深松耕作和秸稈還田對農(nóng)田土壤物理特性的影響

張 麗， 張中東， 郭正宇， 宮 帥， 王若男， 陶洪斌， 王 璞

(1.中國農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)與生物技術(shù)學(xué)院, 北京 100093; 2.山西農(nóng)業(yè)科學(xué)院 玉米研究所, 山西 忻州 034000)

深松耕作和秸稈還田對農(nóng)田土壤物理特性的影響

張 麗1， 張中東2， 郭正宇2， 宮 帥2， 王若男1， 陶洪斌1， 王 璞1

(1.中國農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)與生物技術(shù)學(xué)院, 北京 100093; 2.山西農(nóng)業(yè)科學(xué)院 玉米研究所, 山西 忻州 034000)

摘要：[目的] 為了增加中國干旱半干旱地區(qū)農(nóng)田土壤蓄水保墑能力。[方法] 采用野外試驗和室內(nèi)分析相結(jié)合的方法研究了深松和深松結(jié)合秸稈還田耕作技術(shù)對晉中北部地區(qū)兩種主要類型土壤物理特性的影響。[結(jié)果] 深松可以打破土壤犁底層，顯著降低黏土和壤土10—30 cm土層范圍內(nèi)的土壤容重；調(diào)節(jié)土壤孔隙度，增加了黏土10—30 cm土層范圍內(nèi)的土壤總孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度，同時增加壤土10—30 cm土層土壤總孔隙度、毛管孔隙度和20—30 cm土層土壤非毛管孔隙度；改善黏土和壤土20—30 cm土層土壤固、液、氣3相狀況；深松結(jié)合連年秸稈還田進一步優(yōu)化了壤土耕層環(huán)境，同時顯著降低了玉米拔節(jié)期土壤地表結(jié)皮的厚度和緊實度。[結(jié)論] 深松結(jié)合連年秸稈還田和深松耕作技術(shù)可以緩解土壤板結(jié)狀況，增加降雨入滲。

關(guān)鍵詞：玉米; 深松; 秸稈還田; 土壤物理性狀

在目前的耕作方式下，耕層變淺，土壤容重增加，犁底層加厚是造成作物產(chǎn)量不高、不穩(wěn)的重要因素[1]。犁地層的存在阻隔了降水的滲入，使土壤蓄水保墑能力減弱，易形成地表積水或徑流，造成大量水土流失，也阻隔了地下水上升，使作物根系集中分布在淺層，導(dǎo)致根系吸水吸肥能力變差[2]。另一方面，隨著農(nóng)田化肥投入量的增加，其負(fù)面影響也逐漸凸現(xiàn)出來：土壤理化性質(zhì)惡化，土壤供肥能力和保水性能差[3]，這在很大程度上限制了降水生產(chǎn)潛力的發(fā)揮和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展。作為保護性耕作技術(shù)的深松作業(yè)和秸稈還田技術(shù)被很多學(xué)者認(rèn)為是農(nóng)田蓄水保墑的有效措施[4-8]。但針對晉中北部旱作條件下，深松和深松結(jié)合秸稈還田對土壤蓄水能力影響的研究鮮見報道。本文通過對不同耕作方式的研究，探討適合晉中北部地區(qū)的耕作方法，為改善耕層結(jié)構(gòu)，改良土壤理化性質(zhì)和提高農(nóng)田蓄水保墑能力提供理論依據(jù)。

1材料和方法

1.1　試驗設(shè)計

試驗于2013年在山西省忻州市忻府區(qū)小檀村(北緯38°27′,東經(jīng)112°43′)和新路村(北緯38°25′，東經(jīng)112°40′)進行。該地海拔858.3 m，年均降雨量431.7 mm，冬春干旱，降雨一般集中在6—9月，四季多風(fēng)，春季風(fēng)大；年均溫度9.07 ℃，≥0 ℃積溫3 905.2 ℃，≥10 ℃積溫3 522.5 ℃，全年無霜期176 d。小檀村土壤類型為潮土，質(zhì)地為黏性；新路村土壤類型為褐土，質(zhì)地為壤性。兩地試驗田均近20 a沒有進行深翻或深松作業(yè)。

