不同耕作措施對東北玉米農(nóng)田土壤物理性質(zhì)的影響

馬星竹，邊道林，郝小雨，唐曉東，周寶庫

(1.黑龍江省黑土保護(hù)利用研究院/黑龍江省土壤環(huán)境與植物營養(yǎng)重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150086；2.黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150086)

0 引 言

農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)是地球生態(tài)系統(tǒng)中最重要的系統(tǒng)之一，滿足了世界三分之二的糧食需求，其受到自然因素和人為因素的共同影響[1]。農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中的人類活動，如耕作和植物殘體還田管理，是改變土壤物理、化學(xué)以及生物性質(zhì)的主要因素[2]。合理的耕作方式能夠改善土壤特性，提高資源利用率，培肥土壤以及提高土地生產(chǎn)力，對土壤生態(tài)環(huán)境具有極為重要的影響[3-5]。

不同耕作方式是影響農(nóng)田土壤物理性質(zhì)的直接因素。有研究表明：在質(zhì)地黏重的黑土上進(jìn)行深翻耕或者超深翻耕，同時配合秸稈還田通過土層翻轉(zhuǎn)秸稈全層混合施用能夠顯著改善全耕作層土壤的物理性質(zhì)，增加耕層厚度[6]；不同耕作措施在不同土壤類型上(黃綿土、風(fēng)沙土、黑土、砂姜黑土)的研究結(jié)果表明，免耕影響土壤容重和總孔隙度，翻耕有助于降低耕層土壤滲透速率和土壤容重，深松能夠降低土壤緊實度和土壤三相比[1,7-9]；另外，與單一耕作方式相比，深松/深翻輪耕處理方式能夠增加0～50 cm土層>0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量，土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的平均重量直徑、幾何平均直徑以及穩(wěn)定率均顯著高于其他耕作處理[10]。王秋菊等人研究的秸稈集條深還田技術(shù)是耕作措施配合秸稈還田技術(shù)，結(jié)果表明該項措施能夠降低土壤容重，提高土壤田間持水量以及增加總孔隙和通氣孔隙，全面改善土壤物理性質(zhì)[11]。

東北黑土區(qū)作為中國重要的糧食生產(chǎn)基地，2020年度玉米播種面積為548.1萬hm2，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)潛力與黑土資源狀況密不可分。近年來不合理的耕作導(dǎo)致黑土出現(xiàn)退化，主要表現(xiàn)為黑土層變薄、土壤肥力下降等，進(jìn)而影響區(qū)域農(nóng)業(yè)的可持續(xù)性發(fā)展[12]。黑土區(qū)農(nóng)田土壤管理技術(shù)具有改變土壤結(jié)構(gòu)特點和影響土壤肥力狀況等作用。因此，全面了解不同耕作措施下黑土區(qū)耕層土壤物理性質(zhì)的特點，具有重要的現(xiàn)實意義。本文以東北糧食主產(chǎn)區(qū)玉米田土壤為研究對象，開展不同耕作措施對耕層土壤物理性質(zhì)指標(biāo)的影響研究，為全面、正確評價不同耕作措施的效果提供技術(shù)支撐，同時為更好地培肥土壤奠定理論基礎(chǔ)。

1 材料與研究方法

1.1 試驗區(qū)概況

2016-2019年在黑龍江省青岡縣柞崗鎮(zhèn)柞崗鄉(xiāng)(N46°41′，E126°6′)連續(xù)四年進(jìn)行了不同耕作措施的田間試驗，試驗區(qū)屬于中溫帶大陸性季風(fēng)氣候，春季干旱多風(fēng)，夏季溫?zé)岫嘤?，全年降水?77 mm，無霜期130 d左右，試驗地土壤類型為黑土，試驗前土壤速效養(yǎng)分含量分別為:堿解氮 177 mg·kg-1，速效磷為90 mg··kg-1，速效鉀為201 mg·kg-1；土壤容重1.17 g·cm-3。

1.2 試驗設(shè)計

試驗采用大區(qū)對比的方式進(jìn)行，在玉米根茬還田基礎(chǔ)上共設(shè)置了3個耕作處理，分別為(1)傳統(tǒng)耕作(CT)：秋季收獲后不進(jìn)行任何土壤耕作處理，第二年春季進(jìn)行旋耕滅茬起壟，壟上施肥播種鎮(zhèn)壓；(2)免耕-原壟卡種(NT)：秋季收獲后不進(jìn)行任何操作，第二年春季在原茬上進(jìn)行玉米播種；(3)深松(ST)：深松措施在當(dāng)季作物收獲后進(jìn)行，深度為35 cm，第二年春季在壟上施肥播種鎮(zhèn)壓。每個處理面積為650 m2(寬6.5 m×長100 m)，供試玉米品種為德美亞2號，施用肥料為緩釋肥料，其N、P2O5和K2O養(yǎng)分比例(%)為：24-12-12，每公頃施用量為750 kg，肥料作為基肥一次性施入；其他田間管理措施均與當(dāng)?shù)厣a(chǎn)方式相同；四年的耕作、施肥以及田間管理等生產(chǎn)方式均保持一致。

