>耕作与施肥方式对稻茬冬油菜耕层土壤理化特性的影响
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摘要: 水稻-油菜一年两熟是四川省稻田主要的水旱轮作模式。为探讨该模式下合理的耕作和施肥方式，通过田间定位试验，采用随机区组试验设计，设置8个耕作和施肥方式处理组合，分析其对土壤物理、化学和根际土壤微生物生物量碳、氮含量以及冬油菜产量的短期影响。结果表明:相同施肥方式下，旋耕(RT)较免耕(NT)平均提高了0~30 cm土层的土壤水分(23.25%)和孔隙度(14.79%)，同时降低了土壤容重(9.78%)。RT条件下，在0~10 cm土层中，撒施(SS)较穴施(XS)和条施(TS)平均分别提高了土壤水分含量(14.87%)、容重(10.23%)以及有机质(5.55%)、全磷(6.12%)、碱解氮(13.66%)和有效磷(31.77%)的含量，但降低了土壤孔隙度(7.69%)和毛管孔隙度(12.25%)以及全钾(7.72%)含量; TS在10~20 cm土层中增加了土壤水分、孔隙度以及有机质、全磷、全钾和速效钾的含量，较SS和XS平均增幅分别为12.03%、7.96%、13.08%、24.16%、9.56%和5.51%，同时降低了土壤容重(8.81%); NT下，在0~10 cm土层中，TS较SS和XS提高了土壤毛管孔隙度以及全磷、有效磷和速效钾的含量，平均增幅分别为25.42%、7.00%、18.41%和13.21%，而XS则在该土层中提高了土壤水分以及碱解氮和有效磷的含量。与NT相比，RT降低了根际土壤微生物生物量碳和氮含量，且NT下TS和XS对根际土壤微生物生物量碳、氮含量有不同程度的提升。研究表明，RT结合SS或TS，NT结合XS或TS处理不仅有利于培肥土壤，还能实现冬油菜产量增产的作用。因此，在川西平原水旱轮作区，RT条件下应选择SS或TS作为施肥方式，而在NT条件下，则应选择XS或TS为宜。
关键词: 水旱轮作; 耕作方式; 施肥方式; 土壤特性
论文《耕作与施肥方式对稻茬冬油菜耕层土壤理化特性的影响》发表在《中国土壤与肥料》，版权归《中国土壤与肥料》所有。本文来自网络平台，仅供参考。
引言
土壤耕作对土壤环境具有深远的影响，通过机械作用直接改变土壤的理化及生物学性质，从而塑造出更加适宜作物生长的土壤条件[1]。不同的土壤耕作方法会改变土壤的结构和理化性质，进而影响养分的矿化速度和有效性，最终影响作物对养分的吸收与利用效率[2]。施肥被视为一种重要的土地管理措施，可以有效地改善土地肥力并提高作物产量[3]。
近年来，川西平原稻茬冬油菜生产的土壤耕作主要为免耕方式，肥料以表施为主。然而，由此导致的一系列问题日益凸出，包括耕层变浅、养分表聚化、土壤板结黏重和透气性差等。这些问题严重制约了油菜对养分的吸收利用，最终影响油菜的产量[4]。已有研究表明，免耕处理有助于提升表层土壤氮、磷和钾素及有机质含量[5-6]，并使油菜增产[7-8]; 旋耕方式则能增加土壤有机质及速效养分含量(碱解氮、有效磷和速效钾)[4,9-11]，并改善土壤的物理性质，如增加土壤疏松层深度和降低表层土壤容重[12-13]，从而也有利于油菜产量的提升[14]。在油菜生产中，施肥(深度)和肥料位置的选择至关重要。不合理的施肥方式可能导致资源浪费、环境污染，甚至影响作物的生长和产量[15-17]。Su等[16]研究表明，深层施肥(如10 cm)能显著促进油菜根系生长、干物质积累，并提高产量和肥料利用率。氮肥深施较撒施更能提高氮肥利用率和产量，同时减少环境污染[18]，条施或穴施等集中施肥技术也显示出优于撒施的效果[19-20]。