試驗設(shè)置5個處理，黏土：春季深松(S1)和春季旋耕(CK1)；壤土：秋季深松結(jié)合秸稈粉碎還田(SS)，秋季深松(S2)和春季旋耕(CK2)。兩地的深松方式均采用條帶深松，間距50 cm，深松深度30 cm，深松后隨即進行鎮(zhèn)壓。旋耕深度為12 cm。秸稈還田方式采用秸稈粉碎機將秸稈粉碎全部還田，長度小于10 cm；深松處理和對照地的秸稈于春季移至地外。小區(qū)面積為4 m×6 m=24 m2，每處理3次重復(fù)，采用隨機區(qū)組排列。播種前基施復(fù)合肥(氮磷鉀成分12～18～15)，其中N 90 kg/hm2，P2O5135 kg/hm2，K2O 112 kg/hm2；玉米大喇叭口期追施純N 140 kg/hm2。供試玉米品種為先玉335，播種密度5.7萬株/hm2，行距50 cm。2013年4月28日播種，9月29日收獲。全年旱作不灌溉。其他耕作栽培措施均同大田生產(chǎn)。

1.2　測定方法

土壤物理指標(biāo)測定：土壤容重和孔隙度的測定采用環(huán)刀法[9]，環(huán)刀直徑為100 cm3。每個處理取5層，10 cm取一層，每層均取3點于播前進行測定。土壤緊實度采用杭州托普儀器有限公司生產(chǎn)的數(shù)字式土壤緊實度儀測定[10]，測定深度為40 cm，每2.5 cm記錄1次，8次重復(fù)。土壤結(jié)皮厚度采用游標(biāo)卡尺[11]，于玉米拔節(jié)期進行測定。土壤三相比通過播前土壤含水量、容重、總孔隙度計算得出[12]。

1.3　數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2010和SPASS 19統(tǒng)計軟件進行數(shù)據(jù)處理和分析，并采用Duncan新復(fù)極差法進行多重比較；Sigmaplot 10.0制圖。

2結(jié)果與分析

2.1　土壤容重

圖1a表明：深松處理后0—40 cm土層范圍內(nèi)，黏土的土壤容重隨土壤深度的增加而增大，40—50 cm土層深處變化不大；而未經(jīng)深松過的土壤在30 cm土層土壤容重達最大值，之后有所降低。深松處理和對照在10—30 cm土層土壤容重間的差異達最大，未深松處理在10—20和20—30 cm土層土壤容重分別達到了1.38和1.56 g/cm3，深松后分別為1.25和1.35 g/cm3，依次較對照降低了9.42%和13.46%(p<0.05)。圖1b表明，壤土深松結(jié)合秸稈還田處理和對照及深松處理和對照土壤容重與圖1黏土表現(xiàn)趨勢一致，而深松結(jié)合秸稈還田處理在0—50 cm土層范圍內(nèi)各層土壤容重又低于深松處理，但無顯著差異。在10—20和20—30 cm土層，未深松處理的土壤容重分別達到了1.29和1.56 g/cm3，深松結(jié)合秸稈還田處理和深松處理分別為1.17，1.30，1.19和1.36 g/cm3，較對照依次降低了9.33%，16.42%，7.90%和12.38%(p<0.05)?？梢姡瑹o論黏土還是壤土，特別是在20—30 cm土層深處的土壤容重較高，土壤較為堅實，遠遠超出適宜容重1.1～1.3 g/cm3的指標(biāo)[1]，深松打破了犁地層，明顯降低了10—30 cm土層的土壤容重，為作物生長和根系發(fā)育創(chuàng)造了一個良好的土壤環(huán)境，深松結(jié)合秸稈還田的耕作方式更進一步優(yōu)化了耕層土壤環(huán)境。

