耕作方式对冀西北栗钙土土壤物理性状及莜麦生长的影响_王岩

第30卷 第4期 农 业 工 程 学 报 Vol.30 No.4

2014年 2月 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Feb. 2014 109

耕作方式对冀西北栗钙土土壤物理性状及莜麦生长的影响

王 岩1,2，刘玉华1,2※，张立峰1,2，窦铁岭1,2

（1. 农业部张北农业资源与生态环境重点野外科学观测试验站，张北 076450；

2. 河北农业大学农学院，保定 071000）

摘 要：为了探索不同耕作方式对冀西北栗钙土农田土壤物理性状及莜麦生长的影响，以河北省张北县10 a栗钙土长期定位试验莜麦田为研究对象，研究了免耕、松耕和翻耕对莜麦田土壤容重、土壤含水率、土壤硬度及莜麦生长的影响。结果表明：松耕和翻耕可以显著降低莜麦播种期到拔节期土壤容重，播种期免耕土壤容重1.49 g/cm3，松耕和翻耕分别为1.31和1.30 g/cm3；不同耕作方式对土壤含水率影响不大；免耕显著提高土壤硬度，拔节期免

，为翻耕2.53倍（P

壤含水率关系模型表明高土壤容重条件下土壤硬度对土壤含水率更敏感，低土壤含水率条件下土壤硬度对土壤容重更敏感；免耕莜麦株高和叶面积生长受到抑制，穗数和穗粒数显著降低，经济产量413.79 kg/hm2，分别为松耕和翻耕的62.27%和51.64%。栗钙土莜麦田免耕与松耕、翻耕相比土壤容重大，土壤硬度高，莜麦产量显著降低；3种耕作方式中，松耕是兼顾生态与经济效益的耕作措施。

关键词：土壤；含水率；硬度；耕作方式；容重；莜麦；栗钙土 doi ：10.3969/j.issn.1002-6819.2014.04.014

中图分类号：S345；S341.1 文献标志码：A 文章编号：1002-6819(2014)-04-0109-09 王 岩，刘玉华，张立峰，等. 耕作方式对冀西北栗钙土土壤物理性状及莜麦生长的影响[J]. 农业工程学报，2014，30(4)：109－117.

Wang Yan, Liu Yuhua, Zhang Lifeng, et al. Effects of tillage mode on chestnut soil’s physical characters and naked oats growth in Northwest Hebei province[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2014, 30(4): 109－117. (in Chinese with English abstract)

0 引 言

保护性耕作是一场技术革命，对提高耕地质量、增加农田生态系统碳储量、促进农业可持续发展具有重要意义，与传统耕作相比，有助于保护土壤和水资源，维护生态平衡[1]。然而，耕作方式的改变必然引起土壤物理性状的变化，实行免耕后是否会引起土壤板结进而影响作物生长，是人们普遍关心的问题[2]。土壤容重是衡量土壤质量的重要指标，而国内外关于不同耕作方式对土壤容重影响研究结果并不一致，Ismail 等[3]在美国肯塔基20 a保护性耕作试验研究认为，免耕与传统耕作间土壤容重没有明显差异，Chang 等[4]在黏土长期定位试验研究中也得到了相同结果；而Fererras 等[5]在阿根

免廷潘帕南部和Dam 等[6]在加拿大中部研究表明，

收稿日期：2013-07-26 修订日期：2014-01-15

基金项目：农业部公益性行业（农业）科研专项经费资助（201003053）；国家“十一五”科技支撑计划（2006BAD15B05）

作者简介：王 岩（1983－），男，河北安平人，博士生，主要研究方向集约农作制度。保定 河北农业大学农学院，071001。

Email: [email protected]

※通信作者：刘玉华（1964－），男，河北迁西人，博士、教授、博士生导师，主要研究方向集约农作制、农村区域发展。保定 河北农业大学农学院，071001。Email: [email protected]

耕会促使表层土壤容重增加10%左右；王昌全等[7]

在8 a旱地小麦免耕研究认为，免耕土壤容重不但小于翻耕，且随免耕年限的增加呈不断减小的趋势。Yavuzcan 等[8]、Ozpinar 等[9]在土耳其研究表明土壤容重通常以机械阻力形式影响作物生长；Atwell [10]、Masle 等[11]及Buttery 等[12]研究表明，高容重土壤中的植物株高和地上部干物质质量仅为低容重土壤中的60%～70%。国内外多位学者研究认为免耕可以改善土壤水分状况，王晓燕等[13]研究表明模拟降雨条件下秸秆覆盖可减少水土流失，稳定入渗率提高1.5～1.6倍；吕军杰等[14]研究指出在豫西坡耕地上，与传统耕作相比，免耕和深松农田贮水能力分别提高了5.67%和6.11%，小麦水分生产效率分别提高17.5%和8.5%；Cox 等[15]、Swan 等[16]、Bruce [17]、Hammel [18]和张海林等[19]分别在不同地区研究表明免耕比传统耕作土壤蓄水量增加10%以上。土壤硬度是影响植物生长和作物产量的重要指标，是土壤对外界垂直穿透力的反抗力，反映了土壤孔隙状况及土粒间结持力的大小[20]。土壤硬度直接关系到耕作阻力、作物出苗及根系生长发育[21]，McGarry 等[22]研究认为，由于保护性耕作中大量秸秆还田，能够降低土壤硬度。李华兴等[23]研究表明，与传统耕作相比免耕土壤硬度增大使水

