立式旋耕对小麦生长季土壤紧实度及产量的影响

聂胜委，张浩光，张巧萍，许纪东，张玉亭

（1.河南省农业科学院植物营养与资源环境研究所，郑州 450002；2.遂平县农业科学试验站，河南 遂平 463100）

土壤紧实度（或称为土壤穿透阻力）是衡量土壤抵抗外力的压实和破碎的能力，通常用金属柱塞或探针压入土壤时的阻力表示。它影响土壤的通透性、温度、水分、微生物数量和活性、养分转化、植物根系生长以及养分吸收等，是土壤物理特性的重要反映。土壤紧实度影响农业可持续发展[1]，其对作物生长和产量的影响是当前关注的热点之一，欧盟委员会认为土壤紧实是导致作物产量降低的主要因素[2]。调查发现，在小麦/玉米一年两熟区连续多年的旋耕、少免耕作业，导致农田耕层变浅，犁底层变厚上移，耕层质量变劣趋势加剧[3]。

土壤紧实首先影响土壤结构和孔隙度，进而影响植物根系生长[4]，最终影响产量。随着土壤紧实度增加，土壤容重随之增加，孔隙度下降，作物对养分的吸收减少，产量下降[5]；机械碾压、不适当的耕作和农事操作都能造成土壤紧实度增大[6]。连续免耕会造成土壤紧实，作物减产，适当犁翻耕能提高产量[7]。土壤紧实显著降低作物产量和氮的吸收，降低收获期种子含水率，但是对容重和千粒质量影响不明显[8]。土壤紧实能够降低作物产量和水分利用效率，干土上车轮压实对作物生长的影响较小，湿土上车轮压实影响较大[9]。冻融交替是自然降低土壤紧实度的有效方法。与亏缺灌溉相比，大水漫灌会引起深耕之后的土壤更加紧实，因此，应减少深耕之后的灌溉程度[10]。秸秆覆盖和轮作豆科的保护性耕作能够改善土壤物理结构，降低次耕层紧实状况，促进小麦根系生长[11]。

农田耕作是改善土壤耕层结构，协调水、肥、气、热环境因子，提高土壤通透性，优化水肥供应能力的有效措施[12]。立式旋耕是一种新的农田耕作方式，它用动力机械带动立式旋耕机的垂直螺旋钻头直立旋转切磨粉碎土壤，达到深松、旋耕整地效果[13]。钻轴入土深度可达30～60 cm，能深度打破犁底层，改善土壤结构，获得较高产量[14]。研究表明，在同等施肥量条件下，与常规旋耕、翻耕等耕作方式相比，立式旋耕（粉垄）可以提高小麦[15-16]、玉米[17-18]、水稻[19]等多种作物产量，改善品质，促进根系生长[20]。这些研究为解决我国小麦生产上的土壤耕层紧实、退化以及变浅等问题，实现绿色可持续发展提供了重要思路。

本研究以立式旋耕（30 cm±5 cm）、常规旋耕（12 cm±5 cm）两种不同土壤耕作方式为基础，研究其对小麦生长季拔节期、灌浆期土壤耕层紧实度、小麦产量以及养分利用率的影响，为实现小麦绿色可持续生产提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于河南省遂平县农业科学试验站（33°15′N，113°98′E），属暖温带大陆性季风气候。光照充足，气候温和，雨量充沛，四季分明，亚热带向暖温带过渡性气候特性较明显。年平均气温、日照、降水量、无霜期分别为15.1 ℃、2 126 h、927 mm、226 d。土壤类型为砂姜黑土，重壤偏黏，中性偏弱酸性（pH=5.9）。试验地基础土壤有机质、碱解氮、有效磷、速效钾含量分别为6.52 g·kg-1、18.6 mg·kg-1、110.40 mg·kg-1、139.10 mg·kg-1。

