轮耕技术对农田环境和作物生长情况的影响

轮耕技术对农田环境和作物生长情况的影响摘要传统单一的耕作方式和不合理的土地利用会导致耕层变浅，土壤水分和肥力严重降低，不利于农作物的生长。例如长年翻耕会影响土壤保水保湿能力,常年免耕对土壤扰动性较小，不利于疏松土壤,导致耕层变浅，土壤结构变差，表层土壤养分和体积质量增加，影响农作物的生长发育，使得产量降低。此外，较少的降雨量，地表贫乏的水资源以及干旱，风沙等自然灾害也在一定程度上制约着当地农业的进一步发展。土壤轮耕技术是将不同的土壤耕作方式进行科学的组合轮换，能够在保证各项耕作方式优点的同时消除单一耕作方式的缺点,有利于充分发挥土壤蓄水保墒、保水保土、增产增收的经济效应。本文将免耕、翻耕、深松进行组合和轮换，探讨了6种耕作方式对土壤物理性质，养分，碳储量和作物生长情况和产量的影响。旨在为轮耕技术的探索和当地农业经济的可持续发展提供参考依据。关键词：轮耕技术农田环境作物产量目录TOC\o"1-2"\h\u105701前言 轮耕技术对农田环境和作物生长情况的影响1前言本文研究背景传统的单一耕作方式（免耕、少耕、翻耕）导致土壤出现结构破坏、各项物理指标恶化、供肥力减弱等问题，严重阻碍农产品增产及农业的可持续发展。如何通过合理高效的耕作技术进一步改善长期单一耕作所带来的不利影响，提高农业产值，是人们目前比较关注的问题。通过合理的运用土壤轮耕技术，将免耕、翻耕、深松等土壤耕作技术进行合理的轮换与组合，能够有效的解决各种单一土壤耕作方式的缺点。根据当地的地理条件和农业状况，建立与之相适应的土壤轮耕制，有利于充分发挥保水、保土、增产增收等保护性耕作效应。因此，研究建立合理的轮耕技术对农业的可持续发展具有重要的意义【1-3】。国内外轮耕研究现状轮耕技术是保护性耕作中一项的重要内容，选用合适的耕作措施，在一定程度上为农田增产增收提供了有利条件。过去长期单一的耕作方式给土壤结构带来不良影响，限制了农业的可持续发展。长期单一少耕，如旋耕，会造成土壤容重增大，土壤紧实，通透性变差，形成犁底层，不利于作物根系的生长发育。长期单一翻耕则会导致表层土壤团聚体结构稳定性下降，加剧农田土壤的流失和侵蚀，影响土壤蓄水保湿能力。长期免耕导致土壤出现有机碳、养分在表层富集、层化，加重病虫害的法发生【4-5】。为此，国内外研究者目前正在积极探寻适宜的轮耕技术和周期，以改善长期单一耕作所带来的不利影响。国外对于保护性耕作的研究起源地主要在美国。20世纪，美国西部地区由于大量开垦土地，耕作措施不当，大量植被，农田被破坏，发生了震惊世界的“黑风暴”事件。随后，苏联也发生了相同的情况，从而引起了国外诸多农学专家的高度重视。保护性耕作农田措施的研究成为当时的研究热点。目前在发达国家，保护性耕作技术己成为农业可持续发展的重要技术之一，且应用范围遍布70多个国家。每个国家根据自己的区域地貌和农业特点选择不同的的保护性轮耕措施。国外保护性轮耕的研究存在区域间的差异。在美国，轮耕措施主要是以免耕和少耕为主，通过秸秆覆盖为辅，达到蓄水保肥的目的，后续的秸秆覆盖能够有效增加农田土壤有机质含量和水分利用效率，避免了传统单一耕作方式对土壤结构的破坏。目前美国中北部的农田耕作次数从30年前的7-10次降低到1次或者免耕，小麦产量提高了1.62%。加拿大对保护性耕作的研究要追溯到80年代，其主要研究的重点是农业机械，并且取消铧式犁翻耕，并对80％的农田采用留茬处理，通过减少土壤扰动来维持土壤的结构稳定性，改善土壤质量，从而提高土壤的水肥利用效率，保障加拿大农业经济的可持续发展。保护性耕作技术的广泛应用为各国农业生态环境和农业生产效益带来的巨大改善，具有可持续的发展前景。在20世纪80年代，我国由于连年免耕，导致土壤问题日益严峻。农业专家逐渐开始了对轮耕技术的研究，至90年代后期，，黄细喜【6】提出以少耕为主体，少耕、免耕相互交替，定期耕翻相结合的轮耕制。刘世平【7】表明可以将秸秆还田，轮耕以及轮培在轮作区结合，形成“轮作、轮耕、轮培”的“三轮体系”土壤管理模式。