耕作深度及秸稈還田對(duì)耕層土壤理化性狀的影響

呂凱飛，周 鋒，安曈昕，楊友瓊，王 武，程 易，吳伯志

(云南農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)與生物技術(shù)學(xué)院，云南 昆明 650201)

【研究意義】耕地是人類賴以生存和發(fā)展的基礎(chǔ)與保障，而坡耕地是中國(guó)耕地資源重要組成部分[1]。坡耕地水土流失嚴(yán)重，加上不合理土壤耕作、有機(jī)質(zhì)肥使用較少等原因，導(dǎo)致耕層變薄、土壤酸化、有機(jī)質(zhì)及養(yǎng)分變少[2]，影響作物產(chǎn)量，嚴(yán)重制約中國(guó)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。【前人研究進(jìn)展】合理的耕作措施能改良土壤結(jié)構(gòu)，協(xié)調(diào)耕層土壤的水、肥、氣、熱等因素，為作物生長(zhǎng)發(fā)育提供良好的土壤環(huán)境，也是提高作物產(chǎn)量的關(guān)鍵因素[3-5]。旋耕是目前中國(guó)主要的耕作方式之一，但旋耕耕作深度較淺，形成犁底層，增加土壤緊實(shí)度[6]。研究表明，在平原地區(qū)，單作或輪作條件下，相比于常規(guī)旋耕，翻耕能有效打破犁底層，增加耕層厚度，改善土壤孔隙度，降低土壤容重、緊實(shí)度，增加深層土壤養(yǎng)分，促進(jìn)作物生長(zhǎng)[7-9]。免耕對(duì)土壤結(jié)構(gòu)擾動(dòng)較小，表層土壤能很好地保水、保肥，但隨著時(shí)間增長(zhǎng)，土壤緊實(shí)度、容重等增加，加劇養(yǎng)分分層[10]。中國(guó)秸稈資源豐富，農(nóng)作物秸稈量與作物籽粒產(chǎn)量幾乎持平[11]，但近幾年中國(guó)秸稈還田量?jī)H為17.60%，多數(shù)采用焚燒方式處理，嚴(yán)重污染環(huán)境[12]。秸稈還田對(duì)土壤結(jié)構(gòu)也有一定的調(diào)節(jié)能力，可減少土壤徑流量、緩解土壤氮流失、增強(qiáng)土壤蓄水保墑能力、增加土壤有機(jī)質(zhì)及養(yǎng)分、減少土壤裸露面積、減少蒸發(fā)量，從而維持土壤結(jié)構(gòu)[13-17]?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】已有研究主要針對(duì)平原區(qū)進(jìn)行土壤耕作措施與秸稈還田等方面，而有關(guān)山區(qū)坡耕地作物多樣性種植條件下耕作深度結(jié)合秸稈還田對(duì)土壤理化性狀影響未見研究報(bào)道?！緮M解決的關(guān)鍵問題】針對(duì)云南坡耕地面積廣，多樣性種植較為普遍的現(xiàn)狀，基于玉米‖辣椒種植模式下，研究不同耕作深度及秸稈還田對(duì)耕層土壤理化性質(zhì)的影響，為云南坡耕地耕層持續(xù)改善及農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2016-2018年在云南省硯山縣江那鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)科技示范基地(23°59′N、104°45′E)進(jìn)行，試驗(yàn)地為典型的石灰?guī)r紅壤，坡度8°，屬低緯北亞熱帶高原季風(fēng)氣候，年平均氣溫16.1 ℃，正常年降雨量1008 mm。

1.2 試驗(yàn)材料

2016年：辣椒(CapsicumannuumL.)品種為CT117,玉米(ZeamaysL.)品種為云瑞88；2017、2018年：辣椒品種為丘北辣(地方老品種)，玉米品種為云瑞88。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，共8個(gè)處理。T1：免耕+秸稈還田；T2：旋耕15 cm+秸稈還田；T3：翻耕20 cm+秸稈還田；T4：翻耕30 cm+秸稈還田；T5：免耕；T6：旋耕15 cm；T7：翻耕20 cm；T8：翻耕30 cm，小區(qū)面積45 m2，每個(gè)處理4次重復(fù)，共32個(gè)小區(qū)。

1.4 土壤耕作與作物種植

1.4.1 土壤耕作 試驗(yàn)于2016年5月開始實(shí)施。2016、2017、2018年播種前，免耕處理采用玉米秸稈覆蓋還田，旋耕15 cm、翻耕20 cm、翻耕30 cm處理將秸稈覆蓋于地表，隨耕作翻埋還田。

1.4.2 玉米‖辣椒種植管理 玉米‖辣椒采用行比2∶6間作模式，帶幅為385 cm。玉米辣椒間距為60 cm，其中玉米種植規(guī)格：寬行距34 cm、窄行距40 cm、株距30 cm，雙株留苗，密度為34 620 株·hm-2；辣椒種植規(guī)格：窄行距45 cm，寬行距160 cm，株距35 cm，密度為4420 株·hm-2。辣椒采用育苗移栽，移栽時(shí)間為4月下旬至5月上旬。玉米采用穴播，播種時(shí)間分別為每年5月上旬。

