張銀平，遲巖杰，王占濱，李曉冉，李洪文，刁培松※

（1. 山東理工大學(xué)農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院，淄博 255049；2. 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京 100083）

0 引 言

現(xiàn)有耕作模式主要有精耕細(xì)作和保護(hù)性耕作，2 種耕作模式對(duì)人類社會(huì)的發(fā)展貢獻(xiàn)巨大，但也存在嚴(yán)重不足。在黃淮海兩熟區(qū)，傳統(tǒng)精耕細(xì)作模式下播前耕作工序多，過(guò)程復(fù)雜，耗時(shí)長(zhǎng)，影響下茬作物及時(shí)播種，而且長(zhǎng)期機(jī)械化翻耕、旋耕等，導(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)破壞，養(yǎng)分流失，肥力減退，犁底層變淺變厚[1-3]。保護(hù)性耕作雖然在一熟區(qū)得到了大面積推廣，但在兩熟區(qū)應(yīng)用有一定的局限性，秸稈大量覆蓋影響播種，長(zhǎng)期不進(jìn)行翻耕，使養(yǎng)分和雜草種子、蟲卵等在地表富集，病蟲草害嚴(yán)重，農(nóng)藥（包含除草劑）使用量超標(biāo)，生態(tài)環(huán)境污染[4-6]。本研究集成傳統(tǒng)精耕細(xì)作和保護(hù)性耕作的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)組合耕作模式，通過(guò)定位試驗(yàn)對(duì)其周期生產(chǎn)力進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，以期為麥玉兩熟區(qū)土地生產(chǎn)力的提升提供參考。

目前針對(duì)保護(hù)性耕作模式作用和效益的研究較多，Olivella 等[7]評(píng)價(jià)了保護(hù)性耕作對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響；徐陽(yáng)春等[8-9]分析了保護(hù)性耕作在平衡土壤內(nèi)部生物和微生物以及減少草害、蟲害等方面的生態(tài)環(huán)境效益；劉振東[10]研究了保護(hù)性耕作在防止風(fēng)蝕方面的作用。原君靜等[11]選取了5 個(gè)等級(jí)18 個(gè)指標(biāo)對(duì)保護(hù)性耕作的適應(yīng)性及生態(tài)效益進(jìn)行了評(píng)價(jià)；劉月樓等[12]研究了保護(hù)性耕作對(duì)農(nóng)作物年產(chǎn)量的影響，從產(chǎn)量角度評(píng)價(jià)了保護(hù)性耕作的經(jīng)濟(jì)效益；周景奎等[13]從投入與產(chǎn)出比角度分析了保護(hù)性耕作的經(jīng)濟(jì)效益；楊愛民等[14]從用工角度分析了保護(hù)性耕作的經(jīng)濟(jì)效益。高旺盛[15]提出保護(hù)性耕作“三少兩高”綜合效益評(píng)價(jià)原則，陳源泉等[16-17]在其基礎(chǔ)上，提出了綜合保護(hù)度綜合反映指標(biāo)，評(píng)價(jià)不同模式的優(yōu)缺點(diǎn)。對(duì)生產(chǎn)力評(píng)價(jià)的研究還較少，劉世平[18]評(píng)價(jià)了稻麥兩熟制不同栽培方式對(duì)農(nóng)田生態(tài)環(huán)境和周年生產(chǎn)力的影響，但現(xiàn)有研究的評(píng)價(jià)體系對(duì)生產(chǎn)力的評(píng)價(jià)一般是以單一年份或周年為期限，不能很好地反應(yīng)耕作模式的長(zhǎng)期效應(yīng)。本研究建立“翻耕-免耕-深松-免耕”4 a 為一個(gè)周期的組合耕作模式，對(duì)不同耕作模式的生產(chǎn)力（即周期生產(chǎn)力）進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，以更好地反映組合耕作模式的連續(xù)效應(yīng)，明確不同耕作模式的周期生產(chǎn)力，為其在黃淮海兩熟區(qū)的推廣提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)于2012 年9 月開始在山東省淄博市臨淄區(qū)鳳凰鎮(zhèn)東申村富群農(nóng)機(jī)專業(yè)合作社試驗(yàn)基地進(jìn)行，試驗(yàn)基地位于山東省中部的平原地區(qū)，地處北緯 36.88°，東經(jīng)118.23°，年降水量650～800 mm，7、8 月份降水量集中，年均氣溫12.2 ℃，屬典型的北溫帶大陸性氣候。土壤為棕褐土，試驗(yàn)前，該地長(zhǎng)期進(jìn)行傳統(tǒng)翻耕作業(yè)，翻耕深度15～18 cm，犁底層較淺、較厚，秸稈不還田，0～20 cm耕層土壤平均有機(jī)質(zhì)含量1.16 %，平均容重1.38 g/cm3。常年種植作物為小麥和玉米。

1.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)設(shè)計(jì) 3 個(gè)處理：組合耕作（Combine Tillage，CT）、連續(xù)免耕（Continuous No-tillage，CN）和連續(xù)翻耕（Continuous Plouging，CP），每個(gè)處理面積1 500 m2，3次重復(fù)。各處理每季秸稈全量還田，還田方式為切碎均勻拋撒，秸稈長(zhǎng)度≤100 mm；翻耕深度為20 cm，由于鏵式犁翻耕后無(wú)法直接進(jìn)行小麥播種，在翻耕后進(jìn)行旋耕整地；深松深度為30 cm，深松鏟間距60 cm。4 a 間各處理作業(yè)工序如下：

CT：翻耕（第2 年免耕、第3 年深松、第4 年免耕）—小麥播種—小麥田間管理—小麥?zhǔn)斋@與秸稈粉碎還田—玉米貼茬直播—玉米田間管理—玉米收獲與秸稈粉碎還田。

