郭書亞 尚賞 張艷 湯其寧 盧廣遠(yuǎn)

摘要：針對常年小麥旋耕玉米免耕造成土壤容重增加、透氣性變差、土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性降低、有機(jī)碳含量降低等土壤質(zhì)量惡化的問題，探討通過生物炭與輪耕方式改善土壤理化性狀的可行性。采用田間定位試驗(yàn)，以小麥旋耕玉米免耕+不施生物炭（CK）為對照，設(shè)置3 種生物炭用量（2.5（B1）、5.0（B2）、7.5 t/hm2 （B3））與2 種輪耕耕作方式（小麥旋耕玉米免耕（R）、小麥深翻耕玉米免耕（D））的交互處理，分析不同處理對土壤容重、孔隙度、團(tuán)聚體穩(wěn)定性、有機(jī)碳及作物產(chǎn)量的影響。結(jié)果表明，在0～20 cm 土層，與對照相比，小麥旋耕玉米免耕處理土壤容重顯著降低，并且隨生物炭施用量的增加而降低，土壤孔隙度顯著增加，并且隨生物炭施用量的增加而增加；在20～40 cm 土層，小麥深翻耕玉米免耕處理顯著降低了土壤容重，增加了土壤孔隙度；不同處理均能顯著提高>0.25 mm 團(tuán)聚體占比和土壤有機(jī)碳含量，并且2 個指標(biāo)均隨生物炭施用量的增加而增加；在2020、2021 年，不同處理玉米產(chǎn)量分別較對照顯著增加5.07%～11.02% 、6.53%～18.13% ，其中，DB3 處理產(chǎn)量最高，分別為8 946.83、9 566.54 kg/hm2，均顯著高于其他處理。小麥深翻耕玉米免耕配合施用生物炭是改善土壤理化結(jié)構(gòu)的重要措施，小麥深翻耕玉米免耕+7.5 t/hm2生物炭效果最好，可以推廣應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：輪耕方式；生物炭；土壤物理性質(zhì)；土壤有機(jī)碳；產(chǎn)量

中圖分類號：S341.1；S153 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1002?2481（2023）03?0271?07

良好的作物生長發(fā)育離不開良好的土壤水肥氣熱條件。地處黃淮區(qū)以商丘為代表的豫東平原，長期實(shí)行冬小麥旋耕夏玉米免耕的輪耕模式，造成犁底層增厚、土壤容重增加、透氣性變差、土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性降低等問題[1-3]。并且該地區(qū)長期施用化肥造成土壤大團(tuán)聚體減少、團(tuán)聚體破壞率高，肥料利用率低，嚴(yán)重影響作物生長發(fā)育及產(chǎn)量[4-5]。因此，在該地區(qū)開展適宜的輪耕模式和培肥措施研究具有重要意義。不同耕作措施能夠顯著影響土壤理化性狀，和常規(guī)旋耕相比，深翻30 cm 以上能夠增加土壤孔隙度，降低土壤容重，土壤有機(jī)質(zhì)向深層分布[6]。合理的輪耕措施能夠減少長期單一耕作措施的消極影響，降低土壤容重，改善土壤結(jié)構(gòu)[7]，促進(jìn)養(yǎng)分在耕層間均勻分布[8]，從而實(shí)現(xiàn)作物高產(chǎn)[9]。生物炭作為土壤改良劑，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上已廣泛應(yīng)用，能夠改善土壤結(jié)構(gòu)，增加土壤孔隙度，提高土壤透氣和持水保水能力[10-11]；由于生物炭具有巨大的比表面能夠強(qiáng)烈吸附并固定N、P 等營養(yǎng)元素，減少養(yǎng)分的流失，保肥效果好[12]。現(xiàn)有試驗(yàn)研究表明，單一的輪耕方式或施用生物炭措施能改善土壤理化性狀和結(jié)構(gòu)，進(jìn)而促進(jìn)作物增產(chǎn)。而研究輪耕方式、生物炭及其交互效應(yīng)對土壤理化性質(zhì)和作物產(chǎn)量影響的報道較少。

本試驗(yàn)采用輪耕方式和生物炭結(jié)合的模式，分析輪耕方式、生物炭及交互效應(yīng)對土壤理化性質(zhì)和作物產(chǎn)量的影響，旨在為豫東小麥—玉米輪作區(qū)選擇適宜的輪耕培肥方式提供理論依據(jù)。

