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(1.中國(guó)科學(xué)院 東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所，吉林 長(zhǎng)春 130012；2.中國(guó)科學(xué)院 研究生院，北京 100049)

水資源短缺是干旱和半干旱區(qū)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要限制因素之一[1-2]。長(zhǎng)期以來(lái)，水資源匱乏一直影響著我國(guó)干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，而中國(guó)旱地面積占全國(guó)總土地面積的52.5 %[3]。東北半干旱區(qū)水資源有限[4-7]，當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)使用深層承壓水(EC=1 dS·m-1，pH=7.2)灌溉，使地表土壤容易形成板結(jié)，并存在土壤次生鹽漬化風(fēng)險(xiǎn)。此外，該地區(qū)農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施落后，小型農(nóng)機(jī)(小四輪拖拉機(jī))一直是當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)普遍使用的農(nóng)用機(jī)械。小四輪拖拉機(jī)長(zhǎng)期作業(yè)容易形成堅(jiān)硬的波浪型犁底層[8-9]，土壤耕層淺，耕層以下的土壤緊實(shí)，土壤蓄水能力差，土壤水分有效性低[10]。加上東北有大片蘇打鹽漬土分布，土壤水分條件更加惡劣，嚴(yán)重制約當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)發(fā)展，亟須改善。東北地區(qū)是中國(guó)未來(lái)糧食的后備產(chǎn)區(qū)，是中國(guó)重要的商品糧基地，解決制約該區(qū)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的瓶頸問(wèn)題，對(duì)于保護(hù)全國(guó)糧食安全有重要的戰(zhàn)略意義[11]。

有研究結(jié)果表明，深松可有效打破犁底層，提高水分入滲深度[10]和水分利用率，促進(jìn)作物根系生長(zhǎng)發(fā)育[12]，提高作物產(chǎn)量[13]。但深松對(duì)不同土層的密度，含水量和田間持水量的影響不同[14-15]。針對(duì)試驗(yàn)區(qū)干旱缺水和犁底層阻礙水分入滲和作物扎根等問(wèn)題，研究不同深松措施對(duì)打破傳統(tǒng)耕作形成的波浪型犁底層，降低土壤緊實(shí)度，改善深層土壤滲透能力[16-17]等方面的作用，以其為當(dāng)?shù)馗鞔胧┑膬?yōu)化配置和現(xiàn)有農(nóng)機(jī)具的合理組合提供參考。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)地點(diǎn)設(shè)置于吉林省白城市大安市樂(lè)勝鄉(xiāng)長(zhǎng)洪村，中心位置為45°27′N，123°31′E，該區(qū)屬于半濕潤(rùn)半干旱季風(fēng)氣候區(qū)，年平均氣溫4.7 ℃。年降水量為413.7 mm，主要集中在7月到9月。年蒸發(fā)量為1 749 mm，是年降水量的4倍以上，無(wú)霜期142 d。土壤類型為風(fēng)沙土，耕層土壤中砂土占82.0 %，壤土占12.2 %，黏土占5.8 %。2011年，國(guó)家氣象中心農(nóng)業(yè)氣象中心數(shù)據(jù)顯示，吉林西部土壤20 cm處于缺墑或持續(xù)缺墑的狀態(tài)，2011年初至10月下旬，該區(qū)實(shí)際降水量為379 mm(源于http://www.cma.gov.cn/)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)4個(gè)處理：處理1是深松40 cm(S40)；處理2是深松60 cm(S60)；處理3是全方位深松40 cm(SQ40)；處理4是對(duì)照(CK)，不做任何深松處理。處理1 和處理2 都由鑿式深松機(jī)完成，處理3由倒梯形全方位深松機(jī)完成，作業(yè)動(dòng)力是雷沃824拖拉機(jī)。深松處理完成后即開始對(duì)所有處理進(jìn)行起壟播種，壟寬60 cm，株距25 cm，供試作物是高粱(Sorghumvulgare)，品種是“鳳雜四號(hào)”，不同處理試驗(yàn)地的田間管理措施相同。

