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免耕對旱作土壤水分物理分析
保護(hù)性耕作是相對于傳統(tǒng)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,具有蓄水保墑、培肥地力、節(jié)本增效、防治農(nóng)田揚塵、減少水土流失、促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展等作用,其在水資源貧乏、風(fēng)多沙大、植被稀疏、農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境十分脆弱的我國北方旱作農(nóng)業(yè)區(qū)具有重要的應(yīng)用價值[1].雖然保護(hù)性耕作已逐步受到國內(nèi)外學(xué)者的普遍關(guān)注,國內(nèi)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(qū)[5]等地開展了保護(hù)性耕作與農(nóng)業(yè)節(jié)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(qū)域差異較大,這些結(jié)果還不能直接照搬,在具體實施前還應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍夂�、土壤和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件進(jìn)行系統(tǒng)地實踐研究,才能最大地發(fā)揮其生產(chǎn)、生態(tài)效應(yīng).為此,本文以華北地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要限制因子———土壤水分為切入點,以北京郊區(qū)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(qū)布設(shè)大田試驗,對比研究了免耕和傳統(tǒng)翻耕條件下的水土效應(yīng),分析了不同耕作方式對土壤水分時空動態(tài)變化及土壤相關(guān)物理性質(zhì)的影響,以期為北京郊區(qū)免耕效應(yīng)評價和田間管理提供科學(xué)依據(jù).
1研究區(qū)域與研究方法
1?1研究區(qū)概況
試驗地位于北京市昌平區(qū)興壽鎮(zhèn)桃林村(40°13′N,116°25′E)的大田中.該區(qū)域?qū)贉貛Т箨懶园敫珊导撅L(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(nèi)分布不均,主要集中在6—9月.試驗區(qū)土壤為潮土,土層深厚,地下水埋深10m以下,土壤基礎(chǔ)肥力較好.農(nóng)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(nóng)民種植積極性普遍不高,因此試驗地選種春玉米.耕作上,當(dāng)?shù)囟嗖捎们锓亓累視褊壹夹g(shù),冬春季有近半年時間的土地休閑,由于北京地區(qū)冬、春季節(jié)氣候干旱、多風(fēng),裸露的耕地極易產(chǎn)生揚沙揚塵.據(jù)相關(guān)研究,以傳統(tǒng)耕作方式形成的翻耕裸露農(nóng)田,已成為北京生態(tài)環(huán)境的重要污染源[1].
1?2試驗設(shè)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(qū)域土壤環(huán)境對耕作方式的自然適應(yīng)性,本文中的大田試驗完全不進(jìn)行灌溉.在對試驗區(qū)全面調(diào)查的基礎(chǔ)上,選擇有代表性的樣地作為試驗田.試驗共設(shè)2個處理:傳統(tǒng)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(biāo)準(zhǔn)免耕機(jī)粉碎玉米秸稈后覆蓋地表,秸稈粉碎后長度<10cm,用量7500kg?hm-2,次年春播時采用免耕播種機(jī)一次性完成施肥和播種.每個處理在田間以20m×5m規(guī)格分別布設(shè)2個大田小區(qū),區(qū)間間隔1m,小區(qū)四周作壟與大田分隔.每個試驗小區(qū)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(dāng)?shù)剞r(nóng)作習(xí)慣一致.
1?3研究方法
在春玉米整個生長期(4—9月),采用天津氣象儀器廠生產(chǎn)的SDM6A型雨量器測定降雨量,并每兩周監(jiān)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(jiān)測.每個樣地設(shè)3個取樣點,每土層取3個重復(fù).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(jī)械組成(吸管法測定)和土壤團(tuán)聚體組成(干篩和濕篩法測定).相關(guān)參數(shù)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)春玉米籽實水分利用效率WUE(kg?hm-2?mm-1)=Y/ET[10],式中:Y為春玉米籽實產(chǎn)量(kg?hm-2);ET為蒸散量(mm),ET=P-ΔS,其中,P為作物生長期間的降水量(mm),ΔS為收獲期與播種期土壤貯水量之差(mm).
