耕作方式和土壤類型對皖北旱作農(nóng)田土壤緊實(shí)度的影響

葛 暢,劉慧琳,張世文,聶超甲,黃元仿,丁雪嬌

(1.安徽理工大學(xué) 地球與環(huán)境學(xué)院,安徽 淮南 232001; 2.中國農(nóng)業(yè)大學(xué),北京 100193 )

土壤緊實(shí)度又叫土壤硬度或土壤穿透阻力，是土壤性質(zhì)的一個方面，是指土壤抵抗外力的壓實(shí)和破碎的能力，一般用金屬柱塞或探針壓入土壤時的阻力表示[1-3]。長期機(jī)械化耕作以及單一耕作、施肥和種植方式導(dǎo)致我國大部分糧食主產(chǎn)區(qū)農(nóng)田出現(xiàn)明顯的影響作物生長的土壤物理障礙，主要表現(xiàn)在耕層變薄，犁底層加厚，孔隙度和滲透性降低，土壤緊實(shí)度增加，機(jī)耕阻力加大，加劇土壤侵蝕，作物根系生長受阻，導(dǎo)致土壤環(huán)境破壞，作物產(chǎn)量降低等[4-5]。

有關(guān)土壤緊實(shí)障礙相關(guān)研究已經(jīng)開展較多，主要涉及土壤緊實(shí)發(fā)生原因及影響因素、緊實(shí)度對作物根系生長的影響、土壤緊實(shí)的防治措施等方面。由于國外農(nóng)業(yè)機(jī)械化程度較高，農(nóng)業(yè)機(jī)具對土壤緊實(shí)度的影響問題比較突出，因此已開展較長時間的相關(guān)研究，主要研究集中在壓實(shí)土壤的恢復(fù)過程，緊實(shí)度變化規(guī)律及影響因素，耕作方式對土壤緊實(shí)度的影響，機(jī)械對土壤壓實(shí)的作用效果，以及土壤緊實(shí)度變化對土壤理化性質(zhì)，植物、微生物生長發(fā)育的影響[6-12]。國內(nèi)對土壤緊實(shí)度的研究主要集中于以下幾個方面，研究土壤緊實(shí)度對土壤理化性狀，農(nóng)田耕層變化及耕層緊實(shí)度變化，緊實(shí)度對作物生長發(fā)育及作物產(chǎn)量和品質(zhì)等的影響，以及影響緊實(shí)度的因素及其影響強(qiáng)度[13-25]。而對土壤緊實(shí)度變化規(guī)律，耕層及犁底層遷移等研究較少。

針對以上不足之處，并參考前人研究，本文以皖北旱作區(qū)農(nóng)田土壤為研究對象，對農(nóng)田土壤緊實(shí)度的梯度變化特征進(jìn)行初步研究。并結(jié)合土壤類型及耕作方式對皖北旱作區(qū)農(nóng)田耕層厚度及緊實(shí)度狀況進(jìn)行對比分析，同時探究土壤容重和土壤含水量對土壤緊實(shí)度變化的影響。研究成果將為后續(xù)探究土壤結(jié)構(gòu)變化過程及規(guī)律，旱作區(qū)耕層及犁底層變化遷移過程提供依據(jù)，對改善皖北旱作區(qū)農(nóng)田質(zhì)量狀況提供數(shù)據(jù)理論支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

皖北，安徽省北部的簡稱，東靠江蘇，西連河南，北望山東。地勢以平原為主，擁有廣袤的淮北平原，皖北包括宿州、淮北、蚌埠、阜陽、淮南、亳州6個省轄市。皖北地區(qū)位于暖溫帶南緣，屬暖溫帶半濕潤季風(fēng)氣候。季風(fēng)明顯，四季分明，氣候溫和，雨量適中。皖北地區(qū)主要土壤類型有潮土、砂姜黑土、黃褐土、褐土等，其中最主要的是潮土和砂姜黑土，兩者面積占全區(qū)的87.8%。皖北主要種植制度為兩年三熟，主要種植作物有小麥、玉米、大豆、甘薯等。

