耕作方式對冀西北高原旱沙地土壤機(jī)械組成和容重的影響

摘要：針對冀西北高原旱沙地農(nóng)田經(jīng)濟(jì)與生態(tài)兼顧的要求，在免耕產(chǎn)量明顯降低的背景下，通過研究土壤機(jī)械組成、容重等物理性質(zhì)，探究保護(hù)性耕作在該類農(nóng)田造成減產(chǎn)的原因。研究發(fā)現(xiàn)，該區(qū)域內(nèi)土壤質(zhì)地為多礫質(zhì)沙土，主要風(fēng)蝕物（0.01～0.25 mm顆粒）在0～5 cm土層內(nèi)旋耕和翻耕處理分別比免耕高7.31%和14.64%，差異顯著（P<0.05）；5～30 cm土層內(nèi)0.01～0.25 mm顆粒總量各處理間差異不顯著（P>0.05）。旋耕處理0～10 cm土層和翻耕處理0～30 cm各層土壤容重為1.34～1.52 g/cm3；免耕各層均大于1.60 g/cm3，耕作明顯降低了土壤的容重。

關(guān)鍵詞：保護(hù)性耕作；旱沙地；土壤機(jī)械組成；容重

中圖分類號：S152；S344.9 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：0439-8114（2013）22-5449-03

冀西北高原屬于農(nóng)牧交錯帶的河北省西北部高原地區(qū)，又稱壩上高原[1]，地處北方季風(fēng)主風(fēng)道，每到冬、春季節(jié)，受蒙古高壓天氣系統(tǒng)控制，加之區(qū)域地勢高亢，下墊面平緩、植被稀少，大風(fēng)頻繁，土壤侵蝕嚴(yán)重[2]。人類不合理翻耕土地、放牧和樵采等經(jīng)濟(jì)活動是加劇土壤風(fēng)蝕的重要因素。研究表明，地表采取作物殘茬覆蓋等特殊保護(hù)可以減少農(nóng)田土壤風(fēng)蝕損失；此外，通過改變土壤特性、微地形和作物殘體等因素也可影響土壤風(fēng)蝕[3-8]。王云超[9]和常春麗[10]通過對冀西北高原多年坡梁地保護(hù)性耕作的研究發(fā)現(xiàn)免耕降低了作物的產(chǎn)量。因此，針對該區(qū)的發(fā)展現(xiàn)狀及存在的問題，按照生態(tài)學(xué)原理和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的要求，在穩(wěn)定和提高糧食與牧草單產(chǎn)的同時，如何防止土壤退化、減少風(fēng)蝕成為該地區(qū)生態(tài)環(huán)境的重要問題，而保護(hù)性耕作是解決這一問題的有效途徑。其中土壤的物理性質(zhì)是影響土壤風(fēng)蝕和作物產(chǎn)量的主要原因之一，因此研究該區(qū)域保護(hù)性耕作制度下農(nóng)田土壤容重和機(jī)械組成的變化狀況，探索造成免耕減產(chǎn)的土壤特性基礎(chǔ)，旨在為保護(hù)性耕作技術(shù)在冀西北壩上高原地區(qū)的合理應(yīng)用和推廣提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于河北省張北縣河北農(nóng)業(yè)大學(xué)實(shí)驗(yàn)站內(nèi)，該區(qū)屬半干旱大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫2.6 ℃，無霜期103 d，降水量400 mm，蒸發(fā)量1 693.0 mm，干燥度2.0～2.3，光照資源居河北省之首。土壤為沙質(zhì)栗鈣土，質(zhì)地為多礫質(zhì)沙土。作物種植方式為莜麥一年一熟。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2001—2008年進(jìn)行，設(shè)置翻耕、旋耕和免耕3種耕作處理，每個處理設(shè)4次重復(fù)，共12個小區(qū)。小區(qū)面積為90 m2（9 m×10 m）。各處理具體操作為：①翻耕：在莜麥?zhǔn)斋@后將麥茬翻埋于土壤中，翻耕深度約25 cm；②旋耕：在莜麥?zhǔn)斋@后，用旋耕機(jī)將麥茬旋入土壤，深約15 cm；③免耕：莜麥茬自然（直立）分布于田間的情況下，采用免耕播種機(jī)一次性完成播種、施肥作業(yè)。

3個耕作處理的灌溉、施肥、作物品種及其他管理措施均相同，供試品種為當(dāng)?shù)刂髟酝硎燧溒贩N壩優(yōu)1號，播種量為65 kg/hm2，行距27 cm。在莜麥播種時施入純N 75 kg/hm2和P2O5 60 kg/hm2，生育期內(nèi)不再進(jìn)行追肥；莜麥播前提前14 d使用除草劑2，4-D丁酯控制雜草，生育期內(nèi)不灌水。

1.3 樣品采集與測定

1.3.1 樣品采集 在2008年莜麥?zhǔn)斋@后采樣，分0～5 cm、5～10 cm、10～20 cm和20～30 cm 4個層次分別采集混合土樣，每小區(qū)3次重復(fù)。在采集和運(yùn)輸過程中盡量減少對土樣的擾動，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)風(fēng)干土樣。

