2015, Vol. 38
文章信息
- 张军, 丁启朔, 丁为民, 李毅念, 邱威, 陆明洲, 薛金林, 田永超. 2015.
- ZHANG Jun, DING Qishuo, DING Weimin, LI Yinian, QIU Wei, LU Mingzhou, XUE Jinlin, TIAN Yongchao. 2015.
- 分层旋耕对水稻土耕层物理性状的影响
- Effect of stratified rotary tillage on paddy soil physical properties
- 南京农业大学学报, 38(6): 1016-1022
- Journal of Nanjing Agricultural University, 38(6): 1016-1022.
- http://dx.doi.org/10.7685/j.issn.1000-2030.2015.06.022
-
文章历史
- 收稿日期: 2014-12-25
2. 江苏省智能化农业装备重点实验室, 江苏 南京 210031;
3. 南京农业大学国家信息农业工程技术中心, 江苏 南京 210095
2. Key Laboratory of Intelligent Agricultural Equipment in Jiangsu Province, Nanjing Agricultural University, Nanjing 210031, China;
3. National Engineering and Technology for Information Agriculture, Nanjing Agricultural University, Nanjing 210095, China
合理的耕作方式是改善土壤物理性状与生物环境、促进作物生长、提高资源利用的重要技术途经[1]。在中国南方的水旱轮作制条件下,普遍存在土壤含水率高、黏度大、作物产量低等现象[2]。因该区长期采用浅旋耕作代替深耕深松,土壤历经多年沉实与机械压实导致耕层变浅、土壤硬化严重、孔隙率降低、机械阻力增加等问题[3, 4, 5],最终导致作物减产[6]。因此,为水旱轮作制提供合理的耕作技术是改善水稻土物理状态、促进土地产出的重要保障。
近年来在旱作区的研究证实深耕深松能够显著改善土壤物理性状并促进作物生长[7, 8],王育红等[9]研究表明深松对土壤物理性状和小麦生长具有显著的促进作用。然而尽管中国的稻麦轮作面积已达4.8×108 hm2且稻麦周年产量潜力高达21 t · hm-2[10],但稻麦轮作制的不良耕作措施仍然是该区小麦产量的一个主要限制因子。亚洲其他国家和地区的稻麦轮作制存在同样的问题,稻季淹水过程是破坏土壤结构并造成麦季根系生长受阻产量下降的主要成因[11, 12]。相关研究表明,稻麦轮作区小麦根系集中分布在200 mm土层,根系纵向拓展受到严重阻碍[13]。尽管目前针对北方旱作制已形成了明确的周期性深耕深松土壤改良制度,但围绕南方水旱轮作制的土壤结构改良所需适宜耕作理论与技术仍不明确。针对南方土壤湿黏、深松机具无法提供良好的碎土松土效果,张瑞宏等[14]提出了土壤分层旋耕的理论与技术设想,然而该技术方案的农艺效果至今尚未通过田间试验的论证。
鉴于旱作制所用的牵引式深松机具无法适应南方高湿高黏水稻土的作业要求,本文运用田间试验模拟的方法探讨采用双层旋耕切土的技术模式并论证其土壤切碎效果,以期增大水稻土松碎层深度。通过对比评价分层旋耕处理对土壤物理性状、土壤持水量、贯入阻力等指标在麦季的连续变化动态,论证该耕作技术模式对土壤物理性状的影响,为固化此技术模式提供依据。
1 材料与方法
1.1 试验研究区的概况
试验于南京农业大学江浦农场(北纬31°98′和东经118°59′)进行。该区属于亚热带季风气候区,四季分明,年平均气温15.8 ℃,平均日照时间2 008 h,年降水量1 048.6 mm,平均无霜期227 d。土壤为黄棕壤发育的水稻土,土壤pH 7.6,速效氮、速效磷、速效钾的含量分别是12、15和140 mg · kg-1。该地区常年稻麦(水旱)轮作,耕作方式为稻麦两季收获后旋耕灭茬。土壤有机质含量及机械组成见表 1。
| 深度/cm Depth | 密度/(t·m-3) Bulk density | 有机质/(g·kg-1) Organic content | 土壤机械组成/% Soil mechanical composition | ||
| <0.002 mm | 0.002~0.02 mm | >0.02 mm | |||
