焦 帥,王瑋瑜,趙興敏,王鴻斌,王洪君,陳寶玉,隋 標

(1.吉林農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境學院，吉林省商品糧基地土壤資源可持續(xù)利用重點實驗室，吉林 長春 130118；2.長春水務集團，吉林 長春 130041；3.吉林省農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所，吉林 長春 130033)

土壤耕作作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中的一項重要技術環(huán)節(jié)，主要通過調節(jié)水、肥、氣、熱等條件[1]改善土壤環(huán)境，以實現(xiàn)糧食增產(chǎn)目的。適宜的土地耕作方式可以改善土壤結構，增強土壤對外界環(huán)境變化的抵抗能力[2]。在長期傳統(tǒng)單一的耕作過程中，通常會出現(xiàn)土壤緊實度增加、耕層變淺、地表裸露、蓄水保墑能力降低[3]等問題，嚴重影響著土壤生產(chǎn)效率。因此，大面積推廣合理的耕作方式對于改善土壤質量、保持地力，提升生產(chǎn)效率，緩解水土流失并促進水分利用[4]和減輕農(nóng)業(yè)對溫室效應的影響[5]等方面至關重要。目前，我國農(nóng)田耕作方式主要有免耕( 留茬、留茬覆蓋)、少耕( 淺耕、旋耕)、傳統(tǒng)耕作 ( 翻耕、深松耕) 等[6]。以少免耕為代表的保護性耕作[7]被認為有利于改善土壤有機質、全氮等土壤理化性狀[8]。然而，由于少免耕對土壤的擾動少，會引發(fā)病蟲草害加重、減產(chǎn)[9]和土壤容重明顯增大[10]等情況的發(fā)生，耕作方式效果的優(yōu)劣也存在較大爭議。

黑鈣土是吉林省主要的三種地帶性土壤類型之一[11]，具有土壤質地較輕、保水保肥和抗逆性較弱、易發(fā)生干旱、潛在肥力低等特征[12]。在本研究區(qū)域內(nèi)，翻耕、旋耕等多種耕作方式都有不同程度的應用，當前對耕作方式的研究大多集中在華北、西北等區(qū)域，在松嫩平原相對干旱的區(qū)域開展的研究較少，因此耕作方式對黑鈣土土壤肥力及產(chǎn)量的影響效果尚不明確。本試驗在吉林省西部旱作玉米田開展，通過設置幾種比較典型的耕作方式對土壤理化性質和作物產(chǎn)量影響的對比，旨在尋找出適宜當?shù)貤l件的耕作方式，為吉林省西部區(qū)域農(nóng)田黑鈣土結構改善和作物產(chǎn)量提高提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗地位于吉林省西北部的白城市洮北區(qū)(45.69°N, 122. 86°E)，地處松嫩平原洮兒河沖擊扇上，地勢較為平坦，土層深厚，土壤肥力較好。氣候類型屬溫帶大陸性季風氣候，四季分明。年平均氣溫5.2℃，年平均降水量400 mm左右，年平均蒸發(fā)量超過1 200 mm，因而相對比較干旱。年平均日照時數(shù)2 885.8 h，0℃以上持續(xù)期210 d；作物平均生長期190 d，無霜期年平均158 d，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以旱作玉米為主。試驗區(qū)土壤質地為砂壤土，有機質含量為16.97 g·kg-1、全氮為1.52 g·kg-1、堿解氮為65.83 mg·kg-1、速效鉀為75.99 mg·kg-1、pH值為7.10 。

1.2 試驗設計

在耕作農(nóng)田中設旋耕(RT)、深松(ST)、免耕(NT)、深翻(DP)和深翻秸稈還田(DPS)5個處理，每個處理3次重復，共15個小區(qū)，采用隨機區(qū)組排列，每個小區(qū)500 m2。試驗期為2017年5月6日播種至10月2日收獲，供試玉米品種為翔玉998，株距20 cm，行距60 cm，種植密度約為7×104株·hm-2，應用免耕播種機同時完成播種施肥操作，灌溉除草等管理過程按照常規(guī)高產(chǎn)田的方式進行。

