半干旱礦區作物對土壤含水率和圓錐指數的影響

李海欣 郄晨龍 雷少剛 陶文曠

摘要[目的]研究半干旱礦區不同作物在不同階段對土壤含水率和土壤圓錐指數的影響。[方法]在對同一塊耕地進行均勻施肥、統一耕作以及灌溉后，劃分4個區域，分別種植黃豆、玉米、大豆、綠豆4種作物。分別于作物收割前22 d、作物收割前1 d以及收割后33 d對4種農作物種植區的土壤進行土壤圓錐指數和土壤質量含水率的測定，研究同一作物在不同階段對土壤圓錐指數和土壤質量含水率的影響，以及不同作物同一階段對土壤圓錐指數和土壤質量含水率的影響。[結果]種植作物可以增加土壤表層的土壤質量含水率，同時降低土壤圓錐指數；不同作物對土壤圓錐指數和土壤質量含水率的影響程度存在一定差異；線性模型能夠較好地表征土壤質量含水率與土壤圓錐指數的定量化關系。[結論] 該研究為半干旱礦區土壤環境治理和土地復墾提供理論依據和實際應用價值。

關鍵詞土壤圓錐指數；土壤質量含水率；作物；半干旱礦區

中圖分類號S152.9文獻標識碼

A文章編號0517-6611（2017）08-0124-04

Effects of Crops on Soil Water Content and Soil Cone Index in Western Arid Area

LI Haixin1，QIE Chenlong2，LEI Shaogang2，TAO Wenkuang2*

（1.Huaxin Energy LTD， Zhungeer，Inner Mongolia 010399；2.School of Environment Science and Spatial Informatics，China University of Mining and Technology，Xuzhou，Jiangsu 221116）

Abstract[Objective] To study the effect of different crops on soil cone index and soil water content in different times.[Method]Unified fertilization，cultivation and irrigation were conducted in a cultivated field.Then this field was divided into four sections which were cultivated with yellow bean，corn，soybean and green bean，respectively.22 days，1day before and 33 days after the crops were harvested，soil cone index and soil water content were determined in the four cultivated sections.Based on the analysis of variation for soil cone index and soil water content with different crops or different periods，the effect of crop on soil cone index and soil water content was studied.[Result]Crops could increase soil water content and decrease soil cone index at the soil surface；Effects of different crops on soil cone index and soil water content were various.The linear regression model for the relationship between soil water content and soil cone index was valid，considering the complex situation in the field experiment.[Conclusion] The study provides theoretical basis and practical application value for soil environmental governance and semiarid mining area land reclamation.

Key wordsSoil cone index；Soil water content；Crops；Semiarid mining area

土壤圓錐指數又稱土壤穿透阻力，可以反映土壤的緊實程度。在農業生產中，土壤圓錐指數過大會抑制作物根系的生長，進而影響作物的產量和質量[1-8]；土壤圓錐指數過小，表明土壤田間持水性能降低，因此土壤圓錐指數是一個重要的土壤物理質量指標。由于土壤圓錐指數受測量過程及測量儀器的影響較大，美國農業工程協會制定了ASAE EP542 PEB99號標準[9]，來統一規范測量過程。此外，土壤含水量、土壤容重、土壤質地、土壤有機質以及植被覆蓋等是影響土壤圓錐指數的重要因素[10-12]。Ayers等[13]開展了土壤含水量和干密度影響土壤圓錐指數的研究，建立了土壤圓錐指數-土壤質量含水率-干密度的半經驗模型，并驗證了該模型在預測試驗中所用的5種土壤圓錐指數的有效性；Busscher[14]分別建立了利用土壤含水率和土壤密度預測土壤圓錐指數的模型。林劍輝等[15]對Ayers等[13]、Busscher[14]模型從容重預測角度進行了對比分析，得出了各自的優點和局限性。耕作方法也會對土壤圓錐指數產生一定的影響，焦彩強等[16]、張興義等[17]對旋耕和深耕松土2種耕作措施進行了研究，發現旋耕在15～40 cm會增加土壤圓錐指數，限制作物根系伸長；但深耕松土降低土壤圓錐指數的效應，在整個作物生育期間均能很好地體現，從而證實了生產上現行的旋耕方法具有明顯地導致土壤緊實化的問題。

