內蒙古平原灌區不同耕作模式對土壤質量和玉米產量的影響

崔文芳，王志剛，高聚林，于曉芳，胡樹平，張 石，許 鵬，雷娟瑋

（內蒙古農業大學，內蒙古自治區 呼和浩特 010019）

內蒙古平原灌區地域寬廣、農田土壤肥力分布不均勻[1]，玉米生產中存在耕層淺（16 cm）、犁底層堅硬（堅實度為2 808 kPa、容重1.55～1.68 g/cm3）的土壤結構問題，加之當地農業生產以小農機具連年淺旋耕作方式為主，導致耕層變淺、犁底層變硬、土壤保水保肥能力下降[2]，限制了玉米產量的持續提高[3]。在農業生產過程中，秸稈還田和機械耕作措施這2 種模式是目前改善土壤環境最為有效的措施[4]。合理耕作能夠使土壤中的氣體、溫度、濕度、酸堿度、水分含量等多個因素維持在最佳狀態[5]，而秸稈能有效改善土壤內部結構，顯著提升土壤肥力[6]。

目前，國內外學者在耕作措施對土壤理化性質、農業生產的影響方面開展了大量研究，由于研究區域、供試作物、耕作措施、觀測時間長短等不同，研究結果存在顯著差異。楊永輝等[7]認為連續2 a 免耕可改善土壤結構，降低土壤容重，改良土壤孔隙狀況，增加土壤肥力。吳建富等[8]研究認為免耕1 a 有利于改善土壤物理性狀，使土壤養分在表土層富集；短時間免耕有利于改善土壤物理性狀，而隨著免耕年限的延長土壤物理性質將變差。宮亮等[9]認為深松能夠打破犁底層，提高土壤含水量，降低土壤容重，增大土壤孔隙度，提高土壤蓄水保墑能力。李嵩等[10]通過旋耕、翻耕、深松3 種耕作方式的大田試驗發現，與翻耕和旋耕相比，深松顯著增加了玉米田土壤耕層厚度，降低了犁底層厚度；在中下層土壤，深松可以降低土壤緊實度和容重，改善土壤的孔隙狀況。于博等[11]研究認為，深翻和秸稈還田打破了土壤20～40 cm 土層堅硬的犁底層，深翻秸稈還田1～4 a 對0～40 cm 土層土壤影響顯著，深翻秸稈還田2 a 有利于土壤犁底層結構的改良，深翻秸稈還田3～4 a 則有利于整個土壤耕層結構的改良。宋鴿等[12]在研究不同耕作措施對紅壤坡耕地耕層生產性能影響時認為，免耕處理土壤容重顯著增大，土壤有機質、有效磷在表層富集，翻耕20 cm、翻耕20 cm+深松30 cm 處理后，耕層增厚效果顯著，土壤有機質、有效磷含量顯著提高。

以往的研究多側重于單一耕作措施，或者研究深度多為犁底層以上的表層土壤，不同耕作措施對于深層土壤的影響以及不同耕作措施之間的差異性的報道尚不多見。因此，筆者在前人研究結果的基礎上，將土壤翻耕方式和秸稈還田方式耦合形成不同耕作模式運用到玉米生產中，研究不同耕作模式對土壤相關指標的影響，明確不同耕作模式對土壤質量的改善效果，以期為內蒙古平原灌區建立以“土壤質量提升、秸稈高效利用”為核心的秸稈還田技術模式提供理論依據和技術支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況及供試玉米品種

試驗在內蒙古農業大學科技園區（內蒙古包頭市土默特右旗溝門鎮）長期定位進行（該研究選取2017—2018 年的數據），試驗基地（屬土默川平原灌區）地勢平坦，定點試驗田的耕層為15～17 cm，犁底層為17～40 cm，質地為壤土，前茬為玉米，土壤pH 值為7.3，土壤有機質含量22.30 g/kg，堿解氮含量44.89 mg/kg，速效磷含量7.97 mg/kg，速效鉀含量82.24 mg/kg。供試玉米品種為當地主栽的宜機收品種先玉696。