1.3 樣品采集與測定

1.3.1 土壤樣品 在耕作前、玉米苗期、抽雄期和成熟期，采用蛇形布點法，分別采集0～20、20～40、40～60 cm土層土壤樣品，帶回實驗室自然風干，用原狀土測水穩(wěn)性團聚體；用四分法分取樣品研磨，過20目篩測定堿解氮、速效鉀，過60目篩測定有機質、全氮。在同一位置取環(huán)刀測定容重、田間持水量。主要理化指標的測定采用土壤農(nóng)化常規(guī)分析方法[13]，具體為：土壤容重采用環(huán)刀法；田間持水量采用威爾科克斯法；水穩(wěn)性團聚體采用濕篩法(約得法)；有機質采用重鉻酸鉀容量法(外加熱)；活性有機質采用重鉻酸鉀容量法(稀釋熱法)；全氮采用凱氏定氮法；堿解氮采用堿解擴散法；速效鉀采用火焰光度法。

1.3.2 玉米產(chǎn)量的測定 玉米收獲之前，在每個小區(qū)中間位置選擇植株長勢均勻的區(qū)域，在10 m2樣方內(nèi)取樣并記錄穗數(shù)和鮮重，分別取具有代表性的10穗玉米帶回實驗室進行考種分析，最終結果按籽粒干重計。

1.4 數(shù)據(jù)處理

用Excel 2010處理數(shù)據(jù)，并用SPSS 23.0分析處理間的差異顯著性。

2 結果與分析

2.1 耕作方式對黑鈣土容重、田間持水量和水穩(wěn)性團聚體的影響

土壤容重是反映土壤緊實程度的重要指標，適宜的土壤容重有利于作物根系的生長和對水分養(yǎng)分的吸收。由表1 可知，RT處理0～20 cm土層容重明顯小于20～60 cm容重，0～20 cm和40～60 cm土層容重在玉米生長期內(nèi)變化很小，20～40 cm土層容重先升高后降低至苗期水平，比較來看，RT處理可以使0～20 cm土層容重保持較低水平；ST處理在耕作后顯著減小了20～40 cm土層容重，到抽雄期之后增加至平均水平；NT處理苗期土壤容重隨著土層深度的增加而減小，但到成熟期時0～40 cm土層容重明顯小于40～60 cm土層；DP和DPS處理各土層的容重整體小于其他處理，其中DP處理20～40 cm土層容重最大，而DPS隨深度增加逐漸增大。整體來看，RT處理對0～20 cm土層土壤容重影響較大，ST處理只在短期內(nèi)對20～40 cm土層土壤有影響，NT處理0～20 cm土層容重明顯超過其他處理，DP和DPS處理土壤容重較小，更適宜耕作。與RT處理相比，NT和ST處理土壤容重平均增加4.7%和3.8%，DP和DPS處理分別降低3.4%和2.6%，DP較NT低6.9%。

土壤蓄水保墑能力是影響作物生長和產(chǎn)量的一個關鍵因素，田間持水量是體現(xiàn)蓄水保墑能力的常用指標。由表1可知，RT處理的田間持水量在苗期、抽雄期隨著土層深度增加而呈遞減趨勢，到成熟期后不同層次之間差別不大。不同玉米生長時期，只有0～20 cm土層呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，其他土層的田間持水量在抽雄期階段均比苗期低，可以看出RT處理對0～20 cm土層田間持水量有較大影響；ST處理苗期和抽雄期均呈現(xiàn)20～40 cm>0～20 cm >40～60 cm的趨勢，到成熟期0～20 cm土層顯著小于其他土層，可以看出ST處理可以使20～40 cm土層的持水量顯著提升；NT處理各時期不同深度土層的變化與RT一致，20～60 cm土層的田間持水量均無顯著差異，但與0～20 cm土層差異顯著；同一土層一年的比較來看，隨時間變化有逐漸增大的趨勢，且各層趨勢較一致。DP處理在苗期階段0～60 cm土層無顯著差異，抽雄期0～20 cm土層持水量顯著升高，而20～60 cm土層變化較小，到成熟期，0～20 cm土層降低到20～60 cm土層的水平，各層無顯著差異。DPS處理在苗期階段0～20 cm土層和40～60 cm土層與DP處理相近，但20～40 cm土層顯著較低，因為受到新翻入土壤的秸稈影響，抽雄期后整體上比較均勻。不同耕作方式的比較來看，各處理平均水平的表現(xiàn)為DP>DPS>ST>RT>NT，其中NT比RT降低2.7%，ST與RT差異不顯著，而DP和DPS處理分別比RT增加8.6%和7.0%，均達到顯著水平(P<0.05)。

