西北旱作農田不同耕作模式對土壤性狀及小麥產量的影響

侯賢清，李 榮，賈志寬，韓清芳

（1 寧夏大學農學院, 銀川 750021；2 西北農林科技大學中國旱區節水農業研究院/農業部西北黃土高原作物生理生態與耕作重點實驗室，陜西楊凌 712100）

西北旱作農田不同耕作模式對土壤性狀及小麥產量的影響

侯賢清1，李 榮1，賈志寬2*，韓清芳2

（1 寧夏大學農學院, 銀川 750021；2 西北農林科技大學中國旱區節水農業研究院/農業部西北黃土高原作物生理生態與耕作重點實驗室，陜西楊凌 712100）

【目的】在雨養農業區，旱作區因連年翻耕而引起嚴重的土壤質量退化，使作物生產力下降，需定期改變其耕作方式。免耕深松隔年輪耕可以降低土壤容重，增加耕層土壤團聚體和有機碳氮的含量，增強土壤蓄水保墑能力，對改善土壤性狀和提高作物產量具有重要意義。【方法】本研究于2007～2010年在寧夏南部半旱區進行了兩年免耕一年深松 (NT/ST/NT)、兩年深松一年免耕 (ST/NT/ST)、連年翻耕 (CT) 3種耕作模式試驗，研究了其對耕層土壤容重、團聚體、土壤有機碳氮含量、土壤水分及作物產量的影響。【結果】3年耕作處理后，與連年翻耕相比，NT/ST/NT、ST/NT/ST處理0—20 cm層土壤容重分別降低了4.4%和7.3%，20—40 cm土層分別降低2.1%和5.7%，40—60 cm土層分別降低4.1%和5.5%；土壤孔隙度0—20 cm土層分別提高了4.1%和6.8%，20—40 cm土層提高了2.1%和4.3%，40—60 cm土層提高了5.5%和5.7%。0—20 cm土層，NT/ST/NT處理0.25～2 mm機械穩定性團聚體含量平均較CT處理提高了12.4%，ST/NT/ST處理 ＞ 2 mm機械穩定性團聚體含量較CT處理平均提高了42.0%；20—40 cm土層，NT/ST/NT、ST/NT/ST處理 ＞ 2 mm團聚體含量較CT處理平均分別提高了44.3%和50.4%。兩種輪耕模式使0—40 cm土層土壤團聚體平均重量直徑分別顯著高于CT處理21.8%和22.5%，幾何平均直徑分別高于CT處理9.6%和9.5%。三個處理耕層土壤有機碳氮含量均比試驗前有不同程度的增加，輪耕處理0—30 cm土層0.25～2 mm粒級有機碳含量和 ＜ 0.25 mm粒級全氮含量顯著高于CT，以ST/NT/ST處理效果最佳。NT/ST/NT和ST/NT/ST處理0—10 cm土層0.25～2 mm團聚體有機碳含量較CT處理分別顯著提高7.9%和10.2%，10—20 cm土層分別提高19.0%和15.7%，20—30 cm土層分別提高10.6%和13.3%；0—10 cm土層 ＜ 0.25 mm粒級全氮含量顯著提高9.4%和10.9%，10—20 cm土層分別提高6.8%和10.2%，20—30 cm土層分別提高7.4%和9.3%。研究期間，NT/ST/NT和ST/NT/ST處理較CT處理可顯著提高0—200 cm土壤貯水量，其中以ST/NT/ST處理保蓄土壤水分效果最佳。在小麥生長前期，輪耕處理土壤貯水量均高于連年翻耕，生長后期ST/NT/ST處理土壤水分含量最高，NT/ST/NT處理次之。輪耕處理的小麥生物量和籽粒產量顯著高于連年翻耕，其中小麥籽粒產量分別增加9.6%和10.7%。【結論】免耕/深松輪耕可顯著改善土壤的物理性狀和水分環境，顯著增加耕層土壤有機碳氮含量，提高作物的生產力，在寧南旱區有重要的應用前景。

旱作農田；土壤耕作；團聚體；有機碳；土壤水分；小麥產量

土壤性狀的改善影響土壤水肥氣熱的協調和水分和養分的運移，決定土壤供給作物養分的能力和產量的形成。西北黃土高原干旱、半干旱區旱作農田常年進行連年翻耕，使土壤結構遭到一定的破壞，使土壤有機質含量降低和養分流失，耕地質量變差，從而影響土地的可持續利用[1–2]。眾多研究表明，過度的連年翻耕嚴重破壞土壤的物理性狀，加速有機質分解和養分流失，加劇了土壤理化性狀和生態環境的惡化，直接導致土壤肥力降低，耕地質量日趨下降[3–4]。因此，如何通過合理的耕作措施來改善土壤肥力及生產力，提高作物產量，已成為目前亟待解決的重要問題。

保護性耕作措施 (少耕、免耕和深松) 在改善土壤結構、增加土壤團聚體含量、減少土壤有機碳礦化、增加土壤的保水保肥能力、提高產量等方面均具有顯著效果。Gao等[5]和Huang等[6]的研究發現，免耕可降低土壤容重、促進土壤團聚體的形成，從而能顯著提高土壤的保水能力；尚金霞等[7]和張麗華等[8]研究表明，深松能改善耕層土壤結構，增加土壤入滲性能，提高土壤的蓄水保墑能力。但是長期免耕可導致土壤緊實，連年深松對土壤水分保蓄效果并不顯著[9–10]。可見，單一免耕和深松措施對土壤性狀產生諸多問題，從而不利于作物的生長和產量的提高。

