不同耕作方式对土壤理化性状及玉米产量的影响

李永平 ，王孟本，史向远，周 静，张晓晨

（1.山西大学黄土高原研究所，山西太原030006；2.山西省农业科学院现代农业研究中心，山西太原030031）

土壤是作物生长的基础，对土壤进行耕作可改善耕层的土壤结构，调节土壤中固体、液体、气体的三相比例，协调好土壤中水、肥、气、热的关系，为作物生长发育创造良好的环境条件[1]。北方旱作农区连续多年单一的耕作方式，使土壤存在耕层变浅、容重增大、持水保肥能力减弱、抗逆缓冲能力变差等问题[2-7]。合理的土地利用和管理能够改善土壤的物理、化学和生物学性状，增强土壤对外界环境变化的抵抗力，否则会导致土壤质量下降，减弱土壤抗性，降低生物多样性、土地生产力和生物地球化学循环等[8]。土壤耕作是农业生产中的一项重要措施，以不同的外部机械力形式作用于土壤并从本质上改变土壤的物理化学性状，调节土壤的水、肥、气、热等因子，达到提高作物产量的目的[9]。以往对不同耕作方式的研究，大多是从保护性耕作角度出发考虑问题，研究侧重于降低水土流失、减少耕作次数、降低成本等方面。

本研究通过2 a大田试验，对常规耕作、免耕、深翻、深松4种不同耕作方式下土壤含水量、容重和氮、磷、钾、有机质含量以及玉米产量进行分析，旨在探索适合北方旱作农区的耕作方式，对提高玉米产量和建立合理的耕作制度具有重要意义。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

试验地设在山西省忻州市忻府区新路村。该地区属温带大陆性季风气候，年平均降雨量428.7 mm，年平均气温8.5℃，年平均日照时数为2 807.5 h，≥10℃的积温为3 400～3 600℃，无霜期为149 d左右。土壤为褐土性土，沙质壤土，有机质含量7.33 g/kg，全氮含量0.07 g/kg，碱解氮含量27.5 mg/kg，速效磷含量6.94 mg/kg，速效钾含量95.77 mg/kg，肥力水平中等。该区为春玉米连作区，没有灌溉条件。

1.2 试验设计

试验设4个处理：常规耕作（CK）、免耕、深翻、深松（表1）。各处理按随机区组排列，重复3次，每小区长30 m，宽15 m。玉米品种为当地主推品种先玉335，5月初人工点播，播种时行距0.6 m，株距0.32 m。

表1 试验处理描述

1.3 测定项目与方法

1.3.1 土壤含水量 用土钻取土，采用烘干法进行测定。取土深度为200 cm，0～100 cm为每隔10 cm取土一次，100～200 cm为每隔20 cm取土一次，然后采用烘干法及时测定土壤的含水量。

1.3.2 土壤容重 采用环刀法测定。取土深度为30 cm，每10 cm取土一次，取其平均值代表0～30 cm的土壤容重。

1.3.3 土壤养分含量 全氮含量的测定采用半微量开氏法，碱解氮的测定采用碱解-扩散法，有效磷测定采用0.5 mol/L NaHCO3浸提-钼锑抗比色法，速效钾测定采用1 mol/LNH4Ac浸提-火焰光度法，有机质测定采用重铬酸钾容量法。取土深度同样为30 cm，每10 cm土样测定一次，取其平均值。

