免耕对冬小麦农田土壤水分及可溶性碳和硝态氮动态变化的影响

丁晋利，魏红义，武继承，杨永辉

(1.郑州师范学院，河南 郑州 450044； 2.中国农业科学院农田灌溉研究所农业部作物 需水与调控重点实验室，河南 新乡 453000； 3.南水北调中线干线工程建设管理局河南分局，河南 郑州 450018； 4.河南省农业科学院植物营养与资源环境研究所，河南 郑州 450002)

土壤水分和养分是影响农作物生长的重要因素。目前，水资源短缺，水氮利用效率下降，已经严重制约了中国农业的可持续发展。河南省作为中国冬小麦主产区之一，属易旱区，其氮肥过量施用导致氮素利用率降低。周昌明等[1]研究表明，目前大田平均氮肥利用效率已降至30%左右，土壤累积的过量氮素淋溶造成的地下水污染日益严重。此外，传统耕作加剧了水土流失，加速了有机质的分解和矿化，肥力降低[2-3]。以免耕为技术核心的保护性耕作能保持水土，增加土壤水分，改善土壤质量和提高作物产量，有利于农业生产的可持续性发展[4]。大量研究表明，以免耕为代表的各种保护性耕作措施能够改善土壤结构，增强土壤蓄水保墒能力，增加土壤肥力，提高作物产量[5]。然而，也有结果表明，多年连续免耕可降低土壤速效氮含量，致使作物减产[6-7]。前人研究多侧重免耕对硝态氮淋溶的影响，并未综合分析免耕条件下土壤水分、可溶性碳和硝态氮在冬小麦不同生育时期的分布特征。因此，本研究对免耕条件下冬小麦不同生育时期土壤剖面水分、可溶性碳、硝态氮的分布特征进行研究，以揭示可溶性碳和硝态氮随土壤水分的迁移特征，为合理评价免耕效果、农田耕作精确化管理、培肥地力和提高作物产量提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

本研究长期定位耕作试验布设于禹州农业长期定位试验基地(34.16°N，113.15°E，海拔116 m)。试验区位于河南省中部，多年平均降水量为674.9 mm，其中60%以上的降雨量集中在7—9月，存在较严重的季节性干旱。该地区的土壤为褐土，黄土性母质，耕层有机质为12.3 g·kg-1，全氮为0.80 g·kg-1，水解氮为47.82 mg·kg-1，速效磷为6.66 mg·kg-1，速效钾为114.8 mg·kg-1[8]。

1.2 试验设计

耕作试验采用单因素随机区组设计，2014—2016年分别选取传统耕作和免耕2个试验处理，每个处理设3次重复。2种耕作方式具体操作方法：传统耕作是在玉米收获后，将全部秸秆粉碎覆盖地表，用犁铧全面深翻20～25 cm，将秸秆深埋；免耕是玉米收获后，全部秸秆粉碎覆盖地表，无其他措施。

2014—2016年种植的冬小麦品种均为矮抗58，播种量为150 kg·hm-2，播种时间分别为2014-10-15和2015-10-16，收获时间分别为2015-05-28和2016-06-01。冬小麦播种前施用氮肥(纯N)225 kg·hm-2、过磷酸钙(P2O5)105 kg·hm-2和钾肥(K2O)75 kg·hm-2，一次性底施。为了保证小麦正常出苗，播前进行灌溉，灌溉量为60 mm，小区面积6 m×6 m=36 m2。2014年10月至2016年6月降雨量数据来自禹州市气象局，逐月降雨量如图1所示。

图1 禹州市试验站2014—2016年逐月降雨量Fig.1 Monthly rainfall of Yuzhou Experiment Station from 2014 to 2016

1.3 测量指标

1.3.1 土壤水分测定 在冬小麦拔节期、扬花期、灌浆期和成熟期用土钻取0～100 cm土层土样，每20 cm为1层，装入铝盒中称鲜土质量，然后，放入烘箱(105 ℃)烘干至质量恒定后计算土壤含水率[9]。

1.3.2 土壤可溶性碳测定 在冬小麦关键生育时期(拔节期、灌浆期和成熟期)，分别取0～20，20～40，40～60，60～80和80～100 cm土层土样。待样品风干，将样品充分混匀过1和0.25 mm筛，分别称取10 g土样，待测。土壤可溶性碳采用K2SO4浸提法测定[10]，具体步骤如下：配置0.25 mol·L-1K2SO4溶液，按m(液)∶m(土)=5∶1的量加入K2SO4溶液浸提，恒温25 ℃振荡30 min，用0.45 μm滤膜抽滤，滤液用德国耶拿Multi2100C/N TOC仪器测定有机碳含量。

