種植方式和耕作措施對土壤結構與水分利用效率的影響

張 霞 張育林 劉 丹 杜昊輝 李 軍 王旭東

(1.西北農林科技大學資源環境學院， 陜西楊凌 712100； 2.西北農林科技大學農學院， 陜西楊凌 712100)

0 引言

土壤團聚體是由土粒和有機物質膠結而形成的直徑為0.25～10 mm的結構單位，其形成與土壤有機碳密不可分, 同時土壤團聚體對土壤有機碳的物理保護可使有機碳減緩或免受礦化分解，對土壤固碳和土壤肥力的發揮具有十分重要的作用[1-3]。耕作是影響土壤結構穩定、有機碳礦化的主要人為因素[4-5]，頻繁的翻耕使土壤結構遭到破壞，土壤有機碳含量下降[6]。很多研究表明，以少耕、免耕為主要內容的保護性耕作對增加土壤結構穩定性、提高土壤有機碳含量、增加土壤固碳能力有重要作用[7-9]。張祥彩等[10]研究表明，免耕、深松可分別提高0～10 cm、10～30 cm土層粒徑大于0.25 mm水穩性團聚體含量。楊永輝等[11]在研究長期免耕下土壤結構與有機碳分布的特征時發現，長期免耕處理有利于提高土壤大于0.5 mm大粒級團聚體含量，顯著增加土壤結構穩定性，并提高了0～40 cm土層總有機碳及各粒級團聚體有機碳含量。目前，國內外關于不同耕作方式等對土壤結構穩定及有機碳分布影響的研究較多[12-14]，但是關于作物種植方式對土壤結構穩定及有機碳分布影響的研究不多，且多集中于水旱輪作、禾本科-豆科作物輪作的研究[15-17]，關于小麥連作與小麥/玉米輪作下土壤結構及有機碳差異的研究較少。

渭北旱塬是黃土高原典型的旱作雨養農業區，作為陜西省重要的糧食生產基地，冬小麥和春玉米是該地區的主要糧食作物，而降水短缺及其季節分布不均制約著作物生長發育，農民習慣采用“翻耕+淺旋”的耕作方式，長期劇烈的土壤擾動引發了該地區土壤結構破壞嚴重、土壤有機碳礦化損失大、水分利用效率低等一系列問題[18-19]。如何構建適合當地的耕作方式、改善土壤結構、增加土壤固碳能力、提高作物產量和水分利用效率是亟待解決的問題。為此，本文基于渭北旱塬的長期定位試驗，在小麥連作和小麥/玉米輪作兩種種植方式下，以耕作措施對土壤結構穩定、有機碳固定、小麥水分利用的影響為研究重點，探討不同種植方式與耕作措施下土壤結構、有機碳與小麥產量、水分利用效率的關系，以期為渭北旱塬區選擇更有利于土壤結構穩定、有機碳積累、提高小麥水分利用效率的種植方式與耕作措施提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

長期定位試驗在陜西省合陽縣甘井鎮進行(35°19′54.45″N，110°05′58.35″E)，地屬黃土高原渭北旱塬溝壑區，海拔850 m，年平均氣溫10℃左右，年降水量約520 mm，年蒸發量約1 832.8 mm。降雨年際間分配不均，主要集中在7—9月。供試土壤為黑壚土，試驗前土壤理化性質如表1所示。

表1 2007年試驗開始前供試土壤理化性質Tab.1 Physical and chemical properties of tested soil before beginning of experiment in 2007

1.2 試驗設計

本試驗于2007年9月—2016年6月進行，試驗期間無灌溉。試驗采用裂區設計，主區為種植方式，分為小麥連作和小麥/玉米輪作2種，均為一年一熟制；副區為耕作方式，分為連年免耕(NN)、連年深松(SS)、免耕-深松(NS)和連年翻耕(CC)4種，兩種因素相互組合，共8個處理(表2)。試驗設3次重復，小區面積22.5 m×5 m=112.5 m2。2007年試驗開始前長期采用傳統翻耕耕作方式，前作作物為玉米，2007—2016年試驗期間在小麥、玉米收獲后均全額秸稈粉碎覆蓋。供試小麥品種2007—2013年期間為晉麥47，2014年及以后為長6 359。小麥/玉米輪作田玉米田供試玉米品種為豫玉22。小麥/玉米輪作田作物播種見表3。

