华北平原属暖温带半湿润大陆季风气候区 ,平均降水量 70 %～ 80 %集中在夏玉米作物生长季节的 6～ 9月份 ,次数频繁的高强度降水产生的雨点击打力和土体固结变形 ,往往导致耕层土壤的团粒体结构破坏 ,形成的表面板结层将削弱土壤的入渗导水性能 ,减小土体垂直下排田间雨洪积水的能力 ,不利于对地下水的天然补给。耕作活动能够在一定程度上改变田间地表的微地貌形状和耕层的土壤特性。大量研究成果 <1,2 ,3,4 > 表明 ,耕作活动明显地改变了土壤的物理性质和土壤的水力学特性 ,影响了土壤的持水和导水能力。目前 ,绝大多数研究主要集中在定量分析各种耕作方式实施后的土壤特性即时变化上 ,对这些特性随时间变化的过程却缺乏建立在室内外试验结果基础上的定量描述。1 试验处理与方法(1 )试验地点。试验地点选择在河北省雄县昝岗乡 ,年均降水 5 40 mm,年均气温 1 2 .1℃ ,年均蒸发量 1 2 0 0 mm,无霜期平均为 1 85 d。该县位于华北太行山脉冲洪积扇平原的中下游 ,表层土质多为砂壤或粉壤土。农作物种植方式通常采用冬小麦 -夏玉米轮作模式 ,一年种植两季。由于充沛的降雨多集中在夏季 ,故玉米作物生长发育期内一般无须灌溉。试验地 0～ 70 cm土层土壤有机质平均 0 .91 % ,干容重平均 1 .3 8g/cm3,<0 .0 0 2 mm粘粒占 2 6.2 % ,0 .0 0 2～ 0 .0 5mm粉粒占 69.5 % ,>0 .0 5 mm砂粒占 4.3 % ,p H为 8.5。(2 )试验处理。1 997年 6月在试验地点建立耕作试验区 ,研究夏玉米生长期间不同耕作方式对耕层土壤特性的影响。对比的耕作处理包括 :(1 )传统耕作 (CT) ,麦收后采用旋耕犁耕翻土1 0～ 1 5 cm,播种后耙平压实土壤 ;(2 )免耕 (NT) ,无须耕作 ,直接在麦茬田机播夏玉米 ;(3 )深松耕作 (ST) ,先采用凿形深松犁深松土壤至 40 cm,打破耕作犁底层 ,后按传统耕作方法耕耙土壤建立苗床。整个试验区由 6个小区组成 ,每个小区长 3 3 m、宽 5 m,每个耕作处理重复 2次 ,随机田间布置。除耕作措施不同外 ,所有小区均保持相同的田间管理方式 ,即采用相同的作物品种及施肥、除草和灭虫等措施。(3 )室内外试验观测。采用野外田间试验测定与室内试验相结合的实验手段 ,完成不同耕作处理下耕层土壤特性变化和时间变异过程的测定。其中土壤持水性能仅在夏玉米生长初期在室内测定 ,而土壤容重和土壤入渗及导水能力则在作物生长的初期、中期和末期分别在试验小区内实测获得。干容重 :使用体积为 1 0 0 cm3的环刀 ,田间采集原状土样后由室内烘干法确定土壤的干容重。对任一耕作处理 ,随机选择 8个采样点 ,分别在 1 0 ,2 0 ,3 0 ,40 cm深度处取样 ,测定的干容重是 8个土样的平均值。土壤持水性 :夏玉米生长初期在 1 0 cm和 3 0 cm处采集的土样用于确定干容重之前 ,先采用室内压力仪法测定土壤的持水性。通过施加一系列的负压值 (-60 ,-1 0 0 ,-3 0 0 ,-1 0 0 0 ,-4 0 0 0 ,-1 5 0 0 0 cm) ,得到相应的土壤含水率。利用 VG经验公式<9> 拟合土壤持水数据 ,推求土壤水分特征曲线θ(h)θ(h) =θr+ θs-θr<1 + (α| h| n) >m (1 )式中 :h是土壤负压 (cm) ;θs和θr分别是土壤的饱和含水量和残余含水量 (cm3/cm3) ;参数 n,m,α(cm- 1)分别是经验拟合参数 ,其中 n值的大小反映了土壤持水曲线的陡缓程度 ,较低的 n值意味着曲线趋于平缓 ,土壤具有较弱的持水能力。饱和导水率 :由于土壤中部分孔隙为气体充填 ,故田间实测的土壤饱和导水率一般低于室内测定值 ,称为田间饱和导水率 Kf s<5> 。采用圭尔夫压力渗透仪完成土壤饱和导水性能的测定 ,使用单水头方法 <6 > 计算田间饱和导水率。对每个耕作处理小区 ,随机地选择 8个点进行田间实测 ,测定深度在 1 0 cm和 3 0 cm处 ,田间饱和导水率的测定值是 8个重复的均值。地面入渗率 :借助稳定入渗率评价不同耕作处理对地面入渗性能的影响。采用压力入渗仪法实测地面稳定入渗率 is,将直径为 9.5 cm的密闭钢质环刀插入地表 4cm深处 ,在恒定压力水头下观测土壤水分入渗状况。稳定入渗率的估算使用 5 cm和 1 5 cm双水头压力法完成 <7> 。田间测定在每个耕作处理区内 ,随机选择的 8个位置处进行。(4)方差分析。不同耕作措施下耕层土壤特性间的差异运用统计方差分析法进行对比。试验测定结果的多重比较 ,采用最小显著极差法中的新复极差检验 (DMRT)完成。