2021, Vol. 53
2. 山西农业大学山西有机旱作农业研究院, 山西太原 030031
土壤质量包括土壤物理质量、化学质量及生物学质量，其中土壤物理质量是化学质量和生物学质量的基础[1]。土壤耕作是影响土壤物理质量的关键措施之一，其能够直接作用于土壤而改变土壤物理质量[2]。地处干旱半干旱地区的黄土高原，总耕地面积约1691万hm2[3]。春玉米是黄土高原主要粮食作物之一[4]，长期采用不合理的耕作措施，造成了玉米田耕层变浅、土壤紧实、耕层土壤质量恶化等问题[5]。因此，如何采取有效的耕作措施改善土壤物理质量、构建合理耕层是实现农业可持续发展的重要环节。
不同耕作措施对土壤的扰动程度不一，直接影响土壤容重、孔隙度及含水量等性质[6-7]。与旋耕相比，采用深松能有效降低0 ~ 40 cm土壤容重[8]，但亦有学者认为深松对表层土壤容重影响相对较小[9]。另外，耕作措施对0 ~ 40 cm土壤含水量有显著影响，合理的耕作措施有利于土壤含水量的增加[10]。与旋耕相比，深翻提升了0 ~ 40 cm土壤含水量[11]。也有学者研究表明，与翻耕和旋耕相比，深松能提升0 ~ 20 cm土壤饱和导水率，增加水分入渗，提高土壤含水量[12]。孔隙作为土壤结构的重要组成部分，对土壤中水和空气的传导、运动及植物根的穿扎和吸水具有重要作用[13]。研究表明，与旋耕相比，深松和深翻降低了10 ~ 15 cm土壤孔隙度，但增加了20 ~ 35 cm土壤孔隙度[14]。关于耕作对农田土壤物理质量影响的研究众多，但因气候条件、土壤质地、取样时间、种植制度、有机质含量以及农机具大小等因素的差异，不同研究的结果仍存在很大的争议[15]。
秋耕是黄土高原春玉米种植区主要的耕作措施之一。目前，黄土高原有关秋耕措施的研究报道较少，特别是针对春玉米田秋耕措施对土壤物理质量的影响鲜有报道。因此，本研究通过分析不同秋耕措施下春玉米田土壤容重、土壤孔隙度、土壤质量含水量及土壤固、液、气三相比偏离值的影响，以期为黄土高原地区改善土壤物理质量，构建合理耕层及实现农业可持续发展提供技术支撑和理论依据。
1 材料与方法 1.1 试验地概况试验在山西农业大学东阳试验示范基地(37°32′ 44.28″N, 112°37′26.78″E)进行，试验区为典型的温带大陆性季风气候，中央平原区海拔为750 ~ 850 m，光照资源充足，年均日照时数在2 650 h左右，≥10 ℃活动积温约2 600 ℃左右，年均气温8 ~ 12 ℃，无霜期144 ~ 170 d，年均降雨量450 ~ 550 mm，年平均湿度55% ~ 60%，年均蒸发量在1 996 mm左右，冬季昼夜温差大。试验地土壤为黏壤土至粉砂质黏壤土，0 ~ 20 cm土层土壤理化性状为有机质10.2 g/kg，全氮0.118 g/kg，全磷0.089 g/kg，全钾2.09 g/kg，有效磷18.5 mg/g，速效钾141 mg/g，pH 8.2。
1.2 试验设计试验开始于2016年，采用单因素完全随机试验设计，设置3种秋耕措施，分别为旋耕(RT)、深翻(PT)、深松(ST)，各处理均秸秆不还田，重复3次，小区面积为5 m 30 m = 150 m2。供试玉米品种为大丰30(中晚熟玉米杂交种)，种植密度为67 500株/hm2。本试验中尿素(含N 46%)、磷酸二铵(含N 18%，P2O5 46%)和氯化钾(含K2O 62%)用量分别为416.7、210和75 kg/hm2，肥料随播种机一次性混合施入，采用等行距种植(60 cm)，株距为25 cm。各处理具体田间操作方法见表 1。在2018年和2019年取样测定，2018年试验期内降雨量为309.3 mm，2019年试验期内降雨量为249.6 mm。
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表 1 耕作处理田间试验设计 Table 1 Tillage treatments of experiment |
试验于2018年10月10日和2019年10月19日玉米收获时，采用环刀法(100 cm3)分层取样测定0 ~ 5、5 ~ 10、10 ~ 20和20 ~ 30 cm层次的土壤容重、土壤质量含水量和孔隙度。将带土样的环刀密封好带回实验室，将环刀外的土壤擦拭干净，测定鲜土加环刀的重量，记重M1。完毕后，将环刀置于已放好纱布的托盘中，给托盘加水至土壤吸水饱和重量稳定记重M2。此后，将土样在105 ℃烘箱中烘干至恒重，记重M3，最后，将环刀土壤去除后洗涤、干燥并称重，记重M0。采用公式(1)计算土壤容重：
