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(1.中國科學(xué)院 東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所，吉林 長春 130012；2.中國科學(xué)院 研究生院，北京 100049)

水資源短缺是干旱和半干旱區(qū)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要限制因素之一[1-2]。長期以來，水資源匱乏一直影響著我國干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，而中國旱地面積占全國總土地面積的52.5 %[3]。東北半干旱區(qū)水資源有限[4-7]，當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)使用深層承壓水(EC=1 dS·m-1，pH=7.2)灌溉，使地表土壤容易形成板結(jié)，并存在土壤次生鹽漬化風(fēng)險。此外，該地區(qū)農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施落后，小型農(nóng)機(jī)(小四輪拖拉機(jī))一直是當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)普遍使用的農(nóng)用機(jī)械。小四輪拖拉機(jī)長期作業(yè)容易形成堅硬的波浪型犁底層[8-9]，土壤耕層淺，耕層以下的土壤緊實，土壤蓄水能力差，土壤水分有效性低[10]。加上東北有大片蘇打鹽漬土分布，土壤水分條件更加惡劣，嚴(yán)重制約當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)發(fā)展，亟須改善。東北地區(qū)是中國未來糧食的后備產(chǎn)區(qū)，是中國重要的商品糧基地，解決制約該區(qū)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的瓶頸問題，對于保護(hù)全國糧食安全有重要的戰(zhàn)略意義[11]。

有研究結(jié)果表明，深松可有效打破犁底層，提高水分入滲深度[10]和水分利用率，促進(jìn)作物根系生長發(fā)育[12]，提高作物產(chǎn)量[13]。但深松對不同土層的密度，含水量和田間持水量的影響不同[14-15]。針對試驗區(qū)干旱缺水和犁底層阻礙水分入滲和作物扎根等問題，研究不同深松措施對打破傳統(tǒng)耕作形成的波浪型犁底層，降低土壤緊實度，改善深層土壤滲透能力[16-17]等方面的作用，以其為當(dāng)?shù)馗鞔胧┑膬?yōu)化配置和現(xiàn)有農(nóng)機(jī)具的合理組合提供參考。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗地點設(shè)置于吉林省白城市大安市樂勝鄉(xiāng)長洪村，中心位置為45°27′N，123°31′E，該區(qū)屬于半濕潤半干旱季風(fēng)氣候區(qū)，年平均氣溫4.7 ℃。年降水量為413.7 mm，主要集中在7月到9月。年蒸發(fā)量為1 749 mm，是年降水量的4倍以上，無霜期142 d。土壤類型為風(fēng)沙土，耕層土壤中砂土占82.0 %，壤土占12.2 %，黏土占5.8 %。2011年，國家氣象中心農(nóng)業(yè)氣象中心數(shù)據(jù)顯示，吉林西部土壤20 cm處于缺墑或持續(xù)缺墑的狀態(tài)，2011年初至10月下旬，該區(qū)實際降水量為379 mm(源于http://www.cma.gov.cn/)。

1.2 試驗設(shè)計

試驗設(shè)4個處理：處理1是深松40 cm(S40)；處理2是深松60 cm(S60)；處理3是全方位深松40 cm(SQ40)；處理4是對照(CK)，不做任何深松處理。處理1 和處理2 都由鑿式深松機(jī)完成，處理3由倒梯形全方位深松機(jī)完成，作業(yè)動力是雷沃824拖拉機(jī)。深松處理完成后即開始對所有處理進(jìn)行起壟播種，壟寬60 cm，株距25 cm，供試作物是高粱(Sorghumvulgare)，品種是“鳳雜四號”，不同處理試驗地的田間管理措施相同。

1.3 測試分析方法

分別在試驗處理布置完成后(5月19日)和作物成熟后(10月22日)對壟臺進(jìn)行密度，孔隙度，緊實度，土壤飽和導(dǎo)水率以及土壤含水量等指標(biāo)測試，并且對作物產(chǎn)量和根系做了采樣分析，每次測試均為3次重復(fù)。密度采用環(huán)刀法測試，孔隙度計算可得，緊實度采用土壤緊實度儀SC-900實地測得，土壤飽和導(dǎo)水率使用Guelph入滲儀實地監(jiān)測，并采用雙水頭法計算飽和導(dǎo)水率，土壤按0～20 cm，20 cm～40 cm，40 cm～60 cm，60 cm～80 cm，80 cm～100 cm分層采樣，其含水量采用烘干法測定。利用EXCEL和SPSS 17.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計分析，并用Origin 8.0作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 深松對土壤密度和孔隙度的影響

