長(zhǎng)期間作及免耕對(duì)土壤物理性狀及作物產(chǎn)量的影響

劉 敏，趙 財(cái)，范 虹，殷 文，樊志龍，胡發(fā)龍，孫亞斌

（省部共建干旱生境作物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，蘭州 730070）

0 引言

河西綠洲灌區(qū)光熱充沛，但降雨稀少，潛在蒸發(fā)大，資源性水資源短缺是限制農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要因素。地膜覆蓋是該地區(qū)節(jié)水的重要農(nóng)藝措施，但傳統(tǒng)覆膜方式是作物收獲后進(jìn)行地膜回收翻耕，翌年播種時(shí)覆蓋新膜，地膜的大量投入造成土壤地膜殘留、土地質(zhì)量下降，同時(shí)長(zhǎng)期頻繁地犁翻土壤導(dǎo)致表層土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性下降，加劇農(nóng)田表層土壤的流失和養(yǎng)分損失[1]。因此，傳統(tǒng)覆膜耕作方式亟需改良。

良好的土壤物理結(jié)構(gòu)有利于作物根系生長(zhǎng)，也是作物實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的基礎(chǔ)。研究發(fā)現(xiàn)，1～2 mm粒徑團(tuán)聚體土壤不僅有利于大豆發(fā)芽出苗，而且顯著增加冠部干重、苗高及葉面積[2]，在生產(chǎn)上可以通過免耕增加土壤小粒徑團(tuán)聚體數(shù)量和比例。李海潮等[3]研究發(fā)現(xiàn)不同容重的土壤，隨土壤容重增大玉米根系生長(zhǎng)受阻、氣生根數(shù)減少，根系衰老的速率加快；同時(shí)土壤容重對(duì)土壤調(diào)節(jié)水、氣、熱能力存在影響，通過提高土壤的自動(dòng)調(diào)節(jié)能力可以使土壤肥力水平得以提高并滿足植物對(duì)生長(zhǎng)因子的持續(xù)需求[4]。研究表明免耕有利于增加土壤大團(tuán)聚體含量、大孔隙數(shù)量[5]，并在增加土壤有機(jī)質(zhì)、土壤持水性和通透性等方面具有明顯效果[6]。目前，舊膜的循環(huán)再利用與免耕有機(jī)結(jié)合形成的覆膜免耕技術(shù)，在玉米、小麥、胡麻、馬鈴薯等多種作物生產(chǎn)中應(yīng)用[7-10]。同時(shí)研究發(fā)現(xiàn)，舊膜再利用較不覆膜種植具有一定的增溫保墑效果[11]，增產(chǎn)效果顯著，并減少了地膜和田間作業(yè)投入。而間作是一種基于生態(tài)多樣性，提高土地利用率和作物產(chǎn)量[12]，實(shí)現(xiàn)資源高效利用和低碳農(nóng)業(yè)協(xié)調(diào)發(fā)展[13]的重要農(nóng)作措施。研究發(fā)現(xiàn)，間作可以增加土壤大顆粒團(tuán)聚體的比例并提高其有機(jī)碳含量[14]；玉米間作豌豆種植模式不僅可以提高豆科作物的固氮能力[15]，還可以改善間作土壤養(yǎng)分，并顯著提高作物氮素利用效率和作物產(chǎn)量[16]。因此，通過長(zhǎng)期定位試驗(yàn)，檢測(cè)土壤團(tuán)聚體含量、土壤容重、孔隙度等土壤物理性狀指標(biāo)，探明覆膜免耕和間作嵌套的種植模式對(duì)土壤的物理性質(zhì)的影響，對(duì)光熱資源一熟有余、兩熟不足的河西灌區(qū)發(fā)展多熟種植具有重要意義。

