復(fù)播大豆農(nóng)田不同耕作方式對土壤物理性質(zhì)、硝態(tài)氮及產(chǎn)量的影響

厙潤祥，符小文，張永杰，安崇霄，杜孝敬，房彥飛，張 娜，徐文修

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830052)

近年來，全球氣候變暖日益加劇，新疆北疆地區(qū)增溫顯著[1-2]，伊犁河谷地區(qū)≥0，10 ℃積溫不斷增多[3]， 已由20世紀90年代起的復(fù)播白菜、綠肥等種植模式發(fā)展到21世紀后可以復(fù)播熱量需求更高的早熟大豆、青貯玉米等。近幾年，尤其以夏大豆發(fā)展趨勢最好[4-6]。與此同時，也帶來了生產(chǎn)上的另一個問題，即周年氮肥投入量逐漸增大，而植物只能吸收利用一小部分本季施入的氮素，絕大部分則殘留于土體中[7]，常年累積，氮肥殘留積少成多。大量研究表明，氮素殘留過多不僅會導(dǎo)致土壤理化性質(zhì)等受到嚴重破壞、作物肥料利用率、產(chǎn)量和品質(zhì)降低，也會污染環(huán)境，最終威脅人類健康[8-11]。如何有效提高作物氮素利用、減少土壤硝態(tài)氮含量就成了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中亟需解決的問題。

目前，已有大量的土壤耕作對土壤理化性質(zhì)影響的研究，前人研究認為，可通過適宜的土壤耕作來改善土壤理化性質(zhì)[12]。有研究表明，免耕使土壤容重增大，不利于土壤水分的儲蓄，其產(chǎn)量較低[13-14]，也有學(xué)者認為，實行免耕能降低土壤容重，增加土壤孔隙度，明顯改善水稻根系土壤環(huán)境，提高水稻產(chǎn)量[15]，但也有學(xué)者認為，與免耕相比，深松耕、翻耕覆膜和翻耕更有利于調(diào)節(jié)土壤結(jié)構(gòu)，提高土壤蓄水能力，玉米、夏大豆產(chǎn)量較高[13,16-19]。有人認為，翻耕破壞耕層結(jié)構(gòu)，土壤礦化速率加快，進而增加耕層硝態(tài)氮的積累，而免耕相比較少[20-21]，但也有研究認為，翻耕處理土壤硝態(tài)氮比免耕少[22]，段文學(xué)[23]則認為，土壤深松能促進旱地小麥對土壤硝態(tài)氮的吸收利用，減少農(nóng)田土壤殘留的硝態(tài)氮含量。由此可知，前人研究雖多，但對土壤理化性質(zhì)與土壤耕作之間的響應(yīng)關(guān)系仍存在較大爭議，同時，關(guān)于耕作方式對麥后復(fù)播大豆農(nóng)田物理性質(zhì)和土壤硝態(tài)氮影響的研究也未見報道。因此，本試驗研究不同土壤耕作方式對復(fù)播大豆農(nóng)田土壤物理性質(zhì)、硝態(tài)氮及產(chǎn)量的影響，以期為伊犁河谷地區(qū)篩選出有利于復(fù)播大豆氮素吸收利用并能促進大豆產(chǎn)量提高的耕作方式。

1 材料和方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗于2017年7-10月在新疆伊犁地區(qū)伊寧縣農(nóng)業(yè)科技示范園進行，該區(qū)地處伊犁河谷中部，北緯43°35′10″～44°29′30″、東經(jīng)81°13′40′～82°42′20″，海拔高度790 m，年均日照高達2 900 h，年均氣溫為9.3 ℃，年均降雨量為257 mm，無霜期169～175 d。該試驗地土壤類型為壤土，土地平坦、肥沃，灌溉方便。播前0～30 cm土壤養(yǎng)分含量分別為：有機質(zhì)9.6 g/kg、堿解氮76.7 mg/kg、速效磷11 mg/kg、速效鉀107 mg/kg、pH值8.12。

