王玉玲， 李 军

(西北农林科技大学农学院， 陕西杨凌 712100)

渭北旱塬位于陕西省的中北部，冬小麦和春玉米是当地重要的粮食作物，其产量对确保陕西省粮食安全和畜牧业发展具有重要意义[1-2]。但干旱缺水和土壤贫瘠严重制约着该区农业生产的发展[3-4]。土壤是作物赖以生存的基础，土壤耕作的目的就是通过机械物理作用，改变土壤物理性状，为作物生长发育创造适宜的土壤生态环境，促进作物增产[5]。大量生产实践表明，长期采用单一土壤耕作方法会产生不利于作物生长发育的土壤环境，如长期翻耕致使土壤表层裸露，耕层疏松，失墒严重，同时形成犁底层，影响土壤蓄水、保墒和作物根系下扎；长期采用少、免耕，则会使耕层土壤容重增加，犁底层上移，耕层变浅，结构性变差，不利作物生长发育，导致作物产量降低[6-14]。然而，国内外的一些研究表明，将翻耕、深松和免耕等耕作方法按照一定轮作方式集成为特定的土壤轮耕体系，可减轻长期采用单一土壤耕作方法所带来的各种弊端，改善土壤环境[15-18]。何进等[19]研究认为，在中国北部半干旱地区，免耕与深松联合能够提高玉米产量和水分利用效率。He等[20]认为，与传统耕作相比，4年免耕加1年深松能够减少因机具作业引起的土壤压实，促进小麦增产20.9%，提高玉米经济效益49%。Vetsch等[21]研究表明，与长期免耕和带状耕作相比，凿形松土铲耕作与带状耕作轮耕能够最大程度地增加玉米和大豆产量，但其经济效益的提高并不一致。鉴此，本研究从2007年秋季开始，在渭北旱塬东部冬小麦—春玉米一年一熟轮作旱地上，以连年免耕、连年深松和连年翻耕为对照，将免耕、深松和翻耕等3种土壤耕作方式组成 3种土壤轮耕模式进行定位比较试验，旨在为渭北旱塬及同类地区建立与当地一定作物轮作方式相配套的保护性轮耕模式提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试区概况

试验区设在陕西省合阳县甘井镇西北农林科技大学旱农试验基地内，位于渭北旱塬东部(北纬35°33′、 东经110°08′)，海拔900 m，属典型半湿润易旱区。年均气温11.5℃，年日照时数2528 h，无霜期190 d，年降水量550 mm左右，年蒸发量1832.8 mm，干燥度为1.5。降水量年季间变化大，季节间分布不均匀，50%以上集中在7、8、9月份。

试验地长期采用翻耕，地势平坦，土壤为中壤质黑垆土，pH值8.2，田间持水量22.1%。2007年试验时前茬作物为春玉米，0—40 cm土层土壤容重为1.39 g/cm3，土壤有机质、全氮、全磷和全钾含量分别为9.82、0.75、0.50和6.31 g/kg，碱解氮、速效磷和速效钾分别为27.74、18.62和98.91 mg/kg。

1.2 试验设计

试验从2007年9月下旬前茬春玉米收获后开始至2011年秋春玉米收获，在旱地冬小麦—春玉米一年一熟制轮作田实行保护性轮耕定位试验，即连续保持每种轮耕处理及各对照小区的固定位置不变。

试验采用施肥和耕作二因素裂区设计，施肥为主处理，耕作为副处理。

根据陕西省农业厅对旱作冬小麦和春玉米平衡施肥推荐方案，在作物播种前，各处理基施N 150 kg/hm2、P2O5120 kg/hm2、K2O 90 kg/hm2，均匀撒施，拖拉机旋耕。试验中冬小麦和春玉米每年依次轮换种植，即第1年种冬小麦，第2年种春玉米，第3年又种冬小麦，第4年再种春玉米。冬小麦在试验期间不追肥，春玉米在大喇叭口期追施N 150 kg/hm2。

供试作物冬小麦为晋麦47，播量150 kg/hm2；春玉米为豫玉22，播量52.5 kg/hm2。冬小麦用条播机播种，行距20 cm；春玉米用点播机播种，行距66 cm、株距29 cm，每公顷留苗52500株。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 土壤容重 采用环刀法[22]，2007年秋耕后及每茬作物收获后，按0—20 cm和20—40 cm两个层次采集土样进行测定。

1.3.2 土壤养分 试验前和作物收获后，分别采集0—20 cm和20—40 cm土层土样，用于土壤养分测定。有机质采用重铬酸钾外加热法；全氮用凯氏定氮法；碱解氮用碱解扩散法；速效磷用NaHCO3浸提—钼锑抗比色法；速效钾用NH4OAC浸提—火焰光度法测定。

