耕作方式對麥–玉輪作農(nóng)田固碳、保水性能及產(chǎn)量的影響

馮倩倩，韓惠芳，張亞運(yùn)，許 菁，曹亞倩，王少博，寧堂原，李增嘉

（山東農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院/作物生物學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/土肥資源高效利用國家工程實(shí)驗(yàn)室，山東泰安 271018）

耕作是影響土壤生態(tài)環(huán)境最直接的途徑，合理的耕作措施可以協(xié)調(diào)土壤中水、肥、氣、熱間的關(guān)系[1]。不同耕作方式所作用的土壤深度及對土壤的擾動(dòng)強(qiáng)度不同，再加上耕作年限的差異，會造成不同土層有機(jī)碳含量不一。長期保護(hù)性耕作條件下，表土層有機(jī)碳含量整體逐漸上升，免耕覆蓋和深松覆蓋顯著 (P＜0.05) 提高了 0—10 cm 土層的有機(jī)碳含量及碳儲量[2]。較傳統(tǒng)耕作方式能通過改變土壤水分來影響農(nóng)業(yè)環(huán)境過程[3]，免耕可更有效地儲存水分[4–6]。免耕和秸稈覆蓋可減緩地表徑流，降低土壤水分蒸發(fā)；深松能打破土壤犁底層，增加土壤水分入滲，增強(qiáng)根系對深層土壤的利用，從而提高作物水分利用效率和產(chǎn)量[7–10]。梁金鳳等[11]研究表明深松耕作對表層土壤 (0—25 cm) 容重的降低作用大于深層土壤(25—45 cm)；對增加土壤含水量的作用，深層土壤大于表層土壤。多年的傳統(tǒng)翻耕造成土壤侵蝕加重和養(yǎng)分損失，不利于水分保持，因而少耕、免耕加秸稈覆蓋的保護(hù)性耕作措施越來越受到研究人員的關(guān)注。

黃淮海平原的麥–玉輪作體系，麥?zhǔn)蘸篼湶邕^高，實(shí)行免耕播種機(jī)鐵茬直播夏玉米是最主要的種植方式。近年來農(nóng)田耕層變淺、土壤水分入滲能力差等一系列問題開始顯現(xiàn)[1]。本試驗(yàn)基于連續(xù)12年(始于2002年) 保護(hù)性耕作長期定位試驗(yàn)，采用麥–玉輪作制度，在兩季秸稈全量粉碎 (3～5 cm) 還田條件下，于2014—2016年研究了4種耕作方式對耕層土壤有機(jī)碳和水分含量的影響，重點(diǎn)研究對土壤碳水含量和作物產(chǎn)量的影響，以期為改善農(nóng)田生產(chǎn)力提供新的方向。同時(shí),本研究也可為構(gòu)建黃淮海平原麥–玉輪作及其它作物高產(chǎn)栽培模式和通過深松優(yōu)化該地區(qū)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

試驗(yàn)基于山東省泰安市山東農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)實(shí)驗(yàn)站保護(hù)性耕作的長期定位試驗(yàn)，該定位試驗(yàn)始于2002年，試驗(yàn)時(shí)間為2014—2016年。試驗(yàn)地點(diǎn)位于北緯 36°10′、東經(jīng) 117°09′，地處黃淮海平原，屬于典型的溫帶大陸型季風(fēng)氣候。年均日照時(shí)數(shù)2462.3 h，年均氣溫13.6℃，年均降雨量786.3 mm。土壤類型為棕壤，耕層土壤有機(jī)碳含量為10.9 g/kg、全氮1.1 g/kg、有效磷 0.8 mg/kg、速效鉀 41.3 mg/kg、容重1.4 g/cm3、pH 7.1。2014—2016 年降水和氣溫變化如圖1所示。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用冬小麥–夏玉米一年兩熟周年輪耕種植模式，夏玉米品種為鄭單958，播種密度6.67萬株/hm2，冬小麥品種為濟(jì)麥22，播量為90.0 kg/hm2。試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，設(shè)置傳統(tǒng)翻耕 (CK)、深松、旋耕、免耕4種耕作措施，小區(qū)面積 60 m2(15 m × 4 m)，各處理三次重復(fù)。所有耕作處理在冬小麥播前進(jìn)行，玉米采用免耕直播，收獲后兩季秸稈全量粉碎(3～5 cm) 還田。各處理播前基施 N 225.0 kg/hm2、P2O5180.0 kg/hm2、K2O180.0 kg/hm2，在冬小麥播種后和拔節(jié)期澆水 60 mm，配合追施 N 100 kg/hm2。其中，2016年拔節(jié)期灌水時(shí)間為4月4日，由于降雨較少，灌漿期 (5月15日) 補(bǔ)灌水一次。