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农业工程学报 2014年

稻产量降低13.4%。

针对不同耕作方式对土壤物理性状及作物生长的影响研究现状，结合冀西北寒旱区的生态治理对京津乃至华北地区的生态环境的影响，本文在农业部张北农业资源与生态环境重点野外科学观测试验站研究了不同耕作方式对栗钙土莜麦田耕层土壤物理性状及莜麦生长的影响，探索莜麦生产的合理耕作措施，以期为冀西北高寒区兼顾作物生产与环境保护提供技术依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验在地处冀西北寒旱区的农业部张北农业资源与生态环境重点野外科学观测试验站进行。试

垦殖率30%～验站所在区域土地面积约1×105 km2，

40%，人口近800万；年降水量340～450 mm，变异系数高达16.84%；年蒸发量1 710～1 980 mm，干燥度2.0～2.1，冬春季节（11月至翌年5月）降水量仅占全年的15%，春旱发生几率为36%～46%。区域土壤主要为砂质栗钙土，约占土地面积的65%，受寒旱气候与瘠薄土壤的刚性制约，地表植被稀疏，粮草产量低下。 1.2 试验设计

本试验基于2002年开始的不同耕作方式长期定位试验，于2010－2012年进行试验数据采集。试验设免耕处理NT （no tillage，收获后至播种前不扰动土壤，留茬高度在15～22cm ，应用广谱性除草剂于播种前进行土壤处理和苗期喷洒，采用免耕播种机播种，同时施入种肥）、松耕处理ST （subsoiling tillage，秋季收获后采用自主研发的平行杆式无壁松耕犁[24]耕作土壤，耕作深度25 cm，较少扰动表层土壤，留茬高度15～22 cm；播种施肥与免耕相同，但牵引力和镇压强度不同）、翻耕处理CT （conventional tillage，按当地传统耕作方式于秋后采用铧式犁耕翻土壤18 cm，春季旋耕10 cm后播种，采用普通播种机播种，播量、施肥与免耕相同）3个处理，4次重复，共12个小区，采用完全随机设计，每小区的面积为6 m×15 m，试验区总面积约2 250 m2。供试土壤为砂质栗钙土，莜麦品种为坝莜一号。

1.3 测定指标与方法 1.3.1 土壤容重测定

采用环刀法分别于播种期（5月25日―5月30日）、出苗期（6月20日―6月25日）、分蘖期（7月10日―7月15日）、拔节期（7月30日―8月5日）、抽穗期（8月20日―8月25日）、成熟期（9月10日―9月15日），测量0～5、>5～

10、>10～15、>15～20 cm 4个土层土壤容重，4层平均值为耕层（0～20 cm）土壤容重，每小区重复3次，105℃烘干至恒质量，计算土壤容重。 1.3.2 土壤含水率测定

采用烘干法分别于播种期（5月25日―5月30日）、出苗期（6月20日―6月25日）、分蘖期（7月10日―7月15日）、拔节期（7月30日―8月5日）、抽穗期（8月20日―8月25日）、成熟期（9月10日―9月15日）用土钻取土，测量0～10、＞10～20 cm 2个土层土壤水分，2层平均值为耕层（0～20 cm）土壤水分，每小区以S 型5点法取5次重复，105℃烘干8～12 h后称质量，计算土壤含水率。

土壤含水率=土壤水分×同期土壤容重。 1.3.3 土壤硬度测定

采用TJSD-750型土壤紧实度仪分别于播种期（5月25日―5月30日）、出苗期（6月20日―6月25日）、分蘖期（7月10日―7月15日）、拔节期（7月30日―8月5日）、抽穗期（8月20日―8月25日）、成熟期（9月10日―9月15日）测量0～5、>5～10、>10～15、>15～20 cm 4个土层土壤硬度，记录每层硬度最大值，4层平均值为耕层（0～20 cm）土壤硬度。每小区以S 型5点法重复5次。

1.3.4 莜麦生长动态及产量构成因素的测定

待莜麦地上部发育开始，分别于分蘖期（7月10日―7月15日）、拔节期（7月30日―8月5日）、抽穗期（8月20日―8月25日）、成熟期（9月10日―9月15日）每小区选取长势均匀的莜麦5株，用米尺测定株高、叶宽；单叶面积=叶长×叶宽×叶面积系数（0.75）；叶面积指数（LAI ）=平均单茎叶面积×每公顷总茎数/公顷土地面积；成熟期测定穗数、穗粒数和千粒重；莜麦成熟后，每小区去除保护行2 m人工实打实收，分别测量生物产量及经济产量。 1.4 数据分析