目前針對土壤圓錐指數的研究很多，從影響因素、預測模型構建以及模型可靠性分析方面開展的研究較全面。不同作物在生長過程中會對土壤物理性質產生一定的影響，而同一作物在不同階段、不同作物間影響土壤圓錐指數和土壤質量含水率的程度是否存在差異值得探討；另外，作物收割一段時間后，根系等也會持續對土壤產生一定的影響，不同作物產生影響的差異仍值得探討。鑒于此，筆者在對同一地塊進行相同耕作和灌溉的基礎上，分區域種植不同作物，運用單因素方差分析，對同一作物不同時間和同一時間不同作物間土壤圓錐指數和土壤含水量進行顯著性差異分析，進而探尋不同作物在不同階段對土壤物理性質的影響。另外，對所測土壤圓錐指數和土壤質量含水率進行了回歸分析，以驗證土壤質量含水率對土壤圓錐指數的關系模型，旨在為半干旱礦區土壤環境治理和土地復墾提供理論依據和實際應用價值。

1材料與方法

1.1研究區概況

大柳塔礦區位于晉陜蒙交界處（111.2°～110.5° E，39.1°～39.4° N）。該礦區地表交錯縱橫，起伏較大，被厚黃土層覆蓋，為典型黃土溝壑區。全年降水量較少，以夏季降雨為主，一般在251.3～646.5 mm，年蒸發量高達1 788.4 mm。地下水埋深較深，無法給地表植被提供水源，因此該地區植被水源補給以降雨和大氣凝結水為主。平均年日照時數為2 875.9 h，極端低氣溫和高氣溫分別為-28.1和38.9 ℃，平均氣溫為8.6 ℃。由于該地區氣候干燥（濕度為56%），并且植被覆蓋較低，冬、春兩季風速較大，因此冬、春兩季多發生沙塵暴；夏季降雨不均勻，多集中在某一時段且降雨量大，因此造成水土流失較為嚴重。該區域的土壤類型以粉砂壤土為主，以草原群落、低矮灌木、沙生植被等為主要植被類型。作物種植以馬鈴薯、玉米、小雜糧等為主，耕作方式為深松翻土，灌溉較為困難。

1.2樣地設置及樣品采集

在該耕地上進行均勻施肥、統一耕作以及灌溉后，均勻劃分4個區域，分別種植黃豆、玉米、大豆、綠豆4種作物。分別在作物收割前22 d（2013-09-03）、作物收割前1 d（2013-09-24）以及收割后33 d（2013-10-28）進行土壤圓錐指數和土壤質量含水率的測量。在未受人為干擾點分別測量土壤圓錐指數和土壤質量含水率，測量深度為0～10 cm，每一個測點土壤圓錐指數和土壤質量含水率進行3～4次測量，取其平均值作為該測點的測量結果，黃豆、玉米、綠豆3個種植區域有12個測點，大豆種植區域有15個測點。4種作物種植時間和收割時間均相同，收割過程中保留殘茬高度也基本相同。

試驗選用的土壤緊實度儀器為6120型指針式土壤緊實度儀，測量范圍：0 ～600 psi（1 psi=6.89 kPa），選用大錐頭（直徑1.9 cm），不銹鋼探桿上深度標識設置為15.0 cm處；土壤含水率測量儀器為便攜式POGO土壤多參數測定系統和Hydra便攜式土壤含水率測定儀。由于土壤含水率儀器測得數據為土壤的體積含水率，通過土壤質量含水量=土壤體積含水量/土壤干密度換算后得到土壤質量含水率，該塊耕地的平均土壤干密度為1.39 g/cm3。

1.3數據分析

通過SPSS軟件對土壤圓錐指數和土壤質量含水率進行描述性統計分析，并針對同一作物不同階段和同一階段不同作物間的土壤圓錐指數和土壤質量含水率分別進行單因素方差分析，從而探討不同作物在不同時間對土壤物理性質的影響。另外，通過SPSS對所測土壤圓錐指數和土壤質量含水率進行回歸分析，以驗證土壤質量含水率對土壤圓錐指數的影響規律，從而減少土壤圓錐指數預測模型的輸入變量。

2結果與分析

2.1同一作物不同階段土壤質量含水率及土壤圓錐指數

由表1可知，4種作物種植區，土壤質量含水率在作物收割前1 d（09-24）和作物收割前22 d（09-03）并無顯著差異（P>0.05），但2個時間土壤質量含水率均顯著高于收割后33 d（10-28）。同時，黃豆、玉米、大豆、綠豆4種作物種植區，土壤圓錐指數在作物收割前1 d（09-24）和作物收割前22 d（09-03）均未表現出顯著差異（P>0.05），但2個時間土壤圓錐指數均顯著低于收割后33 d（10-28）。該規律和土壤含水量的時間變化規律相反，即土壤質量含水率較高時對應的土壤圓錐指數較低，這和Ayers等[13]得到的經驗公式一致。

