耕作方式对三江平原玉米土壤结构及产量的影响

李 庆，王玉凤，张翼飞，陈天宇，武 鹏，杨 丽，菅立群，张津松，郭 伟，薛盈文，付 健，杨克军

（黑龙江八一农垦大学农学院，黑龙江省现代农业栽培技术与作物种质改良重点实验室，黑龙江 大庆163319）

三江平原位于黑龙江省的东北部，是东北地区三大平原之一，是我国春玉米的主要产区，作物播种面积约386万hm2［1］。近年来，三江平原地区大规模的农业活动导致了当地环境水资源不足、经营管理不善等现象，造成开垦后的耕地退化十分严重，土地生产力下降，直接影响着农业的可持续发展［2］。因此，针对三江平原地区土壤结构障碍，利用合理的耕作措施改良耕层土壤结构、提高玉米产量，对三江平原地区粮食安全和土壤利用提供基本的理论依据和参考。

土壤结构在植物生长、养分吸收和水分运移的能力中起着重要的作用［3］。土壤团聚体作为土壤最基本的结构单元，其数量和质量决定着土壤肥力和土壤的性质，土壤团聚体是土壤有机碳的载体，土壤团聚体转化与有机碳积累相关［4］，而土壤有机碳又会促进土壤团聚体的形成［5］。表土中将近90%的有机碳位于团聚体内，且大团聚体中的有机碳活性较高［6］，各级团聚体对土壤有机碳积累的相对贡献大小取决于团聚体的质量及其有机碳含量［7］。耕作措施主要影响微团聚体与大团聚体之间的转化和再分布［8］，进而影响土壤结构稳定性和抗侵蚀能力［9］。不合理的土壤管理导致土壤养分有效性降低，破坏土壤结构，降低土壤有机质［10］。研究表明，不同耕作方式对土壤理化性质影响不同，合理的耕作方式能有效改善土壤的水、肥、气、热条件，提高资源利用率，从而达到作物增产提质的效果［11］。土壤结构和有机碳含量主要受耕作强度和耕作频率的影响，频繁的翻耕使土壤结构遭到破坏，降低了土壤中大团聚体的稳定性［12］土壤有机碳含量下降［13］。张祥彩等［14］的研究表明，深松可明显提高土壤大团聚体的含量并降低土壤容重，使20～30 cm土层的含水率增加。前人对土壤结构与玉米产量的变化进行了大量的试验研究，然而，在三江平原地区对土壤结构与玉米产量关系还缺乏较为系统的、广泛的研究。本研究以各粒径水稳性团聚体含量、平均重量直径（MWD）、各粒径团聚体有机碳含量、贡献率等为指标研究旋耕、隔行深松、深松、浅翻、深翻5种耕作处理下对产量和水分利用率的影响。探明不同耕作方式对三江平原土壤结构和玉米产量的影响，为三江平原玉米种植选择合理的耕作措施提供依据。本研究基于黑龙江省云山农场进行田间试验，探讨耕作措施对土壤结构稳定、有机碳固定、玉米水分利用率的影响，以期提出适合三江平原白浆土的耕作方式，为解决土壤退化和玉米高产提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2018～2019年在黑龙江省云山农场进行。平均海拔146 m，该区属于典型的寒温带大陆性季风气候，大于10 ℃年均积温为2661.9 ℃，无霜期146 d，平均气温和降水量见图1。土壤类型为白浆土，0～30 cm耕层土壤基础肥力为：有机质32.79 g/kg，碱解氮120.54 mg/kg，有效磷15.56 mg/kg，速效钾232.1 mg/kg，pH 5.69。

