耕作方式對旱地紅壤物理特性的影響

張麗娜, Asenso Evans, 張陸勇, 田 凱, 楊丹彤, 李就好

(1.華南農業大學 水利與土木工程學院, 廣州 510642; 2.華南農業大學 工程學院, 廣州 510642)

農田土壤是農業可持續發展的物質基礎，土壤質量直接影響作物的生長和產量。由于不同土壤在土壤特性方面也存在差異，可通過農機具的機械力量作用于土壤，調整耕作層和地面狀況，以調節土壤水分、空氣、溫度和養分的關系，為作物播種、出苗和生長發育提供適宜土壤環境[1]。傳統耕作方法對土壤進行多次耕翻，造成一個疏松的耕層，導致土壤結構穩定性下降，易產生水土流失和嚴重風蝕等一系列問題。與傳統耕作相比，免耕可以改善土壤結構，控制土壤侵蝕，在全球得以廣泛推廣應用[2]。但是長期實施免耕使得耕層變淺、下耕層土壤容重增加、土壤變緊實，特別是黏質土壤，從而影響作物生長發育[3-4]。

目前，國內外學者對于耕作方式與土壤特性關系的研究較多。孫濤[5]對東北寒地黑土區的保護性耕作研究指出，秸稈覆蓋在改善黑土理化性質方面較為突出，但產量較低，留茬免耕不僅可以改善土壤理化性質，而且經濟效益高，不影響產量，為該地區最適宜的耕作方式。李娟等[6]在黃土高原暖溫帶半濕潤易旱區的輪耕試驗表明，秸稈覆蓋下免耕/深松處理模式對于提高土壤蓄水保墑能力和作物增產效果最好。許迪等[7]在華北平原地區試驗表明，深松明顯地減少了耕層土壤的干容重、增加了孔隙度,改善了土壤飽和時土壤的水分傳導性能,但干旱時土壤的持水能力相對減弱。可見，隨著保護性耕作研究和應用不斷深入，耕作制度的區域適應性特征愈發明顯。因此，開展不同地區，不同土壤條件，不同耕作方式下土壤質量的綜合評價具有重要意義。

紅壤是我國熱帶亞熱帶地區主要的土壤資源，一般質地黏重，保水性差。因此，本文針對南方地區旱地紅壤的特點，在大田生產條件下對比研究旋耕、深松和免耕對土壤物理性質的影響規律，為明確適于該地區推廣應用的合理耕作方式提供理論依據。

1　材料與方法

1.1　試驗區概況

試驗地點設在廣東省連平縣五豐泰農業投資股份有限公司農場，位于北緯24°9′25″，東經114°23′43″，海拔121 m，該地區屬于中亞熱帶季風氣候，日照雨量充沛，降水季節明顯，年平均氣溫為18.0～20.7℃，年均日照總時數為1 659.8 h，年平均降水量為1 779.7 mm，從3月份開始，雨量逐漸增多，5月、6月份為降水最集中期，而且強度大，易引起山洪暴發，8月份以后降水逐漸減少，若無臺風調節，則易產生秋旱，甚至秋、冬、春連旱。年平均濕度為79%，歷年平均霜期日數為65 d。

該地區土壤類型為紅壤，經取樣測定，其物理特性見表1，肥力特征見表2。從表中可以看出，試驗區土壤質地為粉(砂)壤土，土壤呈酸性，參照全國第二次土壤普查標準[8]得出，土壤有機質、全氮、堿解氮、全磷含量處于中等較缺乏水平，全鉀含量缺乏，有效磷和速效鉀含量處于中等較豐富水平，且隨著土層深度增加，土壤養分含量均有所降低。