1.3.3 土壤硝态氮测定 在冬小麦拔节期、灌浆期和成熟期，分别取0～20,20～40,40～60,60～80和80～100 cm土层土样，装入塑封袋，放置低温(-75 ℃)冰箱。测定时将土壤样品解冻并充分混匀过2 mm筛，称取12 g鲜土，置于120 mL三角瓶内，加入1 mol·L-1的KCl溶液50 mL，振荡30 min，过滤取上清液，用流动分析仪(TRAACS 2000,Bran and Luebbe)测定土壤硝态氮[10]。

2 结果与分析

2.1 土壤剖面水分分布特征

土壤剖面含水量与降雨量、耕作方式及作物生长有关。冬小麦不同生育时期土壤剖面含水量不同(图2)。2015年传统耕作和免耕冬小麦成熟期土壤剖面0～100 cm平均含水量较拔节期分别降低10.5%和1.6%。这是由于作物生长吸收水分不断增加，且冬小麦成熟期之前降雨量较少。由于2014—2015年小麦季平均降雨量显著高于2015—2016年，导致冬小麦同一生育时期不同年份的土壤剖面平均含水量不同。与传统耕作相比，免耕提高了冬小麦拔节期、扬花期、灌浆期和成熟期0～100 cm土层土壤平均含水量(图2)。这是由于免耕能够减少土壤蒸发，进而增加土壤储水量。从不同土层看，冬小麦关键生育时期土壤水分均随土壤深度增加而呈现先减少后增加的趋势。耕作层土壤(0～40 cm)平均土壤含水率受耕作处理影响明显。与传统耕作相比，免耕分别提高冬小麦拔节期和扬花期0～40 cm土层平均含水量14.0%和10.3%。其中，2015年免耕0～40 cm土层冬小麦拔节期、扬花期、灌浆期和成熟期土壤平均含水量分别提高8.9%，11.5%，14.3%和8.6%。2016年免耕的冬小麦拔节期和扬花期土壤平均含水量分别提高了19.1%和9.2%，而成熟期土壤平均含水量降低了5.3%。可见，免耕土壤蓄水保墒效果优于传统耕作土壤。

注：(Ⅰ)拔节期； (Ⅱ)扬花期； (Ⅲ)灌浆期； (Ⅳ)成熟期。CT为传统耕作；NT为免耕。下同。Note：(Ⅰ)Jointing stage； (Ⅱ) Flowering stage； (Ⅲ) Filling stage； (Ⅳ) Maturity stage.CT represents conventional tillage；NT represents no-tillage.The same as below.

2.2 土壤剖面可溶性碳分布特征

与传统耕作相比，免耕在2014—2016年冬小麦全生育期土壤剖面0～100 cm平均可溶性碳含量降低2.0%。在冬小麦拔节期和成熟期，免耕措施下0～100 cm土层平均可溶性碳含量较传统耕作分别提高4.2%和26.9%，而在冬小麦灌浆期较传统耕作降低20.7%(图3)。这可能是由于免耕措施下土壤含水量较高，使冬小麦生物量较高，导致冬小麦灌浆期需要吸收大量可溶性碳。从不同土层来看，免耕措施下拔节期、灌浆期和成熟期土层0～40 cm 可溶性碳含量均低于传统耕作。这是由于传统耕作对土壤表层扰动，加剧了土壤有机碳的矿化，致使传统耕作0～40 cm 可溶性碳含量高于免耕。而4～100 cm土层平均可溶性碳含量在不同年份、冬小麦不同生育时期表现不尽相同。与传统耕作相比，2015年免耕冬小麦的成熟期40～100 cm 平均可溶性碳含量较高，而在冬小麦拔节期和灌浆期平均可溶性碳含量较低；2016年冬小麦拔节期和成熟期平均可溶性碳含量较高，而在冬小麦灌浆期平均可溶性碳含量较低。有研究表明，土壤可溶性碳含量受降雨量、耕作方式、土壤有机碳含量和生物量的影响[11-12]。不同耕作方式土壤容重、土壤含水量不同，导致冬小麦生物量不同，进而致使冬小麦吸收可溶性碳含量不同。

(Ⅰ)拔节期； (Ⅱ) 灌浆期； (Ⅲ)成熟期。(Ⅰ)Jointing stage； (Ⅱ) Filling stage； (Ⅲ) Maturity.注：不同小写字母表示不同处理差异显著(P<0.05)。下同。Note:Different lowercase letters indicate significant difference between different treatments(P<0.05).The same as below.

