全 文 ：耕作方式对黑土硬度和容重的影响*
陈学文1,2 摇 张晓平1**摇 梁爱珍1 摇 贾淑霞1 摇 时秀焕1,2 摇 范如芹1,2 摇 魏守才1,2
( 1中国科学院东北地理与农业生态研究所, 长春 130012; 2中国科学院研究生院, 北京 100049)
摘摇 要摇 以吉林省德惠市 8 年黑土田间定位试验的小区土壤为研究对象,对不同耕作方式下
土壤硬度和容重进行研究.结果表明: 免耕增加了土壤硬度,主要表现在 2. 5 ~ 17. 5 cm土层;
在玉米连作和玉米鄄大豆轮作下,苗眼处免耕处理的最大土壤硬度分别为 2816 和 1931 kPa,秋
翻处理下分别为 2660 和 2051 kPa,对作物生长均没有限制作用;秋翻处理的土壤硬度曲线随
垄形而变化,免耕处理的土壤硬度曲线起伏较小.与秋翻相比,免耕显著增加了 5 ~ 20 cm 土
层的土壤容重. 5 ~ 30 cm土层的土壤容重在免耕处理下变化幅度较小,在秋翻处理下随土壤
深度的增加逐渐增大.土壤容重与土壤硬度之间相关性不显著.
关键词摇 免耕摇 秋翻摇 黑土摇 土壤硬度摇 土壤容重
文章编号摇 1001-9332(2012)02-0439-06摇 中图分类号摇 S152摇 文献标识码摇 A
Effects of tillage mode on black soil爷 s penetration resistance and bulk density. CHEN Xue鄄
wen1,2, ZHANG Xiao鄄ping1, LIANG Ai鄄zhen1, JIA Shu鄄xia1, SHI Xiu鄄huan1,2, FAN Ru鄄qin1,2,
WEI Shou鄄cai1,2 ( 1Northeast Institute of Geography and Agroecology, Chinese Academy of Sciences,
Changchun 130012, China; 2Graduate University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049,
China) . 鄄Chin. J. Appl. Ecol. ,2012,23(2): 439-444.
Abstract: Taking an eight鄄year field experiment site in Dehui County of Jilin Province, Northeast
China as test object, this paper studied the effects of different tillage modes (no tillage and ploug鄄
hing in autumn) on the penetration resistance and bulk density of black soil. No tillage increased
the soil penetration resistance, especially at the soil depth of 2. 5-17. 5 cm. In the continuous crop鄄
ping of maize and the rotation of maize-soybean, the maximum soil penetration resistance at plant鄄
ing zone under no tillage and ploughing in autumn was 2816 and 1931 kPa, and 2660 and 2051
kPa, respectively, which had no restriction on the crop growth. The curve of soil penetration resist鄄
ance under ploughing in autumn changed with ridge shape, while that under no tillage changed
less. Comparing with ploughing in autumn, no tillage increased the bulk density of 5-20 cm soil
layer significantly. Under no tillage, the bulk density of 5-30 cm soil layer changed little, but un鄄
der ploughing in autumn, soil bulk density increased gradually with increasing soil depth. There
was no significant correlation between soil bulk density and soil penetration resistance.
Key words: no鄄tillage; ploughing in autumn; black soil; soil penetration resistance; soil bulk
density.
*国家自然科学基金项目(31170483,41101241)、国家“十一五冶科
技支撑计划项目(2009BADB3B01)和中国科学院知识创新工程重要
方向项目(KZCX2鄄EW鄄QN307)资助.
**通讯作者. E鄄mail: zhangxiaoping@ neigae. ac. cn
2011鄄05鄄23 收稿,2011鄄11鄄14 接受.
