不同耕作措施对旱地农田土壤物理特性的影响

第28卷第2期干旱地区农业研究Vol.28No.2收稿日期：2009208231基金项目：十一五”国家863课题甘西半干旱区现代节水农业技术集成基地”(2006AA100220国家科技支撑计划课题农田水分生产潜力及适度开发研究”(2006BAD29B01ChallengeProgramonWater&Food“Conservationagricultureforthedry-landareasoftheYellowRiverBasin国家基础性工作专项中国农业气候资源数字化图集编制”项目作者简介：刘爽(1980一,男，湖北荆门人，研实员，主要从事旱作节水农业和农田生态环境研究。E2mail:lscat。通讯作者：严昌荣，研究员，主要从事旱作节水农业研究。E2mail:yancrieda.。不同耕作措施对旱地农田土壤物理特性的影响刘爽，何文清，严昌荣，刘勤(中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所，农业部旱作节水农业重点开放实验室，北京100081摘要：通过在山西寿阳地区设置的田间试验，分析比较秸秆还田、免耕覆盖、浅旋耕和常规耕作等4种耕作措施不同时期土壤紧实度、容重、入渗速率、土壤含水量以及土壤温度的变化情况，以了解各耕作措施对旱地农田土壤物理特性的影响程度。结果表明，秸秆还田措施除引起旱地农田土壤入渗速率显著降低外，其他物理特性与常规耕作基本一致；免耕覆盖措施对旱地农田土壤物理特性的影响最大，可导致050cm表层土壤紧实度和容重显著增加，土壤入渗速率在播前显著降低，但随着生育期推进与其他处理间差异逐渐减小,同时会引起土壤温度显著降低，播前较常规耕作平均降低2.0c增加土壤入渗速率方面较秸秆还田和免耕覆盖措施要好，10%,但同时会引起4060cm土层土壤容重增加。关键词：土壤物理特性；耕作措施；旱地中图分类号：S152.4A7601(20100220065206,以免耕覆盖、浅旋耕等多种耕作措施得到了广泛运用13。针对不同耕作措施对旱地农业生产带来的影响，许多学者主要从农田水分、作物产量等方面开展了非常深入的研究48。而在长期采用不同耕作措施后，旱地农田土壤特性发生了一系列的改变，对其开展相关研究将为揭示不同耕作技术的作用机理以及有效运用提供科学依据。前人一些研究表明，采用免耕覆盖、秸秆还田等耕作措施后使得表层土壤容重增大，土壤紧实度增强，进而导致土壤入渗速率降低911。也有试验结果表明这些耕作措施能改良土壤特性，增强土壤入渗性能1216。部分研究结果为大家所共识，但也有部分研究结果存在一些差异甚至矛盾，如免耕措施下表层土壤入渗速率显著降低，而土壤含水量又得到提高等问题。此外，针对作物不同生育时期旱地农田土壤物理特性的连续监测和比较分析还很少。为此，本试验依托国家旱农试验基地自2003年4月开始的保护性耕作长期定位试验，对长期采用不同耕作措施后土壤的紧实度、容重、入渗速率、含水量以及温度等物理特性进行了研究，旨在为旱地农业耕作技术的有效运用提供科学依据。1资料与方法1.1试验地概况试验地点位于山西省寿阳县宗艾镇，地理位置为北纬3751东经11305海拔1130m。属中纬度暖温带半湿润偏旱大陆性季风气候,年平均温度7.4C,年降雨量474mm，年蒸发量1714mm，干燥度在1.31.49之间。土壤为褐土，轻壤,土层深厚,耕层土壤有机质含量为2.57g/kg,全N1.04g/kg,全P0.79g/kg，碱解氮106.4mg/kg,有效磷4.97mg/kg,有效钾117.2mg/kg,pH为8.4。1.2试验设计试验共设4个处理，分别为秸秆还田，免耕覆盖，浅旋耕和常规耕作，具体见表1。每个处理3次重复，小区面积为10m)6m=60m2。一年一熟，种植作物为春玉米，品种为强盛31号。2008年4月25日播种，10月10日收获。1.3测定指标和方法1.3.1土壤紧实度测定采用美国生产的6101FS数字式土壤紧实度仪进行测定，测定深度为45cm,每2.5cm记录1次，每个小区3次重复。播前测定1次，播种后每月测定1次，直至作物收获。