不同耕作实践对新增耕地土壤结构及养分含量的影响

刘 哲，曹石榴，王 娜，王欢元，孙增慧，罗玉虎，卢 楠，李 燕

(1.陕西省土地工程建设集团有限责任公司，西安 710075；2.自然资源部退化及未利用土地整治工程重点实验室，西安 710021；3.陕西地建土地工程技术研究院有限责任公司，西安 710021；4.陕西省土地整治工程技术研究中心，西安 710075)

【研究意义】随着中国工业化、城镇化的飞速发展，耕地数量不断减少，人地矛盾逐渐加剧，严重威胁区域粮食安全和农业可持续发展。为遏制耕地数量减少、质量下降，我国开展了大量的新增耕地项目，裸岩石砾地作为补充耕地的重要后备资源，整治复垦后可适时增加耕地面积，有效缓解区域耕地资源的紧缺问题[1-2]。虽然地方政府补充了一定量的耕地资源，但以生土为材料复垦的新增耕地与多年耕种的土地功能属性存在较大差别，存在土壤肥力和熟化度较低、结构性差、生产力不足等问题，严重制约着新增耕地的产能和健康可持续发展。因此，如何改善新增耕地结构和肥力来达到提升土地产能的研究就显得极为重要[3]。【前人研究进展】杨尽等[4-5]通过不同粉煤灰和磷石膏等矿物来提升新增耕地的保水保肥能力，结果表明矿物添加对土壤质量和作物产量均具有显著的影响，Li等[6]通过新增耕地的田块整形、农田水利建设等配套工程手段来改善土壤质量，也取得了一定效果，武晓莉等[7]通过研究6种施肥措施对新增耕地土壤的改良与提升效应发现，有机肥配施化肥是熟化土壤、提升土壤肥力的最佳选择。但是目前主要集中在通过土壤矿物改良剂的选择、田块归并修整及施肥方案的优化等措施来实现新增耕地整体质量改善的目的。耕作方式作为重要的土壤改良手段，可以有效调节土壤中水肥气热等因子之间的动态平衡、影响土壤的结构稳定性和作物对养分的吸收，最终影响作物的产量和土地生产力[8-9]。尤其是以免耕、秸秆覆盖、深松等保护性耕作的方式对耕地进行保育，在增加土壤养分含量，减少土壤侵蚀、水土流失，改善土壤结构稳定性等方面成效显著，对于保障土壤的健康可持续发展和农业生态环境具有重要的意义[10-12]，但对比分析不同轮耕实践对新增耕地土壤结构改善和肥力提升的研究较少。近年来，少耕、免耕、秸秆覆盖等保护性耕作方式愈来愈受到广泛重视。研究表明，深松处理可有效破除农田土壤犁底层，增加土壤孔隙度，改善耕作层土壤结构，增加土壤持水能力[13-14]。免耕处理对土壤容重的改善没有深松处理明显，但可有效提高有机质含量和微生物的数量与活性，增加团聚体的数量，土壤结构稳定性明显增强，创造有利于作物生长的稳定耕作层[15-18]。但是，传统耕作方式对土壤进行多次翻耕，土壤受到的挤压扰动较大，结构遭到破坏，容易形成土质密实的犁底层，使土壤质量日趋下降，养分利用率低下，造成作物产量低且不稳定[19-20]。【本研究切入点】以往的耕作处理研究多集中在传统耕作土壤改良上，数量众多的新增耕地与多年耕种土地在结构和肥力上存在较大差异，有关不同耕作实践对新增耕地土壤改良效应的研究较少。长期单一的耕作处理会加剧土壤紧实，影响水分与养分的运移，导致土壤肥力下降，造成作物减产，需要优化合理的轮耕实践来提高土地生产力，增加作物产量[21]。【拟解决的关键问题】本研究采用长期田间定位试验，评估传统长期连续翻耕(MT)、深松—翻耕—深松(ST)及免耕—深松—免耕(NT)的不同轮耕模式对新增耕地土壤有机质含量、团聚体数据及稳定性、容重及含水量的影响，探究不同耕作实践对新增耕地土壤结构和肥力的影响，以期为新增耕地土壤质量提升选择适宜的耕作方式提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地布设于陕西省眉县秦岭野外监测中心站(33°59′～34°19′N，107°39′～108°00′E)。研究区域位于陕西省眉县汤峪镇上王村，渭河以北秦岭以南，土壤中多砾石。该研究区属黄河中游川塬沟壑区，为秦岭山地，裸岩石砾地的分布范围广。气候类型为暖温带大陆半湿润气候，海拔高差大，年平均气温12.9 ℃，多年平均降水量为609.5 mm，自然条件可以满足农作物的基本生长需求。试验开始前新增耕地土壤质地类型为粉质壤土(USDA)，其中砂粒(0.05～2.00 mm)质量分数为4.75%，粘粒(<0.002 mm)质量分数为12.26%，pH 8.25，有机质含量为4.07 g/kg，全氮含量为0.50 g/kg，有效磷含量为20.44 mg/kg，速效钾含量为138.11 mg/kg。

