利于小麥—玉米輪作田土壤理化性狀和作物產量的耕作方式研究

王玉玲， 李 軍

(西北農林科技大學農學院， 陜西楊凌 712100)

渭北旱塬位于陜西省的中北部，冬小麥和春玉米是當地重要的糧食作物，其產量對確保陜西省糧食安全和畜牧業發展具有重要意義[1-2]。但干旱缺水和土壤貧瘠嚴重制約著該區農業生產的發展[3-4]。土壤是作物賴以生存的基礎，土壤耕作的目的就是通過機械物理作用，改變土壤物理性狀，為作物生長發育創造適宜的土壤生態環境，促進作物增產[5]。大量生產實踐表明，長期采用單一土壤耕作方法會產生不利于作物生長發育的土壤環境，如長期翻耕致使土壤表層裸露，耕層疏松，失墑嚴重，同時形成犁底層，影響土壤蓄水、保墑和作物根系下扎；長期采用少、免耕，則會使耕層土壤容重增加，犁底層上移，耕層變淺，結構性變差，不利作物生長發育，導致作物產量降低[6-14]。然而，國內外的一些研究表明，將翻耕、深松和免耕等耕作方法按照一定輪作方式集成為特定的土壤輪耕體系，可減輕長期采用單一土壤耕作方法所帶來的各種弊端，改善土壤環境[15-18]。何進等[19]研究認為，在中國北部半干旱地區，免耕與深松聯合能夠提高玉米產量和水分利用效率。He等[20]認為，與傳統耕作相比，4年免耕加1年深松能夠減少因機具作業引起的土壤壓實，促進小麥增產20.9%，提高玉米經濟效益49%。Vetsch等[21]研究表明，與長期免耕和帶狀耕作相比，鑿形松土鏟耕作與帶狀耕作輪耕能夠最大程度地增加玉米和大豆產量，但其經濟效益的提高并不一致。鑒此，本研究從2007年秋季開始，在渭北旱塬東部冬小麥—春玉米一年一熟輪作旱地上，以連年免耕、連年深松和連年翻耕為對照，將免耕、深松和翻耕等3種土壤耕作方式組成 3種土壤輪耕模式進行定位比較試驗，旨在為渭北旱塬及同類地區建立與當地一定作物輪作方式相配套的保護性輪耕模式提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試區概況

試驗區設在陜西省合陽縣甘井鎮西北農林科技大學旱農試驗基地內，位于渭北旱塬東部(北緯35°33′、 東經110°08′)，海拔900 m，屬典型半濕潤易旱區。年均氣溫11.5℃，年日照時數2528 h，無霜期190 d，年降水量550 mm左右，年蒸發量1832.8 mm，干燥度為1.5。降水量年季間變化大，季節間分布不均勻，50%以上集中在7、8、9月份。

試驗地長期采用翻耕，地勢平坦，土壤為中壤質黑壚土，pH值8.2，田間持水量22.1%。2007年試驗時前茬作物為春玉米，0—40 cm土層土壤容重為1.39 g/cm3，土壤有機質、全氮、全磷和全鉀含量分別為9.82、0.75、0.50和6.31 g/kg，堿解氮、速效磷和速效鉀分別為27.74、18.62和98.91 mg/kg。

1.2 試驗設計

試驗從2007年9月下旬前茬春玉米收獲后開始至2011年秋春玉米收獲，在旱地冬小麥—春玉米一年一熟制輪作田實行保護性輪耕定位試驗，即連續保持每種輪耕處理及各對照小區的固定位置不變。

試驗采用施肥和耕作二因素裂區設計，施肥為主處理，耕作為副處理。

根據陜西省農業廳對旱作冬小麥和春玉米平衡施肥推薦方案，在作物播種前，各處理基施N 150 kg/hm2、P2O5120 kg/hm2、K2O 90 kg/hm2，均勻撒施，拖拉機旋耕。試驗中冬小麥和春玉米每年依次輪換種植，即第1年種冬小麥，第2年種春玉米，第3年又種冬小麥，第4年再種春玉米。冬小麥在試驗期間不追肥，春玉米在大喇叭口期追施N 150 kg/hm2。

供試作物冬小麥為晉麥47，播量150 kg/hm2；春玉米為豫玉22，播量52.5 kg/hm2。冬小麥用條播機播種，行距20 cm；春玉米用點播機播種，行距66 cm、株距29 cm，每公頃留苗52500株。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 土壤容重 采用環刀法[22]，2007年秋耕后及每茬作物收獲后，按0—20 cm和20—40 cm兩個層次采集土樣進行測定。

1.3.2 土壤養分 試驗前和作物收獲后，分別采集0—20 cm和20—40 cm土層土樣，用于土壤養分測定。有機質采用重鉻酸鉀外加熱法；全氮用凱氏定氮法；堿解氮用堿解擴散法；速效磷用NaHCO3浸提—鉬銻抗比色法；速效鉀用NH4OAC浸提—火焰光度法測定。

