免耕對旱作土壤水分物理分析

　　保護性耕作是相對于傳統翻耕的新型耕作技術(shù),以秸稈覆蓋、免耕播種、以松代翻、化學(xué)除草為特點(diǎn),具有蓄水保墑、培肥地力、節本增效、防治農田揚塵、減少水土流失、促進(jìn)農業(yè)可持續發(fā)展等作用,其在水資源貧乏、風(fēng)多沙大、植被稀疏、農業(yè)生態(tài)環(huán)境十分脆弱的我國北方旱作農業(yè)區具有重要的應用價(jià)值[1].雖然保護性耕作已逐步受到國內外學(xué)者的普遍關(guān)注,國內學(xué)者也相繼在河南[2]、山西[3]、黃土高原旱塬地[4]、東北黑土區[5]等地開(kāi)展了保護性耕作與農業(yè)節水[6]、作物產(chǎn)量[7]及生態(tài)效益[8]等方面的研究,形成了成熟的耕作技術(shù)體系,并取得了大量的研究成果,但由于土壤環(huán)境的區域差異較大,這些結果還不能直接照搬,在具體實(shí)施前還應根據當地的氣候、土壤和農業(yè)生產(chǎn)條件進(jìn)行系統地實(shí)踐研究,才能最大地發(fā)揮其生產(chǎn)、生態(tài)效應.為此,本文以華北地區農業(yè)生產(chǎn)的重要限制因子———土壤水分為切入點(diǎn),以北京郊區主要推行的1年1熟春玉米(Zeamays)種植耕地為對象,在昌平地區布設大田試驗,對比研究了免耕和傳統翻耕條件下的水土效應,分析了不同耕作方式對土壤水分時(shí)空動(dòng)態(tài)變化及土壤相關(guān)物理性質(zhì)的影響,以期為北京郊區免耕效應評價(jià)和田間管理提供科學(xué)依據.

　　1研究區域與研究方法

　　1?1研究區概況

　　試驗地位于北京市昌平區興壽鎮桃林村(40°13′N,116°25′E)的大田中.該區域屬溫帶大陸性半干旱季風(fēng)氣候,全年四季分明,年均氣溫11?8℃,年均降水量579?1mm,降水年內分布不均,主要集中在6—9月.試驗區土壤為潮土,土層深厚,地下水埋深10m以下,土壤基礎肥力較好.農業(yè)生產(chǎn)主要推行1年2熟的冬小麥-夏玉米和1年1熟的春玉米耕作制度,由于小麥生產(chǎn)投入多、效益差,農民種植積極性普遍不高,因此試驗地選種春玉米.耕作上,當地多采用秋翻地晾垡曬垡技術(shù),冬春季有近半年時(shí)間的土地休閑,由于北京地區冬、春季節氣候干旱、多風(fēng),裸露的耕地極易產(chǎn)生揚沙揚塵.據相關(guān)研究,以傳統耕作方式形成的翻耕裸露農田,已成為北京生態(tài)環(huán)境的重要污染源[1].

　　1?2試驗設計

　　2006年4月至2008年9月進(jìn)行試驗.為了單純比較耕作方式對土壤水分和相關(guān)土壤物理性質(zhì)的影響,了解區域土壤環(huán)境對耕作方式的自然適應性,本文中的大田試驗完全不進(jìn)行灌溉.在對試驗區全面調查的基礎上,選擇有代表性的樣地作為試驗田.試驗共設2個(gè)處理:傳統翻耕(CT),玉米收獲后留茬20~30cm,其余秸稈全部收獲,次年春播前翻耕土地,翻耕深度約30cm;免耕覆蓋(NT),全年不翻耕,標準免耕機粉碎玉米秸稈后覆蓋地表,秸稈粉碎后長(cháng)度<10cm,用量7500kg?hm-2,次年春播時(shí)采用免耕播種機一次性完成施肥和播種.每個(gè)處理在田間以20m×5m規格分別布設2個(gè)大田小區,區間間隔1m,小區四周作壟與大田分隔.每個(gè)試驗小區除耕作方式和除草劑的使用不同外,其余田間管理均相同,其作物間距、作物播種量和作物品種均與當地農作習慣一致.

