夏闲期耕作对旱地麦田土壤物理质量的影响

李慧，高志强，薛建福

土壤质量是关系农业生产的重要问题，由水土流失、土地盐碱化、土壤有机质和养分流失等土壤质量下降造成的土壤退化已经成为全球性的农业问题[1]。土壤物理性状是评价土壤质量的重要指标，能够影响作物生产力。土壤物理性状主要包括土壤容重、土壤孔隙度和土壤水分等，土壤容重可以评估土壤的紧实度[2]，土壤孔隙分布能够影响土壤通气和水分渗透能力[3]。土壤耕作能够改变土壤物理性状，影响土壤固相、液相和气相的状态，进而影响作物生长发育及其产量形成[2]。不合理的耕作措施能够破坏土壤物理结构，导致农田土壤质量下降，影响作物生产[4]。

深翻是传统的打破土壤犁底层的传统耕作方式，而土地深松技术变革于传统耕作措施，在不破坏表层土壤的前提下，改善土壤质量，形成上虚下实的土壤结构，是目前一项新推广的保护性耕作技术[5]。张丽等[2]研究表明，深松耕作技术可以缓解土壤板结，增加干旱地区土壤对降水的吸收。宫秀杰等[6]研究表明，深松措施下10～40 cm土层容重比传统翻耕措施降低了约11.8%，而0～40 cm层次的土壤含水率比传统翻耕提高了10.4%。近年来，有学者提出夏闲期深松和深翻的农作技术，结果表明夏闲期深松或深翻能够有效地蓄积夏闲期降水，提高土壤底墒水分，进而使晋南旱地冬小麦达到增产稳产的效果[7]。山西省旱地小麦占全省小麦总播种面积的60%，在山西省粮食作物中占有重要地位[8]，但是，关于夏闲期耕作措施对旱地麦田土壤物理性状的研究未见报道。因此，本研究主要研究不同夏闲期耕作对旱地麦田土壤容重、水分和孔隙度等物理性状的影响，分析各物理性状之间的关系以及土壤固相、液相和气相的分布，以期为科学管理旱地麦田土壤物理质量提供一定的理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验点概况

试验于山西农业大学闻喜试验基地邱家岭村(E111°28′，N35°35′)进行，该试验基地地处黄土高原，为丘陵旱地。该区属典型暖温带大陆性季风气候，十年九旱，四季分明，年均降雨量490 mm，潜在蒸发量为1 838.9 mm，并且60%左右降水集中在7-9月，年平均气温为12.6 ℃，其中最冷的1月平均气温达到3.2 ℃，最热的七月份平均气温为26.5 ℃，年均日照时数为2 242.0 h，全年无霜期185 d。

1.2 试验设计与农田管理

试验于2013-2016年进行，采用随机区组设计，设置连年夏闲期深翻(PT)和深松(ST)2个耕作处理，重复3次，小区面积300 m2(5 m×60 m)。所有处理在前茬冬小麦收获后留高茬(20～30 cm)，秸秆残茬覆盖于地表。每年于夏闲期7月中旬大雨过后，撒施生物有机肥1 500 kg·hm-2，并进行土壤深翻(25～30 cm)和深松(30～40 cm)，其中深翻处理将麦秆翻埋于土壤中，而深松处理下大多麦秆仍覆盖于土壤表面。夏闲期耕作后均在8月底进行旋耕和耙耱，播前基施纯氮150 kg·hm-2，P2O5为150 kg·hm-2，K2O为150 kg·hm-2。采用膜际条播方式进行播种，60 cm为一带，起垄+覆膜+播种+镇压均一次性完成，垄底宽40 cm，垄高10 cm，垄顶成圆弧型，采用400 mm×0.01 mm地膜覆盖在垄上，地膜两侧覆土，垄沟膜侧种植两行小麦，小麦窄行行距20 cm，宽行行距40 cm，于小麦花后10～15 d揭地膜。于小麦拔节和孕穗期根据实际情况喷施适量的除草剂和杀虫剂。

1.3 样品采集与测定方法

1.3.1 土壤容重和重量含水率

本研究于2016年夏闲期耕作前(7月24日)进行五点取样，分0～10、10～20、20～30、30～40和40～50 cm，共5个土层，利用环刀法取样测定土壤容重和土壤重量含水率。即用体积V为100 cm3的环刀，密封带回实验室。

