耕作方式对灌耕灰钙土耕层物理性质和玉米产量的影响

王成宝, 温美娟，杨思存，霍 琳, 姜万礼

(甘肃省农业科学院土壤肥料与节水农业研究所，甘肃 兰州 730070)

灰钙土是暖温带荒漠边缘的典型干旱土壤，主要分布于黄河中上游的一、二级阶地，具有土层深厚、耕性好、钙积层不明显等特点，但由于干旱缺水，作物产量通常较低。从上世纪60年代开始，在甘肃黄河段相继建成了景电、兴电、刘川、靖会、引大入秦等几十处电力提灌工程，约有3×105hm2灰钙土旱作农田变成了水浇地，极大地改善了这一区域的农业生产条件[1]，但在这一过程中，由于不合理灌溉、小型农机具反复碾压、长期单一浅耕作业和秸秆还田利用率低等因素，导致土壤耕层逐渐变浅、上层土壤粉化、下层土壤沉积压实、犁底层不断加厚，耕层平均深度只有16.5 cm、土壤容重普遍在1.4 g·cm-3左右、紧实度超过1 000 kPa，严重阻碍了作物根系深层分布和水肥资源高效利用[2]。因此，要确保作物高产稳产，就必须通过农机具的机械力量对土壤耕层状况进行调整，以调节土壤水、肥、气、热状况，为作物生长提供适宜的土壤环境。

目前，在甘肃引黄灌区存在着翻耕、旋耕、免耕、深松等多种耕作方式，也有农户进行年际间耕作的变化(轮耕)[3]。国内外学者普遍认为，传统翻耕和旋耕可以造成一个疏松的土壤耕层，但对土壤扰动大，破坏了土壤结构，导致土壤透气性增加，微生物活性提高，从而加速了土壤有机碳的分解速度[4-5]。免耕可以改善土壤结构，但长期免耕使得土壤耕层变浅、下层土壤容重增加、土壤紧实度增加，从而影响作物生长发育[6-7]。深松可以打破犁底层、降低耕层土壤容重、提高土壤蓄水能力，是土壤耕层构建的核心技术，但在实际推广应用中也出现了作物“掉苗”、“倒伏”和“灌水量增加”等问题[8-9]。因此，任何单项耕作措施对土壤耕层构建的作用而言都有其局限性。近年来，国内学者也开始考虑耕作方式的变换(轮耕)，既不单纯强调免耕，也不排斥传统翻耕，而是考虑不同耕作方式的年际间组合，取得了一些创新性成果[10-12]，但由于存在着土壤类型、质地以及不同区域小气候等方面的差异，缺乏参考价值。基于此，本研究设置4个单一耕作方式和2个轮耕组合，旨在通过4 a的定位研究探讨不同耕作方式及其轮耕组合对土壤结构特征和玉米产量的影响，重点分析土壤容重、孔隙度、紧实度、渗透率等土壤物理性质的变化，进而为甘肃引黄灌区灰钙土水浇地合理耕层构建提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

大田试验在甘肃省靖远县北滩镇景滩村(37°05′N，104°40′ E)进行，该地区海拔1 645 m，是黄河水经提升480 m形成的新灌区，处在旱地农业向荒地牧地过渡线以北，属黄土丘陵沟壑干旱区，年平均降水量259 mm，蒸发量2 369 mm；年平均气温6.6℃，大于0℃和10℃积温分别为3 208℃和2 622℃，无霜期160～170 d；年日照时数2 919 h，辐射量616.2 kJ·cm-2。试验地土壤类型为灰钙土，质地为中壤，成土母质为洪积黄土，试验前8 a连续采用翻耕方式，种植作物均为玉米，播前耕层土壤(0～20 cm)有机质12.58 g·kg-1，全氮1.22 g·kg-1，全磷1.09 g·kg-1，全钾1.35 g·kg-1，碱解氮45.4 mg·kg-1，速效磷11.5 mg·kg-1，速效钾193 mg·kg-1，pH值8.25，容重1.41 g·cm-3。

