耕作方式對(duì)褐土土壤養(yǎng)分及作物產(chǎn)量的影響

何 靖

(1.陜西地建土地工程技術(shù)研究院有限責(zé)任公司，陜西 西安 710075； 2.陜西省土地工程建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司,陜西 西安 710075； 3.自然資源部 退化及未利用土地整治工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安710075； 4.陜西省土地整治工程技術(shù)研究中心，陜西 西安 710075)

土地是人類生產(chǎn)生活的根本，耕地是人類生命物資來源的基礎(chǔ)和必須品。隨著我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，城市建設(shè)、工業(yè)用地等非農(nóng)用地不斷蠶食農(nóng)業(yè)用地，土地資源成為炙手可熱的稀缺資源。為此，中央出臺(tái)了“18億畝耕地紅線”與土地復(fù)墾、土地整治、治溝造地等實(shí)現(xiàn)耕地“占補(bǔ)平衡”舉措，保障我國耕地面積。新增耕地由于土壤質(zhì)量大多不高，致耕種較難或產(chǎn)出較低，需通過多種方式進(jìn)行熟化培肥后才能滿足生產(chǎn)要求，其中耕作方式是生產(chǎn)中最重要、最原始的改善耕地質(zhì)量、提升產(chǎn)出率的措施。目前，我國諸如免耕、深松、翻耕、旋耕等多種耕作方式并存，且均可改善土壤特性[1]，但因不同的耕作方式對(duì)土壤的擾動(dòng)和強(qiáng)度不同，進(jìn)而對(duì)土壤理化性質(zhì)和生物性狀的影響差異較大[2]。如長(zhǎng)期單一的旋耕方式會(huì)導(dǎo)致耕層變淺、犁底層加厚、土壤容重增大、耕層有效土量減少、土壤養(yǎng)分表聚等[3-4]；免耕雖有保土、增肥、增產(chǎn)等作用，但長(zhǎng)期免耕會(huì)導(dǎo)致土壤緊實(shí)化、養(yǎng)分表層化現(xiàn)象加劇及耕作層變淺[5-6]；深松能夠有效地打破土壤犁底層限制，降低土壤緊實(shí)化和容重[7]，增加疏松耕作土層厚度，促進(jìn)作物根系生長(zhǎng)，提高作物產(chǎn)量[8-9]；深耕在打破犁底層限制的同時(shí)，減少養(yǎng)分表聚[10]、土傳病蟲害的傳播[11]，但長(zhǎng)期深松、深耕也易造成土壤結(jié)構(gòu)破壞，降低土壤肥力。隋鵬祥等[12]研究了耕作方式和秸稈還田對(duì)土壤養(yǎng)分的影響，指出翻耕、旋耕與秸稈還田組配能夠提高土壤表層養(yǎng)分含量。還有研究表明，免耕、深松、翻耕3種耕作方式組合、輪換耕作，能夠有效地克服長(zhǎng)期單一耕作方式的缺陷[13]。為此，筆者采用免耕、深松、翻耕3種耕作方式組合、輪換，探討了其對(duì)關(guān)中平原新增耕地生土快速熟化的作用，現(xiàn)將結(jié)果報(bào)道如下，以期為我國新增耕地快速熟化提供借鑒。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)在陜西省土地工程建設(shè)集團(tuán)秦嶺野外監(jiān)測(cè)中心站生土快速熟化技術(shù)集成研究試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行。試驗(yàn)區(qū)地處東經(jīng)107°54′5′′、北緯34°8′25′′，位于陜西省關(guān)中平原西部，南依秦嶺，北臨渭水，屬黃河中游川塬溝壑區(qū)，為暖溫帶大陸性半濕潤氣候，年平均氣溫12.9℃、降水609.5 mm、日照2 015.2 h、無霜期218 d。種植制度主要為冬小麥、玉米輪作，一年兩熟。土壤為黃土母質(zhì)發(fā)育的褐土，剖面構(gòu)型為A11-A12-Ab-Bt-Bk型。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)共設(shè)4種組合耕作方式(表1)，每種方式小區(qū)面積33 m2(長(zhǎng)6 m×寬5.5 m)、重復(fù)3次，每小區(qū)間隔60 cm。

表1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)的耕作方式

1.3 試驗(yàn)操作方法

耕作方式試驗(yàn)小區(qū)土壤均用取自當(dāng)?shù)氐纳龄伕?、人為機(jī)械壓實(shí)、靜置1年，后按設(shè)計(jì)操作。供試土壤為粉壤土，pH為8.10，電導(dǎo)率為139.90 μS/cm，速效鉀含量147.21 mg/kg，有效磷含量19.33 mg/kg，全氮含量0.69 g/kg,有機(jī)質(zhì)含量3.18 g/kg。根據(jù)耕作方式的不同，在每季作物播種前，采用人工方式(因小區(qū)面積限制)對(duì)試驗(yàn)小區(qū)土壤進(jìn)行深松或翻耕。其中：深松的深為25～30 cm，翻耕的深為20～22 cm，深度誤差±2 cm；免耕的為覆蓋耕作，作物收獲后秸稈運(yùn)抵集中處理場(chǎng)處理。

