立式旋耕對小麥生長季土壤緊實度及產量的影響

聶勝委，張浩光，張巧萍，許紀東，張玉亭

（1.河南省農業科學院植物營養與資源環境研究所，鄭州 450002；2.遂平縣農業科學試驗站，河南 遂平 463100）

土壤緊實度（或稱為土壤穿透阻力）是衡量土壤抵抗外力的壓實和破碎的能力，通常用金屬柱塞或探針壓入土壤時的阻力表示。它影響土壤的通透性、溫度、水分、微生物數量和活性、養分轉化、植物根系生長以及養分吸收等，是土壤物理特性的重要反映。土壤緊實度影響農業可持續發展[1]，其對作物生長和產量的影響是當前關注的熱點之一，歐盟委員會認為土壤緊實是導致作物產量降低的主要因素[2]。調查發現，在小麥/玉米一年兩熟區連續多年的旋耕、少免耕作業，導致農田耕層變淺，犁底層變厚上移，耕層質量變劣趨勢加劇[3]。

土壤緊實首先影響土壤結構和孔隙度，進而影響植物根系生長[4]，最終影響產量。隨著土壤緊實度增加，土壤容重隨之增加，孔隙度下降，作物對養分的吸收減少，產量下降[5]；機械碾壓、不適當的耕作和農事操作都能造成土壤緊實度增大[6]。連續免耕會造成土壤緊實，作物減產，適當犁翻耕能提高產量[7]。土壤緊實顯著降低作物產量和氮的吸收，降低收獲期種子含水率，但是對容重和千粒質量影響不明顯[8]。土壤緊實能夠降低作物產量和水分利用效率，干土上車輪壓實對作物生長的影響較小，濕土上車輪壓實影響較大[9]。凍融交替是自然降低土壤緊實度的有效方法。與虧缺灌溉相比，大水漫灌會引起深耕之后的土壤更加緊實，因此，應減少深耕之后的灌溉程度[10]。秸稈覆蓋和輪作豆科的保護性耕作能夠改善土壤物理結構，降低次耕層緊實狀況，促進小麥根系生長[11]。

農田耕作是改善土壤耕層結構，協調水、肥、氣、熱環境因子，提高土壤通透性，優化水肥供應能力的有效措施[12]。立式旋耕是一種新的農田耕作方式，它用動力機械帶動立式旋耕機的垂直螺旋鉆頭直立旋轉切磨粉碎土壤，達到深松、旋耕整地效果[13]。鉆軸入土深度可達30～60 cm，能深度打破犁底層，改善土壤結構，獲得較高產量[14]。研究表明，在同等施肥量條件下，與常規旋耕、翻耕等耕作方式相比，立式旋耕（粉壟）可以提高小麥[15-16]、玉米[17-18]、水稻[19]等多種作物產量，改善品質，促進根系生長[20]。這些研究為解決我國小麥生產上的土壤耕層緊實、退化以及變淺等問題，實現綠色可持續發展提供了重要思路。

本研究以立式旋耕（30 cm±5 cm）、常規旋耕（12 cm±5 cm）兩種不同土壤耕作方式為基礎，研究其對小麥生長季拔節期、灌漿期土壤耕層緊實度、小麥產量以及養分利用率的影響，為實現小麥綠色可持續生產提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于河南省遂平縣農業科學試驗站（33°15′N，113°98′E），屬暖溫帶大陸性季風氣候。光照充足，氣候溫和，雨量充沛，四季分明，亞熱帶向暖溫帶過渡性氣候特性較明顯。年平均氣溫、日照、降水量、無霜期分別為15.1 ℃、2 126 h、927 mm、226 d。土壤類型為砂姜黑土，重壤偏黏，中性偏弱酸性（pH=5.9）。試驗地基礎土壤有機質、堿解氮、有效磷、速效鉀含量分別為6.52 g·kg-1、18.6 mg·kg-1、110.40 mg·kg-1、139.10 mg·kg-1。