1.3.2 測定方法 土壤容重采用環(huán)刀法測定，土壤機(jī)械組成采用吸管法測定[11]。利用SPSS 13.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同耕作方式對莜麥產(chǎn)量的影響

表1為2007年和2008年不同耕作方式下的產(chǎn)量。由表1可知，2007年和2008年免耕產(chǎn)量比旋耕分別降低了19.76%和60.33%，兩年平均產(chǎn)量降低了37.83%；比翻耕分別降低了18.96%和70.53%，兩年平均產(chǎn)量降低了45.88%。免耕產(chǎn)量與旋耕、翻耕處理差異在兩年間均達(dá)到極顯著水平，兩年平均產(chǎn)量差異達(dá)到顯著水平。2007年旋耕產(chǎn)量比翻耕增加了0.99%，差異不顯著；2008年降低了25.70%，差異達(dá)極顯著水平；兩年平均降低了12.94%，差異不顯著。通過比較可以看出，旋耕與翻耕處理的產(chǎn)量較高，免耕處理的產(chǎn)量最低，減產(chǎn)明顯。

2.2 不同耕作方式對土壤機(jī)械組成的影響

該地區(qū)不同耕作處理0～30 cm土壤石礫、沙粒、粉粒和黏粒含量變幅分別為12.491%～23.343%、56.004%～64.416%、8.260%～11.446%和11.910%～14.833%，各粒級顆粒平均含量分別為17.399%、59.522%、9.733%和13.346%，構(gòu)成了多礫質(zhì)沙土（表2）。免耕和旋耕0～5 cm土壤石礫含量均小于5～30 cm各層土壤石礫含量的均值，翻耕0～5 cm土壤石礫含量大于5～30 cm土壤石礫含量的均值，旋耕0～5 cm石礫含量最少，說明翻耕增加了0～5 cm土壤中石礫的含量。粗沙粒含量免耕0～5 cm土壤顯著高于5～30 cm各層土壤，旋耕0～5 cm土壤顯著高于5～30 cm各層土壤，翻耕0～10 cm土壤低于10～30 cm各層土壤，說明免耕和旋耕增加了0～5 cm土壤粗沙粒的含量，主要以粗沙粒為主。黏粒含量中粗黏粒的含量免耕0～5 cm高于10～30 cm各層土壤。

有研究表明冀西北地區(qū)0.02～0.2 mm顆粒是風(fēng)蝕物的主要成分[12]，該粒徑屬細(xì)沙粒和粗粉粒[13]。由表2可知，0.01～0.25 mm顆粒含量0～5 cm土層中為翻耕>旋耕>免耕，分別為39.356%、36.838%和34.330%，處理間差異達(dá)顯著水平，翻耕和旋耕處理分別比免耕高14.64%和7.31%，說明免耕減少了風(fēng)蝕物主成分的數(shù)量；5～30 cm土層中為旋耕>免耕>翻耕，平均值為38.975%、38.828%和38.509%，差異不顯著。說明翻耕把0.01～0.25 mm顆粒從深層帶到表層，因風(fēng)蝕逐年減少，是造成土地沙化的主要原因之一，免耕可以起到保護(hù)地表的作用。

2.3 不同耕作方式對土壤容重的影響

圖1是不同耕作方式下的土壤容重值。從圖1可以看出，免耕0～30 cm和旋耕10～30 cm各層土壤容重均在1.60 g/cm3以上，最大值出現(xiàn)在免耕0～10 cm，土壤容重為1.66 g/cm3；旋耕0～10 cm和翻耕0～30 cm土壤容重為1.34～1.52 g/cm3，最小值出現(xiàn)在旋耕0～10 cm，土壤容重為1.34 g/cm3。免耕0～10 cm土壤容重比旋耕和翻耕分別高23.14%和8.81%，差異均達(dá)顯著水平。旋耕0～10 cm土壤容重比翻耕降低了11.84%，差異達(dá)到顯著水平；比旋耕10～20 cm、20～30 cm的土壤容重分別降低16.77%和18.29%，差異均達(dá)到顯著水平。翻耕各層土壤容重差異不顯著。通過分析可以得出免耕顯著地增加了表層土壤的容重，耕作可以降低土壤的容重，從而改變土壤的松緊狀況。

3 結(jié)論

1）在旱沙地農(nóng)田，以旋耕和翻耕處理的莜麥產(chǎn)量較高，免耕處理兩年平均產(chǎn)量分別比旋耕和翻耕處理降低了37.83%和45.88%，免耕減產(chǎn)顯著。

