鄂南紅壤穿透阻力的時(shí)空變化研究①

羅 敏，鄧才富，陳家宙，高冰可，高 躍，章文偉

（1 重慶市藥物種植研究所/中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院藥用植物研究所重慶分所，重慶 408435；2 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)部長(zhǎng)江中下游耕地保育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430070）

鄂南紅壤穿透阻力的時(shí)空變化研究①

羅 敏1，2，鄧才富1，陳家宙2*，高冰可2，高 躍2，章文偉1

（1 重慶市藥物種植研究所/中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院藥用植物研究所重慶分所，重慶 408435；2 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)部長(zhǎng)江中下游耕地保育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430070）

為進(jìn)一步揭示紅壤地區(qū)季節(jié)性干旱的致災(zāi)機(jī)制，以夏玉米為供試作物，研究鄂南地區(qū)季節(jié)性干旱過(guò)程中，4種耕作措施（深耕、常規(guī)耕作、免耕、壓實(shí)）下，紅壤穿透阻力的時(shí)空變化特征及其對(duì)季節(jié)性干旱的響應(yīng)特點(diǎn)。結(jié)果表明：在輕度到中度干旱期間，除深耕外，其余3個(gè)耕作措施的耕層紅壤穿透阻力均超過(guò)了作物根系適宜的最大阻力（2.0 MPa）。紅壤穿透阻力在0 ～ 40 cm土層呈單峰形分布，且不同耕作措施的峰值大小及峰值位置均存在差異；同時(shí)，隨土壤含水量的增加，阻力值減小，且峰值位置在土層剖面亦隨之發(fā)生不同程度的下移。紅壤穿透阻力對(duì)季節(jié)性干旱有較好的響應(yīng)關(guān)系，與耕層土壤含水量的相關(guān)系數(shù)達(dá)-0.839（P＜0.01），呈極顯著非線性負(fù)相關(guān)關(guān)系，以二項(xiàng)式擬合結(jié)果最優(yōu)。該響應(yīng)關(guān)系存在臨界反應(yīng)，當(dāng)季節(jié)性干旱達(dá)到一定程度時(shí)，土壤含水量較小范圍內(nèi)的變化都將引起紅壤穿透阻力的劇烈變化。因此，在紅壤地區(qū)研究季節(jié)性干旱時(shí)不可忽視土壤穿透阻力的存在，必須考慮因土壤含水量降低而導(dǎo)致的高土壤阻力對(duì)作物的影響。

紅壤；土壤穿透阻力；季節(jié)性干旱

我國(guó)亞熱帶紅壤丘陵區(qū)分布廣泛，具有巨大的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)潛力，在我國(guó)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略中占有舉足輕重的地位［1-2］。然而，該地區(qū)常發(fā)生嚴(yán)重的季節(jié)性干旱，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)受到極大影響。隨著土壤干旱的發(fā)生，土壤穿透阻力（即作物根系穿越土壤遇到的阻力）急劇增加［3］，根系伸長(zhǎng)受阻，甚至停止［4］，作物水分和養(yǎng)分吸收能力下降，嚴(yán)重影響作物生長(zhǎng)及產(chǎn)量形成。在干旱季節(jié)，南方紅壤下層（如40 ～ 60 cm以下）含水量并不低，只是這些水分難以被作物吸收利用［5］；而且由第四紀(jì)紅色黏土發(fā)育的紅壤黏粒含量較高［6］，一旦含水量降低就變得十分堅(jiān)硬。作為嚴(yán)重遭受季節(jié)性干旱影響的南方紅壤，其土壤穿透阻力具有怎樣的變化特征？紅壤穿透阻力對(duì)季節(jié)性干旱過(guò)程有著怎樣的響應(yīng)？這些問(wèn)題均未見相關(guān)報(bào)道。本研究通過(guò)大田實(shí)測(cè)的方法，研究紅壤穿透阻力及其動(dòng)態(tài)變化，探討紅壤穿透阻力與季節(jié)性干旱的關(guān)系，將有助于進(jìn)一步掌握紅壤季節(jié)性干旱的致災(zāi)機(jī)制，為通過(guò)改善土壤阻力來(lái)緩解季節(jié)性干旱對(duì)南方紅壤地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響提供科學(xué)依據(jù)和理論指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

