深松对吉林西部低产旱田土壤物理特性的影响

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(1.中国科学院 东北地理与农业生态研究所，吉林 长春 130012；2.中国科学院 研究生院，北京 100049)

水资源短缺是干旱和半干旱区农业可持续发展的重要限制因素之一[1-2]。长期以来，水资源匮乏一直影响着我国干旱地区农业生产，而中国旱地面积占全国总土地面积的52.5 %[3]。东北半干旱区水资源有限[4-7]，当地农业使用深层承压水(EC=1 dS·m-1，pH=7.2)灌溉，使地表土壤容易形成板结，并存在土壤次生盐渍化风险。此外，该地区农业基础设施落后，小型农机(小四轮拖拉机)一直是当地农业普遍使用的农用机械。小四轮拖拉机长期作业容易形成坚硬的波浪型犁底层[8-9]，土壤耕层浅，耕层以下的土壤紧实，土壤蓄水能力差，土壤水分有效性低[10]。加上东北有大片苏打盐渍土分布，土壤水分条件更加恶劣，严重制约当地农业发展，亟须改善。东北地区是中国未来粮食的后备产区，是中国重要的商品粮基地，解决制约该区农业可持续发展的瓶颈问题，对于保护全国粮食安全有重要的战略意义[11]。

有研究结果表明，深松可有效打破犁底层，提高水分入渗深度[10]和水分利用率，促进作物根系生长发育[12]，提高作物产量[13]。但深松对不同土层的密度，含水量和田间持水量的影响不同[14-15]。针对试验区干旱缺水和犁底层阻碍水分入渗和作物扎根等问题，研究不同深松措施对打破传统耕作形成的波浪型犁底层，降低土壤紧实度，改善深层土壤渗透能力[16-17]等方面的作用，以其为当地耕作措施的优化配置和现有农机具的合理组合提供参考。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

试验地点设置于吉林省白城市大安市乐胜乡长洪村，中心位置为45°27′N，123°31′E，该区属于半湿润半干旱季风气候区，年平均气温4.7 ℃。年降水量为413.7 mm，主要集中在7月到9月。年蒸发量为1 749 mm，是年降水量的4倍以上，无霜期142 d。土壤类型为风沙土，耕层土壤中砂土占82.0 %，壤土占12.2 %，黏土占5.8 %。2011年，国家气象中心农业气象中心数据显示，吉林西部土壤20 cm处于缺墒或持续缺墒的状态，2011年初至10月下旬，该区实际降水量为379 mm(源于http://www.cma.gov.cn/)。

1.2 试验设计

试验设4个处理：处理1是深松40 cm(S40)；处理2是深松60 cm(S60)；处理3是全方位深松40 cm(SQ40)；处理4是对照(CK)，不做任何深松处理。处理1 和处理2 都由凿式深松机完成，处理3由倒梯形全方位深松机完成，作业动力是雷沃824拖拉机。深松处理完成后即开始对所有处理进行起垄播种，垄宽60 cm，株距25 cm，供试作物是高粱(Sorghumvulgare)，品种是“凤杂四号”，不同处理试验地的田间管理措施相同。

1.3 测试分析方法

分别在试验处理布置完成后(5月19日)和作物成熟后(10月22日)对垄台进行密度，孔隙度，紧实度，土壤饱和导水率以及土壤含水量等指标测试，并且对作物产量和根系做了采样分析，每次测试均为3次重复。密度采用环刀法测试，孔隙度计算可得，紧实度采用土壤紧实度仪SC-900实地测得，土壤饱和导水率使用Guelph入渗仪实地监测，并采用双水头法计算饱和导水率，土壤按0～20 cm，20 cm～40 cm，40 cm～60 cm，60 cm～80 cm，80 cm～100 cm分层采样，其含水量采用烘干法测定。利用EXCEL和SPSS 17.0软件进行数据处理和统计分析，并用Origin 8.0作图。