1.3 取樣及樣品處理

2019年秋季玉米收獲后進(jìn)行田間土壤樣品的采集工作，其中，土壤原狀土取樣方法為：采用體積為100 cm3的環(huán)刀采集0～20 cm和20～40 cm土層土壤樣品，用于土壤容重和土壤三相比的測定，每小區(qū)3次重復(fù)。同時，在兩個土層內(nèi)再分別采集一份土壤，將其放置于硬質(zhì)塑料盒內(nèi)，在實驗室進(jìn)行自然風(fēng)干，用于土壤顆粒組成測定。

1.4 土壤樣品的測定方法及計算

土壤容重采取環(huán)刀烘干法，土壤含水量采取烘干法，土壤三相比運用三相儀(DIK-1150)測定[11]，土壤顆粒組成運用激光粒度分析儀(MS-2000)。

土壤三相結(jié)構(gòu)距離(STPSD)和土壤結(jié)構(gòu)指數(shù)(GSSI)計算方法如下：

STPSD=[(Xg-50 )2+(Xg-50 )(Xg-25)+(Xy-25)2]0.5

GSSI=[(Xg-25)XyXq]0.4769

式中：STPSD-土壤三相結(jié)構(gòu)距離；GSSI-廣義土壤結(jié)構(gòu)指數(shù)；Xg-固相體積百分比(%)；Xy-液相體積百分比(%)；Xq-氣相體積百分比(%)[8]。

1.5 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2019軟件作圖，所有數(shù)據(jù)采用SPSS軟件進(jìn)行(version 19.0)分析(one-way ANOVA)。

2 結(jié)果分析

2.1 不同耕作處理下的土壤容重

由表1可得，隨著土層的加深，所有處理下土壤的容重均增加；0～20 cm土層中不同處理土壤容重變化范圍為1.08～1.20 g·cm-3，其中傳統(tǒng)耕作處理(CT)土壤容重最高，深松處理(ST)土壤容重顯著低于CT(P<0.05)；20～40 cm土層不同耕作措施下土壤容重的變化趨勢與0～20 cm土層不同，免耕處理(NT)土壤容重最高，其次為CT，ST土壤容重最低，各個處理間差異沒有達(dá)到顯著水平；與CT相比較，ST能夠顯著降低0～20 cm土層的容重，但在20～40 cm土層內(nèi)土壤容重差異不顯著，NT具有增加下層土壤容重和降低表層土壤容重的趨勢。

表1 不同耕作措施土壤容重(g·cm-3)Table 1 Soil bulk densities with different tillage treatments

2.2 不同耕作處理下的土壤三相比例

表2為不同耕作措施下0～20 cm和20～40 cm土層中土壤固相、液相以及氣相的比例。結(jié)果表明，隨著土層深度的增加，不同耕作措施下土壤的氣相比例不斷下降，液相比例和固相比例呈現(xiàn)上升趨勢。在0～20 cm土層中，土壤固相比例大小順序依次為CT、NT以及ST，ST顯著低于傳統(tǒng)耕作(P<0.05)；土壤液相比例表現(xiàn)為NT>CT>ST，土壤氣相比例表現(xiàn)為ST>NT>CT，其中，ST土壤氣相比例顯著高于CT(P<0.05)；下層土壤即20～40 cm土層中，不同處理間土壤固相、液相比例差異不顯著，深松處理后，土壤氣相比例顯著高于其他處理(P<0.05)。

表2 不同耕作措施農(nóng)田下土壤三相比Table 2 Three phase ratios of soil with different tillage treatments(0～40 cm)

2.3 不同耕作處理下的土壤結(jié)構(gòu)指數(shù)變化

不同耕作措施對0～20 cm土層土壤的結(jié)構(gòu)指數(shù)影響小于下層土壤(20～40 cm)(表3)，在20～40 cm土層中，ST處理土壤的GSSI為70.3，顯著高于CT和NT(P<0.05)，較其他兩個處理的GSSI分別提高了38.4%和18.1%；同時，ST處理能夠顯著增加0～20 cm土壤STPSD值，顯著降低20～40 cm的STPSD值(P<0.05)。

