耕作方式對三江平原玉米土壤結構及產(chǎn)量的影響

李 慶，王玉鳳，張翼飛，陳天宇，武 鵬，楊 麗，菅立群，張津松，郭 偉，薛盈文，付 健，楊克軍

（黑龍江八一農(nóng)墾大學農(nóng)學院，黑龍江省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)栽培技術與作物種質(zhì)改良重點實驗室，黑龍江 大慶163319）

三江平原位于黑龍江省的東北部，是東北地區(qū)三大平原之一，是我國春玉米的主要產(chǎn)區(qū)，作物播種面積約386萬hm2［1］。近年來，三江平原地區(qū)大規(guī)模的農(nóng)業(yè)活動導致了當?shù)丨h(huán)境水資源不足、經(jīng)營管理不善等現(xiàn)象，造成開墾后的耕地退化十分嚴重，土地生產(chǎn)力下降，直接影響著農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展［2］。因此，針對三江平原地區(qū)土壤結構障礙，利用合理的耕作措施改良耕層土壤結構、提高玉米產(chǎn)量，對三江平原地區(qū)糧食安全和土壤利用提供基本的理論依據(jù)和參考。

土壤結構在植物生長、養(yǎng)分吸收和水分運移的能力中起著重要的作用［3］。土壤團聚體作為土壤最基本的結構單元，其數(shù)量和質(zhì)量決定著土壤肥力和土壤的性質(zhì)，土壤團聚體是土壤有機碳的載體，土壤團聚體轉化與有機碳積累相關［4］，而土壤有機碳又會促進土壤團聚體的形成［5］。表土中將近90%的有機碳位于團聚體內(nèi)，且大團聚體中的有機碳活性較高［6］，各級團聚體對土壤有機碳積累的相對貢獻大小取決于團聚體的質(zhì)量及其有機碳含量［7］。耕作措施主要影響微團聚體與大團聚體之間的轉化和再分布［8］，進而影響土壤結構穩(wěn)定性和抗侵蝕能力［9］。不合理的土壤管理導致土壤養(yǎng)分有效性降低，破壞土壤結構，降低土壤有機質(zhì)［10］。研究表明，不同耕作方式對土壤理化性質(zhì)影響不同，合理的耕作方式能有效改善土壤的水、肥、氣、熱條件，提高資源利用率，從而達到作物增產(chǎn)提質(zhì)的效果［11］。土壤結構和有機碳含量主要受耕作強度和耕作頻率的影響，頻繁的翻耕使土壤結構遭到破壞，降低了土壤中大團聚體的穩(wěn)定性［12］土壤有機碳含量下降［13］。張祥彩等［14］的研究表明，深松可明顯提高土壤大團聚體的含量并降低土壤容重，使20～30 cm土層的含水率增加。前人對土壤結構與玉米產(chǎn)量的變化進行了大量的試驗研究，然而，在三江平原地區(qū)對土壤結構與玉米產(chǎn)量關系還缺乏較為系統(tǒng)的、廣泛的研究。本研究以各粒徑水穩(wěn)性團聚體含量、平均重量直徑（MWD）、各粒徑團聚體有機碳含量、貢獻率等為指標研究旋耕、隔行深松、深松、淺翻、深翻5種耕作處理下對產(chǎn)量和水分利用率的影響。探明不同耕作方式對三江平原土壤結構和玉米產(chǎn)量的影響，為三江平原玉米種植選擇合理的耕作措施提供依據(jù)。本研究基于黑龍江省云山農(nóng)場進行田間試驗，探討耕作措施對土壤結構穩(wěn)定、有機碳固定、玉米水分利用率的影響，以期提出適合三江平原白漿土的耕作方式，為解決土壤退化和玉米高產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2018～2019年在黑龍江省云山農(nóng)場進行。平均海拔146 m，該區(qū)屬于典型的寒溫帶大陸性季風氣候，大于10 ℃年均積溫為2661.9 ℃，無霜期146 d，平均氣溫和降水量見圖1。土壤類型為白漿土，0～30 cm耕層土壤基礎肥力為：有機質(zhì)32.79 g/kg，堿解氮120.54 mg/kg，有效磷15.56 mg/kg，速效鉀232.1 mg/kg，pH 5.69。

