保护性耕作条件下土壤物理性状的研究

第 4 l 卷 第 9 期 2 0 1 0年 9月 东北农业大学学报 J o u r n a l o f No r t h e a s t Ag r i c u l t u r a l Un i v e r s i t y 4 1 ( 9 ) ： 5 0 5 4 S e p 2 01 0 保护性耕作条件下土壤物理性状的研究 张 磊 ，王玉峰 ，陈雪丽 ，马春梅 ，龚振平 ( 1 黑龙江省农业科 学院土壤肥料与环境资源研究所 ，哈尔滨 1 5 0 0 8 6 ；2 东北农业大学农学院，哈尔滨 1 5 0 0 3 0) 摘要 ：设置 留茬覆盖 、留茬无覆盖、旋耕 3种处理 ，研 究大豆田的土壤温度 、土壤水分、土壤容 重的动 态 变化。结果表明，留茬覆盖处理保水、保土、保肥的效果越好，对地表温度影响也越大。留茬无覆盖处理在耕作 层( 1 5 c m以上) 温度要高于旋耕处理，对种子萌发和出苗有利 ，但是其土壤水分较留茬覆盖处理低。不同耕法条 件下 0 2 O c m土层容重：留茬无覆盖 留茬覆盖 旋耕，但在 2 0 3 0 c m土层 3种处理容重差距不大。 关键 词：保护性耕作；土壤温度 ；土壤 水分 ；土壤容重 中图分类号 ：$ 3 4 4 ；$ 1 5 2 5 文献标志码：A 文章编号 ：1 0 0 5 9 3 6 9 ( 2 0 1 0 ) 0 9 0 0 5 0 0 5 St u d y o n s o i l p h y s ic a l p r o p e r t ie s u n d e r c o n s e r v a t io n t i ll a g e Z H A N G L e i ， WANG Yu f e n g ，CHEN Xu e l i ，MA Ch u n me i ， GONG Zh e n p i n g ( 1 I n s t i t u t e o f ，S o i l F e r t i l i z e r a n d E n v i r o n me n t E n e r g y H e i l o n g j i a n g A c a d e my o f A g r i c u l t u r a l S c ie n c e s ，H a r b i n 1 5 0 0 8 6 ，C h i n a ；2 Co l l e g e o f Ag r i c u l t u r e ， No r t h e a s t Ag r i c u lt u r a l Un iv e r s i t y ， Ha r b i n 1 5 0 0 3 0 ， Ch i n a ) Ab s t r a c t ：T h i s wo r k wa s c o n d u c t e d i n o r d e r t o s t u d y t h e d y n a mi c s o f s o i l t e mp e r a t u r e ， s o i l mo i s t u r e a n d s o i l b u lk d e n s i t y u n d e r t h r e e t r e a t m e n t s ： s t r a w - mu l c h i n g( S T ) ， r e ma i n i n g s t u b b l e w i t h o u t c o v e r ( R S C ) a n d r o t a r y t i l l a g e ( R - r ) T h e r e s u lt s s h o w e d t h a t S T t r e a t m e n t i n c r e a s e d s o i l m o i s t u r e ， b u t d e c r e a s e d t h e s o i l t emp er a t ur e mo r e e ff e c t iv e l y t