| 0~10 | 1.08 | 31.795 | 21.30 | 39.84 | 38.85 |
| 10~20 | 1.35 | 29.188 | 25.10 | 38.86 | 36.03 |
试验从2013年12月下旬开始延续至2014年6月上旬,采用3种不同耕作方式:免耕(NT)、常规旋耕(CRT)至10 cm耕深和分层旋耕处理(SRT)。分层旋耕的处理方法是使用过渡式旋耕试验台(图 1),鉴于双层深旋耕机的设计参数尚不明确,因此首先构建了本试验台,通过大范围调整旋耕参数(如耕深、转速、切碎土壤的导流等)获取实现水稻土分层旋耕的关键设计指标,试验台可双向牵引、正反旋切土、上下深度调节范围可达40 cm。使用过渡式旋耕试验台进行模拟深旋耕作业处理时先将0~10 cm土层旋松后移除,再旋松10~20 cm土层,然后再将移走的表层土壤回填,耙平,从而模拟出分层旋耕的效果。小区面积为15 m2(3 m×5 m),重复3次,随机区组设计。试验台使用开普动力公司生产的田园管理机作为动力源,旋耕机使用常联发LF-151型微耕机部件。3种耕作处理的田间管理与大田一致,在麦季进行多次土壤取样考察3种耕作方式对土壤物理性状的影响。
 | 图 1 用于双层深旋耕技术开发的过渡型旋耕机试验台Fig. 1 Transitional type rotary cultivator for stratified rotary tillage①田园管理机Pastoral management;②实验台导轨Experimental station guide;③牵引电机Pulling motor;④电控柜Electric control cabinet;⑤横向移动导轨Transverse moving guide;⑥旋耕机Rotary cultivator;⑦升降立柱Lifting column;⑧制动系统Brake system |
采用密度环法与烘干法,利用100 cm3的环刀,分别测定3种耕作方式下的土壤持水量、密度、含水率,深度分为0~5 cm、5~10 cm、10~15 cm和15~20 cm,每个小区重复3次。使用TYD-2型土壤硬度计监测土壤硬度,每个小区重复5次。
1.4 数据处理
利用Microsoft Excel 2003进行数据分析,绘制图表。用SPSS 19.0检验处理间的差异显著性水平(P<0.05),不同字母(a,b,c,d)表示显著性差异。
2 结果与分析
2.1 不同耕作方式对麦季水稻土的持水量与密度动态的影响
2.1.1 土壤持水量动态
麦季水稻土的持水量不仅随着时间推移而改变(图 2),还随着土层深度增加而减小(表 2)。SRT和CRT对土壤表层进行破碎,并且SRT较CRT增加了耕作深度,提高了土壤对水分保持的能力。3种耕作方式的持水量变化趋势均为先上升再下降,在2月20日CRT与SRT达到最大值(分别为37.91%和38.54%),NT最大值(36.40%)出现在2月5日,整个麦季的平均持水量大小顺序分别为:SRT、CRT和NT。前期由于CRT和SRT经过旋耕处理增加了土块之间的大孔隙,致使土壤保水能力低于NT。经过一个冬季的干湿交替过程造成土壤孔隙度增加、土壤密度降低[15],从而提高了土壤的持水能力。从3月7日开始,3种耕作方式的持水量出现下降趋势,这可能是土壤自然沉降与雨水冲击等原因会造成土壤孔隙度减少[16],最终导致土壤持水量下降。
 | 图 2 不同耕作方式对土壤持水量的影响Fig. 2 Effect of different tillage on water holding capacityNT:No-till;CRT:Convention rotary till;SRT:Stratified rotary till. The same as follows. |
从表 2可见:土壤深度对水稻土的持水量有着显著影响(P<0.05),同一深度不同耕作方式之间也存在差异。0~5 cm土层的持水量SRT最小,CRT最大,NT次之;5~10 cm土层NT最小,CRT最大,SRT次之。而在10~20 cm土层,SRT持水能力明显大于CRT和NT(P<0.05),分别比NT与CRT提高3.6%与3.5%,表明SRT能够显著增加水稻土10~20 cm土层的持水量。
