不同耕作方式對土壤水分和養(yǎng)分變化的影響

李玉梅，王根林，孟祥海，李 艷,，胡穎慧，金 梁，王 偉，蔡姍姍，李承陽，魏 丹

（1.黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料與環(huán)境資源研究所，哈爾濱 150086；2.黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院畜牧研究所，哈爾濱 150086；3.黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院牡丹江分院，黑龍江 牡丹江 150021；4.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，哈爾濱 150030；5.北京農(nóng)林科學(xué)院植物營養(yǎng)與資源研究所，北京 100010）

耕作措施可改變表層土壤物理性質(zhì)，影響土壤水分和養(yǎng)分遷移[1-2]。與傳統(tǒng)耕翻比較，免耕提高表層0～20 cm土壤含水量[3-4]，在80～100 cm土層含水量達(dá)最高[5]。免耕配合秸稈覆蓋在作物播種期減少表層土壤水分蒸發(fā)[6]，夏玉米水分利用效率比不覆蓋處理提高11.26%[7]，冬小麥水分生產(chǎn)效率比無覆蓋處理平均提高4.6%～25.2%[8]。不同耕作措施對土壤物理性狀影響不同，養(yǎng)分在土壤層次間分布差異較大[9]。黃土高原旱地免耕秸稈覆蓋17個月后，表層土壤全碳含量增加20.77%[10]。連續(xù)翻耕3年，土壤全碳含量未出現(xiàn)明顯流失，連續(xù)翻耕16年后，土壤全碳含量流失達(dá)到40%。不同耕作方式下土壤有機(jī)質(zhì)積累順序?yàn)槊飧靖采w＞翻壓[11]，長期免耕土壤耕層變薄、營養(yǎng)表層富集[12]。

秸稈還田提高土壤有機(jī)質(zhì)含量，連續(xù)5年秸稈還田提高土壤有機(jī)質(zhì)含量8.5%～9.9%，年均增長率為0.01%[13-14]，有機(jī)物料在相對較短時間內(nèi)（1～3年）已轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定態(tài)有機(jī)質(zhì)[15]。秸稈還田可改善土壤物理結(jié)構(gòu)，提高土壤水養(yǎng)庫容。單施秸稈、秸稈與化肥配施均可提高0～40 cm土壤含水量，秸稈與氮肥配施顯著提高土壤全氮含量，比未施秸稈處理明顯提高12～23 mg·kg-1[16-17]，土壤有效氮含量與秸稈還田量呈顯著正相關(guān)；0～20 cm土層，秸稈覆蓋免耕土壤全氮含量提高10.6%～15.8%，堿解氮含量比清茬翻耕處理增加23.3%[18]。

不同農(nóng)業(yè)措施針對土壤性狀季節(jié)變化差異性顯著[19-20]。以往耕作研究多側(cè)重于某一時間段整體變化，分析多年后對土壤理化性狀及產(chǎn)量等因素影響，針對土壤性狀在一年中、不同耕層季節(jié)變化研究較少[20]，尤其是我國東北草甸土研究鮮有報道。本研究通過田間定位試驗(yàn)，探討不同耕作方式與秸稈還田下典型旱地草甸土理化性狀季節(jié)動態(tài)變化，分析土壤水分和養(yǎng)分運(yùn)移變化，為生產(chǎn)中綜合評價、確定合理耕作與土壤培肥技術(shù)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)地點(diǎn)位于黑龍江省牡丹江市溫春鎮(zhèn)（44.60′N，129.58′E），寒溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫5.9℃，年平均降雨量500～600 mm，屬于二三積溫帶，平均活動積溫2 300～2 500℃。土壤類型為草甸土，質(zhì)地為壤質(zhì)粘土，基礎(chǔ)理化性質(zhì)：全氮1.51 g·kg-1，全磷0.71 g·kg-1，全鉀2.53 g·kg-1，堿解氮117.6 mg·kg-1，速效磷 19.2 mg·kg-1，有效鉀235.0 mg·kg-1，有機(jī)碳19.30 g·kg-1，pH 7.63。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計

