楊永輝，武繼承，張潔梅，潘曉瑩，王 越，何 方，楊先明(1.河南省農(nóng)業(yè)科學院植物營養(yǎng)與資源環(huán)境研究所，鄭州，450002；2.農(nóng)業(yè)部作物高效用水科學觀測實驗站，河南 原陽 45514；.河南邦友科技有限公司，鄭州 450002)

合理的耕作可改變土壤結(jié)構(gòu)，調(diào)節(jié)土壤水、肥、氣、熱之間的關(guān)系，為作物生長提供良好的生存環(huán)境[1]。傳統(tǒng)翻耕使耕層變薄，土壤質(zhì)量下降，導致水分養(yǎng)分流失，蓄水與抗蒸發(fā)能力下降[2]。免耕[3-6]能夠保留地表殘茬覆蓋減少地面徑流，提高土壤導水率，增加降水入滲，減少翻耕時土壤水分散失，因而具有良好的蓄水保墑作用。有研究表明[7]，多年免耕后，土壤密度增大，影響作物根系發(fā)育及對水分和養(yǎng)分的吸收。而張國盛等[8]和Jacinthe等[9]研究認為，長期免耕有利于提高土壤有機碳含量和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，從而改善土壤的供肥供水能力。深松可打破犁底層，疏松土壤，改善土壤結(jié)構(gòu)，增加土壤孔隙度，降低土壤密度，促進水分就地入滲，利于蓄水保墑[10,11]。黃健[12]研究表明，深松可使0～50 cm 土層深度的土壤密度平均降低0.14 g/cm3，土壤孔隙度增加10%～20%，滲透強度增加15%～25%[13]。李榮等[14]研究表明，深松結(jié)合地表覆蓋可降低土壤密度，改善土壤孔隙狀況，提高0～40 cm土層大于0.25 mm團聚體穩(wěn)定性含量，改善0～200 cm土壤水分狀況。秦紅靈等[15]研究表明，免耕2年后進行深松，0～100 cm土壤儲水量明顯優(yōu)于免耕處理。眾多研究結(jié)果顯示，免耕與深松輪作能顯著降低0～40 cm土層的密度[16]，提高耕層土壤的田間持水量及土體的蓄水量，且在貧水年份效果更佳[17]，而孫貴臣等[18]研究表明，貧、豐水年深松效果均較佳。有關(guān)這方面的研究已屢見不鮮，但針對長期免耕與長期深松條件下，在小麥玉米輪作過程中，0～100 cm土層土壤剖面物理特性的變化如何卻鮮見報道。因此，本文通過比較分析長期免耕、長期深松與常規(guī)耕作對0～100 cm土層土壤剖面的土壤密度、持水能力、供水能力、田間持水量、有效含水量等的影響，以期為長期免耕和長期深松對不同土層水分參數(shù)的影響、作用深度及作用機制提供有力的科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗在河南省禹州試驗基地(113°03＇～113°39＇E，33°59＇～34°24＇N)進行，海拔高度116.1 m，多年平均降水量674.9 mm，其中60%以上集中在夏季，存在較嚴重的春旱、伏旱和秋旱；土壤為褐土，土壤母質(zhì)為黃土性物質(zhì)，該地區(qū)地勢平坦，肥力均勻，耕層有機質(zhì)質(zhì)量比12.3 g/kg、全氮質(zhì)量比0.80 g/kg、水解氮質(zhì)量比47.82 g/kg、速效磷質(zhì)量比6.66 g/kg、速效鉀質(zhì)量比114.8 g/kg。為小麥玉米輪作區(qū)。

1.2 試驗設(shè)計

試驗共設(shè)置3個處理：常規(guī)耕作(耕作深度為15 cm)、免耕、深松(深度30 cm)。肥料采用N25P15K15復合型肥料，在小麥播種時一次性底施。于2014年玉米收獲后從定位試驗每個處理的3個重復小區(qū)中間位置中分別采集0～100 cm原狀土柱，且在采取原狀土柱的同一土壤剖面分層采集(0～10，10～20，…，90～100 cm)環(huán)刀樣及原狀土，同時在土壤剖面中取混合土壤樣品等，即每個處理取3個重復，帶回室內(nèi)分析不同處理的土壤物理性質(zhì)及水分參數(shù)。長期定位試驗于2006年10月中旬小麥播種時開始，試驗小區(qū)面積為32 m2。

