摘要：【目的】针对黄淮海地区长期采用单一土壤旋耕作业存在的弊端，研究由秸秆覆盖深松、秸秆还田旋耕和秸秆还田深耕组成的不同轮耕模式对黄淮海两熟区农田的土壤改良效应。【方法】连续 6 年定位实施 5 种轮耕模式：连年旋耕(CRT，CK)、连年深松(CST)、连年深耕(CDT)、深耕/旋耕(DT/RT)和深耕/ 旋耕/旋耕(DT/RT/RT)，研究各轮耕模式对冬小麦-夏玉米农田土壤三相比 R 值、土壤有机碳储量、全氮储量、土壤酶活性、土壤呼吸速率和作物经济效益的影响。【结果】轮耕模式、耕层深度、年份对土壤三相比 R 值、土壤有机碳储量、全氮储量和酶活性存在显著或极显著影响。与连年旋耕相比，连年深松模式有利于表层土壤有机碳储量、氮储量、土壤脲酶和蔗糖酶活性的积累，而连年深耕、深耕/旋耕和深耕/旋耕/旋耕轮耕模式有利于增加 10—40 cm 土层的有机碳储量、氮储量、土壤脲酶和蔗糖酶活性，促进土壤营养均匀分布。随着轮耕年限的增加，0—40 cm 土层的 R 值呈整体降低趋势，而土壤有机碳储量、全氮储量呈整体增加趋势，其中深耕/旋耕和深耕/旋耕/旋耕轮耕模式表现更为明显。与试验开展前相比，秸秆全量还田下的连年旋耕、连年深松、连年深耕、深耕/旋耕和深耕/旋耕/旋耕模式在 0—40 cm 土层的 R 值分别降低 20.8%、33.1%、29.5%、 29.7%和 30.7%，有机碳储量分别增加 6.4%、14.5%、16.0%、20.6%和 23.8%，全氮储量分别增加 3.1%、11.1%、 11.6%、13.3%和 15.7%。轮耕模式对土壤呼吸速率存在极显著影响，与连年旋耕相比，连年深松、连年深耕、深耕/旋耕和深耕/旋耕/旋耕模式冬小麦季的土壤呼吸速率分别提高 20.7%、19.3%、13.7%和 9.2%，夏玉米季分别提高 19.1%、18.1%、15.2%和 10.4%。但与连年深耕相比，深耕/旋耕和深耕/旋耕/旋耕模式冬小麦季的土壤呼吸速率分别显著降低 5.9%和 9.6%，夏玉米季分别降低 3.3%和 7.3%。其中，深耕/旋耕/旋耕模式冬小麦季的土壤呼吸速率比深耕/旋耕降低 4.1%，夏玉米季降低 4.3%。轮耕模式、年份及其交互对作物产量和经济效益存在极显著影响。对 5 种轮耕模式 6 年的作物周年产量和经济效益综合分析，以深耕/旋耕模式最高，但与深耕/旋耕/旋耕模式的作物产量和经济效益差异均不显著。深耕/旋耕/旋耕、深耕/旋耕、连年深耕和连年深松的周年产量比连年旋耕分别增加 18.9%、21.4%、12.9%和 15.7%，其经济效益比连年旋耕分别增加 31.9%、 36.2%、20.3%和 25.4%。【结论】深耕/旋耕/旋耕轮耕模式能够改善耕层结构，增加土壤耕层碳氮储量和根区酶活性，且显著降低农田碳排放量，增产增收效果明显，为黄淮海地区冬小麦-夏玉米两熟制农田适宜的轮耕模式，其次是深耕/旋耕轮耕模式。
关键词：三相比 R 值;土壤有机碳;土壤全氮储量;土壤酶活性;土壤呼吸;经济效益
0 引言
【研究意义】黄淮海平原是中国粮食主产区，由于该区长期采用土壤旋耕和焚烧作物秸秆，不仅污染环境，还导致土壤耕层变浅、蓄水保墒能力降低和土壤养分流失[1-2]，阻碍作物生长发育和产量形成。而合理的耕作方式结合秸秆还田可改善土壤耕层结构[3]，协调土壤生态环境和养分状况[4]，为作物高产稳产奠定良好的土壤基础。长期采用单一耕作措施对土壤质量存在不利影响，长期深耕会增加土壤表层水分蒸发[5]和农田碳排放[6]，长期深松不利于秸秆分布土壤深层，造成土壤表层养分富集[7]、病虫害加重和农田碳投入增加[8]等，不利于减缓农田温室效应，阻碍固碳减排农业生态系统的发展。