耕作方式對(duì)旱地紅壤物理特性的影響

張麗娜, Asenso Evans, 張陸勇, 田 凱, 楊丹彤, 李就好

(1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木工程學(xué)院, 廣州 510642; 2.華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院, 廣州 510642)

農(nóng)田土壤是農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，土壤質(zhì)量直接影響作物的生長(zhǎng)和產(chǎn)量。由于不同土壤在土壤特性方面也存在差異，可通過(guò)農(nóng)機(jī)具的機(jī)械力量作用于土壤，調(diào)整耕作層和地面狀況，以調(diào)節(jié)土壤水分、空氣、溫度和養(yǎng)分的關(guān)系，為作物播種、出苗和生長(zhǎng)發(fā)育提供適宜土壤環(huán)境[1]。傳統(tǒng)耕作方法對(duì)土壤進(jìn)行多次耕翻，造成一個(gè)疏松的耕層，導(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性下降，易產(chǎn)生水土流失和嚴(yán)重風(fēng)蝕等一系列問(wèn)題。與傳統(tǒng)耕作相比，免耕可以改善土壤結(jié)構(gòu)，控制土壤侵蝕，在全球得以廣泛推廣應(yīng)用[2]。但是長(zhǎng)期實(shí)施免耕使得耕層變淺、下耕層土壤容重增加、土壤變緊實(shí)，特別是黏質(zhì)土壤，從而影響作物生長(zhǎng)發(fā)育[3-4]。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于耕作方式與土壤特性關(guān)系的研究較多。孫濤[5]對(duì)東北寒地黑土區(qū)的保護(hù)性耕作研究指出，秸稈覆蓋在改善黑土理化性質(zhì)方面較為突出，但產(chǎn)量較低，留茬免耕不僅可以改善土壤理化性質(zhì)，而且經(jīng)濟(jì)效益高，不影響產(chǎn)量，為該地區(qū)最適宜的耕作方式。李娟等[6]在黃土高原暖溫帶半濕潤(rùn)易旱區(qū)的輪耕試驗(yàn)表明，秸稈覆蓋下免耕/深松處理模式對(duì)于提高土壤蓄水保墑能力和作物增產(chǎn)效果最好。許迪等[7]在華北平原地區(qū)試驗(yàn)表明，深松明顯地減少了耕層土壤的干容重、增加了孔隙度,改善了土壤飽和時(shí)土壤的水分傳導(dǎo)性能,但干旱時(shí)土壤的持水能力相對(duì)減弱。可見(jiàn)，隨著保護(hù)性耕作研究和應(yīng)用不斷深入，耕作制度的區(qū)域適應(yīng)性特征愈發(fā)明顯。因此，開(kāi)展不同地區(qū)，不同土壤條件，不同耕作方式下土壤質(zhì)量的綜合評(píng)價(jià)具有重要意義。

紅壤是我國(guó)熱帶亞熱帶地區(qū)主要的土壤資源，一般質(zhì)地黏重，保水性差。因此，本文針對(duì)南方地區(qū)旱地紅壤的特點(diǎn)，在大田生產(chǎn)條件下對(duì)比研究旋耕、深松和免耕對(duì)土壤物理性質(zhì)的影響規(guī)律，為明確適于該地區(qū)推廣應(yīng)用的合理耕作方式提供理論依據(jù)。

1　材料與方法

1.1　試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)地點(diǎn)設(shè)在廣東省連平縣五豐泰農(nóng)業(yè)投資股份有限公司農(nóng)場(chǎng)，位于北緯24°9′25″，東經(jīng)114°23′43″，海拔121 m，該地區(qū)屬于中亞熱帶季風(fēng)氣候，日照雨量充沛，降水季節(jié)明顯，年平均氣溫為18.0～20.7℃，年均日照總時(shí)數(shù)為1 659.8 h，年平均降水量為1 779.7 mm，從3月份開(kāi)始，雨量逐漸增多，5月、6月份為降水最集中期，而且強(qiáng)度大，易引起山洪暴發(fā)，8月份以后降水逐漸減少，若無(wú)臺(tái)風(fēng)調(diào)節(jié)，則易產(chǎn)生秋旱，甚至秋、冬、春連旱。年平均濕度為79%，歷年平均霜期日數(shù)為65 d。