摇 摇 保护性耕作是一场新的耕作革命,是实现可持
续农业战略目标的重要途径之一,对于保障粮食安
全、提高耕地质量、增加农田生态系统碳储量、促进
农业可持续发展具有重要意义.与传统耕作相比,保
护性耕作(如免耕)的一个重要益处就是控制土壤
侵蚀,增加土壤抗侵蚀能力[1] . 然而,耕作方式的改
变必然引起土壤理化性质的变化,实行免耕后是否
会引起土壤板结从而影响作物生长,是人们普遍关
心的问题[2] .土壤硬度是指土壤对外界垂直穿透力
的反抗力,反映了土壤孔隙状况及土粒间结持力的
大小[3] .土壤硬度直接关系到耕作阻力、作物出苗
及根系生长发育,对土壤水分入渗、保持和供应以及
土壤通气性有直接影响[4],同时也间接影响土壤养
分转化、运输以及土壤热特性等指标[5],因此土壤
硬度对作物生长、发育和产量具有重要影响.土壤容
应 用 生 态 学 报摇 2012 年 2 月摇 第 23 卷摇 第 2 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇
Chinese Journal of Applied Ecology, Feb. 2012,23(2): 439-444
重是研究土壤和作物对机械作业响应的参数[6-7],
也是耕作试验中衡量土壤质量的最常用指标[8] . 如
果土壤容重过大,会影响土壤水肥气热条件的变化
与作物根系在土壤中的穿插,进而对作物的生长造
成影响[9] . 保护性耕作一方面减少了对土壤的扰
动,可能会使土壤变得紧实;但另一方面又为土壤动
物提供了丰富的食物来源,有利于土壤动物的生长
繁殖,土壤动物的频繁活动,又有可能疏松土壤.
土壤硬度和土壤容重是影响植物生长和作物产
量的两个重要指标,目前关于耕作方式对土壤硬度
和土壤容重影响的研究结论存在差异.有研究表明,
免耕能够增加土壤硬度[10-11],主要作用于 0 ~ 7郾 5
cm 土层[12],对作物的生长不利,并影响作物产
量[11];但也有研究认为,由于保护性耕作中大量秸
秆还田,为土壤动物提供了丰富的食物来源,几年
后,土壤动物,如蚯蚓的频繁挖洞能够改善土壤硬
度[13] . Ismail等[14]研究认为,免耕与传统耕作的土
壤容重没有明显差异;Chang 和 Lindwall[15]通过长
期试验研究也认为,不同耕作方式的粘土容重无明
显差异.而有的研究认为免耕下土壤容重高于传统
耕作[16-19],如 Fererras等[20]和 Dam等[21]研究认为,
免耕促使土壤容重增加,特别是表层 0 ~ 10 cm土壤
容重的增加.但也有研究认为免耕减小土壤容重,如
王昌全等[22]研究发现,免耕田的土壤容重不但小于
翻耕田,并且随免耕年限的增加呈不断减小的趋势.
目前,关于耕作方式对我国东北黑土硬度和容重影
响的研究较少.因此,本文基于中国科学院东北地理
与农业生态研究所黑土保护性耕作长期定位试验平
台,对比研究了免耕和秋翻两种耕作方式对土壤硬
度和土壤容重的影响,为进一步在东北黑土区推广
保护性耕作提供科学依据.
1摇 研究地区与研究方法
1郾 1摇 研究区概况
研究区位于吉林省德惠市米沙子乡中国科学院
东北地理与农业生态研究所黑土农业试验示范基地
(44毅12忆 N, 125毅33忆 E).该区气候属于中温带大陆
性季风气候,年均温 4郾 4 益,年降水量 520 mm,主要
集中在 6 ~ 8 月.土壤类型为中层典型黑土、壤质粘
土,0 ~ 20 cm 表层土壤 pH 6郾 5.试验区土壤理化性
质详见文献[23].
1郾 2摇 试验设计
黑土保护性耕作长期定位试验始于 2001 年 9
月,试验小区采取单因素裂区设计,4 次重复,共 4
个区组 48 个小区,每个小区的面积为 5郾 2 m伊20 m.
主区耕作处理为免耕(NT)、垄作(RT)、秋翻(PA),
副区处理为玉米连作、玉米鄄大豆轮作和大豆鄄玉米
轮作.本文主要讨论免耕和秋翻两种耕作方式下玉
米连作和玉米鄄大豆轮作处理的试验结果,并以当地
传统耕作方式作为对照.
1)免耕处理:收获后至播种前不搅动土壤,利
用前作物残留物覆盖地表,以减轻风侵水蚀.采用可
以联合作业牵引式免耕播种机(KINZE3000)播种,
播种机前部装有切刀,在不拖移地表残留物的前提
下开沟播种、施底肥、覆土和镇压,一次完成作业.应
用广谱性除草剂于播种前、后进行土壤处理和苗期
喷洒.