近年来，不同区域的农作区在轮耕方面做了大量研究：东北旱区提出适合当地环境地貌的“三年轮耕法”，即第1年秸秆粉碎覆盖还田，第2年采用免耕播种，第3年留茬越冬。该体系较好的减少土壤扰动，起到保水土、保墒的作用，此外，秸秆留茬还田能够有效的增加土壤有机质含量和肥沃力。西北黄土高原区根据当地不同季节的降雨量提出了夏闲期和冬闲期不同的轮耕措施。夏闲期轮耕主要以免耕/深松/免耕、深松/免耕/深松、翻耕/翻耕/翻耕为主，冬闲期轮耕主要以免耕/深松/深松、深松/免耕/免耕、免耕、深松、翻耕为主。通过两季不同的轮耕模式最大限度地利用夏秋降雨，起到春墒秋保的作用，有利于旱地农田增产稳产，提高农业经济效益【8-9】。1.3研究目的和意义保护性轮耕通过根据当地农业环境与作物作，将免耕、翻耕、深松、等土壤耕作措施进行合理组合与轮换，改了善土壤质量，充分发挥了土壤蓄水保墒的作用，利于综合生产力的提高，为当地的农业经济增产增收提供保障。为此，通过对此研究，建立合理的轮耕周期和轮耕模式对发展现代可持续农业具有重要意义。2保护性轮耕的含义及作用2.1保护性轮耕的含义轮耕的耕作模式最初由赵秉强于1991提出，随后，孔凡磊等农学专家根据我国特殊的农业生产环境和气候，为了改善长期单一耕作进行后所带来的主要问题，进一步完善了轮耕的概念【10】。轮耕是由不同的保护性耕作措施组合而成的，例如翻耕、免耕、和深松等土壤耕作措施。主要含义为在一个轮作周期中，根据当地的农田环境和作物生长需求，将多个不同耕作方式合理组合为一个轮耕模式，而采用的一套土壤耕作方法。合理的轮耕模式不仅可以节约成本，同时还对农田土壤质量的提高和农田生产力的发展有一定的积极作用，是当下我国土壤耕作制重点转变的发展方向。2.2保护性轮耕的作用轮耕技术是提高土壤肥力的有效措施，单一的传统耕作方式对土壤造成频繁扰动，使土壤结构变差，通透性增加，土壤肥力和土壤中有机质的含量下降。选择合理的轮耕措施,可以改善耕层土壤的物理性质,提高土壤供肥力,有效地协调土壤肥力与水分状况,充分发挥土壤保水保墒的生产潜力，为农作物生长发育提供良好的环境【11-13】。轮耕技术能够减少温室气体排放，较其它生态体系而言，农田生态系统中的土壤碳元素储量最高，是最重要的固碳减排对象。农田土壤作为农田生态系统中的重要载体，对碳元素的固定与转化具有重要影响。合理的轮耕措施能够增加土壤中氧化有机碳的累积，还能够增加土壤结构的团粒稳定性。轮耕技术是缓解水资源矛盾的有效措施。合理的轮耕措施使农田土壤的体积质量下降、毛管孔隙增加、孔隙度和通气孔隙度增加、增强土壤中水分的通透性。土壤孔隙的均匀分布，可以有效的减少土壤中水分蒸发，同时有利于降雨的渗入，增加土壤蓄水量，提高农作物的水分利用效率【14】。轮耕技术是降低农业生产成本，增产增收的有效途径。与传统翻耕相比，土壤连年免耕后出现在土壤表层富集的现象，而导致下层土壤氮、钾、磷等土壤养分质量分数较低，供肥力不足。而轮耕可避免出现养分元素富集的现象，在免耕后合理的选择进行耕翻、旋耕等措施能够高效提高氮、钾、磷等元素的含量，促进养分的吸收。除此之外，选择合理的轮耕措施能有利于促进植物中叶绿素合成，使农作物保持着较高的光合能力。对增加农产品产量、提高作物品质和农田经济可持续发展有着深远的影响。3轮耕对农田环境的影响3.1轮耕对土壤水分的影响干旱地区降雨少，水资源矛盾严重，是限制当地农业发展的最主要因素。过去长期单一的翻耕模式，使得农田土壤结构被破坏，增大了土壤水分蒸发量。而单一的免耕模式则会导致土壤容重增加，不利于水分的渗透。连年深松对土壤动土量较大，导致土壤中水分利用效率偏低。采取保护性轮耕模式能在增加土壤的降雨渗入量的同时，还能降低无效的水分蒸发量，改善土壤的蓄水保湿能力。王倩【15】等人通过轮耕对旱作麦田土壤水分状况的研究发现，在0-100的土层土壤中，轮耕模式中的翻耕/免耕中土壤的含水量最高，而在100cm以下的土壤层中，则是免耕/深松模式的土壤含水量最高。