不同耕作方式对黑土区农田土壤物理特性的影响

平翠枝, 红梅, 王文东, 赵巴音那木拉, 美丽, 刘鹏飞, 赵乌英嘎

中国农学通报. 2020, 36(7): 83-89

PDF(1341 KB)
PDF(1341 KB)
中国农学通报 ›› 2020, Vol. 36 ›› Issue (7) : 83-89. DOI: 10.11924/j.issn.1000-6850.casb18110065
资源·环境·生态·土壤·气象

不同耕作方式对黑土区农田土壤物理特性的影响

作者信息 +

Effect of Tillage Management Modes on Farmland Physical Properties in Black Soil Region

Author information +
History +

摘要

为探讨耕作方式对黑土区农田土壤物理特性的影响,2016年6—9月在内蒙古自治区呼伦贝尔市阿荣旗试验区设置3种耕作方式[深松(SS)、免耕(MG)及常规耕作(CK)],分别采集0~10、10~20、20~30 cm土层的土样,对土壤容重、含水量、土壤渗透速率及土壤孔隙度进行调查。结果表明：3种耕作方式土壤容重及含水量均表现为SS>CK>MG;土壤入渗特征表现为初始入渗率>平均渗透率>稳定入渗率;土壤入渗速率及累计入渗量表现为SS>CK>MG;土壤孔隙度以SS处理下最高且随着月份的增加土壤孔隙度降低。主成分分析表明,初始入渗速率和渗透总量对不同耕作方式最为敏感,可以作为考察东北黑土区农田耕作效应与缓解黑土地退化的评价指标。由综合得分可知,不同耕作方式下土壤性能优劣表现为SS>MG>CK。综上,深松耕作可以有效降低土壤容重,提高土壤含水量,促进土壤渗透能力;免耕更有利于水分的保持,降低土壤的无效蒸发。

Abstract

To understand the effects of different tillage modes on farmland physical properties in black soil region, a field experiment was conducted at the Arong Banner of Inner Mongolia from June to September, 2016. Three tillage modes included subsoiling (SS), no-tillage (MG) and conventional tillage (CK) were set up. By the collection of the soil samples from 0-10, 10-20 and 20-30 cm respectively, the soil bulk density, moisture and permeability were investigated. The results showed that the soil bulk density and moisture of the three tillage modes were in the order of SS>CK>MG; the eigenvalues of soil infiltration were in the order of initial infiltration rate> average infiltration rate> stable infiltration rate. The soil infiltration rate and cumulative infiltration were in the order of SS>CK>MG. Soil total porosity was the highest under SS treatment, and decreased with the increase of month. Principal component analysis showed that the initial infiltration rate and total infiltration amount were most sensitive to tillage modes, and could be used as evaluation indexes to investigate farmland tillage effect and mitigate black soil degradation in the black soil region of Northeast China. According to the comprehensive score, the performance of soil under different tillage modes was SS>MG>CK. In conclusion, subsoiling tillage could effectively reduce soil bulk density, increase soil water content, and promote soil permeability; no-tillage is more conducive to water conservation and reducing soil evaporation.

关键词

深松 / 免耕 / 常规耕作 / 土壤容重 / 土壤含水量 / 土壤入渗速率

Key words

subsoiling / no-tillage / conventional tillage / soil bulk density / soil moisture / soil infiltration rate

引用本文

EndNote

Ris (Procite)

Bibtex

导出引用
平翠枝 , 红梅 , 王文东 , 赵巴音那木拉 , 美丽 , 刘鹏飞 , 赵乌英嘎. 不同耕作方式对黑土区农田土壤物理特性的影响. 中国农学通报. 2020, 36(7): 83-89 https://doi.org/10.11924/j.issn.1000-6850.casb18110065
Ping Cuizhi , Hong Mei , Wang Wendong , Zhao Bayinnamula , Mei Li , Liu Pengfei , Zhao Wuyingga. Effect of Tillage Management Modes on Farmland Physical Properties in Black Soil Region. Chinese Agricultural Science Bulletin. 2020, 36(7): 83-89 https://doi.org/10.11924/j.issn.1000-6850.casb18110065