1材料和方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2018—2021 年在河南省商丘市梁園區(qū)商丘市農(nóng)林科學(xué)院示范中心（34°31N，115°42E）進(jìn)行。該區(qū)海拔高度54 m，氣候類型為暖溫帶亞濕潤季風(fēng)氣候，年均日照時數(shù)2 372.6 h，年均氣溫14.1 ℃ ，年均降水量681.1 mm，無霜期212 d。該區(qū)域常年實(shí)行冬小麥夏玉米一年兩熟種植制度，小麥旋耕播種，玉米免耕播種，供試土壤為潮土。試驗(yàn)前0～20 cm 土層土壤含有機(jī)碳11.4 g/kg、堿解氮82.2 mg/kg、速效磷10.47 mg/kg、速效鉀127.36 mg/kg。

1.2 試驗(yàn)材料

供試玉米品種為成玉788，由河南大成種業(yè)有限公司提供。試驗(yàn)中所用生物炭由河南立澤環(huán)保科技有限公司提供，以玉米秸稈為原料，在500 ℃高溫厭氧條件下熱解2 h燒制，其碳含量為437.82 g/kg、pH 值9.0、全氮16.31 g/kg、全磷8.19 g/kg、全鉀27.56 g/kg。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)置2.5（B1）、5.0（B2）、7.5 t/hm2 （B3）3 種生物炭用量，以及小麥旋耕玉米免耕（R）與小麥深翻耕玉米免耕（D）2 種輪耕模式，小麥旋耕深度為15 cm，深翻耕深度為33 cm，以小麥旋耕玉米免耕+不施生物炭（CK）作為對照，共計(jì)7 個處理，隨機(jī)區(qū)組排列，重復(fù)3次。試驗(yàn)于2018年10月小麥季開始進(jìn)行，生物炭處理隨旋耕或深翻耕施入土壤，以上全部處理均常規(guī)施肥，小麥季施用史丹利第四元素復(fù)合肥（N∶P∶K=26∶12∶9）525 kg/hm2，玉米季基施鄂中復(fù)合肥（N∶P∶K=17∶17∶17）600 kg/hm2，追施尿素300 kg/hm2。玉米種植密度為7.5 萬株/hm2，栽培管理措施同當(dāng)?shù)卮筇铩Ｔ囼?yàn)分別于2020、2021 年玉米收獲后，在每個小區(qū)采用“S”形取樣法取0～20、20～40 cm 土層土壤樣品，測定土壤理化性質(zhì)。

1.4 測定項(xiàng)目及方法

試驗(yàn)采用環(huán)刀法測定土壤容重和孔隙度。土壤團(tuán)聚體的分級采用干篩與濕篩相結(jié)合的方法。干篩參照文獻(xiàn)[13]，濕篩參照ELLIOTT[14]的方法。土壤有機(jī)碳采用重鉻酸鉀外加熱法測定[15]。在玉米收獲期，每小區(qū)收取中間2 行果穗進(jìn)行產(chǎn)量測定。

土壤孔隙度=（1-容重/比重）×100% （1）

土壤團(tuán)聚體破壞度=（1->0.25 mm 干篩法團(tuán)聚體比例/>0.25 mm 濕篩法團(tuán)聚體比例）×100 （2）

1.5 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)采用Excel 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，采用SPSS24.0 軟件進(jìn)行方差分析。

2結(jié)果與分析

2.1 不同處理對土壤容重的影響

從表1 可以看出，在0～20 cm 土層，2020 年，除DB1 處理外，各處理均能降低土壤容重，其中，RB1、RB2、RB3、DB3 處理較CK 分別顯著降低5.30%、5.30%、9.27%、4.64%（P<0.05）。2021 年，和CK 相比，不同處理均能降低土壤容重，其中，RB1、RB2、RB3 處理顯著降低5.23%～13.73%（P<0.05），并且隨生物炭施用量的增加而降低，DB1、DB2、DB3 處理與CK 間差異不顯著。在20～40 cm土層，2020 年不同處理均能降低土壤容重，小麥旋耕玉米免耕處理即RB1、RB2、RB3 與CK 間差異不顯著，小麥深翻耕玉米免耕處理即DB1、DB2、DB3與CK 間差異顯著（P<0.05），土壤容重隨著生物炭施用量的增加而降低；2021 年，除RB1 處理外，與CK 相比，不同處理均能顯著降低土壤容重5.78%～13.87%（P<0.05），DB3 處理最低。從不同輪耕方式看，0～20 cm 土層小麥旋耕玉米免耕處理土壤容重低于小麥深翻耕玉米免耕處理，20～40 cm 土層小麥深翻耕玉米免耕處理低于小麥旋耕玉米免耕；從生物炭施用量看，土壤容重隨生物炭施用量的增加而降低。