目前，关于油菜氮肥的研究主要集中在氮肥用量和运筹上[21]，而对耕作措施和施肥效应的研究大多数为单因素，缺乏对耕作措施与施肥方式综合效应的研究。本研究通过定位试验，旨在探讨旋耕和免耕两种耕作方式，以及撒施、穴施和条施3种施肥方式对土壤物理、化学性质、根际土壤微生物生物量碳氮含量以及冬油菜产量的短期影响，旨在为川西平原稻茬冬油菜区提供因地制宜的耕作和施肥方式技术。
1 材料与方法
1.1 试验地概况
本研究依托四川省农业科学院广汉试验示范基地长期定位试验地(31°03′N, 104°10′E)进行，试验区属于典型的中亚热带湿润气候区，气候温和、雨量充沛，年平均气温为16.3℃，年平均降水量为890.80 mm。定位试验于2017年9月开始，并进行匀地、布设处理和预备试验。土壤为水稻土，前茬作物为水稻。2017年9月土壤耕层基础理化性质为: pH值6.38，有机质含量31.78 g·kg⁻¹，全氮含量1.97 g·kg⁻¹，碱解氮含量211.27 mg·kg⁻¹，有效磷含量12.08 mg·kg⁻¹，速效钾含量49.90 mg·kg⁻¹。本试验中，水稻在2022年5月中旬移栽，2022年9月下旬收获, 油菜在2022年10月初播种, 于2023年5月中旬收获。试验区域2022-2023年冬油菜季日降水量和日气温详见图1。
1.2 供试材料
油菜供试材料为甘蓝型油菜品种‘川油36’，水稻供试材料为籼型三系杂交水稻品种‘川优6203’，均由四川省农业科学院作物研究所提供。
1.3 试验设计
大田定位试验采用两个因素(耕作方式和施肥方式)的随机区组试验设计。共设置8个耕作和施肥处理。其中，设免耕为NT，旋耕为RT，不施肥为CK、撒施为SS，穴施为XS，条施为TS，耕作与施肥的交互处理详见表1。每个处理3次重复，随机区组排列。小区面积为4 m×5 m=20 m²，小区间隔1.5 m，每个小区筑埂30 cm厚、30 cm高，并使用塑料薄膜对0~100 cm土层进行水分隔离(其中，2021年5月对小区水分隔离薄膜进行了更换)。水稻于2022年5月中旬移栽，9月下旬收获，株距为25 cm，行距为30 cm，每穴移栽1株，种植密度为13.33万株·hm⁻²。油菜采用人工直播方式，于2022年9月下旬到10月上旬播种，翌年5月上中旬收获，植株行距和株距均为25 cm，在五叶期每穴定苗2株，种植密度为32.00万株·hm⁻²。除不施肥CK处理外，2017年9月到2021年10月油菜季施肥量均为600 kg·hm⁻²美丰比利夫复合肥(N-P₂O₅-K₂O=28-6-6)，2022年10月至2023年10月油菜季施肥量为675 kg·hm⁻²台沃油菜专用肥(N-P₂O₅-K₂O=26-13-6)和78.75 kg·hm⁻²氯化钾(K₂O 60%)，均为一次性基施; 2017年5月到2021年10月水稻季施肥量为600 kg·hm⁻²美丰比利夫复合肥(N-P₂O₅-K₂O=28-6-6)，2022年10月到2023年10月水稻季施肥量为600 kg·hm⁻²美丰博施复合肥料(N-P₂O₅-K₂O=22-8-10)，均为移栽后10 d一次性撒施。其余管理措施与当地高产栽培管理一致。
表1 试验处理及具体操作
1.4 样品采集方法
在油菜的成熟期，即2023年5月2日进行油菜收获的同时，对0~10、10~20、20~30 cm土层土壤样品进行逐层采集, 各小区按“S”形路线随机采集5个点，并按土层分别混合为一个样品。
1.5 指标测定
土壤物理特性：采用烘干法逐层测定土壤水分含量(SWC); 采用环刀法逐层测定土壤容重(BD)和总孔隙度, 土壤容重降低比率以试验组土壤容重较NT-CK处理的降低幅度来表示。
• 土壤含水量 (SWC, \% ) = frac{ ext{鲜土质量} - ext{干土质量}}{ ext{干土质量}} imes 100 (1)
• 土壤容重 (BD, g cdot cm^{-3}) = 环刀内干土重 / 环刀容积 (2)