1.2 耕作试验设计

试验田为2016年新建的新增耕地生土快速熟化小区，新增耕地是由废弃的裸岩石砾地上覆土复垦形成的可用耕地，土壤熟化度和结构性较差，因此用以研究不同耕作模式及秸秆还田等综合整治技术对新增耕地土壤结构和养分的影响。种植制度为夏玉米与冬小麦轮作，夏玉米一般在6月上旬播种，9月下旬收获，种植品种为先玉335，种植密度为6.67×104株/hm2；冬小麦一般在10月上旬播种，第2年5月下旬收获，供试品种为小偃22，播种密度为202.5 kg/hm2；其他田间管理方法，如施肥和灌溉方式在3种轮耕处理下保持一致。第一季种植作物，没有进行耕作试验，不同耕作处理试验于2017年6月在生土快速熟化小区进行。试验共设置传统长期连续翻耕(MT)、深松—翻耕—深松(ST)及免耕—深松—免耕(NT)3种轮耕处理方式，采用随机区组设计，每种处理设计3个重复，每个耕作处理小区长6.0 m，宽5.5 m，共9个试验小区，试验区总面积约297 m2，具体耕作处理措施如表1所示。

表1 不同耕作处理的具体措施

1.3 采样方法及测定指标

在2019年9月下旬采用多点分层取样法，采集理化土样与原状土样，每个处理重复3次，在采样及运输过程中尽量减少对土壤结构的扰动，理化土样去除杂质后在实验室自然风干。土壤有机质采用重铬酸钾外加热法测定；土壤容重和持水特性采用烘干法测定，至烘箱中105 ℃烘24 h至恒重；土壤团聚体的数量采用湿筛法和干筛法进行筛分测定[22-23]。土壤团聚体稳定性指标几何平均直径(GMD)、分形维数(D)、水稳性大团聚体(R0.25)、平均质量直径(MWD)的计算公式[23-24]如下所示。

但与工程管理专业的其他课程相比，该课程具有较强的专业知识综合性和复杂性，知识体系具有显著的系统性和抽象性。特别是对于一些砌体结构和钢筋混凝土结构中构件的构造设计，这些需要靠实际工程经验积累的，就需要学生具有一定的工程实践经验与体会，因此，这就给学生在工程结构课程中的学习带来了一定的难度。

(1)

(2)

团聚体平均重量直径(WMD)、几何平均直径(GMD)、水稳性大团聚体(R0.25)和分形维数(D)是反映土壤团粒团聚性和结构稳定性的重要指标，土壤水稳性团聚体的MWD、GMD、R0.25值越高，D值越小，表明土壤越具有稳定的优良结构[25]。湿筛法和干筛法测定表明，NT和ST处理下的MWD、GMD、R0.25值均高于传统MT处理，D值小于MT处理(表2)。湿筛法下NT处理的MWD、GMD、R0.25值比MT处理分别增加17.9%、11.8%和48.8%，D值比MT处理减小1.34%；ST处理下MWD、GMD、R0.25值比MT处理分别增加7.2%、4.5%和28.0%，D值比MT处理减小0.34%。干筛法测定显示也有类似的趋势，NT和ST处理均增加了团聚体结构稳定性。说明，相比MT处理，NT和ST处理均增强了土壤的团聚性和稳定性，土壤结构得到一定程度的改善，由于NT处理对土壤结构及生物的挤压扰动最小，加之秸秆粉碎覆盖和腐解作用，对新增耕地土壤结构稳定性的改善效应最佳。

