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第 30 卷 第 4 期 农 业 工 程 学 报 Vol.30 No.4 2014 年 2 月 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Feb. 2014 109 耕作方式对冀西北栗钙土土壤物理性状及莜麦生长的影响 王 岩 1,2，刘玉华1,2，张立峰1,2，窦铁岭1,2 （1. 农业部张北农业资源与生态环境重点野外科学观测试验站，张北 076450； 2. 河北农业大学农学院，保定 071000） 摘 要：为了探索不同耕作方式对冀西北栗钙土农田土壤物理性状及莜麦生长的影响，以河北省张北县 10 a 栗钙 土长期定位试验莜麦田为研究对象，研究了免耕、松耕和翻耕对莜麦田土壤容重、土壤含水率、土壤硬度及莜麦 生长的影响。 结果表明： 松耕和翻耕可以显著降低莜麦播种期到拔节期土壤容重， 播种期免耕土壤容重 1.49 g/cm3， 松耕和翻耕分别为 1.31 和 1.30 g/cm3；不同耕作方式对土壤含水率影响不大；免耕显著提高土壤硬度，拔节期免 耕土壤硬度 58.51kg/cm2，为松耕 1.74 倍（P1015、1520 cm 4 个土层土壤容重，4 层平均值为耕层（020 cm）土壤容重，每小区 重复 3 次，105烘干至恒质量，计算土壤容重。 1.3.2 土壤含水率测定 采用烘干法分别于播种期 （5 月 25 日5 月 30 日）、出苗期（6 月 20 日6 月 25 日）、分蘖期 （7 月 10 日7 月 15 日）、拔节期（7 月 30 日8 月 5 日）、抽穗期（8 月 20 日8 月 25 日）、成 熟期 （9 月 10 日9 月 15 日） 用土钻取土， 测量 0 10、1020 cm 2 个土层土壤水分，2 层平均值为 耕层（020 cm）土壤水分，每小区以 S 型 5 点法 取 5 次重复，105烘干 812 h 后称质量，计算土 壤含水率。 土壤含水率=土壤水分同期土壤容重。 1.3.3 土壤硬度测定 采用 TJSD-750 型土壤紧实度仪分别于播种期 （5 月 25 日5 月 30 日）、出苗期（6 月 20 日6 月 25 日）、分蘖期（7 月 10 日7 月 15 日）、拔 节期 （7 月 30 日8 月 5 日） 、 抽穗期 （8 月 20 日 8 月 25 日）、成熟期（9 月 10 日9 月 15 日）测 量 05、510、1015、1520 cm 4 个土层 土壤硬度，记录每层硬度最大值，4 层平均值为耕 层（020 cm）土壤硬度。每小区以 S 型 5 点法重 复 5 次。 1.3.4 莜麦生长动态及产量构成因素的测定 待莜麦地上部发育开始，分别于分蘖期（7 月 10 日7 月 15 日）、拔节期（7 月 30 日8 月 5 日）、抽穗期（8 月 20 日8 月 25 日）、成熟期 （9 月 10 日9 月 15 日）每小区选取长势均匀的莜 麦 5 株，用米尺测定株高、叶宽；单叶面积=叶长 叶宽叶面积系数（0.75）；叶面积指数（LAI） =平均单茎叶面积每公顷总茎数/公顷土地面积； 成熟期测定穗数、穗粒数和千粒重；莜麦成熟后， 每小区去除保护行 2 m 人工实打实收，分别测量生 物产量及经济产量。 1.4 数据分析 采用Excel2003和SAS9.2数据处理系统进行后 期数据处理。 2 结果与分析 2.1 耕作方式对土壤容重的影响 由表 1 可以看出，同一生育时期，免耕土壤容 重从播种期到拔节期均显著高于翻耕，松耕与翻耕 间差异不显著，其中播种期免耕达到 1.49 g/cm3， 是松耕和翻耕的 1.141.15 倍，达到极显著水平； 3 种耕作方式抽穗期和收获期土壤容重介于 1.40 1.50 g/cm3之间，差异不显著。不同生育时期，免 第 4 期 王 岩等：耕作方式对冀西北栗钙土土壤物理性状及莜麦生长的影响 111 耕土壤容重各生育时期间变化不大，介于 1.45 1.50 g/cm3之间；松耕和翻耕土壤容重从播种期到 抽穗期呈增高的趋势，其中播种期分别为 1.31 和 1.30 g/cm3，抽穗期分别达到 1.44 和 1.46 g/cm3。不 同耕作方式对土壤容重的影响主要作用于莜麦播 种期至拔节期，抽穗期至收获期作用不明显，机械 耕作极显著降低播种期土壤容重，经过播种期到抽 穗期的自然沉降和淋溶，松耕和翻耕土壤容重逐渐 增大，达到或接近免耕水平。 