圖1 2014年10月至2016年9月日平均溫度和降水量Fig.1 Daily precipitation and average temperature from October 2014 to September 2016

1.3 樣品采集與測定

1.3.1 土壤樣品 分別于冬小麥返青期、拔節(jié)期、灌漿期、成熟期，夏玉米拔節(jié)期、開花期、灌漿期、成熟期，在0—10 cm和10—20 cm耕層，采用蛇形取樣法用土鉆隨機(jī)取五點(diǎn)土樣，混合均勻后帶回實(shí)驗(yàn)室，一部分鮮土采用烘干法測定土壤含水量，其余風(fēng)干后經(jīng)磨土、過篩，測定土壤有機(jī)碳[12]。

采用環(huán)刀法測定每次收獲期0—10 cm和10—20 cm土層容重，用于測定土壤碳水儲量，計(jì)算公式如下：

CS= C × ρ × D[13]

式中：CS為土壤碳儲量 (kg/m2)；C為土壤有機(jī)碳含量 (g/kg)；ρ 為土壤容重 (kg/m3)；D 為土層厚度 (m)。CW= 0.1 × ω × ρ × D[14]

式中：CW為土壤儲水量 (mm)；ω為土壤含水量 (%)；ρ 為土壤容重 (g/cm3)；D 為土層厚度 (mm)。

1.3.2 作物產(chǎn)量 收獲時(shí)小麥隨機(jī)取 1 m2、玉米按 10 m雙行進(jìn)行取樣測產(chǎn)，每個(gè)處理三次重復(fù)，計(jì)算穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒重 (小麥) 或百粒重 (玉米)。

等價(jià)產(chǎn)量是分析作物周年生產(chǎn)力的指標(biāo)，近年來多在間作、套作與輪作種植模式中得到應(yīng)用[15–17]。不同作物產(chǎn)生不同的經(jīng)濟(jì)效益，不同處理造成的產(chǎn)量差異使簡單的產(chǎn)量加和無法真正反映農(nóng)田的效益水平。因此，以一種基本農(nóng)作物產(chǎn)量為參照，根據(jù)農(nóng)產(chǎn)品價(jià)格關(guān)系轉(zhuǎn)化能更好地分析不同處理整體的生產(chǎn)力水平。該指標(biāo)參照Pradhan等[15]用玉米等價(jià)產(chǎn)量(MEY) 計(jì)算，小麥產(chǎn)量轉(zhuǎn)化為玉米產(chǎn)量的公式如下所示。小麥價(jià)格為2.4 yuan/kg，玉米價(jià)格為1.7 yuan/kg。

MEY (kg/hm2) = 小麥產(chǎn)量 (kg/hm2) × 小麥價(jià)格(yuan/kg)/玉米價(jià)格 (yuan/kg)

1.4 數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用 Origin 8.0、SPSS 19.0 和 Mircosoft Office Excel 2007 進(jìn)行處理與分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 耕作方式對麥–玉輪作農(nóng)田土壤有機(jī)碳含量的影響

