保護性耕作是相對於傳統翻耕的新型耕作技術,以秸稈覆蓋、免耕播種、以鬆代翻、化學除草為特點,具有蓄水保墒、培肥地力、節本增效、防治農田揚塵、減少水土流失、促進農業可持續發展等作用,其在水資源貧乏、風多沙大、植被稀疏、農業生態環境十分脆弱的我國北方旱作農業區具有重要的應用價值[1].雖然保護性耕作已逐步受到國內外學者的普遍關注,國內學者也相繼在河南[2]、山西[3]、黃土高原旱塬地[4]、東北黑土區[5]等地開展了保護性耕作與農業節水[6]、作物產量[7]及生態效益[8]等方面的研究,形成了成熟的耕作技術體系,並取得了大量的研究成果,但由於土壤環境的區域差異較大,這些結果還不能直接照搬,在具體實施前還應根據當地的氣候、土壤和農業生產條件進行系統地實踐研究,才能最大地發揮其生產、生態效應.為此,本文以華北地區農業生產的重要限制因子———土壤水分為切入點,以北京郊區主要推行的1年1熟春玉米(Zeamays)種植耕地為物件,在昌平地區佈設大田試驗,對比研究了免耕和傳統翻耕條件下的水土效應,分析了不同耕作方式對土壤水分時空動態變化及土壤相關物理性質的影響,以期為北京郊區免耕效應評價和田間管理提供科學依據.
1研究區域與研究方法
1?1研究區概況
試驗地位於北京市昌平區興壽鎮桃林村(40°13′N,116°25′E)的大田中.該區域屬溫帶大陸性半乾旱季風氣候,全年四季分明,年均氣溫11?8℃,年均降水量579?1mm,降水年內分佈不均,主要集中在6—9月.試驗區土壤為潮土,土層深厚,地下水埋深10m以下,土壤基礎肥力較好.農業生產主要推行1年2熟的冬小麥-夏玉米和1年1熟的春玉米耕作制度,由於小麥生產投入多、效益差,農民種植積極性普遍不高,因此試驗地選種春玉米.耕作上,當地多采用秋翻地晾垡晒垡技術,冬春季有近半年時間的土地休閒,由於北京地區冬、春季節氣候乾旱、多風,裸露的耕地極易產生揚沙揚塵.據相關研究,以傳統耕作方式形成的翻耕裸露農田,已成為北京生態環境的重要汙染源[1].
1?2試驗設計
2006年4月至2008年9月進行試驗.為了單純比較耕作方式對土壤水分和相關土壤物理性質的影響,瞭解區域土壤環境對耕作方式的自然適應性,本文中的大田試驗完全不進行灌溉.在對試驗區全面調查的基礎上,選擇有代表性的樣地作為試驗田.試驗共設2個處理:傳統翻耕(CT),玉米收穫後留茬20~30cm,其餘秸稈全部收穫,次年春播前翻耕土地,翻耕深度約30cm;免耕覆蓋(NT),全年不翻耕,標準免耕機粉碎玉米秸稈後覆蓋地表,秸稈粉碎後長度<10cm,用量7500kg?hm-2,次年春播時採用免耕播種機一次性完成施肥和播種.每個處理在田間以20m×5m規格分別佈設2個大田小區,區間間隔1m,小區四周作壟與大田分隔.每個試驗小區除耕作方式和除草劑的使用不同外,其餘田間管理均相同,其作物間距、作物播種量和作物品種均與當地農作習慣一致.
