是土壤容重(g/cm3)；b是土壤含水率(%)。

1.3.3 马铃薯块茎生长特征模拟预测 在马铃薯播种后30、60、90、120、150 天定期取植株样5株，测定马铃薯地上部生物量，利用Logistic方程[12]计算并拟合马铃薯生长期相关特征值，方程式为：

式中：Y为马铃薯某一时期生物量观测值(t/hm2)；Km为马铃薯生物量理论最大值(t/hm2)；t为播种后天数(d)；a、b为方程特定拟合参数。

将Logistic方程进行一、二阶求导，得到马铃薯生物量快速增长期起始时间T1(d)；快速增长期终止时间 T2(d)；最大累积速率 Vmax[t/(hm2·d)]；a、b、Km同上，具体公式如下：

1.3.4 马铃薯产量测定 于马铃薯收获期测定各小区产量，重复3次，最后折算成单位面积产量。

1.4 数据分析与绘图

利用Excel 2016进行数据整理和计算，利用DPS 2005软件进行多重比较，运用SPSS 21.0进行皮尔逊相关性分析和方差分析；采用Origin 2021绘制图表，应用Curve Expert模拟Logistic方程参数。

2 结果与分析

2.1 耕作结合秸秆覆盖对土壤有机碳和全氮含量的影响

连续3年不同耕作和秸秆覆盖处理2016年收获期0—40 cm土层有机碳和全氮含量测定结果(图1)表明，各处理0—40 cm土层有机碳(除NN和CN处理20—40 cm土层)和全氮含量较试验开始前均有所增加，且0—20 cm土层有机碳和全氮含量增幅明显高于20—40 cm土层。耕作结合秸秆覆盖处理下0—20 cm土层有机碳和全氮含量均以SS处理最高，分别较CN处理显著增加29.9%和24.7%，在20—40 cm土层以NS处理最高，较CN处理分别显著增加52.4%和27.4%。

图1 不同处理0—20 cm和20—40 cm土层土壤有机碳及全氮含量Fig. 1 Total soil organic carbon and total nitrogen in 0–20 cm and 20–40 cm soil layers under different treatments

0—20 cm土层，在相同耕作管理措施下，NS、SS和CS处理总有机碳和全氮含量均显著高于秸秆不覆盖处理，土壤有机碳含量分别提高18.1%、22.2%和25.6%，全氮含量分别显著提高16.7%、26.3%和21.0%。20—40 cm土层，NS、SS和CS处理土壤有机碳含量分别比同种耕作措施下不覆盖处理显著提高30.0%、7.2%和43.4%，全氮含量分别显著提高19.7%、5.6%和22.6%。无秸秆覆盖时0—20 cm土层土壤有机碳和全氮含量以NN处理最高，20—40 cm土层以SN处理最高。

2.2 耕作结合秸秆覆盖对土壤蓄水量的影响

连续3年不同耕作结合秸秆覆盖可显著提高马铃薯播种期和关键生育期(现蕾期、块茎形成和块茎膨大期)土壤蓄水量(表2)。播种期，在相同耕作管理措施下，2014年(干旱年) NS、SS和CS处理土壤蓄水量分别比秸秆不覆盖处理显著提高6.4%、4.8%和6.3%，2015年(平水年)分别显著提高7.7%、9.3%和9.0%，2016年(干旱年)分别显著提高25.1%、31.1%和24.2%。无秸秆覆盖时2014年土壤蓄水量以SN处理最高，2015和2016年均以NN处理最高。综合所有处理，2014年土壤蓄水量以NS处理效果最佳，较CN处理显著增加6.4%，2015和2016年土壤蓄水量均以SS处理效果最佳，较CN处理分别显著增加11.4%和29.6%。

表2 不同处理马铃薯播种期及关键生育期0—200 cm土层蓄水量(mm)Table 2 Soil water storage (0–200 cm) in sowing and key growth period of potato under different treatments

马铃薯进入关键需水阶段，各处理0—200 cm土层蓄水量急剧下降。在相同耕作管理措施下，2014年NS、SS和CS处理各生育期土壤蓄水量分别比秸秆不覆盖处理平均显著提高14.6%、18.0%和15.9%，2015年分别平均显著提高14.9%、10.4%和11.8%，2016年分别平均显著提高22.4%、23.9%和21.65%。无秸秆覆盖时，干旱年和平水年关键生育期土壤蓄水量均以SN处理最高。综合所有处理，2014年各生育期土壤蓄水量以SS处理效果最好，平均较CN处理显著增加21.6%；2015年各生育期土壤蓄水量以NS处理效果最好，平均较CN处理显著增加17.2%；2016年现蕾期以NS处理土壤蓄水量效果最好，较CN处理显著增加26.4%，块茎形成期和膨大期以SS处理效果最好，平均较CN处理显著增加28.3%，马铃薯关键生育期SS处理较CN处理土壤蓄水量增加26.0%。可见，不同耕作结合地表秸秆覆盖具有很好的保水效果。

