免耕和稻草覆蓋對紅壤旱地土壤物理性質及玉米產量的影響

楊賀菲，趙 靜，張 旭

(1.長江科學院,湖北 武漢 430010;2.湖北省環境科學研究院,湖北 武漢 430010)

0 引言

紅壤旱地是我國南方重要的農業土壤資源,一直是開發利用研究的重點[1]。近年來,受自然因素和人為因素的共同作用,紅壤旱地水土流失嚴重[2];同時,南方紅壤區屬典型的季風氣候區,降雨量年內、年際分配不均[3-4],導致季節性干旱頻發[5]。因而,研究紅壤旱地土壤侵蝕阻控、抗旱保墑的保護性耕作技術并深入探討其對土壤理化性質的影響,對維持紅壤旱地作物高產、穩產及保證區域糧食安全具有重要的理論意義和實踐價值。

保護性耕作是相對于傳統耕翻而言的一種新型土壤耕作技術[6],具有減少土壤水土流失、增加雨水蓄存、緩解傳統耕作對生態環境的破壞等優點[7]。免耕和覆蓋作為保護耕作的技術,其對土壤結構、水氣分配及作物產量有較大的影響；免耕對土壤物理性質的影響好壞均有報道,而覆蓋則多對土壤理化性質有改善作用[8-9]。然而,免耕和覆蓋對紅壤旱地土壤理化性質的影響如何,尚未見詳細的研究。因而,本文以紅壤旱地為研究對象,通過設置免耕和稻草覆蓋等處理,探討了免耕和覆蓋對紅壤旱地土壤物理性質和玉米產量的影響,以期為合理利用紅壤旱地、提高作物產量、增加經濟效益提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

本試驗地點位于湖北咸寧市,屬典型的亞熱帶大陸性季風氣候,冬季盛行偏北風,偏冷干燥;夏季盛行偏南風,高溫多雨。區域年均氣溫16.8 ℃,年均降雨量1577.4 mm,水熱資源豐富,但時空分布極不均勻,春季和夏初水土流失嚴重,伏秋干旱嚴重,對該地區的農業生產影響很大。該地區地帶性土壤主要為紅壤,成土母質為第四紀紅色黏土。

1.2 試驗設計

試驗始于2014年,選擇地形、坡度、肥力水平一致的紅壤旱地作為試驗地塊；以常規耕作(CT)為對照,設置常規耕作+稻草覆蓋(CT+M)、免耕(NT)、免耕+稻草覆蓋(NT+M)3個處理,各處理重復3次,完全隨機區組排列,小區面積為120 m2(長3 m×寬40 m)。其中,免耕不進行任何耕作處理；常規耕作以當地翻耕+旋耕的方式進行耕作,翻耕深度為20 cm左右,旋耕深度為15～20 cm,次數為1～2次;覆蓋材料為自然風干的稻草秸稈,覆蓋量為3000 kg/hm2,在玉米出苗后進行覆蓋。供試玉米品種為鄂玉16號。含免耕的處理(NT、NT+M)進行開穴點播；含常規耕作的處理(CT、CT+M)進行開溝點播,株行距均為0.4 m×0.5 m;各處理的施肥水平均為總氮150 kg/hm2、P2O550 kg/hm2、K2O 195 kg/hm2,基肥∶追肥=7 ∶3;在試驗期間保持各處理的除草、施藥等田間管理措施基本一致。試驗從2014年4月10日玉米播種開始，至2014年7月15日玉米收獲時結束。

1.3 土壤樣品采集與分析

土壤容重、水分常數的測定:在玉米收獲前(7月10日)挖掘土壤剖面,并分0～20 cm、20～40 cm兩個土層采集環刀樣，用于測定土壤容重、土壤水分常數(飽和持水量、毛管持水量和田間持水量)。

土壤孔隙度的測定:通過測定土壤容重及土壤水分常數可計算得出非毛管孔隙度、毛管孔隙度、總孔隙度,計算公式如下:土壤非毛管孔隙度(體積分數,%)=0.1×[飽和持水量(g/kg)-毛管持水量(g/kg)]×土壤容重(g/cm3)/水的密度(g/cm3);土壤毛管孔隙度(體積分數,%)=0.1×毛管持水量(g/kg)×土壤容重(g/cm3)/水的密度(g/cm3);土壤總孔隙度(體積分數,%)=土壤非毛管孔隙度(體積分數,%)+土壤毛管孔隙度(體積分數,%)。

