土壤穿透阻力指土壤基质抵抗外物楔入的能力,是反映土壤紧实度的重要指标,可以表征植物根系在生长过程中克服土粒之间的摩擦力和黏结力,直接决定作物根系的生长状况[1,2,3,4]。土壤穿透阻力主要受到土壤质地、有机质含量、容重和含水量等因素的影响[5,6,7]。对于一个质地和有机质含量相对稳定的土壤,其穿透阻力的大小主要决定于容重和含水量,但二者在不同范围内对土壤穿透阻力的影响不同。罗敏等[8]研究表明,在含水量低于某一点时,土壤穿透阻力急剧下降,在不同土壤层次急剧下降点的含水量不同。在0—10cm土层,含水量25cm3/cm3时急剧下降,随着土层深度的增加,该含水量逐渐增大,可能与不同土层容重的差异有关;在含水量较高时,即使容重变化很大,其对土壤穿透阻力的影响也较小[6]。因此,在研究土壤紧实度时,必须同时考虑土壤容重和含水量的变化特征。

耕作方式直接影响土壤容重和含水量的时空变化[9],进而影响土壤穿透阻力的变异[6,10]。在辽西褐土区,气候干旱和土壤紧实是限制该地区玉米产量的重要因素。由于常年旋耕,该区域耕层厚度平均仅有15cm,耕层以下土壤紧实;加上降雨分布不均,春旱频发,干旱时土壤穿透阻力超过2MPa,甚至会达到5MPa,严重阻碍根系生长并降低作物产量[2,11,12]。当地普遍通过深松耕来降低土壤容重和紧实度,有研究[13]指出,与免耕的全实构造相比,深松创造虚实相间的耕层构造,有助于降低土壤紧实度,进而提高玉米产量;但是深松的增产效果在干旱年份降低。这些研究中所谓的“免耕”仅是在收获至播种期间不进行耕作,并采用免耕播种机播种,忽略了免耕技术的关键环节——秸秆覆盖,导致土壤含水量低,有时会提高土壤容重和土壤紧实度。随着对保护性耕作(种植作物不需要翻土或耕作,并把残茬留在土壤表面让其自然分解的耕作方法)认识的深入,不少研究[14]结果表明,由于秸秆覆盖和不扰动土壤,免耕能够显著提高土壤的蓄水保墒能力,减少土壤侵蚀,改善土壤结构,提高土壤肥力并降低温室气体排放。然而,在辽西地区,鲜有研究探讨长期旋耕转变为免耕后土壤含水量和容重变化对土壤穿透阻力的影响。也有研究[7,8]探讨了不同类型土壤中容重和含水量对土壤穿透阻力的影响,并很好地通过土壤容重和含水量预测穿透阻力[6,15],但这些工作大多集中在模拟或盆栽试验,或者仅仅关注于含水量或容重单个因子变化对土壤紧实度的影响,忽略了全生长季耕作措施下干旱(含水量)和紧实(容重)同步变化对土壤穿透阻力的影响,难以回答耕作方式改变对土壤紧实度的影响及机理[16,17,18]。

本研究通过田间试验定位监测,测定免耕、旋耕和深松耕作下不同层次土壤容重、含水量和穿透阻力的变化特征,建立基于含水量和容重的土壤穿透阻力模型,分析不同范围内容重和含水量对穿透阻力的影响,初步明确耕作技术转变对土壤紧实度的影响,为该区域保护性耕作的应用与推广提供理论依据。

1、材料与方法

1.1研究区概况

试验地位于辽宁省北票市蒙古营镇蒙古营村(120°51′E,41°54′N),属于温带大陆性季风气候,全年日照时间2933h,年平均气温8.7℃,≥10℃有效积温为3540℃,其中5—9月为3224℃,无霜期为150d,年平均降水量480mm,60%以上降雨集中在6,7,8月,常年等雨播种。试验期间(2017年5—10月)降雨量和日均温见图1。根据降水距平百分率划分,5,6,7月都属于干旱月份,尤其是5月,有效降雨量仅为13.4mm,远低于常年平均40mm,属于大旱。当地种植制度主要以玉米一年一作为主。试验地土壤为褐土,质地为砂质壤土,耕层有机质含量为13.6g/kg,碱解氮、速效磷和有效钾含量分别为59.7,32.4,120.6mg/kg,pH6.8,耕层土壤容重为1.31g/cm3。开始试验前,该地块已经连续30年以上旋耕。