1.2 供試品種

供試玉米品種為“德美亞3”，由墾豐種業(yè)提供。

1.3 試驗設計

本試驗共設5個處理。試驗處理為：常規(guī)旋耕處理（RT）、隔行深松處理（GS）、深松處理（ST）、淺翻處理（CT）、深翻處理（SF）。

常規(guī)旋耕是指秋季作物收獲后，旋耕滅茬起壟，旋耕深度15 cm；隔行深松是指秋季作物收獲后，隔行深松整地，后旋耕滅茬起壟，深松深度30～35 cm；深松是指秋季作物收獲后，深松整地，后旋耕滅茬起壟，深松深度30～35 cm；淺翻是指秋季作物收獲后，鏵式犁翻地，后旋耕滅茬起壟，翻耕深度15～20 cm；深翻是指秋季作物收獲后，翻轉犁翻地，后旋耕滅茬起壟，翻耕深度25～30 cm。所有耕作處理均在秋季進行，以傳統(tǒng)旋耕處理為對照。為了更接近農(nóng)田實際情況和利于大型農(nóng)機具進行田間操作，各處理采用大區(qū)對比設置，每個處理大小為10.4 m×500 m。

玉米氮（N）、磷（P2O5）、鉀肥（K2O）施用量分別為240、120和90 kg/hm2，所用肥料為尿素（N 46%）、磷酸二銨（P2O546%；N 18%）、硫酸鉀（K2O 50%），其中70%氮肥和全部磷、鉀肥作為基肥隨播種一次性施入，施肥深度為種下5 cm，剩余30%氮肥于拔節(jié)期追施。種植密度為85000株/hm2，其他田間管理均按照當?shù)爻Ｒ?guī)大田進行。2018年4月30日播種，9月30日收獲；2019年4月29日播種，9月28日收獲。

1.4 測定項目與方法

1.4.1 土壤水穩(wěn)性團聚體測定

2018年玉米收獲后，采用“S”形隨機取點法，并在每個樣點使用土鉆分別鉆取0～10、10～20和20～30 cm土樣，每個大區(qū)取10鉆。揀去土壤中植物殘根、秸稈及礫石等雜物，裝袋帶回實驗室，將采集的原狀土樣在室內(nèi)沿自然結構輕輕掰成小土塊，過8 mm篩，自然風干，用于團聚體分析。土壤各粒徑水穩(wěn)性團聚體含量采用濕篩法測定［15］，土壤有機碳含量采用重鉻酸鉀-外加熱法測定［16］。

1.4.2 土壤水分測定

2018～2019年，在玉米播前、收獲后，采用烘干法和環(huán)刀法［17］測定0～30 cm土層的土壤含水量，每10 cm一層，共3個土層，各處理取樣位置均位于玉米株行間，通過計算土壤貯水量、生育期耗水量計算出水分利用效率。

1.4.3 玉米產(chǎn)量測定

玉米成熟期，收獲各處理中間4壟連續(xù)5 m長所有果穗，統(tǒng)計有效穗數(shù)，計算產(chǎn)量。

1.4.4 計算公式

各粒徑土壤水穩(wěn)性團聚體含量計算公式為：

土壤團聚體平均重量直徑計算公式為：

式中，MWD為團聚體平均重量直徑（mm），為各粒徑團聚體的平均直徑（mm）。

各粒徑團聚體有機碳的貢獻率計算公式為：

式中，為各粒徑團聚體有機碳對土壤有機碳的貢獻率（%）， 為各粒徑團聚體中有機碳質(zhì)量比（g/kg），為土壤有機碳質(zhì)量比（g/kg）。

水分利用效率［18］計算公式為：

式中，WUE為水分利用效率［kg/（hm2·mm）］，Ya為單位面積的經(jīng)濟產(chǎn)量（kg/hm2），Eta為生育期耗水量（mm），P為作物生育期有效降水量（mm），We和Wb分別為播前和收獲時的土壤蓄水量（mm），W為土壤蓄水量（mm），d為土壤容重（g/cm3），h為土層厚度（cm），ω為土壤含水量（%），M1為濕土重（g），M2為烘干土重（g）。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2010進行數(shù)據(jù)處理，SPSS 17.0進行單因素方差分析及Pearson相關性分析，不同處理間采用Duncan法進行多重比較（α=0.05）。利用Origin 2018進行繪圖，圖表中的數(shù)據(jù)為平均值。本文中測得的數(shù)據(jù)為2018和2019年。