2 结果与分析

2.1 深松对土壤密度和孔隙度的影响

旱田起垄后，深松处理的垄台耕层土壤受起垄和深松的双重作用，其密度有明显下降趋势，深松仅能打破坚硬的犁底层土块，并未粉碎，其密度变化不明显。密度和孔隙度结果如表1所示。可以看出，春季深松与起垄的扰动作用促使耕层土壤密度降低，孔隙度增大，未深松的土壤经过起垄作业也可以明显降低耕层土壤密度。结果表明，起垄作业是耕层土壤密度降低和孔隙度增大的主要原因，深松对犁底层土壤密度有降低作用，但是效果不明显，与王俊河等的研究结果一致[18]。

经过一个作物生长期，土壤自身的沉积和压实作用，耕层土壤密度有所增加，深松处理耕层土壤密度比春季增加了20.8 %，孔隙度降低了13.5 %，达到了差异显著水平(p<0.05)，犁底层土壤密度增加了3.1 %，孔隙度降低了2.2 %，差异不明显；未深松处理耕层土壤密度比春季增加了17.8%，孔隙度降低了12.7 %，达到了差异显著水平(p<0.05)，犁底层土壤密度增加了3.0 %，孔隙度降低了3.4 %，差异不明显。 结果表明，耕层土壤密度和孔隙度在作物生长期前后变化幅度大，说明作物生长期的管理措施和土壤自身的压实作用对耕层土壤密度和孔隙度影响显著，而对犁底层的影响不明显。土壤有自身平衡作用，将最终达到一个较稳定状态。

表1 深松后每个土层的密度和孔隙度Tab.1 Soil density and porosity of each layer after sub-soiling

注：小写字母表示置信度为95%时的多重比较结果。下同。

2.2 深松对土壤紧实度的影响

长期单一的耕作制度导致土壤紧实[19]，深松可有效降低土壤紧实度[18]。春秋两季的土壤紧实度，如表2所示。可以看出，土壤耕层0～15 cm内不同处理的紧实度差异不显著。15 cm～25 cm则是长期耕作产生的犁底层，可以看出对照均比各处理紧实度值大，且达到差异显著水平(p<0.05)；凿式深松比全方位深松更利于降低犁底层土壤紧实度，影响更为显著(p<0.05)。对于犁底层以下的土层来说对照均比各处理紧实度值大，且都达到了差异显著水平(p<0.05)，说明各深松处理均能有效降低各层土壤紧实度，凿式深松比全方位深松更能有效地打破坚硬的犁底层，与石彦琴等的研究结果一致[18-19]。

表2 深松后每个土层的紧实度Tab.2 Soil compactness of each layer after sub-soiling

秋季田间测定的结果发现，不同处理未对0～15 cm土层的紧实度产生显著影响。各深松处理15 cm～25 cm犁底层紧实度均小于对照，且达到差异显著水平(p<0.05)；凿式深松土壤的紧实度小于全方位深松，但差异未达到显著水平。对于犁底层以下的土壤，对照均比各深松处理紧实度值大，且都达到差异显著水平(p<0.05)，只有S40与SQ40在35 cm～45 cm的紧实度与对照是差异显著水平。说明经过一个作物生长期，各处理的各层土壤紧实度有一定的沉积压实现象，但是变化不显著。

2.3 深松对土壤含水量的影响

整个生长季降水主要集中在6-7月，有效降水约250 mm，表3为春秋两季所测得的土壤含水量。可以看出，在春季灌溉前，处理1，处理2和处理3对耕层土壤含水量的影响不明显，分别比对照含水量多出了12.7 %，13.0 %和10.4 %；但是对20 cm～40 cm土层土壤含水量的影响显著，处理1，处理2，处理3分别比对照含水量多出了2.0 %，18.0 %，7.8 %，其中S60与对照达到差异显著水平(p<0.05)。由此可得出，3种耕作措施都可以增加耕层土壤水分含量，而且深松深度越大对犁底层土壤破坏性越大，犁底层土壤保墒效果越好。对于犁底层以下的土壤来说，含水量的多少对土体的保墒作用有很大的影响。可以看出，S60对40 cm～60 cm土层的土壤含水量影响显著，SQ40次之，S40效果不明显，说明S60处理对增加犁底层以下土壤含水量的效果最佳，其次是SQ40和S40。对于深松机达不到的深层土壤60 cm～100 cm，各处理与对照间土壤含水量差异不显著。