表2 試驗處理Tab.2 Experimental treatments

表3 2007—2016年小麥/玉米輪作田種植作物Tab.3 Cultivated crops in rotation in 2007—2016

小麥連作田中，施肥量N為150 kg/hm2，P2O5為120 kg/hm2，K2O為90 kg/hm2，生育期不追肥，其中氮肥、磷肥和鉀肥分別為尿素、磷酸二銨和氯化鉀。冬小麥播種時，旋耕切碎殘茬、平整地表和混合肥料后，采用條播機播種，每年9月下旬播種，次年6月中下旬收獲，行距20 cm。試驗期間其他田間管理措施同當地大田，無灌溉。

小麥/玉米輪作田中，小麥和玉米施基肥：N 150 kg/hm2、P2O5120 kg/hm2和K2O 90 kg/hm2，播前人工撒施肥料；作物生育期，小麥不追肥，玉米大喇叭口期追施N 150 kg/hm2，其中氮肥、磷肥、鉀肥分別為尿素、磷酸二銨和氯化鉀。小麥用條播機播種，每年9月下旬播種，次年6月中下旬收獲；玉米用點播機播種，每年4月下旬播種，9月中下旬收獲。試驗期間其他田間管理措施同當地大田，無灌溉。

免耕是指在作物收獲后將秸稈粉碎覆蓋地表，無其他措施，保持秸稈覆蓋地表越過休閑期；翻耕是指在作物收獲后將秸稈粉碎覆蓋地表，然后采用傳統鏵式犁(1LF-230型雙向反轉二鏵犁，耕寬60 cm，耕深20～30 cm)將土壤翻耕20～25 cm，秸稈翻埋于土壤中，地表裸露越過休閑期；深松是在作物收獲時將秸稈粉碎覆蓋于地表，采用深松機(型號為1S2200，耕寬50 cm，耕深30～40 cm)進行深松，深度為30～35 cm，保持秸稈覆蓋地表越過休閑期。2007—2016年土壤耕作次序見表4。

表4 2007—2016年土壤輪耕次序Tab.4 Sequence of soil rotational tillage systems in 2007—2016

注： ST為深松；NT為免耕；CT為翻耕。

1.3 土樣采集與測定

2016年6月中下旬小麥收獲后在田間取樣，每個處理多點分層取樣，分別采集0～10 cm、10～20 cm、20～35 cm和35～50 cm土層的原狀土樣，將采集的原狀土樣在室內沿自然結構輕輕掰成小土塊，過8 mm篩，自然風干，用于團聚體分析。

土壤各粒級水穩性團聚體含量采用濕篩法(Elliot法)測定[20]，土壤有機碳含量采用重鉻酸鉀-外加熱法測定[21]。

1.4 計算公式

各粒級水穩性團聚體含量計算公式為

(1)

式中WAi——各粒級水穩性團聚體含量，%

Mi——各粒級水穩性團聚體質量，g

M——土壤樣品總質量，g

團聚體平均重量直徑[22]計算公式為

(2)

式中IMWD——團聚體平均重量直徑，mm

Xi——各粒級團聚體的平均直徑，mm

各粒級團聚體有機碳對土壤有機碳的貢獻率計算公式為

(3)

式中Ai——各粒級團聚體有機碳對土壤有機碳的貢獻率，%

ISOCi——各粒級團聚體中有機碳質量比，g/kg

ISOC——土壤有機碳質量比，g/kg

水分利用效率計算公式為

(4)

其中

ETa=We-Wb+P

(5)

W=DHCw

(6)

式中WUE——水分利用效率，kg/(hm2·mm)

Ya——單位面積的作物產量，kg/hm2

ETa——作物整個生育期耗水量，mm

We——作物播種時土壤蓄水量，mm

Wb——作物收獲時土壤蓄水量，mm

P——作物整個生育期降雨量，mm

W——土壤蓄水量，mm

D——土壤容重，g/cm3

H——土層厚度，cm

Cw——田間土壤含水率，%

1.5 數據處理

用Microsoft Excel 2007軟件進行相關數據的計算與處理并作圖。用SAS 8.0 軟件進行相關性分析和方差分析，顯著性檢驗為Duncan新復極差法(P<0.05)。

