可持续农业已成为世界农业的发展趋势，保护性耕作是可持续农业中的关键技术^[1]。保护性耕作是以减轻水土流失和保护土壤与环境为主要目标，采用保护性种植制度和配套栽培技术形成的一套完整的农田保护性耕作技术体系，如免耕栽培技术、秸秆残茬利用技术和绿色覆盖技术。王昌全^[2]等连续8 a不同免耕方式的试验结果表明，与翻耕相比，免耕在第1年产量基本持平，第2年免耕产量即开始增加，并随着免耕时间的增加而日趋明显。李继明^[3]等26 a长期施用绿肥定位试验结果表明，绿肥与化肥长期配合施用26 a水稻平均产量增产64.5%，土壤有机质、全氮和全磷均有所积累，积累的量与有机肥种类有关。高菊生^[4]等连续30 a双季稻绿肥轮作定位试验表明，种植绿肥作物对提高水稻产量、增加土壤有机质和提高土壤有机质活性具有重要意义。余晓鹤^[5]研究结果显示，在免耕条件下，表层(0—5 cm)土壤的全N、NH₄-N明显增加，5—15 cm则迅速下降，在土壤层次中发生明显差异。目前关于不同耕作方式对作物产量及土壤养分的研究较多，但对于综合探讨长期保护性耕作体系下水稻产量、土壤理化性状、生物学性状的年际变化以及各成分之间相关性的报道较少。通过研究不同耕作方式下水稻产量的变化趋势、土壤各理化性状及土壤生物活性的变化特征，探讨稻田长期实行保护性耕作在水稻产量和稻田土壤肥力等方面的优势效应，为合理调整和大力推广稻田保护性耕作技术提供理论支持和科学依据。

于2005—2012年在江西农业大学科技园实验田进行双季稻定位试验，试验基地年平均太阳总辐射量为4.79×10¹³ J/hm²，年平均日照时数为1 852 h，年日均温≥0℃的积温达6 450℃，无霜期约272 d，年均温为17.6℃，年降水量1 624 mm。供试土壤发育于第四纪的红黏土，为亚热带典型红壤分布区。试验前供试土壤基本性质(0—20 cm)：pH5.40，有机质26.32 g/kg，全氮1.42 g/kg，有效磷 4.73 mg/kg，速效钾 34.05 mg/kg。

试验共设4个处理：(1)传统耕作+插秧(对照，CT+P)，即按传统方法耕田；(2)保护性耕作处理：传统耕作+抛秧(CT+T)，即按传统方法耕田、整平后进行抛秧；(3)保护性耕作处理：免耕+插秧(NT+P)，即不进行翻耕，插秧前用除草剂灭茬；(4)保护性耕作处理：免耕+抛秧(NT+T)，即不进行翻耕，抛秧前用除草剂灭茬，共4个处理。每个处理3次重复，随机区组排列，共12个小区，每小区面积33 m²(11 m×3 m)，小区间用高30 cm的水泥田埂隔开，独立排灌。每年各处理水稻品种不同，2005—2006年早稻品种为株两优02，晚稻为中优253；2007—2009年早稻品种为金优213，晚稻为金优284；2010年早稻品种为金优1176，晚稻中优161；2011—2012年早稻品种为淦鑫203，晚稻为新香优96。早稻在每年的4月中下旬移栽，7月中旬收获，晚稻在7月下旬移栽，10月下旬收获。各处理栽插密度为29.4×10⁴ 蔸/hm²(移栽行株距为20×17 cm，每蔸2—3株)。早、晚稻所用化肥为尿素(N46%)，钙镁磷肥(P₂O₅12%)，氯化钾(K₂O60%)，周年N、P₂O₅、K₂O用量为150、90、120 kg/hm²。氮肥早稻按基肥 ∶ 分蘖肥 ∶ 穗肥=6 ∶ 3 ∶ 1施用，晚稻按基肥 ∶ 分蘖肥 ∶ 穗肥=5 ∶ 3 ∶ 2施用。磷肥全部作基肥，一次性施入，钾肥按分蘖肥 ∶ 穗肥=7 ∶ 3施用。基肥在插秧前一天施下，分蘖肥在水稻移栽后5—7 d时施用，穗肥在主茎幼穗长1—2 cm时施用。其它田间管理措施同一般大田栽培。

于水稻成熟期，在各小区普查50蔸作为有效穗计算的依据，然后用平均数法在各小区中随机选取有代表性的水稻植株5蔸，作为考种材料，清水漂洗去除空、秕粒晒干后用1/100分析天平测千粒重。并于成熟期用1/10天平测每小区实际产量(干重)。