該地區(qū)土壤類型為紅壤，經(jīng)取樣測(cè)定，其物理特性見(jiàn)表1，肥力特征見(jiàn)表2。從表中可以看出，試驗(yàn)區(qū)土壤質(zhì)地為粉(砂)壤土，土壤呈酸性，參照全國(guó)第二次土壤普查標(biāo)準(zhǔn)[8]得出，土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、全磷含量處于中等較缺乏水平，全鉀含量缺乏，有效磷和速效鉀含量處于中等較豐富水平，且隨著土層深度增加，土壤養(yǎng)分含量均有所降低。

表1　試驗(yàn)區(qū)土壤物理特性

注:同列數(shù)據(jù)后不同小寫(xiě)字母表示處理間差異顯著(p<0.05)，下同。

表2　試驗(yàn)區(qū)土壤肥力特征

1.2　試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用田間分區(qū)的方法，設(shè)置旋耕(RT)、深松(SS)、免耕(NT)3種耕作處理方式，其中旋耕深度20 cm左右，深松深度40 cm左右。供試作物為玉米，為當(dāng)?shù)刂魍朴衩灼贩N新美甜818，人工播種，行距0.5 m，株距0.32 m。采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，每處理重復(fù)三次，共9個(gè)小區(qū)，每小區(qū)面積為1.5 m×100 m=150 m2。播種時(shí)施硫酸鉀型復(fù)混肥料12 000 kg/hm2作為基肥，在播種后15 d和30 d分別追施225 kg/hm2和300 kg/hm2。各處理田間管理措施均相同。

1.3　田間土壤樣品采集與測(cè)試

每小區(qū)隨機(jī)選取3個(gè)點(diǎn)，于耕作前、播種前及收獲后用取土鉆按采樣深度0—10 cm，10—20 cm，20—30 cm分層取原狀土壤，以供室內(nèi)測(cè)定土壤物理性質(zhì)指標(biāo)，并同時(shí)測(cè)定土壤硬度。土壤硬度采用TYD-2型土壤硬度計(jì)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定，在每個(gè)小區(qū)選擇3個(gè)測(cè)點(diǎn)，每10 cm土層深度記錄一次，測(cè)定深度為30 cm。

采用環(huán)刀法測(cè)定土壤密度，烘干法測(cè)定質(zhì)量含水量，根據(jù)測(cè)定的土壤密度值計(jì)算土壤孔隙度，其中土粒密度采用比重瓶法測(cè)定，測(cè)得的平均值為2.68 g/cm3。土樣風(fēng)干后，采用干篩法測(cè)定每個(gè)粒級(jí)的土壤團(tuán)聚體含量，計(jì)算平均重量直徑MWD[9]。

本文數(shù)據(jù)均采用Excel和SPSS 軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和作圖，用Duncan法對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析和多重比較。

2　結(jié)果與分析

2.1　耕作方式對(duì)土壤密度的影響

土壤密度是土壤物理性質(zhì)的主要指標(biāo)之一，適宜的土壤密度有利于土壤的透氣以及作物根系的生長(zhǎng)。表3為測(cè)得的不同耕作條件下播種前和收獲后土壤密度的情況，從表中可以看出，在播種前，旋耕處理使得表層(0—10 cm)土壤較疏松，土壤密度迅速下降，較免耕處理降低了8.0%；10—20 cm土層，旋耕和深松處理土壤密度均顯著(p<0.05)低于免耕處理,分別降低了16.4%和17.9%；20 cm以下，深松明顯降低了底層土壤密度，較旋耕和免耕處理分別降低了11.0%和21.8%。

在收獲后，各土層土壤密度要相對(duì)高于播種前，這是由于經(jīng)過(guò)一個(gè)生育期，土壤在其自身重力作用下發(fā)生自然沉降、以及降雨等其他因素的影響[4]，使得土壤密度有所增加[10]。其中免耕處理土壤密度僅在表層增加幅度較大，受外界影響較大，在下層(10—30 cm)略微有所增加。收獲后各耕作處理表層(0—10 cm)土壤密度并無(wú)顯著差異，而深松處理下層(10—30 cm)土壤密度顯著(p<0.05)低于免耕，分別下降了9.6%和13.9%；旋耕處理下層土壤密度較免耕分別下降了5.5%和11.4%；由于土壤的自重密實(shí)作用，耕作處理間差異呈減小趨勢(shì)。

