免耕條件下輪胎壓實(shí)對(duì)土壤物理特性和作物根系的影響

王憲良 王慶杰 李洪文 李問(wèn)盈 牛 琪 陳婉芝

(中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 北京 100083)

免耕條件下輪胎壓實(shí)對(duì)土壤物理特性和作物根系的影響

王憲良 王慶杰 李洪文 李問(wèn)盈 牛 琪 陳婉芝

(中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 北京 100083)

為研究免耕條件下輪胎壓實(shí)對(duì)土壤物理特性及作物根系的影響，于2013—2016年在河北涿州免耕試驗(yàn)田設(shè)置免耕(NT)、免耕深松(STNT)、免耕壓實(shí)(CNT)和免耕壓實(shí)深松(CSNT)4種處理，分析4種處理對(duì)土壤水穩(wěn)團(tuán)聚體、土壤容重、土壤緊實(shí)度、作物根系生長(zhǎng)的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，在3年的試驗(yàn)周期內(nèi)，CNT處理對(duì)大團(tuán)聚體含量的影響具有累積效應(yīng), 隨著耕作時(shí)間的增加，CNT處理各土層土壤大團(tuán)聚體含量逐漸減小，在深度上CNT處理對(duì)大團(tuán)聚體含量的影響深度逐漸增加，且CNT處理能夠顯著減小土壤團(tuán)聚體平均質(zhì)量直徑(MWD)；10～40 cm土層，CNT處理土壤容重明顯高于NT、STNT、CSNT處理；0～30 cm土壤緊實(shí)度由大到小表現(xiàn)為：CNT、NT、CSNT、STNT，CNT處理平均土壤緊實(shí)度分別比NT、CSNT、STNT處理大38.2%、58.9%、59.4%；0～20 cm土層CNT處理玉米平均根系質(zhì)量百分比分別比NT、STNT、CSNT處理大24.0%、24.9%、19.3%(P<0.05)，CNT處理20～40 cm土層平均根系質(zhì)量百分比僅有11.6%；CNT、NT、STNT、CSNT處理小麥平均最大根長(zhǎng)密度分別為0.63、0.83、0.84、0.83 cm/cm3。免耕條件下輪胎壓實(shí)對(duì)土壤物理特性及作物根系生長(zhǎng)影響顯著，深松技術(shù)能夠顯著緩解壓實(shí)，未受輪胎壓實(shí)的免耕區(qū)域雖然能夠增加土壤容重、緊實(shí)度，但影響不顯著，短期內(nèi)不需采取疏松措施。

免耕； 土壤壓實(shí)； 土壤特性； 作物根系生長(zhǎng)； 深松

引言

少耕免耕技術(shù)在我國(guó)主要包括秸稈覆蓋和少耕免耕播種，可有效減少土壤擾動(dòng)破壞和土壤風(fēng)蝕水蝕，有利于農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展[1-2]。由于我國(guó)干旱、半干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展面臨干旱及土壤退化嚴(yán)重等問(wèn)題，近年來(lái)免耕技術(shù)在我國(guó)發(fā)展迅速，免耕類機(jī)具不斷發(fā)展，提高了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，減少了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本[3]。但大量研究表明[4-6]，農(nóng)機(jī)具行走狀態(tài)下輪胎碾壓土壤造成土壤壓實(shí)現(xiàn)象，且土壤壓實(shí)一旦形成會(huì)造成持久傷害。免耕雖然可以減少輪胎進(jìn)地次數(shù)，但如果長(zhǎng)期不進(jìn)行必要耕作，會(huì)產(chǎn)生輪胎積累壓實(shí)效應(yīng)。部分國(guó)外學(xué)者指出[7-8]，免耕技術(shù)引起的土壤壓實(shí)現(xiàn)象會(huì)對(duì)土壤水氮運(yùn)移、作物根系生長(zhǎng)產(chǎn)生影響，最終導(dǎo)致作物減產(chǎn)。因此研究免耕條件下輪胎壓實(shí)對(duì)土壤物理特性及作物生長(zhǎng)的影響具有重要意義。

