耕作方式对黑钙土主要肥力特征及玉米产量的影响

焦 帅,王玮瑜,赵兴敏,王鸿斌,王洪君,陈宝玉,隋 标

(1.吉林农业大学资源与环境学院，吉林省商品粮基地土壤资源可持续利用重点实验室，吉林 长春 130118；2.长春水务集团，吉林 长春 130041；3.吉林省农业科学院农业资源与环境研究所，吉林 长春 130033)

土壤耕作作为农业生产过程中的一项重要技术环节，主要通过调节水、肥、气、热等条件[1]改善土壤环境，以实现粮食增产目的。适宜的土地耕作方式可以改善土壤结构，增强土壤对外界环境变化的抵抗能力[2]。在长期传统单一的耕作过程中，通常会出现土壤紧实度增加、耕层变浅、地表裸露、蓄水保墒能力降低[3]等问题，严重影响着土壤生产效率。因此，大面积推广合理的耕作方式对于改善土壤质量、保持地力，提升生产效率，缓解水土流失并促进水分利用[4]和减轻农业对温室效应的影响[5]等方面至关重要。目前，我国农田耕作方式主要有免耕( 留茬、留茬覆盖)、少耕( 浅耕、旋耕)、传统耕作 ( 翻耕、深松耕) 等[6]。以少免耕为代表的保护性耕作[7]被认为有利于改善土壤有机质、全氮等土壤理化性状[8]。然而，由于少免耕对土壤的扰动少，会引发病虫草害加重、减产[9]和土壤容重明显增大[10]等情况的发生，耕作方式效果的优劣也存在较大争议。

黑钙土是吉林省主要的三种地带性土壤类型之一[11]，具有土壤质地较轻、保水保肥和抗逆性较弱、易发生干旱、潜在肥力低等特征[12]。在本研究区域内，翻耕、旋耕等多种耕作方式都有不同程度的应用，当前对耕作方式的研究大多集中在华北、西北等区域，在松嫩平原相对干旱的区域开展的研究较少，因此耕作方式对黑钙土土壤肥力及产量的影响效果尚不明确。本试验在吉林省西部旱作玉米田开展，通过设置几种比较典型的耕作方式对土壤理化性质和作物产量影响的对比，旨在寻找出适宜当地条件的耕作方式，为吉林省西部区域农田黑钙土结构改善和作物产量提高提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验地位于吉林省西北部的白城市洮北区(45.69°N, 122. 86°E)，地处松嫩平原洮儿河冲击扇上，地势较为平坦，土层深厚，土壤肥力较好。气候类型属温带大陆性季风气候，四季分明。年平均气温5.2℃，年平均降水量400 mm左右，年平均蒸发量超过1 200 mm，因而相对比较干旱。年平均日照时数2 885.8 h，0℃以上持续期210 d；作物平均生长期190 d，无霜期年平均158 d，农业生产以旱作玉米为主。试验区土壤质地为砂壤土，有机质含量为16.97 g·kg-1、全氮为1.52 g·kg-1、碱解氮为65.83 mg·kg-1、速效钾为75.99 mg·kg-1、pH值为7.10 。

1.2 试验设计

在耕作农田中设旋耕(RT)、深松(ST)、免耕(NT)、深翻(DP)和深翻秸秆还田(DPS)5个处理，每个处理3次重复，共15个小区，采用随机区组排列，每个小区500 m2。试验期为2017年5月6日播种至10月2日收获，供试玉米品种为翔玉998，株距20 cm，行距60 cm，种植密度约为7×104株·hm-2，应用免耕播种机同时完成播种施肥操作，灌溉除草等管理过程按照常规高产田的方式进行。

