丁晉利，魏紅義，武繼承，楊永輝

(1.鄭州師范學(xué)院，河南 鄭州 450044； 2.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)田灌溉研究所農(nóng)業(yè)部作物 需水與調(diào)控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 新鄉(xiāng) 453000； 3.南水北調(diào)中線干線工程建設(shè)管理局河南分局，河南 鄭州 450018； 4.河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物營(yíng)養(yǎng)與資源環(huán)境研究所，河南 鄭州 450002)

土壤水分和養(yǎng)分是影響農(nóng)作物生長(zhǎng)的重要因素。目前，水資源短缺，水氮利用效率下降，已經(jīng)嚴(yán)重制約了中國(guó)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。河南省作為中國(guó)冬小麥主產(chǎn)區(qū)之一，屬易旱區(qū)，其氮肥過(guò)量施用導(dǎo)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，土壤累積的過(guò)量氮素淋溶造成的地下水污染日益嚴(yán)重。此外，傳統(tǒng)耕作加劇了水土流失，加速了有機(jī)質(zhì)的分解和礦化，肥力降低[2-3]。以免耕為技術(shù)核心的保護(hù)性耕作能保持水土，增加土壤水分，改善土壤質(zhì)量和提高作物產(chǎn)量，有利于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)性發(fā)展[4]。大量研究表明，以免耕為代表的各種保護(hù)性耕作措施能夠改善土壤結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)土壤蓄水保墑能力，增加土壤肥力，提高作物產(chǎn)量[5]。然而，也有結(jié)果表明，多年連續(xù)免耕可降低土壤速效氮含量，致使作物減產(chǎn)[6-7]。前人研究多側(cè)重免耕對(duì)硝態(tài)氮淋溶的影響，并未綜合分析免耕條件下土壤水分、可溶性碳和硝態(tài)氮在冬小麥不同生育時(shí)期的分布特征。因此，本研究對(duì)免耕條件下冬小麥不同生育時(shí)期土壤剖面水分、可溶性碳、硝態(tài)氮的分布特征進(jìn)行研究，以揭示可溶性碳和硝態(tài)氮隨土壤水分的遷移特征，為合理評(píng)價(jià)免耕效果、農(nóng)田耕作精確化管理、培肥地力和提高作物產(chǎn)量提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

本研究長(zhǎng)期定位耕作試驗(yàn)布設(shè)于禹州農(nóng)業(yè)長(zhǎng)期定位試驗(yàn)基地(34.16°N，113.15°E，海拔116 m)。試驗(yàn)區(qū)位于河南省中部，多年平均降水量為674.9 mm，其中60%以上的降雨量集中在7—9月，存在較嚴(yán)重的季節(jié)性干旱。該地區(qū)的土壤為褐土，黃土性母質(zhì)，耕層有機(jī)質(zhì)為12.3 g·kg-1，全氮為0.80 g·kg-1，水解氮為47.82 mg·kg-1，速效磷為6.66 mg·kg-1，速效鉀為114.8 mg·kg-1[8]。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

耕作試驗(yàn)采用單因素隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，2014—2016年分別選取傳統(tǒng)耕作和免耕2個(gè)試驗(yàn)處理，每個(gè)處理設(shè)3次重復(fù)。2種耕作方式具體操作方法：傳統(tǒng)耕作是在玉米收獲后，將全部秸稈粉碎覆蓋地表，用犁鏵全面深翻20～25 cm，將秸稈深埋；免耕是玉米收獲后，全部秸稈粉碎覆蓋地表，無(wú)其他措施。

2014—2016年種植的冬小麥品種均為矮抗58，播種量為150 kg·hm-2，播種時(shí)間分別為2014-10-15和2015-10-16，收獲時(shí)間分別為2015-05-28和2016-06-01。冬小麥播種前施用氮肥(純N)225 kg·hm-2、過(guò)磷酸鈣(P2O5)105 kg·hm-2和鉀肥(K2O)75 kg·hm-2，一次性底施。為了保證小麥正常出苗，播前進(jìn)行灌溉，灌溉量為60 mm，小區(qū)面積6 m×6 m=36 m2。2014年10月至2016年6月降雨量數(shù)據(jù)來(lái)自禹州市氣象局，逐月降雨量如圖1所示。

圖1 禹州市試驗(yàn)站2014—2016年逐月降雨量Fig.1 Monthly rainfall of Yuzhou Experiment Station from 2014 to 2016