　　1?3研究方法

　　在春玉米整個(gè)生長(cháng)期(4—9月),采用天津氣象儀器廠(chǎng)生產(chǎn)的SDM6A型雨量器測定降雨量,并每?jì)芍鼙O測土壤0~10、10~20、20~30、30~40、40~60、60~80、80~100cm土層的土壤含水量,10月至次年3月停止監測.每個(gè)樣地設3個(gè)取樣點(diǎn),每土層取3個(gè)重復.用土鉆分層取土,并用烘干法(105℃下烘10~12h)測定土壤質(zhì)量含水量,土壤水分取平均值.在免耕3年后(即2008年),春玉米收獲后測定兩種耕作方式下土壤剖面各土層的容重(環(huán)刀法測定)以及耕層的機械組成(吸管法測定)和土壤團聚體組成(干篩和濕篩法測定).相關(guān)參數的計算方法為:1)土壤貯水量DM=θm?ρ?h[9],式中:DM為土壤貯水量(mm);θm為土壤質(zhì)量含水量;ρ為土壤容重(g?cm-3);h為土壤厚度(mm).2)春玉米籽實(shí)水分利用效率WUE(kg?hm-2?mm-1)=Y/ET[10],式中:Y為春玉米籽實(shí)產(chǎn)量(kg?hm-2);ET為蒸散量(mm),ET=P-ΔS,其中,P為作物生長(cháng)期間的降水量(mm),ΔS為收獲期與播種期土壤貯水量之差(mm).

　　2結果與分析

　　2?1北方旱作玉米地土壤貯水量隨時(shí)間及降水的變化特征

　　在春玉米整個(gè)生長(cháng)期,研究區免耕和翻耕地0~100cm土層的土壤貯水量隨時(shí)間及降水的變化趨勢一致,且免耕土壤的貯水量在不同時(shí)刻和不同降雨條件下均高于翻耕土壤(圖1),這與免耕覆蓋對土壤水分蒸發(fā)的抑制作用及其對土壤物理性質(zhì)的改善密切相關(guān).免耕有利于降低土壤容重、增加土壤孔隙度、提高液相所占比例,使其三相比更趨近于農業(yè)土壤最理想的三相比(2∶1∶1)(表1);免耕土壤水穩性團聚體的數量均明顯大于傳統翻耕,粒徑0?25~0?5、0?5~1、1~2以及>2mm的土壤水穩性團聚體含量分別是翻耕的3?0、7?2、4?8和7?5表1免耕和翻耕條件下土壤的容重、孔隙度和三相組成Table1Soilbulkdensity,porosityandtheratioofsoilparticle,waterandairintheno-tillageandconventionaltillagetreatments耕作方式Tillagepattern容重Bulkdensity(g?cm-3)總孔隙度Totalporosity(%)固相率Ratioofsoilparticle(%)液相率Ratioofsoilwater(%)氣相率Ratioofsoilair(%)NT1?350?149?925?724?4CT1?448?751?323?725?0NT:免耕No-tillage;CT:翻耕Conventionaltillage.下同Thesamebelow.表2免耕和翻耕條件下土壤>0?25mm團聚體含量Table2Contentofsoilwaterstableaggregate(>0?25mm)intheno-tillageandconventionaltillagetreatments(%)耕作方式Tillagepattern0?25~0?5mm0?5~1mm1~2mm>2mmNT0?870?790?290?30CT0?290?110?060?04倍(表2),由于土壤中>0?25mm的水穩性團聚體含量是影響土壤團聚特征和穩定性的主要因子,土壤中>0?25mm的團聚體越多,團聚體的水穩性越大,團聚體的破壞率越低[11],故免耕土壤團聚體的水穩性較好.上述土壤物理特性的改善均有利于增加土壤的保水性能.由于土壤水分狀況受降水量、作物吸收和蒸發(fā)、蒸騰等因素的綜合影響,免耕較翻耕土壤水分的增量在不同時(shí)期的差異較大,其增幅(2?7%~30?3%)表現出較大的波動(dòng)范圍.