秋季的有效降水几乎为零，经过了5个多月的农田管理，各个处理不同土层的土壤含水量有了明显的变化，经过深松处理的土壤耕层含水量显著高于对照(p<0.05)，说明经过深松处理的土壤耕层保墒效果好，水分条件得到改善。S40在20 cm～40 cm土层的含水量都较其他处理高，见表3。而在40 cm～60 cm土层各处理均比对照含水量大，且SQ40与对照达到差异显著水平(p<0.05)，说明土壤水分能容易到达深松机所耕作到的底部，而未深松到的深层土壤入渗效果较差。60 cm～100 cm土层各处理间含水量差异不明显，说明深松对深层土壤的水分条件改善效果不明显。

表3 深松后每个土层土壤含水量Tab.3 Soil water content of each layer after sub-soiling

2.4 深松对田间饱和导水率的影响

图1 不同处理的土壤饱和导水率Fig.1 Soil saturated hydraulic conductivity in different treatments

田间饱和导水率是衡量土壤导水能力的重要指标，对调节土壤含水量和预防干旱有重要的指导作用[20]。土壤是个多孔介质[21]，深松处理更能增加土壤孔隙度，从而增加土壤的导水性能。由于S40和S60均是凿式深松处理，对耕层和犁底层田间饱和导水率的作用差异不明显，分别对耕层和犁底层田间饱和导水率进行测试，结果如图1所示。

深松处理对田间饱和导水率的影响明显，凿式深松与全方位深松处理耕层田间饱和导水率分别比对照增加了294.1 %和37.7 %，犁底层土壤的田间饱和导水率分别比对照增加了476.9 %和128.6%。结果表明，春耕前的土壤导水性能差，深松处理不仅对耕层土壤导水性能有很大的改善作用，而且对犁底层有一定的破坏作用，凿式深松比全方位深松的破坏效果更为显著，可以显著增强土壤的导水性能。

2.5 深松对作物的影响

犁底层阻碍作物根系的生长，深松处理可打破犁底层，改善深层土壤水分条件，改变根系在土壤中的分布[22]，对作物根系生长有积极作用[23]。不同处理间根长，根质量，根数及产量的差异如表4所示。

表4 深松对作物的影响Tab.4 The influence of sub-soiling to crops

由表4得出，深松处理对作物根系数量没有显著影响，但对根长和根质量有较明显的作用。S60根长能达到24 cm，根质量达到76.3 g，与其他处理相比，根长均达到差异显著水平(p<0.05)，而S40和SQ40根长分别比对照增加了12.4 %和17.2 %，根质量分别增加了33.3 %和102.9 %。可以看出，不同处理对作物根系生长的促进作用不同，其效果由大到小依次是：S60>SQ40>S40。由于不同处理间土壤水分含量不同，产量也有所差异，与对照相比，S40增产12.8 %，S60增产19.7 %，SQ40增产22.6 %，不同深松处理均有显著的增产作用。

3 讨 论

耕作是农业生产不可或缺的部分，适当的耕作能降低土壤的紧实度，增加土壤通气透水能力和提高土壤保墒能力。深松和起垄作业能有效降低耕层土壤密度，增加耕层土壤的孔隙度，但对犁底层土壤密度和孔隙度改善不明显；凿式深松和全方位深松对降低土壤紧实度均有显著影响，凿式深松比全方位深松更能有效地打破犁底层，S60比S40对打破犁底层效果更佳。作物生长期结束时，各土层的紧实度相对变化不明显。深松处理比对照更能增加土壤水分，水分可以较容易的入渗到深松机所能到达的土层，而更深层的土壤含水量处理间差异不显著。对于作物而言，深松处理并不能较好的增加作物根系数量，但对增加根系的重量和长度都有显著影响，其中S60对作物的根系生长发育效果最佳，SQ40次之，S40效果最差，对产量增加也有显著作用，其作用大小依次是SQ40>S60>S40。

深松处理能改善作物生长所需要的土壤物理条件，为作物提供更多的养分和水分，促进作物根系生长和增产。但是，由于当地的生产力水平并没有显著提高，小型农用机械仍然是主要的农用工具，还会逐渐形成波浪型犁底层。所以有必要加强土壤深松的频率以阻碍犁底层的再次形成。

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