為此，本研究借助2013年在河西綠洲灌區(qū)布設(shè)的長(zhǎng)期保護(hù)性耕作定位試驗(yàn)，通過分析不同耕作措施和種植模式對(duì)農(nóng)田主要土壤物理指標(biāo)及產(chǎn)量的影響，旨在探索實(shí)現(xiàn)干旱區(qū)綠洲資源高效利用、提升綠洲灌區(qū)農(nóng)田土壤物理特性和地膜減投的高效農(nóng)作措施，為該區(qū)域農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供理論指導(dǎo)和實(shí)踐依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)地點(diǎn)位于甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)綠洲農(nóng)業(yè)科研教學(xué)基地（37°31′N，103°50′E，海拔 1506 m），年平均氣溫7.5℃，常年降雨量156 mm，年蒸發(fā)量2400 mm，全年平均日照時(shí)數(shù)2700～3030 h，無霜期約155天。試驗(yàn)區(qū)土壤為灌漠土，該區(qū)光照充足，適合發(fā)展間作，玉米間作豌豆是該地區(qū)主要的間作種植模式。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2013—2020年進(jìn)行，設(shè)置傳統(tǒng)覆膜耕作(CT)、覆膜免耕(NT)2個(gè)主處理，單作豌豆(P)、單作玉米(M)、玉米間作豌豆(M//P)3個(gè)副處理。每個(gè)處理設(shè)3次重復(fù)，小區(qū)面積為5.5 m×8 m=44 m2，試驗(yàn)處理及代碼如表1所示。其中：傳統(tǒng)覆膜耕作(CT)是指玉米收獲后進(jìn)行殘留地膜回收再翻耕，翌年播種時(shí)旋耕耙耱后再覆蓋新膜；覆膜免耕(NT)，前茬玉米覆膜收獲后免耕，次年直接在舊膜上播種玉米。單作玉米(M)、豌豆(P)的種植密度為9萬株/hm2和80萬株/hm2，行距為40、20 cm。玉米與豌豆間作模式(M//P)采用4:3種植，玉米行距40 cm，豌豆行距20 cm，玉米與豌豆間距25 cm，其中玉米密度為5.2萬株/hm2，豌豆密度為76萬株/hm2。

表1 試驗(yàn)處理及代碼

供試玉米(Zea mays L.)品種為‘先玉335’，豌豆(Pisum sativum L.)品種為‘隴豌1號(hào)’。灌溉及施肥制度與當(dāng)?shù)馗弋a(chǎn)田保持一致，灌溉定額4650 m3/hm2；玉米總施氮量為360 kg/hm2，豌豆總施氮量為135 kg/hm2，磷肥按照N:P為2:1的比例全部作為基肥施用。

1.3 測(cè)定指標(biāo)和計(jì)算方法

1.3.1 土壤團(tuán)聚體組成 分別于2019年9月20日和2020年9月23日，在玉米收獲后取0～30 cm土層土壤樣品，每10 cm為一層，每個(gè)處理3次重復(fù)，其中間作種植處理取樣時(shí)，在玉米帶和豌豆帶分別隨機(jī)采集2點(diǎn)，混合為1個(gè)土樣。土壤團(tuán)聚體采用濕篩法進(jìn)行測(cè)定，將樣品放置于孔徑自上而下為2、1、0.5、0.25 mm的各級(jí)套篩之上，進(jìn)行振蕩篩分5 min（30次/min），最后將各級(jí)篩層團(tuán)聚體洗入鋁盒中，烘干稱重，根據(jù)公式(1)計(jì)算所得各粒徑團(tuán)聚體質(zhì)量百分比[17]。

式中Ai為某粒級(jí)團(tuán)聚體的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)(%)；Gi為該粒級(jí)團(tuán)聚體的烘干質(zhì)量(g)；MT為團(tuán)聚體總質(zhì)量(g)。

1.3.2 土壤團(tuán)聚體平均重量直徑(MWD)根據(jù)式(2)計(jì)算土壤團(tuán)聚體平均重量直徑[18]。

1.3.3 土壤容重和孔隙度 采用環(huán)刀法，分別對(duì)土層深度為0～10、10～20、20～30 cm的容重進(jìn)行測(cè)定，各層次3次重復(fù)，取樣時(shí)間與團(tuán)聚體取樣時(shí)間相同。根據(jù)式(3)計(jì)算容重[19]，式(4)為土壤總孔隙度的計(jì)算方法。

式中，pd為某層土壤的容重(g/cm3)；M為質(zhì)量(g)；V為單位體積(cm3)。

其中土壤比重近似2.65 g/cm3。

1.3.4 產(chǎn)量 測(cè)產(chǎn)以小區(qū)為單位，單打單收，自然風(fēng)干后稱重，用水分儀測(cè)定水分后，按13%含水量折合成公頃產(chǎn)量。

1.4 數(shù)據(jù)分析

所有數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2019和SPSS 19.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行整理與統(tǒng)計(jì)分析，處理間的顯著性檢驗(yàn)采用Duncan法(α=0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同耕作和種植模式下土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量的構(gòu)成