1.2 試驗設計

試驗為雙因素裂區設計，設常規旋耕（Traditional rotary tillage，TR）、立式旋耕（Vertical rotary tillage，VR）2 種耕作方式，不施肥（None-fertilizer，nF）、施肥（Fertilizer，F）2 個施肥水平，每個處理重復3 次，共計12 個小區，小區面積8 m×6 m。施肥處理的施肥量為：氮肥300 kg N·hm-2、磷肥82.5 kg P2O5·hm-2，鉀肥82.5 kg K2O·hm-2。其中施肥處理中，70%的氮肥和全部磷、鉀肥作基肥在整地時一次施入，剩余30%氮肥在拔節期作追肥施入；不施肥處理作為對照用于計算氮肥利用率。①常規旋耕（TR，12 cm±5 cm）：上茬作物為青貯玉米，收獲后粉碎滅茬，后用普通旋耕機深旋耕2 遍，整地深度為12 cm±5 cm，再用常規旋耕機平整1 遍（深度5～10 cm），播種；②立式旋耕（VR，30 cm±5 cm）：上茬作物為青貯玉米，收獲后粉碎滅茬，后用立式旋耕機深旋耕1 遍，整地深度為30 cm±5 cm，再用常規旋耕機平整1遍（深度5～10 cm），播種。

小麥品種為遂選101（豫審麥2015004，河南平安種業有限公司、遂平縣農業科學試驗站選育），分別在2017 年10 月和2018 年10 月下旬機播樓播種，播量150 kg·hm-2，行距20 cm，分別于2018、2019 年6 月上旬收獲；下茬各處理常規種植夏玉米，機播樓貼茬播種，其他田間管理措施等保持一致。

1.3 測定項目

在小麥播種前測定0～20 cm 土壤堿解氮、有效磷、速效鉀、有機質等基礎養分含量，分別采用堿解擴散法、0.5 mol·L-1NaHCO3法、乙酸銨浸提-火焰光度法、重鉻酸鉀法進行測定[21]；小麥拔節期（2018/03/12、2019/03/27）、灌漿期（2018/05/04、2019/05/04）用緊實度儀（SY-T02，邢臺潤聯科技有限公司，中國）測定5、10、20 cm耕層土壤緊實度，每個小區及耕層分別重復測定6 次；小麥成熟期，每個小區選取4 m2實收測產。氮肥農學效率、氮肥偏生產力[22]采用以下公式計算：

氮肥農學效率（kg·kg-1）=（施氮肥區產量-對照區產量）/施用氮肥總量

氮肥偏生產力（kg·kg-1）=作物施肥后產量/氮肥施用量。

1.4 數據分析

數據用Excel 2003、SPSS 20.0 等軟件進行整理，用LSD法進行顯著性分析，顯著性水平α=0.05。

2 結果與分析

2.1 不同耕作方式小麥產量的比較

在相同田間管理水平下，由于耕作方式不同，構建的耕層及緊實度條件也不同，因而獲得的籽粒產量存在著較大差異。由表1 可以看出，不施肥條件下，2018 年，立式旋耕不施肥（nFVR）、常規旋耕不施肥（nFTR）處理小麥產量分別為7 011.9、5 227.5 kg·hm-2，nFVR顯著高于nFTR處理，增加1 784.4 kg·hm-2；2019年，nFVR（6 808.9 kg·hm-2）＞nFTR（6 652.3 kg·hm-2），產量增加156.6 kg·hm-2，差異不顯著。在施肥條件下，立式旋耕施肥（FVR）處理的小麥產量均高于常規旋耕施肥（FTR）處理，產量分別高出725.6 kg·hm-2（2018年）、540.7 kg·hm-2（2019年），但是處理間差異不顯著。

與nFTR 處理產量相比，2018 年FVR 處理產量增幅50.16%，FTR 處理增幅36.28%，FVR＞FTR；2019年，FVR 處理產量增幅42.91%，FTR 處理增幅34.79%，FVR＞FTR。立式旋耕施肥處理兩年的產量增加量均較大幅度高于常規旋耕處理，說明立式旋耕結合施肥能進一步激發土地的生產潛力。