表1试验处理描述Table1Descriptionofdifferenttreatments代码Code处理Treatment具体措施DescriptionoftreatmentsASRT秸秆还田Allstraw2returningtillage秋季收获后，利用机械将全部秸秆直接翻耕到020cm的土壤中，第二年春天机械浅耙镇压后人工播种Allthepreviouscornstrawswerereturnedtofieldanddeepplowedintotop20cmsoillayerbytractor.Harrowingandseedinginthenextspring.NTSM免耕覆盖No2tillwithstrawmulching秋季收获后，将全部秸秆直接覆盖在农田表面，第二年春天人工免耕播种。Allpreviouscornstrawswereputdownandmulchedinthefield.Directseedingandfertilizerapplica2tionwereperformedbyhandinthenextspring.SRT浅旋耕Shallowrotarytreatment秋季收获后，将全部秸秆直接覆盖在农田表面，第二年春天机械浅旋耕（5cm后人工进行播种。Allpreviouscornstrawswereputdownandmulchedinthefield.Thestrawsrotaryploughedinto5cm2layerinnextspring.CT常规耕作Conventionaltillage秋季收获后，将全部秸秆移出,20,第二年春天机械浅耙镇压后人工进行播Allpreviouscornstrawsweresbytractoratthe20cmdepth.Seedingandfertilizerhandinthenextspring.1.3.2土壤容重测定，分为050cm、10,每个小区3次重复41次，生育期间2次(拔节期、，1次。1.3.3土壤入渗速率测定采用便携式渗透计进行测定，渗透计圆盘底面积为15.5cm2,每次测量吸力率均控制在2cm，记录时间间隔为30秒，总计10分钟，每个小区3次重复。播前测定1次，播种后每月测定1次，直至作物收获。1.3.4土壤含水量测定采用梅花点取样，取样深度200cm(0100cm为每10cm取样1次，100200cm为每20cm取样1次，用烘干法测定土壤含水量，每个小区3次重复。在作物生育期间每15d测定1次1.3.5土壤温度测定每个小区3个点埋设热敏电阻温度探头，层次为05cm、510cm、1020cm、2040cm、4060cm,出苗前每天测定，出苗后每隔1d测定1次，到6月份每隔3d测定1次，7月7d测定1次，每次测定在早8:0010：00和午后土壤紧实0500 100()wd40 位B5 0 5 0 5 0 5 0-1 1 2 2 3 3 4Pre-tillage0510152025303540生育期-Growing j_L壤紧实度SoilCompact!on(kPa)0500100015002000250030003500400015：0017：00进行。2结果分析2.1不同耕作措施对土壤紧实度的影响土壤的紧实度是反映土壤物理性质的一个重要指标，土壤紧实度受到多种因素的影响，尤其是耕作措施。图1为2008年不同时期各耕作措施下土壤紧实度情况，测定结果显示连续采用不同耕作措施后，不同层次和不同时期土壤紧实度存在较大差异。在播前，015cm表层土壤紧实度以免耕覆盖处理最高,平均达1218.3kPa，秸秆还田、浅旋耕和常规耕作措施分别仅为63.4、91.9和46.8kPa;随着土层深度增加，土壤紧实度逐渐增加，在1530cm土层，4种处理紧实度均较表层土壤明显增高，处理间存在较大差异，其中浅旋耕处理最高，为1442.1kPa;3045cm深层土壤则是常规耕作最高，为1711.3kPa。图1不同耕作措施对土壤紧实度的影响Fig.1Thesoilcompactionindifferenttillagetreatments玉米生育期内，015cm表层土壤紧实度依次为免耕覆盖浅旋耕秸秆还田常规耕作;1566干旱地区农业研究第28卷30cm和3045cm土层土壤紧实度大小均表现为常规耕作秸秆还田浅旋耕免耕覆盖，可见免耕覆盖措施对土壤紧实度的影响主要表现在表层，对深层的土壤结构是具有一定的改善作用，常规耕作措施主要是表层土壤的疏松操作较多，故表层土壤紧实度较小，深层土壤紧实度由于压实而增高。