h an o t h e r t r e a t me n t s Th e s o i l t e mp e r a t u r e u n d e r RSC t r e a t me n t wa s h igh e r ， b u t t h e s o i l mo i s t u r e w a s lo w e r t h a n t h o s e o f R T t r e a t m e n t ( a b o v e 1 5 c m ) S o il b u l k d e n s i t y w i t h i n 2 0 c m d e p t h f o l l o we d t h e or de r o f RSC STRT； h o we v e r ， t h er e wa s n o s i g n i fi c an t d i ff e r en c e i n s oi l b u l k d en s i t y b e t we en 2 0 a n d 3 0 c m a mo n g t h r e e t r e a t me n t s Ke y wo r d s ： c o n s e r v a t i o n t i l l a g e ； s o i l t e mp e r a t u r e ； s o i l mo i s t u r e ； s o i l b u l k d e n s i ty 土壤是农 业生产的基础 ，是人类赖 以生存 的 基石 ，也是人类食物与生态环境安全 的保 障。土 壤质量不仅是 自然属性，更是人为因子作用的结 果。近年来 ，农业生态环境 恶化 ，干旱加重 ，土 壤水蚀 、风蚀 面积逐年扩大 ，造成土壤退化 ，严 重影响了农业可持续发展口 1 。为了最大限度 的缓解 土壤环境 的恶化 ，改善农 田土壤环境 ，应着力开 展保护性耕作 。保护性耕作是相对 于传统 翻耕 的 一 种新型耕作技术 ，是 国际上先进的农业 生产技 术。它是指：“ 用大量秸秆残茬覆盖地表，将耕作 减少到只要能保证种子发芽即可，并主要用农药来 控制杂草和病虫害的一种耕作技术” 。它 的核心技 术和价值是通过免耕少耕 、秸秆残茬覆盖 、合理深 松 ，达到保水 、保土、保肥、抗旱增产、节本增效 改善生态环境的 目的 2 - 5 1 。 黑龙江省黑土区是当前我 国最具增产潜力的区 域 。黑土开垦后 ，黑土的肥力性状发生了变化 ，有 部分土壤 向不断培肥熟化的方 向发展 ，但大量的、 比较普遍的则是土壤肥力呈不断下降的趋势。因 此，加强黑土耕地资源保护，充分利用保护性耕作 收稿 日期：2 0 0 9 1 2 0 7 基金项 目：国家科技支撑项 目( 2 0 0 7 B A 8 7 B 0 3 ) ；农业部子课题( wx z 一 0 7 一 O 6 ) 作者简介：张磊 ( 1 9 8 2 一 ) ，男 ，研究实习员 ，硕士 ，研究方向为环境 资源 。E ma i l ： z h a n g - l e i 1 8 1 6 3 c o rn 第 9期 张磊等 ：保护性耕作条件下 土壤物理性状 的研究 5 1 抗风蚀对保障 目前及今后相当长时期我国的粮食安 全具有非常重要的战略意义6 1 。本试验对 3种耕作 方式下的黑土区土壤基本物理性状进行测定 ，以阐 明耕作方式对土壤温度、水分和容重的影响，为保 护性耕作 的实施提供理论参考和依据。 1 材料 与方法 1 1 试验设计 设置 3个处理 ： 留茬覆盖( S T ) ，秋季收获 后 ，留茬越冬 ，春季免耕播种后将铡成 4 0 5 0 c m 长的大豆秸秆均匀覆盖 ； 留茬无覆盖( R S C ) ， 秋 季收 获后 ，留茬 越冬 ，春季 免耕 播 种 ；旋 耕 ( R T ) ，秋季收获后 ，留茬越冬 ，春季用旋耕机整 地后机械播种。供试地块为大豆田，每个处理面积 为 1 d 0 0 m ( 1 0 0 m 长 O 7 m 宽 2 0垄)，不设 重 复。 