1.3 測(cè)試分析方法

分別在試驗(yàn)處理布置完成后(5月19日)和作物成熟后(10月22日)對(duì)壟臺(tái)進(jìn)行密度，孔隙度，緊實(shí)度，土壤飽和導(dǎo)水率以及土壤含水量等指標(biāo)測(cè)試，并且對(duì)作物產(chǎn)量和根系做了采樣分析，每次測(cè)試均為3次重復(fù)。密度采用環(huán)刀法測(cè)試，孔隙度計(jì)算可得，緊實(shí)度采用土壤緊實(shí)度儀SC-900實(shí)地測(cè)得，土壤飽和導(dǎo)水率使用Guelph入滲儀實(shí)地監(jiān)測(cè)，并采用雙水頭法計(jì)算飽和導(dǎo)水率，土壤按0～20 cm，20 cm～40 cm，40 cm～60 cm，60 cm～80 cm，80 cm～100 cm分層采樣，其含水量采用烘干法測(cè)定。利用EXCEL和SPSS 17.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計(jì)分析，并用Origin 8.0作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 深松對(duì)土壤密度和孔隙度的影響

旱田起壟后，深松處理的壟臺(tái)耕層土壤受起壟和深松的雙重作用，其密度有明顯下降趨勢(shì)，深松僅能打破堅(jiān)硬的犁底層土塊，并未粉碎，其密度變化不明顯。密度和孔隙度結(jié)果如表1所示?？梢钥闯觯杭旧钏膳c起壟的擾動(dòng)作用促使耕層土壤密度降低，孔隙度增大，未深松的土壤經(jīng)過(guò)起壟作業(yè)也可以明顯降低耕層土壤密度。結(jié)果表明，起壟作業(yè)是耕層土壤密度降低和孔隙度增大的主要原因，深松對(duì)犁底層土壤密度有降低作用，但是效果不明顯，與王俊河等的研究結(jié)果一致[18]。

經(jīng)過(guò)一個(gè)作物生長(zhǎng)期，土壤自身的沉積和壓實(shí)作用，耕層土壤密度有所增加，深松處理耕層土壤密度比春季增加了20.8 %，孔隙度降低了13.5 %，達(dá)到了差異顯著水平(p<0.05)，犁底層土壤密度增加了3.1 %，孔隙度降低了2.2 %，差異不明顯；未深松處理耕層土壤密度比春季增加了17.8%，孔隙度降低了12.7 %，達(dá)到了差異顯著水平(p<0.05)，犁底層土壤密度增加了3.0 %，孔隙度降低了3.4 %，差異不明顯。 結(jié)果表明，耕層土壤密度和孔隙度在作物生長(zhǎng)期前后變化幅度大，說(shuō)明作物生長(zhǎng)期的管理措施和土壤自身的壓實(shí)作用對(duì)耕層土壤密度和孔隙度影響顯著，而對(duì)犁底層的影響不明顯。土壤有自身平衡作用，將最終達(dá)到一個(gè)較穩(wěn)定狀態(tài)。

表1 深松后每個(gè)土層的密度和孔隙度Tab.1 Soil density and porosity of each layer after sub-soiling

注：小寫字母表示置信度為95%時(shí)的多重比較結(jié)果。下同。

2.2 深松對(duì)土壤緊實(shí)度的影響

長(zhǎng)期單一的耕作制度導(dǎo)致土壤緊實(shí)[19]，深松可有效降低土壤緊實(shí)度[18]。春秋兩季的土壤緊實(shí)度，如表2所示?？梢钥闯?，土壤耕層0～15 cm內(nèi)不同處理的緊實(shí)度差異不顯著。15 cm～25 cm則是長(zhǎng)期耕作產(chǎn)生的犁底層，可以看出對(duì)照均比各處理緊實(shí)度值大，且達(dá)到差異顯著水平(p<0.05)；鑿式深松比全方位深松更利于降低犁底層土壤緊實(shí)度，影響更為顯著(p<0.05)。對(duì)于犁底層以下的土層來(lái)說(shuō)對(duì)照均比各處理緊實(shí)度值大，且都達(dá)到了差異顯著水平(p<0.05)，說(shuō)明各深松處理均能有效降低各層土壤緊實(shí)度，鑿式深松比全方位深松更能有效地打破堅(jiān)硬的犁底層，與石彥琴等的研究結(jié)果一致[18-19]。