2 結果與分析

2.1 不同種植方式和耕作措施下農田土壤團聚體的變化

2.1.1土壤0～50 cm水穩性團聚體分布

不同處理下土壤水穩性團聚體分布如表5所示，從種植方式看，小麥/玉米輪作下耕層(0～20 cm土層)土壤大于0.25 mm大團聚體含量(R0.25)均高于小麥連作下對應耕作處理。從耕作措施來看，在0～10 cm土層，各粒級團聚體(大于2 mm、1～2 mm、0.5～1 mm和0.25～0.5 mm)含量均以WCC處理最小，且在兩種種植方式下，各耕作處理的R0.25含量由大到小均表現為連年免耕、連年深松、免耕-深松、連年翻耕。在10～20 cm土層，8種處理的大于2 mm、0.5～1 mm粒級團聚體含量差異不顯著；1～2 mm、0.25～0.5 mm粒級團聚體含量分別以RNS、RNN處理最大，與連年翻耕處理相比，小麥連作下免耕、深松以及免耕-深松輪耕處理的R0.25含量均略有增加；小麥/玉米輪作下各耕作處理間的R0.25含量無顯著差異。在20～35 cm土層，各處理的大于2 mm粒級團聚體含量差異不顯著；1～2 mm、0.5～1 mm、0.25～0.5 mm粒徑團聚體含量均以RNS處理最大，與連年翻耕處理相比，除了小麥/玉米輪作下連年深松處理的R0.25含量顯著減少外，其他處理均變化不明顯。在35～50 cm土層，大于2 mm、1～2 mm、0.5～1 mm粒徑團聚體含量均以RSS處理最大，0.25～0.5 mm粒徑團聚體含量以RNN處理最大；與連年翻耕處理相比，小麥連作下免耕-深松處理的R0.25含量顯著增加；小麥/玉米輪作下其他耕作處理的R0.25含量均有所增加，且連年免耕、連年深松處理達差異顯著水平。

2.1.2種植方式和耕作措施對土壤中大于0.25 mm粒級團聚體的交互作用

通過方差分析(表6)可知，種植方式和耕作措施對R0.25的影響不同。在0～10 cm表層，影響R0.25的因素中耕作措施的作用極顯著(P<0.01)，且種植方式和耕作措施的交互效應對R0.25的作用也達到了極顯著水平(P<0.01)。在10～20 cm土層，種植方式和耕作措施對土壤R0.25的影響不大。在20～35 cm和35～50 cm土層，種植方式和耕作措施對R0.25均分別產生顯著影響(P<0.05)和極顯著影響(P<0.01)，且兩者的交互效應對R0.25也有極顯著影響(P<0.01) 。

2.1.3土壤水穩性團聚體平均重量直徑變化

各處理水穩性團聚體平均重量直徑(MWD)受種植方式和耕作措施的交互效應比較明顯(表7)。在0～10 cm和35～50 cm土層，種植方式和耕作措施的交互效應對MWD均產生極顯著影響(P<0.01)。

在0～10 cm土層，小麥/玉米輪作下各耕作處理MWD高于小麥連作下對應耕作處理；與連年翻耕處理相比，小麥連作下其他耕作處理的MWD均有所增加，其中免耕-深松處理達差異顯著水平；小麥/玉米輪作下各耕作處理間的MWD差異不顯著。在10～20 cm土層，小麥/玉米輪作下各耕作處理MWD高于小麥連作下對應耕作處理；但在同一種植條件下，不同耕作之間差異不顯著。在20～35 cm土層，與連年翻耕處理相比，小麥連作下其他耕作處理的MWD均略有增加；小麥/玉米輪作下連年深松處理的MWD顯著減少。在35～50 cm土層，小麥連作下各耕作處理間的MWD差異不顯著；小麥/玉米輪作下連年免耕、連年深松處理的MWD顯著高于連年翻耕處理。