0 引言

土壤是作物生长的基础,也是农业生产的前提。黑土作为中国结构性最好的土壤之一[1],具有养分含量高、面积分布广、质量高的特点,是中国重要的粮食主产区。黑土地是可在生资源,但由于人们缺乏保护和可持续发展意识对黑土地掠夺式开发利用,黑土地面临着土层变薄、有机质下降等严重问题[2]。合理的耕作方式可以提高土壤肥力,减轻耕地水土流失,对缓解黑土贫瘠化具有重要意义。不同的耕作方式可以改善土壤结构,对土壤中的固体、液体、气体三相比例有调节作用,对协调土壤中水、肥、气、热之间的关系,为作物生长提供良好的生存环境具有重要意义[3]。中国耕地主要是小型动力翻整地,90%以上耕地已多年未深松,造成土壤耕层变薄、一般为15 cm左右[4],从而形成了坚硬的犁地层。犁地层的存在,限制了作物根系,降低了作物抵御自然灾害的能力,不仅严重限制水分与养分的有效吸收,也使作物抗倒伏能力下降[5]。黄高宝[6]和吕巨智[7]等研究表明,深松能够打破犁地层,加厚耕层深度,增大土壤孔隙度,促进水分的入渗,实现粮食增产和耕地可持续利用。免耕是保护性耕作的主要措施之一,免耕可以有效降低土壤侵蚀,提高有机碳的含量[8]。目前,有关玉米不同耕作方式对土壤物理性状及作物产量的影响研究已有报道[9,10,11,12,13,14],但更多的是保护性耕作等方面的研究,对黑土区深松和免耕对土壤物理特性的影响,尤其对土壤入渗过程的研究报道较少。本研究探讨黑土区不同耕作方式对土壤物理特性的影响,旨在为建立适于黑土区农作物生长的耕作技术体系提供参考依据。

1 研究地区与研究方法

1.1 研究区概况

该试验于内蒙古自治区呼伦贝尔市阿荣旗试验区进行(123°32′E,48°2′N)。海拔高度204 m,气候类型属于温带大陆性半干旱半湿润气候,年平均气温1.7℃,年有效积温2394.1℃。年平均降水量450 mm,主要集中在6—8月,占全年降水量的70%。无霜期90~130天。土壤类型为黑钙土。

1.2 试验设计

试验共设置3个处理,深松(SS)约30 cm,免耕(MG)、对照(CK)为常规耕作,3次重复,共9个小区,小区面积400 m2(20 m×20 m),小区之间间隔2 m。施肥为掺混肥料(N-P2O5-K2O=21-14-10),施用量为540 kg/hm2。施肥方式为播种时一次性施入。种植作物为玉米,收获于2016年10月8日进行,作物田间管理一致。

1.3 样品采集与测定方法

土壤样品采集于2016年玉米生长季6—9月进行,每月取样一次。取样采用环刀由上而下分别为0~10、10~20、20~30 cm共3个土层依次取样。土壤容重采用环刀法;土壤含水量采用烘干称重法测定;土壤孔隙度计算采用经验公式（土壤孔隙度=93.947-32.995×土壤容重）;土壤渗透性采用双环现场注水的方法进行测定,采用土壤初始入渗率、稳定入渗率、平均渗透率以及一段时间内的渗透总量4个指标。计算如式(1)~(2)。
初始入渗率=最初渗透量/入渗时间
(1)
平均渗透速率=达到稳渗时的渗透总量/达到稳渗时的时间
(2)
其中,最初入渗量及入渗时间均取前3 min。稳渗率为单位时间内的渗透量趋于稳定（即内环水面趋于稳定）时的渗透速率。渗透总量统一取前90 min的渗透量。