CN：小麥免耕播種—小麥田間管理—小麥?zhǔn)斋@與秸稈粉碎還田—玉米貼茬直播—玉米田間管理—玉米收獲與秸稈粉碎還田。

CP：翻耕—小麥播種—小麥田間管理—小麥?zhǔn)斋@與秸稈粉碎還田—玉米貼茬直播—玉米田間管理—玉米收獲與秸稈粉碎還田。

1.3 供試品種與種植方式

供試小麥品種為濟(jì)麥22，寬苗帶播種，苗帶寬度12～14 cm，播量、播種時(shí)間及收獲時(shí)間如表1 所示。供試玉米品種為登海605，行距60 cm，播種密度、播種時(shí)間及收獲時(shí)間如表2 所示。

表1 小麥播量、播種及收獲時(shí)間Table 1 Seeding rate, sowing time and harvesting time of wheat

表2 玉米播量、播種及收獲時(shí)間Table 2 Seeding rate, sowing time and harvesting time of corn

小麥播種時(shí)深施基肥：純 N 225 kg/hm2，P2O5180 kg/hm2，K2O 180 kg/hm2，各處理在拔節(jié)期統(tǒng)一追施純N 100 kg/hm2；玉米播種時(shí)深施基施：純N 150 kg/hm2，P2O5120 kg/hm2，K2O 100 kg /hm2，大喇叭口期追施純N 120 kg/hm2。

采用卷盤式噴灌機(jī)進(jìn)行灌溉。小麥生育期灌溉越冬水60 mm、拔節(jié)水60 mm、灌漿水60 mm；玉米生育期灌溉拔節(jié)水80 mm、灌漿水80 mm。

翻耕年，冬小麥噴施1 次除草劑，1 次殺蟲劑；免耕和深松年，噴施2 次除草劑、2 次殺蟲劑。玉米均噴施2次除草劑、1 次殺蟲劑。

2 評(píng)價(jià)指標(biāo)與評(píng)價(jià)方法

2.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)選取

評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取是能否進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)的關(guān)鍵，對(duì)后期評(píng)價(jià)的科學(xué)性至關(guān)重要。本研究在遵循科學(xué)合理、具有層次性和易于評(píng)價(jià)等原則的基礎(chǔ)上，結(jié)合已有研究，選出目前運(yùn)用較多、農(nóng)民普遍關(guān)心或認(rèn)為比較重要、能夠準(zhǔn)確獲取的評(píng)價(jià)指標(biāo)，土壤綜合質(zhì)量、成本投入與作物產(chǎn)出是生產(chǎn)力的重要表現(xiàn)，因此本文建立包含這 3 方面的生產(chǎn)力綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。

土壤綜合質(zhì)量指標(biāo)（Integrated Quality Index，IQI）包括：土壤結(jié)構(gòu)指標(biāo)（Structure Index，SI）和土壤養(yǎng)分指標(biāo)（Nutrient Index，NI）。對(duì)于土壤結(jié)構(gòu)指標(biāo)，土壤水穩(wěn)性大團(tuán)聚體以及土壤團(tuán)聚體平均質(zhì)量直徑（Mean Weight Diameter，MWD）是體現(xiàn)土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的重要指標(biāo)[19-21]，土壤容重是衡量耕作層土壤耕作質(zhì)量的重要指標(biāo)[22]，因此土壤結(jié)構(gòu)指標(biāo)選取土壤水穩(wěn)性大團(tuán)聚體、大團(tuán)聚體平均質(zhì)量直徑（MWD）和土壤容重；對(duì)于土壤養(yǎng)分指標(biāo)，常用的指標(biāo)為：有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、速效磷和速效鉀含量。本研究在2016 年秋季玉米收獲后進(jìn)行土壤取樣測(cè)定經(jīng)過(guò)4 a 耕作后的土壤結(jié)構(gòu)和養(yǎng)分含量，取樣時(shí)為避免深松位置及玉米根茬對(duì)土壤質(zhì)量的影響，取樣點(diǎn)位于距離2014 年深松位置15 cm 處。

成本投入包括農(nóng)資投入、機(jī)械作業(yè)成本投入和人工投入，通過(guò)調(diào)研當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)合作社的農(nóng)資平均價(jià)格、機(jī)械作業(yè)平均收費(fèi)及用工平均費(fèi)用等確定不同耕作模式種子、化肥、農(nóng)藥等物資投入和各環(huán)節(jié)的機(jī)械作業(yè)投入、人工費(fèi)投入。

作物產(chǎn)出包括作物產(chǎn)量和產(chǎn)值，作物成熟后，在不同耕作模式的試驗(yàn)田中分別隨機(jī)選取20 m×2.4 m 的3 個(gè)樣區(qū)測(cè)產(chǎn)，并根據(jù)當(dāng)年收購(gòu)價(jià)格計(jì)算產(chǎn)值。

2.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)值的處理

2.2.1 標(biāo)準(zhǔn)化處理

由于土壤的各項(xiàng)理化指標(biāo)值的量綱不同，對(duì)土壤質(zhì)量影響的貢獻(xiàn)率也不相同，在計(jì)算土壤綜合質(zhì)量指標(biāo)時(shí)，不能直接將各項(xiàng)指標(biāo)簡(jiǎn)單累加，必須對(duì)各評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，以消除各評(píng)價(jià)指標(biāo)之間的量綱差異。本文通過(guò)建立隸屬度函數(shù)，計(jì)算土壤的各項(xiàng)理化指標(biāo)的隸屬度值，來(lái)表示土壤各項(xiàng)理化指標(biāo)的狀態(tài)值。根據(jù)文獻(xiàn)[18]可知，在一定的范圍內(nèi)，耕作對(duì)土壤質(zhì)量的效應(yīng)曲線均呈S 型，土壤大團(tuán)聚體平均質(zhì)量直徑（WMD）越大土壤質(zhì)量越好，土壤養(yǎng)分指標(biāo)越高土壤越肥沃，所以本文中土壤平均質(zhì)量直徑（WMD）和土壤養(yǎng)分指標(biāo)的隸屬度函數(shù)也采用S型曲線，相應(yīng)的隸屬度函數(shù)為

