聶勝委，張浩光，張巧萍，許紀(jì)東，張玉亭

（1.河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物營養(yǎng)與資源環(huán)境研究所，鄭州 450002；2.遂平縣農(nóng)業(yè)科學(xué)試驗站，河南 遂平 463100）

土壤緊實度（或稱為土壤穿透阻力）是衡量土壤抵抗外力的壓實和破碎的能力，通常用金屬柱塞或探針壓入土壤時的阻力表示。它影響土壤的通透性、溫度、水分、微生物數(shù)量和活性、養(yǎng)分轉(zhuǎn)化、植物根系生長以及養(yǎng)分吸收等，是土壤物理特性的重要反映。土壤緊實度影響農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展[1]，其對作物生長和產(chǎn)量的影響是當(dāng)前關(guān)注的熱點(diǎn)之一，歐盟委員會認(rèn)為土壤緊實是導(dǎo)致作物產(chǎn)量降低的主要因素[2]。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在小麥/玉米一年兩熟區(qū)連續(xù)多年的旋耕、少免耕作業(yè)，導(dǎo)致農(nóng)田耕層變淺，犁底層變厚上移，耕層質(zhì)量變劣趨勢加劇[3]。

土壤緊實首先影響土壤結(jié)構(gòu)和孔隙度，進(jìn)而影響植物根系生長[4]，最終影響產(chǎn)量。隨著土壤緊實度增加，土壤容重隨之增加，孔隙度下降，作物對養(yǎng)分的吸收減少，產(chǎn)量下降[5]；機(jī)械碾壓、不適當(dāng)?shù)母骱娃r(nóng)事操作都能造成土壤緊實度增大[6]。連續(xù)免耕會造成土壤緊實，作物減產(chǎn)，適當(dāng)犁翻耕能提高產(chǎn)量[7]。土壤緊實顯著降低作物產(chǎn)量和氮的吸收，降低收獲期種子含水率，但是對容重和千粒質(zhì)量影響不明顯[8]。土壤緊實能夠降低作物產(chǎn)量和水分利用效率，干土上車輪壓實對作物生長的影響較小，濕土上車輪壓實影響較大[9]。凍融交替是自然降低土壤緊實度的有效方法。與虧缺灌溉相比，大水漫灌會引起深耕之后的土壤更加緊實，因此，應(yīng)減少深耕之后的灌溉程度[10]。秸稈覆蓋和輪作豆科的保護(hù)性耕作能夠改善土壤物理結(jié)構(gòu)，降低次耕層緊實狀況，促進(jìn)小麥根系生長[11]。

農(nóng)田耕作是改善土壤耕層結(jié)構(gòu)，協(xié)調(diào)水、肥、氣、熱環(huán)境因子，提高土壤通透性，優(yōu)化水肥供應(yīng)能力的有效措施[12]。立式旋耕是一種新的農(nóng)田耕作方式，它用動力機(jī)械帶動立式旋耕機(jī)的垂直螺旋鉆頭直立旋轉(zhuǎn)切磨粉碎土壤，達(dá)到深松、旋耕整地效果[13]。鉆軸入土深度可達(dá)30～60 cm，能深度打破犁底層，改善土壤結(jié)構(gòu)，獲得較高產(chǎn)量[14]。研究表明，在同等施肥量條件下，與常規(guī)旋耕、翻耕等耕作方式相比，立式旋耕（粉壟）可以提高小麥[15-16]、玉米[17-18]、水稻[19]等多種作物產(chǎn)量，改善品質(zhì)，促進(jìn)根系生長[20]。這些研究為解決我國小麥生產(chǎn)上的土壤耕層緊實、退化以及變淺等問題，實現(xiàn)綠色可持續(xù)發(fā)展提供了重要思路。

