保護(hù)性耕作條件下土壤物理性狀的研究

張 磊，王玉峰，陳雪麗，馬春梅，龔振平

（1.黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料與環(huán)境資源研究所，哈爾濱 150086；2.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，哈爾濱 150030）

土壤是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的基礎(chǔ)，是人類賴以生存的基石，也是人類食物與生態(tài)環(huán)境安全的保障。土壤質(zhì)量不僅是自然屬性，更是人為因子作用的結(jié)果。近年來，農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境惡化，干旱加重，土壤水蝕、風(fēng)蝕面積逐年擴(kuò)大，造成土壤退化，嚴(yán)重影響了農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展[1]。為了最大限度的緩解土壤環(huán)境的惡化，改善農(nóng)田土壤環(huán)境，應(yīng)著力開展保護(hù)性耕作。保護(hù)性耕作是相對于傳統(tǒng)翻耕的一種新型耕作技術(shù)，是國際上先進(jìn)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)。它是指：“用大量秸稈殘茬覆蓋地表，將耕作減少到只要能保證種子發(fā)芽即可，并主要用農(nóng)藥來控制雜草和病蟲害的一種耕作技術(shù)”。它的核心技術(shù)和價(jià)值是通過免耕少耕、秸稈殘茬覆蓋、合理深松，達(dá)到保水、保土、保肥、抗旱增產(chǎn)、節(jié)本增效改善生態(tài)環(huán)境的目的[2-5]。

黑龍江省黑土區(qū)是當(dāng)前我國最具增產(chǎn)潛力的區(qū)域。黑土開墾后，黑土的肥力性狀發(fā)生了變化，有部分土壤向不斷培肥熟化的方向發(fā)展，但大量的、比較普遍的則是土壤肥力呈不斷下降的趨勢。因此，加強(qiáng)黑土耕地資源保護(hù)，充分利用保護(hù)性耕作抗風(fēng)蝕對保障目前及今后相當(dāng)長時(shí)期我國的糧食安全具有非常重要的戰(zhàn)略意義[6]。本試驗(yàn)對3種耕作方式下的黑土區(qū)土壤基本物理性狀進(jìn)行測定，以闡明耕作方式對土壤溫度、水分和容重的影響，為保護(hù)性耕作的實(shí)施提供理論參考和依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

設(shè)置3個(gè)處理：①留茬覆蓋（ST），秋季收獲后，留茬越冬，春季免耕播種后將鍘成40～50 cm長的大豆秸稈均勻覆蓋；② 留茬無覆蓋（RSC），秋季收獲后，留茬越冬，春季免耕播種；旋耕（RT），秋季收獲后，留茬越冬，春季用旋耕機(jī)整地后機(jī)械播種。供試地塊為大豆田，每個(gè)處理面積為1 400 m2（100 m長×0.7 m寬×20壟），不設(shè)重復(fù)。

1.2 測定方法

1.2.1 土壤溫度的測定

于出苗前每隔一周用地溫計(jì)測不同處理土壤不同深度（5，10，15，20，25 cm）的溫度，每次觀測時(shí)間均為13：00。

1.2.2 土壤水分的測定

于苗期至開花期每隔一周左右用土鉆取土樣，取樣深度為0～20 cm，鋁盒烘干法測定。

1.2.3 土壤容重的測定

于出苗后1周以原狀取土鉆在旋耕、留茬覆蓋、留茬無覆蓋地壟臺(tái)取樣，用鋁盒烘干法測定0～10，10～20，20～30 cm 的土壤容重。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

本試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel和DPS進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同耕作條件對土壤溫度動(dòng)態(tài)變化的影響

2.1.1 不同耕作條件下土壤溫度的縱向動(dòng)態(tài)變化

出苗前各土層的溫度存在著差別，留茬覆蓋溫度一直表現(xiàn)較低水平，這證明了有秸稈覆蓋影響春季土壤溫度的升高。在10 cm以上時(shí)，土壤溫度表現(xiàn)為：留茬無覆蓋>旋耕>留茬覆蓋；在10～20 cm時(shí)，旋耕與留茬無覆蓋溫度變化趨于一致。