1.2 數(shù)據(jù)獲取與處理

為探明皖北旱作區(qū)農(nóng)田土壤主要理化性質(zhì)，以皖北旱作區(qū)25個縣的農(nóng)田土壤為研究對象，綜合考慮土壤類型、耕地質(zhì)量、土壤黏粒含量等因素，采用網(wǎng)格布點(diǎn)加分層抽樣的方法進(jìn)行采樣，同時，調(diào)查采樣點(diǎn)耕作方式，種植制度，作物類型等信息。共29個采樣點(diǎn)，其中，旋耕采樣點(diǎn)18個，翻耕采樣點(diǎn)11個；潮土采樣點(diǎn)8個，砂姜黑土采樣點(diǎn)21個。測量采樣點(diǎn)以下數(shù)據(jù)：通過SC-900土壤緊實(shí)度測定儀測量土壤緊實(shí)度，空間分辨率為2.5 cm，分層測量0—40 cm土壤緊實(shí)度，采樣過程中由同一人測試土壤緊實(shí)度，盡量消除誤差影響；土壤容重的測定采用環(huán)刀法(體積為100 cm3)，分別測定0—10 cm，10—20 cm，20—30 cm，30—40 cm四層土壤容重；土壤含水量的測定采用烘干法，測量0—10 cm，10—20 cm，20—30 cm，30—40 cm四層土壤質(zhì)量含水量；以上參數(shù)每個點(diǎn)設(shè)置3個重復(fù)，取平均值。

采用SPSS 21．0軟件對土壤緊實(shí)度指標(biāo)進(jìn)行描述性統(tǒng)計分析，通過均值比較和相關(guān)分析揭示土壤緊實(shí)度變化與耕作方式、土壤類型之間的關(guān)系，以及土壤容重和土壤含水量變化對土壤緊實(shí)度的影響。

2 結(jié)果與分析

2.1 耕作方式及土壤類型對土壤緊實(shí)度的影響

2.1.1 耕作方式及土壤類型對不同深度土壤緊實(shí)度的影響 土壤緊實(shí)度是田塊所在區(qū)域位置、地形、土壤類型等自然因素與作物類型、耕作方式、種植制度、耕作管理方式等人為因素的綜合反映[6]。不同的耕作方式與土壤類型，土壤緊實(shí)度差異很大，本研究按照皖北旱作區(qū)不同耕作方式、土壤類型，繪制采樣點(diǎn)平均土壤緊實(shí)度隨土層深度變化圖(圖1)。

由圖1A可知，全區(qū)土壤緊實(shí)度隨土層深度的增加呈先增加后穩(wěn)定的規(guī)律，在20 cm以后逐漸趨于平穩(wěn)，這和劉武仁[24]等人的研究結(jié)論相同。耕作方式對土壤緊實(shí)度影響很大，旋耕在30 cm之前各層土壤緊實(shí)度普遍大于翻耕地區(qū)，在30 cm以后，翻耕土壤緊實(shí)度超過了旋耕土壤，這是因?yàn)樾r(nóng)機(jī)對深層土壤的壓實(shí)作用小于翻耕農(nóng)機(jī)。由圖1B數(shù)據(jù)表明，不同土壤類型對土壤緊實(shí)度的影響作用明顯，潮土和砂姜黑土的緊實(shí)度均隨土層深度的增加呈先增加后穩(wěn)定的狀態(tài)，這和圖1A規(guī)律一致，兩種土壤類型各深度的土壤緊實(shí)度的差異明顯，各土層深度下，砂姜黑土土壤緊實(shí)度均小于潮土，且隨著深度的增加，二者之間的差距逐漸增大，在20 cm以后兩者土壤緊實(shí)度差距逐漸趨于穩(wěn)定。同一土壤類型，不同耕作方式下，土壤緊實(shí)度的變化規(guī)律(圖1C)與圖1A一致，翻耕土壤前期各層土壤緊實(shí)度均小于旋耕土壤，當(dāng)超過30 cm以后，翻耕土壤各層緊實(shí)度大于旋耕土壤。翻耕潮土與旋耕潮土各層緊實(shí)度差異明顯，尤其是10—20 cm；旋耕與翻耕砂姜黑土緊實(shí)度變化過程與上文規(guī)律(圖1A)一致，但二者之間差異不大，可見耕作方式對不同土壤類型的影響作用具有差別，耕作方式對潮土的影響作用大于對砂姜黑土的影響作用。

由圖1可知，不同土壤類型與不同耕作方式下土壤平均緊實(shí)度隨深度增加而增加，在20 cm處達(dá)到頂峰，在22.5 cm處均出現(xiàn)下降，而后趨于穩(wěn)定，研究認(rèn)為，皖北旱作區(qū)農(nóng)田存在明顯的犁底層，且犁底層下限在22.5 cm左右，具體犁底層厚度及范圍還需進(jìn)一步研究。