土壤容重由105 ℃烘干后的干土重和环刀体积决定，计算公式如下[9]：

(1)

式(1)中ρb为土壤容重/g·cm-3；M2为烘干后土壤与环刀的质量/g；M0为环刀质量/g；V为环刀体积/cm3。

土壤重量含水率利用重量法计算，计算公式为：

(2)

式(2)中，θg为土壤重量含水率/%；M1为鲜土与环刀的质量/g；M0和M2与方程(1)相同。

1.3.2 土壤孔隙度

土壤总孔隙度是反应土壤结构好坏的重要物理指标，它的大小和数量受耕作措施的影响。土壤总孔隙度的计算基于土壤容重和土壤颗粒密度[10]，其公式为：

(3)

其中，Pt为土壤总孔隙度/%；ρb为土壤容重/g·cm-3；Pd为土壤颗粒密度，通常为2.65 g·cm-3[11]。

另外，土壤充气孔隙度关系着土壤的通气性，是土壤总孔隙度与体积含水率之差，公式如下[10]：

Pa=Pt-θv

(4)

θv=ρb×θg

(5)

其中，Pa为充气孔隙度/%；θv为体积含水率/%，Pt、ρb和θg同上面方程式相同。

土壤另一重要孔隙为毛管孔隙，毛管孔隙又称为“土壤持水孔隙”，是主要贮存土壤水分的地方。其计算公式为[12]：

(6)

(7)

式中，Pc为毛管孔隙度/%；θc为毛管含水率/%；M3为吸水饱和重/g；其他变量同以上方程式相同。

1.3.3 土壤层化率

本研究对旱地冬小麦收获时土壤各物理性状的层化率评价分析，通过如下公式：

(8)

式中，SR为各物理性状的层化率，C0～10为0～10 cm土层的物理性状值；C>10为10～20、20～30、30～40和40～50 cm土层的物理性状值。

1.3.4 土壤三相比

土壤由固态、液态和气态三相物质构成，三相之间可以相互联系转化[13]。土壤三相比可以通过土壤重量含水率、容重和总孔隙度计算得出[14]。

1.4 数据处理与分析

本研究利用SPSS 16.0软件进行统计分析，采用t检验法分析不同耕作处理间各土壤物理指标的差异(P<0.05)。本文利用Sigmaplot 12.0作图。

2 结果与分析

2.1 夏闲期耕作对旱地麦田土壤容重和土壤重量含水率的影响

土壤容重和重量含水率是重要的土壤物理指标。在0～50 cm剖面，夏闲期深松(ST)和夏闲期深翻(PT)处理下的土壤容重均随土壤的加深而增大，而土壤重量含水率则呈逐渐降低的趋势(图1)。其中，ST处理下土壤容重变化幅度较大，而PT处理0～30 cm剖面变化较小。ST处理0～50 cm剖面的土壤容重较PT处理有所降低，其中在0～20 cm土层显著降低了14.5%和9.6%(P<0.05)。ST处理下0～50 cm各土层的重量含水率均显著高于PT处理(P<0.05)，其中，0～10、10～20、20～30、30～40和40～50 cm分别显著提高了23.3%、29.7%、25.4%、41.9%和25.9%。

2.2 夏闲期耕作对旱地麦田土壤孔隙度分布影响

分析看出，不同夏闲期处理下旱地麦田的土壤总孔隙度、充气孔隙度和毛管孔隙度均随土壤深度的增加而降低(图2)。与PT处理相比，ST处理0～50 cm剖面的土壤总孔隙度有所增加，其中0～10 cm和10～20 cm层次显著提高了14.0%和10.2%(P<0.05)。与PT处理比较，ST处理下0～20 cm土层的充气孔隙度有所增加，而20～50 cm土层则降低，其中在20～30 cm土层显著降低13.5%(P<0.05)。ST处理下0～50 cm剖面的土壤毛管孔隙度在39.1%～47.3%范围内变化，比PT处理高12.8%～8.2%，在30～40 cm土层差异显著(P<0.05)。