1.2 试验设计

试验为双因素裂区设计，设常规旋耕（Traditional rotary tillage，TR）、立式旋耕（Vertical rotary tillage，VR）2 种耕作方式，不施肥（None-fertilizer，nF）、施肥（Fertilizer，F）2 个施肥水平，每个处理重复3 次，共计12 个小区，小区面积8 m×6 m。施肥处理的施肥量为：氮肥300 kg N·hm-2、磷肥82.5 kg P2O5·hm-2，钾肥82.5 kg K2O·hm-2。其中施肥处理中，70%的氮肥和全部磷、钾肥作基肥在整地时一次施入，剩余30%氮肥在拔节期作追肥施入；不施肥处理作为对照用于计算氮肥利用率。①常规旋耕（TR，12 cm±5 cm）：上茬作物为青贮玉米，收获后粉碎灭茬，后用普通旋耕机深旋耕2 遍，整地深度为12 cm±5 cm，再用常规旋耕机平整1 遍（深度5～10 cm），播种；②立式旋耕（VR，30 cm±5 cm）：上茬作物为青贮玉米，收获后粉碎灭茬，后用立式旋耕机深旋耕1 遍，整地深度为30 cm±5 cm，再用常规旋耕机平整1遍（深度5～10 cm），播种。

小麦品种为遂选101（豫审麦2015004，河南平安种业有限公司、遂平县农业科学试验站选育），分别在2017 年10 月和2018 年10 月下旬机播楼播种，播量150 kg·hm-2，行距20 cm，分别于2018、2019 年6 月上旬收获；下茬各处理常规种植夏玉米，机播楼贴茬播种，其他田间管理措施等保持一致。

1.3 测定项目

在小麦播种前测定0～20 cm 土壤碱解氮、有效磷、速效钾、有机质等基础养分含量，分别采用碱解扩散法、0.5 mol·L-1NaHCO3法、乙酸铵浸提-火焰光度法、重铬酸钾法进行测定[21]；小麦拔节期（2018/03/12、2019/03/27）、灌浆期（2018/05/04、2019/05/04）用紧实度仪（SY-T02，邢台润联科技有限公司，中国）测定5、10、20 cm耕层土壤紧实度，每个小区及耕层分别重复测定6 次；小麦成熟期，每个小区选取4 m2实收测产。氮肥农学效率、氮肥偏生产力[22]采用以下公式计算：

氮肥农学效率（kg·kg-1）=（施氮肥区产量-对照区产量）/施用氮肥总量

氮肥偏生产力（kg·kg-1）=作物施肥后产量/氮肥施用量。

1.4 数据分析

数据用Excel 2003、SPSS 20.0 等软件进行整理，用LSD法进行显著性分析，显著性水平α=0.05。

2 结果与分析

2.1 不同耕作方式小麦产量的比较

在相同田间管理水平下，由于耕作方式不同，构建的耕层及紧实度条件也不同，因而获得的籽粒产量存在着较大差异。由表1 可以看出，不施肥条件下，2018 年，立式旋耕不施肥（nFVR）、常规旋耕不施肥（nFTR）处理小麦产量分别为7 011.9、5 227.5 kg·hm-2，nFVR显著高于nFTR处理，增加1 784.4 kg·hm-2；2019年，nFVR（6 808.9 kg·hm-2）＞nFTR（6 652.3 kg·hm-2），产量增加156.6 kg·hm-2，差异不显著。在施肥条件下，立式旋耕施肥（FVR）处理的小麦产量均高于常规旋耕施肥（FTR）处理，产量分别高出725.6 kg·hm-2（2018年）、540.7 kg·hm-2（2019年），但是处理间差异不显著。

与nFTR 处理产量相比，2018 年FVR 处理产量增幅50.16%，FTR 处理增幅36.28%，FVR＞FTR；2019年，FVR 处理产量增幅42.91%，FTR 处理增幅34.79%，FVR＞FTR。立式旋耕施肥处理两年的产量增加量均较大幅度高于常规旋耕处理，说明立式旋耕结合施肥能进一步激发土地的生产潜力。