玉米收获时055cm表层土壤紧实度仍以免耕覆盖处理最高，但处理间差异不显著；1530cm和3045cm深层土壤紧实度表现为浅旋耕常规耕作免耕覆盖秸秆还田。说明免耕覆盖处理对紧实度的影响主要集中在055cm表层土壤，且各时期均表现为最高；1530cm和3045cm深层土壤中则是浅旋耕和常规处理要高于其它处理。分析其原因，主要是由于浅旋耕和常规耕作方式由于机械的压实容易形成犁底层，加。此外，免理，变异系数仅为而其他3种处理均达到了70%以上。生育期内各处理层次变异性逐渐减小，到收获期时4种处理的层次间变异性基本趋于一致，均在30%40%之间，说明各耕作措施土壤紧实度随着作物生育期推进层次差异性有逐渐减小的趋势。2.2不同耕作措施对土壤容重的影响表2是2008年各耕作措施在不同时期的土壤容重分析结果。可以看出，播前070cm表层土壤容重依次为免耕覆盖浅旋耕秸秆还田常规耕作，与土壤紧实度表现相一致；玉米生育期内免耕覆盖措施下040cm土层土壤容重均表现为最高。4060cm,为1.35g/cm3,说明机械旋耕对土层的影响较大,;玉米020cm表层土10cm表层中仍表现为最高。，耕作措施对土壤容重的影响主要070cm表层土壤，各时期免耕覆盖处理一直高于其它处理，除浅旋耕处理外，深层土壤各处理间无显著差异，收获期较生育期内各处理土壤容重有所降低。这与孙利军14等在黄土高原的研究以及SakineOzpinar15等在土耳其的试验结果相一致。表2不同耕作措施对土壤容重的影响（g/cm3Table2Thesoilbulkdensityindifferenttillagetreatments土壤深度（cmDepth播前Pre2tillageASRTNTSMSRTCT生育期内GrowingperiodASRTNTSMSRTCT收获期HarvestASRTNTSMSRTCT0101.22a1.33a1.23a1.19a1.13b1.33a1.17b1.13b1.13ab1.24a1.18ab1.07b10201.14a1.27a1.12a1.23a1.29a1.32a1.32a1.26a1.18bc1.25ab1.15c1.32a20401.16a1.24a1.18a1.30a1.39ab1.43a1.35b1.32b1.28a1.25a1.29a1.29a40601.30a1.36a1.34a1.31a1.28b1.28b1.35a1.32ab1.36a1.30a1.32a1.27a平均值Average1.211.301.221.261.271.341.301.261.241.261.231.24注：同一行上的不同小写字母表示同一层次不同处理在5%水平上的显著差异（LSD,下同。Note:Differentlettersinthesamerowmeansignificantdifferenceat5%levelofprobability(LSD,andtheyarethesameasthefollowing.2. 3不同耕作措施对土壤入渗速率的影响土壤入渗速率是描述土壤入渗快慢极为重要的土壤物理特征参数之一，其受表层土壤紧实度、容重的影响较大。表3为各时期不同耕作措施下土壤水分入渗速率情况，可以看出，播前4种耕作措施土壤入渗速率存在显著差异，依次为常规耕作浅旋耕=秸秆还田免耕覆盖，其中免耕覆盖措施土壤入渗速率为0.0055mm/s，仅为常规耕作的1/3。结合对土壤紧实度和容重分析可以发现，播前免耕覆盖措施表层土壤紧实度和容重的增加，会导致表层土壤结皮，阻碍了水分的入渗，显著降低土壤入渗速率，而常规措施在播前对土壤表层的疏松，极大地增加了土壤入渗速率，但分析深层土壤紧实度和容重发现，常规耕作措施尽管表层土壤入渗较好，但深层土壤紧实度较高，土壤蓄水性能并不高。在降雨集中的玉米生长中后期(7、8、9月份，土壤入渗速率的快慢直接影响到土壤的蓄水，进而会严重影响玉米的生长发育，因此玉米生育期内土壤入渗速率的表现十分关键。