深松耕和綠肥還田對云南坡耕地耕層土壤物理性狀的影響

姚高乾，周 鋒，呂小蓉，楊友瓊，程 易，吳伯志，安曈昕

（云南農(nóng)業(yè)大學 農(nóng)學與生物技術(shù)學院，云南 昆明 650201）

紅壤坡耕地是云南省重要的耕地資源之一，該區(qū)域水、熱、光資源豐富，作物生產(chǎn)潛力巨大，是云南重要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)域［1］。由于長期以來農(nóng)戶不重視養(yǎng)地及盲目整地，紅壤坡耕地面臨有效耕層變淺、犁底層加厚、土壤板結(jié)程度高和地力衰減等問題，導致農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力下降［2］。耕層是人類為了栽培作物，利用耕作工具對土壤進行擾動，耕層厚度是影響土壤物理性狀變化的重要因素，肥沃耕層構(gòu)建能夠改善土壤結(jié)構(gòu)［3-4］。研究紅壤坡耕地土壤耕作方式對耕地質(zhì)量的調(diào)控及提高坡耕地生產(chǎn)地力水平具有重要意義。傳統(tǒng)的耕作是對土壤進行多次翻耕，這樣可以快速去除混合作物留茬，促進養(yǎng)分利用，但造成耕層團聚體破壞程度加大，導致耕層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性減弱，從而使得耕層變?。?］。近些年隨著保護性耕作措施的發(fā)展，免耕成為廣泛推廣的方式［6］，大量研究表明，免耕能提高土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，減少耕層破壞，但若長期免耕會導致耕層變淺，土壤容重、緊實度、剪切力不斷增加，從而不利于作物生長發(fā)育［7］。針對不同耕作措施對坡耕地農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來的影響，許多學者主要從坡耕地土壤理化性質(zhì)和作物產(chǎn)量等方面進行研究［8-10］。徐迪等［10］通過平原地區(qū)試驗發(fā)現(xiàn)，深松耕處理顯著降低土壤容重，增加孔隙度，耕層土壤水分傳導性得到改善。丁昆侖等［8］通過比較試驗發(fā)現(xiàn)，深松耕可以打破犁底層，增加孔隙度，提高蓄納雨水能力以及粘土入滲能力，從而提高玉米產(chǎn)量。黃尚書等［9］通過坡耕地區(qū)域試驗發(fā)現(xiàn)，壓實導致含水量、孔隙度等土壤物理性質(zhì)產(chǎn)生負面影響，進而影響作物產(chǎn)量，深松耕對表層土壤物理性狀改善效果較好，避免機械壓實聯(lián)合深松耕是緩解農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的突破口。

但是隨著對耕作技術(shù)研究和應(yīng)用的深入，以不同耕作方式與秸稈還田對土壤物理性狀的影響研究居多［11-12］，耕作方式與其他種植措施的集成技術(shù)研究較少，坡耕地耕層結(jié)構(gòu)退化及質(zhì)量下降需要從多方面進行修復，單一耕作方式不僅不能促進作物增產(chǎn)，反而會對土壤生態(tài)造成不利影響［13］。探究耕作方式、秸稈還田和多樣性種植復合措施對土壤結(jié)構(gòu)的改善和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有一定的影響。前人對此有一定的研究，叢聰［14］研究表明，深松20 cm+翻耕20 cm并增施牛糞能增加深層土壤孔隙度且提高土壤持水與導水能力，維持整個生育期的作物生長。韓成衛(wèi)等［15］研究表明，深松+秸稈還田耕作模式的松土保墑和玉米增產(chǎn)效果最好。王琦明等［16］研究表明，間作集成免耕秸稈覆蓋的農(nóng)田復合生產(chǎn)系統(tǒng)降低作物單位耗水，持續(xù)改善土壤蓄水能力。張曉艷［17］研究表明，免耕秸稈覆蓋下間作種植復合技術(shù)能降低土壤容重、緊實度，提高孔隙度，減少土壤團聚體的破壞率。適宜的耕作措施及種植方式對耕層結(jié)構(gòu)改善及作物產(chǎn)量的提高具有重要實踐意義，間套作與保護性耕作具有互惠互補的生態(tài)學“契合基礎(chǔ)”，將二者集成于同一個系統(tǒng)，不僅可以改善耕層結(jié)構(gòu)，降低土壤容重、緊實度等物理性狀，還可以實現(xiàn)集約化農(nóng)作對耕地資源與水資源的高效利用［18］。