從土壤溫度的層次變化來看，留茬無覆蓋處理土壤溫度變幅最大、旋耕處理變幅小，即留茬無覆蓋處理對土壤溫度的調(diào)節(jié)作用明顯，表層土溫高，有利于種子萌發(fā)和出苗。

出苗以后，3個(gè)處理的地表都被大豆植株覆蓋。旋耕處理的土壤溫度一直處于較高水平，留茬覆蓋與留茬無覆蓋兩個(gè)處理的土壤溫度變化基本一致。

出苗前后對比來看（如圖1所示），在出苗以后，留茬覆蓋處理的溫度和另外兩個(gè)處理的溫度差距已經(jīng)很小，與出苗前形成鮮明的對比，這說明留茬覆蓋在生育后期的溫度上不會(huì)對大豆造成不利影響。

圖1 出苗前后土壤溫度的縱向動(dòng)態(tài)變化Fig.1 Vertical dynamic change of soil temperature

2.1.2 不同土層土壤溫度動(dòng)態(tài)變化

留茬無覆蓋處理在土壤表層（5 cm）表現(xiàn)為增溫效應(yīng)，土壤溫度在5月份明顯高于旋耕和留茬覆蓋兩個(gè)處理，有利于種子萌發(fā)出苗；留茬覆蓋處理對土壤溫度的減溫效應(yīng)較明顯，而在6月份3個(gè)處理差異不大（見圖2）。

圖2 5 cm土層溫度動(dòng)態(tài)變化Fig.2 Dynamic change of the temperature of 5 cm soil layer

10 cm土層深度，旋耕處理的溫度略高于其它兩個(gè)處理，有利于種子出苗；留茬覆蓋在5月份溫度較低，田間出苗調(diào)查表明，該處理大豆出苗晚，成苗率較低（見圖3）。

圖3 10 cm土層溫度動(dòng)態(tài)變化Fig.3 Dynamic change of the temperature of 10 cm soil layer

根際層（10～20 cm），為根系活動(dòng)層次，依耕層深度而變，該層受機(jī)具、人、畜及氣溫影響較小，土壤環(huán)境變化也較表土層小，其理化及生物性狀都比較穩(wěn)定，是根系集中的地區(qū)，對作物發(fā)育有決定作用。這層土壤的溫度對作物抗旱、水分利用效率有很大的影響作用。研究表明，15 cm土層留茬無覆蓋處理與旋耕處理相比，土壤溫度基本高于旋耕處理，但差別不大，留茬覆蓋處理土壤溫度一直處于最低水平（見圖4）；20和25 cm土層各處理的土壤溫度，均表現(xiàn)為旋耕>留茬無覆蓋>留茬覆蓋，20 cm土層留茬無覆蓋與旋耕處理間溫度差別很小（見圖5），而在25 cm土層留茬覆蓋與留茬無覆蓋兩個(gè)處理溫度差距也不大（見圖6）。

圖4 15 cm土層溫度動(dòng)態(tài)變化Fig.4 Dynamic change of the temperature of 15 cm soil layer

圖5 20 cm土層溫度動(dòng)態(tài)變化Fig.5 Dynamic change of the temperature of 20 cm soil layer

圖6 25 cm土層溫度動(dòng)態(tài)變化Fig.6 Dynamic change of the temperature of 25 cm soil layer

2.2 不同耕作處理?xiàng)l件下土壤水分變化

圖7為不同時(shí)期0～20 cm土壤水分的平均數(shù)比較。由于試驗(yàn)當(dāng)年的持續(xù)干旱，整體水分變化呈下降的趨勢，5月21日含水量的升高是由于之前有30 mm的降水。

3個(gè)處理對比看，土壤水分的變化趨勢為留茬覆蓋>留茬無覆蓋>旋耕，這種趨勢在持續(xù)干旱情況下體現(xiàn)的更明顯；但從6月18日到25日測得結(jié)果看，3個(gè)處理的土壤水分最終達(dá)到了同一水平，這可能是土壤嚴(yán)重缺水而造成的。

圖7 土壤水分動(dòng)態(tài)變化Fig.7 Dynamic change of soil moisture

出苗前不同土層的土壤水分含量變化見圖8。0～10 cm土層水分的變化趨勢為留茬覆蓋>留茬無覆蓋>旋耕，這說明對土壤進(jìn)行的耕作處理越少，土壤水分含量越高。10～20 cm土層水分的變化趨勢為留茬覆蓋>旋耕>留茬無覆蓋。

