免耕对土壤理化性质及作物产量的影响

摘要 免耕是一项重要的农田耕作措施，为保护性耕作体系的核心内容，已在全球范围内得到大面积推广应用。在前人研究的基础上，就免耕对土壤的物理、化学、生物学性质以及作物产量的影响作用进行了归纳总结，以期为免耕的发展提供支持。

关键词 土壤;免耕;理化性质;作物产量

中图分类号 S345文献标识码 A文章编号 0517-6611（2022）02-0009-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2022.02.003

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Influence of No-tillage on Soil Physicochemical Properties and Crop Yield

HUANG Da1，JIANG Yu-qin2，XIE Xian-jin1

（1. Soil and Fertilizer Station of Henan Province， Zhengzhou， Henan 450000; 2 .Soil and Fertilizer Station of Xun County， Hebi， Henan 458000）

Abstract No-tillage is an important farmland management practice. It is the core content of conservation tillage system and has been widely applied all over the world. Based on previous studies， the effects of no-tillage on soil physical， chemical， biological properties as well as crop yield were summarized in order to provide support for the development of no-tillage.

Key words Soil;No-tillage;Physical and chemical properties;Crop yield

基金项目 国家重点研发计划（2018YFD0300705）;国家重点研发计划（2018YFD0200606）。

作者简介 黄达（1985—），女，河南睢县人，农艺师，博士，从事土壤肥料研究与推广工作。*通信作者，农艺师，硕士，从事土壤肥料研究与推广工作。

收稿日期 2021-04-14

20世纪30年代，由于连年翻耕造成土壤风蚀和水蚀严重，表层土壤大量流失，美国发生了大规模的“黑风暴”，迫使人们开始寻找新的耕作方式[1-2]。保护性耕作应运而生，其核心就是最大限度地减少土壤扰动，维持土壤结构。保护性耕作一开始称为免耕法，随着研究的不断发展，其内容得到补充完善，并于1995年被正式命名[2]。联合国粮食及农业组织（FAO）对保护性耕作给出的定义是：一种旨在保持永久性土壤覆盖、最低程度的土壤耕作以及植物物种多样化的耕作体系;其加强了地表上下的生物多样性和自然生物过程，有助于提高水分和养分的利用效率，提高并维持作物产量。保护性耕作具有3项原则：一是持续最低限度的土壤机械扰动，即土壤扰动仅限于播种和施肥，扰动区域范围小于15 cm宽或小于栽培区域面积的25%;二是永久性的土壤有机质覆盖，覆盖区域≥30%;三是生物多样化，轮作至少涉及3种作物种类。美国最早开始研究保护性耕作，于20世纪60年代大面积推广应用，20世纪80年代将其发展为主流耕作技术[2]。目前保护性耕作已在全世界范围内得到研究与推广，但总体上集中于美国、澳大利亚、加拿大等农业发达国家。

我国于20世纪60～80年代开始引入保护性耕作[3-4]，此后进行了大量的试验研究并于北方干旱、半干旱地区开展推广应用[5]。我国保护性耕作体系大致分为免耕与少耕两个方向，免耕为核心内容，应用最为广泛。免耕是不经过整地，而直接进行播种的耕作方式，与传统翻耕相比，免耕对土壤物理、化学、生物性质以及作物产量均产生了不同的影响作用，笔者对其进行了归纳总结。

1 免耕对土壤物理性质的影响

1.1 土壤容重

土壤容重反映土壤紧实状况，是表征土壤物理性质的一项重要指标。在免耕体系中，土壤扰动幅度降至最低，能够保持土壤原状结构。目前关于免耕对土壤容重的影响效应存有较大分歧。有研究认为，免耕条件下长期机械碾压而不疏松土壤会产生强烈的压实效应，从而导致土壤变硬、容重增大[6-8];但土壤容重不会无限增加，将随着时间的推移达到一种稳定状态，或者在连续免耕12年后[9]，或者在连续免耕2～3年后[10]，即关于土壤容重趋于稳定所需年限的研究结论不一致。也有研究表明，免耕对土壤容重不产生影响，即使在较长时间尺度上，免耕与翻耕之间也无差异[11-12]。还有研究指出，免耕具有降低土壤表层容重的效应[13]。张锡洲等[14]通过对比不同免耕年限土壤发现，0～15 cm土壤容重随着免耕年限增加而呈现降低趋势，并在免耕7～8年后趋于稳定，而15～30 cm土壤容重无显著变化。陈强等[15]认为，免耕对土壤容重的影响作用不能一概而论，需结合当地土壤质地、农田管理措施、气候环境因子及作物类型等多种因素进行判定。Li等[9]利用Meta分析法研究了全球尺度上免耕条件下土壤物理性质对农艺措施和环境条件的反应，结果显示，免耕对土壤容重及其他土壤性质的影响效应主要取决于气候条件（年均降水量和年均气温）、试验持续时间、土壤质地，而其中前两者最具有决定性。