旱田起壟后，深松處理的壟臺耕層土壤受起壟和深松的雙重作用，其密度有明顯下降趨勢，深松僅能打破堅硬的犁底層土塊，并未粉碎，其密度變化不明顯。密度和孔隙度結(jié)果如表1所示?？梢钥闯?，春季深松與起壟的擾動作用促使耕層土壤密度降低，孔隙度增大，未深松的土壤經(jīng)過起壟作業(yè)也可以明顯降低耕層土壤密度。結(jié)果表明，起壟作業(yè)是耕層土壤密度降低和孔隙度增大的主要原因，深松對犁底層土壤密度有降低作用，但是效果不明顯，與王俊河等的研究結(jié)果一致[18]。

經(jīng)過一個作物生長期，土壤自身的沉積和壓實作用，耕層土壤密度有所增加，深松處理耕層土壤密度比春季增加了20.8 %，孔隙度降低了13.5 %，達(dá)到了差異顯著水平(p<0.05)，犁底層土壤密度增加了3.1 %，孔隙度降低了2.2 %，差異不明顯；未深松處理耕層土壤密度比春季增加了17.8%，孔隙度降低了12.7 %，達(dá)到了差異顯著水平(p<0.05)，犁底層土壤密度增加了3.0 %，孔隙度降低了3.4 %，差異不明顯。 結(jié)果表明，耕層土壤密度和孔隙度在作物生長期前后變化幅度大，說明作物生長期的管理措施和土壤自身的壓實作用對耕層土壤密度和孔隙度影響顯著，而對犁底層的影響不明顯。土壤有自身平衡作用，將最終達(dá)到一個較穩(wěn)定狀態(tài)。

表1 深松后每個土層的密度和孔隙度Tab.1 Soil density and porosity of each layer after sub-soiling

注：小寫字母表示置信度為95%時的多重比較結(jié)果。下同。

2.2 深松對土壤緊實度的影響

長期單一的耕作制度導(dǎo)致土壤緊實[19]，深松可有效降低土壤緊實度[18]。春秋兩季的土壤緊實度，如表2所示?？梢钥闯觯寥栏麑?～15 cm內(nèi)不同處理的緊實度差異不顯著。15 cm～25 cm則是長期耕作產(chǎn)生的犁底層，可以看出對照均比各處理緊實度值大，且達(dá)到差異顯著水平(p<0.05)；鑿式深松比全方位深松更利于降低犁底層土壤緊實度，影響更為顯著(p<0.05)。對于犁底層以下的土層來說對照均比各處理緊實度值大，且都達(dá)到了差異顯著水平(p<0.05)，說明各深松處理均能有效降低各層土壤緊實度，鑿式深松比全方位深松更能有效地打破堅硬的犁底層，與石彥琴等的研究結(jié)果一致[18-19]。

表2 深松后每個土層的緊實度Tab.2 Soil compactness of each layer after sub-soiling

秋季田間測定的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，不同處理未對0～15 cm土層的緊實度產(chǎn)生顯著影響。各深松處理15 cm～25 cm犁底層緊實度均小于對照，且達(dá)到差異顯著水平(p<0.05)；鑿式深松土壤的緊實度小于全方位深松，但差異未達(dá)到顯著水平。對于犁底層以下的土壤，對照均比各深松處理緊實度值大，且都達(dá)到差異顯著水平(p<0.05)，只有S40與SQ40在35 cm～45 cm的緊實度與對照是差異顯著水平。說明經(jīng)過一個作物生長期，各處理的各層土壤緊實度有一定的沉積壓實現(xiàn)象，但是變化不顯著。

2.3 深松對土壤含水量的影響

整個生長季降水主要集中在6-7月，有效降水約250 mm，表3為春秋兩季所測得的土壤含水量?？梢钥闯?，在春季灌溉前，處理1，處理2和處理3對耕層土壤含水量的影響不明顯，分別比對照含水量多出了12.7 %，13.0 %和10.4 %；但是對20 cm～40 cm土層土壤含水量的影響顯著，處理1，處理2，處理3分別比對照含水量多出了2.0 %，18.0 %，7.8 %，其中S60與對照達(dá)到差異顯著水平(p<0.05)。由此可得出，3種耕作措施都可以增加耕層土壤水分含量，而且深松深度越大對犁底層土壤破壞性越大，犁底層土壤保墑效果越好。對于犁底層以下的土壤來說，含水量的多少對土體的保墑作用有很大的影響?？梢钥闯觯琒60對40 cm～60 cm土層的土壤含水量影響顯著，SQ40次之，S40效果不明顯，說明S60處理對增加犁底層以下土壤含水量的效果最佳，其次是SQ40和S40。對于深松機(jī)達(dá)不到的深層土壤60 cm～100 cm，各處理與對照間土壤含水量差異不顯著。

