王成寶, 溫美娟，楊思存，霍 琳, 姜萬禮

(甘肅省農(nóng)業(yè)科學院土壤肥料與節(jié)水農(nóng)業(yè)研究所，甘肅 蘭州 730070)

灰鈣土是暖溫帶荒漠邊緣的典型干旱土壤，主要分布于黃河中上游的一、二級階地，具有土層深厚、耕性好、鈣積層不明顯等特點，但由于干旱缺水，作物產(chǎn)量通常較低。從上世紀60年代開始，在甘肅黃河段相繼建成了景電、興電、劉川、靖會、引大入秦等幾十處電力提灌工程，約有3×105hm2灰鈣土旱作農(nóng)田變成了水澆地，極大地改善了這一區(qū)域的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件[1]，但在這一過程中，由于不合理灌溉、小型農(nóng)機具反復碾壓、長期單一淺耕作業(yè)和秸稈還田利用率低等因素，導致土壤耕層逐漸變淺、上層土壤粉化、下層土壤沉積壓實、犁底層不斷加厚，耕層平均深度只有16.5 cm、土壤容重普遍在1.4 g·cm-3左右、緊實度超過1 000 kPa，嚴重阻礙了作物根系深層分布和水肥資源高效利用[2]。因此，要確保作物高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)，就必須通過農(nóng)機具的機械力量對土壤耕層狀況進行調(diào)整，以調(diào)節(jié)土壤水、肥、氣、熱狀況，為作物生長提供適宜的土壤環(huán)境。

目前，在甘肅引黃灌區(qū)存在著翻耕、旋耕、免耕、深松等多種耕作方式，也有農(nóng)戶進行年際間耕作的變化(輪耕)[3]。國內(nèi)外學者普遍認為，傳統(tǒng)翻耕和旋耕可以造成一個疏松的土壤耕層，但對土壤擾動大，破壞了土壤結(jié)構(gòu)，導致土壤透氣性增加，微生物活性提高，從而加速了土壤有機碳的分解速度[4-5]。免耕可以改善土壤結(jié)構(gòu)，但長期免耕使得土壤耕層變淺、下層土壤容重增加、土壤緊實度增加，從而影響作物生長發(fā)育[6-7]。深松可以打破犁底層、降低耕層土壤容重、提高土壤蓄水能力，是土壤耕層構(gòu)建的核心技術(shù)，但在實際推廣應用中也出現(xiàn)了作物“掉苗”、“倒伏”和“灌水量增加”等問題[8-9]。因此，任何單項耕作措施對土壤耕層構(gòu)建的作用而言都有其局限性。近年來，國內(nèi)學者也開始考慮耕作方式的變換(輪耕)，既不單純強調(diào)免耕，也不排斥傳統(tǒng)翻耕，而是考慮不同耕作方式的年際間組合，取得了一些創(chuàng)新性成果[10-12]，但由于存在著土壤類型、質(zhì)地以及不同區(qū)域小氣候等方面的差異，缺乏參考價值?；诖?，本研究設置4個單一耕作方式和2個輪耕組合，旨在通過4 a的定位研究探討不同耕作方式及其輪耕組合對土壤結(jié)構(gòu)特征和玉米產(chǎn)量的影響，重點分析土壤容重、孔隙度、緊實度、滲透率等土壤物理性質(zhì)的變化，進而為甘肅引黃灌區(qū)灰鈣土水澆地合理耕層構(gòu)建提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

大田試驗在甘肅省靖遠縣北灘鎮(zhèn)景灘村(37°05′N，104°40′ E)進行，該地區(qū)海拔1 645 m，是黃河水經(jīng)提升480 m形成的新灌區(qū)，處在旱地農(nóng)業(yè)向荒地牧地過渡線以北，屬黃土丘陵溝壑干旱區(qū)，年平均降水量259 mm，蒸發(fā)量2 369 mm；年平均氣溫6.6℃，大于0℃和10℃積溫分別為3 208℃和2 622℃，無霜期160～170 d；年日照時數(shù)2 919 h，輻射量616.2 kJ·cm-2。試驗地土壤類型為灰鈣土，質(zhì)地為中壤，成土母質(zhì)為洪積黃土，試驗前8 a連續(xù)采用翻耕方式，種植作物均為玉米，播前耕層土壤(0～20 cm)有機質(zhì)12.58 g·kg-1，全氮1.22 g·kg-1，全磷1.09 g·kg-1，全鉀1.35 g·kg-1，堿解氮45.4 mg·kg-1，速效磷11.5 mg·kg-1，速效鉀193 mg·kg-1，pH值8.25，容重1.41 g·cm-3。