耕作措施和種植模式及二者交互作用對(duì)土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量有顯著影響（圖1）。覆膜免耕處理(NT)較傳統(tǒng)耕作處理(CT)顯著增加了≥0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量，2年中各土層中水穩(wěn)性大團(tuán)聚體的含量NT較CT增加了2.02%～7.76%。說明覆膜免耕對(duì)耕層土壤的擾動(dòng)小，減少了土壤機(jī)械破壞造成土壤團(tuán)聚體破碎，從而增加了土壤大團(tuán)聚體的含量，進(jìn)而改善土壤物理結(jié)構(gòu)。間作種植處理(M//P)下大團(tuán)聚體含量顯著高于單作，NTM//P分別較NTP和NTM增加12.60%～20.11%和7.05%～9.03%；CTM//P分別較CTP和CTM增加14.48%～19.28%和8.94%～11.55%；且NTM//P與CTM//P差異顯著，NTM//P較CTM//P增加了2.20%～5.80%。說明覆膜免耕間作種植模式有利于大團(tuán)聚體的形成。

圖1 不同耕作措施和種植模式下農(nóng)田土壤團(tuán)聚體組成

2.2 不同耕作和種植模式對(duì)土壤團(tuán)聚體平均重量直徑(MWD)的影響

耕作措施和種植模式對(duì)土壤團(tuán)聚體平均重量直徑(MWD)有顯著影響，且兩者的交互作用僅對(duì)0～10 cm土層的MWD影響顯著（表2）。2個(gè)試驗(yàn)?zāi)甓戎校魈幚淼腗WD值均呈現(xiàn)均隨著土層深度增加而降低的趨勢(shì)。覆膜免耕處理較傳統(tǒng)耕作處理顯著提升了土壤團(tuán)聚體平均重量直徑，NT較CT在各土層中MWD值提升了2.42%～4.14%。說明覆膜免耕有利于提高團(tuán)聚體的團(tuán)聚度，增強(qiáng)團(tuán)聚體的穩(wěn)定性。間作種植處理下MWD值顯著高于單作，其中NTM//P分別較NTP和NTM增加9.72%～12.29%和5.76%～8.00%；CTM//P分別較CTP和CTM增加9.62%～12.44%和4.01%～7.57%；且NTM//P與CTM//P在0～10 cm土層間差異顯著，NTM//P較CTM//P增加了1.63%～4.64%。說明覆膜免耕間作種植模式有利于表層大團(tuán)聚體的形成并提高其穩(wěn)定性。

表2 不同耕作措施和種植模式下土壤不同深度團(tuán)聚體幾何平均直徑 mm

2.3 不同耕作和種植模式對(duì)土壤容重的影響

耕作措施和種植模式對(duì)土壤容重有顯著影響，而二者互作效應(yīng)對(duì)其影響不顯著（圖2）。2個(gè)試驗(yàn)?zāi)甓戎?，各處理土壤容重均隨土層深度的增加而升高，覆膜免耕處理(NT)較傳統(tǒng)耕作處理(CT)顯著降低了0～30 cm土層土壤容重，2年中各個(gè)土層土壤容重NT較CT分別降低了1.31%、1.32%和1.57%。說明經(jīng)過2年的免耕土壤緊實(shí)度下降，相比長(zhǎng)期傳統(tǒng)覆膜翻耕處理，免耕減小了機(jī)械對(duì)土壤的擾動(dòng)和壓實(shí)作用，有利于土壤結(jié)構(gòu)體的穩(wěn)步發(fā)育。玉米間作豌豆處理下土壤容重顯著低于單作種植模式，其中NTM//P分別較NTP和NTM土壤容重降低1.34%～4.49%和2.00%～3.25%；CTM//P分別較CTP和CTM降低1.27%～3.92%和1.37%～3.89%。說明間作種植模式較單作能有效降低土壤容重。

圖2 不同耕作措施和種植模式下不同深度土壤容重

2.4 不同耕作和種植模式對(duì)土壤孔隙度的影響

耕作措施與種植模式對(duì)土壤孔隙度有顯著影響，耕作措施×種植模式互作效應(yīng)對(duì)其影響不顯著（表3）。2個(gè)試驗(yàn)?zāi)甓戎懈魈幚硗寥揽紫抖染S土層深度的增加而減小，在0～30 cm土層中覆膜免耕處理(NT)與傳統(tǒng)耕作處理(CT)間差異顯著，NT較CT土壤孔隙度增加了1.97%、2.10%、2.28%。說明免耕可以在一定程度上增加土壤的通透性，形成較疏松多孔的土壤結(jié)構(gòu)。玉米間作豌豆處理下土壤孔隙度顯著高于單作種植模式，其中NTM//P分別較NTP和NTM土壤孔隙度增加3.79%～6.44%和2.01%～4.20%；CTM//P分別較CTP和CTM提高低3.12%～4.74%和1.39%～3.26%。說明間作模式能提高土壤總孔隙度，增加土壤的透水透氣性。