國內外學者研究表明，適時進行深松、免耕等土壤輪耕措施，形成與種植制度相適應的旱作土壤耕作技術體系，是解決長期連年翻耕弊病的有效措施[11–12]。因此，我們在西北旱區連續進行了三年免耕/深松隔年輪耕田間試驗，旨在探尋能夠改善土壤理化性質、提高作物生產力的耕作模式，以減少土壤養分損失，維持土地的可持續利用。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

2007～2010年試驗在寧夏回族自治區固原市彭陽縣旱作農業試驗站進行。試驗區位于寧夏南部半干旱區，海拔1800 m，年蒸發量達1050 mm，多年平均降雨量435 mm，60%的降雨發生在7～9月期間。年平均氣溫8.1℃，無霜期155 d，屬典型溫帶半干旱大陸性季風氣候。試驗田土壤類型為黃綿土，土壤肥力較低，耕層0—40 cm有機質含量為7.2 g/kg、堿解氮50.3 mg/kg、有效磷8.6 mg/kg、速效鉀84.8 mg/kg、pH值為8.5，屬低肥力水平。

1.2 試驗設計

試驗地前茬作物為冬小麥，處理前一直采用傳統翻耕方式；試驗期間未進行灌溉，小麥收獲時留茬5～8 cm，作物秸稈清除出農田。試驗設置3種耕作模式，隨機區組設計，3次重復。每個小區寬6 m、長15 m。耕作模式如下：1) 兩年免耕一年深松(NT/ST/NT) 第1年冬小麥收獲后進行免耕處理，第2年小麥收獲后進行深松處理，第3年小麥收獲后進行免耕處理。2) 兩年深松一年免耕 (ST/NT/ST) 第1年小麥收獲后進行深松處理，第2年小麥收獲后進行免耕處理，第3年小麥收獲后進行深松處理。3) 連年翻耕 (CT) 冬小麥收獲后，進行連年翻耕處理。免耕處理：小麥收獲后進行表土處理，清除雜草，9月下旬直接免耕播種。深松處理：采用中國農業大學生產的可調節深度的翼鏟式深松機進行。耕作深度30—35 cm，寬度間隔40 cm。傳統翻耕：采用專用鏵犁拖拉機翻耕土壤，耕作深度15—20 cm，耕后耙耱。

冬小麥品種為西峰26號，種植深度5—8 cm，播種密度350萬株/hm2。采用可控制深度 (壓輪) 和行距 (20 cm) 的免耕250型播種機分別于2007年9月18日、2008年9月15日和2009年9月20日播種，播種時基施尿素 (N ≥ 46%) 675 kg/hm2、過磷酸鈣 (P2O5≥ 12%) 750 kg/hm2，冬小麥拔節期分別追施尿素150 kg/hm2，試驗期間進行人工除草。冬小麥分別于2008年6月27日、2009年6月24日和2010年7月10日收獲。

1.3 測定項目及方法

1.3.1 土壤容重的測定 在2007年6月24日試驗處理前及2010年7月10日小麥收獲后，各小區均按0—20 cm、20—40 cm和40—60 cm土層用環刀分別取土樣，測定各土層土壤容重，并計算總孔隙度。

1.3.2 團聚體各粒級含量的測定 在2007年6月24日試驗前及2010年7月10日小麥收獲后，各小區均按0—10、10—20、20—30和30—40 cm土層分別采集原狀土樣，自然風干后除去粗根及小石塊，并將大土塊按自然裂痕剝離為1 cm3左右。將風干土樣分別過孔徑為 2 mm和0.25 mm的篩子，分為 ＞2 mm、0.25～2 mm、＜ 0.25 mm三個級別。然后按三個級別土樣在原狀土中所占比例取混合土樣200 g。土壤團聚體粒級分布和穩定性利用干篩法和濕篩法測定，并分別計算出 ＞ 2 mm、0.25～2 mm、＞ 0.25 mm和 ＜ 0.25 mm各粒級機械穩定性團聚體和水穩性團聚體含量；機械穩定性團聚體平均重量直徑(DMWD) 、幾何平均直徑 (DGMD) ；水穩性團聚體平均重量直徑 (WMWD) 、幾何平均直徑 (WGMD)。

1.3.3 土壤總有機碳和全氮含量的測定 在2007年6月24日試驗前及2010年7月10日小麥收獲后，各小區按0—10、10—20、20—30和30—40 cm土層分別取樣，測定土壤有機碳和全氮；土壤總有機碳和全氮含量分別采用碳分析儀和凱氏定氮儀測定[21]。

1.3.4 土壤水分含量的測定 在冬小麥生育期 (播種期、返青期、拔節期、抽穗期、灌漿期和成熟期) 各小區采用土鉆取土 (0—200 cm)，每20 cm土層分層取樣，烘干法測定土壤質量含水量。

土壤貯水量 (mm)：W= 10hab

式中：h為土層深度 (cm)；a是土壤容重 (g/cm3)；b是土壤質量含水量 (%)。

1.3.5 作物生物量及產量的測定 小麥收獲期，分別測定小麥地上部生物量 (籽粒與秸稈)、地下部生物量 (根茬以下部分)。

1.4 數據分析

試驗數據采用SAS 8.01進行單因素方差(ANOVA) 分析，采用Duncan新復極差法顯著性檢驗 (P＜ 0.05)，各指標應用DPS 6.55軟件進行逐步回歸，Excel 2003制圖。