式中f（x）為測(cè)定的土壤指標(biāo)的隸屬度值；x為土壤指標(biāo)的測(cè)定值，x1為土壤指標(biāo)所在的 S 型隸屬度函數(shù)曲線的第一轉(zhuǎn)折點(diǎn)取值，x2為土壤指標(biāo)所在的 S 型隸屬度函數(shù)曲線的第二轉(zhuǎn)折點(diǎn)取值。根據(jù)測(cè)定的土壤各項(xiàng)指標(biāo)值的范圍確定其所在隸屬度函數(shù)曲線的轉(zhuǎn)折點(diǎn)值，本研究中土壤結(jié)構(gòu)指標(biāo) MWD 和土壤養(yǎng)分指標(biāo)有機(jī)碳、全氮、堿解氮、速效磷、速效鉀含量的第一轉(zhuǎn)折點(diǎn)取值分別為0.3 mm、7 g/kg 、0.7 g/kg、60 mg/kg、25 mg/kg、100 mg/kg，第二轉(zhuǎn)折點(diǎn)取值分別為 0.7 mm、10 g/kg、0.9 g/kg、80 mg/kg、35 mg/kg、115 mg/kg。

土壤容重反應(yīng)的是土壤的緊實(shí)度，容重太大或太小的都不利于作物生長(zhǎng)，其所在隸屬度函數(shù)應(yīng)該有且僅有一個(gè)最大值，因此土壤容重的隸屬度函數(shù)為拋物線型，相應(yīng)的隸屬度函數(shù)為

式中f（n）為土壤容重的隸屬度值，n為土壤容重的測(cè)定值，n1、n2、n3、n4分別為土壤容重指標(biāo)所在的拋物線型隸屬度函數(shù)曲線的轉(zhuǎn)折點(diǎn)取值，根據(jù)測(cè)定的土壤容重值的大小范圍確定其所在隸屬度函數(shù)曲線的轉(zhuǎn)折點(diǎn)取值為n1=1.25 g/cm3，n2=1.30 g/cm3，n3=1.35 g/cm3，n4=1.40 g/cm3。

各項(xiàng)土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)的隸屬度值的范圍為 0.1～1.0，指標(biāo)隸屬度值的大小反映指標(biāo)的隸屬程度，根據(jù)實(shí)際情況，土壤質(zhì)量值一般不會(huì)為 0，因此將最小值定為0.1，最小值0.1 表示土壤質(zhì)量最差狀態(tài)，最大值1.0 表示土壤質(zhì)量最好狀態(tài)。

2.2.2 單項(xiàng)指標(biāo)權(quán)重確定

土壤的各項(xiàng)指標(biāo)對(duì)土壤綜合質(zhì)量的影響作用是不同的，因此必須給各項(xiàng)指標(biāo)賦予一定的權(quán)重。本文采用相關(guān)系數(shù)法[23]計(jì)算各項(xiàng)土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)之間的相互關(guān)系，建立各項(xiàng)指標(biāo)之間的相關(guān)系數(shù)矩陣G，然后由相關(guān)系數(shù)矩陣求出其逆矩陣G-1，由所得的逆矩陣中的相關(guān)元素計(jì)算偏相關(guān)系數(shù)，單項(xiàng)土壤質(zhì)量指標(biāo)與其他指標(biāo)偏相關(guān)系數(shù)的平均值占所有指標(biāo)偏相關(guān)系數(shù)平均值之和的百分比即為單項(xiàng)土壤質(zhì)量指標(biāo)占土壤綜合質(zhì)量指標(biāo)的權(quán)重。通過(guò)計(jì)算得到各項(xiàng)指標(biāo)權(quán)重如表3 所示。

表3 土壤指標(biāo)權(quán)重計(jì)算結(jié)果Table 3 Calculation results of soil index weight

2.2.3 土壤質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)計(jì)算

根據(jù)加乘原則，把2 項(xiàng)土壤結(jié)構(gòu)指標(biāo)和5 項(xiàng)土壤養(yǎng)分指標(biāo)進(jìn)行加法合成，從而求得土壤結(jié)構(gòu)指標(biāo)（SI）和養(yǎng)分指標(biāo)值（NI），再將SI 和NI 進(jìn)行乘法合成，求得土壤質(zhì)量的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)IQI。

式中W（S）為土壤結(jié)構(gòu)指標(biāo)的權(quán)重值；W（N）為土壤養(yǎng)分指標(biāo)的權(quán)重值；f（S）為土壤結(jié)構(gòu)指標(biāo)的隸屬度值；f（N）為土壤養(yǎng)分指標(biāo)的隸屬度值。

2.3 周期生產(chǎn)力評(píng)價(jià)方法

高產(chǎn)、高效、可持續(xù)是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的目標(biāo)，本文運(yùn)用綜合評(píng)分法對(duì)組合耕作模式的周期生產(chǎn)力進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，選擇產(chǎn)量和產(chǎn)值作為高產(chǎn)指標(biāo)，低成本和高收入作為高效的指標(biāo)，選用土壤養(yǎng)分指標(biāo)NI 和土壤綜合質(zhì)量指標(biāo)IQI 作為可持續(xù)發(fā)展的指標(biāo)。將各項(xiàng)指標(biāo)及權(quán)重代入公式（6）。