采用Excel2003和SAS9.2数据处理系统进行后期数据处理。

2 结果与分析

2.1 耕作方式对土壤容重的影响

由表1可以看出，同一生育时期，免耕土壤容重从播种期到拔节期均显著高于翻耕，松耕与翻耕间差异不显著，其中播种期免耕达到1.49 g/cm3，是松耕和翻耕的1.14～1.15倍，达到极显著水平；3种耕作方式抽穗期和收获期土壤容重介于1.40～1.50 g/cm3之间，差异不显著。不同生育时期，免

第4期 王 岩等：耕作方式对冀西北栗钙土土壤物理性状及莜麦生长的影响

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耕土壤容重各生育时期间变化不大，介于1.45～1.50 g/cm3之间；松耕和翻耕土壤容重从播种期到抽穗期呈增高的趋势，其中播种期分别为1.31和1.30 g/cm3，抽穗期分别达到1.44和1.46 g/cm3。不同耕作方式对土壤容重的影响主要作用于莜麦播种期至拔节期，抽穗期至收获期作用不明显，机械耕作极显著降低播种期土壤容重，经过播种期到抽穗期的自然沉降和淋溶，松耕和翻耕土壤容重逐渐增大，达到或接近免耕水平。

2.2 耕作方式对土壤含水率的影响

从3a 试验结果可以看出（图1），同一生育时期内，免耕、松耕和翻耕3种耕作方式间耕层土壤含水率变化不大，不同生育时期耕层土壤含水率基本呈现相同变化趋势。受年际间及年内不同生育时期降雨差异的影响，3种耕作方式耕层土壤含水率2010年均呈现单谷曲线（图1a ），2011年均呈现单峰单谷曲线（图1b ），2012年均呈现双谷双峰曲线（图1c ）。年际间及年内不同生育时期自然降水变异大，加之砂质栗钙土农田粗骨贫瘠、蓄水力差、多风干燥、气候干旱，免耕的土壤含水率蓄保效果难于实现，冀西北栗钙土农田不同耕作方式对耕层土壤含水率的影响变化不大。

表1 2010－2012年不同耕作方式下土壤容重

Table 1 Soil bulk density under different tillage modes from 2010 to 2012

处理 Treatment

年份 Year

不同生育时期的土壤容重

Soil bulk density under different tillage growth stages/(g·cm-3)

播种期 Sowing

出苗期 Seedling 1.51 1.45 1.47

分蘖期 Tillering 1.46 1.43 1.45

拔节期 Jointing

1.43 1.53 1.44

抽穗期 Heading 1.54 1.54 1.43

收获期 Maturity 1.42 1.43 1.55

2010 1.54

免耕 No tillage

2011 1.43 2012 1.50 平均

1.49aA 1.48aA 1.45aA 1.47aA 1.50aA 1.47aA

1.42 1.35 1.38

1.35 1.43 1.33

1.33 1.46 1.38

1.41 1.49 1.43

1.43 1.40 1.36

2010 1.42

松耕

Subsoiling tillage

2011 1.23 2012 1.28 平均

1.31bB 1.38bA 1.37abA 1.39bAB 1.44aA 1.40aA

1.37 1.40 1.38

1.34 1.39 1.33

1.39 1.45 1.38

1.44 1.51 1.43

1.40 1.45 1.36

2010 1.33

翻耕

Conventional tillage

2011 1.29 2012 1.28 平均

1.30bB 1.38bA 1.35bA 1.41bB 1.46aA 1.40aA

注：同列不同小写字母表示处理间差异显著（P

Note: Different small letters in the same column meant extremely significant difference at 0.05 level among treatments, different big letters in the same column meant significant difference at 0.01 level among treatments, the same below.

注：播种期 Sowing（5月25日―5月30日）；出苗期 Seedling（6月20日―6月25日）；分蘖期 Tillering（7月10日―7月15日）；拔节期 Jointing（7月30日―8月5日）；抽穗期 Heading（8月20日―8月25日）；收获期 Maturity（9月10―9月15日）。

图1 2010－2012年不同耕作方式下土壤含水率

Fig.1 Soil water content under different tillage modes from 2010 to 2012

112

农业工程学报 2014年

2.3 耕作方式对土壤硬度的影响

由表2可以看出，同一生育时期，免耕土壤硬度全生育期均高于松耕和翻耕，其中拔节期免耕58.51kg/cm2，为拔节期松耕1.74倍（P

表2 2010－2012年不同耕作方式下土壤硬度

Table 2 Soil hardness under different tillage modes from 2010 to 2012

处理 Treatment

年份 Year

不同生育时期的土壤硬度

Soil hardness under different tillage growth stages/(kg·cm-2)

播种期 Sowing

出苗期 Seedling 32.58 40.88 23.79 13.18 22.77 7.33 5.35 9.00 12.72

分蘖期 Tillering

拔节期 Jointing

抽穗期 Heading

收获期 Maturity

2010 52.99

免耕 No tillage

2011 9.39 2012 27.23 平均

2010 19.69

松耕

Subsoiling tillage

2011 4.80 2012 9.30 平均

2010 5.02

翻耕

Conventional tillage

2011 1.95 2012 6.93 平均

36.53 72.31 66.51 51.41 50.22 42.31 26.12 31.31 14.84 60.92 18.79 73.32 11.95 32.75 26.50 29.32 25.55 22.68 9.71 11.26 11.31 45.34 10.01 42.33 3.02 23.39 20.12 18.52 14.11 19.53 13.64 14.22 7.39 26.50 10.26 28.70