2.2 不同耕作方式小麥生長季的土壤緊實度比較

不同耕作方式下小麥生長季土壤緊實度的變化如圖1～3所示。

在施肥條件下，由圖1可以看出，2018年，小麥拔節期FVR 處理10 cm 耕層土壤的緊實度為30.23 N，顯著低于FTR 處理（55.23 N）。灌漿期與之相似，FVR處理10 cm耕層土壤的緊實度為53.30 N，顯著低于FTR（87.54 N）。2019 年，在同一地塊上分別連續重復2018 年的耕作方式，拔節期FVR 處理10 cm 耕層土壤的緊實度（120.27 N）高于FTR（96.45 N），差異不顯著；灌漿期10 cm 耕層土壤的緊實度表現為FVR略低于FTR處理，差異不顯著。

在不施肥條件下，由圖2可以看出，2018年，拔節期nFVR 處理10 cm 耕層土壤的緊實度為24.63 N，顯著低于nFTR（93.37 N）；灌漿期10 cm 耕層土壤緊實度表現為nFVR（50.60 N）＜nFTR（74.44 N），差異不顯著。2019 年，10 cm 耕層土壤緊實度表現為拔節期nFVR（126.13 N）＞nFTR（108.32 N）；灌漿期nFVR（135.43 N）＜nFTR（187.30 N），差異均不顯著。

為了進一步研究緊實度在土壤耕層的表層（5 cm）和深層（20 cm）的變化情況，對5、20 cm 耕層土壤的緊實度進行了測定（圖3），不施肥條件下，小麥拔節期nFVR、nFTR 處理20 cm 耕層土壤的緊實度分別為177.03、287.28 N；灌漿期，nFVR、nFTR處理5 cm耕層土壤的緊實度分別為116.53、102.70 N，差異均不顯著。施肥條件下，小麥拔節期FVR、FTR處理20 cm耕層土壤的緊實度分別為164.33、314.53 N，FVR 處理顯著低于FTR處理；灌漿期，FVR、FTR處理5 cm耕層土壤的緊實度分別為35.43、51.90 N，差異不顯著。

表1 不同耕作方式下小麥籽粒產量（kg·hm-2）Table 1 Wheat grain yields under different tillage during harvested stages（kg·hm-2）

圖1 施肥條件下不同耕作方式土壤緊實度（10 cm耕層）的比較Figure 1 Soil compaction（10 cm soil depth）under different tillage at fertilization levels

圖2 不施肥條件下不同耕作方式土壤緊實度（10 cm耕層）的比較Figure 2 Soil compaction（10 cm soil depth）under different tillage at none fertilization levels

圖3 不同耕作方式5 cm耕層土壤和20 cm耕層土壤的緊實度比較Figure 3 Soil compaction（5 cm and 20 cm soil depth）under different tillage at fertilization and none fertilization levels

2.3 不同耕作方式氮肥效率的比較

不同的土壤耕作方式構建了小麥生長季不同的土壤緊實狀況，導致了產量的差異，反映到養分效率上，以各耕作方式對應的不施肥處理（nFVR、nFTR）來計算氮肥農學效率，由圖4A 可以看出，2018 年，FVR、FTR 處理的氮肥農學效率分別為5.05、6.32 kg·kg-1，FVR 比FTR 處理低1.27 kg·kg-1，差異顯著；2019年分別為8.99、7.71 kg·kg-1，FVR 比FTR 處理氮肥農學效率提高16.60%，差異不顯著。

圖4 施肥條件下不同耕作方式間氮肥農學效率的比較Figure 4 Agronomic efficiency of nitrogen fertilizer under different tillage

若均以常規旋耕不施肥（nFTR）來計算氮肥農學效率，由圖4B可以看出，不同土壤耕作方式連續兩個小麥季FVR 處理的氮肥農學效率均高于FTR 處理；2018 年，FVR（8.74 kg·kg-1）比FTR（6.32 kg·kg-1）處理氮肥農學效率提高38.29%，差異顯著；2019 年，FVR（9.52 kg·kg-1）比FTR（7.71 kg·kg-1）氮肥農學效率提高23.35%，差異不顯著。