1.2 供试品种

供试玉米品种为“德美亚3”，由垦丰种业提供。

1.3 试验设计

本试验共设5个处理。试验处理为：常规旋耕处理（RT）、隔行深松处理（GS）、深松处理（ST）、浅翻处理（CT）、深翻处理（SF）。

常规旋耕是指秋季作物收获后，旋耕灭茬起垄，旋耕深度15 cm；隔行深松是指秋季作物收获后，隔行深松整地，后旋耕灭茬起垄，深松深度30～35 cm；深松是指秋季作物收获后，深松整地，后旋耕灭茬起垄，深松深度30～35 cm；浅翻是指秋季作物收获后，铧式犁翻地，后旋耕灭茬起垄，翻耕深度15～20 cm；深翻是指秋季作物收获后，翻转犁翻地，后旋耕灭茬起垄，翻耕深度25～30 cm。所有耕作处理均在秋季进行，以传统旋耕处理为对照。为了更接近农田实际情况和利于大型农机具进行田间操作，各处理采用大区对比设置，每个处理大小为10.4 m×500 m。

玉米氮（N）、磷（P2O5）、钾肥（K2O）施用量分别为240、120和90 kg/hm2，所用肥料为尿素（N 46%）、磷酸二铵（P2O546%；N 18%）、硫酸钾（K2O 50%），其中70%氮肥和全部磷、钾肥作为基肥随播种一次性施入，施肥深度为种下5 cm，剩余30%氮肥于拔节期追施。种植密度为85000株/hm2，其他田间管理均按照当地常规大田进行。2018年4月30日播种，9月30日收获；2019年4月29日播种，9月28日收获。

1.4 测定项目与方法

1.4.1 土壤水稳性团聚体测定

2018年玉米收获后，采用“S”形随机取点法，并在每个样点使用土钻分别钻取0～10、10～20和20～30 cm土样，每个大区取10钻。拣去土壤中植物残根、秸秆及砾石等杂物，装袋带回实验室，将采集的原状土样在室内沿自然结构轻轻掰成小土块，过8 mm筛，自然风干，用于团聚体分析。土壤各粒径水稳性团聚体含量采用湿筛法测定［15］，土壤有机碳含量采用重铬酸钾-外加热法测定［16］。

1.4.2 土壤水分测定

2018～2019年，在玉米播前、收获后，采用烘干法和环刀法［17］测定0～30 cm土层的土壤含水量，每10 cm一层，共3个土层，各处理取样位置均位于玉米株行间，通过计算土壤贮水量、生育期耗水量计算出水分利用效率。

1.4.3 玉米产量测定

玉米成熟期，收获各处理中间4垄连续5 m长所有果穗，统计有效穗数，计算产量。

1.4.4 计算公式

各粒径土壤水稳性团聚体含量计算公式为：

土壤团聚体平均重量直径计算公式为：

式中，MWD为团聚体平均重量直径（mm），为各粒径团聚体的平均直径（mm）。

各粒径团聚体有机碳的贡献率计算公式为：

式中，为各粒径团聚体有机碳对土壤有机碳的贡献率（%）， 为各粒径团聚体中有机碳质量比（g/kg），为土壤有机碳质量比（g/kg）。

水分利用效率［18］计算公式为：

式中，WUE为水分利用效率［kg/（hm2·mm）］，Ya为单位面积的经济产量（kg/hm2），Eta为生育期耗水量（mm），P为作物生育期有效降水量（mm），We和Wb分别为播前和收获时的土壤蓄水量（mm），W为土壤蓄水量（mm），d为土壤容重（g/cm3），h为土层厚度（cm），ω为土壤含水量（%），M1为湿土重（g），M2为烘干土重（g）。

1.5 数据处理

采用Excel 2010进行数据处理，SPSS 17.0进行单因素方差分析及Pearson相关性分析，不同处理间采用Duncan法进行多重比较（α=0.05）。利用Origin 2018进行绘图，图表中的数据为平均值。本文中测得的数据为2018和2019年。