2 結果與分析

2.1 不同耕作模式下土壤容重及孔隙度

經過3年耕作試驗后，2010年小麥收獲期，輪耕處理 (NT/ST/NT和ST/NT/ST) 顯著降低了0—60 cm土層土壤容重，降幅達5.6%～9.0%，而連年翻耕處理 (CT) 無明顯變化 (圖1)；與CT處理相比，NT/ST/NT和ST/NT/ST處理0—60 cm土層土壤容重分別顯著降低3.5%和6.2%。0—20 cm土層，2010年NT/ST/NT、ST/NT/ST處理的土壤容重比CT處理分別降低4.4%和7.3%；20—40 cm土層，分別降低2.1%和5.7%；40—60 cm土層，分別降低4.1%和5.5%，而輪耕處理間無顯著差異。輪耕處理的0—60 cm土層土壤孔隙度均比處理前顯著增加，而連年翻耕處理增幅不顯著。NT/ST/NT、ST/NT/ST處理0—20 cm土壤孔隙度高于CT處理4.1%和6.8%，20—40 cm提高2.1%和4.3%，40—60 cm提高5.5%和5.7%。

2.2 不同耕作模式下土壤團聚體粒級分布及穩定性

經過3年不同輪耕試驗，3種耕作處理0—10 cm和10—20 cm土層0.25～2 mm機械穩定性團聚體數量均比處理前顯著增加，而輪耕處理20—30 cm和30—40 cm土層 ＞ 2 mm機械穩定性團聚體數量均比處理前顯著增加，連年翻耕處理增幅不顯著(表1)。0—10 cm土層，NT/ST/NT處理0.25～2 mm機械穩定性團聚體數量較CT處理提高12.4%，ST/NT/ST處理 ＞ 2 mm機械穩定性團聚體數量較CT處理提高37.8%；10—20 cm土層，NT/ST/NT、ST/NT/ST處理0.25～2 mm機械穩定性團聚體數量較CT處理分別提高12.4%和18.4%，ST/NT/ST處理 ＞ 2 mm機械穩定性團聚體數量較CT處理提高46.2%；在20—30 cm和30—40 cm土層，NT/ST/NT、ST/NT/ST處理平均 ＞ 2 mm團聚體數量較CT處理分別提高44.3%和50.4%。

通過3年不同耕作處理，與連年翻耕處理相比，輪耕處理0—40 cm土層0.25～2 mm水穩性團聚體含量均顯著增加； ＜ 0.25 mm水穩性微團聚體含量CT處理均高于NT/ST/NT和ST/NT/ST處理；各處理 ＞ 2 mm水穩性團聚體含量最低 (1.5%～2.6%)。輪耕處理0—10 cm土層0.25～2 mm水穩性團聚體含量較連年翻耕處理分別提高24.7%和26.7%，10—20 cm土層分別提高75.7%和48.7%，20—30 cm土層分別提高53.5%和62.6%，30—40 cm土層分別提高45.4%和35.1%。然而，0—40 cm土層平均 ＜ 0.25 mm團聚體含量分別降低4.6%和4.4%。

不同耕作措施可顯著影響土壤團聚體的平均重量直徑和幾何平均直徑 (表1)。各處理機械穩定性團聚體平均重量直徑 (DMWD) 和幾何平均直徑(DGMD) 遠高于水穩性團聚體平均重量直徑(WMWD) 和幾何平均直徑 (WGMD)。3年不同耕作處理后，各處理DMWD和DGMD值隨土層的加深而增加，而WMWD和WGMD值隨土層的加深而下降。在0—40 cm土層，NT/ST/NT和ST/NT/ST處理的平均DMWD值分別顯著高于CT處理17.6%和27.7%，平均DGMD值分別顯著高于CT處理27.5%和45.5%。NT/ST/NT和ST/NT/ST處理0—40 cm土層平均WMWD值分別顯著高于CT處理21.8%和22.5%，平均WGMD值分別高于CT處理9.6%和9.5%。

圖1 不同耕作模式不同土層土壤容重和孔隙度Fig. 1 Bulk density and porosity of soil at different depths under different tillage patterns

