中国主要耕作方式对旱地土壤结构及养分和微生态环境影响的研究综述

耕作方式是影响土壤质量变化及耕地可持续利用的重要外在因素,农业生产和作物高产都离不开适宜的耕作方式,合理的耕作方式不仅可改善土壤结构和理化特性,还可有效促进农田生态系统的良性循环及资源的高效利用,而耕作方式不合理则会导致耕层土壤质量和生态环境的恶化。文章总结评述了不同耕作方式对土壤结构(团聚体、容重、孔隙度和紧实度)、养分特性(氮、磷、钾和有机质)及微生态环境(微生物数量和微生物量碳氮、微生物多样性、土壤酶活性)的影响。综合认为,不同耕作方式对土壤的扰动程度不同,各耕作方式下土壤结构、养分特性及微生态环境存在明显差异,考虑到中国耕地类型、生态区域和种植制度的复杂多样性,单一的耕作方式如免耕、旋耕、翻耕、深松并不能很好适应农业实际生产需求。为改善耕地质量、提高耕地生产力,需结合各生态区土壤特性和种植制度特点选择年内及年际间合理的耕作方式组合(免耕-旋耕、免耕-深耕、深松-旋耕、免耕-免耕、深松-免耕覆盖等)。此外,结合前人的研究,展望了在未来耕作方式对土壤影响的研究中应注重研究的系统性、长期性、区域性和复杂性及阐明了未来农业耕作方式的发展方向和需注重的问题。该文可为耕整地质量的进一步提高、耕地的高效可持续利用及耕作方式的合理选择和改进提供科学依据和理论参考。     

轮耕对双季稻田土壤全氮、有效磷、速效钾质量分数及水稻产量的影响

针对南方稻田连续免耕存在的主要问题,选择双季稻区连续7年免耕稻田,设置免耕-免耕（NT-NT）、翻耕-翻耕（CT-CT）、翻耕-免耕（CT-NT）、旋耕-旋耕（RT-RT）和旋耕-免耕（RT-NT）5个耕作处理,以连续免耕（NT-NT）作为对照,研究了不同轮耕技术对双季稻田土壤全氮、有效磷、速效钾质量分数和水稻产量的影响。结果表明：长期连续免耕稻田土壤全氮、有效磷均呈现表层（0～5 cm）富集的现象;CT-CT、RT-RT处理较对照趋向于提高5～20 cm土壤全氮、有效磷质量分数。与CT-CT、RT-RT相比,CT-NT和RT-NT均有利于提高表层0～5 cm土壤全氮、速效钾质量分数,降低5～20 cm土壤全氮、有效磷质量分数。各处理早稻的有效穗均显著高于对照,分别比对照增加10.4×10^4、16.82×10^4、32.04×10^4和28.34×104 hm-2;产量分别比对照提高17.85%、21.58%、3.0%和19.38%。各处理晚稻的有效穗均显著高于对照,分别比对照增加43.46×10^4、9.12×10^4、17.13×10^4和27.34×104 hm-2;产量分别比对照增加9.98%、8.25%、4.69%和7.68%。CT-NT处理有利于增加早稻和晚稻的产量。     

免耕和秸秆还田对小麦生长期内土壤酶活性的影响

利用中国科学院封丘农业生态实验站保护性耕作定位试验平台,研究全翻耕、常规耕作、免耕、全翻耕+秸秆还田、常规耕作+秸秆还田和免耕+秸秆还田6种耕作方式对小麦生长期内土壤酶活性的影响。结果表明:(1)在小麦整个生育期,土壤碱性磷酸酶、转化酶、脲酶活性表现为免耕处理大于常耕处理,翻耕处理小于常耕处理,有秸秆处理大于无秸秆处理,3种酶活性以免耕+秸秆还田处理为最高,翻耕处理最低。(2)在小麦成熟期,土壤脱氢酶活性表现为免耕处理小于常耕处理,其他生育期土壤脱氢酶活性表现为免耕处理大于常耕处理,有秸秆处理大于无秸秆处理。(3)在小麦不同生育期,各处理土壤酶活性表现出不同的规律性:碱性磷酸酶活性在苗期较低,至孕穗期达到峰值,至成熟期又有所降低;转化酶活性呈现在拔节期大幅升高而后降低的变化趋势;脲酶活性分别在苗期和孕穗期较高;脱氢酶活性在整个生育期一直增加,成熟期达到峰值。(4)4种土壤酶活性之间相关性均达显著水平,聚类分析表明,按照土壤总体酶活性水平可将6个处理划分为3组,酶活性水平最高的为免耕+秸秆还田处理,免耕结合秸秆还田能较好地提升土壤酶活性。     

