耕作方式對冀西北高原旱沙地土壤機械組成和容重的影響

摘要：針對冀西北高原旱沙地農田經濟與生態兼顧的要求，在免耕產量明顯降低的背景下，通過研究土壤機械組成、容重等物理性質，探究保護性耕作在該類農田造成減產的原因。研究發現，該區域內土壤質地為多礫質沙土，主要風蝕物（0.01～0.25 mm顆粒）在0～5 cm土層內旋耕和翻耕處理分別比免耕高7.31%和14.64%，差異顯著（P<0.05）；5～30 cm土層內0.01～0.25 mm顆粒總量各處理間差異不顯著（P>0.05）。旋耕處理0～10 cm土層和翻耕處理0～30 cm各層土壤容重為1.34～1.52 g/cm3；免耕各層均大于1.60 g/cm3，耕作明顯降低了土壤的容重。

關鍵詞：保護性耕作；旱沙地；土壤機械組成；容重

中圖分類號：S152；S344.9 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2013）22-5449-03

冀西北高原屬于農牧交錯帶的河北省西北部高原地區，又稱壩上高原[1]，地處北方季風主風道，每到冬、春季節，受蒙古高壓天氣系統控制，加之區域地勢高亢，下墊面平緩、植被稀少，大風頻繁，土壤侵蝕嚴重[2]。人類不合理翻耕土地、放牧和樵采等經濟活動是加劇土壤風蝕的重要因素。研究表明，地表采取作物殘茬覆蓋等特殊保護可以減少農田土壤風蝕損失；此外，通過改變土壤特性、微地形和作物殘體等因素也可影響土壤風蝕[3-8]。王云超[9]和常春麗[10]通過對冀西北高原多年坡梁地保護性耕作的研究發現免耕降低了作物的產量。因此，針對該區的發展現狀及存在的問題，按照生態學原理和農業可持續發展的要求，在穩定和提高糧食與牧草單產的同時，如何防止土壤退化、減少風蝕成為該地區生態環境的重要問題，而保護性耕作是解決這一問題的有效途徑。其中土壤的物理性質是影響土壤風蝕和作物產量的主要原因之一，因此研究該區域保護性耕作制度下農田土壤容重和機械組成的變化狀況，探索造成免耕減產的土壤特性基礎，旨在為保護性耕作技術在冀西北壩上高原地區的合理應用和推廣提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗區位于河北省張北縣河北農業大學實驗站內，該區屬半干旱大陸性季風氣候，年平均氣溫2.6 ℃，無霜期103 d，降水量400 mm，蒸發量1 693.0 mm，干燥度2.0～2.3，光照資源居河北省之首。土壤為沙質栗鈣土，質地為多礫質沙土。作物種植方式為莜麥一年一熟。

1.2 試驗設計

試驗于2001—2008年進行，設置翻耕、旋耕和免耕3種耕作處理，每個處理設4次重復，共12個小區。小區面積為90 m2（9 m×10 m）。各處理具體操作為：①翻耕：在莜麥收獲后將麥茬翻埋于土壤中，翻耕深度約25 cm；②旋耕：在莜麥收獲后，用旋耕機將麥茬旋入土壤，深約15 cm；③免耕：莜麥茬自然（直立）分布于田間的情況下，采用免耕播種機一次性完成播種、施肥作業。

3個耕作處理的灌溉、施肥、作物品種及其他管理措施均相同，供試品種為當地主栽晚熟莜麥品種壩優1號，播種量為65 kg/hm2，行距27 cm。在莜麥播種時施入純N 75 kg/hm2和P2O5 60 kg/hm2，生育期內不再進行追肥；莜麥播前提前14 d使用除草劑2，4-D丁酯控制雜草，生育期內不灌水。

1.3 樣品采集與測定

1.3.1 樣品采集 在2008年莜麥收獲后采樣，分0～5 cm、5～10 cm、10～20 cm和20～30 cm 4個層次分別采集混合土樣，每小區3次重復。在采集和運輸過程中盡量減少對土樣的擾動，實驗室內風干土樣。

1.3.2 測定方法 土壤容重采用環刀法測定，土壤機械組成采用吸管法測定[11]。利用SPSS 13.0進行統計分析。

2 結果與分析

2.1 不同耕作方式對莜麥產量的影響

表1為2007年和2008年不同耕作方式下的產量。由表1可知，2007年和2008年免耕產量比旋耕分別降低了19.76%和60.33%，兩年平均產量降低了37.83%；比翻耕分別降低了18.96%和70.53%，兩年平均產量降低了45.88%。免耕產量與旋耕、翻耕處理差異在兩年間均達到極顯著水平，兩年平均產量差異達到顯著水平。2007年旋耕產量比翻耕增加了0.99%，差異不顯著；2008年降低了25.70%，差異達極顯著水平；兩年平均降低了12.94%，差異不顯著。通過比較可以看出，旋耕與翻耕處理的產量較高，免耕處理的產量最低，減產明顯。

