耕作模式對黃土高原地區(qū)新增耕地土壤緊實度、養(yǎng)分含量及玉米產量的影響

馬建業(yè)， 張 揚， 劉 哲， 張樂濤

(1.陜西省土地工程建設集團有限責任公司, 陜西 西安710075; 2.自然資源部退化及未利用土地整治工程重點實驗室, 陜西 西安 710075; 3.陜西地建土地工程技術研究院有限責任公司, 陜西 西安 710075;4.陜西省土地整治工程技術研究中心, 陜西 西安 710075; 5.河南大學 環(huán)境與規(guī)劃學院, 河南 開封 475004)

隨著我國經濟社會的快速發(fā)展，建設活動所占土地的面積逐漸增加，難免要占用耕地，從而造成耕地面積銳減。為適時補充耕地資源，我國開展了一系列的土地整理項目[1]，雖然基本實現(xiàn)了耕地占補平衡，但土壤熟化程度低、土壤貧瘠、生產力低下等問題嚴重制約了我國新增耕地的可利用化程度。為提高新增耕地的產能，不少學者對其土體改良措施進行了研究，如武曉莉等[2]探討了不同肥料類型對新增耕地的培肥效果和改良機理，結果表明有機肥對土壤的改良效果最好。楊盡等[3]基于盆栽試驗提出了利用礦物改良新增耕地質量的優(yōu)化比選方案。但是目前這些措施主要集中于通過施肥方式的改進和土壤改良劑的添加等方式來實現(xiàn)土壤質量提升的目的。而耕作措施作為一種傳統(tǒng)的土壤改良方式，可以改變土壤的理化性狀，調節(jié)水、肥、氣、熱等因子，從而提高作物產量[4]，尤其是近年來免耕、深松等保護性耕作技術逐漸興起[5]，在增加土壤有機質，改善土壤結構等方面效果顯著[6-7]。研究表明，深松耕作可以打破犁底層，降低土壤容重，提高其保水能力，創(chuàng)造有利于作物生長的疏松耕作層[8]。而免耕雖然能夠增加表層土壤容重，但有助于提升下層土壤有機質和微生物活性[9]。因此國內外學者在耕作模式和覆蓋措施對土壤理化性狀改良和作物產量提升方面做了大量研究[10-11]，但是多集中于探討耕作措施對傳統(tǒng)農田的改良效果，新增耕地作為一種在土體結構和土壤肥力等方面均與傳統(tǒng)農田存在較大的差異可利用土地，有關耕作措施對其土壤改良效果的研究并不多見。因此，為了探究耕作措施對新增耕地的土壤改良效果，本研究以陜西省土地工程建設集團秦嶺野外監(jiān)測中心為研究基地，利用生土構建的試驗小區(qū)，通過研究不同耕作模式下玉米地土壤緊實度、養(yǎng)分和作物產量的變化特征，探究適宜于新增耕地的耕作改良措施，為該類土地的高產高效利用提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

本研究在陜西省土地工程建設集團秦嶺野外監(jiān)測中心生土熟化小區(qū)進行試驗開展，研究區(qū)地處東經107°39′—108°00′，北緯33°59′—34°19′，屬暖溫帶大陸性半濕潤氣候，海拔高度在442～3 767 m之間，年平均氣溫12.9 ℃，平均降水609.5 mm，平均日照2 015.2 h，無霜期218 d。秋季受冷空氣影響，晝夜溫差較為明顯，是關中地區(qū)秋雨最多的區(qū)域之一，能基本滿足小麥、玉米的正常生長。

1.2 試驗設計

該試驗于2017年6月份開始實施，采取以耕作模式為單一因素的試驗設計。試驗田為2016年新建生土填埋小區(qū)，生土厚度為50 cm，第一年種植作物為春玉米，作物收獲后，試驗田閑置，直至2017年6月份開始本次試驗研究，共選取9個立地條件基本相似的試驗小區(qū)，每個小區(qū)面積為33 m2，采用翻耕、免耕、深松三種耕作模式，每種耕作模式分別在3個小區(qū)進行重復試驗，具體處理措施詳見表1。試驗中，根據陜西省農業(yè)廳推薦的農田施肥方案，本試驗施肥以平衡施肥為主，各試驗田施肥量一致，其中氮肥、磷肥、鉀肥分別為尿素、磷酸二銨、氯化鉀，施肥量分別為150，120和90 kg/hm2，在播種前，采用人工均勻撒施肥料，試驗田全部采用人工播種。玉米品種為戶單4號，按49 500～52 500株/hm2的密度種植。播種深度4～6 cm。在出苗期、拔節(jié)期、抽穗(雄)期、灌漿期和成熟期各灌水1次，其他管理和當地大田管理一致。

