割草機土壤壓實與苜蓿產(chǎn)量相關性研究

高愛民，吳勁鋒，戴飛，張鋒偉，韓正晟

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學工學院，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院，甘肅 蘭州 730070)

土壤壓實只可防御不可避免[1]。土壤一經(jīng)壓實不可完全恢復[2-5]。研究發(fā)現(xiàn)，割草機壓實土壤并導致了苜蓿產(chǎn)量的減少[6]，土壤壓實引起土壤結(jié)構變化、致使土壤容重和土壤硬度增加、降低土壤孔隙度，引起土壤退化，導致絕大多數(shù)作物根系變形、影響作物根系發(fā)育、造成作物出苗時間推遲、出苗率降低、幼苗死亡率上升，嚴重影響了土壤生產(chǎn)力[7-9]；在土壤內(nèi)部，土壤微生物活動和酶的活性受到壓實影響、生物多樣性受到壓實破壞[10]；土壤壓實還改變土壤元素移動、影響碳氮循環(huán)、改變溫室氣體排放量、加劇水土流失，對生態(tài)環(huán)境造成了極大破壞，嚴重威脅人類糧食安全和土壤的可持續(xù)發(fā)展[7,11]。德國Berry[12]研究表明，土壤壓實后，粘性土容重由1.1～1.3 g/cm3增加到1.5～1.7 g/cm3，砂性土容重最大可增加到2.2 g/cm3。粘壤土的容重大于1.5 g/cm3時，對作物產(chǎn)量發(fā)生明顯的影響。Sin[13]研究表明，壓實使小麥(Triticumaestivum)、玉米(Zeamays)、向日葵(Helianthusannuus)、甜菜(Betavulgaris)分別減產(chǎn)6%～12%、11%～26%、10%～21%、39%，向日葵含油率由51.3%降為48.4%，甜菜含糖率由18.4%降為16.7%。Sochtig和Larink[14]研究發(fā)現(xiàn)，土壤孔隙度在37.5%、42.5%時蚯蚓洞穴數(shù)量是土壤孔隙度47.5%、56%時的2倍，壓實可使CO2排放量有一定程度的降低，但由于機械的大量使用排放到大氣中的CO2總量大幅增加。Bakken等[15]對測定75 d中反硝化釋放的氮在壓實土壤15～20 kg/hm2與未壓實土壤3～5 kg/hm2進行比較，發(fā)現(xiàn)前者N2O散發(fā)增加，增加了土壤向大氣排放溫室氣體。

苜蓿是世界上栽培歷史最悠久、種植面積最大、利用價值最高的優(yōu)質(zhì)牧草，機械化苜蓿收獲過程中草業(yè)機械種類多、機型大、載荷重，進地次數(shù)多。紫花苜蓿(Medicagosativa)為多年生植物，種植一次可連續(xù)收獲6～8年，每年收獲3茬，整個種植期內(nèi)，機器進地次數(shù)極高，且整個種植期內(nèi)土壤不再耕作，故機械化收獲苜蓿會不斷加劇苜蓿地的土壤壓實，影響苜蓿生長發(fā)育[16-19]。土壤壓實對苜蓿生長發(fā)育及產(chǎn)量的影響往往被人們忽視。為降低損失，苜蓿產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的管理者需要采取有效的措施，實行科學管理，降低壓實危害。為此，本研究以通過對紐荷蘭HW320型自走式割草機在苜蓿收獲中的土壤壓實試驗，以土壤的體積密度和硬度為指標，意在研究土壤壓實與苜蓿產(chǎn)量之間的關系，以探知割草機對土壤壓實后對苜蓿產(chǎn)量的影響程度，為科學決策提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與設備

試驗于2005年10月在甘肅省慶陽市西峰區(qū)苜蓿地中進行， 試驗土壤為中壤土，撒播種植紫花苜蓿， 播種后第2年用HW320割草壓扁機分別壓地1～10遍，土壤初始狀態(tài)見表1。試驗主要設備有：紐荷蘭HW320型自走式割草壓扁機，其參數(shù)見表2；CP20土壤堅實度儀；托盤天平；圓盤滲透儀；環(huán)刀；烘箱。