團聚體是土壤穩(wěn)定性的一個重要指標。由表2可知，各處理不同層次的土壤主要為>0.25 mm的團聚體，占比均超過60%。除苗期0～20 cm土層>2 mm團聚體占比最大外，其他土層均以0.25～2 mm團聚體為主，不同耕作處理下土壤各級別團聚體的質量分數(shù)發(fā)生了明顯變化。抽雄期和苗期相比，RT處理0～20 cm土層土壤中>2 mm的團聚體含量減少了30%，其它級別團聚體含量都有上升，而20～40 cm土壤變化較小；ST處理0～60 cm各層土壤中>2 mm團聚體含量變化不大，0.25～2 mm的團聚體含量有一定程度的上升，其它級別有所下降。NT處理變化趨勢有所不同，0～20 cm土層以>2 mm團聚體為主，隨時間變化呈下降趨勢，其它級別呈上升趨勢；20～60 cm土層以0.25～2 mm團聚體為主，隨著時間的變化<0.053 mm的團聚體在20～40 cm土層上升顯著(抽雄期比苗期高1倍)，40～60 cm土層明顯下降，而0.053～0.25 mm的團聚體正好相反，呈20～40 cm土層下降而40～60 cm土層上升的趨勢。DP處理隨著時間的變化>0.25 mm的團聚體含量均有上升，微團聚體減少；DPS處理>2 mm團粒的含量隨時間變化整體有提高，尤其是20～60 cm土層提高幅度較大，說明DPS處理有利于20～60 cm土層土壤團粒結構的優(yōu)化。不同土壤深度相比較，隨著深度的增加，>2 mm的大團聚體含量明顯降低，而0.25～2 mm團聚體呈上升趨勢，說明土壤深度增加團聚體直徑減小，土壤質量有一定的變差趨勢。土壤大團粒結構(>0.25 mm)含量平均表現(xiàn)為苗期RT處理最高，抽雄期DPS最高、DP次之，整體平均含量以DPS最高；RT處理提升了苗期0～40 cm土層土壤大團粒結構的比例，ST處理改善了抽雄期0～20 cm土層土壤大團粒結構，DP和DPS處理對抽雄期以及40～60 cm土層土壤團粒結構改善效果明顯，且團粒結構穩(wěn)定。

表1 不同耕作方式下土壤容重、田間持水量的變化

注：不同小寫字母表示在同一土層深度不同處理間差異顯著,不同大寫字母表示同一處理不同土層深度差異顯著(P<0.05)，下同。

Note: Different lowercase letters indicated that there was significant difference (P<0.05) between different treatments of the same soil layer depth, and different capital letters indicated that there was significant difference (P<0.05) between different soil layers depth of the same treatment. The following is the same.

表2 不同耕作方式下黑鈣土不同級別水穩(wěn)定性團聚體的百分含量/%

2.2 耕作方式對黑鈣土有機質、氮素和速效鉀的影響

有機質含量與土壤肥力水平密切相關[14]。從表3可以看出，同一處理同一土層深度表現(xiàn)為隨時間升高趨勢。同一時期不同層土層深度比較來看，隨著土層深度的增加有機質含量均呈現(xiàn)顯著下降的趨勢，說明傳統(tǒng)耕作處理下土壤養(yǎng)分有明顯的表層富集現(xiàn)象，不利于作物生長和產(chǎn)量提高。由不同處理間的比較可以看出，苗期DPS和DP處理下的0～20 cm土層中有機質含量均較高，而在20～60 cm土層低于其他處理，且二者無顯著差異；NT處理各土層相差相對較??；抽雄期NT處理0～20 cm土層增加最快，同時DPS處理20～40 cm土層和DP處理40～60 cm土層也有較大增長；成熟期RT處理各土層趨于穩(wěn)定，DP處理的0～20 cm和40～60 cm土層最高。綜合來看，除抽雄期NT含量較高外，DPS和DP依然是有機質含量整體較高的處理，說明翻耕的過程有利于土壤有機質含量的提高。由表3可知，不同耕作方式間活性有機質的含量變化趨勢和有機質基本一致。

表4列出了不同耕作方式下土壤全氮、堿解氮、速效鉀的變化。由表可知，同一時期隨著土層深度的增加全氮含量整體在降低，0～20 cm土層土壤隨著生育期推進均有先升高后降低的趨勢，而40～60 cm土層均呈現(xiàn)逐漸升高，應該是施用的氮肥對土壤中氮素產(chǎn)生的主要影響。從各處理間的比較可以看出，苗期RT處理對20～40 cm層土壤提升較大，但隨著作物生長逐漸降低，DPS和DP處理變化趨勢與之相反,0～20 cm層土壤中DPS和DP處理全氮含量整體較高，說明二者提升了土壤氮素水平；土壤全氮平均含量為DPS>DP>ST>RT>NT，但是各處理的差異并不大。