• 土壤总孔隙度[22] (\% ) = (1 - frac{BD}{ ho} ) imes 100 (3)，式中 ho 为土壤比重(通常为 2.65~g cdot cm^{-3} )。
• 土壤毛管孔隙度 (\% ) = FWC imes BD (4)，式中, FWC为田间持水量(\% )。以上指标测定方法及计算均参考《土壤物理性质测定法》[22]。
土壤化学测定：各小区土样充分混匀后拣去植物残根和石砾等, 经风干、磨碎过筛, 按照鲍士旦等[23]的《土壤农化分析》进行土壤pH、有机质、全氮、全磷、全钾、碱解氮、有效磷和速效钾含量的测定。
根际土壤微生物生物量碳和氮的测定：土壤微生物生物量碳采用熏蒸浸提-重铬酸钾容量法测定，土壤微生物生物量氮采用熏蒸浸提-茚三酮比色法测定[24]。
在油菜收获时, 各小区均单打单收, 采用水分测定仪测定油菜籽粒水分含量, 去除水分、杂质后计算小区油菜籽粒产量。
1.6 数据处理与分析
使用 Excel 2019处理基础数据; 用 Origin 2018和 2021绘图; 用 SPSS 18.0进行双变量相关分析以及单因素方差分析和邓肯(Duncan)法显著性检验。
2 结果与分析
2.1 不同耕作与施肥方式对油菜季土壤物理特性的影响
由图2所示, 在各处理下, 土壤水分含量和总孔隙度总体随土层深度增加而逐渐降低，与0~10 cm土层相比，20~30 cm土层平均降幅分别为31.25%和 22.38%; 而土壤容重和毛管孔隙度总体随土层深度增加而呈增大的趋势, 与0~10 cm 土层相比，20~30 cm土层平均增幅分别为25.58%和 26.88%。与CK处理相比, 施肥降低了0~10 cm土层土壤水分含量和0~20 cm土层土壤容重, 增加了0~20 cm土层土壤总孔隙度和0~10 cm土层土壤毛管孔隙度。
相同施肥方式下, 与免耕(NT)相比, 旋耕(RT)均增加了肥料撒施(SS)和穴施(XS)处理0~30 cm土层土壤的水分含量和总孔隙度，分别平均增加了23.25% (图2A) 和14.79% (图2C), 降低了SS和XS处理0~30 cm土层土壤容重和10~20 cm土层土壤毛管孔隙度，平均降幅分别为9.78% (图2B) 和13.76% (图2D)，各指标均以10~20 cm土层中变幅最大。
相同耕作方式下，不同施肥处理0~10和10~20 cm土层土壤容重大小顺序均表现为SS > XS > TS，SS处理分别较XS和TS增加2.69%~9.57%和3.12%~14.91% (图2B)，而土壤总孔隙度大小顺序均表现为TS > XS > SS，TS处理较XS和SS分别增加0.91%~9.68%和3.69%~17.56% (图2C)，但处理间差异均不显著。NT处理下，0~10和10~20 cm土层土壤的水分含量和毛管孔隙度分别以XS和TS处理最高，相较于SS和TS处理，XS处理土壤水分含量分别增加4.87%~8.68%和4.49%~5.29% (图2A); 与SS和XS处理相比，TS处理土壤毛管孔隙度分别增加28.83%~31.18%和22.02%~22.65% (图2D)。RT条件下，不同施肥处理的土壤物理特性在不同土层深度表现趋势不同，其中在0~10 cm土层中，与XS和TS处理相比，SS处理土壤水分含量平均增加14.87% (图2A)，而土壤毛管孔隙度降低12.25% (图2D); 在10~20 cm土层中，相较于SS和XS处理，TS处理土壤水分含量平均增加12.03% (图2A)，而土壤容重平均降低8.81% (图2B)。
方差分析结果(表2)显示，耕作方式对10~30 cm土层土壤的水分、容重和总孔隙度以及10~20 cm土层土壤毛管孔隙度的影响显著(P<0.05)，施肥方式对0~10和20~30 cm土层土壤的水分、容重以及10~30 cm土层土壤的总孔隙度和毛管孔隙度的影响均达到显著水平(P<0.05)，而两者的交互作用仅对20~30 cm土层土壤的水分、容重和总孔隙度有显著影响(P<0.05)，其余处理各指标间差异不显著。
