农田耕作的目的是建立适宜作物生长的土壤环境条件，蓄水保墒，促进作物增产。大量研究成果［１ ～５］表明耕作活动明显地修改了耕层土壤物理性质和水力学特性，引起土壤持水及导水能力的改 变，且变化程度取决于耕作方式。本文旨在田间观测和室内试验基础上，评价比较夏玉米生长期内 不同耕作活动（传统耕作、免耕及深松）对耕层土壤持水特性和作物根系生长发育的影响，定量描 述土壤水动态变化过程，初步分析不同耕作系统下作物产量间存在差异的原因。１ 试验处理与方 法１．１ 试验地点试验地点选择在河北省雄县昝岗乡。多年平均降水５４０ｍｍ，年均气温１２ ．１℃，年平均蒸发量１２００ｍｍ，无霜期平均为１８５ｄ。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壤质土。农作物种植方式通常采用冬小麦夏玉米连作模式，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不需灌溉。表１给出试 验地点处层状土壤质地描述和部分理化性质。１．２ 试验处理１９９６年和１９９７年６月中旬 先后在雄县试验地点处建立田间耕作试验区。每年实施的３种耕作处理为：（１）传统耕作（ＣＴ ），麦收后采用旋耕犁耕翻土壤到１０～１５ｃｍ，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。处理区由６个小区组成，每个小区 长３３ｍ、宽５ｍ，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。夏玉米播种在６月１５ ～１７日，９月３０日收获，整个生育期约１０６ｄ。表１ 试验地点处层状土壤的部分物理化学 性质Ｔａｂ．１ Ｓｏｉｌｐｈｙｓｉｃａｌａｎｄｃｈｅｍｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｆｏ ｒｅａｃｈｈｏｒｉｚｏｎｉｎｔｈｅｓｔｕｄｉｅｄｓｉｔｅ土壤分层深度／ｃｍ粒径尺寸分布 （含量占百分数）／％＜０．００２ｍｍ粘粒０．００２～０．０５ｍｍ壤粒＞０．０５ｍｍ砂粒 干密度／ｇ·ｃｍ－３有机质含量／％ｐＨ值ＩＩＩＩＩＩＩＶ０～２０２０～４０４０～７０７ ０～１００２６．１２６．２２６．４３６．９６９．９６９．５６９．０５９．１４．０４．３ ４．６４．１１．３４１．３６１．４３１．３００．９１０．９３０．９０１．１０８．５８． ５８．６８．６１．３ 室内外试验与观测土壤持水特性 在夏玉米生育初期，对任一耕作处理， 随机选择８个采样点。在每个采样点１０ｃｍ和３０ｃｍ深处分别用体积１００ｃｍ３的环刀采集 原状土样，通过室内压力仪装置得到土壤持水数据，用以确定土壤水分特征曲线。土壤含水率 耕 作小区土壤水分变化过程采用时域反射仪（ＴＤＲ）和中子仪进行监测，前者主要用于测定表层土 壤含水率。日常观测每５ｄ一次，测量深度到１．１ｍ，间距１０ｃｍ。对同一耕作处理，每个深 度处测定的土壤含水率都是２个独立观测值的均值。作物根系发育状况和产量 对每个耕作处理， 随机地选择８棵作物植株测定最大平均根长。田间测定分别在作物生长中期（７月２５日）和末期 （９月３０日）阶段完成，采集的根部样品经水浸泡分离出根系后立即观测对比。夏玉米产量使用 田块抽测方法确定，６个面积均为１ｍ２的地块被随机地选择在每种耕作处理区内，收集到的地块 产量经算术平均后用来估算该耕作处理下的产量。