免耕和秸秆覆盖对旱作区土壤氮素、水分和春小麦产量的影响

张统帅，闫丽娟，李 广，陈国鹏，罗永忠

(甘肃农业大学 a. 林学院；b. 农学院，甘肃 兰州 730070)

土壤作为农田生态系统重要的环境组分，具有供应和协调植物正常生长发育所需水分、养分和热量的能力[1]。耕作是影响农田土壤生态环境最直接的途径，合理的耕作措施可以协调土壤中水、肥、气、热的关系[2]，提高土地资源利用效率，促进农田生态系统良性循环[3]。我国黄土高原旱作雨养农业区，农民连续多年的精耕细作(翻耕、耙耱)对耕层土壤环境造成频繁破坏和扰动，加剧土壤风蚀和水蚀危害，加快土壤有机质矿化速率，导致土壤结构破坏和土壤质量下降[4-6]。为缓解多年连续传统耕作对于生态环境破坏的压力，当地近几年推广免耕、秸秆覆盖等农田耕作措施，通过少耕、免耕，以及作物残茬和秸秆覆盖地表，保护土壤结构的完整性，防止风蚀和水蚀危害，促进有限降水的利用，改善土壤水分和养分状况，发展生态效益、经济效益、社会效益协调发展的可持续耕作方式。大量研究表明，与传统耕作相比，免耕能保护耕层土壤结构和保持土壤水分，显著提高耕层土壤含水量[7-9]。研究表明，少免耕结合秸秆覆盖有保持土壤水分、防止土壤侵蚀和增加土壤养分的作用[10-12]。董林林等[13]研究发现，秸秆还田后土壤全氮平均增加了0.35 g·kg-1，硝态氮和铵态氮含量也有所增加，但增加效果因秸秆类型和还田量的不同而存在差异。Varvel等[14]和郑家国等[15]研究发现，少免耕结合秸秆覆盖有利于土壤养分和水稻产量的增加。但近年来的一些研究发现，连续多年免耕不利于土壤疏松和肥料翻埋，会使耕层土壤容重增加，蓄水供肥能力下降，土壤耕层变浅[16-18]。因此，寻求一种适宜黄土高原旱作雨养农业区的耕作方式，成为当地急需解决的问题。

本研究以定西市安定区安家坡村布设的耕作试验为依托，研究4种耕作处理——传统耕作(CT)、免耕(NT)、传统耕作+秸秆覆盖(TS)、免耕+秸秆覆盖(NTS)土壤水分、氮含量、土壤容重和小麦产量的变化特征，进一步探讨不同耕作措施下土壤氮含量、含水量和作物产量之间的关系，以期为黄土高原旱作雨养农业区建立合理的耕作模式提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验区位于甘肃省定西市安定区安家坡村(35°58′ N，104° 66′E)，海拔1 974.4 m。该区属于典型的半干旱地区，大陆性季风气候特征明显，年均气温6.4 ℃，≥0 ℃的活动积温2 933.5 ℃，≥10 ℃的活动积温2 239 ℃，年日照时数2 476.6 h，年均无霜期140 d，年均蒸发量1 531 mm，多年平均降水量385 mm，降水量低而不稳定，年际变异大(变异系数18.5%)，干旱频发，且降水季节分布不均，主要集中在7—9月。试验地土壤为黄绵土，耕层土壤有机碳含量6.21 g·kg-1，全氮含量0.61 g·kg-1，容重1.26 g·cm-3。2017年1月—2018年10月的逐日降水量和温度如图1所示，气象资料由甘肃省定西市水土保持研究所提供。

1.2 试验设计

田间定位试验于2017—2018年进行，试验前，试验地是连续常规耕作的农田，试验以当地春小麦(定西42号)为研究对象。采用随机区组试验设计，共设置4种处理：CT，前茬作物收获后至冻前三耕两耱，系黄土丘陵沟壑区典型的耕作方式；NT，全年不耕作，播种时用免耕机一次性完成施肥和播种，收获后用除草剂进行杂草清除；TS，在传统耕作的基础上，收获脱粒后将前茬作物秸秆全部切碎均匀覆盖于原小区，即在小麦播种后，将小麦秸秆切碎(秸秆碎片长3～5 cm)，均匀覆盖于种植小区；NTS，耕作、播种和除草方法同免耕，前茬作物收获脱粒后将秸秆切碎均匀覆盖于原小区(具体做法同TS)。每种处理3次重复，共12个小区，小区面积为4 m×6 m。采用条播方式播种，播种量187.5 kg·hm-2，播种深度7 cm，播种行距24 cm，每小区25行。免耕采用免耕机播种。氮肥和磷肥作为基肥随播种一次性施入，氮肥施尿素(N 46%)62.5 kg·hm-2，磷肥施过磷酸钙(P2O514%)150 kg·hm-2。播种日期为当年的3月18日，7月下旬收获。