表3 不同耕作措施和種植模式下不同深度土壤孔隙度 %

2.5 不同耕作和種植模式對(duì)作物產(chǎn)量的影響

種植模式顯著影響玉米籽粒產(chǎn)量，耕作措施、耕作措施×種植模式的互作效應(yīng)對(duì)玉米籽粒產(chǎn)量的影響不顯著（表4）。在同一耕作處理下，玉米籽粒產(chǎn)量在單作、間作兩種不同種植模式間差異顯著。覆膜免耕(NT)處理下，單位面積間作玉米籽粒產(chǎn)量較單作玉米顯著增產(chǎn)31.92%～33.38%；傳統(tǒng)耕作處理(CT)下，單位面積間作玉米籽粒產(chǎn)量較單作玉米顯著增產(chǎn)29.41%～31.68%。說明一膜兩年用玉米產(chǎn)量與傳統(tǒng)覆膜相當(dāng)，同時(shí)玉米間作豌豆模式有利于提高玉米的籽粒產(chǎn)量。

表4 不同耕作措施和種植模式下作物產(chǎn)量 kg/hm2

3 結(jié)論

與傳統(tǒng)覆膜相比，NT顯著增加了0～30 cm土層水穩(wěn)性大團(tuán)聚體含量與土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性，并降低了耕層的土壤容重，增加了表層土壤的通透性；在覆膜免耕條件下，M//P處理下≥0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量、MWD值以及土壤孔隙度顯著高于單作，更能有效改善土壤結(jié)構(gòu)。本試驗(yàn)中，覆膜免耕玉米產(chǎn)量與傳統(tǒng)覆膜相當(dāng)，而種植模式對(duì)玉米籽粒產(chǎn)量有顯著影響，單位面積間作玉米籽粒產(chǎn)量在兩種耕作措施下分別較單作玉米增加29.41%～31.68%、31.92%～33.38%。因此，覆膜免耕方式下禾豆間作種植模式是該區(qū)域改善農(nóng)田土壤物理特性、提高作物產(chǎn)量、實(shí)現(xiàn)資源高效利用的有效農(nóng)作措施。

4 討論

土壤團(tuán)聚體是土壤結(jié)構(gòu)構(gòu)成的基礎(chǔ)，影響土壤的各種理化性質(zhì)，其含量與穩(wěn)定性是衡量土體安全、土壤肥沃的評(píng)價(jià)指標(biāo)之一[20]，并且與土壤的通透性、透水性以及養(yǎng)分儲(chǔ)存等能力有密切關(guān)系[21]。MWD是反映土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的常用指標(biāo)，其值越大，表示團(tuán)聚體的平均粒徑團(tuán)聚度越高，穩(wěn)定性越強(qiáng)[22]。武均等[23]研究發(fā)現(xiàn)，較傳統(tǒng)耕作相比，免耕在一定程度上可以提高＞0.25 mm團(tuán)聚體含量；何如等[24]研究發(fā)現(xiàn)，相比與免耕處理，傳統(tǒng)耕作處理下＞0.25 mm團(tuán)聚體含量降低了2.20%～9.10%。本研究得出相似結(jié)論，在0～30 cm土層≥0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量在NT與CT處理間存顯著差異，NT較CT≥0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量提高2.02%～7.76%；同時(shí)在NT處理下，不同種植模式間存在顯著差異，M//P分別較P、M水穩(wěn)性大團(tuán)聚體含量增加12.60%～20.11%和7.05%～11.55%，原因是傳統(tǒng)耕作覆膜方式在播種時(shí)對(duì)土壤進(jìn)行旋耕，導(dǎo)致團(tuán)聚體被擠壓破碎，耕層內(nèi)的有機(jī)質(zhì)礦化分解加快、有機(jī)和礦質(zhì)復(fù)合結(jié)合膠體含量減少，導(dǎo)致土粒之間的粘結(jié)力下降，影響了團(tuán)粒結(jié)構(gòu)體的形成[25]。而間作增加土壤團(tuán)聚體含量的原因可能是不同作物間根系對(duì)土粒的纏繞起到成型動(dòng)力的作用，提高了根系分泌物含量，真菌菌絲和植物根系分泌多糖及其他復(fù)合物增加，土壤中微生物的活性增強(qiáng)，微團(tuán)聚體與土壤顆粒的黏合作用加強(qiáng)，促進(jìn)微團(tuán)聚體向大顆粒團(tuán)聚體轉(zhuǎn)化[26]。另有研究結(jié)果表明免耕和間作模式可提高水穩(wěn)性團(tuán)聚體的平均重量直徑[27-28]，本研究得出相似結(jié)果，NT可以顯著增加直徑≥0.25 mm團(tuán)聚體平均重量直徑，且在免耕處理下，間作處理的MWD值顯著高于其他處理，分別較P、M增加6.95%、12.07%。這可能是因?yàn)閭鹘y(tǒng)春播深翻加劇了對(duì)耕層土壤結(jié)構(gòu)的擾動(dòng)，致使土壤團(tuán)聚體的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了重新分布，降低了土壤進(jìn)行自身調(diào)節(jié)和自我恢復(fù)的能力，從而破壞了土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性[29]；而間作作物根系較為發(fā)達(dá)，通過不同作物的根系纏繞和固結(jié)作用使土壤更容易形成較大粒級(jí)的團(tuán)聚體，進(jìn)而增加土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性[30]。因此在覆膜免耕的基礎(chǔ)上，采用玉米間作豌豆種植模式能夠有效增加水穩(wěn)性大團(tuán)聚體的含量，并提升土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性。