| $ {\rho _b}{\rm{ = }}\frac{{{M_3} - {M_0}}}{{\rm{V}}} $ | (1) |
式中：ρb为土壤容重(g/cm3)；M3为烘干后干土与环刀的总重量(g)，M0为环刀的重量(g)，V为环刀的体积(cm3)。
1.3.2 土壤质量含水量土壤质量含水量采用公式(2)进行计算：
| ${\theta _{\rm{g}}} = \frac{{{M_1} - {M_3}}}{{{M_3} - {M_0}}} \times 100$ | (2) |
式中：θg为土壤质量含水量(%)；M1为新鲜土壤与环刀的总重量(g)；M0和M3与公式(1)中相同。
1.3.3 土壤孔隙度土壤总孔隙度通过土壤容重与土壤密度之间的关系计算得出[16]，采用公式(3)进行计算：
| $ {P_t} = (1 - \frac{{{\rho _b}}}{{{P_d}}}) \times 100 $ | (3) |
式中：Pt为土壤总孔隙度(%)；Pd是土壤(粒)密度，通常为2.65 g/cm3；ρb与公式(1)中相同。
土壤充气孔隙度利用总孔隙度减去体积含水量计算得出，采用公式(4)计算：
| $ {P_a} = {P_t}{\rm{ - }}{\rho _b} \times {\theta _g} $ | (4) |
式中：Pa为土壤充气孔隙度(%)；Pt和ρb与公式(3)中相同；θg与公式(2)中相同。
土壤毛管孔隙度通过土壤容重与土壤毛管孔隙水含量计算得出[17]，采用公式(5)计算：
| $ {P_c} = \frac{{{\theta _c} \times {\rho _b}}}{v} \times 100 $ | (5) |
| $ {\theta _c}{\rm{ = }}\frac{{{M_2} - {M_3}}}{{{M_3} - {M_0}}} \times 100 $ | (6) |
式中：Pc为土壤毛管孔隙度(%)；θc为毛管孔隙含水量(%)；其余指标与上述中相同。
1.3.4 土壤固、液、气三相比偏离值引出土壤固、液、气三相比偏离值来评价土壤结构，采用公式(7)计算：
| $ \begin{array}{l} R = \sqrt {0.4 \times {{(X - 50)}^2} + {{(Y - 25)}^2} + 0.6 \times {{(Z - 25)}^2}} \\ X = 100 \times (1 - {P_t})\\ Y = 100 \times {\theta _g} \times {\rho _b}\\ Z = 100 \times \left( {{\rm{Pt}} - {\theta _g} \times {\rho _b}} \right) \end{array} $ | (7) |
式中：R为土样三相比与适宜状态下土壤三相比在空间距离上的差值；X为土样固相值公式；Y为土样液相值公式；Z为土样气相值公式；0.4为土壤固相数据所占权重；0.6为土样气样数据所占权重；其余指标与上述公式中相同。
1.4 统计分析采用SPSS 16.0进行单因素方差分析，并用最小显著差异法(LSD)对土壤物理指标进行多重比较(P < 0.05)，采用Sigmaplot 12.0进行制图。
2 结果与分析 2.1 不同秋耕措施对土壤容重的影响整体而言，不同秋耕措施0 ~ 30 cm土壤容重随土层加深而增大。2018—2019年，深翻处理5 ~ 10 cm层次的土壤容重较旋耕处理显著降低了13.07% ~ 14.6%，而10 ~ 20 cm和20 ~ 30 cm土层的土壤容重则显著低于旋耕和深松处理。其中，旋耕与深松处理间10 ~ 20 cm层次土壤容重无显著差异，而深松处理20 ~ 30 cm层次较旋耕处理显著降低了12.5% ~ 13.63%。
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(RT 代表旋耕，PT 代表深翻，ST 代表深松，小写字母不同表示同一土层不同处理间差异显著(P<0.05)，下同)。 图 1 不同秋耕措施对土壤容重的影响 Fig. 1 Soil bulk densities under different autumn tillage practices |
2018—2019年，深翻处理5 ~ 10 cm土层土壤总孔隙度较旋耕显著增加了11.92% ~ 14.54%，10 ~ 20 cm和20 ~ 30 cm则较旋耕和深松处理分别显著提高了11.59% ~ 22.37% 和9.3%~17.1%(图 2)。其中在10 ~ 20 cm土层，旋耕与深松处理间土壤总孔隙度无显著差异，而在20 ~ 30 cm土层则深松较旋耕处理显著增加了10.63% ~ 10.74%。
