深松耕作和秸秆还田对农田土壤物理特性的影响

张 丽， 张中东， 郭正宇， 宫 帅， 王若男， 陶洪斌， 王 璞

(1.中国农业大学 农学与生物技术学院, 北京 100093; 2.山西农业科学院 玉米研究所, 山西 忻州 034000)

深松耕作和秸秆还田对农田土壤物理特性的影响

张 丽1， 张中东2， 郭正宇2， 宫 帅2， 王若男1， 陶洪斌1， 王 璞1

(1.中国农业大学 农学与生物技术学院, 北京 100093; 2.山西农业科学院 玉米研究所, 山西 忻州 034000)

摘要：[目的] 为了增加中国干旱半干旱地区农田土壤蓄水保墒能力。[方法] 采用野外试验和室内分析相结合的方法研究了深松和深松结合秸秆还田耕作技术对晋中北部地区两种主要类型土壤物理特性的影响。[结果] 深松可以打破土壤犁底层，显著降低黏土和壤土10—30 cm土层范围内的土壤容重；调节土壤孔隙度，增加了黏土10—30 cm土层范围内的土壤总孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度，同时增加壤土10—30 cm土层土壤总孔隙度、毛管孔隙度和20—30 cm土层土壤非毛管孔隙度；改善黏土和壤土20—30 cm土层土壤固、液、气3相状况；深松结合连年秸秆还田进一步优化了壤土耕层环境，同时显著降低了玉米拔节期土壤地表结皮的厚度和紧实度。[结论] 深松结合连年秸秆还田和深松耕作技术可以缓解土壤板结状况，增加降雨入渗。

关键词：玉米; 深松; 秸秆还田; 土壤物理性状

在目前的耕作方式下，耕层变浅，土壤容重增加，犁底层加厚是造成作物产量不高、不稳的重要因素[1]。犁地层的存在阻隔了降水的渗入，使土壤蓄水保墒能力减弱，易形成地表积水或径流，造成大量水土流失，也阻隔了地下水上升，使作物根系集中分布在浅层，导致根系吸水吸肥能力变差[2]。另一方面，随着农田化肥投入量的增加，其负面影响也逐渐凸现出来：土壤理化性质恶化，土壤供肥能力和保水性能差[3]，这在很大程度上限制了降水生产潜力的发挥和农业生产的可持续发展。作为保护性耕作技术的深松作业和秸秆还田技术被很多学者认为是农田蓄水保墒的有效措施[4-8]。但针对晋中北部旱作条件下，深松和深松结合秸秆还田对土壤蓄水能力影响的研究鲜见报道。本文通过对不同耕作方式的研究，探讨适合晋中北部地区的耕作方法，为改善耕层结构，改良土壤理化性质和提高农田蓄水保墒能力提供理论依据。

1材料和方法

1.1　试验设计

试验于2013年在山西省忻州市忻府区小檀村(北纬38°27′,东经112°43′)和新路村(北纬38°25′，东经112°40′)进行。该地海拔858.3 m，年均降雨量431.7 mm，冬春干旱，降雨一般集中在6—9月，四季多风，春季风大；年均温度9.07 ℃，≥0 ℃积温3 905.2 ℃，≥10 ℃积温3 522.5 ℃，全年无霜期176 d。小檀村土壤类型为潮土，质地为黏性；新路村土壤类型为褐土，质地为壤性。两地试验田均近20 a没有进行深翻或深松作业。

试验设置5个处理，黏土：春季深松(S1)和春季旋耕(CK1)；壤土：秋季深松结合秸秆粉碎还田(SS)，秋季深松(S2)和春季旋耕(CK2)。两地的深松方式均采用条带深松，间距50 cm，深松深度30 cm，深松后随即进行镇压。旋耕深度为12 cm。秸秆还田方式采用秸秆粉碎机将秸秆粉碎全部还田，长度小于10 cm；深松处理和对照地的秸秆于春季移至地外。小区面积为4 m×6 m=24 m2，每处理3次重复，采用随机区组排列。播种前基施复合肥(氮磷钾成分12～18～15)，其中N 90 kg/hm2，P2O5135 kg/hm2，K2O 112 kg/hm2；玉米大喇叭口期追施纯N 140 kg/hm2。供试玉米品种为先玉335，播种密度5.7万株/hm2，行距50 cm。2013年4月28日播种，9月29日收获。全年旱作不灌溉。其他耕作栽培措施均同大田生产。

