不同冬耕模式對紅壤坡耕地土壤理化性質(zhì)、花生產(chǎn)量及經(jīng)濟效益的影響

黃尚書，何紹浪，王斌強，王馨悅，周琦娜，鐘義軍

(1.江西省紅壤研究所/國家紅壤改良工程技術(shù)研究中心,江西 南昌 331717； 2.江西農(nóng)業(yè)大學 國土資源與環(huán)境學院,江西 南昌 330045)

0 引 言

耕地是糧食生產(chǎn)的根本和載體。近年來，在我國糧食連年豐產(chǎn)的同時，耕地資源環(huán)境面臨著多重挑戰(zhàn)，耕地質(zhì)量退化嚴重，嚴重制約了我國農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展?？茖W推進耕地輪作休耕制度，提升耕地綜合生產(chǎn)能力，是探索藏糧于地、藏糧于技的具體實現(xiàn)途徑，對推動我國農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展和保障國家糧食安全具有重要戰(zhàn)略意義[1-2]。冬耕指在冬季翻松土地的活動，有關(guān)學者對水稻土的研究表明，冬耕翻耕可改善稻田土壤理化性質(zhì)，促進水稻植株對土壤鉀素的吸收，并提高水稻產(chǎn)量[3-5]；石愷等[6]對西南紫色土的研究發(fā)現(xiàn)，冬耕處理提高了玉米水分利用效率和出苗率，利于植株生長，實現(xiàn)增產(chǎn)增效；孟凡武等[7]在山東淋溶褐土的研究表明，冬耕能夠達到集蓄冬季雨雪、緩解春季干旱、提高煙葉產(chǎn)量和質(zhì)量的目的。根據(jù)相關(guān)研究結(jié)果及傳統(tǒng)種植經(jīng)驗，相關(guān)學者在山東省、江蘇省等提出了以冬耕技術(shù)為核心的作物(花生、玉米、棉花等)種植術(shù)規(guī)程[8-10]，為指導(dǎo)區(qū)域?qū)嵤┒按龠M作物增產(chǎn)提供了技術(shù)支撐。然而，冬耕對紅壤坡耕地土壤質(zhì)量、作物生長及產(chǎn)量的影響研究相對匱乏；同時，由于紅壤坡耕地經(jīng)濟收益低，農(nóng)民利用紅壤坡耕地種植作物的積極性不高，連年冬耕的制度也面臨巨大挑戰(zhàn)。顯然，新形勢下研究紅壤坡耕地不同冬耕模式對土壤理化性質(zhì)及花生產(chǎn)量的影響，對于正確認識紅壤坡耕地冬耕的重要性，制定區(qū)域合理的冬耕制度并進行推廣等方面具有重要的理論和實踐意義。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗地位于江西省紅壤研究所內(nèi)(28°15′30″N，116°20′24″E)，氣候溫和、雨量豐富、日照充足、無霜期長，屬中亞熱帶季風氣候，年均降雨量1 537 mm，年蒸發(fā)量1 100～1 200 mm；區(qū)域有明顯雨旱兩季，3～6月為雨季，降雨量占全年雨量61%～69%；7～9月為旱季，蒸發(fā)量占全年蒸發(fā)量的40%～59%；年均氣溫17.7 ℃～18.5 ℃，最冷月(1月)平均氣溫為4.6 ℃；最熱月(7月)平均氣溫一般在28.0 ℃～29.8 ℃。地形為典型低丘，坡度為4°，土壤為第四紀黏土母質(zhì)發(fā)育的紅壤，試驗前基礎(chǔ)土壤理化性質(zhì)見表1。

表1 試驗前基礎(chǔ)土壤理化性質(zhì)

1.2 試驗設(shè)計

試驗始于2017年冬季，選擇基礎(chǔ)肥力、地形條件一致的紅壤坡耕地作為試驗地，采用單因素隨機區(qū)組設(shè)計，設(shè)置連年冬耕(CK)、隔年冬耕(T1)和不冬耕(T2)3個冬耕模式，各冬耕模式周年冬耕次序如下：