表1 不同耕作方法處理措施

1.3 測定項目及方法

在玉米的出苗期、喇叭期、灌漿期和成熟期(2017年6月14日、7月14日、8月29日和9月18日)，采用緊實度儀對0—20 cm土層緊實度分別進行測定，土層間距為2.5 cm，每個小區(qū)重復3次。同時分別于6月14日和8月29日，沿著每個小區(qū)對角線各選取3個樣點，采集0—10 cm，10—20 cm，20—30 cm，30—40 cm土層土樣，測定土壤有機質、全氮、有效磷、速效鉀等養(yǎng)分指標。有機質的測定采取重鉻酸鉀外加熱法，全氮的測定采取凱氏定氮法，速效鉀采取NH4OAc浸提，火焰光度計法測定，有效磷采取NaHCO3浸提，分光光度計法測定。在玉米收獲時期，分別對其穗粒數、千粒重和產量進行統(tǒng)計。

1.4 數據處理

采用Excel進行數據處理，用SPSS 19.0數據處理軟件對數據進行方差分析，利用Excel和Sigmaplot 10.0繪制圖表。

2 結果分析

2.1 不同耕作模式對土壤緊實度的影響

對不同耕作模式下6—9月份玉米地0—20 cm土層緊實度進行統(tǒng)計分析(如表2所示)。由表2可知，翻耕條件下土壤緊實度最大，分別比免耕和深松條件下高38.48和0.59 kPa/cm2，并且3種耕作模式下土壤緊實度變異系數較為相近，約為0.40。同時對不同月份各耕作模式下的土壤緊實度進行比較分析，如圖1所示。6月份，免耕、深松、翻耕條件下土壤緊實度分別為380.44，317.93和342.30 kPa/cm2，土壤緊實度相較于其他月份整體偏小，7月份土壤緊實度整體偏大，分別為489.11，575.96，519.83 kPa/cm2，8和9月份土壤緊實度相對偏低，且兩月份差異較小。6月份為玉米出苗期，作物根系較淺，對土壤結構的影響較小，耕作模式是影響土壤緊實度的主要因素，免耕對土體的破壞較小，土體結構較為完整，土壤緊實度整體偏大，而深松對土壤擾動較大，使得土體結構趨于均一化，土壤緊實度最小，而翻耕條件下土體中仍然存在部分團粒結構，緊實度居中。免耕條件下，各月份土壤緊實度差異不顯著，深松和翻耕條件下，雖然6月份和其他月份差異均顯著，但7—9月份土壤緊實度統(tǒng)計學差異不顯著。6—9月份，免耕條件下土壤緊實度增幅最小，翻耕條件下增幅最大，約為181.44 kPa/cm2，是免耕條件下增幅的4.16倍，深松條件下雖然6—7月份土壤緊實度出現(xiàn)驟增的趨勢，但在8和9月份呈持續(xù)減小的趨勢，導致土壤緊實度整體偏低，說明深松耕作下土壤對緊實度的調控能力較強。

表2 不同耕作模式下0-20 cm土層緊實度統(tǒng)計

注：圖中大寫字母表示不同月份之間的緊實度差異顯著性，小寫字母表示不同耕作模式之間的緊實度差異顯著性，含有相同字母，表示差異不顯著，否則差異顯著。

圖1 不同耕作模式下不同時間的土壤緊實度

圖2為0—20 cm土層不同深度的緊實度變化規(guī)律。3種耕作模式下，6—8月份土壤緊實度均在5 cm和15～17.5 cm深度處出現(xiàn)極大峰值，并且分別在免耕和深松條件下峰值達到最大，10～12.5 cm深度處出現(xiàn)極小峰值，在免耕條件下峰值達到最小。9月份5 cm處的峰值發(fā)生下移，10～12.5 cm處峰值上移，15～17.5 cm處峰值位置不變，說明9月份的土壤緊實化有所改善，低緊實化的土層范圍擴大。0—20 cm土層土壤緊實化呈分層緊實的狀態(tài)，深松和翻耕條件下下層土壤的緊實度峰值較上層土壤偏高，而免耕條件下則相反。

