0 引言
【研究意义】黄淮海平原是中国粮食主产区,由于该区长期采用土壤旋耕和焚烧作物秸秆,不仅污染环境,还导致土壤耕层变浅、蓄水保墒能力降低和土壤养分流失[1-2],阻碍作物生长发育和产量形成。而合理的耕作方式结合秸秆还田可改善土壤耕层结构[3],协调土壤生态环境和养分状况[4],为作物高产稳产奠定良好的土壤基础。长期采用单一耕作措施对土壤质量存在不利影响,长期深耕会增加土壤表层水分蒸发[5]和农田碳排放[6],长期深松不利于秸秆分布土壤深层,造成土壤表层养分富集[7]、病虫害加重和农田碳投入增加[8]等,不利于减缓农田温室效应,阻碍固碳减排农业生态系统的发展。因此,研究旋耕、深耕、深松等土壤耕作交替的轮耕模式对建立合理的耕作体系具有重要意义。【前人研究进展】不同耕作措施对土壤性状有显著影响。与旋耕相比,深松、深耕可有效降低三相比R值[9],促进微生物的繁殖和土壤酶活性的增加[10],使全年土壤呼吸速率增加37.3%[11];尹宝重等[12]在海河低平原2年研究表明深松、深耕可有效提高麦田脲酶和碱性磷酸酶活性。而旋耕、深松、深耕等土壤耕作集成的轮耕模式可扬长避短,有效减轻单一耕作措施的弊端,提高土壤质量。有研究表明,轮耕措施可改善土壤耕层结构[13],提高土壤生产性能[14],促进养分在耕层间均匀分布[15],从而实现作物高产[16]。TIAN等[17]研究发现长期旋耕后进行4年深耕可显著提高土壤碳储量和作物产量。另外,秸秆中含有大量植物生长所必需的氮、磷、钾及微量元素[18],秸秆还田后能改善土壤理化性状[19],优化农田碳排放[20],改善田间小气候[21];王芸等[22]通过大田试验证明秸秆还田显著提高土壤脲酶和蔗糖酶活性,进而影响土壤碳氮转化。【本研究切入点】近年来,关于轮耕技术效应研究多集中在一年一熟区农田土壤理化性状的研究,且主要围绕深松、免耕、旋耕等集成的轮耕模式,而关于黄淮海两熟制农田秸秆全量还田下深耕和旋耕交替的轮耕模式对土壤长期改良效应的研究却鲜有报道。【拟解决的关键问题】通过黄淮海地区冬小麦-夏玉米两熟制农田6年的长期轮耕定位试验,探索秸秆全量还田条件下不同轮耕模式对土壤性状的长期改良效应,掌握土壤质量演变规律,筛选耕层结构好、土壤肥力足、生态效益佳、生产收益好的最佳轮耕模式,以期为该区适宜轮耕模式的选择和推广应用提供科学支撑和理论依据。1 材料与方法
1.1 试验区概况
试验设置于河南省洛阳市农林科学院试验站（34°62′N,112°45′E）,该区是黄淮海平原典型的冬小麦-夏玉米一年两熟区,属暖温带大陆性季风气候,试验期间年平均气温为14.86℃,年平均降水量为578.2 mm,降水主要集中在7—9月。试验开始前长期采用冬小麦播前旋耕（10—15 cm）、夏玉米免耕播种的耕作方式,且作物秸秆全部移出。试验地地势平坦,土壤类型为褐土,其中砂粒30.2%,粉粒41.6%,黏粒28.2%,pH为8.0。2009年开始试验前土壤理化性质见表1。Table 1
表1
表12009年试验前供试土壤基本理化性质
Table 1Soil physical and chemical properties before experiment in 2009
| 土层 Depth (cm) | 容重 Bulk density (g·cm-3) | 有机质 Soil organic matter (g·kg-1) | 全氮 Total N (g·kg-1) | 碱解氮 Available N (mg·kg-1) | 速效磷 Available P (mg·kg-1) | 速效钾 Available K (mg·kg-1) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 0—20 | 1.50 | 17.8 | 1.04 | 60.37 | 15.85 | 107.56 |
| 20—40 | 1.59 | 12.6 | 0.66 | 51.07 | 6.79 | 78.34 |
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1.2 试验设计
在前茬作物秸秆全量还田（冬小麦秸秆粉碎覆盖还田,夏玉米秸秆粉碎翻埋还田）条件下,2009年10月至2015年6月连续6年进行夏玉米季免耕、冬小麦季实施5种不同的轮耕模式：连年旋耕（CRT,CK）、连年深松（CST）、连年深耕（CDT）、深耕/旋耕（DT/RT）、深耕/旋耕/旋耕（DT/RT/RT）。采用随机区组设计,各小区的面积为300 m2（60 m×5 m）,3次重复。每年各试验处理进行的土壤耕作方式见表2。其中旋耕处理采用旋耕机旋耕1遍,作业深度10—15 cm;深松处理采用振动式深松机深松1遍,作业深度为30—35 cm;深耕处理采用铧式犁翻耕,作业深度为30—35 cm,旋耕、深松、深耕作业后均耙地2遍。夏玉米秸秆粉碎还田后随耕作混入土壤中（图1）。Table 2
表2
表22009—2015年在冬小麦季的土壤耕作处理
Table 2The soil tillage treatments during 2009-2015 in winter wheat season
| 轮耕处理 Rotation treatment | 年份Year | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| 2009-2010 | 2010-2011 | 2011-2012 | 2012-2013 | 2013-2014 | 2014-2015 | |
| CRT (CK) | RT | RT | RT | RT | RT | RT |
| CST | ST | ST | ST | ST | ST | ST |
| CDT | DT | DT | DT | DT | DT | DT |
| DT/RT | DT | RT | DT | RT | DT | RT |
