不同耕作方式與有機(jī)物料配施后對(duì)土壤主要特性的影響

(1.黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 土壤肥料與環(huán)境資源研究所，黑龍江省土壤環(huán)境與植物營養(yǎng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江省肥料工程 技術(shù)研究中心，黑龍江 哈爾濱150086；2.黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 佳木斯分院，黑龍江 佳木斯154007)

0 引 言

適宜的耕作措施不僅是保證作物生長發(fā)育的基礎(chǔ)，也是獲得產(chǎn)量的根本保證，但不同耕作措施對(duì)玉米農(nóng)田土壤生態(tài)因子的影響不同。免耕可降低耕層土壤的擾動(dòng)及其結(jié)構(gòu)的破壞[1-2]，增加土壤表層結(jié)構(gòu)的通透性，保護(hù)土壤免受風(fēng)蝕和地表水分過度蒸發(fā)的影響。淺翻后有機(jī)肥可培肥地力，提高耕層土壤養(yǎng)分[3]和作物產(chǎn)量[4]。深翻可有效打破土壤犁底層，促進(jìn)土壤蓄墑，使得作物根系利用深層次的土壤水分[5]。

我國東北地區(qū)為雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)，尤其是春季大風(fēng)少雨，土壤墑情差。合理耕作能夠調(diào)節(jié)農(nóng)田土壤的水肥狀況，促進(jìn)農(nóng)作物的生長發(fā)育，達(dá)到增產(chǎn)的目的。近年來，隨著秸稈全量還田耕作技術(shù)的推廣使用和機(jī)械化水平的提高，玉米秸稈還田工作也得到推廣。目前秸稈還田方式與產(chǎn)生的效果均不同，且缺乏對(duì)不同還田方式效應(yīng)影響的研究與評(píng)價(jià)[6-7]。本文通過連續(xù)2年的定位試驗(yàn)，研究不同耕作措施下配合有機(jī)物料的施入對(duì)玉米早期生育及土壤的影響，探討適合本地區(qū)的耕作措施，增強(qiáng)土壤保墑能力。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)于2016-2017年在黑龍江省中儲(chǔ)糧北方農(nóng)業(yè)開發(fā)公司科技園區(qū)進(jìn)行(125°27′5″E，49°33′35″N)，試驗(yàn)區(qū)歷年平均氣溫-0.1 ℃，無霜期105 d，降水量570 mm，蒸發(fā)量719 mm，有效積溫2 571℃。土壤為厚層黏底黑土，土壤理化性質(zhì)如表1。

表1 土壤基礎(chǔ)肥力Table 1 Basic soil fertility in experimental location

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

于2016開始進(jìn)行玉米-大豆輪作試驗(yàn)，采用裂區(qū)設(shè)計(jì)，主區(qū)為耕作處理，設(shè)免耕(NT)、淺翻(ST)和深翻(DT)；副區(qū)為有機(jī)肥(M)和秸稈還田(S)處理，以單施用化肥為對(duì)照(CK)。3次重復(fù)，小區(qū)面積26 m2。試驗(yàn)處理于每年玉米收獲后進(jìn)行，采用聯(lián)合收獲機(jī)作業(yè)，同時(shí)將秸稈粉碎成2～10 cm，拋灑于地表(秸稈用量：12 000 kg·hm-2)。對(duì)照區(qū)和有機(jī)肥區(qū)人為移除秸稈，在有機(jī)肥區(qū)將有機(jī)肥拋灑于地表，施用量為15 t·hm-2。免耕區(qū)采用留茬，耕翻區(qū)滅茬后用210馬力格蘭翻轉(zhuǎn)犁將秸稈(有機(jī)肥)翻到0 ～ 35 cm (淺翻區(qū)0～25 cm、深翻區(qū)0～35 cm)。各處理化肥均為統(tǒng)一施用，化肥基施用量325 kg·hm-2(元素比例為N∶P2O5∶K2O=2∶1∶0.5)。供試玉米品種為屯玉188，種植密度和水肥等管理一致。試驗(yàn)處理具體為：①免耕對(duì)照(NTCK)；②免耕+秸稈還田(NTS)；③免耕+有機(jī)肥(NTM)；④淺翻對(duì)照(STCK)；⑤淺翻+秸稈還田(STS)；⑥淺翻+有機(jī)肥(STM)；⑦深翻對(duì)照(DTCK)；⑧深翻+秸稈還田(DTS)；⑨深翻+有機(jī)肥(DTM)。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目及方法