图1 2017年1月—2018年10月日平均温度和降水量Fig.1 Daily precipitation and average temperature from January 2017 to October 2018

1.3 测定项目与方法

2017—2018年试验期间，在春小麦播种前、分蘖期、拔节期、开花期和成熟期用三点法在每个小区分别采集0～10、10～20、20～40 cm土层土样，同一层土样混合均匀。将新鲜土样装入液氮罐，带回实验室用于测定土壤含水量，及土壤全氮、铵态氮和硝态氮含量。土壤含水量采用烘干法测定，土壤全氮含量采用半微量凯氏定氮法测定，土壤铵态氮和硝态氮含量采用MgO-代氏合金蒸馏法测定[19]。于2018年小麦收获后，采用环刀法分别测定0～10、10～20、20～40 cm土层土壤容重。在2017、2018年小麦成熟后，每试验小区随机选取9行小麦计算其籽粒产量。

1.4 数据处理

采用Microsoft Excel 2010软件对数据进行初步整理汇总。利用SPSS 19.0软件进行方差分析，对有显著(P<0.05)差异的处理，采用LSD法进行多重比较。利用Origin 8.6软件作图。

2 结果与分析

2.1 不同处理对土壤容重、含水量的影响

不同处理实施2 a后，春小麦田0～40 cm土层的土壤容重变化如图2所示，均随着土层深度的增加先减小后增大，相同处理下，均以10～20 cm土层的土壤容重最小，以20～40 cm土层的土壤容重最大。同一土层不同处理的土壤容重差异显著，在0～10、10～20、20～40 cm土层，土壤容重均以NTS处理最大，且均显著(P<0.05)高于TS处理。

连续2 a的春小麦田0～40 cm土层土壤含水量变化如图3所示。受降雨影响，2018年春小麦生育期降水量(291.6 mm)远高于2017年(177.8 mm)，因而2018年的土壤含水量也相应高于2017年。2017年，除分蘖期外，不同处理的土壤含水量随土层深度(0～40 cm)增加而减小，就春小麦全生育期平均值而言，与CT相比，TS、NT、NTS处理0～40 cm土层的平均土壤含水量分别提高了5.26%、降低了0.24%、提高了1.48%。2018年，不同处理的土壤含水量随土层深度增加而增加，就春小麦生育期平均值而言，与CT相比，TS、NT、NTS处理0～40 cm土层的平均土壤含水量分别提高了11.39%、6.58%和6.16%。就2 a试验平均值而言，TS、NT和NTS处理的土壤含水量较CT处理分别增加8.33%、3.17%和3.82%

相同土层不同处理间无相同字母的表示差异显著(P<0.05)。下同。Treatments marked without the same letters indicated significant difference at P<0.05 in the same soil layer. The same as below.图2 不同处理的土壤容重Fig.2 Soil buck density under different treatments

图3 不同处理春小麦关键生育期0～40 cm土层的土壤含水量变化Fig.3 Moisture changes in 0-40 cm soil layer during key growth stages of spring wheat under different treatments

2017年为干旱年和不同处理实施初期阶段，降水少，土壤容重较大，TS、NT和NTS处理的土壤蓄水保墒能力差。2018年为湿润年和不同处理实施第2年，降水多，土壤容重低，TS、NT和NTS处理的土壤蓄水保墒能力较好。就2 a不同处理0～40 cm土层平均土壤含水量而言，与CT相比，NTS、NT、TS增加了春小麦关键生育期(播种前、分蘖期、拔节期、开花期、成熟期)0～40 cm土层的土壤含水量。

2.2 不同处理对土壤全氮的影响

如表1所示，土壤全氮含量随生育时期的推移并没有明显变化规律；但不同土层不同处理下表现出一致的分布特征，即各处理土壤全氮含量随土层深度(0～40 cm)的增加呈逐渐降低的趋势，说明土壤全氮有表层积累现象。