表3　不同耕作方式下土壤密度在播種前、收獲后的變化　g/cm3

2.2　耕作方式對(duì)土壤水分的影響

土壤水分是作物生長(zhǎng)和生存的物質(zhì)基礎(chǔ)，對(duì)作物各器官的生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量有很大的影響。合理的耕作方式能夠充分利用自然降水、發(fā)揮土壤的生產(chǎn)能力。表4為測(cè)得的不同耕作條件下播種前和收獲后土壤質(zhì)量含水量的情況，從表中可以看出，耕作方式對(duì)玉米播種前土壤含水量影響較大，由高到低依次表現(xiàn)為免耕>深松>旋耕。免耕處理各土層土壤含水量均顯著高于其他處理，在整個(gè)土層(0—30 cm)的平均含水量較旋耕和深松增加了28.8%，19.7%。旋耕和深松在整個(gè)土層的土壤含水量較耕作前有所降低，分別降低了18.2%和12.0%；而免耕處理土壤含水量較耕作前增加了5.3%。

耕作方式對(duì)玉米收獲后土壤含水量影響不大，深松處理整個(gè)土層的平均土壤含水量略高于其他處理。比較不同深度土壤含水量的變化可知，免耕土壤含水量隨土層加深呈下降趨勢(shì)，旋耕和深松呈先上升后下降的趨勢(shì)，在10—20 cm土層含水量達(dá)到最高，貯水量較多。比較不同時(shí)期土壤含水量的變化可知，收獲后旋耕和深松處理各土層土壤含水量較播種前均有所增加，增加幅度較大；而免耕在0—20 cm土層土壤含水量較播種前有所增加，增加幅度較小，在20—30 cm有所下降。從整體上看，免耕在整個(gè)作物生育期內(nèi)土壤含水量變化幅度小，基本維持在15%～18%，能有效抑制土壤水分損失，保證作物需水關(guān)鍵期的供水量。

表4　不同耕作方式下土壤質(zhì)量含水量在播種前、收獲后的變化　%

2.3　耕作方式對(duì)土壤孔隙度的影響

土壤孔隙度直接影響土壤中水、熱、溶質(zhì)、氣體運(yùn)動(dòng)及作物根系的生長(zhǎng)。對(duì)旱作土壤來(lái)說(shuō)，其耕層孔隙度在50%或稍大于50%較好[11]。表5為不同耕作條件下播種前和收獲后土壤孔隙度的情況，從表中可以看出，不同耕作方式下土壤孔隙度大小均表現(xiàn)為深松>旋耕>免耕，且土壤孔隙度隨土層加深呈下降趨勢(shì)，形成上虛下實(shí)的耕層結(jié)構(gòu)，有利于水分入滲，增加土壤“庫(kù)容”。播種前，各處理表層(0—10 cm)土壤孔隙度相差不大，其中旋耕處理土壤孔隙度大于60%；在10—20 cm土層，免耕處理孔隙度下降幅度較大，低于50%，較旋耕和深松分別下降了14.9%和16.1%；在20—30 cm土層，深松土壤孔隙度最大，旋耕次之，免耕土壤孔隙度達(dá)到最低，為41.9%。

收獲后各處理土壤孔隙度較播種前呈下降趨勢(shì)，與土壤密度變化趨勢(shì)相反，其中旋耕處理在0—20 cm土層下降幅度最大，20—30 cm土層下降幅度明顯變小；深松在整個(gè)土層的下降幅度較一致；免耕在整個(gè)土層的下降幅度最小，說(shuō)明經(jīng)過(guò)一個(gè)生育期，土壤逐漸變緊實(shí)。收獲后，在0—10 cm土層，耕作方式對(duì)土壤孔隙度影響不大；10—30 cm土層，深松處理土壤孔隙度要高于旋耕和免耕，與免耕差異顯著。此時(shí)，除深松外，其余處理的平均土壤孔隙度均低于50%。

表5　不同耕作方式下土壤孔隙度在播種前、收獲后的變化　%

2.4　耕作方式對(duì)土壤團(tuán)聚體組成的影響

良好的土壤結(jié)構(gòu)主要是團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，在一定程度上標(biāo)志著土壤肥力水平，對(duì)協(xié)調(diào)土壤肥力狀況和土壤空氣、改善耕性、穩(wěn)定土壤溫度等有著重要作用[12]。粒徑在0.25～10 mm的團(tuán)聚體含量越高，說(shuō)明土壤團(tuán)聚性越好；而<0.25 mm的微團(tuán)聚體是機(jī)械穩(wěn)定性較差的團(tuán)聚體，其含量占比越高，表明土壤愈分散，易影響水分入滲，增加土壤侵蝕，還容易形成沙塵天氣。平均重量直徑(MWD)是反映土壤團(tuán)聚體大小分布狀況的常用指標(biāo)。MWD 值越大表示團(tuán)聚體的平均粒徑團(tuán)聚度越高，穩(wěn)定性越強(qiáng)[13]。