　　2?2北方旱作玉米地土壤含水量的剖面分異

　　不同耕作方式對土壤含水量及其剖面分異均有較大影響(圖2).研究區免耕土壤全剖面(0~100cm)的平均含水量分別較傳統翻耕高3?4%(2006年)、10?0%(2007年)、12?8%(2008年),且各土層的土壤含水量均普遍高于對應的翻耕土層,其中0~10cm和80~100cm的土壤水分增量明顯高于中間土層.2006、2007年,與翻耕地相比,免耕地0~10cm土層的水分增幅最大,增幅分別為15?3%和18?3%;受降雨量增大的影響,2008年土壤的總體含水量較2006、2007年有所增加,與翻耕地相比,免耕地60~80cm和80~100cm土層的水分增幅較大,分別為22?2%和19?9%,0~10cm土層的增幅達14?4%.免耕減少了對土層的擾動(dòng),有利于抑制土面的無(wú)效蒸發(fā),提高表層水分含量,而在降水比較充分的條件下又有利于保持土壤的深層蓄水,從而提高水分利用率.

　　2?3北方旱作玉米地作物不同生長(cháng)階段的土壤含水特征

　　根據春玉米不同生長(cháng)階段的需水特性以及降水等氣候條件的差異,將其生育期劃分成3個(gè)階段,即生長(cháng)前期(4月至5月上旬)、生長(cháng)中期(5月中旬至8月底)和生長(cháng)后期(9月).其中,生長(cháng)中期的降雨量(圖3)及作物需水量最大.2006年春玉米生長(cháng)前期的降雨量較低,由于該期干旱少雨,兩種耕作方式下全剖面的土壤含水量均無(wú)顯著(zhù)差異;2007、2008年的同期降雨量有所增加,分別是2006年同期降雨量的1?6和2?8倍,受降雨量增大的影響,2007、2008年免耕地土壤全剖面的平均含水量均顯著(zhù)高于翻耕地,且表層(0~10cm)的差異顯著(zhù),說(shuō)明免耕覆蓋可有效抑制土壤表層的水分蒸發(fā)、增加土壤的保水能力,其貯水量在降雨相對充分的條件下有所提高.春玉米生長(cháng)中期,降雨量較大,免耕地較翻耕地的土壤水分增量普遍高于其他時(shí)期,由于該期植株生長(cháng)旺盛,此時(shí)土壤含水量的增加可大大提高水分利用效率.春玉米生長(cháng)后期,隨著(zhù)降雨量的降低以及作物的成熟,不同耕作方式下地表覆蓋度逐漸趨于一致,此時(shí),作物的吸收、蒸騰和地表蒸發(fā)作用的差異逐漸減小,免耕地的土壤貯水量在此階段有所降低,較翻耕地無(wú)顯著(zhù)差異(表3).在降雨相同且無(wú)外源灌水的條件下,2008年免耕和翻耕耕作方式所獲玉米經(jīng)濟產(chǎn)量分別為13765?7和11828?2kg?hm-2,與此對應的春玉米籽實(shí)的水分利用效率分別為32?6和28?8kg?hm-2?mm-1,表明免耕地增加土壤保水能力的同時(shí),其水分利用效率也明顯增大.