2)秋翻处理:作物残留物秋翻时扣于地表之
下;春季播种过程与免耕相同,但是牵引力和镇压强
度不同;夏季中耕起垄,垄宽 80 cm,垄高 16 cm;人
工除草.
3)传统耕作:种植制度为玉米连作,采用小四
轮拖拉机和小型农机具春季灭茬、起垄、播种,中耕
作业(二铲二趟),10 月中旬收割秸秆,在地面留
10 ~ 15 cm残茬.
2009 年 10 月,测定土壤硬度和土壤容重.玉米鄄
大豆轮作小区当季采样作物为大豆,玉米连作小区
当季采样作物为玉米.
1郾 3摇 土壤硬度测定
采用 SC鄄900 土壤硬度计(Spectrum Technologies
USA Inc郾 )对玉米连作和玉米鄄大豆轮作的免耕、秋
翻处理以及传统耕作小区的土壤硬度进行田间测
定.土壤硬度计随土壤深度的变化自动计数,每 2郾 5
cm记录一次,测定深度 2郾 5 ~ 30 cm,水平间距 10
cm,4 次重复.采样点的布设见图 1.
图 1摇 采样点的布设
Fig. 1摇 Layout of penetrometer measuring sites.
044 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 23 卷
1郾 4摇 土壤容重测定
用特制取土钻 (直径 2郾 64 cm,侧向开口)取
土[24],采样深度为 0 ~ 5、5 ~ 10、10 ~ 20 和 20 ~ 30
cm.土钻每次钻到 30 cm 深,然后按采样深度将土
柱分切为 4 段,分别收集.在免耕和秋翻处理的每个
小区取 7 次重复.样品从小区的中部四垄采集,采样
点呈“S冶型分布.将土壤样品风干称量,从土样中取
部分样品,在 105 益下烘干称量,根据烘干土质量、
土钻内径和采样深度计算土壤容重.
1郾 5摇 数据处理
采用 SPSS 13郾 0 统计软件中最小显著性差异检
验法(LSD)进行方差分析和多重比较(琢=0郾 05),并
且进行土壤硬度与土壤容重的 Pearson 相关系数分
析,采用 Origin 7郾 5 软件绘图.
2摇 结果与分析
2郾 1摇 耕作方式对横断面土壤硬度的影响
从图 2 可以看出,免耕处理下,玉米连作和玉
米鄄大豆轮作的横断面土壤硬度没有明显的变化规
律;而秋翻处理下,玉米连作和玉米鄄大豆轮作的横
断面土壤硬度在 2郾 5 ~ 17郾 5 cm 土层间表现出以苗
眼为中心向相邻两侧呈 V 字型变化,即苗眼处土壤
硬度低于相邻两侧土壤,土壤硬度大小表现为垄沟
>垄坡>垄台.同样,对照处理(农民传统耕作)的土
壤硬度在 2郾 5 ~ 15郾 0 cm土层间也呈 V字型变化.免
耕处理下,玉米连作和玉米鄄大豆轮作的苗眼处最大
土壤硬度分别为 2816 和 1931 kPa,秋翻处理下分别
为 2660 和 2051 kPa,2 种种植模式下不同耕作方式
间分别相差 156 和 120 kPa.
2郾 2摇 耕作方式对不同深度土壤硬度的影响
从图 3 可以看出,免耕处理下,玉米连作和玉
米鄄大豆轮作的土壤硬度均高于秋翻处理,而且在
2郾 5 ~ 17郾 5 cm 土层间差异显著. 在 2郾 5、5郾 0、7郾 5、
10郾 0、12郾 5、15郾 0和17郾 5 cm土层深度处,与秋翻处
图 2摇 不同耕作方式下横断面的土壤硬度
Fig. 2摇 Soil penetration resistance at cross profile under different tillage modes.
NT:免耕 No tillage; PA:秋翻 Ploughing in autumn; C鄄C:玉米连作 Continuous cropping of corn; C鄄S:玉米鄄大豆轮作 Corn-soybean rotation; CK:对
照 Control. 下同 The same below.
1442 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 陈学文等: 耕作方式对黑土硬度和容重的影响摇 摇 摇 摇 摇 摇
图 3摇 不同耕作方式下不同深度土壤硬度
Fig. 3摇 Soil penetration resistance at different depths under dif鄄
ferent tillage modes.
不同小写字母表示不同耕作处理间差异显著(P <0郾 05) Different
small letters meant significant difference between different tillage treat鄄
ments at 0郾 05 level.