2.2 不同種植方式與耕作措施下農田土壤有機碳含量變化

2.2.1土壤有機碳含量變化

如圖1所示，8個處理的土壤有機碳含量均隨土層加深而減少，且小麥/玉米輪作下各耕作處理0～50 cm土層的土壤有機碳(SOC)含量大多高于小麥連作下對應耕作處理。表層土壤(0～10 cm)的有機碳含量由大到小順序為RNS、RNN、WNN、WNS、RSS、WSS、RCC、WCC，在兩種種植方式下，連年免耕、連年深松、免耕-深松處理的SOC含量均顯著高于連年翻耕處理。在10～20 cm土層，各處理的SOC含量差異不大，但WNN處理顯著低于其他處理。在20～35 cm土層，兩種種植方式下的SOC含量由大到小均表現為免耕-深松、連年翻耕、連年深松、連年免耕。在35～50 cm土層，與連年翻耕處理相比，小麥連作下其他耕作處理的SOC含量無明顯變化；小麥/玉米輪作下的連年深松、連年免耕顯著減少。

表5 不同處理下土壤水穩性團聚體的分布Tab.5 Distribution of water stable aggregate under different treatments %

注：同一列不同小寫字母表示不同處理之間差異達到顯著水平(P<0.05)，下同。

表6 種植方式、耕作措施對土壤中大于0.25 mm團聚體的二因素方差分析Tab.6 Two-factor variance analysis of different cropping methods，tillage systems and their interaction on water stable aggregate of size larger than 0.25 mm

注：P表示種植方式；T表示耕作措施；*表示差異達0.05水平；** 表示差異達0.01水平；下同。

2.2.2各粒級團聚體有機碳含量變化

由表8可知，隨著土層的加深以及團聚體粒徑變小，其有機碳含量呈降低趨勢。整體上看，小麥/玉米輪作下各粒級團聚體有機碳含量大多高于小麥連作下對應耕作處理。在0～10 cm土層，大于0.25 mm各粒級大團聚體有機碳含量均以WCC處理最小，且在兩種種植方式下其他耕作處理大于0.25 mm各粒級大團聚體有機碳含量均高于連年翻耕處理。在10～20 cm土層，小麥連作和小麥/玉米輪作下，與連年翻耕相比，連年免耕、連年深松主要增加了大于2 mm粒徑團聚體有機碳含量，免耕-深松則增加了1～2 mm、0.5～1 mm、0.25～0.5 mm、0～0.25 mm粒徑團聚體有機碳含量。在20～35 cm土層，大于2 mm、1～2 mm、0.5～1 mm 粒徑團聚體有機碳含量以RNS處理最大，0.25～0.5 mm、0～0.25 mm粒徑團聚體有機碳含量以RSS處理最大，與連年翻耕相比，兩種種植方式下連年免耕處理的各粒徑團聚體有機碳含量有所減少，免耕-深松處理有所增加，連年深松處理變化不顯著。在35～50 cm土層，各粒級團聚體有機碳含量均以RNS處理最大，且與連年翻耕相比，兩種種植方式下連年免耕、連年深松處理的各粒徑團聚體有機碳含量變化不顯著，免耕-深松處理則有所增加。

表7 不同種植方式和耕作措施對土壤團聚體MWD的影響Tab.7 Effects of different cropping methods and tillage systems on soil water-stable aggregate mean weight diameter (MWD)

