全 文 ：第 30卷 第 4期 农 业 工 程 学 报 Vol.30 No.4
2014年 2月 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Feb. 2014 109

耕作方式对冀西北栗钙土土壤物理性状及莜麦生长的影响
王 岩 1,2，刘玉华 1,2※，张立峰 1,2，窦铁岭 1,2
（1. 农业部张北农业资源与生态环境重点野外科学观测试验站，张北 076450；
2. 河北农业大学农学院，保定 071000）

摘 要：为了探索不同耕作方式对冀西北栗钙土农田土壤物理性状及莜麦生长的影响，以河北省张北县 10 a栗钙
土长期定位试验莜麦田为研究对象，研究了免耕、松耕和翻耕对莜麦田土壤容重、土壤含水率、土壤硬度及莜麦
生长的影响。结果表明：松耕和翻耕可以显著降低莜麦播种期到拔节期土壤容重，播种期免耕土壤容重 1.49 g/cm3，
松耕和翻耕分别为 1.31和 1.30 g/cm3；不同耕作方式对土壤含水率影响不大；免耕显著提高土壤硬度，拔节期免
耕土壤硬度 58.51kg/cm2，为松耕 1.74 倍（P<0.05），为翻耕 2.53 倍（P<0.01）；栗钙土土壤硬度与土壤容重、土
壤含水率关系模型表明高土壤容重条件下土壤硬度对土壤含水率更敏感，低土壤含水率条件下土壤硬度对土壤容
重更敏感；免耕莜麦株高和叶面积生长受到抑制，穗数和穗粒数显著降低，经济产量 413.79 kg/hm2，分别为松耕
和翻耕的 62.27%和 51.64%。栗钙土莜麦田免耕与松耕、翻耕相比土壤容重大，土壤硬度高，莜麦产量显著降低；
3种耕作方式中，松耕是兼顾生态与经济效益的耕作措施。
关键词：土壤；含水率；硬度；耕作方式；容重；莜麦；栗钙土
doi：10.3969/j.issn.1002-6819.2014.04.014
中图分类号：S345；S341.1 文献标志码：A 文章编号：1002-6819(2014)-04-0109-09
王 岩，刘玉华，张立峰，等. 耕作方式对冀西北栗钙土土壤物理性状及莜麦生长的影响[J]. 农业工程学报，2014，
30(4)：109－117.
Wang Yan, Liu Yuhua, Zhang Lifeng, et al. Effects of tillage mode on chestnut soil’s physical characters and naked oats
growth in Northwest Hebei province[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of
the CSAE), 2014, 30(4): 109－117. (in Chinese with English abstract)

0 引 言
保护性耕作是一场技术革命，对提高耕地质
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，有助于保护土
壤和水资源，维护生态平衡[1]。然而，耕作方式的
改变必然引起土壤物理性状的变化，实行免耕后是
否会引起土壤板结进而影响作物生长，是人们普遍
关心的问题[2]。土壤容重是衡量土壤质量的重要指
标，而国内外关于不同耕作方式对土壤容重影响研
究结果并不一致，Ismail等[3]在美国肯塔基 20 a保
护性耕作试验研究认为，免耕与传统耕作间土壤容
重没有明显差异，Chang 等[4]在黏土长期定位试验
研究中也得到了相同结果；而 Fererras 等[5]在阿根
廷潘帕南部和 Dam等[6]在加拿大中部研究表明，免