表2 耕作与施肥对油菜季土壤物理特性的方差分析
注: T为耕作方式，F为施肥方式; 和*分别表示在0.05和0.01水平上差异显著，ns表示处理间无显著差异。下同。
2.2 不同耕作与施肥方式对油菜季土壤化学特性的影响
由图3可知，在各处理下，土壤pH值随着土层深度增加而缓慢增大，有机质、全氮、全磷、碱解氮和有效磷含量均表现出0~10 cm > 10~20 cm > 20~30 cm。与CK相比，施肥均降低了0~30 cm土层的土壤pH值，而有机质、碱解氮、有效磷和速效钾等含量在不同土层深度表现趋势不同。
相同施肥方式下，与NT相比，RT降低了10~20 cm土层的土壤pH值和有效磷、0~30 cm土层有机质、20~30 cm土层全氮、0~10 cm土层的碱解氮和速效钾含量，平均降幅分别为1.98% (图3A)、8.96% (图3G)、8.70% (图3B)、18.34% (图3C)、12.89% (图3F)和5.61% (图3H); 并同时增加了20~30 cm土层的土壤pH值和有效磷、0~30 cm土层全磷和10~30 cm速效钾含量，平均增幅分别为1.82% (图3A)、48.05% (图3G)、16.07% (图3D)和3.30% (图3H)。RT条件下，与XS和TS处理相比，SS处理0~10 cm土层的有机质、全磷、碱解氮和有效磷含量分别平均增加了5.55% (图3B)、6.12% (图3D)、13.66% (图3F)和31.77% (图3G)，而土壤全钾含量平均降低7.72% (图3E); 在10~20 cm土层中，相较于SS和XS处理，TS处理土壤有机质、全磷、全钾和速效钾含量分别平均增加13.08% (图3B)、24.16% (图3D)、9.56% (图3E)和5.51% (图3H)。NT条件下，在0~10 cm土层中，与SS和XS处理相比，TS处理土壤全磷、有效磷和速效钾含量分别平均增加7.00% (图3D)、18.41% (图3G)和13.21% (图3H); 相较于SS和TS处理，XS处理0~10 cm土层的碱解氮和有效磷含量分别平均增加10.28% (图3F)和5.64% (图3G), 而土壤全磷含量平均降低17.34% (图3D)。其余处理各指标无显著变化。
方差分析结果(表3)显示，耕作方式对0~20 cm土层有机质、10~30 cm土层全钾及20~30 cm土层有效磷和速效钾含量的影响达到显著水平，施肥方式对0~20 cm土层的pH值和有效磷、0~10 cm土层的有机质和全氮以及0~30 cm土层全钾含量的影响达到显著水平，两者的交互作用对0~30 cm土层全钾、0~10 cm土层有效磷、10~20 cm土层的pH值和有机质以及10~30 cm土层速效钾含量的影响均达到显著水平以上(P<0.05)。其余处理各指标间无显著差异。
表3 耕作与施肥对油菜季土壤化学特性的方差分析
注: T为耕作方式，F为施肥方式; 和*分别表示在0.05和0.01水平上差异显著，ns表示处理间无显著差异。下同。
2.3 不同耕作与施肥方式对油菜季根际土壤微生物生物量碳和氮的影响
从图4可知，各处理中以NT-TS根际土壤微生物生物量碳含量最高，相同施肥方式下，微生物量碳含量在耕作方式间的整体趋势均表现为NT > RT, 与NT相比，RT处理微生物量碳含量平均降低39.36%。不同施肥处理的微生物量碳含量大小顺序在NT方式下表现为TS > XS > SS，TS处理较SS处理增加20.87%; 在RT方式下表现为SS > TS > XS，SS较XS处理增加63.23% (图4A)。
