全 文 ：机械化保护性耕作条件下土壤质量的数值化评价*
吴玉红1 摇 田霄鸿1**摇 池文博1 摇 南雄雄1 摇 闫小丽2 摇 朱瑞祥2 摇 同延安1
( 1 西北农林科技大学资源环境学院, 陕西杨凌 712100; 2 西北农林科技大学机械与电子工程学院, 陕西杨凌 712100)
摘摇 要摇 通过 9 年的长期田间定位试验研究了陕西关中平原中部冬小麦鄄夏玉米轮作条件下
深松耕(ST)、旋耕(RT)、秸秆还田(SR)、免耕(NTS)等保护性耕作措施及传统耕作(TT)对土
壤理化性状和作物产量的影响,并采用主成分分析方法进行土壤质量的综合评价.结果表明:
与传统耕作相比,保护性耕作模式提高了土壤肥力质量,改善了土壤物理环境条件;显著提高
了土壤脲酶和碱性磷酸酶的活性;除秸秆覆盖免耕处理的玉米和小麦产量低于传统耕作外,
其他保护性耕作措施均不同程度地提高了作物产量,其中小麦增产 13% ~ 28% ,玉米增产
3% ~12% .与传统耕作相比,保护性耕作土壤质量指数提高了 19郾 8% ~ 44郾 0% .综合考虑经
济效应和生态效益,隔年深松、秸秆粉碎联合旋耕作业以及秸秆覆盖联合深松作业不仅能增
加作物产量还可改善土壤质量,可在研究区进行推广应用.
关键词摇 保护性耕作摇 主成分分析摇 最小数据库集摇 隶属度函数摇 土壤质量指数
文章编号摇 1001-9332(2010)06-1468-09摇 中图分类号摇 S158. 2摇 文献标识码摇 A
Numerical evaluation of soil quality under different conservation tillage patterns. WU Yu鄄
hong1, TIAN Xiao鄄hong1, CHI Wen鄄bo1, NAN Xiong鄄xiong1, YAN Xiao鄄li2, ZHU Rui鄄xiang2,
TONG Yan鄄an1 ( 1College of Resource and Environment, Northwest A & F University, Yangling
712100, Shaanxi, China; 2College of Mechanical and Electronic Engineering, Northwest A & F
University, Yangling 712100, Shaanxi, China) . 鄄Chin. J. Appl. Ecol. ,2010,21(6): 1468-1476.
Abstract: A 9鄄year field experiment was conducted on the Guanzhong Plain of Shaanxi Province to
study the effects of subsoiling, rotary tillage, straw return, no鄄till seeding, and traditional tillage on
the soil physical and chemical properties and the grain yield in a winter wheat鄄summer maize rotation
system, and a comprehensive evaluation was made on the soil quality under these tillage patterns by
the method of principal components analysis (PCA). Comparing with traditional tillage, all the con鄄
servation tillage patterns improved soil fertility quality and soil physical properties. Under conserva鄄
tive tillage, the activities of soil urease and alkaline phosphatase increased significantly, soil quality
index increased by 19郾 8% -44郾 0%, and the grain yield of winter wheat and summer maize (expect
that under no till seeding with straw covering) increased by 13% -28% and 3% -12%, respectively.
Subsoiling every other year, straw鄄 chopping combined with rotary tillage, and straw鄄mulching com鄄
bined with subsoiling not only increased crop yield, but also improved soil quality. Based on the eco鄄
nomic and ecological benefits, the practices of subsoiling and straw return should be promoted.
Key words: conservation tillage; principal components analysis ( PCA); minimum data set
(MDS); membership function; soil quality index (SQI).
* 国 家 “ 十 一 五 冶 科 技 支 撑 计 划 项 目 ( 2006BAD05B07,
2007BAD89B16)资助.
**通讯作者. E鄄mail: txhong@ hotmail. com
2009鄄09鄄18 收稿,2010鄄04鄄02 接受.
摇 摇 近年来,随着水土流失的加剧,土壤质量退化及
作物生产力水平下降等生态环境问题日益严重,保
护性耕作尤其是机械化保护性耕作成为国内外学者
研究的热点[1-5] . 保护性耕作技术是相对于传统耕
作技术的一种利于保水保土的新型耕作技术,在干
旱、半干旱和半湿润偏旱地区是实现农业可持续发
展的有效措施.保护性耕作的基本要点是免耕播种、
以松代翻、秸秆覆盖和化学除草[6] . 我国旱地保护
性耕作研究始于 20 世纪 90 年代初期[7],各类保护
性耕作技术应用面积已达 2郾 0伊107 hm2左右,保护性
耕作已成为我国实现农业可持续发展的重要手段.
研究表明,保护性耕作措施具有保墒和增产的优
应 用 生 态 学 报摇 2010 年 6 月摇 第 21 卷摇 第 6 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇
Chinese Journal of Applied Ecology, Jun. 2010,21(6): 1468-1476
势[2,5,8-9] .大多关于保护性耕作的研究,往往集中于
其对土壤水分的影响以及土壤肥力的局部变化或增
产效果,而在土壤质量综合评价方面的研究较少.
