耕作模式与氮肥运筹对土壤主要理化性状及作物产量的影响

张玉娥，杨习文，王 勇，周宏美，杜聪阳，贺德先

(1.河南农业大学农学院,省部共建小麦玉米作物学国家重点实验室,河南粮食作物协同创新中心， 河南 郑州 450002;2.河南省驻马店市农业科学院, 河南 驻马店 463000; 3.河南省夏邑县农技中心, 河南 夏邑 476400)

潮土和砂姜黑土是河南省重要的土壤类型[1]，而豫东商丘和豫南驻马店两地区的土壤类型属于比较典型的潮土和砂姜黑土，同时两地区也是河南省重要的劳动力输出地区。随着农村城镇化步伐加快和农村劳动力大量涌入城市，农村劳动力结构发生很大的变化，同时农村机械化程度也快速增长，旋耕方式整地因其操作简单省时、省工而备受人们青睐。然而连年旋耕会导致耕层变浅犁底层加厚，对作物生长发育及产量会造成不良影响[2-3]。前人研究表明，相对于旋耕处理，深耕显著增加了小麦叶面积指数、千粒重、穗粒数、收获指数以及产量[4]。但也有研究指出，旋耕处理的土壤蓄水保墒能力高于翻耕，有利于提高小麦生育后期的土壤供水能力[5-7]。然而也有关于旋耕处理的水分利用效率低于翻耕[8]的研究报道。在土壤孔隙度和容重研究方面，孙利军等[9]研究则指出，少耕免耕通过减少大、中孔隙数量，增加小孔隙数量改善土壤的空隙状况，从而维持毛管孔隙度的相对稳定。雷金银等[10]研究发现，20～40 cm土层免耕容重比翻耕增加1.8%，而40～60 cm土壤容重基本不受耕作方式的影响。大量研究表明深耕能改变土壤的物理性质从而改善农作物的生长环境，为作物的增产打下基础[11-13]。作物的高产和超高产与土壤养分状况存在着密不可分的联系[14]，而土壤养分的高低则关键在施肥上，当前普遍存在农民施肥不合理的现象，具体表现在施肥量和施肥方式上，这不仅造成了肥料利用率降低，农民投入成本增加，而且还会对土壤及大气环境的质量造成威胁。例如，长期单施化肥或偏施无机肥会导致土壤孔隙度降低、容重增加，破坏土壤结构的稳定性[15-17]。氮肥对于促进作物的生长发育以及产量的提高和品质的提升具有至关重要的作用[18]。大量研究表明增施氮肥后各土层土壤硝态氮含量显著增加[19]。多数研究认为，在一定范围内小麦产量及氮肥利用效率均随着施氮量的增加而增加，而超过这一范围则呈现降低的趋势，只是在试验条件以及土壤肥力条件不同时这一临界值略有不同。在现阶段研究中，关于氮肥施用量对作物产量影响的研究较多，综合当前研究进展，当施氮量达到150 kg·hm-2左右时小麦产量普遍在6 000 kg·hm-2以下[20]，中等产量水平的小麦田氮肥用量多在200 kg·hm-2左右[21]，而当氮肥用量达到280 kg·hm-2左右时更有利于小麦田达到高产甚至超高产的水平[22]。

目前，关于不同耕作措施对土壤物理性状影响的报道较多，但大部分研究围绕以少免耕为主的保护性耕作措施[23-25]，而当前广大农民普遍接受和采用的依然为旋耕模式。而且关于不同耕作方式以及氮肥处理对小麦玉米两季作物整个生育期不同土层土壤的物理性质周年动态变化影响的系统研究较少，本试验在豫东潮土和驻马店砂姜黑土地区同时进行，以当前黄淮平原农民普遍采用的耕作制度、氮肥用量及追肥方式为对照，通过研究不同栽培措施对不同土壤类型不同土层土壤物理性状季节变化的影响，以期在小麦玉米一年两熟制条件下为土壤肥力的持续提升提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验点概况

试验分别在河南省商丘市夏邑县李集镇程集村和驻马店市驿城区水屯镇王庄村进行。商丘试验点位于东经116°08′58″、北纬34°20′08″，处在黄河故道决口平原区，是典型的平原冲积区，地势平坦，土质肥沃，土壤质地为潮土，多年平均降水量726 mm。驻马店试验点位于东经113°48′23″、北纬32°58′46″，地处亚热带与暖温带的过渡地带，土壤质地为砂姜黑土。两个试验点土壤的主要物理性状和基础肥力状况见表1。