29.87aA 32.42aA 33.86aA 58.51aA 37.14aA 52.01aA

11.26abA 14.43bAB 16.27abA 33.59bAB 15.41aA 27.64bAB

4.63bA 9.02bB 8.17bA 23.14bB 14.67aA 20.48bB

2.4 栗钙土土壤硬度与土壤容重、土壤含水率的关系

综合表1和表2可以看出，2010－2012年同一耕作方式莜麦各生育时期同年土壤容重与土壤硬度均呈相近的变化趋势，表明土壤容重与土壤硬度呈正相关。对同一耕作方式同年同生育时期土壤硬度与土壤容重进行回归（图2a ）。回归结果表明，随土壤容重的增大土壤硬度呈指数型增高，土壤容重X 1与土壤硬度Y 的指数拟合方程为Y = 0.0011e 6.8838X 1（R 2=0.3604），土壤容重是决定土壤硬度的主要因素；随土壤容重增大土壤硬度数据点呈‘

果，应与土壤含水率有关。

综合图1和表2可以看出，2010－2012年同一耕作方式莜麦各生育时期同年土壤含水率与土壤硬度呈相反变化趋势，表明土壤硬度与土壤含水率呈负相关。对同一耕作方式同年同期土壤硬度与土壤含水率进行拟合（图2b ），回归结果表明，随土壤含水率的增大土壤硬度呈开口向上的一元二次多项式变化，土壤含水率X 2与土壤硬度Y 的一元二次拟合方程为Y =4783.3X 22−1071.7X 2+77.07（R 2= 0.2330），土壤含水率也是决定土壤硬度的重要因素；土壤硬度随土壤含水率增大呈‘>’发散型数据分布，二者拟合度在低土壤含水率时低，高土壤含水率高，低土壤含水率条件下土壤硬度受土壤容重制约。

Y =4783.3X 22-1071.7X 2+77.07 R 2=0.2330

图2 2010－2012年土壤硬度与土壤容重、土壤含水率的关系

Fig.2 Relationship between soil hardness and soil bulk density, soil water content from 2010 to 2012

第4期 王 岩等：耕作方式对冀西北栗钙土土壤物理性状及莜麦生长的影响

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基于上述分析，以土壤容重为X 1，土壤含水率为X 2，与土壤硬度Y 进行二元二次回归，得到回归方程：

Y =293.84X 12+4336.77X 22−1824.03X 1X 2−526.25X 1+ 1523.71X 2+234.82 (R 2=0.6184)

由SAS 9.2软件绘制出的砂质栗钙土莜麦田土壤硬度与土壤容重和土壤含水率三维图（图3）可以看出，低土壤容重时（1.23 g/cm3），土壤硬度随土壤含水率增加呈先降后升的趋势，介于2.22～

高12.46 kg/cm2，土壤含水率对土壤硬度影响不大；

3

土壤容重时（1.53 g/cm），土壤硬度随土壤含水率增加呈下降趋势，从79.06 kg/cm2降低到28.06 kg/cm2，土壤含水率对土壤硬度影响较大；其他土壤容重条件下土壤硬度与土壤含水率间的变化趋势介于二者之间。低土壤含水率时（3.44%），土壤硬度随土壤容重增大呈上升趋势，土壤容重从1.23 g/cm3增大到1.53 g/cm3，土壤硬度从12.46 kg/cm2升高到

高土79.06 kg/cm2，土壤容重对土壤硬度影响较大；

壤含水率时（11.94%），土壤硬度随土壤容重增大也呈上升趋势，但相同幅度的土壤容重增大土壤硬度仅从7.59 kg/cm2升高到28.06 kg/cm2，土壤容重对土壤硬度影响较小；其他土壤含水率条件下土壤硬度与土壤容重间的变化趋势介于二者之间。根据以上数学模型，可以用土壤容重与土壤含水率预测土壤硬度，为合理耕作、补水提供技术支持。

（LAI ）有显著影响，各生育期免耕均比松耕和翻耕LAI 低，其中拔节期差异最大，免耕为2.59，松耕和翻耕分别为4.68和4.82，而松耕与翻耕间差异不大。受免耕土壤容重、土壤硬度较高的制约，与松耕和翻耕相比，免耕莜麦在拔节期至收获期植株矮、叶面积小，直接影响光合产物的积累，最终造成产量降低。

注： 分蘖期 Tillering（7月10日―7月15日）；拔节期 Jointing（7月30日―8月5日）；抽穗期 Heading（8月20日―8月25日）；收获期 Maturity（9月10日―9月15日）。

图3 2010－2012年土壤硬度与土壤容重、

土壤含水率的回归模型

Fig.3 Regression model of soil hardness with soil bulk

density and soil water content from 2010 to 2012

图4 2010－2012年莜麦各生育时期生长变化 Fig.4 Naked oats growth changes in different stages from