土壤孔隙度以及土壤容重是反映土壤緊實(shí)、充氣狀況和土壤物理質(zhì)量的重要指標(biāo)[31]。謝軍紅等[32]通過全膜雙壟溝播玉米耕作定位試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，免耕較傳統(tǒng)耕作可以顯著降低土壤容重，同時(shí)將土壤孔隙度增加3.06%。本試驗(yàn)得到相似結(jié)論，NT較CT作顯著降低了0～30 cm土層的土壤容重，顯著提高了0～30 cm土層土壤總孔隙度。2年間M//P分別較P、M土壤容重降低了2.97%、1.98%，土壤孔隙度增加了4.50%、2.98%。其影響原因可能是每年的深翻耕對(duì)地表土壤結(jié)構(gòu)造成了破壞，同時(shí)，在作物的生育期土壤經(jīng)過不斷堵塞大孔隙度從而使地表容重增大[33]。而免耕避免了機(jī)具壓實(shí)土壤，土壤中微生物的活性增強(qiáng)，有利于形成良好的土體結(jié)構(gòu)，致使土壤有效毛細(xì)管增多，且孔隙連續(xù)性改善，從而在一定程度上降低了土壤容重，增加了土壤孔隙度，有利于水分的快速移動(dòng)和土壤氣體交換。不同種植模式下作物種類不同，其從土壤中吸收的營(yíng)養(yǎng)與水分也有差異，形成了不同的土壤環(huán)境，因而造成土壤容重、總孔隙度發(fā)生變化[34]。

本研究中，免耕覆膜耕作玉米產(chǎn)量與傳統(tǒng)耕作覆膜相當(dāng)，種植模式對(duì)玉米籽粒產(chǎn)量有顯著影響，單位面積間作玉米籽粒產(chǎn)量在兩種耕作措施下分別較單作玉米增加29.41%～31.68%、31.92%～33.38%，這與前人研究結(jié)果相似。張展軍等[35]研究表明，當(dāng)種植密度一致時(shí)，免耕一膜兩年用和傳統(tǒng)耕作一樣，擁有相同的密植增產(chǎn)潛力和水分利用效率。覆膜免耕和間作嵌套的種植模式對(duì)作物產(chǎn)量的影響可能是通過改變土壤物理環(huán)境實(shí)現(xiàn)，覆膜免耕條件下土壤緊實(shí)度下降，減小了機(jī)械對(duì)土壤的擾動(dòng)和壓實(shí)作用，有利于土壤結(jié)構(gòu)體的穩(wěn)步發(fā)育，同時(shí)間作模式通過增加了不同作物間根系的交互作用，較單作更有利于形成較疏松多孔的土壤結(jié)構(gòu)。土壤物理?xiàng)l件的改變會(huì)影響熱、氣、水和養(yǎng)分在土壤中的含量和移動(dòng)，進(jìn)而影響植物的根系生長(zhǎng)發(fā)育，進(jìn)而影響植物地上部分生長(zhǎng)和植物生物量形成[36-37]。