試驗(yàn)小區(qū)作物種植：第一季為2017年6—10月種植夏玉米，第二季為2017年10月至2018年6月種植冬小麥，第三季為2018年6—10月種植夏玉米。

試驗(yàn)小區(qū)夏玉米施肥按陜西省農(nóng)業(yè)農(nóng)村廳推薦的農(nóng)田氮、磷、鉀肥施用量進(jìn)行。施用量均為N 150 kg/hm2、P2O5120 kg/hm2、K2O 90 kg/hm2，肥料為尿素、磷酸二銨、氯化鉀。試驗(yàn)小區(qū)采用定量滴灌方式灌溉，保證夏玉米和冬小麥生長(zhǎng)所需水分。其他管理如施藥等均一致。

1.4 指標(biāo)檢測(cè)

土壤養(yǎng)分是土壤肥力的重要指標(biāo)，土壤養(yǎng)分含量的多寡一般決定了作物產(chǎn)量的高低。土壤有機(jī)質(zhì)等養(yǎng)分含量和作物產(chǎn)量是表征土壤熟化程度的重要指標(biāo)[18]。因此，試驗(yàn)各耕作方式的差異采用土壤有機(jī)質(zhì)等養(yǎng)分含量和玉米產(chǎn)量指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

土壤養(yǎng)分：各耕作方式均在2018年10月第三季夏玉米收獲后，用土鉆按對(duì)角線法每小區(qū)鉆取3鉆0～20 cm耕層土壤，混合制備成土樣，測(cè)定土壤有機(jī)質(zhì)、陽離子交換量、全氮、有效磷和速效鉀含量。

玉米產(chǎn)量：第三季夏玉米收獲時(shí)，各小區(qū)剔除邊行玉米植株，清點(diǎn)并校正田間玉米實(shí)有株數(shù)；各小區(qū)選取中間2行收獲，統(tǒng)計(jì)穗數(shù)；各小區(qū)隨機(jī)選擇3個(gè)樣點(diǎn)，每個(gè)樣點(diǎn)每3穗取1穗，統(tǒng)計(jì)穗粒數(shù)、百粒重等。玉米(理論)產(chǎn)量按株數(shù)×結(jié)穗率×穗粒數(shù)×百粒重/100 000計(jì)算。

2 結(jié)果與分析

2.1 耕作方式對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)和陽離子交換量的影響

由表1可知，各耕作方式土壤有機(jī)質(zhì)含量為7.66～8.94 g/kg，均值為8.23 g/kg，變異系數(shù)為0.059，不同耕作方式的土壤有機(jī)質(zhì)含量差異較小、數(shù)值穩(wěn)定；土壤陽離子交換量(CEC)為14.83～15.13 cmol/kg，均值為15.00 cmol/kg，變異系數(shù)為0.008，不同耕作方式的土壤陽離子交換量差異較小、數(shù)值穩(wěn)定。表明土壤有較強(qiáng)的保肥、酸堿緩沖能力[14]。各耕作方式中，A4的土壤有機(jī)質(zhì)含量和CEC最大，其次為A1、A3、A2，表明不同耕作方式對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)含量和CEC有一定程度的影響，但影響程度較小。

與初始土壤有機(jī)質(zhì)含量比較，A1、A2、A3、A4耕作方式有機(jī)質(zhì)含量分別提高了163.52%、140.88%、149.37%和181.13%，有效改善了土壤有機(jī)質(zhì)含量，其中A4耕作方式提升效果最為明顯。

與試驗(yàn)區(qū)當(dāng)?shù)厝珖诙瓮寥榔詹榈母赝寥烙袡C(jī)質(zhì)和CEC值比較，各生土熟化試驗(yàn)小區(qū)的土壤有機(jī)質(zhì)含量均低于當(dāng)?shù)馗赝寥烙袡C(jī)質(zhì)含量，其中A1低31.9%、A2低37.7%、A3低35.5%、A4低27.3%，表明各不同耕作方式雖然對(duì)生土熟化有機(jī)質(zhì)含量提高有一定的促進(jìn)作用，但因熟化時(shí)間較短效果不顯著，需要較長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行熟化。各生土熟化試驗(yàn)小區(qū)的CEC值與當(dāng)?shù)厝珖瓮寥榔詹榈母赝寥繡EC值基本一致，差值在±1%左右，表明現(xiàn)階段生土熟化的土壤酸堿緩沖能力與當(dāng)?shù)馗魍寥老喈?dāng)，具有較強(qiáng)的保肥能力。