1.3 样品采集与测定

1.3.1 土壤样品 在耕作前、玉米苗期、抽雄期和成熟期，采用蛇形布点法，分别采集0～20、20～40、40～60 cm土层土壤样品，带回实验室自然风干，用原状土测水稳性团聚体；用四分法分取样品研磨，过20目筛测定碱解氮、速效钾，过60目筛测定有机质、全氮。在同一位置取环刀测定容重、田间持水量。主要理化指标的测定采用土壤农化常规分析方法[13]，具体为：土壤容重采用环刀法；田间持水量采用威尔科克斯法；水稳性团聚体采用湿筛法(约得法)；有机质采用重铬酸钾容量法(外加热)；活性有机质采用重铬酸钾容量法(稀释热法)；全氮采用凯氏定氮法；碱解氮采用碱解扩散法；速效钾采用火焰光度法。

1.3.2 玉米产量的测定 玉米收获之前，在每个小区中间位置选择植株长势均匀的区域，在10 m2样方内取样并记录穗数和鲜重，分别取具有代表性的10穗玉米带回实验室进行考种分析，最终结果按籽粒干重计。

1.4 数据处理

用Excel 2010处理数据，并用SPSS 23.0分析处理间的差异显著性。

2 结果与分析

2.1 耕作方式对黑钙土容重、田间持水量和水稳性团聚体的影响

土壤容重是反映土壤紧实程度的重要指标，适宜的土壤容重有利于作物根系的生长和对水分养分的吸收。由表1 可知，RT处理0～20 cm土层容重明显小于20～60 cm容重，0～20 cm和40～60 cm土层容重在玉米生长期内变化很小，20～40 cm土层容重先升高后降低至苗期水平，比较来看，RT处理可以使0～20 cm土层容重保持较低水平；ST处理在耕作后显著减小了20～40 cm土层容重，到抽雄期之后增加至平均水平；NT处理苗期土壤容重随着土层深度的增加而减小，但到成熟期时0～40 cm土层容重明显小于40～60 cm土层；DP和DPS处理各土层的容重整体小于其他处理，其中DP处理20～40 cm土层容重最大，而DPS随深度增加逐渐增大。整体来看，RT处理对0～20 cm土层土壤容重影响较大，ST处理只在短期内对20～40 cm土层土壤有影响，NT处理0～20 cm土层容重明显超过其他处理，DP和DPS处理土壤容重较小，更适宜耕作。与RT处理相比，NT和ST处理土壤容重平均增加4.7%和3.8%，DP和DPS处理分别降低3.4%和2.6%，DP较NT低6.9%。

土壤蓄水保墒能力是影响作物生长和产量的一个关键因素，田间持水量是体现蓄水保墒能力的常用指标。由表1可知，RT处理的田间持水量在苗期、抽雄期随着土层深度增加而呈递减趋势，到成熟期后不同层次之间差别不大。不同玉米生长时期，只有0～20 cm土层呈现先增大后减小的趋势，其他土层的田间持水量在抽雄期阶段均比苗期低，可以看出RT处理对0～20 cm土层田间持水量有较大影响；ST处理苗期和抽雄期均呈现20～40 cm>0～20 cm >40～60 cm的趋势，到成熟期0～20 cm土层显著小于其他土层，可以看出ST处理可以使20～40 cm土层的持水量显著提升；NT处理各时期不同深度土层的变化与RT一致，20～60 cm土层的田间持水量均无显著差异，但与0～20 cm土层差异显著；同一土层一年的比较来看，随时间变化有逐渐增大的趋势，且各层趋势较一致。DP处理在苗期阶段0～60 cm土层无显著差异，抽雄期0～20 cm土层持水量显著升高，而20～60 cm土层变化较小，到成熟期，0～20 cm土层降低到20～60 cm土层的水平，各层无显著差异。DPS处理在苗期阶段0～20 cm土层和40～60 cm土层与DP处理相近，但20～40 cm土层显著较低，因为受到新翻入土壤的秸秆影响，抽雄期后整体上比较均匀。不同耕作方式的比较来看，各处理平均水平的表现为DP>DPS>ST>RT>NT，其中NT比RT降低2.7%，ST与RT差异不显著，而DP和DPS处理分别比RT增加8.6%和7.0%，均达到显著水平(P<0.05)。

