蓖麻栽培地不同覆盖作物和耕作方式对土壤物理性质的影响

昭日格图　张玉旭

摘要：以蓖麻栽培地为研究对象，探讨不同种类覆盖作物和耕作方式对土壤硬度的影响。结果表明，从不同耕作方式看，0～30 cm土壤深度内免耕地的土壤硬度值相对最高，犁耕地相对最低；从覆盖作物种类看，裸地土壤硬度值相对最高，其次是毛野豌豆，黑麦地的土壤硬度相对最低。

关键词：覆盖作物；耕作方式；免耕地；犁地；土壤硬度；含水率；蓖麻；物理性质；黑麦；毛野豌豆

中图分类号： S345文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2017）21-0082-04

收稿日期：2016-05-27

基金项目：国家自然科学基金（编号：31560166）；内蒙古自治区自然科学基金（编号：2013MS0301）；内蒙古高校科学技术研究项目（编号：NJZY12120）；教育部留学回国人员科研启动基金（编号：2013]693）。

作者简介：昭日格图（1974—），男，内蒙古赤峰人，博士，副教授，从事土壤环境及微生物生态等相关教学科研工作。Tel：（0475）8313570；E-mail：zrgt1023@126com。

免耕或部分耕作等环境保护型耕作法作为环境保护型农业的代表性作业系统，由于能够消减农业生产上投入的能源，抑制土壤有机物的急速分解，维持增进地力等而备受关注1-4]，特别在土壤侵蚀严重的欧美地区，覆盖作物可增加土壤肥力，改良土壤理化性质，保护土壤免遭风蚀和水侵蚀5-6]。在小麦收获到大豆播种的繁忙时期，日本通过免耕或部分耕作以确保其栽培面积扩大实现省力或降低成本7]。另外，有專家指出，免耕会对作物出芽、立苗有不良影响，去除杂草费时费力2]，由于地温低导致作物生育迟缓8]，会引起土壤硬度上升等9]。但是，随着免耕播种机的改良、针对免耕播种技术的不断研发，相关问题正逐步得到解决。

目前，有关土壤硬度和作物生育之间的关系研究较多。Komatsuzaki等认为，由于土壤硬度增加，阻害了作物根基的延伸，从而导致作物产量下降10-12]。土壤硬度在10 MPa以上时，根长密度开始下降，当超过18 MPa时会急剧减少13]，这在免耕地尤为突出，经多年免耕轮作的土壤硬度会显著增加，作物的根会分布在土壤表层，这与养分集中在土壤表层而引起作物根土壤表层分布存在争论14]。另外，免耕对土壤中的微生物、线虫及土壤动物有很大影响，土壤硬度的增加会使生物数量降低15-16]。

免耕虽然是一种不破坏土壤结构并能节省能源的栽培方法，但其会使土壤硬度增加、阻害作物根发育等，如何既能发挥免耕的优点，又能减少其带来的负面影响，是现代环境保护型农业研究的重点。作物覆盖在国外研究相对较多，而我国却相对很少，特别是覆盖作物与耕作方式相结合对土壤环境影响的研究更少。本研究在蓖麻惯用耕作栽培条件下种植覆盖作物，以定量地把握覆盖作物对土壤的蓬软化影响，为蓖麻免耕条件下利用覆盖作物综合改善土壤物理性质提供基础数据。

1材料与方法

11试验地概况

试验土壤采自位于内蒙古自治区通辽市科尔沁区的内蒙古民族大学蓖麻育种研究重点实验室试验田。科尔沁区位居温带大陆内地（42°5′～43°5′ N、117°30′～123°30′ E），海拔 250～650 m，草原总面积达4 23万km2，现大部分已变为农耕地及部分沙地。科尔沁区为中温带亚湿润向亚干旱过渡气候区，冬寒冷、夏炎热，春风大；年均降水量360 mm，年际变化较大，年内分配不均，多集中在6—8月；冬季以西北风为主，春秋为西南风，年均风速35 ms，最大风速可达217 ms，大风日数长达30 d。通辽市地带性土壤为栗钙土，其余土壤主要有风沙土、灰色草甸土等10个种类，以风沙土为主，占总面积的435%。