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图 2 不同秋耕措施对土壤孔隙度的影响 Fig. 2 Soil porosities under different autumn tillage practices |
2018—2019年，深翻处理5 ~ 10 cm和20 ~ 30 cm土层的土壤充气孔隙度显著高于旋耕处理。其中，在5 ~ 10 cm土层，2018年深翻与深松处理间土壤充气孔隙度无显著差异，而2019年深翻较深松处理显著增加了52.06%。在20 ~ 30 cm土层，2018年深翻处理土壤充气孔隙度较深松显著增加了38.83%，但2019年深翻与深松处理间无显著差异。此外，深翻处理10 ~ 20 cm土层的土壤充气孔隙度显著高于旋耕和深松处理，后二者间无显著差异。2018—2019年，深翻处理0 ~ 5 cm和5 ~ 10 cm土层土壤毛管孔隙度显著高于深松处理，而旋耕与深松处理间无显著差异。在10 ~ 20 cm土层，2018年深翻处理土壤毛管孔隙度较深松显著增加了31.26%，但2019年各秋耕措施间无显著差异。在20 ~ 30 cm土层，2018年各秋耕措施间无显著差异，而2019年深翻处理较深松和旋耕处理显著增加了21.25% 和75.2%。
2.3 不同秋耕措施对土壤质量含水量的影响不同秋耕措施0 ~ 30 cm土壤质量含水量随土层加深先增加后降低(图 3)。在0 ~ 5 cm和5 ~ 10 cm土层，2018—2019年，各秋耕措施间土壤质量含水量无显著差异。在10 ~ 20 cm土层，深翻处理土壤质量含水量较深松处理显著增加了4.6% ~ 14.74%，较旋耕处理显著增加了3.61% ~ 4.81%。在20 ~ 30 cm土层，2018年深翻处理土壤质量含水量显著高于旋耕和深松处理，其中，2018年深松较旋耕处理显著增加了16.57%。
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图 3 不同秋耕措施对土壤质量含水量的影响 Fig. 3 Soil gravimetric moistures under different autumn tillage practices |
2018—2019年，各秋耕措施间0 ~ 5 cm土层土壤固、液、气三相比偏离值无显著差异(图 4)。2018年，旋耕处理5 ~ 10 cm土层土壤固、液、气三相比偏离值较深松和深翻显著降低了51.09% 和55.83%，后二者间无显著差异。深翻处理10 ~ 20 cm土层土壤固、液、气三相比偏离值较深松显著降低了40.05%。在20 ~ 30 cm土层，土壤固、液、气三相比偏离值表现为深翻 < 深松 < 旋耕，三者间差异显著。2019年，旋耕和深松处理5 ~ 10 cm层次土壤固、液、气三相比偏离值较深翻处理显著降低了75.73% 和81.44%。在10 ~ 20 cm土层，3种秋耕措施间土壤固、液、气三相比偏离值无显著差异。在20 ~ 30 cm土层，深翻处理土壤固、液、气三相比偏离值较旋耕处理显著降低了50.98%。
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图 4 不同秋耕措施的土壤固、液、气三相比偏离值 Fig. 4 Deviation values of soil solid, liquid and gas phases under different autumn tillage practices |
土壤容重与农田持水保水能力相关，直接或间接影响土壤质量，进而影响作物水分吸收利用和产量形成[18]。土壤孔隙与水分的储存和运移、根系生长发育、气体的扩散以及土壤生物群落的分布有直接关系[19]。本研究表明，与旋耕相比，深翻显著降低了5 ~ 30 cm土壤容重，显著增加了5 ~ 30 cm土壤总孔隙和土壤充气孔隙。这是因为旋耕耕作深度较浅，亚表层土壤未受到扰动且长期受农机具和上层土壤的重力作用，孔隙空间不断减小，土壤容重不断增加[20]。而深翻亚表层土壤与表层土壤充分混合，对降低土壤紧实程度具有明显效应，土壤处于较为疏松的环境[21]。同时与旋耕相比，深翻处理下玉米根系丰富且分布均匀[22-23]，发达的根系对降低土壤容重也起到了一定作用[11]。本研究表明，对于同样可以打破犁底层的深松处理，在10 ~ 30 cm剖面其降低土壤容重和增加土壤孔隙的效果不如深翻。这可能是因为深松只打破犁底层但未改变上下土层顺序[24]，且土壤自身具有自我调节能力[25]，经过一个休闲期和一个玉米生育周期后，土壤压实状态在一定程度上得以恢复。本研究中秋耕措施间土壤容重、土壤总孔隙度和土壤充气孔隙度的差异主要表现在5 ~ 30 cm土层，而在0 ~ 5 cm土层差异不显著。这主要是由于本研究各处理在秋耕后均进行浅旋(0 ~ 5 cm)并镇压处理，作用于该土层的机械效果基本相同。
