深松耕和绿肥还田对云南坡耕地耕层土壤物理性状的影响

姚高乾，周 锋，吕小蓉，杨友琼，程 易，吴伯志，安曈昕

（云南农业大学 农学与生物技术学院，云南 昆明 650201）

红壤坡耕地是云南省重要的耕地资源之一，该区域水、热、光资源丰富，作物生产潜力巨大，是云南重要的农业生产区域［1］。由于长期以来农户不重视养地及盲目整地，红壤坡耕地面临有效耕层变浅、犁底层加厚、土壤板结程度高和地力衰减等问题，导致农业生产力下降［2］。耕层是人类为了栽培作物，利用耕作工具对土壤进行扰动，耕层厚度是影响土壤物理性状变化的重要因素，肥沃耕层构建能够改善土壤结构［3-4］。研究红壤坡耕地土壤耕作方式对耕地质量的调控及提高坡耕地生产地力水平具有重要意义。传统的耕作是对土壤进行多次翻耕，这样可以快速去除混合作物留茬，促进养分利用，但造成耕层团聚体破坏程度加大，导致耕层结构稳定性减弱，从而使得耕层变薄［5］。近些年随着保护性耕作措施的发展，免耕成为广泛推广的方式［6］，大量研究表明，免耕能提高土壤结构稳定性，减少耕层破坏，但若长期免耕会导致耕层变浅，土壤容重、紧实度、剪切力不断增加，从而不利于作物生长发育［7］。针对不同耕作措施对坡耕地农业生产带来的影响，许多学者主要从坡耕地土壤理化性质和作物产量等方面进行研究［8-10］。徐迪等［10］通过平原地区试验发现，深松耕处理显著降低土壤容重，增加孔隙度，耕层土壤水分传导性得到改善。丁昆仑等［8］通过比较试验发现，深松耕可以打破犁底层，增加孔隙度，提高蓄纳雨水能力以及粘土入渗能力，从而提高玉米产量。黄尚书等［9］通过坡耕地区域试验发现，压实导致含水量、孔隙度等土壤物理性质产生负面影响，进而影响作物产量，深松耕对表层土壤物理性状改善效果较好，避免机械压实联合深松耕是缓解农业生产的突破口。

但是随着对耕作技术研究和应用的深入，以不同耕作方式与秸秆还田对土壤物理性状的影响研究居多［11-12］，耕作方式与其他种植措施的集成技术研究较少，坡耕地耕层结构退化及质量下降需要从多方面进行修复，单一耕作方式不仅不能促进作物增产，反而会对土壤生态造成不利影响［13］。探究耕作方式、秸秆还田和多样性种植复合措施对土壤结构的改善和农业生产具有一定的影响。前人对此有一定的研究，丛聪［14］研究表明，深松20 cm+翻耕20 cm并增施牛粪能增加深层土壤孔隙度且提高土壤持水与导水能力，维持整个生育期的作物生长。韩成卫等［15］研究表明，深松+秸秆还田耕作模式的松土保墒和玉米增产效果最好。王琦明等［16］研究表明，间作集成免耕秸秆覆盖的农田复合生产系统降低作物单位耗水，持续改善土壤蓄水能力。张晓艳［17］研究表明，免耕秸秆覆盖下间作种植复合技术能降低土壤容重、紧实度，提高孔隙度，减少土壤团聚体的破坏率。适宜的耕作措施及种植方式对耕层结构改善及作物产量的提高具有重要实践意义，间套作与保护性耕作具有互惠互补的生态学“契合基础”，将二者集成于同一个系统，不仅可以改善耕层结构，降低土壤容重、紧实度等物理性状，还可以实现集约化农作对耕地资源与水资源的高效利用［18］。