2.1.2 土壤密度动态不同的耕作方式对水稻土密度的垂直分布影响结果不同(表 2)。旋耕造成土壤结构破碎,增加了土壤中的空隙,降低了土壤密度,所以SRT密度最小、CRT密度次之、NT密度最大,但由于土壤自然沉降及降雨等原因[16],在小麦生长中后期各层土壤密度均有所增加。在0~5 cm土层中3种耕作方式的土壤密度从小到大的顺序为CRT、SRT、NT;而在5~10 cm土层中,SRT最小,CRT次之,NT最大;在10~20 cm土层的NT和CRT的密度基本一致,因为这层土壤没有旋耕破碎,未对土壤结构造成影响,所以在此层土壤受到破碎的SRT密度明显小于前2种耕作方式(P<0.05)。
由图 3可知:随着时间的推移NT密度一直在1.29 t · m-3左右浮动,可见NT在整个麦季密度大小基本保持不变,只有表层土壤密度会有所变化。CRT密度在1.25 t · m-3附近,略有上升趋势,这是干湿交替作用不能抵消土壤自然沉降等对土壤的作用,导致土壤密度逐渐增大。而SRT密度保持在1.18 t · m-3,可见SRT不仅能够降低土壤密度,干湿交替作用抵消了土壤自然沉降等对土壤的作用,还能较长时间地维持土壤结构。
| 深度/cm Depth | 免耕NT | 常规旋耕CRT | 分层旋耕SRT | |||||
| 持水量/% Water holding capacity | 密度/(t·m-3) Bulk density | 持水量/% Water holding capacity | 密度/(t·m-3) Bulk density | 持水量/% Water holding capacity | 密度/(t·m-3) Bulk density | |||
| 0~5 | 42.45a | 1.07a | 42.98a | 0.97a | 41.39a | 1.00a | ||
| 5~10 | 34.26b | 1.17a | 38.19b | 1.13a | 35.40b | 1.09a | ||
| 10~15 | 29.59c | 1.37b | 30.33c | 1.36b | 34.54c | 1.20b | ||
| 15~20 | 27.06d | 1.54c | 26.52c | 1.54c | 27.90c | 1.44c | ||
| 平均值Mean | 33.34 | 1.29 | 34.51 | 1.25 | 34.81 | 1.18 | ||
| 注:同列数值后的不同小写字母表示处理间在0.05水平差异显著。 Note:Values followed by different letters within same column are significantly different at 0.05 probability level. | ||||||||
 | 图 3 不同耕作方式对密度的影响Fig. 3 Effect of different tillage on bulk density |
由此可见,对土壤进行耕作处理可以降低土壤密度,特别是经过分层旋耕后,增加了耕层深度,降低了深层土壤密度,土壤的疏松多孔状态有利于蓄水、保墒,为作物根系创造疏松深厚的土壤环境。
2.2 不同耕作方式对土壤含水率动态的影响
土壤含水率的变化对小麦生育期各个时期的影响不同[17, 18]。监测(图 4)表明土壤含水率表现出3个显著的阶段:1)2013年12月下旬到2014年1月下旬为小麦出苗期和3叶期,此阶段降水量少,NT土壤平均含水率为28.88%,CRT为29.69%,SRT为28.58%,3种耕作方式的含水率均能够满足小麦此生育期水分供应。2)返青期—抽穗期(2月上旬到4月中旬)降水量充足,土壤含水率高,其中在2月中旬和4月中旬降水量出现双峰,土壤含水率相应增加。而此时小麦分蘖拔节需要较多的水分供应,SRT能够较好地供应小麦生长所需的水分,同时避免含水率过高造成的胁迫。3)抽穗期—成熟期(4月下旬到6月上旬):降水量减少与充足的日照对小麦灌浆成熟极为有利,而此时作物又需要较多的水分供应,SRT较其他两种处理具有较高的含水率,能够为小麦后期提供更多的水分。
 | 图 4 土层0~10 cm和10~20 cm含水率的时间变化Fig. 4 Time variation of soil water content of 0-10 cm and 10-20 cm |
由于底层紧实土壤的蓄水能力比较差,造成不同耕作方式对含水率的垂直分布有不同的影响。由于CRT与SRT表层土壤经过旋耕破碎,造成0~10 cm土层的大孔隙高于NT,表层土容易失墒,从而导致该层土壤的含水率较低。而在10~20 cm土层却恰恰相反,SRT增加了此层的孔隙度,提高了蓄水能力,越是干旱的时段,其优势就表现越突出。所以SRT含水率明显高于其他两种处理,这为小麦更深层的根系提供更多的水分,保证了作物对水分的需求。在雨水充分的季节,与排涝技术相配合,有利于降低洪涝灾害。