2.2 不同耕作方式小麦生长季的土壤紧实度比较

不同耕作方式下小麦生长季土壤紧实度的变化如图1～3所示。

在施肥条件下，由图1可以看出，2018年，小麦拔节期FVR 处理10 cm 耕层土壤的紧实度为30.23 N，显著低于FTR 处理（55.23 N）。灌浆期与之相似，FVR处理10 cm耕层土壤的紧实度为53.30 N，显著低于FTR（87.54 N）。2019 年，在同一地块上分别连续重复2018 年的耕作方式，拔节期FVR 处理10 cm 耕层土壤的紧实度（120.27 N）高于FTR（96.45 N），差异不显著；灌浆期10 cm 耕层土壤的紧实度表现为FVR略低于FTR处理，差异不显著。

在不施肥条件下，由图2可以看出，2018年，拔节期nFVR 处理10 cm 耕层土壤的紧实度为24.63 N，显著低于nFTR（93.37 N）；灌浆期10 cm 耕层土壤紧实度表现为nFVR（50.60 N）＜nFTR（74.44 N），差异不显著。2019 年，10 cm 耕层土壤紧实度表现为拔节期nFVR（126.13 N）＞nFTR（108.32 N）；灌浆期nFVR（135.43 N）＜nFTR（187.30 N），差异均不显著。

为了进一步研究紧实度在土壤耕层的表层（5 cm）和深层（20 cm）的变化情况，对5、20 cm 耕层土壤的紧实度进行了测定（图3），不施肥条件下，小麦拔节期nFVR、nFTR 处理20 cm 耕层土壤的紧实度分别为177.03、287.28 N；灌浆期，nFVR、nFTR处理5 cm耕层土壤的紧实度分别为116.53、102.70 N，差异均不显著。施肥条件下，小麦拔节期FVR、FTR处理20 cm耕层土壤的紧实度分别为164.33、314.53 N，FVR 处理显著低于FTR处理；灌浆期，FVR、FTR处理5 cm耕层土壤的紧实度分别为35.43、51.90 N，差异不显著。

表1 不同耕作方式下小麦籽粒产量（kg·hm-2）Table 1 Wheat grain yields under different tillage during harvested stages（kg·hm-2）

图1 施肥条件下不同耕作方式土壤紧实度（10 cm耕层）的比较Figure 1 Soil compaction（10 cm soil depth）under different tillage at fertilization levels

图2 不施肥条件下不同耕作方式土壤紧实度（10 cm耕层）的比较Figure 2 Soil compaction（10 cm soil depth）under different tillage at none fertilization levels

图3 不同耕作方式5 cm耕层土壤和20 cm耕层土壤的紧实度比较Figure 3 Soil compaction（5 cm and 20 cm soil depth）under different tillage at fertilization and none fertilization levels

2.3 不同耕作方式氮肥效率的比较

不同的土壤耕作方式构建了小麦生长季不同的土壤紧实状况，导致了产量的差异，反映到养分效率上，以各耕作方式对应的不施肥处理（nFVR、nFTR）来计算氮肥农学效率，由图4A 可以看出，2018 年，FVR、FTR 处理的氮肥农学效率分别为5.05、6.32 kg·kg-1，FVR 比FTR 处理低1.27 kg·kg-1，差异显著；2019年分别为8.99、7.71 kg·kg-1，FVR 比FTR 处理氮肥农学效率提高16.60%，差异不显著。

图4 施肥条件下不同耕作方式间氮肥农学效率的比较Figure 4 Agronomic efficiency of nitrogen fertilizer under different tillage

若均以常规旋耕不施肥（nFTR）来计算氮肥农学效率，由图4B可以看出，不同土壤耕作方式连续两个小麦季FVR 处理的氮肥农学效率均高于FTR 处理；2018 年，FVR（8.74 kg·kg-1）比FTR（6.32 kg·kg-1）处理氮肥农学效率提高38.29%，差异显著；2019 年，FVR（9.52 kg·kg-1）比FTR（7.71 kg·kg-1）氮肥农学效率提高23.35%，差异不显著。