本試驗(yàn)于2017年玉米拔節(jié)期取土壤樣品，每個(gè)小區(qū)分別取0～20 cm和20～40 cm層次，用四分法取足量土壤陰干，研磨備用。堿解氮(Av-N)用堿解擴(kuò)散法[8]，有效磷(Av-P)用Olsen-鉬銻抗法[8]，速效鉀(Av-K)用乙酸銨浸提火焰光度法[8]，土壤微生物量碳(SMBC)、土壤微生物量氮(SMBN)用氯仿熏蒸-硫酸鉀提取法[9]，地溫計(jì)測(cè)定土壤溫度(測(cè)定深度為5 cm、10 cm、15 cm、20 cm、25 cm)，土壤含水量采用鋁盒烘干法。 土壤有機(jī)碳(SOC)分組方法采用密度分組法[10]，通過篩選收集的3種碳組分，游離態(tài)輕組有機(jī)碳(Free light fraction organic carbon,LF)，閉蓄態(tài)輕組有機(jī)碳(Occluded light fraction organic carbon,OF)以及重組有機(jī)碳(Heavy fraction organic carbon,HF)烘干后稱其重量， 總有機(jī)碳分析儀(德國耶拿，multi N/C 2100型號(hào))測(cè)定。

1.4 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析

數(shù)據(jù)的計(jì)算與處理采用Excel 2010和SPSS17.0、SigmaPlot 12.5軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和相關(guān)性分析并作圖，采用多因素方差分析的簡(jiǎn)單效應(yīng)分析數(shù)據(jù)的差異顯著性水平(P<0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同耕作措施對(duì)玉米苗期出苗率和土壤溫度的影響

玉米出苗率和土壤溫度僅針對(duì)不同耕作處理，即免耕、淺翻、深翻(NT、ST和DT)進(jìn)行的調(diào)查。土壤溫度的變化均隨著土層的加深而降低(圖1)。表層土壤5 cm層次以NT處理溫度最高，ST和DT處理溫度相近；10 cm層次以ST溫度最高，NT次之，DT最低。15 cm 層次3種耕作處理土壤溫度相近，隨著土層的加深，耕作處理間溫度均相近，只有DT在20 cm層次溫度高出其他兩個(gè)處理約10%。

NT和ST、DT出苗率不同(圖2)，NT的出苗率僅為40%，ST和DT的平均出苗率較高，均達(dá)到了70%左右，但ST和DT處理間差異不顯著。

圖1玉米苗期3種耕作措施下的土壤溫度
Fig.1Soiltemperatureswiththreetillagetreatmentsatmaizeseedlingstage

注：不同小寫字母為同一土壤層次不同處理之間差異在0.05水平上顯著。下同。

Note：Different small letters indicate significant differences between treatments in the same soil layer at 0.05 level.The same is as below.

圖23種耕作措施的玉米出苗率
Fig.2Emergencerateswiththreetillagetreatments

2.2 不同處理對(duì)玉米拔節(jié)期土壤水分和速效養(yǎng)分的影響

在玉米拔節(jié)期，施入有機(jī)肥和秸稈還田，均不同程度提高0～20 cm和20～40 cm土壤水分，耕作處理土壤水分含量均高于NT處理，但在不同層次間均沒有達(dá)到差異顯著水平。