1.4 数据处理

采用Excel 2003对数据进行统计分析和作图,采用SAS 9.0对不同物理特性数据进行方差分析。

2 结果与分析

2.1 不同耕作方式对土壤容重的影响

由表1可知,不同耕作方式对土壤容重的影响效果为SS>CK>MG。比较玉米不同月份处理0~10、10~20、20~30 cm的土壤容重,深松较常规和免耕均有不同程度的下降,6月份降幅为7.6%、13.3%、4.9%和20.5%、20.1%、11.5%;7月份为6%、3.4%、0.7%和18.1%、11.6%、10.6%;8月份为6.6%、0.7%、1.1%和16.4%、9.2%、10.5%;9月份为4%、0.7%、0.7%和12%、8.5%、8.3%。玉米生长中后期,深松处理的土壤容重逐渐增大,与其他处理间的土壤容重差异呈减小趋势。从总体来看,在0~10、10~20、20~30 cm土层深松处理的平均土壤容重较常规耕作及免耕处理分别下降6%、4.6%、2.3%和16.8%、12.4%、10.6%。可见,对土壤进行深松处理可以降低土壤容重,为作物根系创造疏松深厚的土壤环境。
表1 不同耕作方式对各土层土壤容重的影响
取样时间 处理 土壤容重
0~10 cm 10~20 cm 20~30 cm
6月 常规 1.14±0.05ab 1.23±0.03ab 1.29±0.05a
免耕 1.32±0.03a 1.34±0.04a 1.39±0.03a
深松 1.05±0.03b 1.07±0.04b 1.23±0.05a
7月 常规 1.15±0.03ab 1.24±0.04a 1.27±0.03a
免耕 1.32±0.02a 1.35±0.03a 1.41±0.03a
深松 1.08±0.02b 1.19±0.02a 1.26±0.06a
8月 常规 1.20±0.03a 1.26±0.04a 1.28±0.03a
免耕 1.34±0.03a 1.38±0.04a 1.42±0.04a
深松 1.12±0.03a 1.25±0.03a 1.27±0.03a
9月 常规 1.22±0.04a 1.27±0.01a 1.32±0.03a
免耕 1.33±0.03a 1.38±0.02a 1.43±0.04a
深松 1.17±0.04a 1.26±0.04a 1.31±0.04a

2.2 不同耕作方式对土壤含水量的影响

由图1可知,不同处理对增加土壤含水量的影响程度表现为SS>CK>MG。6月份免耕0~10、10~20、20~30 cm土层的含水量都高于常规与深松处理,主要是由于常规耕作破除表层土壤与深松打破犁地层增加了土壤水分的蒸发量。7月份深松处理0~10 cm表层土壤含水量低于常规和免耕,但10~20 cm和20~30 cm土层含水量却高于常规和免耕处理,比常规分别提高8.3%、6.9%,比免耕分别提高2%、6%。8月份深松处理0~10 cm表层土壤含水量高于常规小于免耕呈上升趋势,在10~20 cm和20~30 cm土层含水量却明显提高。9月份深松处理各层含水量均高于常规与免耕,增幅分别为8.6%、20.5%、30.4%和5.4%、15.5%、35.2%。常规耕作表层土壤容重相对较小,土壤透气好,水分蒸发量大,但犁地层蓄水量少,水分很难向上移动,当蒸发量大于降水量时,土壤表层含水量会迅速下降;而土壤深松耕作可以打破犁地层,使土壤含水量显著提高。
图1 不同耕作方式对各月份土壤含水量的影响

Full size|PPT slide

2.3 不同耕作方式对土壤渗透性的影响

2.3.1 不同耕作方式对土壤渗透速率的影响 由图2可知,不同耕作方式下土壤的初始入渗速率、平均入渗速率、稳定入渗速率及渗透总量存在较大差异。其中,3种处理的土壤初始入渗速率表现为SS>CK>MG,深松处理较常规耕作提高54.5%,免耕处理较常规耕作降低35.6%;平均入渗速率表现为SS>CK>MG,深松处理较常规耕作提高50.7%,免耕处理较常规耕作降低了13.7%;稳定入渗速率表现为SS>CK>MG,深松处理较常规耕作提高81.1%,免耕处理较常规耕作降低了11.3%;渗透总量表现为SS>CK>MG,深松处理较常规耕作提高50.7%,免耕处理较常规耕作降低了13.7%。总体表明深松处理能够较好地改善土壤渗透性。
图2 不同耕作方式下对土壤渗透性的影响