徑ean)c a ab b c a a b b a a ab b a a ab e in團leaggregate 直均0.03 0.05 0.02 0.04 0.05 0.03 0.02 0.02 0.03 0.03 0.04 0.02 0.03 0.01 0.01 0.04 o-tillagifferent體 平etric m eter(mm聚幾Geom何diam 0.26±0.34±0.33±0.31±0.26±0.35±0.36±0.29±0.26±0.29±0.29±0.27±0.26±0.29±0.29±0.28±定穩 徑水Water-stab直eight)b a a b b c a c c b a c a a a b e firstyear,n量平Meanw th alues followed by d重eter(mm 0.09 0.13 0.19 0.08 0.14 0.06 0.06 0.01 0.11 0.06 0.06 0.15 0.09 0.12 0.07 0.13 in均diam 0.97±1.19±1.23±0.99±1.24±1.02±1.43±0.95±1.18±1.54±1.90±0.96±1.50±1.58±1.53±1.29±5)V Subsoiling＜ 0.0(P體regate徑ean)平etric m attern s 均直eter(mm± 0.04 d± 0.02 a± 0.02 b± 0.03 c± 0.01 d免水± 0.03 b± 0.02 a± 0.04 c年著± 0.03 c± 0.02 a± 0.02 a± 0.03 b± 0.05 c± 0.04 a± 0.03 ab± 0.05 b一顯耕平聚diam幾Geom gep 團0.14 0.52 0.48 0.44 0.13 0.53 0.59 0.38 0.14 0.36 0.36 0.32 0.13 0.36 0.35 0.33松達定深異年差b徑穩a a直eight)a c Elastic-stableagg b何eter(mm a械b c a a b b 0.15 a a a 兩間0.20機T—理重0.15性0.25 0.13 0.12 0.15 0.08平Meanw 0.05 0.10 0.20 0.18 0.19 0.08 0.25 0.03/S處不定均穩布der d ifferenttilla diam量0.81±1.72±1.81±1.54±0.98±1.55±1.94±1.50±0.96±2.27±2.55±1.64±1.11±2.35±2.26±2.03±T/NT同及表分un year; S示母級th 定穩)同粒ep (%± 1.1a± 1.8c± 1.8bc± 1.8b± 1.9a± 1.7c± 0.9c± 1.2b± 1.3a± 2.1c± 1.8c± 1.1b± 0.8a± 0.8c± 0.5c± 0.5b不層ility at 0–40 cm d m 水.8.1.1.2.8.1.5.3.1.7.6.4.4.3.8.7各Water-stable 97848588988382919892929598929294后體5 m值數聚.2列團＜0定)壤穩械(%± 4.6a± 5.1b± 3.3b± 2.3a± 2.2b± 3.8b± 4.8c± 4.8a± 4.5b± 3.1c± 2.8d± 2.0a± 2.2b± 4.1b± 1.8b± 2.9a土機Elastic-stable.638.725.526.434.930.032.618.636.133.823.716.839.324.424.723.030ear,no-tillage in thethird字year. 同cmstab土4 0 nd 定)0—n a 穩(%0.1 c 0.1 a 0.1 a 0.1 b 0.6 d 0.5 a 1.0 b 0.6 c 0.1 c 0.7 a 0.6 a 0.1 b 0.2 c 0.1 a 0.5 a 0.3 b式utio m 水Water-stable 2.2 ±12.3±12.5±9.9 ±1.2 ±13.4±11.3±7.6 ±1.9 ±6.2 ±6.6 ±4.0 ±1.6 ±7.0 ±6.5 ±4.8 ±after harvestevery模0.25～2m定)0.05).耕作istrib穩(%± 1.9c± 2.5a± 3.1b± 4.2b± 3.7c± 4.1a± 3.7a± 2.9b± 3.6b± 2.3c± 1.8c± 1.5a± 2.2a± 2.3b± 4.4a± 4.1a efore and同械.6.4.2.2.8.5.9.5.0.7.4.5.1.0.4.8g b 1 不 機Elastic-stable 31474142264547402522202824182324 ents(P＜表ggregatesize d Plaughin treatm oil a 定穩)(%—0.2 a 0.2 b 0.1 b—0.4 b 0.3 a 0.3 c—0.3 a 0.3 a 0.4 a—0.0 a 0.0 a 0.0 a耕翻Table 1 S 水mm Water-stable 3.6 ±2.4 ±1.9 ±3.5 ±6.2 ±1.1 ±1.1 ±0.8 ±0.5 ±0.7 ±0.7 ±0.5 ±年連＞2No-tillagein thefirstyear,subsoiling in thesecond y定松T—穩)深械(%± 3.3ab± 5.2bc± 4.1a± 4.9c± 2.2a± 5.2c± 3.4b± 4.3c± 4.2c± 5.3b± 2.0a± 2.8d± 3.6b± 2.1a± 4.2b± 4.3c年機Elastic-stable year; C.9.8 26.332.423 Beforetreatment42.6.4 22.533.922 Beforetreatment41.5.9 53.962.731 Beforetreatment51.6.6 57.952.345一耕免e third年thnificantdifferencesamong T—兩in t理/N en處Treatm Beforetreatment29 T/ST subsoiling n indicate sig前T/NT T/ST前T/NT T/ST前T/NT T/ST前T/NT T/ST：N理/S e colum/NST 理CT /SNT /NST CT 理/S /N NT 理/S /N處NT 處ST CT 處NT ST CT ote）（Nd y(cm)層土ear,and Soildepth 10處0—10—20 20—30 30—40注e seco nth letters in thesam

2.3 不同耕作模式下土壤有機碳和全氮含量

由表2可知，經過3年耕作處理后，與2007年試驗前相比，2010年小麥收獲期所有處理土壤有機碳和全氮含量均顯著增加。這可能由于連年根茬還田，使土壤有機碳含量有所提高。2010年，各處理0—40 cm土層0.25～2 mm粒級有機碳和全氮含量最高，與CT處理相比，NT/ST/NT和ST/NT/ST處理顯著增加了0—10 cm、10—20 cm、20—30 cm土層0.25～2 mm團聚體有機碳含量，顯著增加了土層 ＜0.25 mm粒級全氮含量，而輪耕處理間無顯著差異。NT/ST/NT和ST/NT/ST處理0—10 cm土層0.25～2 mm團聚體有機碳含量較CT處理顯著提高7.9%和10.2%，10—20 cm分別提高19.0%和15.7%，20—30 cm土層分別提高10.6%和13.3%。NT/ST/NT和ST/NT/ST處理0—10 cm土層 ＜ 0.25 mm粒級全氮含量較CT處理顯著提高9.4%和10.9%，10—20 cm分別提高6.8%和10.2%，20—30 cm分別提高7.4%和9.3%。而30—40 cm土層，不同粒級有機碳和全氮含量各處理間無顯著差異。

隨著土層的加深，所有處理各粒級團聚體有機碳和全氮含量降低，0.25～2 mm粒級的有機碳和全氮含量高于 ＞ 2 mm和 ＜ 0.25 mm粒級。輪耕對團聚體有機碳和全氮含量的影響在0—20 cm土層，兩年深松一年免耕模式在一定程度上減少對表層土壤的擾動，維持較高的 ＜ 2 mm粒級土壤有機碳含量，降低土壤的氮素損失，ST/NT/ST處理0.25～2 mm和 ＜0.25 mm粒級的有機碳和全氮含量表現出明顯的優勢。在20—40 cm，兩種輪耕處理0.25～2 mm粒級的有機碳含量較高，相反，連年翻耕處理 ＜ 0.25 mm粒級的有機碳和全氮含量最高，這是因為大顆粒團聚體 (0.25～2 mm) 中的有機碳氮含量高于微團聚體 (＜ 0.25 mm)，而輪耕處理的大顆粒團聚體含量高于連年翻耕處理，連年翻耕處理的微團聚體含量高于輪耕處理。