圖3 不同處理的土壤水分含量Fig.3 Soil moistures content with different treatments

玉米拔節(jié)期3種耕作措施對(duì)0～40 cm土壤速效養(yǎng)分影響不同。0～20 cm層次，施有機(jī)肥后NTM、STM和DTM的有效磷含量分別比NTCK、STCK和DTCK提高了9.03%、21.3%和41.3%，但只有DTM處理與DTCK處理差異達(dá)到顯著水平(P<0.05)；秸稈還田后NTS、STS處理有效磷含量略有降低趨勢(shì)，而DTS明顯增加了有效磷含量為58.7%(P<0.05)。20～40 cm 土層也只有DTS處理顯著提高了土壤速效磷含量達(dá)86.1%(P<0.05)?？梢娚罘浜鲜┯糜袡C(jī)肥或秸稈，均能提高土壤有效磷的含量，尤其是20～40 cm土層有效磷含量，這可能與有機(jī)肥和秸稈中含有大量的磷元素有關(guān)。

施用有機(jī)肥和秸桿還田提高了表層土壤速效鉀含量，在免耕上影響顯著(P<0.05)。這是因?yàn)樵诮斩掃€田初期，秸稈中的鉀元素可以快速的分解，為土壤提供大量的鉀元素。而不同處理對(duì)土壤堿解氮含量的影響不明顯。

多因素方差分析顯示，土壤有效磷受耕作方式、土層、耕作方式與有機(jī)物料的交互作用及耕作方式與土層之間的交互作用較明顯，而土壤速效鉀受它們的交互作用影響較小，僅對(duì)耕作方式及土壤層次的單方面因素敏感(表3)。

表2 玉米拔節(jié)期土壤速效養(yǎng)分含量(mg·kg-1)Table 2 Soil available nutrients at maize jointing stage

表3 多因素方差分析研究耕作方式、有機(jī)物料、土壤層次及其交互作用對(duì)土壤速效養(yǎng)分的影響Table 3 Multivariate analysis of variance for the effect of tillage,organic materials,soil layers and their interactions on soil available nutrients

2.3 不同處理對(duì)土壤微生物碳、氮的影響

不同耕作方式下施用有機(jī)肥和秸稈還田可不同程度的提高玉米拔節(jié)期0～20 cm和20～40 cm層次土壤微生物量碳(SMBC)的含量。0～20 cm層次，3種耕作處理(NTCK、STCK和DTCK)對(duì)SMBC含量影響不大(圖4)。秸稈還田后NTS處理的SMBC含量比NTCK高35.8%，STS比STCK高39.3%，DTS比DTCK高25.0%；施用有機(jī)肥后STM和DTM處理分別比STCK和DTCK處理高80.9%和34.3%，且差異達(dá)顯著水平(P<0.05)。

20～40 cm層次，對(duì)比3種耕作處理(NTCK、STCK和DTCK)，STCK和DTCK比NTCK提升SMBC的效果明顯；施用有機(jī)物料后，以NT條件下各處理提升SMBC的效果明顯，均達(dá)到差異顯著(P<0.05)，而ST和DT條件下各處理差異不明顯。在NT條件下，施用秸稈更利于提高深層次的SMBC含量，有機(jī)肥次之。

圖4 不同處理對(duì)土壤微生物量碳的影響Fig.4 The effect of different treatments on soil microbial biomass carbon content

施入有機(jī)肥和秸稈還田可不同程度的提高玉米拔節(jié)期0～40 cm層次土壤微生物量氮(SMBN)的含量(圖5)。0～20 cm層次，3種耕作措施對(duì)SMBN無明顯影響，施用有機(jī)肥和秸稈后，只有STS處理的SMBN含量明顯高于DTCK達(dá)88.8%(P<0.05)。20～40 cm 土層，DTCK明顯高于NTCK和STCK；施用有機(jī)物料后，以NT處理的SMBN提升效果最為明顯，NTM和NTS分比NTCK含量高出127%和289%(P<0.05)。在免耕處理上無論施用有機(jī)肥還是秸稈，對(duì)于提升SMBN的效果好于耕翻處理。

圖5 不同處理對(duì)土壤微生物量氮的影響Fig.5 The effect of different treatments on soil microbial biomass nitrogen content