2.2 不同處理對土壤孔隙度的影響

由表2 可知，在0～20 cm 土層，2020、2021 年，RB1、RB2、RB3、DB3 處理土壤孔隙度顯著高于CK（P<0.05），其中，RB3 處理土壤孔隙度最高，較CK 分別增加12.27%、18.76%；在20～40 cm 土層，2020 年，除RB1 處理外，與CK 相比，不同處理均能顯著增加土壤孔隙度9.59%～23.40%（P<0.05），DB3 處理最高；2021 年，不同處理土壤孔隙度較CK 顯著增加8.70%～28.25%（P<0.05），DB3 處理效果最好；同一輪耕方式下土壤孔隙度隨生物炭施用量的增加而增加。從不同輪耕方式看，0～20 cm土層小麥旋耕玉米免耕處理的土壤孔隙度高于小麥深翻耕玉米免耕處理，20～40 cm 土層小麥深翻耕玉米免耕處理的土壤孔隙度高于小麥旋耕玉米免耕處理；從生物炭施用量看，土壤孔隙度隨生物炭施用量的增加而增加；從年際變化可以看出，除對照外，2021 年土壤孔隙度高于2020 年。

2.3 不同處理對土壤團(tuán)聚體的影響

2.3.1 不同處理對土壤團(tuán)聚體分布的影響 2020、2021 年不同處理對土壤團(tuán)聚體分布的影響如圖1、2 所示。

從圖1、2 可以看出，2020 年，0～20 cm 土層土壤團(tuán)聚體以0.25～0.50 mm 粒級團(tuán)聚體占比最高，為22.78%～32.98%，其中，DB2、DB3 處理顯著高于其他處理（P<0.05），土壤中0.5～1.0、<0.053 mm粒級占比次之，RB1、RB3 處理下>2 mm 粒級團(tuán)聚體顯著高于其他處理，RB3 處理下1～2 mm 粒級團(tuán)聚體顯著高于其他處理（P<0.05）；20～40 cm 土層土壤團(tuán)聚體以0.25～0.50 mm 粒級團(tuán)聚體占比最高，為22.14%～32.05%，DB3 處理顯著高于其他處理（P<0.05），DB2 處理次之，土壤中0.053～0.250、<0.053 mm 粒級占比次之，DB2、DB3 處理下1～2、0.5～1.0 mm 粒級團(tuán)聚體占比高于其他處理。2021 年，在0～20 cm 土層，土壤團(tuán)聚體以0.5～1.0 mm 粒級占比最高，為19.86%～28.96%，DB3處理顯著高于其他處理（P<0.05），0.25～0.50 mm粒級占比次之，為19.45%～25.49%，RB3、DB2、DB3處理顯著高于其他處理（P<0.05）；在20～40 cm土層，土壤團(tuán)聚體以0.25～0.50、0.5～1.0 mm 粒級占比較高，分別為18.15%～26.28%、17.99%～24.53%，其中，DB2、DB3 處理顯著高于其他處理（P<0.05）。從不同年際變化看，土壤團(tuán)聚體由0.25～0.50 mm 粒級主導(dǎo)轉(zhuǎn)變?yōu)?.25～0.50 mm 與0.5～1.0 mm 粒級主導(dǎo)。