1.2　测定方法

土壤物理指标测定：土壤容重和孔隙度的测定采用环刀法[9]，环刀直径为100 cm3。每个处理取5层，10 cm取一层，每层均取3点于播前进行测定。土壤紧实度采用杭州托普仪器有限公司生产的数字式土壤紧实度仪测定[10]，测定深度为40 cm，每2.5 cm记录1次，8次重复。土壤结皮厚度采用游标卡尺[11]，于玉米拔节期进行测定。土壤三相比通过播前土壤含水量、容重、总孔隙度计算得出[12]。

1.3　数据处理

采用Microsoft Excel 2010和SPASS 19统计软件进行数据处理和分析，并采用Duncan新复极差法进行多重比较；Sigmaplot 10.0制图。

2结果与分析

2.1　土壤容重

图1a表明：深松处理后0—40 cm土层范围内，黏土的土壤容重随土壤深度的增加而增大，40—50 cm土层深处变化不大；而未经深松过的土壤在30 cm土层土壤容重达最大值，之后有所降低。深松处理和对照在10—30 cm土层土壤容重间的差异达最大，未深松处理在10—20和20—30 cm土层土壤容重分别达到了1.38和1.56 g/cm3，深松后分别为1.25和1.35 g/cm3，依次较对照降低了9.42%和13.46%(p<0.05)。图1b表明，壤土深松结合秸秆还田处理和对照及深松处理和对照土壤容重与图1黏土表现趋势一致，而深松结合秸秆还田处理在0—50 cm土层范围内各层土壤容重又低于深松处理，但无显著差异。在10—20和20—30 cm土层，未深松处理的土壤容重分别达到了1.29和1.56 g/cm3，深松结合秸秆还田处理和深松处理分别为1.17，1.30，1.19和1.36 g/cm3，较对照依次降低了9.33%，16.42%，7.90%和12.38%(p<0.05)。可见，无论黏土还是壤土，特别是在20—30 cm土层深处的土壤容重较高，土壤较为坚实，远远超出适宜容重1.1～1.3 g/cm3的指标[1]，深松打破了犁地层，明显降低了10—30 cm土层的土壤容重，为作物生长和根系发育创造了一个良好的土壤环境，深松结合秸秆还田的耕作方式更进一步优化了耕层土壤环境。

注：同一行不同小写字母表示不同处理间土壤容重差异显著(p<0.05)。

通过图2a可知，黏性土壤深松后10—30 cm土层范围内，土壤总孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度变化幅度相对较大，在10—20 cm土层内，深松处理土壤总孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙分别达到了53.91%，42.62%和11.29%，较未深松处理依次升高了15.01%，10.37%和36.76%(p<0.05)；20—30 cm土层内，深松处理土壤总孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙分别达到了47.42%，38.93%和8.48%，较未深松处理依次增加了15.93%，12.08%和50.87%(p<0.05)。0—10和30—40 cm土层变化不大。通过图2b可知，壤土深松结合秸秆还田处理和深松处理后土壤0—40 cm土层范围内，土壤总孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度均不同程度的增加，其中土壤总孔隙度在10—20和20—30 cm土层均分别达到了55.70%，54.99%和50.95%，48.58%，与对照相比分别增加了8.92%，7.55%和23.31%，17.58%(p<0.05)；土壤毛管孔隙度在10—20和20—30 cm土层分别达到了42.95%，42.54%和40.38%，38.62%，与对照相比分别增加了7.99%，6.95%和12.64%，7.75%(p<0.05)；土壤非毛管孔隙度在20—30 cm土层分别达到了10.58%和9.96%，与对照相比分别增加了93.27%和82.08%(p<0.01)；土壤总孔隙度和土壤毛管孔隙度和在0—10和30—40 cm土层及土壤非毛管孔隙度在0—20和30—40 cm土层及虽然亦有所增加，但与对照相比差异均不明显。