表6為播種前不同耕作條件下各深度風(fēng)干土的團(tuán)聚體的組成情況，從表中可以看出，各粒徑含量在不同土層深度中表現(xiàn)規(guī)律性不強(qiáng)。不同耕作方式下，<0.25 mm團(tuán)聚體的含量變化為旋耕>深松>免耕，旋耕較深松和免耕分別增加了40.7%，47.1%，差異顯著(p<0.05)。旋耕處理在粒徑范圍為5～10 mm的團(tuán)聚體含量顯著低于免耕，略低于深松，這說(shuō)明旋耕主要減少了5～10 mm的團(tuán)聚體數(shù)量。>10 mm團(tuán)聚體含量表現(xiàn)為旋耕>免耕>深松，在0.25～5 mm粒徑范圍內(nèi)深松處理團(tuán)聚體含量均高于其他處理。不同耕作方式下MWD的變化為免耕>旋耕>深松，旋耕和深松處理使土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性有所下降，平均重量直徑較免耕分別降低了4.0%，17.0%，但各處理間差異并不顯著。大團(tuán)聚體的粘合劑是暫時(shí)的，而微團(tuán)聚體的粘合劑是持久的，耕作處理對(duì)暫時(shí)過(guò)渡性的粘合劑影響比對(duì)持久性的影響要大，因此更易對(duì)大團(tuán)聚體產(chǎn)生影響[14]。旋耕對(duì)土壤結(jié)構(gòu)的擾動(dòng)較大，土壤團(tuán)聚體被粉碎，導(dǎo)致0.25～10 mm團(tuán)聚體數(shù)量減少，而深松并不會(huì)翻轉(zhuǎn)土層，擾動(dòng)較小。免耕不受人為破壞，使土壤各級(jí)團(tuán)聚體在各種自然因素作用下形成，結(jié)構(gòu)性穩(wěn)定。

表6　播種前不同耕作方式下各粒徑團(tuán)聚體含量　%

2.5　耕作方式對(duì)土壤硬度的影響

土壤硬度是反映土壤物理性質(zhì)的重要指標(biāo)，也是影響作物生長(zhǎng)的重要因素，合理的耕作管理是調(diào)控土壤硬度的有效手段[15]。表7為不同耕作條件下播種前和收獲后土壤硬度的情況，從表中可以看出，播種前，旋耕和深松處理顯著降低了土壤硬度，其中深松平均土壤硬度最低，為260 kPa。在0—20 cm土層，旋耕和深松處理土壤硬度下降幅度差異不大；在20—30 cm土層，旋耕土壤硬度明顯增加，與深松差異顯著，這與旋耕深度有關(guān)。免耕處理未對(duì)土壤進(jìn)行擾動(dòng)，整個(gè)土層的土壤硬度都相對(duì)較高，與其他處理之間差異顯著。深松處理在0—30 cm土層內(nèi)土壤硬度下降幅度比較一致，可以局部打破犁底層，改善深層土壤結(jié)構(gòu)，從而降低土壤硬度，有利于作物根系生長(zhǎng)[16]。

收獲后，旋耕和深松處理土壤硬度較播種前均有所增加，但是相比耕作前，各處理土壤硬度仍有所下降，分別下降了37.1%，39.9%和2.1%。該時(shí)期旋耕和深松各土層土壤硬度顯著低于免耕，平均土壤硬度較免耕分別下降了35.7%，38.6%。比較不同土層的土壤硬度變化可知，隨著土層加深，各處理土壤硬度都隨之明顯增加。

表7　不同耕作方式下土壤硬度在播種前、收獲后的變化　kPa

3　結(jié) 論

(1) 旋耕和深松均具有降低土壤密度和硬度的效果，從而增加了土壤孔隙度，特別是在10—30 cm土層各耕作處理之間差異顯著。其中深松處理還可顯著改善深層土壤結(jié)構(gòu)，進(jìn)而提高了耕層土壤貯水潛力，在后期具有較高的土壤含水量。深松處理在0.25～5 mm粒徑范圍內(nèi)團(tuán)聚體含量最大，說(shuō)明其土壤團(tuán)聚性好。免耕處理在播種前土壤含水量最高，能有效抑制土壤水分損失，同時(shí)免耕在初期試驗(yàn)有增加土壤密度的趨勢(shì)。旋耕處理使得>0.25 mm團(tuán)聚體數(shù)量顯著減少，主要表現(xiàn)在減少了5～10 mm的團(tuán)聚體數(shù)量，從而降低了大團(tuán)聚體的穩(wěn)定性。