2 结果与分析

2.1 耕作方式对土壤水稳性团聚体含量的影响

如表1所示，在各土层中随着团聚体粒径的降低，水稳性团聚体含量逐渐增高。与常规耕作处理相比，隔行深松、深松、浅翻和深翻均提高了大于0.25 mm团聚体含量（R0.25）。在0～10 cm土层，深松处理的R0.25含量最高，为46.07%，与旋耕处理相比提高了24.27%。在 10～20 cm土层，深松处理的R0.25含量最高，并且深松处理增加了>5、2～5、1～2、0.25～0.5 mm粒径水稳性团聚体含量。在20～30 cm土层，各处理的>5、2～5、1～2 mm团聚体含量比10～20 cm均有所提高；其中，>5、2～5 mm粒径水稳性团聚体含量均以深松处理最大；与旋耕处理相比，深翻处理的R0.25含量最高，为39.64%，比旋耕处理提高25.16%。

2.2 耕作方式对土壤团聚体平均重量直径的影响

如图2所示，在各土层中，旋耕处理土壤团聚体平均重量直径（MWD）最低，深松处理MWD最高，隔行深松、深松、浅翻和深翻处理与旋耕处理相比显著提高。在0～10 cm土层，与旋耕处理相比，其他4种耕作处理MWD提高了10.60%～27.27%。在10～20 cm土层，各处理的MWD与0～10 cm土层相比降低了19.69%～27.38%；且与旋耕处理相比，其他耕作 处 理 的MWD提 高了11.53%～17.30%。在20～30 cm土层，各处理MWD比10～20 cm提高18.86%～27.11%；与旋耕处理相比，其他耕作处理的MWD提高了14.28%～20.63%。

2.3 耕作方式对土壤有机碳含量的影响

如图3所示，随着土层深度的增加各处理有机碳含量逐渐降低。在0～10 cm土层，土壤有机碳含量由高到低依次为深松>隔行深松>浅翻>深翻>旋耕；其中深松和隔行深松处理有机碳含量显著高于旋耕处理。在10～20 cm土层，深松处理有机碳含量最高，为22.97 g/kg，与其他处理相比提高幅度为1.99%～15.77%。在 20～30 cm土层，深翻处理有机碳含量最高，为18.76 g/kg，与旋耕处理相比提高8.12%。

2.4 耕作方式对土壤各粒径团聚体有机碳含量的影响

如表2所示，随着土层深度的增加以及团聚体粒径降低，有机碳含量逐渐降低。在0～10 cm土层，大于0.25 mm各粒径大团聚体有机碳含量均以旋耕处理最小，深松处理与之相比分别提高了15.43%、18.87%、17.99%、20.60%、12.17%，而旋耕处理增加0～0.25 mm粒径团聚体有机碳含量。在10～20 cm土层，深松处理的>5、2～5和1～2 mm粒径团聚体有机碳含量最高，分别为24.62、23.47、21.70 g/kg。在20～30 cm土层，>5、2～5 mm粒径团聚体有机碳中深松处理最高，分别为21.52和21.10 g/kg；深翻处理1～2、0.5～1、0.25～0.5 mm粒径团聚体有机碳最高，与旋耕处理相比分别提高5.78%、2.19%、2.17%，并且1～2 mm团聚体有机碳与旋耕处理差异显著。

