黑土立體休閑技術改土增產效果

王秋菊，劉 峰，高中超，賈會彬，張勁松，張春峰，常本超，姜 輝

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黑土立體休閑技術改土增產效果

王秋菊1，劉 峰2，高中超1※，賈會彬3，張勁松1，張春峰3，常本超1，姜 輝2

（1. 黑龍江省農業科學院土壤肥料與環境資源研究所，哈爾濱150086； 2. 黑龍江省農業科學院科研處，哈爾濱150086；3. 黑龍江省農業科學院佳木斯分院，佳木斯154007）

為了打破犁底層障礙，消減連作障礙，分別在輪作和連作的黑土上采用分層深耕犁將0～20 cm耕層土與>20～40 cm下層土進行轉換，以達到休閑表層土壤的目的。采用大區對比法連續2年調查改土后效果。結果表明：第1年、第2年立體休閑處理較對照組未改土，0～40 cm土層土壤平均容重分別降低0.05、0.11 g/cm3；通氣系數分別提高14.97×10-2、16.69×10-2cm/s；而飽和導水率較對照組第1年降低了3.14×10-3cm/s，第2年提高了10.95×10-3cm/s；抗剪強度較對照組第1年降低了0.72 kPa，第2年提高了0.82 kPa；土壤平均含水率提高分別提高4.07%、4.95%；溫度分別提高0.78、0.13 ℃。立體休閑后表層土壤有機質、堿解氮、速效磷和速效鉀降低、下層土土壤肥力增加。在輪作條件下，立體休閑后第1年馬鈴薯和甜菜分別減產5.63%和3.06%；第2年玉米和馬鈴薯分別增產5.20%和27.00%。在大豆連作條件下，立體休閑區植株干質量平均比對照提高7.63～7.82%；根干質量提高7.61%～13.41%；根長增加4.42%～6.26%；單株莢數增加18.83%～20.71%；株粒數增加幅度為32.43%～37.21%；根瘤數每株增加1.46～5.15個；產量比對照增加3.09%～22.38%。

土壤；作物；物理性質；產量；黑土；立體休閑；連作障礙

0 引 言

黑土是中國東北地區最重要的耕地土壤資源之一，以腐殖質深厚、土壤肥力高著稱。據調查，黑土的腐殖質層厚度一般為30～70 cm以上，土質肥沃，疏松綿軟，土壤產能高[1-2]。但由于黑土主要分布在丘陵曼岡地帶，地勢高，開墾早，由于長期忽視地力培肥，水土流失嚴重，黑土層變薄，土壤肥力不斷下降[3]。特別是近10 a來，隨著農村老齡化，農作業向輕簡化方向發展。農田基本整地由原來的以翻耕為主變為以旋耕滅茬為主，耕層變淺，犁底層位置由原來的地表下18～22 cm上移到12～15 cm，有效土層變淺，土壤生產潛力受到制約；糧食增產由原來的依靠地力轉向依靠化肥[4-6]，而大量施用化肥又增加土壤負荷，污染環境。因此農業部提出減化肥、減農藥計劃，倡導增施有機肥提升地力，改善耕地質量[7-9]。另一方面，隨著一些效益高的作物種植面積不斷擴大，種植業結構趨于單一，連作面積逐年加大，連作障礙頻頻發生，導致農產品產量下降、品質降低[10-13]。

大量研究證明，黑土增施有機肥、秸稈深埋還田，對于增加耕層厚度，改善地力和提高作物產量有重要作用[14-18]；而輪作、土壤消毒、改善施肥等技術對于消減作物連作障礙效果十分明顯[19-22]，但上述技術在實際應用中受到各方面條件限制。本文提出的“立體休閑改良土壤的技術”，就是根據土地休閑休耕原理，針對土壤存在的連作障礙，充分利用黑土腐殖質層深厚的特點，將多年連作的耕層土壤定期翻到下層進行休閑，實現上下層土壤輪換使用，達到休閑耕層土壤、實現農業可持續發展目的[23-24]。本文是在多年連作和正常輪作換茬的黑土上開展的多點試驗研究，試圖通過比較研究明確“立體休閑技術”的改土增產效果，為該技術的推廣提供技術支持。

1 材料與方法

1.1 試驗地點和供試土壤

試驗分別在黑龍江省依安縣長山村、依安縣農技推廣中心試驗地，嫩江縣農業技術推廣中心示范園區試驗地、寶清縣農業推廣中心示范園區試驗地。供試土壤為黑土，土壤農化性質和耕種情況如表1所示。