目前，國(guó)內(nèi)外科研工作者對(duì)免耕技術(shù)的研究主要集中在免耕技術(shù)對(duì)土壤理化性狀的影響方面，如HUANG等[9]通過(guò)設(shè)置免耕秸稈覆蓋、免耕無(wú)覆蓋、傳統(tǒng)耕作3種處理，研究免耕對(duì)土壤特性的影響，結(jié)果表明，相比于傳統(tǒng)耕作免耕覆蓋能明顯降低土壤容重，增加土壤入滲率，且能夠明顯增加土壤有機(jī)質(zhì)含量。也有部分學(xué)者對(duì)傳統(tǒng)耕作及田間機(jī)具對(duì)土壤硬度的影響進(jìn)行了研究。焦彩強(qiáng)等[10]通過(guò)旋耕和深翻對(duì)比試驗(yàn)，表明旋耕處理顯著增加土壤緊實(shí)度，影響作物根系生長(zhǎng)，深翻在整個(gè)作物生長(zhǎng)期都能體現(xiàn)松土效果。鄭紅兵等[11]研究了不同耕作方式對(duì)土壤硬度的影響，結(jié)果表明免耕能夠增加耕層0～25 cm土壤硬度，而25～45 cm土層硬度顯著降低。目前，缺乏固定免耕模式條件下，土壤壓實(shí)及緩解措施方面的研究。

本文在免耕試驗(yàn)田基礎(chǔ)上設(shè)置免耕(NT)、免耕深松(STNT)、免耕壓實(shí)(CNT)和免耕壓實(shí)深松(CSNT)處理，通過(guò)田間定位試驗(yàn)測(cè)量土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體、土壤容重、土壤緊實(shí)度及作物生長(zhǎng)指標(biāo)，研究免耕條件下輪胎壓實(shí)對(duì)土壤物理特性及作物根系生長(zhǎng)的影響，以期為華北一年兩熟區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)選擇合理的耕作措施提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)于2013—2016年在河北省涿州市東城坊鎮(zhèn)中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)河北北部耕地保育科學(xué)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)站(東經(jīng)115°44′、北緯39°21′，海拔高度20～70 m)進(jìn)行，試驗(yàn)區(qū)屬于典型暖溫帶半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候，2013—2016年年平均溫度分別為11.6、12.3、13.6、11.2℃，年降水量分別約為450、460、490、480 mm。試驗(yàn)地地勢(shì)平坦，土壤質(zhì)地為砂壤土，pH 值7.8，種植制度為冬小麥-夏玉米一年兩熟，免耕試驗(yàn)地耕作工序?yàn)橛衩茁?lián)合收獲—秸稈粉碎—小麥免耕施肥播種—小麥田間除草—小麥聯(lián)合收獲—玉米免耕施肥播種—噴藥除草—玉米聯(lián)合收獲。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2013年10月—2016年6月，采用田間定位的方法進(jìn)行，在免耕工藝的基礎(chǔ)上，設(shè)置免耕(NT)、免耕深松(STNT)、免耕壓實(shí)(CNT)和免耕壓實(shí)深松(CSNT)4種處理，田間試驗(yàn)處理見(jiàn)圖1a，其中深松時(shí)間為每年10月玉米收獲之后小麥播種之前及6月小麥?zhǔn)斋@之后玉米播種之前。試驗(yàn)點(diǎn)免耕模式涉及的農(nóng)機(jī)具為小麥/玉米免耕播種機(jī)、噴藥機(jī)、秸稈粉碎機(jī)、雷沃歐豹904型拖拉機(jī)、雷沃GE60(4LZ-6E3)型小麥聯(lián)合收獲機(jī)及雷沃CB03(4YZ-3H)型玉米聯(lián)合收獲機(jī)，其中噴藥機(jī)及秸稈粉碎機(jī)為懸掛式，播種機(jī)為牽引式，免耕模式壓實(shí)帶輪胎壓實(shí)區(qū)域分布見(jiàn)圖1b。