注：同一行不同小寫字母表示不同處理間土壤容重差異顯著(p<0.05)。

通過圖2a可知，黏性土壤深松后10—30 cm土層范圍內(nèi)，土壤總孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度變化幅度相對較大，在10—20 cm土層內(nèi)，深松處理土壤總孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙分別達到了53.91%，42.62%和11.29%，較未深松處理依次升高了15.01%，10.37%和36.76%(p<0.05)；20—30 cm土層內(nèi)，深松處理土壤總孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙分別達到了47.42%，38.93%和8.48%，較未深松處理依次增加了15.93%，12.08%和50.87%(p<0.05)。0—10和30—40 cm土層變化不大。通過圖2b可知，壤土深松結(jié)合秸稈還田處理和深松處理后土壤0—40 cm土層范圍內(nèi)，土壤總孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度均不同程度的增加，其中土壤總孔隙度在10—20和20—30 cm土層均分別達到了55.70%，54.99%和50.95%，48.58%，與對照相比分別增加了8.92%，7.55%和23.31%，17.58%(p<0.05)；土壤毛管孔隙度在10—20和20—30 cm土層分別達到了42.95%，42.54%和40.38%，38.62%，與對照相比分別增加了7.99%，6.95%和12.64%，7.75%(p<0.05)；土壤非毛管孔隙度在20—30 cm土層分別達到了10.58%和9.96%，與對照相比分別增加了93.27%和82.08%(p<0.01)；土壤總孔隙度和土壤毛管孔隙度和在0—10和30—40 cm土層及土壤非毛管孔隙度在0—20和30—40 cm土層及雖然亦有所增加，但與對照相比差異均不明顯。

注：TP1-TP4:0—40 cm土壤總孔隙度； CP1-CP4:0—40 cm土壤毛管孔隙度； NCP1—NCP4:0—40 cm土壤非毛管孔隙度。

由此可見，深松主要增加了黏土10—30 cm土層范圍內(nèi)的土壤總孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度；增加了壤土10—30 cm土層范圍內(nèi)土壤總孔隙度和毛管孔隙度以及20—30 cm土層土壤非毛管孔隙度，其中，無論黏土還是壤土，均以大幅度提高土壤非毛管孔隙度最為明顯。因此，深松對土壤孔隙結(jié)構(gòu)的影響主要以增加土壤非毛細管比例為主。土壤非毛細管的增加，一方面加強了土壤的滲水能力，減少了地表徑流，削弱了水土流失的潛在威脅，另一方面也減少了因毛細管作用引起的土壤深層水分蒸發(fā)，既改善了土壤氣體交換條件，又達到了蓄水保墑的效果。

2.2　土壤三相比

旱作農(nóng)業(yè)理想的土壤三相比是固相50%，液相和氣相各占25%[13]，調(diào)節(jié)合理三相比進而為作物生長提供良好的水、熱、氣、肥條件也是耕作和培肥的最終目的。以往通常用土壤容重、孔隙度、硬度、濕度、機械組成等單相、雙相指標(biāo)來描述土壤的結(jié)構(gòu)性能，沒有將土壤三相作為一個有機整體來考慮，不能夠充分理解廣義的土壤結(jié)構(gòu)與功能。本文將土壤三相比作為一個整體置于二維三系圖3中分析，可直觀看出深松作業(yè)下農(nóng)田土壤三相的變化情況。