1.2 試驗設(shè)計

試驗于冬小麥收獲后進行，采用單因素大區(qū)試驗設(shè)計，共設(shè)4種土壤耕作措施，分別是深松耕(S)：深松機松土深度為50 cm，深松后直接在麥茬上播種；翻耕(T)：犁翻深度為28 cm，犁地后圓盤耙整地播種；翻耕覆膜(TP)：犁翻深度28 cm，犁地后圓盤耙整地覆膜播種，膜寬70 cm；免耕(NT)：小麥收獲后直接在麥茬上播種。每個處理面積為40 m2(10 m×4 m)，將各處理劃分為面積相等的3個小區(qū)，即為3次重復(fù)。

供試品種為黑河45號，由伊寧縣農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心提供。7月6日進行30 cm等行距人工播種，理論留苗數(shù)52.5萬株/hm2，灌溉方式為滴灌，滴灌帶采用1管2的鋪設(shè)方式，滴灌帶間距60 cm，開花期各處理均隨滴灌施入尿素150 kg/hm2，全生育期共灌溉8次，總耗水量為4 200 m3/hm2。其他田間管理與當?shù)叵嗤?/p>

1.3 測定項目及方法

土壤樣品采集方法：土壤含水量、土壤硝態(tài)氮含量均在苗期、開花期、結(jié)莢期、鼓粒期、成熟期取樣，土壤容重在復(fù)播大豆收獲后取樣。于各小區(qū)中隨機選取3個點，每個點分為0～20 cm，20～40 cm，40～60 cm，60～80 cm，80～100 cm 5個土壤層次。

1.3.1 土壤物理性質(zhì)的測定 土壤容重的測定采用環(huán)刀法。于取樣點挖100 cm深的土層剖面，用100 cm3的環(huán)刀分別采集各土層的原狀土樣，密封帶回實驗室，烘干稱質(zhì)量(105 ℃，24 h)，土壤容重(g/cm3)=烘干土樣質(zhì)量(g)/環(huán)刀容積(cm3)；

土壤總孔隙度(%)=(1-土壤容重/土壤密度)×100；土壤密度為2.65 g/cm3；

土壤含水量采用烘干稱質(zhì)量法測定。將取得的鮮土樣分裝在帶編號的鋁盒中密封，帶回實驗室稱質(zhì)量，然后放入105 ℃烘箱烘干至恒質(zhì)量，稱干土質(zhì)量，土壤含水量(質(zhì)量%)=(鮮土質(zhì)量+鋁盒質(zhì)量)-(干土質(zhì)量+鋁盒質(zhì)量)/(干土質(zhì)量+鋁盒質(zhì)量)×100%。

1.3.2 土壤硝態(tài)氮含量的測定 采用紫外分光光度法測定土壤硝態(tài)氮含量。將取得的同一處理同一深度的土樣混勻作為一個土樣，帶回實驗室篩除殘茬、塑料、石塊等雜物，自然陰干，過1 mm篩，用于測定土壤硝態(tài)氮。

1.3.3 產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素的測定 大豆成熟后，分別于各處理選取長勢均勻一致的3個點，每個點劃定2.4 m2(1.2 m×2.0 m)，人工實收。另選取具有代表性的3個點，采集連續(xù)10株大豆進行室內(nèi)考種，調(diào)查單株莢數(shù)、單株粒數(shù)及百粒質(zhì)量等。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

采用Microsoft Excel 2010進行基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的處理及圖表制作；利用 SPSS 19.0 軟件進行統(tǒng)計分析，顯著性差異分析采用新復(fù)極差法。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同耕作方式對土壤物理性質(zhì)的影響