從2013年10月開(kāi)始按照試驗(yàn)設(shè)計(jì)要求對(duì)各試驗(yàn)小區(qū)進(jìn)行相應(yīng)處理，各試驗(yàn)小區(qū)面積為20 m×8 m(160 m2)，每個(gè)小區(qū)深松與不深松區(qū)域之間設(shè)置2 m隔離帶，每種處理3次重復(fù)，試驗(yàn)采用完全隨機(jī)設(shè)計(jì)，試驗(yàn)地在開(kāi)始試驗(yàn)之前進(jìn)行全面深松處理，深松深度為35 cm，試驗(yàn)區(qū)深松后土壤基本性質(zhì)見(jiàn)表1。試驗(yàn)地小麥品種為豫麥70，播種量為150 kg/hm2，行距為20 cm，玉米品種為鄭單958，行距為60 cm，株距為20 cm，各處理施肥量均為N 284 kg/hm2，P2O5102 kg/hm2，K2O 95 kg/hm2。測(cè)試土壤物理特性的土壤取樣時(shí)間分別為2014年6月、2015年6月、2016年6月小麥?zhǔn)斋@后玉米播種前，測(cè)試作物根系發(fā)育時(shí)間分別為2014—2015年、2015—2016年冬小麥-夏玉米生長(zhǎng)季，分別在冬小麥及夏玉米成熟期取根樣測(cè)量。

圖1 不同處理具體操作方式Fig.1 Specific operations under different treatments

土壤深度/cm土壤機(jī)械組成(質(zhì)量分?jǐn)?shù))/%>2mm1～2mm025～1mm0～025mm土壤容重/(g·cm-3)土壤孔隙度/%土壤有機(jī)質(zhì)含量/(g·kg-1)土壤含水率/%0～2042078144304369119542135158220～4013448747754604136477761446

1.3 測(cè)試方法

1.3.1 水穩(wěn)團(tuán)聚體

土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)采用水穩(wěn)性團(tuán)粒結(jié)構(gòu)測(cè)試儀測(cè)量，將取得的散土試樣帶回室內(nèi)風(fēng)干后，利用濕篩法原理分別測(cè)量2、1、0.5、0.25、0.106 mm粒級(jí)團(tuán)聚體含量。各級(jí)土壤水穩(wěn)團(tuán)聚體含量及團(tuán)聚體平均質(zhì)量直徑計(jì)算方法[12]為

(1)

(2)

式中AGRi——第i粒徑團(tuán)聚體含量,%MAGRi——第i粒徑團(tuán)聚體總質(zhì)量,gmi——團(tuán)聚體中根茬、秸稈等雜質(zhì)質(zhì)量,gDMi——第i粒徑團(tuán)聚體平均直徑,mmMWD——團(tuán)聚體平均質(zhì)量直徑,mmn——土壤團(tuán)聚體粒徑級(jí)數(shù)

1.3.2 土壤容重和緊實(shí)度

用環(huán)刀法測(cè)量土壤容重，取土深度為0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm和30～40 cm，環(huán)刀規(guī)格：Φ50.46 mm×50 mm。將土樣放入鋁制稱量盒內(nèi)，放在電子天平上稱其質(zhì)量，然后將鋁盒放入干燥箱，108℃恒溫下干燥至質(zhì)量恒定。

選取SC900型Cone index土壤緊實(shí)度儀(美國(guó)SPECTRUM公司)測(cè)量試驗(yàn)區(qū)土壤緊實(shí)度，在試驗(yàn)區(qū)作物生長(zhǎng)帶隨機(jī)選取5個(gè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量深度45 cm，測(cè)量結(jié)果取算數(shù)平均值，儀器每隔2.5 cm自動(dòng)記錄數(shù)據(jù)一次，緊實(shí)度儀測(cè)試桿在垂直入土速度為0.05～0.08 m/s的范圍內(nèi)緩慢勻速插入。