CK：冬耕(2017年)→冬耕(2018年)→冬耕(2019年)；

T1：冬耕(2017年)→不冬耕(2018年)→冬耕(2019年)；

T2：不冬耕(2017年)→不冬耕(2018年)→不冬耕(2019年)。

冬耕采用東方紅LX754拖拉機配套鏵式犁，翻耕深度為20 cm左右，為方便播種前土壤容重和水分含量的調(diào)查，在冬耕后旋耕2次，旋耕深度為15 cm左右，冬耕時間為每年12月下旬冬至前。每個處理重復(fù)3次，共9個試驗小區(qū)，小區(qū)面積為100 m2(5 m×20 m)，在試驗地周圍設(shè)置1.5 m寬的保護行。供試作物為進賢當?shù)匦×；ㄉ?，播種時間為4月上旬，播種前15天左右試驗小區(qū)旋耕2次，旋耕深度為15 cm，開溝播種，行株距為33 cm×15 cm。各處理化肥施用量均為當?shù)爻Ｒ?guī)施肥水平(N 118.3 kg·hm-2、P2O545 kg·hm-2、K2O 180 kg·hm-2)，打藥、除草等按當?shù)爻Ｒ?guī)管理方式進行并保證各試驗小區(qū)基本一致，每年8月上旬花生成熟后統(tǒng)一收獲。

1.3 觀測指標及方法

花生播種旋耕前土壤容重和體積含水量：于2018年和2019年花生播種旋耕前采用環(huán)刀法測定0～10 cm和10～20 cm土壤容重，采用托普TZS土壤墑情速測儀測定0～10 cm和10～20 cm土壤體積含水量。花生收獲期土壤養(yǎng)分含量：于花生收獲前(2020年8月10日)各試驗小區(qū)采集0～10 cm和10～20 cm土層混合土樣，用5點取樣法采集混合土樣。土樣在室內(nèi)自然風干，除去植物根系、雜物等，研磨過2 mm、0.25 mm篩，裝瓶用于土壤有機質(zhì)、堿解氮、有效磷及速效鉀含量的測定，具體測定方法見參考文獻[11]。花生出苗率及產(chǎn)量：花生播種15天后，統(tǒng)計各試驗小區(qū)的出苗率；花生收獲期收獲各試驗小區(qū)花生莢果，曬干、稱重，統(tǒng)計產(chǎn)量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

利用Excel 2007對試驗數(shù)據(jù)進行初步統(tǒng)計分析，作圖由Origin 8.1軟件完成，利用SPSS 18.0軟件對土壤理化性質(zhì)、花生產(chǎn)量及出苗率進行Pearson方差分析和指標間相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對花生播種旋耕前土壤容重和水分含量的影響

由表2可知，不同處理對花生播種前0～10 cm和10～20 cm土層土壤容重均有顯著影響(P<0.05)。其中：2018年，與CK處理相比，T2處理顯著增加了0～10 cm和10～20 cm土層土壤容重(P<0.05)，增幅分別為7.29%和13.4%；2019年，與CK相比，T1和T2處理顯著增加了0～10 cm和10～20 cm土層土壤容重，增幅為4.06%～16.7%。從土壤體積含水量來看，不同處理對花生播種前0～10 cm和10～20 cm土層土壤體積含水量存在顯著影響(P<0.05)。其中：2018年，與CK處理相比，T2處理顯著降低了0～10 cm和10～20 cm土層土壤體積含量(P<0.05)，降幅平均為21.5%；2019年，與CK相比，T1和T2處理顯著降低了0～10 cm和10～20 cm土層土壤體積含水量，降幅平均為20.7%。由此可見，紅壤坡耕地不冬耕可使來年作物播種前耕層土壤容重增加、土壤含水量降低。