2.3.2 不同處理對土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的影響 從表3 可以看出，與CK 相比，不同處理均能顯著提高>0.25 mm 團(tuán)聚體比例，在0～20 cm 土層，DB3 處理的>0.25 mm 團(tuán)聚體比例顯著高于其他處理（P<0.05），但與RB3 處理間差異不顯著，在20～40 cm 土層DB3 處理的>0.25 mm 團(tuán)聚體比例顯著高于其他處理（P<0.05），與DB2處理間差異不顯著。和CK 相比，不同處理均能顯著降低土壤團(tuán)聚體破壞度（P<0.05），在0～20 cm 土層，RB3、DB2、DB3 處理顯著低于其他處理（P<0.05），在20～40 cm，DB2、DB3處理顯著低于其他處理（P<0.05）。土壤>0.25 mm團(tuán)聚體比例隨著生物炭施用量的增加而增加，而土壤團(tuán)聚體破壞度隨著生物炭施用量的增加而降低，說明生物炭處理有利于大團(tuán)粒結(jié)構(gòu)形成，有利于土壤穩(wěn)定。

2.4 不同處理對土壤有機(jī)碳含量的影響

從表4 可以看出，和CK 相比，不同處理均能顯著提高土壤有機(jī)碳含量。在0～20 cm 土層，2020 年DB3 處理顯著高于其他處理（P<0.05），RB3 處理次之，RB1、RB2、DB1、DB2 處理之間差異不顯著；2021 年DB3、DB2、RB3、RB2 處理之間差異不顯著，但均顯著高于其他處理（P<0.05）。在20～40 cm土層，DB 處理高于RB 處理，DB3 處理土壤有機(jī)碳含量最高，且顯著高于其他處理（P<0.05），DB2 處理次之。同一輪耕方式下土壤有機(jī)碳含量隨著生物炭施用量的增加而增加，說明生物炭的施用多少直接影響土壤有機(jī)碳的含量。

2.5 不同處理對夏玉米產(chǎn)量的影響

從表5 可以看出，與CK 相比，2020 年，不同處理均能顯著提高玉米產(chǎn)量5.07%～11.02%（P<0.05），RB3、DB3 處理顯著高于其他處理（P<0.05）；2021 年，不同處理均能顯著提高玉米產(chǎn)量6.53%～18.13%（P<0.05），DB3 處理顯著高于其他處理，DB2 處理次之。

3討論

3.1 輪耕配合生物炭對土壤物理性狀的影響

不同耕作方式能夠顯著影響土壤物理結(jié)構(gòu)，長期的小麥旋耕玉米免耕處理造成土壤容重增加，耕層變淺，土壤質(zhì)量下降[2-3]。不同輪耕處理能夠改善土壤物理結(jié)構(gòu)，增加耕層厚度。張莉[16]研究表明，深翻耕處理能夠降低土壤容重，增加土壤孔隙度。

孔凡磊等[17]研究表明，免耕深翻輪耕能夠降低土壤容重；程科等[18]在黃土高原的研究指出，翻耕免耕輪耕處理能夠增加土壤孔隙度。本研究表明，小麥深翻耕玉米免耕處理能夠顯著降低20～40 cm 土層土壤容重，增加土壤孔隙度。本研究小麥深翻耕處理深度為33 cm，能夠打破長期旋耕形成的犁底層，疏松土壤，所以，能夠降低土壤容重，增加土壤孔隙度。孟繁昊等[19]研究表明，生物炭可以降低土壤容重，顯著增加土壤孔隙度。房彬等[20]在石灰土中研究發(fā)現(xiàn)，隨著生物炭施用量的增加，土壤容重降低14.6%～32.5%。本研究得出相似結(jié)論，施用生物炭能夠降低土壤容重，增加土壤孔隙度。這主要是因?yàn)樯锾康谋戎剡h(yuǎn)低于土壤的比重，同時具有多孔結(jié)構(gòu)，施入土壤后能夠降低容重，增加土壤孔隙度。本研究還表明，小麥深翻耕配施生物炭能夠顯著降低20～40 cm 土層土壤容重，增加土壤孔隙度。這主要是因?yàn)楹托啾?，深翻耕能夠?qū)⑸锾糠?0 cm 以下土層，進(jìn)而改善土壤結(jié)構(gòu)。

