全 文 ：中国生态农业学报 2015年 9月 第 23卷 第 9期
Chinese Journal of Eco-Agriculture, Sep. 2015, 23(9): 11021111


* 公益性行业(农业)科研专项经费(201303104)、国家科技支撑计划项目(2015BAD22B02)和国家高技术研究发展计划(863 计划)项目
(2013AA102902)资助
** 通讯作者: 李军, 主要从事旱区农业生态、高效农作制度和农业生产系统模拟等研究。E-mail: junli@nwsuaf.edu.cn
陈宁宁, 主要从事高效农作制度研究。E-mail: chenningningxinong@163.com
收稿日期: 20150202 接受日期: 20150601
http://www.ecoagri.ac.cn
DOI: 10.13930/j.cnki.cjea.150175
不同轮耕方式对渭北旱塬麦玉轮作田土壤
物理性状与产量的影响*
陈宁宁 李 军** 吕 薇 王淑兰
(西北农林科技大学农学院 杨凌 712100)
摘 要 为研究不同轮作模式对渭北旱作冬小麦春玉米一年 1 熟轮作田土壤物理性状和产量的影响, 于
2007—2014 年在陕西省合阳县冬小麦春玉米轮作田连续 7 年实施了保护性耕作定位试验, 测定和分析了免
耕/深松、深松/翻耕、翻耕/免耕、连续免耕、连续深松和连续翻耕 6 种轮耕模式下麦田 0~60 cm 土层物理性
状、0~200 cm土层土壤湿度和小麦产量的变化。结果表明: 1)不同轮耕模式 0~40 cm土层土壤容重、孔隙度和
田间持水量差异显著, 其中以免耕/深松效果最显著; 0~60 cm 土层免耕/深松轮耕处理平均田间持水量较连续
翻耕处理提高 12.9%; 2)轮耕对土壤团聚体特性影响明显, 免耕/深松>0.25 mm 水稳性团聚体含量(R0.25)最高,
结构体破碎率和不稳定团粒指数(ELT)最低, 水稳性均重直径(WMWD)最高, 水稳性和力稳性团聚体分形维数
(D)均最低; 3)小麦生育期间免耕/深松处理 0~200 cm土层土壤蓄水量和小麦产量较连续翻耕分别增加 17.7 mm
和 9.5%。综合可知, 轮耕有利于耕层土壤物理结构改善, 免耕/深松更有利于耕层土壤大团聚体形成和土壤结
构稳定, 利于土壤蓄水保墒和作物增产, 为渭北旱塬区麦玉轮作田较适宜的轮耕模式。
关键词 渭北旱塬 轮耕 冬小麦春玉米轮作 土壤容重 土壤团聚体 分形维数 土壤水分 产量
中图分类号: S572 文献标识码: A 文章编号: 1671-3990(2015)09-1102-10
Effects of different rotational tillage patterns on soil physical properties and
yield of winter wheat-spring maize rotation field in Weibei highland
CHEN Ningning, LI Jun, LYU Wei, WANG Shulan
(College of Agronomy, Northwest A&F University, Yangling 712100, China)
Abstract To study the effects of different rotational tillage patterns on soil physical properties and crop yield under winter wheat-
spring maize single-cropping rotation systems in Weibei highlands, a 7-year on-site conservation tillage experiment was conducted,
which consisted of three rotational tillage and three continuous tillage treatments. The rotational tillage systems included NT/ST
(yearly rotation between no-tillage and subsoiling), ST/CT (yearly rotation between subsoiling and conventional tillage) and CT/NT
(yearly rotation between conventional tillage and no-tillage). Also the continuous tillage treatments included continuous no-tillage
(NT/NT), continuous subsoiling (ST/ST) and continuous conventional tillage (CT/CT). The study was conducted in wheat-maize
rotation fields in 2007 to 2014 in Heyang County, Shaanxi Province. Soil physical properties (e.g., bulk density, soil aggregates and
soil moisture) and crop yield under different tillage treatments were measured in 2014. The results were as follows: 1) Soil bulk
density, soil porosity and field water capacity were significantly impacted by the three rotational tillage patterns, and were best under
NT/ST rotational tillage. Compared with CT/CT treatment, NT/ST rotational tillage treatment increased average field capacity in the
060 cm soil layer by 12.9%. 2) The properties of soil aggregates changed significantly under different rotational tillage treatments.
The NT/ST treatment was the best with the highest macro-aggregate content (R0.25), lowest rate of structure break-up, lowest unstable
aggregate index (ELT), highest water-stable aggregate mean weight diameter (MWD) and lowest fractal dimension (D) of
第 9期 陈宁宁等: 不同轮耕方式对渭北旱塬麦玉轮作田土壤物理性状与产量的影响 1103