注：TP1-TP4:0—40 cm土壤总孔隙度； CP1-CP4:0—40 cm土壤毛管孔隙度； NCP1—NCP4:0—40 cm土壤非毛管孔隙度。

由此可见，深松主要增加了黏土10—30 cm土层范围内的土壤总孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度；增加了壤土10—30 cm土层范围内土壤总孔隙度和毛管孔隙度以及20—30 cm土层土壤非毛管孔隙度，其中，无论黏土还是壤土，均以大幅度提高土壤非毛管孔隙度最为明显。因此，深松对土壤孔隙结构的影响主要以增加土壤非毛细管比例为主。土壤非毛细管的增加，一方面加强了土壤的渗水能力，减少了地表径流，削弱了水土流失的潜在威胁，另一方面也减少了因毛细管作用引起的土壤深层水分蒸发，既改善了土壤气体交换条件，又达到了蓄水保墒的效果。

2.2　土壤三相比

旱作农业理想的土壤三相比是固相50%，液相和气相各占25%[13]，调节合理三相比进而为作物生长提供良好的水、热、气、肥条件也是耕作和培肥的最终目的。以往通常用土壤容重、孔隙度、硬度、湿度、机械组成等单相、双相指标来描述土壤的结构性能，没有将土壤三相作为一个有机整体来考虑，不能够充分理解广义的土壤结构与功能。本文将土壤三相比作为一个整体置于二维三系图3中分析，可直观看出深松作业下农田土壤三相的变化情况。

由图3可以看出，深松作业对20—30 cm土层土壤三相的影响比较明显(p<0.05)，深松处理后，黏土和壤土土壤三相比均迅速向理想三相比逼近，效果较为明显。与对照相比，黏土总体趋势表现为：固相、液相比例降低，气相比例大幅增加；其中，固相比例从59.11%降低至52.59%，液相比例从31.23%降低至23.60%，气相比例相应升高，由9.66%升高至23.81%，主要表现为气相的增长。壤土与对照相比，深松结合秸秆还田和深松处理20—30 cm土层土壤三相总体趋势表现为：固相比例降低，气相比例增加，液相比例变化不大，主要表现为固、气相比例的消长；其中，深松结合秸秆还田处理和深松处理固相比例从57.48%分别降低至49.05%和51.42%，气相比例由18.97%依次升高至28.04%和26.89%，由此看出，深松作业本身对农田土壤20—30 cm土层起到了疏松改良的作用，气相比例的大幅增加有效的改善了土壤20—30 cm土层的通气状况，调节了土壤三相比的关系，改善了土壤水、肥、气、热状况，为作物的生长发育创造了一个良好的土壤环境。

图3　深松结合秸秆还田和深松土壤20-30 cm土层范围内土壤三相比的变化

2.3　表层土壤厚度和紧实度

土壤板结在表层形成薄厚及其形状各异的结皮，结皮的紧实度对土壤性质产生着不同程度的影响。图4a表明，玉米拔节期，深松结合秸秆还田处理的土壤表层结皮厚度相对较薄，仅为0.18 cm，而深松处理和对照的相对较厚，分别达到了1.57和1.83 cm，与前者相比差异均达显著水平(p<0.01)，深松处理和对照差异不明显。