2.3 耕作结合秸秆覆盖对马铃薯地上部生物量累积动态的影响

以天数为变量，利用Logistic自然生长方程对马铃薯地上生物量进行参数模拟和定量分析，结果(表3)发现，不同耕作结合秸秆覆盖处理下马铃薯地上部生物量随生育进程的Logistic模型拟合优度(R2>0.9)良好。马铃薯地上部生物量累积快速增长期3年均以SS处理起始最早，较CN处理分别提前2.4 、10.0和6.5 天。快速增长持续期在2015年(平水年)以NS处理最长，较CN处理延长9.8天，2014年(干旱年)和2016年(干旱年)均以SS处理最长，较CN处理分别延长3.3和8.1天。最大累积速率在2014年以NS处理最高，较CN处理提高45.2%，2015和2016年均以SS处理最高，较CN处理分别提高15.3%和45.3%。

表3 不同处理下马铃薯地上部生物量动态累积模型参数特征值Table 3 Parameters and eigenvalues of above-ground biomass accumulation model of potato under different treatments

与同种耕作措施下秸秆不覆盖处理相比，2014年NS、SS和CS处理快速增长持续期分别延长5.1、5.0 和1.5 天，最大累积速率分别提高6.1%、8.3%和36.9%；2015年NS和CS处理快速增长持续期分别延长7.6 和7.9 天，SS处理最大累积速率提高23.0%；2016年NS、SS和CS处理快速增长持续期分别延长1.6、6.2和2.8 天；最大累积速率分别提高35.3%、44.3%和25.2%。无秸秆覆盖时，马铃薯地上部生物量3年快速增长累积持续期均以SN处理最长。快速增长期内的最大累积速率在2014和2015年以NN处理最高，2016年以SN处理最大。

2.4 耕作结合秸秆覆盖对马铃薯产量的影响

连续3年不同耕作和秸秆覆盖处理马铃薯产量测定结果(图2)显示，各处理下马铃薯产量以2014年(干旱年)最高，2015年(平水年)次之，2016年(干旱年)最低。在所有处理中，2014年马铃薯产量以NS处理最高，较CN处理显著提高51.8%，2015和2016年均以SS处理最高，分别较CN处理显著提高36.7%和87.5% 。

图2 不同处理下马铃薯产量Fig. 2 Potato yield under different treatments

在相同耕作管理措施下，2014年NS、SS和CS处理马铃薯产量分别比秸秆不覆盖处理显著提高58.7%、43.2%和36.6%，2015年分别显著提高14.1%、27.3%和10.8%，2016年分别显著提高49.0%、49.2%和19.6%。无秸秆覆盖时马铃薯产量3年均以SN处理最高。

2.5 耕作结合秸秆覆盖下马铃薯生长与产量对土壤碳、氮、水含量的响应

表4结果表明，耕作方式、秸秆覆盖措施及两者交互作用对土壤有机碳均有极显著影响(P<0.01)，秸秆覆盖对土壤全氮影响极显著(P<0.01)。降水年份、耕作方式、秸秆覆盖措施、年份与秸秆覆盖交互作用对马铃薯关键生育期土壤蓄水量和地上部生物量均有极显著影响(P<0.01)，耕作与秸秆覆盖措施交互作用、降水年份与耕作、覆盖三者交互的效应也达到显著水平(P<0.05)。年份、耕作方式、秸秆覆盖以及其两两之间或三者之间的交互作用对马铃薯产量的影响均达到极显著水平(P<0.01)。

表4 试验年份、耕作方法和秸秆覆盖对土壤肥力和马铃薯产量的效应分析Table 4 ANOVA on the effects of experimental year, tillage method, and straw mulching on soil fertility and potato yield

相关性分析结果(表5)表明，马铃薯产量与土壤有机碳呈显著正相关性，与土壤全氮、马铃薯播种和关键生育期(现蕾、块茎形成和块茎膨大期)土壤蓄水量以及生物量均呈极显著正相关。此外还发现，土壤有机碳、全氮以及蓄水量之间存在极显著正相关关系。结合方差分析和相关性分析结果得知，耕作结合秸秆覆盖措施能够实现土壤碳、氮、水之间的协同效应，进而促进马铃薯地上部生物量累积和块茎产量的提高。

表5 土壤有机碳、全氮、蓄水量和生物量与马铃薯产量的相关性分析Table 5 Correlation analysis of soil organic carbon, total nitrogen, water storage, and potato biomass and yield