收稿日期：2013-07-26 修订日期：2014-01-15
基金项目：农业部公益性行业（农业）科研专项经费资助（201003053）；
国家“十一五”科技支撑计划（2006BAD15B05）
作者简介：王 岩（1983－），男，河北安平人，博士生，主要研究方
向集约农作制度。保定 河北农业大学农学院，071001。
Email: dalima196@163.com
※通信作者：刘玉华（1964－），男，河北迁西人，博士、教授、博士
生导师，主要研究方向集约农作制、农村区域发展。保定 河北农业大
学农学院，071001。Email: hblyh@126.com
耕会促使表层土壤容重增加 10%左右；王昌全等[7]
在 8 a旱地小麦免耕研究认为，免耕土壤容重不但
小于翻耕，且随免耕年限的增加呈不断减小的趋
势。Yavuzcan等[8]、Ozpinar等[9]在土耳其研究表明
土壤容重通常以机械阻力形式影响作物生长；
Atwell[10]、Masle等[11]及 Buttery等[12]研究表明，高
容重土壤中的植物株高和地上部干物质质量仅为
低容重土壤中的 60%～70%。国内外多位学者研究
认为免耕可以改善土壤水分状况，王晓燕等[13]研究
表明模拟降雨条件下秸秆覆盖可减少水土流失，稳
定入渗率提高 1.5～1.6倍；吕军杰等[14]研究指出在
豫西坡耕地上，与传统耕作相比，免耕和深松农田
贮水能力分别提高了 5.67%和 6.11%，小麦水分生
产效率分别提高 17.5%和 8.5%；Cox 等[15]、Swan
等[16]、Bruce[17]、Hammel[18]和张海林等[19]分别在不
同地区研究表明免耕比传统耕作土壤蓄水量增加
10%以上。土壤硬度是影响植物生长和作物产量的
重要指标，是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[20]。土壤
硬度直接关系到耕作阻力、作物出苗及根系生长发
育[21]，McGarry等[22]研究认为，由于保护性耕作中
大量秸秆还田，能够降低土壤硬度。李华兴等[23]
研究表明，与传统耕作相比免耕土壤硬度增大使水
农业工程学报 2014年