2 結果與分析

2.1 耕作方式對土壤水穩(wěn)性團聚體含量的影響

如表1所示，在各土層中隨著團聚體粒徑的降低，水穩(wěn)性團聚體含量逐漸增高。與常規(guī)耕作處理相比，隔行深松、深松、淺翻和深翻均提高了大于0.25 mm團聚體含量（R0.25）。在0～10 cm土層，深松處理的R0.25含量最高，為46.07%，與旋耕處理相比提高了24.27%。在 10～20 cm土層，深松處理的R0.25含量最高，并且深松處理增加了>5、2～5、1～2、0.25～0.5 mm粒徑水穩(wěn)性團聚體含量。在20～30 cm土層，各處理的>5、2～5、1～2 mm團聚體含量比10～20 cm均有所提高；其中，>5、2～5 mm粒徑水穩(wěn)性團聚體含量均以深松處理最大；與旋耕處理相比，深翻處理的R0.25含量最高，為39.64%，比旋耕處理提高25.16%。

2.2 耕作方式對土壤團聚體平均重量直徑的影響

如圖2所示，在各土層中，旋耕處理土壤團聚體平均重量直徑（MWD）最低，深松處理MWD最高，隔行深松、深松、淺翻和深翻處理與旋耕處理相比顯著提高。在0～10 cm土層，與旋耕處理相比，其他4種耕作處理MWD提高了10.60%～27.27%。在10～20 cm土層，各處理的MWD與0～10 cm土層相比降低了19.69%～27.38%；且與旋耕處理相比，其他耕作 處 理 的MWD提 高了11.53%～17.30%。在20～30 cm土層，各處理MWD比10～20 cm提高18.86%～27.11%；與旋耕處理相比，其他耕作處理的MWD提高了14.28%～20.63%。

2.3 耕作方式對土壤有機碳含量的影響

如圖3所示，隨著土層深度的增加各處理有機碳含量逐漸降低。在0～10 cm土層，土壤有機碳含量由高到低依次為深松>隔行深松>淺翻>深翻>旋耕；其中深松和隔行深松處理有機碳含量顯著高于旋耕處理。在10～20 cm土層，深松處理有機碳含量最高，為22.97 g/kg，與其他處理相比提高幅度為1.99%～15.77%。在 20～30 cm土層，深翻處理有機碳含量最高，為18.76 g/kg，與旋耕處理相比提高8.12%。

2.4 耕作方式對土壤各粒徑團聚體有機碳含量的影響

如表2所示，隨著土層深度的增加以及團聚體粒徑降低，有機碳含量逐漸降低。在0～10 cm土層，大于0.25 mm各粒徑大團聚體有機碳含量均以旋耕處理最小，深松處理與之相比分別提高了15.43%、18.87%、17.99%、20.60%、12.17%，而旋耕處理增加0～0.25 mm粒徑團聚體有機碳含量。在10～20 cm土層，深松處理的>5、2～5和1～2 mm粒徑團聚體有機碳含量最高，分別為24.62、23.47、21.70 g/kg。在20～30 cm土層，>5、2～5 mm粒徑團聚體有機碳中深松處理最高，分別為21.52和21.10 g/kg；深翻處理1～2、0.5～1、0.25～0.5 mm粒徑團聚體有機碳最高，與旋耕處理相比分別提高5.78%、2.19%、2.17%，并且1～2 mm團聚體有機碳與旋耕處理差異顯著。

