王玉玲， 李 軍

(西北農(nóng)林科技大學(xué)農(nóng)學(xué)院， 陜西楊凌 712100)

渭北旱塬位于陜西省的中北部，冬小麥和春玉米是當(dāng)?shù)刂匾募Z食作物，其產(chǎn)量對確保陜西省糧食安全和畜牧業(yè)發(fā)展具有重要意義[1-2]。但干旱缺水和土壤貧瘠嚴(yán)重制約著該區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展[3-4]。土壤是作物賴以生存的基礎(chǔ)，土壤耕作的目的就是通過機(jī)械物理作用，改變土壤物理性狀，為作物生長發(fā)育創(chuàng)造適宜的土壤生態(tài)環(huán)境，促進(jìn)作物增產(chǎn)[5]。大量生產(chǎn)實(shí)踐表明，長期采用單一土壤耕作方法會產(chǎn)生不利于作物生長發(fā)育的土壤環(huán)境，如長期翻耕致使土壤表層裸露，耕層疏松，失墑嚴(yán)重，同時(shí)形成犁底層，影響土壤蓄水、保墑和作物根系下扎；長期采用少、免耕，則會使耕層土壤容重增加，犁底層上移，耕層變淺，結(jié)構(gòu)性變差，不利作物生長發(fā)育，導(dǎo)致作物產(chǎn)量降低[6-14]。然而，國內(nèi)外的一些研究表明，將翻耕、深松和免耕等耕作方法按照一定輪作方式集成為特定的土壤輪耕體系，可減輕長期采用單一土壤耕作方法所帶來的各種弊端，改善土壤環(huán)境[15-18]。何進(jìn)等[19]研究認(rèn)為，在中國北部半干旱地區(qū)，免耕與深松聯(lián)合能夠提高玉米產(chǎn)量和水分利用效率。He等[20]認(rèn)為，與傳統(tǒng)耕作相比，4年免耕加1年深松能夠減少因機(jī)具作業(yè)引起的土壤壓實(shí)，促進(jìn)小麥增產(chǎn)20.9%，提高玉米經(jīng)濟(jì)效益49%。Vetsch等[21]研究表明，與長期免耕和帶狀耕作相比，鑿形松土鏟耕作與帶狀耕作輪耕能夠最大程度地增加玉米和大豆產(chǎn)量，但其經(jīng)濟(jì)效益的提高并不一致。鑒此，本研究從2007年秋季開始，在渭北旱塬東部冬小麥—春玉米一年一熟輪作旱地上，以連年免耕、連年深松和連年翻耕為對照，將免耕、深松和翻耕等3種土壤耕作方式組成 3種土壤輪耕模式進(jìn)行定位比較試驗(yàn)，旨在為渭北旱塬及同類地區(qū)建立與當(dāng)?shù)匾欢ㄗ魑镙喿鞣绞较嗯涮椎谋Ｗo(hù)性輪耕模式提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)設(shè)在陜西省合陽縣甘井鎮(zhèn)西北農(nóng)林科技大學(xué)旱農(nóng)試驗(yàn)基地內(nèi)，位于渭北旱塬東部(北緯35°33′、 東經(jīng)110°08′)，海拔900 m，屬典型半濕潤易旱區(qū)。年均氣溫11.5℃，年日照時(shí)數(shù)2528 h，無霜期190 d，年降水量550 mm左右，年蒸發(fā)量1832.8 mm，干燥度為1.5。降水量年季間變化大，季節(jié)間分布不均勻，50%以上集中在7、8、9月份。

試驗(yàn)地長期采用翻耕，地勢平坦，土壤為中壤質(zhì)黑壚土，pH值8.2，田間持水量22.1%。2007年試驗(yàn)時(shí)前茬作物為春玉米，0—40 cm土層土壤容重為1.39 g/cm3，土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷和全鉀含量分別為9.82、0.75、0.50和6.31 g/kg，堿解氮、速效磷和速效鉀分別為27.74、18.62和98.91 mg/kg。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)從2007年9月下旬前茬春玉米收獲后開始至2011年秋春玉米收獲，在旱地冬小麥—春玉米一年一熟制輪作田實(shí)行保護(hù)性輪耕定位試驗(yàn)，即連續(xù)保持每種輪耕處理及各對照小區(qū)的固定位置不變。