表1 供試地點土地基本情況

1.2 試驗設計

采用大田對比試驗，設置如下2個處理：

1）對照區（CK）：采用淺翻深松犁作業（上翻12 cm，下松10 cm），總作業深度22 cm。

2）立體休閑區（SL）：采用自主研發的分層深耕犁，作業幅寬為100 cm，總作業深40 cm。該機械為4鏵分層耕作犁（圖1a），其中第1、第3犁為超大犁壁鏵式犁，耕翻下層土，第2、第4犁為短犁壁鏵式犁，耕作表層土。作業原理如圖1b所示，作業前地表處于平整狀態（圖1b-1），作業時，首先開出1條深20 cm，寬50 cm的淺塹溝（圖1b-2），為耕翻處理做好準備；然后位于前面的第1犁在所述的淺塹溝內作業，將>20～40 cm下層土耕起翻扣在已翻過來的表層土上，其后形成一條深40 cm的深塹溝（圖1b-3）；位于其后第2犁將鄰近的0～20 cm表層土翻扣在所述的深塹溝中，并形成新的淺塹溝（圖1b-4）；后面的第3犁在淺塹溝中作業，將>20～40 cm的下層土耕起翻扣到所述的深塹溝中的表層土之上（圖1b-5），第4犁隨后將鄰近表土反扣在深塹溝中（圖1b-6），從而完成一次立體休閑作業。在下一次耕作時重復上一次作業模式。試驗處理面積0.1～1.2 hm2，無重復。

施肥均按照當地常規施肥方法及用量進行施肥，于春季播種時直接起壟施肥。不同處理間施肥量及施肥方法一致。耕種情況及施肥量如表2。

表2 供試土壤生產管理狀況

1.3 調查項目與方法

1）采樣及測定方法

試驗區處理后第2年秋季取樣，在每個處理區的中心部位挖一個60×60×60 cm3土壤剖面，按照0～10、>10～20、>20～30、>30～40 cm分層，采用100 mL的環刀取原狀土，3次重復。用膠帶密封；同時采取非原裝土樣500 g，其中0～20 cm表層土壤按S型取樣，5點混合后帶回實驗室備用。

土壤容重采用環刀法測定、土壤含水量采用烘干法測定；土壤抗剪強度采用荷蘭EIJKELKAMP公司（型號：GEONOR72572）土壤剪切儀測定；土壤通氣系數采用日本Daiki公司（型號：DIK-5001）土壤透氣性測定儀測定；土壤透水系數采用日本Daiki公司（型號：DIK-4012）土壤透水性測定儀測定[25]。

土壤有機質采用重鉻酸鉀外加熱法測定，堿解氮采用擴散吸收法測定，有效磷含量測定采用碳酸氫鈉提取法測定，速效鉀含量測定采用鹽酸浸提-AAS法測定[26-27]。

2）作物生育性狀調查

大豆始花期選取有代表性植株連續10株，調查根長、根瘤個數，地上、地下部干質量。

3）作物產量調查：作物成熟期每區選3點，每點取連續10株進行考種，馬鈴薯、甜菜采用馬鈴薯專用收獲機和甜菜專用收獲機進行全區收獲，玉米、大豆采用約翰迪爾聯合收割機全區收獲，收獲后測定每區產量。

2 結果與分析

2.1 立體休閑對土壤物理性質的影響

表3是依安農技中心試驗區土壤物理性質的調查結果。從表3看出，立體休閑在降低土壤容重、提高土壤通氣性和土壤含水量等方面效果顯著，2年結果相對趨勢一致。第1年、第2年立體休閑處理較對照組，0～40 cm土壤平均容重分別降低0.05、0.11 g/cm3；通氣系數分別提高14.97×10-2、16.69×10-2cm/s；而飽和導水率較對照組第1年降低了3.14×10-3，第2年提高了10.95×10-3cm/s；抗剪強度較對照組第一年降低了0.72 kPa，第2年提高了0.82 kPa；土壤平均含水率提高分別提高4.07%、4.95%；溫度分別提高0.78、0.13 ℃；從表3還可看出，立體休閑改善下層土物理性質的效果更為明顯。

表3 不同處理土壤物理性質(依安農技中心)

2.2 立體休閑對土壤養分影響

圖2是長山試驗點處理后第2年土壤養分測量結果。立體休閑將下層土翻到表層后土壤化學養分分布與對照相比呈相反的趨勢，表層土壤有機質、堿解氮、速效磷和速效鉀均有降低趨勢；而下層土高于對照。總體看，表層土壤整體肥力下降可能會影響作物初期生育，但下層土肥力高則利于作物根系向下伸展，利于作物后期生長。