1 2测定方法 1 2 1 土壤 温度 的 测定 于出苗前每隔一周用地温计测不同处理土壤不 同深度( 5 ，1 0 ，l 5 ，2 0 ，2 5 c m) 的温度 ，每次观测 时间均为 1 3 ：0 0 。 1 2 2 土壤水分的测定 于苗期至开花期每隔一周左右用土钻取土样 ， 取样深度为 0 2 0 c m，铝盒烘干法测定 。 1 2 3 土壤容重的测定 于出苗后 1 周 以原状取土钻在旋 耕 、留茬覆 5 1 O 1 5 2 0 2 5 土层深度( c m) S o i l d e p t h 盖 、留茬无覆盖地垄 台取 样 ，用铝盒烘干法测定 0 1 0 1 0 2 0 ，2 0 3 0 c m的土壤容重 。 1 3 数据统计分析 本试验数据采用 E x c e l 和 D P S进行统计分析。 2 结果与分析 2 1 不同耕作条件对土壤温度动态变化的影响 2 1 1 不 同耕作条件下土壤 温度的纵向动态变化 出苗前各土层 的温度存在着差别 ，留茬覆盖温 度一直表现较低水平 ，这证 明了有秸秆覆盖影响春 季土壤温度的升高。在 1 0 C 1 T I 以上时 ，土壤温度表 现为 ：留茬无覆盖 旋耕 留茬覆盖 ；在 1 0 2 0 c m 时 ，旋耕与留茬无覆盖温度变化趋 于一致。 从土壤温度的层次变化来看 ，留茬无覆盖处理 土壤温度变幅最大、旋耕处理变幅小 ，即留茬无覆 盖处理对土壤温度 的调节作用明显 ，表层土温高 ， 有利于种子萌发和出苗 。 出苗 以后 ，3个处理 的地表都被 大豆植株覆 盖。旋耕处理的土壤温度一直处于较高水平 ，留茬 覆盖与留茬无覆盖两个处理的土壤温度变化基本一 致。 出苗前后对 比来看 ( 如 图 1 所示) ，在 出苗 以 后 ，留茬覆盖处理的温度和另外两个处理的温度差 距 已经很小 ，与 出苗前形成鲜明的对 比，这说明留 茬覆盖在生育后期的温度上不会对大豆造成不利影 响。 一 赠 j 暑 吕 5 l O 1 5 2 O 2 5 土层深度 ( c m) S o i l d e p t h 出苗前 B e f o r e s e e d i n g 出苗后 A f t e r s e e d i n g 图 1 出苗前后土壤温度 的纵 向动态变化 Fi g 1 Ve r t i c a l d y n a m i c c h a n g e o f s o i l t e mp e r a t u r e 2 1 2 不同土层土壤 温度动 态变化 留茬无覆盖处理在土壤表层 ( 5 c m) 表现为增 温效应，土壤温度在 5 月份明显高于旋耕和留茬 覆盖两个处理 ，有 利于种子萌发 出苗 ；留茬覆盖 处理对土壤温度的减温效应较 明显 ，而在 6月份 3 个处理差异不大( 见图 2 ) 。 铝 舵 如 6 0 2j 2 g 一 一 一 趑赠 东北农业大学学报 第 41 卷 赠 j 芒 昌 r一 日期 D a t e 图 2 5 c m 土层温度动态变化 Fi g 2 Dy na m i c c ha nge o f t he t e mpe r a t ur e o f 5 cm s oi ll a y er 1 0 c m土层深度 ，旋耕处理的温度略高于其它 两个处理 ，有利于种子出苗 ；留茬覆盖在 5月份温 度较低 ，田间出苗调查表明 ，该处理大豆出苗晚 ， 成苗率较低( 见图 3 ) 。 日期 D a t e 图 3 1 0 c m 土层温度动态变化 Fi g 3 Dy n a mi c c h a n g e o f t h e t e m p e r a t u r e o f 1 0 c m s o i l l ay e r 根 际层 ( 1 0 2 0 c m ) ，为根系活动层次 ，依耕层 深度而变 ，该层受机具 、人 、畜及气温影响较小 ， 土壤环境变化也较表土层小 ，其理化及生物性状都 比较稳定 ，是根系集中的地 区，对作物发育有决定 作用。这层土壤的温度对作物抗旱、水分利用效率 有很大的影响作用 。