团聚体是土壤稳定性的一个重要指标。由表2可知，各处理不同层次的土壤主要为>0.25 mm的团聚体，占比均超过60%。除苗期0～20 cm土层>2 mm团聚体占比最大外，其他土层均以0.25～2 mm团聚体为主，不同耕作处理下土壤各级别团聚体的质量分数发生了明显变化。抽雄期和苗期相比，RT处理0～20 cm土层土壤中>2 mm的团聚体含量减少了30%，其它级别团聚体含量都有上升，而20～40 cm土壤变化较小；ST处理0～60 cm各层土壤中>2 mm团聚体含量变化不大，0.25～2 mm的团聚体含量有一定程度的上升，其它级别有所下降。NT处理变化趋势有所不同，0～20 cm土层以>2 mm团聚体为主，随时间变化呈下降趋势，其它级别呈上升趋势；20～60 cm土层以0.25～2 mm团聚体为主，随着时间的变化<0.053 mm的团聚体在20～40 cm土层上升显著(抽雄期比苗期高1倍)，40～60 cm土层明显下降，而0.053～0.25 mm的团聚体正好相反，呈20～40 cm土层下降而40～60 cm土层上升的趋势。DP处理随着时间的变化>0.25 mm的团聚体含量均有上升，微团聚体减少；DPS处理>2 mm团粒的含量随时间变化整体有提高，尤其是20～60 cm土层提高幅度较大，说明DPS处理有利于20～60 cm土层土壤团粒结构的优化。不同土壤深度相比较，随着深度的增加，>2 mm的大团聚体含量明显降低，而0.25～2 mm团聚体呈上升趋势，说明土壤深度增加团聚体直径减小，土壤质量有一定的变差趋势。土壤大团粒结构(>0.25 mm)含量平均表现为苗期RT处理最高，抽雄期DPS最高、DP次之，整体平均含量以DPS最高；RT处理提升了苗期0～40 cm土层土壤大团粒结构的比例，ST处理改善了抽雄期0～20 cm土层土壤大团粒结构，DP和DPS处理对抽雄期以及40～60 cm土层土壤团粒结构改善效果明显，且团粒结构稳定。

表1 不同耕作方式下土壤容重、田间持水量的变化

注：不同小写字母表示在同一土层深度不同处理间差异显著,不同大写字母表示同一处理不同土层深度差异显著(P<0.05)，下同。

Note: Different lowercase letters indicated that there was significant difference (P<0.05) between different treatments of the same soil layer depth, and different capital letters indicated that there was significant difference (P<0.05) between different soil layers depth of the same treatment. The following is the same.

表2 不同耕作方式下黑钙土不同级别水稳定性团聚体的百分含量/%

2.2 耕作方式对黑钙土有机质、氮素和速效钾的影响

有机质含量与土壤肥力水平密切相关[14]。从表3可以看出，同一处理同一土层深度表现为随时间升高趋势。同一时期不同层土层深度比较来看，随着土层深度的增加有机质含量均呈现显著下降的趋势，说明传统耕作处理下土壤养分有明显的表层富集现象，不利于作物生长和产量提高。由不同处理间的比较可以看出，苗期DPS和DP处理下的0～20 cm土层中有机质含量均较高，而在20～60 cm土层低于其他处理，且二者无显著差异；NT处理各土层相差相对较小；抽雄期NT处理0～20 cm土层增加最快，同时DPS处理20～40 cm土层和DP处理40～60 cm土层也有较大增长；成熟期RT处理各土层趋于稳定，DP处理的0～20 cm和40～60 cm土层最高。综合来看，除抽雄期NT含量较高外，DPS和DP依然是有机质含量整体较高的处理，说明翻耕的过程有利于土壤有机质含量的提高。由表3可知，不同耕作方式间活性有机质的含量变化趋势和有机质基本一致。

表4列出了不同耕作方式下土壤全氮、碱解氮、速效钾的变化。由表可知，同一时期随着土层深度的增加全氮含量整体在降低，0～20 cm土层土壤随着生育期推进均有先升高后降低的趋势，而40～60 cm土层均呈现逐渐升高，应该是施用的氮肥对土壤中氮素产生的主要影响。从各处理间的比较可以看出，苗期RT处理对20～40 cm层土壤提升较大，但随着作物生长逐渐降低，DPS和DP处理变化趋势与之相反,0～20 cm层土壤中DPS和DP处理全氮含量整体较高，说明二者提升了土壤氮素水平；土壤全氮平均含量为DPS>DP>ST>RT>NT，但是各处理的差异并不大。

