免耕對土壤理化性質及作物產量的影響

黃達 姜玉琴 謝先進

摘要 免耕是一項重要的農田耕作措施，為保護性耕作體系的核心內容，已在全球范圍內得到大面積推廣應用。在前人研究的基礎上，就免耕對土壤的物理、化學、生物學性質以及作物產量的影響作用進行了歸納總結，以期為免耕的發(fā)展提供支持。

關鍵詞 土壤;免耕;理化性質;作物產量

中圖分類號 S345文獻標識碼 A文章編號 0517-6611（2022）02-0009-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2022.02.003

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Influence of No-tillage on Soil Physicochemical Properties and Crop Yield

HUANG Da1，JIANG Yu-qin2，XIE Xian-jin1

（1. Soil and Fertilizer Station of Henan Province， Zhengzhou， Henan 450000; 2 .Soil and Fertilizer Station of Xun County， Hebi， Henan 458000）

Abstract No-tillage is an important farmland management practice. It is the core content of conservation tillage system and has been widely applied all over the world. Based on previous studies， the effects of no-tillage on soil physical， chemical， biological properties as well as crop yield were summarized in order to provide support for the development of no-tillage.

Key words Soil;No-tillage;Physical and chemical properties;Crop yield

基金項目 國家重點研發(fā)計劃（2018YFD0300705）;國家重點研發(fā)計劃（2018YFD0200606）。

作者簡介 黃達（1985—），女，河南睢縣人，農藝師，博士，從事土壤肥料研究與推廣工作。*通信作者，農藝師，碩士，從事土壤肥料研究與推廣工作。

收稿日期 2021-04-14

20世紀30年代，由于連年翻耕造成土壤風蝕和水蝕嚴重，表層土壤大量流失，美國發(fā)生了大規(guī)模的“黑風暴”，迫使人們開始尋找新的耕作方式[1-2]。保護性耕作應運而生，其核心就是最大限度地減少土壤擾動，維持土壤結構。保護性耕作一開始稱為免耕法，隨著研究的不斷發(fā)展，其內容得到補充完善，并于1995年被正式命名[2]。聯(lián)合國糧食及農業(yè)組織（FAO）對保護性耕作給出的定義是：一種旨在保持永久性土壤覆蓋、最低程度的土壤耕作以及植物物種多樣化的耕作體系;其加強了地表上下的生物多樣性和自然生物過程，有助于提高水分和養(yǎng)分的利用效率，提高并維持作物產量。保護性耕作具有3項原則：一是持續(xù)最低限度的土壤機械擾動，即土壤擾動僅限于播種和施肥，擾動區(qū)域范圍小于15 cm寬或小于栽培區(qū)域面積的25%;二是永久性的土壤有機質覆蓋，覆蓋區(qū)域≥30%;三是生物多樣化，輪作至少涉及3種作物種類。美國最早開始研究保護性耕作，于20世紀60年代大面積推廣應用，20世紀80年代將其發(fā)展為主流耕作技術[2]。目前保護性耕作已在全世界范圍內得到研究與推廣，但總體上集中于美國、澳大利亞、加拿大等農業(yè)發(fā)達國家。

我國于20世紀60～80年代開始引入保護性耕作[3-4]，此后進行了大量的試驗研究并于北方干旱、半干旱地區(qū)開展推廣應用[5]。我國保護性耕作體系大致分為免耕與少耕兩個方向，免耕為核心內容，應用最為廣泛。免耕是不經過整地，而直接進行播種的耕作方式，與傳統(tǒng)翻耕相比，免耕對土壤物理、化學、生物性質以及作物產量均產生了不同的影響作用，筆者對其進行了歸納總結。