对于根际微生物量氮含量而言，各处理中以NT-XS最高(图4B)。相同施肥方式下，微生物量氮含量在耕作方式间的整体趋势均也表现为NT > RT, 与NT相比, RT处理微生物量氮含量平均降低50.84%。不同施肥处理的微生物量氮含量大小顺序在NT方式下表现为XS > TS > SS，XS处理较SS处理增加19.62%; 在RT方式下表现为TS > XS > SS，TS较SS处理增加100.90% (图4B)。方差分析结果(表4)显示，仅耕作方式对根际土壤微生物量氮含量的影响达到显著水平(P<0.05)，施肥方式以及两者的交互作用对微生物量碳和氮含量均无显著影响。
表4 耕作与施肥对油菜季根际土壤微生物生物量碳和氮的方差分析
注: T为耕作方式，F为施肥方式; *表示在0.05水平上差异显著，ns表示处理间无显著差异。
2.4 不同耕作与施肥方式对油菜产量的影响
从图5可知，施肥显著增加了油菜产量(P<0.05)，各处理中以RT-SS产量最高，为3066.94 kg·hm⁻²，是产量最低处理RT-CK的5.61倍，其次为NT-XS和NT-TS，产量分别为2669.47和2759.74 kg·hm⁻²。相同施肥方式下，除SS外，XS和TS方式下NT较RT处理分别增产11.67%和1.33%，更有效地提高了产量。不同施肥处理的产量大小顺序在NT方式下表现为XS > TS > SS, XS较SS处理增产3.38%; 在RT方式下表现为SS > TS > XS, SS较XS处理增产24.10%。方差分析结果(表5)显示，施肥方式对产量的影响达到显著水平(P<0.05)，耕作方式对产量的影响达到极显著水平(P<0.01)，而两者的交互作用对油菜产量无显著影响。
表5 耕作与施肥方式对油菜产量的影响
注: T为耕作方式，F为施肥方式; 表示在0.01水平上差异显著，ns表示处理间无显著差异。
3 讨论
3.1 耕作方式对土壤特性的影响
耕作措施可调节土壤的物理环境，使土壤中的水、肥、气、热得到合理的调整[25-26]。本研究发现，耕作方式对10~30 cm土层土壤的水分、容重和总孔隙度以及10~20 cm土层土壤毛管孔隙度影响显著。有研究表明，免耕会增加耕层土壤容重[27]。但也有认为免耕会降低土壤容重[28]。采取保护性耕作措施更有利于保水和维持土壤湿度[29]。本研究结果表明，免耕较旋耕处理提高了0~30 cm土层的土壤容重，这与刘武仁等[30]研究结果一致，这可能是免耕方式对土壤扰动较小所致[31]; 与免耕相比，旋耕总体提高了0~30 cm土层土壤的总孔隙度和水分含量，槐圣昌等[32]也发现了类似的结果，这归因于旋耕处理使土壤结构变得疏松，增加了总孔隙度，从而提高了渗透能力、增强了贮水性和保持水分的能力[33]。
免耕后有利于土壤表层积累有机质，提高土壤养分含量[29, 34]。与连年翻耕相比，连年免耕增加了土壤全氮含量[35]。免耕能有效提高土壤碱解氮、有效磷、速效钾等速效养分的含量[36-37]。本研究中，不同耕作方式下土壤有机质、全氮、全磷、碱解氮和有效磷含量在不同土层的大小顺序总体表现为0~10 cm > 10~20 cm > 20~30 cm，但耕作方式对0~20 cm土层有机质、10~20 cm土层土壤pH值以及20~30 cm土层的全氮、有效磷和速效钾含量产生了显著影响。与旋耕相比，免耕提高了0~30 cm土层有机质、20~30 cm土层全氮、0~10 cm土层碱解氮和0~10 cm土层速效钾的含量，这可能由于免耕能保留住地面上残留作物根茬中的营养元素，从而促进秸秆腐解并提高表层土壤有机质含量[38]，长期进行免耕或者少耕会降低对土壤的扰动，造成养分表聚化[4]。
土壤微生物生物量碳和氮的储存含有丰富的养分，为植物提供了充足的营养[39]。本研究中发现，耕作方式对根际土壤微生物生物量氮含量的影响达到显著水平，免耕较旋耕处理提高了油菜根际土壤微生物生物量碳和氮含量。这可能由于本研究中免耕提高了土壤有机质含量，有利于提高土壤微生物活性，从而增加了土壤微生物量碳、氮含量[40]。
3.2 施肥方式对土壤特性的影响