2010 to 2012

2.5 不同耕作方式对栗钙土莜麦生长动态及产量构成因素的影响

2.5.1 不同耕作方式对栗钙土莜麦生长动态的影响

由图4a 可知，3种耕作方式对砂质栗钙土莜麦分蘖期株高没有显著影响，而拔节期到收获期免耕显著低于松耕和翻耕；其中抽穗期差异最大，免耕莜麦株高为68.17 cm，分别为松耕和翻耕的80.20%和82.32%，而松耕与翻耕间差异不大，表明不同耕作方式对莜麦株高的影响主要在拔节期以后。图4b 可知，3种耕作方式对砂质栗钙土莜麦叶面积指数

2.5.2 不同耕作方式对栗钙土产量及产量构成因素的影响

从表3可知，栗钙土莜麦免耕生物产量、经济产量均显著低于翻耕（P

松耕介于二者之分别为214.40和273.26万穗/hm2，

间，与二者差异均不显著。表明免耕导致莜麦穗粒数和穗数明显低于松耕和翻耕，致使生物和经济产

量降低，而松耕和翻耕间差异不显著，松耕在少扰

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农业工程学报 2014年

动表层土壤的情况下仍能获得较高的经济产量，是一种兼顾生态与经济效益的耕作措施。

表3 2010－2012年不同耕作方式对莜麦产量及产量构成因素的影响

Table 3 Effect of different tillage modes on naked oats’ yield and its components from 2010 to 2012

处理 Treatment

年份 Year

生物产量 经济产量 每公顷穗数

穗粒数 千粒质量

Biomass yield/ Economy yield/ Ears per hectare

Grain number per ear Thousand kernel weight /g-2-24

(kg·hm) /10 (kg·hm)

2010 2331.88 456.00 191.67 10.10 21.00 2011 1198.39 2012 2955.56 平均

2010 3596.02

松耕

Subsoiling tillage

2011 1917.34 2012 3324.75 平均

2010 4245.16

翻耕

Conventional tillage

2011 2022.40 平均

261.29 524.07 762.58 426.08 804.71 807.01 446.91

186.25 265.29 250.42 202.08 264.37 285.00 207.92 326.87

8.41 9.60 9.37bB 15.51 11.32 14.40 13.74aAB 14.04 13.59 16.50 14.71aA

20.46 20.80 20.75aA 20.86 21.22 21.00 21.03aA 21.02 21.37 21.20 21.20aA

免耕 No tillage

2161.94bA 413.79bA 214.40bA

2946.04abA 664.46abA 238.96abA

2012 5290.74 1150.00

3852.77aA 801.31aA 273.26aA

3 讨 论

本研究表明，免耕显著增加砂质栗钙土莜麦田耕层（0～20 cm）播种期到拔节期土壤容重和土壤硬度，这与Mahboubi 等[25]在美国俄亥俄州、Liebig

赵宏立等[27]在黄土高原的等[26]在美国北部大平原、

研究结果一致，陈学文等[28]在东北黑土9 a保护性耕作试验也得到类似结果，但其研究表明春季冻融作用可以使免耕2.5～17.5 cm土壤硬度低于秋翻处理，这可能是由于秸秆覆盖措施和春季土壤含水率不同所致；而栗钙土为沙壤土，保蓄水能力差，且本区降雨仅400 mm左右，蒸发量近2 000 mm，难以做到土壤水的跨生育期利用，每年松翻土壤是保持土壤低容重、低硬度的主要措施。

土壤硬度一般以机械阻力方式影响作物生长，Greacen 等[29]研究表明影响小麦根系生长的硬度临

Bengough 等[30]综合多数人观界值在8～50 kg/cm2，

点认为当土壤硬度大于20 kg/cm2时大部分作物根系就会受到影响，萨姆纳[31]所著《土壤科学手册》则指出30 kg/cm2是影响作物根系的硬度临界值。

莜本研究中免耕处理土壤硬度普遍高于30 kg/cm2，

麦生长旺盛的拔节期更是达到50 kg/cm2以上，结合莜麦生长动态来看，免耕会影响莜麦生长；而松耕、翻耕处理则多小于30 kg/cm2，一般为2～20 kg/cm2，可以认为松耕和翻耕不会对莜麦生长造成限制作用。

本研究表明，砂质栗钙土莜麦田提高耕层土壤含水率可以在较大土壤容重条件下显著降低土壤硬度，减小根系穿透阻力，这与李小昱等[32]对陕西黄土的研究结果一致；但栗钙土农田土壤容重较小时土壤含水率对土壤硬度影响不大。在较为干旱的

低土壤含水率条件下，增大土壤容重会显著导致土壤硬度增加，高土壤含水率条件下土壤容重增大也会提高土壤硬度，但影响较小，周虎等[33]在华北、李汝莘等[34]在山东也得到相同的结果。冀西北地区生育期内自然降水变异系数大，土壤容重变化趋势基本一致，可以通过此模型预测田间土壤硬度变化，适时补水以减轻土壤硬度对作物根系的影响。