1.2 試驗設計

種植密度為82 500 株/hm2，行距50 cm，株距24 cm，采用大區試驗設計，每個大區面積為0.13 hm2，設計以下5 種翻耕模式：深翻秸稈粉碎還田（DPR）、深松秸稈粉碎覆蓋還田（SSR）、推茬清壟條深旋秸稈還田（SCR）、免耕秸稈粉碎覆蓋還田（NTR）、農戶淺旋技術（CK，秸稈不還田），每種模式設4 次重復，且進行定位試驗，秸稈還田均為全量還田。以當地普遍應用的緩控肥為肥料，施肥量為純氮465 kg/hm2，P2O5210 kg/hm2，K2O 202.5 kg/hm2，氮肥按3 ∶6 ∶1比例分別于拔節、大口期、灌漿期隨水追肥，P2O5和K2O 作基肥一次性施入，生產過程要求全程機械化，且采用機械籽粒直收技術進行籽粒收獲。其他管理按照高產玉米田管理措施進行精細管理。

1.3 測定指標及方法

（1）土壤含水量和容重測定：于籽粒成熟期選擇具有代表性的地塊，挖長度為100 cm、寬80 cm、深60 cm 的剖面，用修土刀刮平后，用環刀取0～15 cm、15～30 cm 和30～45 cm 土層的土樣，稱重后，裝入密封袋中帶回實驗室，在80℃烘箱內烘干，再稱重，用公式（1）和（2）計算土壤容重和土壤含水量。

土壤容重（g/cm3）=（烘干后帶土環刀重-環刀重）/環刀容積 （1）

土壤含水量（%）=（原土重-烘干土重）/烘干土重×100 （2）

（2）土壤緊實度和孔隙度測定：成熟期用土壤緊實度儀和土壤孔隙度儀測定土壤緊實度，測定土壤層次為0～45 cm，每15 cm 為一層。

（3）土壤養分測定：于玉米成熟期取0～15 cm、15～30 cm 和30～45 cm 土層的土樣，送中國農業大學土壤檢測中心測定土壤有機質、堿解氮、有效磷、速效鉀含量。

1.4 土壤質量評價

土壤質量指數能夠綜合有效地反映土壤質量的變異信息，采用加權求和模型對深松條件下土壤含水量、土壤容重、土壤全氮、土壤速效鉀等指標，按公式（3）計算土壤質量指數[13]。

式中，Wi為指標權重，Ni為指標隸屬度，n為指標個數。其中，指標權重表示某指標與其他指標之間相關系數的平均值占所有評價指標相關系數平均值總和的比。隸屬度由評價指標所屬的隸屬度函數確定。隸屬度函數一般分為升型和降型，分別用公式（4）和（5）計算。

升型隸屬度函數：

降型隸屬度函數：

研究根據最小數據集中各指標對土壤質量的正負效應選擇函數和確定其隸屬度。各指標的最小值和最大值作為函數的轉折點X1和X2。

1.5 數據處理

采用Excel 2003 與DPS 7.5 軟件對試驗數據進行方差分析和顯著性檢驗。

2 結果與分析

2.1 不同翻耕模式對土壤養分積累的影響

由表1 可知，采取不同翻耕模式后，各處理土壤有機質含量發生了顯著變化，與2017 年相比， 2018年DPR 處理的0～15 cm 和15～30 cm 土層有機質含量顯著增加，但30～45 cm 土層有機質含量顯著降低；SSR 處理的0～15 cm 和30～45 cm 土層有機質含量顯著增加；SCR 處理的15～30 cm 土層有機質含量顯著增加，30～45 cm 土層稍有降低；NTR 處理的15～30 cm 和30～45 cm 土層有機質含量增加顯著；CK 處理各土層的有機質含量變化不顯著，其中0～30 cm 土層有所增加，而30～45 cm 土層有所降低。各處理的堿解氮含量變化也較為顯著，除了DPR 和SSR 處理的30～45 cm 土層、CK 的15～30 cm 土層變化不顯著外，其余各處理各土層均達到顯著差異。

表1 2017—2018 年不同耕作模式土壤有機質和堿解氮含量的變化

由表2 可知，2017—2018 年采取不同翻耕模式后，各處理速效磷含量發生了顯著變化，SSR 處理0～15 cm、15～30 cm 和30～45 cm 土層的速效磷含量分別增加了7.08、14.67 和9.51 mg/kg，SCR 各土層的速效磷含量分別增加了25.27、17.26 和54.43 mg/kg，NTR各土層的速效磷含量分別增加了9.30、13.06 和14.00 mg/kg，CK 處理0～15 cm 和15～30 cm 土層的速效磷含量分別增加了10.86 和12.27 mg/kg，差異均達到了顯著水平。DPR處理各土層的速效磷含量均有所增加，但差異不顯著。這表明深翻秸稈粉碎還田（DPR）措施不利于耕層土壤速效磷的積累。