110
稻产量降低 13.4%。
针对不同耕作方式对土壤物理性状及作物生
长的影响研究现状，结合冀西北寒旱区的生态治理
对京津乃至华北地区的生态环境的影响，本文在农
业部张北农业资源与生态环境重点野外科学观测
试验站研究了不同耕作方式对栗钙土莜麦田耕层
土壤物理性状及莜麦生长的影响，探索莜麦生产的
合理耕作措施，以期为冀西北高寒区兼顾作物生产
与环境保护提供技术依据。
1 材料与方法
1.1 研究区概况
试验在地处冀西北寒旱区的农业部张北农业
资源与生态环境重点野外科学观测试验站进行。试
验站所在区域土地面积约 1×105 km2，垦殖率 30%～
40%，人口近 800万；年降水量 340～450 mm，变
异系数高达 16.84%；年蒸发量 1 710～1 980 mm，
干燥度 2.0～2.1，冬春季节（11月至翌年 5月）降
水量仅占全年的 15%，春旱发生几率为 36%～46%。
区域土壤主要为砂质栗钙土，约占土地面积的
65%，受寒旱气候与瘠薄土壤的刚性制约，地表植
被稀疏，粮草产量低下。
1.2 试验设计
本试验基于 2002 年开始的不同耕作方式长期
定位试验，于 2010－2012 年进行试验数据采集。
试验设免耕处理 NT（no tillage，收获后至播种前不
扰动土壤，留茬高度在 15～22cm，应用广谱性除
草剂于播种前进行土壤处理和苗期喷洒，采用免耕
播种机播种，同时施入种肥）、松耕处理 ST
（subsoiling tillage，秋季收获后采用自主研发的平行
杆式无壁松耕犁[24]耕作土壤，耕作深度 25 cm，较
少扰动表层土壤，留茬高度 15～22 cm；播种施肥
与免耕相同，但牵引力和镇压强度不同）、翻耕处
理 CT（conventional tillage，按当地传统耕作方式
于秋后采用铧式犁耕翻土壤 18 cm，春季旋耕 10 cm
后播种，采用普通播种机播种，播量、施肥与免耕
相同）3个处理，4次重复，共 12个小区，采用完
全随机设计，每小区的面积为 6 m×15 m，试验区总
面积约 2 250 m2。供试土壤为砂质栗钙土，莜麦品
种为坝莜一号。
1.3 测定指标与方法
1.3.1 土壤容重测定
采用环刀法分别于播种期（5月 25日―5月 30
日）、出苗期（6 月 20 日―6 月 25 日）、分蘖期
（7月 10日―7月 15日）、拔节期（7月 30日―8
月 5 日）、抽穗期（8 月 20 日―8月 25 日）、成
熟期（9月 10日―9月 15日），测量 0～5、>5～
10、>10～15、>15～20 cm 4 个土层土壤容重，4
层平均值为耕层（0～20 cm）土壤容重，每小区
重复 3次，105℃烘干至恒质量，计算土壤容重。
1.3.2 土壤含水率测定
采用烘干法分别于播种期（5月 25日―5月 30
日）、出苗期（6 月 20 日―6 月 25 日）、分蘖期
（7月 10日―7月 15日）、拔节期（7月 30日―8
月 5 日）、抽穗期（8 月 20 日―8月 25 日）、成
熟期（9月 10日―9月 15日）用土钻取土，测量 0～
10、＞10～20 cm 2个土层土壤水分，2层平均值为
耕层（0～20 cm）土壤水分，每小区以 S型 5点法
取 5次重复，105℃烘干 8～12 h后称质量，计算土
壤含水率。
土壤含水率=土壤水分×同期土壤容重。
1.3.3 土壤硬度测定
采用 TJSD-750 型土壤紧实度仪分别于播种期
（5月 25日―5月 30日）、出苗期（6月 20日―6
月 25日）、分蘖期（7月 10日―7月 15日）、拔
节期（7月 30日―8月 5日）、抽穗期（8月 20日―
8月 25日）、成熟期（9月 10日―9月 15日）测
量 0～5、>5～10、>10～15、>15～20 cm 4个土层
土壤硬度，记录每层硬度最大值，4 层平均值为耕
层（0～20 cm）土壤硬度。每小区以 S型 5点法重
复 5次。
1.3.4 莜麦生长动态及产量构成因素的测定
待莜麦地上部发育开始，分别于分蘖期（7 月
10 日―7 月 15 日）、拔节期（7 月 30 日―8 月 5
日）、抽穗期（8 月 20 日―8 月 25 日）、成熟期
（9月 10日―9月 15日）每小区选取长势均匀的莜
麦 5 株，用米尺测定株高、叶宽；单叶面积=叶长
×叶宽×叶面积系数（0.75）；叶面积指数（LAI）
=平均单茎叶面积×每公顷总茎数/公顷土地面积；
成熟期测定穗数、穗粒数和千粒重；莜麦成熟后，
每小区去除保护行 2 m人工实打实收，分别测量生
物产量及经济产量。
1.4 数据分析
采用Excel2003和SAS9.2数据处理系统进行后
期数据处理。
2 结果与分析
2.1 耕作方式对土壤容重的影响
由表 1可以看出，同一生育时期，免耕土壤容
重从播种期到拔节期均显著高于翻耕，松耕与翻耕
间差异不显著，其中播种期免耕达到 1.49 g/cm3，
是松耕和翻耕的 1.14～1.15倍，达到极显著水平；
3 种耕作方式抽穗期和收获期土壤容重介于 1.40～
1.50 g/cm3 之间，差异不显著。不同生育时期，免
第 4期 王 岩等：耕作方式对冀西北栗钙土土壤物理性状及莜麦生长的影响