1.2 试验设计

试验采用裂-裂区设计。主因子为耕作模式(A)，深耕即经深翻之后加旋耕一遍，深翻深度约为30 cm；旋耕即旋耕机旋耕一遍，深度约为15 cm；玉米季免耕即小麦收获后直接播种玉米。副因子为施纯氮总量(B)。副副因子为氮肥施用方式(C)，其中商丘潮土区小麦季底肥与拔节期比例为7∶3,6∶4和5∶5，驻马店砂姜黑土区设为全底施、底肥与越冬肥比例8∶2以及底肥与拔节肥比例8∶2三种方式，玉米季底肥与大口期追肥比例为7.5∶2.5，4∶6以及底肥∶大喇叭口期∶灌浆期为5∶2.5∶2.5。共计18个处理，四次重复，小区面积为64 m2。具体方式见表2。

表1 两个试验点土壤主要物理性状和基础肥力情况 Table 1 Main soil physical properties and soil fertility in the two experimental sites

表2 不同土壤类型的处理方式 Table 2 The different treatments of two soil types

试验于2013年进行，供试小麦品种为矮抗58，前茬均为玉米，玉米秸秆还田后均匀散于试验田内，商丘潮土区于2013年10月18日播种，驻马店砂姜黑土区于2013年10月12日播种。播种量为180 kg·hm-2，磷肥用量(P2O5)为150 kg·hm-2，钾肥用量(K2O)为150 kg·hm-2，基肥与磷钾肥均在整地前施入，追肥在相应时期用手扶式化肥播种机施入。小麦收获后玉米免耕直播，小麦秸秆还田后均匀散于试验田内，供试玉米品种为郑单958，商丘潮土区于2014年6月9日播种，驻马店砂姜黑土区于2014年6月5日播种，种植密度为4万株·hm-2，磷肥用量(P2O5)为120 kg·hm-2，钾肥用量(K2O)为120 kg·hm-2，磷钾肥随着播种机一起施入，基肥与追肥用手扶式化肥播种机施入。两地小麦季均灌拔节水，玉米季降雨量适中所以未灌水。

1.3 测定项目及方法

分别于小麦季的分蘖期、越冬期、拔节期、开花期、成熟期以及玉米季的拔节期和成熟期采集土壤样品，土壤剖面环刀法测定土壤物理性质，土钻法“S”型采集每个小区0～20 cm和20～40 cm土层样品，风干过筛备用。

1.3.1 土壤物理性质 环刀法测定土壤容重=环刀内湿土重×100/[环刀容积×(100+样品含水量)]；土壤总孔隙度(%)=100×(1-容重/比重)；土壤田间持水量采用威尔科克斯法(环刀法)测定。

1.3.2 土壤氮素含量 全氮采用凯氏定氮法测定；碱解氮采用碱解扩散法测定。

1.3.3 收获与计产 小麦、玉米收获时每个小区64 m2均采取实收测产。

1.4 数据处理与分析

采用DPS数据处理软件及Excel对数据进行处理和分析。

2 结果与分析

2.1 耕作模式及氮肥运筹对不同类型土壤主要物理性质的影响

由表3可知，耕作方式对潮土0～20 cm土层土壤容重和孔隙度以及砂姜黑土0～20 cm土层容重、孔隙度和田间持水量影响均未达到显著水平，对潮土0～20 cm土层田间持水量，以及20～40 cm土层两种土壤下容重、孔隙度和田间持水量影响均达到显著或者极显著水平。氮肥施用总量以及氮肥施用方式以及互作效应对土壤物理性质影响不显著。具体而言，两类土壤容重随着土层加深呈现增加趋势。0～20 cm土层，潮土与砂姜黑土土壤容重在旋耕与深耕处理间无明显差异；20～40 cm土层中，相对于旋耕，深耕显著降低了潮土与砂姜黑土的土壤容重，分别降低了2.56%和1.94%。两种类型土壤孔隙度及田间持水量随着土壤土层的加深呈现降低趋势。深耕处理下两类土壤的土壤孔隙度及田间持水量均大于旋耕处理，且在20～40 cm土层中，相对于旋耕，深耕处理下潮土土壤孔隙度以及田间持水量分别提高了3.29%和7.41%，砂姜黑土分别提高了2.10%和5.97%。

表3 耕作模式及氮肥运筹对不同类型土壤物理性质的影响 Table 3 Effects of different treatments on soil physical properties of two soil types