　　3討論

　　不同耕作方式對土壤水分含量具有較大影響.大量研究證實(shí),免耕具有顯著(zhù)的水土保持效應和作物增產(chǎn)效應,但對土壤含水量的影響程度會(huì )因地區、年份以及季節降雨量的不同而有所差異[12].Singh等[13]研究結果表明,免耕覆蓋、耕作覆蓋、傳統耕作下,雨季的土壤平均含水量比干季高5%~6%,3種處理的差異在干季時(shí)更大.許迪等[14]研究降水和灌溉對土壤水分的影響發(fā)現,正常和干旱年份免耕土壤平均含水量較傳統翻耕分別增加7?1%和15?4%.本研究中免耕地土壤貯水量在不同時(shí)刻以及不同降雨條件下均高于翻耕,增幅為翻耕土壤的2?7%~30?3%,兩者的差異在降水較大情況下表現突出.2008年降雨量較高,本研究區作物全生育期的免耕土壤貯水量高于翻耕,平均增量為19?9%,最高達30?3%;2006、2007年降雨量較低,其平均增量分別為10?8%、13?9%;就作物不同生長(cháng)期的水分差異來(lái)看,春玉米生長(cháng)中期的降雨量較大,免耕和翻耕地土壤含水量的差異在該生長(cháng)期均達顯著(zhù)水平,生長(cháng)后期的降雨量較小,免耕和翻耕地土壤含水量的差異不顯著(zhù).上述研究結果表明,當地的免耕耕作措施有利于提高土壤的蓄水保墑作用,其貯水量隨降雨量的增加而增大,這對于提高我國北方地區有限降雨資源的作物利用率具有積極意義.免耕處理下,春玉米全生育期土壤剖面的平均含水量均明顯高于傳統翻耕,兩者間的差異在降水較大情況下表現突出,其中表土層(0~10cm)和底土層(80~100cm)的水分增量明顯高于中間層次,最高增量可達翻耕土壤的22?2%.Singh等[13]認為,免耕覆蓋15cm深的土壤含水量最大,與傳統耕作的差異也最大,65cm以下深的土壤含水量間的差異有所減小,一般小于2%.Doran等[15]研究結果顯示,免耕地表層(0~7?6cm)土壤含水量比傳統耕作高9?7%,而7?6~15?2cm土層的增幅為6?9%.李玲玲等[4]研究表明,免耕覆蓋對表層(0~10cm)土壤水分含量影響較大.表層土壤含水量的增加與免耕覆蓋減少對土層的擾動(dòng)、增加土壤有機質(zhì)、抑制無(wú)效蒸發(fā)有關(guān).中間土層的水分消耗主要與春玉米的根系分布有關(guān).春玉米根系主要分布在0~60cm土層,是作物吸收水肥的主要活動(dòng)層次,而60~100cm土層的根系量?jì)H占根系總量的3?8%~6?0%[16].此外,免耕有利于降低表土容重,增加并保護土壤微孔隙及其連續的孔隙路徑,對土壤水力學(xué)性質(zhì)有較大影響,可增加土壤水分入滲量,提高土壤深層蓄水[17-18].本研究中免耕地80~100cm土層的土壤水分增量明顯高于中間層次和翻耕地相應土層,而底層蓄集的水分可沿土壤毛管孔隙上升至作物根層,從而增強了農田的蓄水及持續供水能力.

　　基于其顯著(zhù)的水分效應,免耕覆蓋是適于我國北方旱作農業(yè)的優(yōu)良耕作方式.大量研究表明,免耕覆蓋有利于改善土壤物理性狀、降低土壤容重、提高土壤孔隙度及液相所占的比例、促進(jìn)土壤水穩性團聚體的形成,在增加農田保水能力的同時(shí)也提高了作物的水分利用效率,進(jìn)而增加作物產(chǎn)量,其水土保持效應及作物增產(chǎn)效應隨免耕年限的增長(cháng)而增加[19-21].本研究中,免耕3年的土壤物理性質(zhì)與翻耕土壤無(wú)顯著(zhù)差異,但免耕土壤的三相比更趨近于農業(yè)土壤最理想的三相比(2∶1∶1),土壤水穩性團聚體的數量也表現出了明顯的增加趨勢,水分利用率和春玉米產(chǎn)量分別較傳統翻耕提高了13?3%和16?4%,表明該耕作方式在北京地區的推廣應用具有重要的生態(tài)和生產(chǎn)效應。

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