2.2 耕作方式对土壤含水率的影响 从 3a 试验结果可以看出（图 1），同一生育时 期内，免耕、松耕和翻耕 3 种耕作方式间耕层土壤 含水率变化不大，不同生育时期耕层土壤含水率基 本呈现相同变化趋势。受年际间及年内不同生育时 期降雨差异的影响，3 种耕作方式耕层土壤含水率 2010 年均呈现单谷曲线（图 1a），2011 年均呈现 单峰单谷曲线（图 1b），2012 年均呈现双谷双峰 曲线（图 1c）。年际间及年内不同生育时期自然降 水变异大，加之砂质栗钙土农田粗骨贫瘠、蓄水力 差、多风干燥、气候干旱，免耕的土壤含水率蓄保 效果难于实现，冀西北栗钙土农田不同耕作方式对 耕层土壤含水率的影响变化不大。 表 1 20102012 年不同耕作方式下土壤容重 Table 1 Soil bulk density under different tillage modes from 2010 to 2012 不同生育时期的土壤容重 Soil bulk density under different tillage growth stages/(gcm-3) 处理 Treatment 年份 Year 播种期 Sowing 出苗期 Seedling 分蘖期 Tillering 拔节期 Jointing 抽穗期 Heading 收获期 Maturity 2010 1.54 1.51 1.46 1.43 1.54 1.42 2011 1.43 1.45 1.43 1.53 1.54 1.43 2012 1.50 1.47 1.45 1.44 1.43 1.55 免耕 No tillage 平均 1.49aA 1.48aA 1.45aA 1.47aA 1.50aA 1.47aA 2010 1.42 1.42 1.35 1.33 1.41 1.43 2011 1.23 1.35 1.43 1.46 1.49 1.40 2012 1.28 1.38 1.33 1.38 1.43 1.36 松耕 Subsoiling tillage 平均 1.31bB 1.38bA 1.37abA 1.39bAB 1.44aA 1.40aA 2010 1.33 1.37 1.34 1.39 1.44 1.40 2011 1.29 1.40 1.39 1.45 1.51 1.45 2012 1.28 1.38 1.33 1.38 1.43 1.36 翻耕 Conventional tillage 平均 1.30bB 1.38bA 1.35bA 1.41bB 1.46aA 1.40aA 注：同列不同小写字母表示处理间差异显著（P0.05），同列不同大写字母表示处理间差异极显著（P0.01），下同。 Note: Different small letters in the same column meant extremely significant difference at 0.05 level among treatments, different big letters in the same column meant significant difference at 0.01 level among treatments, the same below. 注： 播种期 Sowing （5 月 25 日5 月 30 日） ； 出苗期 Seedling （6 月 20 日6 月 25 日） ； 分蘖期 Tillering （7 月 10 日7 月 15 日） ； 拔节期 Jointing （7 月 30 日8 月 5 日）；抽穗期 Heading（8 月 20 日8 月 25 日）；收获期 Maturity（9 月 109 月 15 日）。 图 1 20102012 年不同耕作方式下土壤含水率 Fig.1 Soil water content under different tillage modes from 2010 to 2012 农业工程学报 2014 年 112 2.3 耕作方式对土壤硬度的影响 由表 2 可以看出，同一生育时期，免耕土壤硬 度全生育期均高于松耕和翻耕，其中拔节期免耕 58.51kg/cm2，为拔节期松耕 1.74 倍（P0.05），为 拔节期翻耕 2.53 倍（P0.01）。不同生育时期，3 种处理土壤硬度呈相同变化趋势；受年际间及不同 生育时期降雨影响，3 种耕作方式耕层土壤硬度 2010 年呈现先下降，后上升，再下降的变化趋势； 2011 年则均呈现先升高，后降低的变化趋势；2012 年呈现先降低，后上升，再降低，再升高的变化趋 势。