不同耕作方式下氮肥對當季小麥產量的貢獻如圖5 所示，2018 年，FVR、FTR 處理的氮肥偏生產力分別為26.16、23.75 kg·kg-1，FVR 比FTR 提高10.15%，差異顯著；2019年分別為31.69、29.89 kg·kg-1，FVR比FTR 氮肥偏生產力提高6.02%，差異不顯著。說明立式旋耕方式下，相同的氮肥施用量對小麥籽粒產量的貢獻大于常規旋耕。2018年，不施肥小麥產量表現為nFVR（7 011.9 kg·hm-2）＞nFTR（5 227.5 kg·hm-2），小麥第一季采用nFVR 處理來計算氮肥農學效率，導致計算出的氮肥農學效率相對偏低。

圖5 施肥條件下不同耕作方式氮肥偏生產力的比較Figure 5 Partial factor productivity of nitrogen fertilizer under different tillage

3 討論

已有研究發現，隨著土壤緊實度提高，小麥分蘗成穗率降低，產量下降[23]；降低土壤緊實度能顯著提高耕作層土壤的非毛管孔隙度，增加甘薯塊根形成期（20～40 d）土壤最高溫度與最低溫度的溫差；提高塊根膨大期（45～165 d）塊根中蔗糖合成酶（SS）、腺苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶（ADPGPase）活性，增加淀粉含量，提高塊根中干物質積累初始勢，增產20.01%～27.78%[24]。在技術途徑上，利用微孔深松耕可有效打破犁底層，降低土壤緊實程度，提高棉花品質和產量[25]。本研究發現，立式旋耕（VR，30 cm±5 cm）所構建的土壤結構和耕層比常規旋耕（TR，12 cm±5 cm）更能發揮土壤潛力，與nFTR 相比，2018 年，FVR、FTR處理產量分別增加2 621.9、1 896.3 kg·hm-2；2019 年，FVR、FTR 處理產量分別增加2 854.8、2 314.1 kg·hm-2；增幅均表現出FVR＞FTR。

另一方面，旋耕土壤能明顯增加15～40 cm 土層緊實度，隨著緊實度的增加土壤內部溫度變化幅度增大，土壤緩沖性能降低[26]。本研究中，土壤進行立式旋耕后經過小麥季的生長，在返青拔節期、灌漿期10 cm 耕層土壤的緊實度均低于旋耕處理，但是這種效應僅在當季較為明顯；而且立式旋耕能減緩小麥拔節期深層土壤（20 cm）的緊實度，這種現象在施肥條件下表現顯著，有利于小麥返青早發，促進小麥生長；小麥灌漿期，兩種耕作方式對土壤表層（5 cm）的緊實度影響較小，差異不顯著。說明改進耕作方式，能構建適宜小麥生長的土壤結構，激發土壤的生產潛力。同時，作為農田土壤耕作方法中的突破和創新，立式旋耕不僅能夠增加土壤耕層厚度，改善土壤結構，而且在一定程度上能實現犁翻耕和旋耕的結合，減少大型機械進地作業次數及對土壤造成的二次碾壓，這對于改善和恢復農田旱作區的土壤功能、提高土壤質量具有積極的意義，應用前景良好。但在實際生產中，應考慮當地具體的土壤質地、地形地貌、耕作制度及農機操作人員的熟練程度等因素，選擇適宜當地作物生長的耕層厚度。

4 結論

（1）施肥條件下，與常規旋耕相比，立式旋耕能顯著降低第一季小麥拔節期、灌漿期10 cm 耕層土壤的緊實度，第二季則處理間差異不顯著；不施肥條件下趨勢相似。立式旋耕能降低小麥拔節期20 cm 耕層土壤緊實度，在施肥情況下顯著降低。兩種耕作方式下灌漿期5 cm耕層的土壤緊實度差異不顯著。

（2）立式旋耕能連續兩季持續增加小麥產量，而且能進一步激發土地生產潛力，與常規旋耕不施肥處理相比，立式旋耕施肥處理產量增幅為50.16%（2018年）、42.91%（2019 年）；氮肥農學效率提高38.29%（2018 年）、23.35%（2019 年），且當季增幅顯著；氮肥偏生產力提高10.15%（2018年）、6.02%（2019年）。

總之，立式旋耕較常規旋耕能夠有效降低小麥拔節期、灌漿期耕層土壤的緊實度，構建良好的土壤結構，提高小麥產量和養分利用率。