2.3 夏闲期耕作对旱地麦田土壤物理性状层化率的影响

分析看出，随着土壤深度的增加，土壤容重的层化率呈逐渐降低的趋势，土壤重量含水率和土壤孔隙度层化率则呈增加趋势(表1)。PT处理下0～10 cm与其他各层次土壤容重的层化率均高于ST处理，其中0～10：20～30 cm和0～10：40～50 cm差异显著(P<0.05)，且PT处理下0～10 cm与其他各层次土壤重量含水率的层化率亦高于ST处理，其中0～10：30～40 cm差异显著(P<0.05)。而ST处理下0～10 cm与其他各土层土壤总孔隙度和充气孔隙度的层化率高于PT处理，在0～10：20～30 cm差异显著(P<0.05)。毛管孔隙度层化率在不同处理之间差异不显著。

图1 夏闲期耕作对0～50 cm土层容重和土壤重量含水率的影响Fig.1 Effects of different tillage methods during summer fallow on soil bulk density and gravimetric water content in 0～50 cm soil profile 注：不同小写字母表示各土层不同处理间在0.05水平上的统计差异，ST和PT分别表示夏闲期深松和深翻。Note: The values with different small letters indicate statistical difference between two treatments at P<0.05, ST and PT represent subsoiling and deep plow tillage during summer fallow, respectively.

图2 夏闲期耕作对0～50 cm剖面土壤孔隙度的影响Fig.2 Effects of different tillage methods during summer fallow on soil porosity in 0～50 cm soil profile 注：不同小写字母表示各土层不同处理间在0.05水平上的统计差异，ST和PT分别表示夏闲期深松和深翻。Note: The values with different small letters indicate statistical difference between two treatments at P<0.05, ST and PT represent subsoiling and deep plow tillage during summer fallow, respectively.

2.4 旱地麦田土壤物理性状的相关分析

分析表2得出，土壤容重与重量含水率、总孔隙度、充气孔隙度和毛管孔隙度均呈极显著负相关(P<0.01)，土壤重量含水率与总孔隙度和毛管孔隙度呈极显著正相关(P<0.01)，与充气孔隙度呈显著正相关(P<0.05)。土壤总孔隙度与充气孔隙度和毛管孔隙度呈现极显著正相关(P<0.01)，土壤充气孔隙度也与毛管孔隙度呈极显著正相关(P<0.01)。

2.5 不同夏闲期耕作处理下旱地麦田土壤的三相比

前人的大多研究均采用土壤容重、含水率和孔隙度等作为单相或双相指标来描述土壤性能，本文利用二维三系图将土壤三相比作为一个结构整体来分析(图3)。随土层深度的增加，两种夏闲期耕作处理下的土壤固相比例均逐渐增加，液相比例变化不明显，土壤气相比例逐渐减小。与PT处理相比，ST处理下0～50 cm土层的液相比例增加了7.6～33.8%，且各土层均存在显著差异(P<0.05)；而ST处理下0～50 cm土层的固相比例比PT处理降低了0.7～14.5%，在0～20 cm土层差异显著(P<0.05)；另外，ST处理0～20 cm土层气相比例比PT处理低5.8%～17.6%，20～50 cm土层比PT处理高4.5%～13.8%。

表1 夏闲期耕作对各物理性状层化率的影响Table 1 Effects of different tillage methods during summer fallow on stratification ratio of soil physical properties

注：同列不同小写字母表示各土层不同处理间差异显著(P<0.05)，ST和PT分别表示夏闲期深松和深翻。

Note: The values with diffferent letters in the same column indicated statistical difference between two treatments atP<0.05, ST and DT represent subsoiling and deep plow tillage during summer fallow, respectively.

表2 旱地麦田各物理性状之间的相关性Table 2 The correlation among different physical properties

注：*和**分别表示各指标在0.05和0.01水平上相关。

Note：*and**indicated that Pearson correlation is significant at the 0.05 and 0.01 level, respectively.

