免耕、深松对不同土层土壤物理特征的影响

杨永辉，武继承，张洁梅，潘晓莹，王 越，何 方，杨先明(1.河南省农业科学院植物营养与资源环境研究所，郑州，450002；2.农业部作物高效用水科学观测实验站，河南 原阳 45514；.河南邦友科技有限公司，郑州 450002)

合理的耕作可改变土壤结构，调节土壤水、肥、气、热之间的关系，为作物生长提供良好的生存环境[1]。传统翻耕使耕层变薄，土壤质量下降，导致水分养分流失，蓄水与抗蒸发能力下降[2]。免耕[3-6]能够保留地表残茬覆盖减少地面径流，提高土壤导水率，增加降水入渗，减少翻耕时土壤水分散失，因而具有良好的蓄水保墒作用。有研究表明[7]，多年免耕后，土壤密度增大，影响作物根系发育及对水分和养分的吸收。而张国盛等[8]和Jacinthe等[9]研究认为，长期免耕有利于提高土壤有机碳含量和结构稳定性，从而改善土壤的供肥供水能力。深松可打破犁底层，疏松土壤，改善土壤结构，增加土壤孔隙度，降低土壤密度，促进水分就地入渗，利于蓄水保墒[10,11]。黄健[12]研究表明，深松可使0～50 cm 土层深度的土壤密度平均降低0.14 g/cm3，土壤孔隙度增加10%～20%，渗透强度增加15%～25%[13]。李荣等[14]研究表明，深松结合地表覆盖可降低土壤密度，改善土壤孔隙状况，提高0～40 cm土层大于0.25 mm团聚体稳定性含量，改善0～200 cm土壤水分状况。秦红灵等[15]研究表明，免耕2年后进行深松，0～100 cm土壤储水量明显优于免耕处理。众多研究结果显示，免耕与深松轮作能显著降低0～40 cm土层的密度[16]，提高耕层土壤的田间持水量及土体的蓄水量，且在贫水年份效果更佳[17]，而孙贵臣等[18]研究表明，贫、丰水年深松效果均较佳。有关这方面的研究已屡见不鲜，但针对长期免耕与长期深松条件下，在小麦玉米轮作过程中，0～100 cm土层土壤剖面物理特性的变化如何却鲜见报道。因此，本文通过比较分析长期免耕、长期深松与常规耕作对0～100 cm土层土壤剖面的土壤密度、持水能力、供水能力、田间持水量、有效含水量等的影响，以期为长期免耕和长期深松对不同土层水分参数的影响、作用深度及作用机制提供有力的科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验在河南省禹州试验基地(113°03＇～113°39＇E，33°59＇～34°24＇N)进行，海拔高度116.1 m，多年平均降水量674.9 mm，其中60%以上集中在夏季，存在较严重的春旱、伏旱和秋旱；土壤为褐土，土壤母质为黄土性物质，该地区地势平坦，肥力均匀，耕层有机质质量比12.3 g/kg、全氮质量比0.80 g/kg、水解氮质量比47.82 g/kg、速效磷质量比6.66 g/kg、速效钾质量比114.8 g/kg。为小麦玉米轮作区。

1.2 试验设计

试验共设置3个处理：常规耕作(耕作深度为15 cm)、免耕、深松(深度30 cm)。肥料采用N25P15K15复合型肥料，在小麦播种时一次性底施。于2014年玉米收获后从定位试验每个处理的3个重复小区中间位置中分别采集0～100 cm原状土柱，且在采取原状土柱的同一土壤剖面分层采集(0～10，10～20，…，90～100 cm)环刀样及原状土，同时在土壤剖面中取混合土壤样品等，即每个处理取3个重复，带回室内分析不同处理的土壤物理性质及水分参数。长期定位试验于2006年10月中旬小麦播种时开始，试验小区面积为32 m2。

1.3 试验测定与方法

(1)土壤密度、饱和含水量及田间持水量采用环刀法。

(2)土壤持水能力、供水能力及有效含水量采用离心机法。

土壤含水量与土壤水吸力之间的关系符合幂函数：

θ=aS-b

(1)