2.1.2 耕作方式及土壤類型對耕層深度及耕層緊實(shí)度的影響 土壤耕層是指農(nóng)田中經(jīng)常耕翻的土層，厚者可達(dá)30 cm，薄者只有6～7 cm，土壤耕層是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要物質(zhì)條件，直接關(guān)系到作物的高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)和農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[14]。根據(jù)土壤緊實(shí)度突變層，結(jié)合土壤剖面數(shù)據(jù)，得到皖北地區(qū)全區(qū)及不同土壤類型、不同耕作方式下土壤耕層深度和耕層緊實(shí)度統(tǒng)計數(shù)據(jù)(表1)。

注：圖A表示研究區(qū)總體及不同耕作方式下土壤緊實(shí)度垂直變化，圖B表示不同土壤類型下土壤緊實(shí)度垂直變化，圖C表示不同耕作方式不同土壤類型下土壤緊實(shí)度垂直變化。

圖1 耕作方式與土壤緊實(shí)度

注：同組內(nèi)數(shù)據(jù)后標(biāo)有不同大小寫字母表示在5%水平上差異顯著。

由表1可知，從整體來看，皖北土壤耕層深度平均為14.14 cm左右，最深可達(dá)20.0 cm，最淺只有7.5 cm。土壤特性變異性用變異系數(shù)(%)的大小來反映，變異系數(shù)≤10%為弱變異性，10%<變異系數(shù)<100%為中等變異性，變異系數(shù)≥100%為強(qiáng)變異性[15]。由此可知全區(qū)土壤變異程度均為中等變異。其中，旋耕平均耕層深度為12.50 cm，翻耕平均耕層深度為16.82 cm，為旋耕的1.34倍，數(shù)據(jù)表明旋耕確實(shí)會使得土地耕層變淺，翻耕可增加土壤耕層深度，改善土壤結(jié)構(gòu)，有利于作物根系向深層生長，增加作物產(chǎn)量。全區(qū)耕層平均土壤緊實(shí)度為573.63 kPa，最高1 263.17 kPa，最低238.00 kPa，變異程度為中等變異，緊實(shí)度適宜農(nóng)作物生長[19-21]，翻耕采樣點(diǎn)耕層土壤緊實(shí)度平均值為614.79 kPa，旋耕則為548.48 kPa，小于翻耕，是因?yàn)榉母麑悠骄疃却笥谛@也和石磊[15]等人研究結(jié)論相一致。無論是潮土還是砂姜黑土，其平均耕層深度(表1)都在14 cm左右，差別不大；潮土耕層緊實(shí)度最大值為1 263.17 kPa，最小值為328.80 kPa，耕層緊實(shí)度平均值為730.54 kPa，而砂姜黑土耕層緊實(shí)度最大值為1 059.57 kPa，最小值為238.00 kPa，耕層緊實(shí)度平均值為513.86 kPa，在相似的耕層深度下，潮土耕層平均緊實(shí)度是砂姜黑土的1.42倍，研究表明，不同土壤類型對土壤耕層緊實(shí)度具有不同的影響。

同一土壤類型下，對潮土來說，旋耕潮土耕層深度平均為12.00 cm，翻耕潮土為19.17 cm，是旋耕潮土的1.60倍，而旋耕砂姜黑土耕層深度平均為12.69 cm，翻耕砂姜黑土為15.94 cm，是旋耕的1.26倍；翻耕潮土和旋耕潮土的耕層平均緊實(shí)度分別為721.85 kPa和735.75 kPa，翻耕砂姜黑土和旋耕砂姜黑土的耕層平均緊實(shí)度分別為574.64 kPa和476.46 kPa。對兩種土壤，翻耕土壤耕層深度均大于旋耕，長期翻耕對增加耕層深度有顯著作用；耕作方式對不同土壤類型耕層平均緊實(shí)度的影響作用不同，翻耕潮土平均耕層深度是旋耕潮土的1.60倍，而平均耕層緊實(shí)度略小于旋耕潮土，翻耕砂姜黑土平均耕層深度是旋耕砂姜黑土的1.26倍，平均耕層緊實(shí)度是旋耕砂姜黑土的1.21倍，研究表明，不同耕作方式對不同土壤類型耕層深度和耕層緊實(shí)度影響作用明顯不同。

孩子記憶的黃金時間是16歲之前，要充分利用這個階段，讓孩子多記誦大量的經(jīng)典文章、名言佳句，從小奠定堅實(shí)的語文根底。如果不能在孩子們閱讀背誦的“童子功”階段引導(dǎo)他們走向閱讀的“海闊天空”，讓他們在書中與歷史對話、與高尚交流、與智慧撞擊，從而打下沉實(shí)、厚重的文學(xué)素養(yǎng)、人文素養(yǎng)的基礎(chǔ)，將來孩子就很難成為高尚的、文明的，具有創(chuàng)造性的現(xiàn)代人。