2.1.1 0—10 cm 土層有機(jī)碳含量 由圖2可知，冬小麥–夏玉米周年0—10 cm土層有機(jī)碳含量的變化范圍在13.3～21.4 g/kg之間，在冬小麥返青期和夏玉米開花期土壤有機(jī)碳含量達(dá)到最高。除小麥季灌漿期外，深松處理土壤有機(jī)碳含量顯著高于其他耕作處理 (P＜0.05)；免耕處理土壤有機(jī)碳含量除拔節(jié)期外均高于傳統(tǒng)翻耕，灌漿至收獲期增高趨勢更明顯；旋耕在起身至灌漿期有機(jī)碳含量低于傳統(tǒng)翻耕，在成熟期高于傳統(tǒng)翻耕；傳統(tǒng)翻耕土壤有機(jī)碳含量隨生育期推進(jìn)逐漸降低，在成熟期降到最低值。傳統(tǒng)翻耕、深松、旋耕和免耕平均有機(jī)碳含量分別為15.4、17.9、15.2和16.2 g/kg，深松、旋耕、免耕分別比傳統(tǒng)翻耕提高了16.2%、–1.3%和5.2%。在玉米季，深松、免耕土壤有機(jī)碳含量顯著 (P ＜0.05) 高于傳統(tǒng)翻耕；旋耕在拔節(jié)和開花期有機(jī)碳含量顯著 (P＜0.05) 高于傳統(tǒng)翻耕，而在灌漿和成熟期與傳統(tǒng)翻耕沒有顯著性 (P＜0.05) 差異。傳統(tǒng)翻耕、深松、旋耕和免耕平均有機(jī)碳含量分別為15.0、18.4、15.4和16.8 g/kg，深松、旋耕、免耕分別比傳統(tǒng)翻耕提高了22.7%、2.7%和12.0%。

圖2 0—10 cm土層有機(jī)碳含量的動(dòng)態(tài)變化Fig.2 Dynamic changes of organic carbon content at 0–10 cm soil layer[注（Note）：CT—翻耕 Conventional tillage; SS—深松 Subsoiling; RT—旋耕 Rotary tillage; ZT—免耕 Zero tillage; 柱上不同小寫字母表示處理間差異達(dá) 0.05 顯著水平 Different small letters above the bars mean significant differences among the treatments at the 0.05 level.]

2.1.2 10—20 cm 土層有機(jī)碳含量 小麥–玉米輪作農(nóng)田10—20 cm土層有機(jī)碳含量如圖3所示，同0—10 cm土層，小麥季土壤有機(jī)碳含量在返青期最高，灌漿期最低，玉米季則在開花期最高，成熟期最低。不同的是，10—20 cm土層有機(jī)碳含量低于0—10 cm土層，與傳統(tǒng)翻耕相比，旋耕、免耕顯著 (P＜0.05)降低了該層土壤有機(jī)碳含量，不利于較深土壤有機(jī)碳積累。小麥季返青至拔節(jié)期各處理有機(jī)碳含量大小為深松 ＞ 傳統(tǒng)翻耕 ＞ 旋耕 ＞ 免耕，灌漿以后旋耕處理的有機(jī)碳含量顯著低于其他三種耕作處理，免耕處理土壤有機(jī)碳含量略有升高。傳統(tǒng)翻耕、深松、旋耕和免耕處理的平均有機(jī)碳含量分別為13.8、14.6、11.3、12.3 g/kg。從夏玉米的分析結(jié)果可以看出，傳統(tǒng)翻耕和深松處理10—20 cm土層有機(jī)碳含量顯著 (P＜0.05) 高于旋耕與免耕處理，深松與傳統(tǒng)翻耕之間沒有顯著性 (P＜0.05) 差異，旋耕處理有機(jī)碳含量與小麥季保持一致，即灌漿之前免耕最低，灌漿以后旋耕低于免耕處理。傳統(tǒng)翻耕、深松、旋耕和免耕處理的平均有機(jī)碳含量分別為14.6、14.5、11.5、11.7 g/kg。

