保护性耕作是相对于传统翻耕的新型耕作技术,以秸秆覆盖、免耕播种、以松代翻、化学除草为特点,具有蓄水保墒、培肥地力、节本增效、防治农田扬尘、减少水土流失、促进农业可持续发展等作用,其在水资源贫乏、风多沙大、植被稀疏、农业生态环境十分脆弱的我国北方旱作农业区具有重要的应用价值[1].虽然保护性耕作已逐步受到国内外学者的普遍关注,国内学者也相继在河南[2]、山西[3]、黄土高原旱塬地[4]、东北黑土区[5]等地开展了保护性耕作与农业节水[6]、作物产量[7]及生态效益[8]等方面的研究,形成了成熟的耕作技术体系,并取得了大量的研究成果,但由于土壤环境的区域差异较大,这些结果还不能直接照搬,在具体实施前还应根据当地的气候、土壤和农业生产条件进行系统地实践研究,才能最大地发挥其生产、生态效应.为此,本文以华北地区农业生产的重要限制因子———土壤水分为切入点,以北京郊区主要推行的1年1熟春玉米(Zeamays)种植耕地为对象,在昌平地区布设大田试验,对比研究了免耕和传统翻耕条件下的水土效应,分析了不同耕作方式对土壤水分时空动态变化及土壤相关物理性质的影响,以期为北京郊区免耕效应评价和田间管理提供科学依据.

1研究区域与研究方法

1?1研究区概况

试验地位于北京市昌平区兴寿镇桃林村(40°13′N,116°25′E)的大田中.该区域属温带大陆性半干旱季风气候,全年四季分明,年均气温11?8℃,年均降水量579?1mm,降水年内分布不均,主要集中在6—9月.试验区土壤为潮土,土层深厚,地下水埋深10m以下,土壤基础肥力较好.农业生产主要推行1年2熟的冬小麦-夏玉米和1年1熟的春玉米耕作制度,由于小麦生产投入多、效益差,农民种植积极性普遍不高,因此试验地选种春玉米.耕作上,当地多采用秋翻地晾垡晒垡技术,冬春季有近半年时间的土地休闲,由于北京地区冬、春季节气候干旱、多风,裸露的耕地极易产生扬沙扬尘.据相关研究,以传统耕作方式形成的翻耕裸露农田,已成为北京生态环境的重要污染源[1].

1?2试验设计

2006年4月至2008年9月进行试验.为了单纯比较耕作方式对土壤水分和相关土壤物理性质的影响,了解区域土壤环境对耕作方式的自然适应性,本文中的大田试验完全不进行灌溉.在对试验区全面调查的基础上,选择有代表性的样地作为试验田.试验共设2个处理:传统翻耕(CT),玉米收获后留茬20~30cm,其余秸秆全部收获,次年春播前翻耕土地,翻耕深度约30cm;免耕覆盖(NT),全年不翻耕,标准免耕机粉碎玉米秸秆后覆盖地表,秸秆粉碎后长度10cm,用量7500kg?hm-2,次年春播时采用免耕播种机一次性完成施肥和播种.每个处理在田间以20m×5m规格分别布设2个大田小区,区间间隔1m,小区四周作垄与大田分隔.每个试验小区除耕作方式和除草剂的使用不同外,其余田间管理均相同,其作物间距、作物播种量和作物品种均与当地农作习惯一致.

1?3研究方法

在春玉米整个生长期(4—9月),采用天津气象仪器厂生产的SDM6A型雨量器测定降雨量,并每两周监测土壤0~10、10~20、20~30、30~40、40~60、60~80、80~100cm土层的土壤含水量,10月至次年3月停止监测.每个样地设3个取样点,每土层取3个重复.用土钻分层取土,并用烘干法(105℃下烘10~12h)测定土壤质量含水量,土壤水分取平均值.在免耕3年后(即2008年),春玉米收获后测定两种耕作方式下土壤剖面各土层的容重(环刀法测定)以及耕层的机械组成(吸管法测定)和土壤团聚体组成(干筛和湿筛法测定).相关参数的计算方法为:1)土壤贮水量DM=θm?ρ?h[9],式中:DM为土壤贮水量(mm);θm为土壤质量含水量;ρ为土壤容重(g?cm-3);h为土壤厚度(mm).2)春玉米籽实水分利用效率WUE(kg?hm-2?mm-1)=Y/ET[10],式中:Y为春玉米籽实产量(kg?hm-2);ET为蒸散量(mm),ET=P-ΔS,其中,P为作物生长期间的降水量(mm),ΔS为收获期与播种期土壤贮水量之差(mm).