耕作措施是影响土壤质量的主要因素,合理的
耕作措施能够协调土壤的水、肥、气、热等因素,为作
物生长提供一个良好的环境,保护和改善生态环境,
实现生态环境的可持续发展,但不合理的耕作措施
可能会引起土壤质量退化[10-11] .
机械化是保护性耕作农艺技术的保障,然而,多
年实施机械化免耕后,土壤压实程度会越来越严
重[12],使地表状况变差;而熟化的土壤过度翻耕松
土,会使表层土壤过松跑墒,通过分析保护性耕作措
施对土壤质量的影响可以克服这些不利因素, 使保
护性耕作得到进一步完善. 土壤质量作为土壤的内
部属性,对其进行准确评价是客观了解不同土壤管
理措施效果的前提[13] . 为此,本文通过长期田间定
位试验,研究了半湿润易旱地区保护性耕作模式对
土壤理化性状和作物产量的影响,并采用主成分分
析方法对土壤质量进行定量化评价,旨在探索能够
统筹兼顾生态效益、社会效应和经济效益的耕作模
式,为该区农业的可持续发展提供技术支持.
1摇 研究地区与研究方法
1郾 1摇 研究区概况
试验在西北农林科技大学农作一站进行,研究
区地属杨凌农业高新技术示范区,位于陕西关中平
原中部(34毅14忆—34毅24忆 N, 107毅59忆—108毅09忆 E).
该区年均气温 12郾 9 益,逸10 益积温 4185 益,年均
降水量 635郾 1 mm,降水主要集中在夏秋季,占全年
降水量的 70% ,年均蒸发量 993郾 2 mm,属半湿润易
旱地区.
供试土壤类型为塿土(土垫旱耕人为土),属石
灰性土壤,质地为粘壤土,pH 值约为 8郾 0 ~ 8郾 5. 试
验前种植模式为冬小麦鄄夏玉米轮作,为研究区典型
的种植模式.试验前土壤的基本养分状况为:有机质
14郾 63 g · kg-1、 全 氮 1郾 00 g · kg-1、 碱 解 氮
88郾 14 mg·kg-1、有效磷 8郾 94 mg · kg-1、速效钾
151郾 7 mg·kg-1 .
1郾 2摇 试验设计
本研究从 2001 开始进行杨凌农业机械化新技
术新机具长期田间定位试验,在试验过程中一直采
用冬小麦鄄夏玉米轮作制.试验主要包括耕作措施处
理和秸秆还田与不同耕作措施联合作业处理(表
1),在冬小麦生长季共设计 11 个耕作模式,其中还
田玉米秸秆为机收切碎的秸秆,长度为 10 cm左右,
全量还田;在夏玉米生长季设计 1 个耕作模式,即:
小麦机械化收割秸秆高留茬免耕播种,其中,深松铲
间距 40 cm,深度 30 cm,浅松铲间距 40 cm,深度 20
cm,高留茬的高度为 30 cm,旋耕为浅旋.
研究区面积2 hm2,南北长130 m,东西宽21 m,
表 1摇 试验设计
Tab. 1摇 Experiment design
因素 Factor 代号 Code 描述 Description
冬小麦季
Season of winter wheat
深松耕 (ST)
Subsoiling tillage
ST1 玉米秸秆不还田隔两年深松
Subsoiling at 2鄄year intervals, no maize straw returning
ST2 玉米秸秆不还田隔年深松
Subsoiling at 1鄄year intervals, no maize straw returning
ST3 玉米秸秆不还田年年深松
Subsoiling every year, no maize straw returning
旋耕 (RT)
Rotary tillage
RT 玉米秸秆不还田旋耕
Rotary tillage after harvest of maize, no maize straw returning
秸秆还田 (SR)
Straw return
SR1 玉米秸秆粉碎还田旋耕
Maize straw chopping, rotary tillage
SR2 玉米秸秆覆盖浅松、旋耕
Maize straw covering, subsoiling to 20 cm, rotary tillage
SR3 玉米秸秆覆盖深松、旋耕
Maize straw covering, subsoiling to 30 cm, rotary tillage
SR4 玉米秸秆还田、耕翻、旋耕
Maize straw returning, plowing, rotary tillage
SR5 玉米秸秆粉碎覆盖免耕
Maize straw chopping and covering after harvest, no鄄tillage
免耕播种(NTS)
No鄄tillage seeding
NTS 玉米秸秆不还田免耕
No鄄tillage, no maize straw returning
传统耕作(TT)
Traditional tillage
TT 玉米秸秆不还田耕翻﹑旋耕
Traditional plowing, rotary tillage, no maize straw returning
夏玉米季
Season of summer maize
小麦秸秆高留茬免耕
No鄄tillage, high stubble mulching
96416 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 吴玉红等: 机械化保护性耕作条件下土壤质量的数值化评价摇 摇 摇 摇 摇
小区面积 0郾 17 hm2 .小麦品种为西农 889,播种时间
为每年 10 月 10 日左右,播种时所有处理统一施磷
酸二铵 225 kg·hm-2,尿素 225 kg·hm-2;玉米品种
为泽玉 34,播种时间为每年 6 月 10 日左右,玉米苗
期所有处理统一追施尿素 375 kg·hm-2 .试验过程
中采用化学除草. 试验中使用的机具包括:旋耕机、
秸秆粉碎覆盖深松机、免耕小麦播种机、耕翻机、免
耕玉米播种机和联合收割机.