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mechanical-stable and water-stable aggregates. 3) In wheat growing period, average soil water storage in the 0200 cm soil layer and
yield of wheat under NT/ST treatment were respectively 17.7 mm and 9.5% higher than CT/CT treatment. It was concluded that
rotational tillage was conducive for improving soil physical structure. Also NT/ST rotational tillage was more favorable for large
topsoil aggregates and soil structure stability, for improving soil water conservation and then for increasing crop yield. Thus NT/ST
treatment was a more appropriate rotational tillage pattern for wheat-maize rotation fields in Weibei highlands.
Keywords Weibei highland; Rotational tillage; Winter wheat-spring maize rotation; Soil bulk density; Soil aggregate;
Fractal dimension; Soil moisture; Crop yield
(Received Feb. 2, 2015; accepted Jun. 1, 2015)
秸秆覆盖免耕和深松等保护性耕作能改善土
壤土粒空间形态分布和耕层结构[1], 改变土壤容重[2]、
孔隙度、水分等土壤物理性状 [3], 创造适宜土壤环
境 [45], 促进作物生长发育和增产增收。研究表明,
不同耕作处理下作物收获期土壤容重与孔隙度差异
并不大 [6], 耕作会影响微团聚体和大团聚体相互转
化和再分布, 从而影响土壤结构稳定性和抗侵蚀能
力[78]。频繁耕作扰动不利于团聚体形成, 降低了大
团聚体稳定性[9]。保护性耕作减少了土壤扰动, 能增
加水稳性团聚体含量, 增强土壤团聚体稳定性[1011]
和改善土壤孔隙状况。秸秆覆盖能显著增加>0.25 mm
粒径团聚体含量, 增加土壤有机质[12]。土壤颗粒性
状具有明显分形特征, 可用分形维数描述土壤颗粒
或团聚体分布[1314], 比较不同耕作措施下土壤团聚
体分形特征差异[1516]。免耕能降低土壤容重, 促进
土壤团聚体形成, 提高土壤蓄水能力、水分利用效
率和作物产量 [17]。深松能打破翻耕形成的犁底层 ,
改善降水渗透性能和蓄水能力, 提高旱地蓄水保墒
性能[18]。但长期实施单一耕作措施, 会导致农田土
壤耕层变浅、容重增加、结构性变差等弊端[1920]。
将翻耕、深松、免耕等耕作措施组成合理的轮耕模
式, 探究不同轮耕措施对土壤物理性状的影响, 是
解决长期单一耕作缺陷的有效措施。
渭北旱塬区位于陕西省关中平原区与陕北丘陵
沟壑区之间, 是我国北方典型旱作农业区, 干旱缺
水和土壤贫瘠是制约农业生产的主要因素。渭北旱
塬保护性轮耕技术研究多侧重充分和持续均衡发挥
水土保持、蓄水保墒、增产增收等耕作效应, 而对
土壤物理性状改良研究报道较少[21]。本研究通过连
续 7年保护性轮耕试验, 探讨渭北旱塬小麦玉米轮
作田土壤容重等物理性状变化规律, 分析土壤团聚
体各级别含量、土壤结构体破碎率、平均质量直径
(MWD) [11]和分形维数(D)等指标及其对土壤物理结构
和稳定性的影响, 并结合土壤水分和作物产量效应,
筛选出适合渭北旱塬麦玉轮作田最优土壤轮耕模式,
为旱作农田保护性轮耕模式推广应用提供科学依据。
1 材料与方法
1.1 试验地概况
于 2007—2014 年在陕西省合阳县甘井镇(35°20′N,
110°06′E)西北农林科技大学旱作农业试验站设置
小麦玉米轮作田保护性轮耕定位试验。该区海拔
850 m, 为暖温带半湿润偏旱季风气候 , 年均气温
9~13 ℃, 年度降雨分配不均, 且主要集中在 7—9 月,
试验期间平均年降雨量为 536.6 mm。试验地为旱作农
田, 土壤为黑垆土, 黄土母质疏松, 蓄水保肥力强。试
验作物为冬小麦春玉米轮作一年 1熟制种植方式。
1.2 试验设计
试验开始前试验地采用传统翻耕耕作方式, 前
茬作物为玉米, 2007 年 9 月开始保护性耕作连续定
位试验。在冬小麦春玉米一年 1 熟制轮作模式下,
于作物收获后将全部秸秆粉碎覆盖地表, 分别实施
3 种土壤耕作措施: 1)免耕: 在作物收获后不采取任
何耕作措施, 秸秆覆盖地表; 2)深松: 每间隔 60 cm
宽度, 采用深松机深松 30~35 cm, 秸秆覆盖地表; 3)
翻耕: 土壤全面翻耕 20~25 cm深度, 秸秆翻入耕层
土壤。在 2007—2014 年试验期间, 3 种耕作措施轮
换形成 3种轮耕处理和 3种连耕处理: 1)免耕/深松轮
耕(NT/ST): NT2007-ST2008-NT2009-ST2010-NT2011-ST2012-
NT2013-ST2014; 2)深松 /翻耕轮耕 (ST/CT): ST2007-
CT2008-ST2009-CT2010-ST2011-CT2012-ST2013-CT2014; 3)翻
耕 /免耕轮耕 (CT/NT): CT2007-NT2008-CT2009-NT2010-
CT2011-NT2012-CT2013/NT2014; 4)连续免耕(NT/NT); 5)
连续深松(ST/ST); 6)连续翻耕(CT/CT)。采用随机区组
设计, 重复 3次, 小区面积为 22.5 m×5 m=112.5 m2。
6 种轮耕处理的施肥、作物品种及其他管理措施均
相同。
冬小麦田与春玉米田施肥处理设置不同, 冬小麦
田为: N 150 kghm2, P2O5 120 kghm2, K2O 90 kghm2;
春玉米田为: N 300 kghm2, P2O5 150 kghm2, K2O
150 kghm2。2007—2013年期间供试作物品种冬小
麦为‘晋麦 47’, 玉米为‘豫玉 22’; 2014年以后供试冬
1104 中国生态农业学报 2015 第 23卷