式中∑WiPi為某一耕作模式的總得分；Pi為各項(xiàng)指標(biāo)得分；Wi為各項(xiàng)指標(biāo)權(quán)重。

根據(jù)目前高產(chǎn)、高效和可持續(xù)在總指標(biāo)中的相對(duì)重要性，通過(guò)查閱相關(guān)資料[17-19]、向兩熟區(qū)農(nóng)業(yè)合作社發(fā)放調(diào)查問(wèn)卷（22 份）、電話咨詢相關(guān)專家（7 人）的方式確定高產(chǎn)、高效和可持續(xù)在總指標(biāo)中的權(quán)重分別為35%、35%和30%。其中高產(chǎn)指標(biāo)中的周期總產(chǎn)量權(quán)重為20%，周期總產(chǎn)值權(quán)重為15%；高效指標(biāo)中周期總投入權(quán)重 15%，周期純收入權(quán)重20%，可持續(xù)指標(biāo)中土壤養(yǎng)分指標(biāo)NI 權(quán)重10%，土壤綜合質(zhì)量指標(biāo)IQI 權(quán)重20%。

3 結(jié)果與分析

3.1 周期土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)

連續(xù)4 a 耕作后不同耕作模式0～30 cm 土層的R*0.25（粒徑大于0.25 mm 的水穩(wěn)性大團(tuán)聚體）含量、平均質(zhì)量直徑和土壤容重的測(cè)量結(jié)果如表4 所示。

3.1.1 耕作模式對(duì)土壤大團(tuán)聚體含量及MWD 的影響

土壤水穩(wěn)性大團(tuán)聚體（直徑大于0.25 mm 的土壤團(tuán)粒）反映了土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、持水性和抗侵蝕的能力，比較表4 中的水穩(wěn)性大團(tuán)聚體含量可知，在0～30 cm 土層，土壤水穩(wěn)性大團(tuán)聚體含量從高到低均為 CT、CN 和CP。在0～10 cm 土層，CT 處理與CN 處理差異不顯著，兩者均顯著高于 CP 處理（P<0.05），分別高 35.54%和32.42%；在>10 ～20 cm 土層各處理之間差異顯著（P<0.05），CT 處理比CN 處理高8.93%，比CP 處理高達(dá)22.79%，CN 處理比CP 處理高12.72%；在>20～30 cm土層CT 處理比處理CN 和CP 分別高16.17%和34.33%。比較0～30 cm 土層的水穩(wěn)性大團(tuán)聚體平均含量可知，CT處理比CN 處理和CP 處理分別高8.2%和30.4%。說(shuō)明秸稈連續(xù)還田條件下，與連續(xù)翻耕模式和連續(xù)免耕模式相比，組合耕作模式顯著增加0～30 cm 土層土壤水穩(wěn)定性大團(tuán)聚體含量，連續(xù)免耕模式只增加0～10 cm 土層土壤水穩(wěn)性大團(tuán)聚體含量，連續(xù)翻耕模式則顯著降低 0～30 cm 土壤水穩(wěn)性大團(tuán)聚體含量，對(duì)土壤大團(tuán)聚體有破壞作用。分析可知，耕作對(duì)土壤水穩(wěn)性大團(tuán)聚體的形成有影響，連續(xù)翻耕模式由于過(guò)度耕作對(duì)表層土壤水穩(wěn)性大團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)造成破壞，同時(shí)在>20～30 cm 土層形成較厚的犁底層，不利于土壤水穩(wěn)性大團(tuán)聚體的形成，但在>10～20 cm 土層，連續(xù)翻耕的土壤水穩(wěn)性大團(tuán)聚體含量比0～10 土層和>20～30 cm 土層高，可能是因?yàn)檫B續(xù)翻耕將秸稈翻到>10～20 cm 土層，增加了該土層的有機(jī)碳含量，有利于土壤水穩(wěn)性大團(tuán)聚的形成；連續(xù)免耕模式由于耕作較少對(duì)土壤水穩(wěn)性大團(tuán)聚體的破壞作用小，其各層土壤的水穩(wěn)性大團(tuán)聚體含量均比連續(xù)翻耕高，地表秸稈覆蓋增加了0～10 cm 土層的土壤有機(jī)碳的含量，有利于土壤水穩(wěn)性大團(tuán)聚體的形成，但隨著免耕年限的增加，機(jī)械對(duì)土壤的壓實(shí)次數(shù)增多，導(dǎo)致土壤表層緊實(shí)度增加，透氣、透水性變差，不利于>10～20 和>20～30 cm土層土壤水穩(wěn)性大團(tuán)聚體的形成；組合耕作模式在4 a 周期內(nèi)進(jìn)行1 次翻耕，可將表層積累的有機(jī)碳翻到亞表層，增加亞表層土壤有機(jī)碳含量，免耕年份的秸稈覆蓋在地表，避免雨水對(duì)地面的直接沖刷，并在4 a 周期內(nèi)進(jìn)行1次深松，打破犁底層，增強(qiáng)土壤的透氣、透水能力，促進(jìn)土壤水穩(wěn)性大團(tuán)聚體的形成，從而顯著增加0～30 cm土壤水穩(wěn)性大團(tuán)聚體含量。