土壤样品于 2008 年 10 月玉米收获后采集,每
个处理南北分 3 段作为 3 个重复,每段按“S冶形选
取 4 ~ 5 个点,采集 0 ~ 20 cm表层土壤,样品风干后
过 1 mm和 0郾 25 mm筛待用.
1郾 3摇 测定项目与方法
有机质采用外加热法,全氮采用半微量开氏法,
全磷采用 NaOH 熔融鄄钼锑抗比色法,全钾采用
NaOH熔融鄄火焰光度法,有效磷采用 Olsen 法,速效
钾采用 NH4OAc 浸提鄄火焰光度法,碱解氮采用碱解
扩散法,碳酸钙含量采用气量法,pH采用 2郾 5 颐 1 水
土比, pH 计法,EC 采用 2郾 5 颐 1 水土比,电导法,
CEC采用乙酸钠浸提鄄火焰光度法,脲酶采用苯酚钠
比色法,碱性磷酸酶采用磷酸苯二钠比色法,容重采
用环刀法[14] .
1郾 4摇 数据处理
采用 SPSS 16郾 0 软件的因子分析( factor analy鄄
sis)法进行主成分分析,采用 SAS 软件的单因素方
差分析(ANOVA)进行差异显著性比较.
1郾 5摇 土壤质量评价
1郾 5郾 1 最小数据库集的建立及评价指标权重的确
定摇 进行土壤质量评价,需从大量土壤属性中筛选
出影响土壤质量敏感的参评指标组成最小数据库集
(MDS).科学选取土壤评价指标是土壤质量评价的
关键环节[15],一般来说,评价土壤质量需要土壤物
理、化学和生物学指标,且土壤质量评价指标应以能
较显著影响土壤生产力的指标为主. 从实际应用角
度考虑,一般只选择易度量、重现性好的指标.因此,
本研究选择 0 ~ 10 cm 土壤容重、碳酸钙、电导率
(EC)、有机质、全磷、全钾、碱解氮、有效磷、速效钾、
阳离子交换量(CEC)、磷酸酶、脲酶等共 12 项土壤
属性进行土壤质量评价.
本文运用主成分分析法对 12 项土壤属性指标
进行筛选建立土壤质量评价的最小数据库集
(MDS) [16] .经主成分分析得到各个土壤属性因子主
成分(PC)的特征值和贡献率,从其累积贡献率看,
前 5 个主因子累积贡献率达 89郾 75% ,能够解释较
多的变异性.为了避免以往只依据某变量在一个 PC
上的旋转因子载荷的大小进行选取而引起变量在其
他特征值逸1 的 PC上的信息丢失,本文通过计算变
量的 Norm值来筛选评价因子[17] .
通过 PCA分析,先将参评的土壤属性依据分组
原则[17]进行分组并计算各自的 Norm 值;将每个特
征值逸1 的 PC中因子荷载逸0郾 5 的土壤参数分为 1
组,分组后入选 MDS的原则是:每组中 Norm值在最
高 Norm 值 10%范围内的参数被选取,同时参评指
标选取还应符合 MDS中易测定性、重现性、主导性、
稳定性、精确性、实用性等原则.按照分组原则,在 1
组中,容重、碳酸钙、 EC 的综合分值和在最大值
(2郾 143)的 10%范围内;同理,3 组中由于有机质与
全氮有较高的相关性(0郾 72**)且有机质有较高的
因子载荷,因此,选择有机质、全磷、全钾、碱解氮进
入 MDS;4 组、5 组各有 1 个指标进入 MDS,6 组、7
组中的指标全部进入 MDS. 因此,最终进入 MDS 的
参数有容重、碳酸钙、EC、有机质、全磷、全钾、碱解
氮、有效磷、速效钾、CEC、磷酸酶和脲酶.
权重的确定是土壤质量评价结果是否准确的关
键,本文基于土壤属性内在的关系,利用主成分分析
法得到各土壤评价指标的公因子方差,其值大小表
示该项指标对土壤质量总体变异的贡献,通过计算
各个公因子方差占公因子方差总和的百分数,将权
重值转换为 0 ~ 1郾 0 的数值,具体权重见表 2.