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小麦品种为‘长 359’, 供试春玉米品种为‘郑单 958’。
冬小麦 9 月下旬播种, 春玉米 4 月中旬播种。试验
期间不进行任何灌溉。
1.3 测定项目与方法
1.3.1 采样和测定方法
1)土壤物理性状测定: 在 2007 年 9 月中旬试验
处理之前及 2014年 6月中旬小麦收获后, 每个小区
选取 3 个采样点。土壤容重、孔隙度和田间持水量
按 0~20 cm、20~40 cm、40~60 cm 3个土层取样, 采
用环刀法测定。土壤团聚体在 0~10 cm、10~20 cm、
20~30 cm和 30~40 cm 4个土层采集原状土样, 并在
采集和运输过程中尽量减少对土样扰动, 避免破坏
团聚体。
团聚体土样在室内风干 , 将大土块按自然裂
痕分割成 1 cm3 小土块 , 用四分法取原状土样约
1.8 kg。每个土样分别过孔径为 5 mm和 2 mm的筛
子将其分成>5 mm、2~5 mm和<2 mm 3个级别, 然
后按 3 个级别在原状土中所占比例称取混合土样
200 g, 共分 6份。土壤团聚体分布状况和稳定性用
干筛法和湿筛法测定[22]。①干筛法: 取混合土样 3
份分别放入孔径依次为 5 mm、2 mm、1 mm、0.5 mm
及 0.25 mm 的套筛顶部 , 将套筛固定在振荡式机
械筛分仪上 , 设置振动频率 300次 min1准确振荡
2 min, 测定各孔径筛子上的土样重量 Wdi。②湿筛
法: 另取混合土样 3 份首先分别用水浸泡 10 min,
然后在频率为 35 kHz的超声波仪中震荡 30 min, 最
后将土样放入套筛中(孔径依次为 5 mm、2 mm、1 mm、
0.5 mm和 0.25 mm), 以 30次min1的速度手工在水
中上下震荡 5 min 后, 将各级孔径筛子上土样分别
洗入铝盒并烘干称出各个级别的重量 Wwi。
2)土壤水分测定: 于 2013—2014 年度作物播种
期、拔节期、抽穗期、灌浆期、收获期用土钻采样
并用烘干法测定 0~200 cm 土壤含水量, 计算土壤
蓄水量。
3)作物产量测定: 2014 年冬小麦收获期每小区
均沿对角线方向选取长势均匀的 3点, 每点取 3 m2,
统计单位面积穗数, 随机取 30 个穗, 3 次重复, 进
行室内考种, 测定小麦产量和产量构成。
1.3.2 数据计算方法
Ww=DHw10 (1)
式中: Ww为土壤蓄水量(mm), D为土壤容重(gcm3),
H为土层厚度(cm), w为土壤含水量(%)。
d(w) 100%
200
i
i
W
W   (2)
0.25 1D(W)R
n
ii W  (3)
式中: Wi为 i粒级团聚体重量所占的质量分数, DR0.25
为>0.25 mm力稳性团聚体含量为, WR0.25为>0.25 mm
水稳性团聚体含量。
1
1
( )
MWD
n
i ii
n
ii
R W
W


  (4)
式中: MWD为土壤团聚体平均质量直径, Ri为某粒
级团聚体平均直径。
T 0.25
LT
T
100
W W
E
W
  (5)
 
 
0.25 mm
= 100
0.25 mm
  
团粒 干筛 湿筛结构体破碎率 团粒 干筛 (6)
式中: ELT为土壤不稳定团粒指数, WT为混合土样总
质量(200 g), W0.25为粒径>0.25 mm的水稳性团聚体
质量。
分维数 D的计算参考杨培岭等[14]的推导公式:
T max
( )
lg (3 ) lgi i
M r R R
D
M R
          
(7)
式中: Ri为某粒级团聚体平均直径, M(r于 Ri的团聚体的质量, MT为混合土样总质量(200 g),
Rmax为团聚体的最大粒径。利用公式(7), 进行线性数
据回归拟合, 即可求得分维数 D值。
1.4 数据处理与统计方法
用 Microsoft Excel 2010对数据进行整理和作图,
采用 SPSS (PASW Statistics 18)对数据进行统计分析,
并用 Duncan新复极差法进行多重比较。
2 结果与分析
2.1 不同轮耕模式对土壤主要物理性状的影响
2014年作物收获后 6种轮作处理 0~60 cm土层
土壤容重、孔隙度和田间持水量如表 1所示。与 2007
年试验前相比, 各处理整体呈现土壤容重降低、土
壤孔隙度和田间持水量增高趋势, NT/ST、ST/CT和
CT/NT 等 3 种轮耕处理与试验前差异显著(P<0.05),
但三者之间差异不显著, 只是 NT/ST、ST/CT 等隔
年深松处理 0~20 cm土层土壤容重稍低。与 NT/NT
相比, 3种轮耕处理 0~20 cm土层土壤容重均显著降
低 3.5%~5.7%(P<0.05), 土壤孔隙度分别显著增加
3.6%~6.0%。NT/ST处理 0~60 cm土层田间持水量较
试验前和 CT/CT 处理均显著提高(P<0.05)。可见, 3
种轮耕处理均能有效降低土壤容重、增加土壤孔隙
度和田间持水量, 有利于土壤蓄水保墒, 以免耕/深
松轮耕处理效果最好。
第 9期 陈宁宁等: 不同轮耕方式对渭北旱塬麦玉轮作田土壤物理性状与产量的影响 1105