試驗(yàn)采用施肥和耕作二因素裂區(qū)設(shè)計(jì)，施肥為主處理，耕作為副處理。

根據(jù)陜西省農(nóng)業(yè)廳對旱作冬小麥和春玉米平衡施肥推薦方案，在作物播種前，各處理基施N 150 kg/hm2、P2O5120 kg/hm2、K2O 90 kg/hm2，均勻撒施，拖拉機(jī)旋耕。試驗(yàn)中冬小麥和春玉米每年依次輪換種植，即第1年種冬小麥，第2年種春玉米，第3年又種冬小麥，第4年再種春玉米。冬小麥在試驗(yàn)期間不追肥，春玉米在大喇叭口期追施N 150 kg/hm2。

供試作物冬小麥為晉麥47，播量150 kg/hm2；春玉米為豫玉22，播量52.5 kg/hm2。冬小麥用條播機(jī)播種，行距20 cm；春玉米用點(diǎn)播機(jī)播種，行距66 cm、株距29 cm，每公頃留苗52500株。

1.3 測定項(xiàng)目與方法

1.3.1 土壤容重 采用環(huán)刀法[22]，2007年秋耕后及每茬作物收獲后，按0—20 cm和20—40 cm兩個(gè)層次采集土樣進(jìn)行測定。

1.3.2 土壤養(yǎng)分 試驗(yàn)前和作物收獲后，分別采集0—20 cm和20—40 cm土層土樣，用于土壤養(yǎng)分測定。有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀外加熱法；全氮用凱氏定氮法；堿解氮用堿解擴(kuò)散法；速效磷用NaHCO3浸提—鉬銻抗比色法；速效鉀用NH4OAC浸提—火焰光度法測定。

1.3.3 土壤水分 采用烘干法，測定0—200 cm土層土壤含水量，每20 cm土層取土，計(jì)算播前土壤貯水量(mm)。土壤貯水量計(jì)算公式：

W = h × a × b × 10/100

式中，W為土壤貯水量(mm)，h為土層深度(cm)，a為地段實(shí)測土壤容重(g/cm3)，b為土壤含水量(%)。

1.3.4 土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體 試驗(yàn)前和作物收獲后，以“S”型5點(diǎn)取樣法在0—10 cm、10—20 cm、20—30 cm和30—40 cm土層采集原狀土，在室內(nèi)自然風(fēng)干后挑去粗根和小石塊，并將大土塊沿土壤的自然結(jié)構(gòu)輕輕剝離為1 cm3左右。采用濕篩法測定不同土層的水穩(wěn)性團(tuán)聚體[23]。

1.3.5 作物產(chǎn)量構(gòu)成因素 冬小麥成熟后，每小區(qū)隨機(jī)取3個(gè)點(diǎn)，每點(diǎn)取1 m2，測定每1 m2的穗數(shù)，計(jì)算每公頃的有效穗數(shù)；每點(diǎn)取20穗，共60穗，測定穗粒數(shù)和千粒重；春玉米成熟后，每小區(qū)隨機(jī)取3行，每行長10 m，測定每行的成穗數(shù)，計(jì)算每公頃的有效穗數(shù)；然后每點(diǎn)取10穗，共30穗，測定穗粒數(shù)和千粒重。

1.3.6 作物籽粒產(chǎn)量 在作物成熟后，冬小麥每小區(qū)選3個(gè)點(diǎn)，每點(diǎn)3 m2，共取9 m2，脫粒、曬干，稱重計(jì)產(chǎn)；春玉米每小區(qū)選3個(gè)點(diǎn)，每點(diǎn)取20株，共取60株，脫粒，曬干，稱重計(jì)產(chǎn)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用SAS 8.01數(shù)據(jù)處理軟件對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差(ANOVA)分析，用LSD法進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)(P<0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同耕作處理對土壤容重的影響

土壤容重影響土壤通透性和土壤養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化與利用，是衡量土壤緊實(shí)程度的重要指標(biāo)。在不同土壤耕作處理下，耕層0—20 cm和耕層以下20—40 cm土壤容重差異明顯。

由圖1可以看出，2007年秋耕后，0—20 cm土層土壤容重呈現(xiàn)：連免≥免/深>連深≥深/翻>連翻≥翻/免的趨勢。其中，連免和免/深、連深和深/翻、連翻和翻/免處理之間差異不顯著(圖1A)。連免和免/深均采用了免耕處理，平均土壤容重為1.31 g/cm3，分別高出連深、深/翻處理和連翻、翻/免處理6.5%和9.2%；連深、深/翻均采用了深松處理，平均土壤容重為1.23 g/cm3，較連翻、翻/免處理高2.5%。20—40 cm土層連免、免/深和連翻、翻/免的土壤容重均達(dá)到1.45 g/cm3，而連深和深/翻的土壤容重平均值為1.31 g/cm3，較其他耕作處理低9.7%(圖1B)。