不同耕作方式下氮肥对当季小麦产量的贡献如图5 所示，2018 年，FVR、FTR 处理的氮肥偏生产力分别为26.16、23.75 kg·kg-1，FVR 比FTR 提高10.15%，差异显著；2019年分别为31.69、29.89 kg·kg-1，FVR比FTR 氮肥偏生产力提高6.02%，差异不显著。说明立式旋耕方式下，相同的氮肥施用量对小麦籽粒产量的贡献大于常规旋耕。2018年，不施肥小麦产量表现为nFVR（7 011.9 kg·hm-2）＞nFTR（5 227.5 kg·hm-2），小麦第一季采用nFVR 处理来计算氮肥农学效率，导致计算出的氮肥农学效率相对偏低。

图5 施肥条件下不同耕作方式氮肥偏生产力的比较Figure 5 Partial factor productivity of nitrogen fertilizer under different tillage

3 讨论

已有研究发现，随着土壤紧实度提高，小麦分蘖成穗率降低，产量下降[23]；降低土壤紧实度能显著提高耕作层土壤的非毛管孔隙度，增加甘薯块根形成期（20～40 d）土壤最高温度与最低温度的温差；提高块根膨大期（45～165 d）块根中蔗糖合成酶（SS）、腺苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶（ADPGPase）活性，增加淀粉含量，提高块根中干物质积累初始势，增产20.01%～27.78%[24]。在技术途径上，利用微孔深松耕可有效打破犁底层，降低土壤紧实程度，提高棉花品质和产量[25]。本研究发现，立式旋耕（VR，30 cm±5 cm）所构建的土壤结构和耕层比常规旋耕（TR，12 cm±5 cm）更能发挥土壤潜力，与nFTR 相比，2018 年，FVR、FTR处理产量分别增加2 621.9、1 896.3 kg·hm-2；2019 年，FVR、FTR 处理产量分别增加2 854.8、2 314.1 kg·hm-2；增幅均表现出FVR＞FTR。

另一方面，旋耕土壤能明显增加15～40 cm 土层紧实度，随着紧实度的增加土壤内部温度变化幅度增大，土壤缓冲性能降低[26]。本研究中，土壤进行立式旋耕后经过小麦季的生长，在返青拔节期、灌浆期10 cm 耕层土壤的紧实度均低于旋耕处理，但是这种效应仅在当季较为明显；而且立式旋耕能减缓小麦拔节期深层土壤（20 cm）的紧实度，这种现象在施肥条件下表现显著，有利于小麦返青早发，促进小麦生长；小麦灌浆期，两种耕作方式对土壤表层（5 cm）的紧实度影响较小，差异不显著。说明改进耕作方式，能构建适宜小麦生长的土壤结构，激发土壤的生产潜力。同时，作为农田土壤耕作方法中的突破和创新，立式旋耕不仅能够增加土壤耕层厚度，改善土壤结构，而且在一定程度上能实现犁翻耕和旋耕的结合，减少大型机械进地作业次数及对土壤造成的二次碾压，这对于改善和恢复农田旱作区的土壤功能、提高土壤质量具有积极的意义，应用前景良好。但在实际生产中，应考虑当地具体的土壤质地、地形地貌、耕作制度及农机操作人员的熟练程度等因素，选择适宜当地作物生长的耕层厚度。

4 结论

（1）施肥条件下，与常规旋耕相比，立式旋耕能显著降低第一季小麦拔节期、灌浆期10 cm 耕层土壤的紧实度，第二季则处理间差异不显著；不施肥条件下趋势相似。立式旋耕能降低小麦拔节期20 cm 耕层土壤紧实度，在施肥情况下显著降低。两种耕作方式下灌浆期5 cm耕层的土壤紧实度差异不显著。

（2）立式旋耕能连续两季持续增加小麦产量，而且能进一步激发土地生产潜力，与常规旋耕不施肥处理相比，立式旋耕施肥处理产量增幅为50.16%（2018年）、42.91%（2019 年）；氮肥农学效率提高38.29%（2018 年）、23.35%（2019 年），且当季增幅显著；氮肥偏生产力提高10.15%（2018年）、6.02%（2019年）。

总之，立式旋耕较常规旋耕能够有效降低小麦拔节期、灌浆期耕层土壤的紧实度，构建良好的土壤结构，提高小麦产量和养分利用率。