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表 1 不同轮作方式下 0~60 cm土层土壤容重、土壤孔隙度和田间持水量
Table 1 Soil bulk density, soil porosity and field water capacity at 060 cm soil layer under different rotational tillage systems
轮作方式 Rotational tillage system 土壤性状
Soil property
土层
Soil depth (cm)
处理前
Basic NT/ST ST/CT CT/NT NT/NT ST/ST CT/CT
0~20 1.34±0.03ab 1.27±0.02c 1.28±0.02c 1.30±0.02bc 1.35±0.08a 1.33±0.03ab 1.32±0.01ab
20~40 1.48±0.02a 1.40±0.05b 1.39±0.02b 1.42±0.04b 1.44±0.02ab 1.41±0.05b 1.46±0.04ab
容重
Bulk density
(gcm3)
40~60 1.44±0.09ab 1.42±0.04b 1.42±0.08b 1.41±0.03b 1.45±0.09a 1.42±0.09b 1.44±0.05ab
0~20 49.6±0.78bc 52.0±0.76a 51.7±0.31a 50.8±0.45ab 49.7±1.23bc 49.0±0.56c 50.0±0.22bc
20~40 44.1±0.66b 47.1±1.23a 47.4±1.32a 46.3±0.22a 45.7±0.29ab 46.8±0.53a 45.0±1.89ab
孔隙度
Soil porosity
(%)
40~60 45.8±0.45ab 46.3±0.06a 46.6±1.56a 46.6±1.99a 45.4±0.77b 46.3±0.15a 45.6±0.33ab
0~20 27.0±0.24d 33.1±0.31a 31.8±0.33b 31.5±0.19b 33.3±0.22a 29.1±0.27c 27.8±0.16d
20~40 26.1±0.22b 28.6±0.39a 28.4±0.16a 26.5±0.12b 28.3±0.24a 27.9±0.21a 26.2±0.31b
田间持水量
Field capacity
(%)
40~60 24.4±0.45d 27.3±0.12a 25.7±0.21bc 26.6±0.14ab 25.7±0.13bc 26.5±0.15ab 24.9±0.24cd
NT/ST、ST/CT、CT/NT、NT/NT、ST/ST、CT/CT 分别指免耕/深松轮耕、深松/翻耕轮耕、翻耕/免耕轮耕、连续免耕、连续深松、连续
翻耕处理。同行处理(含处理前)间不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。下同。NT/ST, ST/CT and CT/NT are yearly rotational tillage systems
between no-tillage and subsoiling, subsoiling and conventional tillage, conventional tillage and no-tillage, respectively. NT/NT, ST/ST and CT/CT are
continuous tillage systems of no-tillage, subsoiling, and conventional tillage, respectively. Different letters in the same line mean significant difference
among treatments (including Basic) at 5% level. The same below.

2.2 不同轮耕模式对土壤团聚体含量及稳定性的
影响
2.2.1 对不同级别土壤团聚体组成的影响
干筛法测得各轮作处理 0~40 cm土层>5 mm、
5~2 mm、2~1 mm、1~0.25 mm和>0.25 mm土壤团
聚体含量如表 2所示。各处理>5 mm级别力稳性团
聚体(MSA)含量随土层深度增加而增大; 0~10 cm、
10~20 cm、20~30 cm和 30~40 cm土层>0.25 mm级
别 MSA 含量分别为 20.3%~27.1%、27.8%~36.9%、
38.2%~47.6%和 50.0%~56.5%; 而 5~2 mm 与 1~
0.25 mm级别MSA含量则随土壤深度呈现逐渐降低
趋势, 2~1 mm级别 MSA含量变幅不大。
表 2 不同轮作方式下 0~40 cm土层不同级别力稳性团聚体含量分布
Table 2 Mechanical stable aggregate distribution of fractions of different sizes at 040 cm soil layer under different rotational tillage systems %
轮作方式 Rotational tillage system 土层
Soil depth
(cm)
团聚体级别
Aggregate size
(mm)
处理前
Basic NT/ST ST/CT CT/NT NT/NT ST/ST CT/CT
>5 19.58±1.09b 17.06±0.17c 20.57±1.64ab 20.42±1.85ab 15.95±0.90c 19.52±0.10b 21.62±0.93a
5~2 17.57±0.61bc 18.47±0.95abc 19.38±0.40ab 17.16±0.61c 20.04±0.31a 20.02±0.14a 18.56±0.58abc
2~1 9.22±0.17a 9.55±0.50a 8.77±0.14a 10.56±0.03a 9.69±0.31a 9.05±0.60a 10.12±0.27a
1~0.25 29.00±0.64c 31.20±1.11ab 32.20±0.66ab 32.19±0.74ab 33.00±0.29a 30.82±1.01bc 29.48±0.29c
0~10
>0.25 75.36±0.15d 76.28±1.39cd 80.92±0.18a 80.67±1.31a 78.67±0.22bc 79.40±1.90ab 79.78±0.40ab
>5 23.11±1.98bc 30.93±0.51a 21.77±1.03c 25.02±1.93bc 27.45±0.38ab 24.25±1.87bc 23.06±0.50bc
5~2 15.96±0.11bc 18.58±0.65ab 15.32±0.98c 19.33±1.53a 19.66±0.73a 17.48±0.92abc 19.31±0.71a
2~1 10.62±0.06b 12.44±0.89ab 13.34±0.38a 11.77±0.08ab 10.25±0.19b 11.68±0.39ab 10.63±0.02b
1~0.25 26.32±0.13a 21.90±1.09a 27.98±1.13a 22.52±0.81a 27.41±1.01a 25.62±1.55a 25.24±0.53a
10~20
>0.25 76.01±0.61c 83.85±0.33a 78.40±1.19b 78.63±0.76b 84.76±1.45a 79.03±1.35b 78.24±0.69b
>5 29.45±0.18d 41.68±1.41a 33.99±0.45b 33.42±1.43b 43.02±0.82a 34.85±1.09b 31.25±0.56c
5~2 14.83±0.06bc 15.70±0.16ab 14.23±0.52c 14.94±1.52bc 15.13±0.89bc 16.37±0.66a 14.87±0.33bc
2~1 11.86±0.24ab 11.58±0.50abc 10.90±0.76bc 11.47±0.45abc 10.45±0.74c 10.61±0.07bc 12.22±0.11a
1~0.25 22.59±0.82b 20.08±0.06d 21.83±1.54bc 22.56±1.08b 21.75±0.85c 23.51±1.61a 23.46±1.11a
20~30
>0.25 78.73±0.65d 89.05±0.85a 80.94±0.21c 82.40±1.78c 90.34±1.23a 85.34±2.88b 81.80±1.03c
>5 41.15±1.08d 43.79±0.40c 51.39±0.24a 49.15±1.66b 47.53±0.56b 52.77±0.27a 47.87±0.89b
5~2 13.57±0.61abc 15.13±0.26a 12.59±0.16c 14.88±0.13ab 13.44±0.23abc 13.18±0.55bc 14.03±0.01abc
2~1 9.24±0.53a 10.31±0.50a 10.28±0.36a 9.69±0.04a 10.33±0.12a 9.96±0.30a 9.21±0.04a
1~0.25 17.93±0.31a 18.39±0.60a 16.84±0.11bc 15.82±0.62c 16.14±0.29c 17.43±0.15ab 16.62±0.29bc
30~40
>0.25 81.89±0.15d 87.62±1.69c 91.09±0.98b 89.54±1.98b 87.44±0.05c 93.33±0.73a 87.73±0.17c
1106 中国生态农业学报 2015 第 23卷