圖1 土壤有機碳質量比的變化Fig.1 Soil organic carbon content

2.2.3各粒級團聚體有機碳貢獻率變化

不同處理下土壤各粒級團聚體有機碳貢獻率的變化如圖2所示，在0～10 cm土層，小麥/玉米輪作下大于0.25 mm各粒級大團聚體有機碳貢獻率均高于小麥連作下對應耕作處理，且與連年翻耕相比，在小麥連作下，其他耕作處理的大于0.25 mm各粒級大團聚體有機碳貢獻率均有所增加；在小麥/玉米輪作下，連年免耕、連年深松增加了0.5～1 mm粒徑團聚體有機碳貢獻率，免耕-深松則增加了小于1 mm各粒徑團聚體有機碳貢獻率。在10～20 cm土層，小麥連作下，連年免耕、免耕-深松處理大于0.25 mm各粒級大團聚體有機碳貢獻率均高于連年翻耕處理，連年深松則增加了大于2 mm、1～2 mm、0.25～0.5 mm粒徑團聚體有機碳貢獻率；在小麥/玉米輪作下，與連年翻耕相比，連年免耕增加了1～2 mm、0.25～0.5 mm粒徑團聚體有機碳貢獻率，免耕-深松則增加了1～2 mm、0～0.25 mm粒徑團聚體有機碳貢獻率。在20～35 cm土層，大于0.25 mm各粒級大團聚體有機碳含量均以RNS處理最大，且與連年翻耕相比，在小麥連作下，連年免耕、連年深松、免耕-深松處理的1～2 mm粒級團聚體有機碳貢獻率均有所增加；在小麥/玉米輪作下，連年免耕增加了0.5～1 mm粒徑團聚體有機碳貢獻率，連年深松增加了0～0.25 mm粒徑團聚體有機碳貢獻率，免耕-深松處理大于0.25 mm各粒級大團聚體有機碳貢獻率均有所增加。在35～50 cm土層，與連年翻耕相比，在小麥連作下，連年免耕處理增加了小于2 mm各粒徑團聚體有機碳貢獻率，連年深松處理增加了0～0.25 mm粒徑團聚體有機碳貢獻率，免耕-深松處理則增加了大于0.25 mm各粒徑大團聚體有機碳貢獻率；在小麥/玉米輪作下，連年免耕、連年深松處理大于0.25 mm各粒級大團聚體有機碳貢獻率均有所增加，免耕-深松處理則增加了小于1 mm各粒徑團聚體有機碳貢獻率。

表8 不同處理下土壤水穩性團聚體有機碳質量比分布Tab.8 Distribution of aggregate-associated organic carbon under different treatments g/kg

圖2 不同處理下土壤各粒級水穩定性團聚體有機碳貢獻率的變化Fig.2 Contribution of aggregate-associated organic carbon to soil total organic carbon under different treatments

2.2.4種植方式和耕作措施對土壤大于0.25 mm大團聚體有機碳貢獻率的交互作用

通過方差分析(表9)可知，在0～50 cm各土層，種植方式、耕作措施對大于0.25 mm大團聚體有機碳貢獻率(ISOC0.25)的影響均達到極顯著水平 (P<0.01)，且種植方式和耕作措施的交互效應對ISOC0.25也產生極顯著影響(P<0.01)。

2.3 種植方式和耕作措施對土壤水分利用和小麥產量的影響

由表10可知，小麥產量由大到小順序依次為RNS、WNS、WSS、RCC、WNN、WCC、RNN、RSS，在小麥連作和小麥/玉米輪作兩種種植方式下，小麥產量均以免耕-深松處理最高，分別比連年翻耕處理增加了14.25%、19.30%。小麥/玉米輪作下各耕作處理的水分利用效率(WUE)均高于小麥連作對應耕作處理；在小麥連作下，其他耕作處理的WUE均顯著高于連年翻耕處理，免耕-深松處理的WUE增加幅度最大，為24.98%；在小麥/玉米輪作下，與連年翻耕處理相比，免耕-深松理的WUE增加顯著，增加幅度為9.89%。

表9 種植方式、耕作措施對土壤中大于0.25 mm大團聚體有機碳貢獻率的二因素方差分析Tab.9 Two-factor variance analysis of different cropping methods，tillage systems and their interaction on contributing rate of soil organic carbon in water-stable aggregate of size larger than 0.25 mm

2.4 小麥產量和水分利用效率與土壤性狀的相關性

由表11可知，R0.25、MWD與SOC均呈顯著正相關；ISOC0.25與R0.25、MWD、SOC呈極顯著正相關；WUE與R0.25、MWD、SOC、ISOC0.25呈顯著正相關。進一步分析不同土層各因子的相關性表明(表12)，小麥產量與20～35 cm土層的R0.25、ISOC0.25呈顯著正相關，并與35～50 cm土層的SOC呈顯著正相關；WUE與0～10 cm、10～20 cm、20～35 cm土層的MWD以及ISOC0.25呈顯著正相關，并與20～35 cm、35～50 cm土層的SOC呈顯著正相關。

表10 2016年不同處理下的小麥產量和水分利用效率Tab.10 Wheat yield and water use efficiency under different treatments in 2016

表11 小麥產量和水分利用效率與土壤性狀的相關系數Tab.11 Correlation coefficients between wheat yield and water use efficiency and soil properties