2.3 不同耕作方式对土壤硬度与旋耕深度变化的影响
不同耕层构造土壤硬度随土层深度变化动态(图 5)表明,不同处理间存在显著差异。NT总体趋势是平缓增长,在0~17.5 cm土层范围内土壤硬度显著增加,这与李华兴等[19]研究结果一致;CRT波动较大且呈“S”状,这是犁底层造成在15 cm左右土层的土壤硬度陡然上升;SRT在0~25 cm土层保持着稳定上升的趋势,当深度为30 cm时达到最大值(土壤硬度约2 MPa)。SRT土壤硬度分别比NT和CRT低43.19%和27.65%(P<0.05)。3种耕作方式土壤硬度在小麦返青期最小,这可能因为经过冬季的干湿交替造成土壤松碎,或者是土壤中含水率较高,或者是由两者共同作用影响土壤硬度下降,需要进一步试验证明。
 | 图 5 小麦生长期不同耕作方式对贯入阻力的影响Fig. 5 Effects of different tillage methods on penetration resistance in wheat growth period |
多年来在稻麦双季种植的轮作制度下,大型机械、人畜踩踏等对土壤的压实和长时间浸泡与降水时黏粒随水沉积等因素,造成了耕作层浅薄,对作物生长产生不利影响。通过图 4可以得知:旋耕不仅能够降低土壤硬度还能增加耕层深度。CRT耕深能够达到10~15 cm,而SRT能够实现耕深20~25 cm,这为作物根系下扎和养分水分的供应提供良好的土壤条件。
3 讨论
3.1 田间持水量与密度
国内外学者[20, 21]研究表明:土壤深耕深松效果显著,可以打破多年形成的犁底层,提高对雨水的蓄纳能力和降低土壤密度,发挥深层土壤对水分的调控功能,促进小麦对深层水分的利用,提高小麦生物量。本研究表明:SRT与NT、CRT相比能够为作物提供更好的田间持水量和密度,尤其在10~20 cm土层更加明显,持水量分别比NT、CRT高3.6%和3.5%,密度分别比NT、CRT低0.14和0.13 t · m-3。从0~20 cm土层平均密度来看,从小到大依次为SRT、CRT、NT,这与土壤持水能力呈负相关。在3种耕作处理下,持水量随着土壤深度的增加而降低,这是因为随着土层的加深土壤逐步变为密实,土块之间的空隙降低,土块内部的孔隙减少,造成了土壤的持水能力下降,密度却随着深度的增加而增加。所以,分层旋耕同样能够打破坚硬的犁底层,增加了土层的孔隙度,这与前人研究的深耕深松对土壤持水量与密度影响基本一致[20],但分层旋耕与深耕深松之间差别尚需进一步研究。
郭新荣[22]研究证明:多年保护性耕作增加土壤密度、硬度,多年免耕会影响作物根系发育和养分水分的吸收,最终造成作物减产[23],所以分层旋耕解决了保护性耕作所带来的土壤物理性状的恶化。
3.2 土壤含水率与土壤硬度
土壤含水率是影响作物生长的重要因素,同时也是判断农业环境干旱的重要指标。土壤含水率和土壤硬度均受多种因素的影响,尤其是耕作措施[24],然而目前关于耕作方式对土壤硬度和含水率影响的研 究存在差异。土壤硬度一旦超过2 MPa,作物根系就很难下扎。本研究中,多年连续NT增加了0~17.5 cm 土层的土壤硬度,降低了土壤孔隙度和雨水入渗能力,所以SRT不仅能够增加可耕层深度,降低0~30 cm土层的硬度,还能满足作物在不同时期的需水量,比NT和CRT高1.87%和7.21%,尤其是10~20 cm土层效果显著。史宝成等[25]研究表明小麦在“返青—拔节期”和“抽穗—成熟期”两个阶段需水较多,对水分较为敏感,SRT比其他两种耕作方式,土壤水分更能满足小麦在这两个阶段的需水量。程强等[26]研究发现:含水率在一定范围(>10%)内与土壤硬度呈现负相关关系,所以在10~20 cm土层内由于SRT的含水率均高于NT与CRT,导致SRT的土壤硬度低于后者。但是国内关于含水率与土壤硬度之间关系的研究多集中在干旱地区[27, 28],在中国南方水稻土条件下的研究并不多见。
综上所述:在江苏地区的麦季雨养农业条件下,土壤对作物的水分供给十分重要,SRT能够增加干旱季节土壤对作物供水的能力。SRT与CRT和NT相比,不仅提高了耕层持水量、降低了土壤密度、增加了耕作层深度,还提高了土壤含水率、降低了耕作层贯入阻力。分层旋耕对解决南方稻麦轮作区连年浅耕土壤硬化问题具有一定的推广意义。分层旋耕可以结合秸秆还田方式,增加土壤中的有机质等其他耕作方式,能够更好地改善土壤的耕层构造;或者结合轮耕的方式,减少能量投入。
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