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与试验前相比, 6种轮作处理 10~40 cm土层 DR0.25
含量均达到显著性差异(P<0.05), DR0.25 含量平均增加
7.7%; NT/ST、NT/NT处理 0~10 cm土层 DR0.25显著低
于 CT/CT、CT/NT处理(P<0.05), 说明长期免耕或少耕
降低了表层 0~10 cm土层DR0.25含量, 使土壤团粒结构
体减少。与 CT/CT 相比, NT/ST 处理 10~30 cm 土层
DR0.25值显著提高, 而 ST/CT、CT/NT处理差异不显著,
说明 NT/ST处理更有利于土壤团粒结构体形成。
在湿筛法测得 0~40 cm 土层水稳性团聚体
(WSA)含量中, >5 mm级别团聚体含量为 0, 5~2 mm
和 2~1 mm级别 WSA含量也较低, 1~0.25 mm级别
WSA 含量占 WR0.25高达 71.7%~85.3%(表 3)。总体
上, 随土层深度增加, 5~2 mm级别WSA平均含量降
低, 而 0~30 cm土层 2~1 mm级别 WSA含量逐渐增
大, 1~0.25 mm级别 WSA含量变化较小。与试验前
比, 6种轮作处理各土层 WR0.25含量均增加。3种轮
耕处理 WR0.25平均值均高于连耕处理, 其中 NT/ST
处理最高, CT/CT处理最低, 轮耕较连耕更有利于提
高团聚体水稳性; 0~20 cm 土层 WR0.25 为 NT/ST>
CT/NT>ST/CT, 以 NT/ST处理效果最佳。
表 3 不同轮作方式下 0~40 cm土层不同级别水稳性团聚体含量分布
Table 3 Water stable aggregates distribution of fractions of different sizes at 040 cm soil layer under different rotational tillage systems %
轮作方式 Rotational tillage system 土层
Soil depth (cm)
级别
Size fraction
(mm)
处理前
Basic NT/ST ST/CT CT/NT NT/NT ST/ST CT/CT
0~10 5~2 0.88±0.02c 1.18±0.03a 0.99±0.01bc 1.04±0.06b 1.11±0.01ab 1.04±0.05b 0.88±0.02c
2~1 0.63±0.01c 0.94±0.02a 0.90±0.04ab 0.90±0.09a 0.89±0.04ab 0.81±0.01b 0.61±0.00c
1~0.25 5.35±0.05a 6.16±0.04a 5.34±0.89a 5.65±0.50a 5.56±0.54a 5.53±0.09a 5.31±0.09a
>0.25 6.86±0.01c 8.29±0.28a 7.22±0.41b 7.59±0.13ab 7.56±0.01ab 7.38±0.07b 6.61±0.08c
10~20 5~2 0.73±0.01c 0.94±0.05b 0.92±0.01b 0.92±0.02b 1.08±0.03a 0.90±0.02b 0.77±0.04c
2~1 0.50±0.00c 0.67±0.02ab 0.59±0.05b 0.59±0.01b 0.66±0.01ab 0.61±0.02b 0.69±0.03a
1~0.25 4.88±0.27b 5.45±0.18a 4.95±0.06b 5.15±0.03ab 4.39±0.16c 5.08±0.05ab 5.17±0.18ab
>0.25 6.11±0.15c 7.06±0.07a 6.46±0.18bc 6.66±0.14b 6.13±0.28c 6.59±0.05b 6.63±0.02b
20~30 5~2 0.72±0.28c 0.72±0.04c 0.86±0.58ab 0.79±0.01bc 0.96±0.09a 0.69±0.01c 0.69±0.07c
2~1 0.53±0.10c 0.79±0.00a 0.68±0.01b 0.63±0.06b 0.38±0.07d 0.52±0.06c 0.51±0.00c
1~0.25 5.10±0.83b 5.82±0.02a 5.77±0.06a 5.84±0.04a 5.36±0.07ab 5.64±0.14ab 5.36±0.16ab
>0.25 6.35±0.25c 7.33±0.12a 7.31±0.31a 7.27±0.02a 6.7±0.08bc 6.85±0.19abc 6.56±0.10c
30~40 5~2 0.56±0.01a 0.56±0.00a 0.54±0.01a 0.49±0.01ab 0.45±0.02b 0.51±0.02ab 0.45±0.01b
2~1 0.65±0.03d 1.17±0.10a 0.56±0.01d 0.90±0.00b 0.98±0.01b 0.63±0.05d 0.78±0.02c
1~0.25 5.59±0.14cd 6.32±0.22a 6.36±0.18a 5.50±0.14d 6.11±0.05ab 6.16±0.09ab 5.65±0.01cd
>0.25 6.81±0.16c 8.04±0.06a 7.45±0.24b 6.89±0.17c 7.83±0.08b 7.31±0.14bc 6.88±0.18c