本試驗(yàn)于2012年6月至9月在湖北省咸寧市華中農(nóng)業(yè)大學(xué)紅壤實(shí)驗(yàn)站內(nèi)進(jìn)行。該區(qū)年均氣溫為16.9℃，≥10℃的積溫為5 267℃，年均降雨量為1 455 mm，平均蒸發(fā)量為1 437 mm［7］。降水主要集中在春季和夏初，其余時(shí)間降雨較少。本次試驗(yàn)期間平均氣溫為27.4℃，以短期干旱為主，連續(xù)干旱最多天數(shù)達(dá)11天，干旱等級(jí)劃分為輕到中度干旱。2012年月降雨量和月均氣溫見圖1，數(shù)據(jù)由試驗(yàn)站內(nèi)的Watchdog Series 2000小型氣象站自動(dòng)觀測(cè)。

供試土壤為第四紀(jì)紅色黏土發(fā)育而成的紅壤，土壤質(zhì)地為黏土。耕層田間持水量為320.0 g/kg，苗期萎蔫含水量為200.0 g/kg。

1.2 田間試驗(yàn)設(shè)計(jì)

該地區(qū)夏玉米的整個(gè)生育期包括季節(jié)性干旱時(shí)期，本試驗(yàn)以夏玉米作為供試作物進(jìn)行小區(qū)種植。每個(gè)小區(qū)的面積為2.7 m × 1.2 m。設(shè)置4種不同的耕作處理，每個(gè)處理3次重復(fù)。耕作處理分別為：①深耕（D），人工翻耕深度30 cm，每年全面翻耕2次；②常規(guī)耕作（C），人工翻耕深度18 cm，每年全面翻耕2次；③免耕（N），每年只進(jìn)行一次播種，不翻耕；④機(jī)械壓實(shí)（P），采用ZW混泥土平板振蕩器進(jìn)行分層（分兩層）壓實(shí)，即先挖出0 ～ 10 cm土層土壤，然后翻挖10 ～ 30 cm土層，耙細(xì)，再整平后均勻澆水以便容易壓實(shí)；待表面土壤稍干后用振蕩器進(jìn)行反復(fù)壓實(shí)，壓好后再將挖出的土翻入壓實(shí)好的小區(qū)，同樣耙細(xì)、鋪平、澆水，再壓實(shí)。壓實(shí)后的土壤比原土壤表面低10 cm左右。

1.3 測(cè)定方法

土壤含水量與紅壤穿透阻力同步測(cè)定，各生育期測(cè)定1次，連續(xù)干旱10天或遇下雨時(shí)加測(cè)。采用SC900土壤硬度儀測(cè)定0 ～ 40 cm土層土壤穿透阻力（間隔2.5 cm一個(gè)阻力讀數(shù)）；土壤含水量用烘干法測(cè)定， 0 ～ 40 cm土層分4層進(jìn)行取樣。每處理小區(qū)3次重復(fù)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)分析結(jié)合Excel 2007和SPSS 13.0軟件進(jìn)行，作圖由Origin 9.0軟件完成。其中，在回歸分析前將土壤穿透阻力與土壤含水量分別進(jìn)行峰歸一化處理，公式為：y=x/xmax，其中y為轉(zhuǎn)換后的值，x為實(shí)測(cè)值，xmax為實(shí)測(cè)樣本中最大值。土壤穿透阻力最大值為實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)中的最大值6.0 MPa，土壤含水量為飽和含水量350.0 g/kg。