2.4 不同處理對(duì)土壤碳及碳組分的影響

0～20 cm土層僅DTCK處理土壤SOC含量明顯高于其他處理(P<0.05，表4)； LF變化較大，0～20 cm層次以DTS處理含量最高；施入有機(jī)肥和秸稈后均不同程度提高了各處理的OF含量。20～40 cm 層次，不同處理對(duì)SOC的影響較小，但對(duì)游離態(tài)輕組有機(jī)碳(LF)的影響較為明顯，其中施用有機(jī)肥的LF含量最高，在此層次，不同處理對(duì)閉續(xù)態(tài)輕組有機(jī)碳(OF)和重組有機(jī)碳(HF)的含量影響無明顯差異。耕翻處理能夠提高土壤0～20 cm SOC、LF含量，且施入有機(jī)肥和秸稈還田后對(duì)LF的影響較大。無論0～20 cm還是20～40 cm層次HF均沒有顯著變化。多因素方差分析表明，耕作方式和有機(jī)肥的交互作用對(duì)SMBC具有顯著影響，而SOC則對(duì)任何耕作方式、有機(jī)物料及土壤層次的交互作用影響明顯(表5)。LF和OF顯著受到有機(jī)物料及有關(guān)有機(jī)物料的交互作用的影響，HF僅受耕作方式和有機(jī)物料的交互的顯著影響。

表4 不同處理對(duì)土壤有機(jī)碳及其組分含量Table 4 The effect of different treatments on soil organic carbon and its fractions

注：每列上不同小寫字母代表不同處理之間差異達(dá)0.05水平。

Note：Different small letters in the same line indicate significant differences between treatments at 0.05 level.

表5 多因素方差分析研究耕作方式、有機(jī)物料、土壤層次及其交互作用對(duì)土壤指標(biāo)的影響Table 5 Multivariate analysis of variance for the effect of tillage,organic materials,soil layers and their interactions on soil variables

3 討 論

不同耕作措施對(duì)土壤的擾動(dòng)程度存在較大差異，進(jìn)而影響土壤養(yǎng)分及作物生長。傳統(tǒng)耕作在翻耕以后，水分容易散失。有研究表明，免耕降低了土壤耕作對(duì)耕層土壤的擾動(dòng)和土壤結(jié)構(gòu)的破壞[11]，可以使春玉米產(chǎn)量大幅度提高[12]。但是，連年保護(hù)性耕作會(huì)使土壤容重增大，孔隙度變小，影響作物根系的生長發(fā)育和對(duì)水分及養(yǎng)分的吸收利用[4]，不利于產(chǎn)量的積累。本試驗(yàn)結(jié)果顯示，免耕處理(NT)的出苗率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其他耕作處理，僅為40%，若要保證玉米產(chǎn)量，還需要進(jìn)行大面積的補(bǔ)苗。谷思玉的研究認(rèn)為免耕處理的溫度低于深翻，免耕處理因?yàn)橥寥牢唇?jīng)過進(jìn)行擾動(dòng)，土壤孔隙的比例沒有改變，水分蒸發(fā)作用弱，從而增加了耕層儲(chǔ)水量，土壤熱容量和導(dǎo)熱率增大，導(dǎo)致土壤溫度的滯后性加強(qiáng)，故0～10 cm土層溫度降低[13]。而本研究結(jié)果，0～10 cm免耕(NT)的溫度高于深翻(DT)，其原因還有待于進(jìn)一步驗(yàn)證。深翻(DT)處理提高了土壤20 cm層次的土壤溫度，土壤溫度的提升對(duì)于北方地區(qū)玉米生育早期的生長發(fā)育有著重要作用。