2.3 對連作大豆生育影響

表4是嫩江農技中心試驗點在大豆花期的生育調查以及成熟期的產量性狀調查結果。從表4看出，立體休閑區大豆植株干質量平均比對照提高7.63%～7.82%；根干質量提高7.61%～13.41%；根長增加4.42%～6.26%；根瘤數增加1.46～5.15個/株。成熟期調查大豆單株莢數和株粒數，休閑后單株莢數增加18.83%～20.71%；株粒數增加32.43%～37.21%。

圖3、4分別是嫩江試驗點大豆生育中期和成熟期植株圖片。從圖3、圖4看出，立體休閑區大豆根系量多、粗壯，根瘤多；成熟期植株高比對照明顯高，植株結莢數差異也十分明顯。

2.4 對作物產量影響

依安長山試驗點在南瓜茬上進行的立體休閑改土作業，改土后分別種植馬鈴薯和甜菜，輪作順序分別為馬鈴薯—玉米、甜菜—馬鈴薯。產量調查結果如表5所示，立體休閑后第1年馬鈴薯和甜菜分別減產5.63%和3.06%，但減產幅度不大。這與立體休閑后深層土壤翻到耕層，耕層土壤養分下降有關。經過1年土壤熟化后，第2年玉米和馬鈴薯分別增產5.20%和27.00%。在正常輪作條件下，立體休閑后第1年會導致作物減產，但第2年則表現增產，其中馬鈴薯增產效果好于玉米。

表6是大豆連作土壤上立體休閑后大豆產量。依安、嫩江和寶清3個試驗點連續2 a大豆產量調查結果表明，立體休閑可以比對照增產3.09%～22.38%，但各地區增產幅度不完全一致，可能與各點連作障礙的輕重有關。

表4 不同處理大豆生育性狀（嫩江）

表5 立體休閑的增產效果（依安縣長山村）

表6 立體休閑消除大豆連作障礙的效果

3 討 論

立體休閑雖然是一種新的改土理念，但屬于深耕技術的范疇。不同的是，傳統的深耕是采用傳統的鏵式犁將表層土和下層土同時翻轉90°～120°，由于在耕翻時土壤在犁壁作用下崩解破碎產生上下土層混合現象，有相當一部分上層土壤仍滯留在表層內，達不到休閑目標；而立體休閑耕作是使用特殊的分層深耕犁，將表層土深埋到下層，實現上下土層位置輪換，無土層之間的混層現象。

在廣大的黑土區域，由于長期以來種植結構單一，殘留農藥污染嚴重，限制輪作倒茬；加之淺耕導致犁底層上移，限制作物根系下扎。高中超等[24]采用土層置換技術修復除草劑污染土壤，取得明顯效果，本研究是通過立體休閑減緩作物連作障礙。應用立體休閑技術同時存在正負雙方面的效應，一是改良土壤物理性質的正效應，二是由于上下土層翻轉導致表層肥力降低帶來的負效應。由于正負效應相互抵消作用，在改土后第1年種植玉米和馬鈴薯均表現略減產；第2年增產，說明翻轉到表層的下層土壤在經過1年的熟化后，土壤化學肥力得到恢復；試驗表明，立體休閑后連續種植大豆表現持續增產，意味著連作障礙是導致大豆產量降低的主導因素，一方面說明立體休閑消減連作障礙的作用大于表層肥力降低帶來的負效應，另一方面也可能與大豆本身有固氮能力有關。因此，在技術應用初期階段，應適當配合增施肥料以減輕負效應，提高增產效果。立體休閑或深翻由于會使深層生土翻到表層，使表層土壤養分下降，因此在實際操作中要選擇黑土層深厚的地塊，以達到原位立體休閑的目的。實施以消減連作障礙為目的的立體休閑改土，建議3～5 a進行一次。今后應深入開展對土壤微生物區系影響方面研究，探討機理。

本研究采用大型機械進行田間改土作業，作業精度存在一定誤差，所取得的產量等數據皆為大田實測值，可能對試驗數據精度有一定影響，但從多點調查結果看，結論是一致的，由此可見研究得出的數據是可信的。

4 結 論

通過在輪作和連作的黑土上開展立體休閑技術改土效果研究，得到如下結論：

1）第1年、第2年立體休閑處理較對照組未改土，0～40 cm土層土壤平均容重分別降低0.05、0.11 g/cm3；通氣系數分別提高14.97×10-2、16.69×10-2cm/s；而飽和導水率較對照組第1年降低了3.14×10-3cm/s，第2年提高了10.95×10-3cm/s；抗剪強度較對照組第1年降低了0.72 kPa，第2年提高了0.82 kPa；土壤平均含水率提高分別提高4.07%、4.95%；溫度分別提高0.78、0.13 ℃。