本试验以滇东北地区长期规模化的种植模式玉米间作马铃薯为研究对象，集成应用绿肥还田与深松耕技术，重点研究长期不同措施对土壤紧实度、容重、剪切力等物理性状的影响，探究玉米间作马铃薯生产系统中适宜的土壤耕作措施，为坡耕地合理耕层持续性改善及农业可持续发展提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于宣威市板桥镇试验基地，海拔1923 m，E 104°1′19″，N 26°7′26″，为典型的喀斯特沙性红壤地区。试验地土壤pH为6.71，有机质44.02 g·kg-1，全氮1.86 g·kg-1，碱解氮78.76 mg·kg-1，有效磷130.1 mg·kg-1，速效钾158.9 mg·kg-1。该试验区地处云贵高原，属南温带高原季风气候，年平均气温13.4 ℃，年降水量为934.41 mm，降水集中在6～8月，占全年降水量的55.9%。

1.2 试验材料

玉米（Zea maysL.）：宣黄单8号；马铃薯（Solanum tuberosumL.）：宣薯2号；光叶紫花苕（Vicia villosa RothvarL.），来自当地农家种子。

1.3 试验设计

试验采用单因素随机区组设计，共设置6个处理：T1.玉米单作；T2.玉米/苕子；T3.玉米‖马铃薯；T4.玉米‖马铃薯/苕子；T5.深松耕+玉米/苕子；T6.深松耕+玉米‖马铃薯/苕子。每个处理4次重复，共24个小区，小区坡度为6～8°。各小区面积70 m2（20 m×3.5 m），各小区间隔0.5 m，合计1680 m2。深松处理于每年2月下旬进行，间隔深松深度40 cm，所有处理小区均进行旋耕15 cm土壤耕作。

1.4 作物种植

田间作物种植示意图如图1，玉米单作种植规格为：宽窄行处理，行距为40 cm+80 cm，株距为20 cm，密度为82500株·hm-2；间作玉米种植规格为：宽行距为140 cm，窄行距为50 cm，间距为50 cm，株距为20 cm，密度为52500株·hm-2；间作马铃薯种植规格为：间作玉米140 cm宽行距中，行距为50 cm，间距为40 cm，株距为35 cm，密度为28500株·hm-2。光叶紫花苕采用种子直播，播种量为120 kg·hm-2。

种植方式：马铃薯采用打塘穴播，播种时间分别为2016年3月22日、2017年3月12日、2018年4月1日和2019年3月18日；玉米采用覆膜沟播种植，先覆膜（地膜为可降解黑膜）后播种，播种时间分别为2016年4月13日、2017年4月2日、2018年5月1日和2019年8月25日；光叶紫花苕采用种子直播，在马铃薯收获后进行套种，播种时间分别为2016年9月14日、2017年9月27日、2018年9月15日和2019年8月25日。

1.5 土壤物理性状及测定方法

土壤紧实度：采用英国制造的6120指针式土壤紧实度仪，按照“S”型随机观测法测点，测取0～20 cm土层。于玉米苗期、抽雄期、收获期进行测定，各处理进行3次重复。

土壤容重：在玉米苗期及收获后分别采用环刀法测定土壤容重。每个小区选取中间位置挖取土壤坡面，然后采用环刀分别取0～10、10～20 cm两层土壤样品，称重后将环刀置于烘箱中，在105℃下烘干至恒重，倒出烘干后的土壤，称取单个环刀质量。土壤容重通过如下公式计算：

式中：ρb为土壤容重（g/cm3）；m1为环刀烘干土样与环刀质量（g）；m2为环刀质量（g）；v为环刀容积（cm3），为100 cm3。

土壤剪切力：在玉米苗期和收获期，同一区组内沿同一等高线挖取坡面，并用小刀拨出一平面，分0～10、10～20 cm两层进行测量。采用荷兰产的便携式14.10 Pocket Vane Tester型三头抗剪仪进行测量，该仪器备有3个旋头，本试验均采用CL102型号（小号）。测定时垂直向下，尽量保持原状土结构，分坡上、坡中和坡下测定，各处理3次重复。

1.6 试验数据处理

用Excel 2010和SPSS 25.0软件对所得的数据进行计算、整理、统计分析，利用Duncan法对数据进行差异性检验。

2 结果与分析

2.1 不同处理对耕层土壤紧实度的影响

土壤紧实度是影响作物根系扎根力的重要因素，也是判断土壤耕层质量优劣的重要指标。但土壤紧实度受土壤耕作方式和降雨强度影响较大［19-20］，采取时间节点分析不同处理对土壤紧实度的影响。由表1可知，土壤紧实度4年规律总体表现为T6＜T5＜T4＜T3＜T2＜T1。