土壤團(tuán)聚體的粒徑分布反映土壤質(zhì)量，土壤大團(tuán)聚體平均質(zhì)量直徑（MWD）是表示土壤團(tuán)聚體粒徑分布的常用指標(biāo)，水穩(wěn)性團(tuán)聚體 MWD 越大表示土壤團(tuán)聚體的平均粒徑團(tuán)結(jié)度越高，穩(wěn)定性越強(qiáng)。由表4 可知，在0～30 cm 土層，各處理的MWD 從高到低為CT、CN 和CP。在0～10 cm 土層，CT 處理和CN 處理之間差異不顯著，兩者均顯著高于CP 處理；在>10～20 cm 土層CT 處理顯著高于 CN 和CP 處理，CN 和 CP 處理差異不顯著；在>20～30 cm 土層，各處理差異顯著。分析其原因可知，耕作對(duì)土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的穩(wěn)定性影響顯著（P<0.05），連續(xù)翻耕破壞土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的穩(wěn)定性，不利于形成較大直徑的水穩(wěn)性大團(tuán)聚體；CN 處理的耕作強(qiáng)度比 CT處理小，但在>10～20 和>20～30 cm 土層的土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體MWD 卻顯著低于CT 處理，可能是由于連續(xù)免耕的秸稈長(zhǎng)期覆蓋在地表，有機(jī)碳在表層積累，>10～20 和>20～30 cm 土層的有機(jī)質(zhì)含量較少，不利于形成較大直徑的水穩(wěn)性大團(tuán)聚體。

表4 4 a 耕作后不同耕作模式0～30 cm 土層的R*0.25 含量、平均質(zhì)量直徑和土壤容重Table 4 R*0.25 content, Mean Weight Diameter(MWD) and soil bulk density of different tillage modes in 0～30 cm soil layers after four years

3.1.2 耕作模式對(duì)土壤容重的影響

土壤容重反映土壤的松緊度，適宜的土壤容重有利于植物根系生長(zhǎng)對(duì)水分養(yǎng)分的吸收，所以能否創(chuàng)造松緊適宜的耕作層是衡量土壤耕作質(zhì)量的重要指標(biāo)，一般適宜作物生長(zhǎng)的土壤容重在1.3～1.4 g/cm3之間。根據(jù)表4，4 a 組合耕作后0～10 和>20～30 cm 土層土壤容重大小順序從高到低均為CP、CN 和CT，>10～20 cm 土層土壤容重高到低的順序?yàn)镃N、CP 和CT。分析原因可能是CP處理連續(xù)4 a 進(jìn)行翻耕，使地表裸露，經(jīng)噴灌水、雨水等的沖刷，表層土壤板結(jié)嚴(yán)重，導(dǎo)致0～10 cm 土壤容重增加；連續(xù)翻耕在>20～30 cm 形成犁底層，增加了該土層土壤容重，大于1.5 g/cm3，不利于作物的生長(zhǎng)；連續(xù)4 a的秸稈還田，翻耕到>10～20 cm 土層，使該土層有機(jī)質(zhì)含量高于CN 處理，因此該層土壤容重小于CN 處理。而CN 處理由于4 a 未進(jìn)行耕作，對(duì)土壤大團(tuán)聚體的破壞作用小，同時(shí)又有秸稈覆蓋在地表，增加了表層土壤有機(jī)質(zhì)含量，0～10 cm 土層土壤容重較處理CP 小，但連續(xù)4 a 免耕的土壤遭到碾壓后緊實(shí)度增加，4 a 未翻耕，>10～20 cm 土層土壤有機(jī)質(zhì)較少，團(tuán)聚體含量少，容重有所增加，略大于CP 處理，顯著大于CT 處理；>20～30 cm 土層CN 處理由于連續(xù)4 a 未進(jìn)行翻耕，試驗(yàn)前長(zhǎng)期傳統(tǒng)耕作形成的犁底層變得不明顯，土壤容重顯著小于 CP 處理，但由于未進(jìn)行深松作業(yè)，原有的犁底層并未被打破，因此土壤容重顯著大于CT 處理。0～20 cm 耕層的土壤質(zhì)量反映土壤維持作物生長(zhǎng)的能力，是生產(chǎn)力的重要體現(xiàn)[24]，CT 處理在4 a 內(nèi)進(jìn)行一次翻耕，可顯著減小耕層（0～20 cm）土壤容重；第3 年進(jìn)行了深松，打破了原有的犁底層，有效減小了>20～30 cm 的土壤容重。比較3種耕作模式下的土壤容重可知，連續(xù)4 a 組合耕作后，CT處理 0～20 cm 土層的平均土壤容重比初始容重減小0.043 g/cm3，0～30 cm 土層的平均土壤容重比連續(xù)免耕和連續(xù)翻耕分別小0.089 和0.125 g/cm3，可見組合模式可以有效降低0～30 cm 土層土壤容重。

3.1.3 耕作模式對(duì)土壤養(yǎng)分的影響

秸稈作為植物殘?bào)w，腐解后能夠提供作物生長(zhǎng)所需的大量和微量元素，秸稈還田可以減少肥料的施用量。表5 是不同耕作模式的土壤養(yǎng)分含量，可以看出，秸稈還田4 a 后，全氮、速效磷、速效鉀含量都有顯著增加，但堿解氮增加不顯著。耕作模式對(duì) 0～30 cm 土層的全氮、速效磷、速效鉀含量的影響顯著（P<0.05），對(duì)>20～30 cm 土層土壤堿解氮的含量影響顯著，但對(duì)0～10 和>10～20 cm 土層堿解氮影響不顯著。0～10 cm 土層，CT 處理和CN 處理的全氮含量、速效磷含量和速效鉀含量都顯著高于CP 處理，CT 處理和CN 處理之間差異不顯著；>10～20 cm 土層，CT 處理和CP 處理的全氮含量、速效磷含量和速效鉀含量均顯著高于CN 處理，CT處理和CP 處理之間差異不顯著；>20～30 cm 土層，CT處理的全氮、堿解氮、速效磷和速效鉀含量均最高，特別是速效磷含量顯著高于CN 處理和CP 處理。比較0～30 cm 土層全氮、速效磷和有效鉀的平均含量可知， CT處理的平均全氮含量分別比CN 處理和CCT 處理高0.05和0.09 g/kg，速效磷平均含量分別高0.62 和1.45 mg/kg，有效鉀平均含量分別高1.46 和3.02 mg/kg。說(shuō)明組合耕作模式能夠顯著增加 0～30 cm 土層的全氮、速效磷、有效鉀的含量。