1.3.3 作物根系生長(zhǎng)

在成熟期小麥種植行利用根鉆系統(tǒng)測(cè)量小麥根長(zhǎng)密度，利用Bi-partite根鉆系統(tǒng)取整株冬小麥根系，根鉆取根時(shí)按10 cm的間距分層向下鉆取，測(cè)至100 cm，將取得的根系用蒸餾水洗凈，利用AZR-100型根系生態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行掃描、分析計(jì)算根長(zhǎng)密度。

土壤剖面法分析玉米根系分布情況。選擇玉米成熟期，在玉米生長(zhǎng)帶挖置土壤剖面(寬1.5 m、深1 m)，將玉米根系部分稍作清洗，將帶有方格刻度(5 cm×5 cm)的透明塑料板(長(zhǎng)1 m、寬1 m)放在土壤剖面上，玉米根系印在透明塑料板上面。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2013處理數(shù)據(jù)，SPSS統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行方差分析，利用Origin 9.1軟件進(jìn)行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 壓實(shí)對(duì)土壤水穩(wěn)團(tuán)聚體的影響

外力作用在土壤表面上會(huì)導(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)的破壞，從微觀上表現(xiàn)為，力在傳遞過(guò)程中破壞了土壤原本穩(wěn)定的團(tuán)聚體，將土壤顆粒重新排列。土壤水穩(wěn)性大團(tuán)聚體的數(shù)量和分布特征反映了土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和抗侵蝕能力[13]。圖2為不同處理?xiàng)l件下土壤大團(tuán)聚體的變化情況。由圖2可以看出，2014年0～20 cm CNT處理大團(tuán)聚體含量明顯低于CSNT、NT、STNT處理，分別低22.85%、25.99%、24.18%；20～40 cm深度4種處理大團(tuán)聚體含量無(wú)顯著差異；2015年0～30 cm土層CNT和CSNT處理大團(tuán)聚體含量顯著低于NT及STNT處理，CNT分別低60.78%、59.53%，CSNT分別低21.29%、20.35%，30～40 cm無(wú)明顯差異；2016年0～40 cm土層CNT處理大團(tuán)聚體含量均顯著低于CSNT、NT、STNT處理，分別低35.67%、65.95%、65.20%，0～30 cm土層CSNT處理低于NT、STNT處理，且CNT處理大團(tuán)聚體含量明顯低于CSNT處理。2014—2016年CNT處理大團(tuán)聚體含量逐漸減小，且影響深度不斷增加，表明CNT處理對(duì)大團(tuán)聚體含量影響具有累積效應(yīng)。

圖2 4種處理土壤大團(tuán)聚體(粒徑大于0.25 mm)變化Fig.2 Changes of water stable macroaggregates (greater than 0.25 mm) under NT, CNT, STNT and CSNT treatments

表2為不同處理?xiàng)l件下土壤平均質(zhì)量直徑(MWD)的變化趨勢(shì)，隨著土壤深度增加MWD顯著下降，2014—2016年CNT處理能顯著減小0～20 cm土層的MWD，CNT處理3年平均MWD分別比NT、STNT、CSNT處理減小5.4%、8.5%、5.7%。