1.2 试验设计

试验于2013年10月开始，在连续翻耕8 a的春玉米田设置连续翻耕(CT，15～18 cm)、连续旋耕(RT，10～13 cm)、连续深松(ST，35～40 cm)、连续免耕(NT)等4个单项耕作措施和翻耕-免耕(CT-NT)、深松免耕(ST-NT)等2个轮耕措施，每个处理重复3次，小区面积330 m2(33 m×10 m)，种植作物为玉米(先玉335)，种植密度7.5万株·hm-2。试验地采用当地生产栽培条件下已经成熟的灌溉施肥制度，氮肥用尿素(含N46%)，磷肥用磷酸二铵(含N18%、P2O546%)，施肥量为氮肥(N)375.0 kg·hm-2、磷肥(P2O5)150.0 kg·hm-2，40%的氮肥和全部磷肥作为基肥，于播种前结合整地施入耕层，剩余60%氮肥于玉米拔节期结合灌水追施；试验地全年灌水5次，灌溉定额6 750 m3·hm-2，灌水分配比例为出苗～拔节13%、拔节～抽雄22%、抽雄～乳熟25%、乳熟～成熟20%、冬灌20%。各耕作措施均在每年10月玉米收获后实施，翻耕(CT)措施采用兰驼1LF型翻转犁，配置20马力手扶拖拉机实施；旋耕(RT)措施采用东方红1GQN-125型旋耕机，配置28马力小四轮拖拉机实施；深松(ST)措施采用沃野ISQ-340型全方位深松机，配置90马力四轮拖拉机实施；免耕(NT)措施采用人工挖除玉米根茬。不同耕作方式实施后的耙耱、镇压、开沟覆膜等措施及田间管理同当地大田，试验处理流程见表1。

表1 田间试验各耕作处理流程

1.3 测定项目与方法

1.3.1 土壤容重 2013—2017 年度玉米成熟期，各小区选择3个有代表性的区域用环刀法测定0～10、10～20、20～30、30～40 cm土壤容重，计算土壤孔隙度[13]：

土壤孔隙度(%)=(1-土壤容重/土壤比重)

(1)

式中，土壤比重近似值为2.65 g·cm-3。

1.3.2 土壤紧实度 2013—2017年度玉米成熟期，各小区选择10个有代表性的区域，用美国产SC900土壤紧实度仪测定0～45 cm土壤紧实度。

1.3.3 土壤入渗率 2013—2017年度玉米成熟期时，各小区选择3个有代表性的区域，采用双环入渗法进行测定。试验过程中，清除地表杂物，用橡皮锤将双环均匀垂直打入土中5 cm，向内环和外环加水，入渗仪外环起到隔离作用。由于内环中水流垂直移动，因而测量限于在内环进行。待外圈土壤水层厚度达3 cm时用秒表计时，通过马里奥瓶观察记录内圈水面下降高度，时间间隔为0.5、1、2、3、5、10、15、20、30、…、150 min，并记录瞬时水温。土壤稳定入渗率计算公式为[14]：

V=Δh/t

(2)