12试验设计与田间管理

试验由不同耕作方式、覆盖不同种类作物等2个因素有机复合组成。耕作方式分旋耕、犁耕、免耕3种。覆盖作物为黑麦（Secale cereale L）、毛野豌豆（Vicia villosa Roth）2种，播种量分别为50、100 kghm2，于每年秋季（2011年9月10日、2013年9月15日）播种，次年春季（2012年4月13日、2013年4月18日）用甩刀式割草机进行割草覆盖，作物割倒3 d进行耕耘作业，犁耕作业采用双铧翻转犁，耕深30 cm，旋耕作业采用下切悬挂式旋耕机，耕深15 cm；以休闲地（裸地）为对照区，并将杂草作为休闲地覆盖物来考察，杂草种类主要有荠菜Capsella bursa-pastoris（L） Medic]、婆婆纳（Veronica persica Poir）、宝盖草（Lamium amplexicaule L）、一年蓬（Erigeron philadelphicus L）等。2012年5月5日、2013年5月10日进行施肥作业，施N量为100 kghm2。2012年4月28日、2013年5月2日播种蓖麻（Ricinus communis L）作为夏季栽培作物，分别在2012年10月8日、2013年10月15日进行收获。

13土壤采样与测定

土壤硬度采用Spectrum科技有限公司产的SC900型土壤硬度仪进行测定，测定时间分别为蓖麻生育初期（6月）、开花期（8月）、收割期（10月），选垄间中央2个点，测量土壤表面到45 cm土壤层的硬度，计算平均值；同时，用100 mL的采土罐采集0～5 cm土壤层的土样，用干燥法测量土壤含水率，计算土壤干密度及体积含水率。2013年4、9月分别对土壤表层到40 cm土壤层每隔10 cm进行取样，用干燥法测定其含水量。

14数据统计与分析

采用统计软件Stat View 50对数据进行处理，采用Fishers法对试验数据进行显著性检验。

2结果与分析endprint

21土壤干密度的推移

由表1、图1可见，从耕作方式看，2012年6、8月和2013年6、8月的土壤干密度在01%水平上存在显著性差异，但土壤干密度在覆盖作物、耕作方式×覆盖作物相交上没有显著性差异；蓖麻生长期间，免耕区0～5 cm的表层土壤干密度相对最高，犁耕和旋耕区的土壤干密度相当。

22土壤含水率的推移

由表1、图1可见，从耕作方式看，2012年6、8月和2013年6、8月土壤含水率在01%水平上存在显著性差异，2012年10月在1%水平上存在显著性差异；从覆盖作物种类看，2012年6、8月和2014年的6月在5%水平上存在顯著性差异；从耕作方式×覆盖作物相交看，2012年6、8、10月和2013年6月在5%水平上存在显著性差异；2012年土壤含水率在免耕黑麦区有较高值，特别是在8月，其土壤含水率相对最高，为382%；2013年6月，免耕毛野豌豆区含水率相对最高，其次为免耕黑麦区，10月各处理间的土壤含水率差异变小。

23土壤体积含水率的推移

由表1、图1可见，从耕作方式看，2012年6、8月和2013年6、8月的土壤体积含水率在01%水平上存在显著性差异；2012年8月，免耕黑麦区的土壤体积含水率相对最高，为280%；2013年6月，免耕黑麦区的土壤体积含水率相对最高，为298%；10月各处理的土壤体积含水率差异不大。

