半干旱矿区作物对土壤含水率和圆锥指数的影响

李海欣 郄晨龙 雷少刚 陶文旷

摘要[目的]研究半干旱矿区不同作物在不同阶段对土壤含水率和土壤圆锥指数的影响。[方法]在对同一块耕地进行均匀施肥、统一耕作以及灌溉后，划分4个区域，分别种植黄豆、玉米、大豆、绿豆4种作物。分别于作物收割前22 d、作物收割前1 d以及收割后33 d对4种农作物种植区的土壤进行土壤圆锥指数和土壤质量含水率的测定，研究同一作物在不同阶段对土壤圆锥指数和土壤质量含水率的影响，以及不同作物同一阶段对土壤圆锥指数和土壤质量含水率的影响。[结果]种植作物可以增加土壤表层的土壤质量含水率，同时降低土壤圆锥指数；不同作物对土壤圆锥指数和土壤质量含水率的影响程度存在一定差异；线性模型能够较好地表征土壤质量含水率与土壤圆锥指数的定量化关系。[结论] 该研究为半干旱矿区土壤环境治理和土地复垦提供理论依据和实际应用价值。

关键词土壤圆锥指数；土壤质量含水率；作物；半干旱矿区

中图分类号S152.9文献标识码

A文章编号0517-6611（2017）08-0124-04

Effects of Crops on Soil Water Content and Soil Cone Index in Western Arid Area

LI Haixin1，QIE Chenlong2，LEI Shaogang2，TAO Wenkuang2*

（1.Huaxin Energy LTD， Zhungeer，Inner Mongolia 010399；2.School of Environment Science and Spatial Informatics，China University of Mining and Technology，Xuzhou，Jiangsu 221116）

Abstract[Objective] To study the effect of different crops on soil cone index and soil water content in different times.[Method]Unified fertilization，cultivation and irrigation were conducted in a cultivated field.Then this field was divided into four sections which were cultivated with yellow bean，corn，soybean and green bean，respectively.22 days，1day before and 33 days after the crops were harvested，soil cone index and soil water content were determined in the four cultivated sections.Based on the analysis of variation for soil cone index and soil water content with different crops or different periods，the effect of crop on soil cone index and soil water content was studied.[Result]Crops could increase soil water content and decrease soil cone index at the soil surface；Effects of different crops on soil cone index and soil water content were various.The linear regression model for the relationship between soil water content and soil cone index was valid，considering the complex situation in the field experiment.[Conclusion] The study provides theoretical basis and practical application value for soil environmental governance and semiarid mining area land reclamation.

Key wordsSoil cone index；Soil water content；Crops；Semiarid mining area

土壤圆锥指数又称土壤穿透阻力，可以反映土壤的紧实程度。在农业生产中，土壤圆锥指数过大会抑制作物根系的生长，进而影响作物的产量和质量[1-8]；土壤圆锥指数过小，表明土壤田间持水性能降低，因此土壤圆锥指数是一个重要的土壤物理质量指标。由于土壤圆锥指数受测量过程及测量仪器的影响较大，美国农业工程协会制定了ASAE EP542 PEB99号标准[9]，来统一规范测量过程。此外，土壤含水量、土壤容重、土壤质地、土壤有机质以及植被覆盖等是影响土壤圆锥指数的重要因素[10-12]。Ayers等[13]开展了土壤含水量和干密度影响土壤圆锥指数的研究，建立了土壤圆锥指数-土壤质量含水率-干密度的半经验模型，并验证了该模型在预测试验中所用的5种土壤圆锥指数的有效性；Busscher[14]分别建立了利用土壤含水率和土壤密度預测土壤圆锥指数的模型。林剑辉等[15]对Ayers等[13]、Busscher[14]模型从容重预测角度进行了对比分析，得出了各自的优点和局限性。耕作方法也会对土壤圆锥指数产生一定的影响，焦彩强等[16]、张兴义等[17]对旋耕和深耕松土2种耕作措施进行了研究，发现旋耕在15～40 cm会增加土壤圆锥指数，限制作物根系伸长；但深耕松土降低土壤圆锥指数的效应，在整个作物生育期间均能很好地体现，从而证实了生产上现行的旋耕方法具有明显地导致土壤紧实化的问题。