于晚稻收获后采集0—20 cm土样(五点法)进行分析。土壤物理性状：土壤容重、土壤总孔隙度、毛管孔隙度采用环刀法测定，土壤总孔隙度=1-土壤容重/2.65，毛管孔隙度(%)=[(吸水后全筒土重-全筒烘干土重)/总体积]×100；土壤吸湿水采用烘干法。土壤化学性状：土壤pH采用pH计测定，土壤有机质采用重铬酸钾法-浓硫酸外加热法测定，全氮采用半微量开氏定氮法，有效磷采用NaHCO₃浸提-钼锑抗比色法，速效钾采用NH₄OAc浸提-火焰光度法。

于每年晚稻成熟期10月底采集土样，每小区5点取样并混匀为一个样品，置阴凉处风干后过1 mm筛，并置于4℃冰箱中保存。细菌、真菌、放线菌计数采用平板稀释涂布法。细菌培养用牛肉膏蛋白胨培养基，真菌用马丁氏培养基，放线菌用高氏1号培养基。具体测定方法参考文献^[6]。土壤过氧化氢酶活性采用高锰酸钾滴定法测定，脲酶活性采用苯酚-次氯酸钠比色法测定，转化酶采用3,5-二硝基水杨酸比色法^[7]。土壤过氧化氢酶活性以单位土重的0.05 mol/L高锰酸钾毫克数表示，脲酶活性以24 h后1 g土壤中NH₃-N的毫克数表示，转化酶活性以24 h后1 g土壤中葡萄糖的毫克数表示。

运用Microsoft Excel 2010处理数据，用SPSS13.0系统软件进行数据处理和统计分析，用LSD(least significant difference test)进行样本平均数的差异显著性比较，用主成分分析(PCA)、Pearson相关系数和逐步线性回归进行相关性分析。

稻田保护性耕作显著提高了水稻产量(图 1)。总体上看，2005—2012年连续8a保护性耕作各处理(CT+T、NT+P、NT+T)的平均产量均高于对照(CK，传统耕作)，增加范围为4.5%—8.8%。另外，除了2010年NT+P处理产量达到最高以外，其它年份均是NT+T处理最高，与对照相比增产幅度为7.7%—11.4%。随着试验年份的推进，各处理水稻产量的差异也发生了明显的变化，均呈现逐渐增加的趋势，但各处理增加幅度略有不同，其中处理NT+P的增产幅度最大，为28.9%。这说明长期实行保护性耕作能够提高水稻产量，增加经济收益。

图 1 稻田保护性耕作的水稻产量分析 Fig.1 Analysis of yield among conservative tillage treatments CT+P: 传统耕作+插秧 Conventional tillage + transplanting; CT+T: 传统耕作+抛秧 Conservation tillage + throwing; NT+P: 免耕+插秧 No-tillage + transplanting; NT+T: 免耕+抛秧 No tillage + throwing

图选项

由表 1可以看出，连续8a保护性耕作各处理的有效穗数、每穗粒数和结实率均高于对照(CK)，而各处理间穗长和千粒重差异不显著。8a间保护性耕作处理(均值，下同)的有效穗数显著高于对照3.0%—11.6%(P<0.05)，2005—2008年以NT+T处理最大，高出其它处理2.3%—14.9%；NT+P处理在2009、2010、2012年达到最大，2011年则是CT+T处理最大，说明稻田保护性耕作总体上能促进水稻形成有效穗，从而影响产量。每穗粒数方面，与对照相比，8a间保护性耕作处理增加幅度为2.3%—8.2%，但仅在2006—2008、2010年与对照差异显著(P<0.05)，2006—2008年表现为NT+T>NT+P>CT+T>CT+P；2010年表现为NT+T>CT+T>NT+P>CT+P。结实率方面，2005、2008年均是处理NT+T显著高于对照(P<0.05)，增加幅度分别3.4%、3.6%，2010年则是处理NT+T显著高于对照。

从表 2可以看出，连续8a实行稻田保护性耕作各处理的土壤容重均低于对照(CK)，而总孔隙度和毛管孔隙度均高于对照，这有利于土壤中水、肥、气、热的流通和贮存，有利于水稻根系的穿插和水稻的生长发育。土壤容重方面，8a间低于对照3.6%—5.6%，而总孔隙度的增加幅度为1.6%—17.4%，毛管孔隙度为2.4%—16.7%。因此，采用保护性耕作能起到调控土壤物理性质的作用。另外，整体来看，随着试验时间的延长，各处理稻田表层土壤的容重有逐渐提高的趋势，较2005年增加0.16 g/cm³，增加幅度为14.6%，而稻田表层土壤的总孔隙度和毛管孔隙度有所降低，较2005年降低幅度分别为19.1%和18.7%。由此可见，长期耕作后容易导致土壤板结，需要及时翻耕土壤，增加土壤中养分的积累。