施用秸稈和有機(jī)肥，能夠使土壤中的碳、氮保持同步，提高不同耕作方式土壤的速效養(yǎng)分[14-15]及微生物量碳氮的含量[16-17]，為作物的生長提供較好的營養(yǎng)條件。粉碎秸稈施入田中，可以和土壤充分混合，加速微生物對(duì)秸稈的分解。有研究表明秸稈還田后土壤速效養(yǎng)分的增加主要表現(xiàn)在0～10 cm的土層上[18]，而在本試驗(yàn)中，淺翻(ST)和深翻(DT)條件下對(duì)20～40 cm層次提升作用更大，與其他研究學(xué)者的結(jié)果一致[19-23]，這是因?yàn)閷⒔斩挿胪寥郎顚哟螘r(shí)，玉米秸稈中富含的氮、磷、鉀等營養(yǎng)成分顯著培肥了深層次土壤[24-25]。在免耕中，有機(jī)肥增加0～20 cm和20～40 cm SMBC含量的效果明顯，尤其是提高土壤20 cm層次效果較好，這與張奇[26]的結(jié)果一致。秸稈深還增加土壤亞表層(20～40 cm) 有機(jī)碳及腐殖質(zhì)含量。同時(shí)，秸稈粉碎還田處理對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)積累有明顯的作用，主要是由于粉碎秸稈施入田中，可以和土壤充分混合，加速微生物對(duì)秸稈的分解[27]，也為玉米生育重要孕穗期儲(chǔ)備營養(yǎng)物質(zhì)。同樣，有機(jī)肥也富含大量的，激發(fā)土壤微生物及酶活性，促進(jìn)土壤有機(jī)氮、有機(jī)磷及有機(jī)鉀的礦化[17]。

秸稈還田顯著增加了土壤中LF和OF的含量；無有機(jī)物料施入的條件下，耕翻土壤可以明顯增加0～20 cm和20～40 cm層次SOC和LF的含量；施用有機(jī)肥時(shí)，對(duì)于提高深翻處理20～40 cm層次土壤LF含量有明顯的效果，這與徐寓軍的研究結(jié)果一致[28]，施用秸稈能夠顯著提高土壤活性有機(jī)碳的組分，因?yàn)榻斩捄陀袡C(jī)肥等回歸土壤后提高了土壤有機(jī)碳的外源輸入量，從秸稈殘留物中施肥的營養(yǎng)同時(shí)也增加了地下的生物量，有助于作物的生長[29-30]。HF在土壤中相對(duì)穩(wěn)定，隨著外援碳物質(zhì)的增加，積累到土壤中的重組碳含量增加，這說明土壤貯存了更多的潛在性碳，可以相對(duì)提高土壤有機(jī)質(zhì)的含量。但是在短期內(nèi)有機(jī)碳的增加并不明顯，測(cè)定活性有機(jī)碳的含量可以敏感的反映出土壤碳的變化情況[31-32]，在相同耕作措施下不同有機(jī)物料添加對(duì)土壤的有機(jī)碳的影響并不明顯，但是對(duì)于活性有機(jī)碳的影響DT和NT均達(dá)差異顯著水平。

拔節(jié)期正是玉米地上和地下部分同時(shí)快速生長發(fā)育，是對(duì)水肥需求量最大、最敏感的時(shí)期，滿足此階段的玉米生長所必須的養(yǎng)分尤為重要。此階段，外源有機(jī)碳的加入，能夠提高土壤的養(yǎng)分，同時(shí)還可以降低土壤容重，增加土壤孔隙[33-34]，也說明短期內(nèi)，由于正激發(fā)效應(yīng)，通過微生物作用使有機(jī)質(zhì)礦質(zhì)化，部分養(yǎng)分供植物吸收利用。

4 結(jié) 論

不同耕作措施配合施用不同有機(jī)物料對(duì)于玉米生育早期農(nóng)田土壤特性有著重要影響，耕翻處理配合施用有機(jī)肥或者秸稈，能夠提升土壤的有機(jī)碳、活性有機(jī)碳及微生物碳氮等含量，尤其提升20～40 cm層次的效果明顯；免耕措施施入有機(jī)物料后明顯提高了0～20 cm和20～40 cm土壤層次活性有機(jī)碳的含量；即使無任何有機(jī)物料施入，深翻仍能明顯提高土壤有機(jī)碳的含量。有機(jī)物料還田是改善土壤結(jié)構(gòu)、提升土壤養(yǎng)分的重要農(nóng)藝措施，對(duì)于東北冷涼地區(qū)的特殊氣候，將其與耕作措施相結(jié)合，可提高深層次土壤養(yǎng)分。有機(jī)物料還田改善土壤環(huán)境是一個(gè)長期的過程，后續(xù)還應(yīng)結(jié)合玉米產(chǎn)量，對(duì)土壤養(yǎng)分進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。