免耕和稻草覆盖对红壤旱地土壤物理性质及玉米产量的影响

杨贺菲，赵 静，张 旭

(1.长江科学院,湖北 武汉 430010;2.湖北省环境科学研究院,湖北 武汉 430010)

0 引言

红壤旱地是我国南方重要的农业土壤资源,一直是开发利用研究的重点[1]。近年来,受自然因素和人为因素的共同作用,红壤旱地水土流失严重[2];同时,南方红壤区属典型的季风气候区,降雨量年内、年际分配不均[3-4],导致季节性干旱频发[5]。因而,研究红壤旱地土壤侵蚀阻控、抗旱保墒的保护性耕作技术并深入探讨其对土壤理化性质的影响,对维持红壤旱地作物高产、稳产及保证区域粮食安全具有重要的理论意义和实践价值。

保护性耕作是相对于传统耕翻而言的一种新型土壤耕作技术[6],具有减少土壤水土流失、增加雨水蓄存、缓解传统耕作对生态环境的破坏等优点[7]。免耕和覆盖作为保护耕作的技术,其对土壤结构、水气分配及作物产量有较大的影响；免耕对土壤物理性质的影响好坏均有报道,而覆盖则多对土壤理化性质有改善作用[8-9]。然而,免耕和覆盖对红壤旱地土壤理化性质的影响如何,尚未见详细的研究。因而,本文以红壤旱地为研究对象,通过设置免耕和稻草覆盖等处理,探讨了免耕和覆盖对红壤旱地土壤物理性质和玉米产量的影响,以期为合理利用红壤旱地、提高作物产量、增加经济效益提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

本试验地点位于湖北咸宁市,属典型的亚热带大陆性季风气候,冬季盛行偏北风,偏冷干燥;夏季盛行偏南风,高温多雨。区域年均气温16.8 ℃,年均降雨量1577.4 mm,水热资源丰富,但时空分布极不均匀,春季和夏初水土流失严重,伏秋干旱严重,对该地区的农业生产影响很大。该地区地带性土壤主要为红壤,成土母质为第四纪红色黏土。

1.2 试验设计

试验始于2014年,选择地形、坡度、肥力水平一致的红壤旱地作为试验地块；以常规耕作(CT)为对照,设置常规耕作+稻草覆盖(CT+M)、免耕(NT)、免耕+稻草覆盖(NT+M)3个处理,各处理重复3次,完全随机区组排列,小区面积为120 m2(长3 m×宽40 m)。其中,免耕不进行任何耕作处理；常规耕作以当地翻耕+旋耕的方式进行耕作,翻耕深度为20 cm左右,旋耕深度为15～20 cm,次数为1～2次;覆盖材料为自然风干的稻草秸秆,覆盖量为3000 kg/hm2,在玉米出苗后进行覆盖。供试玉米品种为鄂玉16号。含免耕的处理(NT、NT+M)进行开穴点播；含常规耕作的处理(CT、CT+M)进行开沟点播,株行距均为0.4 m×0.5 m;各处理的施肥水平均为总氮150 kg/hm2、P2O550 kg/hm2、K2O 195 kg/hm2,基肥∶追肥=7 ∶3;在试验期间保持各处理的除草、施药等田间管理措施基本一致。试验从2014年4月10日玉米播种开始，至2014年7月15日玉米收获时结束。

1.3 土壤样品采集与分析

土壤容重、水分常数的测定:在玉米收获前(7月10日)挖掘土壤剖面,并分0～20 cm、20～40 cm两个土层采集环刀样，用于测定土壤容重、土壤水分常数(饱和持水量、毛管持水量和田间持水量)。

土壤孔隙度的测定:通过测定土壤容重及土壤水分常数可计算得出非毛管孔隙度、毛管孔隙度、总孔隙度,计算公式如下:土壤非毛管孔隙度(体积分数,%)=0.1×[饱和持水量(g/kg)-毛管持水量(g/kg)]×土壤容重(g/cm3)/水的密度(g/cm3);土壤毛管孔隙度(体积分数,%)=0.1×毛管持水量(g/kg)×土壤容重(g/cm3)/水的密度(g/cm3);土壤总孔隙度(体积分数,%)=土壤非毛管孔隙度(体积分数,%)+土壤毛管孔隙度(体积分数,%)。