試驗(yàn)時間2016年4月～2017年10月，共設(shè)置6個處理，分別為免耕（NT）、淺翻20 cm（ST）、深翻35 cm（DT）、免耕秸稈覆蓋（NT-S）、淺翻秸稈還田20 cm（ST-S）、深翻秸稈還田35 cm（DT-S）。每小區(qū)面積234 m2，3次重復(fù)，各處理施肥量為N 160 kg·hm-2、P2O5110 kg·hm-2、K2O 75 kg·hm-2。秸稈還田：在玉米收獲后利用打茬機(jī)將秸稈粉碎至長度小于10 cm，用150馬力大型機(jī)械帶動五鏵翻轉(zhuǎn)犁將秸稈翻埋于不同深度土層。

1.3 測定項(xiàng)目與方法

1.3.1 樣品采集與測定

供試玉米品種為當(dāng)?shù)剡m宜品種益農(nóng)玉10號，在玉米生長不同時期（播期、拔節(jié)期、大喇叭口期、成熟期），分別采集 0～10、10～20、20～30、30～40和40～50 cm土層土樣，分析測定土壤相關(guān)理化指標(biāo)。

土壤含水量測定采用環(huán)刀法，土壤硝態(tài)氮、銨態(tài)氮測定采用0.5 mol·L-1氯化鉀溶液浸提后，連續(xù)流動分析儀（AMS-Alliance Futura）測定。土壤有機(jī)碳測定采用TOC儀（購自德國Analytik Jena公司）。

1.3.2 數(shù)據(jù)處理

運(yùn)用Excel 2013處理試驗(yàn)數(shù)據(jù)，SPSS 19.0軟件分析單因素方差。

2 結(jié)果與分析

2.1 翻耕方式對土壤水分變化的影響

不同耕作方式影響土壤水分變化，0～20 cm土層含水量主要由降雨量決定[3]。

由圖1可知，土壤含水量隨土層深度而增加。由于冬季降雨量偏少，免耕（NT）前期土壤含水量較低，播期0～10 cm土層，土壤含水量略高于淺翻，但差異較?。话喂?jié)期土壤含水量低于DT和ST處理，比NT處理出苗時間提前3～5 d，與玉米生長快、需水量大有關(guān)；受2017年度秋季降雨量較多、生育期均未擾動土壤影響，成熟期NT處理30～50 cm土層土壤含水量比ST和DT平均提高6.72%；同一土層，DT比ST處理土壤含水量平均增加3.23%～8.41%；除成熟期外，其他3個時期DT與NT處理均明顯提高0～30 cm土層含水量，其中0～20 cm土層，比ST平均提高4.96%，20～30 cm土層，提高5.88%；整個生育期分析，0～50 cm土層平均含水量以DT＞NT＞ST，DT和NT分別比ST高0.66和0.57個百分點(diǎn)。

圖1 不同翻耕方式對土壤水分變化的影響Fig.1 Effects of different tillage methods on soil moisture change

不同時期內(nèi)土壤水分布趨勢，成熟期＞拔節(jié)期＞播種期＞大喇叭口期。土壤水分變化也受生育期自然降雨量和玉米生長對水分需求影響，如圖2所示。2016年秋季至2017年9月末總降水量為491.9 mm，冬季降水量偏少，2016年12月至2017年3月份總降水量不足20 mm，因此播期土壤含水量較低。4月份降水量開始增加，降水量最大分布在7、8月份，占總降水量40.62%，但大喇叭口期是玉米生長需水量最大時期，因此土壤含水量較低。

圖2 自然降雨量Fig.2 Natural rainfall

2.2 翻耕與秸稈還田對土壤水分變化的影響

不同翻耕配合秸稈還田處理，土壤含水量隨時間和空間發(fā)生變化。

由圖3可知，土壤含水量隨土層深度而增加，不同時期均表現(xiàn)為成熟期＞拔節(jié)期＞播期＞大喇叭口期，其中大喇叭口期0～20和20～50 cm土層，3個處理平均含水量為13.83%和14.43%，成熟期為16.66%和17.16%，差異顯著。