1.3.3 土壤水分 采用烘干法，测定0—200 cm土层土壤含水量，每20 cm土层取土，计算播前土壤贮水量(mm)。土壤贮水量计算公式：

W = h × a × b × 10/100

式中，W为土壤贮水量(mm)，h为土层深度(cm)，a为地段实测土壤容重(g/cm3)，b为土壤含水量(%)。

1.3.4 土壤水稳性团聚体 试验前和作物收获后，以“S”型5点取样法在0—10 cm、10—20 cm、20—30 cm和30—40 cm土层采集原状土，在室内自然风干后挑去粗根和小石块，并将大土块沿土壤的自然结构轻轻剥离为1 cm3左右。采用湿筛法测定不同土层的水稳性团聚体[23]。

1.3.5 作物产量构成因素 冬小麦成熟后，每小区随机取3个点，每点取1 m2，测定每1 m2的穗数，计算每公顷的有效穗数；每点取20穗，共60穗，测定穗粒数和千粒重；春玉米成熟后，每小区随机取3行，每行长10 m，测定每行的成穗数，计算每公顷的有效穗数；然后每点取10穗，共30穗，测定穗粒数和千粒重。

1.3.6 作物籽粒产量 在作物成熟后，冬小麦每小区选3个点，每点3 m2，共取9 m2，脱粒、晒干，称重计产；春玉米每小区选3个点，每点取20株，共取60株，脱粒，晒干，称重计产。

1.4 数据处理

采用SAS 8.01数据处理软件对试验数据进行单因素方差(ANOVA)分析，用LSD法进行显著性检验(P<0.05)。

2 结果与分析

2.1 不同耕作处理对土壤容重的影响

土壤容重影响土壤通透性和土壤养分的转化与利用，是衡量土壤紧实程度的重要指标。在不同土壤耕作处理下，耕层0—20 cm和耕层以下20—40 cm土壤容重差异明显。

由图1可以看出，2007年秋耕后，0—20 cm土层土壤容重呈现：连免≥免/深>连深≥深/翻>连翻≥翻/免的趋势。其中，连免和免/深、连深和深/翻、连翻和翻/免处理之间差异不显著(图1A)。连免和免/深均采用了免耕处理，平均土壤容重为1.31 g/cm3，分别高出连深、深/翻处理和连翻、翻/免处理6.5%和9.2%；连深、深/翻均采用了深松处理，平均土壤容重为1.23 g/cm3，较连翻、翻/免处理高2.5%。20—40 cm土层连免、免/深和连翻、翻/免的土壤容重均达到1.45 g/cm3，而连深和深/翻的土壤容重平均值为1.31 g/cm3，较其他耕作处理低9.7%(图1B)。

2.2 不同耕作处理对土壤养分含量的影响

在连续多年秸秆全额覆盖或全额还田处理下，各土壤耕作处理0—20 cm和20—40 cm土层土壤养分含量变化趋势基本一致。以定位试验4年后2011年春玉米收获时所测的土壤养分结果为例，分析不同耕作处理对耕层土壤养分含量的影响(图2)。与2007年试验前相比，各耕作处理2011年春玉米收获后各土层土壤养分含量均有不同程度地提高，且各耕作处理0—20 cm土层土壤养分含量均显著高于20—40 cm土层。

2.3 不同耕作处理对土壤水稳性团聚体含量的影响

土壤团聚体是土壤养分的贮藏库，特别是水稳性团聚体对保持土壤结构的稳定性有重要作用。土壤有机质与水稳性团聚体紧密相关，是土壤水稳性团聚体的主要胶结剂。以2011年春玉米收获后测定的土壤团聚体含量结果为例，分析不同耕作处理对土壤水稳性团聚体含量的影响(表1)。

2.4 不同耕作处理对作物产量的影响

图2 不同耕作处理2007年试验前和2011年作物收获后0—20 cm和20—40 cm土层土壤养分含量

表1 不同耕作处理2011年春玉米收获后0—40 cm土层各粒径水稳性团聚体含量比较(g/kg)

表2 不同耕作处理作物产量构成因素比较

图3 不同耕作处理历年作物产量比较Fig.3 Effects of different soil tillage systems on 4-year crop yields

2009年春玉米籽粒产量以免/深和深/翻处理最高，且二者显著高于其他处理(P<0.05)。免/深和深/翻较连免、连深和连翻分别显著增产22.81%、15.07%、16.28和10.99%、3.99%、5.09%(P<0.05)。2011年春玉米籽粒产量表现为深/翻>连深>免/深>翻/免>连翻>连免。深/翻处理较连免、连翻、免/深和翻/免分别显著增加9.10%、5.54%、1.39%和5.21%(P<0.05)。