保护性耕作对潮土结构特性的影响

研究不同保护性耕作措施对潮土结构特性的影响,探求不同秸秆还田方式下土壤结构的变化规律.以河北省石家庄市栾城县长期定位试验为研究基础,采用了传统翻耕、翻耕秸秆还田、旋耕秸秆还田、免耕覆盖还田、免耕立秆还田和免耕粉碎还田6种处理,分别对不同耕层的土壤容重、有机碳含量、团聚体及有机无机复合体进行了测定,对比分析了不同保护性耕作对潮土结构特性的影响.结果表明:免耕覆盖还田的土壤容重值最低;干筛情况下,免耕秸秆覆盖还田的MWD值显著高于其它处理30.4%～47.4%,而湿筛情况下,免耕立秆还田与粉碎还田MWD值高于其它处理;立秆还田的土壤分散系数最低,而粉碎还田的分散系数比其它处理高20.48%～330.93%;翻耕处理的原土复合量、原土复合度分别高于免耕处理10.82%～21.62%、8.97%～20.97%.不同秸秆还田方式对土壤结构稳定性的影响有很大差异:覆盖还田能改善田间土壤结构;立秆还田能提高微团聚体的稳定性;粉碎还田通过增加土壤有机碳含量而增加水稳性大团聚体的含量.     

不同耕作和秸秆还田模式对紫云英-双季稻土壤微生物生物量碳、氮含量的影响

土壤微生物能够灵敏、准确地反映土壤质量变化,可综合反映土壤肥力和环境质量状况。为探明南方双季稻区不同耕作和秸秆还田模式对水稻(Oryza sativa L.)根际与非根际土壤微生物生物量碳、氮含量的影响,以紫云英(Astragalus sinicus L.)-双季稻种植模式大田定位试验为平台,设双季水稻翻耕+秸秆还田(CT)、双季水稻旋耕+秸秆还田(RT)、双季水稻免耕+秸秆还田(NT)、双季水稻旋耕+秸秆不还田(对照,RTO)4种土壤耕作处理,于2017年和2018年系统分析了不同土壤耕作处理对双季稻各个主要生育时期根际与非根际土壤微生物生物量碳、氮含量和微生物熵及水稻产量的影响。研究结果表明,早、晚稻各个主要生育时期,各处理根际与非根际土壤微生物生物量碳、氮含量和微生物熵均表现为先增加再降低的变化趋势,均于齐穗期达到最大值;2个年份早、晚稻各个主要生育时期,各处理根际与非根际土壤微生物生物量碳平均含量变化范围分别为317.2-822.4、276.9-616.8 mg·kg~(-1)和286.8-792.0、281.1-617.8 mg·kg~(-1);根际与非根际土壤微生物生物量氮平均含量变化范围分别为38.6-64.5、33.1-50.6 mg·kg~(-1)和37.8-64.6、33.2-50.6 mg·kg~(-1);根际与非根际土壤微生物生物量碳、氮含量大小顺序均表现为:CTRTNTRTO。早、晚稻各个主要生育时期,CT处理根际土壤微生物生物量碳氮比和微生物熵均显著高于NT处理(P0.05)。秸秆还田处理(CT、RT和NT)根际与非根际土壤微生物熵均显著高于RTO处理(P0.05)。CT和RT处理早稻和晚稻产量均显著高于RTO处理(P0.05)。总的来说,耕作方式和秸秆还田对南方双季稻区稻田根际与非根际土壤微生物生物量碳、氮含量均具有明显的影响,采用土壤翻耕、旋耕和秸秆还田模式对于增加水稻根际与非根际土壤微生物生物量碳、氮含量、微生物熵和水稻产量的效果为最佳。     