就2017年春小麦全生育期不同土层的土壤全氮含量平均值而言：在0～10、10～20 cm土层，NTS处理显著(P<0.05)大于CT、TS和NT处理；在20～40 cm土层，NT处理显著(P<0.05)大于CT、TS和NTS处理；从0～40 cm土层平均土壤全氮含量来看，NTS>TS>CT>NT，且各处理间均差异显著。就2018年春小麦全生育期全氮含量平均值而言：在0～10、20～40 cm土层，NTS和TS处理均显著(P<0.05)大于CT和NT处理；从0～40 cm土层平均土壤全氮含量来看，NTS和TS显著(P<0.05)大于CT，CT显著(P<0.05)大于NT，而NTS与TS之间差异不显著。

表1 不同处理下土壤全氮含量

2.3 不同处理对土壤铵态氮和硝态氮的影响

由表2可知，土壤铵态氮含量随生育时期的推进呈先增加后减小的趋势，在拔节期达到最大值。就2017年春小麦全生育期铵态氮含量平均值而言：在0～10 cm土层，CT处理显著(P<0.05)大于NTS、TS和NT处理；在10～20 cm土层，NT和CT处理显著(P<0.05)大于TS和NTS处理；在20～40 cm土层，NT处理显著(P<0.05)大于CT、TS和NTS处理；从0～40 cm土层平均土壤铵态氮含量来看，CT处理显著(P<0.05)大于NT、TS和NTS处理。就2018年春小麦全生育期土壤铵态氮含量平均值而言：在0～10 cm土层，CT和NT处理显著(P<0.05)大于TS和NTS处理；在10～20、20～40 cm土层，CT处理显著(P<0.05)大于NT、TS和NTS处理；从0～40 cm土层平均土壤铵态氮含量来看，CT处理显著(P<0.05)大于NT、TS和NTS处理。

由表3可知，在分蘖期和拔节期，各处理土壤硝态氮含量达到最大值。就2017年春小麦全生育期土壤硝态氮含量平均值而言：在0～10 cm土层，CT和TS处理显著(P<0.05)大于NT和NTS处理；在10～20、20～40 cm土层，CT处理显著(P<0.05)大于NT、TS和NTS处理；从0～40 cm土层平均土壤硝态氮含量来看，CT处理显著(P<0.05)大于NTS、TS和NT。就2018年春小麦全生育期土壤硝态氮含量平均值而言：在0～10 cm土层，CT、NT和TS处理之间差异不显著，但均显著(P<0.05)大于NTS处理；在10～20、20～40 cm土层，CT和TS处理均显著(P<0.05)大于NT和NTS处理；从0～40 cm土层平均土壤硝态氮含量来看，CT和TS处理显著(P<0.05)大于NTS处理。

表2 不同处理下土壤铵态氮含量

表3 不同处理下土壤硝态氮含量

方差分析结果表明，处理、土层深度、生育时期，以及生育时期和处理的交互作用对土壤铵态氮、硝态氮含量影响极显著(P<0.01)。处理中所涉及的耕作方式和是否覆盖秸秆的交互作用对土壤硝态氮含量影响极显著(P<0.01)，但对铵态氮含量影响不显著。多重比较结果显示，0～10 cm土层的土壤铵态氮和硝态氮含量显著(P<0.05)大于10～20、20～40 cm土层，但10～20、20～40 cm土层的土壤铵态氮和硝态氮含量差异不显著。用2 a的数据整体分析发现，土壤铵态氮和硝态氮含量与土层深度呈现极显著(P<0.01)负相关。不同处理间，CT处理的土壤铵态氮和硝态氮含量显著(P<0.05)高于TS、NT和NTS处理。

2.4 不同处理对春小麦产量及其构成要素的影响

2017—2018年不同处理的春小麦产量及其构成要素如表4所示。各处理中，TS处理的产量最高，NT处理的产量最低。2017年，各处理产量无显著差异；2018年，TS处理的春小麦产量显著(P<0.05)高于NT处理，但与CT和NTS处理差异不显著。2017年，各处理的穗粒数和千粒重均没有显著差异；2018年，各处理的千粒重也没有显著差异，但TS处理的穗粒数显著(P<0.05)多于NT处理，与CT和NTS处理差异不显著。可以看出，不同处理主要通过影响春小麦的穗粒数最终影响产量。

方差分析结果表明，年份和处理的交互作用对春小麦千粒重和产量均无显著影响，但对穗粒数影响显著(P<0.05)；不同年份对春小穗粒数、千粒重和产量影响极显著(P<0.01)；不同处理对春小麦穗粒数、千粒重和产量影响不显著；处理中所涉及的耕作方式和是否覆盖秸秆的交互作用对春小麦产量及其构成要素均无显著影响。总的来看，2017—2018年春小麦产量、穗粒数和千粒重的差异主要受年际间环境因子变化的影响。小麦产量较低主要是因为下种后降雨量较少导致小麦发芽率较低。

