高愛(ài)民，吳勁鋒，戴飛，張鋒偉，韓正晟

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

土壤壓實(shí)只可防御不可避免[1]。土壤一經(jīng)壓實(shí)不可完全恢復(fù)[2-5]。研究發(fā)現(xiàn)，割草機(jī)壓實(shí)土壤并導(dǎo)致了苜蓿產(chǎn)量的減少[6]，土壤壓實(shí)引起土壤結(jié)構(gòu)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(dǎo)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(shí)間推遲、出苗率降低、幼苗死亡率上升，嚴(yán)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(dòng)和酶的活性受到壓實(shí)影響、生物多樣性受到壓實(shí)破壞[10]；土壤壓實(shí)還改變土壤元素移動(dòng)、影響碳氮循環(huán)、改變溫室氣體排放量、加劇水土流失，對(duì)生態(tài)環(huán)境造成了極大破壞，嚴(yán)重威脅人類(lèi)糧食安全和土壤的可持續(xù)發(fā)展[7,11]。德國(guó)Berry[12]研究表明，土壤壓實(shí)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(shí)，對(duì)作物產(chǎn)量發(fā)生明顯的影響。Sin[13]研究表明，壓實(shí)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(shí)蚯蚓洞穴數(shù)量是土壤孔隙度47.5%、56%時(shí)的2倍，壓實(shí)可使CO2排放量有一定程度的降低，但由于機(jī)械的大量使用排放到大氣中的CO2總量大幅增加。Bakken等[15]對(duì)測(cè)定75 d中反硝化釋放的氮在壓實(shí)土壤15～20 kg/hm2與未壓實(shí)土壤3～5 kg/hm2進(jìn)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(jià)值最高的優(yōu)質(zhì)牧草，機(jī)械化苜蓿收獲過(guò)程中草業(yè)機(jī)械種類(lèi)多、機(jī)型大、載荷重，進(jìn)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(gè)種植期內(nèi)，機(jī)器進(jìn)地次數(shù)極高，且整個(gè)種植期內(nèi)土壤不再耕作，故機(jī)械化收獲苜蓿會(huì)不斷加劇苜蓿地的土壤壓實(shí)，影響苜蓿生長(zhǎng)發(fā)育[16-19]。土壤壓實(shí)對(duì)苜蓿生長(zhǎng)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(shí)行科學(xué)管理，降低壓實(shí)危害。為此，本研究以通過(guò)對(duì)紐荷蘭HW320型自走式割草機(jī)在苜蓿收獲中的土壤壓實(shí)試驗(yàn)，以土壤的體積密度和硬度為指標(biāo)，意在研究土壤壓實(shí)與苜蓿產(chǎn)量之間的關(guān)系，以探知割草機(jī)對(duì)土壤壓實(shí)后對(duì)苜蓿產(chǎn)量的影響程度，為科學(xué)決策提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與設(shè)備

試驗(yàn)于2005年10月在甘肅省慶陽(yáng)市西峰區(qū)苜蓿地中進(jìn)行， 試驗(yàn)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(jī)分別壓地1～10遍，土壤初始狀態(tài)見(jiàn)表1。試驗(yàn)主要設(shè)備有：紐荷蘭HW320型自走式割草壓扁機(jī)，其參數(shù)見(jiàn)表2；CP20土壤堅(jiān)實(shí)度儀；托盤(pán)天平；圓盤(pán)滲透儀；環(huán)刀；烘箱。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)免壓、1次壓實(shí)、2次壓實(shí)、……、10次壓實(shí)11種處理。重復(fù)壓實(shí)的處理是指割草機(jī)在同一車(chē)轍上重復(fù)進(jìn)行多次，各次重復(fù)之間間隔1 h，每種處理安排1個(gè)小區(qū)，每個(gè)小區(qū)面積10 m×5 m，試驗(yàn)重復(fù)4次，共44個(gè)小區(qū)。碾壓后，在每個(gè)小區(qū)分別隨機(jī)取4個(gè)點(diǎn)，使用土壤堅(jiān)實(shí)度儀，在0～50 cm深度上測(cè)量土壤堅(jiān)實(shí)度，間隔2.5 cm記錄1個(gè)數(shù)據(jù)；在每個(gè)堅(jiān)實(shí)度測(cè)點(diǎn)周?chē)?0 cm半徑范圍內(nèi)用環(huán)刀取土樣，在每個(gè)容重測(cè)點(diǎn)周?chē)x定2點(diǎn)，采用圓盤(pán)滲透儀測(cè)20 min內(nèi)水的入滲量；苜蓿收獲期，每小區(qū)分別隨機(jī)選定2點(diǎn)，每點(diǎn)取2 m2測(cè)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(jī)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(shí)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(shí)2種狀態(tài)下，0～10 cm，10～20 cm，20～30 cm，30～40 cm四個(gè)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(xiě)字母表示5%水平差異顯著,大寫(xiě)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(shí)次數(shù)的增加，前7次壓實(shí)地表土壤容重變化極顯著，7～10次壓實(shí)之間土壤容重變化不顯著,說(shuō)明地表土壤容重經(jīng)過(guò)7次壓實(shí)以后已相當(dāng)密實(shí)?；貧w分析表明土壤體積密度與壓實(shí)次數(shù)的對(duì)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(shí)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(jiān)實(shí)度