1.3 試驗測定與方法

(1)土壤密度、飽和含水量及田間持水量采用環(huán)刀法。

(2)土壤持水能力、供水能力及有效含水量采用離心機法。

土壤含水量與土壤水吸力之間的關(guān)系符合冪函數(shù)：

θ=aS-b

(1)

式中：a值反映土壤持水性能的大小；a×b是土壤水吸力；S為0.01 MPa時的比水容量，其反映土壤的供水能力的大小。有效水含量為田間持水量與凋萎含水量的差值。

1.4 數(shù)據(jù)處理

各樣地各指標值均為3次重復的算術(shù)平均值。植株及土樣分析所得的數(shù)據(jù)應(yīng)用統(tǒng)計學及相關(guān)的數(shù)理統(tǒng)計軟件(DPS)進行處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同土壤剖面土壤密度分布特征

土壤密度反映了土壤緊實度、孔隙及結(jié)構(gòu)特征。從圖1中可知，隨土層的加深，土壤密度表現(xiàn)為先降后增而趨于穩(wěn)定。而不同土層中以10～20 cm土層的土壤密度明顯小于其他土層。在40 cm以上土層中，均以常規(guī)耕作最高。在20～40 cm土層，深松處理的土壤密度明顯低于其他處理。而免耕處理在40～70 cm土層的土壤密度低于其他處理，而在20～30和70～90 cm土層土壤密度較高。80 cm以下仍以常規(guī)耕作處理的土壤密度最高。整體來看，深松處理40 cm以上土層的土壤密度相對較低，且40 cm以土層較低且變幅較小。

圖1 不同措施剖面土壤密度比較Fig.1 Comparison of soil bulk density in soil profile of different measures

2.2 不同土壤剖面土壤持水與供水能力分析

從圖2中可知，隨土層的加深，土壤持水能力表現(xiàn)為先增加后降低再增加的趨勢。深松處理在20～50 cm土層的持水能力最強，在60～80 cm土層，其持水能力最低。免耕處理的持水能力在0～10和60～80 cm土層中較其他處理高。

隨土層的加深，土壤供水能力表現(xiàn)為先增加再降低再增加而趨于平緩。除免耕處理0～10 cm土層供水能力最強外，常規(guī)耕作和深松處理均以10～20 cm土層的供水能力最強，其次為0～10 cm土層，而30～40 cm土層的供水能力最低。在10～20和90～100 cm土層，土壤供水能力表現(xiàn)為：深松>免耕>常規(guī)耕作。在20～40和80～90 cm土層中，仍以深松處理的供水能力較強。而在50～80 cm土層中，土壤供水能力表現(xiàn)為：免耕>常規(guī)耕作>深松。

圖2 不同措施剖面土壤持水與供水能力比較Fig.2 Comparison of soil water holding capacity and water supply capacity in soil profile of different measures

2.3 不同土壤剖面飽和含水量分布與田間持水量分布特征

從圖3中可知，除深松處理外，不同土層中以10～20 cm土層的飽和含水量最高，其次為0～10 cm土層。以30 cm以下土層的飽和含水量較低。整體來看，常規(guī)耕作在0～100 cm土層的土壤飽和含水量均低于其他處理，深松處理0～100 cm土層的土壤飽和含水量波動較大。在0～10 cm土層中，各處理的飽和含水量表現(xiàn)為：免耕>深松>常規(guī)耕作。在20～50 cm土層，以深松處理的土壤飽和含水量最高，其次為免耕處理。在50～80 cm以土層，免耕>深松>常規(guī)耕作。在80 cm土層以下，深松>免耕>常規(guī)耕作。