本研究以立式旋耕（30 cm±5 cm）、常規(guī)旋耕（12 cm±5 cm）兩種不同土壤耕作方式為基礎(chǔ)，研究其對小麥生長季拔節(jié)期、灌漿期土壤耕層緊實度、小麥產(chǎn)量以及養(yǎng)分利用率的影響，為實現(xiàn)小麥綠色可持續(xù)生產(chǎn)提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于河南省遂平縣農(nóng)業(yè)科學(xué)試驗站（33°15′N，113°98′E），屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候。光照充足，氣候溫和，雨量充沛，四季分明，亞熱帶向暖溫帶過渡性氣候特性較明顯。年平均氣溫、日照、降水量、無霜期分別為15.1 ℃、2 126 h、927 mm、226 d。土壤類型為砂姜黑土，重壤偏黏，中性偏弱酸性（pH=5.9）。試驗地基礎(chǔ)土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮、有效磷、速效鉀含量分別為6.52 g·kg-1、18.6 mg·kg-1、110.40 mg·kg-1、139.10 mg·kg-1。

1.2 試驗設(shè)計

試驗為雙因素裂區(qū)設(shè)計，設(shè)常規(guī)旋耕（Traditional rotary tillage，TR）、立式旋耕（Vertical rotary tillage，VR）2 種耕作方式，不施肥（None-fertilizer，nF）、施肥（Fertilizer，F(xiàn)）2 個施肥水平，每個處理重復(fù)3 次，共計12 個小區(qū)，小區(qū)面積8 m×6 m。施肥處理的施肥量為：氮肥300 kg N·hm-2、磷肥82.5 kg P2O5·hm-2，鉀肥82.5 kg K2O·hm-2。其中施肥處理中，70%的氮肥和全部磷、鉀肥作基肥在整地時一次施入，剩余30%氮肥在拔節(jié)期作追肥施入；不施肥處理作為對照用于計算氮肥利用率。①常規(guī)旋耕（TR，12 cm±5 cm）：上茬作物為青貯玉米，收獲后粉碎滅茬，后用普通旋耕機(jī)深旋耕2 遍，整地深度為12 cm±5 cm，再用常規(guī)旋耕機(jī)平整1 遍（深度5～10 cm），播種；②立式旋耕（VR，30 cm±5 cm）：上茬作物為青貯玉米，收獲后粉碎滅茬，后用立式旋耕機(jī)深旋耕1 遍，整地深度為30 cm±5 cm，再用常規(guī)旋耕機(jī)平整1遍（深度5～10 cm），播種。

小麥品種為遂選101（豫審麥2015004，河南平安種業(yè)有限公司、遂平縣農(nóng)業(yè)科學(xué)試驗站選育），分別在2017 年10 月和2018 年10 月下旬機(jī)播樓播種，播量150 kg·hm-2，行距20 cm，分別于2018、2019 年6 月上旬收獲；下茬各處理常規(guī)種植夏玉米，機(jī)播樓貼茬播種，其他田間管理措施等保持一致。

1.3 測定項目

在小麥播種前測定0～20 cm 土壤堿解氮、有效磷、速效鉀、有機(jī)質(zhì)等基礎(chǔ)養(yǎng)分含量，分別采用堿解擴(kuò)散法、0.5 mol·L-1NaHCO3法、乙酸銨浸提-火焰光度法、重鉻酸鉀法進(jìn)行測定[21]；小麥拔節(jié)期（2018/03/12、2019/03/27）、灌漿期（2018/05/04、2019/05/04）用緊實度儀（SY-T02，邢臺潤聯(lián)科技有限公司，中國）測定5、10、20 cm耕層土壤緊實度，每個小區(qū)及耕層分別重復(fù)測定6 次；小麥成熟期，每個小區(qū)選取4 m2實收測產(chǎn)。氮肥農(nóng)學(xué)效率、氮肥偏生產(chǎn)力[22]采用以下公式計算：

氮肥農(nóng)學(xué)效率（kg·kg-1）=（施氮肥區(qū)產(chǎn)量-對照區(qū)產(chǎn)量）/施用氮肥總量

氮肥偏生產(chǎn)力（kg·kg-1）=作物施肥后產(chǎn)量/氮肥施用量。

1.4 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)用Excel 2003、SPSS 20.0 等軟件進(jìn)行整理，用LSD法進(jìn)行顯著性分析，顯著性水平α=0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同耕作方式小麥產(chǎn)量的比較