式中：a值反映土壤持水性能的大小；a×b是土壤水吸力；S为0.01 MPa时的比水容量，其反映土壤的供水能力的大小。有效水含量为田间持水量与凋萎含水量的差值。

1.4 数据处理

各样地各指标值均为3次重复的算术平均值。植株及土样分析所得的数据应用统计学及相关的数理统计软件(DPS)进行处理。

2 结果与分析

2.1 不同土壤剖面土壤密度分布特征

土壤密度反映了土壤紧实度、孔隙及结构特征。从图1中可知，随土层的加深，土壤密度表现为先降后增而趋于稳定。而不同土层中以10～20 cm土层的土壤密度明显小于其他土层。在40 cm以上土层中，均以常规耕作最高。在20～40 cm土层，深松处理的土壤密度明显低于其他处理。而免耕处理在40～70 cm土层的土壤密度低于其他处理，而在20～30和70～90 cm土层土壤密度较高。80 cm以下仍以常规耕作处理的土壤密度最高。整体来看，深松处理40 cm以上土层的土壤密度相对较低，且40 cm以土层较低且变幅较小。

图1 不同措施剖面土壤密度比较Fig.1 Comparison of soil bulk density in soil profile of different measures

2.2 不同土壤剖面土壤持水与供水能力分析

从图2中可知，随土层的加深，土壤持水能力表现为先增加后降低再增加的趋势。深松处理在20～50 cm土层的持水能力最强，在60～80 cm土层，其持水能力最低。免耕处理的持水能力在0～10和60～80 cm土层中较其他处理高。

随土层的加深，土壤供水能力表现为先增加再降低再增加而趋于平缓。除免耕处理0～10 cm土层供水能力最强外，常规耕作和深松处理均以10～20 cm土层的供水能力最强，其次为0～10 cm土层，而30～40 cm土层的供水能力最低。在10～20和90～100 cm土层，土壤供水能力表现为：深松>免耕>常规耕作。在20～40和80～90 cm土层中，仍以深松处理的供水能力较强。而在50～80 cm土层中，土壤供水能力表现为：免耕>常规耕作>深松。

图2 不同措施剖面土壤持水与供水能力比较Fig.2 Comparison of soil water holding capacity and water supply capacity in soil profile of different measures

2.3 不同土壤剖面饱和含水量分布与田间持水量分布特征

从图3中可知，除深松处理外，不同土层中以10～20 cm土层的饱和含水量最高，其次为0～10 cm土层。以30 cm以下土层的饱和含水量较低。整体来看，常规耕作在0～100 cm土层的土壤饱和含水量均低于其他处理，深松处理0～100 cm土层的土壤饱和含水量波动较大。在0～10 cm土层中，各处理的饱和含水量表现为：免耕>深松>常规耕作。在20～50 cm土层，以深松处理的土壤饱和含水量最高，其次为免耕处理。在50～80 cm以土层，免耕>深松>常规耕作。在80 cm土层以下，深松>免耕>常规耕作。

随土层的加深，不同处理的田间持水量表现为逐渐降低再增加的趋势。深松处理在0～100 cm土层中的田间持水量变幅较大。在0～10 cm土层中，田间持水量表现为：免耕>深松>常规耕作。而深松处理10～50 cm土层的田间持水量较其他处理高，但在50～80 cm土层间，其田间持水量明显低于其他处理，而随土层的加深，其田间持水量有显著提高。常规耕作处理的田间持水量在0～50和80～100 cm土层均最低，且上下变幅较小，介于14%～16%之间。说明，不同措施有效地改善了土体的田间持水量，促进了水分的保持，减缓了水分流失。

2.4 不同土壤剖面有效含水量分布特征

从图4中可知，土壤有效水随土层的加深而表现为先增加后降低而趋于稳定的趋势。除免耕处理外，以10～20 cm土层的土壤有效水含量最高，其次为表层土壤，20～30 cm土层最低。免耕处理的表层土壤有效水含量明显高于其他处理，而在10～50和80～90 cm土层，深松处理的土壤有效水含量最高，但在50～80 cm土层，其土壤有效水含量低于常规耕作和免耕处理。

图3 不同措施剖面土壤饱和含水量和田间持水量比较Fig.3 Comparison of soil saturated water content and field water holding capacity in soil profile of different measures

图4 不同措施剖面土壤有效水含水量比较Fig.4 Comparison of soil available water content in soil profile of different measures

2.5 不同指标相关性分析

对不同指标进行相关性分析得出：密度与田间持水量、有效水含量、饱和含水量、持水能力及供水能力呈负相关，其中与有效水含量、饱和含水量及供水能力呈极显著负相关(P<0.01)，与田间持水量呈显著负相关(P<0.05)，而与持水能力相关性不显著。田间持水量与持水能力呈极显著正相关(P<0.01)，与有效水含量、饱和含水量及供水能力呈显著正相关(P<0.05)。有效水含量与饱和含水量及供水能力呈极显著正相关(P<0.01)，与持水能力呈显著正相关(P<0.05)。饱和含水量与供水能力呈极显著正相关(P<0.01)，与持水能力呈显著正相关(P<0.05)。持水能力与供水能力呈显著正相关(P<0.05)，如表1所示。