表2 不同处理下土壤水稳性团聚体有机碳质量比分布 （g/kg）

2.5 耕作方式对各粒径团聚体有机碳贡献率的影响

如图4所示，在0～10 cm土层，与旋耕处理相比，隔行深松、深松、浅翻和深翻处理的大于0.25 mm的5个粒径大团聚体有机碳贡献率均有所增加，增加幅度分别为28.01%～74.43%、27.84%～55.43%、17.94%～33.66%、8.48%～29.77%、2.70%～12.17%；其中，深松处理的大于0.25 mm粒径大团聚体有机碳贡献率（ISOC0.25）最高，为47.19%。在10～20 cm土层，隔行深松、深松、浅翻、深翻处理的大于5、2～5、1～2 mm粒径团聚体有机碳贡献率均高于旋耕处理；其中，深松处理的大于5、2～5 mm粒径团聚体有机碳贡献率最高，分别为2.59%和4.83%。在20～30 cm土层，各处理ISOC0.25比10～20 cm土层均有所提高；其中，深翻处理ISOC0.25最高，为42.20%，且与旋耕处理相比，隔行深松、深松、浅翻、深翻处理的大于5、2～5、0.5～1 mm粒径团聚体有机碳贡献率均有所提高，平均提高幅度分别为21.21%～28.45%、31.65%～39.99%、7.72%～24.43%，其中，深松处理的大于5、2～5 mm粒径团聚体有机碳贡献率最高，分别为4.45%和6.19%，隔行深松处理的1～2 mm粒径团聚体有机碳贡献率最高，为6.51%，深翻处理的0.5～1、0.25～0.5 mm粒径团聚体有机碳贡献率最高，分别为10.14%和15.03%。在0～30 cm土层，旋耕处理与其他耕作处理相比增加了0～0.25 mm粒径团聚体有机碳贡献率；其他4种耕作方式与旋耕处理相比能够增加ISOC0.25。

2.6 耕作方式对土壤水分利用率和玉米产量的影响

由图5可知，2年中深松处理的产量和水分利用率最高。玉米产量由高到低依次为深松>隔行深松>深翻>浅翻>旋耕，4种耕作处理玉米产量都较旋耕处理增加，2018和2019年产量分别提高了1.93%～9.64%、1.87%～12.11%；且4种耕作处理的水分利用率均高于旋耕处理，2年中深松处理的水分利用率增加幅度最大，2018和2019年分别为8.44%和10.50%。

2.7 玉米产量和水分利用率与土壤结构的相关性

由表3可知，R0.25和MWD、ISOC0.25呈极显著正相关（P<0.01），并且与SOC、WUE和产量之间呈显著正相关（P<0.05）；MWD和ISOC0.25呈极显著正相关（P<0.01）；WUE和产量之间呈极显著正相关（P<0.01）。

表3 玉米产量和水分利用率与土壤结构相关系数

3 讨论

3.1 耕作方式对土壤团聚体的影响

土壤团聚体是土壤的重要结构单元，其在土壤中所占的比例和数量受耕作、秸秆还田以及外界因素的影响较大，其中水稳性团聚体能更准确地反映不同耕作方式对土壤结构的影响。本研究结果表明，不同耕作方式对土壤团聚体产生显著影响，与旋耕处理相比，隔行深松、深松、浅翻、深翻处理均增加了R0.25含量以及MWD，这与霍琳等［19］研究结果相同，原因是隔行深松、深松、浅翻、深翻处理增加了土壤有机碳含量，有利于团聚体聚合，并且隔行深松和深松处理对土壤扰动低，降低对土壤结构的破坏，有利于土壤团聚体的形成。在0～30 cm土层R0.25含量和MWD平均从高到低依次为：深松>隔行深松>深翻>浅翻>旋耕，说明旋耕处理对土壤团聚体破坏最大，其次是浅翻处理，而深翻相比浅翻虽对土壤扰动较大，但耕作深度较深，有利于深层团聚体的形成；由此推测这种现象出现的原因是旋耕严重破坏了水稳性团聚体，而深松更有利于土壤水稳性团聚体形成。研究表明，表层（0～10 cm）土壤R0.25含量最高，因为收获后秸秆残茬覆盖地表，增加了表层土壤有机物质输入，表层土壤有机质含量较高，而有机质作为胶结剂有利于团聚体的聚合［20］，这与本研究结果一致。根据相关性分析，R0.25与土壤有机碳含量呈显著正相关关系，这与前人的研究一致［21-22］，也进一步证明了有机碳对土壤团聚体的形成起着重要作用。MWD反映土壤团聚体大小分布状况和稳定性，其值越大，表示团聚体的平均粒径团聚度越高，稳定性越强［23］。本研究结果得出，在0～30 cm土层，深松处理MWD含量与其他处理相比显著提高，并且MWD与R0.25和ISOC0.25呈极显著正相关关系（P<0.01），所以MWD增加能够使R0.25和ISOC0.25增加。另外，多数学者［19，24-25］的研究表明水稳性团聚体含量随着土层深度的增加而逐渐下降，本研究结果与之不同，本研究结果显示各粒径水稳性团聚体含量随着土层深度的增加呈现先升高后降低再升高的趋势，可能是该试验田试验前连年深翻导致。