本試驗以滇東北地區(qū)長期規(guī)?；姆N植模式玉米間作馬鈴薯為研究對象，集成應(yīng)用綠肥還田與深松耕技術(shù)，重點研究長期不同措施對土壤緊實度、容重、剪切力等物理性狀的影響，探究玉米間作馬鈴薯生產(chǎn)系統(tǒng)中適宜的土壤耕作措施，為坡耕地合理耕層持續(xù)性改善及農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于宣威市板橋鎮(zhèn)試驗基地，海拔1923 m，E 104°1′19″，N 26°7′26″，為典型的喀斯特沙性紅壤地區(qū)。試驗地土壤pH為6.71，有機質(zhì)44.02 g·kg-1，全氮1.86 g·kg-1，堿解氮78.76 mg·kg-1，有效磷130.1 mg·kg-1，速效鉀158.9 mg·kg-1。該試驗區(qū)地處云貴高原，屬南溫帶高原季風氣候，年平均氣溫13.4 ℃，年降水量為934.41 mm，降水集中在6～8月，占全年降水量的55.9%。

1.2 試驗材料

玉米（Zea maysL.）：宣黃單8號；馬鈴薯（Solanum tuberosumL.）：宣薯2號；光葉紫花苕（Vicia villosa RothvarL.），來自當?shù)剞r(nóng)家種子。

1.3 試驗設(shè)計

試驗采用單因素隨機區(qū)組設(shè)計，共設(shè)置6個處理：T1.玉米單作；T2.玉米/苕子；T3.玉米‖馬鈴薯；T4.玉米‖馬鈴薯/苕子；T5.深松耕+玉米/苕子；T6.深松耕+玉米‖馬鈴薯/苕子。每個處理4次重復，共24個小區(qū)，小區(qū)坡度為6～8°。各小區(qū)面積70 m2（20 m×3.5 m），各小區(qū)間隔0.5 m，合計1680 m2。深松處理于每年2月下旬進行，間隔深松深度40 cm，所有處理小區(qū)均進行旋耕15 cm土壤耕作。

1.4 作物種植

田間作物種植示意圖如圖1，玉米單作種植規(guī)格為：寬窄行處理，行距為40 cm+80 cm，株距為20 cm，密度為82500株·hm-2；間作玉米種植規(guī)格為：寬行距為140 cm，窄行距為50 cm，間距為50 cm，株距為20 cm，密度為52500株·hm-2；間作馬鈴薯種植規(guī)格為：間作玉米140 cm寬行距中，行距為50 cm，間距為40 cm，株距為35 cm，密度為28500株·hm-2。光葉紫花苕采用種子直播，播種量為120 kg·hm-2。

種植方式：馬鈴薯采用打塘穴播，播種時間分別為2016年3月22日、2017年3月12日、2018年4月1日和2019年3月18日；玉米采用覆膜溝播種植，先覆膜（地膜為可降解黑膜）后播種，播種時間分別為2016年4月13日、2017年4月2日、2018年5月1日和2019年8月25日；光葉紫花苕采用種子直播，在馬鈴薯收獲后進行套種，播種時間分別為2016年9月14日、2017年9月27日、2018年9月15日和2019年8月25日。

1.5 土壤物理性狀及測定方法

土壤緊實度：采用英國制造的6120指針式土壤緊實度儀，按照“S”型隨機觀測法測點，測取0～20 cm土層。于玉米苗期、抽雄期、收獲期進行測定，各處理進行3次重復。

土壤容重：在玉米苗期及收獲后分別采用環(huán)刀法測定土壤容重。每個小區(qū)選取中間位置挖取土壤坡面，然后采用環(huán)刀分別取0～10、10～20 cm兩層土壤樣品，稱重后將環(huán)刀置于烘箱中，在105℃下烘干至恒重，倒出烘干后的土壤，稱取單個環(huán)刀質(zhì)量。土壤容重通過如下公式計算：

式中：ρb為土壤容重（g/cm3）；m1為環(huán)刀烘干土樣與環(huán)刀質(zhì)量（g）；m2為環(huán)刀質(zhì)量（g）；v為環(huán)刀容積（cm3），為100 cm3。

土壤剪切力：在玉米苗期和收獲期，同一區(qū)組內(nèi)沿同一等高線挖取坡面，并用小刀撥出一平面，分0～10、10～20 cm兩層進行測量。采用荷蘭產(chǎn)的便攜式14.10 Pocket Vane Tester型三頭抗剪儀進行測量，該儀器備有3個旋頭，本試驗均采用CL102型號（小號）。測定時垂直向下，盡量保持原狀土結(jié)構(gòu)，分坡上、坡中和坡下測定，各處理3次重復。

1.6 試驗數(shù)據(jù)處理

用Excel 2010和SPSS 25.0軟件對所得的數(shù)據(jù)進行計算、整理、統(tǒng)計分析，利用Duncan法對數(shù)據(jù)進行差異性檢驗。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對耕層土壤緊實度的影響