表12 小麥產量、WUE與各土層土壤水穩定性團聚體、有機碳的相關系數Tab.12 Correlation coefficients of wheat yield, WUE and soil water aggregate and organic carbon in different soil layers

3 討論

3.1 種植方式和耕作措施對土壤團聚體的影響

土壤團聚體作為評價土壤結構質量的重要指標，其含量和穩定性能夠直接影響土壤結構質量的優劣，并影響著土壤水分利用、養分運移和作物生長[23-24]。本研究結果表明，不同種植方式和耕作措施下的各粒級團聚體在0～50 cm各土層表現出不同的分布趨勢。從種植方式來看，小麥/玉米輪作下耕層土壤大于0.25 mm水穩性團聚體(R0.25)含量以及水穩性團聚體的平均重量直徑(MWD)高于小麥連作，說明小麥/玉米輪作比小麥連作更有利于耕層土壤水穩定性團聚體形成，提高耕層土壤水穩性團聚體穩定性，這與李海波等[25]研究結果一致。土壤團聚體受耕作影響較大，頻繁的耕作阻礙團聚體的形成，降低土壤中大團聚體穩定性[26]。侯賢清等[27]研究發現，與連年翻耕相比，免耕與深松組合的隔年輪耕措施土壤中大于0.25 mm水穩性團聚體含量增加顯著；王勇等[28]研究表明，免耕、深松等措施均可增加土壤大于0.25 mm水穩性團聚體含量。本研究發現，連年免耕(NN)、連年深松(SS)以及免耕-深松(NS)輪耕處理主要增加了表層土壤(0～10 cm)水穩性團聚體的R0.25含量，這一方面是因為NN、SS、NS耕作處理秸稈覆蓋地表，增加了0～10 cm表層土壤有機物質輸入，而有機質作為膠結劑促進團聚體形成，相關性分析(表11)中R0.25與土壤有機碳含量呈顯著正相關也進一步證明了這一點；另一方面是因為相對于翻耕(CC)處理，NN、NS處理減少了機械對土壤的擾動，降低了耕作對土壤結構體的破壞。另外，無論是小麥連作，還是小麥/玉米輪作，NS處理還對35～50 cm土層的R0.25含量有一定的增加作用，說明免耕-深松輪耕方式能夠影響到更深層土壤結構的形成。

對各處理的土壤水穩定性團聚體的MWD進行比較時發現，在小麥連作下，連年免耕、連年深松、免耕—深松處理均增加了表層土壤(0～10 cm)水穩性團聚體的MWD，而在小麥/玉米輪作下，各耕作處理的MWD表現出無明顯規律，這可能是因為兩種種植方式下的種植作物不一樣，其作物根系生長及分泌物、作物還田秸稈的數量和質量、土壤微生物的差異導致的，有待進一步深入研究。

3.2 種植方式和耕作措施對土壤有機碳的影響

連續9年的定位試驗表明，土壤有機碳含量受種植方式、耕作措施及兩者的交互作用影響顯著(表8)。小麥/玉米輪作下土壤有機碳以及各粒級團聚體有機碳含量大多高于小麥連作下對應耕作處理，這主要是因為小麥/玉米輪作下玉米季還田的秸稈量較多，增加了農田土壤的有機物質輸入。從耕作處理來看，與連年翻耕相比，連年免耕處理、連年深松處理均能顯著增加0～10 cm土壤有機碳含量；免耕-深松處理則對0～50 cm各土層的有機碳含量均有增加作用，與李景等[29]研究結果一致。土壤團聚體的形成與土壤有機碳密不可分，同時土壤團聚體對有機碳亦有保護作用[30]。ISOC0.25與R0.25、MWD、SOC呈正相關也說明了土壤團聚體與有機碳之間的相互耦合關系(表11)。相對于連年翻耕處理，連年免耕、連年深松、免耕-深松處理不但能提高表層(0～10 cm)土壤各粒級團聚體有機碳含量，對表層土壤大于0.25 mm大團聚體有機碳貢獻率(ISOC0.25)也有一定的增加作用。這是因為在連年免耕、連年深松、免耕-深松處理下秸稈覆蓋于地表，增加了表層有機物質的輸入，且土壤翻動小，降低了有機質的礦化，促進土壤表層有機碳含量的增加以及團聚體的形成，從而使表層土壤各粒級團聚體有機碳含量以及ISOC0.25均有所增加；同時，由于連年免耕、連年深松、免耕-深松處理對土壤結構體破壞小，也進一步增加了對有機碳的保護作用。另外，免耕-深松處理對35～50 cm土層土壤各粒級團聚體有機碳含量以及ISOC0.25也有增加作用，這可能是因為免耕-深松處理的隔年深松耕作打破土壤犁底層，疏松底土，增加土壤透氣性，促進作物根系生長發育，留下的根系殘體較多，進而提高了深層土壤有機碳含量。