| DT/RT/RT | DT | RT | RT | DT | RT | RT |
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显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图1不同耕作方式下0—30 cm土层秸秆分布
-->Fig. 1Straw distribution at 0-30 cm soil layer under different soil tillage treatments
-->
供试冬小麦品种为济麦20号,机械条播,2009—2012年和2013—2014年播量为125 kg·hm-2,2014—2015年播量为100 kg·hm-2;2012—2013年由于该试验区生态条件受限冬小麦没有种植。2009—2015年,夏玉米品种为郑单958,采用机械免耕播种,种植密度为60 000 株/hm2。每年10月中旬播种冬小麦,翌年6月1日至5日收获后种植夏玉米,至9月23日至28日收获。各处理施肥及其他田间管理相同,冬小麦季施肥量为：200 kg N·hm-2, 150 kg P2O5·hm-2,100 kg K2O·hm-2,全部的磷肥和钾肥、50%的氮肥做基肥在耕作时一次性全部施入,50%的氮肥在拔节期追施;夏玉米季施肥量为：300 kg N·hm-2,150 kg P2O5·hm-2, 150 kg K2O·hm-2,全部的磷肥和钾肥、40%的氮肥在播种时一次性施入,60%的氮肥按5:5比例分别在拔节期和大喇叭口期追施。冬小麦季和夏玉米生长期间根据土壤墒情适时灌水,其他管理同常规大田。
1.3 测定项目与方法
1.3.1 土壤物理性状测定 2009年试验开始前及2013—2015年冬小麦成熟期和夏玉米成熟期,每小区选择3个有代表性的区域,用环刀法测定0—10、10—20、20—30、30—40 cm土层土壤容重和土壤孔隙度,其中土壤孔隙度（%）=（1-土壤容重/土壤比重）×100%[23],土壤比重近似值为2.65 g·cm-3;同时用烘干法计算各土层土壤含水量。土壤三相比理想状态是50:25:25,采用冀保毅等[24]的土壤三相比偏离值R分析土壤三相比,其公式为：R=
X =100×（1-土壤孔隙度） （2）
Y =100×土壤含水率 （3）
Z =100×（土壤孔隙度-土壤含水率） （4）
式中,R为所测土壤样品三相比与适宜状态下土壤三相比在空间距离上的差值;X为所测土壤样品固相的数值;Y为所测土壤样品液相的数值;Z为所测土壤样品气相的数值;0.4为土壤固相数据所占有的权重;0.6为土壤气相数据所占有的权重。R值越小,土壤结构越接近理想状态。
1.3.2 土壤化学性状测定 2009年试验开始前及2013—2015年冬小麦成熟期,每小区以对角线设置5个取样点,分别采集0—10、10—20、20—30、30—40 cm土层土样,用于测定土壤养分含量。土壤有机碳含量采用重铬酸钾外加热法测定,全氮含量采用半微量凯氏定氮法测定[25]。对于同一深度土壤,土壤有机碳储量（soil organic carbon storage,SCS）与全氮储量（soil total nitrogen storage,STN）的计算方法[7,17]如下：
SCS=
式中,i表示土壤层次;SCS表示i层土壤的有机碳储量,t·hm-2;Ci为第i层土壤有机碳质量分数,g·kg-1;Bi是第i层土壤容重,g·cm-3;Hi为第i层土壤深度,cm;10-1是转换系数。同理计算全氮储量STN。
1.3.3 土壤酶活性测定 2013—2015年冬小麦成熟期和夏玉米成熟期,结合土壤养分测定取样,采集0—10、10—20、20—30、30—40 cm土层土壤鲜样测定土壤酶活性[26]。脲酶活性采用苯酚钠比色法,蔗糖酶活性采用3, 5—二硝基水杨酸比色法。
1.3.4 土壤呼吸 2013—2015年冬小麦拔节期、开花期、成熟期和夏玉米拔节期、开花期、成熟期,采用美国LICOR公司生产的LI—8100A土壤呼吸仪定点测量土壤呼吸速率。每小区以对角线设置5个固定测量点,测点放置聚氯乙烯圈（polyvinylchlorid,PVC,直径20 cm,高11 cm）作为土壤呼吸测定室,管环顶距地面2—3 cm。测定时间为8：00—11：00。
1.3.5 作物产量 冬小麦成熟后每小区选3个点,每点3 m2,脱粒晒干,称重计产;夏玉米成熟后每小区选3个点,每点取20个果穗,脱粒晒干,称重计产。
1.3.6 经济效益计算 经济效益以单位耕地面积的纯收益表示。
经济效益=总产值-总成本,总产值=作物产量×价格。其中总成本包括机械费（耕作、播种和收获）、化肥费、种子费、农药费等物资成本和除草、收获等劳动成本。冬小麦和夏玉米单价分别为2.1 元/kg、1.8 元/kg。尿素（N 46%）2.25 元/kg,磷酸二铵（P2O5 46%,N 18%）3.2 元/kg,硫酸钾（K2O 50%）3.20 元/kg。每公顷机械费用标准如下：收获和秸秆粉碎费用,冬小麦825 元/hm2、夏玉米1 050元/hm2,深耕费825 元/hm2,深松费750 元/hm2,旋耕费450 元/hm2。其他投入（包括种子、农药和人工费）冬小麦合计1 700 元/hm2,夏玉米合计1 800 元/hm2。
1.4 数据分析
利用Excel 2007进行数据处理,利用SPSS 17.0进行数据统计分析,不同处理间用Duncan新复极差法（SSR）进行多重比较,利用SigmaPlot 12.5软件绘制图表。2 结果
2.1 轮耕、耕深、年份以及其交互对土壤性状和产量的影响