3 讨论

本研究对4种处理下土壤水分、氮含量、土壤容重，及小麦产量变化特征进行分析，结果发现，试验实施2 a后，CT和TS处理的0～10 cm土壤容重明显小于NT和NTS处理，且在春小麦收获后，土壤容重随土层深度增加呈现先减小后增大的趋势。TS和NTS处理能增加土壤水分和全氮含量，降低土壤铵态氮和硝态氮含量。秸秆覆盖措施能增加春小麦产量，以2 a数值平均值计，与CT相比，TS和NTS处理的春小麦产量分别增加35.34%和9.33%，而NT处理的春小麦产量却降低9.62%。总的来看，少免耕加秸秆覆盖通过改善土壤水分状况，改变了土壤全氮、铵态氮和硝态氮的空间分布，有助于促进春小麦植株生长发育和产量形成。

3.1 不同处理对土壤容重和含水量的影响

土壤容重是表征土壤物理性质的重要参数之一，反映土壤的透水性、通气性和根系延展时阻力大小[20]。容重小，表明土壤结构良好，反之，则土壤缺少团粒结构，土壤板硬紧实[21]。关于不同耕作方式对土壤容重的影响目前还存在很大分歧，有研究认为免耕使土壤容重增大[22-23]，也有研究认为免耕使土壤容重减小[1，24-25]。本研究发现，NTS和NT处理的土壤容重高于CT和TS处理，这与王玥凯等[26]的研究一致，可能是因为连续2 a免耕的累积效应使土壤耕层的沉实作用加强，从而使土壤容重增加[27]。NTS处理的土壤容重大于TS和NT处理，主要是因为免耕土壤通气性差，土壤紧实，土壤总孔隙度低，对肥料的利用率低，加上作物秸秆腐熟需要消耗大量养分，致使土壤质地黏重[28]，且分解物不能很好地与土壤颗粒结合形成疏松的团粒结构，故使土壤容重增加。容重随土层深度增加先减小后增大，主要是因为作物收获后正值当地雨水最多的时节，土壤裸露接受雨滴的直接冲蚀，使表层土壤孔隙度减小，质地变差，因而土壤表层容重增大。

耕作是调节土壤水分最重要的农艺措施之一，耕层土壤水分对作物生长发育具有至关重要的作用[29]，建立适合当地发展的耕作方式是改善土壤结构和提高作物产量的主要措施之一[30]。少免耕加秸秆覆盖能减少地表径流，降低土壤侵蚀，提高土壤水分利用效率[31]。许迪等[32]研究发现，免耕无论是在干旱年还是平水年均能不同限度地增加0～40 cm土层含水量。张亚丽等[33]研究发现，秸秆还田配施适量氮肥能增强土壤的蓄水能力，提高土壤含水量。本试验结果表明，与CT相比，TS、NT和NTS处理增加了春小麦关键生育期0～40 cm土层的土壤含水量。TS处理的土壤含水量明显高于其他处理，说明秸秆覆盖在干旱时期能够满足作物更多的水分需求，从而避免作物较快受到干旱胁迫，这与Devita等[34]和雷金银等[12]研究结果一致。TS处理较NT处理土壤含水量增幅大，这主要是由于传统耕作的秸秆覆盖能形成较好的土壤团粒结构，从而能保持更多的水分，而免耕实施年限短，还未形成较好的土壤结构，土壤质地紧实，因此土壤含水量较低。NTS处理保持土壤水分的能力小于TS和NT处理，在2017年个别生育期含水量甚至低于CT，主要是因为NTS处理的土壤紧实，容重大，通气性差，秸秆没有与土壤颗粒结合成较好的团粒结构，加上秸秆腐熟过程中消耗土壤养分，土壤黏重，因而不能较好地保存水分[35]。本研究中，春小麦不同年份各生育期的土壤含水量差异主要是由降水量差异导致的。2017年春小麦生育期内降水少，墒情差，可以看出，耕作实施初期干旱年内，NTS处理的保水作用较弱，而TS处理的保水性较好。