玉米生育期内4种处理间差异逐渐减小，免耕覆盖措施下土壤入渗速率提高到0.0087mm/s，与常规耕作间差异不显著，由此可见，在土壤接纳雨水的关键时期，免耕覆盖措施对土壤入渗速率的影响较小。玉米收获期时秸秆还田措施土壤水分入渗速率仅为0.0043mm/s，显著低于常规耕作，秸秆还田措施在增加土壤中有机质的含量的同时也改变了土壤76第2期刘爽等：不同耕作措施对旱地农田土壤物理特性的影响的物理结构，秸秆隔层阻碍了土壤重力水入渗，降低了土壤重力水由土壤上层向下层入渗的速率；免耕覆盖和浅旋耕也低于常规耕作，但差异不显著。Table3Effectsofdifferenttillagetreatmentsonsoilinfiltrationrate处理Treatment播前Pre-tillageApr.24生育期内GrowingperiodJuly12Aug.9收获期HarvestSep.12ASRT0.0103b0.0103a0.0070b0.0043bNTSM0.0055c0.0063a0.0087ab0.0050abSRT0.0103b0.0123a0.0093ab0.0070abCT0.0170a0.0130a0.0103a0.0103a2.4不同耕作措施下土壤的水分状况分析图2为2008年各处理在不同时期的土壤含水量状况。可以看出，一般播前表层土壤比下层干，不同耕作措施对玉米播前土壤含水量的影响主要在050cm土层，免耕覆盖措施能明显提高表层土壤水分含量，较常规措施平均提高18%,这为苗期玉米出苗提供了较好的水分保障。生育期内各时期土壤含水量差异很大，但均表现为浅旋耕免耕覆盖秸秆还田常规耕作，浅旋耕措施较其他措施能够明显改善土壤紧实度，增加土壤入渗速率，因此能使土壤保持较高的含水量,能提高10图2不同耕作措施下土壤含水量变化情况Fig.2Thesoilmoistureindifferenttillagetreatments8干旱地区农业研究6第28卷苗期和抽雄吐丝期2080cm土层各处理土壤水分下降最为明显，其中抽雄吐丝期各处理土壤含水量降低幅度达到31%38%,说明该时期为玉米需水的关键时期。成熟期至收获期时，各处理土壤水分开始逐步恢复，其中免耕覆盖和浅旋耕措施较其它处理表层土壤水分恢复的要快。80200cm深层土壤含水量相对于2. 5上层变化较小，免耕覆盖和浅旋耕措施下深层土壤含水量高于其他两个处理不同耕作措施对土壤温度的影响土壤温度直接影响着土壤中水、气的保持和运动，尤其是春季土壤温度直接影响着作物种子的出苗生长17,18。本试验对2008年整个生育期不同耕作措施下各层土壤温度进行了观测，从图3可见，播前不同耕作措施对土壤温度的影响主要集中在010cm表层土壤，免耕覆盖措施较常规耕作处理要显著偏低，平均低2.0c，引起这种现象的主要原因是免耕覆盖处理下地表秸秆覆盖和无土壤扰动，保持了土壤水分，增加了土壤的热容重，当春季气温回升时,免耕覆盖措施下土壤温度回升缓慢，将不利于玉米出苗；1040cm土层免耕覆盖措施仍表现为最低，但处理间差异不显著。生育期内，各处理土壤温度随气温的回升逐渐增大，常规耕作增幅最为明显。收获期时各处理土壤温度逐渐降低，处理问差异也0 5uiiASR1 IK I nh NTSM 17 4 b SRT 1.O 6 Cl 19 5 a肛耳(15 1-*ASRT-n-NTAM*-SRT CTOOOOQO 力 4 %4.% J2 2 11 豆 IHRJglw 题SI-O-N J SM-m-SRTIC 20iinASKI 15 7 a NTSM 1-1 6 a SRT 14.9 aCl 15.9 a064 0624 0314 00? 08-2 09-12I I L| Dale( M-d)(4-25 05-15 06*04 06-24 014 哧08*23Id Dalci M-d)-i-ASRT-n-N I SM5z 1 bcmASttT 17.5 abNTSM 15.9 bSRT 16.1 小.0.0,O.OO 94.9t4.9.2 I- .1 二一石二lnu之三”一0逐渐减小总的来看，4种处理各时期土壤温度均表现为常规耕作免耕覆图3不同耕作措施下土壤温度变化Fig.3Thesoiltemperatureindifferenttillagetreatments3结论与讨论1秸秆还田措施下旱地农田土壤物理特性与常规耕作相比较，除土壤入渗速率明显降低外，土壤紧实度、容重和土壤温度等物理特性与常规耕作较为一致，其土壤入渗速的降低主要是因为秸秆隔层阻碍了土壤重力水入渗，降低了土壤重力水由土壤上层向下层入渗的速率，进而影响了土壤的蓄水保埔性台匕目匕。