不同轮耕方式与生物炭用量对潮土区玉米产量及土壤理化性质的影响

郭书亚 尚赏 张艳 汤其宁 卢广远

摘要：针对常年小麦旋耕玉米免耕造成土壤容重增加、透气性变差、土壤团聚体稳定性降低、有机碳含量降低等土壤质量恶化的问题，探讨通过生物炭与轮耕方式改善土壤理化性状的可行性。采用田间定位试验，以小麦旋耕玉米免耕+不施生物炭（CK）为对照，设置3 种生物炭用量（2.5（B1）、5.0（B2）、7.5 t/hm2 （B3））与2 种轮耕耕作方式（小麦旋耕玉米免耕（R）、小麦深翻耕玉米免耕（D））的交互处理，分析不同处理对土壤容重、孔隙度、团聚体稳定性、有机碳及作物产量的影响。结果表明，在0～20 cm 土层，与对照相比，小麦旋耕玉米免耕处理土壤容重显著降低，并且随生物炭施用量的增加而降低，土壤孔隙度显著增加，并且随生物炭施用量的增加而增加；在20～40 cm 土层，小麦深翻耕玉米免耕处理显著降低了土壤容重，增加了土壤孔隙度；不同处理均能显著提高>0.25 mm 团聚体占比和土壤有机碳含量，并且2 个指标均随生物炭施用量的增加而增加；在2020、2021 年，不同处理玉米产量分别较对照显著增加5.07%～11.02% 、6.53%～18.13% ，其中，DB3 处理产量最高，分别为8 946.83、9 566.54 kg/hm2，均显著高于其他处理。小麦深翻耕玉米免耕配合施用生物炭是改善土壤理化结构的重要措施，小麦深翻耕玉米免耕+7.5 t/hm2生物炭效果最好，可以推广应用。

关键词：轮耕方式；生物炭；土壤物理性质；土壤有机碳；产量

中图分类号：S341.1；S153 文献标识码：A 文章编号：1002?2481（2023）03?0271?07

良好的作物生长发育离不开良好的土壤水肥气热条件。地处黄淮区以商丘为代表的豫东平原，长期实行冬小麦旋耕夏玉米免耕的轮耕模式，造成犁底层增厚、土壤容重增加、透气性变差、土壤团聚体稳定性降低等问题[1-3]。并且该地区长期施用化肥造成土壤大团聚体减少、团聚体破坏率高，肥料利用率低，严重影响作物生长发育及产量[4-5]。因此，在该地区开展适宜的轮耕模式和培肥措施研究具有重要意义。不同耕作措施能够显著影响土壤理化性状，和常规旋耕相比，深翻30 cm 以上能够增加土壤孔隙度，降低土壤容重，土壤有机质向深层分布[6]。合理的轮耕措施能够减少长期单一耕作措施的消极影响，降低土壤容重，改善土壤结构[7]，促进养分在耕层间均匀分布[8]，从而实现作物高产[9]。生物炭作为土壤改良剂，在农业生产上已广泛应用，能够改善土壤结构，增加土壤孔隙度，提高土壤透气和持水保水能力[10-11]；由于生物炭具有巨大的比表面能够强烈吸附并固定N、P 等营养元素，减少养分的流失，保肥效果好[12]。现有试验研究表明，单一的轮耕方式或施用生物炭措施能改善土壤理化性状和结构，进而促进作物增产。而研究轮耕方式、生物炭及其交互效应对土壤理化性质和作物产量影响的报道较少。

本试验采用轮耕方式和生物炭结合的模式，分析轮耕方式、生物炭及交互效應对土壤理化性质和作物产量的影响，旨在为豫东小麦—玉米轮作区选择适宜的轮耕培肥方式提供理论依据。

1材料和方法

1.1 试验地概况

试验于2018—2021 年在河南省商丘市梁园区商丘市农林科学院示范中心（34°31N，115°42E）进行。该区海拔高度54 m，气候类型为暖温带亚湿润季风气候，年均日照时数2 372.6 h，年均气温14.1 ℃ ，年均降水量681.1 mm，无霜期212 d。该区域常年实行冬小麦夏玉米一年两熟种植制度，小麦旋耕播种，玉米免耕播种，供试土壤为潮土。试验前0～20 cm 土层土壤含有机碳11.4 g/kg、碱解氮82.2 mg/kg、速效磷10.47 mg/kg、速效钾127.36 mg/kg。

1.2 试验材料

供试玉米品种为成玉788，由河南大成种业有限公司提供。试验中所用生物炭由河南立泽环保科技有限公司提供，以玉米秸秆为原料，在500 ℃高温厌氧条件下热解2 h烧制，其碳含量为437.82 g/kg、pH 值9.0、全氮16.31 g/kg、全磷8.19 g/kg、全钾27.56 g/kg。