2.2 土壤容重和土壤含水量對土壤緊實(shí)度的影響

2.2.1 不同深度土壤容重與土壤含水量的變化 為研究土壤緊實(shí)度變化與土壤容重和含水量變化之間的關(guān)系，將土壤緊實(shí)度分成0—10 cm，10—20 cm，20—30 cm，30—40 cm四層求各層平均值(表2)。

表2 土壤容重、緊實(shí)度和含水量變化

注：同組內(nèi)數(shù)據(jù)后標(biāo)有不同小寫字母表示在5%水平上差異顯著。

由表2可知，研究區(qū)土壤容重整體偏高，隨著土層深度的增加，容重呈先增加后減少的趨勢，表層0—10 cm土壤平均容重為1.48 g/cm3為四層最小，10—20 cm土壤容重最高，其平均值為1.56 g/cm3，20—30 cm土壤和30—40 cm土壤逐漸降低，四層變異程度均為弱變異程度。

研究區(qū)土壤含水量隨深度增加呈先減少后增加的趨勢，整體偏高，表層0—20 cm平均土壤含水量逐漸減少，10—20 cm土層含水量最小，為20.33%，20—40 cm土層土壤含水量逐漸增加，30—40 cm 土層土壤含水量最大為23.04%，四層變異程度均為中度變異。

2.2.2 水平方向上土壤容重及含水量對土壤緊實(shí)度的影響 為研究水平方向土壤容重和土壤含水量的變化對土壤緊實(shí)度變化的影響，按土壤容重或土壤含水量變化將每一層為三組，保證每組具有相似數(shù)量的樣本數(shù)，取每組容重、含水量和緊實(shí)度平均值(表3)。

由表3可得，各層土壤容重越大，緊實(shí)度越大，這和翟振[25]等人的研究相一致。每一層土壤第一組到第二組之間隨著容重的增加，緊實(shí)度雖然有增加，但提升不大，而第二組到第三組之間緊實(shí)度增加明顯，可見雖然容重的增加會使緊實(shí)度增加，但相同土層深度，不同容重增長階段對緊實(shí)度的影響作用不同；不同土層深度下，相同土壤容重增長階段對緊實(shí)度的影響也不同，10—20 cm土層與20—30 cm土層第一組之間土壤容重變化大體相同，但土壤緊實(shí)度差別卻很大；研究認(rèn)為，各層土壤在土壤容重大于1.55 g/cm3以后，土壤容重的變化對土壤緊實(shí)度變化的影響作用明顯。

土壤含水量的變化對土壤緊實(shí)度影響作用復(fù)雜，0—10 cm和10—20 cm土層，土壤緊實(shí)度隨著土壤含水量的增加而增大，但增幅不大，土壤容重則是先增加后減少，20—30 cm和30—40 cm土層，隨著土壤含水量的增加，土壤緊實(shí)度先增加后降低，增加和降低幅度均很明顯，土壤容重隨土壤含水量的增加先增加后減少。含水量對緊實(shí)度的影響作用復(fù)雜，受土層深度、土壤容重等很多因素的影響，土層深度、土壤容重、含水量的變化階段等的不同都會影響含水量對緊實(shí)度作用效果，由表3可知，在0—10 cm土壤含水量變化對土壤緊實(shí)度的影響作用大于土壤容重對土壤緊實(shí)度影響的作用，隨著土層深度的增加，土壤含水量對土壤緊實(shí)度影響的作用越來越小，土壤容重影響作用逐漸增加，具體影響機(jī)制仍需后續(xù)研究。

表3 土壤容重及含水量分組

注：同組內(nèi)數(shù)據(jù)后標(biāo)有不同小寫字母表示在5%水平上差異顯著，下同。

2.2.3 垂直方向上土壤容重及含水量對土壤緊實(shí)度的影響 為研究垂直方向土壤容重和土壤含水量的變化對土壤緊實(shí)度變化的影響，把0—10 cm，10—20 cm，20—30 cm，30—40 cm土層分別記作1，2，3，4層，將每個采樣點(diǎn)相鄰?fù)翆油寥谰o實(shí)度、容重、含水量以下層減上層做差，得到每個采樣點(diǎn)相鄰兩土層之間土壤容重、含水量和緊實(shí)度的垂直差，并將每一垂直差層按土壤容重或土壤含水量分為三組，保證每組具有相似數(shù)量的樣本數(shù)，取每組容重、含水量和緊實(shí)度垂直差的平均值代表該組整體變化量(表4)。