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耕土壤容重各生育时期间变化不大，介于 1.45～
1.50 g/cm3 之间；松耕和翻耕土壤容重从播种期到
抽穗期呈增高的趋势，其中播种期分别为 1.31 和
1.30 g/cm3，抽穗期分别达到 1.44和 1.46 g/cm3。不
同耕作方式对土壤容重的影响主要作用于莜麦播
种期至拔节期，抽穗期至收获期作用不明显，机械
耕作极显著降低播种期土壤容重，经过播种期到抽
穗期的自然沉降和淋溶，松耕和翻耕土壤容重逐渐
增大，达到或接近免耕水平。
2.2 耕作方式对土壤含水率的影响
从 3a试验结果可以看出（图 1），同一生育时
期内，免耕、松耕和翻耕 3种耕作方式间耕层土壤
含水率变化不大，不同生育时期耕层土壤含水率基
本呈现相同变化趋势。受年际间及年内不同生育时
期降雨差异的影响，3 种耕作方式耕层土壤含水率
2010 年均呈现单谷曲线（图 1a），2011 年均呈现
单峰单谷曲线（图 1b），2012 年均呈现双谷双峰
曲线（图 1c）。年际间及年内不同生育时期自然降
水变异大，加之砂质栗钙土农田粗骨贫瘠、蓄水力
差、多风干燥、气候干旱，免耕的土壤含水率蓄保
效果难于实现，冀西北栗钙土农田不同耕作方式对
耕层土壤含水率的影响变化不大。
表 1 2010－2012年不同耕作方式下土壤容重
Table 1 Soil bulk density under different tillage modes from 2010 to 2012
不同生育时期的土壤容重
Soil bulk density under different tillage growth stages/(g·cm-3) 处理
Treatment
年份
Year 播种期
Sowing
出苗期
Seedling
分蘖期
Tillering
拔节期
Jointing
抽穗期
Heading
收获期
Maturity
2010 1.54 1.51 1.46 1.43 1.54 1.42
2011 1.43 1.45 1.43 1.53 1.54 1.43
2012 1.50 1.47 1.45 1.44 1.43 1.55
免耕
No tillage
平均 1.49aA 1.48aA 1.45aA 1.47aA 1.50aA 1.47aA
2010 1.42 1.42 1.35 1.33 1.41 1.43
2011 1.23 1.35 1.43 1.46 1.49 1.40
2012 1.28 1.38 1.33 1.38 1.43 1.36
松耕
Subsoiling tillage
平均 1.31bB 1.38bA 1.37abA 1.39bAB 1.44aA 1.40aA
2010 1.33 1.37 1.34 1.39 1.44 1.40
2011 1.29 1.40 1.39 1.45 1.51 1.45
2012 1.28 1.38 1.33 1.38 1.43 1.36
翻耕
Conventional tillage
平均 1.30bB 1.38bA 1.35bA 1.41bB 1.46aA 1.40aA
注：同列不同小写字母表示处理间差异显著（P<0.05），同列不同大写字母表示处理间差异极显著（P<0.01），下同。
Note: Different small letters in the same column meant extremely significant difference at 0.05 level among treatments, different big letters in the same column
meant significant difference at 0.01 level among treatments, the same below.


注：播种期 Sowing（5月 25日―5月 30日）；出苗期 Seedling（6月 20日―6月 25日）；分蘖期 Tillering（7月 10日―7月 15日）；拔节期 Jointing
（7月 30日―8月 5日）；抽穗期 Heading（8月 20日―8月 25日）；收获期 Maturity（9月 10―9月 15日）。

图 1 2010－2012年不同耕作方式下土壤含水率
Fig.1 Soil water content under different tillage modes from 2010 to 2012

农业工程学报 2014年

112
2.3 耕作方式对土壤硬度的影响
由表 2可以看出，同一生育时期，免耕土壤硬
度全生育期均高于松耕和翻耕，其中拔节期免耕
58.51kg/cm2，为拔节期松耕 1.74倍（P<0.05），为
拔节期翻耕 2.53 倍（P<0.01）。不同生育时期，3
种处理土壤硬度呈相同变化趋势；受年际间及不同
生育时期降雨影响，3 种耕作方式耕层土壤硬度
2010年呈现先下降，后上升，再下降的变化趋势；
2011年则均呈现先升高，后降低的变化趋势；2012
年呈现先降低，后上升，再降低，再升高的变化趋
势。不同耕作方式导致了莜麦各生育时期间土壤硬
度的差异，尤其是在莜麦生长旺盛的拔节期，虽然
自然降水可以浸润土壤使不同生育时期土壤硬度降
低，但不能改变耕作方式对土壤硬度带来的影响。
表 2 2010－2012年不同耕作方式下土壤硬度
Table 2 Soil hardness under different tillage modes from 2010 to 2012
不同生育时期的土壤硬度
Soil hardness under different tillage growth stages/(kg·cm-2) 处理
Treatment
年份
Year 播种期
Sowing
出苗期
Seedling
分蘖期
Tillering
拔节期
Jointing
抽穗期
Heading
收获期
Maturity
2010 52.99 32.58 36.53 72.31 66.51 51.41
2011 9.39 40.88 50.22 42.31 26.12 31.31
2012 27.23 23.79 14.84 60.92 18.79 73.32
免耕
No tillage
平均 29.87aA 32.42aA 33.86aA 58.51aA 37.14aA 52.01aA
2010 19.69 13.18 11.95 32.75 26.50 29.32
2011 4.80 22.77 25.55 22.68 9.71 11.26
2012 9.30 7.33 11.31 45.34 10.01 42.33
松耕
Subsoiling tillage
平均 11.26abA 14.43bAB 16.27abA 33.59bAB 15.41aA 27.64bAB
2010 5.02 5.35 3.02 23.39 20.12 18.52
2011 1.95 9.00 14.11 19.53 13.64 14.22
2012 6.93 12.72 7.39 26.50 10.26 28.70
翻耕
Conventional tillage
平均 4.63bA 9.02bB 8.17bA 23.14bB 14.67aA 20.48bB