2免耕覆盖措施下旱地农田土壤物理特性较常规耕作相比变异性最大，其主要引起050cm表层土壤紧实度和容重的显著增加，降低了土壤入渗速率，但其影响主要表现在玉米生育前期，随着玉米生育期推进该影响明显减小，在降雨(7,8,9月份集中期与常规处理间并无显著差异，其蓄水能力较常规并未降低，反而其蒸发较常规措施要小，因此免耕覆盖措施能保持较高的土壤含水量。此外，免耕覆盖措施还引起土壤温度的显著降低，本试验中，播前免耕覆盖与常规措施相比，导致050cm表层土壤平均降低2.0c，当春季气温回升时，土壤温度过低将会延迟玉米出苗。3浅旋耕措施在改善表层土壤紧实度，增加土壤入渗速率方面较秸秆还田和免耕覆盖措施要好，使土壤一直维持较高的含水量，本试验中，浅旋耕措96第2期刘爽等：不同耕作措施对旱地农田土壤物理特性的影响干旱地区农业研究28卷第70施蓄水保埔效果为最佳，土壤含水量在整个生育期内较常规耕作措施平均能提高10%.但浅旋耕措施同时会导致深层土壤紧实度和容重的显著增加，形成犁底层，多年浅旋耕措施后，应配合深松，深翻等措施打破犁底层.参考文献：1张海林，高旺盛，陈，等.保护性耕作研究现状，阜发展趋势及研究J.农业工程学报，2005,21(6:2225.9张国红，张振贤，黄延楠，等.土壤紧实程度对其某些相关理化性状和土壤酶活性的影响J.土壤通报,2006,37(6:10941097.10罗珠珠，黄高宝，张国盛.保护性耕作对黄土高原旱地表土容重和水分入渗的影响J.干旱地区农业研究，2005,23(4:711.11贺明荣，王振林.土壤紧实度变化对小麦籽粒产量和品质的影响J.西北植物学报,2004,24(4:649654.12,黄高宝，张国成，等.耕作方式对表层土壤饱和导水率辛平对策J.中国农业大学学报，2005,10(1:1620.2蔡典雄，王小彬，高绪科.关于持续性保持耕作体系的探讨J.及紧实度的影响J.甘肃农业大学学报,2005,40(2:203207.13，吕贻忠，杨志臣，等.保护性耕作对华北平原土壤团聚周虎土壤学进展，1993,(1:28.3蔡典雄，王小彬，张志田，等.寿阳旱农试区保护性耕作体系研究J.干旱地区农业研究，1998,16(3:4146.4严昌荣，居，彭世琪,等.中国北方旱农地区农田水分动态辉体特征的影响J.中国农业科学,2007,40(9:19731979.14孙利军，张仁陟，黄高宝.保护性耕作对黄土高原旱地地表土变化特征J.农业工程学报，2002,18(3:1114.5,武雪萍，吴会军，等.休闲期不同耕作方式对洛阳冬小刘爽壤理化性状的影响J.干旱地区农业研究,2007,25(6:207211.15SakineOzpinar,AnilCay.Effectofdifferenttillagesystemsonthequalityandcropproductivityofaclay-loamsoilinsemi-aridnorth-westernTurkeyJ.Soil&TillageResearch,2006,88:95106.16丁昆仑,M.J.Hann.耕作措施对土壤特性及作物产量的影响J.农业工程学报，2000,16(3:2831.17李玲玲，黄高宝，张仁陟，等.不同保护性耕作措施对旱作农田麦农田土壤水分的影响J.中国农业气象,2007,28(3:292295.6WangXiao-Bin,CaiDian-Xiong,W.B.Hoogmoed,etal.Poten2tialEffectofConservationTillageonSustainableLandUse:AReview595.7WangXiao-Bin,CaiDian-Xiong,W.B.Hoogmoed,etal.Devel2opmentsinConservationTillageinRainfedRegionsofNorthChinaJ.Soil&TillageResearch,2007,93(2:239250.8王小彬，蔡典雄.