表2 不同處理?xiàng)l件下土壤平均質(zhì)量直徑

注：數(shù)據(jù)為3次重復(fù)試驗(yàn)的平均值，同年份同行數(shù)據(jù)后不同字母表示處理間差異顯著(P<0.05),下同。

2.2 壓實(shí)對(duì)土壤容重的影響

土壤容重影響土壤通透性和土壤養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化與利用，是衡量土壤緊實(shí)程度的重要指標(biāo)[14]，外力對(duì)土壤容重的影響較大[15]。由表3可知，2014—2016年4種處理的土壤容重均隨著土層加深呈逐漸增大的趨勢(shì)，0～40 cm土層的土壤容重由大到小表現(xiàn)為：CNT、NT、CSNT、STNT，且0～10 cm各處理之間土壤容重差異不顯著，10～40 cm深度土層CNT處理土壤容重顯著大于NT、CSNT、STNT處理，且平均容重較各處理分別提高14.2%(P<0.05)、15.7%(P<0.05)、17.1%(P<0.05)，NT、CSNT、STNT處理之間土壤容重變化無(wú)明顯差異。2014—2016年，隨著耕作時(shí)間增加各處理0～40 cm土層的平均土壤容重呈增加趨勢(shì)，CNT處理增加幅度最大，2016年比2015、2014年分別增大3.40%、3.27%。

2.3 壓實(shí)對(duì)土壤緊實(shí)度空間分布的影響

土壤緊實(shí)度是表征土壤質(zhì)量的指標(biāo)之一，對(duì)作物生長(zhǎng)具有重要影響，受外力對(duì)土壤壓實(shí)作用的影響較大[16-17]。圖3為2014—2016年各處理土壤緊實(shí)度的平均值。由圖3可知，隨著土壤深度不斷增加，土壤緊實(shí)度由大到小基本表現(xiàn)為：CNT、NT、CSNT、STNT，且CNT處理平均土壤緊實(shí)度分別比NT、CSNT、STNT處理大38.2%(P<0.05)、58.9%(P<0.05)、59.4%(P<0.05)。NT處理由于受降水、自身重力等影響，且未進(jìn)行任何機(jī)械疏松措施，導(dǎo)致其土壤緊實(shí)度較CSNT和STNT處理大，0～30 cm土層由大到小表現(xiàn)為：CNT、NT、CSNT、STNT，大于30 cm土層土壤受外界環(huán)境影響較小，CNT處理土壤緊實(shí)度明顯大于其余處理，但NT、CSNT、STNT處理之間變化不顯著。由此說(shuō)明免耕條件下輪胎壓實(shí)是土壤緊實(shí)度增大的主要影響因素，免耕引起的土層變硬現(xiàn)象主要集中于0～30 cm土壤，且短時(shí)間內(nèi)未形成顯著差異。

表3 不同處理下土壤容重變化情況

圖3 土壤緊實(shí)度變化Fig.3 Changes of soil penetration resistance under different treatments

2.4 土壤壓實(shí)對(duì)小麥-玉米根系生長(zhǎng)的影響

圖4分別為小麥根長(zhǎng)密度與玉米根系空間分布。由圖4a、4b可知2014—2016年CNT處理小麥根長(zhǎng)密度明顯小于NT、STNT、CSNT處理，且均在10 cm左右達(dá)到最大根長(zhǎng)密度，CNT、NT、STNT、CSNT處理在2014—2015年和2015—2016年平均最大根長(zhǎng)密度分別為0.65、0.94、0.95、0.93 cm/cm3和0.42、0.57、0.62、0.60 cm/cm3。

由圖4c、4d可知，2014、2015年CNT處理0～10 cm土層玉米根系質(zhì)量百分比明顯(P<0.05)高于NT、STNT、CSNT處理，10～20 cm土層各處理根系質(zhì)量百分比無(wú)明顯差異，20～40 cm CNT處理根系質(zhì)量百分比顯著低于NT、STNT、CSNT處理。2014年0～20 cm土層CNT處理根系質(zhì)量百分比分別比NT、STNT、CSNT處理大13.5%、21.8%、12.6%(P<0.05)，CNT處理20～40 cm土層根系質(zhì)量百分比僅有16.7%。2015年0～20 cm土層CNT處理根系質(zhì)量百分比分別比NT、STNT、CSNT處理大30.4%、24.3%、16.2%(P<0.05)，CNT處理20～40 cm土層根系質(zhì)量百分比僅有9.3%。2016年0～20 cm土層CNT處理根系質(zhì)量百分比分別比NT、STNT、CSNT處理大28.1%、28.6%、29.1%(P<0.05)，CNT處理20～40 cm土層根系質(zhì)量百分比僅有8.9%。