另外由表 2可知，与对照相比，连续8a稻田保护性耕作处理提高了土壤有机质、有效磷、速效钾含量，其中土壤pH、全氮差异不显著。连续8a保护性耕作处理土壤有机质均高于对照，增加范围2.9%—10.0%，其中2005—2010年均是NT+T处理最大，高于其它处理5.0%—10.1%，NT+P处理在2011—2012年达到最大，高于其它处理10.3%、3.7%。8a间保护性耕作处理土壤有效磷含量均高于对照，提高幅度为4.8%—31.6%，这说明保护性耕作能促进有效磷的提高，有利于改变土壤中的速效养分，使土壤的形状朝有利于水稻生长的方向改善。与对照相比，连续8a保护性耕作处理的速效钾含量增加了9.70%—25.67%，且除了2008年NT+P处理达到最大以外，其余年份均是NT+T效果最好，高于其它处理10.0%—23.2%。

由表 3可以看出，土壤真菌方面在 2005年处理NT+P处理数量最多，与对照相比增加了51.6%，且差异显著(P<0.05)，CT+T处理在2008年达到最大，显著高于对照处理54.1%。2005—2011年连续7a间各处理的硝化细菌数量差异不显著，仅在2012年处理NT+T、NT+P显著高于对照126.1%、121.1%，增加幅度较大，但各处理间细菌、放线菌均差异不显著。另外由表 3还可以看出，各处理间过氧化氢酶、脲酶活性均差异不显著。8a间土壤转化酶活性变化范围在0.292—0.451 mg/g之间，其中2005—2007、2012年均是处理NT+T达到最大，与对照相比，分别依次增加了105.2%、82.6%、137.7%、72.7%，且差异显著(P<0.05)。

水稻产量、产量各构成要素与土壤理化性状、生物学性状相关性分析(表 4)可以看出，水稻产量与土壤容重、pH、有机质、全氮、硝化细菌呈极显著相关(P<0.01)，与总孔隙度、毛管孔隙度、速效钾、放线菌显著相关(P<0.05)，而与有效磷、细菌、真菌、过氧化氢酶、脲酶、转化酶相关不显著(P>0.05)。在产量构成要素中，穗长与真菌、过氧化氢酶极显著相关；有效穗数与土壤容重显著负相关，与总孔隙度、毛管孔隙度极显著相关，与pH、全氮、硝化细菌显著相关；每穗粒数与土壤容重显著负相关，与pH、有机质、全氮、速效钾、放线菌极显著相关，与总孔隙度、毛管孔隙度、细菌、硝化细菌显著相关；结实率与与土壤容重呈极显著负相关，与pH、有机质、全氮、硝化细菌极显著相关，与总孔隙度、毛管孔隙度、速效钾、真菌、放线菌显著相关；千粒重与土壤容重

显著负相关，与总孔隙度、毛管孔隙度、有效磷、硝化细菌显著相关。综上，通过采取一定的农田管理措施提高土壤理化性状、生物学性状，能够促进水稻生长发育、增加水稻产量，而保护性耕作对于有效提高土壤养分和增加土壤活性方面发挥着重要的作用。

土壤氮、磷、钾元素是表征土壤肥力(健康)的重要指标，在提供作物生长所需的养分、改善土壤结构、增加土壤保水保肥性能以及缓冲性能等方面发挥着重要作用^{[8, 9]}。徐阳春^[10]等连续14 a的水旱轮作免耕试验表明，长期免耕和施肥造成土壤养分的表层富集，0—5 cm土层有机碳、全氮、速效氮含量显著增加，而5—10 cm和10—20 cm土层则明显低于传统耕作。这是因为稻田免耕土壤没有经过人为的干扰松动，肥料施在土壤表层，难于下渗到亚表层和底土层，因而有利于土壤养分在表土层富集^{[11, 12]}。本研究结果也表明，与传统耕作相比，连续8a稻田保护性耕作处理提高了土壤有机质(2.9%—10.0%)、有效磷(4.8%—31.6%)、速效钾(9.7%—25.7%)，且以免耕+抛秧和免耕+插秧效果最为显著。姚珍^[8]等研究表明，与传统耕作相比，秸秆覆盖可使土壤总孔隙度增加0.3%—2.0%，容重降低0.02—0.06 g/cm³。本研究与上述结果一致，实行稻田保护性耕作土壤容重低于传统耕作3.6%—5.6%，而总孔隙度和毛管孔隙度分别高出传统耕作1.6%—17.4%、2.4%—16.7%。而吴建富^[13]等研究表明，稻田免耕(l a)，有利于改善土壤物理性状，随着免耕时间(2 a)的延长，稻田表层土壤容重开始增加，非毛管孔隙度较翻耕处理下降18.7%—23.3%；免耕3 a，稻田土壤容重较翻耕增加更明显，增幅达8.10%。说明稻田免耕2 a后土壤开始板结，本研究结果也表明随着试验时间的延长，稻田表层土壤容重较2005年增加了14.6%，总孔隙度和毛管孔隙度降低了19.1%和18.7%。总体上，多年稻田保护性耕作有利于改变土壤中的速效养分，促进土壤中养分的积累和吸收，使土壤朝有利于水稻生长的方向改善。