表2 深松后每個(gè)土層的緊實(shí)度Tab.2 Soil compactness of each layer after sub-soiling

秋季田間測(cè)定的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，不同處理未對(duì)0～15 cm土層的緊實(shí)度產(chǎn)生顯著影響。各深松處理15 cm～25 cm犁底層緊實(shí)度均小于對(duì)照，且達(dá)到差異顯著水平(p<0.05)；鑿式深松土壤的緊實(shí)度小于全方位深松，但差異未達(dá)到顯著水平。對(duì)于犁底層以下的土壤，對(duì)照均比各深松處理緊實(shí)度值大，且都達(dá)到差異顯著水平(p<0.05)，只有S40與SQ40在35 cm～45 cm的緊實(shí)度與對(duì)照是差異顯著水平。說(shuō)明經(jīng)過(guò)一個(gè)作物生長(zhǎng)期，各處理的各層土壤緊實(shí)度有一定的沉積壓實(shí)現(xiàn)象，但是變化不顯著。

2.3 深松對(duì)土壤含水量的影響

整個(gè)生長(zhǎng)季降水主要集中在6-7月，有效降水約250 mm，表3為春秋兩季所測(cè)得的土壤含水量?？梢钥闯?，在春季灌溉前，處理1，處理2和處理3對(duì)耕層土壤含水量的影響不明顯，分別比對(duì)照含水量多出了12.7 %，13.0 %和10.4 %；但是對(duì)20 cm～40 cm土層土壤含水量的影響顯著，處理1，處理2，處理3分別比對(duì)照含水量多出了2.0 %，18.0 %，7.8 %，其中S60與對(duì)照達(dá)到差異顯著水平(p<0.05)。由此可得出，3種耕作措施都可以增加耕層土壤水分含量，而且深松深度越大對(duì)犁底層土壤破壞性越大，犁底層土壤保墑效果越好。對(duì)于犁底層以下的土壤來(lái)說(shuō)，含水量的多少對(duì)土體的保墑作用有很大的影響?？梢钥闯?，S60對(duì)40 cm～60 cm土層的土壤含水量影響顯著，SQ40次之，S40效果不明顯，說(shuō)明S60處理對(duì)增加犁底層以下土壤含水量的效果最佳，其次是SQ40和S40。對(duì)于深松機(jī)達(dá)不到的深層土壤60 cm～100 cm，各處理與對(duì)照間土壤含水量差異不顯著。

秋季的有效降水幾乎為零，經(jīng)過(guò)了5個(gè)多月的農(nóng)田管理，各個(gè)處理不同土層的土壤含水量有了明顯的變化，經(jīng)過(guò)深松處理的土壤耕層含水量顯著高于對(duì)照(p<0.05)，說(shuō)明經(jīng)過(guò)深松處理的土壤耕層保墑效果好，水分條件得到改善。S40在20 cm～40 cm土層的含水量都較其他處理高，見表3。而在40 cm～60 cm土層各處理均比對(duì)照含水量大，且SQ40與對(duì)照達(dá)到差異顯著水平(p<0.05)，說(shuō)明土壤水分能容易到達(dá)深松機(jī)所耕作到的底部，而未深松到的深層土壤入滲效果較差。60 cm～100 cm土層各處理間含水量差異不明顯，說(shuō)明深松對(duì)深層土壤的水分條件改善效果不明顯。

表3 深松后每個(gè)土層土壤含水量Tab.3 Soil water content of each layer after sub-soiling

2.4 深松對(duì)田間飽和導(dǎo)水率的影響

圖1 不同處理的土壤飽和導(dǎo)水率Fig.1 Soil saturated hydraulic conductivity in different treatments

田間飽和導(dǎo)水率是衡量土壤導(dǎo)水能力的重要指標(biāo)，對(duì)調(diào)節(jié)土壤含水量和預(yù)防干旱有重要的指導(dǎo)作用[20]。土壤是個(gè)多孔介質(zhì)[21]，深松處理更能增加土壤孔隙度，從而增加土壤的導(dǎo)水性能。由于S40和S60均是鑿式深松處理，對(duì)耕層和犁底層田間飽和導(dǎo)水率的作用差異不明顯，分別對(duì)耕層和犁底層田間飽和導(dǎo)水率進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如圖1所示。