图3 夏闲期耕作对0～50 cm土壤三相比的影响Fig.3 Effects of tillage during summer fallow on three-phase ratios of soil in 0～50 cm soil profile 注：ST和PT分别表示夏闲期深松和深翻。Note: ST and PT represented subsoiling and deep plow tillage during summer fallow, respectively

3 讨论与结论

土壤容重是重要的土壤物理性质之一。众多研究表明[15，16]，随着土壤深度的加深土壤容重一般呈增加的趋势。吕殿青等[17]研究表明，土壤的重量含水率会随着土壤容重的增加而降低。本研究结果显示，夏闲期耕作措施下0～50 cm剖面的土壤容重均随土壤深度的加深而增加，土壤重量含水率随土壤深度的加深而降低。这是因为土壤自身受重力作用下沉会增加土壤颗粒之间的紧实度，虽然深松和深翻耕作均可以疏松土壤，但是土壤重力下沉始终存在，所以土层深度越深，土壤越紧实，越不利于水分的下渗，另外，夏闲期深松0～50 cm土层容重低于夏闲期深翻，夏闲期深松0～50 cm土层重量含水率高于夏闲期深翻。这与王清海[18]和黄明等[19]研究结果一致。这是由于夏闲期深翻将下部土壤翻到土表层后土壤水分蒸发加快，储水的孔隙消失后土壤重力沉降加速，所以夏闲期深翻较深松增加了土壤容重，降低了土壤重量含水率。

土壤孔隙度也是土壤结构的重要评价指标，土壤孔隙分布的组成直接影响土壤的通气性和透水性，其中毛管孔隙是土壤中水分活动最强烈的地方，充气孔隙控制土壤中的空气交换[2]。本研究中，夏闲期深松较深翻处理明显提高了土壤毛管孔隙的比例，且土壤重量含水率与毛管孔隙度呈极显著的正相关关系(P<0.01)。这可能是由于夏闲期深翻打乱了上下土层，不利于土壤水、气和热的交换，而夏闲期深松不破坏土壤表层，能够有效降低土壤蒸发，促进土壤剖面的水气交换活动[5]。对农业生产来说，土壤总孔隙度在50%～60%最适宜作物生长[20]。本试验表明，夏闲期深松和深翻0～50 cm土层总孔隙度在41.40%～54.21%和39.14%～47.56%之间，夏闲期深松更接近于总孔隙度理想值，说明夏闲期深松更有利于改善土壤物理质量。

土壤层化率是评价土壤质量和土壤生态功能的另一重要指标之一[21]。了解耕作措施对土壤物理性状层化率的影响，有助于理解耕作措施对各物理指标在土壤剖面的分布影响，对评价土壤质量有重要意义。一般认为，耕作措施能够改变土壤的耕层结构，导致耕层内土壤的物理性状发生变化。本研究中，土壤容重层化率随土壤深度的加深而降低，土壤重量含水率层化率随土壤深度的加深而增加，且夏闲期深松土壤容重和重量含水率的层化率均低于夏闲期深翻，说明耕作措施会影响土壤容重在耕层的分布。这可能是由于夏闲期深松能够疏松下部土壤且对表层土壤扰动较小，土壤耕层结构变化不大，有利于土壤水分的下渗分布，因此，土壤容重和重量含水率在土壤剖面的分布均匀，且层化率均低于夏闲期深翻。本研究还得出，土壤孔隙层化率随土壤深度的加深而增加，且夏闲期深松土壤孔隙度层化率高于夏闲期深翻。这主要是由于深翻后土壤因重力作用自然沉降，孔隙分布均匀，层化现象不严重，而夏闲期深松对土壤的扰动形成了上虚下实的土壤结构，土壤层化现象严重，所以夏闲期深松的层化率高于夏闲期深翻。

研究表明，土壤的各个物理性状是相互联系的，土壤容重与土壤孔隙度的变化紧密相关，在对不同耕作措施下的不同作物土壤进行研究后，均可得到土壤容重与土壤水分、总孔隙度和毛管孔隙度呈负相关关系[16，22，23]。这与本研究结果相似，即土壤容重与土壤重量含水率、土壤总孔隙度和毛管孔隙度均呈极显著的负相关关系(P<0.01)。由土壤容重、重量含水率和总孔隙度计算得到的土壤三相比表征了土壤的通气、透水、供水和保水等性能，影响作物根系的生长分布以及对土壤养分的吸收利用[2]。本研究表明，夏闲期深松比夏闲期深翻显著提高土壤的液相比例，降低土壤的固相比例，这与土壤容重和重量含水率结果一致。综上所述，夏闲期深松具有更好的降低土壤容重，增加土壤孔隙度和重量含水率的能力，是改善黄土高原旱地麦田土壤物理质量的重要措施。

[1] Liu X B，Zhang X Y，Wang Y X，et al.Soil degradation: a problem threatening the sustainable development of agriculture in Northeast China[J].Plant Soil and Environment，2010,56(2):87-97.