目前针对土壤圆锥指数的研究很多，从影响因素、预测模型构建以及模型可靠性分析方面开展的研究较全面。不同作物在生长过程中会对土壤物理性质产生一定的影响，而同一作物在不同阶段、不同作物间影响土壤圆锥指数和土壤质量含水率的程度是否存在差异值得探讨；另外，作物收割一段时间后，根系等也会持续对土壤产生一定的影响，不同作物产生影响的差异仍值得探讨。鉴于此，笔者在对同一地块进行相同耕作和灌溉的基础上，分区域种植不同作物，运用单因素方差分析，对同一作物不同时间和同一时间不同作物间土壤圆锥指数和土壤含水量进行显著性差异分析，进而探寻不同作物在不同阶段对土壤物理性质的影响。另外，对所测土壤圆锥指数和土壤质量含水率进行了回归分析，以验证土壤质量含水率对土壤圆锥指数的关系模型，旨在为半干旱矿区土壤环境治理和土地复垦提供理论依据和实际应用价值。

1材料与方法

1.1研究区概况

大柳塔矿区位于晋陕蒙交界处（111.2°～110.5° E，39.1°～39.4° N）。该矿区地表交错纵横，起伏较大，被厚黄土层覆盖，为典型黄土沟壑区。全年降水量较少，以夏季降雨为主，一般在251.3～646.5 mm，年蒸发量高达1 788.4 mm。地下水埋深较深，无法给地表植被提供水源，因此该地区植被水源补给以降雨和大气凝结水为主。平均年日照时数为2 875.9 h，极端低气温和高气温分别为-28.1和38.9 ℃，平均气温为8.6 ℃。由于该地区气候干燥（湿度为56%），并且植被覆盖较低，冬、春两季风速较大，因此冬、春两季多发生沙尘暴；夏季降雨不均匀，多集中在某一时段且降雨量大，因此造成水土流失较为严重。该区域的土壤类型以粉砂壤土为主，以草原群落、低矮灌木、沙生植被等为主要植被类型。作物种植以马铃薯、玉米、小杂粮等为主，耕作方式为深松翻土，灌溉较为困难。

1.2样地设置及样品采集

在该耕地上进行均匀施肥、统一耕作以及灌溉后，均匀划分4个区域，分别种植黄豆、玉米、大豆、绿豆4种作物。分别在作物收割前22 d（2013-09-03）、作物收割前1 d（2013-09-24）以及收割后33 d（2013-10-28）进行土壤圆锥指数和土壤质量含水率的测量。在未受人为干扰点分别测量土壤圆锥指数和土壤质量含水率，测量深度为0～10 cm，每一个测点土壤圆锥指数和土壤质量含水率进行3～4次测量，取其平均值作为该测点的测量结果，黄豆、玉米、绿豆3个种植区域有12个测点，大豆种植区域有15个测点。4种作物种植时间和收割时间均相同，收割过程中保留残茬高度也基本相同。

试验选用的土壤紧实度仪器为6120型指针式土壤紧实度仪，测量范围：0 ～600 psi（1 psi=6.89 kPa），选用大锥头（直径1.9 cm），不锈钢探杆上深度标识设置为15.0 cm处；土壤含水率测量仪器为便携式POGO土壤多参数测定系统和Hydra便携式土壤含水率测定仪。由于土壤含水率仪器测得数据为土壤的体积含水率，通过土壤质量含水量=土壤体积含水量/土壤干密度换算后得到土壤质量含水率，该块耕地的平均土壤干密度为1.39 g/cm3。

1.3数据分析

通过SPSS软件对土壤圆锥指数和土壤质量含水率进行描述性统计分析，并针对同一作物不同阶段和同一阶段不同作物间的土壤圆锥指数和土壤质量含水率分别进行单因素方差分析，从而探讨不同作物在不同时间对土壤物理性质的影响。另外，通过SPSS对所测土壤圆锥指数和土壤质量含水率进行回归分析，以验证土壤质量含水率对土壤圆锥指数的影响规律，从而减少土壤圆锥指数预测模型的输入变量。

2结果与分析

2.1同一作物不同阶段土壤质量含水率及土壤圆锥指数

由表1可知，4种作物种植区，土壤质量含水率在作物收割前1 d（09-24）和作物收割前22 d（09-03）并无显著差异（P>0.05），但2个时间土壤质量含水率均显著高于收割后33 d（10-28）。同时，黄豆、玉米、大豆、绿豆4种作物种植区，土壤圆锥指数在作物收割前1 d（09-24）和作物收割前22 d（09-03）均未表现出显著差异（P>0.05），但2个时间土壤圆锥指数均显著低于收割后33 d（10-28）。该规律和土壤含水量的时间变化规律相反，即土壤质量含水率较高时对应的土壤圆锥指数较低，这和Ayers等[13]得到的经验公式一致。