免耕秸稈覆蓋（NT-S）明顯增加前期0～10 cm土層含水量，表現(xiàn)為玉米出苗提前和前期生長速度較快，而10～30 cm土層表現(xiàn)為降低趨勢，與秸稈覆蓋減少冬季雨雪下滲量有關(guān)；拔節(jié)期，0～20 cm土層，NT-S＜DT-S＜ST-S；大喇叭口期，隨土層深度增加，各處理土壤含水量均表現(xiàn)為增-減-增趨勢，差異不顯著；成熟期，20～50 cm土層，NTS處理土壤含水量平均23.58%，比ST-S和DT-S分別增加12.2%和7.42%，與生育期未深松等耕作管理措施有關(guān)。播種期和成熟期，DT-S處理比ST-S處理平均提高含水量5.15%，而拔節(jié)期和大喇叭口期接近。同一土層，DT-S處理土壤水分略高于ST-S處理，其中以20～30 cm土層較明顯，與秸稈還田深度增加，提高土壤蓄水能力有關(guān)。

圖3 翻耕與秸稈還田對土壤水分變化的影響Fig.3 Effect of tillage and straw returning on soil moisturechange

2.3 耕作方式對土壤養(yǎng)分運(yùn)移變化的影響

由圖4a可知，土壤NH4-N含量隨土層深度增加而降低，NT、DT、ST處理分別由8.18、14.54和12.63 mg·kg-1降至4.15、7.54和6.65 mg·kg-1，降幅為49.27%、48.14%和47.34%。由圖4b可知，同一土層，NT處理NO3-N含量均低于ST和DT處理，差異顯著；除20～30 cm外，同一土層，ST處理NH4-N含量略低于DT處理，差異較大。DT處理土壤NO3-N隨土層深度增加而增加，不同深度土層，NT與ST處理土壤NO3-N變化趨勢一致，均顯著低于DT處理，與深耕打破犁底層，增加肥料和土壤中氮轉(zhuǎn)化有關(guān)[19]。由圖4c可知，耕作方式對土壤有機(jī)碳影響總體變化趨勢基本一致，隨土層深度增加有機(jī)碳含量逐漸減少。耕翻加速土壤有機(jī)質(zhì)氧化[17]，0～20 cm土層土壤碳氧化速度為DT＞ST＞NT，有機(jī)碳含量則正相反。20～50 cm土層，土壤有機(jī)碳含量以NT＞DT＞ST。短期免耕（2～5年）土壤有機(jī)碳含量增加不顯著，但可增強(qiáng)土壤有機(jī)碳穩(wěn)定性[18]，因此NT處理有機(jī)碳降低幅度小于DT和ST處理。

圖4 不同耕作方式對土壤養(yǎng)分變化的影響Fig.4 Effects of different tillage methodson soil nutrient changes

2.4 耕作與秸稈還田方式對土壤養(yǎng)分運(yùn)移變化的影響

由圖4a、5a可知，耕作方式對土壤NH4-N含量影響趨勢一致，不同翻耕與秸稈還田方式下，隨土層深度增加NH4-N含量下降。同一土層，NTS處理NH4-N含量均低于ST-S和DT-S處理。秸稈還田下不同翻耕深度對NH4-N影響較小，除0～10 cm土層外，同一土層ST-S與DT-S處理NH4-N含量差異不顯著。

由圖5b可知，深翻與秸稈還田均可增加土壤NO3-N含量。NT-S處理，各土層間NO3-N含量變化較小，平均9.96 mg·kg-1；ST-S處理，NO3-N含量隨土層深度逐漸增加，平均33.96 mg·kg-1；DT-S處理，NO3-N含量隨土層深度先增后減，平均49.36 mg·kg-1，與NT-S和ST-S處理，差異顯著；40～50 cm土層，DT-S處理土壤NO3-N含量略低，原因有待進(jìn)一步分析。