1.3.3 土壤水分 采用烘干法，測定0—200 cm土層土壤含水量，每20 cm土層取土，計算播前土壤貯水量(mm)。土壤貯水量計算公式：

W = h × a × b × 10/100

式中，W為土壤貯水量(mm)，h為土層深度(cm)，a為地段實測土壤容重(g/cm3)，b為土壤含水量(%)。

1.3.4 土壤水穩性團聚體 試驗前和作物收獲后，以“S”型5點取樣法在0—10 cm、10—20 cm、20—30 cm和30—40 cm土層采集原狀土，在室內自然風干后挑去粗根和小石塊，并將大土塊沿土壤的自然結構輕輕剝離為1 cm3左右。采用濕篩法測定不同土層的水穩性團聚體[23]。

1.3.5 作物產量構成因素 冬小麥成熟后，每小區隨機取3個點，每點取1 m2，測定每1 m2的穗數，計算每公頃的有效穗數；每點取20穗，共60穗，測定穗粒數和千粒重；春玉米成熟后，每小區隨機取3行，每行長10 m，測定每行的成穗數，計算每公頃的有效穗數；然后每點取10穗，共30穗，測定穗粒數和千粒重。

1.3.6 作物籽粒產量 在作物成熟后，冬小麥每小區選3個點，每點3 m2，共取9 m2，脫粒、曬干，稱重計產；春玉米每小區選3個點，每點取20株，共取60株，脫粒，曬干，稱重計產。

1.4 數據處理

采用SAS 8.01數據處理軟件對試驗數據進行單因素方差(ANOVA)分析，用LSD法進行顯著性檢驗(P<0.05)。

2 結果與分析

2.1 不同耕作處理對土壤容重的影響

土壤容重影響土壤通透性和土壤養分的轉化與利用，是衡量土壤緊實程度的重要指標。在不同土壤耕作處理下，耕層0—20 cm和耕層以下20—40 cm土壤容重差異明顯。

由圖1可以看出，2007年秋耕后，0—20 cm土層土壤容重呈現：連免≥免/深>連深≥深/翻>連翻≥翻/免的趨勢。其中，連免和免/深、連深和深/翻、連翻和翻/免處理之間差異不顯著(圖1A)。連免和免/深均采用了免耕處理，平均土壤容重為1.31 g/cm3，分別高出連深、深/翻處理和連翻、翻/免處理6.5%和9.2%；連深、深/翻均采用了深松處理，平均土壤容重為1.23 g/cm3，較連翻、翻/免處理高2.5%。20—40 cm土層連免、免/深和連翻、翻/免的土壤容重均達到1.45 g/cm3，而連深和深/翻的土壤容重平均值為1.31 g/cm3，較其他耕作處理低9.7%(圖1B)。

2.2 不同耕作處理對土壤養分含量的影響

在連續多年秸稈全額覆蓋或全額還田處理下，各土壤耕作處理0—20 cm和20—40 cm土層土壤養分含量變化趨勢基本一致。以定位試驗4年后2011年春玉米收獲時所測的土壤養分結果為例，分析不同耕作處理對耕層土壤養分含量的影響(圖2)。與2007年試驗前相比，各耕作處理2011年春玉米收獲后各土層土壤養分含量均有不同程度地提高，且各耕作處理0—20 cm土層土壤養分含量均顯著高于20—40 cm土層。

2.3 不同耕作處理對土壤水穩性團聚體含量的影響

土壤團聚體是土壤養分的貯藏庫，特別是水穩性團聚體對保持土壤結構的穩定性有重要作用。土壤有機質與水穩性團聚體緊密相關，是土壤水穩性團聚體的主要膠結劑。以2011年春玉米收獲后測定的土壤團聚體含量結果為例，分析不同耕作處理對土壤水穩性團聚體含量的影響(表1)。

2.4 不同耕作處理對作物產量的影響

圖2 不同耕作處理2007年試驗前和2011年作物收獲后0—20 cm和20—40 cm土層土壤養分含量

表1 不同耕作處理2011年春玉米收獲后0—40 cm土層各粒徑水穩性團聚體含量比較(g/kg)

表2 不同耕作處理作物產量構成因素比較

圖3 不同耕作處理歷年作物產量比較Fig.3 Effects of different soil tillage systems on 4-year crop yields

2009年春玉米籽粒產量以免/深和深/翻處理最高，且二者顯著高于其他處理(P<0.05)。免/深和深/翻較連免、連深和連翻分別顯著增產22.81%、15.07%、16.28和10.99%、3.99%、5.09%(P<0.05)。2011年春玉米籽粒產量表現為深/翻>連深>免/深>翻/免>連翻>連免。深/翻處理較連免、連翻、免/深和翻/免分別顯著增加9.10%、5.54%、1.39%和5.21%(P<0.05)。

