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 150086；2.东北农业大学农学院，哈尔滨 150030）

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[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]。

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]。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：①留茬覆盖（ST），秋季收获后，留茬越冬，春季免耕播种后将铡成40～50 cm长的大豆秸秆均匀覆盖；② 留茬无覆盖（RSC），秋季收获后，留茬越冬，春季免耕播种；旋耕（RT），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1 400 m2（100 m长×0.7 m宽×20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（5，10，15，20，25 cm）的温度，每次观测时间均为13：00。

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0～20 cm，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、留茬覆盖、留茬无覆盖地垄台取样，用铝盒烘干法测定0～10，10～20，20～30 cm 的土壤容重。

1.3 数据统计分析

本试验数据采用Excel和DPS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10 cm以上时，土壤温度表现为：留茬无覆盖>旋耕>留茬覆盖；在10～20 cm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。

图1 出苗前后土壤温度的纵向动态变化Fig.1 Vertical dynamic change of soil temperature

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 cm）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）。

图2 5 cm土层温度动态变化Fig.2 Dynamic change of the temperature of 5 cm soil layer

10 cm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）。

图3 10 cm土层温度动态变化Fig.3 Dynamic change of the temperature of 10 cm soil layer

根际层（10～20 cm），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，15 cm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）；20和25 cm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，20 cm土层留茬无覆盖与旋耕处理间温度差别很小（见图5），而在25 cm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）。

图4 15 cm土层温度动态变化Fig.4 Dynamic change of the temperature of 15 cm soil layer

图5 20 cm土层温度动态变化Fig.5 Dynamic change of the temperature of 20 cm soil layer

图6 25 cm土层温度动态变化Fig.6 Dynamic change of the temperature of 25 cm soil layer

2.2 不同耕作处理条件下土壤水分变化

图7为不同时期0～20 cm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21日含水量的升高是由于之前有30 mm的降水。

3个处理对比看，土壤水分的变化趋势为留茬覆盖>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18日到25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。

图7 土壤水分动态变化Fig.7 Dynamic change of soil moisture

出苗前不同土层的土壤水分含量变化见图8。0～10 cm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。10～20 cm土层水分的变化趋势为留茬覆盖>旋耕>留茬无覆盖。

图8 出苗前不同土层的土壤水分含量Fig.8 Soil moisture in soil layer of different treatments before seeding

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0～10 cm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。

图9 出苗后不同土层的土壤水分含量Fig.9 Soil moisture in soil layer of different treatments after seeding

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]，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，施入土壤后，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10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。

0～10 cm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。10～20 cm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，但各个处理间的差距不明显。20～30 cm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入改善土壤的结构性，从而降低了土壤容重。不同深度的土壤容重变化如图10所示。

图10 不同深度的土壤容重变化Fig.10 Soil bulk density in soil layer of different treatments

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，当春季气温回升缓慢时，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（15 cm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间交换频繁，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0～10 cm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0～20 cm土层容重留茬无覆盖>留茬覆盖>旋耕；留茬无覆盖处理是秋季留茬越冬、春季采用免耕播种机播种，一次完成开沟、施肥、播种、覆盖和镇压的作业，这种作业方式动土量小，对土壤的扰动少，土壤墒情好，且多年免耕使土壤压实程度越来越高，所以容重高。但在20～30 cm土层，3种处理容重差距不大。而留茬覆盖处理的土壤容重低于留茬无覆盖的原因，就是秸秆的施入改变了土壤的结构，从而使土壤容重降低。旋耕条件下土壤容重最低，是由于旋耕机动力大，使土壤细碎，造成土壤稀松，空袭度大，春旱地区采用，常常会加深旱情，并且土质过于细碎，在春风较大地区会造成风蚀现象。

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