1.3 測(cè)量指標(biāo)

1.3.1 土壤水分測(cè)定 在冬小麥拔節(jié)期、揚(yáng)花期、灌漿期和成熟期用土鉆取0～100 cm土層土樣，每20 cm為1層，裝入鋁盒中稱鮮土質(zhì)量，然后，放入烘箱(105 ℃)烘干至質(zhì)量恒定后計(jì)算土壤含水率[9]。

1.3.2 土壤可溶性碳測(cè)定 在冬小麥關(guān)鍵生育時(shí)期(拔節(jié)期、灌漿期和成熟期)，分別取0～20，20～40，40～60，60～80和80～100 cm土層土樣。待樣品風(fēng)干，將樣品充分混勻過(guò)1和0.25 mm篩，分別稱取10 g土樣，待測(cè)。土壤可溶性碳采用K2SO4浸提法測(cè)定[10]，具體步驟如下：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，恒溫25 ℃振蕩30 min，用0.45 μm濾膜抽濾，濾液用德國(guó)耶拿Multi2100C/N TOC儀器測(cè)定有機(jī)碳含量。

1.3.3 土壤硝態(tài)氮測(cè)定 在冬小麥拔節(jié)期、灌漿期和成熟期，分別取0～20,20～40,40～60,60～80和80～100 cm土層土樣，裝入塑封袋，放置低溫(-75 ℃)冰箱。測(cè)定時(shí)將土壤樣品解凍并充分混勻過(guò)2 mm篩，稱取12 g鮮土，置于120 mL三角瓶?jī)?nèi)，加入1 mol·L-1的KCl溶液50 mL，振蕩30 min，過(guò)濾取上清液，用流動(dòng)分析儀(TRAACS 2000,Bran and Luebbe)測(cè)定土壤硝態(tài)氮[10]。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤剖面水分分布特征

土壤剖面含水量與降雨量、耕作方式及作物生長(zhǎng)有關(guān)。冬小麥不同生育時(shí)期土壤剖面含水量不同(圖2)。2015年傳統(tǒng)耕作和免耕冬小麥成熟期土壤剖面0～100 cm平均含水量較拔節(jié)期分別降低10.5%和1.6%。這是由于作物生長(zhǎng)吸收水分不斷增加，且冬小麥成熟期之前降雨量較少。由于2014—2015年小麥季平均降雨量顯著高于2015—2016年，導(dǎo)致冬小麥同一生育時(shí)期不同年份的土壤剖面平均含水量不同。與傳統(tǒng)耕作相比，免耕提高了冬小麥拔節(jié)期、揚(yáng)花期、灌漿期和成熟期0～100 cm土層土壤平均含水量(圖2)。這是由于免耕能夠減少土壤蒸發(fā)，進(jìn)而增加土壤儲(chǔ)水量。從不同土層看，冬小麥關(guān)鍵生育時(shí)期土壤水分均隨土壤深度增加而呈現(xiàn)先減少后增加的趨勢(shì)。耕作層土壤(0～40 cm)平均土壤含水率受耕作處理影響明顯。與傳統(tǒng)耕作相比，免耕分別提高冬小麥拔節(jié)期和揚(yáng)花期0～40 cm土層平均含水量14.0%和10.3%。其中，2015年免耕0～40 cm土層冬小麥拔節(jié)期、揚(yáng)花期、灌漿期和成熟期土壤平均含水量分別提高8.9%，11.5%，14.3%和8.6%。2016年免耕的冬小麥拔節(jié)期和揚(yáng)花期土壤平均含水量分別提高了19.1%和9.2%，而成熟期土壤平均含水量降低了5.3%?？梢?jiàn)，免耕土壤蓄水保墑效果優(yōu)于傳統(tǒng)耕作土壤。

注：(Ⅰ)拔節(jié)期； (Ⅱ)揚(yáng)花期； (Ⅲ)灌漿期； (Ⅳ)成熟期。CT為傳統(tǒng)耕作；NT為免耕。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