Full size|PPT slide

2.3.2 不同耕作方式对土壤入渗速率及累计入渗量的影响 由图3可知,在整个入渗过程中,土壤入渗速率逐渐降低。深松处理的入渗速率最高,其次为常规耕作,免耕处理最低,尤其在0~40 min内差异最大。随着时间的推移,各处理的入渗速率幅度逐渐减小,最终趋于稳定,且深松处理与常规耕作仍高于免耕处理。
图3 不同耕作方式对土壤入渗速率及累计入渗量的影响

Full size|PPT slide

2.4 不同耕作方式对土壤孔隙度的影响

由图4可知,不同耕作方式对土壤孔隙度的影响存在差异。随着月份的增加土壤孔隙度呈降低的趋势,处理间以SS处理下平均土壤孔隙度最高,土层间随着土层的加深土壤孔隙度降低。6、7月对照CK和SS处理下0~10 cm与20~30 cm土层间土壤孔隙度达到显著差异(P<0.05)。8月SS处理下0~10 cm土层显著高于20~30 cm土层土壤孔隙度(P<0.05)。
图4 不同耕作方式对土壤孔隙度的影响

Full size|PPT slide

2.5 不同耕作方式下各指标综合评价

本试验对土壤容重(ɑ1)、含水量(ɑ2)、孔隙度(ɑ3)、初始入渗速率(ɑ4)、稳定入渗速率(ɑ5)、平均入渗速率(ɑ6)和渗透总量(ɑ7)等7个数量指标进行主成分分析,确定不同耕作方式下各指标的敏感程度。如表2所示,第一主成分累计贡献率可达95.62%,可包含7个数量指标的大部分信息。其中,根据综合分值对各指标排序依次为ɑ4>ɑ7>ɑ6>ɑ5>ɑ3>ɑ2>ɑ1（表3）。
表2 不同耕作方式下各指标主成分特征根与方差贡献率
主成分 特征根 方差贡献率/% 累计方差贡献率/%
主成分1 5.86 83.75 83.75
主成分2 1.01 11.87 95.62
表3 不同耕作方式下各指标主成分分析
参数 主成分1 主成分2 综合分值 排序
ɑ1 -0.847 0.532 -0.623 7
ɑ2 0.646 0.764 0.665 6
ɑ3 0.893 -0.449 0.675 5
ɑ4 0.992 0.764 0.955 1
ɑ5 0.998 -0.070 0.825 4
ɑ6 0.992 0.128 0.852 3
ɑ7 0.984 0.532 0.911 2
表4为因子得分系数矩阵,根据该矩阵可以得到因子得分函数ɑ′=-0.144ɑ1′+0.110ɑ2′+0.152ɑ3′+0.169ɑ4′+0.170ɑ5′+0.169ɑ6′+0.168ɑ7′（ɑi′为各指标的标准化数据）。根据方程计算不同耕作方式性能得分,并进行排序（表5）。
表4 不同耕作方式下各指标主成分因子得分系数矩阵
参数 主成分1 主成分2
ɑ1 -0.144 0.468
ɑ2 0.110 0.672
ɑ3 0.152 -0.395
ɑ4 0.169 0.672
ɑ5 0.170 -0.062
ɑ6 0.169 0.113
ɑ7 0.168 0.468
表5 不同耕作方式下综合得分排序
处理 得分 排序
CK -0.334 3
MG -0.182 2
SS 0.516 1