1郾 5郾 2 评价指标的量纲归一化 摇 由于评价指标值
之间缺乏可比性,需利用隶属度函数将其进行归一
化处理.依据土壤属性对作物生长的影响,将隶属度
函数分为两类:一是戎上型,属于戎上型的指标包
括:有机质、全氮、全磷、全钾、有效磷、速效钾、碱解
氮、脲酶、磷酸酶和 CEC,属于这种类型的因子,其
值越高,表明评价对象的质量越好,但达到一定临界
值之后,其效用也趋于稳定;二是戎下型,包括碳酸
钙、容重、EC 等,其值过高影响作物的生长,属于这
种类型的因子,其指标在一定范围内,评价对象的质
量较好,高于或低于该范围则变差.
f(x) =
0郾 1 (x 臆 c1)
1
1 + 琢(x - c1) -茁
(x > c1
ì
î
í
ïï
ï )
f(x) =
0郾 1 (x < a)
x - a( )b - a
k
(a 臆 x 臆 b)
d - x( )d - c
k
(c 臆 x 臆 d)
1郾 0 (x 逸 d
ì
î
í
ï
ï
ïï
ï
ï
ï
)
(1)
0741 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 21 卷
表 2摇 各指标公因子方差及权重
Tab. 2摇 Communalities and weights of indicators
指标类型
Type of indicators
指标名称
Name of indicator
公因子方差
Communality
权 重
Weight
综合评价权重
Comprehensive weight
物理指标 容重 Bulk density 0郾 866 0郾 324 0郾 080
Physical indicators CaCO3 0郾 836 0郾 313 0郾 077
电导率 EC 0郾 973 0郾 364 0郾 089
养分指标 有机质 Organic matter 0郾 970 0郾 152 0郾 089
Nutrient indicators 全磷 Total P 0郾 926 0郾 145 0郾 085
全钾 Total K 0郾 937 0郾 146 0郾 086
碱解氮 Alkaline hydrolysis N 0郾 868 0郾 136 0郾 080
有效磷 Available P 0郾 907 0郾 142 0郾 083
速效钾 Readily available K 0郾 837 0郾 131 0郾 077
阳离子交换量 CEC 0郾 953 0郾 149 0郾 088
生物学指标 碱性磷酸酶 Alkaline phosphatase 0郾 815 0郾 453 0郾 075
Biological indicators 脲酶 Urease 0郾 986 0郾 547 0郾 091
式中:f(x) 为参评因子影响土壤质量的分值;x 为因
子实测值;c1 为因子的最低阈值;琢,茁 为参数,本研
究中令琢 = 1,茁 = 1;a、d为临界值,b、c为适宜作物生
长的阈值,k为参数,本研究中令 k = 2.式(1)中最大
值 1郾 0 表示土壤属性能够满足作物生长的最佳状
态;最小值 0郾 1 表示作物生长所需求的土壤属性作
用分值的最低阈值. 结合生产实际将最小值定为
0郾 1 而非零. 各单项评价指标丰缺标准因不同的作
物和土壤而有差异,因此,根据本研究区土壤理化特
点及参考相关研究[18-20],曲线中转折点的相应取值
如表 3 所示.
1郾 5郾 3 土壤质量指数综合评价模型 摇 土壤质量指
数能够综合有效地反映土壤质量的变异信息[21] .土
壤质量指数法将土壤质量评价定量化,使评价结果
转化成 0郾 1 ~ 1郾 0 之间的数值,使评价结果更直观,
土壤质量指数越高代表土壤质量越好. 本文采用模
糊数学中的加权综合模型[21-23]进行土壤质量指数
的计算,记为 SQI鄄1:
SQI =鄯
n
i = 1
(F i)Wi (2)
为了比较该方法的评价结果,本文还采用了加
权求和模型进行土壤质量指数的计算,记为 SQI鄄2:
SQI =移
n
i = 1
Wi·F i (3)
式中:SQI 是土壤质量指数(soil quality index);Wi
为第 i个因子的权重;F i为第 i个因子的隶属度;n为
参评因子数;移 表示求和;鄯 表示连乘,连乘运算
体现各评价因素间的交互作用,(F i)Wi 体现各评价
因素对土壤肥力质量的贡献率.