圖8 出苗前不同土層的土壤水分含量Fig.8 Soil moisture in soil layer of different treatments before seeding

土壤水分總的變化表現(xiàn)為：隨土壤層次的加深，土壤水分呈增加趨勢，留茬覆蓋處理在各個(gè)土層的水分都明顯高于其他兩個(gè)處理，增加土壤水分效果明顯。而旋耕處理的兩個(gè)土層的水分變化最大，這主要是0～10 cm土層的土質(zhì)疏松，保水性能差。出苗后不同土層的土壤水分含量變化與出苗前的趨勢基本保持一致，這說明在大豆生育前期，大豆植株的覆蓋對土壤水分的影響不大，如圖9所示。

圖9 出苗后不同土層的土壤水分含量Fig.9 Soil moisture in soil layer of different treatments after seeding

有秸稈覆蓋保護(hù)性耕作，可以在地面形成保護(hù)層，抑制土壤水分蒸發(fā)，改變土壤水分的再分配規(guī)律，增加作物可吸收利用的水分量；同時(shí)，也具有改善土壤通透性和增加土壤滲水能力的作用，因而可以減少地表徑流，增加土壤的有效水分。

2.3 耕作措施對土壤容重的影響

保護(hù)性耕作措施，尤其是免耕與秸稈覆蓋對土壤容重有相反的作用。作物秸稈的施用可以促進(jìn)土壤中水穩(wěn)性團(tuán)聚體的形成，使容重降低[7]，總孔隙度增加[8]，改善土壤的結(jié)構(gòu)性和耕性。不同種類的秸稈對改善土壤結(jié)構(gòu)作用也不同，原因可能是由于新鮮秸稈中易分解性有機(jī)質(zhì)含量較高，施入土壤后，在微生物的作用下，可生成較多的多糖類物質(zhì)，從而促進(jìn)了團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的形成。

土壤耕作措施對土壤的作用首先表現(xiàn)在土壤容重的作用。從圖10可以看出，不同耕作措施對土壤的擾動(dòng)程度不同，因而耕作處理后引起的土壤容重變化不同。

0～10 cm土層的土壤容重變化趨勢為留茬無覆蓋>留茬覆蓋>旋耕，并且留茬無覆蓋的土壤容重明顯高于另外兩個(gè)處理。10～20 cm土層的土壤容重變化趨勢為留茬無覆蓋>留茬覆蓋>旋耕，整體變化趨勢與上層土壤基本一致，但各個(gè)處理間的差距不明顯。20～30 cm土層的土壤容重變化趨勢為留茬無覆蓋>旋耕>留茬覆蓋。

綜合以上結(jié)果，留茬無覆蓋處理的土壤容重一直很高，可能是由于進(jìn)行了多年免耕使土壤壓實(shí)程度越來越嚴(yán)重造成的；留茬覆蓋處理的土壤容重低于留茬無覆蓋的原因就在于秸稈的施入改善土壤的結(jié)構(gòu)性，從而降低了土壤容重。不同深度的土壤容重變化如圖10所示。

圖10 不同深度的土壤容重變化Fig.10 Soil bulk density in soil layer of different treatments

3 討論與結(jié)論

3.1 對土壤溫度的影響

有秸稈覆蓋，保水、保土、保肥的效果越好，但對地表溫度影響也越大，當(dāng)春季氣溫回升緩慢時(shí)，地表溫度過低，影響作物出苗。本試驗(yàn)中，留茬覆蓋處理，土壤溫度降低明顯，土壤溫度一直是最低水平，主要由于大量的秸稈覆蓋阻礙了陽光直射，影響了土壤對溫度的吸收；留茬無覆蓋處理在耕作層（15 cm以上）溫度要高于旋耕處理，這可能是由于殘茬在夜間有保溫作用，而且還有部分土壤裸露，可以增加土壤對太陽輻射的吸收轉(zhuǎn)化和熱量傳導(dǎo)。由于空氣溫度的升高，近地面空氣與土壤空氣間交換頻繁，后期各處理之間溫度差異已不明顯。選擇適宜的秸稈覆蓋量，結(jié)合表土淺松作業(yè)，保護(hù)性耕作可以做到不降低土壤溫度或略有增溫效應(yīng)。