隨土層的加深，不同處理的田間持水量表現(xiàn)為逐漸降低再增加的趨勢。深松處理在0～100 cm土層中的田間持水量變幅較大。在0～10 cm土層中，田間持水量表現(xiàn)為：免耕>深松>常規(guī)耕作。而深松處理10～50 cm土層的田間持水量較其他處理高，但在50～80 cm土層間，其田間持水量明顯低于其他處理，而隨土層的加深，其田間持水量有顯著提高。常規(guī)耕作處理的田間持水量在0～50和80～100 cm土層均最低，且上下變幅較小，介于14%～16%之間。說明，不同措施有效地改善了土體的田間持水量，促進了水分的保持，減緩了水分流失。

2.4 不同土壤剖面有效含水量分布特征

從圖4中可知，土壤有效水隨土層的加深而表現(xiàn)為先增加后降低而趨于穩(wěn)定的趨勢。除免耕處理外，以10～20 cm土層的土壤有效水含量最高，其次為表層土壤，20～30 cm土層最低。免耕處理的表層土壤有效水含量明顯高于其他處理，而在10～50和80～90 cm土層，深松處理的土壤有效水含量最高，但在50～80 cm土層，其土壤有效水含量低于常規(guī)耕作和免耕處理。

圖3 不同措施剖面土壤飽和含水量和田間持水量比較Fig.3 Comparison of soil saturated water content and field water holding capacity in soil profile of different measures

圖4 不同措施剖面土壤有效水含水量比較Fig.4 Comparison of soil available water content in soil profile of different measures

2.5 不同指標相關(guān)性分析

對不同指標進行相關(guān)性分析得出：密度與田間持水量、有效水含量、飽和含水量、持水能力及供水能力呈負相關(guān)，其中與有效水含量、飽和含水量及供水能力呈極顯著負相關(guān)(P<0.01)，與田間持水量呈顯著負相關(guān)(P<0.05)，而與持水能力相關(guān)性不顯著。田間持水量與持水能力呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，與有效水含量、飽和含水量及供水能力呈顯著正相關(guān)(P<0.05)。有效水含量與飽和含水量及供水能力呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，與持水能力呈顯著正相關(guān)(P<0.05)。飽和含水量與供水能力呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，與持水能力呈顯著正相關(guān)(P<0.05)。持水能力與供水能力呈顯著正相關(guān)(P<0.05)，如表1所示。

3 討論與結(jié)論

長期免耕和深松會對土壤產(chǎn)生深遠的影響，可以從土壤剖面的物理性質(zhì)變化中獲知其作用程度。不同耕作措施能夠改善土壤的結(jié)構(gòu)與孔隙狀況[19]，從而有利于水分的貯存及傳輸。

表1 不同指標相關(guān)性分析Tab.1 Correlation analysis of different indexes

注：*表示P<0.05；**表示P<0.01。

不同耕作方式對土壤擾動程度不同導致土壤密度有所差異[20-23]，且其土壤物理特征不同。本研究發(fā)現(xiàn)，隨土層的加深，土壤密度表現(xiàn)為先降后增而趨于穩(wěn)定。而不同土層中以10～20 cm土層的土壤密度最低。免耕處理在0～20 cm土層的土壤密度高于深松，而低于常規(guī)耕作，這與于同艷等[24]研究結(jié)果相反。但深松處理上下土層的土壤密度均較低，且40 cm以下土層變幅較小，這與李榮等[15]和黃明等[25]研究結(jié)論一致，說明深松能顯著降低土壤體積質(zhì)量，有效打破耕作犁底層，增加土壤蓄水能力。

土壤持水性表征了土壤保持水分的能力，而土壤供水能力則反映了土壤供給作物水分能力的大小。Unger等[26]研究表明，免耕土壤的物理條件比傳統(tǒng)耕作更好。蘇有健等[27]研究發(fā)現(xiàn)，深松可增強土壤持水能力，擴大土壤水庫容，且深松較免耕增加土壤含水率達7.7%。而本研究發(fā)現(xiàn)，長期免耕和深松會對深層土壤產(chǎn)生重要影響，隨土層的加深，土壤持水能力表現(xiàn)為先增加后降低再增加的趨勢，土壤供水能力表現(xiàn)為先增加再降低再增加而趨于平緩。深松處理在20～50 cm土層的持水能力最強。在0～10和40～80 cm土層，土壤供水能力表現(xiàn)為：免耕>深松>常規(guī)耕作。在20～40和80～90 cm土層中，以深松處理的供水能力較強。說明，深松能夠改善耕層以下土壤的水分狀態(tài)，有利于土壤水分的保持與供應(yīng)，而免耕更利于表層土壤的持水和供水能力的提高。

