半干旱礦區(qū)作物對土壤質(zhì)量含水率和土壤圓錐指數(shù)的影響

王曉輝， 郄晨龍， 楊德軍， 雷少剛， 越 智， 牟守國

(1.中國礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測繪學(xué)院，江蘇徐州 221116； 2.內(nèi)蒙古伊泰廣聯(lián)煤化有限責(zé)任公司紅慶河煤礦，內(nèi)蒙古東勝 017000)

通信作者：牟守國，碩士，副教授，主要從事礦區(qū)環(huán)境監(jiān)測治理方面的研究。E-mail：mushouguo@163.com。

土壤圓錐指數(shù)，又稱為土壤穿透阻力，可以反映土壤的緊實(shí)程度。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，土壤圓錐指數(shù)過大會(huì)抑制作物根系的生長，進(jìn)而影響作物的產(chǎn)量和質(zhì)量[1-8]；土壤圓錐指數(shù)過小，表明土壤田間持水性能降低，因此，土壤圓錐指數(shù)是一個(gè)重要的土壤物理質(zhì)量指標(biāo)。由于土壤圓錐指數(shù)受測量過程及測量儀器的影響較大，美國農(nóng)業(yè)工程協(xié)會(huì)制定了ASAE EP542 PEB99號標(biāo)準(zhǔn)，來統(tǒng)一規(guī)范測量過程[9]。此外，土壤含水量、土壤容重、土壤質(zhì)地、土壤有機(jī)質(zhì)及植被覆蓋等因素是影響土壤圓錐指數(shù)的重要因素[10-12]。Ayers等開展了土壤含水量和干密度影響土壤圓錐指數(shù)的研究，建立了“土壤圓錐指數(shù)-土壤質(zhì)量含水率-干密度”的半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停Ⅱ?yàn)證了該模型在預(yù)測試驗(yàn)中所用的5種土壤圓錐指數(shù)的有效性[13]；Upadhyaya等分別利用土壤含水率和土壤密度建立了預(yù)測土壤圓錐指數(shù)的模型[14-15]。林劍輝等對Ayers等的模型從容重預(yù)測角度進(jìn)行了對比分析，得出各自的優(yōu)點(diǎn)和局限性[16]。耕作方法也會(huì)對土壤圓錐指數(shù)產(chǎn)生一定的影響。焦彩強(qiáng)等對旋耕松土和深耕松土2種耕作措施進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)旋耕土壤在15～40 cm土層會(huì)增加土壤圓錐指數(shù)，限制作物根系伸長；深耕松土降低土壤圓錐指數(shù)的效應(yīng)在整個(gè)作物生育期間都能得到明顯的體現(xiàn)，從而證實(shí)了生產(chǎn)上現(xiàn)行的旋耕方法具有明顯導(dǎo)致土壤緊實(shí)化的問題[17-18]。

綜上所述，目前針對土壤圓錐指數(shù)的研究較多，在影響因素、預(yù)測模型構(gòu)建及模型可靠性分析等方面的研究較全面。不同作物在生長過程中，會(huì)對土壤物理性質(zhì)產(chǎn)生一定的影響，而同一作物在不同階段、不同作物在同一階段對土壤圓錐指數(shù)和土壤質(zhì)量含水率的影響程度是否存在差異值得探討；另外，作物收割一段時(shí)間后，根系等也會(huì)持續(xù)對土壤產(chǎn)生一定的影響，不同作物產(chǎn)生影響的差異仍值得探討。因此，本試驗(yàn)在對同一地塊進(jìn)行相同耕作和灌溉的基礎(chǔ)上，分區(qū)域種植不同作物，運(yùn)用單因素方差分析，對同一作物不同時(shí)間和同一時(shí)間不同作物對土壤圓錐指數(shù)和土壤含水量的影響進(jìn)行顯著性差異分析，進(jìn)而探尋不同作物在不同階段對土壤物理性質(zhì)的影響規(guī)律。另外，本試驗(yàn)對所測土壤圓錐指數(shù)和土壤質(zhì)量含水率進(jìn)行回歸分析，以驗(yàn)證土壤質(zhì)量含水率與土壤圓錐指數(shù)的關(guān)系模型。以期為半干旱礦區(qū)土壤環(huán)境的治理和土地復(fù)墾提供一定的理論依據(jù)和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

