深耕与秸秆还田对不同质地土壤物理性状和作物产量的影响

郭海斌， 冀保毅,2， 王巧锋， 赵亚丽， 穆心愿， 薛志伟， 李潮海， 赵志杰

(1.河南农业大学农学院，河南 郑州 450002； 2.河南省农业科学院园艺研究所，河南 郑州 450002；3.河南省郏县第一高级中学，河南 郏县 467100； 4.中种国际种子有限公司，河南 郑州 450000)

黄淮海地区的粮食总产量占中国粮食总产量的1/3，在保障国家粮食安全中占有举足轻重的地位[1].但由于该区连续多年实行常规耕作，造成土壤紧实、耕层变浅、活土量少，严重限制了该区作物产量的增加[2].同时，由于近年来农村肥料、燃料和饲料结构的变化，大量的作物秸秆被弃置或露天焚烧，不仅浪费资源，而且造成环境污染[3].土壤耕作和秸秆还田作为农业生产中的重要增产技术措施，因改变了土壤容重，引起土壤孔隙度及土壤水、肥、气、热等变化，进而影响作物产量的变化[4,5].研究表明，深耕可以打破犁底层，降低土壤容重，增强土壤通透性，促进光合产物的积累，进而有利于产量的增加[6～8].而作物秸秆还田不仅可以提高土壤肥力，也可以改良土壤结构，提高土壤水分含量，增加作物产量[9～11].然而，前人多侧重于研究同一土壤质地上深耕或秸秆还田对土壤物理性状和产量的影响，未明确深耕和秸秆还田对不同质地土壤物理性状和作物产量的影响.本研究在不同质地土壤上开展深耕和秸秆还田定位试验，研究深耕和秸秆还田对不同质地土壤物理性状和作物子粒产量的影响，以期为优化黄淮海地区的耕作方式提供理论依据.

1 材料与方法

1.1试验地概况

试验于2010—2011年在鹤壁市农业科学院和漯河市农业科学院进行.鹤壁市农业科学院位于河南省北部，属暖温带大陆性半湿润季风气候，平均温度13.7 ℃，平均日照时数2 311 h，平均降雨量635.9 mm，土壤质地为壤土[m(沙粒)∶m(粉粒)∶m(黏粒)=31∶47∶22].漯河市农业科学院位于河南省中南部，属暖温带暖湿性季风气候，平均温度14.7 ℃，平均日照时数2 350 h，平均降雨量为786 mm，土壤质地为黏土[m(砂粒)∶m(粉粒)∶m(黏粒)=12∶41∶47].试验田的土壤基础肥力见表1.

表1 鹤壁和漯河试验田的土壤质地和0～40 cm土层的土壤物理性状和基础肥力

1.2试验设计

试验为完全随机区组试验，设置常规耕作+秸秆还田(Conventional tillage with straw returning)、深耕+秸秆还田(Deep tillage with straw returning)、深耕+秸秆不还田(Deep tillage with no-straw returning)3个处理.3次重复，小区面积6 m×60 m=360 m2.土壤耕作在冬小麦播种前进行.常规耕作采用铧式犁翻耕1遍，作业深度为15 cm，随后耙地2遍，以便于机播小麦.深耕采用铧式犁翻耕1遍，作业深度为30 cm，随后耙地2遍.秸秆还田处理为冬小麦、夏玉米秸秆全量还田.冬小麦成熟后，机械化收获的同时，将冬小麦秸秆粉碎后覆盖地表还田，夏玉米贴茬播种；夏玉米成熟后，机械化收获的同时将夏玉米秸秆粉碎至5 cm左右的小段，冬小麦播种前再结合土壤耕作混入土壤中进行秸秆全量翻埋还田.各秸秆还田处理的秸秆还田量相同，鹤壁和漯河小麦秸秆还田量分别为7 500 kg·hm-2和5 575 kg·hm-2，鹤壁和漯河玉米秸秆还田量分别为9 600 kg·hm-2和7 800 kg·hm-2,各秸秆还田处理的秸秆还田量相同.秸秆不还田处理则将夏玉米和冬小麦秸秆全部移出试验地.漯河和鹤壁试验田的供试玉米品种分别为当地主栽玉米品种郑单958和浚单20，种植密度均为67 500株·hm-2.冬小麦施N 240 kg·hm-2，P2O5150 kg·hm-2，K2O·120 kg·hm-2.其中，磷肥和钾肥在播前作基肥一次性全部施入，而氮肥则按5∶5分基施和拔节期追施2次施用.夏玉米施N 270 kg·hm-2，P2O5135 kg·hm-2，K2O 135 kg·hm-2.其中，磷肥和钾肥在播前作基肥一次性全部施入，而氮肥则按4∶6比例分别在拔节期和大喇叭口期施入.施用氮肥种类为尿素，磷肥种类为过磷酸钙，钾肥种类为硫酸钾.其他田间管理同当地一般生产田.