注：Ⅰ.播前； Ⅱ.拔节期； Ⅲ.吐丝期； Ⅳ.灌浆期。 不同大写字母表示不同处理间土壤结皮厚度差异极显著(p<0.01)。

图4b表明， (1) 在玉米播种期，由于田间耕作措施的影响，3个处理地表土壤紧实度相差不大；随着生育进程的推进，表层土壤紧实度逐渐升高，播种至拔节期深松处理和对照升高的幅度较大，而深松结合秸秆还田处理升高的幅度相对较小。特别是在玉米拔节期，深松结合秸秆还田处理和对照处理的土壤紧实度分别达到了78.73和147.21 kPa，较播前分别增加177.16%和315.81%(p<0.01)。随着气温逐渐升高，深松处理及对照由于地表土壤裸露较多，播种至玉米拔节期降雨时，雨滴直接拍打地表较多，雨后太阳暴晒，这可能是造成地表土壤紧实度在玉米拔节期迅速升高的原因。地表土壤紧实度高，土壤板结严重，地表径流加大，土壤纳雨保墒能力降低。而拔节期正是玉米需水的关键期，此期间缺水对玉米生长将产生非常不利的影响，既影响玉米的长势也影响雌雄穗的分化，对玉米产量潜力的发挥造成一定的影响。拔节到吐丝期，各处理表层紧实度升高的幅度较播种至拔节期略显下降，这可能由于此阶段茂盛的植株枝叶减缓了雨水对地表的冲溅，同时枝叶的遮蔽也减少了阳光对雨后地表的暴晒。(2) 在玉米各生育时期，深松结合秸秆还田处理表层土壤的紧实度均低于深松处理和对照，而深松处理又低于对照。在玉米拔节期，深松结合秸秆还田处理表层土壤紧实度分别较深松处理和对照降低了45.03%和46.52%(p<0.01)，抽雄吐丝期和灌浆期分别降低了54.24%，59.09%和44.59%，44.18%(p<0.01)。深松处理和对照土壤表层紧实度在各个生育期相差不大，说明了连年的秸秆粉碎还田对于土壤表层结构的保护和改善发挥了主要作用。土壤的管理措施不同，其所形成的结皮的厚度均不相同。由此可以看出，秸秆还田对于表层土壤结构影响很大，对于没有植被保护的土壤，耕作少的土壤在降水以后，形成的结皮较厚且较为密实，土壤紧实度相对较高；在有植被保护时土壤结皮的结构较为均一，结皮比较松脆，土壤紧实度相对较低。说明耕作和地面覆盖情况对于土壤表层结构的保护和改善具有极为重要的作用

3讨论与结论

(1) 容重是土壤的重要物理性质，它影响到土壤的孔隙度与孔隙大小分布以及土壤的穿透阻力。随土壤容重的增加，土壤团粒结构丧失、土壤孔隙减小、土壤变得紧密坚实，导致土壤渗透性能降低[14]。本研究中深松与深松结合秸秆还田处理，显著降低了土壤10—30 cm土层范围内的土壤容重，有利于作物根系的下扎和对土壤深层水分的利用，提高了作物抵御干旱、半干旱区时常发生的季节性干旱的能力。这与齐华等[15]的研究结果一致。

(2) 土壤的孔隙状况是土壤结构的重要指标，其大小、数量及分配可以反映土壤结构的好坏。影响孔隙性的主要因素有土壤质地、土壤容重、人为干扰的强度等。土壤孔隙的组成直接影响土壤通气透水性和根系穿插的难易程度，并且对土壤中水、肥、气、热和微生物活性等发挥着不同的调节功能。本研究中，深松明显提高了土壤非毛细管的比例，一方面加强了土壤的渗水能力，减少了地表径流，削弱了水土流失的潜在威胁，另一方面也减少了因毛细管作用引起的土壤深层水分蒸发，既改善了土壤气体交换条件，又达到了蓄水保墒的效果。

(3) 土壤三相比影响土壤的通气、透水、供水、保水等物理性质，亦影响土壤的pH值、阳离子交换量、盐基饱和度等化学性质，故为评价土壤水、肥、气、热相互关系的重要参数[16]。深松作业对土壤三相的影响比较明显，深松和深松结合秸秆还田处理下20—30 cm土层土壤三相比均非常接近理想三相比。深松打破了犁地层，改善了土壤的水、肥、气、热状况，为作物的生长发育创造了一个良好的土壤环境。