1.2 試驗設計

試驗于2013年10月開始，在連續(xù)翻耕8 a的春玉米田設置連續(xù)翻耕(CT，15～18 cm)、連續(xù)旋耕(RT，10～13 cm)、連續(xù)深松(ST，35～40 cm)、連續(xù)免耕(NT)等4個單項耕作措施和翻耕-免耕(CT-NT)、深松免耕(ST-NT)等2個輪耕措施，每個處理重復3次，小區(qū)面積330 m2(33 m×10 m)，種植作物為玉米(先玉335)，種植密度7.5萬株·hm-2。試驗地采用當?shù)厣a(chǎn)栽培條件下已經(jīng)成熟的灌溉施肥制度，氮肥用尿素(含N46%)，磷肥用磷酸二銨(含N18%、P2O546%)，施肥量為氮肥(N)375.0 kg·hm-2、磷肥(P2O5)150.0 kg·hm-2，40%的氮肥和全部磷肥作為基肥，于播種前結(jié)合整地施入耕層，剩余60%氮肥于玉米拔節(jié)期結(jié)合灌水追施；試驗地全年灌水5次，灌溉定額6 750 m3·hm-2，灌水分配比例為出苗～拔節(jié)13%、拔節(jié)～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月玉米收獲后實施，翻耕(CT)措施采用蘭駝1LF型翻轉(zhuǎn)犁，配置20馬力手扶拖拉機實施；旋耕(RT)措施采用東方紅1GQN-125型旋耕機，配置28馬力小四輪拖拉機實施；深松(ST)措施采用沃野ISQ-340型全方位深松機，配置90馬力四輪拖拉機實施；免耕(NT)措施采用人工挖除玉米根茬。不同耕作方式實施后的耙耱、鎮(zhèn)壓、開溝覆膜等措施及田間管理同當?shù)卮筇铮囼炋幚砹鞒桃姳?。

表1 田間試驗各耕作處理流程

1.3 測定項目與方法

1.3.1 土壤容重 2013—2017 年度玉米成熟期，各小區(qū)選擇3個有代表性的區(qū)域用環(huán)刀法測定0～10、10～20、20～30、30～40 cm土壤容重，計算土壤孔隙度[13]：

土壤孔隙度(%)=(1-土壤容重/土壤比重)

(1)

式中，土壤比重近似值為2.65 g·cm-3。

1.3.2 土壤緊實度 2013—2017年度玉米成熟期，各小區(qū)選擇10個有代表性的區(qū)域，用美國產(chǎn)SC900土壤緊實度儀測定0～45 cm土壤緊實度。

1.3.3 土壤入滲率 2013—2017年度玉米成熟期時，各小區(qū)選擇3個有代表性的區(qū)域，采用雙環(huán)入滲法進行測定。試驗過程中，清除地表雜物，用橡皮錘將雙環(huán)均勻垂直打入土中5 cm，向內(nèi)環(huán)和外環(huán)加水，入滲儀外環(huán)起到隔離作用。由于內(nèi)環(huán)中水流垂直移動，因而測量限于在內(nèi)環(huán)進行。待外圈土壤水層厚度達3 cm時用秒表計時，通過馬里奧瓶觀察記錄內(nèi)圈水面下降高度，時間間隔為0.5、1、2、3、5、10、15、20、30、…、150 min，并記錄瞬時水溫。土壤穩(wěn)定入滲率計算公式為[14]：

V=Δh/t

(2)

式中，Δh表示各時間內(nèi)水位下降的高度(cm)，t表示所用的時間(h)。

1.3.4 玉米產(chǎn)量 玉米成熟期，每個小區(qū)收獲中間8行連續(xù)15 m(72 m2)的果穗，全部脫粒后自然風干，稱重計產(chǎn)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2016進行數(shù)據(jù)處理和作圖；采用SAS 8.0統(tǒng)計分析軟件進行數(shù)據(jù)，用LSD 法進行處理間多重比較分析(P<0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 耕作方式對土壤容重和孔隙度的影響