2.2 耕作方式對麥–玉輪作農(nóng)田土壤含水量的影響

2.2.1 0—10 cm 土層含水量 由圖4可知，小麥季4種耕作處理0—10 cm土層的土壤含水量遠(yuǎn)低于玉米季，主要是由于玉米生長季降雨增多所致。不同耕作處理，除小麥灌漿期外，傳統(tǒng)翻耕條件下土壤含水量均處于最低值。免耕、深松和旋耕的平均含水量分別比傳統(tǒng)翻耕提高了23.1%、15.9%和10.4%；玉米季傳統(tǒng)翻耕處理土壤含水量最低，其次是深松；旋耕處理拔節(jié)期土壤含水量最高，為286.3 g/kg，旋耕、免耕、深松的平均土壤含水量分別比傳統(tǒng)翻耕提高了17.2%、14.6%、6.8%。由此可以看出，0—10 cm土層傳統(tǒng)翻耕最不利于土壤水分保持，免耕、旋耕能顯著 (P＜0.05) 增加土壤水分含量。

圖3 10—20 cm土層有機(jī)碳含量的動(dòng)態(tài)變化Fig.3 Dynamic changes of organic carbon content at 10–20 cm soil layer[注（Note）：CT—翻耕 Conventional tillage; SS—深松 Subsoiling; RT—旋耕 Rotary tillage; ZT—免耕 Zero tillage; 柱上不同小寫字母表示處理間差異達(dá) 0.05 顯著水平 Different small letters above the bars mean significant differences among the treatments at the 0.05 levels.]

圖4 0—10 cm土層含水量的動(dòng)態(tài)變化Fig.4 Dynamic changes of water contents at 0–10 cm soil layer[注（Note）：CT—翻耕 Conventional tillage; SS—深松 Subsoiling; RT—旋耕 Rotary tillage; ZT—免耕 Zero tillage; 小麥拔節(jié)期灌水在取樣前進(jìn)行，灌漿期灌水在取樣后進(jìn)行 Jointing water of wheat irrigated before sampling,and filling water after sampling; 柱上不同小寫字母表示處理間差異達(dá) 0.05 顯著水平 Different small letters above the bars mean significant differences among the treatments at the 0.05 levels.]

2.2.2 10—20 cm 土層含水量 結(jié)合圖5和圖4可知，玉米季10—20 cm土層含水量明顯低于0—10 cm土層，而小麥季兩土層水分含量差異不一。小麥季除返青期外，免耕處理的土壤含水量顯著 (P＜0.05)高于其他處理；傳統(tǒng)翻耕處理土壤含水量表現(xiàn)為返青期最高，灌漿、成熟期最低，免耕、深松、旋耕平均土壤含水量分別比傳統(tǒng)翻耕提高了17.7%、3.0%

和2.7%。在夏玉米生長期間，除灌漿期外，深松處理的土壤含水量最低，傳統(tǒng)翻耕、深松、旋耕和免耕處理的平均土壤含水量分別為175.6、171.4、186.3和180.5 g/kg。免耕與旋耕處理的保水性仍然高于深松與傳統(tǒng)翻耕處理。

2.3 耕作方式對麥–玉輪作農(nóng)田作物產(chǎn)量的影響

圖5 10—20 cm土層含水量的動(dòng)態(tài)變化Fig.5 Dynamic changes of water contents at 10–20 cm soil layer

表1 耕作措施對冬小麥-夏玉米產(chǎn)量及其構(gòu)成要素的影響Table1 Effects of tillage methods on annual yields of winter wheat-summer maize

2.3.1 冬小麥–夏玉米產(chǎn)量及其構(gòu)成要素 2015 年與2016年冬小麥–夏玉米的產(chǎn)量及構(gòu)成要素如表1所示。由表中數(shù)據(jù)可知，4種耕作處理以深松產(chǎn)量最高，免耕最低。對冬小麥來說，2015年有效穗數(shù)低于2016年，穗粒數(shù)則高于2016年，免耕處理的有效穗數(shù)、穗粒數(shù)均處于最低值；深松處理小麥有效穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒重均處于最高值，增產(chǎn)性能顯著高于傳統(tǒng)翻耕、旋耕和免耕處理。同樣，兩年玉米產(chǎn)量構(gòu)成要素差異不大，除有效穗數(shù)外，免耕處理穗粒數(shù)和千粒重依舊最低，深松增加了玉米的穗粒數(shù)和千粒重。與傳統(tǒng)翻耕相比，2015年和2016年小麥季深松處理的增產(chǎn)率分別為6.5%和10.4%；旋耕處理產(chǎn)量在2015年與傳統(tǒng)翻耕相等，2016年降低了1.3%；兩年小麥季免耕處理分別比傳統(tǒng)翻耕產(chǎn)量降低了3.9%和6.5%。玉米季兩年深松較傳統(tǒng)翻耕的增產(chǎn)率分別為10.9%和5.9%；2015年免耕較翻耕減產(chǎn)了10.9%，2016年旋耕與免耕的減產(chǎn)率分別為1.0%和15.7%。