2.2 不同耕作處理對土壤養(yǎng)分含量的影響

在連續(xù)多年秸稈全額覆蓋或全額還田處理下，各土壤耕作處理0—20 cm和20—40 cm土層土壤養(yǎng)分含量變化趨勢基本一致。以定位試驗(yàn)4年后2011年春玉米收獲時(shí)所測的土壤養(yǎng)分結(jié)果為例，分析不同耕作處理對耕層土壤養(yǎng)分含量的影響(圖2)。與2007年試驗(yàn)前相比，各耕作處理2011年春玉米收獲后各土層土壤養(yǎng)分含量均有不同程度地提高，且各耕作處理0—20 cm土層土壤養(yǎng)分含量均顯著高于20—40 cm土層。

2.3 不同耕作處理對土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量的影響

土壤團(tuán)聚體是土壤養(yǎng)分的貯藏庫，特別是水穩(wěn)性團(tuán)聚體對保持土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性有重要作用。土壤有機(jī)質(zhì)與水穩(wěn)性團(tuán)聚體緊密相關(guān)，是土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的主要膠結(jié)劑。以2011年春玉米收獲后測定的土壤團(tuán)聚體含量結(jié)果為例，分析不同耕作處理對土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量的影響(表1)。

2.4 不同耕作處理對作物產(chǎn)量的影響

圖2 不同耕作處理2007年試驗(yàn)前和2011年作物收獲后0—20 cm和20—40 cm土層土壤養(yǎng)分含量

表1 不同耕作處理2011年春玉米收獲后0—40 cm土層各粒徑水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量比較(g/kg)

表2 不同耕作處理作物產(chǎn)量構(gòu)成因素比較

圖3 不同耕作處理歷年作物產(chǎn)量比較Fig.3 Effects of different soil tillage systems on 4-year crop yields

2009年春玉米籽粒產(chǎn)量以免/深和深/翻處理最高，且二者顯著高于其他處理(P<0.05)。免/深和深/翻較連免、連深和連翻分別顯著增產(chǎn)22.81%、15.07%、16.28和10.99%、3.99%、5.09%(P<0.05)。2011年春玉米籽粒產(chǎn)量表現(xiàn)為深/翻>連深>免/深>翻/免>連翻>連免。深/翻處理較連免、連翻、免/深和翻/免分別顯著增加9.10%、5.54%、1.39%和5.21%(P<0.05)。

綜上所述，在連續(xù)4年中，除2009年免/深處理的春玉米籽粒產(chǎn)量顯著高于深/翻外，其余3年不論是冬小麥還是春玉米，每年均以深/翻處理籽粒產(chǎn)量最高，連免處理最低。連深處理較連免和連翻分別顯著增產(chǎn)13.00%和6.38%(P<0.05)；深/翻較免/深和翻/免分別顯著增產(chǎn)5.44%和14.57%(P<0.05)。輪耕與連耕相比較，免/深較連免顯著增產(chǎn)12.05%(P<0.05)；深/翻較連深顯著增產(chǎn)4.55%(P<0.05)。在3種輪耕處理中，以深/翻處理的產(chǎn)量構(gòu)成因素較好，其籽粒產(chǎn)量最高。

3 討論與結(jié)論

生產(chǎn)實(shí)踐證明，要實(shí)現(xiàn)作物的高產(chǎn)或超高產(chǎn)，就必須為作物健壯生長發(fā)育創(chuàng)造理想的土壤環(huán)境，既科學(xué)控制與調(diào)節(jié)土壤水分蓄積與供應(yīng)、土壤養(yǎng)分釋放與保存，又能及時(shí)而充分地滿足作物對水分、養(yǎng)分、空氣和溫度等各種條件的需要[24]。 本研究通過連續(xù)多年土壤耕作試驗(yàn)獲得如下結(jié)論，并就有關(guān)問題進(jìn)行討論：

免耕與深松結(jié)合實(shí)行輪耕，與連年免耕相比，犁底層被打破，耕層及耕層以下土壤容重降低，通透性增強(qiáng)，可促進(jìn)水分下滲，因此對作物的生長發(fā)育來說要好于連年免耕[25-30]。在本試驗(yàn)6種耕作處理中，“免耕/深松”輪耕模式的冬小麥和春玉米產(chǎn)量構(gòu)成因素和產(chǎn)量位居第3位，4年產(chǎn)量平均較免耕增產(chǎn)12.05%。何進(jìn)等[19]的研究結(jié)果表明，“免耕/深松”輪耕既可改善土壤理化性狀，又可提高作物產(chǎn)量；Pierce等[31]的研究認(rèn)為，土壤免耕后定期進(jìn)行深松，雖能改善土壤的物理性狀，但對作物的產(chǎn)量和品質(zhì)沒有影響。其原因是免耕和深松處理下大量秸稈保留在表層，從而使表層有機(jī)質(zhì)富集，不利于改良下層土壤結(jié)構(gòu)，其土壤環(huán)境改善也受到影響，因此使作物的增產(chǎn)效果也受到一定限制。