2.2 耕作模式及氮肥运筹对不同类型土壤氮素含量的影响

由表4可知，不同处理以及各因素间的交互作用对两种土壤全氮和碱解氮含量影响达到显著或极显著水平。不同耕作模式对两种土质土壤不同土层全氮以及碱解氮含量影响呈现出一致规律。其中0～20 cm土层全氮含量和碱解氮含量表现为深耕<旋耕，旋耕处理下潮土土壤的全氮以及碱解氮分别比深耕处理高出5.61%和3.18%，砂浆黑土分别高6.86%和6.48%；20～40 cm土层全氮含量和碱解氮含量则表现为深耕>旋耕，深耕处理下潮土全氮及碱解氮含量分别比旋耕处理高7.59%和1.77%，砂浆黑土分别高12.66%和17.75%。可见，相对旋耕处理，深耕处理能降低土壤表层氮素含量，增大20～40 cm土层氮素含量。但无论深耕与旋耕，两种类型土壤全氮以及碱解氮含量影响均随施氮量增加而增加。说明增施氮肥可增加土壤全氮含量以及碱解氮含量。

表4 不同处理对不同类型土壤氮素含量的影响 Table 4 Effects of different treatments on total nitrogen content and alkali-hydrolyzable N content of two soil types

综合图1～图4可知，土壤全氮以及碱解氮含量在追肥施入之前各个时期整体表现为C1>C2>C3，即底肥施入之前随着底施氮量的增加而升高，而在追肥施入后的小麦季扬花期和成熟期以及玉米季成熟期整体表现为C3>C2>C1，即追肥施入之后随着追施氮量的增加而升高。其中，C1、C2和C3处理下潮土区0～20 cm土层土壤全氮含量周年变化范围分别为1.01～1.26、1.03～1.23 g·kg-1和1.05～1.23 g·kg-1，20～40 cm土层分别为0.71～0.99、0.75～0.88 g·kg-1和0.73～0.90 g·kg-1。C1、C2和C3处理下砂姜黑土区0～20 cm土层土壤全氮含量周年变化范围分别为0.89～1.16、0.96～1.20 g·kg-1和0.98～1.11 g·kg-1；20～40 cm土层分别为0.71～0.99、0.75～0.97 g·kg-1和0.73～0.95 g·kg-1。C1、C2和C3处理下潮土区0～20 cm土层土壤碱解氮含量周年变化范围分别为90.6～114.7、89.3～114.5 mg·kg-1和91.9～102.5 mg·kg-1；20～40 cm土层分别为55.1～82.2、60.3～80.3 mg·kg-1和58.2～78.2 mg·kg-1。C1、C2和C3处理下砂姜黑土区0～20 cm土层土壤碱解氮含量周年变化范围分别为95.6～124.3、96.3～119.5 mg·kg-1和88.1～112.2 mg·kg-1；20～40 cm土层分别为58.2～83.3、54.5～79.0 mg·kg-1和54.1～80.7 mg·kg-1。

注：W-T:小麦分蘖期；W-W:小麦越冬期；W-J:小麦拔节期；W-F:小麦扬花期；W-M:小麦成熟期；M-J:玉米拔节期；M-M:玉米成熟期。下同。

Note: W-T: wheat-tilling； W-W: wheat-winter； W-J: wheat-jointing； W-F: wheat-flouring； W-M: wheat-mature； M-J: maize-jointing； M-M: maize-mature. The same below.

图1 不同追肥方式对潮土土壤全氮含量周年变化的影响

Fig.1 Effects of different treatments on total nitrogen content of fluvo-aquic soil

2.3 不同耕作方式及氮肥运筹对两种类型土壤周年作物产量的影响

表5表明，相对于旋耕处理，深耕明显增加了两种土壤的周年作物产量，其中潮土区增加了4.30%，砂姜黑土区增加了2.63%。不同施氮量对潮土周年产量影响达到显著水平，表现为随着氮肥施用总量的增加而增加，即B1>B2>B3，其中，B1处理分别比B2和B3增产3.57%和6.72%。砂姜黑土区则表现为B2>B1>B3，B1和B2处理显著高于B3处理，且B1比B3高12.35%，B2比B3高13.12%。氮肥追施方式对潮土区周年作物产量影响达到显著水平，以C2和C3表现出较高的产量，其中C2处理下比C1高1.60%；C3处理比C1高3.79%。氮肥追施方式对砂姜黑土地区周年作物产量影响不显著，但以C1处理下产量最高。三因素之间两两交互作用或者三者交互作用效果未达到显著水平。故三因素各自最佳处理的组合即为最优处理组合，即对于潮土区最优组合为A1B1C3，而砂姜黑土区为A1B2C1。

图2 不同追肥方式对砂姜黑土土壤 全氮含量周年变化的影响 Fig.2 Effects of different treatments on total nitrogen content of lime concretion black soil

图3 不同追肥方式对潮土土壤碱解氮含量周年变化的影响 Fig.3 Effects of different treatments on alkali-hydrolyzable N content of fluvo-aquic soil