2.2.2 对土壤结构体稳定性的影响
6 种轮作处理土壤结构体破坏率和土壤不稳定
团粒指数(ELT)如图 1所示。各轮作处理 0~40 cm土
层结构体破坏率为 89.24%~92.59%, 土壤不稳定团
粒指数为 91.56%~93.89%。与其余 5 种处理和试验
前相比, NT/ST处理 0~10 cm和 30~40 cm土层, 土
壤结构体破坏率均显著降低 (P<0.05); NT/ST、
ST/CT、CT/NT 处理平均土壤结构破坏率较 CT/CT
处理分别降低 2.3%、0.6%和 0.5%, 表明少耕有利于
提高团聚体结构体稳定性, 降低结构体破碎率。与
CT/CT处理相比, ST/CT和 CT/NT处理 20~30 cm土
层土壤结构体破坏率差异显著降低 1.0%(P<0.05)。
与 CT/CT 处理和试验前相比, NT/ST 处理 0~40 cm
土层土壤不稳定团粒指数(ELT)分别显著降低 0.8%~
1.7%和 0.5%~1.8%(P<0.05)。3种轮耕处理 0~20 cm
土层 ELT表现为 NT/ST层 ELT表现为 CT/NT>ST/CT>NT/ST, 且 NT/ST 较
CT/NT ELT显著降低 1.7%(P<0.05)。可见, NT/ST处
理降低土壤结构体破碎率和 ELT效果最佳。
2.2.3 对土壤团聚体大小的影响
2014年 6种轮作处理 0~40 cm土层土壤团聚体
大小分布状况[平均质量直径(MWD)]如表 4 所示,
MWD 越大表示团聚体平均粒径团聚度越高。干筛
法测得 0~40 cm土层力稳定性团聚体MWD(DMWD)
值随土层深度增加而逐渐增大, NT/ST和NT/NT处理
0~30 cm土层 DMWD 值无显著性差异, 但 0~10 cm
土层 DMWD 平均值较试验前减少 6.3%, 与其余处
理相比显著降低(P<0.05); 而 NT/ST处理 10~30 cm
土层 DMWD 值均显著高于试验前和 CT/CT 处理,
DMWD值表现为 NT/ST>CT/NT>ST/CT处理, 说明
NT/ST处理有利于提高较深土层土壤团聚体团聚度。
湿筛法测得0~40 cm土层水稳性团聚体MDW (WMWD)
第 9期 陈宁宁等: 不同轮耕方式对渭北旱塬麦玉轮作田土壤物理性状与产量的影响 1107