土壤中碱解氮含量的变化与全氮存在差异(见表4)。由各处理的比较看，RT整体高于其他处理，尤其是苗期的0～40 cm土层中明显较高；ST和NT平均含量相差不大，但NT不同土层碱解氮分布比ST均匀，说明NT有利于土壤氮素的均匀分布；DPS和DP也能明显改善各层土壤氮素含量的均匀程度，在较短时间内使碱解氮水平提高，且DPS改善效果一定程度上优于DP。从碱解氮的平均水平来看，与RT处理相比，ST、NT、DP、DPS分别降低了10.6%、8.7%、6.8%和12.9%。

由表4可知，抽雄期DPS处理速效钾含量最高，显著高于其他处理，说明秸秆还田对土壤中速效养分的恢复有较好的效果；DP处理虽然没有明显提升速效钾含量，但随着作物的生长使土壤各个层次中的含量分布较均匀，有利于作物对土壤养分的利用，20～60 cm土层中含量在逐渐提升；RT处理在苗期使0～20 cm土层土壤速效钾含量显著提高，说明RT处理在短期内对土壤耕作层养分的影响作用明显；ST和NT处理速效钾含量较低。

表3 不同耕作方式下黑钙土有机质含量的变化

表4 不同耕作方式下黑钙土全氮、碱解氮、速效钾含量的变化

2.3 耕作方式对玉米产量及其构成因素的影响

如表5所示，不同耕作方式下玉米产量存在一定差异，但差异不显著，各处理的产量表现为DP>NT>RT>DPS>ST。与RT处理相比，ST和DPS处理的产量降低了7.4%和3.3%，NT、DP处理分别增加2.3%和 7.8%，产量最低的ST与最高的DP相差16.5%，说明耕作方式对作物产量有一定的影响。

从产量构成因素看，产量与百粒重呈显著正相关(P<0.05)，而与穗数、穗粒数相关性不显著，与玉米轴重有一定负相关关系。

表5 不同耕作方式下作物产量及其构成因素

注:*表示在5%水平下相关性显著, **表示在1%水平下相关性极显著;r为产量构成因素与产量的相关系数。

Note: * indicates significant correlation at 0.05 level, ** indicates extremely significant correlation at 0.01 level.ris the correlation coefficient between yield components and yield.

3 讨论与结论

3.1 耕作方式对土壤理化性状的影响

RT处理，土壤容重、田间持水量、碱解氮等0～20 cm土层状况明显好于20～60 cm土层，而速效钾只在苗期0～20 cm层土壤含量较高，说明RT主要对作物生长前期的0～20 cm层土壤影响比较明显，而对20 cm以下较深层的土壤以及整个作物生长期影响较小，其原因是RT处理的作业强度和深度较小， 对于打破犁底层、提升有机质含量、改善土壤结构等方面效果不明显。这一结论与吴建富等[15]的研究结果一致。

ST处理下，由土壤容重、田间持水量、团聚体等物理性状可以看出，其20～40 cm层土壤在一定时期内与0～20 cm和40～60 cm土层及其他处理之间有明显差别。具体表现为，20～40 cm土壤容重在苗期较RT、NT、DP、DPS处理分别降低14.5%、15.7%、12.9%和7.4%，但处理效果保持时间较短，逐渐接近其他处理；20～40 cm层土壤的田间持水量随着作物生长在逐渐提升，与0～20 cm和40～60 cm土层的变化不同；从团聚体的比较可以看出，20～40 cm深度土壤的大团聚体含量较其他处理少，<0.25 mm粒级的含量比0～20 cm和40～60 cm土层多。而在养分含量方面，ST与NT处理差异均不显著而且处于较低水平。说明ST处理可以改变20～40 cm层土壤结构和物理性状，在疏松土质、蓄水保墒方面有一些效果，但整体来看不利于耕作效果的发挥。本研究结果在容重、田间持水量两个指标上与何润兵等[16]、宫秀杰等[17]研究结论基本一致。因为ST耕作主要作用在15～35 cm土层且属于保护性耕作，其对不同深度土壤扰动和整体作用效果较小，在土壤自然沉降及降水等因素[18]的影响下耕作效果逐渐减小。在土壤养分变化方面，张玉玲等[19]研究得出ST可以有效提升土壤养分含量，与本研究结果不一致，可能是土壤质地、气候条件等方面状况不同导致的。但目前对ST的研究结果主要体现在改善土壤物理性质上[20-22]，对养分有显著影响的研究结果很少。