土壤微生物推动着土壤的物质转化和能量流动，它可以代表土壤中物质代谢的旺盛程度，是土壤肥力的一个重要指标^{[14, 15]}。保护性耕作可以增加土壤某些微生物数量和活性。殷士学^[16]经过7 a的试验结果显示，砂壤土上免耕土壤中的微生物数量明显高于传统耕作。李华兴^[17]等研究结果表明免耕土壤中的放线菌和真菌数量减少，而细菌数量增加，酶活性增强。张星杰等^{[18, 19]}研究发现在全生育期保护性耕作处理土壤微生物细菌、放线菌、真菌和纤维素分解菌数量分别比传统耕作提高41.9%、470.1%、67.9%和65.7%。本试验研究结果表明，2012年处理免耕+抛秧、免耕+插秧的硝化细菌数量显著高于对照126.1%、121.1%，增加幅度较大，但各处理间细菌、放线菌均差异不显著。另外2005—2007、2012年土壤转化酶活性均是处理免耕+抛秧达到最大，显著高于对照72.7%—137.7%，但各处理在过氧化氢酶、脲酶活性均差异不显著。因此，免耕后水稻根茬丰富的有机质含量可以促使细菌和真菌大量繁殖，能够有效促进土壤中营养元素的转化，有利于水稻的吸收和生长^[20]。

水稻产量和稻米品质受品种遗传因素影响,也与土壤肥力、气温等环境条件关系密切。王秋菊^[21]通过探讨土壤性状影响水稻稻米产量及品质指标形成的机理，结果表明水稻产量因土壤肥力水平不同而差异显著。水稻产量与土壤有机质、全氮、碱解氮含量呈显著正相关关系，而与土壤有效磷、速效钾含量相关关系不显著。刘淑霞等^[22]分析不同耕作施肥措施下土壤速效养分和作物产量的变化规律及其相互关系，表明速效钾的含量对作物产量的影响相对较大，而土壤中碱解氮的含量对作物产量的影响相对较小。本研究结果表明，水稻产量与土壤容重、pH、有机质、全氮、硝化细菌呈极显著相关，与总孔隙度、毛管孔隙度、速效钾、放线菌显著相关(P<0.05)，而与有效磷、细菌、真菌、过氧化氢酶、脲酶、转化酶相关不显著。

随着我国现代农业的发展，省工、省力、轻简、环境友好型技术越来越受到欢迎和重视，“中央一号”文件连续多年将保护性耕作技术列为重要的可持续技术加以推广^[23]，基于保护性耕作对作物产量及土壤肥力状况和微生物的积极效益，长期稻田保护性耕作是适合江南丘陵区双季稻区农业可持续发展的有效模式之一，其中免耕+抛秧和免耕+插秧两种方式效果最为显著。但南方部分地区耕地规模小，机械化水平低，且作物产量高，秸秆量大，保护性耕作秸秆处理技术难度较大，上述原因导致保护性耕作难以大范围推广与应用。

(1)在本试验条件下稻田保护性耕作显著提高了水稻产量，8a间保护性耕作处理的平均产量高于传统耕作4.5%—8.8%，各处理的有效穗数、每穗粒数和结实率均高于对照，而穗长和千粒重差异不显著。

(2)连续8a实行稻田保护性耕作处理的土壤容重低于传统耕作3.6%—5.6%，而总孔隙度和毛管孔隙度分别高出传统耕作1.6%—17.4%、2.4%—16.7%。与传统耕作相比，连续8a保护性耕作处理提高了土壤有机质(2.9%—10.0%)、有效磷(4.8%—31.6%)、速效钾(9.7%—25.7%)。

(3)在 2005年免耕+插秧的土壤真菌数量最多，显著高于对照处理51.6%，免耕+抛秧在2008年达到最大，显著高于对照处理54.1%。2012年免耕+抛秧、免耕+插秧显著高于对照126.1%、121.1%。8a间土壤转化酶活性变化范围在0.292—0.451 mg/g之间，其中2005—2007、2012年均是免耕+抛秧达到最大，显著高于对照处理72.7%—137.7%。