3 討論

3.1 壓實(shí)對(duì)土壤團(tuán)聚體的影響

CNT處理對(duì)土壤大團(tuán)聚體含量的影響趨勢(shì)為：2014年顯著降低0～20 cm大團(tuán)聚體含量，2016年顯著降低0～40 cm大團(tuán)聚體含量，主要是由于輪胎對(duì)土壤壓實(shí)作用呈線性累積關(guān)系，CNT處理長(zhǎng)期受拖拉機(jī)及收割機(jī)等機(jī)具多次壓實(shí)，導(dǎo)致輪胎在行走過(guò)程中與土壤表面相互作用產(chǎn)生的應(yīng)力向更深層土壤傳遞，破壞了深層土壤結(jié)構(gòu)[18-19]。NT及STNT處理2014—2016年大團(tuán)聚體含量一直保持較高水平，其主要原因可能由兩方面：一方面可能是由于NT及STNT處理極少擾動(dòng)土壤，土壤結(jié)構(gòu)未遭到破壞；另一方面可能由于秸稈還田能夠增加土壤有機(jī)質(zhì)含量，有助于團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的形成，尤其是土壤大團(tuán)粒結(jié)構(gòu)形成，增強(qiáng)土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性[20-22]。2015、2016年CSNT處理0～30 cm土層大團(tuán)聚體含量顯著低于NT、STNT處理，主要原因可能是經(jīng)過(guò)多次不同機(jī)具輪胎碾壓之后土壤結(jié)構(gòu)遭到破壞，大團(tuán)聚體含量降低，盡管進(jìn)行了秸稈還田及深松處理，但破壞后的土壤結(jié)構(gòu)修復(fù)是一個(gè)漫長(zhǎng)的過(guò)程[23]。

圖4 2013—2016年冬小麥、夏玉米根系空間分布Fig.4 Root distribution within root zone profile for winter wheat and summer maize in 2013—2016 seasons

3.2 壓實(shí)對(duì)土壤容重、緊實(shí)度的影響

2014—2016年，0～40 cm土壤容重由大到小表現(xiàn)為：CNT、NT、CSNT、STNT， 10～40 cm土層土壤容重呈現(xiàn)CNT處理顯著大于NT、CSNT、STNT處理的變化趨勢(shì)，主要由農(nóng)機(jī)具田間作業(yè)(尤其在濕度較大土壤)過(guò)程中外力壓實(shí)土壤[24]，土壤結(jié)構(gòu)破壞后土壤顆粒重新排列所致[25]。NT、CSNT、STNT處理間無(wú)顯著差異，主要原因是未受輪胎壓實(shí)的免耕區(qū)域，會(huì)因?yàn)榻邓?、自然沉降等因素增加土壤容重，NT處理對(duì)土壤擾動(dòng)較小，受干濕交替、凍融作用及作物根系等因素的調(diào)節(jié)能夠緩解這種緊實(shí)作用[26]。0～10 cm各處理之間土壤容重變化不顯著，WAGNER等[26]研究指出NT處理免耕播種機(jī)開(kāi)溝器能夠顯著影響0～10 cm土層土壤物理特性。試驗(yàn)過(guò)程中免耕播種機(jī)種肥開(kāi)溝器能夠疏松0～10 cm土壤，故各處理間容重變化不顯著。研究表明免耕技術(shù)條件下，土壤受自然沉降和農(nóng)機(jī)具壓實(shí)雙重作用會(huì)導(dǎo)致土壤變硬，緊實(shí)度增大等不同程度的土壤壓實(shí)現(xiàn)象[27]。試驗(yàn)周期內(nèi)，0～45 cm土層 CNT處理土壤緊實(shí)度顯著大于NT、STNT、CSNT處理， BOTTA等[28]研究表明，拖拉機(jī)及小麥、玉米聯(lián)合收獲機(jī)等農(nóng)機(jī)具能夠增加深層土壤(0～60 cm)緊實(shí)度，與本文研究結(jié)果一致。0～30 cm土層平均土壤緊實(shí)度由大到小表現(xiàn)為：CNT、NT、CSNT、STNT，NT處理較CSNT、STNT處理緊實(shí)度大的主要原因是，NT處理沒(méi)有進(jìn)行機(jī)械疏松，常年受降水、自身重力等影響導(dǎo)致土壤緊實(shí)度逐漸增大，深松等耕作能夠疏松耕層土壤，降低土壤緊實(shí)度；大于30 cm土層土壤受外界環(huán)境影響較小，NT、CSNT、STNT處理變化不顯著，蘇麗麗等[29]研究表明，耕層以下土壤受外界環(huán)境影響小，不同耕作處理間差異較小，與本文研究結(jié)果一致。