NT是典型的保护性耕作，成为相关研究的热点，其结果也存在较大的争议。张婧等[23]研究表明，NT对土壤多种理化性质都有明显的促进作用；而杨艳等[24]研究显示NT对土壤理化性质的提高不明显，甚至有一定程度降低。本试验表明，表土层的含水量和>2 mm大团聚体两个方面具有较好的提升效果，其他指标并未看出显著优于其他处理。NT处理的容重、持水能力较其他处理效果差，与李凤博等[26]的研究结果相近；大团聚体和>0.053微团聚体含量较高，与李彤等[27]的研究相近；氮素和有机质的含量较低且与ST、RT差异不显著，这与冯跃华[28]关于NT处理存在表层聚集现象，含量随着年限增加而逐渐增加的研究结果有差异，可能因为耕作时间较短，NT处理的积累效果还没有显现，有待于更长时间的试验来验证。

从不同耕作方式的比较来看，DP和DPS处理只有0～20 cm土层的大团聚体含量比NT等保护性耕作差，在测定的其他物理性质和土壤养分含量上都表现出优于其他三种处理的趋势，说明深翻耕作在提升土壤结构、蓄水保墒能力和养分含量水平等方面都有一定的改善效果。可能是因为在北方单季作物的种植过程中，休闲期长达6个月，加上冻融过程的促进作用，保证了土壤结构、养分的恢复。而翻耕能够充分混合不同深度的土壤，有利于均衡土壤中的各种物质，为作物生长提供较好的土壤基础，而且对于打破犁底层、疏松土壤进而增强透气保水能力效果较好。翻动的过程中还可以将表土层的作物残体带入更深层的土壤, 增加了深层土壤有机碳的固存[29],这与唐海明等[30]、战秀梅等[31]的研究结果相近。而除了田间持水量外，DPS处理均优于DP处理，但二者差异不显著，说明秸秆还田对于提升土壤肥力、改善耕地质量、增加土壤有机质等方面存在潜力。但是有研究表明，进入土壤的有机物腐解过程较慢[32]，因此短时期内秸秆还田对土壤质地、养分的改善效果不大。

3.2 耕作方式对作物产量及其构成因素的影响

关于耕作方式对作物产量的影响，当前已经有大量的研究，但是结果不尽相同。冯艳春等[33]对免耕、翻耕、旋耕和深松4种耕作方式进行比较，得出了深松比其他处理增产8.3%～11.5%的结论，谷思玉等[34]的结论与之相似；余海英等[35]研究认为, 免耕(NT)有利于作物增产。而朱利群等[36]研究认为，翻耕有利于提高产量，与本研究的结果一致。本研究深翻秸秆还田(DPS)产量较低，可能是还田的秸秆腐解效率较低，还未有效地释放出促进作物生长的养分，而且混在土壤中对作物出苗、根系生长产生影响。对产生以上不同的结果，可能是受土壤质地、地形地貌、气候条件、作物类型等多方面因素的影响，不同区域内适宜的耕作方式不尽相同，应该因地制宜地推广相应的耕作技术。

综上所述，本试验条件下，深翻对土壤肥力和产量的改变状况具有一致性，是该区域比较适宜的耕作方式。而秸秆直接还田由于腐解周期较长，短期内不利于农业生产，应该采取相应的处理措施加快秸秆腐解，才能达到兼具提升土壤肥力和增加作物产量的效果。