理相比,免耕处理下玉米连作的土壤硬度显著高出
93郾 0% 、 72郾 5% 、 76郾 1% 、 46郾 0% 、 29郾 3% 、 15郾 6% 、
15郾 3% ,玉米鄄大豆轮作的土壤硬度显著高出
49郾 6% 、 67郾 5% 、 60郾 1% 、 55郾 6% 、 41郾 4% 、 21郾 0% 、
8郾 2% .无论是免耕,还是秋翻,玉米连作的各土层土
壤硬度均大于玉米鄄大豆轮作,其中,20 ~ 30 cm土层
的玉米连作土壤硬度平均高出玉米鄄大豆轮作 496
kPa.
2郾 3摇 耕作方式对土壤容重的影响
从表 1 可以看出,玉米连作和玉米鄄大豆轮作
下,5 ~ 10、10 ~ 20 cm 土层的土壤容重表现为免耕
处理显著高于秋翻处理,而 0 ~ 5、20 ~ 30 cm土层的
土壤容重在不同的耕作处理间没有显著差异. 玉米
连作和玉米鄄大豆轮作下,免耕和秋翻处理的 0 ~ 5
cm土层的土壤容重均最小.不同耕作方式对土壤容
重随土壤深度的变化趋势具有显著影响:免耕处理
下,深度>5 cm 土层的土壤容重变化幅度较小,5 ~
10、10 ~ 20、20 ~ 30 cm 土层间土壤容重差异不显
著;而秋翻处理下,深度>5 cm土层的土壤容重随土
壤深度的增加而逐渐增大,10 ~ 20、20 ~ 30 cm 土层
与 5 ~ 10 cm土层间的差异均显著.
表 1摇 不同耕作方式下土壤容重
Table 1 摇 Soil bulk density under different tillage modes
(g·cm-3)
土层
Soil layer (cm)
C鄄C
NT PA
C鄄S
NT PA
0 ~ 5 1郾 10Ab 1郾 03Ac 1郾 08Ab 1郾 04Ac
5 ~ 10 1郾 35Aa 1郾 15Bb 1郾 29Aa 1郾 16Bb
10 ~ 20 1郾 39Aa 1郾 30Ba 1郾 37Aa 1郾 29Ba
20 ~ 30 1郾 40Aa 1郾 42Aa 1郾 36Aa 1郾 34Aa
C鄄C:玉米连作 Continuous cropping of corn; C鄄S:玉米鄄大豆轮作 Corn-
soybean rotation; NT:免耕 No tillage; PA:秋翻 Ploughing in autumn.
下同 The same below. 同列不同小写字母表示不同土层间差异显著
(P<0郾 05) Different small letters in the same column indicated significant
difference among different soil layers at 0郾 05 level; 同行不同大写字母
表示不同耕作处理间差异显著(P<0郾 05) Different capital letters in
the same line indicated significant difference between different tillage
treatments at 0郾 05 level.
2郾 4摇 土壤容重与土壤硬度的关系
从表 2 可以看出,玉米连作和玉米鄄大豆轮作
下,免耕和秋翻处理的不同土层的土壤容重与土壤
硬度间相关性均不显著.
表 2摇 不同耕作方式下土壤容重与土壤硬度的相关性
Table 2 摇 Correlations between soil bulk density and soil
penetration resistance under different tillage modes (n=4)
土层
Soil layer (cm)
C鄄C
NT PA
C鄄S
NT PA
0 ~ 5 0郾 658 0郾 483 0郾 406 0郾 373
5 ~ 10 0郾 755 0郾 512 0郾 546 0郾 499
10 ~ 20 0郾 862 0郾 599 0郾 618 0郾 560
20 ~ 30 0郾 639 0郾 637 0郾 579 0郾 572
土壤硬度采用不同深度的加权平均值 Soil penetration resistance was
used as weighted average.