除年份对土壤脲酶的影响不显著外,轮耕、年份、耕深对土壤R值、土壤有机碳储量、全氮储量、脲酶活性和蔗糖酶活性均存在极显著影响（表3）,且轮耕、年份对土壤呼吸速率、作物产量和经济效益均存在极显著影响（表4）。其中轮耕×耕深对各指标均存在显著交互作用;除冬小麦成熟期的土壤有机碳储量、全氮储量、脲酶活性和蔗糖酶活性外,轮耕×年份对各指标均存在显著交互作用;除冬小麦成熟期的土壤全氮储量,年份×耕深对各指标均存在显著影响;除冬小麦成熟期的R值、土壤有机碳储量和夏玉米成熟期的脲酶活性外,轮耕×年份×耕深对各指标均存在显著影响。Table 3
表3
表3轮耕、耕深、年份以及其交互对R值、土壤有机碳储量、土壤氮储量、土壤脲酶、土壤蔗糖酶的影响
Table 3Effects of rotational tillage pattern, soil depth, year and their interaction in the global analyses of variance of soil R value, soil organic carbon storage, soil total nitrogen storage, soil urease and soil invertase activity
| 项目 Item | RW | RM | SCSW | STNW | UreaseW | UreaseM | InvertaseW | InvertaseM |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 轮耕 Rotation | <0.001 | <0.001 | <0.001 | <0.001 | <0.001 | <0.001 | <0.001 | <0.001 |
| 年份 Year | <0.001 | <0.001 | <0.001 | <0.001 | ns | ns | <0.001 | <0.001 |
| 耕深 Depth | <0.001 | <0.001 | <0.001 | <0.001 | <0.001 | <0.001 | <0.001 | <0.001 |
| 轮耕×年份 Rotation×Year | 0.003 | <0.001 | ns | ns | ns | 0.004 | ns | 0.029 |
| 轮耕×耕深 Rotation×Depth | <0.001 | <0.001 | <0.001 | <0.001 | <0.001 | <0.001 | <0.001 | <0.001 |
| 年份×耕深 Year ×Depth | 0.020 | <0.001 | 0.028 | ns | <0.001 | <0.001 | <0.001 | <0.001 |
| 轮耕×年份×耕深 Rotation×Year×Depth | ns | <0.001 | ns | 0.034 | 0.003 | ns | <0.001 | 0.007 |
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Table 4
表4
表4轮耕、年份以及其交互对土壤呼吸速率、作物产量和经济效益的影响
Table 4Effects of rotational tillage pattern, year and their interaction in the global analyses of variance of soil respiration rate, crop yield and economic benefit
| 项目 Item | RsW | RsM | YieldW | YieldM | Yieldtotal | EBW | EBM | EBtotal |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 轮耕 Rotation | <0.001 | <0.001 | <0.001 | <0.001 | <0.001 | <0.001 | <0.001 | <0.001 |
| 年份 Year | <0.001 | <0.001 | <0.001 | <0.001 | <0.001 | <0.001 | <0.001 | <0.001 |
| 轮耕×年份 Rotation×Year | <0.001 | <0.001 | 0.004 | <0.001 | 0.003 | 0.002 | <0.001 | 0.001 |
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2.2 轮耕模式对土壤R值的影响
不同轮耕模式对0—40 cm土层的R值具有明显的影响（表5）。与2009年试验前（BT）相比,连续6年耕作处理后0—40 cm土层的R值随轮耕周期的延长呈整体降低趋势。CRT、CST、CDT、DT/RT和DT/RT/RT模式0—40 cm土层的R值比试验前分别降低20.8%、33.1%、29.5%、29.7%和30.7%。R值随土层深度增加而增加,且土层间差异显著（表6）。在冬小麦成熟期,CDT、DT/RT、DT/RT/RT和CST模 式0—40 cm土层的R值比对照分别降低6.9%、8.4%、10.5%和12.4%,各土层的R值均以CST最低,其次是DT/RT/RT,且显著高于CRT。在夏玉米成熟期,CDT、DT/RT、DT/RT/RT和CST模式0—40 cm土层的R值比CRT分别降低19.0%、14.5%、7.6%和13.2%。其中20—40 cm土层的R值以CDT最低,且显著高于DT/RT/RT、CRT,这与冬小麦季的结果相反,可能与该地区夏玉米季降雨较多有关（每年7—9月的降雨量占全年降雨量的72%以上）。Table 5
表5
表5轮耕模式对0—40 cm土层R值的影响
Table 5Effects of rotational tillage patterns on the R value in 0-40 cm soil layer