2.3 土壤剖面硝态氮分布特征

不同耕作处理下冬小麦关键生育时期0～100 cm土层硝态氮含量动态变化如图4所示。受降水量影响，不同年份同一生育时期硝态氮含量在剖面的分布特征不同。2015年冬小麦拔节期、灌浆期和成熟期硝态氮含量随土层深度增加而减少，尤其在拔节期和成熟期60～80 cm土层硝态氮含量显著降低。0～20 cm土层2015年冬小麦拔节期和灌浆期硝态氮含量明显高于2016年同生育时期硝态氮含量。这可能是由于2014—2015年小麦季水分充足，有利于氮素矿化，使土壤表层硝态氮含量增加，此外，雨水充沛使冬小麦根系发育良好，有利于吸收耕层(0～40 cm)硝态氮，使表层硝态氮含量未迁移到土壤深层，进而使土壤深层硝态氮含量逐渐降低。而2016年硝态氮含量随土层深度增加呈现先增大后减小的趋势。这可能由于该年份降水量少，土壤表层温度升高，抑制了土壤的硝化速率，导致土壤表层硝态氮含量降低。同一年份不同生育时期土壤硝态氮含量在剖面分布趋势大致相同，各不同生育时期略有差别。从拔节期至成熟期，2种耕作方式0～100 cm平均硝态氮含量逐渐减少，说明随着作物生长吸收，土壤硝态氮不断损耗。

不同耕作方式通过改变土壤物理性质影响硝态氮分布特征。与传统耕作相比，免耕分别提高冬小麦拔节期和灌浆期0～100 cm土层土壤硝态氮含量为43.1%和29.8%。其中，2015年免耕分别提高的冬小麦拔节期和灌浆期土壤硝态氮含量为20.0%和53.9%；分别提高2016年冬小麦拔节期、灌浆期和成熟期0～100 cm土壤硝态氮含量为66.3%，5.7%和28.3%。说明免耕处理有利于硝态氮累积在0～100 cm，减轻硝态氮淋溶到地下水，造成环境污染。

(Ⅰ)拔节期； (Ⅱ) 灌浆期； (Ⅲ)成熟期。(Ⅰ)Jointing stage； (Ⅱ) Filling stage； (Ⅲ) Maturity.

3 结论与讨论

与传统耕作相比，免耕因减少对土壤的扰动，降低土壤水分蒸发，具有良好的蓄水保墒作用[13-14]。本研究结果表明，免耕处理较传统耕作均不同程度地增加了冬小麦关键生育时期(拔节期、扬花期、灌浆期和成熟期)0～100 cm土层土壤平均含水量，这与余海英等[15]研究结果一致。有研究表明，免耕土壤剖面表层含水量高于传统耕作，随着剖面加深，与传统耕作相比土壤含水量的差异逐渐减小[16]。本研究结果发现，免耕土壤水分均随土壤深度增加而呈现先减少后增加的趋势，且免耕提高了0～40 cm土层土壤含水量。

硝态氮是氮素淋失的主要形式。胡立峰等[17]研究认为，硝态氮淋溶到深层地下水的危险以翻耕最大，免耕淋溶危险最小。胡景昇等[18]通过15 a田间定位试验认为，由于翻耕对土壤的剧烈扰动破坏了土壤的良好结构，改善了耕层土壤的通气状况，加快了土壤有机质的矿化，使硝化作用增强，促进了土壤硝态氮的累积。土壤翻耕后较大的土壤比表面和较短的弥散路径，使硝态氮容易随水向下淋溶。MATTHEW等[19]通过CRACK-NP模型模拟认为，传统耕作增加了硝态氮淋失的可能性。然而，SMITH等[20]研究表明，耕作次数越少，硝态氮淋失越多，这主要是由于未经扰动的土壤孔隙更有利于硝态氮淋溶，且蒸发少，不利于土壤深层硝态氮向上移动。本研究结果表明，免耕处理有利于硝态氮累积在0～100 cm，减轻硝态氮淋溶到地下水。

土壤可溶性碳是有机碳库中最活跃的组分之一，与土壤碳库中有机碳的迁移、固持和二氧化碳的释放有密切的关系[21-22]。崔凤娟等[23]研究表明，免耕秸秆处理较传统耕作显著增加土壤可溶性碳含量。然而，也有研究表明，免耕较传统耕作降低了土壤可溶性碳含量[24]。本研究结果表明，免耕在冬小麦全生育期土壤剖面0～100 cm平均可溶性碳含量降低2.0%。由于传统耕作和免耕条件下冬小麦群体生长不同，导致不同生育时期土壤剖面可溶性碳表现不同，免耕措施下0～100 cm土层平均可溶性碳含量在冬小麦拔节期和成熟期较传统耕作较高，而在冬小麦灌浆期低于传统耕作。

综上所述，与传统耕作相比，免耕提高了冬小麦拔节期、扬花期、灌浆期和成熟期土壤剖面0～100 cm平均含水量。从不同土层看，冬小麦关键生育期土壤水分均随土壤深度增加而呈现先减少后增加的趋势。免耕分别提高了冬小麦拔节期和扬花期0～40 cm土层平均含水量14.0%和10.3%。免耕在2014—2016年冬小麦全生育期土壤剖面0～100 cm平均可溶性碳含量降低2.0%。从不同土层看，免耕措施下拔节期、灌浆期和成熟期土层0～40 cm可溶性碳含量均低于传统耕作，而免耕较传统耕作分别提高了冬小麦拔节期和灌浆期0～100 cm土层土壤硝态氮含量43.1%和5.7%。