旱作农田保护性耕作一液膜施肥综合技术ofGlobalLong-TermStudiesJ.Pedosphere,2006,16(5:587-土壤水分的影响J.生态学报,2005,25(9:23262332.18马春梅，纪春武，唐远征，等.保护性耕作土壤肥力动态变化的研究-秸秆覆盖对土壤温度的影响J.农机化研究，2006,4(4:137139.Effectsofdifferenttillagemanagementsonsoilphysicalpropertiesindryland(InstituteofEnvironmentandSustainableDevelopmentinAgricultureCAAS,Abstract:Inthisstudy,theeffectsofconventionaltillageandthreeconservationtillagemanagementsonsoilcom2paction,soilbulkdensityandthesoilinfiltrationratewereinvestigatedindifferentgrowthstagesofmaizeinShouyangDrylandFarmingExperimentalStation.Thetreatmentsincludedall2straw2returningtillage(ASRT,no2tillwithstrawmulching(NTSM,shallowrotarytreatment(SRTandconventionaltillage(CT.Theresultsshowthattheall2straw2returningtillagetreatmentresultsinasignificantreductioninsoilinfiltrationrate,andithasnosignificanteffectonothersoilphysicalpropertiescomparedwiththeconventionaltillage.Thetreatmentofno2tillwithstrawmulchinghasagreatsoilbulkdensityinthelayerof40H60cm.Keywords:soilphysicalproperties;tillagetreatment;dryland1994-2010ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.impactonsoilphysicalproperties,whichcanleadtoanincreaseinsoilcompactionandsoilbulkdensityinthelayerof010cm,areductioninsoilinfiltrationratebeforesowingofmaize,anda2cdecreaseinsoiltemperaturecomparedwiththeconventionaltillage.Theshallowrotarytreatmenthasagreaterimprovementinthesoilcompactioninthetopprovethesoilwatercontentby10%comparedtotheconventionaltillage.Alsotheshallowrotarytreatmentincreasesthelayerandsoilinfiltrationratethantheall2straw2returningtillageandno2tillwithstrawmulchingtreatmentsanditcanim2KeyLaboratoryofDrylandFarmingandWater2savingAgricultureMOA,Beijing100081,ChinaLIUShuang,HEWen2qing,YChang2rong,LIUQinAN