深松處理對(duì)田間飽和導(dǎo)水率的影響明顯，鑿式深松與全方位深松處理耕層田間飽和導(dǎo)水率分別比對(duì)照增加了294.1 %和37.7 %，犁底層土壤的田間飽和導(dǎo)水率分別比對(duì)照增加了476.9 %和128.6%。結(jié)果表明，春耕前的土壤導(dǎo)水性能差，深松處理不僅對(duì)耕層土壤導(dǎo)水性能有很大的改善作用，而且對(duì)犁底層有一定的破壞作用，鑿式深松比全方位深松的破壞效果更為顯著，可以顯著增強(qiáng)土壤的導(dǎo)水性能。

2.5 深松對(duì)作物的影響

犁底層阻礙作物根系的生長(zhǎng)，深松處理可打破犁底層，改善深層土壤水分條件，改變根系在土壤中的分布[22]，對(duì)作物根系生長(zhǎng)有積極作用[23]。不同處理間根長(zhǎng)，根質(zhì)量，根數(shù)及產(chǎn)量的差異如表4所示。

表4 深松對(duì)作物的影響Tab.4 The influence of sub-soiling to crops

由表4得出，深松處理對(duì)作物根系數(shù)量沒(méi)有顯著影響，但對(duì)根長(zhǎng)和根質(zhì)量有較明顯的作用。S60根長(zhǎng)能達(dá)到24 cm，根質(zhì)量達(dá)到76.3 g，與其他處理相比，根長(zhǎng)均達(dá)到差異顯著水平(p<0.05)，而S40和SQ40根長(zhǎng)分別比對(duì)照增加了12.4 %和17.2 %，根質(zhì)量分別增加了33.3 %和102.9 %。可以看出，不同處理對(duì)作物根系生長(zhǎng)的促進(jìn)作用不同，其效果由大到小依次是：S60>SQ40>S40。由于不同處理間土壤水分含量不同，產(chǎn)量也有所差異，與對(duì)照相比，S40增產(chǎn)12.8 %，S60增產(chǎn)19.7 %，SQ40增產(chǎn)22.6 %，不同深松處理均有顯著的增產(chǎn)作用。

3 討 論

耕作是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)不可或缺的部分，適當(dāng)?shù)母髂芙档屯寥赖木o實(shí)度，增加土壤通氣透水能力和提高土壤保墑能力。深松和起壟作業(yè)能有效降低耕層土壤密度，增加耕層土壤的孔隙度，但對(duì)犁底層土壤密度和孔隙度改善不明顯；鑿式深松和全方位深松對(duì)降低土壤緊實(shí)度均有顯著影響，鑿式深松比全方位深松更能有效地打破犁底層，S60比S40對(duì)打破犁底層效果更佳。作物生長(zhǎng)期結(jié)束時(shí)，各土層的緊實(shí)度相對(duì)變化不明顯。深松處理比對(duì)照更能增加土壤水分，水分可以較容易的入滲到深松機(jī)所能到達(dá)的土層，而更深層的土壤含水量處理間差異不顯著。對(duì)于作物而言，深松處理并不能較好的增加作物根系數(shù)量，但對(duì)增加根系的重量和長(zhǎng)度都有顯著影響，其中S60對(duì)作物的根系生長(zhǎng)發(fā)育效果最佳，SQ40次之，S40效果最差，對(duì)產(chǎn)量增加也有顯著作用，其作用大小依次是SQ40>S60>S40。

深松處理能改善作物生長(zhǎng)所需要的土壤物理?xiàng)l件，為作物提供更多的養(yǎng)分和水分，促進(jìn)作物根系生長(zhǎng)和增產(chǎn)。但是，由于當(dāng)?shù)氐纳a(chǎn)力水平并沒(méi)有顯著提高，小型農(nóng)用機(jī)械仍然是主要的農(nóng)用工具，還會(huì)逐漸形成波浪型犁底層。所以有必要加強(qiáng)土壤深松的頻率以阻礙犁底層的再次形成。

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