1.2 試驗設計

試驗設免壓、1次壓實、2次壓實、……、10次壓實11種處理。重復壓實的處理是指割草機在同一車轍上重復進行多次，各次重復之間間隔1 h，每種處理安排1個小區(qū)，每個小區(qū)面積10 m×5 m，試驗重復4次，共44個小區(qū)。碾壓后，在每個小區(qū)分別隨機取4個點，使用土壤堅實度儀，在0～50 cm深度上測量土壤堅實度，間隔2.5 cm記錄1個數(shù)據(jù)；在每個堅實度測點周圍50 cm半徑范圍內(nèi)用環(huán)刀取土樣，在每個容重測點周圍選定2點，采用圓盤滲透儀測20 min內(nèi)水的入滲量；苜蓿收獲期，每小區(qū)分別隨機選定2點，每點取2 m2測定產(chǎn)量。

表1 土壤初始狀態(tài)參數(shù)Table 1 Initial parameters of soil

表2 割草機參數(shù)Table 2 Parameters of mowing machine

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤體積密度

表3為每次壓實后地表土壤體積密度方差分析結(jié)果，表4為免壓和10次壓實2種狀態(tài)下，0～10 cm，10～20 cm，20～30 cm，30～40 cm四個層次的土壤體積密度。

表3 表層土壤體積密度方差分析Table 3 Analysis of variance of soil bulk density in soil surface g/cm3

注：小寫字母表示5%水平差異顯著,大寫字母表示1%水平差異極顯著,下同。

Note：Different lower case letters mean significant difference among treatments at the 0.05 level; Different capital letters mean significant difference among treatments at the 0.01 level, the same as follows.

方差分析表明,在表1所示的土壤初始條件狀態(tài)下，隨壓實次數(shù)的增加，前7次壓實地表土壤容重變化極顯著，7～10次壓實之間土壤容重變化不顯著,說明地表土壤容重經(jīng)過7次壓實以后已相當密實。回歸分析表明土壤體積密度與壓實次數(shù)的對數(shù)lg N成正比?；貧w方程如下：

y=0.1528 lnN+1.3242，判定系數(shù)R2=0.9513。

表4表明，地表土壤體積密度經(jīng)10次壓實后增幅最大； 0～30 cm土層土壤體積密度隨土層深度的增加而增加，30 cm土層以下，土壤體積密度基本保持不變。

表4 碾壓前后不同深度土層的土壤體積密度Table 4 Soil bulk density in different soil depths g/cm3

2.2 土壤堅實度

表5為每次壓實后不同層次土壤堅實度方差分析結(jié)果，結(jié)果表明，前7次壓實對2.5 cm深度土壤堅實度影響極顯著，8～10次壓實對土壤堅實度影響不顯著；前8次壓實對10 cm深度土壤堅實度影響極顯著，后2次壓實對土壤堅實度影響不顯著；前3次壓實對20 cm深度土壤堅實度影響極顯著，之后幾次壓實對土壤堅實度有影響，但變化不明顯；前2次壓實對30 cm土壤堅實度影響顯著,之后土壤堅實度略有增加；1%極顯著水平下40，50 cm深度土壤堅實度受壓實影響不明顯，5%顯著性水平下只有前1～2次壓實對土壤堅實度有影響,這說明壓實不是影響40～50 cm深度土壤堅實度的主要因素。

碾壓前，土壤堅實度值由高到低的土層依次為：30，40，50，20，10，2.5 cm，壓實對30 cm以上土層硬度影響程度較大，經(jīng)10次壓實后，其硬度值增加為原來的1.4～3.7倍；20和30 cm兩土層受壓實影響程度較上兩層弱，隨碾壓次數(shù)增加而緩慢增加；10，20 cm土層壓實2次，其硬度分別超過了同時受壓的40和50 cm兩土層的硬度，表明割草機碾壓使上層土壤堅實度逐漸接近或超過堅硬的犁底層硬度。