土壤紧实度的测定:在玉米收获前(7月9日)采用土壤紧实度仪(SC900型),每2.5 cm为1层，测定0～40 cm土层的土壤紧实度。

玉米产量的测定:于收获期(7月15日)在各小区随机选择30株长势均匀的玉米,将所有果穗取下,充分干燥后脱粒称重,计算产量。

1.4 数据处理

用Excel软件对试验数据进行基本处理,用Origin 8.1软件进行作图,用SPSS 18.0软件进行方差、相关性分析。

2 结果与分析

2.1 不同处理对土壤容重的影响

如表1所示：0～20 cm土层的土壤容重表现为NT处理显著高于CT、CT+M处理(P<0.05),而CT、CT+M和NT+M处理间差异不显著(P>0.05); 20～40 cm土层的土壤容重在不同处理间差异不显著(P>0.05)。说明与常规耕作相比,免耕可引起表层土壤容重增加(增幅为2.5%),而稻草覆盖对土壤容重的影响较小。

表1 不同处理对土壤容重的影响g/cm3

注：同列数据后附不同小写字母表示同土层不同处理间差异显著。

2.2 不同处理对土壤紧实度的影响

如图1所示,不同处理的0～25 cm土层土壤紧实度具有比较明显的变化规律,均表现为CT、CT+M处理显著低于NT、NT+M处理(P<0.05)；而25～40 cm土层土壤紧实度的变化相对复杂,并未呈现一定的规律;在相同耕作条件下，稻草覆盖与不覆盖处理间部分土层的土壤紧实度具有一定的差异。可见,免耕可引起0～25 cm土层土壤紧实度的增加,而稻草覆盖对土壤紧实度的影响较小。

2.3 不同处理对水分常数的影响

如图2所示,0～20 cm土层土壤饱和持水量表现为NT、NT+M处理显著低于CT+M处理(P<0.05),CT和CT+M处理间差异不显著(P>0.05);20～40 cm土层土壤饱和持水量在不同处理间不存在显著差异(P>0.05)。不同处理下土壤毛管持水量的表现与田间持水量大致相同,其中:0～20 cm土层土壤毛管持水量在CT+M、NT+M处理间存在显著差异(P<0.05),在其它处理间差异不显著(P>0.05);0～20 cm土层土壤田间持水量在CT+M、NT处理间存在显著差异(P<0.05),在其它处理间差异不显著(P>0.05);20～40 cm土层土壤田间持水量和毛管持水量在不同处理间差异均不显著(P>0.05)。可见,与常规耕作相比,免耕主要降低了0～20 cm土层的土壤饱和持水量,对土壤毛管持水量和田间持水量的影响较小;而稻草覆盖对0～40 cm土层土壤水分常数的影响较小。

2.4 不同处理对土壤孔隙度的影响

从图3可以看出：土壤非毛管孔隙度介于2.60%～17.24%,以0～20 cm土层土壤非毛管孔隙度整体较高。0～20 cm土层土壤非毛管孔隙度表现为CT、CT+M处理显著高于NT、NT+M(P<0.05),而在不同处理间20～40 cm土层非毛管孔隙度差异不显著(P>0.05)。土壤毛管孔隙度以NT、NT+M处理较高,0～20 cm土层土壤毛管孔隙度表现为CT+M处理显著低于NT和NT+M处理(P<0.05),而在其它处理间差异不显著(P>0.05)；各处理间20～40 cm土层土壤毛管孔隙度差异不显著(P>0.05)。在不同处理间0～40 cm土层土壤总孔隙度差异不显著(P>0.05)。说明免耕主要降低了0～20 cm土层土壤非毛管孔隙度,对土壤毛管孔隙度和总孔隙度的影响较小;而覆盖对土壤孔隙状况的影响较小。