由圖3可以看出，深松作業(yè)對20—30 cm土層土壤三相的影響比較明顯(p<0.05)，深松處理后，黏土和壤土土壤三相比均迅速向理想三相比逼近，效果較為明顯。與對照相比，黏土總體趨勢表現(xiàn)為：固相、液相比例降低，氣相比例大幅增加；其中，固相比例從59.11%降低至52.59%，液相比例從31.23%降低至23.60%，氣相比例相應(yīng)升高，由9.66%升高至23.81%，主要表現(xiàn)為氣相的增長。壤土與對照相比，深松結(jié)合秸稈還田和深松處理20—30 cm土層土壤三相總體趨勢表現(xiàn)為：固相比例降低，氣相比例增加，液相比例變化不大，主要表現(xiàn)為固、氣相比例的消長；其中，深松結(jié)合秸稈還田處理和深松處理固相比例從57.48%分別降低至49.05%和51.42%，氣相比例由18.97%依次升高至28.04%和26.89%，由此看出，深松作業(yè)本身對農(nóng)田土壤20—30 cm土層起到了疏松改良的作用，氣相比例的大幅增加有效的改善了土壤20—30 cm土層的通氣狀況，調(diào)節(jié)了土壤三相比的關(guān)系，改善了土壤水、肥、氣、熱狀況，為作物的生長發(fā)育創(chuàng)造了一個良好的土壤環(huán)境。

圖3　深松結(jié)合秸稈還田和深松土壤20-30 cm土層范圍內(nèi)土壤三相比的變化

2.3　表層土壤厚度和緊實度

土壤板結(jié)在表層形成薄厚及其形狀各異的結(jié)皮，結(jié)皮的緊實度對土壤性質(zhì)產(chǎn)生著不同程度的影響。圖4a表明，玉米拔節(jié)期，深松結(jié)合秸稈還田處理的土壤表層結(jié)皮厚度相對較薄，僅為0.18 cm，而深松處理和對照的相對較厚，分別達到了1.57和1.83 cm，與前者相比差異均達顯著水平(p<0.01)，深松處理和對照差異不明顯。

注：Ⅰ.播前； Ⅱ.拔節(jié)期； Ⅲ.吐絲期； Ⅳ.灌漿期。 不同大寫字母表示不同處理間土壤結(jié)皮厚度差異極顯著(p<0.01)。

圖4b表明， (1) 在玉米播種期，由于田間耕作措施的影響，3個處理地表土壤緊實度相差不大；隨著生育進程的推進，表層土壤緊實度逐漸升高，播種至拔節(jié)期深松處理和對照升高的幅度較大，而深松結(jié)合秸稈還田處理升高的幅度相對較小。特別是在玉米拔節(jié)期，深松結(jié)合秸稈還田處理和對照處理的土壤緊實度分別達到了78.73和147.21 kPa，較播前分別增加177.16%和315.81%(p<0.01)。隨著氣溫逐漸升高，深松處理及對照由于地表土壤裸露較多，播種至玉米拔節(jié)期降雨時，雨滴直接拍打地表較多，雨后太陽暴曬，這可能是造成地表土壤緊實度在玉米拔節(jié)期迅速升高的原因。地表土壤緊實度高，土壤板結(jié)嚴(yán)重，地表徑流加大，土壤納雨保墑能力降低。而拔節(jié)期正是玉米需水的關(guān)鍵期，此期間缺水對玉米生長將產(chǎn)生非常不利的影響，既影響玉米的長勢也影響雌雄穗的分化，對玉米產(chǎn)量潛力的發(fā)揮造成一定的影響。拔節(jié)到吐絲期，各處理表層緊實度升高的幅度較播種至拔節(jié)期略顯下降，這可能由于此階段茂盛的植株枝葉減緩了雨水對地表的沖濺，同時枝葉的遮蔽也減少了陽光對雨后地表的暴曬。(2) 在玉米各生育時期，深松結(jié)合秸稈還田處理表層土壤的緊實度均低于深松處理和對照，而深松處理又低于對照。在玉米拔節(jié)期，深松結(jié)合秸稈還田處理表層土壤緊實度分別較深松處理和對照降低了45.03%和46.52%(p<0.01)，抽雄吐絲期和灌漿期分別降低了54.24%，59.09%和44.59%，44.18%(p<0.01)。深松處理和對照土壤表層緊實度在各個生育期相差不大，說明了連年的秸稈粉碎還田對于土壤表層結(jié)構(gòu)的保護和改善發(fā)揮了主要作用。土壤的管理措施不同，其所形成的結(jié)皮的厚度均不相同。由此可以看出，秸稈還田對于表層土壤結(jié)構(gòu)影響很大，對于沒有植被保護的土壤，耕作少的土壤在降水以后，形成的結(jié)皮較厚且較為密實，土壤緊實度相對較高；在有植被保護時土壤結(jié)皮的結(jié)構(gòu)較為均一，結(jié)皮比較松脆，土壤緊實度相對較低。說明耕作和地面覆蓋情況對于土壤表層結(jié)構(gòu)的保護和改善具有極為重要的作用