2.2同一階段不同作物土壤質量含水率及土壤圓錐指數由表2可知，在作物收割前22 d（09-03），大豆種植區的土壤質量含水率顯著低于黃豆、玉米和綠豆種植區的土壤質量含水率（P<0.05），但黃豆、玉米和綠豆種植區土壤質量含水率并無顯著差異（P>0.05）。在作物收割前1 d（09-24），玉米種植區的土壤質量含水率顯著高于黃豆、大豆和綠豆種植區的土壤質量含水率（P<0.05），但黃豆、大豆和綠豆種植區的土壤質量含水率并無顯著差異（P>0.05）。作物收割后33 d（10-28），玉米和綠豆種植區的土壤質量含水率顯著高于黃豆和大豆種植區的土壤

質量含水率（P<0.05），但黃豆和大豆、玉米和綠豆種植區之間的土壤質量含水率并未表現出顯著差異（P>0.05）。作物收割前22 d（09-03），玉米和大豆種植區土壤圓錐指數未表現出顯著差異（P>0.05），黃豆、大豆和綠豆種植區也未表現出顯著差異（P>0.05），但玉米種植區的土壤圓錐指數顯著高于黃豆和綠豆種植區（P<0.05）。作物收割前1 d（09-24），黃豆和大豆、玉米和大豆、玉米和綠豆種植區土壤圓錐指數并未表現出顯

著差異（P>0.05）。但黃豆和大豆種植區的土壤圓錐指數顯著高于綠豆種植區土壤圓錐指數。收割后33 d（10-28），黃豆、玉米和大豆種植區之間并未表現出顯著差異（P>0.05）；同時，黃豆、大豆和綠豆種植區之間也未表現出顯著差異（P>0.05），但玉米種植區的土壤圓錐指數顯著高于綠豆種植區土壤圓錐指數（P<0.05）。另外，作物收割前22 d，4種作物種植區的土壤圓錐指數均超過1 MPa，據有關研究，植物根系生長明顯變緩[18]。

2.3土壤質量含水率與土壤圓錐指數的關系

對黃豆、玉米、大豆和綠豆4種作物種植區域3個時間合并后的土壤圓錐指數和土壤質量含水率進行線性回歸，回歸關系見圖1。由圖1可知，玉米決定系數較高，其他3種作物種植區的決定系數都在40%左右。土壤質量含水率能較好地解釋土壤圓錐指數，回歸模型具有可信性。4個地塊的土壤圓錐指數與土壤質量含水率之間存在負相關。每個地塊土壤質量含水率對土壤圓錐指數的影響存在顯著差異，表明不同作物對土壤質量含水率和土壤圓錐指數的影響程度不同，這可能與土壤容重等因素有關。4個區域土壤圓錐指數和土壤質量含水率的回歸方程：黃豆y=-65.73x+1 810.31；玉米y=-127.09x+2 901.77；大豆y=-72.11x+1 880.19；綠豆y=-111.61x+2 292.31。

3結論與討論

（1）對同一作物不同階段土壤圓錐指數和土壤質量含水率分別進行單因素方差分析，結果表明作物能夠顯著增加土壤表層的土壤質量含水率，同時降低土壤圓錐指數。研究表明，作物和土壤質量含水率、土壤圓錐指數之間相互影響，即土壤質量含水率和土壤圓錐指數影響作物生長，同時作物的存在也影響土壤質量含水率和土壤圓錐指數。對同一階段不同作物間土壤圓錐指數和土壤質量含水率的單因素方差分析表明，不同作物對土壤質量含水率和土壤圓錐指數的影響存在一定差異，即不同作物對土壤圓錐指數和土壤質量含水率的影響程度不同。

（2）半干旱礦區作物可以增加土壤表層的土壤質量含水率，同時降低土壤圓錐指數，說明作物和土壤物理性質之間相互影響。種植不同作物的土壤，其土壤圓錐指數和土壤質量含水率之間存在顯著差異，表明不同作物對土壤物理性質的影響程度不同。

該研究得到了4種作物種植區具有可信性的線性回歸模型，能夠較好地表征半干旱礦區土壤質量含水率對土壤圓錐指數的定量化模型。

該研究為半干旱礦區作物種植區土壤的改良及灌溉等提供依據。

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