表3 不同耕作措施下農(nóng)田土壤結(jié)構(gòu)指數(shù)(GSSI)和土壤三相結(jié)構(gòu)距離(STPSD)Table 3 Soil structure index and soil three-phase distance structure with different tillage treatments

2.4 不同耕作處理下的土壤顆粒組成變化

對不同耕作措施下0～20 cm和20～40 cm土層中的0～0.002 mm、0.002～0.02 mm、0.02～0.2 mm以及0.2～2 mm四個土壤顆粒所占的比例研究，結(jié)果表明(圖1)，0～20 cm土層中，與CT相比較，NT和ST條件下0～0.002 mm的土壤顆粒所占比例下降；與其他兩個處理相比，NT 的0.002～0.02 mm和0.02～0.2 mm兩個等級的顆粒比例最小，而0.2～2 mm顆粒所占比例最高；ST的0.002～0.02 mm和0.02～0.2 mm兩個等級顆粒所占比例較高，達(dá)到90%以上，高于CT和NT的80%和65%，0～20 cm土層中土壤顆粒0.002～0.2 mm等級中所占比例大小依次為ST>NT>CT。

注：CT代表傳統(tǒng)耕作；NT代表免耕；ST代表深松。Note :CT indicates conventional tillage;NT indicates no tillage;ST indicates subsoiling tillage.圖1 不同耕作措施條件下農(nóng)田土壤顆粒組成Fig.1 Soil particle compositions with different tillage treatments

下層土壤即20～40 cm土層中，不同耕作措施下土壤顆粒分布與上層土壤不同，結(jié)果如下：0～0.002 mm等級中，各處理間所占比例相差較??；與CT處理相比，0.002～0.02 mm和0.02～0.2 mm兩個等級中NT和ST所占比例略高，大顆粒等級0.2～2 mm中NT和CT處理具有一定的比例(約2%～4%左右)，而ST中沒有大顆粒等級土壤；0.002～0.2 mm等級中所占比例大小依次為ST>NT>CT。

3 討論

3.1 不同耕作處理對土壤容重的影響

本研究中深松處理降低了上層土壤(0～20 cm)容重，而傳統(tǒng)耕作處理增加土壤容重，但下層土壤中(20～40 cm)，各處理間土壤容重差異不顯著。免耕處理土壤容重最高，其次為傳統(tǒng)耕作，深松處理最低，表明深松處理有助于降低0～40 cm土層的土壤容重，其中顯著影響0～20 cm土層土壤容重，說明深松可有效打破犁底層，改善土壤結(jié)構(gòu)，降低土壤容重；這一結(jié)果與諸多研究學(xué)者的研究結(jié)果相似，例如種植玉米后，與對照(旋耕)相比，深旋松能夠降低棕壤容重，降低約7%左右，與深松耕相比，深旋松可使土壤容重降低約5%[13]。深松耕作對上層土壤容重降低作用大于下層土壤，可能的一個原因是由于土壤自然沉降及降雨，在玉米生長中后期，各土層容重有所增加[14]；對于深松處理的效果也存在其他研究結(jié)果，例如張洋和王鴻斌[15]研究的免耕+深松+秸稈全部覆蓋+根茬全部還田的新型耕作模式，其能夠降低土壤容重。Tomasz和Bogdan的研究表明，3年連續(xù)免耕覆蓋處理下，淋溶黑鈣土的容重降低，與常規(guī)耕作數(shù)值相似，由于殘茬覆蓋降低了土壤容重，特別是在免耕系統(tǒng)中，這可歸因于較高的土壤碳含量和土壤生物活性[16]；另外，與常規(guī)耕作相比，免耕處理有降低土壤容重的趨勢，即耕作處理可引起土壤容重增加，這與耕作措施對土壤的壓實作用相關(guān)。黃尚書等[17]研究表明，與免耕處理相比，耕作處理(翻耕+深松)增加了對應(yīng)耕作深度土層土壤非毛管孔隙度，降低了對應(yīng)耕作深度土層土壤毛管孔隙度，一定程度內(nèi)擠壓造成大孔隙減少、小孔隙度增加，說明耕作處理會產(chǎn)生土壤壓實現(xiàn)象。