因此，研究旋耕、深耕、深松等土壤耕作交替的轮耕模式对建立合理的耕作体系具有重要意义。【前人研究进展】不同耕作措施对土壤性状有显著影响。与旋耕相比，深松、深耕可有效降低三相比 R 值[9]，促进微生物的繁殖和土壤酶活性的增加[10]，使全年土壤呼吸速率增加 37.3%[11];尹宝重等[12]在海河低平原 2 年研究表明深松、深耕可有效提高麦田脲酶和碱性磷酸酶活性。而旋耕、深松、深耕等土壤耕作集成的轮耕模式可扬长避短，有效减轻单一耕作措施的弊端，提高土壤质量。有研究表明，轮耕措施可改善土壤耕层结构[13]，提高土壤生产性能[14]，促进养分在耕层间均匀分布[15]，从而实现作物高产[16]。TIAN 等[17]研究发现长期旋耕后进行 4 年深耕可显著提高土壤碳储量和作物产量。另外，秸秆中含有大量植物生长所必需的氮、磷、钾及微量元素[18]，秸秆还田后能改善土壤理化性状[19]，优化农田碳排放[20]，改善田间小气候[21];王芸等[22]通过大田试验证明秸秆还田显著提高土壤脲酶和蔗糖酶活性，进而影响土壤碳氮转化。【本研究切入点】近年来，关于轮耕技术效应研究多集中在一年一熟区农田土壤理化性状的研究，且主要围绕深松、免耕、旋耕等集成的轮耕模式，而关于黄淮海两熟制农田秸秆全量还田下深耕和旋耕交替的轮耕模式对土壤长期改良效应的研究却鲜有报道。【拟解决的关键问题】通过黄淮海地区冬小麦夏玉米两熟制农田 6 年的长期轮耕定位试验，探索秸秆全量还田条件下不同轮耕模式对土壤性状的长期改良效应，掌握土壤质量演变规律，筛选耕层结构好、土壤肥力足、生态效益佳、生产收益好的最佳轮耕模式，以期为该区适宜轮耕模式的选择和推广应用提供科学支撑和理论依据。
1 材料与方法
1.1 试验区概况
试验设置于河南省洛阳市农林科学院试验站(34°62′N，112°45′E)，该区是黄淮海平原典型的冬小麦-夏玉米一年两熟区，属暖温带大陆性季风气候，试验期间年平均气温为 14.86℃，年平均降水量为 578.2 mm，降水主要集中在 7—9 月。试验开始前长期采用冬小麦播前旋耕(10—15 cm)、夏玉米免耕播种的耕作方式，且作物秸秆全部移出。试验地地势平坦，土壤类型为褐土，其中砂粒 30.2%，粉粒 41.6%，黏粒 28.2%，pH 为 8.0。2009 年开始试验前土壤理化性质见表 1。
1.2 试验设计
在前茬作物秸秆全量还田(冬小麦秸秆粉碎覆盖还田，夏玉米秸秆粉碎翻埋还田)条件下，2009 年 10 月至 2015 年 6 月连续 6 年进行夏玉米季免耕、冬小麦季实施 5 种不同的轮耕模式：连年旋耕(CRT，CK)、连年深松(CST)、连年深耕(CDT)、深耕/旋耕(DT/RT)、深耕/旋耕/旋耕(DT/RT/RT)。采用随机区组设计，各小区的面积为 300 m2 (60 m×5 m)， 3 次重复。每年各试验处理进行的土壤耕作方式见表 2。其中旋耕处理采用旋耕机旋耕 1 遍，作业深度 10 —15 cm;深松处理采用振动式深松机深松 1 遍，作业深度为 30—35 cm;深耕处理采用铧式犁翻耕，作业深度为 30—35 cm，旋耕、深松、深耕作业后均耙地 2 遍。夏玉米秸秆粉碎还田后随耕作混入土壤中(图 1)。