24土壤硬度

由表2可见，耕作方式对土壤硬度的影响较为明显，2012年，蓖麻3个生长期5～30 cm土壤深度硬度在01%水平上存在显著性差异，2013年8、10月5～25 cm土壤深度及2013年6月10 cm土壤深度硬度在01%水平上存在显著性差异；从覆盖作物的种类看，2012年6月5～10、20 cm土壤深度，2012年10月30 cm土壤深度，2013年6月5 cm土壤深度硬度在1%水平上存在显著性差异；从耕作方式×覆盖作物相交看，2012年6月5 cm土壤深度，2012年8月 15 cm 土壤深度，2012年10月5、15 cm土壤深度，2013年6月10 cm土壤深度硬度在1%水平上存在显著性差异；每年8、10月的土壤硬度多没有显著性差异。

由图2可见，2013年6月0～30 cm土壤深度内免耕地土壤的硬度值相对最高；0～15 cm土壤深度旋耕区的土壤硬度值和犁耕区相似，但土壤深度超过15 cm时，旋耕区的土壤硬度值高于犁耕区的土壤；和其他耕作方式相比，犁耕在全部土壤层的土壤硬度值都相对较低；从时间看，每年10月的土壤硬度较6月有所下降；从覆盖作物种类看，土壤硬度也存在有意义的差异，2012年6月裸地的土壤硬度值相对最高，其次是毛野豌豆，黑麦地块的壤土硬度相对最低。

3讨论

土壤硬度受土壤含水比和土壤干燥密度的影响较为明显16]，土壤干密度越高，随土壤含水率的变化，土壤硬度也发生显著的变动，而耕作作业会搅乱土壤，从而使土壤干密度减低、变软17-18]。作物栽培时，由于机械的行走等行为会使土壤干密度增加，土壤硬度会再次增加19-20]。本研究发现，表层的土壤干密度与耕作方式的不同存在显著性差异，免耕区的土壤干密度相对更高。通常认为，免耕区比耕区的土壤硬度要高，这是由土壤干密度增加所致16]。

在不同耕作方式上，土壤干密度的差异影响土壤水分状态的变化，土壤水分的差异比土壤含水率、土壤体积含水率的变化相对更大。相比免耕，旋耕和犁耕的耕作作业使土壤干密度有明显下降。本研究认为，由于耕作作业使土壤干密度发生很大的变化，导致土壤体积含水率也相应的发生变化，这与赵洪利等的研究结论21]一致。覆盖作物的种类对土壤干密度的影响没有明显差异，但在蓖麻生长期，土壤硬度值与不同覆盖作物间呈现出一定显著性的差异。覆盖作物区土壤硬度减少的原因之一是该区内土壤含水率增加，特别是免耕黑麦区及毛野豌豆区，地表残渣覆盖率高达90%以上，比裸地有较高的含水率。Olaoye研究发现，免耕地作物残渣的覆盖率和保水性有正相关关系22]。张文颖等研究发现，含水量对土壤硬度的影响较大，一般与土壤硬度之间呈负相关23]。覆盖作物区由于作物的覆盖使土壤含水率显著增加，但旋耕和犁耕区由于作物覆盖使土壤含水率增加的倾向并不明显，而实施耕作的黑麦或毛野豌豆区，其土壤含水率比裸地有明显增加，这是因为土壤里的覆盖作物残渣影响了土壤的保水性。Adjei等研究有机质供给量和土壤保水性的关系时发现，土壤有机质含量越多，土壤保水性越高24]。本研究对土壤有

机质和土壤硬度之间的相关性没有明确结论，但笔者认为，耕作区覆盖作物残渣的供给一定会对土壤保水性有影响，今后须进一步研究。Raper等在美国棉花栽培地研究不同耕作方式下有无覆盖作物对土壤硬度的影响发现，黑麦作为覆盖作物，在免耕地或少量耕作条件下土壤硬度会降低25]。本研究也得到相似结论。

免耕或部分耕作等环境保护型耕作法虽然能够消减农业生产上投入的能源、抑制土壤有机物的急剧分解、维持增进地力，但存在由于省略了耕作作业而使土壤硬度增加的问题，而免耕区通过覆盖作物，能够使土壤硬度明显降低，这为土壤硬度的管理提供了有益参考。