在相同田間管理水平下，由于耕作方式不同，構(gòu)建的耕層及緊實度條件也不同，因而獲得的籽粒產(chǎn)量存在著較大差異。由表1 可以看出，不施肥條件下，2018 年，立式旋耕不施肥（nFVR）、常規(guī)旋耕不施肥（nFTR）處理小麥產(chǎn)量分別為7 011.9、5 227.5 kg·hm-2，nFVR顯著高于nFTR處理，增加1 784.4 kg·hm-2；2019年，nFVR（6 808.9 kg·hm-2）＞nFTR（6 652.3 kg·hm-2），產(chǎn)量增加156.6 kg·hm-2，差異不顯著。在施肥條件下，立式旋耕施肥（FVR）處理的小麥產(chǎn)量均高于常規(guī)旋耕施肥（FTR）處理，產(chǎn)量分別高出725.6 kg·hm-2（2018年）、540.7 kg·hm-2（2019年），但是處理間差異不顯著。

與nFTR 處理產(chǎn)量相比，2018 年FVR 處理產(chǎn)量增幅50.16%，F(xiàn)TR 處理增幅36.28%，F(xiàn)VR＞FTR；2019年，F(xiàn)VR 處理產(chǎn)量增幅42.91%，F(xiàn)TR 處理增幅34.79%，F(xiàn)VR＞FTR。立式旋耕施肥處理兩年的產(chǎn)量增加量均較大幅度高于常規(guī)旋耕處理，說明立式旋耕結(jié)合施肥能進(jìn)一步激發(fā)土地的生產(chǎn)潛力。

2.2 不同耕作方式小麥生長季的土壤緊實度比較

不同耕作方式下小麥生長季土壤緊實度的變化如圖1～3所示。

在施肥條件下，由圖1可以看出，2018年，小麥拔節(jié)期FVR 處理10 cm 耕層土壤的緊實度為30.23 N，顯著低于FTR 處理（55.23 N）。灌漿期與之相似，F(xiàn)VR處理10 cm耕層土壤的緊實度為53.30 N，顯著低于FTR（87.54 N）。2019 年，在同一地塊上分別連續(xù)重復(fù)2018 年的耕作方式，拔節(jié)期FVR 處理10 cm 耕層土壤的緊實度（120.27 N）高于FTR（96.45 N），差異不顯著；灌漿期10 cm 耕層土壤的緊實度表現(xiàn)為FVR略低于FTR處理，差異不顯著。

在不施肥條件下，由圖2可以看出，2018年，拔節(jié)期nFVR 處理10 cm 耕層土壤的緊實度為24.63 N，顯著低于nFTR（93.37 N）；灌漿期10 cm 耕層土壤緊實度表現(xiàn)為nFVR（50.60 N）＜nFTR（74.44 N），差異不顯著。2019 年，10 cm 耕層土壤緊實度表現(xiàn)為拔節(jié)期nFVR（126.13 N）＞nFTR（108.32 N）；灌漿期nFVR（135.43 N）＜nFTR（187.30 N），差異均不顯著。

為了進(jìn)一步研究緊實度在土壤耕層的表層（5 cm）和深層（20 cm）的變化情況，對5、20 cm 耕層土壤的緊實度進(jìn)行了測定（圖3），不施肥條件下，小麥拔節(jié)期nFVR、nFTR 處理20 cm 耕層土壤的緊實度分別為177.03、287.28 N；灌漿期，nFVR、nFTR處理5 cm耕層土壤的緊實度分別為116.53、102.70 N，差異均不顯著。施肥條件下，小麥拔節(jié)期FVR、FTR處理20 cm耕層土壤的緊實度分別為164.33、314.53 N，F(xiàn)VR 處理顯著低于FTR處理；灌漿期，F(xiàn)VR、FTR處理5 cm耕層土壤的緊實度分別為35.43、51.90 N，差異不顯著。