表2 2017—2018 年不同耕作模式土壤速效磷和速效鉀含量的變化

2017—2018 年采取不同耕作模式后，各處理速效鉀含量也發生了顯著變化，除了DPR 處理15～30 cm 土 層、SSR 處 理15～30 cm 和30～45 cm 土 層 外，其他各處理的各土層速效鉀含量均顯著增加，增幅在30%以上；尤其是NTR 處理，各土層速效鉀含量分別達到194.13、198.13、159.46 mg/kg 增量高于其他處理，增量分別為111.92、145.67 和114.76 mg/kg，CK的各土層增量分別為41.40、32.49 和49.57 mg/kg，增幅超過了100%，表明免耕秸稈粉碎覆蓋還田（NTR）處理有最有利于速效鉀的積累。

2.2 不同耕作模式對土壤物理性質的影響

由表3 可知，采取不同耕作模式后，土壤孔隙度變化較大，與2017 年相比，2018 年DPR、SSR、SCR 這3 個處理的土壤孔隙度明顯下降，除SSR 處理0～15 cm 土層下降不顯著外，其他處理各土層下降幅度均達顯著水平；NTR 和CK 處理0～45 cm 土層孔隙度年際間差異均不顯著。這表明深翻、深松、條深旋這3 種翻耕模式有利于降低土壤孔隙度。

表3 2017—2018 年不同耕作模式土壤孔隙度和容重的變化

土壤容重是指一定容積的土壤（包括土粒及粒間的孔隙）烘干后質量與烘干前體積的比值，通常為1.0～1.8 g/cm3。采取不同耕作模式后，土壤容重發生顯著變化，SSR 處理0～15 cm 和15～30 cm 土層容重顯著下降，其他處理各土層容重均表現為增加，表明不同耕作模式中僅深松秸稈粉碎覆蓋還田（SSR）具有降低土壤容重的作用。

由表4 可知，不同耕作模式播種期、成熟期土壤含水量年際間變化較顯著。從播種期土壤含水量年際間變化來看，DPR 處理0～20 cm 土層土壤含水量顯著降低，降低幅度為30.40%，60～80 cm 土層含水量增加顯著，增幅為59.17%，20～60 cm 土層含水量也表現增加，但均未達到顯著水平；SSR 的0～20 cm 和20～40 cm 土層土壤含水量增加，其中20～40 cm土層增加顯著，而40～60 cm、60～80 cm 土層顯著降低，降幅分別為23.02%、20.67%；SCR 處理各土層（60～80 cm 土層除外）土壤含水量總體表現增加，但均未達到顯著水平；NTR 處理0～40 cm 和80～100 cm土層土壤含水量均表現增加，但均未達到顯著水平，僅40～60 cm 土層土壤含水量顯著增加，增加幅度為49.06%；CK 處理0～20 cm 土層土壤含水量顯著增加，增幅為42.56%，其余各土層也表現為增加，但未達到顯著水平。

表4 2017—2018 年不同耕作模式土壤含水量的變化 （%）

從成熟期土壤含水量年際間變化來看，DPR 處理0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm 和80～100 cm 土層土壤含水量均顯著降低，降幅分別為39.99%、37.74%、24.80%和38.78%，60～80 cm 土層土壤含水量變化不顯著；SSR、SCR、NTR 處理各土層含水量差異不顯著；CK 處理20～100 cm 土層土壤含水量顯著降低，降幅分別為30.27%、32.56%、34.59%、37.36%。這表明，深翻秸稈粉碎還田（DPR）、農戶淺旋（CK）不利于保持土壤含水量，使次年成熟期土壤含水量明顯下降。