表1　試驗區土壤物理特性

注:同列數據后不同小寫字母表示處理間差異顯著(p<0.05)，下同。

表2　試驗區土壤肥力特征

1.2　試驗設計

試驗采用田間分區的方法，設置旋耕(RT)、深松(SS)、免耕(NT)3種耕作處理方式，其中旋耕深度20 cm左右，深松深度40 cm左右。供試作物為玉米，為當地主推玉米品種新美甜818，人工播種，行距0.5 m，株距0.32 m。采用隨機區組設計，每處理重復三次，共9個小區，每小區面積為1.5 m×100 m=150 m2。播種時施硫酸鉀型復混肥料12 000 kg/hm2作為基肥，在播種后15 d和30 d分別追施225 kg/hm2和300 kg/hm2。各處理田間管理措施均相同。

1.3　田間土壤樣品采集與測試

每小區隨機選取3個點，于耕作前、播種前及收獲后用取土鉆按采樣深度0—10 cm，10—20 cm，20—30 cm分層取原狀土壤，以供室內測定土壤物理性質指標，并同時測定土壤硬度。土壤硬度采用TYD-2型土壤硬度計現場測定，在每個小區選擇3個測點，每10 cm土層深度記錄一次，測定深度為30 cm。

采用環刀法測定土壤密度，烘干法測定質量含水量，根據測定的土壤密度值計算土壤孔隙度，其中土粒密度采用比重瓶法測定，測得的平均值為2.68 g/cm3。土樣風干后，采用干篩法測定每個粒級的土壤團聚體含量，計算平均重量直徑MWD[9]。

本文數據均采用Excel和SPSS 軟件進行統計分析和作圖，用Duncan法對試驗數據進行方差分析和多重比較。

2　結果與分析

2.1　耕作方式對土壤密度的影響

土壤密度是土壤物理性質的主要指標之一，適宜的土壤密度有利于土壤的透氣以及作物根系的生長。表3為測得的不同耕作條件下播種前和收獲后土壤密度的情況，從表中可以看出，在播種前，旋耕處理使得表層(0—10 cm)土壤較疏松，土壤密度迅速下降，較免耕處理降低了8.0%；10—20 cm土層，旋耕和深松處理土壤密度均顯著(p<0.05)低于免耕處理,分別降低了16.4%和17.9%；20 cm以下，深松明顯降低了底層土壤密度，較旋耕和免耕處理分別降低了11.0%和21.8%。

在收獲后，各土層土壤密度要相對高于播種前，這是由于經過一個生育期，土壤在其自身重力作用下發生自然沉降、以及降雨等其他因素的影響[4]，使得土壤密度有所增加[10]。其中免耕處理土壤密度僅在表層增加幅度較大，受外界影響較大，在下層(10—30 cm)略微有所增加。收獲后各耕作處理表層(0—10 cm)土壤密度并無顯著差異，而深松處理下層(10—30 cm)土壤密度顯著(p<0.05)低于免耕，分別下降了9.6%和13.9%；旋耕處理下層土壤密度較免耕分別下降了5.5%和11.4%；由于土壤的自重密實作用，耕作處理間差異呈減小趨勢。

表3　不同耕作方式下土壤密度在播種前、收獲后的變化　g/cm3

2.2　耕作方式對土壤水分的影響

土壤水分是作物生長和生存的物質基礎，對作物各器官的生長發育和產量有很大的影響。合理的耕作方式能夠充分利用自然降水、發揮土壤的生產能力。表4為測得的不同耕作條件下播種前和收獲后土壤質量含水量的情況，從表中可以看出，耕作方式對玉米播種前土壤含水量影響較大，由高到低依次表現為免耕>深松>旋耕。免耕處理各土層土壤含水量均顯著高于其他處理，在整個土層(0—30 cm)的平均含水量較旋耕和深松增加了28.8%，19.7%。旋耕和深松在整個土層的土壤含水量較耕作前有所降低，分別降低了18.2%和12.0%；而免耕處理土壤含水量較耕作前增加了5.3%。