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

碾壓前，土壤堅(jiān)實(shí)度值由高到低的土層依次為：30，40，50，20，10，2.5 cm，壓實(shí)對(duì)30 cm以上土層硬度影響程度較大，經(jīng)10次壓實(shí)后，其硬度值增加為原來(lái)的1.4～3.7倍；20和30 cm兩土層受壓實(shí)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(shí)2次，其硬度分別超過(guò)了同時(shí)受壓的40和50 cm兩土層的硬度，表明割草機(jī)碾壓使上層土壤堅(jiān)實(shí)度逐漸接近或超過(guò)堅(jiān)硬的犁底層硬度。

表5 不同深度土壤堅(jiān)實(shí)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(shí)次數(shù)下的干草(含水率10%以下)重，統(tǒng)計(jì)分析表明，碾壓次數(shù)對(duì)苜蓿生物量影響極顯著。壓實(shí)前每hm2年可產(chǎn)干草15258 kg，隨壓實(shí)次數(shù)的增加，產(chǎn)草能力逐步下降，10次壓實(shí)后，產(chǎn)量減至10794 kg，年損失干草4464 kg/hm2。

2.4 土壤壓實(shí)與苜蓿產(chǎn)量的相關(guān)性

2.4.1土壤體積密度與苜蓿產(chǎn)量的關(guān)系 土壤體積密度是衡量土壤壓實(shí)程度的重要指標(biāo)之一，研究土壤體積密度及其對(duì)苜蓿產(chǎn)量的影響，可從量上直觀的描述土壤壓實(shí)的危害。圖1給出了土壤體積密度和苜蓿產(chǎn)量的關(guān)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(guān)系Fig.1 The relationship of soil bulk density and the weight of hay

相關(guān)分析表明：土壤體積密度和苜蓿年產(chǎn)量具有相關(guān)關(guān)系，其相關(guān)系數(shù)為-0.88，前7次壓實(shí)土壤體積密度變化和苜蓿產(chǎn)量變化的相關(guān)系數(shù)為-0.92，這是因?yàn)檐俎．a(chǎn)量的減少是整個(gè)土層范圍壓實(shí)的綜合作用引起的，表層土壤體積密度在經(jīng)過(guò)7次壓實(shí)后，體積密度變化很小。壓實(shí)對(duì)各層土壤體積密度的影響趨勢(shì)大致相同，只是其變化程度不同，為降低試驗(yàn)強(qiáng)度只測(cè)定了表層土壤體積密度。通過(guò)回歸分析得到土壤體積密度對(duì)苜蓿產(chǎn)量影響的關(guān)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(dāng)土壤體積密度超過(guò)1.45 g/cm3時(shí)苜蓿產(chǎn)量開(kāi)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(jiān)實(shí)度與苜蓿產(chǎn)量的關(guān)系 土壤堅(jiān)實(shí)度反映了土壤壓實(shí)對(duì)苜蓿根系的抑制作用，各土層土壤堅(jiān)實(shí)度對(duì)苜蓿產(chǎn)量的影響程度不同。相關(guān)分析得出10，20，30，40 cm土層土壤堅(jiān)實(shí)度與苜蓿產(chǎn)量之間的相關(guān)系數(shù)分別為-0.90886，-0.94079，-0.81250，-0.54490。表明20 cm以上土壤堅(jiān)實(shí)度和苜蓿產(chǎn)量之間的相關(guān)程度較大，30 cm以下土壤堅(jiān)實(shí)度與苜蓿產(chǎn)量之間的相關(guān)程度較低。圖2，圖3給出了不同深度的土壤堅(jiān)實(shí)度對(duì)苜蓿產(chǎn)量影響的回歸曲線，分析表明土壤壓實(shí)對(duì)苜蓿產(chǎn)量的影響可表示為一個(gè)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(jiān)實(shí)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(guān)系的數(shù)學(xué)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(jī)械碾壓引起土壤體積密度與土壤堅(jiān)實(shí)度的變化，這已是國(guó)內(nèi)外研究者的共識(shí)[1-9]，本研究從壓實(shí)次數(shù)與土壤體積密度的關(guān)系出發(fā)證明，隨壓實(shí)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?yàn)?0 cm以下土層土壤本身較為密實(shí)，加之機(jī)器行走時(shí)瞬間作用于土壤表面致使土壤下層結(jié)構(gòu)來(lái)不急改變，當(dāng)土壤體積密度達(dá)到一定程度后，土壤及苜蓿根系組成的復(fù)合體結(jié)構(gòu)足以抵抗外界壓力時(shí)，土壤體積密度不再增大，當(dāng)上層土壤承受壓力時(shí)，土壤結(jié)構(gòu)被破壞，土壤孔隙度減小，土壤體積密度增大，隨壓實(shí)次數(shù)的增加，上層土壤變形量開(kāi)始較大，之后逐漸變小，上層土壤剛度隨壓實(shí)次數(shù)增多逐步增強(qiáng)，形變量逐步減小，對(duì)下層土壤的壓力形成逐步疊加的趨勢(shì)，故而土壤體積密度與壓實(shí)次數(shù)的關(guān)系并非線性變化，本研究表明：土壤體積密度與壓實(shí)次數(shù)的對(duì)數(shù)lg N成正比，根據(jù)這一結(jié)論，如能得知第1次壓實(shí)后土壤體積密度的變化，則可據(jù)此預(yù)測(cè)不同壓實(shí)次數(shù)下土壤結(jié)構(gòu)的變化情況，為進(jìn)行科學(xué)有效的作業(yè)管理提供參考依據(jù)。