相较于传统的单一耕作方式，轮耕模式尤其是翻耕/免耕以及免耕/深松在提高土壤蓄水保湿能力的基础上更加有利于土壤水分的渗透。李娟【16】等人通过对在保护性耕作对作连作玉米土壤水分变化规律的研究，表明深松/免耕的轮耕模式能够有效提高土壤农田存水量，同时土壤水分的利用率也优于其它轮耕模式。陈宁宁团队【17】为了进一步研究不同轮耕模式对农田土壤理化性状和农作物产量的影响，在陕西省合阳县对冬小麦-春玉米一年一熟轮作田进行了7年的试验，实验期间的农作物收获后全部秸秆粉碎还田,同时保证6种轮耕模式中的的施肥、农作物品种相同,其农田物理性质和作物产量如表1-3。根据表1中0~60cm土层中田间持水量的百分比，深松/免耕的轮耕模式比传统的单一耕作模式土壤的含水量增长了4.22%-22.6%。表明3种轮耕模式，尤其是深松/免耕的轮耕方式能够最大限度的改善土壤蓄水保墒的效果。表1不同轮作方式下0~60cm土层的田间持水量【17】土层(cm)处理前N®NS®SC®CN®SS®CC®N0~2027.0±0.24d33.3±0.22a29.1±0.27c27.8±0.16d33.1±0.31a31.8±0.33b31.5±0.19b20~4026.1±0.22b28.3±0.24a27.9±0.21a26.2±0.31b28.6±0.39a28.4±0.16a26.5±0.12b40~6024.4±0.45d25.7±0.13bc26.5±0.15ab24.9±0.24cd27.3±0.12a25.7±0.21bc26.6±0.14abNN、SS、CC、NS、SC、CN分别代表连续免耕、连续深松、连续翻耕、免耕/深松、深松/翻耕轮耕、翻耕/免耕轮耕处理。同行处理(含处理前)间不同小写字母表示差异显著。3.2轮耕对土壤物理结构的影响对于传统的耕作模式，长期单一翻耕对土壤扰动较大，土壤结构被破坏，导致土壤中的水分和养分严重流失，不利于农作物的生长。而长期的免耕则会导致土壤容重和硬度增加，不利于农作物种子的萌发和生长。科学的轮耕措施可以高效的疏松土壤，均匀增加了土壤的通气空隙和孔隙度（如表2），提高了土壤中大团聚体含量和土壤稳定性，而且不会使土壤容重增大，能够科学的改善土壤结构，形成适合种子生长的土壤环境。根据大量的研究结果表明，免耕/深松的科学轮耕对土壤扰动性很小，能够最大限度的提高土壤中团聚体含量和稳定性，降低土壤容重，改善土壤结构，达到增产增收的目的。表2不同轮作方式下0~60cm土层的孔隙率和土壤容重【17】土壤性质土层(cm)处理前N®NS®SC®CN®SS®CC®N土壤容重0~201.34±0.03ab1.35±0.08a1.33±0.03ab1.32±0.01ab1.27±0.02c1.28±0.02c1.30±0.02bc20~401.48±0.02a1.44±0.02ab1.41±0.05b1.46±0.04ab1.40±0.05b1.39±0.02b1.42±0.04b40~601.44±0.09ab1.45±0.09a1.42±0.09b1.44±0.05ab1.42±0.04b1.42±0.08b1.41±0.03b孔隙率（%）0~2049.6±0.78bc49.7±1.23bc49.0±0.56c50.0±0.22bc52.0±0.76a51.7±0.31a50.8±0.45ab20~4044.1±0.66b45.7±0.29ab46.8±0.53a45.0±1.89ab47.1±1.23a47.4±1.32a46.3±0.22a40~6045.8±0.45ab45.4±0.77b46.3±0.15a45.6±0.33ab46.3±0.06a46.6±1.56a46.6±1.99a3.3轮耕对土壤化学性质的影响“秸秆还田”在微生物作用下分解出的有机碳来提高土壤中有机碳的含量，同时释放的氮、磷、钾等养分元素被农作物吸收利用，最终对土壤的肥力和农作物的生长产生积极的作用。