2.1.1 不同耕作方式對土壤容重、孔隙度的影響 由圖1-A可知，隨土壤深度的增加，各處理土壤容重均表現(xiàn)出先增后減的變化規(guī)律，在20～40 cm處均達到最大值，0～40 cm各處理土壤容重差異較大，40～60 cm處理間差異明顯減小，60 cm以下各處理間無顯著差異(P>0.05)，且下層土壤容重小于耕作層(0～40 cm)，這是由于各處理0～40 cm土壤受自身重力、灌溉水重力及其他生產(chǎn)活動等的持續(xù)影響，土壤沉積，而下層土壤受外界影響少，因此，40 cm以下土層土壤容重較上層小。各處理中，NT處理0～100 cm各土層土壤容重均最大，在0～40 cm土層中，NT處理的平均值為1.37 g/cm3，分別較S、TP和T處理的平均值高2.24%，1.48%，1.11%。NT處理未受農(nóng)具耕作，耕作層土壤緊實，容重最大；S處理容重最小，在20～40 cm土壤范圍內(nèi)與其他處理達到顯著差異(P<0.05)；TP處理與S處理兩者容重在0～20 cm的土層中無顯著差異，可能與TP處理較高的土壤水分有關(guān)。由此可知，在夏大豆生產(chǎn)過程中，實施土壤耕作有利于減小土壤容重，實施深松耕作對土壤容重的減小程度高于翻耕。

由圖1-B可以看出，土壤孔隙度與土壤容重呈現(xiàn)出相反的變化規(guī)律，均隨土層加深表現(xiàn)出先減后增的變化趨勢，各處理間0～100 cm總孔隙度表現(xiàn)為S>TP>T>NT，在40 cm以上的土層中各處理土壤孔隙度差異較大，60 cm以下各處理間無顯著差異(P>0.05)；在0～40 cm土層中，NT處理土壤孔隙度平均值最小，其平均值分別較S、TP、T低1.13,0.75,0.57百分點，且與該三處理達到顯著差異(P<0.05)。由此可知，耕作方式不同，土壤孔隙度不同，土壤耕作可以調(diào)節(jié)土壤結(jié)構(gòu)，增加土壤孔隙度，為作物提供疏松的根系環(huán)境。

不同小寫字母表示差異達0.05顯著水平。圖2-3同。 Different lowercase letters indicate significant difference at 0.05 level. The same as Fig.2-3.

2.1.2 不同耕作方式對土壤含水量的影響 耕作方式能夠影響土壤含水量及其分布。如圖2所示，復(fù)播大豆各生育時期，0～100 cm土層內(nèi)各處理土壤含水量均隨土壤深度的加深逐漸增加，且各處理基本表現(xiàn)為0～40 cm土壤含水量差異較大，40 cm以下差異逐漸減小，在80～100 cm的深土層中，各處理間無顯著差異(P>0.05)。造成上述現(xiàn)象的原因可能與0～40 cm耕層根系分布密集及表層土壤水分的蒸發(fā)有關(guān)。

各處理在各生育時期0～100 cm土層中，土壤含水量基本都表現(xiàn)為TP>S>T>NT。翻耕覆膜有效防止水分蒸發(fā)，有很好的蓄水保墑能力；深松耕土壤疏松多孔，為水分的貯蓄提供了很大空間，與翻耕相比，土壤含水量相對較多；土壤容重最大、孔隙度最小的免耕處理，不利于滴灌水和降雨的下滲，土壤含水量最少。由上可知，覆膜可以大大提高土壤蓄水保墑的能力，增加土壤含水量，深松是未覆膜條件下保水能力最好的耕作方式。

進一步分析可知，苗期TP處理土壤含水量在各土層均高于其他處理，尤其是0～20 cm土層的含水量，與其他處理差異顯著(P<0.05)，并分別較S、T、NT高1.67，1.67，2.91百分點，有助于苗期的大豆植株生長；開花期大豆生長旺盛，枝繁葉茂，減少了地表水分的蒸發(fā)，0～20 cm土層中，S、T、NT未覆膜的處理間無顯著差異(P>0.05)，覆膜的TP處理則與S、T、NT之間差異顯著(P<0.05)；結(jié)莢期后大豆完全轉(zhuǎn)向生殖生長，大豆植株需要足夠的水作為養(yǎng)分運輸?shù)慕橘|(zhì)，各處理間0～20 cm土層含水量均表現(xiàn)出不同程度的差異，一方面說明耕作方式可以明顯影響表土層土壤含水量，另一方面，這可能與不同處理中大豆吸收利用土壤水分能力的不同有關(guān)。