3討論與結(jié)論

(1) 容重是土壤的重要物理性質(zhì)，它影響到土壤的孔隙度與孔隙大小分布以及土壤的穿透阻力。隨土壤容重的增加，土壤團粒結(jié)構(gòu)喪失、土壤孔隙減小、土壤變得緊密堅實，導(dǎo)致土壤滲透性能降低[14]。本研究中深松與深松結(jié)合秸稈還田處理，顯著降低了土壤10—30 cm土層范圍內(nèi)的土壤容重，有利于作物根系的下扎和對土壤深層水分的利用，提高了作物抵御干旱、半干旱區(qū)時常發(fā)生的季節(jié)性干旱的能力。這與齊華等[15]的研究結(jié)果一致。

(2) 土壤的孔隙狀況是土壤結(jié)構(gòu)的重要指標(biāo)，其大小、數(shù)量及分配可以反映土壤結(jié)構(gòu)的好壞。影響孔隙性的主要因素有土壤質(zhì)地、土壤容重、人為干擾的強度等。土壤孔隙的組成直接影響土壤通氣透水性和根系穿插的難易程度，并且對土壤中水、肥、氣、熱和微生物活性等發(fā)揮著不同的調(diào)節(jié)功能。本研究中，深松明顯提高了土壤非毛細管的比例，一方面加強了土壤的滲水能力，減少了地表徑流，削弱了水土流失的潛在威脅，另一方面也減少了因毛細管作用引起的土壤深層水分蒸發(fā)，既改善了土壤氣體交換條件，又達到了蓄水保墑的效果。

(3) 土壤三相比影響土壤的通氣、透水、供水、保水等物理性質(zhì)，亦影響土壤的pH值、陽離子交換量、鹽基飽和度等化學(xué)性質(zhì)，故為評價土壤水、肥、氣、熱相互關(guān)系的重要參數(shù)[16]。深松作業(yè)對土壤三相的影響比較明顯，深松和深松結(jié)合秸稈還田處理下20—30 cm土層土壤三相比均非常接近理想三相比。深松打破了犁地層，改善了土壤的水、肥、氣、熱狀況，為作物的生長發(fā)育創(chuàng)造了一個良好的土壤環(huán)境。