圖1 2012年月降雨量和月均氣溫Fig. 1 Monthly rainfall and average temperature in 2012

2 結(jié)果與分析

2.1 紅壤穿透阻力的時(shí)間變化

由實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析表明，在本次試驗(yàn)期間，不同耕作處理的土壤含水量具有明顯的變化，整體呈先降低后增加的趨勢(shì)。從圖2可知，2012年7月3日至8月2日土壤含水量逐漸降低，并在8月2日達(dá)最低點(diǎn)，即本試驗(yàn)的最干旱時(shí)期（稱為干旱期）；此后土壤含水量上升時(shí)出現(xiàn)明顯波動(dòng)，并在9月14日達(dá)到最高值，即本試驗(yàn)含水量最豐富時(shí)期（稱為豐水期）。在整個(gè)生育期耕層含水量均值在各處理間的大小排序一致，為D ＞ C ＞ N ＞ P，其中干旱期各處理間差異明顯，豐水期則無(wú)明顯差異。

圖2 季節(jié)性干旱過(guò)程中土壤含水量的變化Fig. 2 Changes of soil water contents during seasonal drought

本次季節(jié)性干旱期間，不同耕作措施耕層紅壤穿透阻力的整體變化呈先增大后減小的趨勢(shì)，并在8月2日達(dá)最大值，9月14日達(dá)最小值（圖3）。整個(gè)觀測(cè)期不同處理的紅壤穿透阻力大小為P ＞ N ＞C ＞ D，且耕層各處理間具有顯著性差異（P＜0.05），尤其在土壤含水量較低時(shí)期最為明顯。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，0 ～ 10 cm土層的顯著性差異主要表現(xiàn)在D處理和C處理分別與N、P處理之間；10 ～ 20 cm土層的顯著性差異主要表現(xiàn)在D處理與C、N及P處理之間。

圖3 季節(jié)性干旱過(guò)程中紅壤穿透阻力的變化Fig. 3 Changes of soil penetration resistances during seasonal drought

2.2 紅壤穿透阻力的土層垂直空間變化

圖4和圖5是本次季節(jié)性干旱觀測(cè)期內(nèi)相對(duì)土壤含水量最低（耕層土壤含水量≤170.0 g/kg，干旱期）及最高（耕層土壤含水量≥250.0 g/kg，豐水期）時(shí)，不同耕作措施下土壤含水量及紅壤穿透阻力在土層剖面的變化情況。

干旱期各處理間土壤含水量差異較大，豐水期則差異減小。由圖4可知，在0 ～ 40 cm土層隨著深度增加，土壤含水量呈遞增趨勢(shì)。干旱期，D與C處理的土壤含水量顯著高于N和P處理；其中，10 cm處D處理分別比N、P處理高18.8% 和15.4%，C處理分別比N、P高10.3% 和7.1%。D與C處理之間含水量的差異隨著土層深度增加而逐漸減小。豐水期，各耕作處理間差異較小，均不顯著。

圖4 干旱期和豐水期土層剖面含水量Fig. 4 Water contents of soil profiles in drought and wet periods

紅壤穿透阻力在0 ～ 40 cm土層剖面隨著土層深度的增加則呈先增加后降低的變化趨勢(shì)，并在約20 cm處的耕作犁底層阻力最大，這與土壤含水量在土層剖面的分布情況不同（圖5）。干旱期，處理間的阻力差異較大。D和C處理的最大值分別出現(xiàn)在25 cm和20 cm左右土層，阻力為1.8 MPa和3.0 MPa；而N和P處理的最大值出現(xiàn)在10 cm和12.5 cm左右土層，阻力為2.7 MPa和3.3 MPa。隨著土層深度的繼續(xù)增加，各耕作處理的紅壤穿透阻力逐漸降低。在0 ～ 40 cm土層深度范圍內(nèi)D處理的紅壤阻力均低于2.0 MPa，最大值接近2.0 MPa，而N和P處理的紅壤阻力在5 cm左右已急劇增大至接近3.0 MPa。在0 ～ 10 cm土層D、C、N和P四個(gè)處理由最小值分別增大至1.1、1.3、2.7和3.0 MPa。同時(shí)10 cm處D處理比N和P處理分別低58.5% 和62.5%，C處理比N和P處理分別低51.1% 和55.8%，而在30 cm處耕作措施間的差異則減小。由此可見，干旱期不僅紅壤穿透阻力大，而且各處理間的差異也變大。豐水期，紅壤穿透阻力明顯減小。此時(shí)，各耕作措施的紅壤穿透阻力的峰值位置均出現(xiàn)下移，并且4個(gè)耕作措施在0 ～ 40 cm土層剖面的阻力值均低于2.0 MPa，處理間的差異也減小。其中，N處理變化較小，在該土層剖面其紅壤穿透阻力在0.3 ～ 0.4 MPa范圍內(nèi)波動(dòng)，未出現(xiàn)明顯的峰值。