土壤耕作方式极大影响了土壤中有机碳氮的含量及分布，传统的翻耕会使土壤中的有机碳含量明显降低，而长期免耕虽对土壤表层有机碳的积累具有显著作用，但是会出现氮，磷、钾等养分元素在表层富集的土壤质量问题【18】。轮耕可以在保持耕作优点的基础上解决单一耕作方式带来的弊端。研究表明，免耕之后进行耕翻、深松可以使有机碳在不同耕层内均匀分布，同时有效的促进土壤中养分的释放。根据之前的研究结果表明，免耕/深松的轮耕模式能显著提高耕层内有机质的质量分数，同时有机碳均匀的垂直分布，科学的轮耕模式更有利于形成土壤养分储存和高效利用的土壤结构，减少农业化肥的使用，对农田经济的可持续发展起到积极的作用。3.4轮耕对土壤酶活性的影响土壤酶是作为生物催化剂，参与土壤中大量的生物化学反应和物质循环，是土壤中有机物质的分解与转化以及氮、磷、钾等养分元素循环的动力，其活性与土壤肥力，土壤养分状况，土壤质量有一定的关系，是对农业措施评价的有效指标。研究表明科学的轮耕方式能够使土壤孔隙度和土壤通气性增加，土壤中微生物数量和相关酶的活性明显增加，有机碳以及养分元素的转化和供应加快，提高土壤供肥保肥的能力【19】。此外，轮耕有利于耕层中有机质的均匀分布，有机质经过土壤酶的分解产生有机酸类和二氧化碳等物质，增加了土壤中的酸度酶，一方面使土壤的pH值下降，加强土壤对酸碱的缓冲能力，提高土壤pH的稳定性，保证土壤中物质循环。另一方面有利于一些些固定磷，钾化物的溶解，从而一定程度上提高了土壤中钾、磷的有效性。4轮耕对作物生长状况的影响4.1轮耕对作物光合性能的影响绿色植物在叶绿体和光能的作用下，将二氧化碳和水合成有机物和氧气的过程称为光合作用，农作物的产量和质量与光合作用有着紧密的联系。大量研究表明，较低的含水量会降低植物的光合速率，影响作物的产量和品质。常年单一的耕作模式，例如翻耕，则会降低土壤的蓄水保湿的功能，土壤含水量偏低，进而导致作物的净光合速率和蒸腾速率下降。而免耕/深松的轮耕模式，减少了土壤扰动，有利于土壤保水保湿，同时可以减少水分的蒸发，为作物光合作用速率和农作物产量的提高奠定了良好基础。除此之外，根据李友军【20】等人的研究结果，免耕/深松覆盖的轮耕模式有助于促进农作物中叶绿素合成，保证后期农作物的光合作用。与传统的单一耕作模式相比，轮耕处理能显著提高小麦等农作物的旗叶面积和叶绿素含量，提高叶片中光合电子的传递能力，使小麦后期维持较高的光合能力。王玉玲【21】等人通过研究轮耕对渭北旱塬小麦和玉米连作效应的影响，证明了深松/翻耕和免耕/深松的轮耕处理下的小麦和玉米叶绿素相对含量最高，光合性能最好，较其与耕作处理提高2.2％-33.3%。4.2轮耕对作物生长特征的影响不同的耕作措施会形成不同的生长环境，进而影响农作物出苗和生长发育情况。长期的单一耕作方式不利于形成良好的土壤耕种环境，影响农作物的出芽和生长，比如连年翻耕，会导致表层土壤长期裸露，耕层疏松，严重失熵，土壤水分含量较低，最终形成犁底层，不利于种子的萌发和根系作物的下扎。而长期采用免耕，一方面会使土壤水分增加，土壤湿度较大，通气受阻，出苗率降低，另一方面则会导致土壤耕层变浅，土壤容重增加，犁底层上移，不利于农作物的生长，抵抗自然灾害的能力减弱，从而导致作物产量减少。将免耕、翻耕、深松等耕作措施进行科学合理的组合与轮换，可有效提高农作物出苗率。如在免耕之后进行深松可促进根系部分的伸长，降低表层根重，增强农作物的抵抗性，达到提高产量和品质的效应。4.3轮耕对作物产量及经济效益的影响农作物的产量和品质是遗传和农田环境共同作用的结果，优良的产量和品质是衡量耕种措施成功与否的重要指标。任何一种单一的耕作措施都具有双面性，都不适于长期单独采用。免耕可降低土壤体积质量，促进土壤水稳性，有效提高土壤的保水保湿能力，进而促进农作物增收。然而长期免耕则会出现，水分渗透率低，养分表层富集、层化现象明显等问题，影响农产品品质。