圖5 耕作與秸稈還田方式對土壤養(yǎng)分的影響Fig.5 Effects of soil nutrient with tillage and straw returning

由圖5c可知，與單一耕作方式對土壤有機(jī)碳影響一致，翻耕配合秸稈還田后，隨土層深度增加，土壤有機(jī)碳含量呈逐漸降低趨勢。0～20 cm土層土壤有機(jī)碳含量變化不大，30～50 cm土層降低較為明顯，平均下降33.41%；ST-S和DT-S處理在0～20 cm土層土壤總有機(jī)碳量均低于NT-S處理，20～40 cm土層則相反，但差異不顯著，與短期內(nèi)秸稈還田土壤有機(jī)碳氧化速度、腐殖化程度相關(guān)，需進(jìn)一步分析。

3 討 論

3.1 耕作方式對土壤水分和養(yǎng)分運(yùn)移變化的影響

旱地草甸土采用免耕、淺翻和深翻后，土壤水分和養(yǎng)分發(fā)生季節(jié)性變化。研究表明，耕作改變表層土壤物理性狀，影響土壤水分和養(yǎng)分平衡，隨土壤被犁翻次數(shù)增多，有機(jī)質(zhì)損失，加劇表層土壤流失和風(fēng)蝕，導(dǎo)致農(nóng)田土壤退化[21-22]。與翻耕相比，免耕措施可保持土壤水分[11]。本研究表明，草甸土短期免耕后，土壤含水量表現(xiàn)為增加趨勢，與上述研究一致。免耕可降低土壤有機(jī)碳氧化，穩(wěn)定土壤有機(jī)碳含量[23]。薛建福等研究表明，短期免耕未提高土壤有機(jī)碳含量，可減弱有機(jī)碳脂族性，增加芳香性和土壤有機(jī)碳穩(wěn)定性[24]。上述結(jié)果與本研究一致，免耕對土壤有機(jī)碳降低作用較弱。

3.2 耕作與秸稈還田方式對土壤水分和養(yǎng)分運(yùn)移變化的影響

整秸稈表面覆蓋后土壤水分隨深度變化較弱[24-25]，而深層覆蓋可降低土壤重力水由上層向下層入滲速率，阻礙秸稈層以下土壤水分蒸發(fā)散失[14,24]。施用秸稈等非腐解有機(jī)物料，可顯著提高土壤中生物量碳和氮含量[25]。玉米覆蓋免耕5年后，前期土壤硝態(tài)氮含量低于不還田處理，后期由于秸稈開始釋放氮，可滿足小麥生長后期對氮素需求[8]。本研究表明，免耕秸稈覆蓋可在降雪較少冬季保持耕作層土壤蓄水量，但由于秸稈僅覆蓋地表，土壤NH4-N和NO3-N提高影響較小，與上述研究結(jié)果不同，與土壤類型、作物種類等不同有關(guān)。深翻與淺翻比較，增加各土層含水量，配合秸稈還田后加速土壤氮轉(zhuǎn)化，NO3-N含量增加，原因有待進(jìn)一步分析。

4 結(jié)論

草甸土質(zhì)地為壤質(zhì)粘土，土壤砂性較強(qiáng)，長期耕作后土壤有機(jī)質(zhì)下降、肥力降低。以秸稈還田土壤培肥為前提，構(gòu)建合理深、淺、免耕結(jié)合耕作措施，是提高土壤肥力前提和保障。本試驗(yàn)結(jié)果表明，免耕與免耕秸稈覆蓋可提高表層土壤前期含水量，為玉米出苗和前期生長提供充分水分和溫度，但短期內(nèi)對土壤NH4-N、NO3-N及有機(jī)碳等肥力指標(biāo)影響不大。同一時期同一土層，深耕35 cm及秸稈還田對土壤水分和養(yǎng)分影響大于淺耕20 cm及秸稈還田處理。短期耕作與培肥下土壤理化性狀季節(jié)性變化，受年季間降雨、作物生長等因素影響。