2.3.2 等價(jià)產(chǎn)量 麥–玉輪作體系的等價(jià)產(chǎn)量由玉米籽粒產(chǎn)量與小麥等價(jià)玉米籽粒產(chǎn)量之和構(gòu)成。由圖6可以看出，2015年和2016年兩年的數(shù)據(jù)均顯示深松處理的等價(jià)產(chǎn)量最高，均為22.6 t/hm2；免耕最低，分別為 19.2 t/hm2和 18.7 t/hm2；旋耕與翻耕之間等價(jià)產(chǎn)量沒有顯著性差異。2015年傳統(tǒng)翻耕、旋耕、免耕的等價(jià)產(chǎn)量分別比深松耕作低了7.9%、7.9%和15.1%；2016年分別降低了7.5%、8.7%和17.6%。

2.4 耕作方式對麥–玉輪作農(nóng)田0—20 cm土層碳、水儲量的影響

小麥播前、收獲后和玉米收獲期0—20 cm土層的碳、水儲量如表2所示。由表中數(shù)據(jù)可知，小麥和玉米收獲期的土壤碳儲量均高于小麥播前，且小麥?zhǔn)斋@期碳儲量大于玉米收獲期。0—10 cm土層的碳儲量大于10—20 cm土層，深松、免耕能有效促進(jìn)有機(jī)碳固存，旋耕不利于土壤碳儲量的增加。對于土壤水儲量，由表2可知，玉米收獲期水儲量大于小麥?zhǔn)斋@后，后者大于小麥播前。0—20 cm土層免耕、深松較傳統(tǒng)翻耕能有效提高耕層土壤的儲水性能；旋耕處理的水儲量均高于傳統(tǒng)翻耕，除玉米季 0—10 cm 土層外，二者沒有顯著性 (P＜0.05) 差異。

圖6 耕作方式對小麥–玉米等價(jià)產(chǎn)量的影響Fig.6 Effect of different tillage measures on equivalent yields of wheat–maize[注（Note）：2015年和2016年兩組柱形圖自左向右代表相同的處理，分別是傳統(tǒng)翻耕、深松、旋耕和免耕 In 2015 and 2016,the two groups of column graphs represent the same treatments from left to right,respectively,conventional tillage,subsoiling,rotary tillage and zero tillage.]

2.5 麥–玉輪作農(nóng)田耕層土壤有機(jī)碳、含水量和作物產(chǎn)量之間的相關(guān)性分析

麥–玉輪作農(nóng)田耕層土壤有機(jī)碳、含水量和小麥、玉米產(chǎn)量之間的相關(guān)分析結(jié)果如表3所示。由表中可知，在小麥、玉米兩季作物中，同一指標(biāo)不同土層之間的含量均具有極顯著 (P＜0.01) 相關(guān)關(guān)系，即0—10 cm土層有機(jī)碳與10—20 cm有機(jī)碳含量、0—10 cm土層含水量與10—20 cm土層含水量分別呈現(xiàn)極顯著 (P＜0.01) 相關(guān)關(guān)系，表明不同耕作方式對不同土層碳水含量的影響表現(xiàn)一致。小麥季0—10 cm 土層有機(jī)碳與 0—10 cm、10—20 cm 土層含水量具有顯著 (P＜0.05) 的正相關(guān)關(guān)系，10—20 cm土層有機(jī)碳僅與10—20 cm土層含水量呈顯著 (P ＜0.05) 正相關(guān)，在玉米季土壤有機(jī)碳和含水量的相關(guān)性也達(dá)顯著 (P＜0.05) 或極顯著 (P＜0.01) 水平，表明土壤有機(jī)碳含量增加能增強(qiáng)土壤保水性能。小麥