表5 不同深度土壤堅實度方差分析Table 5 Analysis of variance of soil hardness kPa

2.3 苜蓿產(chǎn)量

表6為全年3茬苜蓿在不同壓實次數(shù)下的干草(含水率10%以下)重，統(tǒng)計分析表明，碾壓次數(shù)對苜蓿生物量影響極顯著。壓實前每hm2年可產(chǎn)干草15258 kg，隨壓實次數(shù)的增加，產(chǎn)草能力逐步下降，10次壓實后，產(chǎn)量減至10794 kg，年損失干草4464 kg/hm2。

2.4 土壤壓實與苜蓿產(chǎn)量的相關性

2.4.1土壤體積密度與苜蓿產(chǎn)量的關系 土壤體積密度是衡量土壤壓實程度的重要指標之一，研究土壤體積密度及其對苜蓿產(chǎn)量的影響，可從量上直觀的描述土壤壓實的危害。圖1給出了土壤體積密度和苜蓿產(chǎn)量的關系。

表6 苜蓿年產(chǎn)量方差分析Table 6 Analysis of variance of alfalfa annual yield kg/hm2

圖1 土壤體積密度和草產(chǎn)量的關系Fig.1 The relationship of soil bulk density and the weight of hay

相關分析表明：土壤體積密度和苜蓿年產(chǎn)量具有相關關系，其相關系數(shù)為-0.88，前7次壓實土壤體積密度變化和苜蓿產(chǎn)量變化的相關系數(shù)為-0.92，這是因為苜蓿產(chǎn)量的減少是整個土層范圍壓實的綜合作用引起的，表層土壤體積密度在經(jīng)過7次壓實后，體積密度變化很小。壓實對各層土壤體積密度的影響趨勢大致相同，只是其變化程度不同，為降低試驗強度只測定了表層土壤體積密度。通過回歸分析得到土壤體積密度對苜蓿產(chǎn)量影響的關系式示于圖1中。苜蓿產(chǎn)量變化可表示為土壤體積密度的二次方程。當土壤體積密度超過1.45 g/cm3時苜蓿產(chǎn)量開始急劇下降，土壤體積密度增加30%后，苜蓿減產(chǎn)了21.5%。

苜蓿草產(chǎn)量與土壤體積密度的擬合方程列于表7。

2.4.2土壤堅實度與苜蓿產(chǎn)量的關系 土壤堅實度反映了土壤壓實對苜蓿根系的抑制作用，各土層土壤堅實度對苜蓿產(chǎn)量的影響程度不同。相關分析得出10，20，30，40 cm土層土壤堅實度與苜蓿產(chǎn)量之間的相關系數(shù)分別為-0.90886，-0.94079，-0.81250，-0.54490。表明20 cm以上土壤堅實度和苜蓿產(chǎn)量之間的相關程度較大，30 cm以下土壤堅實度與苜蓿產(chǎn)量之間的相關程度較低。圖2，圖3給出了不同深度的土壤堅實度對苜蓿產(chǎn)量影響的回歸曲線，分析表明土壤壓實對苜蓿產(chǎn)量的影響可表示為一個土壤體積密度的二次方程。苜蓿草產(chǎn)量與10和20 cm兩層土壤堅實度的回歸模型列于表8，表9。

表7 草產(chǎn)量與土壤體積密度關系的數(shù)學模型Table 7 Mathematical model of relationship of soil bulk density and the weight of hay

注：其中Y代表干草產(chǎn)量，x為土壤體積密度，下同。

Note： Whereyrepresents the weight of hay,xfor soil bulk density, the same below.