2016年玉米收获期，T1、T2、T3与T4的土壤紧实度分别较T6高出20.45%、21.41%、15.01%和12.94%；且T6与T1、T2土壤紧实度差异极显著（P＜0.01），T6与T3差 异 显 著（P＜0.05），与T4差异不显著。2017年玉米收获期，T6与对照T1相比，土壤紧实度减少15.06%，且差异显著（P＜0.05），与其他处理差异不显著。2018年玉米收获期，T1、T2、T3与T4的土壤紧实度分别较T6高44.56%、45.93%、40.02%和36.37%；且T6与其他处理均达到极显著差异（P＜0.01），T1与T2差异不显著，T3与T4差异不显著。2019年玉米收获期，T6与T1、T2相比，土壤紧实度分别减少16.75%、12.06%，且差异极显著（P＜0.01），与其他处理差异不显著。经过4年连续耕作发现，深松耕、绿肥还田、间作集成技术较其他处理，不同年份不同时期均能降低土壤紧实度，有利于土壤疏松多孔，促进根系扎根。

2.2 不同处理对耕层土壤容重的影响

由表2可知，不同处理对不同耕层土壤容重影响差异不一致，对0～10 cm土壤容重影响最小，无论是苗期还是收获期各处理间差异均不显著。对10～20 cm土壤容重的影响达到了显著水平（P＜0.05），无论是苗期还是收获期，土壤容重规律表现为T6＜T3＜T4＜T5＜T1＜T2。在10～20 cm土层中，2016年玉米收获期，T6与T2相比，土壤容重降低9.07%，且差异显著（P＜0.05），T6与其他处理无显著差异；2017年玉米收获期，T6与T1、T2相比，土壤容重分别降低7.00%和9.74%，且差异显著（P＜0.05），T6与其他处理无显著差异；2018年玉米收获期，T6与T1、T2相比，土壤容重分别降低3.86%和4.58%，且差异极显著（P＜0.01），T6与其他处理无显著差异；2019年玉米收获期，T6与T1、T2相比，土壤容重分别降低3.17%和3.94%，T6与T1、T2、T4差异显著（P＜0.05），T6与T3、T5无显著差异。说明经过4年连续耕作，在10～20 cm土层深松耕、绿肥还田、间作集成技术与其他处理相比，降低了土壤容重。

由表2还可以看出，虽然不同的处理对不同深层土壤容重的影响不一样，但随着土层深度的增加，土壤容重增加明显，对比不同年份不同时期不同耕层土壤容重的变化可以发现，随着处理开展之后时间的延长，表现出后期土壤容重大于前期，但深松耕、绿肥还田、间作集成技术能明显缓解土壤容重随着时间的增加而变大的趋势。

2.3 不同处理对耕层土壤剪切力的影响

由表3可知，不同处理对不同耕层土壤剪切力影响差异不一致，对0～10 cm土壤剪切力影响最小，随着年份的增加，差异不显著。对10～20 cm土壤剪切力的影响在玉米苗期均达到了极显著水平（P＜0.01），土壤剪切力规律表现为T6＜T5＜T3＜T4＜T1＜T2。在10～20 cm土层中，2016年玉米苗期，T1、T2、T3与T4的土壤剪切力分别较T6高出24.36%、38.99%、41.40%和43.89%；且T6与T4土壤剪切力差异极显著（P＜0.01），T6与T1、T2、T3差异显著（P＜0.05）；2017年玉米苗期，T1、T2和T4的土壤剪切力分别较T6高出91.26%、134.19%和42.93%，且差异显著（P＜0.05），与其他处理差异不显著；2018年玉米苗期，T6土壤剪切力最小，T1土壤剪切力最大，且T6与其他处理均差异极显著（P＜0.01）；2019年玉米苗期和收获期，T6与T1、T2相比，土壤剪切力平均值分别减少24.39%和26%，且差异极显著（P＜0.01）。说明经过4年连续耕作，在10～20 cm土层中，深松耕、绿肥还田、间作集成技术与其他处理相比，降低了土壤剪切力。