图1试验期间日平均气温和降雨量

1.2试验设计

试验开始于2016年。采用随机区组设计,设置免耕(notillage,NT)、深松(subsoiling,SS)、旋耕(rotarytillage,RT)3个处理(表1)。其中,深松和旋耕处理为当地普遍采用的耕作方式。每个小区面积为100m×9m(900m2),3次重复。种植作物为玉米,一年一熟,连作。供试品种为“联达169”,保苗密度为60000株/hm2,行距为60cm,株距为27cm;5月23日播种,10月3日收获。底肥用量为N156kg/hm2,P2O584kg/hm2和K2O72kg/hm2;在拔节期进行追肥,肥料用量为N103.5kg/hm2。数据采集于2017年5—10月。

表13种耕作方式的田间作业过程

1.3测定指标与方法

1.3.1土壤容重和含水量

为确保建立数据覆盖大部分田间土壤容重和含水量的情况,分别在不同时期和降雨的情况下采集土壤容重和含水量数据。采用土钻于5月20日、6月1日、6月20日、7月13日和9月20日在玉米株间采集0—15,15—30,30—45cm土壤样品,用重量法测定土壤容重和含水量,3次重复。

1.3.2土壤穿透阻力

在测定土壤容重和含水量的同时,采用SC-900硬度计在玉米株间采集0—45cm土壤穿透阻力。土壤硬度计自动计录土层深度和穿透阻力,每间隔2.5cm读取1个数值,5次重复。

1.3.3土壤穿透阻力模型

采用daSilva等[19]提出的模型拟合土壤穿透阻力,模型为:

PR=dρbe×θf(1)

式中:PR为土壤穿透阻力(MPa);θ为体积含水量(cm3/cm3);ρb为容重(g/cm3);d、e、f分别为拟合参数。

1.3.4土壤穿透阻力对含水量和容重的敏感性

在土壤含水量0.1～0.3cm3/cm3和土壤容重1.0～1.5g/cm3范围内,分别以土壤容重和含水量为常数,对方程(1)求一阶导数,分析土壤穿透阻力对含水量和土壤容重的敏感性。

1.4数据分析与统计

方差分析采用SPSS20.0软件完成。耕作处理之间的显著分析在0.05水平下进行,平均值比较采用最小显著差异法(leastsignificantdifference,LSD),土壤穿透阻力模型和参数敏感性用Sigmaplot10.0软件进行拟合绘图。

2、结果与分析

2.1耕作方式对土壤容重和含水量的影响

春玉米播种前3个处理的土壤容重相近,稳定在1.25～1.32g/cm3。春玉米播种后至收获前3种耕作方式0—15,15—30,30—45cm的土壤容重变化见表2。总体来看,各处理土壤容重随着土层深度的增加而增大,免耕与旋耕和深松间的差异主要表现在0—15,15—30cm土层。

经过多次干湿交替过程后(图1),免耕处理0—15cm的土壤容重基本保持稳定(1.31～1.36g/cm3),旋耕和深松0—15cm的土壤容重变化主要发生在播种后40天以内,分别从播种时的1.07,1.08g/cm3增加到1.28,1.25g/cm3,此后基本稳定。在15—30cm,旋耕和免耕处理的土壤容重分别稳定在1.41～1.43,1.39～1.42g/cm3,深松在播种后20天从1.25g/cm3增加到1.35g/cm3,变化幅度小于0—15cm,此后稳定在1.40g/cm3。在30—45cm,3个处理的土壤容重无明显差异。