3 討論

機械碾壓引起土壤體積密度與土壤堅實度的變化，這已是國內(nèi)外研究者的共識[1-9]，本研究從壓實次數(shù)與土壤體積密度的關系出發(fā)證明，隨壓實次數(shù)的增多，土壤體積密度沿地表向下逐步增大，主要改變0～30 cm土層上的土壤體積密度，這是因為30 cm以下土層土壤本身較為密實，加之機器行走時瞬間作用于土壤表面致使土壤下層結(jié)構來不急改變，當土壤體積密度達到一定程度后，土壤及苜蓿根系組成的復合體結(jié)構足以抵抗外界壓力時，土壤體積密度不再增大，當上層土壤承受壓力時，土壤結(jié)構被破壞，土壤孔隙度減小，土壤體積密度增大，隨壓實次數(shù)的增加，上層土壤變形量開始較大，之后逐漸變小，上層土壤剛度隨壓實次數(shù)增多逐步增強，形變量逐步減小，對下層土壤的壓力形成逐步疊加的趨勢，故而土壤體積密度與壓實次數(shù)的關系并非線性變化，本研究表明：土壤體積密度與壓實次數(shù)的對數(shù)lg N成正比，根據(jù)這一結(jié)論，如能得知第1次壓實后土壤體積密度的變化，則可據(jù)此預測不同壓實次數(shù)下土壤結(jié)構的變化情況，為進行科學有效的作業(yè)管理提供參考依據(jù)。

圖2 10 cm深度土壤堅實度和草產(chǎn)量的關系Fig.2 The relationship of 10 cm depth soil hardness and the weight of hay

圖3 20 cm深度土壤堅實度和草產(chǎn)量的關系Fig.3 The relationship of 20 cm depth soil hardness and the weight of hay

處理 Treatments擬合方程 Fitted equationR2第1茬 The first cropY=-0.0022x2+4.2109x+6261.50.9512第2茬 The second cropY=-0.0026x2+5.7545x+2488.10.8898第3茬 The third cropY=-0.0066x2+0.9053x+1203.10.9766全年 The annualY=-0.0055x2+10.871x+9952.70.9276

表9 草產(chǎn)量與20 cm深度土壤堅實度關系的數(shù)學模型Table 9 Mathematical model of relationship of 20 cm depth soil hardness and the weight of hay

國內(nèi)外研究表明：壓實造成了小麥、玉米、向日葵、甜菜等多種農(nóng)作物減產(chǎn)[2,12-13]。土壤體積密度的改變會引起土壤孔隙度、土壤透氣性、土壤導水性等指標變化，而這些指標會直接影響到植物生長。土壤堅實度是反應土壤阻力的主要指標，土壤堅實度愈大，根系生長阻力就愈大，Sinnett等[20]對4種樹根系生長研究發(fā)現(xiàn)，土壤的灌入阻力超過3 MPa時，會嚴重阻礙根系穿透。本研究表明：壓實同樣導致苜蓿減產(chǎn)，且隨壓實次數(shù)變化，土壤體積密度和土壤堅實度都與苜蓿產(chǎn)量成負相關關系，可用二次方程表示，研究揭示了壓實次數(shù)、土壤體積密度與各茬苜蓿產(chǎn)量之間存在相關關系，亦可說明，合理的土壤體積密度和土壤堅實度是保證苜蓿豐產(chǎn)豐收的重要條件。試驗得到的土壤體積密度與苜蓿產(chǎn)量的關系方程及土壤堅實度與苜蓿產(chǎn)量的關系方程反應了中壤土條件下，土壤體積密度與土壤堅實度變化對苜蓿產(chǎn)量的影響趨勢和程度，由此可為苜蓿的豐產(chǎn)豐收提供選擇最佳的土壤環(huán)境并進行科學的機械化收獲管理提供參考依據(jù)。

鑒于本試驗是在中壤土條件下進行的，模型的使用還有一定的局限性，還需針對不同的土壤類型做深入研究。

4 結(jié)論

在中壤土條件下，苜蓿地機械碾壓引起了不同深度土壤體積密度與土壤堅實度的增加，土壤體積密度與壓實次數(shù)的對數(shù)lg N成正比，壓實引起了苜蓿減產(chǎn)。隨壓實次數(shù)變化，土壤體積密度與苜蓿產(chǎn)量成負相關關系，可用二次方程表示。土壤堅實度與苜蓿產(chǎn)量成負相關關系，0～20 cm土層土壤堅實度與苜蓿產(chǎn)量的相關度高，可用二次方程表示。