表2 不同處理下土壤水穩(wěn)性團聚體有機碳質(zhì)量比分布 （g/kg）

2.5 耕作方式對各粒徑團聚體有機碳貢獻率的影響

如圖4所示，在0～10 cm土層，與旋耕處理相比，隔行深松、深松、淺翻和深翻處理的大于0.25 mm的5個粒徑大團聚體有機碳貢獻率均有所增加，增加幅度分別為28.01%～74.43%、27.84%～55.43%、17.94%～33.66%、8.48%～29.77%、2.70%～12.17%；其中，深松處理的大于0.25 mm粒徑大團聚體有機碳貢獻率（ISOC0.25）最高，為47.19%。在10～20 cm土層，隔行深松、深松、淺翻、深翻處理的大于5、2～5、1～2 mm粒徑團聚體有機碳貢獻率均高于旋耕處理；其中，深松處理的大于5、2～5 mm粒徑團聚體有機碳貢獻率最高，分別為2.59%和4.83%。在20～30 cm土層，各處理ISOC0.25比10～20 cm土層均有所提高；其中，深翻處理ISOC0.25最高，為42.20%，且與旋耕處理相比，隔行深松、深松、淺翻、深翻處理的大于5、2～5、0.5～1 mm粒徑團聚體有機碳貢獻率均有所提高，平均提高幅度分別為21.21%～28.45%、31.65%～39.99%、7.72%～24.43%，其中，深松處理的大于5、2～5 mm粒徑團聚體有機碳貢獻率最高，分別為4.45%和6.19%，隔行深松處理的1～2 mm粒徑團聚體有機碳貢獻率最高，為6.51%，深翻處理的0.5～1、0.25～0.5 mm粒徑團聚體有機碳貢獻率最高，分別為10.14%和15.03%。在0～30 cm土層，旋耕處理與其他耕作處理相比增加了0～0.25 mm粒徑團聚體有機碳貢獻率；其他4種耕作方式與旋耕處理相比能夠增加ISOC0.25。

2.6 耕作方式對土壤水分利用率和玉米產(chǎn)量的影響

由圖5可知，2年中深松處理的產(chǎn)量和水分利用率最高。玉米產(chǎn)量由高到低依次為深松>隔行深松>深翻>淺翻>旋耕，4種耕作處理玉米產(chǎn)量都較旋耕處理增加，2018和2019年產(chǎn)量分別提高了1.93%～9.64%、1.87%～12.11%；且4種耕作處理的水分利用率均高于旋耕處理，2年中深松處理的水分利用率增加幅度最大，2018和2019年分別為8.44%和10.50%。

2.7 玉米產(chǎn)量和水分利用率與土壤結構的相關性

由表3可知，R0.25和MWD、ISOC0.25呈極顯著正相關（P<0.01），并且與SOC、WUE和產(chǎn)量之間呈顯著正相關（P<0.05）；MWD和ISOC0.25呈極顯著正相關（P<0.01）；WUE和產(chǎn)量之間呈極顯著正相關（P<0.01）。

表3 玉米產(chǎn)量和水分利用率與土壤結構相關系數(shù)

3 討論

3.1 耕作方式對土壤團聚體的影響

土壤團聚體是土壤的重要結構單元，其在土壤中所占的比例和數(shù)量受耕作、秸稈還田以及外界因素的影響較大，其中水穩(wěn)性團聚體能更準確地反映不同耕作方式對土壤結構的影響。本研究結果表明，不同耕作方式對土壤團聚體產(chǎn)生顯著影響，與旋耕處理相比，隔行深松、深松、淺翻、深翻處理均增加了R0.25含量以及MWD，這與霍琳等［19］研究結果相同，原因是隔行深松、深松、淺翻、深翻處理增加了土壤有機碳含量，有利于團聚體聚合，并且隔行深松和深松處理對土壤擾動低，降低對土壤結構的破壞，有利于土壤團聚體的形成。在0～30 cm土層R0.25含量和MWD平均從高到低依次為：深松>隔行深松>深翻>淺翻>旋耕，說明旋耕處理對土壤團聚體破壞最大，其次是淺翻處理，而深翻相比淺翻雖對土壤擾動較大，但耕作深度較深，有利于深層團聚體的形成；由此推測這種現(xiàn)象出現(xiàn)的原因是旋耕嚴重破壞了水穩(wěn)性團聚體，而深松更有利于土壤水穩(wěn)性團聚體形成。研究表明，表層（0～10 cm）土壤R0.25含量最高，因為收獲后秸稈殘茬覆蓋地表，增加了表層土壤有機物質(zhì)輸入，表層土壤有機質(zhì)含量較高，而有機質(zhì)作為膠結劑有利于團聚體的聚合［20］，這與本研究結果一致。根據(jù)相關性分析，R0.25與土壤有機碳含量呈顯著正相關關系，這與前人的研究一致［21-22］，也進一步證明了有機碳對土壤團聚體的形成起著重要作用。MWD反映土壤團聚體大小分布狀況和穩(wěn)定性，其值越大，表示團聚體的平均粒徑團聚度越高，穩(wěn)定性越強［23］。本研究結果得出，在0～30 cm土層，深松處理MWD含量與其他處理相比顯著提高，并且MWD與R0.25和ISOC0.25呈極顯著正相關關系（P<0.01），所以MWD增加能夠使R0.25和ISOC0.25增加。另外，多數(shù)學者［19，24-25］的研究表明水穩(wěn)性團聚體含量隨著土層深度的增加而逐漸下降，本研究結果與之不同，本研究結果顯示各粒徑水穩(wěn)性團聚體含量隨著土層深度的增加呈現(xiàn)先升高后降低再升高的趨勢，可能是該試驗田試驗前連年深翻導致。