土壤緊實度的測定:在玉米收獲前(7月9日)采用土壤緊實度儀(SC900型),每2.5 cm為1層，測定0～40 cm土層的土壤緊實度。

玉米產量的測定:于收獲期(7月15日)在各小區隨機選擇30株長勢均勻的玉米,將所有果穗取下,充分干燥后脫粒稱重,計算產量。

1.4 數據處理

用Excel軟件對試驗數據進行基本處理,用Origin 8.1軟件進行作圖,用SPSS 18.0軟件進行方差、相關性分析。

2 結果與分析

2.1 不同處理對土壤容重的影響

如表1所示：0～20 cm土層的土壤容重表現為NT處理顯著高于CT、CT+M處理(P<0.05),而CT、CT+M和NT+M處理間差異不顯著(P>0.05); 20～40 cm土層的土壤容重在不同處理間差異不顯著(P>0.05)。說明與常規耕作相比,免耕可引起表層土壤容重增加(增幅為2.5%),而稻草覆蓋對土壤容重的影響較小。

表1 不同處理對土壤容重的影響g/cm3

注：同列數據后附不同小寫字母表示同土層不同處理間差異顯著。

2.2 不同處理對土壤緊實度的影響

如圖1所示,不同處理的0～25 cm土層土壤緊實度具有比較明顯的變化規律,均表現為CT、CT+M處理顯著低于NT、NT+M處理(P<0.05)；而25～40 cm土層土壤緊實度的變化相對復雜,并未呈現一定的規律;在相同耕作條件下，稻草覆蓋與不覆蓋處理間部分土層的土壤緊實度具有一定的差異?？梢?免耕可引起0～25 cm土層土壤緊實度的增加,而稻草覆蓋對土壤緊實度的影響較小。

2.3 不同處理對水分常數的影響

如圖2所示,0～20 cm土層土壤飽和持水量表現為NT、NT+M處理顯著低于CT+M處理(P<0.05),CT和CT+M處理間差異不顯著(P>0.05);20～40 cm土層土壤飽和持水量在不同處理間不存在顯著差異(P>0.05)。不同處理下土壤毛管持水量的表現與田間持水量大致相同,其中:0～20 cm土層土壤毛管持水量在CT+M、NT+M處理間存在顯著差異(P<0.05),在其它處理間差異不顯著(P>0.05);0～20 cm土層土壤田間持水量在CT+M、NT處理間存在顯著差異(P<0.05),在其它處理間差異不顯著(P>0.05);20～40 cm土層土壤田間持水量和毛管持水量在不同處理間差異均不顯著(P>0.05)?？梢?與常規耕作相比,免耕主要降低了0～20 cm土層的土壤飽和持水量,對土壤毛管持水量和田間持水量的影響較小;而稻草覆蓋對0～40 cm土層土壤水分常數的影響較小。

2.4 不同處理對土壤孔隙度的影響

從圖3可以看出：土壤非毛管孔隙度介于2.60%～17.24%,以0～20 cm土層土壤非毛管孔隙度整體較高。0～20 cm土層土壤非毛管孔隙度表現為CT、CT+M處理顯著高于NT、NT+M(P<0.05),而在不同處理間20～40 cm土層非毛管孔隙度差異不顯著(P>0.05)。土壤毛管孔隙度以NT、NT+M處理較高,0～20 cm土層土壤毛管孔隙度表現為CT+M處理顯著低于NT和NT+M處理(P<0.05),而在其它處理間差異不顯著(P>0.05)；各處理間20～40 cm土層土壤毛管孔隙度差異不顯著(P>0.05)。在不同處理間0～40 cm土層土壤總孔隙度差異不顯著(P>0.05)。說明免耕主要降低了0～20 cm土層土壤非毛管孔隙度,對土壤毛管孔隙度和總孔隙度的影響較小;而覆蓋對土壤孔隙狀況的影響較小。