2摇 结果与分析
2郾 1摇 不同耕作模式对土壤理化性状及作物产量的
影响
2郾 1郾 1 不同耕作模式对有机质及土壤养分的影响
摇 经过 9 年的试验处理,耕地的土壤肥力质量不断
提高.多年施肥以及耕作措施的累积效应是土壤肥
力质量改善的主要原因.从表 4 可以看出,保护性耕
作措施对土壤有机质含量、全 N、全 P、全 K 均有明
显提高作用.表明实施保护性耕作,在提高土壤有机
质含量、土壤供磷、供氮容量和强度等方面均强于传
统耕作.有机质以隔年深松处理、年年深松处理、秸
秆覆盖深松+旋耕处理较高,且与其他处理差异显
表 3摇 隶属度函数曲线中评价指标的转折点取值
Tab. 3摇 Value of turning point in membership function of evaluating indicators
转折点
Turning
point
有机质
Organic matter
(g·kg-1)
全 氮
Total N
(g·kg-1)
全 磷
Total P
(g·kg-1)
全 钾
Total K
(g·kg-1)
转折点
Turning
point
电导率
EC
(ms·cm-1)
CaCO3
(% )
容 重
Bulk density
(g·cm-3)
c1 6 0郾 05 0郾 06 6郾 0 c 0郾 1 5 1郾 25
d 0郾 5 15 1郾 50
转折点
Turning
point
碱解氮
Alkaline
hydrolysis N
(mg·kg-1)
脲 酶
Urease
(滋g·g-1
·h-1)
碱性磷酸酶
Alkaline phosphatase
(滋g·g-1
·h-1)
速效钾
Readily
available K
(mg·kg-1)
阳离子
交换量 CEC
(cmol·kg-1)
有效磷
Available P
(mg·kg-1)
c1 30 5 70 50 10 3郾 0
17416 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 吴玉红等: 机械化保护性耕作条件下土壤质量的数值化评价摇 摇 摇 摇 摇
表 4摇 不同耕作模式对土壤养分的影响
Tab. 4摇 Effects of different tillage patterns on soil nutrients (2008鄄10)
处 理
Treatment
有机质
Organic matter
(g·kg-1)
全量养分 Total nutrients (g·kg-1)
全 氮
Total N
全 钾
Total K
全 磷
Total P
速效养分 Available nutrients (mg·kg-1)
碱解氮
Alkaline hydrolysis N
有效磷
Available P
速效钾
Readily available K
ST1 17郾 33f 1郾 18bcd 24郾 78abc 0郾 93a 92郾 63b 17郾 46bc 171郾 19j
ST2 20郾 48a 1郾 33a 25郾 45a 0郾 86abc 106郾 70a 17郾 90bc 264郾 98a
ST3 20郾 28a 1郾 29a 23郾 78bcde 0郾 95a 102郾 01a 18郾 25bc 243郾 54b
RT 18郾 43cde 1郾 16bcd 24郾 28abcd 0郾 82abc 102郾 01a 17郾 11bc 206郾 02g
SR1 18郾 22de 1郾 12de 24郾 95ab 0郾 88ab 90郾 28b 17郾 46bc 183郾 25h
SR2 18郾 82bc 1郾 2bc 24郾 45abcd 0郾 69cde 92郾 63b 33郾 30a 228郾 80d
SR3 20郾 07a 1郾 14cd 23郾 11de 0郾 78abcd 93郾 80b 17郾 94bc 218郾 08e
SR4 19郾 06b 1郾 19bcd 23郾 27cde 0郾 73bcde 89郾 11b 16郾 47c 236郾 84c
SR5 18郾 63bcd 1郾 2bcd 23郾 27cde 0郾 71bcde 87郾 98b 14郾 98c 171郾 19j
NTS 18郾 06e 1郾 22b 22郾 94de 0郾 63de 85郾 59b 20郾 95b 210郾 04f
TT 16郾 32g 1郾 06e 22郾 44e 0郾 60c 86郾 01b 18郾 89bc 176郾 55i
同列不同小写字母表示差异显著(P<0郾 05)Different small letters in the same column meant significant difference at 0郾 05 level. 下同 The same below.
著,而传统耕作有机质含量最低;表明深松技术能够
提高土壤有机质含量,这是由于深松的主要作用是
疏松土壤,打破犁底层,增加土壤的蓄水保墒能力,
从而提高土壤熟化、矿化度,促进作物根系发育. 全
氮与有机质呈相似的趋势.
与传统耕作相比,土壤碱解氮含量除 NTS 处理
稍有减少外,其他保护性耕作处理都有所增加.土壤
速效磷含量除 SR2 显著增加,NTS 稍有增加外,其
他处理与传统耕作相比都有所降低,原因可能是秸
秆覆盖后土壤有机质增加,有机质分解的中间产物
使磷的溶解力增强,同时由于磷在土壤中的移动性
小,旋耕对土壤的扰动使得磷与耕层土壤混匀,提高
了耕层土壤中固定态磷的有效性. 土壤速效钾含量
除 ST1 和 SR5 处理外,其他处理均显著高于传统耕
作,说明秸秆还田能有效增加土壤钾素营养,这是因
为作物秸秆一般含有较高水平的水溶性钾,归还土
壤后能提高土壤速效钾含量.
2郾 1郾 2 不同耕作模式对土壤物理因子的影响 摇 在
相同土壤质地条件下,土壤容重可反映土壤的松紧
程度,容重小,表明土壤疏松多孔,结构良好,反之则
表明土壤紧实板硬. 耕作措施是影响农田表层土壤
容重变化的主要因素之一[24-25] . 由表 5 可知,与传
统耕作相比,免耕(NTS)使土壤容重增加,其他保护
性耕作措施均降低了土壤容重,可见长期机械化免
耕会引起土壤板结.