1 免耕對土壤物理性質的影響

1.1 土壤容重

土壤容重反映土壤緊實狀況，是表征土壤物理性質的一項重要指標。在免耕體系中，土壤擾動幅度降至最低，能夠保持土壤原狀結構。目前關于免耕對土壤容重的影響效應存有較大分歧。有研究認為，免耕條件下長期機械碾壓而不疏松土壤會產生強烈的壓實效應，從而導致土壤變硬、容重增大[6-8];但土壤容重不會無限增加，將隨著時間的推移達到一種穩(wěn)定狀態(tài)，或者在連續(xù)免耕12年后[9]，或者在連續(xù)免耕2～3年后[10]，即關于土壤容重趨于穩(wěn)定所需年限的研究結論不一致。也有研究表明，免耕對土壤容重不產生影響，即使在較長時間尺度上，免耕與翻耕之間也無差異[11-12]。還有研究指出，免耕具有降低土壤表層容重的效應[13]。張錫洲等[14]通過對比不同免耕年限土壤發(fā)現(xiàn)，0～15 cm土壤容重隨著免耕年限增加而呈現(xiàn)降低趨勢，并在免耕7～8年后趨于穩(wěn)定，而15～30 cm土壤容重無顯著變化。陳強等[15]認為，免耕對土壤容重的影響作用不能一概而論，需結合當地土壤質地、農田管理措施、氣候環(huán)境因子及作物類型等多種因素進行判定。Li等[9]利用Meta分析法研究了全球尺度上免耕條件下土壤物理性質對農藝措施和環(huán)境條件的反應，結果顯示，免耕對土壤容重及其他土壤性質的影響效應主要取決于氣候條件（年均降水量和年均氣溫）、試驗持續(xù)時間、土壤質地，而其中前兩者最具有決定性。

1.2 土壤團聚體

土壤團聚體是土壤結構形成的基本單元，其大小、數量與分布直接關系土壤理化性質，是反映土壤肥力大小、耕層構造好壞的重要指標[16]。已有大量研究指出，與傳統(tǒng)翻耕相比，免耕能夠顯著提高土壤團聚體的穩(wěn)定性，增強土壤團聚作用[17-19]。但對不同學者土壤團聚體不同分級的影響研究結果存在一定差異。王峻等[20]研究發(fā)現(xiàn)，免耕條件下0～20 cm土層大團聚體（﹥2.000 mm）含量增加35.79%，中團聚體（0.250～2.000 mm）增加30.81%，微團聚體（0.106～0.250 mm）增加25.80%。Wu等[21]得出了相同的結論，即免耕相較于傳統(tǒng)翻耕增加了各級團聚體含量。然而Six等[22]的研究結果卻表明，免耕顯著增加了大團聚體的含量但減少了微團聚體含量。

1.3 土壤水分

免耕能夠顯著增加土壤含水量和貯水量，有利于提高土壤水分利用效率。余海英等[23]測定得出免耕地塊0～100 cm土壤貯水量與含水量均明顯高于翻耕地，增幅分別為2.7%～30.3%、3.4%～12.8%。丁晉利等[24]通過研究免耕對冬小麥不同生育時期土壤剖面水分的影響指出，較傳統(tǒng)翻耕，免耕不同程度地增加了冬小麥各個生育期0～100 cm 土層土壤平均含水量，冬小麥拔節(jié)期和揚花期0～40 cm土層平均含水量分別增加了14.0%和10.3%。在西北旱區(qū)，實施保護性耕作7年后，與翻耕相比，免耕和免耕+秸稈還田處理土壤飽和含水量分別提高了5.69%、6.85%，飽和導水率分別提高了9.11%和24.47%[19]。在晉南旱地，免耕較翻耕顯著增加了0～100 cm土層土壤貯水量，且主要顯著提高50～100 cm土層土壤貯水量[25]。

2 免耕對土壤養(yǎng)分的影響

2.1 土壤有機碳

土壤有機碳庫對維持土壤肥力、土壤蓄水力以及作物生產力具有重要作用[26-27]。與傳統(tǒng)翻耕相比，免耕有助于土壤有機碳固定與貯存[28-29]。免耕能夠增加表層尤其0～5 cm土層土壤有機碳含量[22]，有效控制土壤碳損失，減少農田CO2釋放量，降低溫室效應[30]。West等[31]通過分析全球67個長期定位試驗得出，除了小麥—休閑系統(tǒng)土壤碳積累不明顯，由傳統(tǒng)翻耕轉變?yōu)槊飧笃骄磕旯潭ㄓ袡C碳為（57±14） g/m2，且在轉變的5～10年達到峰值，15～20年達到新的平衡。田慎重等[32]研究指出，連續(xù)免耕12年后0～30 cm土層土壤有機碳儲量比試驗初期提高38%，12年總固碳量達16.69 t/hm2。王旭東等[33]對我國東北、華北地區(qū)4個長期定位試驗點進行了聯(lián)網研究，結果表明，與傳統(tǒng)耕作相比，免耕能夠顯著提高0～10 cm表層土壤有機碳儲量，但對0～80 cm土層總有機碳儲量的影響具有區(qū)域性差異，某些地區(qū)呈現(xiàn)增加趨勢，但另一些地區(qū)呈現(xiàn)減少趨勢。