2）冀西北高原地區(qū)旱沙地農(nóng)田土壤機(jī)械組成以沙粒為主，平均含量為59.522%；土壤顆粒含量石礫>黏粒>粉粒，構(gòu)成了多礫質(zhì)沙土。免耕和旋耕處理減少了0～5 cm土層石礫和細(xì)沙粒的含量，增加了粗沙粒含量，翻耕則相反。3種耕作方式對土壤中風(fēng)蝕物的主成分（0.01～0.25 mm顆粒）影響較大，0～5 cm的表層土壤中旋耕和翻耕比免耕高7.31%和14.64%。翻耕將深層土壤內(nèi)0.01～0.25 mm顆粒帶到表層，由于風(fēng)蝕造成該粒徑范圍內(nèi)顆粒在整個土體內(nèi)逐年減少。

3）耕作方式直接影響了冀西北高原地區(qū)土壤容重的大小，與免耕相比，旋耕使0～10 cm土層、翻耕使0～30 cm各層土壤的容重顯著降低。

4 討論

冀西北高原地區(qū)特殊的氣候條件，即風(fēng)大、沙大，光照時間長、強(qiáng)度大，且秸稈不易覆蓋，加速了有機(jī)質(zhì)的礦化過程；同時該地區(qū)處于農(nóng)牧交錯帶，對于秸稈的使用量大，當(dāng)?shù)剞r(nóng)民主要將莜麥秸稈用于飼喂牛羊，主觀上不愿用秸稈覆蓋，所以該地區(qū)秸稈覆蓋的應(yīng)用需通過對生態(tài)與經(jīng)濟(jì)做進(jìn)一步分析研究。沙質(zhì)栗鈣土特殊的土壤類型決定了在無秸稈覆蓋的前提下實(shí)行免耕后土壤過硬，嚴(yán)重影響播種質(zhì)量和出苗率以及中后期作物生長和產(chǎn)量形成，最終導(dǎo)致減產(chǎn)。

由于耕作方式的不同造成土壤孔隙度發(fā)生變化，從而改變了土壤的容重，耕作顯著影響了土壤的容重，免耕雖然使土壤表層容重增大，土壤變得緊實(shí)，但機(jī)械組成沒有發(fā)生明顯的變化。0～5 cm土壤內(nèi)石礫、粗沙粒、細(xì)沙粒旋耕和免耕趨勢相近，并且旋耕產(chǎn)量與翻耕差異不顯著，均大于免耕。

綜合考慮生態(tài)和產(chǎn)量，旋耕是該地區(qū)比較理想的耕作方式。但是本研究只是對保護(hù)性耕作試驗(yàn)實(shí)施8年后的結(jié)果進(jìn)行分析，要研究不同保護(hù)性耕作方式對土壤結(jié)構(gòu)的影響還需要進(jìn)行長期的試驗(yàn)。只有綜合分析不同耕作方式對土壤結(jié)構(gòu)、水分運(yùn)動、生物特性和作物生長狀況的影響，才能評價不同耕作方式的優(yōu)劣。

參考文獻(xiàn)：

[1] 楊莉琳，李金海，何存枝. 冀高寒半干旱區(qū)的資源特點(diǎn)及高效利用對策[J]. 干旱區(qū)研究，2002，19（2）：67-70.

[2] 劉玉華，張立峰.冀西北高原植被生產(chǎn)力與退耕對策[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報，2004，15（11）：2113-2116.

[3] 劉全友. 河北省壩上地區(qū)氣候與沙化關(guān)系的研究[J]. 環(huán)境科學(xué)進(jìn)展，1994，2（6）：47-56.

[4] 董光榮，李長治，金 炯，等.關(guān)于土壤風(fēng)蝕風(fēng)洞模擬實(shí)驗(yàn)的某些結(jié)果[J].科學(xué)通報，1987（4）：297-301.

[5] 哈 斯，陳渭南.耕作方式對土壤風(fēng)蝕的影響[J].土壤侵蝕與水土保持學(xué)報，1996，2（1）：10-16.

[6] FRYEAR D W. Soil cover and wind erosion[J]. Transactions of the ASAE，1985，28（3）：781-784.

[7] HORNING L B， STETLER L D， SAXTON K E. Surface residue and soil roughness for wind erosion protection [J]. Transactions of the ASAE，1998，41（4）：1061-1065.

[8] TIBKE G. Basic principles of wind erosion control [J].Agriculture， Ecosystems and Environment，1988，22：103-122.

[9] 王云超. 河北壩上農(nóng)牧交錯區(qū)不同下墊面土壤風(fēng)蝕監(jiān)測及研究[D].河北保定：河北農(nóng)業(yè)大學(xué)，2006.

[10] 常春麗. 冀西北壩上高原不同耕作方式對莜麥生長發(fā)育及土壤特性的影響[D].河北保定：河北農(nóng)業(yè)大學(xué)，2007.

[11] 中國科學(xué)院南京土壤研究所土壤物理研究室.土壤物理性質(zhì)測定法[M].北京：科學(xué)出版社，1978.

[12] 胡立峰.河北壩上土壤風(fēng)蝕監(jiān)測與防治對策研究[D]. 河北保定：河北農(nóng)業(yè)大學(xué)，2003.

[13] 黃昌勇.土壤學(xué)[M].北京：中國農(nóng)業(yè)出版社，2005.

（責(zé)任編輯 呂海霞）