季 0—10 cm 土層有機(jī)碳與小麥產(chǎn)量呈顯著 (P＜0.05)正相關(guān)，玉米季10—20 cm土層有機(jī)碳與玉米產(chǎn)量呈顯著 (P＜0.05) 正相關(guān)，可能是玉米季降雨較多，不同土壤水分條件下土壤有機(jī)碳對作物的調(diào)控程度不同所致。

表2 不同耕作方式下農(nóng)田0—10 cm、10—20 cm土層碳、水儲量Table2 Carbon and water storage at 0–10 cm and 10–20 cm depth soil under different tillage treatments

表3 土壤有機(jī)碳、含水量和麥–玉產(chǎn)量之間的相關(guān)性分析Table3 Correlation analysis of soil organic carbon, water content and wheat–maize yield under different tillage measures

3 討論

3.1 耕作方式對麥–玉周年輪作農(nóng)田土壤耕層(0—20 cm) 有機(jī)碳含量的影響

不同耕作方式對麥–玉輪作農(nóng)田耕層土壤有機(jī)碳含量的影響不同。本試驗(yàn)結(jié)果表明，保護(hù)性耕作能促進(jìn)土壤有機(jī)碳積累，這對耕后第一季作物農(nóng)田的增碳效果更明顯，也可能是玉米季高溫多雨、土壤有機(jī)碳礦化率高、降低碳儲量所致。深松能促進(jìn)耕層土壤有機(jī)碳積累，尤其對表層土壤有機(jī)碳含量有顯著 (P＜0.05) 的增加作用。因?yàn)樯钏纱蚱屏送寥览绲讓?，疏水通氣，減少了土壤對根系的機(jī)械阻力，擴(kuò)大了根系生長空間，有利于促進(jìn)作物根系生長和代謝，因而起到很好的增碳效果[7]。但耕層不同層次，免耕和旋耕的固碳作用呈現(xiàn)明顯的差異性。0—10 cm土層，免耕處理沒有翻動(dòng)土壤，地表覆蓋度增加，裸露面積減少，降低了土壤通透性和有機(jī)碳的礦化率，土壤有機(jī)碳在表層逐漸積累[18]，這也與Kushwa等[19]研究結(jié)果一致。相反，傳統(tǒng)翻耕破壞了土壤結(jié)構(gòu)，增大了秸稈殘茬與土壤的接觸面積，增加有機(jī)碳暴露和加速分解，造成土壤有機(jī)碳儲量降低[19–21]。旋耕處理0—10 cm土層有機(jī)碳含量呈現(xiàn)多變性，表現(xiàn)為小麥返青期顯著 (P＜0.05) 低于翻耕，玉米拔節(jié)和開花期顯著 (P＜0.05) 高于翻耕。翻耕與旋耕對表層土的擾動(dòng)均較大，翻耕使秸稈翻埋，加速有機(jī)碳轉(zhuǎn)化合成，但也增大了有機(jī)碳礦化速率，使農(nóng)田CO2排放增加[21]，降低了有機(jī)碳的固存。對于10—20 cm土層，由于土壤緊實(shí)度增加，秸稈和植株殘?bào)w減少，不利于有機(jī)碳合成，有機(jī)碳含量低于0—10 cm土層[21]。受耕作深度限制，旋耕、免耕作業(yè)的深層土壤沒有受到擾動(dòng)和植物殘?bào)w輸入，因而對亞表層的增碳效果不明顯[8]，有機(jī)碳含量降幅明顯低于對照。不同生育時(shí)期，小麥季土壤有機(jī)碳含量最高值集中在返青期，玉米季則集中在開花期，可能是因?yàn)榉登嗲靶←溕L基本處于停滯狀態(tài)，土壤動(dòng)物和微生物代謝強(qiáng)度較弱，有機(jī)碳氧化分解速率低，有機(jī)碳逐漸積累；返青后氣溫升高，小麥生長加快，加速了有機(jī)碳的礦化損失，表現(xiàn)為含量降低。夏玉米拔節(jié)期降雨偏多，土壤含水量過高，抑制了根系生長和土壤動(dòng)物、微生物代謝減弱，有機(jī)碳合成速率受到一定程度抑制；開花期土壤水分降低，土壤生物代謝增強(qiáng)，有機(jī)碳含量增加。