2.2 耕作模式對土壤養(yǎng)分的影響

分別對不同耕作模式下，玉米生長初期6月份和灌漿期8月底，0—40 cm土層有機質、全氮、有效磷和速效鉀含量進行分析(圖3)。由圖3中不同耕作模式下各土層有機質含量變化可知，6月份，有機質含量排序為：深松(3.63 g/kg)>免耕(2.43 g/kg)>翻耕(2.35 g/kg)。8月份有機質含量整體偏高，較6月份分別增加了：翻耕(2.73 g/kg)>免耕(2.47 g/kg)>深松(1.53 g/kg)。雖然翻耕條件下有機質的增幅最大，但6月和8月，深松條件下土壤有機質含量均最高。深松和翻耕條件下，表層土壤有機質均高于下層，其中深松條件下各土層土壤有機質差異較小，免耕條件下，除6月份0—10 cm土層較為異常外，其他土層有機質均呈現(xiàn)由表層向下層逐漸增加的趨勢?？赡苁怯捎诿飧幚硐?，上一期作物部分殘茬存留在土壤表層，未能進入下層土體，在種植過程中由于微生物分解作用，導致表層有機質偏高，而深松條件下，各層土壤透水透氣結構較好，微生物活性較強，有機物分解較多，使得各層土壤有機質含量均較高，且差異較小，而翻耕條件下，土壤擾動深度較小，造成0—20 cm土層有機質高于20—40 cm。但是20—40 cm為土壤有機質的主要增加層?？赡苁且驗橛衩赘递^為發(fā)達，0—40 cm土層是其根系主要分布區(qū)，在灌漿期，位于土壤表層生物量較少，下層植物根系的生長更新較快，增加了土壤有機質含量。由圖3不同土層全氮的含量變化可知，6月份，0—40 cm土壤全氮分別為深松(0.57 g/kg)>翻耕(0.46 g/kg)>免耕(0.42 g/kg)，8月份，全氮含量分別為：深松(0.63 g/kg)>翻耕(0.62 g/kg)>免耕(0.57 g/kg)，從6月到8月，深松條件下土壤全氮含量最高，但是翻耕條件下全氮的增幅最大，約為0.18 g/kg。0—10 cm土層全氮含量普遍較大，且增幅最高，這可能與玉米撒播方式和土壤氮沉降有關。深松條件下，10—40 cm土層土壤全氮隨土層深度和時間的變異均較小，免耕主要增加20—40 cm土壤全氮，翻耕主要增加10—20 cm全氮含量。6月份免耕條件下，全氮含量隨土層深度的增加而減小，免耕條件下下層土壤不能和肥料接觸，只能隨水分下下層輸移，導致下層全氮含量較低，翻耕10—40 cm土層全氮含量隨深度的增加而增加，可能是由于在翻耕過程中將表土層整體翻至下層，附著在表層的肥料顆粒多數進入下層土壤，導致下層土壤全氮含量偏高。隨著玉米生長和根系的調節(jié)作用，8月份，各土層全氮含量趨于減小。由圖3不同土層有效磷的含量變化可知，6月份，有效磷含量分別為免耕(50.18 mg/kg)<翻耕(56.05 mg/kg)<深松(59.28 mg/kg)，免耕條件下，土壤有效磷主要集中于30—40 cm土層，0—30 cm土層含量較低，深松條件除20—30 cm外，其他土層含量均較高，翻耕條件下在10—20，30—40 cm存在兩個有效磷的高峰值。8月份翻耕(28.39 mg/kg)<免耕(33.06 mg/kg)<深松(54.21 mg/kg)，0—10 cm和30—40 cm土層3種耕作模式下含量均發(fā)生了降低，但20—30 cm均呈現(xiàn)增加的趨勢。10—20 cm土層有效磷含量在免耕和深松條件下增加，翻耕條件下減小。由圖3不同土層速效鉀的含量變化可知，6月份，速效鉀翻耕(0.17 g/kg)<免耕(0.19 g/kg)=深松(0.19 g/kg)。免耕條件下0—10 cm土層速效鉀含量最高，10—40 cm土層含量較為穩(wěn)定，且差異較小，深松條件下各土層速效鉀含量均呈從上層到下層逐漸減小的趨勢，翻耕條件下各土層差異較小，但也呈隨土層增加而逐漸減小的趨勢。8月份速效鉀含量為翻耕(0.14 g/kg)<免耕(0.15 g/kg)=深松(0.15 g/kg)，不同耕作模式下各土層含量均發(fā)生了降低，免耕條件下0—10 cm土層降低幅度最大，其他各土層降幅較為接近。深松和翻耕條件下，各土層降幅接近，分別約為0.04，0.03 g/kg。