所有数据均采用Microsoft Excel 2010软件分析与处理，图形绘制采用SigmaPlot12.5软件，运用SPSS 22.0软件对实验数据进行方差分析(P<0.05)。

1.4 数据处理与分析

财务管理在各行各业中都是非常值得重视的部分，而在事业单位中，财务管理的好还与否直接关系到了事业单位对于社会服务性活动是否能够顺利进行。目前，我国财政政策不断地在深入改革，相关的事业单位，受到国家政策影响的号召，对本身的财务管理工作也变得越来越重视，但是，就目前而言，事业单位的财务问题仍然没有得到全面的解决，而正是这些让人无法忽视的问题，使得财务管理工作没有效率。为了加强对财务工作的管理，运用科学有效的对应对策显得尤为重要。

2 结果与分析

2.1 不同耕作处理对新增耕地土壤不同粒级团聚体分布的影响

李娟等[30]研究表明，免耕和深松等保护性耕作处理能有效提高土壤蓄水保墒能，减少水分损失，提高土壤抗旱能力。本研究发现，与MT处理相比，NT和ST处理在降低土壤容重的同时，均提高了土壤含水量，NT处理下的土壤含水量最高。这与Das等[31]和王玉玲等[32]的研究结果相似，NT和ST处理的保护性耕作实践降低了耕作强度，并将粉碎作物秸秆还田，可以有效打破土壤犁底层，降低土壤蒸发量，增加土壤孔隙度和蓄水保墒能力，促进土壤水分的入渗。NT和ST处理均可提高新增耕地土壤持水能力，免耕和深松组合的NT实践对新增耕地土壤耕作扰动最小，降低了对土壤结构的挤压破坏，加之作物秸秆的保留覆盖，减低了土壤水分蒸发量，蓄水保墒性能最好。这与Zhou等[33]的研究结果类似，密集的常规翻耕处理会影响土壤的持水能力，降低土壤的保水能力。

小写字母表示不同耕作处理间差异显著性(P<0.05)，下同。

2.2 不同耕作处理对新增耕地土壤团聚体稳定性指标的影响

表2 不同耕作处理对团聚体结构稳定性的影响

2.3 不同耕作处理对新增耕地土壤容重和持水特性的影响

土壤水对土壤中物质和能量的运移以及作物的生长均具有重要的影响。随着土层深度加深，0～10和10～20 cm土层不同耕作处理间土壤含水量变化规律基本一致，均呈现出NT>ST>MT的趋势(图2-b)。在0～10 cm土层，NT和ST处理下土壤含水量分别较MT处理增加9.9%和4.1%，NT和MT处理间差异显著(P<0.05)。在10～20 cm土层，NT和ST处理分别较MT处理土壤含水量增加5.8%和2.0%。说明，相比MT处理，NT和ST处理均增加了土壤的含水量，使土壤可以维持更多的水分，而MT处理移除作物秸秆使地表裸露，增加土壤水分蒸发，较大的耕作扰动挤压造成土壤水分的损失，使土壤中保持的水分含量降低。

土壤容重是反应土壤质量的重要指标之一。在0～10和 10～20 cm土层，土壤容重均呈现出ST< NT

图2 不同耕作处理对土壤容重和持水特性的影响

2.4 不同耕作处理对新增耕地土壤有机质含量的影响

不同的耕作实践对土壤有机质含量(SOM)有显著影响(图3)。在0～10 cm土层，NT和ST处理的有机质含量显著高于MT处理(P<0.05)，分别比MT处理增加36.4% 和 22.9%；在10～20 cm土层, NT处理的有机质含量显著高于ST 和MT处理，ST 和MT处理间差异不显著。随着土层的加深，NT和ST处理有机质含量逐渐减小。而MT处理下10～20 cm土层有机质含量高于0～10 cm土层，可能是因为传统MT处理的剧烈翻耕改变了土层的空间分布并加速了有机碳的矿化，造成表层土壤有机质含量小于10～20 cm土层。总之，传统的连续翻耕实践对土壤的扰动破坏较大，加之作物秸秆移除使地表长期裸露，影响根系及微生物活性，导致表层土壤结构稳定性下降，造成有机碳养分的分解与流失，而秸秆粉碎覆盖的免耕和深松处理的保护性耕作实践由于对土壤较少的挤压扰动，减少了土壤养分的矿化降解，加之外源有机物料作物秸秆的腐解，有助于提高土壤有机质的含量和改善土壤质量。