科学合理的轮耕能够结合各种单一耕作的优点，消除不良影响，改变土壤理化结构，影响农田土壤微环境，使农作物的生长的环境发生变化，直接或间接地影响作物的生长发育，进而影响农作物的产量和品质。大量的研究表明，轮耕模式较传统耕作模式而言，可有效增加小麦产量3.5％-10.7％，土壤水分利用效率提高近8％。如表3不同轮作模式下的小麦产量表明深松/免耕覆盖的轮耕模式能更有效的提高干物质积累量，增加小麦粒源的供应，以及小麦穗粒的数量和重量，获得较高的产量。此外，深松/免耕覆盖还有利于提高小麦籽粒的淀粉含量，对小麦籽粒品质的影响具有积极效应，达到经济效益最优。在玉米的连作模式下，翻耕/免耕的轮耕处理模式的玉米产量比单一翻耕处理提高了29．7％，产量差异显著。黄细喜【22】等人的研究结果表明较传统的单一的耕作而言，轮耕模式能增产5.2%-14.9%，节约5%-8.9%的农业成本，其中以翻耕/免耕、免耕/深松的轮耕模式效果较好。表3不同轮作方式下的小麦产量【17】轮作方式穗数(104×/hm2)穗粒数千粒重(g)产量(kg/hm2)N®N373.4±12.9bc30.6±0.9a47.3±0.3a5398.9±34.2bS®S406.2±43.1ab29.8±1.4a46.7±0.3a5647.2±42.1abC®C363.2±11.2c31.9±0.8a46.6±1.1a5383.1±25.5bN®S431.7±23.0a29.7±0.1a46.1±0.5a5893.2±43.2aS®C414.7±45.2ab30.6±1.5a44.2±1.5a5592.5±34.8abC®N426.4±23.1a29.6±0.2a44.9±1.3a5640.5±57.9ab5总结与讨论目前，建立“少耕为主，少免交替，定期耕翻”的科学轮耕模式，对农田经济可持续发展有重要意义。合理科学的轮耕措施能够改善长期单一耕作带来的不利影响，有利于疏松土壤，显著降低了土壤紧实度和容重,改善了土壤含水量和孔隙状况，有利于土壤养分含量的均匀分布和矿化养分的缓效释放,形成了适合农作物生长发育的农田环境有利于农作物的生长发育,提高了农产品的品质和产量。当下，以绿色、可持续为目标的农业经济已经取代了产量为目标，农业生产当下的保护性轮耕已经不仅仅是简单土壤耕作措施（免耕、翻耕、深松）的组合和轮换，而是更注重与作物轮作、种植制度、和自身区域条件相配合的综合技术。在今后农业的研究工作中，还需要从区域多样化出发，根据不同区域和农作物特点，结合共性关键技术（秸秆覆盖还田技术、关键环节适宜机具技术、裸露农田绿色覆盖技术、稳产增效关键技术等），组合形成富有区域特色的关键技术体系，突出显示出可持续稳定的土地生产力、土壤肥力以及协调统一的社会、生态、经济效益等诸多方面的保护性轮耕体系。参考文献【1】王振忠,许学前.“久免需耕”—再谈轮耕的意义[J].江苏农业科学,1995(5):43-45.【2】仇大海.耕地轮作休耕的意义及实现路径[J].资源与人居环境,2016(9):6-9.【3】刘世平,庄恒扬,沈新平.苏北轮作轮耕轮培优化模式研究[J].扬州大学学报(农业与生命科学版)(4).【4】侯贤清,贾志宽,韩清芳,等.不同轮耕模式对旱地土壤结构及入渗蓄水特性的影响[J].农业工程学报,2012,28(5):85-94.【5】王淑兰,王浩,王小利,等.黄土旱塬长期土壤轮耕措施下土壤特性分析[C]中国农学会耕作制度分会2018年度学术年会.2018.【6】黄细喜,刘世平.江苏省稻麦复种合理轮耕制的研究[J].土壤学报(1期):9-18【7】刘世平,陆建飞,单玉华,etal.稻田轮耕土壤氮素矿化及土壤供氮量的研究[J].扬州大学学报（农业与生命科学版）,2003,24(2):36-39.【8】李荣,侯贤清,贾志宽,等.北方旱作区土壤轮耕技术研究进展[J].西北农业学报,2015,24(3):1-7.【9】侯贤清,李荣,贾志宽,等.不同农作区土壤轮耕模式与生态效应研究进展[J].生态学报(5):1215-1223.【10】孔凡磊,陈阜,张海林.