土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)是土壤肥力的物質(zhì)基礎(chǔ)，也是作物高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的土壤條件之一[21]。通常用>0.25 mm水穩(wěn)定性團(tuán)聚體的數(shù)量來判斷土壤結(jié)構(gòu)的好壞，其含量越高，表明土壤結(jié)構(gòu)越好[22]。本研究表明，與對照相比，不同處理均能顯著提高>0.25 mm 團(tuán)聚體比例，顯著降低土壤破壞度，DB3 處理效果最好。土壤>0.25 mm 團(tuán)聚體比例隨著生物炭施用量的增加而增加，土壤團(tuán)聚體破壞度隨著生物炭施用量的增加而降低，說明生物炭處理有利于大團(tuán)粒結(jié)構(gòu)形成，有利于土壤穩(wěn)定；這是因?yàn)樯锾繛槎嗫捉Y(jié)構(gòu)，施入土壤后，土壤微生物、生物活動增強(qiáng)，產(chǎn)生大量的分泌物，和土壤以及土壤中分散的根系、微生物菌絲膠結(jié)成大團(tuán)聚體，從而促進(jìn)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性。

3.2 輪耕配合生物炭對土壤有機(jī)碳的影響

不同的耕作方式能夠影響土壤有機(jī)碳和速效養(yǎng)分在土層的分布，長期的小麥旋耕玉米免耕使土壤有機(jī)碳、速效養(yǎng)分在土壤表層（0～20 cm）富集。輪耕則能解決這一問題，于淑婷等[23]研究表明，連年深耕、深耕/旋耕和深耕/旋耕/旋耕模式促進(jìn)了10～40 cm 土層有機(jī)碳儲量的增加。朱長偉等[24]研究表明，小麥季深耕—玉米季深松的處理能顯著增加20～40 cm 土層中的有機(jī)質(zhì)含量。本研究也得出相似結(jié)論，與小麥旋耕玉米免耕處理相比，小麥深翻耕玉米免耕能夠顯著增加深層（20～40 cm）土壤有機(jī)碳含量，并且隨著生物炭施用量的增加，土壤有機(jī)碳含量也相應(yīng)增加。這可能有2 個方面的原因：一是生物炭本身含有大量的有機(jī)碳，施入土壤中自然能夠提高土壤有機(jī)碳的含量。生物炭能夠促進(jìn)土壤腐殖質(zhì)和土壤碳水化合物、酯族、芳烴等有機(jī)大分子的形成，也有利于土壤微生物的繁殖生長，分泌大量有機(jī)質(zhì)，從而提高土壤有機(jī)碳的含量[25-26]；二是DB 處理下，土壤具有穩(wěn)定的土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，良好的水分、通氣條件，更有利于生物炭的分解，從而增加土壤有機(jī)碳的含量。同一輪耕方式下土壤有機(jī)碳含量隨著生物炭施用量的增加而增加，說明生物炭的施用多少直接影響土壤有機(jī)碳含量。

3.3 輪耕配合生物炭對夏玉米產(chǎn)量的影響

合理的耕作方式和培肥措施是作物實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)的重要條件。郝千萍等[27]研究指出，施用生物炭能夠提高玉米抗逆性，促進(jìn)玉米生長。張黛靜等[28]研究指出，深耕+有機(jī)肥處理能夠增加作物產(chǎn)量；李娟等[29]研究也得出相似結(jié)論。趙亞麗等[30]研究指出，深耕+秸稈還田能夠顯著增加玉米產(chǎn)量。本研究表明，在2020、2021 年，輪耕配合生物炭較CK 分別顯著增加玉米產(chǎn)量5.07%～11.02%、6.53%～18.13%，DB3 處理產(chǎn)量最高，且顯著高于其他處理。小麥深翻耕玉米免耕處理是在多年小麥旋耕玉米免耕基礎(chǔ)上進(jìn)行的，能夠打破犁底層，增加耕層厚度，改善土壤質(zhì)量的同時并不會增加土壤水分滲漏及氮素淋溶[31]，有利于玉米根系的生長[32]和養(yǎng)分吸收，從而顯著增加產(chǎn)量。

4結(jié)論

本研究結(jié)果表明，和常年小麥旋耕玉米免耕不施生物炭相比，小麥旋耕玉米免耕+生物炭處理均能降低0～20 cm 土層土壤容重、增加土壤孔隙；小麥深翻耕玉米免耕+生物炭處理能顯著降低20～40 cm 土層土壤容重，增加土壤孔隙度和有機(jī)碳含量，并促進(jìn)土壤大團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的形成，有利于土壤穩(wěn)定。因此，小麥深翻耕玉米免耕配合施用生物炭是改善土壤理化結(jié)構(gòu)的重要措施，小麥深翻耕玉米免耕+7.5 t/hm2生物炭效果最好，可以推廣應(yīng)用。

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