表2不同耕作方式土壤容重的季节变化

注:同一时期同一土层不同字母表示不同处理之间差异显著(P<0.05)。

本研究期间,各处理土壤含水量随着土层深度逐渐增大。播种前(5月20日)、开花期(7月13日)和收获期(9月20日)含水量较低;苗期(6月1日)、拔节期(6月20日)和抽雄期(8月9日)含水量较高,这与降雨的分布密切相关(图1)。在整个生长季,免耕的土壤含水量高于旋耕和深松(图2),尤其在播种前(5月20日)和开花期(7月13日)比较干旱时,免耕的含水量显著高于旋耕和深松。在0—15cm,免耕播种前和开花期的含水量分别为0.15,0.14cm3/cm3,此时旋耕的含水量分别为0.10,0.09cm3/cm3,深松对应的含水量分别为0.10,0.10cm3/cm3,免耕分别比旋耕和深松高50%和67%(图2a);在15—30,30—45cm土层也表现出相似规律(图2b和图2c)。各处理土壤含水量的差异与降雨密切相关。在8月降雨量为120mm(图1),在含水量最高的时期土壤处于近饱和状态(8月9日),各处理在3个土层的含水量无显著差异。

图2不同耕作方式土壤含水量的季节变化

注:同一时期同一土层不同字母表示不同处理之间差异显著(P<0.05)。

2.2耕作方式对土壤穿透阻力的影响

短期免耕增加了表层土壤容重,同时提高了土壤含水量,在二者相互作用下土壤紧实度表现出复杂的变化规律。当容重较低时(<1.3g/cm3),0—15cm土层不同含水量下土壤容重和穿透阻力表现出的规律一致:免耕的土壤穿透阻力显著大于旋耕和深松,分别平均高113%和167%(图3)。尽管如此,该层次免耕的土壤穿透阻力最大值仅为1.01MPa(图3c),远低于影响根系生长的阈值2Mpa[2]。当容重较大时(>1.4g/cm3),15—30cm的土壤容重和穿透阻力表现出的规律不一致:与深松相比,免耕在15—30cm土壤容重较高,但二者穿透阻力相近,仅相差6%;与旋耕相比,二者土壤容重相近,免耕土壤穿透阻力小于旋耕,平均低20%。这种趋势在干旱时期尤其更明显,在7月13日(20天无降雨),15—30cm土层免耕、旋耕和深松土壤穿透阻力分别为1.81,1.92,2.33MPa,此时免耕的土壤容重比深松处理高18%,和旋耕相近,但免耕的土壤穿透阻力比旋耕和深松分别低6%和22%(图3c)。在30—45cm土层,3个处理间的土壤穿透阻力无明显差异。因此,不同耕作方式下土壤容重和含水量在玉米生育期的变化趋势共同决定了土壤穿透阻力的变化特征。

2.3土壤容重和含水量与土壤穿透阻力的关系

本研究期间,土壤容重和含水量的变化范围分别为1.07～1.48g/cm3和0.08～0.28cm3/cm3,基本覆盖大部分土壤的田间容重和含水量范围。为了探讨土壤容重和含水量对土壤穿透阻力的影响,利用公式(1)得到土壤穿透阻力与土壤容重和含水量的指数关系:PR=5.4795ρb15.1757×θ-2.3957),相关系数达到0.88(图4)。结果表明,随着土壤容重的增加,穿透阻力>2MPa的含水量逐渐增加。例如,当土壤容重>1.3g/cm3、含水量<0.08cm3/cm3时,穿透阻力将>2MPa;当土壤容重>1.4g/cm3、含水量<0.13cm3/cm3时,穿透阻力将>2MPa;当土壤容重>1.5g/cm3、含水量<0.2cm3/cm3时,穿透阻力将>2MPa。显然,对于较高容重的土壤,提高土壤含水量是降低土壤紧实度的关键。