與傳統(tǒng)耕作相比，免耕在2014—2016年冬小麥全生育期土壤剖面0～100 cm平均可溶性碳含量降低2.0%。在冬小麥拔節(jié)期和成熟期，免耕措施下0～100 cm土層平均可溶性碳含量較傳統(tǒng)耕作分別提高4.2%和26.9%，而在冬小麥灌漿期較傳統(tǒng)耕作降低20.7%(圖3)。這可能是由于免耕措施下土壤含水量較高，使冬小麥生物量較高，導(dǎo)致冬小麥灌漿期需要吸收大量可溶性碳。從不同土層來(lái)看，免耕措施下拔節(jié)期、灌漿期和成熟期土層0～40 cm 可溶性碳含量均低于傳統(tǒng)耕作。這是由于傳統(tǒng)耕作對(duì)土壤表層擾動(dòng)，加劇了土壤有機(jī)碳的礦化，致使傳統(tǒng)耕作0～40 cm 可溶性碳含量高于免耕。而4～100 cm土層平均可溶性碳含量在不同年份、冬小麥不同生育時(shí)期表現(xiàn)不盡相同。與傳統(tǒng)耕作相比，2015年免耕冬小麥的成熟期40～100 cm 平均可溶性碳含量較高，而在冬小麥拔節(jié)期和灌漿期平均可溶性碳含量較低；2016年冬小麥拔節(jié)期和成熟期平均可溶性碳含量較高，而在冬小麥灌漿期平均可溶性碳含量較低。有研究表明，土壤可溶性碳含量受降雨量、耕作方式、土壤有機(jī)碳含量和生物量的影響[11-12]。不同耕作方式土壤容重、土壤含水量不同，導(dǎo)致冬小麥生物量不同，進(jìn)而致使冬小麥吸收可溶性碳含量不同。

(Ⅰ)拔節(jié)期； (Ⅱ) 灌漿期； (Ⅲ)成熟期。(Ⅰ)Jointing stage； (Ⅱ) Filling stage； (Ⅲ) Maturity.注：不同小寫字母表示不同處理差異顯著(P<0.05)。下同。Note:Different lowercase letters indicate significant difference between different treatments(P<0.05).The same as below.

2.3 土壤剖面硝態(tài)氮分布特征

不同耕作處理下冬小麥關(guān)鍵生育時(shí)期0～100 cm土層硝態(tài)氮含量動(dòng)態(tài)變化如圖4所示。受降水量影響，不同年份同一生育時(shí)期硝態(tài)氮含量在剖面的分布特征不同。2015年冬小麥拔節(jié)期、灌漿期和成熟期硝態(tài)氮含量隨土層深度增加而減少，尤其在拔節(jié)期和成熟期60～80 cm土層硝態(tài)氮含量顯著降低。0～20 cm土層2015年冬小麥拔節(jié)期和灌漿期硝態(tài)氮含量明顯高于2016年同生育時(shí)期硝態(tài)氮含量。這可能是由于2014—2015年小麥季水分充足，有利于氮素礦化，使土壤表層硝態(tài)氮含量增加，此外，雨水充沛使冬小麥根系發(fā)育良好，有利于吸收耕層(0～40 cm)硝態(tài)氮，使表層硝態(tài)氮含量未遷移到土壤深層，進(jìn)而使土壤深層硝態(tài)氮含量逐漸降低。而2016年硝態(tài)氮含量隨土層深度增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。這可能由于該年份降水量少，土壤表層溫度升高，抑制了土壤的硝化速率，導(dǎo)致土壤表層硝態(tài)氮含量降低。同一年份不同生育時(shí)期土壤硝態(tài)氮含量在剖面分布趨勢(shì)大致相同，各不同生育時(shí)期略有差別。從拔節(jié)期至成熟期，2種耕作方式0～100 cm平均硝態(tài)氮含量逐漸減少，說(shuō)明隨著作物生長(zhǎng)吸收，土壤硝態(tài)氮不斷損耗。

不同耕作方式通過(guò)改變土壤物理性質(zhì)影響硝態(tài)氮分布特征。與傳統(tǒng)耕作相比，免耕分別提高冬小麥拔節(jié)期和灌漿期0～100 cm土層土壤硝態(tài)氮含量為43.1%和29.8%。其中，2015年免耕分別提高的冬小麥拔節(jié)期和灌漿期土壤硝態(tài)氮含量為20.0%和53.9%；分別提高2016年冬小麥拔節(jié)期、灌漿期和成熟期0～100 cm土壤硝態(tài)氮含量為66.3%，5.7%和28.3%。說(shuō)明免耕處理有利于硝態(tài)氮累積在0～100 cm，減輕硝態(tài)氮淋溶到地下水，造成環(huán)境污染。

(Ⅰ)拔節(jié)期； (Ⅱ) 灌漿期； (Ⅲ)成熟期。(Ⅰ)Jointing stage； (Ⅱ) Filling stage； (Ⅲ) Maturity.