2結(jié)果與分析
2?1北方旱作玉米地土壤貯水量隨時間及降水的變化特征
在春玉米整個生長期,研究區(qū)免耕和翻耕地0~100cm土層的土壤貯水量隨時間及降水的變化趨勢一致,且免耕土壤的貯水量在不同時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(nóng)業(yè)土壤最理想的三相比(2∶1∶1)(表1);免耕土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的數(shù)量均明顯大于傳統(tǒng)翻耕,粒徑0?25~0?5、0?5~1、1~2以及>2mm的土壤水穩(wěn)性團(tuán)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(tuán)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(wěn)性團(tuán)聚體含量是影響土壤團(tuán)聚特征和穩(wěn)定性的主要因子,土壤中>0?25mm的團(tuán)聚體越多,團(tuán)聚體的水穩(wěn)性越大,團(tuán)聚體的破壞率越低[11],故免耕土壤團(tuán)聚體的水穩(wěn)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期的差異較大,其增幅(2?7%~30?3%)表現(xiàn)出較大的波動范圍.
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(qū)免耕土壤全剖面(0~100cm)的平均含水量分別較傳統(tǒng)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(yīng)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(dá)14?4%.免耕減少了對土層的擾動,有利于抑制土面的無效蒸發(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階段的土壤含水特征
根據(jù)春玉米不同生長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個階段,即生長前期(4月至5月上旬)、生長中期(5月中旬至8月底)和生長后期(9月).其中,生長中期的降雨量(圖3)及作物需水量最大.2006年春玉米生長前期的降雨量較低,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顯著差異;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高于翻耕地,且表層(0~10cm)的差異顯著,說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期,由于該期植株生長旺盛,此時土壤含水量的增加可大大提高水分利用效率.春玉米生長后期,隨著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,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?zé)o顯著差異(表3).在降雨相同且無外源灌水的條件下,2008年免耕和翻耕耕作方式所獲玉米經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量分別為13765?7和11828?2kg?hm-2,與此對應(yīng)的春玉米籽實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,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,免耕具有顯著的水土保持效應(yīng)和作物增產(chǎn)效應(yīng),但對土壤含水量的影響程度會因地區(qū)、年份以及季節(jié)降雨量的不同而有所差異[12].Singh等[13]研究結(jié)果表明,免耕覆蓋、耕作覆蓋、傳統(tǒng)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更大.許迪等[14]研究降水和灌溉對土壤水分的影響發(fā)現(xiàn),正常和干旱年份免耕土壤平均含水量較傳統(tǒng)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(xiàn)突出.2008年降雨量較高,本研究區(qū)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(dá)30?3%;2006、2007年降雨量較低,其平均增量分別為10?8%、13?9%;就作物不同生長期的水分差異來看,春玉米生長中期的降雨量較大,免耕和翻耕地土壤含水量的差異在該生長期均達(dá)顯著水平,生長后期的降雨量較小,免耕和翻耕地土壤含水量的差異不顯著.上述研究結(jié)果表明,當(dāng)?shù)氐拿飧鞔胧┯欣谔岣咄寥赖男钏勛饔?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(qū)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(tǒng)翻耕,兩者間的差異在降水較大情況下表現(xiàn)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(dá)翻耕土壤的22?2%.Singh等[13]認(rèn)為,免耕覆蓋15cm深的土壤含水量最大,與傳統(tǒng)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(jié)果顯示,免耕地表層(0~7?6cm)土壤含水量比傳統(tǒng)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、增加土壤有機(jī)質(zhì)、抑制無效蒸發(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層次,而60~100cm土層的根系量僅占根系總量的3?8%~6?0%[16].此外,免耕有利于降低表土容重,增加并保護(hù)土壤微孔隙及其連續(xù)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(yīng)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(qiáng)了農(nóng)田的蓄水及持續(xù)供水能力.
基于其顯著的水分效應(yīng),免耕覆蓋是適于我國北方旱作農(nóng)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(wěn)性團(tuán)聚體的形成,在增加農(nóng)田保水能力的同時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(yīng)及作物增產(chǎn)效應(yīng)隨免耕年限的增長而增加[19-21].本研究中,免耕3年的土壤物理性質(zhì)與翻耕土壤無顯著差異,但免耕土壤的三相比更趨近于農(nóng)業(yè)土壤最理想的三相比(2∶1∶1),土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的數(shù)量也表現(xiàn)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(tǒng)翻耕提高了13?3%和16?4%,表明該耕作方式在北京地區(qū)的推廣應(yīng)用具有重要的生態(tài)和生產(chǎn)效應(yīng)。
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