1.2 土壤团聚体

土壤团聚体是土壤结构形成的基本单元，其大小、数量与分布直接关系土壤理化性质，是反映土壤肥力大小、耕层构造好坏的重要指标[16]。已有大量研究指出，与传统翻耕相比，免耕能够显著提高土壤团聚体的稳定性，增强土壤团聚作用[17-19]。但对不同学者土壤团聚体不同分级的影响研究结果存在一定差异。王峻等[20]研究发现，免耕条件下0～20 cm土层大团聚体（﹥2.000 mm）含量增加35.79%，中团聚体（0.250～2.000 mm）增加30.81%，微团聚体（0.106～0.250 mm）增加25.80%。Wu等[21]得出了相同的结论，即免耕相较于传统翻耕增加了各级团聚体含量。然而Six等[22]的研究结果却表明，免耕显著增加了大团聚体的含量但减少了微团聚体含量。

1.3 土壤水分

免耕能够显著增加土壤含水量和贮水量，有利于提高土壤水分利用效率。余海英等[23]测定得出免耕地块0～100 cm土壤贮水量与含水量均明显高于翻耕地，增幅分别为2.7%～30.3%、3.4%～12.8%。丁晋利等[24]通过研究免耕对冬小麦不同生育时期土壤剖面水分的影响指出，较传统翻耕，免耕不同程度地增加了冬小麦各个生育期0～100 cm 土层土壤平均含水量，冬小麦拔节期和扬花期0～40 cm土层平均含水量分别增加了14.0%和10.3%。在西北旱区，实施保护性耕作7年后，与翻耕相比，免耕和免耕+秸秆还田处理土壤饱和含水量分别提高了5.69%、6.85%，饱和导水率分别提高了9.11%和24.47%[19]。在晋南旱地，免耕较翻耕显著增加了0～100 cm土层土壤贮水量，且主要显著提高50～100 cm土层土壤贮水量[25]。

2 免耕对土壤养分的影响

2.1 土壤有机碳

土壤有机碳库对维持土壤肥力、土壤蓄水力以及作物生产力具有重要作用[26-27]。与传统翻耕相比，免耕有助于土壤有机碳固定与贮存[28-29]。免耕能够增加表层尤其0～5 cm土层土壤有机碳含量[22]，有效控制土壤碳损失，减少农田CO2释放量，降低温室效应[30]。West等[31]通过分析全球67个长期定位试验得出，除了小麦—休闲系统土壤碳积累不明显，由传统翻耕转变为免耕后平均每年固定有机碳为（57±14） g/m2，且在转变的5～10年达到峰值，15～20年达到新的平衡。田慎重等[32]研究指出，连续免耕12年后0～30 cm土层土壤有机碳储量比试验初期提高38%，12年总固碳量达16.69 t/hm2。王旭东等[33]对我国东北、华北地区4个长期定位试验点进行了联网研究，结果表明，与传统耕作相比，免耕能够显著提高0～10 cm表层土壤有机碳储量，但对0～80 cm土层总有机碳储量的影响具有区域性差异，某些地区呈现增加趋势，但另一些地区呈现减少趋势。

2.2 土壤氮、磷、钾

土壤养分含量直接决定耕地质量以及作物生长状态。有研究表明，在淮北平原潮土区，与翻耕秸秆还田相比，免耕秸秆还田处理提高了0～20 cm土层有机质、全氮含量，增幅分别为8.98%、4.63%，但降低了土壤碱解氮、有效磷和速效钾含量;而在20～60 cm土层，免耕秸秆还田处理土壤有机质、全氮、全磷含量显著降低，但有利于土壤速效养分增加[34]。王改玲等[35]研究表明，免耕可显著增加0～10 cm土层土壤氮素和钾素的累积，全氮、碱解氮和速效钾含量随着免耕年限的增加而增加，但是有效磷含量减少，11年免耕覆盖和15年免耕覆盖，表层0～10 cm土壤有效磷含量比传统耕作分别降低了56.1%和51.9%。王昌全等[36]研究指出，连续8年免耕后，土壤全氮含量高达3.1 g/kg，有效磷和速效钾含量分别提高了95.8%、61.0%。然而贾凤梅等[37]却研究发现，免耕处理土壤有机碳、全氮、有效磷、铵态氮和硝态氮含量低于翻耕处理，土壤全磷含量差异不显著。也有研究指出，不同土壤质地和时间年限下，免耕对土壤有效磷和速效钾的影响程度会出现差异;就黏土而言，连续免耕增加了各土层有效磷含量，免耕1年后速效钾含量增加12%，免耕2年后速效钾含量则下降16%～33%;中壤土免耕后，各土层有效磷含量逐年下降，而速效钾含量呈现上升趋势，免耕1年后增幅0.6%～33%，免耕2年后增幅3%～18%[38]。由以上结果可看出，免耕对土壤养分的影响效应不同研究之间存在差异，可能受到了多种环境条件的制约。