3.2 不同处理对土壤全氮、铵态氮、硝态氮的影响

土壤氮素是评价土壤质量的重要指标，其动态变化直接影响土壤肥力。研究普遍认为，少免耕加秸秆覆盖能提高土壤全氮含量[36]。在干旱、半干旱区，与传统耕作相比，免耕可保持或提高土壤全氮含量，少免耕结合秸秆覆盖技术能有效降低土壤养分的流失，增加土壤养分，提高作物养分利用效率[37-38]。本试验表明，与对照相比，NTS和TS处理均能显著增加表层(0～40 cm)土壤全氮含量，这说明与传统耕作相比，NTS和TS处理更有利于均衡表层土壤养分，促进缓效养分的释放，增加土壤肥力。与CT相比，TS和NTS处理0～10、10～20、20～40 cm土层的土壤全氮含量都有所提高，与王淑兰等[39]的研究结果较为一致。这主要是由于TS和NTS处理作物收获后秸秆和根系全部归还土壤，对土壤扰动较小，使得真菌生长效率和真菌与细菌活性比率增加，降低了有机氮矿化分解，且残留的作物根系和秸秆分解会释放无机氮和有机氮，使耕层土壤全氮维持稳定[40]。不同处理下，表层土壤全氮含量的变化表明，秸秆覆盖和耕作所产生的土壤扰动是引起土壤全氮变化的主要原因。Beare等[41]和王淑兰等[39]认为，随着耕作年限增加，土壤全氮含量均有不同程度的增加，全氮含量与耕作年限呈现正相关关系。然而，Dalal等[42]却认为，土壤全氮含量不会随着耕作年限的增加而持续增加：一方面，不同年份的降水量不同，春小麦对土壤养分的吸收量也有差异，且秸秆还田量差异对土壤养分的贡献不同；另一方面，降雨量不同导致不同年份的气候因子有差异，土壤有机氮矿化和损失速率有差异。与传统耕作相比，TS和NTS处理增加了表层土壤全氮含量，且以NTS处理的增加幅度较大，说明秸秆覆盖能有效缓解因微生物分解而损失的土壤氮素，而传统耕作措施因没有秸秆覆盖，加速了氮素的矿化损失，加之无秸秆等生物物质的输入，降低了表层土壤氮素的积累。本研究发现，2018年土壤全氮含量高于2017年，主要是因为保护性耕作随实施年限的增加会提高表层土壤全氮含量。不同氮素形态对植物具有不同的生理效应[43]。本研究表明，CT处理的土壤铵态氮和硝态氮含量大于其他处理，这可能是由于免耕没有对土壤进行翻耕，土肥难以融合，土壤紧实，促进了铵态氮的挥发[44-45]，从而使得铵态氮含量低于传统耕作。传统耕作对土壤的剧烈扰动破坏了土壤的原有结构，改善了土壤耕层的通气状况；因此，相比免耕能较好地使肥料融于土壤，加快有机质矿化，加强硝化作用，从而使硝态氮积累[46]。翻耕后，土壤较大的比表面积和较短的弥散路径，便于硝态氮随水向下淋溶[47]。覆盖的秸秆降解后能增加土壤养分[48]，但生育初期的降温会影响作物生长和养分吸收[49]，土壤中虽能积累部分铵态氮和硝态氮，但覆盖秸秆也会增加降水入渗，将水储存于深层，从而使得硝态氮向更深层淋溶积累[50]。TS处理能有效抑制土壤蒸发，增加深层水分的上升和利用，减少了硝态氮向下层的流失，促进根系生长，增强根系对土壤硝态氮的吸收，从而抑制硝态氮的积累[51]。

3.3 不同处理对春小麦产量及其构成要素的影响

农业生产的主要目的是实现农作物的高产。保护性耕作改善了土壤水肥环境，可为作物生长创造良好条件[52-53]。秸秆覆盖能改善土壤结构和质地，提高土壤养分的有效性，提高作物产量[46，54]。本研究表明，TS和NTS处理均不同限度地增加了春小麦产量，TS、NTS处理2 a平均的春小麦产量较CT分别提高35.34%、9.33%。这主要是因为适宜的耕作处理能降低土壤紧实程度，促进土壤结构体的形成，增强土壤通气能力，促进水分和养分积累。本试验中，2018年的春小麦产量明显高于2017年，主要是因为2018年降水较多，土壤水分保持良好，能及时供应作物所需水分和养分。方差分析显示，年份对产量、千粒重和穗粒数的影响极显著，说明2017—2018年产量的变化主要是由年际间环境因子的差异所引起的。由于各处理的实施年限短，因此降水等环境因子对产量的影响反较所设置的耕作措施等处理的影响更大，但耕作措施对土壤理化性质的影响较显著。从2018年数据来看，TS处理较其他处理对增加春小麦产量的效果更好，这可能主要是由于秸秆覆盖能促进土壤腐殖质的形成和土壤团聚体的增加，并且秸秆本身亦可释放营养物质[55]。