１．４ 方差分析不同耕作措施下耕层土壤持水 特性和作物根长及产量间的差异采用方差分析法进行对比。观测或测定结果的多重比较使用最小显 著极差法中的新复极差检验（ＤＭＲＴ）完成，该方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［６］。２ 结果与分析２．１ 土壤持水特性及孔 隙尺度分布图１表明当耕层内１０ｃｍ及３０ｃｍ两个深度处的土壤负压水头处于较低范围时，深 松ＳＴ小区土壤的持水特性显著地低于其它２种耕作方法；而在高水头范围内，土壤持水特性却明 显高于其它２种方法。传统耕作ＣＴ与免耕法ＮＴ之间在整个负压水头变化范围间在土壤持水特性 上均无显著差异。耕作扰动将修改土壤孔隙几何尺寸，导致孔隙尺度分布状况发生变化，通常借助 观测得到的土壤持水数据进行定量描述。相应于给定的压力水头值ｈ（ｍ），土壤平均孔隙直径ｄ ｐ（ｍ）可由下式计算ｄｐ＝４·γ·ｃｏｓαρｗ·ｇ·ｈ（１）式中 γ——水的表面张力（ ２０℃时７２．７５ＭＪ／ｍ２）； α——孔隙中水的接触角； ρｗ——水的密度（２０℃时 ０．９９８Ｍｇ／ｍ３），ｇ——重力加速度（９８ｍ／ｓ２）。图１ 夏玉米初始生长阶段不 同耕作方式对耕层土壤持水特性的影响（不同字母的均值间在０．０５水平上差异显著）Ｆｉｇ． １ Ｅｆｆｅｃｔｓｏｆｔｈｅｔｈｒｅｅｔｉｌｌａｇｅｐｒａｃｔｉｃｅｓｏｎｓｏｉｌｗａ ｔｅｒｒｅｔｅｎｔｉｏｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓａｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔｄｅｐｔｈ ｓ图２ 夏玉米初始生长阶段不同耕作方式对耕层土壤孔隙尺度分布的影响（不同字母的均值间在 ０．０５水平上差异显著）Ｆｉｇ．２ Ｅｆｆｅｃｔｓｏｆｔｈｅｔｈｒｅｅｔｉｌｌａｇｅｐ ｒａｃｔｉｃｅｓｏｎｔｈｅｐｏｒｅｖｏｌｕｍｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｗｉｔｈｉｎｓｐ ｅｃｉｆｉｃｐｏｒｅｓｉｚｅｒａｎｇｅｓ本文将孔隙尺度范围划分如下：（１）ｄｐ＞５０μ ｍ；（２）３０μｍ＜ｄｐ≤５０μｍ；（３）１０μｍ≤ｄｐ≤３０μｍ；（４）ｄｐ＜１０μ ｍ，这些孔隙直径相对应的负压水头值分别为－６０ｃｍ、－１００ｃｍ和－３００ｃｍ，其中相 应于－６０ｃｍ的直径大于５０μｍ的孔隙定义为土壤大孔隙，重力水常存在于这些孔隙中［７］ 。由于－３００ｃｍ负压值所对应的土壤含水率常称为田间持水率，故直径小于１０μｍ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［８］。图２表明与传统耕作和免耕法对 比，在耕层１０ｃｍ和３０ｃｍ深度处，深松土壤中直径大于５０μｍ的孔隙体积明显增多而直径 小于１０μｍ的孔隙体积却显著减少。相对于传统耕作方式，免耕土壤中大孔隙所占体积较少而小 孔隙体积较高，但两者间的差异并不显著。在１０～５０μｍ孔隙尺度范围之间，对所有耕作方法 而言，孔隙体积间均无显著性差别。这说明深松耕作既增加了土壤中大孔隙的体积，增大了土壤的 饱和含水率，又明显地减少了小孔隙的体积，导致土壤的持水能力下降。２．２ 土壤水动态变化 １９９７年度夏玉米生长期内耕层不同深度处的土壤含水率动态变化过程参见图３。