表2 不同处理耕层土壤容重方差分析 （g/cm3）

表3 不同处理耕层土壤剪切力方差分析 （kg/cm2）

由表3还可以看出，虽然不同的处理对不同年份不同深层土壤剪切力的影响不一样，但随着土层深度的增加，土壤剪切力增加明显，对比不同年份不同时期不同耕层土壤剪切力的变化可以发现，随着处理开展之后时间的延长，表现出后期土壤剪切力大于前期，但深松耕、绿肥还田、间作集成技术能明显缓解土壤剪切力随着时间的增加而变大的趋势。

3 讨论

深松耕、绿肥还田和间作集成技术随着连年处理，土壤紧实度、剪切力和土壤容重都不同程度降低，其中土壤紧实度表现最明显，在玉米收获期，集成技术与对照相比，4年分别降低16.98%、15.06%、30.82%和16.75%，这与王万宁［21］、孔晓民等［22］、蔡丽君［23］、李霞等［24］、张丽等［25］的试验结果相似，即深松耕与旋耕相比，均能降低土壤紧实度，是改善耕层结构的有效措施，主要原因是试验前经过深松耕作，打破犁底层，土壤物理性状引起土壤结构较大变化，而旋耕深度15 cm左右，导致深层结构变化较小，对紧实度的影响较小。本试验通过技术集成，不仅将深松耕打破犁底层作用体现出来，而且利用间作马铃薯收获过程中对土壤耕层进行破坏，降低了土壤紧实度，但目前并无相关文献研究关于马铃薯收获过程对土壤紧实度的影响，需要进一步验证。

本研究表明，通过技术集成可以降低10～20 cm土层容重，在玉米收获期表现显著，集成技术与对照相比，4年分别降低4.60%、7.00%、3.86%和3.17%，这与徐永刚等［26］、战秀梅等［27］、王万宁等［28］、刘卫玲等［29］的试验结果一致，即深松耕降低土壤容重，提高土壤孔隙度。刘卫玲等［29］认为虽然深松耕可以降低土壤容重，但单一深松耕作会使耕层土壤的持水能力下降，引起作物吸水能力不足。但本试验通过集成技术不仅降低土壤容重，而且通过间作及绿肥还田能够充分利用耕层田间持水量，这与徐永刚等［26］试验结果一致。并且该技术集成也保持良好的土壤容重范围［1］，宋鸽等［1］认为坡耕地合理耕层适宜性阀值土壤容重为0.92～1.21 g/cm3，本试验土壤容重为1.04～1.37 g/cm3。同时在本研究中，土壤剪切力的表现规律与土壤容重保持一致，集成技术与对照相比，在玉米苗期，10～20 cm土壤剪切力4年分别减少19.59%、47.72%、23.4%和28.31%。因此，通过技术集成可以持续改善土壤耕层结构，提高耕地质量。

前人的研究结果主要集中在单一土壤耕作方式或深松耕与秸秆还田量对土壤容重、紧实度、含水量等物理性状的影响［30-31］，而本试验以滇东北长期规模化种植模式（玉米间作马铃薯）为研究对象，将其与深松耕和绿肥还田结合并集成应用相关技术措施，不仅可以降低土壤容重、紧实度和剪切力等物理性状，而且还增加间作群体产量。这与赵晓宇［32］、张文超［33］的研究结果一致，复合种植技术集成可以发挥各自优势并催生彼此间的协同效应，减少土壤容重、紧实度，增加土壤含水量，改善耕层结构。除此之外，土壤深松耕、作物间套复种多样性种植复合技术也有利于作物生长发育、提高作物产量效益、坡耕地水土资源的利用和保护［31，34-37］。因此，本试验集成复合技术有利于坡耕地合理耕层构建及山区农业可持续发展。

4 结论

经过4年生产周期试验，得出如下结论，深松耕+玉米‖马铃薯/苕子这一复合技术能降低土壤容重、剪切力和紧实度，并且通过连续耕作，该复合技术对玉米后期土壤容重、剪切力和紧实度等土壤物理性状影响显著。因此，这一复合技术适于山区坡耕地土壤耕层持续改善及农业持续发展。