[2] 张丽，张中东，郭正宇,等.深松耕作和秸秆还田对农田土壤物理特性的影响[J].水土保持通报，2015,35(1):102-106,117.

[3] 陈学文，张晓平，梁爱珍,等.耕作方式对黑土耕层孔隙分布和水分特征的影响[J].干旱区资源与环境，2012,26(6):114-120.

[4] Papendick R I，Parr J F.No-till farming: The way of the future for a sustainable dryland agriculture[J].Annals of Arid Zone，1997,36(3):193-208.

[5] 张秀琴，于世武，孙杰.土地深松整地机械化实用技术[J].现代农业科技，2014(20):206-207.

[6] 宫秀杰，钱春荣，于洋,等.深松免耕技术对土壤物理性状及玉米产量的影响[J].玉米科学，2009,17(5):134-137.

[7] Zhao W，Gao Z，Sun M，et al.Effects of tillage during fallow period on soil water and wheat yield of dryland[J].Journal of Food Agriculture and Environment，2013,11(1):609-613.

[8] 李廷亮，谢英荷，洪坚平,等.晋南旱地麦田夏闲期土壤水分和养分变化特征[J].应用生态学报，2013,24(6):1601-1608.

[9] 陈义群，董元华，王辉,等.不同农业措施对草莓连作土壤微生物群落特征的影响[J].安徽农业科学，2011,39(25):15286-15289,15294.

[10] Salem H M，Valero C，Muoz M，et al.Short-term effects of four tillage practices on soil physical properties，soil water potential，and maize yield[J].Geoderma，2015(s 237-238):60-70.

[11] Christoph H，Dörthe H，Anneka M，et al.Elastic and plastic soil deformation and its influence on emission of greenhouse gases[J].International Agrophysics，2016,30(2):173-184.

[12] Li Y Y，Shao M A.Change of soil physical properties under long-term natural vegetation restoration in the Loess Plateau of China[J].Journal of Arid Environments，2006，64(1):77-96.

[13] 曾德超.机械土壤动力学[M].北京: 科学技术出版社，1995: 108-115.

[14] 沈其荣.土壤肥料学通论[M].北京: 高等教育出版社，2001: 7-8.

[15] 柴华，何念鹏.中国土壤容重特征及其对区域碳贮量估算的意义[J].生态学报，2016,36(13):3903-3910.

[16] 盛茂银，刘洋，熊康宁.中国南方喀斯特石漠化演替过程中土壤理化性质的响应[J].生态学报，2013,33(19):6303-6313.

[17] 吕殿青，邵明安，潘云.容重变化与土壤水分特征的依赖关系研究[J].水土保持学报，2009,23(3):209-212.

[18] 王清海.耕作措施对黑土有机质数量和质量的影响[D].吉林: 吉林农业大学，2008.

[19] 黄明，李友军，吴金芝,等.深松覆盖对土壤性状及冬小麦产量的影响[J].河南科技大学学报(自然科学版)，2006,27(2):74-77.

[20] 骆土寿，李意德，陈德祥,等.广东白盆珠水库水源林土壤水源涵养能力研究[J].生态科学，2007,26(2):159-164.

[21] Franzluebbers A J.Soil organic matter stratification ratio as an indicator of soil quality.Soil and Tillage Research，2002,66(2):95-106.

[22] 廖超林，傅灵艺，盛浩,等.紫色丘陵区旱地撂荒自然恢复提高土壤蓄水性能[J].农业工程学报，2014,30(21):111-119.

[23] 李红，范素芳，张光灿,等.黄土丘陵区退耕还林后不同林地土壤孔隙与贮水特性[J].水土保持通报，2010,30(1):27-30.