1.3 试验设计

试验设置2.5（B1）、5.0（B2）、7.5 t/hm2 （B3）3 种生物炭用量，以及小麦旋耕玉米免耕（R）与小麦深翻耕玉米免耕（D）2 种轮耕模式，小麦旋耕深度为15 cm，深翻耕深度为33 cm，以小麦旋耕玉米免耕+不施生物炭（CK）作为对照，共计7 个处理，随机区组排列，重复3次。试验于2018年10月小麦季开始进行，生物炭处理随旋耕或深翻耕施入土壤，以上全部处理均常规施肥，小麦季施用史丹利第四元素复合肥（N∶P∶K=26∶12∶9）525 kg/hm2，玉米季基施鄂中复合肥（N∶P∶K=17∶17∶17）600 kg/hm2，追施尿素300 kg/hm2。玉米种植密度为7.5 万株/hm2，栽培管理措施同当地大田。试验分别于2020、2021 年玉米收获后，在每个小区采用“S”形取样法取0～20、20～40 cm 土层土壤样品，测定土壤理化性质。

1.4 测定项目及方法

试验采用环刀法测定土壤容重和孔隙度。土壤团聚体的分级采用干筛与湿筛相结合的方法。干筛参照文献[13]，湿筛参照ELLIOTT[14]的方法。土壤有机碳采用重铬酸钾外加热法测定[15]。在玉米收获期，每小区收取中间2 行果穗进行产量测定。

土壤孔隙度=（1-容重/比重）×100% （1）

土壤团聚体破坏度=（1->0.25 mm 干筛法团聚体比例/>0.25 mm 湿筛法团聚体比例）×100 （2）

1.5 数据处理

试验采用Excel 进行数据处理，采用SPSS24.0 软件进行方差分析。

2结果与分析

2.1 不同处理对土壤容重的影响

从表1 可以看出，在0～20 cm 土层，2020 年，除DB1 处理外，各处理均能降低土壤容重，其中，RB1、RB2、RB3、DB3 处理较CK 分别显著降低5.30%、5.30%、9.27%、4.64%（P<0.05）。2021 年，和CK 相比，不同处理均能降低土壤容重，其中，RB1、RB2、RB3 处理显著降低5.23%～13.73%（P<0.05），并且随生物炭施用量的增加而降低，DB1、DB2、DB3 处理与CK 间差异不显著。在20～40 cm土层，2020 年不同处理均能降低土壤容重，小麦旋耕玉米免耕处理即RB1、RB2、RB3 与CK 间差异不显著，小麦深翻耕玉米免耕处理即DB1、DB2、DB3与CK 间差异显著（P<0.05），土壤容重随着生物炭施用量的增加而降低；2021 年，除RB1 处理外，与CK 相比，不同处理均能显著降低土壤容重5.78%～13.87%（P<0.05），DB3 处理最低。从不同轮耕方式看，0～20 cm 土层小麦旋耕玉米免耕处理土壤容重低于小麦深翻耕玉米免耕处理，20～40 cm 土层小麦深翻耕玉米免耕处理低于小麦旋耕玉米免耕；从生物炭施用量看，土壤容重随生物炭施用量的增加而降低。

2.2 不同处理对土壤孔隙度的影响

由表2 可知，在0～20 cm 土层，2020、2021 年，RB1、RB2、RB3、DB3 处理土壤孔隙度显著高于CK（P<0.05），其中，RB3 处理土壤孔隙度最高，较CK 分别增加12.27%、18.76%；在20～40 cm 土层，2020 年，除RB1 处理外，与CK 相比，不同处理均能显著增加土壤孔隙度9.59%～23.40%（P<0.05），DB3 处理最高；2021 年，不同处理土壤孔隙度较CK 显著增加8.70%～28.25%（P<0.05），DB3 处理效果最好；同一轮耕方式下土壤孔隙度随生物炭施用量的增加而增加。从不同轮耕方式看，0～20 cm土层小麦旋耕玉米免耕处理的土壤孔隙度高于小麦深翻耕玉米免耕处理，20～40 cm 土层小麦深翻耕玉米免耕处理的土壤孔隙度高于小麦旋耕玉米免耕处理；从生物炭施用量看，土壤孔隙度随生物炭施用量的增加而增加；从年际变化可以看出，除对照外，2021 年土壤孔隙度高于2020 年。