2.4 栗钙土土壤硬度与土壤容重、土壤含水率的
关系
综合表 1和表 2可以看出，2010－2012年同一
耕作方式莜麦各生育时期同年土壤容重与土壤硬
度均呈相近的变化趋势，表明土壤容重与土壤硬度
呈正相关。对同一耕作方式同年同生育时期土壤硬
度与土壤容重进行回归（图 2a）。回归结果表明，
随土壤容重的增大土壤硬度呈指数型增高，土壤容
重 X1 与土壤硬度 Y 的指数拟合方程为 Y=
0.0011e6.8838X1（R2=0.3604），土壤容重是决定土壤
硬度的主要因素；随土壤容重增大土壤硬度数据点
呈‘<’发散型分布，二者拟合度在低土壤容重时
高，而高土壤容重时低，高土壤容重条件下存在与
之相协同的影响土壤硬度的其他因素，基于前文结
果，应与土壤含水率有关。
综合图 1和表 2可以看出，2010－2012年同一
耕作方式莜麦各生育时期同年土壤含水率与土壤
硬度呈相反变化趋势，表明土壤硬度与土壤含水率
呈负相关。对同一耕作方式同年同期土壤硬度与土
壤含水率进行拟合（图 2b），回归结果表明，随土
壤含水率的增大土壤硬度呈开口向上的一元二次
多项式变化，土壤含水率 X2与土壤硬度 Y的一元二
次拟合方程为 Y=4783.3X22−1071.7X2+77.07（R2=
0.2330），土壤含水率也是决定土壤硬度的重要因
素；土壤硬度随土壤含水率增大呈‘>’发散型数
据分布，二者拟合度在低土壤含水率时低，高土壤
含水率高，低土壤含水率条件下土壤硬度受土壤容
重制约。

图 2 2010－2012年土壤硬度与土壤容重、土壤含水率的关系
Fig.2 Relationship between soil hardness and soil bulk density, soil water content from 2010 to 2012
Y=4783.3X22-1071.7X2+77.07
R2=0.2330
第 4期 王 岩等：耕作方式对冀西北栗钙土土壤物理性状及莜麦生长的影响

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基于上述分析，以土壤容重为 X1，土壤含水率
为 X2，与土壤硬度 Y进行二元二次回归，得到回归
方程：
Y=293.84X12+4336.77X22−1824.03X1X2−526.25X1+
1523.71X2+234.82 (R2=0.6184)
由 SAS 9.2软件绘制出的砂质栗钙土莜麦田土
壤硬度与土壤容重和土壤含水率三维图（图 3）可
以看出，低土壤容重时（1.23 g/cm3），土壤硬度随
土壤含水率增加呈先降后升的趋势，介于 2.22～
12.46 kg/cm2，土壤含水率对土壤硬度影响不大；高
土壤容重时（1.53 g/cm3），土壤硬度随土壤含水率增
加呈下降趋势，从 79.06 kg/cm2降低到 28.06 kg/cm2，
土壤含水率对土壤硬度影响较大；其他土壤容重条
件下土壤硬度与土壤含水率间的变化趋势介于二
者之间。低土壤含水率时（3.44%），土壤硬度随
土壤容重增大呈上升趋势，土壤容重从 1.23 g/cm3
增大到 1.53 g/cm3，土壤硬度从 12.46 kg/cm2升高到
79.06 kg/cm2，土壤容重对土壤硬度影响较大；高土
壤含水率时（11.94%），土壤硬度随土壤容重增大
也呈上升趋势，但相同幅度的土壤容重增大土壤硬
度仅从 7.59 kg/cm2升高到 28.06 kg/cm2，土壤容重
对土壤硬度影响较小；其他土壤含水率条件下土壤
硬度与土壤容重间的变化趋势介于二者之间。根据
以上数学模型，可以用土壤容重与土壤含水率预测
土壤硬度，为合理耕作、补水提供技术支持。