土壤中堿解氮含量的變化與全氮存在差異(見表4)。由各處理的比較看，RT整體高于其他處理，尤其是苗期的0～40 cm土層中明顯較高；ST和NT平均含量相差不大，但NT不同土層堿解氮分布比ST均勻，說明NT有利于土壤氮素的均勻分布；DPS和DP也能明顯改善各層土壤氮素含量的均勻程度，在較短時間內(nèi)使堿解氮水平提高，且DPS改善效果一定程度上優(yōu)于DP。從堿解氮的平均水平來看，與RT處理相比，ST、NT、DP、DPS分別降低了10.6%、8.7%、6.8%和12.9%。

由表4可知，抽雄期DPS處理速效鉀含量最高，顯著高于其他處理，說明秸稈還田對土壤中速效養(yǎng)分的恢復有較好的效果；DP處理雖然沒有明顯提升速效鉀含量，但隨著作物的生長使土壤各個層次中的含量分布較均勻，有利于作物對土壤養(yǎng)分的利用，20～60 cm土層中含量在逐漸提升；RT處理在苗期使0～20 cm土層土壤速效鉀含量顯著提高，說明RT處理在短期內(nèi)對土壤耕作層養(yǎng)分的影響作用明顯；ST和NT處理速效鉀含量較低。

表3 不同耕作方式下黑鈣土有機質含量的變化

表4 不同耕作方式下黑鈣土全氮、堿解氮、速效鉀含量的變化

2.3 耕作方式對玉米產(chǎn)量及其構成因素的影響

如表5所示，不同耕作方式下玉米產(chǎn)量存在一定差異，但差異不顯著，各處理的產(chǎn)量表現(xiàn)為DP>NT>RT>DPS>ST。與RT處理相比，ST和DPS處理的產(chǎn)量降低了7.4%和3.3%，NT、DP處理分別增加2.3%和 7.8%，產(chǎn)量最低的ST與最高的DP相差16.5%，說明耕作方式對作物產(chǎn)量有一定的影響。

從產(chǎn)量構成因素看，產(chǎn)量與百粒重呈顯著正相關(P<0.05)，而與穗數(shù)、穗粒數(shù)相關性不顯著，與玉米軸重有一定負相關關系。

表5 不同耕作方式下作物產(chǎn)量及其構成因素

注:*表示在5%水平下相關性顯著, **表示在1%水平下相關性極顯著;r為產(chǎn)量構成因素與產(chǎn)量的相關系數(shù)。

Note: * indicates significant correlation at 0.05 level, ** indicates extremely significant correlation at 0.01 level.ris the correlation coefficient between yield components and yield.

3 討論與結論

3.1 耕作方式對土壤理化性狀的影響

RT處理，土壤容重、田間持水量、堿解氮等0～20 cm土層狀況明顯好于20～60 cm土層，而速效鉀只在苗期0～20 cm層土壤含量較高，說明RT主要對作物生長前期的0～20 cm層土壤影響比較明顯，而對20 cm以下較深層的土壤以及整個作物生長期影響較小，其原因是RT處理的作業(yè)強度和深度較小， 對于打破犁底層、提升有機質含量、改善土壤結構等方面效果不明顯。這一結論與吳建富等[15]的研究結果一致。

ST處理下，由土壤容重、田間持水量、團聚體等物理性狀可以看出，其20～40 cm層土壤在一定時期內(nèi)與0～20 cm和40～60 cm土層及其他處理之間有明顯差別。具體表現(xiàn)為，20～40 cm土壤容重在苗期較RT、NT、DP、DPS處理分別降低14.5%、15.7%、12.9%和7.4%，但處理效果保持時間較短，逐漸接近其他處理；20～40 cm層土壤的田間持水量隨著作物生長在逐漸提升，與0～20 cm和40～60 cm土層的變化不同；從團聚體的比較可以看出，20～40 cm深度土壤的大團聚體含量較其他處理少，<0.25 mm粒級的含量比0～20 cm和40～60 cm土層多。而在養(yǎng)分含量方面，ST與NT處理差異均不顯著而且處于較低水平。說明ST處理可以改變20～40 cm層土壤結構和物理性狀，在疏松土質、蓄水保墑方面有一些效果，但整體來看不利于耕作效果的發(fā)揮。本研究結果在容重、田間持水量兩個指標上與何潤兵等[16]、宮秀杰等[17]研究結論基本一致。因為ST耕作主要作用在15～35 cm土層且屬于保護性耕作，其對不同深度土壤擾動和整體作用效果較小，在土壤自然沉降及降水等因素[18]的影響下耕作效果逐漸減小。在土壤養(yǎng)分變化方面，張玉玲等[19]研究得出ST可以有效提升土壤養(yǎng)分含量，與本研究結果不一致，可能是土壤質地、氣候條件等方面狀況不同導致的。但目前對ST的研究結果主要體現(xiàn)在改善土壤物理性質上[20-22]，對養(yǎng)分有顯著影響的研究結果很少。