圖2 不同耕作方式對各生育時期土壤含水量的影響Fig.2 Effect of different tillage methods on soil water content at each growth stage

2.2 不同耕作方式對土壤硝態(tài)氮含量的影響

由圖3可知，不同耕作方式下，復(fù)播大豆各生育時期土壤硝態(tài)氮含量的變化趨勢與土壤容重相同，在0～100 cm各土層中，各處理在各個生育時期土壤硝態(tài)氮含量均表現(xiàn)為隨著土層深度的加深呈先增后減的趨勢，且基本均表現(xiàn)為S

進一步分析復(fù)播大豆不同生育時期土壤硝態(tài)氮含量變化，從苗期開始，各處理就表現(xiàn)出較大差異，NT處理與S、TP達到顯著差異(P<0.05)；開花期由于施肥的原因，各處理土壤硝態(tài)氮含量較苗期明顯增大，且均達到極大值，其中以20～40 cm處NT處理的硝態(tài)氮含量最高，為24.82 mg/kg，分別較同一土層T、TP、S處理的高出了5.08%，9.68%，22.75%，且各處理0～40 cm土層中硝態(tài)氮含量達到顯著差異(P<0.05)；結(jié)莢期至成熟期大豆籽粒形成，需要大量氮素，土壤硝態(tài)氮含量相對開花期明顯下降，且成熟期各處理硝態(tài)氮殘留也有很大不同。由此可以看出，耕作方式不同，不僅會直接影響上季作物殘留硝態(tài)氮的含量，還會影響大豆季硝態(tài)氮的殘留，在花期追施同一水平氮肥時，不同耕作處理土壤中硝態(tài)氮的積累轉(zhuǎn)化也有著較大差異，其中，深松耕是減少硝態(tài)氮殘留的有效耕作方式。

圖3 不同耕作方式對土壤硝態(tài)氮含量的影響Fig.3 Effect of different tillage methods on soil nitrate nitrogen content

2.3 不同耕作方式對復(fù)播大豆產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響

不同耕作方式對復(fù)播大豆農(nóng)田土壤理化性質(zhì)的影響不同，最終影響了復(fù)播大豆的產(chǎn)量。由表1可知，實施了耕作處理的復(fù)播大豆，其產(chǎn)量均高于免耕處理，其中以TP處理產(chǎn)量最高達3 185.96 kg/hm2，并與其他處理差異顯著(P<0.05)，分別較S、T、NT處理的高12.33%，20.04%，26.19%。進一步分析可知，各處理復(fù)播大豆單株莢數(shù)、單株粒數(shù)、百粒質(zhì)量均表現(xiàn)為TP>S>T>NT，TP處理單株莢數(shù)、單株粒數(shù)、百粒質(zhì)量分別較S處理高52.99%，23.30%，3.00%，較T處理高87.56%，55.00%，4.90%，較NT處理高108.6%，82.01%，5.73%。由此可知，覆膜對土壤水分的保持起到了至關(guān)重要的作用，可以顯著提高大豆產(chǎn)量；但在不覆膜的條件下，S處理產(chǎn)量最高，較T、NT處理高6.86%，12.35%，這也說明土壤孔隙度最大的深松耕處理，有效調(diào)節(jié)了耕層結(jié)構(gòu)，改善了土壤理化性質(zhì)，因而獲得了較高的產(chǎn)量。

表1 耕作方式對夏大豆產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響Tab.1 Effects of tillage methods on summer soybean yield and yield components

注： 同列小寫字母為表示在P=0.05水平達顯著差異水平。

Note: Lowercase letters represent significant difference atP=0.05。

3 討論與結(jié)論

3.1 不同耕作方式對土壤物理性質(zhì)的影響

本研究表明，深松耕明顯減小了0～40 cm土層的土壤容重，且該土層范圍的土壤孔隙度顯著增大，提高土壤蓄水能力，土壤含水量也明顯增加，這與孔曉民等、丁昆侖等和趙亞麗等[13,16,24]研究結(jié)果一致；與翻耕相比，翻耕覆膜土壤含水量明顯增加，具有很好的保水能力，李亞杰等、蘇麗麗等[17-18]也得出相同結(jié)論。