表1 不同耕作方式下小麥籽粒產(chǎn)量（kg·hm-2）Table 1 Wheat grain yields under different tillage during harvested stages（kg·hm-2）

圖1 施肥條件下不同耕作方式土壤緊實度（10 cm耕層）的比較Figure 1 Soil compaction（10 cm soil depth）under different tillage at fertilization levels

圖2 不施肥條件下不同耕作方式土壤緊實度（10 cm耕層）的比較Figure 2 Soil compaction（10 cm soil depth）under different tillage at none fertilization levels

圖3 不同耕作方式5 cm耕層土壤和20 cm耕層土壤的緊實度比較Figure 3 Soil compaction（5 cm and 20 cm soil depth）under different tillage at fertilization and none fertilization levels

2.3 不同耕作方式氮肥效率的比較

不同的土壤耕作方式構(gòu)建了小麥生長季不同的土壤緊實狀況，導(dǎo)致了產(chǎn)量的差異，反映到養(yǎng)分效率上，以各耕作方式對應(yīng)的不施肥處理（nFVR、nFTR）來計算氮肥農(nóng)學(xué)效率，由圖4A 可以看出，2018 年，F(xiàn)VR、FTR 處理的氮肥農(nóng)學(xué)效率分別為5.05、6.32 kg·kg-1，F(xiàn)VR 比FTR 處理低1.27 kg·kg-1，差異顯著；2019年分別為8.99、7.71 kg·kg-1，F(xiàn)VR 比FTR 處理氮肥農(nóng)學(xué)效率提高16.60%，差異不顯著。

圖4 施肥條件下不同耕作方式間氮肥農(nóng)學(xué)效率的比較Figure 4 Agronomic efficiency of nitrogen fertilizer under different tillage

若均以常規(guī)旋耕不施肥（nFTR）來計算氮肥農(nóng)學(xué)效率，由圖4B可以看出，不同土壤耕作方式連續(xù)兩個小麥季FVR 處理的氮肥農(nóng)學(xué)效率均高于FTR 處理；2018 年，F(xiàn)VR（8.74 kg·kg-1）比FTR（6.32 kg·kg-1）處理氮肥農(nóng)學(xué)效率提高38.29%，差異顯著；2019 年，F(xiàn)VR（9.52 kg·kg-1）比FTR（7.71 kg·kg-1）氮肥農(nóng)學(xué)效率提高23.35%，差異不顯著。

不同耕作方式下氮肥對當(dāng)季小麥產(chǎn)量的貢獻(xiàn)如圖5 所示，2018 年，F(xiàn)VR、FTR 處理的氮肥偏生產(chǎn)力分別為26.16、23.75 kg·kg-1，F(xiàn)VR 比FTR 提高10.15%，差異顯著；2019年分別為31.69、29.89 kg·kg-1，F(xiàn)VR比FTR 氮肥偏生產(chǎn)力提高6.02%，差異不顯著。說明立式旋耕方式下，相同的氮肥施用量對小麥籽粒產(chǎn)量的貢獻(xiàn)大于常規(guī)旋耕。2018年，不施肥小麥產(chǎn)量表現(xiàn)為nFVR（7 011.9 kg·hm-2）＞nFTR（5 227.5 kg·hm-2），小麥第一季采用nFVR 處理來計算氮肥農(nóng)學(xué)效率，導(dǎo)致計算出的氮肥農(nóng)學(xué)效率相對偏低。

圖5 施肥條件下不同耕作方式氮肥偏生產(chǎn)力的比較Figure 5 Partial factor productivity of nitrogen fertilizer under different tillage