飽和含水量表征了土壤總孔隙度的大小。本研究結(jié)果顯示，常規(guī)耕作在0～100 cm土層的土壤飽和含水量均低于其他處理。在0～10 cm土層中，飽和含水量表現(xiàn)為：免耕>深松>常規(guī)耕作。在20～50 cm土層，以深松處理的飽和含水量最高，其次為免耕處理。在50～80 cm土層，免耕>深松>常規(guī)耕作。在80 cm土層以下，深松>免耕>常規(guī)耕作。隨土層的加深，不同處理的田間持水量表現(xiàn)為逐漸降低再增加的趨勢。在0～10 cm土層中，田間持水量表現(xiàn)為：免耕>深松>常規(guī)耕作。深松處理10～50 cm土層的田間持水量較其他處理高，但在50～80 cm土層間，其田間持水量明顯低于其他處理。常規(guī)耕作處理的田間持水量在0～100 cm整個土層均較低，且上下變幅較小。說明，免耕和深松改善了土體的孔隙狀況，從而有效地提高了土體的飽和含水量和田間持水量，促進了水分的保持與傳輸。

土壤中的有效水對于作物的吸收利用最為直接，較高的土壤有效水含量更利于作物直接吸收利用土壤中的水分。本研究發(fā)現(xiàn)，土壤有效水隨土層的加深表現(xiàn)為先增加后降低而趨于穩(wěn)定的趨勢。不同土層中，以10～20 cm土層的土壤有效水含量最高，其次為0～10 cm土層，20～30 cm土層最低。免耕處理的表層土壤有效水含量明顯高于其他處理，而在10～50 cm土層，深松處理最高，但在50～80 cm土層，其土壤有效水含量顯著降低。說明，長期深松更利于50 cm以上土層水分有效性的提高，這可能與深松促進了作物根系的下扎，從而提高了土壤蓄水量和有效性，這與李云鵬等[28]研究結(jié)果一致。

相關(guān)分析表明，田間持水量、持水能力、有效水含量、飽和含水量及供水能力彼此呈顯著或極顯著整相關(guān)，其與密度呈負相關(guān)。說明，長期免耕與深松有利于改善土體土壤物理特征，從而利于作物的生長。

本研究表明長期免耕和長期深松對土壤剖面物理特性的改善具有積極作用，而長期深松后進行免耕或長期免耕后進行深松效果如何，還有待于進一步研究。

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[1] 孫利軍，張仁陟，黃高寶. 保護性耕作對黃土高原旱地地表土壤理化性狀的影響[J]. 干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究，2007，25(6)：207-211.

[2] 丁昆侖. 深松耕作對土壤水分物理特性作物生長的影響[J]. 中國農(nóng)村水利水電，1997，(7)：13-16.

[3] 張海林，陳 阜，秦耀東，等. 覆蓋免耕夏玉米耗水特性的研究[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2002，18(2)：36-40.

[4] 郭曉霞，劉景輝，張星杰，等. 不同耕作方式對土壤水熱變化的影響[J]. 中國土壤與肥料，2010,(5)：11-15，70.

[5] 彭文英． 免耕措施對土壤水分及利用效率的影響[J]. 土壤通報，2007，38(2)：379-383.

[6] 余海英，彭文英，馬 秀，等. 免耕對北方旱作玉米土壤水分及物理性質(zhì)的影響[J]. 應(yīng)用生態(tài)學報，2011，22(1)：99-104.

[7] 鄒桂霞. 美國關(guān)于免耕和輪作周期對侵蝕影響的研究[J]. 水土保持科技情報，2002，(4)：7-8.

[8] 張國盛，Chan K Y，Li G D，Heenan D P. 長期保護性耕種方式對農(nóng)田表層土壤性質(zhì)的影響[J]. 生態(tài)學報，2008，28(6)：2 722-2 728.