| 年份 Year | 处理 Treatment | 冬小麦 Winter wheat | 夏玉米 Summer maize | |||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 0-10 cm | 10-20 cm | 20-30 cm | 30-40 cm | 均值 Mean | 0-10 cm | 10-20 cm | 20-30 cm | 30-40 cm | 均值 Mean | |||
| 2009 BT | 9.90 | 10.56 | 11.63 | 11.93 | 11.01 | |||||||
| 2013—2014 | CRT | 9.25a | 9.10a | 10.78a | 11.42a | 10.14a | 9.02a | 8.08a | 9.27a | 8.37a | 8.68a | |
| CST | 8.14b | 8.36c | 9.45c | 10.29c | 9.06c | 8.99a | 7.06b | 8.35b | 7.08c | 7.87b | ||
| CDT | 9.24a | 8.93ab | 9.75bc | 10.71b | 9.66b | 8.74a | 5.13d | 6.27d | 6.91c | 6.76c | ||
| DT/RT | 9.11a | 8.90ab | 9.69bc | 10.48bc | 9.54b | 8.75a | 6.46c | 7.00c | 6.81c | 7.25bc | ||
| DT/RT/RT | 8.21b | 8.47bc | 9.81b | 10.41c | 9.23c | 8.83a | 7.99a | 9.09a | 7.63b | 8.38ab | ||
| 2014—2015 | CRT | 10.22a | 10.44a | 11.57a | 12.04a | 11.07a | 2.96a | 4.87a | 8.80a | 8.82a | 6.36a | |
| CST | 8.47c | 8.55c | 10.26b | 10.81b | 9.52c | 1.83b | 3.44c | 7.91bc | 7.60bc | 5.20b | ||
| CDT | 9.36b | 9.62b | 10.41b | 10.97b | 10.09b | 2.70a | 4.03b | 7.59c | 7.41c | 5.43b | ||
| DT/RT | 8.92bc | 9.02bc | 10.40b | 11.15b | 9.87bc | 2.33ab | 4.05b | 8.16bc | 7.91bc | 5.61b | ||
| DT/RT/RT | 8.46c | 8.78c | 10.61b | 11.12b | 9.74bc | 1.81b | 3.80bc | 8.33ab | 8.16ab | 5.52b | ||
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Table 6
表6
表6轮耕、耕深、年份对土壤性质的影响
Table 6Effects of rotational tillage pattern, soil depth and year on soil characteristics
| 项目 Item | RW | RM | SCSW (t·hm-2) | STNW (t·hm-2) | UreaseW (mg/(g·24h)) | UreaseM (mg/(g·24h)) | InvertaseW (mg/(g·24h)) | InvertaseM (mg/(g·24h)) | |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 年份 Year | 2013—2014 | 9.53a | 7.79a | 60.74a | 5.60a | 3.93a | 3.50a | 32.11b | 34.52b |
| 2014—2015 | 10.06a | 5.62b | 62.98a | 5.75a | 3.89a | 3.51a | 33.90a | 36.30a | |
| 轮耕 Rotational tillage | CRT | 10.60a | 7.52a | 57.04c | 5.31c | 3.25c | 2.87c | 26.71c | 30.58c |
| CST | 9.29b | 6.53bc | 61.73b | 5.71b | 3.94b | 3.55b | 32.32b | 34.80b | |
| CDT | 9.87ab | 6.10c | 60.88b | 5.68b | 4.13a | 3.78a | 35.39a | 37.52a | |
| DT/RT | 9.71b | 6.43bc | 63.86a | 5.76b | 4.15a | 3.74a | 35.89a | 37.87a | |
| DT/RT/RT | 9.48b | 6.95b | 65.78a | 5.90a | 4.07a | 3.60ab | 34.43a | 36.29ab | |
| 耕深 Depth | 0-10 cm | 8.94b | 5.60b | 19.20a | 1.83a | 5.59a | 4.74a | 52.89a | 52.81a |
| 10-20 cm | 9.02b | 5.49b | 17.12b | 1.57b | 4.73b | 3.95b | 40.06b | 40.67b | |
| 20-30 cm | 10.27a | 8.08a | 14.80c | 1.29c | 3.31c | 3.11c | 25.92c | 29.96c | |
| 30-40 cm | 10.94a | 7.67a | 10.73d | 0.99d | 2.01d | 2.22d | 13.16d | 18.21d | |