参考文献：

1]ZK（#]Lu Y C，Watkins K B，Teasdale J R，et al Cover crops in sustainable food productionJ] Food Reviews International，2002，16（2）：121-157

2]春原亘，坂井直樹，高塚邦男，等 不耕起栽培の評価J] 農作業研究，1985，54（1）：37-50

3]坂井直樹，春原亘，高塚清一，等 不耕起栽培の評価J] 農作業研究，1987，22（2）：113-119

4]Komatsuzaki M，Ohta H Soil management practices for sustainable agro-ecosystemsJ] Sustainability Science，2007，2（1）：103-120endprint

5]Sprague M A，Triplett G B No-tillage and surface-tillage agricultureJ] Soil and Tillage Research，1987，9（4）：395-396

6]Higashi T，Mu Y H，Komatsuzakit M，et al Tillage and cover crop species affect soil organic carbon in Andosol，Kanto，JapanJ] Soil and Tillage Research，2014，138：64-72

7]小松崎将一 不耕起栽培にみる経営メリットJ] デイリぃーマン，2003，53（3）：78-79

8]金沢晋二郎 持続的·環境保全型農業としての不耕起栽培―畑作物の収量と土壌の特性J] 日本土壌肥料科学雑誌，1995，66（3）：286-297

9]Ferreras L A，Costa J L，Garcia F O，et al Effect of no-tillage on some soil physical properties of a structural degraded petrocalcic paleudoll of the southern“pampa”of ArgentinaJ] Soil and Tillage Research，2000，54（12）：31-39

10]ZK（#]Komatsuzaki M Use of cover crops in upland fieldsJ] Farm Work Research，2004，39（3）：157-163

11]鎌田嘉孝 大型機械による踏圧と畑作物の生育J] 土壌の物理性，1960，14：4-9

12]渋澤栄 土壌密度の作物根系発達への影響とその記述法J] 農機北支報，1989，30：14-19

13]飯島盛雄 根の生長と土壌の機械的抵抗J] 農業および園芸，1992，67（11）：3-8

14]坂井直樹，春原亘，米川智司，等 土壌の変化と作物根系J] 農作業研究，1988，23（1）：25-32

15]本林隆 土の中の動物たちJ] 農作業研究，1998，33（2）：91-97

16]陳学文，王农，刘亚军，等 不同耕作处理下冻融对农田黑土硬度的影响J] 水土保持通报，2012，32（6）：55-60

17]辜松，小松崎将一，太田寛行，等 オカボ栽培でのカバークロツプ利用と耕うんシステムが耕地の土壌炭素と生物相に及ぼす影響J] 農作業研究，2004，39（2）：83-92

18]唐橋需 機械耕うんによる土壌物理性の改良J] 土壌の物理性，1985，51：40-44

19]辜松，小松崎将一，森泉昭治，等 カバークロップの種類と刈り取りの有無がロータリ耕うん性能に及ぼす影響J] 農作業研究，2002，37（1）：13-23

20]Katsvairo T，Cox W J，van Es H Tillage and rotation effects on soil physical characteristicsJ] Agronomy Journal，2002，94（2）：299-304

21]赵洪利，李军，贾志宽，等 不同耕作方式对黄土高原旱地麦田土壤物理性状的影响J] 干旱地区农业研究，2009，27（3）：17-21

22]Olaoye J O Influence of tillage on crop residue cover，soil properties and yield components of NigeriaJ] Soil and Tillage Research，2002，64（64）：179-187

23]张文颖，张恩和 留茬覆盖免耕对河西走廊灌区春玉米田土壤容重和硬度的影响J] 湖北农业科学，2015，54（7）：1582-1586

24]Adjei M B，Rechcigl E Bahiagrass production and nutritive value as affected by domestic wastewater residualsJ] Agronomy Journal，2002，94（6）：1400-1410

25]Raper R L，Reeves D W，Burmester C H，et al Tillage depth，tillage timing，and cover crop effects on cotton yield，soil strength，and tillage energy requirementsJ] Applied Engineering in Agriculture，2000，16（4）：379-385endprint