不同耕作模式的有機(jī)碳含量方面，0～10 cm 不同耕作模式的土壤有機(jī)碳含量差異達(dá)到顯著水平（P<0.05），有機(jī)碳含量從高到低的順序?yàn)镃N、CT 和 > CP，CN 處理和CT 處理差異不顯著，但兩者均顯著高于CP 處理；>10～20 cm 土層土壤有機(jī)碳含量從高到低的順序?yàn)?CT、CP 和CN，CT 處理與CP 處理差異不顯著，但兩者均顯著高于CN 處理（P<0.05）；>20～30 cm 土層土壤有機(jī)碳含量從高到低的順序?yàn)镃T、CN 和CP，CT 處理有機(jī)碳含量顯著高于CN 處理和CP 處理（P<0.05），CN 處理和CP 處理差異不顯著。說(shuō)明在秸稈還田條件下，連續(xù)免耕模式只增加 0～10 cm 土層土壤有機(jī)碳含量，使得有機(jī)碳在表層積累，而亞表層出現(xiàn)養(yǎng)分分化現(xiàn)象，這也是CN 處理在 10～20 cm 土層土壤大團(tuán)聚體含量少、土壤容重較大的原因；連續(xù)翻耕模式增加>10～20 cm 土層土壤有機(jī)碳含量，而0～10 和>20～30 cm 土層有機(jī)碳含量顯著小于組合耕作模式和連續(xù)免耕模式，有機(jī)碳在各層之間的分布也不均勻，特別是>20～30 cm 土層有機(jī)碳含量很低；而組合耕作模式可顯著增加0～30 cm 土層土壤有機(jī)碳含量，平均有機(jī)碳含量比連續(xù)免耕和連續(xù)翻耕分別高0.36 和0.61 g/kg，并且各層之間有機(jī)碳含量分布較均勻。

表5 4 a 后不同耕作模式的土壤養(yǎng)分含量Table 5 Soil nutrient content of different tillage modes after four years

3.1.4 土壤綜合質(zhì)量評(píng)價(jià)

將各項(xiàng)土壤指標(biāo)按式（1）和式（2）標(biāo)準(zhǔn)化，然后按式（3）計(jì)算得到土壤結(jié)構(gòu)指標(biāo) SI，按式（4）計(jì)算得到土壤養(yǎng)分指標(biāo)NI，再按式（5）計(jì)算得到土壤綜合質(zhì)量指標(biāo)IQI，如表6 所示。從土壤結(jié)構(gòu)指標(biāo)看，CT 處理在各土層的土壤結(jié)構(gòu)指標(biāo)均最高，說(shuō)明組合耕作模式可以提高土壤結(jié)構(gòu)質(zhì)量，連續(xù)免耕只提高>20～30 cm 土層土壤結(jié)構(gòu)質(zhì)量，連續(xù)翻耕對(duì)各層土壤結(jié)構(gòu)均造成破壞；從土壤養(yǎng)分指標(biāo)看，CT 處理的各土層土壤養(yǎng)分指標(biāo)均最高，說(shuō)明組合耕作模式提高土壤養(yǎng)分質(zhì)量，而連續(xù)免耕只提高表層土壤養(yǎng)分質(zhì)量，連續(xù)翻耕提高>10～20 cm 土層土壤養(yǎng)分質(zhì)量；從土壤綜合質(zhì)量指標(biāo)看，CT 處理的各土層土壤綜合質(zhì)量指標(biāo)均最高，說(shuō)明組合耕作模式能夠提高土壤的綜合質(zhì)量，土壤生產(chǎn)力較高。

表6 標(biāo)準(zhǔn)化后的土壤質(zhì)量指標(biāo)Table 6 Standardized soil quality indexes

3.2 周期產(chǎn)量和產(chǎn)值評(píng)價(jià)