1.3.4 玉米植株干物质量 在玉米不同生育时期每小区取2株有代表性的植株进行烘干称质量，取其平均值。

1.3.5 玉米籽粒产量 采用取样测产和实收测产相结合的方法。

1.4 数据统计

试验采用2 a（2010，2011年）的平均数据进行统计。试验数据采用SAS8.01软件[10]进行方差分析。

2 结果与分析

2.1 不同耕作方式对土壤含水量的影响

从图1可以看出，玉米不同生育期土壤含水量的总体变化趋势存在极显著差异（P＝6.04，F＜0.000 1），成熟期0～200 cm土层土壤平均含水量最大，其中，深翻处理为13.29%，深松处理为12.33%，常规耕作处理为11.32%，免耕处理为10.57%。各个处理不同生育时期土壤含水量总的变化趋势为：拔节期、大喇叭口期和成熟期不同耕作方式的土壤含水量均随着土壤深度的增大呈“V”字型变化趋势，灌浆期不同耕作方式的土壤含水量随着土壤深度的增大呈增加趋势。

随着生育期的推进，气温逐渐升高，蒸发量加大，土壤水分散失速率加快，导致土壤含水量普遍降低。但是深翻处理能够改变土壤结构，促使土壤微生物活动频繁，增强土壤有机质含量，达到以肥调水之功用，且具有较强接纳和保蓄水分的能力，所以，具有较高的土壤含水量；深松处理为间隔扰动土壤，同样具有较强接纳和保蓄水分的能力，也具有较高的土壤含水量；免耕处理为硬茬播种，未进行秸秆覆盖，加上土壤紧实、水分入渗慢，导致雨水散失较多，致使土壤含水量较低。总之，各个处理土壤含水量由高到低的顺序为：深翻＞深松＞常规耕作＞免耕。

2.2 不同耕作方式对不同土层土壤容重的影响

从表2可以看出，不同耕作方式下土壤容重总体上存在显著差异，深翻处理的土壤容重平均为1.31 g/cm3，深松处理的土壤容重平均为1.43 g/cm3，分别较常规耕作（1.46 g/cm3）降低了10.27%和2.10%；免耕处理的容重最大，为1.52 g/cm3，较常规耕作增加4.1%。从不同土层深度看，不同处理方式的土壤容重也存在显著差异，0～10，10～20 cm土层深翻和深松处理的土壤容重较低，常规耕作和免耕处理的土壤容重较高，20～30 cm土层各处理方式的土壤容重之间没有差异。说明深翻和深松方式能改变土壤结构，降低土壤容重，而且对0～20 cm土层效果显著。

表2 不同耕作方式下土壤容重的变化 g/cm3

2.3 不同耕作方式对土壤N，P，K和有机质含量的影响

由表3可知，耕作处理前与收获后相比，不同耕作方式对土壤N，P，K和有机质含量的影响较大。与耕作处理前相比，收获后深翻、深松和常规耕作处理的碱解氮含量表现为增加，其增加幅度由高到低依次为：深翻＞深松＞常规耕作，免耕处理表现为降低；收获后各种耕作方式的全氮含量与耕作处理前相比没有差异；不同耕作方式的有效磷含量均表现为增加，其增加幅度由高到低的顺序为：深松＞深翻＞免耕＞常规耕作；不同耕作方式速效钾含量均表现为增加，增加幅度由高到低的顺序为：深翻＞深松＞免耕＞常规耕作；不同耕作方式的有机质含量表现为增加的趋势，其增加幅度由高到低的顺序为：深翻＞深松＞免耕＞常规耕作。

表3 不同耕作方式下土壤N，P，K和有机质含量的变化

2.4 不同耕作方式对玉米植株干物质积累量的影响

由表4可知，不同耕作处理的玉米植株干物质量总体上存在显著差异（F＝6.18，P＝0.029＜0.05）。灌浆期（8月7日）玉米植株的干物质量以深翻处理最大，为231.7 g；深松次之，为225.0 g；常规耕作位居第3，为203.2 g；免耕最差，仅为160.8 g。从干物质日均积累量来看，深翻处理最大，为4.65 g/d；深松为4.59 g/d，常规耕作为4.19 g/d，免耕为3.30 g/d。玉米植株干物质日均积累量由大到小的顺序为：深翻＞深松＞常规耕作＞免耕。