大柳塔礦區(qū)位于晉陜蒙交界處(39.1°～39.4°N，111.2°～110.5°E)，該礦區(qū)地表縱橫交錯(cuò)，起伏較大，被厚黃土層覆蓋，為典型黃土溝壑區(qū)。全年降水量較低，以夏季降雨為主，一般為251.3～646.5 mm，年蒸發(fā)量高達(dá) 1 788.4 mm。地下水埋深較大，一般無法給地表植被提供水源，因此，該地區(qū)植被水源補(bǔ)給以降雨和大氣凝結(jié)水為主。平均每年日照時(shí)間為2 875.9 h，極端低氣溫和極端高氣溫分別為 -28.1、38.9 ℃，平均氣溫為8.6 ℃。由于該地區(qū)氣候干燥(濕度為56%)，且植被覆蓋率較低，冬、春兩季風(fēng)速較大，因此冬、春兩季多發(fā)生沙塵暴；夏季降雨不均勻，多集中在某一時(shí)段且降水量大，因此造成水土流失較為嚴(yán)重。該區(qū)域的土壤類型以粉沙壤土為主，以草原群落、低矮灌木、沙生植被等為主要植被類型。作物以馬鈴薯、玉米等雜糧為主，耕作方式為深松翻土，灌溉較為困難。

1.2 樣地設(shè)置及樣品采集

試驗(yàn)開展前一年耕地上無作物。為分析不同作物在不同時(shí)間對土壤質(zhì)量含水率和土壤圓錐指數(shù)的影響規(guī)律，本試驗(yàn)在該耕地上進(jìn)行均勻施肥、統(tǒng)一耕作及灌溉后，均勻劃分4個(gè)區(qū)域，分別種植大豆、玉米、蠶豆、綠豆等4種作物。分別在作物收割22(2013年9月3日)、1 d(2013年9月24日)前及收割33 d(2013年10月28日)后測量土壤圓錐指數(shù)和土壤質(zhì)量含水率。每次測量選擇未受人為干擾的點(diǎn)進(jìn)行測量，測量深度為0～10 cm，每個(gè)測量點(diǎn)進(jìn)行3～4次測量后的平均值作為該點(diǎn)的測量結(jié)果，大豆、玉米、綠豆等3個(gè)種植區(qū)域各有12個(gè)測量點(diǎn)，蠶豆種植區(qū)域有15個(gè)測量點(diǎn)。4種作物的種植時(shí)間和收割時(shí)間均相同，收割過程中作物的殘茬高度也基本保持相同。

試驗(yàn)選用的土壤緊實(shí)度儀器為6120型指針式土壤緊實(shí)度儀，測量范圍為0～4.137 MPa，選用直徑為1.905 cm的大錐頭，不銹鋼探桿上深度標(biāo)志設(shè)置在 15.240 cm 處；土壤含水率測量儀器為便攜式POGO土壤多參數(shù)測定系統(tǒng)和Hydra便攜式土壤含水率測定儀。由于土壤含水率儀器測得數(shù)據(jù)為土壤的體積含水率，本試驗(yàn)通過土壤質(zhì)量含水率=土壤體積含水率/土壤干密度換算后，得到土壤質(zhì)量含水率，該塊耕地的平均土壤干密度為1.39 g/cm3。