供试冬小麦品种为济麦 20 号，机械条播，2009 —2012 年和 2013—2014 年播量为 125 kg·hm-2，2014 —2015 年播量为 100 kg·hm-2;2012—2013 年由于该试验区生态条件受限冬小麦没有种植。2009—2015 年，夏玉米品种为郑单 958，采用机械免耕播种，种植密度为 60 000 株/hm2 。每年 10 月中旬播种冬小麦，翌年 6 月 1 日至 5 日收获后种植夏玉米，至 9 月 23 日至 28 日收获。各处理施肥及其他田间管理相同，冬小麦季施肥量为：200 kg N·hm-2， 150 kg P2O5·hm-2， 100 kg K2O·hm-2，全部的磷肥和钾肥、50%的氮肥做基肥在耕作时一次性全部施入，50%的氮肥在拔节期追施;夏玉米季施肥量为：300 kg N·hm-2，150 kg P2O5·hm-2， 150 kg K2O·hm-2，全部的磷肥和钾肥、40%的氮肥在播种时一次性施入，60%的氮肥按 5﹕5 比例分别在拔节期和大喇叭口期追施。冬小麦季和夏玉米生长期间根据土壤墒情适时灌水，其他管理同常规大田。
1.3 测定项目与方法
1.3.1 土壤物理性状测定 2009 年试验开始前及 2013—2015 年冬小麦成熟期和夏玉米成熟期，每小区选择 3 个有代表性的区域，用环刀法测定 0—10、10 —20、20—30、30—40 cm 土层土壤容重和土壤孔隙度，其中土壤孔隙度(%)=(1-土壤容重/土壤比重) ×100%[23]，土壤比重近似值为 2.65 g·cm-3;同时用烘干法计算各土层土壤含水量。
1.3.2 土壤化学性状测定 2009 年试验开始前及 2013—2015 年冬小麦成熟期，每小区以对角线设置 5 个取样点，分别采集 0—10、10—20、20—30、30— 40 cm 土层土样，用于测定土壤养分含量。土壤有机碳含量采用重铬酸钾外加热法测定，全氮含量采用半微量凯氏定氮法测定[25]。
1.3.3 土壤酶活性测定 2013—2015 年冬小麦成熟期和夏玉米成熟期，结合土壤养分测定取样，采 0—10、10—20、20—30、30—40 cm 土层土壤鲜样测定土壤酶活性[26]。脲酶活性采用苯酚钠比色法，蔗糖酶活性采用 3, 5—二硝基水杨酸比色法。
1.3.4 土壤呼吸 2013—2015 年冬小麦拔节期、开花期、成熟期和夏玉米拔节期、开花期、成熟期，采用美国 LICOR 公司生产的 LI—8100A 土壤呼吸仪定点测量土壤呼吸速率。每小区以对角线设置 5 个固定测量点，测点放置聚氯乙烯圈(polyvinylchlorid，PVC，直径 20 cm，高 11 cm)作为土壤呼吸测定室，管环顶距地面 2—3 cm。测定时间为 8：00—11：00。
1.3.5 作物产量 冬小麦成熟后每小区选 3 个点，每点 3 m2 ，脱粒晒干，称重计产;夏玉米成熟后每小区选 3 个点，每点取 20 个果穗，脱粒晒干，称重计产。
1.3.6 经济效益计算 经济效益以单位耕地面积的纯收益表示。
经济效益=总产值-总成本，总产值=作物产量×价格。其中总成本包括机械费(耕作、播种和收获)、化肥费、种子费、农药费等物资成本和除草、收获等劳动成本。冬小麦和夏玉米单价分别为 2.1 元/kg、1.8 元/kg。尿素(N 46%)2.25 元/kg，磷酸二铵(P2O5 46%， N 18%)3.2 元/kg，硫酸钾(K2O 50%)3.20 元/kg。每公顷机械费用标准如下：收获和秸秆粉碎费用，冬小麦 825 元/hm2 、夏玉米 1 050 元/hm2 ，深耕费 825 元 /hm2 ，深松费 750 元/hm2 ，旋耕费 450 元/hm2 。其他投入(包括种子、农药和人工费)冬小麦合计 1 700 元 /hm2 ，夏玉米合计 1 800 元/hm2 。
1.4 数据分析
利用 Excel 2007 进行数据处理，利用 SPSS 17.0 进行数据统计分析，不同处理间用 Duncan 新复极差法(SSR)进行多重比较，利用 SigmaPlot 12.5 软件绘制图表。