郭丽等[41]发现氮、磷、钾肥可以降低土壤容重，并且氮肥对于调控紧实度的效果高于磷、钾肥。与不施肥相比，优化施肥处理可以减少3.73%~14.93%的土壤容重[42]。肥料施用可增加土壤总孔隙度，并且长期配施有机肥和秸秆能降低土壤容重[43]。本研究中也发现类似的结果，施肥较不施肥处理降低了0~10 cm土层土壤水分含量和0~20 cm土层土壤容重，而增加了0~20 cm土层土壤总孔隙度和0~10 cm土层土壤毛管孔隙度。王科等[44]研究表明，相较于免耕-表或浅施肥-稻草盖种的处理方式，深翻条件下采取肥料深施肥-浅旋盖种的方法能显著减少亚表层土壤的容重，并显著提高土壤的总孔隙度。本研究同样发现，两种耕作方式下，肥料深施(条施和穴施)均较撒施降低了0~20 cm土层土壤容重，增加了0~20 cm土层土壤总孔隙度和0~30 cm土层土壤毛管孔隙度。
与不施肥相比，化肥有机肥配施以及单独施用有机肥有利于增加0~20 cm土层的有机质、全氮、碱解氮和有机碳含量[35]。而本研究发现，施肥较不施肥处理增加了0~10 cm土层的有机质、全氮、全钾、有效磷和速效钾以及0~30 cm土层碱解氮和10~20 cm土层全磷的含量。施肥方式对养分在土壤中分布具有显著影响[45]。本研究结果显示，施肥方式对0~20 cm土层的土壤pH和有效磷、0~10 cm土层有机质以及20~30 cm土层全钾含量影响亦达到显著水平。Zhang等[46]发现与地表撒施相比，尿素配合有机肥进行深施可以提高稻田土壤中有机质的含量，而本研究中肥料施用方式对不同土层土壤养分含量的影响不同，这可能因为研究区域土壤类型及施肥种类不同。根际土壤微生物生物量碳和氮含量均以条施条件下较高，较撒施和穴施最大增幅100.90%。这表明合理施肥可以增加土壤中微生物数量碳、氮含量[40, 47]。
综上所述，土壤耕作与施肥策略在调控土壤微环境条件方面发挥着至关重要的作用。调整耕层土壤结构不仅能提升土壤的排水性能和水分保持能力，还能优化作物对养分的吸收与利用，最终影响产量[48-49]。周宝元等[50]研究发现，旋耕处理的作物产量显著高于免耕处理。通过优化施肥方法，能有效减少肥料损失，显著提升肥料利用效率及作物产量[19]。有研究表明，肥料撒施会扩大养分与根系的距离，降低养分运输效率及吸收利用率[51]。深施肥料相较于撒施能显著提升油菜产量，增产幅度高达85.10%[52]。课题组前期研究结果也表明，旋耕处理平均产量较免耕处理增加8.26%，且不同施肥方式下旋耕处理均高于免耕处理，旋耕或免耕下，与撒施相比，穴施和条施能明显增加油菜产量[53]。本研究结果中，免耕方式下不同施肥处理的产量表现与前期研究相吻合，但肥料撒施条件下旋耕处理的产量高于免耕，这可能因为旋耕条件下的肥料在撒施后经旋耕与土壤充分混合，土壤有效磷含量高于免耕条件下的肥料撒施处理; 同时还发现，旋耕方式下撒施处理的油菜产量明显高于穴施和条施，最高增幅达到24.11%，这可能由于RT方式下撒施(SS)较穴施(XS)和条施(TS)提高了0~10 cm土层土壤的水分、容重、有机质、全磷、碱解氮和有效磷的含量。因此，耕作与施肥方式对稻茬冬油菜产量和土壤特性影响的内在作用机制还需进一步作定位试验研究，探究土壤-微生物-作物复合生态系统中作物响应碳、氮、磷的阈值与拐点，以优化耕作和施肥策略，实现可持续农业发展。
4 结论
旋耕结合肥料撒施或条施，免耕结合肥料穴施或条施的处理方式，对于改善土壤的理化性质、提升土壤肥力以及增加冬油菜的产量具有显著的成效。因此，在川西平原稻茬冬油菜种植区，针对不同的耕作模式，采取相适宜的施肥策略: 在旋耕条件下，优先考虑撒施或条施; 而在实际生产中，若采用免耕方式，则应选择穴施或条施的肥料施用方式。
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