關(guān)于免耕對土壤物理性質(zhì)的影響，有很多不同的研究結(jié)果，有學(xué)者認為，免耕農(nóng)田土壤緊實、孔隙減少、土壤容重增大[14,19]，不利于水分的儲存，土壤含水量低[13,17]；也有學(xué)者認為，免耕會減小土壤容重[25-26]，且隨免耕年限的遞增，容重表現(xiàn)出不斷減小的態(tài)勢[27]，土壤表層總孔隙度增加[28]，耕層土壤間土壤含水量高于翻耕[29-30]，但也有學(xué)者認為，免耕與翻耕的土壤容重、孔隙度并無顯著差異，而與耕作的強度、土壤質(zhì)地等其他因素有關(guān)[31-32]。前人研究結(jié)果有很大爭議，產(chǎn)生不同結(jié)果的原因可能是試驗地所處地理位置不同，土壤質(zhì)地、耕作強度、免耕的年限、作物種類、管理措施及氣候因素等不同所致。本試驗研究結(jié)果表明，與深松耕和翻耕相比，免耕土壤容重最大、孔隙度最小，在0～40 cm土壤范圍內(nèi)與深松耕和翻耕差異明顯，其土壤含水量也最小，不利于土壤水分的貯蓄。

3.2 不同耕作方式對土壤硝態(tài)氮含量的影響

適宜的土壤耕作可以調(diào)節(jié)土壤物理性質(zhì)，進一步達到減少土壤硝態(tài)氮含量的效果[12]。本試驗中，在整個生育時期，免耕耕作硝態(tài)氮含量明顯高于翻耕、翻耕覆膜和深松耕處理，0～40 cm差異較大，40 cm以下差異逐漸變小。其原因可能是免耕土壤緊實，土壤含水量少，作物根系吸收氮素沒有足夠的水作為介質(zhì)，因此，較多的硝態(tài)氮積聚于土壤中，而深松耕土壤疏松多孔，土壤有較好的保水能力，有利于大豆根系深扎，大豆吸收利用氮素的能力也就越強，因而土壤硝態(tài)氮含量少，翻耕、翻耕覆膜介于其二者之間。這與段文學(xué)[23]認為深松能提高小麥水分利用，促進硝態(tài)氮吸收利用的研究結(jié)果一致；與李太魁等[33]認為免耕處理較深耕(深松30 cm+翻耕+旋耕鎮(zhèn)壓)0～40 cm土層土壤硝態(tài)氮含量更高的結(jié)果大致相同；與Varshney等、Rabalais[20,34]認為免耕田土壤中硝態(tài)氮低于翻耕的結(jié)果相反，這可能是伊犁河谷地區(qū)土壤質(zhì)地與其不同所致。

深松、翻耕、免耕3個不覆膜的處理中，深松耕的各指標最優(yōu)，其產(chǎn)量高達2 836.24 kg/hm2，較翻耕、免耕處理分別高6.86%，12.35%。翻耕覆膜處理是在翻耕的基礎(chǔ)上增加了地膜覆蓋，雖然其土壤容重、孔隙度、硝態(tài)氮含量與深松處理相比表現(xiàn)略差，但土壤含水量是4個處理中最高的，大大提高了大豆對水的充分利用，其產(chǎn)量也最高為3 185.96 kg/hm2，分別較深松、翻耕、免耕處理的高12.33%，20.04%，26.19%，且處理間差異顯著(P<0.05)。本試驗條件下，翻耕覆膜是復(fù)播大豆獲得高產(chǎn)的有效措施，但在不覆膜條件下，深松有利于土壤結(jié)構(gòu)改善，農(nóng)田土壤硝態(tài)氮含量最低，而且其大豆產(chǎn)量僅次于翻耕覆膜，因此，若不覆膜，深松也是一項不錯的土壤耕作方式。