2.4 不同耕作模式下土壤水分狀況

表3表明，小麥不同生育期土壤水分狀況受階段降雨量的影響較大。不同耕作模式可有效貯蓄夏季休閑期 (7～9月) 降雨，在小麥播種期3年平均土壤貯水量NT/ST/NT和ST/NT/ST處理分別顯著高于CT處理10.2%和11.5%。次年3月中旬小麥返青期，各處理土壤水分含量較播種期略有下降，3年平均土壤貯水量NT/ST/NT和ST/NT/ST處理較CT處理分別提高6.1%和6.2%。4月中旬小麥拔節期，作物耗水增加，而降水稀少。3年平均土壤貯水量NT/ST/NT和ST/NT/ST處理分別較CT處理提高9.4%和7.7%，其中試驗第1年和第3年各處理間差異顯著。4月下旬小麥抽穗期，小麥生長旺盛，耗水強烈，各處理土壤水分含量急劇下降。與CT處理相比，3年平均土壤貯水量NT/ST/NT和ST/NT/ST處理分別顯著增加了8.8%和12.9%。5月下旬到6月底，小麥灌漿，耗水增強，降雨較少，各處理土壤水分含量降至最低。3年平均土壤貯水量NT/ST/NT和ST/NT/ST處理分別顯著較CT處理提高13.5%和13.1%。6月中旬小麥開始成熟，降雨有所增加，各處理土壤水分狀況有所恢復，輪耕處理與CT處理差異顯著。3年平均土壤貯水量NT/ST/NT和ST/NT/ST處理分別較CT處理提高5.4%和6.7%。

2.5 不同耕作模式下作物產量

表4表明，不同耕作模式可顯著影響作物生物量和籽粒產量。研究期間，兩年免耕一年深松(NT/ST/NT) 和兩年深松一年免耕 (ST/NT/ST) 處理下小麥3年平均地下部生物量分別為1962.9 kg/hm2和2007.5 kg/hm2，顯著高于連年翻耕 (CT) 處理 (1848.2 kg/hm2)。NT/ST/NT、ST/NT/ST處理3年小麥地上部生物量平均分別比CT處理提高6.2%和7.3%，籽粒產量增產9.6%和10.7%，以ST/NT/ST處理增產效果最為顯著。其中，兩種輪耕模式下小麥生物量和產量無顯著差異，連年翻耕處理的小麥生物量和產量最低。

2.6 不同耕作模式下小麥籽粒產量與土壤理化指標的通徑分析

對不同耕作模式下土壤物理、化學及小麥產量各指標應用DPS 6.55軟件進行逐步回歸，得到小麥籽粒產量 (Y) 與各指標之間的回歸方程：

0.06 m c c ab 0.1 ab a b e in mm＜ 0.25 m ifferent 3.3 ±3.8 ±0.1 a 3.9 ±0.1 b 3.6 ±0.01 0.41±0.02 0.52±0.02 0.54±0.02 0.49±o-tillag 0.1 b 30—40 cm～20.2 ab 0.1 ab3.9 ±3.6 ±0.2 a 0.02a e treatments 0.25 4.1 ±3.7 ± ± 0.02 b e firstyear,n 0.43± 0.01 a 0.57± 0.02 a 0.53thin alues followed by d 5)V mm ＜ 0.0 0.0 c 0.2 ab 0.1 a 0.2 b 0.01c 0.02ab0.55 ±0.02a 0.03b th ＞ 2 Subsoiling(P in 3.5 ±4.1 ±4.3 ±3.9 ± 耕平th 0.42±0.53±0.55±0.50±免水ep 年著c a 0.2 c m a b 0.1 a＜ 0.25 m一顯0.1 a 松達4.4 ±3.3 ±4.3 ±0.2 b 3.8 ±0.02 0.43±0.01 0.58±0.01 0.59±0.03 0.54±深異年差兩間(g/k g)ifferentsoil d m c ab a b T—理/S處量0.1 c 0.0 a 0.1 a 0.1 b 0.02 0.01 0.03 0.01 T/NT同不含20—30 cm 0 ±氮0.25～2m 3.4 ±4.5 ±4.6 ±4.1 ±0.45±.60.62±0.57±表母全year; S示和m同碳0.3 c 0.1 ab 0.0 a不機＞ 2m± 0.0b± 0.01 c± 0.02 ab0± 0.02 a± 0.02 b后有3.3 ±4.3 ±4.4 ±值壤4.01 0.47 0.57 0.59 0.54數土m列中體 團) in d ifferentsize of aggregates at d 5 m.20.0 c 0.1 a 0.2 a 0.1 b聚＜ 0 3.7 ±4.4 ±4.7 ±4.1 ± ± 0.01 c± 0.03 a± 0.02 a± 0.01 b ear,no-tillage in thethird字year. 同級cm 0.49 0.63 0.65 0.59粒m各0.2 c 0.1 a 0.2 a 0.2 b 0.02b 0.03a 0.02a 0.01a壤土10—20 cm 0.25～2m 3.9 ±5.1 ±4.9 ±4.3 ±5 ±.6理tents (0–40 0.56±0.67±0.64±after harvestevery處各mm 0.05).層0.2 b 0.0 a 0.1 a 0.1 b± 0.00 ab0± 0.03 a± 0.00 b efore and土＞ 2 g b同itrogen con 4.3 ±5.4 ±5.4 ±4.5 ±0.54 ± 0.02 c 0.64 0.65 0.62 2 不total n ents(P＜m b a a b Plaughin表iccarbon and 5 m.20.2 bc 0.2 ab 0.1 a 0.2 c 0.01 0.02 0.03 0.01treatm＜ 0 5.0 ±5.2 ±5.4 ±4.8 ±0.61±0.70±0.71±0.64± 耕No-tillagein thefirstyear,subsoiling in thesecond y翻年連m松T—rgan 10cm 0.1 c 0.2 a 0.2 a 0.2 b深0— ± 0.03 b± 0.01 a± 0.02 a± 0.03 a年year; C oil o 0.25～2m 4.7 ±5.6 ±5.8 ±5.2 ±0.57 0.74 0.76 0.71一耕Table 2 S m 免e third nificantdifferencesamong＞ 2m 0.1 c 年th 4.7 ±0.1 a 5.3 ±0.1 a 5.4 ±0.2 b 5.0 ±0.01b 0.61±0.02a 0.67±0.02a 0.68±0.02b 0.63±T—兩in ent /N n indicate sig理T/ST subsoiling處Treatm 前reent處Befo T/NT T/ST T/NT T/ST理treatm /S 前reent NT /NST CT 理處Befo treatm /SNT /NST CT ：N ote）e colum指Index標 碳有Organic C氮Total N （Nd y ear,and機注全e seco nth letters in thesam