3 免耕对土壤生物性状的影响

土壤微生物是土壤的重要组成部分，参与土壤养分循环，对维持土壤生产力具有重要作用。免耕具有显著增加土壤微生物量的作用[39]。潘孝晨等[40]研究指出，相较于翻耕和旋耕，免耕处理增加了土壤微生物生物量碳、氮含量以及土壤微生物多样性。免耕对土壤微生物的影响会因为环境条件变化以及免耕年限不同而有所差异。肖美佳等[39]通过Meta分析指出，我国农业区免耕对土壤微生物量碳的影响作用具有区域性差异，原因在于不同区域温度与降水量不同;免耕对土壤微生物量碳的增加效应随着年降水量和年均温度的增加而增加，且以年降水量>800 mm，年均温度>15 ℃时最为显著;同时还指出，免耕年限显著影响土壤微生物碳含量，且以免耕年限≥8年效果最佳。此外，免耕对土壤微生物的影响作用因土层深度不同而不同。孔凡磊等[41]研究指出，华北平原小麦—玉米轮作区，免耕处理微生物量碳随土壤层次减少而显著降低，同时指出，在小麦生育期间，0～20 cm土层微生物量碳稳定性表现为翻耕>旋耕>免耕，20～30 cm土层微生物量碳稳定性表现为免耕>翻耕>旋耕。张明园等[42]研究结果与之类似，0～5 cm土层微生物量碳以免耕最高，翻耕最低;5～10 cm土层翻耕与旋耕之间无差异，免耕最低;10～20 cm土层以翻耕最高，免耕最低;20～30 cm各耕作处理下微生物量碳均比较低，其中以免耕最低。

4 免耕对作物产量的影响

关于免耕对作物产量的影响在不同研究中存在争议[43]。有研究认为，免耕能提高作物干物质积累量，加快籽粒灌浆速率，改善产量构成因素，从而增加作物产量[44-45]。金亚征等[46]通过连续5年定位试验指出，在华北平原小麦—玉米轮作区，小麦季免耕较旋耕与翻耕增加了玉米吐丝前后干物质积累，提高了玉米吐丝后光合势和净同化率，从而增加了夏玉米产量。类似的长期定位试验（14年）结果显示，该地区免耕覆盖条件下，小麦产量平均增加12.43%，玉米产量平均增加24.02%，而小麦—玉米周年产量平均增加18.50%[45]。在黄土高原区，与传统翻耕相比，免耕处理提高了小麦叶片光合速率、蒸腾速率、气孔导度、花后光合物质同化量对籽粒产量贡献率，增幅分别为12%、4.7%、2.7%、41.7%，从而增加了小麦产量。也有研究指出，与传统翻耕相比，免耕对产量无明显影响[43，47]。同时有研究认为免耕降低了作物产量[43，48]。吕秋爽等[7]通过整合分析指出，免耕条件下，玉米根系生物量、生物量密度和比根长无显著变化，然而玉米根长、根长密度和根表面积显著降低，降幅分别为13.8%、15.7%和22.8%，且玉米产量显著降低，降幅为8.4%。在西北旱作区，与传统耕作相比，免耕处理春小麦产量降低了9.62%，但免耕+秸秆覆盖处理增加了春小麦产量，增幅为9.33%，原因在于免耕配合秸秆覆盖能够改善土壤水分状况和养分空间分布，从而促进植株的生长发育。刘世举等[49]的研究结果与之类似，在西北旱作区9年田间定位试验的结果显示，免耕较翻耕降低冬小麦产量的幅度为7.6%。为明确免耕对产量的影响效应，张雄智等[50]基于1995—2019年公开发表的文献，收集并综合分析了1 162对研究数据，结果显示，在我国免耕较翻耕表现出增产的试验占比42.70%，且免耕对产量的影响与平均气温呈极显著正相关。免耕对作物产量的影响效应之所以呈现非常大的差异性，可能是因为受到了环境条件和实施年限的影响。研究表明，干燥指数是影响产量对免耕响应程度的最重要因素[43，51]。在干燥指数较低时（半干旱环境），免耕条件下产量一般高于传统翻耕[43，52-53]，但在湿润气候条件下，传统翻耕方式产量则高于免耕[43，54]。同时产量对免耕的响应程度也取决于作物种类[43]。研究中还存在这样的观点：免耕的影响作用会随着时间变化，即实施免耕产生的负面影响是一种短期反应，会随着时间的推移而衰弱或消失[55]，其优越性的体现一般需要5年时间[56]。