耕作措施对华北夏玉米田土壤温度和酶活性的影响

为探讨长期耕作措施下华北平原夏玉米生长季土壤温度与酶活性的变化规律,本研究对四种耕作处理（免耕秸秆还田NTS,旋耕秸秆还田RTS,翻耕秸秆还田CTS和翻耕秸秆不还田CT）下土壤层次的温度和酶活性进行了测定和分析。结果表明：同一土壤层次的各耕作处理均从6：00．18：00呈现正弦波的变化特征;免耕、旋耕等保护性耕作处理在玉米的生育期内温度变化平稳,日均差均小于翻耕秸秆还田和翻耕秸秆不还田;免耕秸秆还田处理土壤酶活性最高,脲酶活性在夏玉米的3个生育期（播种期、大喇叭口期和收获期）分别高于翻耕秸秆不还田处理28．98％,35．62％和24．9％,碱性磷酸酶分别高32．7％,11．94％和10．39％,脱氢酶分别高27．53％,20．39％和30．53％,旋耕和翻耕秸秆还田处理3种酶的活性也明显高于翻耕秸秆不还田处理;旋耕与翻耕秸秆还田处理脲酶和碱性磷酸酶的差异不显著,脱氢酶的差异达到了5％的差异显著水平;通过研究表明在华北平原采用少免耕为主的保护性耕作措施,可以提高土壤酶活性,降低成本,提高经济效益。     

保护性耕作对土壤养分及有机碳库的影响

以稻草覆盖免耕方式稻田冬种马铃薯(Solanum tuberosum L.)为例,研究了保护性耕作对土壤养分以及有机碳库的影响.结果表明:保护性耕作能显著增加表层土层的养分含量,土壤氮素含量比传统耕作增加0.81%～7.24%,磷素含量增加14.95%～19.21%,钾素含量增加0.57%～15.40%,且全氮、全磷、全钾含量与传统耕作之间均达到了极显著差异水平,除碱解氮含量与传统耕作之间差异不显著外,速效磷与速效钾含量与传统耕作之间达到了显著差异水平与极显著差异水平;保护性耕作能增加土壤总有机碳与活性有机碳含量,提高土壤碳库管理指数,0～10 cm土层土壤的碳库管理指数分别比传统耕作高出9.10%、13.95%,10～20 cm土层则比传统耕作略低.因此保护性耕作能使土壤朝着有利于土壤质量提高的方向发展.两个保护性耕作处理:免耕稻草覆盖(8 cm)、免耕覆盖稻草(8 cm)后盖黑色地膜之间差异不大.     

不同耕作方式对土壤性质与玉米生长的影响研究

通过种植前对土壤进行不同耕作处理试验,探讨不同耕作方式和耕作深度（30 cm,35 cm,45 cm）对土壤理化性状及玉米（Zea mays L）根系生长的影响。结果表明,三种耕作方式对土壤容重、土壤含水量、土壤微生物总量、玉米根系生长的影响表现为：深松耕作〉传统耕作〉免耕。其中,深松耕作对表层土壤（0～25 cm）容重降低作用大于深层土壤（25～45 cm）;对增加土壤含水量、增加土壤微生物总量、促进玉米根系生长方面的作用,深层土壤大于表层土壤;从不同耕作深度进行比较,深松45 cm〉深松35 cm〉深松30 cm〉传统耕作,即耕作越深,对土壤物理性状和作物根系生长影响越大。不同耕作处理间玉米产量无显著性差异。综合研究区的土壤性质、作物生长、自然环境等因素,雨养农区可采用免耕—深松的循环耕作模式,改良土壤性质,提高经济效益。     

不同耕作方式对玉米田土壤有机碳含量的影响

在华北夏玉米生产体系中,采用田间试验,研究了撂荒、翻耕、免耕和旋耕4种耕作方式下,玉米4个生育期(苗期、拔节期、灌浆期、成熟期)耕层(0~20 cm)土壤总有机碳质量分数、活性有机碳质量分数和碳库管理指数的变化.结果表明:在观测期间,玉米不同生育期(0~20 cm)土层有机碳质量分数和活性有机碳质量分数均呈明显的动态变化,就3种耕作方式来讲,土壤总有机碳和活性有机碳均表现为免耕最高,翻耕和旋耕次之;成熟期免耕、旋耕、翻耕3种处理的土壤碳库管理指数比撂荒分别提高了47.38%、30.43%、27.00%;土壤活性有机碳与总有机碳、碳库管理指数均存在显著相关关系,玉米产量与土壤总有机碳质量分数存在显著相关性,与土壤活性有机碳质量分数和土壤碳库管理指数无明显相关性.综合考虑以上因素,免耕有利于提高土壤有机碳质量分数和土壤碳库管理指数,改善土壤质量,提高土壤肥力.     