式中，Δh表示各时间内水位下降的高度(cm)，t表示所用的时间(h)。

1.3.4 玉米产量 玉米成熟期，每个小区收获中间8行连续15 m(72 m2)的果穗，全部脱粒后自然风干，称重计产。

1.4 数据处理

采用Microsoft Excel 2016进行数据处理和作图；采用SAS 8.0统计分析软件进行数据，用LSD 法进行处理间多重比较分析(P<0.05)。

2 结果与分析

2.1 耕作方式对土壤容重和孔隙度的影响

从表2可以看出，耕作方式对0～40 cm土层土壤容重有极显著影响(P<0.01)，试验年份和耕作的交互作用对20～40 cm土层土壤容重有显著或极显著影响。由此可知，试验期间耕作方式是影响土壤容重变化的主要因素。随着试验年份的增加，除ST处理0～10 cm土层及NT、CT-NT处理10～20 cm土层土壤容重保持不变外，其他耕作处理0～20 cm土层容重均呈增加趋势；CT和RT处理20～40 cm土层容重呈增加趋势，ST、NT、CT-NT和ST-NT处理则呈降低趋势。与CT处理相比，2017年RT处理0～10 cm和10～20 cm土层土壤容重降低8.70%和5.56%(P<0.05)，20～30 cm土层增加了9.73%(P<0.05)，30～40 cm土层无显著差异；ST、NT、ST-NT处理0～10 cm和10～20 cm土层土壤容重分别增加8.99%和15.50%、16.23%和19.01%、11.30%和16.37%(P<0.05)，CT-NT处理无显著差异；ST、NT、CT-NT、ST-NT处理20～30 cm和30～40 cm土层土壤容重降低4.38%、3.16%、9.25%、7.54%和11.11%、5.56%、6.00%、11.11%。

由表2还可看出，试验年份和耕作的交互作用对20～40 cm土层土壤孔隙度有显著或极显著影响。随试验年份的增加，各处理0～20 cm土层土壤孔隙度均呈增加趋势，除RT处理20～30 cm土层和CT、RT处理30～40 cm土层随试验年份降低外，其余耕作处理土壤孔隙度均随试验年份呈增加趋势。从不同耕作处理对土壤孔隙度的年际变化来看，与CT处理相比，RT处理0～10 cm和10～20 cm土层土壤孔隙度在2017年显著提高了6.67%和4.41%(P<0.05)，ST、NT、ST-NT处理显著降低了6.89%、12.44%、8.66%和11.52%、14.16%、12.17%，CT-NT处理基本维持不变。除RT处理20～40 cm土层土壤孔隙度外，其余耕作处理均随试验年份增加。2017年，与CT处理相比，RT处理20～30 cm土层土壤孔隙度显著下降10.65%(P<0.05)，ST、CT-NT、ST-NT处理20～30 cm和30～40 cm显著增加4.42%、9.60%、7.78%和14.18%、7.51%、14.18%。

表2 不同耕作方式的土壤容重和孔隙度

2.2 耕作方式对土壤紧实度的影响

由图1可看出，经过4 a的田间试验各耕作处理均降低了0～45 cm土层的土壤紧实度，较试验前，2017年收获后，CT、RT、ST、NT、CT-NT、ST-NT处理土壤紧实度分别降低4.55%、6.82%、36.88%、12.38%、13.19%、20.97%，其中以ST降低幅度最大。对于0～10 cm土层，除NT外其余耕作处理均降低了土壤紧实度，其中RT降幅最大，4 a平均降低37.11%；10～25 cm土层土壤紧实度随土层深度的增加逐渐增加，且在25 cm处出现峰值，ST处理较试验前降幅最大，4 a平均为57.09%；25～35 cm土层除RT处理较试验前平均增加2.57%，各耕作处理土壤紧实度随土层增加均呈降低趋势；35～45 cm土层除ST-NT处理较试验前4 a平均增加2.97%外，其余耕作处理均呈降低趋势。

图1 不同耕作方式的土壤紧实度

从不同耕作处理各土层紧实度的年际变化来看，在试验第4年(2017年)，与CT相比，RT、ST、NT、CT-NT、ST-NT均降低了0～45 cm土层土壤紧实度，降低幅度分别为2.37%、33.87%、8.20%、9.05%、17.20%；RT处理0～10 cm土层紧实度在4个年度均最低，与CT处理相比，第4年(2017)降低了28.80%，NT处理有增加趋势，较CT处理增加26.16%；与CT处理相比，ST、NT、CT-NT、ST-NT处理10～25 cm土层土壤紧实度在第4年(2017)下降了55.58%、21.68%、15.72%、44.06%；ST、CT-NT 、ST-NT处理25～35 cm土层土壤紧实度在4个年度均有降低，第4年(2017)较CT处理降低24.37%、4.86%、3.98%；ST、NT、CT-NT处理35～45 cm土层土壤紧实度较CT处理均有降低，降低幅度分别为13.62%、6.06%、2.44%。