作物留茬覆被能有效增强农田地表抗风蚀能力，Fryear [35]测得在50%秸秆覆被度下土壤风蚀量较翻耕田能够降低90%以上，王岩等[36]在冀西北地区测得莜麦田土壤地表粗糙度免耕和松耕是翻耕的1.86倍和1.09倍。而经济产量免耕仅为翻耕的51.64%，松耕为翻耕的82.92%。从生态效益来看，免耕减抑风蚀效果更显著，而松耕可以得到较好的经济效益。

4 结 论

1）长期免耕会使砂质栗钙土莜麦田耕层土壤容重维持在较高水平，松耕和翻耕可以降低土壤容重；免耕、松耕和翻耕对土壤含水率影响不显著，栗钙土土壤含水率主要受自然因素影响；土壤硬度受耕作方式的影响不同，免耕增加土壤硬度，进而影响作物生长，松耕和翻耕降低土壤硬度，不会对作物生长构成限制。

2）栗钙土莜麦田耕层土壤硬度与土壤容重、土壤含水率关系模型表明，土壤硬度随土壤容重呈指数型增大，随土壤含水率呈U 型变化；砂质栗钙土莜麦田耕层土壤容重较高时提高土壤含水率可以显著降低硬度，土壤容重较低时土壤含水率对硬度影响不大；而低土壤含水率条件下土壤容重增大会大幅提高硬度，高土壤含水率条件下土壤容重增

第4期 王 岩等：耕作方式对冀西北栗钙土土壤物理性状及莜麦生长的影响

115

大也会提高土壤硬度，但幅度较小。

3）栗钙土农田实行免耕虽然节省了土壤耕作成本，但莜麦生物产量和经济产量均显著低于翻耕；松耕在减少扰动土壤的同时，还能获得与翻耕相近的产量，是一种兼顾生态和经济效益的合理耕作措施。

[参 考 文 献]

[1] 杨学明，张晓平，方华军，等. 北美保护性耕作及对

中国的意义[J]. 应用生态学报，2004，15(2)：335－340. Yang Xueming, Zhang Xiaoping, Fang Huajun, et al. Conservation tillage systems in North America and their significance for China[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2004, 15(2): 335－340. (in Chinese with English abstract)

[2] 黄丽芬，庄恒扬，刘世平，等. 长期少免耕对稻麦产

量与土壤肥力的影响[J]. 扬州大学学报：自然科学版，1999，2(1)：48－52.

Huang Lifen, Zhuang Hengyang, Liu Shiping, et al. Effect of long-term minimal and no tillages on rice and wheat yields and soil fertility[J]. Journal of Yangzhou University: Natural Science Edition, 1999, 2(1): 48－52. (in Chinese with English abstract)

[3] Ismail I, Blevins R L, Frye W W. Long-term no-tillage

effects on soil properties and continuous corn yields[J]. Soil Science Society of America Journal, 1992, 58(1):

193－198.

[4] Chang C, Lindwall C W. Effect of long-term minimum

tillage practices on some physical properties of a Chernozemic clay loam[J].Canadian Journal of Soil

Science, 1989, 69(3): 443－449.

[5] Ferreras L A, Costa J L, Garcia F O, et al. Effect of

no-tillage on some soil physical properties of a structural degraded Petrocalcic Paleudoll of the southern ‘Pampa’ of Argentina[J]. Soil and Tillage Research, 2000, 54(1/2):

31－39.

[6] Dam R F, Mehdi B B, Burgess M S E, et al. Soil bulk

density and crop yield under eleven consecutive years of corn with different tillage and residue practices in a sandy loam soil in central Canada[J]. Soil and Tillage Research,

2005, 84(1): 41－53.

[7] 王昌全，魏成明，李廷强，等. 不同免耕方式对作物

产量和土壤理化性状的影响[J]. 四川农业大学学报，2001，19(2)：152－154，187.

Wang Changquan, Wei Chengming, Li Tingqiang, et al. Effect of different zero tillage on the crop yield and soil property[J]. Journal of Sichuan Agricultural University, 2001, 19(2): 152－154, 187. (in Chinese with English abstract)

[8] Yavuzcan H G. Wheel traffic impact on soil conditions as

influenced by tillage system in Central Anatolia[J]. Soil and Tillage Research, 2000, 54(3/4): 129－138.

[9] Ozpinar S, Cay A. Effect of different tillage systems on

the quality and crop productivity of a clay-loam soil in semi-arid north-western Turkey[J]. Soil and Tillage

Research, 2006, 88(1/2): 95－106.

[10] Atwell B J. The effect of soil compaction on wheat

during early tillering I: Growth, development and root structure[J]. New Phytol, 1990(1), 115: 29－35.

[11] Masle J, Passioura J B. The effect of soil strength on the

growth of young wheat plants[J].Aust J Plant Physiol,

1987, 14(6): 643－656.

[12] Buttery B R, Tan C C, Drury C F, et al. The effects of

soil compaction, soil water content and soil type on growth and nodulation of soybean and common bean[J].

Can J Plant Sci, 1998, 78(4): 571－576.

[13] 王晓燕，高焕文，杜兵，等. 保护性耕作的不同因素

对降雨入渗的影响[J]. 中国农业大学学报，2001，6(6)：42－47.