玉米免耕秸秆覆盖对土壤微生物群落功能多样性的影响

为了研究免耕对土壤微生物功能多样性的影响,本项试验运用Biolog-ECO检测手段,对连续2年的玉米（Zea mays L.）保护性耕作试验全部秸秆覆盖免耕和常规耕作2种耕作处理的土样进行了土壤微生物功能多样性研究。试验表明：（1）免耕土壤微生物对碳源利用率以及不同碳源利用率高于常规耕作,免耕对总体碳源利用率平均值比常规耕作高53.1%;（2）免耕土壤微生物丰富度指数、多样性指数显著高于常规耕作,免耕微生物群落丰富度指数22.33±0.57,多样性指数3.02±0.04,常规耕作微生物群路丰富度指数14.33±1.15,多样性指数2.56±0.12。免耕秸秆覆盖耕作措施促进了土壤微生物活性、增加土壤微生物数量。     

保护性耕作对土壤有机碳、氮储量的影响

以辽宁彰武县保护性耕作示范推广基地土壤为研究对象,通过实地调查和取样分析,对比研究了传统犁耕和6年免耕秸秆覆盖条件下的土壤有机碳、氮储量,为广泛评价保护性耕作的土壤碳、氮截获功能和合理选择农业耕作方式提供科学依据。研究结果表明,与犁耕相比,免耕覆盖不同程度地提高了0～5cm和5～15cm土层的有机碳、氮储量,对15cm以下土层没有影响,从而增加了0～100cm土体总的有机碳、氮储量,证明了免耕覆盖的土壤碳、氮截获功能,年均截获率分别为1.37Mg·hm-2和0.84Mg·hm-2。有机碳、氮在犁耕土壤0～30cm剖面的垂直分布较为均匀,免耕覆盖后则发生明显的分层,产生表聚现象。     

保护性耕作对土壤有机碳、氮储量的影响

以辽宁彰武县保护性耕作示范推广基地土壤为研究对象,通过实地调查和取样分析,对比研究了传统犁耕和6年免耕秸秆覆盖条件下的土壤有机碳、氮储量,为广泛评价保护性耕作的土壤碳、氮截获功能和合理选择农业耕作方式提供科学依据。研究结果表明,与犁耕相比,免耕覆盖不同程度地提高了0-5cm和5～15cm土层的有机碳、氮储量,对15cm以下土层没有影响,从而增加了0～100em土体总的有机碳、氮储量,证明了免耕覆盖的土壤碳、氮截获功能,年均截获率分别为1．37Mg·hm-2和0．84Mg·hm-2有机碳、氮在犁耕土壤0～30cm剖面的垂直分布较为均匀,免耕覆盖后则发生明显的分层,产生表聚现象。     

The combination of subsoil and the incorporation of corn stover affect physicochemical properties of soil and corn yield in semi-arid China

ABSTRACT

The main objective of this study was to investigate the effects of combining subsoil and incorporation of corn stover on soil profile, soil physicochemical properties, and corn yield. A five-year field trial was conducted that consisted of two treatments arranged in a completely random design and replicated three times. Two soil management operations were tested: subsoil + corn stover incorporation (plow construction [PC] treatment) and conventional rotary tillage (control check [CK] treatment). Compared with rotary tillage, it was found that combining subsoil and corn stover incorporation significantly affected corn grain yield in all seasons. Further, combining subsoil and corn stover incorporation significantly increased the thickness of the plow layer, quantity of plow layer soil, thickness of the plow pan and soil bulk density, as well as soil organic matter, available nitrogen, available phosphorus, and available potassium. Evidence indicates that reconstructing the soil plow layer through combination of subsoil and corn stover incorporation improved soil structure, nutrient content, and corn yield. It is of interest that farmers are now applying subsoil and returning crop straw instead of solely relying on rotary tillage.     

耕作方式对华北冬小麦田土壤微生物生物量碳分布特征的影响

土壤微生物生物量碳（SMBC）反映了土壤有机碳（SOC）情况,其值大小代表了土壤肥力的高低,研究不同耕作方式SMBC的变化特征及其影响因素具有重要意义。试验于2001年在中国科学院栾城农业生态系统实验站开始,试验设置翻耕（CT）、旋耕（RT）、免耕（NT）三个处理。利用熏蒸提取-容量分析法研究了不同耕作处理2007～2008年冬小麦生育期的SMBC分布特征及影响因素。结果表明SMBC具有时空变化特征：在冬小麦生育期中,各SMBC处理均随着时间波动起伏,并在小麦返青期和扬花期达到峰值;空间分布上SMBC含量随土壤深度的增加而降低。不同耕作处理间差异显著,0～5 cm土层SMBC以NT最高,CT最低;5～10 cm土层RT与CT相当,NT最低;10～20 cm土层以CT最高,NT最低;20～30 cm各处理均较低,NT亦为最低。对不同处理SMBC层化率分析显示：NT具有明显的表层富集现象;RT处理0～10 cm SMBC分布均匀;CT处理0～20 cm SMBC分布均匀。对SMBC的影响因素分析表明：土壤有机碳是SMBC空间分布的主要影响因素,二者呈显著正相关。而土壤温度和土壤含水量是影响SMBC季节变化的主要外界因素。     