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2.3 轮耕对土壤有机碳储量的影响
与2009年试验前相比,各耕作模式0—40 cm土层有机碳储量呈现整体增加趋势（图2）。CRT、CST、CDT、DT/RT和DT/RT/RT模式0—40 cm土层的有机碳储量比试验前分别显著增加6.4%、14.5%、16.0%、20.6%和23.8%,年平均累积增加速率分别为0.58、1.31、1.44、1.86和2.15 t·hm-2·a-1。2013—2015年冬小麦成熟期0—40 cm土层的土壤有机碳储量均以DT/RT/RT最高,DT/RT次之,且显著高于CST、CDT和CRT模式,而CST和CDT显著高于对照CRT。土壤有机碳储量随土层深度增加而减少,且土层间差异显著（表6）。不同耕作模式主要增加了10—40 cm土层的有机碳储量。2013—2015年10—40 cm土层的有机碳储量均表现为DT/RT/RT>DT/RT>CDT>CST>CRT,其中DT/RT/RT与DT/RT差异不显著,较CDT、CST、CRT分别增加5.7%、11.9%、19.9%,CDT与CST差异不显著,均显著高于CRT。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图2轮耕模式对0—40 cm土层土壤有机碳储量的影响
图柱上不同小写字母表示同土层不同处理间差异达到5%显著水平;图柱上不同大写字母表示0—40 cm土层不同处理间差异达到5%显著水平。下同
-->Fig. 2Effects of rotational tillage patterns on soil organic carbon storage in 0-40 cm soil layer (t·hm-2)
Different lowercase letters above the bars meant significant differences at the 0.05 level in the same soil layer; Different uppercase letters above the bars meant significant differences at the 0.05 level in 0-40 cm soil layer. The same as below
-->
2.4 轮耕对土壤全氮储量的影响
与2009年试验前相比,2013—2015年的土壤全氮储量有不同程度的增加（图3）。CRT、CST、CDT、DT/RT和DT/RT/RT模式0—40 cm土层全氮储量比试验前分别增加3.1%、11.1%、11.6%、13.3%和15.7%,年平均累积增加速率分别为26.9、96.0、100.3、114.6和135.3 kg·hm-2·a-1。在2013—2015年冬小麦成熟期,0—40 cm土层的全氮储量以DT/RT/RT最高,与CST、CDT、DT/RT三者差异不显著,比对照CRT显著增加11.1%。土壤全氮储量的变化趋势与土壤有机碳储量一致,土壤全氮储量随耕层的加深递减,且不同耕作模式主要增加了10—40 cm土层的全氮储量。其中以DT/RT/RT最高,与CDT、DT/RT之间相差不大,较CST、CRT分别增加5.4%和11.0%,CST较CRT增加4.9%。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图3轮耕模式对0—40 cm土层土壤全氮储量的影响
-->Fig. 3Effects of rotational tillage patterns on soil total nitrogen storage in 0-40 cm soil layer (t·hm-2)
-->
2.5 轮耕对土壤脲酶活性的影响
土壤脲酶能促进尿素水解生成利于作物生长的氨,反应了土壤的供氮能力和水平。由表6可知,土壤脲酶活性的变化在年际间差异不大,随耕层增加递减,且土层间差异显著。在冬小麦成熟期,DT/RT/RT、DT/RT和CDT模式在0—40 cm土层的脲酶活性无显著差异,均显著高于CST、CRT,而CST比CRT显著增加20.7%。在夏玉米成熟期,CDT、DT/RT、DT/RT/RT和CST模式在0—40 cm土层的脲酶活性比对照CRT显著增加31.9%、30.4%、25.8%和23.7%,其中DT/RT/RT、DT/RT、CDT之间相差不大,DT/RT、CDT与CST差异显著。由图4 可知,各耕作模式对不同土层脲酶活性的影响显著,主要增加了10—40 cm土层的脲酶活性。在冬小麦成熟期,以CDT和DT/RT的脲酶活性较高,与DT/RT/RT差异不显著,而与CST、CRT差异显著,DT/RT/RT与CST差异不显著,比CRT显著增加26.6%。在夏玉米成熟期,CDT、DT/RT、DT/RT/RT模式比CST分别增加17.0%、14.7%和7.6%,而CST与CRT差异显著。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图4轮耕模式对0—40 cm土层土壤脲酶活性的影响
-->Fig. 4Effects of rotational tillage patterns on soil urease activity in 0-40 cm soil layer
-->
2.6 轮耕对土壤蔗糖酶活性的影响