2.3 不同处理对土壤团聚体的影响

2.3.1 不同处理对土壤团聚体分布的影响 2020、2021 年不同处理对土壤团聚体分布的影响如图1、2 所示。

从图1、2 可以看出，2020 年，0～20 cm 土层土壤团聚体以0.25～0.50 mm 粒级团聚体占比最高，为22.78%～32.98%，其中，DB2、DB3 处理显著高于其他处理（P<0.05），土壤中0.5～1.0、<0.053 mm粒级占比次之，RB1、RB3 处理下>2 mm 粒级团聚体显著高于其他處理，RB3 处理下1～2 mm 粒级团聚体显著高于其他处理（P<0.05）；20～40 cm 土层土壤团聚体以0.25～0.50 mm 粒级团聚体占比最高，为22.14%～32.05%，DB3 处理显著高于其他处理（P<0.05），DB2 处理次之，土壤中0.053～0.250、<0.053 mm 粒级占比次之，DB2、DB3 处理下1～2、0.5～1.0 mm 粒级团聚体占比高于其他处理。2021 年，在0～20 cm 土层，土壤团聚体以0.5～1.0 mm 粒级占比最高，为19.86%～28.96%，DB3处理显著高于其他处理（P<0.05），0.25～0.50 mm粒级占比次之，为19.45%～25.49%，RB3、DB2、DB3处理显著高于其他处理（P<0.05）；在20～40 cm土层，土壤团聚体以0.25～0.50、0.5～1.0 mm 粒级占比较高，分别为18.15%～26.28%、17.99%～24.53%，其中，DB2、DB3 处理显著高于其他处理（P<0.05）。从不同年际变化看，土壤团聚体由0.25～0.50 mm 粒级主导转变为0.25～0.50 mm 与0.5～1.0 mm 粒级主导。

2.3.2 不同处理对土壤团聚体稳定性的影响 从表3 可以看出，与CK 相比，不同处理均能显著提高>0.25 mm 团聚体比例，在0～20 cm 土层，DB3 处理的>0.25 mm 团聚体比例显著高于其他处理（P<0.05），但与RB3 处理间差异不显著，在20～40 cm 土层DB3 处理的>0.25 mm 团聚体比例显著高于其他处理（P<0.05），与DB2处理间差异不显著。和CK 相比，不同处理均能显著降低土壤团聚体破坏度（P<0.05），在0～20 cm 土层，RB3、DB2、DB3 处理显著低于其他处理（P<0.05），在20～40 cm，DB2、DB3处理显著低于其他处理（P<0.05）。土壤>0.25 mm团聚体比例随着生物炭施用量的增加而增加，而土壤团聚体破坏度随着生物炭施用量的增加而降低，说明生物炭处理有利于大团粒结构形成，有利于土壤稳定。

2.4 不同处理对土壤有机碳含量的影响

从表4 可以看出，和CK 相比，不同处理均能显著提高土壤有机碳含量。在0～20 cm 土层，2020 年DB3 处理显著高于其他处理（P<0.05），RB3 处理次之，RB1、RB2、DB1、DB2 处理之间差异不显著；2021 年DB3、DB2、RB3、RB2 处理之间差异不显著，但均显著高于其他处理（P<0.05）。在20～40 cm土层，DB 处理高于RB 处理，DB3 处理土壤有机碳含量最高，且显著高于其他处理（P<0.05），DB2 处理次之。同一轮耕方式下土壤有机碳含量随着生物炭施用量的增加而增加，说明生物炭的施用多少直接影响土壤有机碳的含量。

2.5 不同处理对夏玉米产量的影响

从表5 可以看出，与CK 相比，2020 年，不同处理均能显著提高玉米产量5.07%～11.02%（P<0.05），RB3、DB3 处理显著高于其他处理（P<0.05）；2021 年，不同处理均能显著提高玉米产量6.53%～18.13%（P<0.05），DB3 处理显著高于其他处理，DB2 处理次之。

3讨论

3.1 轮耕配合生物炭对土壤物理性状的影响

不同耕作方式能够显著影响土壤物理结构，长期的小麦旋耕玉米免耕处理造成土壤容重增加，耕层变浅，土壤质量下降[2-3]。不同轮耕处理能够改善土壤物理结构，增加耕层厚度。张莉[16]研究表明，深翻耕处理能够降低土壤容重，增加土壤孔隙度。