参数敏感性有助于分析不同条件下土壤容重和含水量变化对穿透阻力的影响。由图5可知,在不同初始条件下,土壤容重和含水量对穿透阻力的影响程度不同。当土壤含水量>0.2cm3/cm3,穿透阻力对容重的敏感性大于含水量,但二者总体上对穿透阻力的影响较小,不到0.5MPa。同样,当容重<1.2g/cm3、含水量<0.2cm3/cm3时,穿透阻力对含水量的敏感性大于土壤容重,但二者对土壤穿透阻力的影响也较小,不到0.8MPa。然而,当土壤容重>1.3g/cm3、含水量<0.2cm3/cm3时,穿透阻力对含水量的敏感性显著大于对容重的敏感性,最高可达3倍。本研究中,3个处理在15—30cm处的容重均>1.3g/cm3,但免耕处理较高的土壤含水量显著降低了穿透阻力。

图3不同耕作方式土壤穿透阻力的季节变化

3、讨论

3.1耕作方式对土壤容重和含水量的影响

不同耕作方式对土壤的扰动强度和深度不同,直接导致土壤容重的差异。本研究中,旋耕和深松耕作的深度分别约为15,30cm,土壤容重变化也集中在相应的层次。耕作后土壤容重增加的过程主要发生在几次降雨之后,与前人的研究结果相似。如卢奕丽等[20]研究表明,耕作后20天内土壤容重逐渐增加,20天后基本稳定。主要原因是经过雨水冲击后土壤逐渐沉实;同时,干湿交替过程中土壤受到毛管作用而发生沉降[21]。一般短期免耕条件下土壤容重大于旋耕和深松处理;随着免耕年限的增长,土壤有机质含量提高,生物活动增强并逐渐形成良好的结构,出现免耕与翻耕和旋耕处理土壤容重相近,甚至变小的现象[14,22,23]。短期免耕的优势更多体现在土壤的保水作用。本研究中,免耕处理下的秸秆覆盖显著提高了土壤含水量,在干旱期尤其明显。众多研究[13,14,17,24]证实,在干旱和半干旱区域,与翻耕和深松方式相比,免耕显著提高土壤含水量;一些仅采用免耕播种机播种、无秸秆覆盖的“免耕”处理,其土壤含水量可能无显著变化,有时甚至低于深松和翻耕处理。

图4土壤含水量和容重与土壤穿透阻力的关系

图5土壤紧实度对土壤容重和含水量的敏感性

3.2土壤容重和含水量与土壤穿透阻力的关系

土壤含水量和容重共同决定土壤穿透阻力。通常情况下,在相同含水量时,随着土壤容重的增加,土壤穿透阻力增加;在相同土壤容重时,穿透阻力随着土壤含水量的增加而降低[15]。很多研究利用土壤容重表示土壤紧实度,但本研究中土壤容重和穿透阻力的变化规律不同,说明在一定范围内土壤含水量对穿透阻力的影响大于土壤容重。在黏土上,土壤含水量高于0.25cm3/cm3时,颗粒间的黏结性更小,穿透阻力急剧下降,反之则急剧上升[6]。本研究中,土壤含水量为0.18～0.21cm3/cm3时,穿透阻力急剧下降,并且随着容重的增大,急剧下降点的含水量逐渐升高,这可能与本研究的土壤质地和结构有关[5,6,7]。在较高土壤容重时,含水量对穿透阻力的影响更大,尤其是在含水量低于0.2cm3/cm3时。这个结果解释了免耕处理在15—30cm处土壤穿透阻力小于深松和旋耕处理的现象。虽然有研究[8]也探讨了土壤紧实度的动态变化特征,分析了紧实度的变化特征和含水量的关系,而且建立了特定土壤容重下穿透阻力和含水量的二次函数关系,但对黑土的研究[25]表明,忽略了含水量的变化,土壤容重和穿透阻力之间的相关不显著。这些研究往往忽略了耕作措施影响下土壤容重和含水量均呈动态变化,关于耕作措施对紧实度影响的判断会产生偏差。另外,人们通常在收获时测定土壤穿透阻力[26,27],此时由于长期干旱或降雨导致不同耕作方式下土壤含水量无显著差异(图3d),容重最高的耕作方式其穿透阻力必然最大,得出免耕土壤紧实度最大,容易导致土壤紧实的结论。因此,有必要综合考虑作物生育期内土壤容重和含水量的动态变化对穿透阻力的影响。