Wang Xiaoyan, Gao Huanwen, Du Bing, et al. Rainfall infiltration related to different conservation tillage factors[J]. Journal of China Agricultural University, 2001, 6(6): 42－47. (in Chinese with English abstract) [14] 吕军杰，姚宇卿，王育红，等. 不同耕作方式对坡耕

地土壤水分的影响[J]. 中国农业气象，2002，23(3)：40－42，58.

Lü Junjie, Yao Yuqing, Wang Yuhong, et al. Influence of tillage practices on soil moisture of slop field during summer fallow[J]. Chinese Journal of Agrometeorology, 2002, 23(3): 40－42,58. (in Chinese with English abstract) [15] Cox W J, Zobel R W, van Es H M, et al. Tillage effects

on some soil physical and corn physiological characteristics[J].

Agronomy Journal, 1990, 82(4): 812－860.

[16] Swan J B, Schneider E C，Moncrief J F, et al. Estimating

corn growth, yield and grain moisture from air growing degree days and residue cover[J]. Agronomy Journal, 1987, 79(1): 53－60.

[17] Bruce R R. Tillage and crop rotation effect on

characteristics of sands surface soil[J].Soil Science

Society of America Journal, 1990, 54(6): 1744－1747. [18] Hammel J E. Long-term tillage and crop rotation effects

on winter wheat production in northern Idoho[J].

Agronomy Journal, 1995, 87(1): 16－22.

[19] 张海林，陈阜，秦耀东，等. 覆盖免耕夏玉米耗水特

性的研究[J]. 农业工程学报，2002，18(2)：36－40. Zhang Hailin, Chen Fu, Qin Yaodong, et al. Water consumption characteristics for summer corn under no- tillage with mulch[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE), 2002, 18(2): 36－40. (in Chinese with English abstract)

116

农业工程学报 2014年

Effects of tillage mode on black soil’s penetration resistance and bulk density[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2012, 23(2): 439－444. (in Chinese with English abstract)

[29] Greacen E L, Barley K P, Farrell D A. The mechanics of

root growth in soils with particular reference to the implications for root distribution[C]//. London: Butterworths

Press, 1969: 256－269.

[30] Bengough A G, Mullins C E. Mechanical impedance to

root growth: A review of experimental techniques and root growth responses[J]. Journal of Soil Science, 1990,

41(3): 341－358.

[31] Horn R, Baumgartl T. Dynamic properties of soils[C]//

Handbook of Soil Science, Boca Raton: CRC Press, 2000,

A19－A51.

[32] 李小昱，雷廷武，王为. 土壤抗压强度的试验研究[J].

农业工程学报，2001，17(5)：81－85.

Li Xiaoyu, Lei Tingwu, Wang Wei. Experimental research on unconfined compression strength of soil[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2001, 17(5): 81－85. (in Chinese with English abstract)

[33] 周虎，吕贻忠，杨志臣，等. 保护性耕作对华北平原

土壤团聚体特征的影响[J]. 中国农业科学，2007，40(9)：1973－1979.

Zhou Hu, Lü Yizhong, Yang Zhichen, et al. Effect of conservation tillage on soil aggregates in Huabei Plain, China[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2007, 40 (9): 1973－1979. (in Chinese with English abstract) [34] 李汝莘，高焕文，苏元升. 土壤容重和含水量对耕作

阻力的影响[J]. 农业工程学报，1998，14(1)：19－21. Li Ruxin, Gao Huanwen, Su Yuansheng. Effect of soil bulk density and moisture content on the draft resistance[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 1998, 14(1): 19－21. (in Chinese with English abstract) [35] Fryear D W. Soil cover and wind erosion[J].Transactions

of the ASAE, 1985, 28(3): 781－784.

[36] 王岩，张立峰，刘玉华，等. 地表覆被因子对华北寒

旱区土壤抗风蚀力的影响[J]. 水土保持学报，2013，27(1)：65－70.

Wang Yan, Zhang Lifeng, Liu Yuhua, et al. Effect of farmland surface cover factors on the ability of soil anti-erosion in cold and arid region of North China[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2013, 27(1): 65－70. (in Chinese with English abstract)

[20] 杨晓娟，李春俭. 机械压实对土壤质量、作物生长、

土壤生物及环境的影响[J]. 中国农业科学，2008，41(7)：2008－2015.

Yang Xiaojuan, Li Chunjian. Impacts of mechanical compaction on soil properties, growth of crops, soil-borne organisms and environment[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2008, 41(7): 2008－2015. (in Chinese with English abstract)

[21] 刘目兴，刘连友，孙炳彦，等. 耕作地表土块状况及

其对近地表风场的影响[J]. 干旱地区农业研究，2008，26(1)：12－17.

Liu Muxing, Liu Lianyou, Sun Bingyan, et al. Dynamic change of soil clods and its influence on wind field above field surface[J]. Agricultural Research in the Arid Areas, 2006, 26(1): 12－17. (in Chinese with English abstract) [22] McGarry D, Bridge B J, Radford B J, Contrasting soil

physical properties after zero and traditional tillage of an alluvial soil in the semi-arid subtropics[J]. Soil and

Tillage Research, 2000, 53(2): 105－115.