秋季的有效降水幾乎為零，經(jīng)過了5個多月的農(nóng)田管理，各個處理不同土層的土壤含水量有了明顯的變化，經(jīng)過深松處理的土壤耕層含水量顯著高于對照(p<0.05)，說明經(jīng)過深松處理的土壤耕層保墑效果好，水分條件得到改善。S40在20 cm～40 cm土層的含水量都較其他處理高，見表3。而在40 cm～60 cm土層各處理均比對照含水量大，且SQ40與對照達(dá)到差異顯著水平(p<0.05)，說明土壤水分能容易到達(dá)深松機(jī)所耕作到的底部，而未深松到的深層土壤入滲效果較差。60 cm～100 cm土層各處理間含水量差異不明顯，說明深松對深層土壤的水分條件改善效果不明顯。

表3 深松后每個土層土壤含水量Tab.3 Soil water content of each layer after sub-soiling

2.4 深松對田間飽和導(dǎo)水率的影響

圖1 不同處理的土壤飽和導(dǎo)水率Fig.1 Soil saturated hydraulic conductivity in different treatments

田間飽和導(dǎo)水率是衡量土壤導(dǎo)水能力的重要指標(biāo)，對調(diào)節(jié)土壤含水量和預(yù)防干旱有重要的指導(dǎo)作用[20]。土壤是個多孔介質(zhì)[21]，深松處理更能增加土壤孔隙度，從而增加土壤的導(dǎo)水性能。由于S40和S60均是鑿式深松處理，對耕層和犁底層田間飽和導(dǎo)水率的作用差異不明顯，分別對耕層和犁底層田間飽和導(dǎo)水率進(jìn)行測試，結(jié)果如圖1所示。

深松處理對田間飽和導(dǎo)水率的影響明顯，鑿式深松與全方位深松處理耕層田間飽和導(dǎo)水率分別比對照增加了294.1 %和37.7 %，犁底層土壤的田間飽和導(dǎo)水率分別比對照增加了476.9 %和128.6%。結(jié)果表明，春耕前的土壤導(dǎo)水性能差，深松處理不僅對耕層土壤導(dǎo)水性能有很大的改善作用，而且對犁底層有一定的破壞作用，鑿式深松比全方位深松的破壞效果更為顯著，可以顯著增強(qiáng)土壤的導(dǎo)水性能。

2.5 深松對作物的影響

犁底層阻礙作物根系的生長，深松處理可打破犁底層，改善深層土壤水分條件，改變根系在土壤中的分布[22]，對作物根系生長有積極作用[23]。不同處理間根長，根質(zhì)量，根數(shù)及產(chǎn)量的差異如表4所示。

表4 深松對作物的影響Tab.4 The influence of sub-soiling to crops

由表4得出，深松處理對作物根系數(shù)量沒有顯著影響，但對根長和根質(zhì)量有較明顯的作用。S60根長能達(dá)到24 cm，根質(zhì)量達(dá)到76.3 g，與其他處理相比，根長均達(dá)到差異顯著水平(p<0.05)，而S40和SQ40根長分別比對照增加了12.4 %和17.2 %，根質(zhì)量分別增加了33.3 %和102.9 %?？梢钥闯?，不同處理對作物根系生長的促進(jìn)作用不同，其效果由大到小依次是：S60>SQ40>S40。由于不同處理間土壤水分含量不同，產(chǎn)量也有所差異，與對照相比，S40增產(chǎn)12.8 %，S60增產(chǎn)19.7 %，SQ40增產(chǎn)22.6 %，不同深松處理均有顯著的增產(chǎn)作用。

3 討 論

耕作是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)不可或缺的部分，適當(dāng)?shù)母髂芙档屯寥赖木o實度，增加土壤通氣透水能力和提高土壤保墑能力。深松和起壟作業(yè)能有效降低耕層土壤密度，增加耕層土壤的孔隙度，但對犁底層土壤密度和孔隙度改善不明顯；鑿式深松和全方位深松對降低土壤緊實度均有顯著影響，鑿式深松比全方位深松更能有效地打破犁底層，S60比S40對打破犁底層效果更佳。作物生長期結(jié)束時，各土層的緊實度相對變化不明顯。深松處理比對照更能增加土壤水分，水分可以較容易的入滲到深松機(jī)所能到達(dá)的土層，而更深層的土壤含水量處理間差異不顯著。對于作物而言，深松處理并不能較好的增加作物根系數(shù)量，但對增加根系的重量和長度都有顯著影響，其中S60對作物的根系生長發(fā)育效果最佳，SQ40次之，S40效果最差，對產(chǎn)量增加也有顯著作用，其作用大小依次是SQ40>S60>S40。

深松處理能改善作物生長所需要的土壤物理條件，為作物提供更多的養(yǎng)分和水分，促進(jìn)作物根系生長和增產(chǎn)。但是，由于當(dāng)?shù)氐纳a(chǎn)力水平并沒有顯著提高，小型農(nóng)用機(jī)械仍然是主要的農(nóng)用工具，還會逐漸形成波浪型犁底層。所以有必要加強(qiáng)土壤深松的頻率以阻礙犁底層的再次形成。

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