土壤緊實度是影響作物根系扎根力的重要因素，也是判斷土壤耕層質(zhì)量優(yōu)劣的重要指標。但土壤緊實度受土壤耕作方式和降雨強度影響較大［19-20］，采取時間節(jié)點分析不同處理對土壤緊實度的影響。由表1可知，土壤緊實度4年規(guī)律總體表現(xiàn)為T6＜T5＜T4＜T3＜T2＜T1。

2016年玉米收獲期，T1、T2、T3與T4的土壤緊實度分別較T6高出20.45%、21.41%、15.01%和12.94%；且T6與T1、T2土壤緊實度差異極顯著（P＜0.01），T6與T3差 異 顯 著（P＜0.05），與T4差異不顯著。2017年玉米收獲期，T6與對照T1相比，土壤緊實度減少15.06%，且差異顯著（P＜0.05），與其他處理差異不顯著。2018年玉米收獲期，T1、T2、T3與T4的土壤緊實度分別較T6高44.56%、45.93%、40.02%和36.37%；且T6與其他處理均達到極顯著差異（P＜0.01），T1與T2差異不顯著，T3與T4差異不顯著。2019年玉米收獲期，T6與T1、T2相比，土壤緊實度分別減少16.75%、12.06%，且差異極顯著（P＜0.01），與其他處理差異不顯著。經(jīng)過4年連續(xù)耕作發(fā)現(xiàn)，深松耕、綠肥還田、間作集成技術(shù)較其他處理，不同年份不同時期均能降低土壤緊實度，有利于土壤疏松多孔，促進根系扎根。

2.2 不同處理對耕層土壤容重的影響

由表2可知，不同處理對不同耕層土壤容重影響差異不一致，對0～10 cm土壤容重影響最小，無論是苗期還是收獲期各處理間差異均不顯著。對10～20 cm土壤容重的影響達到了顯著水平（P＜0.05），無論是苗期還是收獲期，土壤容重規(guī)律表現(xiàn)為T6＜T3＜T4＜T5＜T1＜T2。在10～20 cm土層中，2016年玉米收獲期，T6與T2相比，土壤容重降低9.07%，且差異顯著（P＜0.05），T6與其他處理無顯著差異；2017年玉米收獲期，T6與T1、T2相比，土壤容重分別降低7.00%和9.74%，且差異顯著（P＜0.05），T6與其他處理無顯著差異；2018年玉米收獲期，T6與T1、T2相比，土壤容重分別降低3.86%和4.58%，且差異極顯著（P＜0.01），T6與其他處理無顯著差異；2019年玉米收獲期，T6與T1、T2相比，土壤容重分別降低3.17%和3.94%，T6與T1、T2、T4差異顯著（P＜0.05），T6與T3、T5無顯著差異。說明經(jīng)過4年連續(xù)耕作，在10～20 cm土層深松耕、綠肥還田、間作集成技術(shù)與其他處理相比，降低了土壤容重。

由表2還可以看出，雖然不同的處理對不同深層土壤容重的影響不一樣，但隨著土層深度的增加，土壤容重增加明顯，對比不同年份不同時期不同耕層土壤容重的變化可以發(fā)現(xiàn)，隨著處理開展之后時間的延長，表現(xiàn)出后期土壤容重大于前期，但深松耕、綠肥還田、間作集成技術(shù)能明顯緩解土壤容重隨著時間的增加而變大的趨勢。

2.3 不同處理對耕層土壤剪切力的影響

由表3可知，不同處理對不同耕層土壤剪切力影響差異不一致，對0～10 cm土壤剪切力影響最小，隨著年份的增加，差異不顯著。對10～20 cm土壤剪切力的影響在玉米苗期均達到了極顯著水平（P＜0.01），土壤剪切力規(guī)律表現(xiàn)為T6＜T5＜T3＜T4＜T1＜T2。在10～20 cm土層中，2016年玉米苗期，T1、T2、T3與T4的土壤剪切力分別較T6高出24.36%、38.99%、41.40%和43.89%；且T6與T4土壤剪切力差異極顯著（P＜0.01），T6與T1、T2、T3差異顯著（P＜0.05）；2017年玉米苗期，T1、T2和T4的土壤剪切力分別較T6高出91.26%、134.19%和42.93%，且差異顯著（P＜0.05），與其他處理差異不顯著；2018年玉米苗期，T6土壤剪切力最小，T1土壤剪切力最大，且T6與其他處理均差異極顯著（P＜0.01）；2019年玉米苗期和收獲期，T6與T1、T2相比，土壤剪切力平均值分別減少24.39%和26%，且差異極顯著（P＜0.01）。說明經(jīng)過4年連續(xù)耕作，在10～20 cm土層中，深松耕、綠肥還田、間作集成技術(shù)與其他處理相比，降低了土壤剪切力。