图4 不同追肥方式对砂姜黑土土壤碱解氮 含量周年变化的影响 Fig.4 Effects of different treatments on alkali-hydrolyzable N content of lime concretion black soil表5 不同处理对冬小麦/夏玉米产量的影响/(kg·hm-2) Table 5 Effects of different treatments on annual crop yield of two soil types

3 讨论

土壤耕作措施是影响土壤理化性状的主要因素之一，其通过改变土壤的理化性状调节土壤的水、肥、气、热等因子，为作物的根系生长创造适宜的环境条件，从而达到提高作物产量的目的。前人研究报道，耕作措施对0～20 cm土壤容重影响较大，深层影响较小[26]。本研究结果与前人不同，本试验中，在0～20 cm土层，土壤容重在旋耕和深耕处理间不明显，这可能是深耕处理中，在深耕之后又旋耕一遍，导致上层两处理间差异不显著。在20～40 cm土层，土壤容重、土壤孔隙度和田间持水量在深耕和旋耕处理间差异显著，相对于旋耕，深耕能降低作物周年各生育时期的土壤容重、增大土壤孔隙度和增加田间持水量等。但随着生育期的加快，不同处理的容重均呈现缓慢升高的趋势，而孔隙度、田间持水量呈降低的趋势，这与前人研究也有相似之处[27]。与长期施用有机肥相比，长期施用化肥会导致土壤结构变差，降低土壤蓄水能力以及通气透水能力[28]。亦有研究结果提出长期施用化肥并未对土壤物理性质造成显著影响[29]。本研究表明氮肥施用量及追肥方式对两种土壤容重、孔隙度及田间持水量等物理性质影响不明显。

本试验中，较旋耕处理而言，深耕处理降低了0～20 cm土层全氮和碱解氮含量，增加了20～40 cm土层全氮以及碱解氮含量，打破了养分在土壤表层富集的现象。增加氮肥施用总量能提高两种类型土壤氮素含量，且追肥时期的后移和后期追肥量的增加都有利于作物生长发育后期的土壤全氮以及碱解氮含量的增加。这也与聂良鹏等[30]得出深耕能增加土壤全氮含量，且增加施氮量能显著增加土壤氮素含量[20-21]的结论一致。

耕作方式的不同会导致土壤物理性质状况的改变，从而会造成小麦群体和产量结构的明显差异[31]。大量研究表明相对于旋耕而言，深耕能显著增加冬小麦和夏玉米的产量[5,8]，拔节期追施氮肥有利于作物生育后期的营养生长和生殖生长，继而达到增产之目的[32-33]。本研究结果表明小麦季深耕玉米季免耕直播能显著提高潮土和砂姜黑土周年产量。对于潮土区，作物产量随着施氮量的增加而增加，而小麦季重施拔节肥、玉米季增施穗肥则能显著提高作物周年产量，这与前人[32-33]研究结果有相似之处；而对于砂姜黑土区，作物产量随着施氮量的增加先升高后降低，以B2(小麦季240 kg·hm-2，玉米季180 kg·hm-2)产量最高，之所以追肥方式之间差异不明显，可能是由于砂姜黑土年降水量较为充沛对养分的吸附作用较强，而商丘潮土区降水较少对氮肥的响应较为明显所致。

4 结 论

深耕能降低土壤容重、增大土壤孔隙度以及田间持水量，起到打破犁底层疏松土壤的作用，增加土壤的通透性，提高土壤贮水能力，并且降低土壤表层养分富集使养分向下层土壤转移，从而为作物根系下扎提供条件，更好地促进作物生长发育并提高产量。增施氮肥、追肥时期的后移和后期追肥比例的增加均有利于培肥地力提高作物产量。对于砂姜黑土区而言，周年施氮量到达540 kg·hm-2时反而使作物产量下降。在潮土区和砂姜黑土区采用小麦季深耕玉米季免耕直播的模式既有利于作物周年产量的提高和土壤主要理化状况的改善，同时由于旋耕模式省工节本，又不会耽误农时，建议采用小麦季隔年深耕玉米季直播的耕作模式进行农事生产。本条件下，在潮土区采用B1C3(小麦季300 kg·hm-2纯氮，按照底肥与拔节期追肥之比为1∶1施入，玉米季240 kg·hm-2纯氮，按底肥与拔节期追肥大喇叭口期追肥之比为2∶1∶1施入)施肥模式；砂浆黑土地区采用B2C1(小麦季240 kg·hm-2全底施，玉米季180 kg·hm-2纯氮，底肥与拔节期追肥之比3∶1施入)施肥模式为宜。

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