3 結(jié)論與討論

與傳統(tǒng)耕作相比，免耕因減少對(duì)土壤的擾動(dòng)，降低土壤水分蒸發(fā)，具有良好的蓄水保墑作用[13-14]。本研究結(jié)果表明，免耕處理較傳統(tǒng)耕作均不同程度地增加了冬小麥關(guān)鍵生育時(shí)期(拔節(jié)期、揚(yáng)花期、灌漿期和成熟期)0～100 cm土層土壤平均含水量，這與余海英等[15]研究結(jié)果一致。有研究表明，免耕土壤剖面表層含水量高于傳統(tǒng)耕作，隨著剖面加深，與傳統(tǒng)耕作相比土壤含水量的差異逐漸減小[16]。本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，免耕土壤水分均隨土壤深度增加而呈現(xiàn)先減少后增加的趨勢(shì)，且免耕提高了0～40 cm土層土壤含水量。

硝態(tài)氮是氮素淋失的主要形式。胡立峰等[17]研究認(rèn)為，硝態(tài)氮淋溶到深層地下水的危險(xiǎn)以翻耕最大，免耕淋溶危險(xiǎn)最小。胡景昇等[18]通過(guò)15 a田間定位試驗(yàn)認(rèn)為，由于翻耕對(duì)土壤的劇烈擾動(dòng)破壞了土壤的良好結(jié)構(gòu)，改善了耕層土壤的通氣狀況，加快了土壤有機(jī)質(zhì)的礦化，使硝化作用增強(qiáng)，促進(jìn)了土壤硝態(tài)氮的累積。土壤翻耕后較大的土壤比表面和較短的彌散路徑，使硝態(tài)氮容易隨水向下淋溶。MATTHEW等[19]通過(guò)CRACK-NP模型模擬認(rèn)為，傳統(tǒng)耕作增加了硝態(tài)氮淋失的可能性。然而，SMITH等[20]研究表明，耕作次數(shù)越少，硝態(tài)氮淋失越多，這主要是由于未經(jīng)擾動(dòng)的土壤孔隙更有利于硝態(tài)氮淋溶，且蒸發(fā)少，不利于土壤深層硝態(tài)氮向上移動(dòng)。本研究結(jié)果表明，免耕處理有利于硝態(tài)氮累積在0～100 cm，減輕硝態(tài)氮淋溶到地下水。

土壤可溶性碳是有機(jī)碳庫(kù)中最活躍的組分之一，與土壤碳庫(kù)中有機(jī)碳的遷移、固持和二氧化碳的釋放有密切的關(guān)系[21-22]。崔鳳娟等[23]研究表明，免耕秸稈處理較傳統(tǒng)耕作顯著增加土壤可溶性碳含量。然而，也有研究表明，免耕較傳統(tǒng)耕作降低了土壤可溶性碳含量[24]。本研究結(jié)果表明，免耕在冬小麥全生育期土壤剖面0～100 cm平均可溶性碳含量降低2.0%。由于傳統(tǒng)耕作和免耕條件下冬小麥群體生長(zhǎng)不同，導(dǎo)致不同生育時(shí)期土壤剖面可溶性碳表現(xiàn)不同，免耕措施下0～100 cm土層平均可溶性碳含量在冬小麥拔節(jié)期和成熟期較傳統(tǒng)耕作較高，而在冬小麥灌漿期低于傳統(tǒng)耕作。

綜上所述，與傳統(tǒng)耕作相比，免耕提高了冬小麥拔節(jié)期、揚(yáng)花期、灌漿期和成熟期土壤剖面0～100 cm平均含水量。從不同土層看，冬小麥關(guān)鍵生育期土壤水分均隨土壤深度增加而呈現(xiàn)先減少后增加的趨勢(shì)。免耕分別提高了冬小麥拔節(jié)期和揚(yáng)花期0～40 cm土層平均含水量14.0%和10.3%。免耕在2014—2016年冬小麥全生育期土壤剖面0～100 cm平均可溶性碳含量降低2.0%。從不同土層看，免耕措施下拔節(jié)期、灌漿期和成熟期土層0～40 cm可溶性碳含量均低于傳統(tǒng)耕作，而免耕較傳統(tǒng)耕作分別提高了冬小麥拔節(jié)期和灌漿期0～100 cm土層土壤硝態(tài)氮含量43.1%和5.7%。