3.2 對土壤水分的影響

從試驗(yàn)結(jié)果來看，隨土壤層次的加深，土壤水分呈增加趨勢，留茬覆蓋處理在各個(gè)土層的水分都明顯高于其他兩個(gè)處理，增加土壤水分效果明顯。而旋耕處理的兩個(gè)土層的水分變化最大，這主要是0～10 cm土層的土質(zhì)疏松，保水性能差。保護(hù)性耕作可以減少地表徑流損失，減少土壤表面的無效蒸發(fā)。傳統(tǒng)耕作地面沒有秸稈保護(hù)，在雨水直接拍擊下，表面很容易結(jié)殼而產(chǎn)生徑流。留茬覆蓋明顯地減輕了陽光直射地面，降低了風(fēng)力直接吹拂地面，土壤里的水分蒸發(fā)也因地表之上的秸稈覆蓋增加了阻隔層，降低蒸發(fā)散失的速度，使蒸發(fā)減少。土壤水分含量與土壤溫度還密切相關(guān)，土壤溫度不但影響根系的生理生化活性，也影響土壤水的移動(dòng)性。在一定的溫度范圍內(nèi)，隨土壤溫度提高，根系中水運(yùn)輸加快，反之則減弱，溫度過高或過低，對根系吸水不利。

3.3 對土壤容重的影響

土壤容重是反映土壤緊實(shí)度的一個(gè)主要指標(biāo)，不同耕作措施對土壤的擾動(dòng)程度不同，土壤耕作措施對土壤的作用首先表現(xiàn)在對土壤容重的作用。不同耕法條件下0～20 cm土層容重留茬無覆蓋>留茬覆蓋>旋耕；留茬無覆蓋處理是秋季留茬越冬、春季采用免耕播種機(jī)播種，一次完成開溝、施肥、播種、覆蓋和鎮(zhèn)壓的作業(yè)，這種作業(yè)方式動(dòng)土量小，對土壤的擾動(dòng)少，土壤墑情好，且多年免耕使土壤壓實(shí)程度越來越高，所以容重高。但在20～30 cm土層，3種處理容重差距不大。而留茬覆蓋處理的土壤容重低于留茬無覆蓋的原因，就是秸稈的施入改變了土壤的結(jié)構(gòu)，從而使土壤容重降低。旋耕條件下土壤容重最低，是由于旋耕機(jī)動(dòng)力大，使土壤細(xì)碎，造成土壤稀松，空襲度大，春旱地區(qū)采用，常常會(huì)加深旱情，并且土質(zhì)過于細(xì)碎，在春風(fēng)較大地區(qū)會(huì)造成風(fēng)蝕現(xiàn)象。

[1] 邊少鋒,馬虹.吉林省西部半干旱區(qū)深松蓄水耕作技術(shù)研究[J].玉米科學(xué),2000,8(1):67-68.

[2] 高煥文.機(jī)械化保護(hù)性耕作，一場農(nóng)業(yè)耕作技術(shù)的革命[J].農(nóng)機(jī)科技推廣,2001(2):15-16.

[3] 鞏杰,黃高寶,陳利頂,等.旱作麥田秸稈覆蓋的生態(tài)綜合效應(yīng)研究[J].干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究,2003,21(3):69-73.

[4] 王長生,王遵義,蘇成貴,等.保護(hù)性耕作技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2004,35(1):167-169.

[5] 臧英,高煥文,周建忠.保護(hù)性耕作對農(nóng)田土壤風(fēng)蝕影響的試驗(yàn)研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2003,19(2):56-60.

[6] 張中美,文啟凱.黑龍江省黑土耕地資源保護(hù)對策[J].生態(tài)與環(huán)境,2008,21:127.

[7] 付國占,李潮海,王俊忠,等.殘茬覆蓋與耕作方式對夏玉米葉片衰老代謝和籽粒產(chǎn)量的影響[J].西北植物學(xué)報(bào),2005(1):155-160.

[8] 周凌云.秸稈覆蓋對農(nóng)田土壤物理?xiàng)l件影響的研究[J].農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化研究,1997,18(5):311-313.