土壤蔗糖酶可使蔗糖分解为易溶性的营养物质,表征了土壤有机碳累积与分解转化规律[27]。由表6可知,土壤蔗糖酶活性随轮耕年限延长有不同程度的增加,并随耕层增加递减,土层间差异显著。在冬小麦成熟期,CDT、DT/RT、DT/RT/RT和CST模式在0—40 cm土层蔗糖酶活性较CRT显著增加32.5%、34.4%、30.0%和21.0%,其中CDT、DT/RT和DT/RT/RT三者间差异不显著,比CST显著增加9.5%、11.1%和7.4%。在夏玉米成熟期,CDT、DT/RT与DT/RT/RT差异不显著,比CRT分别显著增加22.7%和23.9%,CST比CRT显著增加13.8%。由图5可知,各耕作模式主要增加了10—40 cm土层的蔗糖酶活性。在冬小麦成熟期,CDT、DT/RT和DT/RT/RT比CST显著增加28.9%、26.6%和17.2%,比CRT显著增加51.7%、48.9%和38.0%。在夏玉米成熟期,以CDT的蔗糖酶活性最高,与DT/RT和DT/RT/RT差异不显著,而显著高于CST和CRT。结果表明经过长期定位后,耕作措施不仅对当季作物的土壤蔗糖酶活性影响显著,还对后茬作物的土壤性质改良效应显著。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图5轮耕模式对0—40 cm土层土壤蔗糖酶活性的影响
-->Fig. 5Effects of rotational tillage patterns on soil invertase activity in 0-40 cm soil layer
-->
2.7 轮耕对土壤呼吸速率的影响
在冬小麦-夏玉米两熟区农田,土壤呼吸速率均在冬小麦开花期和夏玉米开花期出现高峰,深耕、深松和轮耕模式均显著提高土壤呼吸速率（图6）。在冬小麦和夏玉米的各个生育时期,土壤呼吸速率均表现为CDT>CST>DT/RT>DT/RT/RT>CRT。CDT、CST、DT/RT和DT/RT/RT的土壤呼吸速率平均值比CRT模式在冬小麦季分别显著提高19.3%、20.7%、13.7%和9.2%,在夏玉米季分别提高18.1%、19.1%、15.2%和10.4%。CDT与CST差异不显著,显著高于2种轮耕模式,DT/RT比DT/RT/RT在冬小麦季显著提高4.1%,在夏玉米季显著提高4.3%。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图6轮耕模式对土壤呼吸速率的影响
图柱上不同小写字母表示同生育时期不同处理间差异达到5%显著水平
-->Fig. 6Effects of rotational tillage patterns on soil respiration rate
Different lowercase letters above the bars meant significant differences at the 0.05 level in the same growth stage
-->
2.8 轮耕对作物产量的影响
2009—2015年各耕作模式的冬小麦和夏玉米产量如表7所示。5种耕作模式5年的冬小麦产量平均值由高到低依次为DT/RT>DT/RT/RT>CST>CDT>CRT,且DT/RT/RT、DT/RT、CST和CDT比对照CRT分别增产14.8%、16.8%、11.5%、13.4%。DT/RT/RT的夏玉米产量和周年产量介于DT/RT和CST之间,且与两者差异不显著,其周年产量比CRT显著增产18.9%,DT/RT、CST和CDT的周年产量比CRT分别显著增产21.4%、15.7%和12.9%。Table 7
表7
表72009-2015年轮耕模式对冬小麦-夏玉米产量及周年产量的影响
Table 7Effects of rotational tillage patterns on winter wheat-summer maize yield and annual yield in 2009-2015 (t·hm-2)
| 作物 Crop | 处理 Treatment | 年份Year | 平均 Average | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 2009-2010 | 2010-2011 | 2011-2012 | 2012-2013 | 2013-2014 | 2014-2015 | |||
| 冬小麦 Winter wheat | CRT | 6.23b | 6.76b | 6.16bc | — | 7.01c | 4.86c | 6.21b |
| CST | 6.73ab | 8.05a | 6.75ab | — | 8.44ab | 5.21ab | 7.03a | |
| CDT | 6.78ab | 8.12a | 6.54b | — | 8.12b | 5.04bc | 6.92a | |
| DT/RT | 6.96a | 8.25a | 7.37a | — | 8.01b | 5.64a | 7.24a | |
| DT/RT/RT | 6.86a | 7.98a | 6.92ab | — | 8.96a | 4.92bc | 7.13a | |
| 夏玉米 Summer maize | CRT | 5.51c | 5.51c | 8.38c | 7.47c | 8.19d | 10.06d | 7.52d |
| CST | 6.57ab | 6.20ab | 10.04ab | 8.88ab | 9.45c | 11.79bc | 8.82bc | |
| CDT | 6.42b | 5.82bc | 9.49b | 8.37b | 9.93bc | 11.34c | 8.56c | |
| DT/RT | 7.13a | 6.51a | 9.82ab | 9.20a | 10.55ab | 13.03a | 9.37a | |
| DT/RT/RT | 6.53ab | 6.12ab | 10.57a | 8.63ab | 10.77a | 12.26b | 9.15ab | |
| 周年产量 Annual yield | CRT | 11.74b | 12.27b | 14.54c | 7.47c | 15.20c | 14.92c | 12.69c |