3.2 耕作方式對土壤有機碳的影響

本研究結果表明，與旋耕處理相比，隔行深松、深松、深翻處理均能增加耕層（0～30 cm）土壤有機碳含量，深松處理效果最為顯著。因為深松打破了土壤犁底層，疏水通氣，減少了土壤對根系的機械阻力，擴大了根系生長空間，有利于促進作物根系生長和代謝，因而起到很好的增碳效果［26］。受耕作深度限制，旋耕作業(yè)的深層土壤沒有受到擾動和植物殘體輸入，因而使深層的增碳效果不明顯［27］；而翻耕對土壤擾動較大，增大了秸稈殘茬與土壤的接觸面積，增加有機碳暴露和加速分解，因而使表層有機碳含量降低［28］。多數(shù)學者的研究結果表明［29-30］，大水穩(wěn)性團聚體中的有機碳含量較高，均比其他粒徑團聚體有機碳含量大。通過比較不同耕作方式對土壤濕篩團聚體有機碳含量和貢獻率的影響發(fā)現(xiàn)，在0～10 cm土層中，各粒徑團聚體中有機碳含量均為深松處理的最大，這是因為深松處理作物秸稈殘茬覆蓋地表，增加表層有機物，對土壤表層翻動較小，降低了有機質(zhì)的礦化，促進土壤表層有機碳含量的增加以及團聚體的形成，從而使表層土壤各粒徑團聚體有機碳含量以及ISOC0.25有所增加。另外，深翻處理提高了20～30 cm土層團聚體有機碳含量和ISOC0.25，這可能是由于翻耕使表層作物秸稈翻埋入土壤，添加了有機物，增加了微生物活性，促進了大團聚體的產(chǎn)生，進而提高了深層土壤有機碳含量。本研究中，隔行深松、深松、深翻處理與旋耕處理相比，提高了土壤大團聚體有機碳貢獻率，減少了微團聚體有機碳，這主要是這幾種耕作措施下形成更多的大團聚體所致［31］。

3.3 耕作方式對玉米產(chǎn)量和水分利用率的影響

作物產(chǎn)量和水分利用效率反映了不同耕作處理對土壤的綜合影響。本試驗研究表明，旋耕和淺翻玉米產(chǎn)量低，這主要是由于旋耕和淺翻處理耕作深度較淺，僅限于表層，長期耕作會導致耕層變淺，不利于植物根系下扎，水分入滲，導致減產(chǎn)。隔行深松、深松和深翻處理與旋耕處理相比，玉米產(chǎn)量顯著提高，從而水分利用率提高，其中深松處理最為顯著。根據(jù)相關性分析可知，玉米產(chǎn)量與R0.25和水分利用率成顯著正相關關系，說明大團聚體能夠增加有機碳含量，使土壤環(huán)境得以改善，有利于作物根系發(fā)育和水分利用，玉米產(chǎn)量提高。原因在于深松對土壤的松動有利于水分入滲和根系生長發(fā)育，同時鏟距間的相對緊實則降低了水分的擴散損失，增強保水性能，促進作物吸收深層土壤水分，提高水分利用效率，從而增加產(chǎn)量［32］。

4 結論

通過比較土壤結構和玉米產(chǎn)量的綜合分析。深松處理提高R0.25、大于0.25 mm各粒徑團聚體有機碳含量及貢獻率，增加MWD穩(wěn)定性，降低微團聚體含量及貢獻率，產(chǎn)量和水分利用率最高，較旋耕處理相比提高顯著，且優(yōu)于隔行深松和深翻處理。綜合來看，深松耕作方式更有利于土壤結構改良，是三江平原較合理的耕作方式。