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图 1 不同轮耕方式下不同土层深度土壤结构体破碎率及不稳定团粒指数
Fig. 1 Rate of structure deterioration and index of unstable aggregates under different rotational tillage systems
表 4 不同轮作方式下 0~40 cm土层土壤团聚体平均质量直径[干筛法(DMWD)与湿筛法(WMWD)]
Table 4 Soil mean weight diameter (MWD) at 040 cm soil layer under different rotational tillage systems [dry-sieving (DMWD)
and wet-sieving (WMWD)]
轮作方式 Rotational tillage system 参数
Parameter
土层
Soil depth (cm)
处理前
Basic NT/ST ST/CT CT/NT NT/NT ST/ST CT/CT
0~10 2.38±0.17b 2.24±0.01c 2.46±0.06ab 2.46±0.08ab 2.23±0.09c 2.58±0.07a 2.54±0.08a
10~20 2.60±0.08c 3.29±0.16a 2.53±0.17c 2.87±0.18bc 3.06±0.05ab 2.76±0.09bc 2.71±0.05bc
20~30 3.03±0.10e 3.97±0.30a 3.33±0.15c 3.34±0.05c 4.04±0.06a 3.48±0.15b 3.19±0.21d
DMWD
(mm)
30~40 3.80±0.09e 4.07±0.05d 4.55±0.24ab 4.45±0.13bc 4.28±0.70c 4.67±0.13a 4.31±0.11c
0~10 0.134±0.010c 0.177±0.001a 0.152±0.003b 0.161±0.007b 0.162±0.001b 0.152±0.001b 0.132±0.005c
10~20 0.118±0.008e 0.141±0.002ab 0.136±0.001bc 0.133±0.010c 0.143±0.004a 0.138±0.002abc 0.127±0.002d
20~30 0.122±0.003b 0.132±0.001ab 0.142±0.005a 0.137±0.002a 0.138±0.006a 0.122±0.005b 0.122±0.002b
WMWD
(mm)
30~40 0.115±0.004d 0.148±0.005a 0.129±0.007b 0.124±0.004bc 0.123±0.011bc 0.118±0.001cd 0.119±0.003cd

值远低于干筛法, 3 种轮耕处理 WMWD 值均高于
CT/CT 处理和试验前, 且在 0~20 cm 土层差异显著
(P<0.05), NT/ST处理 WMWD值显著高于 ST/CT和
CT/NT 轮耕处理, 表明轮耕更有利于提高水稳性均
重直径, 且以 NT/ST处理效果最佳。
2.2.4 对土壤团聚体分维特征的影响
按照公式(7)拟合各轮作处理土壤团聚体分形维
数(D), 干筛法 R2值均大于 0.950, 测得土壤团聚体
分形维数为 2.340~2.616; 湿筛法 R2值均大于 0.899,
土壤团聚体分形维数为 2.969~2.980。图 2是 6种轮
作处理和试验前 0~40 cm土层土壤团聚体 D值分布
情况。干筛法测得 0~40 cm土层力稳性团聚体 D值
分布图(图 2a)显示, 6种轮作处理与试验前相比力稳
性团聚体D值均降低, 且 0~10 cm土层D值最高, 随
着土层向下增加D值总体上呈降低趋势。在 0~40 cm
土层, NT/ST和 NT/NT处理力稳性团聚体 D值表现
出“0~30 cm土层降低, 30~40 cm土层增加”的变化趋
势; 其余 4种轮作处理则呈现出“随土层深度增加而
降低”的趋势, 说明耕作主要影响 10~30 cm 土层 D
值, 且以 NT/ST处理最有利于改善土壤团聚状况。
湿筛法测得 0~40 cm土层水稳性团聚体 D值分
布图(图 2b)显示, 3种轮耕处理水稳性团聚体 D值明
1108 中国生态农业学报 2015 第 23卷


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图 2 不同轮耕方式下不同深度土层土壤团聚体分形维数(a: 干筛法; b: 湿筛法)
Fig. 2 Fractal dimensions (D) of soil aggregates of different soil layers under different rotational tillage systems
(a: dry-sieving; b: wet-sieving)
显低于CT/CT和试验前, 且以NT/ST处理D值最低,
其团聚体水稳性最高。各轮作处理土壤水稳性团聚
体 D值总体上表现为“0~20 cm土层增加, 20~40 cm
土层降低”分布趋势, 说明土壤水稳性随深度增加先
降低后增加。
2.3 不同轮耕模式对麦田土壤水分与产量的影响
2.3.1 对冬小麦生育期间 0~200 cm 土层土壤水分
的影响
2013—2014 年冬小麦生育期内各轮作处理 0~
200 cm土层土壤蓄水量变化动态如图 3所示。各生
育时期土壤蓄水量均以 NT/ST 处理最高, 但 6 种轮
作处理间土壤蓄水量在播种期、拔节期和灌浆期均
无显著性差异, 在抽穗期和成熟期 NT/ST、ST/ST与
CT/CT之间差异显著(P<0.05)。全生育期内 NT/ST、
ST/CT、CT/NT和 CT/CT处理 0~200 cm土层土壤蓄
水量平均值依次为 364.2 mm、351.7 mm、353.5 mm
和 346.5 mm, NT/ST、ST/CT、CT/NT处理平均土壤
蓄水量较 CT/CT处理分别增加 17.7 mm、5.2 mm和
7.0 mm。可见, 3种轮耕处理均能够增加麦田土壤蓄
水量, 其中以 NT/ST处理保墒效果最好。