[9] Jacinthe P A, Lal R, Kimble J M. Carbon dioxide evolution in run-off from simulated rainfall on long-term no-till and plowed soils in southwestern Ohio[J]. Soil & Tillage Research, 2002, 66: 23-33．

[10] 黃高寶，郭清毅，張仁陟，等. 保護性耕作條件下旱地農(nóng)田麥-豆雙處理輪作體系的水分動態(tài)及產(chǎn)量效應(yīng)[J]. 生態(tài)學報，2006，26(4)：1 176-1 185.

[11] 呂巨智，程偉東，鐘昌松，等. 不同耕作方式對土壤物理性狀及玉米產(chǎn)量的影響[J]. 中國農(nóng)學通報，2014，30(30)：38-43.

[12] 黃 健，王愛文，張艷茹，等. 玉米寬窄行輪換種植、條帶深松、留高茬新耕作制對土壤性狀的影響[J]. 土壤通報，2002，33(3)：168-171.

[13] 孫 毅，馬 宏，丁漢忱，等. 吉林省西部機播保苗綜合增產(chǎn)技術(shù)研究[J]. 干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究，1998，16(3)：35-40.

[14] 李 榮，侯賢清. 深松條件下不同地表覆蓋對馬鈴薯產(chǎn)量及水分利用效率的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2015，31(20)：115-123.

[15] 秦紅靈，高旺盛，馬月等. 兩年免耕后深松對土壤水分的影響[J]. 中國農(nóng)業(yè)科學，2008，41(1)：78-85.

[16] 宮秀杰，錢春榮，于 洋，等. 深松免耕技術(shù)對土壤物理性狀及玉米產(chǎn)量的影響[J]. 玉米科學，2009，17(5)：134-137.

[17] 侯賢清，賈志寬，韓清芳，等. 不同輪耕模式對旱地土壤結(jié)構(gòu)及入滲蓄水特性的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2012，28(5)：85-94.

[18] 孫貴臣，馮瑞云，陳 凌，等. 深松免耕種植對土壤環(huán)境及玉米產(chǎn)量的影響[J]. 作物雜志，2014,(4)：129-132.

[19] 蔣云峰，屈明秋，王 月，等. 不同耕作方式對耕層土壤性質(zhì)的影響[J]. 吉林師范大學學報( 自然科學版)，2016,(1)：144-146.

[20] 雷金銀，吳發(fā)啟，王 健，等. 保護性耕作對土壤物理特性及玉米產(chǎn)量的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2008，24(10)：40-45．

[21] 王昌全，魏成明，李廷強，等. 不同免耕方式對作物產(chǎn)量和土壤理化性狀的影響[J]. 四川農(nóng)業(yè)大學學報，2001，19(2)：152-154，187.

[22] 張大偉，劉 建，王 波，等． 連續(xù)兩年秸稈還田與不同耕作方式對直播稻田土壤理化性質(zhì)的影響[J]. 江西農(nóng)業(yè)學報，2009，21(8)：53-56.

[23] 程 科，李 軍，毛紅玲． 不同輪耕模式對黃土高原旱作麥田土壤物理性狀的影響[J]. 中國農(nóng)業(yè)科學，2013，46(18)3 800-3 808．

[24] 于同艷，張興. 耕作措施對黑土農(nóng)田耕層水分的影響[J]. 西南大學學報(自然科學版)，2007，29(3):121-124.

[25] 黃 明，李友軍，吳金芝，等. 深松覆蓋對土壤性狀及冬小麥產(chǎn)量的影響[J]. 河南科技大學學報(自然科學版)，2006，27(2)：74-77.

[26] Unger P W. Tiliage effects on surface soil physical conditions and sorghum emergence[J]. Soil Sci.Am.1984, 48:1 423-1 432.

[27] 蘇有健，王燁軍，張永利，等. 不同耕作方式對茶園土壤物理性狀及茶葉產(chǎn)量的影響[J]. 應(yīng)用生態(tài)學報，2015，26(12)：3 723-3 729.

[28] 李云鵬，裴 浩，李興華，等. 陰山丘陵區(qū)土壤深松增墑水分動態(tài)研究[J]. 應(yīng)用氣象學報，2000，11(S)：155-163.