圖2 不同耕作模式下各土層的土壤緊實度

圖3 不同耕作模式下土壤養(yǎng)分的變化特征

2.3 不同耕作模式對玉米產量的影響

表3為不同耕作模式下的玉米產量統(tǒng)計。對不同耕作模式下玉米產量研究結果表明(表3)，不同耕作模式下，玉米產量存在差異，深松條件下，行粒數、穗粒數、樣地穗數和產量均達到最大，是免耕條件下的1.07，1.02，1.00和1.30倍，是翻耕條件下的1.11，1.10，1.01和1.19倍，翻耕條件下千粒重最大，深松條件下最小，并且不同耕作模式下玉米千粒重差異顯著，但深松條件下由于穗粒數等指標較高，導致整體產量最大。

表3 不同耕作模式下玉米產量

注：表中字母上標字母相同，則差異性不顯著，反之則差異顯著。

3 討 論

土壤緊實度作為影響農田土壤質量和作物生長的關鍵障礙因子之一，通過影響土壤的水肥氣熱狀況，進而調節(jié)作物生長[12]。程詩念等[13]研究表明，在玉米生長期內，黃土表層土壤容重總體呈增加趨勢，并且由于黃土具有濕陷性，受降水和灌溉的影響，容重會出現(xiàn)一個陡增階段[14]。進一步驗證了本研究中7月份土壤緊實度出現(xiàn)驟增這一現(xiàn)象的合理性，尤其是深松處理下土體結構松散，土體沉降嚴重，土壤緊實度增幅較大，而免耕條件下由于未對土體進行大幅度擾動，其緊實度增幅較小，到灌漿期和成熟期，作物根系對土體結構的穿插破壞作用較強，導致緊實度下降。本研究中5 cm和15～17.5 cm深度處存在兩個緊實度極大峰值土層，這可能是由于0—5 cm是雨滴的主要打擊土層[15]，并且7月和8月降水多以暴雨為主，導致表層土體形成致密的結皮層，增大了5 cm處的土壤緊實度。而15—20 cm是玉米根系的主要存在土層，根系對土粒存在加固作用[16]，土壤緊實度較高。成熟期由于植物對水分利用減少，水分容易向深層滲入，土壤顆粒內聚力增強，容易緊實，導致上表層的極大峰值深度加深[17]。