本研究中,从土壤储水状况来看(表 5),保护性
耕作处理播前土壤含水量高于传统耕作处理,试验
区秋季降水较为集中,因此,播前进行深松可增加蓄
水有利于作物出苗;免耕相对于传统耕作,动土量
少,水分分散小,因此,播前土壤含水量高;深松后秸
表 5摇 不同耕作模式对土壤物理因子及酶活性的影响
Tab. 5摇 Effects of different tillage patterns on soil physical properties and enzyme activities (2008鄄10)
处 理
Treatment
容 重
Bulk density
(g·cm-3)
电导率
EC
(ms·cm-1)
pH CaCO3
(% )
阳离子交换量
CEC
(cmol·kg-1)
碱性磷酸酶
Alkaline
phosphatase
(滋g·g-1·h-1)
脲 酶
Urease
(滋g·g-1
·h-1)
0 ~ 20 cm土壤
质量含水量
Soil water content
at depth of
0-20 cm
(% )
ST1 1郾 453bc 0郾 277ab 8郾 03b 7郾 88d 34郾 30ef 86郾 55c 7郾 40e 18郾 04
ST2 1郾 425cd 0郾 285a 7郾 95c 7郾 12f 35郾 16e 85郾 41c 10郾 56bc 19郾 63
ST3 1郾 143f 0郾 233c 8郾 10a 8郾 75b 36郾 79d 96郾 34a 10郾 19c 18郾 82
RT 1郾 323e 0郾 232c 8郾 11a 9郾 20a 37郾 47cd 89郾 49bc 10郾 04cd 18郾 79
SR1 1郾 409d 0郾 264b 8郾 11a 8郾 32c 34郾 13f 78郾 56d 16郾 47a 19郾 08
SR2 1郾 457b 0郾 271ab 7郾 82d 7郾 62e 34郾 81ef 94郾 38ab 10郾 34bc 20郾 37
SR3 1郾 351e 0郾 225cd 7郾 92c 6郾 47g 39郾 36b 94郾 16ab 11郾 62b 21郾 36
SR4 1郾 495a 0郾 219cde 8郾 15a 7郾 62e 38郾 07c 86郾 90c 9郾 73cd 22郾 02
SR5 1郾 489a 0郾 203ef 8郾 17a 5郾 90h 40郾 73a 94郾 70a 8郾 72d 20郾 02
NTS 1郾 502a 0郾 209def 8郾 11a 6郾 01h 38郾 42bc 85郾 57c 9郾 62cd 20郾 13
TT 1郾 493a 0郾 200f 8郾 11a 5郾 06i 39郾 27b 77郾 91d 4郾 24f 18郾 38
2008年10月小麦播种前测定0 ~20 cm土层的土壤含水量 Soil water content at depth of 0-20 cm was measured before wheat sowing in October 2008.
2741 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 21 卷
秆覆盖不仅使土壤蓄水能力增强还有利于减少水分
分散,具有良好的保水作用.
土壤浸出液电导率(EC)能够反映土壤水溶性
盐含量的高低,与传统耕作相比,保护性耕作使土壤
EC值增加,这可能是因为保护性耕作具有保水作
用,并提高了耕层土壤的养分含量,使土壤水溶性盐
含量增加.相关分析表明,EC 与全磷(0郾 62*)和全
钾(0郾 94**)含量显著相关.土壤 pH 值也是反映土
壤理化性质的重要指标,与传统耕作相比,保护性耕
作能够降低土壤 pH,这可能是因为土壤有机质含量
的提高有利于改善土壤的酸碱度. 土壤的阳离子交
换量(CEC)是评价土壤保水保肥能力和缓冲能力的
重要指标.阳离子交换量除了秸秆覆盖免耕处理稍
有提高外,其他处理与传统耕作相比都有所降低.深
松措施显著降低了土壤 CEC,这可能是因为机械化
操作破坏了土壤结构,使土壤胶体对离子的吸附作
用减弱,阳离子交换量降低.高碳酸钙含量是石灰性
土壤的限制性因子之一. pH和有机质是影响碳酸钙
含量的主要外界环境因子[26] .本研究中(表 5)与传
统耕作相比,保护性耕作土壤碳酸钙含量显著增加,
由于保护性耕作对土壤 pH 的影响不显著,而土壤
有机质含量显著增加,因此碳酸钙含量增加主要是
由有机质含量增加所致.
2郾 1郾 3 不同耕作模式对土壤酶活性的影响 摇 土壤
酶参与土壤肥力的形成和演化过程,是土壤中具有
生物活性的蛋白质.土壤不同的耕作和管理方式、植
物根系分泌物、覆盖秸杆及死亡根茬的矿化和分解
都会影响土壤酶活性.研究表明,土壤酶活性是土壤
质量评价重要的生物学指标[21,27-28] . 由表 5 可知,
不同保护性耕作措施下土壤酶活性存在一定差异.
与传统耕作相比,保护性耕作使脲酶活性增强,其中
秸秆粉碎旋耕处理效果最佳. 磷酸酶与土壤有机质
显著相关(0郾 61*),年年深松处理磷酸酶活性最高,
秸秆覆盖深松旋耕处理次之.可见,保护性耕作能够
增强土壤脲酶和磷酸酶活性,改善土壤氮素和磷素
营养状况,其中秸秆覆盖深松处理效果最明显.