表3 不同耕作模式對冬小麥生育期土壤水分的影響 (mm)Table 3 Effects of different tillage practices on soil water during growth stages of winter wheat

表4 不同耕作模式對冬小麥生物量和籽粒產量的影響 (kg/hm2)Table 4 Effects of different tillage patterns on biomass and grain yields of winter wheat

式中：X1為0—60 cm土層土壤容重；X2為0—60 cm土層土壤孔隙度；X3為 ＞ 0.25 mm機械穩定性團聚體含量；X4為 ＞ 0.25 mm水穩性團聚體含量；X5為0—40 cm土層機械穩定性團聚體平均重量直徑；X6為0—40 cm土層水穩性團聚體平均重量直徑；X7為0—40 cm土層機械穩定性團聚體幾何平均直徑；X8為0—40 cm土層水穩性團聚體幾何平均直徑；X9為0—40 cm土層 ＞ 0.25 mm粒級土壤有機碳；X10為0—40 cm土層 ＞ 0.25 mm粒級土壤全氮；X11為作物關鍵生育期 (播種、拔節、抽穗和灌漿期)土壤水分；X12為地下部生物量；X13為地上部生物量。樣本數為27，回歸方程決定系數為0.9999，F值5909.28，顯著水平P為0.0101，Durbin-Watson統計量d= 2.04。

通過逐步回歸，篩選出通徑分析指標，并進行通徑分析 (表5)。各變量直接作用大小為X1＞X2＞X9＞X13＞X12＞X10＞X11＞X8＞X4＞X3，其中X10、X12、X4為負值。說明土壤容重 (X1) 和土壤孔隙度 (X2) 對小麥籽粒產量的影響最大，且呈正相關關系；其次為土壤有機碳 (X9) 和地上生物量 (X13)，也為正相關關系。而土壤總氮 (X10) 和地下部生物量 (X12) 為直接負作用，作用較大；其他變量相關性均較小。作物關鍵生育期土壤水分、＞ 0.25 mm粒級團聚體數量和土壤有機碳雖然對小麥籽粒的直接關系較小，但其通過作物地上部生物量的間接作用較大，且為正作用，而其通過其他變量的間接作用均較小。雖然土壤總氮 (X10) 的直接作用為負，但其通過土壤總碳(X9) 和地上生物量 (X13) 的間接作用較大，其均為正作用。而土壤 ＞ 0.25 mm水穩性團聚體含量和小麥地下部生物量的間接作用為負作用，說明 ＞ 0.25 mm水穩性團聚體含量和地下部生物量對于小麥籽粒產量的提高不利，應通過調節土壤物理結構和作物地上部生物量來促進小麥籽粒產量的提高。由剩余通徑系數為0.00411可知，以上各指標能較好地表達對小麥產量的影響作用。

3 討論

3.1 土壤容重及孔隙度

相關研究[13–14]表明，兩年免耕后深松可以降低土壤容重，連續兩年深耕或一年免耕一年深耕對土壤容重的降低是最有效的。孔凡磊等[15]研究也發現，輪耕顯著降低了0—30 cm土壤容重，顯著改善了0—20 cm土壤總孔隙度。本研究結果表明，與連年翻耕相比，兩種輪耕模式能有效打破犁底層，減小緊實度，使0—60 cm土壤容重維持在較低的水平。這主要由于免耕結合深松輪耕可以疏松土壤，打破犁底層，減少因機械頻繁操作而造成的土壤壓實[10]。相關研究[16]表明，耕作措施通常可以增加總孔隙度，從而改善土壤的孔隙狀況。在本研究中，輪耕處理0—60 cm的土壤總孔隙度顯著高于連年翻耕處理，這是由于輪耕可以避免土壤頻繁擾動，減少機械壓實，降低土壤容重[17]，從而使耕層土壤孔隙狀況得到改善。