2结果与分析

2?1北方旱作玉米地土壤贮水量随时间及降水的变化特征

在春玉米整个生长期,研究区免耕和翻耕地0~100cm土层的土壤贮水量随时间及降水的变化趋势一致,且免耕土壤的贮水量在不同时刻和不同降雨条件下均高于翻耕土壤(图1),这与免耕覆盖对土壤水分蒸发的抑制作用及其对土壤物理性质的改善密切相关.免耕有利于降低土壤容重、增加土壤孔隙度、提高液相所占比例,使其三相比更趋近于农业土壤最理想的三相比(2∶1∶1)(表1);免耕土壤水稳性团聚体的数量均明显大于传统翻耕,粒径0?25~0?5、0?5~1、1~2以及2mm的土壤水稳性团聚体含量分别是翻耕的3?0、7?2、4?8和7?5表1免耕和翻耕条件下土壤的容重、孔隙度和三相组成Table1Soilbulkdensity,porosityandtheratioofsoilparticle,waterandairintheno-tillageandconventionaltillagetreatments耕作方式Tillagepattern容重Bulkdensity(g?cm-3)总孔隙度Totalporosity(%)固相率Ratioofsoilparticle(%)液相率Ratioofsoilwater(%)气相率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免耕和翻耕条件下土壤0?25mm团聚体含量Table2Contentofsoilwaterstableaggregate(0?25mm)intheno-tillageandconventionaltillagetreatments(%)耕作方式Tillagepattern0?25~0?5mm0?5~1mm1~2mm2mmNT0?870?790?290?30CT0?290?110?060?04倍(表2),由于土壤中0?25mm的水稳性团聚体含量是影响土壤团聚特征和稳定性的主要因子,土壤中0?25mm的团聚体越多,团聚体的水稳性越大,团聚体的破坏率越低[11],故免耕土壤团聚体的水稳性较好.上述土壤物理特性的改善均有利于增加土壤的保水性能.由于土壤水分状况受降水量、作物吸收和蒸发、蒸腾等因素的综合影响,免耕较翻耕土壤水分的增量在不同时期的差异较大,其增幅(2?7%~30?3%)表现出较大的波动范围.

2?2北方旱作玉米地土壤含水量的剖面分异

不同耕作方式对土壤含水量及其剖面分异均有较大影响(图2).研究区免耕土壤全剖面(0~100cm)的平均含水量分别较传统翻耕高3?4%(2006年)、10?0%(2007年)、12?8%(2008年),且各土层的土壤含水量均普遍高于对应的翻耕土层,其中0~10cm和80~100cm的土壤水分增量明显高于中间土层.2006、2007年,与翻耕地相比,免耕地0~10cm土层的水分增幅最大,增幅分别为15?3%和18?3%;受降雨量增大的影响,2008年土壤的总体含水量较2006、2007年有所增加,与翻耕地相比,免耕地60~80cm和80~100cm土层的水分增幅较大,分别为22?2%和19?9%,0~10cm土层的增幅达14?4%.免耕减少了对土层的扰动,有利于抑制土面的无效蒸发,提高表层水分含量,而在降水比较充分的条件下又有利于保持土壤的深层蓄水,从而提高水分利用率.