2郾 1郾 4 不同耕作模式对作物产量的影响 摇 由表 6
可知,除秸秆覆盖免耕处理(SR5)外,其他保护性耕
作措施与传统耕作相比,分别使小麦增产 13% ~
28% ,玉米增产 3% ~ 12% ,说明深松、旋耕、免耕 3
种保护性耕作措施都具有增产优势. 秸秆覆盖免耕
(SR5)处理小麦和玉米产量均最低,这与薛少平
等[8]研究得出的免耕使作物增产的结果不同,这可
能是由于秸秆还田阻碍了农机具的穿透能力,从而
表 6摇 不同耕作模式下小麦、玉米产量及综合土壤质量指数
Tab. 6摇 Yields of winter wheat and summer maize and soil
quality index under different tillage patterns
处 理
Treatment
小麦产量
Wheat yield
( t·hm-2)
玉米产量
Maize yield
( t·hm-2)
SQI鄄1 SQI鄄2
ST1 6郾 56 4郾 99 0郾 7106 0郾 7720
ST2 7郾 30 5郾 61 0郾 7567 0郾 8010
ST3 7郾 43 5郾 86 0郾 8388 0郾 8588
RT 6郾 79 5郾 18 0郾 8036 0郾 8266
SR1 7郾 28 5郾 46 0郾 7669 0郾 8033
SR2 7郾 06 5郾 12 0郾 7180 0郾 7877
SR3 7郾 31 5郾 81 0郾 8204 0郾 8437
SR4 7郾 29 5郾 26 0郾 6978 0郾 7891
SR5 3郾 73 4郾 25 0郾 7085 0郾 8021
NTS 6郾 54 4郾 49 0郾 7048 0郾 8005
TT 5郾 80 5郾 01 0郾 5826 0郾 7374
影响了农机具的操作质量,而且长期机械化硬茬播
种使土壤变得紧实,土壤表面结皮影响了作物的生
长发育,从而导致作物减产.所以长期机械化导致的
土壤板结问题要引起重视.
本研究中秸秆还田包括地表覆盖和粉碎还田两
种方式,并与不同的耕作措施联合作业.与传统耕作
相比,秸秆还田与免耕(NTS)联合作业的作物产量
低于传统耕作,而与浅松和深松联合作业的作物产
量都高于传统耕作,这可能是因为虽然秸秆覆盖免
耕利于保水蓄水,但由于秸秆覆盖影响了播种质量
及长期免耕影响了作物根系发育和养分吸收使作物
产量降低.
2郾 2摇 不同耕作措施土壤质量评价
2郾 2郾 1 土壤质量指数 摇 保护性耕作条件下加权综
合土壤质量指数介于 0郾 6978 ~ 0郾 8388(表 6),传统
耕作土壤加权综合质量指数为 0郾 5826,保护性耕作
比传统耕作土壤质量指数提高了 19郾 8% ~ 44郾 0% .
可见,持续保护性耕作有助于改善和提高土壤质量.
与传统耕作相比,秸秆还田有利于土壤质量的
恢复与改善.秸秆覆盖深松处理的作物产量和土壤
质量指数均略高于其他耕作措施. 秸秆粉碎还田与
旋耕和传统耕作联合作业,作物产量和土壤质量指
数都优于传统耕作处理,且秸秆粉碎旋耕处理的优
势略明显.可见,秸秆还田效应不仅与还田方式有
关,与耕作措施也有密切的关系,秸秆粉碎联合旋耕
(SR1)以及秸秆覆盖联合深松(SR3)模式不仅能增
加作物产量,还可以改善土壤质量.
由表 4、表 5、表 6 可知,年年深松处理虽然在提
高土壤养分含量,降低土壤容重方面体现了优越性,
37416 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 吴玉红等: 机械化保护性耕作条件下土壤质量的数值化评价摇 摇 摇 摇 摇
但提高作物产量和改善土壤质量的优越性并不明
显,且每年进行深松作业不仅使机械作业成本增加,
同时会造成地表不平影响播种质量,因此综合考虑
经济效益和生态效益,在中国北方实施保护性耕作
时,深松效应可以持续 2 年,不需连年深松. 旋耕处
理虽然提高了作物产量,改善了土壤质量,但每年旋
耕机械作业成本较大,因此旋耕措施的综合效益有
待进一步研究.免耕处理由于长期免耕土壤容重增
加,影响了作物根系发育及对水分和养分的吸收,使
作物产量有降低的趋势.