图 3 2010－2012年土壤硬度与土壤容重、
土壤含水率的回归模型
Fig.3 Regression model of soil hardness with soil bulk
density and soil water content from 2010 to 2012

2.5 不同耕作方式对栗钙土莜麦生长动态及产量
构成因素的影响
2.5.1 不同耕作方式对栗钙土莜麦生长动态的影响
由图 4a可知，3种耕作方式对砂质栗钙土莜麦
分蘖期株高没有显著影响，而拔节期到收获期免耕
显著低于松耕和翻耕；其中抽穗期差异最大，免耕
莜麦株高为 68.17 cm，分别为松耕和翻耕的 80.20%
和 82.32%，而松耕与翻耕间差异不大，表明不同耕
作方式对莜麦株高的影响主要在拔节期以后。图 4b
可知，3 种耕作方式对砂质栗钙土莜麦叶面积指数
（LAI）有显著影响，各生育期免耕均比松耕和翻耕
LAI低，其中拔节期差异最大，免耕为 2.59，松耕
和翻耕分别为 4.68和 4.82，而松耕与翻耕间差异不
大。受免耕土壤容重、土壤硬度较高的制约，与松
耕和翻耕相比，免耕莜麦在拔节期至收获期植株
矮、叶面积小，直接影响光合产物的积累，最终造
成产量降低。

注： 分蘖期 Tillering（7 月 10 日―7 月 15 日）；拔节期 Jointing（7
月 30日―8月 5日）；抽穗期 Heading（8月 20日―8月 25日）；收
获期 Maturity（9月 10日―9月 15日）。

图 4 2010－2012年莜麦各生育时期生长变化
Fig.4 Naked oats growth changes in different stages from
2010 to 2012

2.5.2 不同耕作方式对栗钙土产量及产量构成因
素的影响
从表 3可知，栗钙土莜麦免耕生物产量、经济
产量均显著低于翻耕（P<0.05），3 a免耕平均经济
产量为 413.79 kg/hm2，仅为翻耕的 51.64%，松耕
介于二者之间，与二者差异均不显著；与松耕和翻
耕相比，免耕千粒重差异不显著，穗粒数差异显著
（P<0.05），免耕穗粒数为 9.37粒/穗，分别为翻耕
和松耕的 66.74%和 63.70%，松耕和翻耕间差异不
显著；免耕每公顷穗数显著低于翻耕（P<0.05），
分别为 214.40和 273.26万穗/hm2，松耕介于二者之
间，与二者差异均不显著。表明免耕导致莜麦穗粒
数和穗数明显低于松耕和翻耕，致使生物和经济产
量降低，而松耕和翻耕间差异不显著，松耕在少扰
农业工程学报 2014年

114
动表层土壤的情况下仍能获得较高的经济产量，是 一种兼顾生态与经济效益的耕作措施。
表 3 2010－2012年不同耕作方式对莜麦产量及产量构成因素的影响
Table 3 Effect of different tillage modes on naked oats’ yield and its components from 2010 to 2012
处理
Treatment
年份
Year
生物产量
Biomass yield/
(kg·hm-2)
经济产量
Economy yield/
(kg·hm-2)
每公顷穗数
Ears per hectare
/104
穗粒数
Grain number per ear
千粒质量
Thousand kernel weight /g
2010 2331.88 456.00 191.67 10.10 21.00
2011 1198.39 261.29 186.25 8.41 20.46
2012 2955.56 524.07 265.29 9.60 20.80
免耕
No tillage
平均 2161.94bA 413.79bA 214.40bA 9.37bB 20.75aA
2010 3596.02 762.58 250.42 15.51 20.86
2011 1917.34 426.08 202.08 11.32 21.22
2012 3324.75 804.71 264.37 14.40 21.00
松耕
Subsoiling tillage
平均 2946.04abA 664.46abA 238.96abA 13.74aAB 21.03aA
2010 4245.16 807.01 285.00 14.04 21.02
2011 2022.40 446.91 207.92 13.59 21.37
2012 5290.74 1150.00 326.87 16.50 21.20
翻耕
Conventional tillage
平均 3852.77aA 801.31aA 273.26aA 14.71aA 21.20aA