2.2同一阶段不同作物土壤质量含水率及土壤圆锥指数由表2可知，在作物收割前22 d（09-03），大豆种植区的土壤质量含水率显著低于黄豆、玉米和绿豆种植区的土壤质量含水率（P<0.05），但黄豆、玉米和绿豆种植区土壤质量含水率并无显著差异（P>0.05）。在作物收割前1 d（09-24），玉米种植区的土壤质量含水率显著高于黄豆、大豆和绿豆种植区的土壤质量含水率（P<0.05），但黄豆、大豆和绿豆种植区的土壤质量含水率并无显著差异（P>0.05）。作物收割后33 d（10-28），玉米和绿豆种植区的土壤质量含水率显著高于黄豆和大豆种植区的土壤

质量含水率（P<0.05），但黄豆和大豆、玉米和绿豆种植区之间的土壤质量含水率并未表现出显著差异（P>0.05）。作物收割前22 d（09-03），玉米和大豆种植区土壤圆锥指数未表现出显著差异（P>0.05），黄豆、大豆和绿豆种植区也未表现出显著差异（P>0.05），但玉米种植区的土壤圆锥指数显著高于黄豆和绿豆种植区（P<0.05）。作物收割前1 d（09-24），黄豆和大豆、玉米和大豆、玉米和绿豆种植区土壤圓锥指数并未表现出显

著差异（P>0.05）。但黄豆和大豆种植区的土壤圆锥指数显著高于绿豆种植区土壤圆锥指数。收割后33 d（10-28），黄豆、玉米和大豆种植区之间并未表现出显著差异（P>0.05）；同时，黄豆、大豆和绿豆种植区之间也未表现出显著差异（P>0.05），但玉米种植区的土壤圆锥指数显著高于绿豆种植区土壤圆锥指数（P<0.05）。另外，作物收割前22 d，4种作物种植区的土壤圆锥指数均超过1 MPa，据有关研究，植物根系生长明显变缓[18]。

2.3土壤质量含水率与土壤圆锥指数的关系

对黄豆、玉米、大豆和绿豆4种作物种植区域3个时间合并后的土壤圆锥指数和土壤质量含水率进行线性回归，回归关系见图1。由图1可知，玉米决定系数较高，其他3种作物种植区的决定系数都在40%左右。土壤质量含水率能较好地解释土壤圆锥指数，回归模型具有可信性。4个地块的土壤圆锥指数与土壤质量含水率之间存在负相关。每个地块土壤质量含水率对土壤圆锥指数的影响存在显著差异，表明不同作物对土壤质量含水率和土壤圆锥指数的影响程度不同，这可能与土壤容重等因素有关。4个区域土壤圆锥指数和土壤质量含水率的回归方程：黄豆y=-65.73x+1 810.31；玉米y=-127.09x+2 901.77；大豆y=-72.11x+1 880.19；綠豆y=-111.61x+2 292.31。

3结论与讨论

（1）对同一作物不同阶段土壤圆锥指数和土壤质量含水率分别进行单因素方差分析，结果表明作物能够显著增加土壤表层的土壤质量含水率，同时降低土壤圆锥指数。研究表明，作物和土壤质量含水率、土壤圆锥指数之间相互影响，即土壤质量含水率和土壤圆锥指数影响作物生长，同时作物的存在也影响土壤质量含水率和土壤圆锥指数。对同一阶段不同作物间土壤圆锥指数和土壤质量含水率的单因素方差分析表明，不同作物对土壤质量含水率和土壤圆锥指数的影响存在一定差异，即不同作物对土壤圆锥指数和土壤质量含水率的影响程度不同。

（2）半干旱矿区作物可以增加土壤表层的土壤质量含水率，同时降低土壤圆锥指数，说明作物和土壤物理性质之间相互影响。种植不同作物的土壤，其土壤圆锥指数和土壤质量含水率之间存在显著差异，表明不同作物对土壤物理性质的影响程度不同。

该研究得到了4种作物种植区具有可信性的线性回归模型，能够较好地表征半干旱矿区土壤质量含水率对土壤圆锥指数的定量化模型。

该研究为半干旱矿区作物种植区土壤的改良及灌溉等提供依据。

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