圖1 不同處理對土壤緊實度的影響

A：飽和持水量； B：毛管持水量； C：田間持水量;不同小寫字母表示同土層不同處理間差異顯著。

A：非毛管孔隙度； B：毛管孔隙度； C：總孔隙度。

2.5 不同處理下玉米產量及其與土壤物理性質的相關性

由圖4可見：CT+M處理下的玉米產量顯著高于其它3個處理下的(P<0.05),達到了9101.10 kg/hm2,分別比CT、NT和NT+M處理高10.53%、28.48%、12.51%；另外，玉米產量均表現為含稻草覆蓋的處理顯著高于不含稻草覆蓋的處理,平均高12.22%(P<0.05)?？梢?與常規耕作相比,免耕在一定程度上降低了玉米產量,而稻草覆蓋則提高了玉米產量,并緩解了免耕條件下玉米產量的下降。

為了進一步分析土壤物理性質對玉米產量的影響,分別將0～20 cm和20～40 cm的土壤物理性質與玉米產量作相關性分析。結果(表2)表明：玉米產量與0～20 cm土壤容重呈顯著負相關(P<0.05),與0～20 cm土層土壤飽和持水量、非毛管孔隙度、總孔隙度呈極顯著正相關(P<0.01);而玉米產量與20～40 cm土壤物理性質的相關性較低,僅與20～40 cm土層土壤緊實度呈極顯著正相關(P<0.01)。

圖4 不同處理對玉米產量的影響

土層容重最大持水量毛管持水量最小持水量非毛管孔隙度毛管孔隙度總孔隙度緊實度0～20 cm-0.646?0.847??-0.376-0.5120.749??-0.4900.710??-0.57020～40 cm0.259-0.176-0.268-0.3560.086-0.374-0.3160.724??

注：“*”表示顯著相關；“**”表示極顯著相關。

3 討論與結論

免耕可減少耕作次數,改變土壤的結構和容重[10]。許多研究表明,免耕土壤的物理條件等同或優于傳統耕作土壤[11-13],同時,免耕條件下土壤容重增加的情況也有報道[14]。土壤容重是反映土壤緊實狀況的指標之一[15],免耕對土壤緊實狀況也勢必也產生不同的影響。本研究表明免耕可引起0～20 cm土層土壤容重和0～30 cm土層土壤緊實度的增加。這印證了上述部分研究結果,原因在于紅壤本身比較粘重,在免耕條件下加劇了土壤板結情況。免耕對土壤水分常數、孔隙度的影響也屢見報道[16-17],均指出免耕可改善土壤的持水性能,但免耕對土壤孔隙度的影響各異。本研究結果表明,相比于常規耕作,免耕降低了0～20 cm土層土壤非毛管孔隙度,而對土壤毛管孔隙度和總孔隙度的影響較小。這與他人的研究結果有出入,原因在于免耕減少了耕作頻率,必將造成土壤非毛管孔隙度的下降,但紅壤旱地土壤孔隙度以毛管孔隙度為主(占紅壤總孔隙度的80%左右),且本身粘重,其毛管孔隙度的變化幅度較小?；诿飧麑t壤旱地土壤孔隙度的影響,因而造成0～20 cm土層土壤飽和持水量的降低。

眾多研究表明,作物秸稈覆蓋可降低土壤容重,改善土壤通透性和保水保肥性,改善土壤團聚體結構,提高土壤水分含量[18-20]。本研究表明,稻草覆蓋可在一定程度上改善土壤容重、水分常數以及孔隙度狀況,但其對這些指標的影響較小。這是因為將稻草覆蓋在紅壤旱地表面，其難以進入紅壤旱地耕層,進而難以影響土壤的物理性質。

由于不同耕地的土壤質地、性質各異,因此免耕對土壤物理性質、蓄水保墑和聚肥增效能力的影響也不同,進而對作物產量的影響不盡相同[21-24]。本研究發現,免耕降低了玉米的產量,原因在于紅壤旱地免耕不利于玉米根系的生長,進而影響對養分的吸收。大量研究表明,作物秸稈覆蓋可提高作物的產量[20,25],這在本研究中得到了證實。本文相關性分析結果表明,玉米產量受0～20 cm土層土壤容重、飽和持水量、非毛管孔隙度、總孔隙度的影響較大,可見秸稈覆蓋通過改善紅壤旱地的土壤物理性質提高了玉米產量。

當然，免耕和稻草覆蓋還可能影響土壤的養分狀況和土壤微生態環境[26,27],從而對作物產量造成一定的影響。但本研究沒有探討這些影響。因而,免耕和稻草覆蓋對紅壤旱地土壤化學、生物性質的影響有待于進一步研究。