從表2可以看出，耕作方式對0～40 cm土層土壤容重有極顯著影響(P<0.01)，試驗年份和耕作的交互作用對20～40 cm土層土壤容重有顯著或極顯著影響。由此可知，試驗期間耕作方式是影響土壤容重變化的主要因素。隨著試驗年份的增加，除ST處理0～10 cm土層及NT、CT-NT處理10～20 cm土層土壤容重保持不變外，其他耕作處理0～20 cm土層容重均呈增加趨勢；CT和RT處理20～40 cm土層容重呈增加趨勢，ST、NT、CT-NT和ST-NT處理則呈降低趨勢。與CT處理相比，2017年RT處理0～10 cm和10～20 cm土層土壤容重降低8.70%和5.56%(P<0.05)，20～30 cm土層增加了9.73%(P<0.05)，30～40 cm土層無顯著差異；ST、NT、ST-NT處理0～10 cm和10～20 cm土層土壤容重分別增加8.99%和15.50%、16.23%和19.01%、11.30%和16.37%(P<0.05)，CT-NT處理無顯著差異；ST、NT、CT-NT、ST-NT處理20～30 cm和30～40 cm土層土壤容重降低4.38%、3.16%、9.25%、7.54%和11.11%、5.56%、6.00%、11.11%。

由表2還可看出，試驗年份和耕作的交互作用對20～40 cm土層土壤孔隙度有顯著或極顯著影響。隨試驗年份的增加，各處理0～20 cm土層土壤孔隙度均呈增加趨勢，除RT處理20～30 cm土層和CT、RT處理30～40 cm土層隨試驗年份降低外，其余耕作處理土壤孔隙度均隨試驗年份呈增加趨勢。從不同耕作處理對土壤孔隙度的年際變化來看，與CT處理相比，RT處理0～10 cm和10～20 cm土層土壤孔隙度在2017年顯著提高了6.67%和4.41%(P<0.05)，ST、NT、ST-NT處理顯著降低了6.89%、12.44%、8.66%和11.52%、14.16%、12.17%，CT-NT處理基本維持不變。除RT處理20～40 cm土層土壤孔隙度外，其余耕作處理均隨試驗年份增加。2017年，與CT處理相比，RT處理20～30 cm土層土壤孔隙度顯著下降10.65%(P<0.05)，ST、CT-NT、ST-NT處理20～30 cm和30～40 cm顯著增加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 耕作方式對土壤緊實度的影響

由圖1可看出，經(jīng)過4 a的田間試驗各耕作處理均降低了0～45 cm土層的土壤緊實度，較試驗前，2017年收獲后，CT、RT、ST、NT、CT-NT、ST-NT處理土壤緊實度分別降低4.55%、6.82%、36.88%、12.38%、13.19%、20.97%，其中以ST降低幅度最大。對于0～10 cm土層，除NT外其余耕作處理均降低了土壤緊實度，其中RT降幅最大，4 a平均降低37.11%；10～25 cm土層土壤緊實度隨土層深度的增加逐漸增加，且在25 cm處出現(xiàn)峰值，ST處理較試驗前降幅最大，4 a平均為57.09%；25～35 cm土層除RT處理較試驗前平均增加2.57%，各耕作處理土壤緊實度隨土層增加均呈降低趨勢；35～45 cm土層除ST-NT處理較試驗前4 a平均增加2.97%外，其余耕作處理均呈降低趨勢。

圖1 不同耕作方式的土壤緊實度

從不同耕作處理各土層緊實度的年際變化來看，在試驗第4年(2017年)，與CT相比，RT、ST、NT、CT-NT、ST-NT均降低了0～45 cm土層土壤緊實度，降低幅度分別為2.37%、33.87%、8.20%、9.05%、17.20%；RT處理0～10 cm土層緊實度在4個年度均最低，與CT處理相比，第4年(2017)降低了28.80%，NT處理有增加趨勢，較CT處理增加26.16%；與CT處理相比，ST、NT、CT-NT、ST-NT處理10～25 cm土層土壤緊實度在第4年(2017)下降了55.58%、21.68%、15.72%、44.06%；ST、CT-NT 、ST-NT處理25～35 cm土層土壤緊實度在4個年度均有降低，第4年(2017)較CT處理降低24.37%、4.86%、3.98%；ST、NT、CT-NT處理35～45 cm土層土壤緊實度較CT處理均有降低，降低幅度分別為13.62%、6.06%、2.44%。