土壤毛管孔隙是孔隙直径小于0.1 mm的土壤孔隙，毛管孔隙具有毛管作用，既能疏导水分，又能保持水分。本研究表明，深翻处理下0 ~ 5 cm和5 ~ 10 cm层次土壤毛管孔隙度显著高于深松。这可能与根系分布以及土壤中有机质含量等方面差异有关[26]。本研究将前茬秸秆全部移出，土壤有机质主要来自于前茬玉米根系，深翻耕作下玉米根系丰富且分布均匀[22-23]，利于土壤有机质的增加，进而提高了毛管孔隙度。近年来，X射线断层扫描技术(CT)被逐渐应用于农田土壤孔隙的研究中[27-28]，该技术在不损坏土壤孔隙结构的基础上能够得到原状土壤的孔隙结构三维立体成像[29]。在今后的研究中，运用CT技术研究不同耕作措施下土壤孔隙大小、数目、分布及连续性等土壤孔隙特征变化，有助于深入理解土壤孔隙的功能特性。
3.2 不同秋耕措施对土壤质量含水量的影响土壤水分是黄土高原干旱半干旱地区作物生长的主要限制因素。有学者研究表明，深松[30]和旋耕[31]处理较深翻能显著提高土壤含水量，但本研究表明，深翻处理10 ~ 20 cm和20 ~ 30 cm土层土壤质量含水量显著高于深松和旋耕处理。这可能是因为本研究耕作时期为春玉米收获后进行。春季的黄土高原春玉米区常年干旱风大，春耕后使原有土壤水分无效蒸发，秋耕可提高冬春休闲期雨水的蓄积，避免了春季土壤缺水的现象，而深翻较深松和旋耕可能增加了休闲期的土壤蓄水，改善了土壤结构。土壤结构上的巨大差异影响了水分动态变化过程[17]。深翻显著增加了 < 0.25 mm粒径微团聚体，提高了比表面积[32]，为土壤水分的蓄积提供存储空间。同时，土壤水分状况受降雨、地表蒸发、作物蒸腾耗水和降雨入渗等因素综合影响[16]。深松促进了土壤水分的下渗[33]，而深翻可能降低了土壤水分的下渗能力，水分积聚在10 ~ 30 cm层次处。此外，众多研究表明，耕作措施能够影响0 ~ 300 cm的土壤水分蓄积[34-35]。在未来的研究深入分析不同秋耕措施下土壤深层水分动态变化规律及蓄积机制是很有必要的。
3.3 不同秋耕措施对土壤固、液、气三相比偏离值的影响旱作农业理想的土壤三相比是固相50%，液相和气相各25%，调节合理的三相比能够为农作物的生长提供优良的水、肥、气、热等条件。土壤固、液、气三相比偏离值代表土壤三相结构距离，土壤固、液、气三相比偏离值越接近0，说明土壤三相结构越接近理想状态[6]。有研究表明，固相容积较大土层其相应土壤容重也较大，土壤容重过大，会影响土壤水肥气热等，进而影响作物根系在土壤中的穿插，对作物生长造成一定的影响[36]。本研究表明，在10 ~ 30 cm各层次，深翻处理与其他两种秋耕措施相比具有较小的土壤固、液、气三相比偏离值，同时，深翻显著降低了土壤固相，显著增加了土壤液相。说明深翻可有效增加土壤液相，减少土壤固相所占比例，进而增加土壤的持水性，减缓土壤自身压实状态，促进了根系的有效下扎。实现土壤中气、液、固三相的重新分配，优化土壤结构。而5 ~ 10 cm以旋耕为宜，这可能与旋耕降低了5 ~ 10 cm的气相比例有关。产生这种现象的原因可能是旋耕扰动土壤程度较大，降低了 > 0.25 mm水稳性大团聚体[37]，降低了土壤大孔隙，进而降低土壤气相。
4 结论各秋耕措施对0 ~ 5 cm土层各物理指标影响较小。与旋耕和深松相比，深翻处理显著降低了10 ~ 30 cm土壤容重，显著增加了10 ~ 30 cm土壤总孔隙度，明显优化了10 ~ 30 cm土壤固、液、气三相比偏离值。与深松和深翻相比，旋耕显著降低了5 ~ 10 cm土壤充气孔隙度，明显优化5 ~ 10 cm土壤固、液、气三相比偏离值。综上所述，旋耕改善了5 ~ 10 cm土层土壤物理质量，深翻改善了10 ~ 30 cm土层土壤物理质量。因此，采用旋耕+深翻轮耕模式可能是改善该地区春玉米田土壤物理质量、构建合理耕层的潜在措施。
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2. Shanxi Institute of Organic Dryland Farming, Shanxi Agricultural University, Taiyuan 030031, China