1.3 數(shù)據(jù)分析

通過SPSS軟件對土壤圓錐指數(shù)和土壤質(zhì)量含水率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并針對同一作物不同階段和同一階段不同作物間的土壤圓錐指數(shù)和土壤質(zhì)量含水率分別進(jìn)行單因素方差分析，從而探尋不同作物在不同時(shí)間對土壤物理性質(zhì)的影響規(guī)律。另外，通過SPSS對現(xiàn)場所測土壤圓錐指數(shù)和土壤質(zhì)量含水率進(jìn)行回歸分析，以驗(yàn)證土壤質(zhì)量含水率對土壤圓錐指數(shù)的影響規(guī)律，從而減少土壤圓錐指數(shù)預(yù)測模型的輸入變量。

2 結(jié)果與分析

2.1 同一作物不同階段土壤質(zhì)量含水率及土壤圓錐指數(shù)的單因素方差分析

由表1可知，大豆、玉米、蠶豆、綠豆等4種作物種植區(qū)，土壤質(zhì)量含水率平均值在作物收割1 d前與作物收割22 d前之間差異不顯著(P>0.05)，但這2個(gè)時(shí)間點(diǎn)所測數(shù)據(jù)均顯著高于收割33 d后所測得的數(shù)據(jù)(P<0.05)。土壤圓錐指數(shù)平均值在作物收割1 d前與作物收割22 d前之間差異不顯著(P>0.05)，但這2個(gè)時(shí)間點(diǎn)所測數(shù)據(jù)均顯著低于收割33 d后所測得的數(shù)據(jù)(P<0.05)，該規(guī)律與土壤質(zhì)量含水率隨時(shí)間變化的規(guī)律相反，即土壤質(zhì)量含水率較高時(shí)對應(yīng)的土壤圓錐指數(shù)較低，這與Ayers等得到的經(jīng)驗(yàn)公式[13]具有一致性。

2.2 同一階段不同作物間土壤質(zhì)量含水率及土壤圓錐指數(shù)單因素方差分析

由表2可知，作物收割22 d前，蠶豆種植區(qū)的土壤質(zhì)量含水率平均值顯著低于大豆、玉米和綠豆種植區(qū)的土壤質(zhì)量含水率平均值(P<0.05)，但大豆、玉米、綠豆種植區(qū)的土壤質(zhì)量含水率平均值之間差異不顯著(P>0.05)。作物收割 1 d 前，玉米種植區(qū)的土壤質(zhì)量含水率平均值顯著高于大豆、蠶豆和綠豆種植區(qū)的土壤質(zhì)量含水率平均值(P<0.05)，但大豆、蠶豆、綠豆種植區(qū)的土壤質(zhì)量含水率平均值之間差異不顯著(P>0.05)。作物收割33 d后，玉米、綠豆種植區(qū)的土壤質(zhì)量含水率平均值顯著高于大豆、蠶豆種植區(qū)的土壤質(zhì)量含水率平均值(P<0.05)，但大豆與蠶豆、玉米與綠豆種植區(qū)兩兩之間的土壤質(zhì)量含水率平均值差異不顯著(P>0.05)。作物收割22 d前，玉米、蠶豆種植區(qū)的土壤圓錐指數(shù)平均值之間差異不顯著(P>0.05)，大豆、蠶豆、綠豆種植區(qū)的土壤圓錐指數(shù)平均值之間差異也不顯著(P>0.05)，但玉米、蠶豆種植區(qū)的土壤圓錐指數(shù)平均值明顯高于大豆、綠豆種植區(qū)的土壤圓錐指數(shù)平均值。作物收割1 d前，大豆與蠶豆、玉米與蠶豆、玉米與綠豆種植區(qū)的土壤圓錐指數(shù)平均值兩兩之間差異不顯著(P>0.05)，但大豆、蠶豆種植區(qū)的土壤圓錐指數(shù)平均值明顯高于玉米、綠豆種植區(qū)的土壤圓錐指數(shù)平均值。作物收割33 d后，大豆、玉米、蠶豆種植區(qū)的土壤圓錐指數(shù)平均值之間差異不顯著(P>0.05)；大豆、蠶豆、綠豆種植區(qū)的土壤圓錐指數(shù)平均值之間差異不顯著(P>0.05)，但玉米種植區(qū)的土壤圓錐指數(shù)平均值顯著高于綠豆種植區(qū)的土壤圓錐指數(shù)平均值(P<0.05)。另外，作物收割22 d前，4種作物種植區(qū)的土壤圓錐指數(shù)平均值均超過1 000 kPa，據(jù)有關(guān)研究，此時(shí)植物根系的生長明顯變緩[19]。