保护性耕作对土壤线虫c-p类群及功能团的影响

以辽宁彰武县保护性耕作示范推广基地土壤为研究对象,通过实地调查和取样分析,对比研究了传统犁耕和6 a保护性耕作(免耕秸秆覆盖)条件下的土壤线虫c-p(colonizer-persister)类群及功能团,为评价保护性耕作的土壤生态效应提供理论依据.研究发现,与犁耕相比,保护性耕作显著增加了土壤线虫各c-p类群及绝大多数功能团的多度,但显著减少了Ba4和Om5功能团多度.此外,保护性耕作还改变了土壤线虫生活史和功能团的结构特征:在大部分研究土层,c-p1和c-p2线虫的相对多度显著提高,而c-p3、e-p4以及c-p3-5类群显著降低;Ba1、Ba2、Ba3、Fu4和H5功能团的相对多度显著提高,而Ba4、H3和Om5的相对多度显著降低,Fu2、H2和Om4相对多度的变化较复杂,在表土层表现为显著抑制,在15～30cm土层则为促进作用.土壤线虫c-p类群和功能团的多度及结构特征可能适合作为评价保护性耕作对土壤质量影响的生物学指标.     

保护性耕作土壤线虫成熟度及区系分析

土壤线虫的生活史和功能多样性能够反映土壤健康质量和生态环境的演变,耕作措施的改变可能通过影响土壤环境进而影响土壤线虫的生活史和功能多样性,然而关于保护性耕作条件下土壤线虫成熟度及区系分析的研究,国内外尚鲜见报道。为了深入揭示土壤线虫对保护性耕作土壤生态环境变化的生物指示作用,以辽宁彰武县保护性耕作示范推广基地土壤为研究对象,通过实地调查和取样分析,对比研究了传统犁耕和6年保护性耕作（免耕秸秆覆盖）条件下的土壤线虫成熟度指数及区系分析。研究发现,与犁耕相比,保护性耕作显著降低了表层土壤自由生活线虫成熟指数MI、总成熟指数MMI、c-p值为2~5的自由生活线虫成熟指数MI2–5和总成熟指数MMI2–5,降低幅度分别为11%、9%、9%和10%,然而对植物寄生线虫成熟指数PPI以及PPI/MI比值的影响不明显。线虫区系分析结果表明,保护性耕作土壤线虫的富集指数EI和结构指数SI,比犁耕土壤分别显著降低56%和24%。保护性耕作造成的土壤pH降低和可能带来的土壤农药污染,可能是导致其上述影响的主要原因。简单相关分析和主成分分析结果证明,线虫成熟指数MI、MMI、MI2–5和MMI2–5以及结构指数SI与土壤pH关系密切。综上,土壤线虫生活史多样性和功能多样性对于揭示保护性耕作对土壤环境的影响具有良好的作用。     

Crop growth,soil water and nitrogen balance simulation on three experimental field plots using the Opus model—A case study

Over a period of 5 years, the agro-ecosystem model Opus was used to simulate soil water and nitrogen balance as well as crop growth for three experimental field plots. At these plots, different agricultural management practices were applied. The data set obtained from these plots consists of automatically recorded time series of daily volumetric soil water contents measured by TRIME-probes as well as daily pressure heads measured by tensiometer. Aboveground total biomass, yield, nitrogen-uptake by crops as well as nitrate contents in the soil were measured at 6–10 sample times per year. The objective of this study was an evaluation of the accuracy of Opus regarding the simulation of crop growth, soil water and nitrogen balance. The simulations of soil water contents and pressure heads correspond with the commonly measured trends in soil depths shallower than 60 cm. In depths deeper than 60 cm, some differences between measured and simulated soil water contents as well as pressure heads could be observed. Nitrate contents in the root zone and the aboveground total biomass were simulated satisfactorily. In contrast to that, simulated and observed yields show greater discrepancies. This indicates the need of a site specific calibration of crop growth parameters within the Opus model.