土壤緊實情況的不同會導致土壤容重、孔隙結構等物理特性的差異，進而影響土壤的通氣透水性和微生物生活環(huán)境，使得土壤養(yǎng)分的礦化速率以及植物對養(yǎng)分的吸收強度存在較大變異[18]。如張軍剛等[19]發(fā)現(xiàn)深松條件下土壤有機質和氮、磷、鉀含量明顯高于傳統(tǒng)耕作，特別是對上層土壤全氮及堿解氮和深層土壤的有效磷及速效鉀的影響更為明顯。本研究中，深松處理下土壤有機質和全氮含量最高，免耕條件下最低，可能與耕作方式以及土壤緊實度密切相關，深松處理下，土壤孔隙結構較好，有利于土壤水分入滲，促進微生物對有機物的分解以及對土壤養(yǎng)分的礦化，增加土壤中有機質和全氮養(yǎng)分的含量，而免耕處理下土壤緊實度較高，水分入滲能力較低，微生物對養(yǎng)分的分解主要集中在表層，難以進入下層，表現(xiàn)為養(yǎng)分含量整體偏低的趨勢。6月份出苗期，深松條件下各土層有機質含量差異較小，翻耕土壤有機質下層較為富集，而免耕表層有機質偏高，下層含量較小。可能是因為土壤表層作物殘渣的分解，使得農田表層土壤有機質呈富集的趨勢，但是深松處理對各層土壤的擾動均較大，對土壤有機質進行了重新分配。翻耕使得富含作物殘體的表層土壤進入下層，在微生物的作用下釋放有機質，呈現(xiàn)下層有機質偏高的現(xiàn)象，并且武際等[20]研究表明，翻耕和深松對深層土壤擾動較大，土壤緊實度較小，孔隙結構較好，有利于水分入滲和養(yǎng)分的下移，使得深松和翻耕處理下土壤有機質隨土層深度基本呈增大的趨勢。而免耕由于未進行土體的擾動作用，表層的有機質難以進入下層，呈表層土壤偏富集的現(xiàn)象，與本文研究結果一致。而8月份灌漿期，由于根系分泌物的增加以及根系的更新作用，各耕作處理下土壤有機質均呈增加的趨勢。王群等[18]研究表明，植物在緊實脅迫下會影響根系對土壤養(yǎng)分的吸收，免耕條件下深層土壤較為緊實，植物對其利用較少，使得有機質發(fā)生富集，因此免耕條件下有機質增幅最大[21]。6—8月份，免耕條件下20—40 cm和翻耕0—20 cm土層全氮含量增幅較大，深松處理下10—40 cm土層全氮增幅較小，可能是由于翻耕深度在20—25 cm左右，微生物活性較好，有利于固氮作用的發(fā)生，而免耕條件下，深層土壤有機物質殘留較多，通過為微生物的硝化和反硝化作用，使得有機殘體中的氮素釋放，增加深層土壤全氮含量[22]。深松和免耕等保護性耕作措施相對于傳統(tǒng)翻耕更能增加0—20 cm土層全氮和速效鉀含量[23]。有效磷含量則較6月份偏低，符鮮相等[24]研究表明，速效磷含量從苗期到灌漿期呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，灌漿期達到最小，深松有助于提升土壤全氮、速效磷和速效鉀含量，與本文的結論相似。但由于本研究中翻耕條件下土壤10—20 cm和20—40 cm處有效磷存在峰值，導致整體偏大，可能是由于構建土體以及玉米生長過程中，這兩層土壤過于緊實，不利于有效磷的運移，導致整體偏大。6月份免耕條件下土壤有效磷含量較小，但8月份有效磷最低，可能與土壤結構相關，6月份土壤免耕條件下土壤孔隙結構較差，影響有效磷的礦化過程，而8月份土壤根系較為發(fā)育，翻耕條件下土壤緊實度較小，有助于根系對養(yǎng)分的吸收。綜上，免耕和深松有助于提高表層0—20 cm土層土壤養(yǎng)分含量，免耕有助于有機質和全氮的儲存，深松有助于作物對二者吸收。翻耕條件下有效磷消耗最大，深松最小。而耕作措施對速效鉀的影響效果較為微弱。

4 結 論

(1) 不同耕作模式下新增耕地0—20 cm土層緊實度存在差異，翻耕模式下土壤緊實度最大，免耕模式下土壤緊實度最小，深松模式對土壤緊實的調控能力較強。新增耕地在玉米喇叭期土層緊實化最為嚴重，相對于出苗期的增幅排序表現(xiàn)為：深松>翻耕>免耕，在灌漿期和成熟期免耕和深松緊實化降低，翻耕緊實化變異較小。不同深度土體緊實化呈分層狀態(tài)，在5 cm和15～17.5 cm處出現(xiàn)緊實化極大峰值，并且深松條件下9月份緊實化峰值深度較其他處理下移2.5 cm。

(2) 3種耕作模式下，0—40 cm土層有機質、全氮、有效磷、速效鉀含量在深松模式下均較高，免耕模式下有機質、全氮、有效磷含量達到最低。從玉米出苗期到灌漿期，各處理模式下有機質和全氮發(fā)生累積，翻耕模式下增幅最大，有效磷和速效鉀含量降低，翻耕條件下有效磷和免耕條件下速效鉀降幅最高。深松條件下玉米產量最高，是免耕和翻耕條件下的1.30，1.19倍。