| CST | 13.30a | 14.24a | 16.79ab | 8.88ab | 17.89b | 17.00b | 14.68ab | |
| CDT | 13.19a | 13.94a | 16.04b | 8.37b | 18.05b | 16.38bc | 14.33b | |
| DT/RT | 14.09a | 14.75a | 17.19a | 9.20a | 18.55ab | 18.67a | 15.41a | |
| DT/RT/RT | 13.39a | 14.10a | 17.49a | 8.63ab | 19.73a | 17.18b | 15.09ab | |
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2.9 轮耕对作物经济效益的影响
由于不同年份作物产量和农资投入不同,各轮耕模式的经济效益存在显著差异（表8）。不同年份作物周年总产值的变化规律与作物周年产量一致,CDT、CST、DT/RT、DT/RT/RT和CRT模式6年的总成本依次是10 941.9、10 866.9、10 754.4、10 691.9和10 566.9 元/hm2,其中以CDT最高,CRT最低。比较5种耕作模式6年的经济效益,DT/RT/RT与DT/RT、CST差异不显著,但比CDT显著增收10.1%,比CRT显著增收31.9%。Table 8
表8
表8不同轮耕模式对作物生产成本和经济效益的影响
Table 8Effects of different rotational tillage patterns on total cost and economic benefits (yuan/hm2)
| 项目 Item | 处理 Treatment | 年份 Year | 平均 Average | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 2009-2010 | 2010-2011 | 2011-2012 | 2012-2013 | 2013-2014 | 2014-2015 | |||
| 总产值 Total output | CRT | 22996.6b | 24116.7b | 28017.8c | 13450.2c | 29465.0c | 28320.0c | 24394.4c |
| CST | 25961.8a | 28052.7a | 32246.2ab | 15982.5ab | 34734.7b | 32156.4b | 28189.0ab | |
| CDT | 25691.4a | 27521.0a | 30830.3b | 15065.7b | 34926.5b | 31002.2b | 27506.2b | |
| DT/RT | 27452.4a | 29026.2a | 33152.8a | 16555.2a | 35796.7ab | 35240.1a | 29537.2a | |
| DT/RT/RT | 26149.4a | 27779.3a | 33553.9a | 15530.7ab | 38202.2a | 32397.6b | 28935.5ab | |
| 总成本 Total cost | CRT | 11383.4 | 11383.4 | 11383.4 | 6484.45 | 11383.4 | 11383.4 | 10566.9 |
| CST | 11683.4 | 11683.4 | 11683.4 | 6784.45 | 11683.4 | 11683.4 | 10866.9 | |
| CDT | 11758.4 | 11758.4 | 11758.4 | 6859.45 | 11758.4 | 11758.4 | 10941.9 | |
| DT/RT | 11758.4 | 11383.4 | 11758.4 | 6484.45 | 11758.4 | 11383.4 | 10754.4 | |
| DT/RT/RT | 11758.4 | 11383.4 | 11383.4 | 6859.45 | 11383.4 | 11383.4 | 10691.9 | |
| 经济效益 Economic benefit | CRT | 11613.2c | 12733.3c | 16634.4c | 6965.7d | 18081.6c | 16936.6c | 13827.5c |
| CST | 14278.4b | 16369.3ab | 20562.8ab | 9198.0b | 23051.3b | 20473.0b | 17322.1ab | |
| CDT | 13933.0b | 15762.6b | 19071.9b | 8206.3c | 23168.1b | 19243.8b | 16564.3b | |
| DT/RT | 15694.0a | 17642.8a | 21394.4a | 10070.8a | 24038.3b | 23856.7a | 18782.8a | |
| DT/RT/RT | 14391.0ab | 16395.9ab | 22170.5a | 8671.2bc | 26818.8a | 21014.2b | 18243.6a | |
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3 讨论