3.2 耕作方式对土壤有机碳的影响

本研究结果表明，与旋耕处理相比，隔行深松、深松、深翻处理均能增加耕层（0～30 cm）土壤有机碳含量，深松处理效果最为显著。因为深松打破了土壤犁底层，疏水通气，减少了土壤对根系的机械阻力，扩大了根系生长空间，有利于促进作物根系生长和代谢，因而起到很好的增碳效果［26］。受耕作深度限制，旋耕作业的深层土壤没有受到扰动和植物残体输入，因而使深层的增碳效果不明显［27］；而翻耕对土壤扰动较大，增大了秸秆残茬与土壤的接触面积，增加有机碳暴露和加速分解，因而使表层有机碳含量降低［28］。多数学者的研究结果表明［29-30］，大水稳性团聚体中的有机碳含量较高，均比其他粒径团聚体有机碳含量大。通过比较不同耕作方式对土壤湿筛团聚体有机碳含量和贡献率的影响发现，在0～10 cm土层中，各粒径团聚体中有机碳含量均为深松处理的最大，这是因为深松处理作物秸秆残茬覆盖地表，增加表层有机物，对土壤表层翻动较小，降低了有机质的矿化，促进土壤表层有机碳含量的增加以及团聚体的形成，从而使表层土壤各粒径团聚体有机碳含量以及ISOC0.25有所增加。另外，深翻处理提高了20～30 cm土层团聚体有机碳含量和ISOC0.25，这可能是由于翻耕使表层作物秸秆翻埋入土壤，添加了有机物，增加了微生物活性，促进了大团聚体的产生，进而提高了深层土壤有机碳含量。本研究中，隔行深松、深松、深翻处理与旋耕处理相比，提高了土壤大团聚体有机碳贡献率，减少了微团聚体有机碳，这主要是这几种耕作措施下形成更多的大团聚体所致［31］。

3.3 耕作方式对玉米产量和水分利用率的影响

作物产量和水分利用效率反映了不同耕作处理对土壤的综合影响。本试验研究表明，旋耕和浅翻玉米产量低，这主要是由于旋耕和浅翻处理耕作深度较浅，仅限于表层，长期耕作会导致耕层变浅，不利于植物根系下扎，水分入渗，导致减产。隔行深松、深松和深翻处理与旋耕处理相比，玉米产量显著提高，从而水分利用率提高，其中深松处理最为显著。根据相关性分析可知，玉米产量与R0.25和水分利用率成显著正相关关系，说明大团聚体能够增加有机碳含量，使土壤环境得以改善，有利于作物根系发育和水分利用，玉米产量提高。原因在于深松对土壤的松动有利于水分入渗和根系生长发育，同时铲距间的相对紧实则降低了水分的扩散损失，增强保水性能，促进作物吸收深层土壤水分，提高水分利用效率，从而增加产量［32］。

4 结论

通过比较土壤结构和玉米产量的综合分析。深松处理提高R0.25、大于0.25 mm各粒径团聚体有机碳含量及贡献率，增加MWD稳定性，降低微团聚体含量及贡献率，产量和水分利用率最高，较旋耕处理相比提高显著，且优于隔行深松和深翻处理。综合来看，深松耕作方式更有利于土壤结构改良，是三江平原较合理的耕作方式。