与传统方式相 比，免耕活动始终保持了较高的土壤含水率，在作物苗期尤为明显；深松土壤的含水率在作物生长 初期最低，但随后彼此间的差异却很小。深松耕作中松动底土与旋耕表土并举可强烈地改变耕层土 壤的物理性质及结构，导致土壤孔隙度增大、持水能力下降，表土充分晾晒和土体通透性使得土壤 水分大量散失，墒情变差。免耕措施能有效避免耕翻晾晒过程中造成的表层土壤水分损失，且冬小 麦机械收割残留的高度为１０～２０ｃｍ的麦茬通常起到作物残茬覆盖的效果，进而减小了土壤蒸 发量。图３表明伴随着作物生长发育和叶面覆盖比例增加，耕作方式对土壤水分蒸发的影响作用急 剧减弱，土壤的持续固结沉降则缩小了由耕作活动引起的土壤持水性能间的差异。图３ 夏玉米生 长期内不同耕作方式下表层土壤含水率的动态变化过程Ｆｉｇ．３ Ｏｂｓｅｒｖｅｄｓｏｉｌｍ ｏｉｓｔｕｒｅａｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔｄｅｐｔｈｓａｓａｆｕｎｃｔｉｏｎｏｆｔｉｍｅａｎ ｄｔｉｌｌａｇｅｐｒａｃｔｉｃｅｓｄｕｒｉｎｇｔｈｅｍａｉｚｅｇｒｏｗｉｎｇｐｅｒｉｏ ｄｉｎ１９９７表２给出夏玉米苗期耕作方式对土层蓄水量变化的影响。以传统耕作为参照，深松 土壤４０ｃｍ耕层的蓄水量在平水年份的１９９６年平均减少１１．９％，而在枯水的１９９７年 增加１０５％；免耕土壤４０ｃｍ层深的蓄水量在正常和干旱年份平均增加７．１％和１５．４ ％，免耕法的蓄水保墒作用在干旱少雨条件下愈加明显。对１００ｃｍ的土壤剖面而言，深松土壤 蓄水量两年平均减少８．９％，免耕土壤蓄水量增加１．６％，耕作方式对土层蓄水量差异的影响 主要发生在耕层４０ｃｍ的剖面内。表２ 夏玉米初始生长阶段不同耕作方式对土层蓄水变化的影 响（与ＣＴ相比蓄水量变化百分比）Ｔａｂ．２ Ｅｆｆｅｃｔｓｏｆｔｈｅｔｈｒｅｅｔｉｌｌ ａｇｅｐｒａｃｔｉｃｅｓｏｎｔｈｅｖａｒｉａｔｉｏｎｏｆｓｏｉｌｗａｔｅｒｓｔｏｒａｇ ｅｄｕｒｉｎｇｔｈｅｉｎｉｔｉａｌｓｔａｇｅｏｆｍａｉｚｅｇｒｏｗｔｈｐｅｒｉｏｄｓｉ ｎ１９９６ａｎｄｉｎ１９９７（ＣｏｍｐａｒｅｄｗｉｔｈＣＴ）％观测日期 １９９６年 （平水年，Ｐ＝５０％） １９９７年（枯水年，Ｐ＝７５％） ４０ｃｍ土 层 １００ｃｍ土层 ４０ｃｍ土层 １００ｃｍ土层 ＮＴＳＴＮＴＳＴ ＮＴＳＴＮＴＳＴ６月２５日＋７．１－９．１＋１．２－９．９＋１９．９２３．９＋２．９－ １０．１６月３０日＋９．０－１２．３＋１．５－１０．８＋２０．１－１５．６＋１．７－８ ．１７月５日＋６．５－１２．１＋１．８－１２．４＋２０．０－７．５＋０．５－６．１７月 １０日＋７．０－１３．５＋３．８－１１．８＋９．２－３．０＋０．５－５．０７月１５日＋ ５．８－１２．５＋１．９－１０．４＋７．８＋２．５＋０．６－４．０平均值＋７．１－１１ ．９＋２．０－１１．１＋１５．４－１０．５＋１．２－６．７２．３ 作物根系发育及产量深松耕作明显地促进了作物根系的生长发育（图４）。深松小区内玉米最大平均根长在作物中期高于其它耕作措施２５％，而在后期则高３０％，根系间的差异随时间变化有所扩大，这意味着深松措施可打破耕作犁底层，疏松底土，减少土壤机械阻抗，有利于作物根系向深层土壤延伸。免耕与传
More abstracts about the 耕作方式对土壤水动态变化及夏玉米产量的影响