不同耕作方式导致了莜麦各生育时期间土壤硬 度的差异，尤其是在莜麦生长旺盛的拔节期，虽然 自然降水可以浸润土壤使不同生育时期土壤硬度降 低，但不能改变耕作方式对土壤硬度带来的影响。 表 2 20102012 年不同耕作方式下土壤硬度 Table 2 Soil hardness under different tillage modes from 2010 to 2012 不同生育时期的土壤硬度 Soil hardness under different tillage growth stages/(kgcm-2) 处理 Treatment 年份 Year 播种期 Sowing 出苗期 Seedling 分蘖期 Tillering 拔节期 Jointing 抽穗期 Heading 收获期 Maturity 2010 52.99 32.58 36.53 72.31 66.51 51.41 2011 9.39 40.88 50.22 42.31 26.12 31.31 2012 27.23 23.79 14.84 60.92 18.79 73.32 免耕 No tillage 平均 29.87aA 32.42aA 33.86aA 58.51aA 37.14aA 52.01aA 2010 19.69 13.18 11.95 32.75 26.50 29.32 2011 4.80 22.77 25.55 22.68 9.71 11.26 2012 9.30 7.33 11.31 45.34 10.01 42.33 松耕 Subsoiling tillage 平均 11.26abA 14.43bAB 16.27abA 33.59bAB 15.41aA 27.64bAB 2010 5.02 5.35 3.02 23.39 20.12 18.52 2011 1.95 9.00 14.11 19.53 13.64 14.22 2012 6.93 12.72 7.39 26.50 10.26 28.70 翻耕 Conventional tillage 平均 4.63bA 9.02bB 8.17bA 23.14bB 14.67aA 20.48bB 2.4 栗钙土土壤硬度与土壤容重、土壤含水率的 关系 综合表 1 和表 2 可以看出， 20102012 年同一 耕作方式莜麦各生育时期同年土壤容重与土壤硬 度均呈相近的变化趋势，表明土壤容重与土壤硬度 呈正相关。对同一耕作方式同年同生育时期土壤硬 度与土壤容重进行回归（图 2a）。回归结果表明， 随土壤容重的增大土壤硬度呈指数型增高，土壤容 重 X1与土壤硬度 Y 的指数拟合方程为 Y= 0.0011e6.8838X1（R2=0.3604），土壤容重是决定土壤 硬度的主要因素；随土壤容重增大土壤硬度数据点 呈发散型数 据分布，二者拟合度在低土壤含水率时低，高土壤 含水率高，低土壤含水率条件下土壤硬度受土壤容 重制约。 图 2 20102012 年土壤硬度与土壤容重、土壤含水率的关系 Fig.2 Relationship between soil hardness and soil bulk density, soil water content from 2010 to 2012 Y=4783.3X22-1071.7X2+77.07 R2=0.2330 第 4 期 王 岩等：耕作方式对冀西北栗钙土土壤物理性状及莜麦生长的影响 113 基于上述分析，以土壤容重为 X1，土壤含水率 为 X2，与土壤硬度 Y 进行二元二次回归，得到回归 方程： Y=293.84X12+4336.77X221824.03X1X2526.25X1+ 1523.71X2+234.82 (R2=0.6184) 由 SAS 9.2 软件绘制出的砂质栗钙土莜麦田土 壤硬度与土壤容重和土壤含水率三维图（图 3）可 以看出，低土壤容重时（1.23 g/cm3），土壤硬度随 土壤含水率增加呈先降后升的趋势，介于 2.22 12.46 kg/cm2，土壤含水率对土壤硬度影响不大； 高 土壤容重时（1.53 g/cm3），土壤硬度随土壤含水率增 加呈下降趋势，从79.06 kg/cm2降低到28.06 kg/cm2， 土壤含水率对土壤硬度影响较大；其他土壤容重条 件下土壤硬度与土壤含水率间的变化趋势介于二 者之间。