表2 不同處理下花生播種旋耕前土壤容重和體積含水量

2.2 不同處理3年后對花生收獲期土壤養(yǎng)分的影響

如圖1所示，不同處理對0～10 cm土層土壤養(yǎng)分含量無顯著影響，而對10～20 cm土層土壤養(yǎng)分含量存在顯著影響(P<0.05)。與CK相比，T1處理顯著降低了10～20 cm土層土壤速效鉀含量(P<0.05)，降低8.48%；T2處理顯著降低了10～20 cm土層土壤有機質(zhì)、堿解氮和速效鉀含量，降幅分別為15.5%、18.8%和8.48%(P<0.05)。

注：CK代表冬耕，T1代表隔年冬耕，T2代表不冬耕。不同小寫字母表示同一土層不同處理間差異顯著(P<0.05)。下同。

2.3 不同處理對花生出苗率及產(chǎn)量的影響

不同處理對各年度花生出苗率均有顯著影響(P<0.05)。與CK相比，T2處理顯著降低了各年度花生出苗率(P<0.05)，降幅為6.44%～9.46%，而T1處理顯著降低了休耕年(2019年)花生出苗率(P<0.05)，降幅為6.16%。

分析各處理對花生產(chǎn)量的影響發(fā)現(xiàn)(圖3)，不同處理對各年度花生產(chǎn)量均有顯著影響(P<0.05)。與CK相比，T1處理使2019年花生產(chǎn)量顯著降低了16.5%(P<0.05)，T2處理顯著降低了2019和2020年花生產(chǎn)量(P<0.05，降幅平均為19.7%)。3年(2018～2020年)花生平均產(chǎn)量以CK最高(為2 974 kg·hm-2)，T1處理略有下降(2.90%)，T3處理降幅較大，為24.5%。

圖3 不同處理下花生產(chǎn)量

2.4 花生出苗率及產(chǎn)量與土壤理化性質(zhì)的相關(guān)性

表3是花生出苗率及產(chǎn)量與土壤理化性質(zhì)的相關(guān)性分析。其中：土壤容重和土壤體積含水量與花生出苗率及產(chǎn)量的相關(guān)性采用2018和2019年平均值進行分析，花生收獲期土壤養(yǎng)分含量與3年(2018～2020年)花生平均出苗率及產(chǎn)量進行相關(guān)性分析。結(jié)果表明，花生出苗率和產(chǎn)量與播種旋耕前0～20 cm土層土壤容重和體積含水量分別呈極顯著負相關(guān)和正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)；此外，花生產(chǎn)量還與土壤速效鉀含量(試驗結(jié)束時)呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)。

表3 花生產(chǎn)量與0～20 cm土層土壤理化性質(zhì)的相關(guān)性

2.5 不同處理下的經(jīng)濟效益分析

分析不同處理多年經(jīng)濟效益發(fā)現(xiàn)，不同處理3年經(jīng)濟效益以CK處理最好(表4)，純收益為26 655元·hm-2；T1處理次之，純收益為24 810元·hm-2，較CK降低6.90%；T2處理最差，純收益為15 075元·hm-2，較CK減少43.5%。

表4 不同處理下經(jīng)濟效益(2018～2020年)

3 討 論

本研究對2018和2019年花生播種前土壤容重和體積含水量的研究發(fā)現(xiàn)，冬耕可顯著降低土壤容重和提高土壤體積含水量，與相關(guān)研究[4,12]得出的旱地冬耕有利于保持土壤疏松并提高土壤保墑效果的結(jié)論基本一致。冬耕降低土壤容重的作用毋庸置疑，而其提高土壤持水性能的主要原因是：一是冬耕后有利于接蓄雨水，減少雨水地表徑流損失；二是冬耕可以切斷毛管孔隙并減少水分蒸發(fā)[13]。本研究還發(fā)現(xiàn)，花生收獲期(2020年)不同處理0～10 cm土層土壤養(yǎng)分含量差異不顯著，但10～20 cm土層土壤養(yǎng)分含量差異顯著，且均表現(xiàn)為連年冬耕和隔年冬耕處理顯著高于不冬耕處理，說明在紅壤坡耕地連年冬耕有利于耕層尤其是耕層中下層土壤養(yǎng)分的提高。這與冬耕為翻耕作業(yè)方式，有利于耕層上下層換位[14]，使土壤養(yǎng)分在耕層分布更為均勻有關(guān)。此外，冬耕有利于有機物料等混入土壤[15-16]，因而使0～10 cm土層土壤養(yǎng)分含量不會因為翻耕的均勻化作用而降低(甚至較不冬耕處理略有增加)。