2）立體休閑后表層土壤有機質、堿解氮、速效磷和速效鉀降低、下層土土壤肥力增加。

3）在輪作條件下，立體休閑后第1年馬鈴薯和甜菜分別減產5.63%和3.06%；第2年玉米和馬鈴薯分別增產5.20%和27.00%。在大豆連作條件下，立體休閑后沒有減產現象，大豆連年增產，產量比對照增加3.09%～22.38%。

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Effect of improving black soil and crop yield by using soil layer up-down fallow technology

Wang Qiuju1, Liu Feng2, Gao Zhongchao1※, Jia Huibin3, Zhang Jinsong1, Zhang Chunfeng3, Chang Benchao1, Jiang Hui2

(1.,,150086,; 2.,,150086,; 3.,154007,)

Black soil is one of the most important cultivated land resources in Northeast China. Black soil has high soil fertility, and brings about high and stable yield. According to the survey, the humus layer of black soil is generally 30-70 cm. But black soil is on high terrain and the cultivation time is long, coupled with the neglect of enhancing soil fertility management, which lead to serious soil erosion, soil layer thinning, and soil fertility decline. Especially in the past 10 years, in order to save costs, farmers have widely used simplified technology, and the basic soil tillage method has changed from plowing to rotary tillage and stubble cleaning, which has resulted in shallow tillage layer and increased the bottom thickness. The depth of the plough bottom moves from 18-22 to 12-15 cm, and the potential productivity of black soil is restricted. People try to stop the decline of soil fertility and soil thinning by improving the application of organic fertilizer, straw returning and subsoiling technology. Our research group found that the straw deep buried and organic fertilizer application have effectively improved soil fertility. In view of removing the obstacle of continuous cropping, the existing technologies including the nutritional therapy, soil disinfection, and crop rotation technology had the problem of high cost and were difficult in the rotation of crops. Therefore, these techniques were limited to solve the problem of soil continuous cropping obstacles. According to the principle of land fallow for leisure, the technology of improving soil by stereo leisure was presented in this paper, which was aimed at continuous cropping obstacles in soils. Through making full use of the characteristics of black soil with deep humus layer, continuous cropping soil was regularly turned to lower leisure. By alternate use of upper and lower soil, the objectives of soil leisure and agricultural sustainable development would be achieved. In this paper, a machine developed to turn the top soil to the lower layer was operated in the black soil field for breaking its hard plough pan. As the depth of top black soil is more than 40 cm, it has good homogeneity from up part to low part, which can provide a choice for developing soil layer up-down fallow technology. Two test fields were selected. One was operated by above mentioned machine, and the other was operated by conventional machine. The results showed that in the up-down fallow field the soil bulk density was decreased by 0.05, 0.11 g/cm3respectively compared with that in the conventional field. The soil aeration coefficient was increased by 14.97×10-2, 16.69×10-2cm/s respectively in the first year and second year. The soil saturated hydraulic conductivity was reduced by 3.14×10-3in the first year, increased by 10.95×10-3cm/s in the second year. The soil shearing strength was reduced by 0.72 in the first year, increased by 0.82 kPa in the second year, and the soil moisture content was increased by 4.07%, 4.95% respectively in the first year and second year. It was also found that in the up-down fallow field, soil chemical index including soil organic matter, alkali-hydrolysable nitrogen, available phosphorus and available potassium tended to be lower in the upper layer but higher in the down layer. Under the rotation conditions, the yield of potato and beet in the up-down fallow field was decreased by 5.63% and 3.06% respectively in the first year, but the yield of corn and potato increased by 5.20% and 27.00% respectively in the second year. Under the soybean continuous cropping conditions, soybean grew well in the up-down fallow field, dry weight and root dry weight of soybean were increased by 7.63%-7.82% and 7.61%-13.41% respectively, root length was increased by 4.42%-6.26%, pod number and grain number per plant were increased by 18.83%-20.71% and 32.43%-37.21% respectively, and nodule number was increased by 1.46-5.15. During the 2 tested years, soybean yield in the up-down fallow field was 3.09%-22.38% higher than that in the conventional field.

soils; crops; physical properties; yield; black soil; soil layer up-down fallow; continuous cropping obstacle

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.06.013

S281

A

1002-6819(2017)-06-0100-07

2016-09-21

2017-03-07

公益性行業（農業）科研專項（201303126-7）；省招標項目（GA14B101-A04）；國家科技支撐計劃（2014BAD11B01-A027）

王秋菊，女，黑龍江省依蘭人，博士，副研究員，從事土壤改良研究。哈爾濱 黑龍江省農業科學院土壤肥料與環境資源研究所，150086。Email：bqjwang@126.com.

高中超，男，黑龍江綏棱人，副研究員，研究方向為土壤改良。哈爾濱 黑龍江省農業科學院土壤肥料與環境資源研究所，150086。Email：gaozhongchao0713@163.com