[23] 李华兴，卢维盛，刘远金，等. 不同耕作方法对水稻

生长和土壤生态的影响[J]. 应用生态学报，2001，12(4)：553－556.

Li Huaxing, Lu Weisheng, Liu Yuanjin, et al. Effect of different tillage methods on rice growth and soil ecology[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2001, 12(4): 553－556. (in Chinese with English abstract) [24] 张晋国，张立峰，赵翔，等. 平行杆式无壁松耕犁[P].

中国专利：[1**********]28，2011-07-14.

[25] Mahboubi A A, Lal R, Faussey N R. Twenty-eight years

of tillage effects on two soils in Ohio[J].Soil Science

Society of America Journal, 1993, 57(2): 506－512. [26] Liebig M A, Tanaka D L, Wienhol B J. Tillage and

cropping effects on soil quality indicators in the northern Great Plains[J].Soil and Tillage Research, 2004, 78(2):

131－141.

[27] 赵立军，洪利，李军，等. 不同耕作方式对黄土高原

旱地麦田土壤物理性状的影响[J]. 干旱地区农业研究，2012，27(3)：17－21.

Zhao Lijun, Hong Li, Li Jun, et al. Effect of different tillages on soil physical properties of dryland wheat field in the Loess Plateau[J]. Agricultural Research in the Arid Areas, 2012, 27(3): 17－21. (in Chinese with English abstract)

[28] 陈学文，张晓平，梁爱珍，等. 耕作方式对黑土硬度和

容重的影响[J].应用生态学报，2012，23(2)：439－444. Chen Xuewen, Zhang Xiaoping, Liang Aizhen, et al.

第4期 王 岩等：耕作方式对冀西北栗钙土土壤物理性状及莜麦生长的影响

117

Effects of tillage mode on chestnut soil’s physical characters and

naked oats growth in Northwest Hebei province

Wang Yan, Liu Yuhua

1,21,2※

, Zhang Lifeng1,2, Dou Tieling1,2

(1. Zhangbei Agricultural Resource and Ecological Environment Key Field Research Station, Ministry of Agriculture of China,

Zhangbei 076450, China; 2.College of Agronomy, Agricultural University of Hebei, Baoding 071001, China)

Abstract: Taking a ten-year naked oats field experiment site in Zhangbei county of Hebei province as the test object, this paper studied the effects of different tillage modes (no tillage, subsoiling tillage, and conventional tillage) on the soil physical characteristics and naked oats growth in chestnut soil. The no tillage treatment soil was undisturbed from last year’s harvesting to sowing, with 15-22 cm stubbles; broad-spectrum herbicide was used in soil treatment before planting and sprayed in seedling. The subsoiling tillage treatment plowed the soil after the previous year’s harvest, used the self-developed ‘Parallel rod without wall subsoiling plow’ (Patent No.: [1**********]28) with a plowed depth of 15-22 cm, and was sowed and fertilized in the same manner as the no tillage treatment. The conventional tillage treatment plowed with a conventional spade plow after the previous year’s harvest, with a plowed depth of about 18 cm; this treatment was also rotary tilled to a depth of 10 cm before sowing and sowed with ordinary seeder. The sowing rate and fertilization were the same as the no tillage treatment. The results showed that the subsoiling tillage and conventional tillage can significantly reduce the soil bulk density from the sowing to jointing stage; in the sowing stage, no-tillage soil bulk density was 1.49 g/cm3, subsoiling tillage and conventional tillage bulk densities were 1.31 and 1.30 g/cm3, respectively. The impact of tillage methods was similar on soil water content. No tillage significantly increased soil hardness. In the jointing stage, no tillage soil hardness was 58.51 kg/cm2, 1.74 times higher than with subsoiling tillage, and 2.53 times higher than with conventional tillage. The test data were analyzed with SAS software, and a model representing the relationship among soil hardness, soil bulk density, and soil water content was proposed. The model showed that under the condition of high soil bulk density (1.53 g/cm3), soil hardness is more sensitive to soil water content, decreasing with soil water content (3.44%-11.94%) from 79.06 kg/cm2 to 28.06 kg/cm2. Under the condition of low soil water content (3.44%), soil hardness is more sensitive to soil bulk density, rising with soil bulk density (1.23-1.53 g/cm3) from 12.46 kg/cm2 to 79.06 kg/cm2. No tillage decreased naked oats’ height and leaf area index, and grain number per ear and ears per hectare were significantly reduced, with 413.79 kg/hm2 economic yield, 62.27% and 51.64% of the economic yields of subsoiling tillage and conventional tillage, respectively. Compared with subsoiling tillage and conventional tillage, no tillage was higher in soil bulk density, higher in soil hardness, and significantly reduced in the yield of naked oats. Among the three kinds of tillage, subsoiling tillage provides both ecological and economic benefits.

Key words: soils; water content; hardness; tillage patterns; bulk density; naked oats; chestnut soil

（责任编辑：张俊芳）