3.3 小麥產量和水分利用效率的變化及其與土壤性狀的關系

本研究發現，與連年翻耕相比，免耕-深松處理可以顯著提高小麥產量，且由相關性分析可知(表11)，小麥產量與20～35 cm土層的R0.25、ISOC0.25呈顯著正相關，并與35～50 cm土層的SOC呈顯著正相關，表明在免耕-深松處理下，土壤結構穩定性提高，有機碳含量增加，使作物生長環境得到改善，小麥產量增加，這與ZHANG等[31]研究結果一致。

在渭北旱塬地區水分短缺是制約農作物生長的重要因素，提高水分利用效率對作物增產有重要意義。通過相關分析發現，WUE與土壤水穩定性團聚體R0.25、MWD呈顯著正相關，且與0～10 cm、10～20 cm、20～35 cm土層的MWD也呈顯著正相關，表明土壤結構體大小和穩定性是影響小麥WUE關鍵因素，且隨著土壤水穩定性團聚體R0.25、MWD的增加，土壤結構穩定性逐漸增強，提高了WUE。姬強等[32]研究表明，有機碳的增加會促進提高土壤水分利用效率。本研究發現WUE與SOC、ISOC0.25呈顯著正相關，并與0～10 cm、10～20 cm、20～35 cm土層的ISOC0.25呈顯著正相關，這表明有機碳的提高有利于促進提高土壤水分利用效率，且大于0.25 mm團聚體中的有機碳對作物的水分利用效率影響顯著。在對比各處理的水分利用效率時，本研究發現，小麥/玉米輪作下水分利用效率高于小麥連作下對應耕作處理，這可能與小麥/玉米輪作下土壤有機碳含量較高，土壤結構相對較好，小麥生育期蓄水量較大有關。相對于連年翻耕，免耕-深松處理的水分利用效率增加顯著，這主要是因為在免耕-深松處理下作物秸稈覆蓋于土壤表層，減少了土壤水分的蒸發，增強了土壤蓄水能力，且隔年深松措施打破了犁底層，有利于增加土壤通透性，改善土壤結構，促進水分的傳輸，增強了土壤供給作物水分的能力，與前人研究結果一致[33]。

4 結論

(1)9年的田間定位試驗表明，在渭北高原黑壚土地區，小麥/玉米輪作田耕層土壤大于0.25 mm水穩性大團聚體含量、水穩性大團聚體平均重量直徑均高于小麥連作田，土壤結構更為穩定；且小麥/玉米輪作下土壤有機碳以及團聚體有機碳含量較高，更有利于土壤固碳。對比兩種種植方式下的水分利用效率，小麥/玉米輪作下的水分利用效率也高于小麥連作方式。

(2)從耕作措施來看，相對于連年翻耕處理，連年免耕、連年深松處理主要增加了0～10 cm土層大于0.25 mm水穩性大團聚體含量、有機碳含量以及各粒級團聚體有機碳含量，并提高了表層土壤大于0.25 mm大團聚體有機碳貢獻率。免耕-深松處理則均增加0～50 cm各土層的有機碳含量，且能提高0～10 cm和35～50 cm土壤R0.25、各粒級團聚體有機碳含量以及大于0.25 mm大團聚體有機碳貢獻率。與連年翻耕處理相比，免耕-深松處理對小麥增產作用較大，且水分利用效率增加顯著。綜合來看，免耕-深松耕作不僅提高了土壤水穩性團聚體及有機碳的含量，且對提高小麥產量、水分利用效率也有顯著效果，是該地區較適宜的耕作模式。