3.2.1 耕作模式對(duì)作物產(chǎn)量的影響

2013—2016 年間不同耕作模式作物產(chǎn)量與產(chǎn)值計(jì)算結(jié)果如表7 所示。由表7 可知，2013 年CN 處理的小麥產(chǎn)量和玉米產(chǎn)量均顯著高于 CT 處理和 CP 處理，這是因?yàn)镃N 處理長(zhǎng)期翻耕后進(jìn)行了免耕，減少了耕作對(duì)土壤團(tuán)聚體的破壞，改善了土壤結(jié)構(gòu)，并且2014 年CT處理進(jìn)行免耕后小麥產(chǎn)量和玉米產(chǎn)量均顯著高于 CP 處理，說(shuō)明長(zhǎng)期翻耕后免耕可以提高小麥和玉米產(chǎn)量，小麥增產(chǎn)幅度為4%～6.5%，玉米增產(chǎn)幅度為7.5%～9%；而2014 年CN 處理小麥產(chǎn)量和玉米產(chǎn)量仍顯著高于CP處理，小麥產(chǎn)量比CP 處理高4.8%，玉米產(chǎn)量比CP 處理高7.7%，說(shuō)明CN 處理連續(xù)免耕2 a 土壤結(jié)構(gòu)仍能保持較好的狀態(tài)，能維持增產(chǎn)優(yōu)勢(shì)，但2015 年CN 處理小麥產(chǎn)量比CP 處理僅高2%，玉米產(chǎn)量差異不顯著，這是因?yàn)檫B續(xù)3 a 免耕，隨著機(jī)器進(jìn)地次數(shù)的增多，對(duì)表層土壤的壓實(shí)作用導(dǎo)致土壤緊實(shí)度增加，表層土壤容重增大，土壤結(jié)構(gòu)變差，使得增產(chǎn)優(yōu)勢(shì)有所減弱；而 2015年 CT 處理進(jìn)行深松后的小麥和玉米產(chǎn)量顯著高于 CN處理和CP 處理，小麥產(chǎn)量分別高15.56%和22.68%，玉米產(chǎn)量分別高，說(shuō)明免耕1 a 后深松能夠改善土壤結(jié)構(gòu)，降低土壤容重，顯著提高小麥和玉米產(chǎn)量，并且 2016年CT 處理的小麥產(chǎn)和玉米產(chǎn)量均顯著高于CN 處理和CP 處理，其中小麥產(chǎn)量比 CN 處理和 CP 處理分別高16.22%和17.52%，玉米產(chǎn)量比CN 處理和CP 處理分別高 3.69%和 7.49%，增產(chǎn)幅度較大，說(shuō)明深松后免耕仍能保持較好的土壤結(jié)構(gòu)，增產(chǎn)顯著，但CN 處理的小麥與玉米產(chǎn)量與CP 處理無(wú)顯著差異，可能是因?yàn)檫B續(xù)4 a未進(jìn)行翻耕，養(yǎng)分在土壤表層富集，亞表層養(yǎng)分分化，不利于作物根系生長(zhǎng)，導(dǎo)致增產(chǎn)作用減弱，需要進(jìn)行必要的耕作。

3.2.2 周期總產(chǎn)量與總產(chǎn)值評(píng)價(jià)

從表7 中可以看出，4 a 周期各處理小麥總產(chǎn)量和總產(chǎn)值以及玉米總產(chǎn)量和總產(chǎn)值從高到低的順序均為CT、CN 和CP。CT 處理小麥總產(chǎn)量顯著高于CN 處理和CP處理，分別高7.7%和10.7%，CN 處理與CP 處理差異不顯著；CT 處理的玉米總產(chǎn)量與CN 處理無(wú)顯著差異，兩者均顯著高于CP 處理；CT 處理的糧食總產(chǎn)值顯著高于CN 處理和 CP，處理間差異顯著。因此組合耕作模式具有較高的周期生產(chǎn)力。

表7 2013-2016 年不同耕作模式的作物產(chǎn)量與產(chǎn)值Table 7 Crop yields and output value of different tillage modes from 2013 to 2016

3.3 周期經(jīng)濟(jì)效益評(píng)價(jià)

周期經(jīng)濟(jì)效益包括周期投入和周期產(chǎn)出，其中周期投入包含種子、化肥、農(nóng)藥等農(nóng)資投入、機(jī)械投入和人工投入，如表8 所示。在施肥量和灌溉量相同的條件下，機(jī)械作業(yè)費(fèi)用從高到低的順序?yàn)镃P、CT 和 CN，處理間差異顯著，由于連續(xù)免耕減少了耕整地機(jī)械作業(yè)環(huán)節(jié)，因此CN 處理每公頃的機(jī)械作業(yè)投入最低，相應(yīng)的人工費(fèi)投入也較低；CP 處理要進(jìn)行4 a 的翻耕整地，翻耕后還要進(jìn)行旋耕整地，因此機(jī)械作業(yè)費(fèi)投入最高，相應(yīng)的人工費(fèi)投入也最高；而組合耕作在4 a 內(nèi)進(jìn)行1 次翻耕和1次深松，機(jī)械作業(yè)費(fèi)用投入比連續(xù)免耕高，但顯著低于連續(xù)翻耕，相應(yīng)的人工費(fèi)投入也顯著低于連續(xù)翻耕，與連續(xù)免耕無(wú)顯著差異，是相對(duì)輕簡(jiǎn)化的耕作模式。各處理農(nóng)資投入從高到低的順序?yàn)?CN、CP 和CT，在施肥量相同的情況下，CT 處理和CN 處理比CP 處理投入更多的種子和農(nóng)藥，這是由于免耕年份的秸稈覆蓋影響小麥出苗，且不能將雜草和蟲卵翻扣在底層，需要化學(xué)控草和殺蟲，但與連續(xù)免耕相比，組合耕作模式在4 a 周期內(nèi)進(jìn)行的一次翻耕能夠顯著減少農(nóng)藥施用量，減少農(nóng)藥對(duì)生態(tài)環(huán)境的污染，是相對(duì)生態(tài)的耕作模式。從周期總投入看，各處理從高到低得順序?yàn)镃P、CT 和CN，CT 處理和CN 處理差異不顯著，總投入分別比CP 處理每公頃節(jié)約3 069 和3 969 元，可見組合耕作模式和連續(xù)免耕具有良好的省工節(jié)本效應(yīng)。