耕作方式對玉米收獲后土壤含水量影響不大，深松處理整個土層的平均土壤含水量略高于其他處理。比較不同深度土壤含水量的變化可知，免耕土壤含水量隨土層加深呈下降趨勢，旋耕和深松呈先上升后下降的趨勢，在10—20 cm土層含水量達到最高，貯水量較多。比較不同時期土壤含水量的變化可知，收獲后旋耕和深松處理各土層土壤含水量較播種前均有所增加，增加幅度較大；而免耕在0—20 cm土層土壤含水量較播種前有所增加，增加幅度較小，在20—30 cm有所下降。從整體上看，免耕在整個作物生育期內土壤含水量變化幅度小，基本維持在15%～18%，能有效抑制土壤水分損失，保證作物需水關鍵期的供水量。

表4　不同耕作方式下土壤質量含水量在播種前、收獲后的變化　%

2.3　耕作方式對土壤孔隙度的影響

土壤孔隙度直接影響土壤中水、熱、溶質、氣體運動及作物根系的生長。對旱作土壤來說，其耕層孔隙度在50%或稍大于50%較好[11]。表5為不同耕作條件下播種前和收獲后土壤孔隙度的情況，從表中可以看出，不同耕作方式下土壤孔隙度大小均表現為深松>旋耕>免耕，且土壤孔隙度隨土層加深呈下降趨勢，形成上虛下實的耕層結構，有利于水分入滲，增加土壤“庫容”。播種前，各處理表層(0—10 cm)土壤孔隙度相差不大，其中旋耕處理土壤孔隙度大于60%；在10—20 cm土層，免耕處理孔隙度下降幅度較大，低于50%，較旋耕和深松分別下降了14.9%和16.1%；在20—30 cm土層，深松土壤孔隙度最大，旋耕次之，免耕土壤孔隙度達到最低，為41.9%。

收獲后各處理土壤孔隙度較播種前呈下降趨勢，與土壤密度變化趨勢相反，其中旋耕處理在0—20 cm土層下降幅度最大，20—30 cm土層下降幅度明顯變小；深松在整個土層的下降幅度較一致；免耕在整個土層的下降幅度最小，說明經過一個生育期，土壤逐漸變緊實。收獲后，在0—10 cm土層，耕作方式對土壤孔隙度影響不大；10—30 cm土層，深松處理土壤孔隙度要高于旋耕和免耕，與免耕差異顯著。此時，除深松外，其余處理的平均土壤孔隙度均低于50%。

表5　不同耕作方式下土壤孔隙度在播種前、收獲后的變化　%

2.4　耕作方式對土壤團聚體組成的影響

良好的土壤結構主要是團粒結構，在一定程度上標志著土壤肥力水平，對協調土壤肥力狀況和土壤空氣、改善耕性、穩定土壤溫度等有著重要作用[12]。粒徑在0.25～10 mm的團聚體含量越高，說明土壤團聚性越好；而<0.25 mm的微團聚體是機械穩定性較差的團聚體，其含量占比越高，表明土壤愈分散，易影響水分入滲，增加土壤侵蝕，還容易形成沙塵天氣。平均重量直徑(MWD)是反映土壤團聚體大小分布狀況的常用指標。MWD 值越大表示團聚體的平均粒徑團聚度越高，穩定性越強[13]。