3摇 讨摇 摇 论
本研究表明,免耕显著增加了土壤硬度且主要
表现在 2郾 5 ~ 17郾 5 cm 土层范围内,这与 Mahboubi
等[10]、李华兴等[11]和 Liebig等[12]研究结果一致.免
耕对土壤不进行扰动,土壤自身下沉而引起土壤颗
粒之间排列比较紧实;而秋翻处理每年对土壤进行
翻耕,使得上层土壤比较疏松,故土壤硬度较小. 免
耕由于减少了机械作业的次数,同时也减少了对土
壤的翻耕扰动,因此,免耕处理的横断面土壤硬度曲
线起伏较小.而秋翻处理和农民传统耕作对土壤进
行翻耕起垄,由于翻耕带来耕畜践踏压实和三角铧
犁剪切力的作用,形成土壤硬度较大的犁底层,因
此,土壤硬度以苗眼为中心向相邻两侧呈 V 字型变
化(图 2).另外,不同的轮作模式对土壤硬度的影响
也不同,玉米连作下土壤硬度高于玉米鄄大豆轮作
(图 3),其原因可能是种植大豆促进了蚯蚓数量的
244 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 23 卷
增加,从而减小了土壤硬度. 有研究表明,大豆秸秆
还田可能为蚯蚓提供更丰富的食物和能量来源,而
且与玉米相比,种植大豆能够减少土壤水分蒸发,为
土壤动物尤其是蚯蚓提供潮湿的生存环境,增加了
蚯蚓数量及其活动性[25-26] .
目前,关于使根系停止伸展的土壤硬度临界值
研究存在 3 种观点:一是临界值为 800 ~ 5000
kPa[27],二是大于 2000 kPa[28],三是 3000 kPa[29] .大
于 2000 kPa是目前国际上通常使用的临界值.但有
研究提出质疑,认为当土壤硬度为 2000 kPa 时不一
定限制作物的生长[30-32] .本研究中,免耕处理下,玉
米连作和玉米鄄大豆轮作的苗眼处最大土壤硬度分
别为 2816 和 1931 kPa,秋翻处理下分别为 2660 和
2051 kPa.结合对作物生长期的观测和历年的产量
分析[33],发现多年产量平均值在免耕和秋翻处理间
没有显著差异,因此,可以认为免耕和秋翻 2 种耕作
方式下最大土壤硬度对玉米和大豆的生长没有明显
的限制作用.
Mielke等[34]研究发现,免耕和常规耕作下表层
土壤容重没有显著差异. 但是,Ball鄄Coelho 等[35]对
比研究了免耕和秋翻对土壤容重的影响,认为免耕
显著影响了表层土壤容重;周虎等[36]对河北栾城进
行了 4 年的保护性耕作试验,认为免耕显著增加了
0 ~ 5 cm 土层的土壤容重,而且免耕处理下各层土
壤容重均较高. 本研究中,5 ~ 20 cm 土层的免耕土
壤容重显著高于秋翻(表 1). 其原因可能是由于免
耕处理未扰动土壤,导致土壤表层残留物和有机质
较少到达 5 ~ 20 cm 土层,而且,由于土粒自身的沉
积作用和播种时机械辗压地表,减小了土壤中大孔
隙,从而增加了土壤容重;而由于秋翻处理对土壤进
行了翻耕从而导致土壤疏松,土壤容重相对较小.
本研究中,土壤容重与土壤硬度之间的相关性
不显著(表 2).但是,许多研究发现土壤容重与土壤
硬度呈正相关. 例如,Aggarwal 等[37]对印度新德里
农场土壤物理性质的研究表明,土壤容重与土壤硬
度呈显著正相关;Unger 和 Jones[38]研究发现,美国
德克萨斯粘壤土在免耕处理下土壤容重强烈影响土
壤硬度,二者呈正相关;Vazquez 等[39]也发现,美国
佛罗里达砂土的土壤容重与土壤硬度存在正相关关
系.土壤硬度增大的原因在于土壤孔隙减少,而土壤
孔隙与土壤容重密切相关.王殿武和褚达华[40]对河
北旱地碳酸盐褐土的研究表明,免少耕增大土壤容
重,减小了土壤孔隙度. 本研究中,免耕处理下土壤
多年未受扰动,自然沉实作用使土壤容重增大,而秋
翻处理下土壤表层扰动次数较多,耕层土壤相对疏
松,因此与秋翻处理相比,免耕处理的土壤孔隙度较
小,土壤容重较大,土壤硬度较大.
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作者简介摇 陈学文,男,1982 年生,博士研究生.主要从事保
护性耕作与土壤环境研究. E鄄mail: chenxuewen @ yahoo.
com. cn
责任编辑摇 孙摇 菊
444 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 23 卷