圖5 干旱期和豐水期紅壤穿透阻力的剖面分布狀況Fig. 5 Profile distributions of soil penetration resistances in drought and wet periods

綜上所述，紅壤穿透阻力在0 ～ 40 cm土層剖面上隨著土層深度的增加呈先增大后減小的趨勢(shì)，即紅壤穿透阻力在土層剖面的分布存在峰值現(xiàn)象。同時(shí)，峰值的位置因耕作措施的不同而存在差異，且隨含水量增加峰值位置下移。并且，土壤含水量不同的時(shí)期，各處理間紅壤穿透阻力的差異也不同。可見，田間土壤穿透阻力隨土壤含水量波動(dòng)劇烈，因此需要進(jìn)一步研究土壤穿透阻力與含水量的關(guān)系。

2.3 紅壤穿透阻力與土壤含水量的關(guān)系

將整個(gè)觀測(cè)期內(nèi)所測(cè)定的紅壤穿透阻力與相對(duì)應(yīng)的土壤含水量進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)耕層紅壤穿透阻力對(duì)土壤含水量有較好的響應(yīng)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)達(dá)-0.839（P＜0.01）。

由圖6可以看出，隨著土壤含水量的降低，紅壤穿透阻力呈增加趨勢(shì)，而當(dāng)土壤含水量降低至某一值時(shí)，紅壤穿透阻力增加幅度急劇增大。不同土層紅壤穿透阻力與含水量關(guān)系出現(xiàn)不同的臨界反應(yīng)。在0 ～10 cm土層，土壤含水量為250.0 g/kg左右時(shí)紅壤穿透阻力的變化出現(xiàn)差異。在含水量＞250.0 g/kg時(shí)，隨著土壤含水量的增加，紅壤穿透阻力變化幅度較小，并趨于穩(wěn)定；在含水量＜250.0 g/kg時(shí)，隨著土壤含水量的持續(xù)減小，紅壤穿透阻力急劇增加。10 ～20 cm土層則在土壤含水量300.0 g/kg時(shí)發(fā)生臨界反應(yīng)。以上結(jié)果表明，紅壤穿透阻力隨土壤含水量的增加而劇烈遞減，當(dāng)含水量增加至一定量時(shí)，紅壤穿透阻力變化幅度減緩，并趨于穩(wěn)定；且發(fā)生轉(zhuǎn)折時(shí)的含水量因土層不同而存在差異。

相關(guān)分析結(jié)果表明，在不同耕作措施下紅壤穿透阻力與土壤含水量具有極顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系（P＜0.01）。進(jìn)一步將紅壤穿透阻力與土壤含水量進(jìn)行回歸分析，得出二者具有較強(qiáng)的非線性相關(guān)性，最終以二項(xiàng)式擬合得到最優(yōu)效果，即可用一元二次方程y=ax2+bx+c描述二者的關(guān)系，如表1所示。不同處理的擬合方程相關(guān)系數(shù)存在差異，但各處理的擬合度均較高，達(dá)極顯著水平。在變化趨勢(shì)上，各處理間紅壤阻力隨土壤含水量的變化較為一致，均是隨著土壤含水量的增加而減小，并且存在轉(zhuǎn)折點(diǎn)；當(dāng)達(dá)到轉(zhuǎn)折點(diǎn)后隨著含水量的繼續(xù)增大，紅壤阻力減小且趨于平緩，無(wú)限接近于某一值。該轉(zhuǎn)折點(diǎn)及穩(wěn)定值因處理的不同而存在差異。