表1 同一作物不同階段土壤質(zhì)量含水率和土壤圓錐指數(shù)

注：同列數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示同一作物不同測定時(shí)間之間的土壤質(zhì)量含水率平均值、土壤圓錐指數(shù)平均值差異顯著(P<0.05)。

2.3 土壤質(zhì)量含水率與土壤圓錐指數(shù)的關(guān)系

通過對大豆、玉米、蠶豆、綠豆等4種作物種植區(qū)域3個(gè)時(shí)間合并后的土壤圓錐指數(shù)(y)和土壤質(zhì)量含水率(x)進(jìn)行線性回歸，回歸結(jié)果如圖1所示，4種作物中玉米的決定系數(shù)較高，其他3種作物的決定系數(shù)均在0.4左右。土壤質(zhì)量含水率能夠較好地解釋土壤圓錐指數(shù)，回歸模型具有可信性。4個(gè)地塊的土壤圓錐指數(shù)與土壤質(zhì)量含水率之間存在負(fù)相關(guān)關(guān)系，這與其他學(xué)者的研究結(jié)果[13-15]一致。4個(gè)地塊土壤質(zhì)量含水率對土壤圓錐指數(shù)的影響系數(shù)之間存在一定的差異，表明不同作物對土壤質(zhì)量含水率和土壤圓錐指數(shù)的影響程度不同，這可能與土壤容重等其他因素有關(guān)。

3 結(jié)論與討論

對同一作物不同時(shí)間階段土壤圓錐指數(shù)和土壤質(zhì)量含水率單因素方差分析的結(jié)果表明， 作物能夠顯著增加土壤表層的土壤質(zhì)量含水率，同時(shí)降低土壤圓錐指數(shù)。研究表明，作物與土壤質(zhì)量含水率、土壤圓錐指數(shù)之間相互影響，即土壤質(zhì)量含水率和土壤圓錐指數(shù)影響作物生長，同時(shí)作物的存在也會(huì)影響土壤質(zhì)量含水率和土壤圓錐指數(shù)。

表2 同一階段不同作物土壤質(zhì)量含水率和土壤圓錐指數(shù)

注：同列數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示不同作物同一測定時(shí)間之間的土壤質(zhì)量含水率平均值、土壤圓錐指數(shù)平均值差異顯著(P<0.05)。

對同一時(shí)間階段不同作物之間土壤圓錐指數(shù)和土壤質(zhì)量含水率的單因素方差分析的結(jié)果表明，不同作物對土壤質(zhì)量含水率和土壤圓錐指數(shù)的影響存在一定的差異，即不同作物對土壤圓錐指數(shù)和土壤質(zhì)量含水率的影響程度并不相同。

半干旱礦區(qū)的作物可以增加土壤表層的土壤質(zhì)量含水率，同時(shí)降低土壤圓錐指數(shù)，表明作物與土壤物理性質(zhì)之間相互影響。種植不同的作物，其區(qū)域的土壤圓錐指數(shù)、土壤質(zhì)量含水率之間存在顯著性差異，表明不同作物對土壤物理性質(zhì)的影響程度并不相同。線性回歸模型能夠較好地表征半干旱礦區(qū)土壤質(zhì)量含水率對土壤圓錐指數(shù)的定量化模型，本試驗(yàn)得到了4種作物種植區(qū)域具有可信性的線性回歸模型。本研究的結(jié)果可以為礦區(qū)作物種植區(qū)土壤的改良及灌溉等提供依據(jù)，進(jìn)而提高我國西部礦區(qū)糧食的產(chǎn)量，緩解糧食危機(jī)。

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