表2 不同處理耕層土壤容重方差分析 （g/cm3）

表3 不同處理耕層土壤剪切力方差分析 （kg/cm2）

由表3還可以看出，雖然不同的處理對不同年份不同深層土壤剪切力的影響不一樣，但隨著土層深度的增加，土壤剪切力增加明顯，對比不同年份不同時期不同耕層土壤剪切力的變化可以發(fā)現(xiàn)，隨著處理開展之后時間的延長，表現(xiàn)出后期土壤剪切力大于前期，但深松耕、綠肥還田、間作集成技術(shù)能明顯緩解土壤剪切力隨著時間的增加而變大的趨勢。

3 討論

深松耕、綠肥還田和間作集成技術(shù)隨著連年處理，土壤緊實度、剪切力和土壤容重都不同程度降低，其中土壤緊實度表現(xiàn)最明顯，在玉米收獲期，集成技術(shù)與對照相比，4年分別降低16.98%、15.06%、30.82%和16.75%，這與王萬寧［21］、孔曉民等［22］、蔡麗君［23］、李霞等［24］、張麗等［25］的試驗結(jié)果相似，即深松耕與旋耕相比，均能降低土壤緊實度，是改善耕層結(jié)構(gòu)的有效措施，主要原因是試驗前經(jīng)過深松耕作，打破犁底層，土壤物理性狀引起土壤結(jié)構(gòu)較大變化，而旋耕深度15 cm左右，導致深層結(jié)構(gòu)變化較小，對緊實度的影響較小。本試驗通過技術(shù)集成，不僅將深松耕打破犁底層作用體現(xiàn)出來，而且利用間作馬鈴薯收獲過程中對土壤耕層進行破壞，降低了土壤緊實度，但目前并無相關(guān)文獻研究關(guān)于馬鈴薯收獲過程對土壤緊實度的影響，需要進一步驗證。

本研究表明，通過技術(shù)集成可以降低10～20 cm土層容重，在玉米收獲期表現(xiàn)顯著，集成技術(shù)與對照相比，4年分別降低4.60%、7.00%、3.86%和3.17%，這與徐永剛等［26］、戰(zhàn)秀梅等［27］、王萬寧等［28］、劉衛(wèi)玲等［29］的試驗結(jié)果一致，即深松耕降低土壤容重，提高土壤孔隙度。劉衛(wèi)玲等［29］認為雖然深松耕可以降低土壤容重，但單一深松耕作會使耕層土壤的持水能力下降，引起作物吸水能力不足。但本試驗通過集成技術(shù)不僅降低土壤容重，而且通過間作及綠肥還田能夠充分利用耕層田間持水量，這與徐永剛等［26］試驗結(jié)果一致。并且該技術(shù)集成也保持良好的土壤容重范圍［1］，宋鴿等［1］認為坡耕地合理耕層適宜性閥值土壤容重為0.92～1.21 g/cm3，本試驗土壤容重為1.04～1.37 g/cm3。同時在本研究中，土壤剪切力的表現(xiàn)規(guī)律與土壤容重保持一致，集成技術(shù)與對照相比，在玉米苗期，10～20 cm土壤剪切力4年分別減少19.59%、47.72%、23.4%和28.31%。因此，通過技術(shù)集成可以持續(xù)改善土壤耕層結(jié)構(gòu)，提高耕地質(zhì)量。

前人的研究結(jié)果主要集中在單一土壤耕作方式或深松耕與秸稈還田量對土壤容重、緊實度、含水量等物理性狀的影響［30-31］，而本試驗以滇東北長期規(guī)?；N植模式（玉米間作馬鈴薯）為研究對象，將其與深松耕和綠肥還田結(jié)合并集成應(yīng)用相關(guān)技術(shù)措施，不僅可以降低土壤容重、緊實度和剪切力等物理性狀，而且還增加間作群體產(chǎn)量。這與趙曉宇［32］、張文超［33］的研究結(jié)果一致，復合種植技術(shù)集成可以發(fā)揮各自優(yōu)勢并催生彼此間的協(xié)同效應(yīng)，減少土壤容重、緊實度，增加土壤含水量，改善耕層結(jié)構(gòu)。除此之外，土壤深松耕、作物間套復種多樣性種植復合技術(shù)也有利于作物生長發(fā)育、提高作物產(chǎn)量效益、坡耕地水土資源的利用和保護［31，34-37］。因此，本試驗集成復合技術(shù)有利于坡耕地合理耕層構(gòu)建及山區(qū)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

4 結(jié)論

經(jīng)過4年生產(chǎn)周期試驗，得出如下結(jié)論，深松耕+玉米‖馬鈴薯/苕子這一復合技術(shù)能降低土壤容重、剪切力和緊實度，并且通過連續(xù)耕作，該復合技術(shù)對玉米后期土壤容重、剪切力和緊實度等土壤物理性狀影響顯著。因此，這一復合技術(shù)適于山區(qū)坡耕地土壤耕層持續(xù)改善及農(nóng)業(yè)持續(xù)發(fā)展。