表4 不同耕作方式下玉米不同生长时期的干物质量 g

2.5 不同耕作方式对玉米产量的影响

从图2可以看出，不同处理之间产量存在显著差异（F＝8.12，P＝0.008＜0.05），不同耕作方式下玉米产量由高到低的顺序为：深翻＞深松＞常规耕作＞免耕。深翻处理的产量最高，达到7 360.0 kg/hm2；深松次之，为 6 342.9 kg/hm2；常规耕作位居第3，为6 114.0 kg/hm2；免耕最低，为5 190.0 kg/hm2。

3 结论

不同耕作方式对旱地玉米土壤含水量、容重、氮、磷、钾、有机质含量以及植株干物质积累量、产量均有影响。（1）土壤物理性状方面。由于不同耕作处理对土壤结构进行了不同程度的改变，导致了土壤容重和接纳、蓄积雨水的能力存在较大差异。深翻、深松和常规耕作处理均对土壤进行了扰动，土壤容重较低，深翻处理0～30 cm土壤容重为1.31 g/cm3，深松处理的土壤容重为 1.43 g/cm3，分别较常规耕作（1.46 g/cm3）降低了10.27%和2.10%；免耕未对土壤进行任何操作，土壤容重较大，为1.52 g/cm3，较常规耕作增加4.1%。不同耕作方式的土壤含水量在玉米生长的不同时期表现均不相同，就各个耕作处理之间相比，拔节期、大喇叭口期、灌浆期和成熟期的各个处理土壤含水量由高到低的顺序均为：深翻＞深松＞常规耕作＞免耕。（2）土壤化学性状方面。与常规耕作相比，深翻、深松和免耕处理的土壤N，P，K和有机质含量均存在差异。速效钾和有机质含量不同处理均表现为增加，其中，深翻处理增加幅度最大，深松次之，免耕最小。有效磷含量深松处理增加幅度最大，深翻次之，免耕最小。不同耕作处理的全氮含量之间没有差异，碱解氮含量为深翻和深松处理较常规耕作处理增加，而免耕处理降低。（3）玉米产量方面。不同耕作方式对旱地玉米产量影响较大，深翻和深松处理与常规耕作处理相比，深翻处理的玉米产量可达7 360.0 kg/hm2，深松处理为6 342.9 kg/hm2，分别较常规耕作处理提高20.38%和3.74%，具有增产效应。而免耕处理与常规耕作处理相比，玉米产量减少924.0 kg/hm2，减产15.11%。

4 讨论

土地利用方式可改变土壤状况并影响很多生态过程[11-15]。合理的土地利用方式可改善土壤结构，增强土壤对外界环境变化的抵抗力[8]；不合理的土地利用方式会降低土壤质量[9]。深翻和深松分别通过铧式犁和深松铲疏松土壤，虽然都对土壤产生了扰动，但深翻翻转了土壤，深松不翻转土壤。王育红等[16-18]研究表明，深翻和深松均可打破犁底层，增加耕作层厚度，降低土壤容重，增强土壤对降水的蓄纳能力，提高土壤水分含量，增强土壤微生物活动能力，有利于土壤有机质的分解，提高土壤肥力，达到抗旱增产的效果，这与本试验研究结果基本一致。免耕作为重要的保护性耕作技术，对土壤不进行任何处理，基本不扰动土壤，与常规耕作相比，同样可以改变土壤结构和容重，调节土壤水气分配[19-20]，进而使土壤的水、肥、气、热状况重新组合。关于免耕对作物的增产和减产效应均有较多报道。邱红波等[21]研究认为，免耕栽培玉米较翻耕栽培玉米倒伏率高，有效株数少，从而导致单位面积产量显著低于翻耕栽培玉米。冯延江[22]研究认为，免耕条件下玉米产量比传统耕作有所增加。本研究结果认为，深翻或者深松对改善土壤结构、提高土壤水分和养分含量、增加玉米产量均具有重要作用。

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