各年度不同處理下花生出苗率均表現(xiàn)為冬耕處理(包括隔年冬耕處理中實施冬耕的年份)顯著高于不冬耕處理，原因在于冬耕后土壤疏松且水分含量較高，種子易與濕土接觸并被包圍，從而有利于花生種子萌發(fā)[6]。保證出苗率是提高花生產(chǎn)量的基礎(chǔ)，本研究中冬耕處理顯著提高了花生出苗率，這是冬耕處理可顯著提高花生產(chǎn)量的重要原因。相關(guān)性分析表明，花生出苗率及產(chǎn)量與播種旋耕前土壤容重和體積含量呈極顯著相關(guān)性，這說明土壤容重和水分含量首先影響花生出苗率，直接提高或降低花生產(chǎn)量；其次土壤理化性質(zhì)還通過影響花生生長發(fā)育而影響產(chǎn)量的形成，體現(xiàn)了土壤容重及體積含水量等土壤理化性對花生出苗率及產(chǎn)量形成的重要影響。土壤養(yǎng)分含量也是花生產(chǎn)量形成的重要因素，本研究中花生產(chǎn)量僅與土壤速效鉀含量呈極顯著相關(guān)性，可能是因為土壤速效鉀較其它養(yǎng)分更易受到冬耕等外在因素的影響而發(fā)生遷移[17]，造成冬耕對10～20 cm土壤速效鉀含量的影響最大。因而，本研究中僅體現(xiàn)了土壤速效鉀含量對花生產(chǎn)量形成的重要作用。

分析不同冬耕模式的經(jīng)濟效益發(fā)現(xiàn)，不同處理3年(2018～2020年)經(jīng)濟效益以連年冬耕處理較高，說明連年冬耕是紅壤坡耕地優(yōu)良的冬耕模式。此外，隔年冬耕處理3年經(jīng)濟效益比連年冬耕處理降低6.90%，經(jīng)濟效益降低幅度較小。因此本研究認為對條件較差區(qū)域(機具通過性差、勞動力不足等)的紅壤坡耕地可適當進行冬季休耕。

4 結(jié) 論

(1)與連年冬耕模式相比，冬季不進行耕翻顯著增加了花生播種前0～20 cm土層土壤容重(P<0.05)，并顯著降低了0～20 cm土層土壤水分含量(P<0.05)。不同冬耕模式通過影響花生播種旋耕前0～20 cm土壤容重和水分含量可影響花生出苗率和產(chǎn)量的形成。

(2)與連年冬耕模式相比，隔年冬耕對0～20 cm土層土壤養(yǎng)分的影響較小，僅降低了10～20 cm土層土壤速效鉀含量，而不冬耕模式顯著降低了10～20 cm土層土壤有機質(zhì)、堿解氮和速效鉀含量；不同冬耕模式主要改變了10～20 cm土層速效鉀含量進而影響了花生產(chǎn)量。

(3)從經(jīng)濟效益角度考慮，連年冬耕是紅壤坡耕地優(yōu)良的冬耕模式，隔年冬耕模式3年經(jīng)濟效益較連年冬耕略有降低(下降6.90%)；結(jié)合區(qū)域?qū)嶋H情況，部分紅壤坡耕地可適當進行冬季休耕。