3.2 土壤團聚體含量及穩定性

不同耕作方式可通過影響團聚體不同粒級間的轉化及分布，進一步影響土壤結構的穩定性[18]。程科等[19]的研究認為，免耕/深松保護性輪耕模式能提高耕層團聚體含量與穩定性，改善旱地土壤結構。王麗等[20]研究結果表明，不同耕作處理對土壤團聚體含量、粒級分布及穩定性均有明顯影響，免耕和輪耕較連續翻耕提高了0—30 cm土層土壤大團聚體含量。本研究發現，輪耕處理0.25～2 mm土壤團聚體含量顯著高于連年翻耕處理，相反，連年翻耕處理的微團聚體 (＜ 0.25 mm) 含量較高，＞ 0.25 mm大顆粒團聚體相應減少，這是因為頻繁的土壤耕作，降低了大顆粒土壤團聚體的含量，而微團聚體與大顆粒團聚體相比，穩定性更強，不易受外界因素的影響[21]。經過3年不同耕作處理，與連年翻耕相比，兩年免耕一年深松和兩年深松一年免耕模式使0—30 cm土層的 ＞ 0.25 mm機械穩定性團聚體的數量增加，這可能由于免耕/深松隔年輪耕措施對土壤減少了機械擾動的次數，改善耕層土壤團粒結構，而連年翻耕頻繁擾動土壤，加速土壤有機碳的礦化，不利于穩定性膠結劑的產生和大團聚體的形成[22]。Chen等[23]報道，免耕和深松處理下0—30 cm土層0.25～2 mm平均重量直徑 (MWD) 和幾何均重直徑(GMD) 均高于連年翻耕。Zibilske等[24]在伊達爾哥州沙壤土上的研究也表明，0—5 cm和10—15 cm土層連年翻耕比免耕和旋耕的MWD值顯著降低。本研究結果發現，免耕/深松隔年輪耕模式使MWD和GMD值明顯增加，團聚體穩定性增強，而頻繁的土壤耕作對大團聚體的機械破壞作用，使團聚體穩定性降低[23]。

表5 耕作模式下小麥籽粒產量與各指標的通徑分析Table 5 Path analysis on the relationship between grain yields of wheat and indexes under tillage practices

3.3 土壤有機碳和全氮

相關研究[20]表明，耕作土壤中團聚體粒徑在0.25～2 mm的土壤團聚體含量對有機碳含量的積累影響顯著。本研究也表明，不同耕作模式下0—40 cm土層0.25～2 mm粒級有機碳和全氮含量最高，因此可通過測定0.25～2 mm土壤團聚體數量來衡量土壤有機碳含量。Chen等[23]研究表明，與傳統耕作相比，深松和免耕處理0—15 cm土層團聚體各粒級土壤有機碳及全氮含量顯著增加。McCarty等[25]也發現，3年連年翻耕后進行免耕可增加0—10 cm土層有機碳含量；王麗等[20]研究表明，輪耕模式較連續翻耕有利于提高耕層土壤有機質和全氮含量。本研究中，免耕/深松隔年輪耕0—30 cm土層團聚體中土壤有機碳和全氮含量均顯著高于連年翻耕處理，這是由于免耕/深松輪耕減少了對土壤的擾動，減少了碳、氮損失，加上作物秸稈殘茬覆蓋在地表，使養分集中在土壤表層[26]，而連年翻耕頻繁擾動土壤，加快有機碳氮的礦化，降低了表層有機碳氮的積累[27]。

3.4 土壤水分

保護性耕作措施能有力地促進土壤水分利用，不同耕作處理對作物生育期土壤水分的影響較大[28]。在小麥生長前期，輪耕處理土壤貯水量與連年翻耕處理差異顯著，這主要與夏閑期不同耕作技術模式的應用有關[29–30]。在生長后期，ST/NT/ST處理土壤水分含量最高，NT/ST/NT處理次之，這是由于免耕/深松輪耕可以降低土壤容重[13]，有效地接納更多的降水，供作物關鍵需水階段 (拔節至灌漿期) 利用，而單一的連年翻耕處理土壤水分蒸發較強[31]，在小麥整個生育期土壤水分含量一直保持最低。李娟等[32]也認為采用合理的保護性耕作措施，在播種前和作物主要生育期土壤水分都有了較大的改善。本研究中免耕/深松輪耕較連年翻耕有較好的蓄水保墑效應，從而緩解作物播前及生育期干旱缺水的問題。

3.5 作物產量

通過對小麥籽粒產量與土壤性狀及作物生產力的通徑分析發現，不同耕作模式下土壤容重、孔隙度、有機碳和土壤水分等土壤性質成為小麥籽粒產量的主導因子，說明不同耕作模式在改善土壤容重和孔隙度及水分環境的同時，提高了土壤有機碳含量，最終直接影響小麥的籽粒產量，反映了耕作措施下土壤性狀與籽粒產量的內在聯系。本研究結果表明，小麥收獲后輪耕處理的地下部生物量顯著高于連年翻耕處理。這是由于不同耕作處理導致作物根茬有機物投入的不同，相對于連年翻耕處理，輪耕處理使土壤有機碳氮含量增加。研究期間，輪耕處理比連年翻耕顯著增加作物產量，這是因為輪耕可減少對土壤結構的破壞，從而改善了土壤的理化性狀[17]和增加了土壤貯水量[32]，進而提高小麥的籽粒產量；而連年翻耕經過頻繁翻耕，嚴重破壞土壤的結構，加速有機質的分解，使土壤性狀惡化[33]，影響土壤貯水能力和作物的地上部干物質的積累和籽粒產量的形成[34]。

4 結論

1) 相對于連年翻耕，輪耕模式可明顯改善土壤物理性狀，主要表現在耕層土壤容重的降低，＞ 0.25 mm粒級團聚體含量的增加和團聚體穩定性 (WMD和GMD) 增強。

2) 輪耕處理0—30 cm不同粒級有機碳含量(0.25～2 mm) 和全氮含量 (＜ 0.25 mm) 顯著高于連年翻耕處理。其中，兩年深松一年免耕處理 (ST/NT/ST)的有機碳含量最高。