耕作的目的是改善土壤质量,通过调节土壤微环境的水、肥、气、热关系,综合改善土壤的物理、化学和生物性状[28]。其中土壤三相比能反映土壤的松紧程度、充水和充气程度及水汽容量[29],是衡量农田土壤物理性状的重要指标。前人研究结果表明,长期旋耕易形成明显的犁底层,阻碍作物根系生长及对土壤养分的充分利用[30],而小麦季深松可改善土壤孔隙状况[13],增加土壤深层蓄水量[31],深耕能降低冬小麦季20—35 cm土层容重和夏玉米季15—25 cm土层容重,增加0—40 cm土层含水量[32]。平衡土壤容重、孔隙度和土壤含水量间的比例,可创造良好耕层结构和适宜孔隙比例。本研究结果表明,与连年旋耕相比,冬小麦季连年深松、深耕及深耕和旋耕组合的轮耕模式均显著降低土壤亚表层R值,这与郭海斌等[9]的研究结果相似。土壤亚表层的R值在冬小麦成熟期以连年深松最低,夏玉米成熟期以连年深耕最低,主要是因为该区冬小麦季降雨较少,深松的土壤蓄水保墒能力最好[33],而夏玉米季降雨、灌溉充分,深耕后翻转的土壤能最大限度地接纳雨水和灌溉水,扩大土壤水库容[1]。轮耕可改善土壤耕层物理结构,协调耕层良好的水热条件,平衡有机质和全氮在耕层间分布[15]。本研究结果表明,连年旋耕和连年深松的土壤有机碳、氮储量表现为表层富集现象,而连年深耕、深耕/旋耕和深耕/旋耕/旋耕模式促进了10—40 cm土层有机碳、氮储量的增加,其可能原因有2个方面：一是耕作处理改变了秸秆在耕层的分布特征,其中旋耕和深松0—10 cm土层分别占91%、93%,而深耕0—10 cm土层占51%,10—30 cm土层占49%（图1）,秸秆腐解释放养分到土壤,从而提高下层土壤碳氮储量[4]。二是轮耕增加了耕层根系的数量和分布[34],促进了土壤碳库的输入。深耕和旋耕集成的轮耕模式固碳、固氮效果较连年深耕模式不显著,可能是因为定位时间较短,秸秆还田对土壤改良效应明显,使土壤有机碳的分解减慢。本文采用等深度法计算土壤有机碳、全氮储量,与多数研究[7,15,17]结果一致。随轮耕年限的延长,5种耕作措施各土层的碳、氮储量均有不同程度的增加,且土层间差异显著。但是目前国内外关于土壤碳、氮储量是否随轮耕年限增加而增加的结论不一,VALBOA等[35]研究连续24年的深耕、深松试验结果表明,0—40 cm土层的碳、氮储量无明显变化;但有****指出长期旋耕后进行深松6年[36]和深耕4年[17]均能显著提高0—30 cm土层固碳量,这与本研究结果一致。
土壤酶活性是土壤生物学活性的重要表现,土壤蔗糖酶和脲酶在土壤碳氮循环中起着重要作用[37]。孟庆阳等[38]研究发现与旋耕措施相比,小麦季深耕对20—40 cm土层的蔗糖酶活性无显著影响,这可能主要与秸秆还田后对土壤亚表层的长期改良效应有关。本研究通过6年的定位试验,研究结果表明与连年旋耕相比,连年深松的脲酶和蔗糖酶活性在0—10 cm土层富集,连年深耕和2种轮耕模式在10—40 cm土层的脲酶活性增加38.4%,蔗糖酶活性增加38.2%,这主要由于深耕措施将秸秆翻埋到土壤亚表层,增加了亚表层的秸秆还田量和土壤有机碳、氮含量,土壤有机质等营养物质是土壤酶促反应的底物,土壤有效养分的增加能够提高有机碳矿化率、微生物量和土壤酶活性[30,39],这与孙瑞莲等[40]研究指出土壤脲酶、蔗糖酶活性与有机质、碱解氮均呈显著正相关的结果一致。
土壤有机质是微生物进行分解活动排放CO2的物质基础,土壤酶活性反映了土壤中物质代谢的旺盛程度,与土壤微生物数量及呼吸强度有直接关系[41]。本试验中,连年深松、连年深耕和2种轮耕模式的有机碳氮储量和土壤酶活性较高,进而加速土壤呼吸速率。土壤呼吸速率均在冬小麦开花期和夏玉米开花期出现高峰,这可能与施肥有关,同时根系生长旺盛,产生的分泌物促进根际微生物呼吸,根呼吸和微生物呼吸增加促进了土壤呼吸速率的提高。较连年深耕模式,深耕和旋耕结合的轮耕模式冬小麦季的平均土壤呼吸速率显著降低7.7%,夏玉米季降低3.5%。主要是因为深耕、旋耕隔年轮换改善了土壤的通气性,减少了土壤扰动,降低了土壤有机质的分解,进而造成土壤呼吸速率下降,这与张俊丽等[42]研究结果相似,即土壤耕层扰动越深,土壤呼吸速率越高。深耕/旋耕/旋耕的土壤呼吸速率显著低于深耕/旋耕,表明在改良深层土壤结构的同时,适当减少土壤扰动频率,可有效减少农田碳排放,促进土壤固碳固氮。
孔凡磊等[43]研究发现多年免耕后进行翻耕、旋耕使冬小麦有效穗数提高23.2%,增产14.4%。隔年深耕、旋耕处理可有效打破犁底层,加速土壤的熟化,提高了土壤养分含量和深层根系活力[34],从而提高作物产量。另外,小麦季轮耕不仅提高了冬小麦的产量,其后效影响到夏玉米季,显著提高夏玉米产量,结果表明经过长期定位后,耕作措施不仅对当季作物的土壤性状影响显著,还对后茬作物的土壤性质改良效应显著,这与聂良鹏等[13]的结果一致。本试验通过比较轮耕模式6年的周年产量和经济效益发现,深耕/旋耕、深耕/旋耕/旋耕和连年深松增产效应差异不明显,主要是由于该地区冬小麦季降雨较少,深松和隔年深耕旋耕交替的耕作措施可减少土壤表面水分的蒸发,提高水分利用效率,使各处理间的冬小麦产量差异不明显。并且与深耕/旋耕、连年深松相比,长期进行深耕/旋耕/旋耕模式不但使农机具田间操作化繁为简,节省人力及物力的消耗和开支,而且减少了土壤亚表层的扰动频率,进而有效降低了农田呼吸速率,提高了土壤碳氮储量,因此深耕/旋耕/旋耕模式更适宜在该区进行试验推广。
轮耕后土壤耕作改变不同土层碳氮储量的内在机制是复杂的,受耕作方式、土壤水热状况等特性影响,特别是轮耕模式对土壤磷、钾、水肥利用效率和秸秆在耕层间腐解、释放养分的机制,需进行更加深入的研究,才能更加准确地评价各轮耕模式对土壤的培肥效应。
4 结论
秸秆还田条件下,深松、深耕和旋耕结合的轮耕模式可显著降低0—40 cm土层的R值,改善土壤物理性状,增加0—40 cm土层碳氮储量、脲酶和蔗糖酶活性;通过对处理6年后的土壤性状、作物产量和经济效益综合评价分析,以深耕/旋耕/旋耕轮耕模式最佳。深耕/旋耕/旋耕的轮耕模式创造了良好的耕层结构,提高了土壤碳氮储量,优化了土壤根区酶活性和农田碳排放机制,可作为黄淮海地区冬小麦-夏玉米两熟制农田适宜的轮耕模式。The authors have declared that no competing interests exist.