2.3 耕作方式对土壤入渗率的影响

不同耕作措施对土壤入渗率的影响见表3。可以看出，在试验年份中，ST、NT处理导致土壤入渗率随年份呈增加趋势；较试验前，第4年(2017)ST、NT处理土壤入渗率增加69.92%、17.34%，RT处理呈连续下降趋势，较试验前降低6.23%，CT处理基本维持不变。不同轮耕措施均较试验前增加了土壤入渗率，较试验前，第4年(2017)CT-NT、ST-NT处理分别增加28.99%、57.45%。通过不同耕作处理间比较可看出，经过4 a的田间试验，ST处理土壤入渗率最高，较CT、RT、NT显著增加65.87%、81.21%、44.80%，较CT-NT、ST-NT增加31.72%、7.92%，其次为ST-NT处理，较CT、RT、NT、CT-NT分别显著增加53.70%、67.92%、34.18%、22.05%。

表3 不同耕作方式的土壤稳定入渗率

2.4 耕作方式对玉米产量的影响

由表4可以看出，2014—2017年，ST、ST-NT处理较CT、RT、NT、CT-NT处理可显著增加玉米产量，ST处理玉米产量随试验年份呈增加趋势，较CT、RT、NT、CT-NT处理4 a平均增产14.9%、23.76%、8.21%、5.99%，ST-NT处理较CT、RT、NT、CT-NT处理4 a平均增产16.82%、25.82%、10.01%、7.76%，而ST和ST-NT处理4 a间玉米产量差异不显著。从不同耕作处理对经济效益的影响可以看出，投入金额随耕作强度的增加而增加，ST处理投入金额最高为13 145 Yuan·hm-2，NT处理投入最少为12 395.0 Yuan·hm-2，ST-NT产出金额最高为27 799 Yuan·hm-2，其次为ST为27 344 Yuan·hm-2，产投比以ST-NT最高为2.18，其次为ST，RT的产投比最低为1.71。

表4 不同耕作方式的玉米产量和经济效益

3 讨 论

土壤耕作是调节土壤结构的重要措施，不同耕作方式对土壤的扰动程度不同，土壤物理性状也会发生较大改变。相比于长期单一耕作措施，轮耕更能创造适宜植物生长的土壤生态环境，对恢复土壤地力、提高供肥保肥能力有重要作用[15-16]。侯贤清等[17]研究指出，长期免耕相比于翻耕、旋耕、深松更能提高土壤容重，而在免耕的基础上进行土壤耕作，能有效降低耕层土壤容重。本研究中，单一耕作措施CT、RT降低了0～10 cm和10～20 cm土层容重，ST处理土壤容重在20～30 cm和30～40 cm较低，这与前人研究结果一致[18-19]，主要原因是ST能对耕作底层的土壤起到显著疏松作用，降低土壤容重，而CT、RT耕作深度较浅，对表层土壤扰动强烈。ST-NT处理0～40 cm土层较CT-NT处理的容重低，但均较ST、NT、RT、CT处理能降低20～30 cm土层容重，主要原因是长期免耕造成土壤体积质量变大，土壤通透性变差，长期旋耕、翻耕易引起土壤犁底层和旋底层的形成，而CT-NT和ST-NT的轮耕模式降低了翻耕和深松频次，减少了土壤扰动，有效维持耕层土壤结构。合理的土壤孔隙度能促进植物根系下扎。本研究中，CT-NT和ST-NT两个轮耕模式较CT、RT、ST和NT的单一耕作措施能显著增加0～40 cm土层土壤孔隙度，这与蒋向等[20]、王玉玲等[21]、孙国峰等[22]研究结果一致，经过4 a的试验，2017年CT-NT处理0～40 cm土层孔隙度较2014年提高9.50%，其余处理均有降低，NT处理降低幅度最大为7.71%。整体而言，CT、RT处理虽然田间操作简单，但连年耕作增加了土壤容重，降低土壤孔隙度，NT、ST处理虽对土壤扰动较小，但在北方荒漠绿洲灌区覆膜种植条件下，连续实施即增加了田间操作难度。