表2 不同耕作方式的土壤有機(jī)質(zhì)含量和CEC

2.2 耕作方式對(duì)土壤氮磷鉀的影響

由表3可知，4種耕作方式的土壤全氮含量是A1

與土壤初始氮磷鉀含量比較，A1、A2、A3、A4耕作方式下全氮的含量分別降低了33.33%、27.54%、17.39%和23.19%，有效磷含量分別降低了39.11%、2.74%、33.06%和55.35%，與現(xiàn)有耕作方式對(duì)土壤養(yǎng)分影響研究不一致，需要后期進(jìn)一步研究；速效鉀含量變化不一致，A1、A2、A3耕作方式下分別提高了14.35%、4.82%和24.52%，A4耕作方式下速效鉀含量降低了4.15%，其作用機(jī)理需要進(jìn)一步研究。

表3 試驗(yàn)耕作方式的土壤氮磷鉀含量

2.3 耕作方式對(duì)玉米產(chǎn)量的影響

由表4可知，A2耕作方式的玉米平均穗粒數(shù)最多，A3耕作方式的玉米穗數(shù)最多，A4耕作方式的玉米百粒重最大，玉米理論產(chǎn)量值排序?yàn)锳4>A2>A3>A1。不同耕作方式理論產(chǎn)量以A1耕作方式理論產(chǎn)量為1個(gè)計(jì)算單位，則A2耕作方式理論產(chǎn)量為1.043，A3耕作方式理論產(chǎn)量為1.021，A4耕作方式理論產(chǎn)量為1.064；即：A2耕作方式下的產(chǎn)量較之A1提高4.3%，A3耕作方式產(chǎn)量較之A1提高2.1%，A4耕作方式產(chǎn)量較之A1提高6.4%，A4耕作方式下夏玉米的理論產(chǎn)量值最高，表明A4耕作方式對(duì)夏玉米產(chǎn)量影響最大，其次為A2，A3次之，A1耕作方式相對(duì)其他3種耕作方式對(duì)夏玉米產(chǎn)量的影響最小。

表4 試驗(yàn)耕作方式的玉米產(chǎn)量

3 結(jié)論與討論

不同耕作方式下的土壤養(yǎng)分含量變化不同，但整體而言，均對(duì)提升土壤肥力有積極作用，與已有研究結(jié)果一致[13]。現(xiàn)有研究不同耕作方式對(duì)土壤理化性質(zhì)的報(bào)道，主要集中于耕地土壤養(yǎng)分層化[5]、耕地土壤物理特性[1]等方面，本研究的目的在于提升新增耕地的土壤質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)生土快速熟化、滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)要求。從試驗(yàn)結(jié)果看，不同耕作方式小區(qū)的土壤有機(jī)質(zhì)含量小于當(dāng)?shù)赝寥莱Ｒ?guī)含量，而有研究表明免耕能夠提高土壤有機(jī)質(zhì)含量[15-16]，后續(xù)研究中免耕措施的輪換次序和次數(shù)可適當(dāng)調(diào)整；CEC明顯大于當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)數(shù)值，表明現(xiàn)階段的耕作方式能夠保障生土快速熟化過程中實(shí)現(xiàn)CEC的增加并符合有機(jī)質(zhì)和CEC的相關(guān)關(guān)系[17]；試驗(yàn)區(qū)位于秦嶺峪河洪積扇臺(tái)塬區(qū)，耕地肥力等級(jí)介于7～8級(jí)，對(duì)試驗(yàn)小區(qū)耕地按照《全國耕地類型區(qū)、耕地地力等級(jí)劃分》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行等級(jí)劃分，試驗(yàn)小區(qū)CEC值均大于12.0；有機(jī)質(zhì)、全氮、速效鉀含量值介于劃分標(biāo)準(zhǔn)值之間；有效磷含量基本介于劃分標(biāo)準(zhǔn)值之間(A2=18.8 mg/kg>15 mg/kg)；表明試驗(yàn)小區(qū)耕地質(zhì)量最低達(dá)到八類地，與實(shí)際生產(chǎn)相符，產(chǎn)量值與當(dāng)?shù)赜衩桩a(chǎn)值類似且稍有富足，說明不同耕作方式進(jìn)行組合形成不同的耕作方式，有助于土壤肥力的快速提升、加快生土熟化過程，使不具有生產(chǎn)力或生產(chǎn)力較低的新增耕地達(dá)到正常生產(chǎn)水平。

根據(jù)上述分析討論可以看出，A4耕作模式下作物產(chǎn)量最高，提升土壤有機(jī)質(zhì)效果最好，但對(duì)于土壤氮磷鉀的提升效果均為負(fù)值，這是生土熟化研究機(jī)理方面的缺失，需要進(jìn)一步研究。