3.2 不同耕作處理對土壤三相比例的影響

土壤三相關(guān)系是指土壤中固相、液相、氣相三相的數(shù)量關(guān)系。土壤三相的狀態(tài)不僅反映固相、氣相和液相在土壤中的多少及所占的比例，而且包括各相的能量狀態(tài)、結(jié)構(gòu)和物理特性。本研究結(jié)果中，與上層土壤三相比例變化相比，免耕處理增加了下層土壤的固相比例，降低了土壤液相比例，深松處理能夠增加表層土壤的通透性，提高氣體所占比例，減少固體質(zhì)量，同時，免耕處理有助于增加表層土壤的液相比例，即提高土壤水分含量。張洋和王鴻斌[15]研究表明，免耕、深松、秸稈全部覆蓋和根茬全部還田的新型耕作方式能夠增加土壤三相比；土壤液相是指土壤水分，實際上是土壤溶液。李玉梅等[18]對不同耕作措施下旱地土壤水分動態(tài)變化的研究結(jié)果表明，免耕處理能夠提高玉米成熟期草甸土30 cm以下土層含水量，同一土層中深翻處理較淺翻處理土壤含水量提高3.23%～8.41%。從作物生育期來看，免耕措施使得土壤具有更好的貯水能力，可提高土壤含水量[19]。然而，在降雨量較少時期，深旋松耕能很好地保存水分，為作物高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)提供良好的土壤水分條件[20]。

3.3 不同耕作處理對土壤結(jié)構(gòu)指數(shù)的影響

理想的土壤三相比例是固相所占比例為50%，液相和氣相分別占25%[21-22]。GSSI代表廣義土壤結(jié)構(gòu)指數(shù)，土壤結(jié)構(gòu)越接近理想狀態(tài)，GSSI越接近100，STPSD 代表土壤三相結(jié)構(gòu)距離，土壤三相結(jié)構(gòu)越接近理想狀態(tài)，STPSD值越接近0，GSSI和STPSD與土壤物理指標(biāo)關(guān)系密切[23]。本研究結(jié)果表明，深松處理能夠顯著提高下層土壤的GSSI值，同時顯著降低STPSD值，深松處理的STPSD值為15.0，顯著低于其他兩個處理(18.4和17.7)，李曉龍等[21]研究結(jié)果與本研究結(jié)論一致。同時，本研究中深松處理對于20～40 cm土層的土壤結(jié)構(gòu)指數(shù)影響較大，而對于下層土壤容重影響較小，主要原因可能與下層土壤固、液、氣三相各自的性質(zhì)相關(guān)，例如固體顆粒的排列方式與粒級大小、液相飽和程度、有效氣體含量等指標(biāo)[24]，不僅僅與土壤容重呈正相關(guān)關(guān)系，其中的具體關(guān)系有待于進(jìn)一步研究。深松處理使得耕層土壤物理結(jié)構(gòu)更加接近理想狀態(tài)。另外，耕作措施可以影響土壤狀況，例如，翻耕可以改善土壤物理性狀，增強土壤通氣性等[25]。

3.4 不同耕作處理對土壤顆粒組成的影響

土壤粒度是重要的土壤物理指標(biāo)之一，母質(zhì)、氣候、生物、地形、植被類型和人類活動等因素與土壤粒度的分布特征關(guān)系密切[26]。土壤粒度可以用于判別土壤的成因類型、土壤顆粒的搬運動力條件研究以及農(nóng)業(yè)耕作措施的影響研究[27-29]。0～40 cm土層中，不同耕作措施條件下，0.002～0.2 mm等級中所占比例大小依次為深松>免耕>傳統(tǒng)耕作。深松可以增加0.002 mm～0.2 mm等級顆粒所占比例，促進(jìn)土壤顆粒組成的形成，主要原因可能是因為深松處理能夠改變土壤物理性質(zhì)，進(jìn)而改善了土壤結(jié)構(gòu)，這與砂姜土秸稈還田后的研究結(jié)果類似[29]。種植玉米田地區(qū)采用深松措施，不但可以持續(xù)改善土壤結(jié)構(gòu)，而且對于后續(xù)土壤培肥、水分高效利用以及提高作物產(chǎn)量等均具有重要作用。

4 結(jié)論

在東北地區(qū)深松處理對于提高土壤肥力和改善土壤性狀起到重要作用。與傳統(tǒng)耕作相比，深松處理能夠顯著降低上層(0～20 cm)土壤容重；隨著土層的加深，各耕作措施下土壤的氣相比例不斷下降，液相比例和固相比例呈現(xiàn)上升趨勢；深松處理降低了上層土壤固相比例，增加了氣相比例；下層(20～40 cm)土壤中，深松處理的氣相比例最高，土壤呈現(xiàn)較好的通氣透水狀態(tài)，而免耕處理增加了固相比例，降低了液相比例；深松處理能夠顯著增加下層土壤的結(jié)構(gòu)指數(shù)和上層土壤的三相結(jié)構(gòu)距離，使得耕層土壤物理結(jié)構(gòu)更加接近理想狀態(tài)；同時，深松處理可以增加0.002 mm～0.2 mm等級顆粒所占比例。