1.3测定指标和方法

1.3.1 土壤物理性状调查测定 玉米成熟期，每个处理选择3块有代表性的区域，开挖剖面坑，用环刀法采集0～10，10～20，20～30，30～40，40～50 cm共5个土层的原状土样品，带回实验室测定土壤容重、相对密度和水分含量，并计算土壤孔隙度.土壤容重=环刀内土壤的干质量/环刀容积；土壤孔隙度=100×(1-容重÷相对密度).

1.3.3 计产 夏玉米成熟后，每小区收获中间两行10 m玉米果穗，晒干后脱粒称质量.冬小麦成熟后，每小区收获1 m2小麦果穗，晒干后脱粒称其质量.子粒产量以14%含水量为标准折算为小区产量.

1.4试验数据处理

采用Microsoft Excel 2003进行数据处理，平均值和标准误由每个处理的3个重复的数据计算而来.利用SPSS 19.0软件进行方差分析(ANOVA)和处理间显著性检验(DUNCAN).差异显著性均在P<0.05水平.

2 结果与分析

2.1深耕与秸秆还田对不同质地土壤物理性状的影响

2.1.1 不同因素及其交互作用对土壤物理性状的影响 除年份对土壤容重和孔隙度没有显著影响外，年份、土壤质地、耕作和土层深度对土壤物理性状均有显著影响(表2).在两因素交互作用中，除年份×耕作对土壤容重和孔隙度、年份×土壤质地对土壤水分含量影响不显著外，不同因素的两两交互对土壤物理性状均有显著影响.多数三因素交互对土壤物理性状有显著影响，但年份×土壤质地×耕作×土层深度仅对土壤R值有显著影响.

与常规耕作相比，深耕处理的土壤容重和三相比R值分别下降0.7%和19.0%；与深耕秸秆不还田相比，深耕秸秆还田处理土壤水分含量增加3.2%，R值降低9.3%(表3).黏土的土壤容重、水分含量和三相比R值分别比壤土高0.7%,1.3%和16.0%，黏土的土壤孔隙度比壤土低1.2%.年际间的土壤水分含量差异显著，2011年耕层土壤水分含量比2010年高2.7%.在0～50 cm土层中，土壤孔隙度和水分含量随着耕层深度的增加而下降，土壤容重和R值随着耕层深度的增加而增加.

表2 不同因素及其交互作用对土壤物理性状的方差分析

2.1.2 深耕与秸秆还田对不同质地土壤容重的影响 深耕对不同质地土壤容重均有显著影响，而秸秆还田对不同质地土壤容重的影响不显著(表3).深耕处理20～30 cm土层土壤容重均比常规耕作小，但深耕对土壤的效应受土壤质地影响.在壤土上，深耕主要降低了20～40 cm土层的土壤容重，深耕处理20～30和30～40 cm土层的土壤容重分别比常规耕作处理低6.5%和6.8%.在黏土上，深耕虽然显著降低20～30 cm土层的土壤容重，但增加了0～20 cm土层的土壤容重，其20～30 cm土层土壤容重比常规耕作处理低6.1%，而0～10 cm和10～20 cm土层的土壤容重分别比常规耕作处理高6.7%和2.3%.

2.1.3 深耕与秸秆还田对不同质地土壤孔隙度的影响 土壤孔隙度的变化规律与土壤容重相反(表3).在壤土上，深耕处理20～30和30～40 cm土层的土壤孔隙度分别比常规耕作高9.7%和10.3%.在黏土上，深耕处理20～30 cm土层土壤孔隙度比常规耕作处理高6.1%，而0～10 cm和10～20 cm土层土壤孔隙度分别比常规耕作处理低5.7%和2.6%.

2.1.4 深耕与秸秆还田对不同质地土壤水分含量的影响 深耕对不同质地土壤水分含量影响显著，而秸秆还田对不同质地土壤水分含量没有显著影响(表3).在壤土上，深耕主要增加20～40 cm土层土壤的水分含量，其中，深耕处理20～30和30～40 cm土层的土壤水分含量分别比常规耕作高6.4%和9.0%.在黏土上，深耕处理20～30 cm土层土壤的水分含量比常规耕作处理高8.1%.