圖6 紅壤穿透阻力與含水量的關(guān)系Fig. 6 Relationships between soil penetration resistance and water content

表1 不同耕作措施下土壤穿透阻力y（MPa）與土壤含水量x（g/kg）的關(guān)系Table1 Regressions between soil penetration resistances and water contents under different tillage methods

3 討論與結(jié)論

3.1 討論

干旱是一個(gè)綜合過(guò)程，會(huì)引起土壤一系列物理、化學(xué)和生物學(xué)性質(zhì)變化。干旱過(guò)程中，土壤穿透阻力急劇增加，與干旱一起導(dǎo)致作物受災(zāi)；但二者同時(shí)增加，又難以區(qū)分其對(duì)作物的影響。土壤穿透阻力其實(shí)是一種獨(dú)立的非生物脅迫［8］，對(duì)作物具有直接的影響［9-11］。早期即有土壤穿透阻力與土壤含水量關(guān)系的研究，甚至用土壤阻力來(lái)估算土壤含水量［12］。在土壤體積質(zhì)量不變的情況下，毛管水張力隨干旱而增加，土壤穿透阻力也相應(yīng)增大。在含水量相同時(shí)，細(xì)毛管多的土壤其阻力較大，體積質(zhì)量大的土壤其穿透阻力也大，土壤有機(jī)質(zhì)含量和田間管理等對(duì)土壤穿透阻力亦具有影響［13］。Whalley 等［14］的研究說(shuō)明，即使相同的干旱過(guò)程和水分含量，不同性質(zhì)的土壤會(huì)表現(xiàn)出不同的穿透阻力，從而對(duì)作物造成影響。

我國(guó)南方紅壤丘陵區(qū)，由于降雨時(shí)間分布不均，少降雨季節(jié)又與強(qiáng)蒸發(fā)、高溫炎熱季節(jié)相疊合使該地區(qū)常發(fā)生季節(jié)性干旱，6—9月發(fā)生季節(jié)性干旱的概率高達(dá)60%，且危害程度自20世紀(jì)60年代以來(lái)在持續(xù)增加［15］。本試驗(yàn)區(qū)域夏秋季大氣蒸發(fā)強(qiáng)，紅壤干旱發(fā)展速度快，表土層容易干燥失水；而且紅壤膨脹性差（黏土礦物多為高嶺石和鐵鋁氧化物），土壤剖面緊實(shí)，導(dǎo)致作物根系分布淺，不能利用深層的土壤水分，因此極易遭受干旱脅迫。2012年是本地區(qū)最風(fēng)調(diào)雨順的一年，在試驗(yàn)期間雖只有階段性的輕旱至中旱發(fā)生，但試驗(yàn)區(qū)域的夏玉米生長(zhǎng)仍然遭受了嚴(yán)重的阻力脅迫。當(dāng)土壤阻力達(dá)1.0 MPa時(shí)作物根系的伸長(zhǎng)速度有變慢的趨勢(shì)［4］，2.0 ～ 2.5 MPa時(shí)已顯著抑制作物根系的伸長(zhǎng)［16］。在本次試驗(yàn)輕到中度干旱期間，紅壤阻力大多超過(guò)了作物根系適宜的最大阻力。