(4) 由于多年來中國重用地輕養(yǎng)地的掠奪式生產(chǎn)方式，表層土壤結(jié)構(gòu)遭到了破壞，土壤板結(jié)現(xiàn)象普遍且較為嚴(yán)重。Singer等[17]認(rèn)為土壤結(jié)皮是在雨滴沖濺和土壤黏粒分散作用下，土表孔隙度被堵塞后形成或挾沙水流流經(jīng)地表時細小顆粒沉淀而形成的一層很薄的土表硬殼。土壤表層由于地表結(jié)皮，減少了降雨入滲和地表糙度，增加了地表徑流[18]，顯著增加表土的抗濺蝕能力[19]。本試驗中，深松結(jié)合秸稈還田明顯的降低了農(nóng)田表層土壤的緊實度和玉米拔節(jié)期土壤表層結(jié)皮厚度，緩解了土壤板結(jié)狀況，提高了農(nóng)田土壤的納雨保墑能力。深松和深松結(jié)合秸稈還田對土壤容重、土壤孔隙度、土壤緊實度、土壤三相及土表結(jié)皮厚度有一定的影響，同時，對土壤有機質(zhì)、pH值以及氮、磷、鉀等養(yǎng)分元素也會發(fā)生很大的變化[20-22]。分析深松結(jié)合連續(xù)多年作物秸稈還田后土壤養(yǎng)分的變化，有利于人工指導(dǎo)農(nóng)田的輸出與補給，有的放矢地合理利用土壤資源。在中國秸稈春季露天焚燒現(xiàn)象較為普遍，屢屢造成重大火災(zāi)，同時也降低了土壤水分和養(yǎng)分[23]，因此需要盡快提升作物秸稈利用技術(shù)。農(nóng)業(yè)循環(huán)經(jīng)濟既是一種新的經(jīng)濟發(fā)展概念，也是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)一個新的增長點。在發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟的過程中，農(nóng)作物秸稈已經(jīng)成為不可或缺的重要資源。因此在以后的試驗中將要進一步研究深松結(jié)合連續(xù)多年作物秸稈還田對土壤化學(xué)性質(zhì)的影響，從而全面了解深松結(jié)合連續(xù)多年作物秸稈還田后土壤性質(zhì)的變化。

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Effects of Subsoiling Tillage and Straw Returning to Field on Soil Physical Properties

ZHANG Li1， ZHANG Zhongdong2， GUO Zhengyu2，

GONG Shuai2， WANG Ruonan1， TAO Hongbin1， WANG Pu1

(1.CollegeofAgricultureandBiotechnology,ChinaAgriculturalUniversity,Beijing100193,China;

2.InstituteofMaize,ShanxiAcademyofAgriculturalSciences,Xinzhou,Shanxi034000,China)

Abstract：[Objective] In order to increase soil moisture conservation in arid and semi-arid areas of China. [Methods] Field experiment combined with indoor analysis was conducted in fluvo-aquic soil(clay) and cinnamon soil(loam) in North Central Shanxi Province.[Results] Subsoiling tillage broke the plow layer, significantly reduced soil bulk density at 10—30 cm soil layer and regulated soil porosity, including increasing soil total porosity, capillary porosity and non-capillary porosity at 10—30 cm soil layers on clay soil. Moreover, soil total porosity and capillary porosity at 10—30 cm soil layer, non-capillary porosity at 20—30 cm soil layer on loam soil were increased. Subsoiling tillage improved soil solid, liquid and gas phase conditions at 20—30 cm soil layer both on clay and loam. Subsoiling tillage with straw incorporated further optimized the farming environment, significantly reduced crust thickness and compaction of surface soil on the jointing stage of maize.[Conclusion] Subsoiling tillage with straw incorporated and subsoiling tillage can alleviate soil hardening conditions of the farming ground and increased rainfall infiltration.

Keywords:maize (Zea mays L.); subsoiling tillage; returning straw to field; soil physical properties

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1000-288X(2015)01-0102-05

中圖分類號：S153

通信作者：王璞(1957—),男(漢族),山西省朔州市人，博士,教授,主要從事作物超高產(chǎn)、高光效、抗逆生理等方面研究。E-mail:wangpu@163.net。

收稿日期：2014-02-24修回日期：2014-03-14

資助項目：國家“十二五”公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科技項目“主要農(nóng)作物抗御季節(jié)性干旱技術(shù)研究與示范”(201203031)

第一作者：張麗(1981—),女(滿族),內(nèi)蒙古自治區(qū)赤峰市人,博士研究生,研究方向為作物抗逆栽培。E-mail：zhangli920@163.com。