表6為播種前不同耕作條件下各深度風干土的團聚體的組成情況，從表中可以看出，各粒徑含量在不同土層深度中表現規律性不強。不同耕作方式下，<0.25 mm團聚體的含量變化為旋耕>深松>免耕，旋耕較深松和免耕分別增加了40.7%，47.1%，差異顯著(p<0.05)。旋耕處理在粒徑范圍為5～10 mm的團聚體含量顯著低于免耕，略低于深松，這說明旋耕主要減少了5～10 mm的團聚體數量。>10 mm團聚體含量表現為旋耕>免耕>深松，在0.25～5 mm粒徑范圍內深松處理團聚體含量均高于其他處理。不同耕作方式下MWD的變化為免耕>旋耕>深松，旋耕和深松處理使土壤團聚體的穩定性有所下降，平均重量直徑較免耕分別降低了4.0%，17.0%，但各處理間差異并不顯著。大團聚體的粘合劑是暫時的，而微團聚體的粘合劑是持久的，耕作處理對暫時過渡性的粘合劑影響比對持久性的影響要大，因此更易對大團聚體產生影響[14]。旋耕對土壤結構的擾動較大，土壤團聚體被粉碎，導致0.25～10 mm團聚體數量減少，而深松并不會翻轉土層，擾動較小。免耕不受人為破壞，使土壤各級團聚體在各種自然因素作用下形成，結構性穩定。

表6　播種前不同耕作方式下各粒徑團聚體含量　%

2.5　耕作方式對土壤硬度的影響

土壤硬度是反映土壤物理性質的重要指標，也是影響作物生長的重要因素，合理的耕作管理是調控土壤硬度的有效手段[15]。表7為不同耕作條件下播種前和收獲后土壤硬度的情況，從表中可以看出，播種前，旋耕和深松處理顯著降低了土壤硬度，其中深松平均土壤硬度最低，為260 kPa。在0—20 cm土層，旋耕和深松處理土壤硬度下降幅度差異不大；在20—30 cm土層，旋耕土壤硬度明顯增加，與深松差異顯著，這與旋耕深度有關。免耕處理未對土壤進行擾動，整個土層的土壤硬度都相對較高，與其他處理之間差異顯著。深松處理在0—30 cm土層內土壤硬度下降幅度比較一致，可以局部打破犁底層，改善深層土壤結構，從而降低土壤硬度，有利于作物根系生長[16]。

收獲后，旋耕和深松處理土壤硬度較播種前均有所增加，但是相比耕作前，各處理土壤硬度仍有所下降，分別下降了37.1%，39.9%和2.1%。該時期旋耕和深松各土層土壤硬度顯著低于免耕，平均土壤硬度較免耕分別下降了35.7%，38.6%。比較不同土層的土壤硬度變化可知，隨著土層加深，各處理土壤硬度都隨之明顯增加。

表7　不同耕作方式下土壤硬度在播種前、收獲后的變化　kPa

3　結 論

(1) 旋耕和深松均具有降低土壤密度和硬度的效果，從而增加了土壤孔隙度，特別是在10—30 cm土層各耕作處理之間差異顯著。其中深松處理還可顯著改善深層土壤結構，進而提高了耕層土壤貯水潛力，在后期具有較高的土壤含水量。深松處理在0.25～5 mm粒徑范圍內團聚體含量最大，說明其土壤團聚性好。免耕處理在播種前土壤含水量最高，能有效抑制土壤水分損失，同時免耕在初期試驗有增加土壤密度的趨勢。旋耕處理使得>0.25 mm團聚體數量顯著減少，主要表現在減少了5～10 mm的團聚體數量，從而降低了大團聚體的穩定性。

(2) 就不同時期對比而言，收獲后各處理土壤密度及硬度較播種前都有不同程度的增加，孔隙度有所減小。隨著土壤自重密實作用和外界環境條件的影響，各處理間的差異逐漸減小，其中免耕處理整個生育期變化幅度較小，能夠維持穩定的土壤結構。就不同土層對比而言，土壤密度和硬度均隨著土層加深而增加，孔隙度隨著土層加深而減小。

綜上所述，結合該地區長年的生產條件，采用深松處理可創造良好的耕層結構，有利于降水入滲蓄水和作物根系生長。然而，本研究中的試驗數據僅能反映一個玉米生育期耕作初期效應，部分結論仍需進一步研究。

本試驗得到廣東省連平縣五豐泰農業投資股份有限公司農場職工的大力支持，保證試驗的順利開展，在此表示衷心感謝！

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