(2) 就不同時(shí)期對(duì)比而言，收獲后各處理土壤密度及硬度較播種前都有不同程度的增加，孔隙度有所減小。隨著土壤自重密實(shí)作用和外界環(huán)境條件的影響，各處理間的差異逐漸減小，其中免耕處理整個(gè)生育期變化幅度較小，能夠維持穩(wěn)定的土壤結(jié)構(gòu)。就不同土層對(duì)比而言，土壤密度和硬度均隨著土層加深而增加，孔隙度隨著土層加深而減小。

綜上所述，結(jié)合該地區(qū)長(zhǎng)年的生產(chǎn)條件，采用深松處理可創(chuàng)造良好的耕層結(jié)構(gòu)，有利于降水入滲蓄水和作物根系生長(zhǎng)。然而，本研究中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)僅能反映一個(gè)玉米生育期耕作初期效應(yīng)，部分結(jié)論仍需進(jìn)一步研究。

本試驗(yàn)得到廣東省連平縣五豐泰農(nóng)業(yè)投資股份有限公司農(nóng)場(chǎng)職工的大力支持，保證試驗(yàn)的順利開(kāi)展，在此表示衷心感謝！

參考文獻(xiàn):

[1]趙洪利,李軍,賈志寬,等.不同耕作方式對(duì)黃土高原旱地麥田土壤物理性狀的影響[J].干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究,2009,27(3):17-21.

[2]Toyakawa H, Triplett G B, Dick W A. No-tillage crop production: A revolution in agriculture[J]. Agronomy Journal, 2008,100:153-165.

[3]孫國(guó)峰,張海林,徐尚起,等.輪耕對(duì)雙季稻田土壤結(jié)構(gòu)及水貯量的影響[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2010,26(9):66-71.

[4]龔冬琴,呂軍.連續(xù)免耕對(duì)不同質(zhì)地稻田土壤理化性質(zhì)的影響[J].生態(tài)學(xué)報(bào),2014,34(2):239-246.

[5]孫濤.不同耕作方式及施肥對(duì)黑土理化性質(zhì)的影響[D].哈爾濱:東北農(nóng)業(yè)大學(xué),2008.

[6]李娟,王麗,李軍,等.輪耕對(duì)渭北旱塬玉米連作系統(tǒng)土壤水分和作物產(chǎn)量的影響[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2015,31(16):110-118.

[7]許迪, Schmid R, Mermoud A.夏玉米耕作方式對(duì)耕層土壤特性時(shí)間變異性的影響[J].水土保持學(xué)報(bào),2000,14(1):64-70.

[8]田雨,莊瑩,曹義,等.霧靈山低山區(qū)土地利用類型對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響[J].水土保持研究,2012,19(6):41-44.

[9]全國(guó)農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣服務(wù)中心.土壤分析技術(shù)規(guī)范[M].北京:中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社,2006.

[10]雷金銀,吳發(fā)啟,王健,等.保護(hù)性耕作對(duì)土壤物理特性及玉米產(chǎn)量的影響[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2008,24(10):40-45.

[11]龔振平.土壤學(xué)與農(nóng)作學(xué)[M].北京:中國(guó)水利水電出版社,2009.

[12]楊如萍,郭賢仕,呂軍峰.不同耕作和種植模式對(duì)土壤團(tuán)聚體分布及穩(wěn)定性的影響[J].水土保持學(xué)報(bào),2010,24(1):252-256.

[13]王益.黃土高原土壤結(jié)構(gòu)性狀及影響因素分析[D].陜西楊凌:西北農(nóng)林科技大學(xué),2005.

[14]Tistall J H, Oades R D. Organic matter and water-stable aggregates in soils[J]. Journal of Soil Science, 1982,27:44-181.

[15]王麗學(xué),姜熙,李勇,等.保護(hù)性耕作對(duì)農(nóng)田土壤水蝕及土壤緊實(shí)度的影響[J].灌溉排水學(xué)報(bào),2014,33(2):83-85.

[16]張有利,李娜,王孟雪,等.不同整地方式對(duì)風(fēng)沙土玉米地土壤緊實(shí)度的影響[J].水土保持研究,2015,22(1):97-99.