1.5 指標(biāo)測(cè)定

1.5.1 土壤物理指標(biāo)測(cè)定 容重：采用環(huán)刀法，在每個(gè)小區(qū)“S”形取5個(gè)點(diǎn)，在0～10、10～20、20～30 cm的深度各取一個(gè)環(huán)刀，稱鮮重后用膠帶纏牢，運(yùn)回室內(nèi)后除去膠帶，吸水至恒重，稱吸水后的重量；放到烘箱105 ℃下烘至恒重，稱干重；將環(huán)刀內(nèi)土壤倒出，把環(huán)刀清洗干凈稱環(huán)刀重。然后計(jì)算土壤容重[18]。

緊實(shí)度：使用SC-900緊實(shí)度儀測(cè)定，按照“S”型隨機(jī)觀測(cè)法，在每個(gè)小區(qū)10和20 cm深度處測(cè)量，分別取6個(gè)樣點(diǎn)。

剪切力：使用剪切力儀測(cè)量，在取環(huán)刀時(shí)，分別測(cè)量每個(gè)環(huán)刀附近0、10、20 cm土壤剪切力。

1.5.2 土壤養(yǎng)分測(cè)定 土壤取樣：在玉米收獲后，每個(gè)小區(qū)按“ S ”型用直徑5 cm土鉆取10～20 cm土樣，土樣帶回風(fēng)干后，過1 mm篩。

土壤堿解氮：采用堿解擴(kuò)散法。土壤速效磷：采用鉬銻抗比色法。土壤有效鉀：采用火焰光度計(jì)比色法[19]。

1.6 數(shù)據(jù)處理分析

采用Excel 2016和SPSS 20.0軟件進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理和分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 耕作深度及秸稈還田對(duì)土壤物理性狀的影響

2.1.1 不同深度及秸稈還田對(duì)土壤容重的影響 土壤容重是體現(xiàn)土壤物理性質(zhì)的重要指標(biāo)之一。由表1可知，0～10 cm耕層土壤容重在2016年T5處理高于T6、T7、T8處理，高3.04%～8.26%；2017～2018年均表現(xiàn)為T5>T6>T7>T3>T2>T8>T1>T4，且各處理間差異不顯著。10～20 cm耕層土壤容重在2016-2018年總體表現(xiàn)為T4較小，T5較大，2017年T1顯著高于T4。20～30 cm耕層土壤容重在2017-2018年均表現(xiàn)為T4、T8較小，T1較大，說明T4、T8能降低土壤10～30 cm耕層土壤容重，降低1.07%～2.86%。在2016-2018年，各試驗(yàn)處理對(duì)20～30 cm耕層土壤容重的影響無(wú)顯著差異。就各處理而言，翻耕30 cm+秸稈還田降低土壤容重效果更為明顯。

表1 不同處理土壤容重

2.1.2 耕作深度及秸稈還田對(duì)土壤緊實(shí)度的影響 土壤緊實(shí)度是反應(yīng)土壤物理性狀的重要指標(biāo)之一。由表2可知，耕層0～10 cm土壤緊實(shí)度在2016年表現(xiàn)為T7>T2>T5>T8>T6>T1>T3>T4，T7顯著高于T3、T4(P<0.05)。在2017、2018年均表現(xiàn)為T5最大，且T5處理顯著高于T6、T7、T8處理(P<0.05)，高22.86%～59.35%。耕層0～20 cm土壤緊實(shí)度在2016-2018年總體表現(xiàn)為T5、T1較大，T1、T5顯著高于T6、T7、T8(P<0.05)，高12.89%～46.38%。2016-2018年不同深度土壤緊實(shí)度均表現(xiàn)為T5較大；與T1相比、T3、T4均能顯著降低0～10 cm及0～20 cm耕層土壤緊實(shí)度；T4對(duì)降低土壤緊實(shí)度最為明顯。2017年0～20 cm土壤緊實(shí)度偏小主要是因?yàn)槎窘涤贻^多，土壤含水量偏大。與秸稈不還田相比，2016、2018年秸稈還田顯著降低耕層0～10 cm土壤緊實(shí)度(P<0.05)。就處理而言T3、T4均能顯著降低土壤緊實(shí)度，T4效果更為明顯。