2.3 耕作方式對土壤入滲率的影響

不同耕作措施對土壤入滲率的影響見表3?？梢钥闯?，在試驗年份中，ST、NT處理導致土壤入滲率隨年份呈增加趨勢；較試驗前，第4年(2017)ST、NT處理土壤入滲率增加69.92%、17.34%，RT處理呈連續(xù)下降趨勢，較試驗前降低6.23%，CT處理基本維持不變。不同輪耕措施均較試驗前增加了土壤入滲率，較試驗前，第4年(2017)CT-NT、ST-NT處理分別增加28.99%、57.45%。通過不同耕作處理間比較可看出，經(jīng)過4 a的田間試驗，ST處理土壤入滲率最高，較CT、RT、NT顯著增加65.87%、81.21%、44.80%，較CT-NT、ST-NT增加31.72%、7.92%，其次為ST-NT處理，較CT、RT、NT、CT-NT分別顯著增加53.70%、67.92%、34.18%、22.05%。

表3 不同耕作方式的土壤穩(wěn)定入滲率

2.4 耕作方式對玉米產(chǎn)量的影響

由表4可以看出，2014—2017年，ST、ST-NT處理較CT、RT、NT、CT-NT處理可顯著增加玉米產(chǎn)量，ST處理玉米產(chǎn)量隨試驗年份呈增加趨勢，較CT、RT、NT、CT-NT處理4 a平均增產(chǎn)14.9%、23.76%、8.21%、5.99%，ST-NT處理較CT、RT、NT、CT-NT處理4 a平均增產(chǎn)16.82%、25.82%、10.01%、7.76%，而ST和ST-NT處理4 a間玉米產(chǎn)量差異不顯著。從不同耕作處理對經(jīng)濟效益的影響可以看出，投入金額隨耕作強度的增加而增加，ST處理投入金額最高為13 145 Yuan·hm-2，NT處理投入最少為12 395.0 Yuan·hm-2，ST-NT產(chǎn)出金額最高為27 799 Yuan·hm-2，其次為ST為27 344 Yuan·hm-2，產(chǎn)投比以ST-NT最高為2.18，其次為ST，RT的產(chǎn)投比最低為1.71。

表4 不同耕作方式的玉米產(chǎn)量和經(jīng)濟效益

3 討 論

土壤耕作是調(diào)節(jié)土壤結(jié)構(gòu)的重要措施，不同耕作方式對土壤的擾動程度不同，土壤物理性狀也會發(fā)生較大改變。相比于長期單一耕作措施，輪耕更能創(chuàng)造適宜植物生長的土壤生態(tài)環(huán)境，對恢復土壤地力、提高供肥保肥能力有重要作用[15-16]。侯賢清等[17]研究指出，長期免耕相比于翻耕、旋耕、深松更能提高土壤容重，而在免耕的基礎上進行土壤耕作，能有效降低耕層土壤容重。本研究中，單一耕作措施CT、RT降低了0～10 cm和10～20 cm土層容重，ST處理土壤容重在20～30 cm和30～40 cm較低，這與前人研究結(jié)果一致[18-19]，主要原因是ST能對耕作底層的土壤起到顯著疏松作用，降低土壤容重，而CT、RT耕作深度較淺，對表層土壤擾動強烈。ST-NT處理0～40 cm土層較CT-NT處理的容重低，但均較ST、NT、RT、CT處理能降低20～30 cm土層容重，主要原因是長期免耕造成土壤體積質(zhì)量變大，土壤通透性變差，長期旋耕、翻耕易引起土壤犁底層和旋底層的形成，而CT-NT和ST-NT的輪耕模式降低了翻耕和深松頻次，減少了土壤擾動，有效維持耕層土壤結(jié)構(gòu)。合理的土壤孔隙度能促進植物根系下扎。本研究中，CT-NT和ST-NT兩個輪耕模式較CT、RT、ST和NT的單一耕作措施能顯著增加0～40 cm土層土壤孔隙度，這與蔣向等[20]、王玉玲等[21]、孫國峰等[22]研究結(jié)果一致，經(jīng)過4 a的試驗，2017年CT-NT處理0～40 cm土層孔隙度較2014年提高9.50%，其余處理均有降低，NT處理降低幅度最大為7.71%。整體而言，CT、RT處理雖然田間操作簡單，但連年耕作增加了土壤容重，降低土壤孔隙度，NT、ST處理雖對土壤擾動較小，但在北方荒漠綠洲灌區(qū)覆膜種植條件下，連續(xù)實施即增加了田間操作難度。