3.3 土壤壓實(shí)對(duì)冬小麥-夏玉米根系生長(zhǎng)的影響

耕作措施能夠?yàn)樽魑锔堤峁┝己玫纳L(zhǎng)空間，根系是小麥、玉米的主要營(yíng)養(yǎng)器官，是作物生長(zhǎng)發(fā)育的基礎(chǔ)，根系的發(fā)育情況直接影響作物產(chǎn)量，不同耕作措施對(duì)土壤物理特性產(chǎn)生不同影響，從而影響作物生長(zhǎng)[30-31]。小麥根系屬于須根系，小麥根系生長(zhǎng)主要受不同深度土層之間水熱交換的影響，土壤緊實(shí)度對(duì)小麥根系的影響較玉米小[32]，2013—2016年, CNT、NT、STNT、CSNT處理平均小麥最大根長(zhǎng)密度分別為0.63、0.83、0.84、0.83 cm/cm3，主要原因可能是土壤壓實(shí)增加了土壤容重，減小了土壤孔隙度，影響了表層土壤與底層土壤之間的氣體及熱量循環(huán)，且土壤大孔隙量的減少，降低了土壤入滲與持水能力，減少了土壤水分運(yùn)移，從而影響小麥根系生長(zhǎng)[33]。2014—2016年0～20 cm土層CNT處理玉米平均根系質(zhì)量百分比分別比NT、STNT、CSNT處理大24.0%、24.9%、19.3%(P<0.05)，CNT處理20～40 cm土層平均根系質(zhì)量百分比僅有11.6%，玉米根系較容易受到土壤壓實(shí)的影響，土壤壓實(shí)增加了土壤容重及土壤緊實(shí)度，從而增大土壤機(jī)械阻力，限制根系生長(zhǎng)，降低根系活力[34]，CNT處理造成的土壤壓實(shí)，致使玉米根系無(wú)法正常向下生長(zhǎng)，故而橫向生長(zhǎng)較多。NT處理能夠減少土壤擾動(dòng)，增加土壤有機(jī)質(zhì)含量，提高土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，而深松能夠打破土壤硬層，降低耕層土壤容重，增加土壤持水能力，為作物生長(zhǎng)提供有利條件[30],所以在試驗(yàn)周期內(nèi)NT、STNT、CSNT處理之間玉米根系生長(zhǎng)無(wú)顯著差異。

4 結(jié)論

(1)免耕技術(shù)引起的土壤緊實(shí)度上升，除自然沉降導(dǎo)致土壤物理特性變化外，農(nóng)機(jī)具行走裝置是造成土壤壓實(shí)的主要原因。

(2)免耕處理雖然出現(xiàn)土壤緊實(shí)現(xiàn)象，但3年內(nèi)未達(dá)到影響作物生長(zhǎng)的程度，不需要深松處理。輪胎壓實(shí)區(qū)域在第2個(gè)作物生長(zhǎng)季開(kāi)始已經(jīng)顯著影響作物根系生長(zhǎng)，需要及時(shí)進(jìn)行機(jī)械化消減措施。