深松與翻耕結(jié)合實(shí)行輪耕，使兩者的優(yōu)點(diǎn)融合于一體，既可克服翻耕犁底層加厚的缺點(diǎn)，也可克服深松只松土而不翻土的不足之處。翻耕將秸稈翻入耕層，有利于改善耕層結(jié)構(gòu)，促進(jìn)土壤熟化，使整個(gè)耕層土壤疏松，容重降低；而隔年深松形成了“虛實(shí)并存”的耕層結(jié)構(gòu)，既能協(xié)調(diào)土壤中蓄水與供水矛盾，又能調(diào)控耕層中礦質(zhì)化過程和腐殖化過程，從而使土壤蓄水與供水的矛盾和養(yǎng)分釋放與保存的矛盾得到統(tǒng)一，形成最適宜作物生長發(fā)育的水、肥、氣、熱的土壤環(huán)境，因此非常有利于作物的健壯生長而獲得高產(chǎn)，這與韓思明和薛少平的多年的研究結(jié)果相一致[2]。在本研究6種耕作處理中，“深松/翻耕”的輪耕模式其冬小麥和春玉米產(chǎn)量及其構(gòu)成因素均居第1位，其4年產(chǎn)量平均較連年免耕增產(chǎn)18.15%，較連年深松增產(chǎn)4.55%，較連年翻耕增產(chǎn)11.22%，同時(shí)較“免耕/深松”和“翻耕/免耕”處理分別增產(chǎn)5.44%和14.57%。

翻耕與免耕實(shí)行輪耕，與連年翻耕處理比較，雖然耕層水穩(wěn)性團(tuán)聚體有所增加，土壤養(yǎng)分含量有所提高，但耕層土壤容重增加，犁底層更緊實(shí)，加之土壤失墑較多，因此對作物生長極為不利，在6種耕作處理中其冬小麥和春玉米產(chǎn)量構(gòu)成因素和4年產(chǎn)量平均居第6位，與連年免耕比較，增產(chǎn)3.1%，這與孔凡磊等[5]、孫國峰等[16]的研究結(jié)果相一致；但與連年翻耕比較，不但沒增產(chǎn)，反而還減產(chǎn)，其4年平均產(chǎn)量較連年翻耕減產(chǎn)2.92%。

本試驗(yàn)進(jìn)一步證明，以免耕為核心的保護(hù)性耕作技術(shù)，雖然有利于提高耕層土壤養(yǎng)分，增加水穩(wěn)性團(tuán)聚體，但卻會使土壤容重增加，犁底層上移，耕層變淺，對作物生長發(fā)育不利，使產(chǎn)量降低，這與李素娟等[12]、 張麗華等[28]和陳軍勝[32]的研究結(jié)果基本一致。同時(shí)，深松耕技術(shù)雖然有較好的保水保土和增產(chǎn)效果，但耕層松緊不一，土塊較大，也會給作物生長發(fā)育帶來一定的不利影響，這與褚鵬飛[33]、尚金霞[34]、毛紅玲[35]和王靖[36]等人的研究結(jié)果基本一致。因此，生產(chǎn)中不論是免耕技術(shù)還是深松耕技術(shù)均不可單獨(dú)連續(xù)應(yīng)用，而應(yīng)將它們納入保護(hù)性輪耕體系之中，組合成一定的輪耕模式，交換應(yīng)用。

總之，土壤耕作要針對當(dāng)?shù)厣a(chǎn)實(shí)踐，根據(jù)每年所種作物選擇適宜的土壤輪耕模式，便可有效改善耕層及耕層以下土壤的理化性狀，創(chuàng)造良好的水、肥、氣、熱土壤環(huán)境條件，促進(jìn)作物生長、發(fā)育，以實(shí)現(xiàn)作物的高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)。本試驗(yàn)研究中，以“深松/翻耕”的輪耕模式的綜合土壤理化性狀較好，作物產(chǎn)量最高，其次是“免耕/深松”，是適宜陜西渭北旱塬及同類地區(qū)冬小麥—春玉米輪作田的土壤輪耕模式。

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