表9 表示的是為不同耕作模式的周期經(jīng)濟(jì)效益，分析可知，4 a 周期不同耕作模式的個(gè)處理純收入、物質(zhì)投入凈產(chǎn)率、勞動(dòng)投入凈產(chǎn)率、產(chǎn)投比的從高到低的順序均為CT、CN 和CP。在一個(gè)周期內(nèi)，CT 處理的每公頃總收入、純收入和凈產(chǎn)值均顯著高于CN 處理和CP 處理，總收入比CN 處理和CP 處理分別高6 747.1 和11 744.3 元，純收入比CN 和CP 處理分別增加5 847.1 和14 813.3 元，說(shuō)明組合耕作模式具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。從物質(zhì)和勞動(dòng)力的利用方面看，CT 處理和CN 處理的物質(zhì)投入凈產(chǎn)率、勞動(dòng)投入凈產(chǎn)率以及產(chǎn)/投比均顯著高于 CP 處理，說(shuō)明組合耕作模式和連續(xù)免耕能夠提高物質(zhì)農(nóng)資的利用率，提高勞動(dòng)效率。

表8 2013—2016 年不同耕作模式的總投入Table 8 Total cost of different tillage modes from 2013 to 2016 (元·hm-2)

表9 不同耕作模式的周期經(jīng)濟(jì)效益分析Table 9 Analysis of periodic economic benefits of different tillage modes

3.4 周期綜合生產(chǎn)力評(píng)價(jià)

評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)包含各項(xiàng)指標(biāo)數(shù)據(jù)，根據(jù)測(cè)定及計(jì)算的各項(xiàng)指標(biāo)數(shù)據(jù)，劃分評(píng)分段，評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)及結(jié)果如表10 所示。將各指標(biāo)得分及權(quán)重代入式（6），計(jì)算得到不同耕作模式的得分。CT 處理得分4.85，CN 處理得分3.8，CP處理得分1.7，CT 處理得分顯著高于CN 處理和CP 處理，組合耕作模式的周期綜合生產(chǎn)力最高，連續(xù)免耕次之，連續(xù)翻耕最低。

表10 各項(xiàng)指標(biāo)評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)及評(píng)分Table 10 Criterions and points of comprehensive evaluation index

4 討 論

在保證生產(chǎn)力提高的前提下，耕作模式對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響也是農(nóng)業(yè)技術(shù)必須重點(diǎn)考慮的內(nèi)容?；?、農(nóng)藥、機(jī)械等現(xiàn)代物資的投入對(duì)于提高生產(chǎn)力、促進(jìn)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展具有重要的作用，但是這些物質(zhì)直接或間接的來(lái)源于化石能源，不合理使用也容易帶來(lái)一系列的環(huán)境問(wèn)題，如水體污染、農(nóng)藥殘留、溫室氣體排放等[25]。本文通過(guò)對(duì)不同耕作模式對(duì)土壤質(zhì)量的影響以及對(duì)投入成本的分析，定性分析了耕作模式對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響，組合耕作模式能提高土壤質(zhì)量，提高土壤生態(tài)質(zhì)量，同時(shí)較連續(xù)翻耕模式節(jié)約機(jī)械投入成本，較連續(xù)免耕模式節(jié)約農(nóng)藥投入，減少了化石能源的投入，對(duì)生態(tài)環(huán)境的污染相對(duì)較小。但不同耕作模式對(duì)生態(tài)環(huán)境的具體影響要利用能值分析、生態(tài)服務(wù)評(píng)價(jià)等方法進(jìn)行評(píng)價(jià)，其結(jié)果有待進(jìn)行長(zhǎng)期連續(xù)試驗(yàn)研究。

5 結(jié) 論

本研究針對(duì)兩熟區(qū)現(xiàn)有耕作模式存在的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了“翻耕-免耕-深松-免耕”的4 a 組合耕作模式，通過(guò)4 a的定位試驗(yàn)，運(yùn)用綜合評(píng)價(jià)法對(duì)兩熟區(qū)組合耕作模式、連續(xù)翻耕和連續(xù)免耕模式的周期生產(chǎn)力進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)，結(jié)果表明：

1）組合耕作模式可以提高土壤的結(jié)構(gòu)質(zhì)量，有效降低0～30 cm 土層土壤容重，平均容重比連續(xù)免耕和連續(xù)翻耕分別小0.089 和0.125 g/cm3；組合耕作模式提高土壤養(yǎng)分質(zhì)量，增加0～30 cm 土層全氮、速效磷和速效鉀含量，對(duì)堿解氮含量影響不顯著，增加土壤有機(jī)碳含量，平均有機(jī)碳含量比連續(xù)免耕和連續(xù)翻耕分別高 0.36 和0.61 g/kg，并且各層之間有機(jī)碳含量分布較均勻；連續(xù)翻耕破壞0～20 cm 土壤結(jié)構(gòu)，在>20～30 cm 土層形成犁底層，增加土壤容重，并且只增加>10～20 cm 土層有機(jī)碳含量，各層養(yǎng)分分布不均；連續(xù)免耕雖未對(duì)土壤結(jié)構(gòu)造成破壞，但只增加0～10 cm 土層有機(jī)碳含量，使土壤養(yǎng)分在表層積累。

2）組合耕作模式的周期總投入顯著低于連續(xù)翻耕，比連續(xù)翻耕節(jié)約成本3 069 元/hm2，糧食總產(chǎn)量和總產(chǎn)值顯著高于連續(xù)免耕和連續(xù)翻耕，總收入比連續(xù)免耕和連續(xù)翻耕分別高6 747.1 和11 744.3 元，節(jié)本增效顯著。

3）組合耕作模式、連續(xù)免耕和連續(xù)翻耕的周期生產(chǎn)力的綜合評(píng)價(jià)得分分別為 4.85、3.8 和 1.7，組合耕作模式的得分顯著高于連續(xù)免耕和連續(xù)翻耕，具有較高的周期生產(chǎn)力。

本研究可為小麥-玉米兩熟區(qū)耕作模式的優(yōu)化提供參考，促進(jìn)兩熟區(qū)的生產(chǎn)力提升和節(jié)本增效。