低土壤含水率时（3.44%），土壤硬度随 土壤容重增大呈上升趋势，土壤容重从 1.23 g/cm3 增大到 1.53 g/cm3， 土壤硬度从 12.46 kg/cm2升高到 79.06 kg/cm2，土壤容重对土壤硬度影响较大； 高土 壤含水率时（11.94%），土壤硬度随土壤容重增大 也呈上升趋势，但相同幅度的土壤容重增大土壤硬 度仅从 7.59 kg/cm2升高到 28.06 kg/cm2，土壤容重 对土壤硬度影响较小；其他土壤含水率条件下土壤 硬度与土壤容重间的变化趋势介于二者之间。根据 以上数学模型，可以用土壤容重与土壤含水率预测 土壤硬度，为合理耕作、补水提供技术支持。 图 3 20102012 年土壤硬度与土壤容重、 土壤含水率的回归模型 Fig.3 Regression model of soil hardness with soil bulk density and soil water content from 2010 to 2012 2.5 不同耕作方式对栗钙土莜麦生长动态及产量 构成因素的影响 2.5.1 不同耕作方式对栗钙土莜麦生长动态的影响 由图 4a 可知， 3 种耕作方式对砂质栗钙土莜麦 分蘖期株高没有显著影响，而拔节期到收获期免耕 显著低于松耕和翻耕；其中抽穗期差异最大，免耕 莜麦株高为 68.17 cm， 分别为松耕和翻耕的 80.20% 和 82.32%， 而松耕与翻耕间差异不大， 表明不同耕 作方式对莜麦株高的影响主要在拔节期以后。 图 4b 可知，3 种耕作方式对砂质栗钙土莜麦叶面积指数 （LAI）有显著影响，各生育期免耕均比松耕和翻耕 LAI 低，其中拔节期差异最大，免耕为 2.59，松耕 和翻耕分别为 4.68 和 4.82， 而松耕与翻耕间差异不 大。受免耕土壤容重、土壤硬度较高的制约，与松 耕和翻耕相比，免耕莜麦在拔节期至收获期植株 矮、叶面积小，直接影响光合产物的积累，最终造 成产量降低。 注： 分蘖期 Tillering（7 月 10 日7 月 15 日）；拔节期 Jointing（7 月 30 日8 月 5 日）；抽穗期 Heading（8 月 20 日8 月 25 日）；收 获期 Maturity（9 月 10 日9 月 15 日）。 图 4 20102012 年莜麦各生育时期生长变化 Fig.4 Naked oats growth changes in different stages from 2010 to 2012 2.5.2 不同耕作方式对栗钙土产量及产量构成因 素的影响 从表 3 可知，栗钙土莜麦免耕生物产量、经济 产量均显著低于翻耕（P0.05），3 a 免耕平均经济 产量为 413.79 kg/hm2，仅为翻耕的 51.64%，松耕 介于二者之间，与二者差异均不显著；与松耕和翻 耕相比，免耕千粒重差异不显著，穗粒数差异显著 （P0.05），免耕穗粒数为 9.37 粒/穗，分别为翻耕 和松耕的 66.74%和 63.70%，松耕和翻耕间差异不 显著；免耕每公顷穗数显著低于翻耕（P0.05）， 分别为 214.40 和 273.26 万穗/hm2， 松耕介于二者之 间，与二者差异均不显著。表明免耕导致莜麦穗粒 数和穗数明显低于松耕和翻耕，致使生物和经济产 量降低，而松耕和翻耕间差异不显著，松耕在少扰 农业工程学报 2014 年 114 动表层土壤的情况下仍能获得较高的经济产量，是一种兼顾生态与经济效益的耕作措施。 表 3 20102012 年不同耕作方式对莜麦产量及产量构成因素的影响 Table 3 Effect of different tillage modes on naked oats yield and its components from 2010 to 2012 处理 Treatment 年份 Year 生物产量 Biomass yield/ (kghm-2) 经济产量 Economy yield/ (kghm-2) 每公顷穗数 Ears per hectare /104 穗粒数 Grain number per ear 千粒质量 Thousand kernel weight /g 2010 2331.88 456.00 191.67 10.10 21.00 2011 1198.39 261.29 186.25 8.41 20.46 2012 2955.56 524.07 265.29 9.60 20.80 免耕 No tillage 平均 2161.94bA 413.79bA 214.40bA 9.37bB 20.75aA 2010 3596.02 762.58 250.42 15.51 20.86 2011 1917.34 426.08 202.08 11.32 21.22 2012 3324.75 804.71 264.37 