(4) 由于多年来中国重用地轻养地的掠夺式生产方式，表层土壤结构遭到了破坏，土壤板结现象普遍且较为严重。Singer等[17]认为土壤结皮是在雨滴冲溅和土壤黏粒分散作用下，土表孔隙度被堵塞后形成或挟沙水流流经地表时细小颗粒沉淀而形成的一层很薄的土表硬壳。土壤表层由于地表结皮，减少了降雨入渗和地表糙度，增加了地表径流[18]，显著增加表土的抗溅蚀能力[19]。本试验中，深松结合秸秆还田明显的降低了农田表层土壤的紧实度和玉米拔节期土壤表层结皮厚度，缓解了土壤板结状况，提高了农田土壤的纳雨保墒能力。深松和深松结合秸秆还田对土壤容重、土壤孔隙度、土壤紧实度、土壤三相及土表结皮厚度有一定的影响，同时，对土壤有机质、pH值以及氮、磷、钾等养分元素也会发生很大的变化[20-22]。分析深松结合连续多年作物秸秆还田后土壤养分的变化，有利于人工指导农田的输出与补给，有的放矢地合理利用土壤资源。在中国秸秆春季露天焚烧现象较为普遍，屡屡造成重大火灾，同时也降低了土壤水分和养分[23]，因此需要尽快提升作物秸秆利用技术。农业循环经济既是一种新的经济发展概念，也是现代农业一个新的增长点。在发展循环经济的过程中，农作物秸秆已经成为不可或缺的重要资源。因此在以后的试验中将要进一步研究深松结合连续多年作物秸秆还田对土壤化学性质的影响，从而全面了解深松结合连续多年作物秸秆还田后土壤性质的变化。

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Effects of Subsoiling Tillage and Straw Returning to Field on Soil Physical Properties

ZHANG Li1， ZHANG Zhongdong2， GUO Zhengyu2，

GONG Shuai2， WANG Ruonan1， TAO Hongbin1， WANG Pu1

(1.CollegeofAgricultureandBiotechnology,ChinaAgriculturalUniversity,Beijing100193,China;

2.InstituteofMaize,ShanxiAcademyofAgriculturalSciences,Xinzhou,Shanxi034000,China)

Abstract：[Objective] In order to increase soil moisture conservation in arid and semi-arid areas of China. [Methods] Field experiment combined with indoor analysis was conducted in fluvo-aquic soil(clay) and cinnamon soil(loam) in North Central Shanxi Province.[Results] Subsoiling tillage broke the plow layer, significantly reduced soil bulk density at 10—30 cm soil layer and regulated soil porosity, including increasing soil total porosity, capillary porosity and non-capillary porosity at 10—30 cm soil layers on clay soil. Moreover, soil total porosity and capillary porosity at 10—30 cm soil layer, non-capillary porosity at 20—30 cm soil layer on loam soil were increased. Subsoiling tillage improved soil solid, liquid and gas phase conditions at 20—30 cm soil layer both on clay and loam. Subsoiling tillage with straw incorporated further optimized the farming environment, significantly reduced crust thickness and compaction of surface soil on the jointing stage of maize.[Conclusion] Subsoiling tillage with straw incorporated and subsoiling tillage can alleviate soil hardening conditions of the farming ground and increased rainfall infiltration.

Keywords:maize (Zea mays L.); subsoiling tillage; returning straw to field; soil physical properties

文献标识码：A

文章编号：1000-288X(2015)01-0102-05

中图分类号：S153

通信作者：王璞(1957—),男(汉族),山西省朔州市人，博士,教授,主要从事作物超高产、高光效、抗逆生理等方面研究。E-mail:wangpu@163.net。

收稿日期：2014-02-24修回日期：2014-03-14

资助项目：国家“十二五”公益性行业(农业)科技项目“主要农作物抗御季节性干旱技术研究与示范”(201203031)

第一作者：张丽(1981—),女(满族),内蒙古自治区赤峰市人,博士研究生,研究方向为作物抗逆栽培。E-mail：zhangli920@163.com。