2.2 土壤氮、磷、鉀

土壤養(yǎng)分含量直接決定耕地質量以及作物生長狀態(tài)。有研究表明，在淮北平原潮土區(qū)，與翻耕秸稈還田相比，免耕秸稈還田處理提高了0～20 cm土層有機質、全氮含量，增幅分別為8.98%、4.63%，但降低了土壤堿解氮、有效磷和速效鉀含量;而在20～60 cm土層，免耕秸稈還田處理土壤有機質、全氮、全磷含量顯著降低，但有利于土壤速效養(yǎng)分增加[34]。王改玲等[35]研究表明，免耕可顯著增加0～10 cm土層土壤氮素和鉀素的累積，全氮、堿解氮和速效鉀含量隨著免耕年限的增加而增加，但是有效磷含量減少，11年免耕覆蓋和15年免耕覆蓋，表層0～10 cm土壤有效磷含量比傳統(tǒng)耕作分別降低了56.1%和51.9%。王昌全等[36]研究指出，連續(xù)8年免耕后，土壤全氮含量高達3.1 g/kg，有效磷和速效鉀含量分別提高了95.8%、61.0%。然而賈鳳梅等[37]卻研究發(fā)現(xiàn)，免耕處理土壤有機碳、全氮、有效磷、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量低于翻耕處理，土壤全磷含量差異不顯著。也有研究指出，不同土壤質地和時間年限下，免耕對土壤有效磷和速效鉀的影響程度會出現(xiàn)差異;就黏土而言，連續(xù)免耕增加了各土層有效磷含量，免耕1年后速效鉀含量增加12%，免耕2年后速效鉀含量則下降16%～33%;中壤土免耕后，各土層有效磷含量逐年下降，而速效鉀含量呈現(xiàn)上升趨勢，免耕1年后增幅0.6%～33%，免耕2年后增幅3%～18%[38]。由以上結果可看出，免耕對土壤養(yǎng)分的影響效應不同研究之間存在差異，可能受到了多種環(huán)境條件的制約。

3 免耕對土壤生物性狀的影響

土壤微生物是土壤的重要組成部分，參與土壤養(yǎng)分循環(huán)，對維持土壤生產力具有重要作用。免耕具有顯著增加土壤微生物量的作用[39]。潘孝晨等[40]研究指出，相較于翻耕和旋耕，免耕處理增加了土壤微生物生物量碳、氮含量以及土壤微生物多樣性。免耕對土壤微生物的影響會因為環(huán)境條件變化以及免耕年限不同而有所差異。肖美佳等[39]通過Meta分析指出，我國農業(yè)區(qū)免耕對土壤微生物量碳的影響作用具有區(qū)域性差異，原因在于不同區(qū)域溫度與降水量不同;免耕對土壤微生物量碳的增加效應隨著年降水量和年均溫度的增加而增加，且以年降水量>800 mm，年均溫度>15 ℃時最為顯著;同時還指出，免耕年限顯著影響土壤微生物碳含量，且以免耕年限≥8年效果最佳。此外，免耕對土壤微生物的影響作用因土層深度不同而不同?？追怖诘萚41]研究指出，華北平原小麥—玉米輪作區(qū)，免耕處理微生物量碳隨土壤層次減少而顯著降低，同時指出，在小麥生育期間，0～20 cm土層微生物量碳穩(wěn)定性表現(xiàn)為翻耕>旋耕>免耕，20～30 cm土層微生物量碳穩(wěn)定性表現(xiàn)為免耕>翻耕>旋耕。張明園等[42]研究結果與之類似，0～5 cm土層微生物量碳以免耕最高，翻耕最低;5～10 cm土層翻耕與旋耕之間無差異，免耕最低;10～20 cm土層以翻耕最高，免耕最低;20～30 cm各耕作處理下微生物量碳均比較低，其中以免耕最低。