14.40 21.00 松耕 Subsoiling tillage 平均 2946.04abA 664.46abA 238.96abA 13.74aAB 21.03aA 2010 4245.16 807.01 285.00 14.04 21.02 2011 2022.40 446.91 207.92 13.59 21.37 2012 5290.74 1150.00 326.87 16.50 21.20 翻耕 Conventional tillage 平均 3852.77aA 801.31aA 273.26aA 14.71aA 21.20aA 3 讨 论 本研究表明，免耕显著增加砂质栗钙土莜麦田 耕层（020 cm）播种期到拔节期土壤容重和土壤 硬度，这与 Mahboubi 等25在美国俄亥俄州、 Liebig 等26在美国北部大平原、 赵宏立等27在黄土高原的 研究结果一致，陈学文等28在东北黑土 9 a 保护性 耕作试验也得到类似结果，但其研究表明春季冻融 作用可以使免耕 2.517.5 cm 土壤硬度低于秋翻处 理，这可能是由于秸秆覆盖措施和春季土壤含水率 不同所致；而栗钙土为沙壤土，保蓄水能力差，且 本区降雨仅 400 mm 左右，蒸发量近 2 000 mm，难 以做到土壤水的跨生育期利用，每年松翻土壤是保 持土壤低容重、低硬度的主要措施。 土壤硬度一般以机械阻力方式影响作物生长， Greacen 等29研究表明影响小麦根系生长的硬度临 界值在 850 kg/cm2， Bengough 等30综合多数人观 点认为当土壤硬度大于 20 kg/cm2时大部分作物根 系就会受到影响，萨姆纳31所著土壤科学手册 则指出 30 kg/cm2是影响作物根系的硬度临界值。 本研究中免耕处理土壤硬度普遍高于 30 kg/cm2， 莜 麦生长旺盛的拔节期更是达到 50 kg/cm2以上，结 合莜麦生长动态来看，免耕会影响莜麦生长；而松 耕、翻耕处理则多小于 30 kg/cm2，一般为 2 20 kg/cm2，可以认为松耕和翻耕不会对莜麦生长造 成限制作用。 本研究表明，砂质栗钙土莜麦田提高耕层土壤 含水率可以在较大土壤容重条件下显著降低土壤 硬度，减小根系穿透阻力，这与李小昱等32对陕西 黄土的研究结果一致；但栗钙土农田土壤容重较小 时土壤含水率对土壤硬度影响不大。在较为干旱的 低土壤含水率条件下，增大土壤容重会显著导致土 壤硬度增加，高土壤含水率条件下土壤容重增大也 会提高土壤硬度，但影响较小，周虎等33在华北、 李汝莘等34在山东也得到相同的结果。冀西北地区 生育期内自然降水变异系数大，土壤容重变化趋势 基本一致，可以通过此模型预测田间土壤硬度变 化，适时补水以减轻土壤硬度对作物根系的影响。 作物留茬覆被能有效增强农田地表抗风蚀能 力，Fryear35测得在 50%秸秆覆被度下土壤风蚀量 较翻耕田能够降低 90%以上， 王岩等36在冀西北地 区测得莜麦田土壤地表粗糙度免耕和松耕是翻耕 的 1.86 倍和 1.09 倍。而经济产量免耕仅为翻耕的 51.64%，松耕为翻耕的 82.92%。从生态效益来看， 免耕减抑风蚀效果更显著，而松耕可以得到较好的 经济效益。 4 结 论 1）长期免耕会使砂质栗钙土莜麦田耕层土壤 容重维持在较高水平，松耕和翻耕可以降低土壤容 重；免耕、松耕和翻耕对土壤含水率影响不显著， 栗钙土土壤含水率主要受自然因素影响；土壤硬度 受耕作方式的影响不同，免耕增加土壤硬度，进而 影响作物生长，松耕和翻耕降低土壤硬度，不会对 作物生长构成限制。 2）栗钙土莜麦田耕层土壤硬度与土壤容重、 土壤含水率关系模型表明，土壤硬度随土壤容重呈 指数型增大，随土壤含水率呈 U 型变化；砂质栗钙 土莜麦田耕层土壤容重较高时提高土壤含水率可 以显著降低硬度，土壤容重较低时土壤含水率对硬 度影响不大；而低土壤含水率条件下土壤容重增大 会大幅提高硬度，高土壤含水率条件下土壤容重增 第 4 期 王 岩等：耕作方式对冀西北栗钙土土壤物理性状及莜麦生长的影响 115 大也会提高土壤硬度，但幅度较小。 3）栗钙土农田实行免耕虽然节省了土壤耕作 成本，但莜麦生物产量和经济产量均显著低于翻 耕；松耕在减少扰动土壤的同时，还能获得与翻耕 相近的产量，是一种兼顾生态和经济效益的合理耕 作措施。 参 考 文 献 1 杨学明，张晓平，方华军，等. 北美保护性耕作及对 中国的意义J. 应用生态学报， 2004， 15(2)： 335340. 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