圖2 10 cm深度土壤堅(jiān)實(shí)度和草產(chǎn)量的關(guān)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(jiān)實(shí)度和草產(chǎn)量的關(guān)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(jiān)實(shí)度關(guān)系的數(shù)學(xué)模型Table 9 Mathematical model of relationship of 20 cm depth soil hardness and the weight of hay

國(guó)內(nèi)外研究表明：壓實(shí)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(huì)引起土壤孔隙度、土壤透氣性、土壤導(dǎo)水性等指標(biāo)變化，而這些指標(biāo)會(huì)直接影響到植物生長(zhǎng)。土壤堅(jiān)實(shí)度是反應(yīng)土壤阻力的主要指標(biāo)，土壤堅(jiān)實(shí)度愈大，根系生長(zhǎng)阻力就愈大，Sinnett等[20]對(duì)4種樹(shù)根系生長(zhǎng)研究發(fā)現(xiàn)，土壤的灌入阻力超過(guò)3 MPa時(shí)，會(huì)嚴(yán)重阻礙根系穿透。本研究表明：壓實(shí)同樣導(dǎo)致苜蓿減產(chǎn)，且隨壓實(shí)次數(shù)變化，土壤體積密度和土壤堅(jiān)實(shí)度都與苜蓿產(chǎn)量成負(fù)相關(guān)關(guān)系，可用二次方程表示，研究揭示了壓實(shí)次數(shù)、土壤體積密度與各茬苜蓿產(chǎn)量之間存在相關(guān)關(guān)系，亦可說(shuō)明，合理的土壤體積密度和土壤堅(jiān)實(shí)度是保證苜蓿豐產(chǎn)豐收的重要條件。試驗(yàn)得到的土壤體積密度與苜蓿產(chǎn)量的關(guān)系方程及土壤堅(jiān)實(shí)度與苜蓿產(chǎn)量的關(guān)系方程反應(yīng)了中壤土條件下，土壤體積密度與土壤堅(jiān)實(shí)度變化對(duì)苜蓿產(chǎn)量的影響趨勢(shì)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(jìn)行科學(xué)的機(jī)械化收獲管理提供參考依據(jù)。

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

4 結(jié)論

在中壤土條件下，苜蓿地機(jī)械碾壓引起了不同深度土壤體積密度與土壤堅(jiān)實(shí)度的增加，土壤體積密度與壓實(shí)次數(shù)的對(duì)數(shù)lg N成正比，壓實(shí)引起了苜蓿減產(chǎn)。隨壓實(shí)次數(shù)變化，土壤體積密度與苜蓿產(chǎn)量成負(fù)相關(guān)關(guān)系，可用二次方程表示。土壤堅(jiān)實(shí)度與苜蓿產(chǎn)量成負(fù)相關(guān)關(guān)系，0～20 cm土層土壤堅(jiān)實(shí)度與苜蓿產(chǎn)量的相關(guān)度高，可用二次方程表示。