高龄是脑卒中不良转归因素。第3次国际卒中试验[4](the third international stroke trial, IST-3)结果显示，年龄≥80岁脑卒中患者的主要转归指标(发病后6个月内存活和生活自理)改善[比值比(odds ratio, OR)=1.35，95% CI 0.97～1.88]，为高龄患者静脉溶栓提供了依据。重组组织型纤溶酶原激活剂静脉溶栓是早期血管再通的主要治疗方法[10-11]。

图3 不同耕作处理对土壤有机质含量变化的影响

2.5 土壤有机质、R0.25与平均重量直径(MWD)间的相关性分析

从图4可知, 土壤有机质含量与新增耕地土壤大团聚体含量(R0.25)呈显著正相关(R2=0.6279，P<0.05)；土壤大团聚体含量(R0.25)与平均重量直径(MWD)呈极显著正相关(R2=0.8351，P<0.01)。

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图4 土壤有机质含量和团聚体结构稳定性指标间的相关性分析

3 讨 论

3.1 不同耕作实践对新增耕地土壤容重和含水量的影响

以免耕、深松、秸秆覆盖等保护性耕作的方式对耕地进行保育，能有效改善土壤结构，减小土壤容重，增加土壤含水量[26-27]。本研究中，与 MT处理 相比，ST和NT处理均降低了土壤容重，不同耕作实践下土壤容重呈现出ST

轮耕处理对不同粒级团聚体数量和大小分布状况产生了明显影响(图1)。与传统MT相比，NT处理显著增加了>2.00 mm,1.00～2.00 mm,0.50～1.00 mm和0.25～0.50 mm粒级团聚体数量，降低了水稳性微团聚体(<0.25 mm)含量(图1-a，P<0.05)。ST处理显著增加了>2.00 mm和0.25～0.50mm粒级团聚体的含量(P<0.05)，降低了<0.25 mm粒级水稳性团聚体数量，对1.00～2.00和0.50～1.00 mm粒级团聚体的影响不显著(P>0.05)。对于水稳性大团聚(>0.25 mm)分布而言，NT和ST处理分别比MT处理增加48.8%和28.0%，NT处理对不同粒级水稳性团聚体的分布影响最显著。相比MT处理，NT和ST处理显著增加了>5.00 mm粒级团聚体的含量，降低了<0.25 mm粒级团聚体的数量，NT和ST处理下大团聚(>0.25 mm)含量分别比MT处理增加6.3%和12.8%。干筛法和湿筛法的测定结果表明，不同耕作处理改变了新增耕地土壤团聚体的数量与分布情况，NT和ST处理均促进了大团聚体的胶结团聚，增加了土壤大团聚体的数量，但由于不同轮耕处理对土壤的扰动程度不同，因此对不同粒径土壤团聚体含量影响程度不同，NT处理最利于促进新增耕地团聚体的形成与稳定。

3.2 不同耕作实践对新增耕地土壤有机质和团聚体特性的影响

前期研究发现，免耕、深松等保护性耕作实践对土壤的扰动破坏程度小，可降低有机碳的矿化消耗，而作物秸秆粉碎覆盖于土壤表层，通过腐解增加了外源有机质的输入，使得养分富集在土壤表层[28,34]。本研究中，NT和ST处理均增加了新增耕地土壤有机质含量，免耕和深松组合的NT实践增加0～20 cm土层有机质含量最为明显，这与侯贤清等[29]的研究结果一致，免耕和深松组合实践最能有效增加表层土壤的有机质含量。综上，频繁耕作的MT处理对土壤的结构扰动频繁，并且去除作物残茬使土壤裸露，加速了养分分解损失，减小了外源碳的输入，导致土壤表层有机质含量降低，NT和ST处理的保护性耕作实践在减少耕作扰动和农机具挤压的同时，减缓了有机质的矿化分解，增加了外源有机碳的输入，最终增加了土壤有机质含量，其中NT处理对新增耕地土壤有机质含量的增加最显著。