3.3耕作方式对土壤穿透阻力的影响

耕作方式通过影响土壤容重和含水量的动态变化影响土壤穿透阻力。本研究中免耕仅进行了2年,表现出该处理通过增加土壤含水量降低了穿透阻力。由于对免耕认识的差异,其他地区得到不太一致的结论。对鄂南红壤的研究[26]表明,深松和旋耕处理土壤容重小于免耕处理,土壤含水量高于免耕处理,所以免耕的土壤穿透阻力显著高于深松和旋耕处理,干旱时超过2.0～2.5MPa,直接限制作物地上和地下部分的生长,导致免耕处理产量最低。该研究与本研究的不同之处在于其“免耕”处理没有秸秆覆盖,未起到蓄水保墒的作用,免耕下较大的土壤容重和较低的含水量共同促进土壤穿透阻力的增加。在吉林黑土和辽西褐土上,无秸秆覆盖的“免耕”土壤穿透阻力也显著大于深松和旋耕。不少研究[13,14,17,25]指出,在黏重或作业不当(如机械操作时土壤含水量较大)土壤上,短期免耕有时会增加紧实度,但在长期免耕下土壤紧实度一般低于深松和旋耕处理,与长期免耕有助于形成良好的土壤结构有关。在褐土区,耕层土壤容重通常>1.3g/cm3,犁底层可达到1.4g/cm3以上,而表层土壤含水量往往<0.2cm3/cm3[11,12,13],因此,该区域土壤水分不仅影响作物生长,而且在很大程度上影响土壤紧实度(往往大于土壤容重的影响),在干旱条件下,土壤含水量的微小变化可以导致土壤紧实度的巨大变化。虽然深松耕可以减小上层土壤容重,但当土壤逐渐沉实、下层土壤容重增加并出现干旱时,深松土壤的穿透阻力也可能达到或超过限制作物根系生长的阈值(2MPa)[2]。该区域需要特别注意土壤容重>1.4g/cm3、含水量<0.13cm3/cm3的田间情况,此时土壤穿透阻力将>2MPa,而且穿透阻力对水分的敏感性更大。因此,在改善土壤容重的同时,在此区域更应该注意保持土壤水分,才能更好地避免干旱加剧土壤紧实,并限制作物根系生长[28]。

本研究指出,免耕具有短期保水效果,并在一定程度上降低了土壤紧实度。在15—45cm土层,免耕土壤的穿透阻力平均值达到1.92MPa,在长期被播种机碾压的区域,土壤容重可能大于穿透阻力的阈值[29,30]。因此,可以通过短期免耕结合适当深松或覆盖作物实现提高土壤含水量的同时降低容重,随着土壤有机质含量增加,土壤结构不断改善,长期免耕有望最终解决土壤紧实对作物生长的不利影响[31,32]。

4、结论

(1)短期免耕显著提高土壤含水量,但也增加土壤容重。与免耕处理相比,深松和旋耕处理减小了0—15cm土壤容重,深松处理15—30cm土壤容重仅在播种后20天左右小于免耕,此后趋于一致。免耕土壤含水量在大部分时期高于深松和旋耕处理。

(2)与深松和旋耕处理相比,免耕增加了表层土壤紧实度,但远小于限制根系生长的阈值,且降低了干旱时期下层土壤紧实度,避免了紧实胁迫;而干旱期深松和旋耕处理土壤紧实度则超过了限制根系生长的阈值。

(3)利用指数模型可以通过土壤容重和含水量很好地预测土壤紧实度的变化特征。当土壤容重>1.4g/cm3和含水量<0.13cm3/cm3时,作物很可能出现紧实度胁迫。在该区域大多数情况下,土壤穿透阻力对土壤含水量的敏感性大于对土壤容重的敏感性,干旱频发将加剧土壤紧实;应该首先考虑保持水分,在此基础上通过降低土壤容重来减小土壤紧实度。

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基金:公益性行业(农业)科研专项(201503116);国家重点研发计划项目(2018YFD0300301);国家自然科学基金项目(41501235,4180071274).