2 结果
2.1 轮耕、耕深、年份以及其交互对土壤性状和产量的影响
除年份对土壤脲酶的影响不显著外，轮耕、年份、耕深对土壤 R 值、土壤有机碳储量、全氮储量、脲酶活性和蔗糖酶活性均存在极显著影响(表 3)，且轮耕、年份对土壤呼吸速率、作物产量和经济效益均存在极显著影响(表 4)。其中轮耕×耕深对各指标均存在显著交互作用;除冬小麦成熟期的土壤有机碳储量、全氮储量、脲酶活性和蔗糖酶活性外，轮耕×年份对各指标均存在显著交互作用;除冬小麦成熟期的土壤全氮储量，年份×耕深对各指标均存在显著影响;除冬小麦成熟期的 R 值、土壤有机碳储量和夏玉米成熟期的脲酶活性外，轮耕×年份×耕深对各指标均存在显著影响。
2.2 轮耕模式对土壤 R 值的影响
不同轮耕模式对 0—40 cm 土层的 R 值具有明显的影响(表 5)。与 2009 年试验前(BT)相比，连续 6 年耕作处理后 0—40 cm 土层的 R 值随轮耕周期的延长呈整体降低趋势。CRT、CST、CDT、DT/RT 和 DT/RT/RT 模式 0—40 cm 土层的 R 值比试验前分别降低 20.8%、33.1%、29.5%、29.7%和 30.7%。R 值随土层深度增加而增加，且土层间差异显著(表 6)。在冬小麦成熟期，CDT、DT/RT、DT/RT/RT 和 CST 模 式 0—40 cm 土层的 R 值比对照分别降低 6.9%、8.4%、 10.5%和 12.4%，各土层的 R 值均以 CST 最低，其次是 DT/RT/RT，且显著高于 CRT。在夏玉米成熟期， CDT、DT/RT、DT/RT/RT 和 CST 模式 0—40 cm 土层的 R 值比 CRT 分别降低 19.0%、14.5%、7.6%和 13.2%。其中 20—40 cm 土层的 R 值以 CDT 最低，且显著高于 DT/RT/RT、CRT，这与冬小麦季的结果相反，可能与该地区夏玉米季降雨较多有关(每年 7—9 月的降雨量占全年降雨量的 72%以上)。
2.3 轮耕对土壤有机碳储量的影响
与 2009 年试验前相比，各耕作模式 0—40 cm 土层有机碳储量呈现整体增加趋势(图 2)。CRT、CST、 CDT、DT/RT 和 DT/RT/RT 模式 0—40 cm 土层的有机碳储量比试验前分别显著增加 6.4%、14.5%、16.0%、 20.6%和 23.8%，年平均累积增加速率分别为 0.58、 1.31、1.44、1.86 和 2.15 t·hm-2·a-1。2013—2015 年冬小麦成熟期 0—40 cm 土层的土壤有机碳储量均以 DT/RT/RT 最高，DT/RT 次之，且显著高于 CST、CDT 和 CRT 模式，而 CST 和 CDT 显著高于对照 CRT。土壤有机碳储量随土层深度增加而减少，且土层间差异显著(表 6)。不同耕作模式主要增加了 10—40 cm 土层的有机碳储量。2013—2015 年 10—40 cm 土层的有机碳储量均表现为 DT/RT/RT>DT/RT>CDT> CST>CRT，其中 DT/RT/RT 与 DT/RT 差异不显著，较 CDT、CST、CRT 分别增加 5.7%、11.9%、19.9%， CDT 与 CST 差异不显著，均显著高于 CRT。
2.4 轮耕对土壤全氮储量的影响