图 3 不同轮耕处理冬小麦各生育时期 0~200 cm土层蓄水量
Fig. 3 Soil water storage in 0200 cm soil layer at different wheat growth stages under different rotational tillage systems
2.3.2 对冬小麦产量的影响
各轮作处理下 2013—2014 年冬小麦产量构成
如表 5 所示。小麦穗数表现为 NT/ST>CT/NT>
ST/CT>ST/ST>NT/NT>CT/CT 处理, 且 CT/CT 处理
与其余 5 种轮作处理差异显著(P<0.05), NT/ST、
CT/NT和 ST/CT处理小麦穗数较 CT/CT处理分别提
高 18.9%、14.2%和 17.4%。CT/CT和 NT/NT处理穗
粒数和千粒重稍高, 但 6种轮作处理间差异不显著。
NT/ST处理小麦产量最高, CT/CT处理最低, 且二者
差异达显著水平(P<0.05)。NT/ST、ST/CT和 CT/NT
处理较 CT/CT 处理产量依次增加 9.5%、3.9%和
4.8%。
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表 5 不同轮作方式对小麦产量及其构成的影响
Table 5 Effects of different rotational tillage systems on yield and its components of winter wheat
轮作方式
Rotational tillage system
穗数
Spike number (104hm2)
穗粒数
Kernels per spike
千粒重
1000-kernels weight (g)
产量
Yield (kghm2)
NT/ST 431.7±23.0a 29.7±0.1a 46.1±0.5a 5 893.2±43.2a
ST/CT 414.7±45.2ab 30.6±1.5a 44.2±1.5a 5 592.5±34.8ab
CT/NT 426.4±23.1a 29.6±0.2a 44.9±1.3a 5 640.5±57.9ab
NT/NT 373.4±12.9bc 30.6±0.9a 47.3±0.3a 5 398.9±34.2b
ST/ST 406.2±43.1ab 29.8±1.4a 46.7±0.3a 5 647.2±42.1ab
CT/CT 363.2±11.2c 31.9±0.8a 46.6±1.1a 5 383.1±25.5b

3 讨论和结论
1)轮耕能显著降低耕层土壤容重, 增加土壤孔
隙度和通气隙度, 并能有效疏松土壤, 进而改善土
壤结构和通气状况[2324]。轮耕能有效提高土壤田间
持水量, 利于农田土壤蓄水保墒[4]。本研究中 3种轮
耕处理均能够有效疏松土壤, 改善土壤结构, 提高
田间持水量, 其中免耕/深松处理效果最佳, 主要是
由于免耕能减少土壤扰动 , 深松则能打破犁底层 ,
提高耕层渗透性能[25], 二者结合能更好地改善土壤
结构, 利于土壤蓄水保墒。
2)土壤团聚体是保证和协调水肥气热等土壤肥
力因素的物质基础[26]。免耕可促进表层土壤团聚体
形成 [11]。本研究中含有免耕和深松的轮作处理
DR0.25 含量显著较高, 表明免耕和深松可减少对土
层扰动和碾压, 土壤黏粒容易胶结形成较为稳定的
团聚体, 而翻耕会降低力稳性团聚体含量 [27], 但可
促使秸秆与土壤混合腐烂形成有机质, 有利于表层
大团聚体形成[28]。在连续秸秆还田作用下, 各轮作
处理 WR0.25含量均有所增加, 且以免耕/深松处理最
高, 连续翻耕处理最低, 表明连续翻耕对土壤扰动,
降低了水稳性团聚体的稳定[29], 抵消了秸秆还田的
团聚形成效应[11], 免耕和深松轮换则增加了水稳性
团聚体含量。
3)土壤结构体破碎率和不稳定团粒指数随土壤
退化程度增加而增加[30], 轮耕可以提高土壤耕层团
聚体的稳定性[27,31]。本研究免耕/深松处理结构体破
碎率和不稳定团粒指数最低, 连续免耕处理结构体
破碎率最高, 连续翻耕处理土壤不稳定团粒指数最
高, 说明免耕虽有利于土壤力稳性团聚体形成, 但
不利于水稳性团聚体形成, 翻耕则对耕层土壤产生
强烈扰动而破坏土壤结构体稳定性, 表明免耕/深松
轮耕有利于土壤结构体稳定性。
4)土壤团聚体均重直径(MWD)描述了团聚体级
别分布特征[13,25,27]。本研究中干筛法测得的 DMWD
远大于湿筛法测得的WMWD, 免耕/深松处理DMWD
值和 WMWD 值最高, 连续翻耕处理最低, 表明免
耕和深松轮耕有利于土壤大团聚体的形成。土壤粒
径分布分形维数(D)反映了土壤结构变化与质地均
一性程度[32], 土壤黏粒含量越高、质地越细、分形
维数越高[13]; 团粒结构越稳定、通透性越好、分形
维数越低[11]。本研究中免耕/深松处理 0~40 cm土层
水稳性团聚体 D 值最低, 免耕和深松减少了对耕层
扰动和碾压, 土壤结构更稳定。
5)免耕、深松及翻耕处理蓄水保墒能力不同[33],
合理轮作能增强土壤蓄水保墒能力[34]。本研究中免
耕 /深松和连续深松处理小麦生育期间土壤蓄水效
果较连续翻耕好, 说明免耕和深松交互轮耕降低了
耕层土壤容重, 增加土壤孔隙度, 增加降水入渗能
力, 具有良好蓄水保墒作用 [35], 并进而提高作物产
量 [36]。轮耕能提高旱地冬小麦播前土壤蓄水量 [37],
促进冬小麦种子萌发和生长 [24], 从而提高小麦产
量。本研究中 3种轮耕处理能显著增加冬小麦穗数,
有利于形成高产群体结构, 最终提高小麦产量, 与
前人研究结论一致[24,38], 其中 NT/ST 轮耕处理的增
产效应最优。
综上所述, 通过 7 年长期定位试验综合分析 6
种轮作处理下土壤容重、团聚体稳定性和土壤含水
量等土壤物理性状及小麦产量构成差异, 免耕/深松
轮耕改善土壤物理性状效果最好、蓄水保墒效果和
增产增收效应最佳 , 为渭北旱塬小麦玉米轮作田
较适宜的轮耕模式。
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