表3 年份、土壤质地、耕作和土层深度对土壤物理性状的影响

2.1.5 深耕与秸秆还田对土壤三相比R值的影响 深耕降低了土壤三相比R值(表3).在壤土上，深耕主要降低20～40 cm土壤三相比R值，深耕处理20～30和30～40 cm土壤三相比R值分别比常规耕作处理低41.1%和39.6%.在黏土上，深耕处理30～40 cm土壤三相比R值比常规耕作处理低40.0%.秸秆还田也能降低土壤三相比R值，但是秸秆还田效应受土壤质地影响明显.在壤土上，深耕秸秆还田处理10～20 cm土壤三相比R值比深耕秸秆不还田处理低29.8%.秸秆还田对黏土三相比R值的影响不显著.

2.2深耕与秸秆还田对作物产量的影响

深耕增加了冬小麦和夏玉米产量(表4).与常规耕作相比，深耕处理漯河和鹤壁的冬小麦产量分别增加0.8%和3.5%，夏玉米产量分别增加0.1%和3.7%，冬小麦和夏玉米的总产量分别增加0.1%和3.6%.秸秆还田也提高了冬小麦和夏玉米的总产量，深耕+秸秆还田处理漯河和鹤壁的冬小麦和夏玉米总产量分别比深耕+秸秆不还田处理增加3.0%和5.5%.

表4 深耕与秸秆还田对冬小麦和夏玉米子粒产量的影响

3 结论与讨论

与常规耕作相比，深耕主要降低了20～40 cm土层土壤容重和三相比R值，并增加了该土层的孔隙度和水分含量，这与前人的研究结果一致.深耕可以使耕层下部的土壤容重下降[13]，孔隙度增加[14]，增加土壤水分的下渗量[15]，提高土壤蓄水能力[16].由于黄淮海区农田长期采用常规浅耕，土壤耕作的深度小于20 cm，故深耕对20 cm以下土层的容重、孔隙度和三相比R值的影响较大.同时，因为深耕促使作物根系下扎超过30 cm土层深度，进而对30 cm以下土层的土壤物理性状也有一定的改良作用.秸秆还田也可以降低土壤三相比R值，但对土壤容重、孔隙度、水分和作物子粒产量的影响不显著，这与前人的研究结果不完全一致[17,18]，可能是试验的研究时间相对较短，秸秆的效果还没有完全体现出来.

土壤质地影响土壤的物理性状，土壤中细颗粒的增加会带来土壤容重的增加[19]，故漯河黏土的土壤容重比鹤壁壤土高.同时，因为黏土的土壤持水能力比壤土高[20]，漯河黏土的土壤水分含量也高于鹤壁壤土.深耕和秸秆还田对不同质地土壤物理性状的影响不同.深耕主要降低了壤土20～40 cm、黏土20～30 cm土层的土壤容重，但增加了黏土0～20 cm土层的土壤容重.因为深耕将20～30 cm土层紧实的土壤翻转到耕层上部，所以深耕在降低20～30 cm土层土壤容重的同时增加了耕层上部土壤的容重，这种上层土壤容重增加的现象在黏土上表现尤为突出.陕西省农业科学院的研究结果表明，采用深耕技术时要考虑农田土壤熟化的深度，土壤深翻以不超过40 cm为佳.此外，秸秆还田降低了壤土10～20 cm土层的土壤三相比R值，但对黏土三相比R值影响不显著.故深耕与秸秆还田对壤土物理性状的改良效果优于黏土.

本研究结果表明，深耕与秸秆还田均不同程度地提高了作物的产量，该结果与前人的研究结果一致[21,22].但深耕对作物产量的效应受气象条件和土壤质地影响.连续2年鹤壁壤土上深耕与秸秆还田均不同程度地提高了作物的产量，但2010年漯河深耕处理的冬小麦产量比常规耕作低3.2%.这是因为第1年深耕把底层生土过多地翻到表层，造成表层有机质和速效养分含量低.同时，深耕将紧实的犁底层打碎形成大坷垃分布在耕层土壤中，不利于耕层土壤水分的保持和小麦根系的下扎，进而对冬小麦生长发育和产量产生不利影响.经过一年的冻融交替和干湿交替，耕层中的坷垃自然破碎.因此，试验进行第2年时，深耕处理的冬小麦产量均高于常规耕作.此外，2011年漯河深耕处理的夏玉米产量比常规耕作低11.5%.这是因为2011年漯河夏玉米生长季降水量过多，黏土深耕后易形成渍涝灾害.常规耕作因表层土壤紧实，过多雨水形成地表径流而受灾较轻.因此，壤土上深耕与秸秆还田对作物的增产效果大于黏土.

综合以上研究结果可以看出，深耕主要降低了壤土20～40 cm、黏土20～30 cm土层的土壤容重，但增加了黏土0～20 cm土层的土壤容重；秸秆还田降低了壤土10～20 cm土层的土壤三相比R值；且壤土上深耕与秸秆还田的增产效果大于黏土.故深耕与秸秆还田对壤土物理性状的改良效果和对作物的增产效果优于黏土.

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