3.2 耕作方式對麥–玉周年輪作農(nóng)田 (0—20 cm)土壤含水量的影響

土壤耕作是調(diào)節(jié)土壤水分最重要的農(nóng)藝措施之一，耕層土壤水分對作物的生長發(fā)育具有重要的調(diào)節(jié)作用[22]。與傳統(tǒng)耕作相比，保護(hù)性耕作能降低地表徑流，減少土壤損失，增加土壤貯水量，并提高水分利用效率[23]。本試驗(yàn)結(jié)果表明，從小麥返青期至玉米收獲期，免耕處理0—20 cm土層含水量整體高于傳統(tǒng)翻耕，這在麥田土壤表現(xiàn)得更為明顯。多年機(jī)械耕作使農(nóng)田形成了堅(jiān)實(shí)的犁底層，同時(shí)耕層土壤過于疏松，降低了土壤墑情和水分抗蒸發(fā)能力，從而降低了土壤蓄水能力；相反，免耕減少了對土壤的擾動(dòng)，免耕加秸稈覆蓋抑制了土壤水分蒸發(fā)，減輕了表土板結(jié)程度，形成適宜的土壤三相比，因而保墑作用明顯[24–25]。也有研究表明，免耕只有在覆蓋下,才能真正起到增加土壤水分含量、提高水分利用效率的作用[26]。此外，分析本試驗(yàn)點(diǎn)的氣象數(shù)據(jù)可知，小麥季降雨量遠(yuǎn)低于玉米季，而麥田免耕處理的平均含水量高于其他三種處理，這一現(xiàn)象比玉米季更為突出。這是因?yàn)樾←溕L期降雨偏少，當(dāng)土壤干旱發(fā)生時(shí)，免耕處理具有較高的土壤含水量，土壤濕度較大時(shí)，各耕作制度的土壤含水量差異不顯著[27]；Verhulst等[28]認(rèn)為免耕加秸稈還田聚集了最高含量的土壤水分，使干旱期土壤剖面蓄水在50 mm以上，延長了作物生長對短期干旱缺水的緩沖期，這可能是上述現(xiàn)象發(fā)生的原因所在。深松處理對麥田耕層的保水性優(yōu)于旋耕和翻耕；而在玉米季，深松則不利于耕層水分保持，可能是深松后土壤虛實(shí)相間、疏水保水性能提高、水分滲透較快所致。趙亞麗等[29]研究認(rèn)為，深松加秸稈還田有助于土壤水分下滲和根系下扎，增大了作物生長期間農(nóng)田耗水量，使光合性能改善，農(nóng)作物水分吸收利用高，深層土壤蓄水量增加，因而耕層土壤含水量降低。玉米季旋耕處理土壤的平均含水量較高，有利于提高土壤對玉米生育后期的供水能力。與傳統(tǒng)翻耕相比，少免耕特別是旋耕秸稈還田方式具有最佳的蓄水保墑作用[30]。本試驗(yàn)得出，玉米各生育期10—20 cm土層含水量低于0—10 cm土層，此與劉爽等[31]研究結(jié)果類似。各時(shí)期土壤含水量的大小易受作物生長情況、降雨、灌水和取樣時(shí)間等的影響。小麥季拔節(jié)期土壤含水量最高，原因是拔節(jié)水澆于取樣前，而灌漿期則澆于取樣之后，至成熟期降雨增加含水量又略有升高；玉米生長期間七八月份降雨增多，過后減少，表現(xiàn)為拔節(jié)期土壤含水量最高，而后逐漸降低。綜上可知，雖然土壤含水量受降雨、灌溉及取樣時(shí)間影響嚴(yán)重，但綜合來看免耕、旋耕、深松的保水性能優(yōu)于翻耕，這在干旱季節(jié)表現(xiàn)得更為明顯。