3 讨论

3.1 耕作结合秸秆覆盖对土壤有机碳和全氮含量的影响

与传统耕作相比，少耕和免耕结合秸秆覆盖措施可提高土壤耕层有机碳的积累，进而促进作物增产和养分的高效利用[16]。本试验中，3个耕作方式下，秸秆覆盖处理的有机碳和全氮含量均高于不覆盖处理，其中0—20 cm土层以深松覆盖秸秆处理最高，20—40 cm土层以免耕覆盖秸秆处理最高。这主要因为覆盖秸秆进入土壤后，增加了微生物数量和活性，促进了秸秆的降解和对氮素的固持[17]。深松能够破除犁底层，促进作物根系向深层分布，提高作物对深层土壤养分的吸收利用[7]；而免耕土壤容重较大，作物根系生长受阻，减少了对深层土壤养分的吸收[18]。此外，深松改善了土壤亚表层(20—35 cm)通气条件，加速了该层的土壤有机质矿化[19]，而免耕措施下土壤结构稳定，下层(20—40 cm)微团聚体和黏粒结合的有机碳稳定性高于上层(0—20 cm)，不易被微生物分解利用[20–21]。与试验开始时相比，3个耕作措施结合秸秆覆盖处理的0—20 cm土层有机碳和全氮含量增幅明显高于20—40 cm土层，这是因为秸秆整秆覆盖，没有进行加工粉碎处理翻入土壤，从而暴露于土壤表面致使分解速率下降[22]。此外，无秸秆覆盖时深松处理的20—40 cm土层有机碳含量均高于免耕和传统耕作，而免耕和传统耕作下的有机碳含量较试验处理前均有所下降，以传统耕作方式降幅最大，这与王碧胜等[22]的研究结果相似。究其原因，在无秸秆投入条件下，免耕处理导致土壤容重增加，阻止了根系在深层的分布，进而使地上凋落物或秸秆还田下的外源有机残渣积累在表层，导致耕层碳氮等养分出现分层化，而传统耕作对土壤翻动频繁，导致土壤结构破坏严重，加快了地表有机物质的矿化流失[23]。

3.2 耕作结合秸秆覆盖对土壤水分的影响

有研究报道，休闲期免耕/深松轮耕结合覆盖措施较传统耕作不覆盖可提高春玉米播种期0—200 cm土层土壤贮水量[24]。邓妍等[25]研究发现，夏闲期翻耕覆盖可显著提高作物播前土壤蓄水量，以丰水年效果最佳。本研究结果(表2)表明，不同耕作覆盖秸秆对马铃薯播种期0—200 cm土层蓄水量均有不同程度的提高，2014年(干旱年)以免耕覆盖秸秆处理土壤蓄水量最高，2015年(平水年)和2016年(干旱年)均以深松覆盖秸秆处理最高，而传统耕作无秸秆覆盖处理土壤蓄水量最低，究其原因：1)耕作覆盖措施对作物播种期土壤水分的影响主要依赖于休闲期降雨量和耕作措施[26]，且保护性耕作在作物播前未进行耕作因而减少了土壤扰动[27]；2)秋季作物收获后进行深松结合秸秆覆盖能增加休闲期降水入渗，及时补充土壤水分，缓解干旱年水分匮乏[28]，免耕结合秸秆覆盖可降低春季土壤水分蒸发损失[29]，而传统耕作方式扰动土壤频繁，使土壤水分蒸发强烈[11]。

李荣等[29]研究表明，深松覆盖秸秆对马铃薯生育中后期土壤蓄水量有显著的提升效果。刘继龙等[30]研究认为，免耕和传统耕作结合秸秆覆盖可显著提高玉米生育后期土壤蓄水量，尤其以免耕覆盖秸秆处理对水分影响最为显著。本研究结果(表2)表明，深松结合秸秆覆盖能提高干旱年份(2014年和2016年)马铃薯块茎形成期和膨大期土壤蓄水量，而免耕覆盖秸秆措施可增加平水年份(2015年)马铃薯关键生育期土壤蓄水量，这是由于在干旱年份，深松结合秸秆覆盖不仅可降低作物生育前期土壤水分蒸发，还能促进生育后期降雨入渗[29]；在平水年份，免耕结合秸秆覆盖在抑制水分散失的同时，还能减弱与地表水分的交换，使深层水分上移，进而提高土壤的蓄水量[31]。

3.3 耕作结合秸秆覆盖对马铃薯产量的影响

Logistic方程能准确反映作物地上生物量累积动态状况，而作物地上部生物量积累速率与耕作方式[32]、覆盖措施[33]关系密切。普雪可等[33]研究表明，沟垄耕作结合秸秆覆盖较传统耕作能够提高作物地上部生物量累积速率和理论最大值，并延长快速累积持续时间。本研究通过Logistic对马铃薯地上部生物量动态增长模拟发现(表3)，秸秆覆盖处理的地上部生物量累积理论最大值均高于不覆盖处理，与传统耕作相比，不同耕作结合秸秆覆盖能够显著提高马铃薯地上部生物量快速增长期内的最大累积速率，使其提前进入快速累积期，并延长持续时间。这是因为耕作覆盖措施可为马铃薯生长发育提供较好的土壤水热环境，而传统耕作方式下植株易受干旱和高温胁迫，限制马铃薯生物量累积[34]。