NT是典型的保護性耕作，成為相關研究的熱點，其結果也存在較大的爭議。張婧等[23]研究表明，NT對土壤多種理化性質都有明顯的促進作用；而楊艷等[24]研究顯示NT對土壤理化性質的提高不明顯，甚至有一定程度降低。本試驗表明，表土層的含水量和>2 mm大團聚體兩個方面具有較好的提升效果，其他指標并未看出顯著優(yōu)于其他處理。NT處理的容重、持水能力較其他處理效果差，與李鳳博等[26]的研究結果相近；大團聚體和>0.053微團聚體含量較高，與李彤等[27]的研究相近；氮素和有機質的含量較低且與ST、RT差異不顯著，這與馮躍華[28]關于NT處理存在表層聚集現(xiàn)象，含量隨著年限增加而逐漸增加的研究結果有差異，可能因為耕作時間較短，NT處理的積累效果還沒有顯現(xiàn)，有待于更長時間的試驗來驗證。

從不同耕作方式的比較來看，DP和DPS處理只有0～20 cm土層的大團聚體含量比NT等保護性耕作差，在測定的其他物理性質和土壤養(yǎng)分含量上都表現(xiàn)出優(yōu)于其他三種處理的趨勢，說明深翻耕作在提升土壤結構、蓄水保墑能力和養(yǎng)分含量水平等方面都有一定的改善效果?？赡苁且驗樵诒狈絾渭咀魑锏姆N植過程中，休閑期長達6個月，加上凍融過程的促進作用，保證了土壤結構、養(yǎng)分的恢復。而翻耕能夠充分混合不同深度的土壤，有利于均衡土壤中的各種物質，為作物生長提供較好的土壤基礎，而且對于打破犁底層、疏松土壤進而增強透氣保水能力效果較好。翻動的過程中還可以將表土層的作物殘體帶入更深層的土壤, 增加了深層土壤有機碳的固存[29],這與唐海明等[30]、戰(zhàn)秀梅等[31]的研究結果相近。而除了田間持水量外，DPS處理均優(yōu)于DP處理，但二者差異不顯著，說明秸稈還田對于提升土壤肥力、改善耕地質量、增加土壤有機質等方面存在潛力。但是有研究表明，進入土壤的有機物腐解過程較慢[32]，因此短時期內(nèi)秸稈還田對土壤質地、養(yǎng)分的改善效果不大。

3.2 耕作方式對作物產(chǎn)量及其構成因素的影響

關于耕作方式對作物產(chǎn)量的影響，當前已經(jīng)有大量的研究，但是結果不盡相同。馮艷春等[33]對免耕、翻耕、旋耕和深松4種耕作方式進行比較，得出了深松比其他處理增產(chǎn)8.3%～11.5%的結論，谷思玉等[34]的結論與之相似；余海英等[35]研究認為, 免耕(NT)有利于作物增產(chǎn)。而朱利群等[36]研究認為，翻耕有利于提高產(chǎn)量，與本研究的結果一致。本研究深翻秸稈還田(DPS)產(chǎn)量較低，可能是還田的秸稈腐解效率較低，還未有效地釋放出促進作物生長的養(yǎng)分，而且混在土壤中對作物出苗、根系生長產(chǎn)生影響。對產(chǎn)生以上不同的結果，可能是受土壤質地、地形地貌、氣候條件、作物類型等多方面因素的影響，不同區(qū)域內(nèi)適宜的耕作方式不盡相同，應該因地制宜地推廣相應的耕作技術。

綜上所述，本試驗條件下，深翻對土壤肥力和產(chǎn)量的改變狀況具有一致性，是該區(qū)域比較適宜的耕作方式。而秸稈直接還田由于腐解周期較長，短期內(nèi)不利于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，應該采取相應的處理措施加快秸稈腐解，才能達到兼具提升土壤肥力和增加作物產(chǎn)量的效果。