3 讨 论
本研究表明，免耕显著增加砂质栗钙土莜麦田
耕层（0～20 cm）播种期到拔节期土壤容重和土壤
硬度，这与Mahboubi等[25]在美国俄亥俄州、Liebig
等[26]在美国北部大平原、赵宏立等[27]在黄土高原的
研究结果一致，陈学文等[28]在东北黑土 9 a保护性
耕作试验也得到类似结果，但其研究表明春季冻融
作用可以使免耕 2.5～17.5 cm土壤硬度低于秋翻处
理，这可能是由于秸秆覆盖措施和春季土壤含水率
不同所致；而栗钙土为沙壤土，保蓄水能力差，且
本区降雨仅 400 mm左右，蒸发量近 2 000 mm，难
以做到土壤水的跨生育期利用，每年松翻土壤是保
持土壤低容重、低硬度的主要措施。
土壤硬度一般以机械阻力方式影响作物生长，
Greacen 等[29]研究表明影响小麦根系生长的硬度临
界值在 8～50 kg/cm2，Bengough等[30]综合多数人观
点认为当土壤硬度大于 20 kg/cm2 时大部分作物根
系就会受到影响，萨姆纳[31]所著《土壤科学手册》
则指出 30 kg/cm2 是影响作物根系的硬度临界值。
本研究中免耕处理土壤硬度普遍高于 30 kg/cm2，莜
麦生长旺盛的拔节期更是达到 50 kg/cm2 以上，结
合莜麦生长动态来看，免耕会影响莜麦生长；而松
耕、翻耕处理则多小于 30 kg/cm2，一般为 2～
20 kg/cm2，可以认为松耕和翻耕不会对莜麦生长造
成限制作用。
本研究表明，砂质栗钙土莜麦田提高耕层土壤
含水率可以在较大土壤容重条件下显著降低土壤
硬度，减小根系穿透阻力，这与李小昱等[32]对陕西
黄土的研究结果一致；但栗钙土农田土壤容重较小
时土壤含水率对土壤硬度影响不大。在较为干旱的
低土壤含水率条件下，增大土壤容重会显著导致土
壤硬度增加，高土壤含水率条件下土壤容重增大也
会提高土壤硬度，但影响较小，周虎等[33]在华北、
李汝莘等[34]在山东也得到相同的结果。冀西北地区
生育期内自然降水变异系数大，土壤容重变化趋势
基本一致，可以通过此模型预测田间土壤硬度变
化，适时补水以减轻土壤硬度对作物根系的影响。
作物留茬覆被能有效增强农田地表抗风蚀能
力，Fryear[35]测得在 50%秸秆覆被度下土壤风蚀量
较翻耕田能够降低 90%以上，王岩等[36]在冀西北地
区测得莜麦田土壤地表粗糙度免耕和松耕是翻耕
的 1.86 倍和 1.09 倍。而经济产量免耕仅为翻耕的
51.64%，松耕为翻耕的 82.92%。从生态效益来看，
免耕减抑风蚀效果更显著，而松耕可以得到较好的
经济效益。
4 结 论
1）长期免耕会使砂质栗钙土莜麦田耕层土壤
容重维持在较高水平，松耕和翻耕可以降低土壤容
重；免耕、松耕和翻耕对土壤含水率影响不显著，
栗钙土土壤含水率主要受自然因素影响；土壤硬度
受耕作方式的影响不同，免耕增加土壤硬度，进而
影响作物生长，松耕和翻耕降低土壤硬度，不会对
作物生长构成限制。
2）栗钙土莜麦田耕层土壤硬度与土壤容重、
土壤含水率关系模型表明，土壤硬度随土壤容重呈
指数型增大，随土壤含水率呈 U型变化；砂质栗钙
土莜麦田耕层土壤容重较高时提高土壤含水率可
以显著降低硬度，土壤容重较低时土壤含水率对硬
度影响不大；而低土壤含水率条件下土壤容重增大
会大幅提高硬度，高土壤含水率条件下土壤容重增
第 4期 王 岩等：耕作方式对冀西北栗钙土土壤物理性状及莜麦生长的影响