研究表明，1 5 c m土层留茬无 覆盖处理与旋耕处理相 比，土壤温度基本高于旋耕 处理 ，但差别不大 ，留茬覆盖处理土壤温度一直处 于最低水平( 见图 4 ) ；2 0和 2 5 c m土层各处理的土 壤温度，均表现为旋耕 留茬无覆盖留茬覆盖，2 O c m土层留茬无覆盖与旋耕处理间温度差别很小( 见 图 5 ) ，而在 2 5 c m土层 留茬覆 盖与留茬无覆盖两 个处理温度差距也不大( 见图 6 ) 。 蜷 赠 三 皇 暑 日期 D a t e 图 4 1 5 c m 土层温度动态变化 F i g 4 Dy n a m i c c h a n g e o f t h e t e mp e r a t u r e o f 1 5 c m s oi l l a y er 赠 暑 墨 吕 日期 D a t e 图 5 2 0 e m 土层温度动态变化 F i g 5 Dy n a mi c c h a n g e o f t h e t e mp e r a tur e o f 2 0 c m s oi l l a y er 赠 三 害 厶 旨 日期 D a t e 图 6 2 5 c m 土层温度动态变化 Fi g6 Dyn ami c c hang e o f t he t e m pe r at ure of 2 5 c m s oi l l a ye r 2 2 不同耕作处理条件下土壤水分变化 图 7为不 同时期 0 2 0 c m土壤水分的平均数 比较。由于试验当年的持续干旱，整体水分变化呈 下降的趋势，5月 2 1日含水量的升高是由于之前 有 3 0 m m的降水。 3 个处理对 比看 ，土壤水分的变化趋势为留茬 第 9 期 张磊等：保护性耕作条件下土壤物理性状的研究 覆盖 留茬无覆盖 旋耕 ，这种趋势在持续干旱情 况下体现的更明显 ；但从 6月 1 8日到 2 5日测得结 果看 ，3个处理的土壤水分最终达到了同一水平 ， 这可能是土壤严重缺水而造成的。 l 鼍 -H 日期 D a t e 图 7 土壤水分动态变化 Fi g 7 Dyna mi c c ha ng e of s o i l moi s t ur e 出苗前不 同土层的土壤水分含量变化见图 8 。 O 1 0 C 1T I 土层水分 的变化趋势为 留茬覆盖 留茬无 覆盖 旋耕 ，这说明对土壤进行的耕作处理越少， 土壤水分含量越高。1 0 2 0 c m土层水分的变化趋 势为留茬覆盖 旋耕 留茬无覆盖。 0 1 0 1 0 2 0 土层深度( c m) S o i l d e p t h 图8 出苗前不同土层的土壤水分含量 Fi g 8 S o i l mo i s t u r e i n s o i l l a y e r o f d i ff e r e n t t r e at me nt s b ef o r e s e e di n g 土壤水分 总的变化 表现为 ：随土壤层次 的加 深 ，土壤水分呈增加趋势 ，留茬覆盖处理在各个 土层的水分都明显高于其他两个处理，增加土壤 水分效果明显。而旋耕处理 的两个 土层 的水分变 化最大 ，这主要是 0 1 0 c r f l 土层 的土质疏松 ，保 水性能差 。出苗后不 同土层 的土壤水分含量变化 与出苗前的趋势基本保持一致 ，这说明在大豆生育 前期，大豆植株的覆盖对土壤水分的影响不大，如 图9所示。 口 茌 覆 盍 一日留茬无覆盖 R S C 一 目旋耕 R T O 1 0 1 0 2 O 土层深度 ( e m)S o i l d e p t h 图9 出苗后不同土层的土壤水分含量 Fi g 9 S o i l m o i s t u r e i n s o il l a y e r o f d i ffe r e n t t r e a t me n t s a f t e r s e e d i n g 有秸秆覆盖保护性耕作，可以在地面形成保护 层 ，抑制土壤水分蒸发 ，改变土壤水分 的再分配规 律 ，增加作物可吸收利用 的水分量 ；同时 ，也具有 改善土壤通透性和增加土壤渗水能力的作用，因而 可以减少地表径流 ，增加土壤的有效水分。 