表4土壤容重及含水量垂直差分組

類 別按土壤容重垂直差分組分組范圍/(g·cm-3)土壤緊實(shí)度/kPa容重/(g·cm-3)含水量/%按土壤含水量垂直差分組分組范圍/%土壤緊實(shí)度/kPa容重/(g·cm-3)含水量/%<0.05691.31b-0.004-0.98<-41164.08a0.129-5.142～1層0.5～0.1790.65b0.069-2.45-4～-2837.28b0.129-3.31≥0.11162.93a0.178-4.27≥-2715.21b0.020-0.27總體888.190.084-2.62總體888.190.084-2.62<-0.05260.10a-0.0801.44<0274.19a-0.038-0.833～2層-0.05～0325.72a-0.0251.700～2302.48a-0.0140.58≥0345.75a0.0341.74≥2348.93a-0.0174.74總體310.69-0.0221.08總體310.69-0.0221.08<-0.03111.30ab-0.0934.24<04.69a0.046-0.834～3層-0.03～0222.14a-0.0140.520～263.75a0.0070.58≥0-40.98b0.0500.09≥2143.75a-0.0864.74總體75.04-0.0151.62總體75.04-0.0151.62

由表4可知，隨著土壤容重的增大，土壤含水量的減小，土壤緊實(shí)度逐漸增加，土壤容重的變化與土壤緊實(shí)度變化呈正相關(guān)，土壤含水量變化與土壤緊實(shí)度變化之間呈負(fù)相關(guān)，且土壤容重增加的幅度越大，含水量減小的幅度越大，土壤緊實(shí)度增加的幅度也越大，這種趨勢在2～1層尤為明顯(p<0.05)，但隨著土層深度增加，土壤容重和土壤含水量變化對土壤緊實(shí)度的影響作用逐漸減小，研究認(rèn)為，隨著深度的增加，土層深度對土壤緊實(shí)度的影響作用逐漸占據(jù)主導(dǎo)，且土壤容重與含水量之間的相互影響作用也是造成該趨勢減弱的原因。垂直方向上本研究只考慮土壤容重和土壤含水量的變化對緊實(shí)度變化的影響，分析垂直方向上土壤容重和土壤含水量變化對緊實(shí)度變化的趨勢關(guān)系，土壤緊實(shí)度與土壤容重和含水量三者之間的相互作用以及其他影響因素的影響作用仍需進(jìn)一步研究。

3 結(jié) 論

(1) 皖北旱作區(qū)農(nóng)田土壤緊實(shí)度隨土層深度的增加呈先增加后穩(wěn)定的規(guī)律，在20 cm以后逐漸趨于平穩(wěn)；土壤耕層深度平均為14.14 cm左右，耕層較淺，耕層平均緊實(shí)度為573.63 kPa；皖北旱作區(qū)農(nóng)田存在明顯的犁底層，且犁底層下限在22.5 cm左右，犁底層具體厚度及范圍還需進(jìn)一步研究。

(2) 對于不同耕作方式，在30 cm之前旋耕土壤緊實(shí)度大于翻耕地區(qū)，在30 cm以后，翻耕超過旋耕土壤。旋耕平均耕層深度為12.50 cm，翻耕平均耕層深度為16.82 cm，為旋耕的1.34倍，旋耕確實(shí)會使得土地耕層變淺，翻耕可增加土壤耕層深度，降低土壤緊實(shí)度。

(3) 對于不同土壤類型，砂姜黑土各土層深度土壤緊實(shí)度均小于潮土，隨著深度的增加，二者之間的差距逐漸增大。同一土壤類型下，翻耕土壤耕層深度均大于旋耕，翻耕耕層平均深度分別是旋耕的1.60倍(潮土)和1.26倍(砂姜黑土)，可見不同土壤類型下不同耕作方式對耕層深度和耕層緊實(shí)度影響作用明顯不同。

(4) 隨著土層深度的增加，土壤容重呈先增加后減少，土壤含水量呈先減少后增加的趨勢。水平方向上土壤容重變化與土壤緊實(shí)度呈正相關(guān)，各層土壤在土壤容重大于1.55 g/cm3以后，土壤容重的變化對土壤緊實(shí)度變化的影響作用明顯；土層深度、土壤容重、含水量的變化階段等的不同都會影響含水量對緊實(shí)度作用效果。垂直方向上土壤緊實(shí)度變化與土壤容重的變化呈正相關(guān)，與土壤含水量變化之間呈負(fù)相關(guān)，但隨著土層深度增加，土壤容重和土壤含水量變化對土壤緊實(shí)度的影響作用逐漸減小。土壤緊實(shí)度與土壤容重和含水量三者之間的相互作用以及其他影響因素的影響作用仍需進(jìn)一步研究。