土壤有机质、粘粒和氧化物是土壤团聚体的主要胶结物质，土壤团聚体含量和稳定性主要受土壤颗粒胶结粘聚物质的共同影响，因此，不同的耕作实践在影响土壤有机质和粘粒含量的同时，对土壤团聚体的大小分布和稳定性具有重要影响[35-36]。本研究中，湿筛法和干筛法的结果表明，与MT处理相比，NT和ST处理均增加了>0.25 mm土壤团聚体的含量，提高了土壤团聚体的WMD、GMD值，降低了D值，改善了土壤颗粒团聚性和结构稳定性，其中ST处理对土壤团聚体数量和稳定性的改善效果最好。主要原因是NT和ST处理的保护性耕作实践不仅减少了对土壤团聚体的挤压破坏，而且由于作物秸秆的残留分解，增加了土壤有机质含量和含水量，促进了土壤生物的数量与活性，最终促进了团聚体的胶结团聚与稳定。这与Huang等[15,37]的研究结果相似，免耕和深松组合实践NT 有利于形成>0.25 mm粒级土壤团聚体含量和团聚体 MMD值，频繁翻耕容易加速有机质的矿化分解，挤压破坏土壤团聚，加速大团聚体的破裂转化，造成耕层稳定的大团聚体比例减小。由于耕作强度高土壤扰动大，MT处理对团聚体的挤压破碎增强，加之地表裸露没有秸秆还田，不利于团聚体的胶结团聚，这与Huang等[15]的研究结果一致。此外，秸秆粉碎覆盖的免耕和深松实践为微团聚体向大团聚团聚胶结创造了有利条件，影响新增耕地小团聚体与大团聚体之间的转化和再分布，相关性分析也表明，土壤有机质含量与土壤水稳性大团聚体含量、团聚体MWD值呈显著正相关关系，因此，免耕和深松组合的轮耕实践在提高有机质含量的同时，促进了小团聚体向大团聚体的团聚胶结，有利于新增耕地团聚体的形成和结构稳定。

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秸秆覆盖的免耕和深松的保护性耕作实践由于减少了对土壤结构的扰动挤压，降低了对土壤动物和微生物的影响，并且通过回收农作物秸秆增加了外源有机质的输入，而且相比去除作物秸秆使土壤表面暴露的常规翻耕耕作，减小了对养分的降解消耗，有助于提高土壤有机碳的含量和改善土壤结构。由于有机质是土壤颗粒团聚胶结的重要物质，随着土壤有机质含量增大，进一步促进了新增耕地土壤颗粒的胶结团聚，促使水稳性微团聚体不断向水稳性大团聚的趋势，进而增加了水稳性大团聚体的含量。研究表明，水稳性大团聚体是土壤中最优质的土壤结构体，其含量越高，土壤的结构稳定性和抗蚀性越好[38-39]。随着新增耕地土壤有机质含量和水稳性大团聚体含量(R0.25)的提高，土壤团聚体的MWD也在逐步增加，表明土壤团聚体的水稳性和团聚性都在一定程度上增加，这与田慎重等[39]的研究结果相似。田慎重等研究表明，在免耕实践的处理下，秸秆还田能明显增加华北地区土壤水稳性团聚体的数量和结构稳定性，并且有机质含量的提高与水稳定大团聚体的数量及其稳定性呈正相关关系。

4 结 论

相比传统连续翻耕处理，保护性耕作方式下的免耕—深松—免耕(NT)和深松—翻耕—深松(ST)处理均增加了新增耕地土壤的持水能力和团聚体结构稳定性。免耕—深松—免耕处理下的土壤含水量最大为20.4%，GMD、MWD、R0.25和D值最佳，水稳性大团聚体(R0.25)显著增加，增强了团聚体结构的稳定性，有机质含量显著增加，有机质含量最大值为6.48 g/kg，表明免耕—深松—免耕处理对于土壤良好团聚体的形成和养分含量增加具有积极的促进作用。此外，深松—翻耕—深松处理在有效增加新增耕地土壤有机质含量、水稳性大团聚体数量方面也具有一定的效果。综上，相比于连续翻耕方式，保护性耕作方式下的免耕—深松—免耕和深松—翻耕—深松处理在新增耕地土壤持水特性、结构稳定性及有机质方面均产生了一定的改善作用，其中免耕—深松—免耕处理为新增耕地土壤质量改善的最佳轮耕处理，这有利于新增耕地土壤质量提升和健康可持续发展。