1?3研究方法
在春玉米整個生長期(4—9月),採用天津氣象儀器廠生產的SDM6A型雨量器測定降雨量,並每兩週監測土壤0~10、10~20、20~30、30~40、40~60、60~80、80~100cm土層的土壤含水量,10月至次年3月停止監測.每個樣地設3個取樣點,每土層取3個重複.用土鑽分層取土,並用烘乾法(105℃下烘10~12h)測定土壤質量含水量,土壤水分取平均值.在免耕3年後(即2008年),春玉米收穫後測定兩種耕作方式下土壤剖面各土層的容重(環刀法測定)以及耕層的機械組成(吸管法測定)和土壤團聚體組成(幹篩和溼篩法測定).相關引數的計算方法為:1)土壤貯水量DM=θm?ρ?h[9],式中:DM為土壤貯水量(mm);θm為土壤質量含水量;ρ為土壤容重(g?cm-3);h為土壤厚度(mm).2)春玉米籽實水分利用效率WUE(kg?hm-2?mm-1)=Y/ET[10],式中:Y為春玉米籽實產量(kg?hm-2);ET為蒸散量(mm),ET=P-ΔS,其中,P為作物生長期間的降水量(mm),ΔS為收穫期與播種期土壤貯水量之差(mm).
2結果與分析
2?1北方旱作玉米地土壤貯水量隨時間及降水的變化特徵
在春玉米整個生長期,研究區免耕和翻耕地0~100cm土層的土壤貯水量隨時間及降水的變化趨勢一致,且免耕土壤的貯水量在不同時刻和不同降雨條件下均高於翻耕土壤(圖1),這與免耕覆蓋對土壤水分蒸發的抑制作用及其對土壤物理性質的改善密切相關.免耕有利於降低土壤容重、增加土壤孔隙度、提高液相所佔比例,使其三相比更趨近於農業土壤最理想的三相比(2∶1∶1)(表1);免耕土壤水穩性團聚體的數量均明顯大於傳統翻耕,粒徑0?25~0?5、0?5~1、1~2以及>2mm的土壤水穩性團聚體含量分別是翻耕的3?0、7?2、4?8和7?5表1免耕和翻耕條件下土壤的容重、孔隙度和三相組成Table1Soilbulkdensity,porosityandtheratioofsoilparticle,waterandairintheno-tillageandconventionaltillagetreatments耕作方式Tillagepattern容重Bulkdensity(g?cm-3)總孔隙度Totalporosity(%)固相率Ratioofsoilparticle(%)液相率Ratioofsoilwater(%)氣相率Ratioofsoilair(%)NT1?350?149?925?724?4CT1?448?751?323?725?0NT:免耕No-tillage;CT:翻耕Conventionaltillage.下同Thesamebelow.表2免耕和翻耕條件下土壤>0?25mm團聚體含量Table2Contentofsoilwaterstableaggregate(>0?25mm)intheno-tillageandconventionaltillagetreatments(%)耕作方式Tillagepattern0?25~0?5mm0?5~1mm1~2mm>2mmNT0?870?790?290?30CT0?290?110?060?04倍(表2),由於土壤中>0?25mm的水穩性團聚體含量是影響土壤團聚特徵和穩定性的主要因子,土壤中>0?25mm的團聚體越多,團聚體的水穩性越大,團聚體的破壞率越低[11],故免耕土壤團聚體的水穩性較好.上述土壤物理特性的改善均有利於增加土壤的保水效能.由於土壤水分狀況受降水量、作物吸收和蒸發、蒸騰等因素的綜合影響,免耕較翻耕土壤水分的增量在不同時期的差異較大,其增幅(2?7%~30?3%)表現出較大的波動範圍.
2?2北方旱作玉米地土壤含水量的剖面分異
不同耕作方式對土壤含水量及其剖面分異均有較大影響(圖2).研究區免耕土壤全剖面(0~100cm)的平均含水量分別較傳統翻耕高3?4%(2006年)、10?0%(2007年)、12?8%(2008年),且各土層的土壤含水量均普遍高於對應的翻耕土層,其中0~10cm和80~100cm的土壤水分增量明顯高於中間土層.2006、2007年,與翻耕地相比,免耕地0~10cm土層的水分增幅最大,增幅分別為15?3%和18?3%;受降雨量增大的影響,2008年土壤的總體含水量較2006、2007年有所增加,與翻耕地相比,免耕地60~80cm和80~100cm土層的水分增幅較大,分別為22?2%和19?9%,0~10cm土層的增幅達14?4%.免耕減少了對土層的擾動,有利於抑制土面的無效蒸發,提高表層水分含量,而在降水比較充分的條件下又有利於保持土壤的深層蓄水,從而提高水分利用率.