3.3 耕作方式對麥–玉輪作農(nóng)田周年產(chǎn)量的影響

作物高產(chǎn)是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)最主要的目的，實(shí)行保護(hù)性耕作必然要考慮其對產(chǎn)量的影響。本試驗(yàn)表明，深松增加了作物有效穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒重，從而增加了小麥和玉米籽粒產(chǎn)量。原因在于深松對土壤的松動(dòng)有利于水分入滲和根系生長發(fā)育，同時(shí)鏟距間的相對緊實(shí)則降低了水分的擴(kuò)散損失，增強(qiáng)保水性能，促進(jìn)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[7]。雖然免耕能降低土壤有機(jī)碳礦化速率，培肥地力，但僅限于土壤表層，免耕處理田塊土壤通氣性往往較差，不利于作物根系下扎與伸展，從而導(dǎo)致作物減產(chǎn)。但在西北干旱地區(qū)，免耕較傳統(tǒng)翻耕增加了紅小豆和糜子的產(chǎn)量[8]。耕作方式對黃土高原不同區(qū)域的研究同樣具有不同的適應(yīng)性，表現(xiàn)為在中部和北部往往更有利于春玉米產(chǎn)量和水分利用效率的提高[32]。本文之所以與黃土高原的產(chǎn)量表現(xiàn)不同，原因既有高原與平原土質(zhì)的差異，也表現(xiàn)在二者在年均氣溫和降雨量上的不同，以及耕作制度的不同。旋耕處理小麥和玉米產(chǎn)量低于翻耕，但二者之間沒有顯著性 (P＜0.05) 差異。鄭成巖等[33]研究認(rèn)為，旋耕的花后干物質(zhì)積累和籽粒干物質(zhì)分配比例低于傳統(tǒng)翻耕，最終的小麥籽粒產(chǎn)量也低。但成臣等[34]通過研究耕作方式對雙季稻產(chǎn)量和土壤肥力質(zhì)量的影響，表明長期旋耕能提高土壤肥力質(zhì)量和水稻產(chǎn)量。相同耕作方式對不同作物產(chǎn)量的影響也表現(xiàn)出差異。

前人關(guān)于等價(jià)產(chǎn)量的研究多集中于探究不同處理下糧食作物與豆科作物最佳的間、套、輪作搭配模式[15–16]。本試驗(yàn)結(jié)果表明，與傳統(tǒng)翻耕相比，深松顯著 (P＜0.05) 增加了麥–玉周年等價(jià)產(chǎn)量，免耕則顯著 (P＜0.05) 降低了該產(chǎn)量，在保護(hù)性耕作體系中深松具有比免耕更好的增產(chǎn)效果。同時(shí)，和當(dāng)下大面積推廣的旋耕作業(yè)相比，深松同樣具有顯著 (P ＜0.05) 的增產(chǎn)效果，進(jìn)一步證明了深松作業(yè)的增產(chǎn)優(yōu)勢。然而鑒于深松作業(yè)的難度與高消耗特點(diǎn)，建議實(shí)行年際間間隔深松來獲得更高的經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)論

1) 麥–玉輪作農(nóng)田耕層有機(jī)碳含量受耕作方式影響，與傳統(tǒng)翻耕相比，深松、免耕能顯著 (P＜0.05)增加表層 (0—10 cm) 土壤有機(jī)碳含量和碳儲量，免耕、旋耕降低了亞表層 (10—20 cm) 土壤有機(jī)碳含量。

2) 秸稈還田條件下，免耕、旋耕降低了對土壤的擾動(dòng)，同時(shí)表層秸稈殘茬減緩了土壤水分的蒸散，深松打破犁底層，疏松土層，蓄水提墑，三種耕作處理的保水性均高于傳統(tǒng)翻耕。

3) 深松能增加作物的有效穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒重，從而顯著增加周年產(chǎn)量；免耕能增加表土層碳水積累，但不利于作物增產(chǎn)。

4) 深松是土壤增碳、保水和作物增產(chǎn)的有效耕作方式。