与 2009 年试验前相比，2013—2015 年的土壤全氮储量有不同程度的增加(图 3)。CRT、CST、CDT、 DT/RT 和 DT/RT/RT 模式 0—40 cm 土层全氮储量比试验前分别增加 3.1%、11.1%、11.6%、13.3%和 15.7%，年平均累积增加速率分别为 26.9、96.0、100.3、114.6 和 135.3 kg·hm-2·a-1。在 2013—2015 年冬小麦成熟期， 0—40 cm 土层的全氮储量以 DT/RT/RT 最高，与 CST、 CDT、DT/RT 三者差异不显著，比对照 CRT 显著增加 11.1%。土壤全氮储量的变化趋势与土壤有机碳储量一致，土壤全氮储量随耕层的加深递减，且不同耕作模式主要增加了 10—40 cm 土层的全氮储量。其中以 DT/RT/RT 最高，与 CDT、DT/RT 之间相差不大，较 CST、CRT 分别增加 5.4%和 11.0%，CST 较 CRT 增加 4.9%。
2.5 轮耕对土壤脲酶活性的影响
土壤脲酶能促进尿素水解生成利于作物生长的氨，反应了土壤的供氮能力和水平。由表 6 可知，土壤脲酶活性的变化在年际间差异不大，随耕层增加递减，且土层间差异显著。在冬小麦成熟期，DT/RT/RT、DT/RT 和 CDT 模式在 0—40 cm 土层的脲酶活性无显著差异，均显著高于 CST、CRT，而 CST 比 CRT 显著增加 20.7%。在夏玉米成熟期，CDT、DT/RT、DT/RT/RT 和 CST 模式在 0 —40 cm 土层的脲酶活性比对照 CRT 显著增加 31.9%、 30.4%、25.8%和 23.7%，其中 DT/RT/RT、DT/RT、CDT 之间相差不大，DT/RT、CDT 与 CST 差异显著。由图 4 可知，各耕作模式对不同土层脲酶活性的影响显著，主要增加了 10—40 cm 土层的脲酶活性。在冬小麦成熟期，以CDT和DT/RT的脲酶活性较高，与DT/RT/RT 差异不显著，而与 CST、CRT 差异显著，DT/RT/RT 与 CST 差异不显著，比 CRT 显著增加 26.6%。在夏玉米成熟期，CDT、DT/RT、DT/RT/RT 模式比 CST 分别增加 17.0%、14.7%和 7.6%，而 CST 与 CRT 差异显著。
2.6 轮耕对土壤蔗糖酶活性的影响
土壤蔗糖酶可使蔗糖分解为易溶性的营养物质，表征了土壤有机碳累积与分解转化规律[27]。由表 6 可知，土壤蔗糖酶活性随轮耕年限延长有不同程度的增加，并随耕层增加递减，土层间差异显著。在冬小麦成熟期，CDT、DT/RT、DT/RT/RT 和 CST 模式在 0 —40 cm 土层蔗糖酶活性较 CRT 显著增加 32.5%、 34.4% 、 30.0% 和 21.0% ，其中 CDT 、 DT/RT 和 DT/RT/RT 三者间差异不显著，比 CST 显著增加9.5%、 11.1%和 7.4%。在夏玉米成熟期，CDT、DT/RT 与 DT/RT/RT 差异不显著，比 CRT 分别显著增加 22.7% 和 23.9%，CST 比 CRT 显著增加 13.8%。由图 5 可知，各耕作模式主要增加了 10—40 cm 土层的蔗糖酶活性。在冬小麦成熟期，CDT、DT/RT 和 DT/RT/RT 比 CST 显著增加 28.9%、26.6%和 17.2%，比 CRT 显著增加 51.7%、48.9%和 38.0%。在夏玉米成熟期，以 CDT 的蔗糖酶活性最高，与 DT/RT 和 DT/RT/RT 差异不显著，而显著高于 CST 和 CRT。结果表明经过长期定位后，耕作措施不仅对当季作物的土壤蔗糖酶活性影响显著，还对后茬作物的土壤性质改良效应显著。——论文作者：于淑婷 1 ，赵亚丽 1,2,3，王育红 4 ，刘卫玲 1 ，孟战赢 4 ，穆心愿 5 ，程思贤 1 ，李潮海 1,2,3
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