表2 不同處理土壤緊實(shí)度分析

2.1.3 耕作深度及秸稈還田對(duì)土壤剪切力的影響 土壤剪切力是顯示土壤物理性狀的重要指標(biāo)之一，由表3可知，2016-2018年耕層0～20 cm土壤剪切力總體表現(xiàn)為T5較大；0～10、10～20 cm土壤剪切力T7、T8之間均無(wú)顯著差異；20～30 cm土壤緊實(shí)度均表現(xiàn)為T8較小；說明深翻耕能增加耕層厚度，進(jìn)而減小土壤剪切力；同種耕作方式下，T8效果優(yōu)于T7。就處理來(lái)看T4能顯著降低各耕層土壤剪切力。綜合來(lái)看，2016-2018年T4處理的土壤剪切力較低，表明翻耕30 cm+秸稈還田能有效降低土壤的剪切力。

表3 不同處理土壤剪切力分析

續(xù)表3 Continued table 3

2.2 耕作深度及秸稈還田對(duì)土壤養(yǎng)分的影響

由表4可知，2017年10～20 cm土壤中堿解氮表現(xiàn)為T5>T4>T1>T3>T8>T2>T6>T7，T5顯著高于T2、T6、T7處理(P<0.05)；有效磷表現(xiàn)為T5>T2>T1>T6>T4>T8>T3>T7，T2、T5顯著高于T1、T3、T4、T6、T7、T8處理(P<0.05)；速效鉀表現(xiàn)為T8>T4>T3>T6>T5>T2>T1>T7，T8顯著(P<0.05)高于其他處理。2018年土壤中堿解氮表現(xiàn)為T3>T4>T2>T1>T7>T6>T8>T5，T4顯著(P<0.05)高于T5、T6、T8；土壤有效磷表現(xiàn)為T4>T3>T1>T7>T5>T8>T6>T2，T4、T3顯著高于其他處理；土壤速效鉀表現(xiàn)為T4>T7>T3>T8>T5>T2>T6>T1，T4、T3顯著高于T1、T2。2017年、2018年不同養(yǎng)分規(guī)律不一致，2017年T4、T3的10～20 cm有效磷均含量較低，小于T2；2018年T4、T3的10～20 cm土壤堿解氮、有效磷和速效鉀含量均高于T2，說明隨試驗(yàn)時(shí)間的延長(zhǎng)，翻耕不同深度均能提升10～20 cm土壤速效養(yǎng)分含量?？傮w而言，隨試驗(yàn)時(shí)間的延長(zhǎng)，秸稈還田處理能增加10～20 cm土壤速效養(yǎng)分含量。

表4 各處理10～20 cm土壤速效養(yǎng)分分析

3 討 論

作物生長(zhǎng)需要適宜的土壤環(huán)境，不同耕作方式及秸稈還田是改善土壤環(huán)境的重要手段。有研究表明，深耕顯著降低了土壤貫穿阻力與容重，且在深耕過程中打破犁底層、改變生物群落特征、有效增加深層土壤養(yǎng)分含量，可為作物根系生長(zhǎng)提供良好的生長(zhǎng)環(huán)境[20]。趙亞麗等[21]研究表明，深耕能提高冬小麥及夏玉米產(chǎn)量，分別提高9.2%、12.85%。秸稈還田也是改善土壤的重要方式之一。秸稈還田可以降低土壤容重、減少土壤裸露面積、減少蒸發(fā)量；可提高土壤有機(jī)碳含量，提升N、P、K含量及土壤肥力，維持土壤結(jié)構(gòu)，為作物生長(zhǎng)提供良好的生長(zhǎng)條件，進(jìn)而提高作物產(chǎn)量[22]。本研究結(jié)果表明，與傳統(tǒng)旋耕相比翻耕20 cm、翻耕30 cm能降低0～30 cm土壤容重、緊實(shí)度、剪切力，增加10～20 cm土壤速效養(yǎng)分。秸稈還田能降低土壤緊實(shí)度、剪切力，2018年秸稈還田處理的10～20 cm土壤堿解氮、有效磷、速效鉀含量明顯提高，總體表現(xiàn)出秸稈還田年限越長(zhǎng)土壤養(yǎng)分提高越明顯，這與前人結(jié)果基本一致[23-24]。翻耕20 cm、翻耕30 cm處理能降低土壤容重、緊實(shí)度、剪切力等物理性狀，同時(shí)提高10～20 cm土壤堿解氮、有效磷、速效鉀含量。雖然翻耕30 cm對(duì)物理性狀影響較大，但其耕作成本較高、對(duì)土壤養(yǎng)分提升較慢，因而將翻耕20 cm作為最適合的耕作深度。

4 結(jié) 論

翻耕20 cm能改善土壤緊實(shí)度、容重、剪切力等物理性狀，秸稈還田能降低耕層0～10 cm土壤緊實(shí)度。翻耕20 cm+秸稈還田能顯著降低土壤緊實(shí)度、土壤容重、土壤剪切力等物理性狀，提高10～20 cm土壤堿解氮、有效磷、速效鉀含量，有利于坡耕地耕層結(jié)構(gòu)持續(xù)改善。因此，翻耕20 cm+秸稈還田是本試驗(yàn)地區(qū)最為合適的耕作與秸稈還田結(jié)合方式。