在干旱地区，深松和免耕结合秸秆覆盖可改善土壤肥力，提高作物产量[35]。李荣等[29]研究表明，深松秸秆覆盖与传统耕作相比可提高作物产量。本研究结果(图2)表明，耕作措施、秸秆覆盖及其两者交互均能显著提高马铃薯产量，免耕结合秸秆覆盖处理在2014年(干旱年)增产效果最好，而在2015年(平水年)和2016年(干旱年)以深松结合秸秆覆盖处理增产效果好，分析其原因：一，秋季深松能积蓄更多的秋季雨水，实现秋雨春用[29,35]，同时秸秆覆盖下较好的水分条件在一定程度上弥补低温对马铃薯生育前期生长的影响，且能降低中后期高温胁迫对块茎生长的不利影响，从而显著提高马铃薯产量[36–37]。二，可能与试验期间免耕秸秆覆盖和深松覆盖秸秆处理年际间土壤水分蓄存有关。本研究还发现，秸秆覆盖下不同耕作处理的马铃薯产量随种植年份延长都表现出下降趋势，这可能与试验期间马铃薯连作种植有关，一方面主要是因为作物连作引起了土壤养分失衡和微生物菌群结构失调[38]，另一方面连作致使土壤性质恶化，形成了特定土壤环境和根际条件，影响土壤微生物活动，造成有益微生物量减少[39]，再加上地表秸秆覆盖后田间水热环境改善，为病虫的生存提供了有利环境，从而影响马铃薯的正常生命活动，导致连作使其产量下降。

3.4 耕作结合秸秆覆盖下土壤碳氮水协同效应对马铃薯产量的影响

在秸秆覆盖或还田条件下进行保护性耕作可改善土壤环境质量，增强水肥耦合效应，实现土壤碳氮水协同效应的总体提升，进而提高作物产量[40–41]。通过方差和相关性分析结果(表4、表5)发现，土壤有机碳、全氮和蓄水量之间存在极显著正相关关系，土壤碳、氮、水含量与马铃薯产量之间存在显著正相关，而耕作覆盖秸秆措施可通过提高土壤耕层碳氮含量和马铃薯生育期土壤蓄水量，进而促进马铃薯地上部生物量累积和块茎产量的提高。究其可能有3方面的原因：1)深松能有效阻止连年翻耕带来的弊端，破除犁底层，提高土壤保水能力，促进秸秆腐解，增加表层和耕层养分的累积，从而达到以水调肥增肥的效果[40]；2)秸秆还田处理使得土壤碳加速循环，同时又保持土壤碳素的净增，从而使得较多有机质矿化分解，产生过多的氮素供作物生长[42]；3)免耕和深松在秸秆材料投入时，可综合提升土壤碳、氮、水含量，土壤水分和养分充足，从而提高作物产量[41]。然而3年研究期间，不同降雨年型下耕作结合秸秆覆盖对旱作土壤碳、氮、水含量、生物量以及马铃薯产量均有显著影响，但马铃薯增产效果还与土壤温度、微生物活动及作物阶段耗水状况等因素有关，且马铃薯产量年际间波动极大，只涉及两个干旱年和一个平水年，缺乏丰水年，因此，还需进一步通过长年限研究，才能准确评析耕作结合秸秆覆盖下马铃薯增产机制。本研究还发现，在秸秆覆盖条件下，免耕在第一年提高马铃薯产量的效果最佳，但连年免耕的增产效果不如深松甚至传统耕作。因此，免耕与深松交替进行，结合秸秆覆盖可能是宁南旱作区马铃薯生产较为适宜的耕作覆盖措施，然而这仍需在不同降水年型、土壤肥力、马铃薯与玉米轮作等条件下进行长期定位试验，以验证试验结果的准确性和可靠性。

4 结论

不论何种耕作措施，秸秆覆盖可极显著提高0—40 cm土层土壤有机碳、全氮含量和0—200 cm土层水分含量，保证马铃薯稳产高产。在秸秆覆盖条件下，连续深松能够显著提升0—20 cm土层土壤碳、氮含量，提早马铃薯生物量快速累积期，并在干旱年可延长马铃薯生物量快速增长的持续期和最大累积速率；免耕在第一年提高马铃薯产量的效果最佳，但连续免耕的增产效果不如连续深松甚至传统耕作。因此，综合考虑土壤碳氮水与作物产量的协同效应，建议免耕、深松配合秸秆覆盖措施在宁南山区马铃薯栽培中进行推广应用。