由表5 可見，不同耕作模式下當年成熟期與次年播種期各土層土壤含水量基本呈顯著降低趨勢。在0～20 cm 土層中，DPR、SSR、SCR、CK 處理的土壤含水量年際間差異不顯著，但均呈降低趨勢，NTR 處理的土壤含水量年際間降低幅度較大，達31.62%；處理間比較，各處理與CK 處理間差異不顯著。在20～40 cm 土層中，DPR 和CK 處理土壤含水量年際間顯著降低，降幅分別為31.46%和30.91%，其他處理變化不顯著；處理間比較，5 個處理間土壤含水量差異均不顯著。在40～60 cm 土層中，SCR 和NTR 處理土壤含水量年際間變化不顯著，但前者為增加、后者為降低，SSR、CK、DPR 處理土壤含水量均顯著降低，降幅分別為35.73%、35.68%和25.00%；處理間比較，5 個處理中DPR、SSR、SCR 與CK 差異不顯著，NTR 與CK 差異顯著。在60～80 cm 土層中，DPR 處理土壤含水量年際間差異不顯著，呈降低趨勢，其余處理均顯著降低，SSR、SCR、NTR 和CK 處理的降幅分別為37.07%、21.54%、15.73%和38.08%；處理間比較，僅NTR與CK差異顯著。在80～100 cm土層中，SSR、SCR、NTR 處理土壤含水量年際間差異不顯著，其中SSR 處理呈增加趨勢，其他2 個處理呈降低趨勢，而DPR 和CK 處理間土壤含水量顯著下降，降幅分別為37.47%、38.69%；處理間比較，各處理與CK 差異不顯著。

表5 2017—2018 年不同耕作模式成熟期至次年播種期土壤含水量的變化 （%）

以上結果表明，當年玉米收獲后采取秸稈還田措施，再配合深翻、深松等耕作措施，到次年春季播種期，深翻秸稈粉碎還田（DPR）能保持0～20 cm 表土層和60～100 cm 底土層含水量不顯著降低，有利于播種出苗；深松秸稈粉碎覆蓋還田（SSR）能保持0～40 cm表土層和80～100 cm 底土層含水量不顯著降低；推茬清壟條深旋秸稈還田（SCR）能保持0～60 cm 表土層、60～80 cm 心土層及80～100 cm 底土層含水量不顯著降低；免耕秸稈粉碎覆蓋還田（NTR）能保持20～60 cm犁底層、心土層及80～100 cm 底土層的土壤含水量在一定水平；而農戶淺旋（CK）僅能保持0～20 cm 表土層的含水量，該耕作措施不利于年際間土壤水分保持。

2.3 不同耕作模式對土壤質量和產量的影響

由表6 可知，實施不同耕作模式2 a 后土壤質量的改良效果不同，各處理不同土層間土壤質量指數存在一定差異，2017 年，SSR 處理0～45 cm 土層土壤質量指數均較高（0.45～0.59），SCR 處理0～30 cm 土壤質量指數較高（0.66～0.70），NTR 處理 0～15 cm 土壤質量指數較高（0.66）；2018 年，SCR 與NTR 處理0～45 cm 土層土壤質量指數均較高（0.48～0.77）。綜合評價指數，2017 年SSR 和SCR 處理表現較高，分別為0.53 和0.58，2018 年SCR 和NTR 處理的綜合評分指數較高，分別為0.74 和0.63。從產量表現看，5 個處理差異顯著，2017 年SCR 處理產量最低，CK處理排倒數第二位，DPR、SSR 和NTR 處理的產量分別比CK 高22.60%、17.93%和31.19%，差異顯著；2018 年，CK 處理產量最低，DPR、SSR、SCR、NTR 分別比CK 高12.35%、14.29%、5.45%、2.42%；從年際間變化來看，SCR 處理產量增加最多，增幅為41.40%，其次為CK 處理，產量增幅為4.29%，SSR處理產量也有所增加，而DPR 和NTR 處理的產量均表現為下降，降幅分別為18.58%和4.43%。綜合以上分析表明，短期內采取秸稈還田配合各種耕作措施，SSR、SCR、NTR 均較CK 更有利于提高地力，DPR在提高地力上未表現出優勢，但產量較穩定，有待于較長時期內進一步檢驗。

表6 2017—2018 年不同耕作模式土壤質量指數和玉米產量的變化

3 討 論

研究中，免耕秸稈粉碎覆蓋還田（NTR）對改善土壤緊實度效果不顯著。鄒文秀等[14]以東北黑土地為研究對象，認為免耕顯著增加了0～20 cm 土層土壤容重，翻耕配合秸稈還田對土壤物理指標的改善效果優于僅翻耕處理，免耕由于缺乏對土壤的擾動，增加了表層土壤的容重，也降低了總孔隙度[15]。Dam 等[16]認為，免耕雖然對土壤不產生擾動，但是土壤自身下沉而引起土壤顆粒間排列比較緊實，加之播種和收獲環節的機械壓實增加了表層土壤的容重，但是對20 cm 以下土層沒有顯著影響。筆者的研究具有相似結果，各措施中僅深松秸稈粉碎覆蓋還田（SSR）具有降低0～15 cm 和15～30 cm 土壤容重的作用。