土壤紧实度是土壤主要物理特性之一，适宜的土壤紧实度能增加作物根系穿透力和土壤蓄水渗透能力，提高土壤水肥利用率[23]。本研究表明，不同耕作处理对土壤紧实度的影响主要集中在0～30 cm土层，30～40 cm土层变化较小。与2014年试验前相比，2017年收获后，ST、ST-NT处理0～20 cm土层土壤紧实度分别降低43.37%、31.67%，20～45 cm土层则分别降低33.74%、15.78%，主要原因是ST处理改善表土结构，促进作物残留物的分解，降低土壤紧实性[24]。土壤入渗率以ST、ST-NT处理增加最多，2017年较试验前相比，0～45 cm土层入渗率分别增加69.92%、57.45%，主要原因是ST不会对耕层土壤产生较大扰动，能打破土壤犁底层，进而增加土壤入渗率，而RT、CT处理的耕作深度较浅，连年耕作机械碾压，造成耕层以下土壤形成紧实层，导致土壤入渗率降低。CT-NT处理使得土壤入渗率持续增加，ST-NT处理则使其呈波浪上升，轮耕处理较CT、RT与NT处理能显著增加土壤入渗率，降低土壤紧实度。分析认为，一方面CT处理能使土壤耕层上下翻转松碎，增加土壤通透性，ST能增加20～40 cm土层孔隙度，有利于降雨入渗，增加耕层土壤持水性能；另一方面，CT-NT和ST-NT处理减少了机械进地次数，避免了机械作业造成的二次碾压。前人的研究结果也表明，深翻和深松能有效降低土壤紧实度，但在疏松的土体上进行作业更能增加土壤的压实风险[25]。

作物经济产量是土壤生产性能的综合反映。本研究经过4 a的定位试验表明，不同的耕作措施中以ST-NT处理的玉米产量最高，经济效益最好，说明长期采用ST-NT的轮耕模式有利于土壤肥力水平和产量的提高。主要原因是ST-NT有效改变了土壤容重和孔隙度，使土壤结构更稳定，之前的研究也证实了ST-NT良好的固碳效果和土壤团聚特征[3,26]，这是不同耕作措施优势互补的结果，ST处理能打破犁底层，促进降水入渗，降低土壤容重，增加土壤孔隙度，促进土壤养分释放，改善土壤结构，NT处理能保护土壤，提高土壤蓄水保墒性能，ST-NT轮耕结合不同耕作处理优势，既能避免连年CT、RT造成的加剧土壤团聚体破坏和土壤有机质裸露等问题[27]，又能解决CT、NT、RT引起的底层土壤容重增大问题。此外，CT、RT增加了土壤紧实度，降低了养分水平，影响作物生长和养分吸收，减少了作物产量。ST-NT与ST相比，增加了产投比，轮耕模式降低了机耕作业次数和耕作强度，有效降低了生产总成本，改土效果更好，玉米产量明显提高。综上，任何一种单一耕作措施都有其局限性，采用免耕、深松和翻耕等耕作法集成为土壤轮耕体系，可减轻单一土壤耕作措施的弊端，既打破犁底层又改善了土壤孔隙度，降低土壤紧实度，提高土壤入渗率，促进作物增产。

4 结 论

与传统旋耕(RT)、翻耕(CT)相比，轮耕模式深松-免耕(ST-NT)处理0～40 cm土层4 a平均土壤容重最低，土壤孔隙度最高，在改善土壤结构和通透性方面表现最优，其次是翻耕-免耕(CT-NT)；深松-免耕(ST-NT)和深松(ST)处理能明显降低25～45 cm土层土壤紧实度，增加0～40 cm土层土壤入渗率；深松-免耕(ST-NT)和深松(ST)处理与其他处理相比均能提高玉米产量，但深松-免耕(ST-NT)降低了机械作业次数，降低了生产成本，提高了总产值，经济效益最好。综上，深松-免耕(ST-NT)方式对引黄灌区灰钙土土壤物理性状改良和增产效果最好，具有一定的应用价值。