綜上所述，在連續4年中，除2009年免/深處理的春玉米籽粒產量顯著高于深/翻外，其余3年不論是冬小麥還是春玉米，每年均以深/翻處理籽粒產量最高，連免處理最低。連深處理較連免和連翻分別顯著增產13.00%和6.38%(P<0.05)；深/翻較免/深和翻/免分別顯著增產5.44%和14.57%(P<0.05)。輪耕與連耕相比較，免/深較連免顯著增產12.05%(P<0.05)；深/翻較連深顯著增產4.55%(P<0.05)。在3種輪耕處理中，以深/翻處理的產量構成因素較好，其籽粒產量最高。

3 討論與結論

生產實踐證明，要實現作物的高產或超高產，就必須為作物健壯生長發育創造理想的土壤環境，既科學控制與調節土壤水分蓄積與供應、土壤養分釋放與保存，又能及時而充分地滿足作物對水分、養分、空氣和溫度等各種條件的需要[24]。 本研究通過連續多年土壤耕作試驗獲得如下結論，并就有關問題進行討論：

免耕與深松結合實行輪耕，與連年免耕相比，犁底層被打破，耕層及耕層以下土壤容重降低，通透性增強，可促進水分下滲，因此對作物的生長發育來說要好于連年免耕[25-30]。在本試驗6種耕作處理中，“免耕/深松”輪耕模式的冬小麥和春玉米產量構成因素和產量位居第3位，4年產量平均較免耕增產12.05%。何進等[19]的研究結果表明，“免耕/深松”輪耕既可改善土壤理化性狀，又可提高作物產量；Pierce等[31]的研究認為，土壤免耕后定期進行深松，雖能改善土壤的物理性狀，但對作物的產量和品質沒有影響。其原因是免耕和深松處理下大量秸稈保留在表層，從而使表層有機質富集，不利于改良下層土壤結構，其土壤環境改善也受到影響，因此使作物的增產效果也受到一定限制。

深松與翻耕結合實行輪耕，使兩者的優點融合于一體，既可克服翻耕犁底層加厚的缺點，也可克服深松只松土而不翻土的不足之處。翻耕將秸稈翻入耕層，有利于改善耕層結構，促進土壤熟化，使整個耕層土壤疏松，容重降低；而隔年深松形成了“虛實并存”的耕層結構，既能協調土壤中蓄水與供水矛盾，又能調控耕層中礦質化過程和腐殖化過程，從而使土壤蓄水與供水的矛盾和養分釋放與保存的矛盾得到統一，形成最適宜作物生長發育的水、肥、氣、熱的土壤環境，因此非常有利于作物的健壯生長而獲得高產，這與韓思明和薛少平的多年的研究結果相一致[2]。在本研究6種耕作處理中，“深松/翻耕”的輪耕模式其冬小麥和春玉米產量及其構成因素均居第1位，其4年產量平均較連年免耕增產18.15%，較連年深松增產4.55%，較連年翻耕增產11.22%，同時較“免耕/深松”和“翻耕/免耕”處理分別增產5.44%和14.57%。

翻耕與免耕實行輪耕，與連年翻耕處理比較，雖然耕層水穩性團聚體有所增加，土壤養分含量有所提高，但耕層土壤容重增加，犁底層更緊實，加之土壤失墑較多，因此對作物生長極為不利，在6種耕作處理中其冬小麥和春玉米產量構成因素和4年產量平均居第6位，與連年免耕比較，增產3.1%，這與孔凡磊等[5]、孫國峰等[16]的研究結果相一致；但與連年翻耕比較，不但沒增產，反而還減產，其4年平均產量較連年翻耕減產2.92%。

本試驗進一步證明，以免耕為核心的保護性耕作技術，雖然有利于提高耕層土壤養分，增加水穩性團聚體，但卻會使土壤容重增加，犁底層上移，耕層變淺，對作物生長發育不利，使產量降低，這與李素娟等[12]、 張麗華等[28]和陳軍勝[32]的研究結果基本一致。同時，深松耕技術雖然有較好的保水保土和增產效果，但耕層松緊不一，土塊較大，也會給作物生長發育帶來一定的不利影響，這與褚鵬飛[33]、尚金霞[34]、毛紅玲[35]和王靖[36]等人的研究結果基本一致。因此，生產中不論是免耕技術還是深松耕技術均不可單獨連續應用，而應將它們納入保護性輪耕體系之中，組合成一定的輪耕模式，交換應用。

總之，土壤耕作要針對當地生產實踐，根據每年所種作物選擇適宜的土壤輪耕模式，便可有效改善耕層及耕層以下土壤的理化性狀，創造良好的水、肥、氣、熱土壤環境條件，促進作物生長、發育，以實現作物的高產、穩產。本試驗研究中，以“深松/翻耕”的輪耕模式的綜合土壤理化性狀較好，作物產量最高，其次是“免耕/深松”，是適宜陜西渭北旱塬及同類地區冬小麥—春玉米輪作田的土壤輪耕模式。

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