有報道認為，耕作和秸稈還田是構建土壤肥沃耕層的核心[17-18]。秸稈還田增加了對土壤的擾動，顯著提高了土壤的導水導氣性[19]，改善了土壤孔隙結構[20]，促進了土壤團聚體的形成，增加了土壤持水量[21]。秸稈還田是增加土壤孔隙度、改善土壤孔隙結構的有效措施[22]。該研究中，推茬清壟條深旋秸稈還田（SCR）、免耕配套秸稈粉碎覆蓋還田（NTR）、農戶淺旋（CK）3 種翻耕措施定點實施2 a 后，土壤容重顯著增大，孔隙度顯著降低或差異不顯著，未表現出明顯的改善作用，今后仍會持續定點實施，其長期效果有待于進一步研究。

秸稈還田配合翻耕措施是改善深層土壤結構的有效途徑。但是，不同地區深翻與深松的作用不盡一致。戰秀梅等[23]對東北黑土的研究結果表明，翻耕改善土壤理化性質和提高玉米產量的效果顯著優于深松，秸稈連年還田條件下，這種優勢更加顯著。何鑫[24]在黑土的研究也表明，深松更利于改善土壤結構，提高土壤速效養分含量，促進苗期玉米生長。王淑蘭等[25]對渭北旱塬質地較重的土壤的研究表明，深松改善土壤環境質量、提升土壤肥力和增產增收的效果優于連續翻耕與淺旋耕。王旭東等[26]對黃土高原黑壚土的研究結果表明，深松比翻耕能更好地提高土壤碳庫和玉米產量。該研究中，深翻與深松均配套秸稈還田措施，年際間土壤堿解氮、速效鉀提高顯著，對于土壤容重、孔隙度有一定改善作用，但對于提高土壤含水量效果不顯著。于曉芳等[27]的研究認為，深松秸稈粉碎覆蓋還田（SSR）、免耕秸稈粉碎覆蓋還田（NTR）處理效果更顯著。該研究認為，玉米收獲后開展深翻、深松等耕作措施同時進行秸稈還田，到次年春季播種期，深翻秸稈粉碎還田（DPR）能保持0～20 cm 表土層、60～100 cm 底土層含水量，有利于播種出苗，深松秸稈粉碎覆蓋還田（SSR）能保持0～40 cm 表土層、80～100 cm 底土層含水量不顯著降低，推茬清壟條深旋秸稈還田（SCR）能保持0～60 cm 表土層和心土層、80～100 cm 底土層含水量不顯著降低，免耕秸稈粉碎覆蓋還田（NTR）能保持20～60 cm 犁底層與心土層、80～100 cm 底土層土壤含水量在一定水平，而農戶淺旋（CK）僅能保持0～20 cm 表土層的含水量，該耕作措施不利于土壤水分保持。心土層位于表土層與底土層之間，通常是指表土層以下至50 cm 左右深度的土層，心土層是起保水保肥作用的重要層次，是生長后期供應水肥的主要層次，深翻秸稈粉碎還田（DPR）與農戶淺旋（CK）均未能有效保持心土層的持水量。這與耕翻過程中進行秸稈還田對土壤擾動較大，致使土壤跑墑嚴重有關。因此，建議該地區在秋季進行秸稈還田操作，以便深厚肥沃的耕作層能夠充分蓄積冬季和春季的降水，保證第二年春季的土壤含水量，以規避春季耕翻作業導致土壤跑墑，影響作物出苗的潛在風險。

4 結 論

從年際間的變化來看，深翻秸稈粉碎還田（DPR）措施能促進0～30 cm 土層有機質、堿解氮積累，保持耕作層含水量， 2 a中DPR耕作措施均不利于土壤中速效磷含量的積累，導致土壤質量指數不高，但產量表現較穩定；而深松秸稈粉碎覆蓋還田（SSR）能促進0～15 cm 和30～45 cm 有機質顯著增加，0～30 cm 土層堿解氮積累，使速效磷的最大積累量集中于0～45 cm的各土層，還能降低土壤容重，有利于促進產量的穩步提高。因此，深松秸稈粉碎覆蓋還田（SSR）是更有利于改善土壤質量、保證產量穩定增長的有效耕作措施。以上結論是在各種耕作措施實施2 a 后獲得的，有必要進行長期定點試驗，尤其是北方冬春季節氣溫低是限制秸稈充分腐解的主要因素，會對結果產生較大影響。