综上所述，在连续4年中，除2009年免/深处理的春玉米籽粒产量显著高于深/翻外，其余3年不论是冬小麦还是春玉米，每年均以深/翻处理籽粒产量最高，连免处理最低。连深处理较连免和连翻分别显著增产13.00%和6.38%(P<0.05)；深/翻较免/深和翻/免分别显著增产5.44%和14.57%(P<0.05)。轮耕与连耕相比较，免/深较连免显著增产12.05%(P<0.05)；深/翻较连深显著增产4.55%(P<0.05)。在3种轮耕处理中，以深/翻处理的产量构成因素较好，其籽粒产量最高。

3 讨论与结论

生产实践证明，要实现作物的高产或超高产，就必须为作物健壮生长发育创造理想的土壤环境，既科学控制与调节土壤水分蓄积与供应、土壤养分释放与保存，又能及时而充分地满足作物对水分、养分、空气和温度等各种条件的需要[24]。 本研究通过连续多年土壤耕作试验获得如下结论，并就有关问题进行讨论：

免耕与深松结合实行轮耕，与连年免耕相比，犁底层被打破，耕层及耕层以下土壤容重降低，通透性增强，可促进水分下渗，因此对作物的生长发育来说要好于连年免耕[25-30]。在本试验6种耕作处理中，“免耕/深松”轮耕模式的冬小麦和春玉米产量构成因素和产量位居第3位，4年产量平均较免耕增产12.05%。何进等[19]的研究结果表明，“免耕/深松”轮耕既可改善土壤理化性状，又可提高作物产量；Pierce等[31]的研究认为，土壤免耕后定期进行深松，虽能改善土壤的物理性状，但对作物的产量和品质没有影响。其原因是免耕和深松处理下大量秸秆保留在表层，从而使表层有机质富集，不利于改良下层土壤结构，其土壤环境改善也受到影响，因此使作物的增产效果也受到一定限制。

深松与翻耕结合实行轮耕，使两者的优点融合于一体，既可克服翻耕犁底层加厚的缺点，也可克服深松只松土而不翻土的不足之处。翻耕将秸秆翻入耕层，有利于改善耕层结构，促进土壤熟化，使整个耕层土壤疏松，容重降低；而隔年深松形成了“虚实并存”的耕层结构，既能协调土壤中蓄水与供水矛盾，又能调控耕层中矿质化过程和腐殖化过程，从而使土壤蓄水与供水的矛盾和养分释放与保存的矛盾得到统一，形成最适宜作物生长发育的水、肥、气、热的土壤环境，因此非常有利于作物的健壮生长而获得高产，这与韩思明和薛少平的多年的研究结果相一致[2]。在本研究6种耕作处理中，“深松/翻耕”的轮耕模式其冬小麦和春玉米产量及其构成因素均居第1位，其4年产量平均较连年免耕增产18.15%，较连年深松增产4.55%，较连年翻耕增产11.22%，同时较“免耕/深松”和“翻耕/免耕”处理分别增产5.44%和14.57%。

翻耕与免耕实行轮耕，与连年翻耕处理比较，虽然耕层水稳性团聚体有所增加，土壤养分含量有所提高，但耕层土壤容重增加，犁底层更紧实，加之土壤失墒较多，因此对作物生长极为不利，在6种耕作处理中其冬小麦和春玉米产量构成因素和4年产量平均居第6位，与连年免耕比较，增产3.1%，这与孔凡磊等[5]、孙国峰等[16]的研究结果相一致；但与连年翻耕比较，不但没增产，反而还减产，其4年平均产量较连年翻耕减产2.92%。

本试验进一步证明，以免耕为核心的保护性耕作技术，虽然有利于提高耕层土壤养分，增加水稳性团聚体，但却会使土壤容重增加，犁底层上移，耕层变浅，对作物生长发育不利，使产量降低，这与李素娟等[12]、 张丽华等[28]和陈军胜[32]的研究结果基本一致。同时，深松耕技术虽然有较好的保水保土和增产效果，但耕层松紧不一，土块较大，也会给作物生长发育带来一定的不利影响，这与褚鹏飞[33]、尚金霞[34]、毛红玲[35]和王靖[36]等人的研究结果基本一致。因此，生产中不论是免耕技术还是深松耕技术均不可单独连续应用，而应将它们纳入保护性轮耕体系之中，组合成一定的轮耕模式，交换应用。

总之，土壤耕作要针对当地生产实践，根据每年所种作物选择适宜的土壤轮耕模式，便可有效改善耕层及耕层以下土壤的理化性状，创造良好的水、肥、气、热土壤环境条件，促进作物生长、发育，以实现作物的高产、稳产。本试验研究中，以“深松/翻耕”的轮耕模式的综合土壤理化性状较好，作物产量最高，其次是“免耕/深松”，是适宜陕西渭北旱塬及同类地区冬小麦—春玉米轮作田的土壤轮耕模式。

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