4 免耕對作物產量的影響

關于免耕對作物產量的影響在不同研究中存在爭議[43]。有研究認為，免耕能提高作物干物質積累量，加快籽粒灌漿速率，改善產量構成因素，從而增加作物產量[44-45]。金亞征等[46]通過連續(xù)5年定位試驗指出，在華北平原小麥—玉米輪作區(qū)，小麥季免耕較旋耕與翻耕增加了玉米吐絲前后干物質積累，提高了玉米吐絲后光合勢和凈同化率，從而增加了夏玉米產量。類似的長期定位試驗（14年）結果顯示，該地區(qū)免耕覆蓋條件下，小麥產量平均增加12.43%，玉米產量平均增加24.02%，而小麥—玉米周年產量平均增加18.50%[45]。在黃土高原區(qū)，與傳統(tǒng)翻耕相比，免耕處理提高了小麥葉片光合速率、蒸騰速率、氣孔導度、花后光合物質同化量對籽粒產量貢獻率，增幅分別為12%、4.7%、2.7%、41.7%，從而增加了小麥產量。也有研究指出，與傳統(tǒng)翻耕相比，免耕對產量無明顯影響[43，47]。同時有研究認為免耕降低了作物產量[43，48]。呂秋爽等[7]通過整合分析指出，免耕條件下，玉米根系生物量、生物量密度和比根長無顯著變化，然而玉米根長、根長密度和根表面積顯著降低，降幅分別為13.8%、15.7%和22.8%，且玉米產量顯著降低，降幅為8.4%。在西北旱作區(qū)，與傳統(tǒng)耕作相比，免耕處理春小麥產量降低了9.62%，但免耕+秸稈覆蓋處理增加了春小麥產量，增幅為9.33%，原因在于免耕配合秸稈覆蓋能夠改善土壤水分狀況和養(yǎng)分空間分布，從而促進植株的生長發(fā)育。劉世舉等[49]的研究結果與之類似，在西北旱作區(qū)9年田間定位試驗的結果顯示，免耕較翻耕降低冬小麥產量的幅度為7.6%。為明確免耕對產量的影響效應，張雄智等[50]基于1995—2019年公開發(fā)表的文獻，收集并綜合分析了1 162對研究數據，結果顯示，在我國免耕較翻耕表現(xiàn)出增產的試驗占比42.70%，且免耕對產量的影響與平均氣溫呈極顯著正相關。免耕對作物產量的影響效應之所以呈現(xiàn)非常大的差異性，可能是因為受到了環(huán)境條件和實施年限的影響。研究表明，干燥指數是影響產量對免耕響應程度的最重要因素[43，51]。在干燥指數較低時（半干旱環(huán)境），免耕條件下產量一般高于傳統(tǒng)翻耕[43，52-53]，但在濕潤氣候條件下，傳統(tǒng)翻耕方式產量則高于免耕[43，54]。同時產量對免耕的響應程度也取決于作物種類[43]。研究中還存在這樣的觀點：免耕的影響作用會隨著時間變化，即實施免耕產生的負面影響是一種短期反應，會隨著時間的推移而衰弱或消失[55]，其優(yōu)越性的體現(xiàn)一般需要5年時間[56]。

5 結論與展望

免耕對土壤理化生物性狀以及作物產量具有明顯的影響。相對于傳統(tǒng)翻耕，免耕能夠增加土壤團聚體含量、土壤含水量和貯水量，表層土壤有機碳含量以及微生物含量。但免耕對土壤容重、土壤氮磷鉀養(yǎng)分含量以及作物產量的影響效應在不同的研究條件下，如不同地區(qū)、不同作物種類，存在很大差異，需要更加綜合系統(tǒng)的研究進一步明確免耕的影響效應。在未來研究中，應建立長期定位田間試驗，綜合考慮各項影響因素，評價免耕的效用，以確定免耕最適合的推廣應用區(qū)域。此外，免耕還應與其他耕作方式，以及相關的農業(yè)管理措施有機結合起來，揚長避短，最大限度地發(fā)揮免耕的正效應。

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