图1 不同处理对土壤紧实度的影响

A：饱和持水量； B：毛管持水量； C：田间持水量;不同小写字母表示同土层不同处理间差异显著。

A：非毛管孔隙度； B：毛管孔隙度； C：总孔隙度。

2.5 不同处理下玉米产量及其与土壤物理性质的相关性

由图4可见：CT+M处理下的玉米产量显著高于其它3个处理下的(P<0.05),达到了9101.10 kg/hm2,分别比CT、NT和NT+M处理高10.53%、28.48%、12.51%；另外，玉米产量均表现为含稻草覆盖的处理显著高于不含稻草覆盖的处理,平均高12.22%(P<0.05)。可见,与常规耕作相比,免耕在一定程度上降低了玉米产量,而稻草覆盖则提高了玉米产量,并缓解了免耕条件下玉米产量的下降。

为了进一步分析土壤物理性质对玉米产量的影响,分别将0～20 cm和20～40 cm的土壤物理性质与玉米产量作相关性分析。结果(表2)表明：玉米产量与0～20 cm土壤容重呈显著负相关(P<0.05),与0～20 cm土层土壤饱和持水量、非毛管孔隙度、总孔隙度呈极显著正相关(P<0.01);而玉米产量与20～40 cm土壤物理性质的相关性较低,仅与20～40 cm土层土壤紧实度呈极显著正相关(P<0.01)。

图4 不同处理对玉米产量的影响

土层容重最大持水量毛管持水量最小持水量非毛管孔隙度毛管孔隙度总孔隙度紧实度0～20 cm-0.646∗0.847∗∗-0.376-0.5120.749∗∗-0.4900.710∗∗-0.57020～40 cm0.259-0.176-0.268-0.3560.086-0.374-0.3160.724∗∗

注：“*”表示显著相关；“**”表示极显著相关。

3 讨论与结论

免耕可减少耕作次数,改变土壤的结构和容重[10]。许多研究表明,免耕土壤的物理条件等同或优于传统耕作土壤[11-13],同时,免耕条件下土壤容重增加的情况也有报道[14]。土壤容重是反映土壤紧实状况的指标之一[15],免耕对土壤紧实状况也势必也产生不同的影响。本研究表明免耕可引起0～20 cm土层土壤容重和0～30 cm土层土壤紧实度的增加。这印证了上述部分研究结果,原因在于红壤本身比较粘重,在免耕条件下加剧了土壤板结情况。免耕对土壤水分常数、孔隙度的影响也屡见报道[16-17],均指出免耕可改善土壤的持水性能,但免耕对土壤孔隙度的影响各异。本研究结果表明,相比于常规耕作,免耕降低了0～20 cm土层土壤非毛管孔隙度,而对土壤毛管孔隙度和总孔隙度的影响较小。这与他人的研究结果有出入,原因在于免耕减少了耕作频率,必将造成土壤非毛管孔隙度的下降,但红壤旱地土壤孔隙度以毛管孔隙度为主(占红壤总孔隙度的80%左右),且本身粘重,其毛管孔隙度的变化幅度较小。基于免耕对红壤旱地土壤孔隙度的影响,因而造成0～20 cm土层土壤饱和持水量的降低。

众多研究表明,作物秸秆覆盖可降低土壤容重,改善土壤通透性和保水保肥性,改善土壤团聚体结构,提高土壤水分含量[18-20]。本研究表明,稻草覆盖可在一定程度上改善土壤容重、水分常数以及孔隙度状况,但其对这些指标的影响较小。这是因为将稻草覆盖在红壤旱地表面，其难以进入红壤旱地耕层,进而难以影响土壤的物理性质。

由于不同耕地的土壤质地、性质各异,因此免耕对土壤物理性质、蓄水保墒和聚肥增效能力的影响也不同,进而对作物产量的影响不尽相同[21-24]。本研究发现,免耕降低了玉米的产量,原因在于红壤旱地免耕不利于玉米根系的生长,进而影响对养分的吸收。大量研究表明,作物秸秆覆盖可提高作物的产量[20,25],这在本研究中得到了证实。本文相关性分析结果表明,玉米产量受0～20 cm土层土壤容重、饱和持水量、非毛管孔隙度、总孔隙度的影响较大,可见秸秆覆盖通过改善红壤旱地的土壤物理性质提高了玉米产量。

当然，免耕和稻草覆盖还可能影响土壤的养分状况和土壤微生态环境[26,27],从而对作物产量造成一定的影响。但本研究没有探讨这些影响。因而,免耕和稻草覆盖对红壤旱地土壤化学、生物性质的影响有待于进一步研究。