3) 在小麥生長前期，輪耕處理土壤貯水量均高于連年翻耕，生長后期，ST/NT/ST處理土壤水分含量最高，NT/ST/NT處理次之；輪耕處理的小麥生物量和籽粒產量均顯著高于連年翻耕處理，兩年深松一年免耕處理 (ST/NT/ST) 處理增產效果最為顯著。

4) 對小麥產量與土壤性狀各指標進行逐步回歸發現，輪耕模式通過改善土壤的理化性狀，提高作物的干物質積累，最終影響小麥的籽粒產量。總之，免耕/深松輪耕措施可顯著改善土壤的理化性狀和土壤水分環境，顯著增加耕層土壤有機碳、氮含量，維持了作物的生產力，在寧南旱區有重要的應用前景。

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Effects of different tillage practices on soil properties and wheat yields in dry farmland of northwest China

HOU Xian-qing1, LI Rong1, JIA Zhi-kuan2*, HAN Qing-fang2
(1 School of Agriculture, Ningxia University, Yinchuan 750021, China; 2 Chinese Institute of Water-saving Agriculture/Key Laboratory of Crop Physiology-Ecology and Tillage Science in Northwestern Loess Plateau, Ministry of Agriculture, Northwest A&FUniversity, Yangling, Shaanxi 712100, China)

【Objectives】In rain-fed semi-arid agro-ecosystems in northwest China, continuous ploughing has led to serious soil deterioration and crop productivity decline. Adopting suitable tillage practices is very important for improving soil fertility and keeping stable crop yields.【Methods】A field experiment was conducted in arid area of southern Ningxia from 2007 to 2010. The treated tillage patterns included: 1) no-tillage in the first year(CT), subsoiling in the second year and no-tillage in the third year (NT/ST/NT); 2) subsoiling in the first year,no-tillage in the second year and subsoiling in the third year (ST/NT/ST); 3) ploughing before and after harvest every year. The soil bulk density, aggregate, soil organic carbon (SOC), total nitrogen (TN) content, soil water,and crop yields were determined.【Results】After 3 years’ treatments, the soil bulk density under NT/ST/NT and ST/NT/ST was significantly decreased by 4.4% and 7.3% at the 0–20 cm depth, 2.1% and 5.7% at the 20–40 cm depth and 4.1% and 5.5% at the 40–60 cm depth, compared with CT. The total soil porosity under NT/ST/NT and ST/NT/ST was 4.1% and 6.8% higher than that under CT at the 0–20 cm depth, 2.1% and 4.3%at the 20–40 cm depth and 5.5% and 5.7% at the 40–60 cm depth, respectively. At 0–20 cm, the mean amount of the 0.25–2 mm elastic-stable aggregate in NT/ST/NT was 12.4% higher than in CT, and the mean amount of the ＞ 2 mm elastic-stable aggregate in ST/NT/ST was 42.0% higher than in CT. At 20–40 cm, the mean amounts of the ＞ 2 mm elastic-stable aggregate under NT/ST/NT and ST/NT/ST were 44.3% and 50.4% higher than CT, respectively. The mean weight diameter values in NT/ST/NT and ST/NT/ST were 21.8% and 22.5%higher than in CT respectively, and the geometric mean diameter values were 9.6% and 9.5% higher than CT at 0–40 cm depth. The soil organic carbon (SOC) and total nitrogen (TN) contents at 0–40 cm depth were increased in all treatments compared with the initial background value. Significant differences were detected in the SOC contents in aggregates of 0.25–2 mm and the TN contents in aggregates of ＜ 0.25 mm size fractions at 0–10 cm, 10–20 cm, and 20–30 cm depths between the two rotational tillage treatments and the conventional tillage, and the ST/NT/ST treatment produced the highest increases. The SOC contents in 0.25–2 mm of aggregates in NT/ST/NT and ST/NT/ST treatments were significantly increased by 7.9% and 10.2% at the 0–10 cm depth, 19.0% and 15.7% at the 10–20 cm depth, and 10.6% and 13.3% at the 20–30 cm depth, compared with CT. The TN contents in ＜ 0.25 mm of aggregates in NT/ST/NT and ST/NT/ST were significantly increased by 9.4% and 10.9% at the 0–10 cm depth, 6.8% and 10.2% at the 10–20 cm depth, and 7.4% and 9.3% at the 20–30 cm depth, compared with CT. During the three-year study, both the NT/ST/NT and ST/NT/ST treatments significantly increased soil water storage (0–200 cm) compared with CT treatment, and the ST/NT/ST treatment was better than NT/ST/NT. The rotational tillage treatments significantly increased the soil water storage at the early growing season of wheat, and the ST/NT/ST treatment produced the highest soil water storage, followed by the NT/ST/NT treatment at the later growing season of wheat. Biomass and grain yields of wheat with the rotational tillage practices were significantly and positively influenced over 3 years,and the 3-year mean wheat grain yields for NT/ST/NT and ST/NT/ST were increased by 9.6% and 10.7%compared with CT.【Conclusions】The rotation of no-tillage and subsoiling was a promising management option for enhancing soil C and N sequestration, with the benefit of maintaining soil physical properties, water environment, and crop productivity of tillage practices in arid areas of southern Ningxia.

dry farmland; soil tillage; aggregate; organic carbon; soil water; wheat yield

2017–02–13 接受日期：2017–05–22

國家自然科學基金（31301280）；國家“十一五”科技支撐課題（2006BAD29B03）資助。

侯賢清（1981—），男，河南商丘人，副教授，主要從事農業節水技術方面研究。E-mail：houxianqing1981@126.com

* 通信作者 E-mail：zhikuan@tom.com