2.2 不同耕作方式對土壤機械組成的影響

該地區不同耕作處理0～30 cm土壤石礫、沙粒、粉粒和黏粒含量變幅分別為12.491%～23.343%、56.004%～64.416%、8.260%～11.446%和11.910%～14.833%，各粒級顆粒平均含量分別為17.399%、59.522%、9.733%和13.346%，構成了多礫質沙土（表2）。免耕和旋耕0～5 cm土壤石礫含量均小于5～30 cm各層土壤石礫含量的均值，翻耕0～5 cm土壤石礫含量大于5～30 cm土壤石礫含量的均值，旋耕0～5 cm石礫含量最少，說明翻耕增加了0～5 cm土壤中石礫的含量。粗沙粒含量免耕0～5 cm土壤顯著高于5～30 cm各層土壤，旋耕0～5 cm土壤顯著高于5～30 cm各層土壤，翻耕0～10 cm土壤低于10～30 cm各層土壤，說明免耕和旋耕增加了0～5 cm土壤粗沙粒的含量，主要以粗沙粒為主。黏粒含量中粗黏粒的含量免耕0～5 cm高于10～30 cm各層土壤。

有研究表明冀西北地區0.02～0.2 mm顆粒是風蝕物的主要成分[12]，該粒徑屬細沙粒和粗粉粒[13]。由表2可知，0.01～0.25 mm顆粒含量0～5 cm土層中為翻耕>旋耕>免耕，分別為39.356%、36.838%和34.330%，處理間差異達顯著水平，翻耕和旋耕處理分別比免耕高14.64%和7.31%，說明免耕減少了風蝕物主成分的數量；5～30 cm土層中為旋耕>免耕>翻耕，平均值為38.975%、38.828%和38.509%，差異不顯著。說明翻耕把0.01～0.25 mm顆粒從深層帶到表層，因風蝕逐年減少，是造成土地沙化的主要原因之一，免耕可以起到保護地表的作用。

2.3 不同耕作方式對土壤容重的影響

圖1是不同耕作方式下的土壤容重值。從圖1可以看出，免耕0～30 cm和旋耕10～30 cm各層土壤容重均在1.60 g/cm3以上，最大值出現在免耕0～10 cm，土壤容重為1.66 g/cm3；旋耕0～10 cm和翻耕0～30 cm土壤容重為1.34～1.52 g/cm3，最小值出現在旋耕0～10 cm，土壤容重為1.34 g/cm3。免耕0～10 cm土壤容重比旋耕和翻耕分別高23.14%和8.81%，差異均達顯著水平。旋耕0～10 cm土壤容重比翻耕降低了11.84%，差異達到顯著水平；比旋耕10～20 cm、20～30 cm的土壤容重分別降低16.77%和18.29%，差異均達到顯著水平。翻耕各層土壤容重差異不顯著。通過分析可以得出免耕顯著地增加了表層土壤的容重，耕作可以降低土壤的容重，從而改變土壤的松緊狀況。

3 結論

1）在旱沙地農田，以旋耕和翻耕處理的莜麥產量較高，免耕處理兩年平均產量分別比旋耕和翻耕處理降低了37.83%和45.88%，免耕減產顯著。

2）冀西北高原地區旱沙地農田土壤機械組成以沙粒為主，平均含量為59.522%；土壤顆粒含量石礫>黏粒>粉粒，構成了多礫質沙土。免耕和旋耕處理減少了0～5 cm土層石礫和細沙粒的含量，增加了粗沙粒含量，翻耕則相反。3種耕作方式對土壤中風蝕物的主成分（0.01～0.25 mm顆粒）影響較大，0～5 cm的表層土壤中旋耕和翻耕比免耕高7.31%和14.64%。翻耕將深層土壤內0.01～0.25 mm顆粒帶到表層，由于風蝕造成該粒徑范圍內顆粒在整個土體內逐年減少。

3）耕作方式直接影響了冀西北高原地區土壤容重的大小，與免耕相比，旋耕使0～10 cm土層、翻耕使0～30 cm各層土壤的容重顯著降低。

4 討論

冀西北高原地區特殊的氣候條件，即風大、沙大，光照時間長、強度大，且秸稈不易覆蓋，加速了有機質的礦化過程；同時該地區處于農牧交錯帶，對于秸稈的使用量大，當地農民主要將莜麥秸稈用于飼喂牛羊，主觀上不愿用秸稈覆蓋，所以該地區秸稈覆蓋的應用需通過對生態與經濟做進一步分析研究。沙質栗鈣土特殊的土壤類型決定了在無秸稈覆蓋的前提下實行免耕后土壤過硬，嚴重影響播種質量和出苗率以及中后期作物生長和產量形成，最終導致減產。

由于耕作方式的不同造成土壤孔隙度發生變化，從而改變了土壤的容重，耕作顯著影響了土壤的容重，免耕雖然使土壤表層容重增大，土壤變得緊實，但機械組成沒有發生明顯的變化。0～5 cm土壤內石礫、粗沙粒、細沙粒旋耕和免耕趨勢相近，并且旋耕產量與翻耕差異不顯著，均大于免耕。

綜合考慮生態和產量，旋耕是該地區比較理想的耕作方式。但是本研究只是對保護性耕作試驗實施8年后的結果進行分析，要研究不同保護性耕作方式對土壤結構的影響還需要進行長期的試驗。只有綜合分析不同耕作方式對土壤結構、水分運動、生物特性和作物生長狀況的影響，才能評價不同耕作方式的優劣。

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[13] 黃昌勇.土壤學[M].北京：中國農業出版社，2005.

（責任編輯 呂海霞）