3 讨论与结论

长期免耕和深松会对土壤产生深远的影响，可以从土壤剖面的物理性质变化中获知其作用程度。不同耕作措施能够改善土壤的结构与孔隙状况[19]，从而有利于水分的贮存及传输。

表1 不同指标相关性分析Tab.1 Correlation analysis of different indexes

注：*表示P<0.05；**表示P<0.01。

不同耕作方式对土壤扰动程度不同导致土壤密度有所差异[20-23]，且其土壤物理特征不同。本研究发现，随土层的加深，土壤密度表现为先降后增而趋于稳定。而不同土层中以10～20 cm土层的土壤密度最低。免耕处理在0～20 cm土层的土壤密度高于深松，而低于常规耕作，这与于同艳等[24]研究结果相反。但深松处理上下土层的土壤密度均较低，且40 cm以下土层变幅较小，这与李荣等[15]和黄明等[25]研究结论一致，说明深松能显著降低土壤体积质量，有效打破耕作犁底层，增加土壤蓄水能力。

土壤持水性表征了土壤保持水分的能力，而土壤供水能力则反映了土壤供给作物水分能力的大小。Unger等[26]研究表明，免耕土壤的物理条件比传统耕作更好。苏有健等[27]研究发现，深松可增强土壤持水能力，扩大土壤水库容，且深松较免耕增加土壤含水率达7.7%。而本研究发现，长期免耕和深松会对深层土壤产生重要影响，随土层的加深，土壤持水能力表现为先增加后降低再增加的趋势，土壤供水能力表现为先增加再降低再增加而趋于平缓。深松处理在20～50 cm土层的持水能力最强。在0～10和40～80 cm土层，土壤供水能力表现为：免耕>深松>常规耕作。在20～40和80～90 cm土层中，以深松处理的供水能力较强。说明，深松能够改善耕层以下土壤的水分状态，有利于土壤水分的保持与供应，而免耕更利于表层土壤的持水和供水能力的提高。

饱和含水量表征了土壤总孔隙度的大小。本研究结果显示，常规耕作在0～100 cm土层的土壤饱和含水量均低于其他处理。在0～10 cm土层中，饱和含水量表现为：免耕>深松>常规耕作。在20～50 cm土层，以深松处理的饱和含水量最高，其次为免耕处理。在50～80 cm土层，免耕>深松>常规耕作。在80 cm土层以下，深松>免耕>常规耕作。随土层的加深，不同处理的田间持水量表现为逐渐降低再增加的趋势。在0～10 cm土层中，田间持水量表现为：免耕>深松>常规耕作。深松处理10～50 cm土层的田间持水量较其他处理高，但在50～80 cm土层间，其田间持水量明显低于其他处理。常规耕作处理的田间持水量在0～100 cm整个土层均较低，且上下变幅较小。说明，免耕和深松改善了土体的孔隙状况，从而有效地提高了土体的饱和含水量和田间持水量，促进了水分的保持与传输。

土壤中的有效水对于作物的吸收利用最为直接，较高的土壤有效水含量更利于作物直接吸收利用土壤中的水分。本研究发现，土壤有效水随土层的加深表现为先增加后降低而趋于稳定的趋势。不同土层中，以10～20 cm土层的土壤有效水含量最高，其次为0～10 cm土层，20～30 cm土层最低。免耕处理的表层土壤有效水含量明显高于其他处理，而在10～50 cm土层，深松处理最高，但在50～80 cm土层，其土壤有效水含量显著降低。说明，长期深松更利于50 cm以上土层水分有效性的提高，这可能与深松促进了作物根系的下扎，从而提高了土壤蓄水量和有效性，这与李云鹏等[28]研究结果一致。

相关分析表明，田间持水量、持水能力、有效水含量、饱和含水量及供水能力彼此呈显著或极显著整相关，其与密度呈负相关。说明，长期免耕与深松有利于改善土体土壤物理特征，从而利于作物的生长。

本研究表明长期免耕和长期深松对土壤剖面物理特性的改善具有积极作用，而长期深松后进行免耕或长期免耕后进行深松效果如何，还有待于进一步研究。

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