2 3 耕作措施对土壤容重的影响 保护性耕作措施 ， 尤其是免耕与秸秆覆盖对土 壤容重有相反的作用 。作物秸秆的施用可以促进土 壤中水稳性团聚体的形成，使容重降低【7 J ，总孔隙 度增加8 】 ，改善土壤的结构性和耕性。不同种类的 秸秆对改善土壤结构作用也不同 ，原因可能是由于 新鲜秸秆 中易分解性有机质含量较高 ，施人 土壤 后 ，在微生物 的作用下 ，可生成较多 的多糖类物 质 ，从而促进 了团粒结构的形成 。 土壤耕作措施对土壤的作用首先表现在土壤容 重的作用。从图 1 0 可以看出，不同耕作措施对土 壤的扰动程度不同 ，因而耕作处理后引起的土壤容 重变化不 同。 0 1 0 c m土层 的土壤容重变化趋势为留茬无覆 盖 留茬覆盖 旋耕 ，并且留茬无覆盖的土壤容重 明显 高于另外两个处理 。1 0 2 0 c m土层 的土壤容 重变化趋势为留茬无覆盖 留茬覆盖 旋耕，整体变 化趋势与上层土壤基本一致 ，但各个处理问的差距 不 明显。2 0 3 0 c m土层 的土壤容重变化趋势为留 茬无覆盖 旋耕 留茬覆盖。 综合以上结果 ，留茬无覆盖处理的土壤容重一 直很高 ，可能是 由于进行了多年免耕使土壤压实程 度越来越严重造成的；留茬覆盖处理的土壤容重低 于留茬无覆盖的原因就在于秸秆的施人改善土壤 的 O 5 O 5 O 5 O 5 O 加 加 l s H 0昌=昱 一 一 * O 5 O 5 O 5 O 5 O 加 加 暑 l s 1 0 昌 0力 一 一 * 州 5 4 东北农业大学学报 第 4 1 卷 结构性 ，从而降低了土壤容重。不同深度的土壤容 重变化如图 1 0所示。 口 _ g 詈 名 咖 奄 扛 专 -H 0 1 0 l 0 2 0 2 O 3 0 土层深度( c m) S o i l d e p t h 图 1 0 不同深度的土壤容重变化 F i g 1 0 S o i l b u l k d e n s i t y i n s o i l l a y e r o f di ffe r e nt t r ea t me nt s 3 讨论 与结论 3 1 对土壤温度的影响 有秸秆覆盖 ，保水 、保土 、保肥的效果越好 ， 但对地表温度影响也越大，当春季气温回升缓回对， 地表温度过低 ，影响作物出苗。本试验中，留茬覆 盖处理 ，土壤温度降低明显 ，土壤温度一直是最低 水平 ，主要由于大量 的秸秆覆盖阻碍 了阳光直射 ， 影响了土壤对温度的吸收；留茬无覆盖处理在耕作 层( 1 5 c m以上 ) 温度要高于旋耕处理 ，这可能是 由 于残茬在夜间有保温作用 ，而且还有部分土壤裸露， 可以增加土壤对太 阳辐射 的吸收转化和热量传导 。 由于空气温度的升高 ，近地面空气与土壤空气问交 换频繁 ，后期各处理之间温度差异已不明显。选择 适宜的秸秆覆盖量 ，结合表土浅松作业 ，保护性耕 作可以做到不降低土壤温度或略有增温效应。 3 2 对土壤水分的影响 从试验结果来看 ，随土壤层次的加深 ，土壤水 分呈增加趋势 ，留茬覆盖处理在各个土层的水分都 明显高于其他两个处理 ，增加土壤水分效果明显 。 而旋耕处理的两个土层的水分变化最大，这主要是 0 1 0 c m土层 的土质疏松 ，保水性能差。保护性耕 作可以减少地表径流损失 ，减少土壤表面的无效蒸 发 。传统耕作地面没有秸秆保护 ，在雨水直接拍击 下 ，表面很容易结壳而产生径流。留茬覆盖明显地 减轻了阳光直射地面，降低了风力直接吹拂地面， 土壤里的水分蒸发也 因地表之上的秸秆覆盖增加 了 阻隔层 ，降低蒸发散失的速度 ，使蒸发减少。土壤 水分含量与土壤温度还密切相关 ，土壤温度不但影 响根系的生理生化活性 ，也影 响土壤水的移动性。 在一定的温度范围内，随土壤温度提高 ，根系中水 运输加快 ，反之则减弱，温度过高或过低，对根系 吸水不利。 3 3 对土壤容重的影响 土壤容重是反映土壤紧实度的一个主要指标 ， 不 同耕作措施对土壤的扰动程度不同，土壤耕作措 施对土壤的作用首先表现在对土壤容重的作用。不 同耕法条件下