孔凡磊等[17]研究表明，免耕深翻轮耕能够降低土壤容重；程科等[18]在黄土高原的研究指出，翻耕免耕轮耕处理能够增加土壤孔隙度。本研究表明，小麦深翻耕玉米免耕处理能够显著降低20～40 cm 土层土壤容重，增加土壤孔隙度。本研究小麦深翻耕处理深度为33 cm，能够打破长期旋耕形成的犁底层，疏松土壤，所以，能够降低土壤容重，增加土壤孔隙度。孟繁昊等[19]研究表明，生物炭可以降低土壤容重，显著增加土壤孔隙度。房彬等[20]在石灰土中研究发现，随着生物炭施用量的增加，土壤容重降低14.6%～32.5%。本研究得出相似结论，施用生物炭能够降低土壤容重，增加土壤孔隙度。这主要是因为生物炭的比重远低于土壤的比重，同时具有多孔结构，施入土壤后能够降低容重，增加土壤孔隙度。本研究还表明，小麦深翻耕配施生物炭能够显著降低20～40 cm 土层土壤容重，增加土壤孔隙度。这主要是因为和旋耕相比，深翻耕能够将生物炭翻到20 cm 以下土层，进而改善土壤结构。

土壤团粒结构是土壤肥力的物质基础，也是作物高产稳产的土壤条件之一[21]。通常用>0.25 mm水稳定性团聚体的数量来判断土壤结构的好坏，其含量越高，表明土壤结构越好[22]。本研究表明，与对照相比，不同处理均能显著提高>0.25 mm 团聚体比例，显著降低土壤破坏度，DB3 处理效果最好。土壤>0.25 mm 团聚体比例随着生物炭施用量的增加而增加，土壤团聚体破坏度随着生物炭施用量的增加而降低，说明生物炭处理有利于大团粒结构形成，有利于土壤稳定；这是因为生物炭为多孔结构，施入土壤后，土壤微生物、生物活动增强，产生大量的分泌物，和土壤以及土壤中分散的根系、微生物菌丝胶结成大团聚体，从而促进土壤团聚体稳定性。

3.2 轮耕配合生物炭对土壤有机碳的影响

不同的耕作方式能够影响土壤有机碳和速效养分在土层的分布，长期的小麦旋耕玉米免耕使土壤有机碳、速效养分在土壤表层（0～20 cm）富集。轮耕则能解决这一问题，于淑婷等[23]研究表明，连年深耕、深耕/旋耕和深耕/旋耕/旋耕模式促进了10～40 cm 土层有机碳储量的增加。朱长伟等[24]研究表明，小麦季深耕—玉米季深松的处理能显著增加20～40 cm 土层中的有机质含量。本研究也得出相似结论，与小麦旋耕玉米免耕处理相比，小麦深翻耕玉米免耕能够显著增加深层（20～40 cm）土壤有机碳含量，并且随着生物炭施用量的增加，土壤有机碳含量也相应增加。这可能有2 个方面的原因：一是生物炭本身含有大量的有机碳，施入土壤中自然能够提高土壤有机碳的含量。生物炭能够促进土壤腐殖质和土壤碳水化合物、酯族、芳烃等有机大分子的形成，也有利于土壤微生物的繁殖生长，分泌大量有机质，从而提高土壤有机碳的含量[25-26]；二是DB 处理下，土壤具有稳定的土壤团粒结构，良好的水分、通气条件，更有利于生物炭的分解，从而增加土壤有机碳的含量。同一轮耕方式下土壤有机碳含量随着生物炭施用量的增加而增加，说明生物炭的施用多少直接影响土壤有机碳含量。

3.3 轮耕配合生物炭对夏玉米产量的影响

合理的耕作方式和培肥措施是作物实现高产的重要条件。郝千萍等[27]研究指出，施用生物炭能够提高玉米抗逆性，促进玉米生长。张黛静等[28]研究指出，深耕+有机肥处理能够增加作物产量；李娟等[29]研究也得出相似结论。赵亚丽等[30]研究指出，深耕+秸秆还田能够显著增加玉米产量。本研究表明，在2020、2021 年，轮耕配合生物炭较CK 分别显著增加玉米产量5.07%～11.02%、6.53%～18.13%，DB3 处理产量最高，且显著高于其他处理。小麦深翻耕玉米免耕处理是在多年小麦旋耕玉米免耕基础上进行的，能够打破犁底层，增加耕层厚度，改善土壤质量的同时并不会增加土壤水分渗漏及氮素淋溶[31]，有利于玉米根系的生长[32]和养分吸收，从而显著增加产量。

4结论

本研究结果表明，和常年小麦旋耕玉米免耕不施生物炭相比，小麦旋耕玉米免耕+生物炭处理均能降低0～20 cm 土层土壤容重、增加土壤孔隙；小麦深翻耕玉米免耕+生物炭处理能显著降低20～40 cm 土层土壤容重，增加土壤孔隙度和有机碳含量，并促进土壤大团粒结构的形成，有利于土壤穩定。因此，小麦深翻耕玉米免耕配合施用生物炭是改善土壤理化结构的重要措施，小麦深翻耕玉米免耕+7.5 t/hm2生物炭效果最好，可以推广应用。

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