(3)深松技術(shù)能夠有效緩解土壤壓實(shí)問(wèn)題，減小容重和緊實(shí)度，但對(duì)輪胎壓實(shí)后的土壤進(jìn)行深松，受輪胎碾壓的土壤團(tuán)聚體在短時(shí)間內(nèi)難以恢復(fù)，導(dǎo)致深松后的土壤結(jié)構(gòu)仍然不穩(wěn)定。

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Effect of Tyre Induced Soil Compaction on Soil Properties and Crop Root Growth under No-tillage System

WANG Xianliang WANG Qingjie LI Hongwen LI Wenying NIU Qi CHEN Wanzhi

(CollegeofEngineering,ChinaAgriculturalUniversity,Beijing100083,China)

In order to investigate the effects of tyre-induced soil compaction on soil properties and crop root system under no-tillage condition in North China, a three-year (2013—2016) field experiment was carried out in Hebei Province. Four treatments, including no-tillage (NT), compaction lane under no-tillage (CNT), subsoiling tillage under no-tillage (STNT) and subsoiling tillage in compaction lane under no tillage (CSNT), were performed with randomized complete block design, with three replications for each treatment. The effects of different treatment on soil aggregation, soil bulk density, soil penetration resistance, maize root dry weight and roots distribution were evaluated. According to the result, there was a cumulative effect on macroaggregates content over time in CNT treatment, the value of this indicator was gradually decreased from 2014 to 2016; in the meantime, it was increased with the increase of soil depth. It was also indicated that soil mean weight diameter (MWD) was significantly reduced under CNT treatment. The soil bulk density for all the four treatments was increased with soil depth from 2014 to 2016, and the soil bulk density throughout the 0～40 cm soil profile presented a descending order of CNT, NT, CSNT and STNT. The soil bulk density under CNT treatment at 10～40 cm depth was significantly increased by 14.2%(P<0.05), 15.7%(P<0.05) and 17.1%(P<0.05), respectively, compared with those for NT, CSNT and STNT treatments. The soil penetration resistance was one of the key soil properties, the values for this parameter presented a descending order of CNT, NT, CSNT and STNT, with the increase of soil depth. The average soil penetration resistance under CNT treatment was increased by 38.2%(P<0.05), 58.9%(P<0.05) and 59.4%(P<0.05), respectively, when compared with NT, CSNT and STNT treatments. The wheat root length density and maize root space distribution in 0～20 cm soil layer in CNT treatment were better than those for NT, STNT and CSNT treatments, in cropping seasons from 2013 to 2016. The mean root content of summer maize under CNT treatment was increased by 24.0%, 24.9% and 19.3%(P<0.05), respectively, compared with NT, STNT and CSNT treatments during a period from 2014 to 2016. There was only 11.6% of the average root content at 20～40 cm soil depth. The maximum mean wheat root density of wheat under CNT, NT, STNT and CSNT treatments was 0.63 cm/cm3, 0.83 cm/cm3, 0.84 cm/cm3and 0.83 cm/cm3, respectively. Finally, it was concluded that the soil under no-tillage was less compacted in spite of the compaction from nature sedimentation and seeding, but the tire-induced compaction had a significant effect on soil properties and crop root growth under no-tillage, the subsoiling tillage could significantly decrease soil compaction. Although the no-tillage area can increase the soil bulk density and soil penetration resistance, the effect was negligible, and there was no need for loosening measures.

no-tillage; soil compaction; soil properties; crop root growth; subsoiling tillage

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.06.022

2016-10-13

2016-11-17

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2016YFD0700301)和江蘇省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備與技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心項(xiàng)目(NZXT02201601)

王憲良(1990—)，男，博士生，主要從事土壤壓實(shí)研究，E-mail： 13126728942@126.com

李洪文(1968—)，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事保護(hù)性耕作研究，E-mail： lhwen@cau.edu.cn

S152.4

A

1000-1298(2017)06-0168-08