3 討論

已有研究發(fā)現(xiàn)，隨著土壤緊實度提高，小麥分蘗成穗率降低，產(chǎn)量下降[23]；降低土壤緊實度能顯著提高耕作層土壤的非毛管孔隙度，增加甘薯塊根形成期（20～40 d）土壤最高溫度與最低溫度的溫差；提高塊根膨大期（45～165 d）塊根中蔗糖合成酶（SS）、腺苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶（ADPGPase）活性，增加淀粉含量，提高塊根中干物質(zhì)積累初始勢，增產(chǎn)20.01%～27.78%[24]。在技術(shù)途徑上，利用微孔深松耕可有效打破犁底層，降低土壤緊實程度，提高棉花品質(zhì)和產(chǎn)量[25]。本研究發(fā)現(xiàn)，立式旋耕（VR，30 cm±5 cm）所構(gòu)建的土壤結(jié)構(gòu)和耕層比常規(guī)旋耕（TR，12 cm±5 cm）更能發(fā)揮土壤潛力，與nFTR 相比，2018 年，F(xiàn)VR、FTR處理產(chǎn)量分別增加2 621.9、1 896.3 kg·hm-2；2019 年，F(xiàn)VR、FTR 處理產(chǎn)量分別增加2 854.8、2 314.1 kg·hm-2；增幅均表現(xiàn)出FVR＞FTR。

另一方面，旋耕土壤能明顯增加15～40 cm 土層緊實度，隨著緊實度的增加土壤內(nèi)部溫度變化幅度增大，土壤緩沖性能降低[26]。本研究中，土壤進(jìn)行立式旋耕后經(jīng)過小麥季的生長，在返青拔節(jié)期、灌漿期10 cm 耕層土壤的緊實度均低于旋耕處理，但是這種效應(yīng)僅在當(dāng)季較為明顯；而且立式旋耕能減緩小麥拔節(jié)期深層土壤（20 cm）的緊實度，這種現(xiàn)象在施肥條件下表現(xiàn)顯著，有利于小麥返青早發(fā)，促進(jìn)小麥生長；小麥灌漿期，兩種耕作方式對土壤表層（5 cm）的緊實度影響較小，差異不顯著。說明改進(jìn)耕作方式，能構(gòu)建適宜小麥生長的土壤結(jié)構(gòu)，激發(fā)土壤的生產(chǎn)潛力。同時，作為農(nóng)田土壤耕作方法中的突破和創(chuàng)新，立式旋耕不僅能夠增加土壤耕層厚度，改善土壤結(jié)構(gòu)，而且在一定程度上能實現(xiàn)犁翻耕和旋耕的結(jié)合，減少大型機(jī)械進(jìn)地作業(yè)次數(shù)及對土壤造成的二次碾壓，這對于改善和恢復(fù)農(nóng)田旱作區(qū)的土壤功能、提高土壤質(zhì)量具有積極的意義，應(yīng)用前景良好。但在實際生產(chǎn)中，應(yīng)考慮當(dāng)?shù)鼐唧w的土壤質(zhì)地、地形地貌、耕作制度及農(nóng)機(jī)操作人員的熟練程度等因素，選擇適宜當(dāng)?shù)刈魑锷L的耕層厚度。

4 結(jié)論

（1）施肥條件下，與常規(guī)旋耕相比，立式旋耕能顯著降低第一季小麥拔節(jié)期、灌漿期10 cm 耕層土壤的緊實度，第二季則處理間差異不顯著；不施肥條件下趨勢相似。立式旋耕能降低小麥拔節(jié)期20 cm 耕層土壤緊實度，在施肥情況下顯著降低。兩種耕作方式下灌漿期5 cm耕層的土壤緊實度差異不顯著。

（2）立式旋耕能連續(xù)兩季持續(xù)增加小麥產(chǎn)量，而且能進(jìn)一步激發(fā)土地生產(chǎn)潛力，與常規(guī)旋耕不施肥處理相比，立式旋耕施肥處理產(chǎn)量增幅為50.16%（2018年）、42.91%（2019 年）；氮肥農(nóng)學(xué)效率提高38.29%（2018 年）、23.35%（2019 年），且當(dāng)季增幅顯著；氮肥偏生產(chǎn)力提高10.15%（2018年）、6.02%（2019年）。

總之，立式旋耕較常規(guī)旋耕能夠有效降低小麥拔節(jié)期、灌漿期耕層土壤的緊實度，構(gòu)建良好的土壤結(jié)構(gòu)，提高小麥產(chǎn)量和養(yǎng)分利用率。