摇 摇 将土壤属性指标分为物理指标、养分指标和生
物学指标(图 1). 物理指标值为各个物理指标隶属
度值与其权重的乘积和,养分指标值为各个养分指
标隶属度值与其权重的乘积和,生物学指标值为各
个生物学指标隶属度值与其权重的乘积和. 其中养
分指标>生物学指标>物理指标. 不同耕作模式下,
养分指标差异很小,物理指标差异较大,传统耕作和
秸秆粉碎旋耕条件下生物学质量退化明显. 经主成
分分析,物理指标、生物学指标和养分指标的公因子
方差分别为 0郾 982、0郾 879 和 0郾 862,方差贡献率分别
为 57郾 27% 、33郾 47%和 9郾 30% . 可见物理指标和生
物学指标对耕作模式响应明显,这与相关研究[29]结
果相一致.说明各处理之间土壤综合质量指数的差
异主要是物理指标和生物学指标的差异,因此,保护
性耕作在改善土壤物理环境条件及微生物环境条件
方面更具有优势.
2郾 2郾 2 土壤质量指数与作物产量的相关性分析 摇
耕地土壤的主要功能是生产功能即为植物的生长提
供养分和介质支持.一般来讲,作物产量是反映土壤
图 1摇 不同耕作模式下土壤物理、养分和生物学指标
Fig. 1摇 Soil physical, nutrient and biological indices under dif鄄
ferent tillage patterns.
玉: 物理指标 Physical indicators; 域: 生物学指标 Biological indica鄄
tors; 芋: 养分指标 Nutrient indicators.
图 2摇 作物产量与土壤质量指数之间的相关性
Fig. 2摇 Correlation between soil quality index and crop yield.
生产力的间接指标,高产田一般具有较好的土壤质
量状况,反之,土壤质量下降会使作物减产.因此,为
了验证评价模型与实际土壤状况的客观一致性,选
用作物产量作为检验评价模型客观性的指标. 由图
2 可知,SQI鄄1 与小麦和玉米产量的相关系数分别为
0郾 6041 和 0郾 4407;SQI鄄2 与小麦和玉米产量的相关
系数分别为 0郾 5315 和 0郾 3906,土壤质量指数与小
麦产量具有较高的相关性,可能是因为冬小麦季设
计了 11 个耕作模式处理,而夏玉米季只设计了 1 个
处理,可见土壤质量指数法能够敏感地评价耕作措
施对土壤质量的影响.将加权综合模型(SQI鄄1)和加
权求和模型(SQI鄄2)进行比较,土壤加权综合指数
(SQI鄄1)与作物产量的相关系数更大,说明利用加权
综合模型(SQI鄄1)进行土壤质量评价能更真实地反
映土壤的真实状况,更具有客观性和说服力.综上所
述,与传统耕作模式相比,保护性耕作模式具有较高
的土壤质量指数,说明保护性耕作对改善土壤质量
有一定的积极作用.综合考虑作物产量、作业成本及
生态效益,隔年深松(ST2)、秸秆粉碎旋耕(SR1)和
秸秆覆盖深松(SR3)不仅能增加作物产量,还可以
改善土壤质量,因此对提高研究区作物产量和改善
土壤质量状况有较好的效益.
3摇 结摇 摇 语
农业生产中除了水、肥、气、热外,农艺技术和田
4741 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 21 卷
间管理措施也是作物产量的重要影响因素. 本研究
分析了不同耕作措施对土壤理化性质、土壤质量及
作物产量的影响,总的趋势是:长期保护性耕作措施
的累积效应改善了土壤耕性,为作物生长提供了良
好的物理环境条件;提高了土壤有机质和土壤养分
含量;增加了作物产量;土壤质量评价结果表明,保
护性耕作土壤质量指数高于传统耕作,可见,持续保
护性耕作有助于改善和提高土壤质量,有利于耕地
的可持续发展.不同保护性耕作措施条件下土壤的
综合表现存在差异,综合考虑不同保护性耕作技术
的生态效益和经济效益,深松技术和秸秆还田技术
是适合该区农业的有效耕作技术.
本研究运用加权综合模型(SQI鄄1)和加权求和
模型(SQI鄄2)对不同耕作措施的土壤质量进行评价,
并对土壤质量指数和作物产量进行了相关性分析,
结果表明,土壤加权综合质量指数(SQI鄄1)与作物产
量之间具有较高的相关性,说明采用加权综合模型
(SQI鄄1)对土壤质量进行综合评价能较好地反映土
壤质量的实际情况.
目前在推广机械化保护性耕作时存在一些问
题,如秸秆覆盖地表免耕播种时,秸秆影响农机具的
穿透能力,使播种的质量下降,最终影响作物的产
量,这说明在实际的操作过程中由于合适的配套农
具少,作业质量达不到技术要求.机械化是保护性耕
作农艺技术的保障,农机具的改进和操作技术的提
高与完善是机械化保护性耕作措施体现优越性的前
提与基础,因此,在推广机械化保护性耕作的同时,
农业机械化的研究应同步进行,以保证保护性耕作
技术的操作质量.
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作者简介摇 吴玉红,女,1983 年生,硕士研究生.主要从事土
地(土壤)资源及其信息技术研究. E鄄mail: wuyuhong_yang@
163. com
责任编辑摇 张凤丽
6741 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 21 卷