3 讨论与结论

土壤容重是土壤的重要物理性质,是衡量土壤紧实程度的一个重要指标[15]。土壤容重可以反映土壤的松紧程度,容重越小,表明土壤疏松多孔,团粒结构好;相反,容重越大,则表明土壤紧实板硬,缺乏团粒结构。对于作物发育来说,土壤过紧会妨碍根系伸展,过松会漏风跑墒。本研究表明,不同的耕作方式对土壤容重的影响效果为SS>CK>MG,与常规CK和MG处理相比,深松处理0~10、10~20、20~30 cm土层的土壤容重分别下降6.1%、4.6%、2.3%和16.7%、12.4%、10.6%,尤其以0~10 cm土层降幅最为明显。这与孔晓明等研究表明,在16~25 cm土层降幅最为明显有一定的差异,可能与冬季土壤自然沉实造成10~20 cm和20~30 cm土层容重增大和春季田间播种活动有关。玉米的主要活动范围在耕层0~30 cm土层[16],深松处理后,土壤容重显著下降,为玉米地下部分的生长提供保障。
耕作活动可以改变土壤的水力学特性,影响土壤的持水和导水能力[17,18]。深松处理可显著增强接纳灌溉和降水的能力,扩大土壤水库容[5]。不同的耕作方式对土壤含水量的影响效果为SS>CK>MG。深松处理可以提高土壤孔隙度,使土壤疏松多孔,从而增强接纳灌溉水和降水的能力。在作物生长前期,受到地表湿度过高、蒸发量大的影响,深松处理土壤孔隙度较大易于水分蒸发,使得0~10 cm土层的含水量最小,但随时间的推移,深松处理的含水量不断提高达到最大。常规耕作表层土壤容重相对较小,土壤透气好,水分蒸发量大,但犁地层蓄水量少,水分很难向上移动,当蒸发量大于降水量时,土壤表层含水量会迅速下降;而土壤深松处理可以打破犁地层,使土壤含水量显著提高。免耕处理土壤容重较大,表层土壤水分蒸发量较小,整体看土壤含水量最小。
土壤入渗过程及蓄水能力与土壤结构密切相关[19],深松处理可以改善土壤结构[20,21,22],提高土壤结构的稳定性,改善土壤的水分环境[23]。本研究表明,土壤的初始入渗速率、平均入渗速率、稳定入渗速率和渗透总量均以深松处理最高,而免耕处理最低。说明深松处理增加了土壤的通透性,有利于水分更好的入渗,并向更深土层的运移[24]。而免耕处理下使得土壤容重增加,不利于水分的入渗,且犁地层的存在水分很难向更深的土层运移。此外,深松处理能够提高土壤的累计入渗量,增加土壤水分库容量,而免耕处理能够降低土壤的无效蒸发,更有利于水分的保持。为进一步考察不同耕作方式对黑土区农田土壤物理特征的影响,对各指标进行主成分分析,结果表明,初始入渗速率和渗透总量对不同耕作方式最为敏感。从综合得分来看,不同耕作方式下土壤性能优劣表现为SS>MG>CK。