土壤緊實度是土壤主要物理特性之一，適宜的土壤緊實度能增加作物根系穿透力和土壤蓄水滲透能力，提高土壤水肥利用率[23]。本研究表明，不同耕作處理對土壤緊實度的影響主要集中在0～30 cm土層，30～40 cm土層變化較小。與2014年試驗前相比，2017年收獲后，ST、ST-NT處理0～20 cm土層土壤緊實度分別降低43.37%、31.67%，20～45 cm土層則分別降低33.74%、15.78%，主要原因是ST處理改善表土結(jié)構(gòu)，促進作物殘留物的分解，降低土壤緊實性[24]。土壤入滲率以ST、ST-NT處理增加最多，2017年較試驗前相比，0～45 cm土層入滲率分別增加69.92%、57.45%，主要原因是ST不會對耕層土壤產(chǎn)生較大擾動，能打破土壤犁底層，進而增加土壤入滲率，而RT、CT處理的耕作深度較淺，連年耕作機械碾壓，造成耕層以下土壤形成緊實層，導致土壤入滲率降低。CT-NT處理使得土壤入滲率持續(xù)增加，ST-NT處理則使其呈波浪上升，輪耕處理較CT、RT與NT處理能顯著增加土壤入滲率，降低土壤緊實度。分析認為，一方面CT處理能使土壤耕層上下翻轉(zhuǎn)松碎，增加土壤通透性，ST能增加20～40 cm土層孔隙度，有利于降雨入滲，增加耕層土壤持水性能；另一方面，CT-NT和ST-NT處理減少了機械進地次數(shù)，避免了機械作業(yè)造成的二次碾壓。前人的研究結(jié)果也表明，深翻和深松能有效降低土壤緊實度，但在疏松的土體上進行作業(yè)更能增加土壤的壓實風險[25]。

作物經(jīng)濟產(chǎn)量是土壤生產(chǎn)性能的綜合反映。本研究經(jīng)過4 a的定位試驗表明，不同的耕作措施中以ST-NT處理的玉米產(chǎn)量最高，經(jīng)濟效益最好，說明長期采用ST-NT的輪耕模式有利于土壤肥力水平和產(chǎn)量的提高。主要原因是ST-NT有效改變了土壤容重和孔隙度，使土壤結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定，之前的研究也證實了ST-NT良好的固碳效果和土壤團聚特征[3,26]，這是不同耕作措施優(yōu)勢互補的結(jié)果，ST處理能打破犁底層，促進降水入滲，降低土壤容重，增加土壤孔隙度，促進土壤養(yǎng)分釋放，改善土壤結(jié)構(gòu)，NT處理能保護土壤，提高土壤蓄水保墑性能，ST-NT輪耕結(jié)合不同耕作處理優(yōu)勢，既能避免連年CT、RT造成的加劇土壤團聚體破壞和土壤有機質(zhì)裸露等問題[27]，又能解決CT、NT、RT引起的底層土壤容重增大問題。此外，CT、RT增加了土壤緊實度，降低了養(yǎng)分水平，影響作物生長和養(yǎng)分吸收，減少了作物產(chǎn)量。ST-NT與ST相比，增加了產(chǎn)投比，輪耕模式降低了機耕作業(yè)次數(shù)和耕作強度，有效降低了生產(chǎn)總成本，改土效果更好，玉米產(chǎn)量明顯提高。綜上，任何一種單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為土壤輪耕體系，可減輕單一土壤耕作措施的弊端，既打破犁底層又改善了土壤孔隙度，降低土壤緊實度，提高土壤入滲率，促進作物增產(chǎn)。

4 結(jié) 論

與傳統(tǒng)旋耕(RT)、翻耕(CT)相比，輪耕模式深松-免耕(ST-NT)處理0～40 cm土層4 a平均土壤容重最低，土壤孔隙度最高，在改善土壤結(jié)構(gòu)和通透性方面表現(xiàn)最優(yōu)，其次是翻耕-免耕(CT-NT)；深松-免耕(ST-NT)和深松(ST)處理能明顯降低25～45 cm土層土壤緊實度，增加0～40 cm土層土壤入滲率；深松-免耕(ST-NT)和深松(ST)處理與其他處理相比均能提高玉米產(chǎn)量，但深松-免耕(ST-NT)降低了機械作業(yè)次數(shù)，降低了生產(chǎn)成本，提高了總產(chǎn)值，經(jīng)濟效益最好。綜上，深松-免耕(ST-NT)方式對引黃灌區(qū)灰鈣土土壤物理性狀改良和增產(chǎn)效果最好，具有一定的應用價值。