本試驗(yàn)結(jié)果表明，紅壤穿透阻力對(duì)季節(jié)性干旱過(guò)程具有強(qiáng)烈的響應(yīng)，與土壤含水量具有極顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，隨著含水量的降低，紅壤穿透阻力增大。這與之前研究者的結(jié)果相一致［17-18］。本研究亦得出紅壤穿透阻力與土壤含水量具有極顯著的非線性相關(guān)性，并且在本試驗(yàn)條件下以一元二次方程擬合達(dá)到最優(yōu)效果。其中，更值得關(guān)注的是，紅壤穿透阻力在隨季節(jié)性干旱發(fā)生的過(guò)程中存在轉(zhuǎn)折點(diǎn)。例如，在0 ～10 cm土層土壤含水量轉(zhuǎn)折點(diǎn)大致為250.0 g/kg。當(dāng)含水量大于該轉(zhuǎn)折點(diǎn)時(shí)，隨著含水量的繼續(xù)增大，紅壤穿透阻力減小并趨于平緩，且越來(lái)越接近于某一值；而當(dāng)含水量低于該轉(zhuǎn)折點(diǎn)，隨著土壤繼續(xù)干旱，紅壤穿透阻力將急劇增大；此時(shí)，土壤含水量較小范圍內(nèi)的變化即可引起紅壤穿透阻力的劇烈變化。土壤基質(zhì)勢(shì)從-0.01 MPa降至-1.5 MPa時(shí)，土壤阻力存在數(shù)量級(jí)上的增加［17］。可見，土壤穿透阻力存在于干旱的整個(gè)過(guò)程，并可以猜測(cè)在紅壤地區(qū)阻力脅迫的發(fā)生早于干旱脅迫，從而導(dǎo)致作物更易遭受干旱的危害。

3.2 結(jié)論

紅壤的季節(jié)性干旱伴隨著較大的土壤穿透阻力，且紅壤穿透阻力對(duì)季節(jié)性干旱的發(fā)生具有強(qiáng)烈的敏感性，隨著土壤含水量降低，紅壤穿透阻力顯著增大；因此，在紅壤地區(qū)研究季節(jié)性干旱成因和采取季節(jié)性干旱防御措施時(shí)不能忽略土壤穿透阻力的影響。本研究對(duì)進(jìn)一步揭示紅壤地區(qū)季節(jié)性干旱的致災(zāi)機(jī)制具有重要的指導(dǎo)意義，對(duì)于土壤穿透阻力在紅壤地區(qū)季節(jié)性干旱過(guò)程中扮演著怎樣的角色以及如何影響作物生長(zhǎng)尚需更深入的研究。

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Temporal and Spatial Response of Red Soil Penetration Resistance in South Hubei

LUO Min1，2， DENG Caifu1， CHEN Jiazhou2*， GAO Bingke2， GAO Yue2， ZHANG Wenwei1
（1 Chongqing Institute of Medicinal Plant Cultivation & Institute of Medicinal Plant Development， Chinese Academy of Medical Sciences， Chongqing 408435， China； 2 Ministry of Agriculture Key Laboratory of Arable Land Conservation of Middle and Lower Reaches of Yangtze River， Huazhong Agricultural University， Wuhan 430070， China）

The spatiotemporal variation of soil penetration resistance （PR） and its response characteristics to seasonal drought were studied in order to reveal the disaster mechanism of seasonal drought. Combined with the determination of field and indoor， the spatiotemporal variations of PR were studied under four tillage measures， including deep tillage， conventional tillage，no-tillage and compaction for the summer maize. During the mild and moderate drought， the PR of three tillage measures surpassed the maximum resistance suitable for the root （2.0 MPa） except deep tillage. Soil PR showed unimodal distribution in 0-40 cm soil layer， and the size and position of the peaks were different among tillage measures. With the increase of soil water content， the size decreased and the position went down in soil layer. Soil PR had good response to seasonal drought. The correlation between soil PR and water content was non-linear and negative significantly， with the correlation coefficient of -0.839 and binomial formula. There was a critical response， when seasonal drought reached a certain degree， the violent change of soil PR was caused by water content changed finely. Soil PR was an unneglectable factor in seasonal drought， and the effect of high penetration resistance due to lowered water content on crops must be considered.

Red soil； Soil penetration resistance （PR）； Seasonal drought

S152.9

10.13758/j.cnki.tr.2016.05.030

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41271240）、重慶市基礎(chǔ)與前沿研究項(xiàng)目（cstc2016jcyjA0169）和重慶市基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)項(xiàng)目（2013cstc-jbky-01320）資助。

*通訊作者（jzchen@mail.hzau.edu.cn）

羅敏（1987—），女，四川雅安人，碩士，助理研究員，主要從事土壤與藥用植物營(yíng)養(yǎng)研究。E-mail： minmin285233623@163.com