115
大也会提高土壤硬度，但幅度较小。
3）栗钙土农田实行免耕虽然节省了土壤耕作
成本，但莜麦生物产量和经济产量均显著低于翻
耕；松耕在减少扰动土壤的同时，还能获得与翻耕
相近的产量，是一种兼顾生态和经济效益的合理耕
作措施。
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第 4期 王 岩等：耕作方式对冀西北栗钙土土壤物理性状及莜麦生长的影响

117


Effects of tillage mode on chestnut soil’s physical characters and
naked oats growth in Northwest Hebei province

Wang Yan1,2, Liu Yuhua1,2※, Zhang Lifeng1,2, Dou Tieling1,2
(1. Zhangbei Agricultural Resource and Ecological Environment Key Field Research Station, Ministry of Agriculture of China,
Zhangbei 076450, China; 2.College of Agronomy, Agricultural University of Hebei, Baoding 071001, China)

Abstract: Taking a ten-year naked oats field experiment site in Zhangbei county of Hebei province as the test
object, this paper studied the effects of different tillage modes (no tillage, subsoiling tillage, and conventional
tillage) on the soil physical characteristics and naked oats growth in chestnut soil. The no tillage treatment soil
was undisturbed from last year’s harvesting to sowing, with 15-22 cm stubbles; broad-spectrum herbicide was
used in soil treatment before planting and sprayed in seedling. The subsoiling tillage treatment plowed the soil
after the previous year’s harvest, used the self-developed ‘Parallel rod without wall subsoiling plow’ (Patent No.:
2011202468728) with a plowed depth of 15-22 cm, and was sowed and fertilized in the same manner as the no
tillage treatment. The conventional tillage treatment plowed with a conventional spade plow after the previous
year’s harvest, with a plowed depth of about 18 cm; this treatment was also rotary tilled to a depth of 10 cm
before sowing and sowed with ordinary seeder. The sowing rate and fertilization were the same as the no tillage
treatment. The results showed that the subsoiling tillage and conventional tillage can significantly reduce the soil
bulk density from the sowing to jointing stage; in the sowing stage, no-tillage soil bulk density was 1.49 g/cm3,
subsoiling tillage and conventional tillage bulk densities were 1.31 and 1.30 g/cm3, respectively. The impact of
tillage methods was similar on soil water content. No tillage significantly increased soil hardness. In the jointing
stage, no tillage soil hardness was 58.51 kg/cm2, 1.74 times higher than with subsoiling tillage, and 2.53 times
higher than with conventional tillage. The test data were analyzed with SAS software, and a model representing
the relationship among soil hardness, soil bulk density, and soil water content was proposed. The model showed
that under the condition of high soil bulk density (1.53 g/cm3), soil hardness is more sensitive to soil water content,
decreasing with soil water content (3.44%-11.94%) from 79.06 kg/cm2 to 28.06 kg/cm2. Under the condition of
low soil water content (3.44%), soil hardness is more sensitive to soil bulk density, rising with soil bulk density
(1.23-1.53 g/cm3) from 12.46 kg/cm2 to 79.06 kg/cm2. No tillage decreased naked oats’ height and leaf area index,
and grain number per ear and ears per hectare were significantly reduced, with 413.79 kg/hm2 economic yield,
62.27% and 51.64% of the economic yields of subsoiling tillage and conventional tillage, respectively. Compared
with subsoiling tillage and conventional tillage, no tillage was higher in soil bulk density, higher in soil hardness,
and significantly reduced in the yield of naked oats. Among the three kinds of tillage, subsoiling tillage provides
both ecological and economic benefits.
Key words: soils; water content; hardness; tillage patterns; bulk density; naked oats; chestnut soil

（责任编辑：张俊芳）