参考文献

原文顺序 | 文献年度倒序 | 文中引用次数倒序
[1]
徐演鹏, 卢萍, 谭飞 , 等. 外源C、N干扰下吉林黑土区农田土壤动物组成与结构[J]. 土壤学报, 2013,50(4):801-808.
本文引用 [1]
[2]
王艳丽, 范世涛, 张强 , 等. 吉林省黑土地资源开发利用现状及保护对策[J]. 吉林农业大学学报, 2010,32(S):57-59.
本文引用 [1]
[3]
孙利军, 张仁陟, 黄高宝 , 等. 保护性耕作对黄土高原旱地地表土壤理化性状的影响[J]. 干旱地区农业研究, 2007,25(6):207-211.
本文引用 [1]
[4]
国家玉米产业技术研发中心. 我国玉米产业发展的技术需求[J]. 玉米科学, 2008,16(3):130-133.
本文引用 [1]
[5]
孔晓民, 韩成卫, 曾苏明 , 等. 不同耕作方式对土壤物理性状及玉米产量的影响[J]. 玉米科学, 2014,22(1):108-113.
本文引用 [2]
[6]
黄高宝, 郭清毅, 张仁陟 , 等. 保护性耕作条件下旱地农田麦豆双序列轮作体系的水分动态及产量效应[J]. 生态学报, 2006(4):1176-1185.
本文引用 [1]
[7]
吕巨智, 程伟东, 钟昌松 , 等. 不同耕作方式对土壤物理性状及玉米产量的影响[J]. 中国农学通报, 2014,30(30):38-43.
本文引用 [1]
[8]
李文凤, 张晓平, 梁爱珍 , 等. 不同耕作方式下黑土的渗透特性和优先流特征[J]. 应用生态学报, 2008(7):1506-1510.
本文引用 [1]
[9]
李新举, 张志国, 赵美兰 , 等. 免耕对土壤养分的影响[J]. 土壤通报, 2000,31(6):267-269.
本文引用 [1]
[10]
丁昆仑, Ham M J . 深松耕作对土壤水分物理特性及作物生长的影响[J]. 中国农村水利水电, 1997,( 11):13-16.
本文引用 [1]
[11]
李其昀 . 深松技术在机械化保护性耕作中的作用[J]. 农机化研究, 2006,( 2):222-222.
本文引用 [1]
[12]
郑黎明, 孟长胜 . 深松耕法的产生与理论依据[J]. 农村牧区机械化, 2007(3):25-25.
本文引用 [1]
[13]
张志国, 徐琪, Blevins R L , 等. 长期秸秆覆盖免耕对土壤某些理化性质及玉米产量的影响[J]. 土壤学报, 1998,35(3):384-391.
本文引用 [1]
[14]
郭瑞, 季书勤, 王汉芳 , 等. 保护性耕作研究进展及其应用探讨[J]. 河南农业科学, 2007(7):5-9.
本文引用 [1]
[15]
廖萍, 黄国勤 . 红壤旱地保护性耕作对土壤理化性状的影响[J]. 耕作与栽培, 2006(5):31-32.
本文引用 [1]
[16]
宫秀杰, 钱春荣, 于洋 , 等. 深松免耕技术对土壤物理性状及玉米产量的影响[J]. 玉米科学, 2009,17(5):134-137.
本文引用 [1]
[17]
Waddell J T. Weil R R . Water distribution in soil under ridge-till and no-till corn[J]. Soil Sci Soc Am J, 1996,60:230-237.
本文引用 [1]
[18]
Kanwar R S . Effect of tillage systems on the variability of soil-water tensions and soil-water content[J]. Trans of the ASAE, 1989,32(2):605-610.
本文引用 [1]
[19]
杨永辉, 赵世伟, 雷廷武 , 等. 宁南黄土丘陵区不同植被下土壤入渗性能[J]. 应用生态学报, 2008,19(5):1040-1045.
本文引用 [1]
[20]
Chan K Y, Heenan D P, Oates A . Soil carbon fractions and relationship to soil quality under different tillage and stubble management[J]. Soil and Tillage Research, 2002,63(3/4):133-139.
本文引用 [1]
[21]
王新建, 张仁陟, 毕冬梅 , 等. 保护性耕作对土壤有机碳组分的影响[J]. 水土保持学报, 2009,23(2):115-121.
本文引用 [1]
[22]
刘中良, 宇万太 . 土壤团聚体中有机碳研究进展[J]. 中国生态农业学报, 2011,19(2):447-455.
本文引用 [1]
[23]
杨永辉 . 土壤结构特征对坡地雨水转化的影响[D]. 咸阳:中国科学院水土保持与生态环境研究中心, 2006.
本文引用 [1]
[24]
黄健, 王爱文, 张艳茹 , 等. 玉米宽窄行轮换种植、条带深松、留高茬新耕作制度对土壤性状的影响[J]. 土壤通报, 2002,33(3):168-171.
本文引用 [1]

基金

农业部公益性行业科研专项(2016-GC0082-5)

版权

版权所有，未经授权，不得转载、摘编本刊文章，不得使用本刊的版式设计。
PDF(1341 KB)

133

Accesses

0

Citation

Detail
段落导航
相关文章

/

〈 〉