该法的特点是不同平均数间的比较 ,采用不同的显著差数标准 ,可用于平均数间的所有相互比较 <8>。2 结果与分析2 .1 耕作方式对耕层土壤特性改变的影响耕作活动对土壤物理性质的干扰在很大程度上可以借助干容重的改变给予定量。图 1给出3种不同耕作处理对土壤干容重的影响作用。对每个作物生长期 ,深松耕作下的干容重都明显低于其它两种耕作处理 ,传统耕作下的容重值尽管小于免耕法 ,但两者间无显著性差异。地表2 0 cm以下容重值的明显减小意味着深松方式有效地打破了耕作犁底层 ,增大了土壤的通透性。与免耕措施相比 ,深松耕作结束后可减少耕层 40 cm剖面的平均容重 1 0 % ,且大约 6%的减少量仍能维持到作物生长末期 ,传统耕作方法仅能减少耕层 2 0 cm剖面的平均容重 2 % ,深松方式明显减小了土壤容重 ,增大了土壤孔隙度。注 :同一土层深度上具有不同字母的均值间在 0 .0 5水平上差异显著图 1 夏玉米各生长期内不同耕作方式对耕层土壤干容重的影响干容重的改变对土壤持水性能的变化具有明显作用。图 2表明在较低的土壤负压范围内 ,深松土壤的持水量显著低于其它两种耕作方式 ,但在高水头区域 ,土壤持水量却明显高于其它耕作土壤。传统耕作和免耕法之间在整个土壤负压范围内 ,土壤持水性能间无显著性差异。从VG公式拟合得到的土壤水分特征曲线形状上亦可看出 ,深松处理增加了土壤饱和含水量θs,减小了 n值 ,θs的增加表明土壤饱和时的持水量增大 ,而 n值的减少则意味着较大土壤负压下的土壤持水能力减弱。注 :同一土壤负压时具有不同字母的均值间在 0 .0 5水平上差异显著图 2 夏玉米初始生长期内不同耕作方式对耕层土壤持水性能的影响 耕作活动在改变土壤干容重的同时 ,还修改了土壤的孔隙几何尺寸 ,导致孔隙尺度分布状 况发生变化。由于土壤水分特征曲线的形状具有累积分布函数的形式 ,类似于土壤孔隙尺度分布函数 ,故对该分布函数的描述可建立在对土壤持水数据进行分析的基础上。Rose(1 966)指出相应于给定的土壤负压水头 h (m) ,对应的有效孔隙直径 dp (m)可由下式计算 :dp =4γcosαρw . g . h (2 )式中 :γ是水的表面张力 (2 0℃时为 72 .75 m J/ m2 ) ;α是土壤孔隙中水的接触角 ;ρw是水的密度(2 0℃时为 0 .998mg/ m3) ;g是重力加速度 (9.8m/ s2 )。选择和划分 4个孔隙尺度范围如下 :(1 ) dp >5 0μm;(2 ) 3 0μm
1 0 μm,与这些有效孔隙直径相对应的土壤负压值分别为 -60 ,-1 0 0 ,-3 0 0cm,其中相应于 -60 cm的直径大于 5 0 μm的孔隙通常被定义为土壤大孔隙<5> ,重力水常存在于这些孔隙中。由于 -3 0 0 cm负压值所对应的土壤含水率常称为田间持水量 <9> ,故直径小于1 0μm的土壤孔隙体积中含有的水量即为易被作物吸收利用的土壤蓄水量。每个孔隙尺度范围内的土壤孔隙体积由相应于不同负压下的体积含水率之差给予确定 ,即不同压力变化下土壤排出水的体积就是土体中孔隙增加的体积 ,例如对 dp >5 0 μm范围的土壤孔隙体积值 ,可从饱和含水率中减去 -60 cm土壤负压值下测定的含水率值而得到。如图 3所示 ,耕层 1 0 cm和 3 0 cm深度处 ,深松土壤中直径大于 5 0μm的孔隙体积明显大于其它耕作方式 ,与此相反的趋势却表现在直径小于 1 0 μm的孔隙体积中。与传统耕作对比 ,免耕土壤中大孔隙所占体积较少而小孔隙体积较高 ,但差异并不显著。在 1 0～ 5 0 μm孔隙尺度范围之间 ,对所有耕作方式而言 ,孔隙体积间均无显著性差别。这说明深松耕作措施既增加了土壤中的大孔隙体积 ,增大了土壤的饱和含水量 ,又明显地减少了直径小于 1 0 μm的小孔隙体积 ,导致土壤的持水能力下降。图 4表明 ,深松小区内实测的地面稳定入渗率 is在各作物生长期内均高于其它两种耕作方式 ,且在末期这个差异达到十分显著的水平。深松耕作明显地增加了表层土壤的孔隙度 ,扩大了土壤中水分下渗的通道 ,此外田间地面粗糙程度的增加也为积水入渗创造了微地形条件。传统耕作小区内的稳定入渗率虽也高于免耕土壤 ,但彼此间在各生长期内的差异并不明显。耕作活动对耕层土壤水分传导能力的影响也反映在图 4中。在 1 0 cm和 3 0 cm深度处 ,深松小区的田间饱和导水率 Kfs几乎在每个生长期内都明显大于其它耕作方式下的相应值。深松活动引起的土壤大孔隙体积的增加 ,加快了土壤饱和时的水分流动速率 ,增大了土壤水分通量。与稳定入
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