2?3北方旱作玉米地作物不同生长阶段的土壤含水特征

根据春玉米不同生长阶段的需水特性以及降水等气候条件的差异,将其生育期划分成3个阶段,即生长前期(4月至5月上旬)、生长中期(5月中旬至8月底)和生长后期(9月).其中,生长中期的降雨量(图3)及作物需水量最大.2006年春玉米生长前期的降雨量较低,由于该期干旱少雨,两种耕作方式下全剖面的土壤含水量均无显着差异;2007、2008年的同期降雨量有所增加,分别是2006年同期降雨量的1?6和2?8倍,受降雨量增大的影响,2007、2008年免耕地土壤全剖面的平均含水量均显着高于翻耕地,且表层(0~10cm)的差异显着,说明免耕覆盖可有效抑制土壤表层的水分蒸发、增加土壤的保水能力,其贮水量在降雨相对充分的条件下有所提高.春玉米生长中期,降雨量较大,免耕地较翻耕地的土壤水分增量普遍高于其他时期,由于该期植株生长旺盛,此时土壤含水量的增加可大大提高水分利用效率.春玉米生长后期,随着降雨量的降低以及作物的成熟,不同耕作方式下地表覆盖度逐渐趋于一致,此时,作物的吸收、蒸腾和地表蒸发作用的差异逐渐减小,免耕地的土壤贮水量在此阶段有所降低,较翻耕地无显着差异(表3).在降雨相同且无外源灌水的条件下,2008年免耕和翻耕耕作方式所获玉米经济产量分别为13765?7和11828?2kg?hm-2,与此对应的春玉米籽实的水分利用效率分别为32?6和28?8kg?hm-2?mm-1,表明免耕地增加土壤保水能力的同时,其水分利用效率也明显增大.

3讨论

不同耕作方式对土壤水分含量具有较大影响.大量研究证实,免耕具有显着的水土保持效应和作物增产效应,但对土壤含水量的影响程度会因地区、年份以及季节降雨量的不同而有所差异[12].Singh等[13]研究结果表明,免耕覆盖、耕作覆盖、传统耕作下,雨季的土壤平均含水量比干季高5%~6%,3种处理的差异在干季时更大.许迪等[14]研究降水和灌溉对土壤水分的影响发现,正常和干旱年份免耕土壤平均含水量较传统翻耕分别增加7?1%和15?4%.本研究中免耕地土壤贮水量在不同时刻以及不同降雨条件下均高于翻耕,增幅为翻耕土壤的2?7%~30?3%,两者的差异在降水较大情况下表现突出.2008年降雨量较高,本研究区作物全生育期的免耕土壤贮水量高于翻耕,平均增量为19?9%,最高达30?3%;2006、2007年降雨量较低,其平均增量分别为10?8%、13?9%;就作物不同生长期的水分差异来看,春玉米生长中期的降雨量较大,免耕和翻耕地土壤含水量的差异在该生长期均达显着水平,生长后期的降雨量较小,免耕和翻耕地土壤含水量的差异不显着.上述研究结果表明,当地的免耕耕作措施有利于提高土壤的蓄水保墒作用,其贮水量随降雨量的增加而增大,这对于提高我国北方地区有限降雨资源的作物利用率具有积极意义.免耕处理下,春玉米全生育期土壤剖面的平均含水量均明显高于传统翻耕,两者间的差异在降水较大情况下表现突出,其中表土层(0~10cm)和底土层(80~100cm)的水分增量明显高于中间层次,最高增量可达翻耕土壤的22?2%.Singh等[13]认为,免耕覆盖15cm深的土壤含水量最大,与传统耕作的差异也最大,65cm以下深的土壤含水量间的差异有所减小,一般小于2%.Doran等[15]研究结果显示,免耕地表层(0~7?6cm)土壤含水量比传统耕作高9?7%,而7?6~15?2cm土层的增幅为6?

9%.李玲玲等[4]研究表明,免耕覆盖对表层(0~10cm)土壤水分含量影响较大.表层土壤含水量的增加与免耕覆盖减少对土层的扰动、增加土壤有机质、抑制无效蒸发有关.中间土层的水分消耗主要与春玉米的根系分布有关.春玉米根系主要分布在0~60cm土层,是作物吸收水肥的主要活动层次,而60~100cm土层的根系量仅占根系总量的3?8%~6?0%[16].此外,免耕有利于降低表土容重,增加并保护土壤微孔隙及其连续的孔隙路径,对土壤水力学性质有较大影响,可增加土壤水分入渗量,提高土壤深层蓄水[17-18].本研究中免耕地80~100cm土层的土壤水分增量明显高于中间层次和翻耕地相应土层,而底层蓄集的水分可沿土壤毛管孔隙上升至作物根层,从而增强了农田的蓄水及持续供水能力.

基于其显着的水分效应,免耕覆盖是适于我国北方旱作农业的优良耕作方式.大量研究表明,免耕覆盖有利于改善土壤物理性状、降低土壤容重、提高土壤孔隙度及液相所占的比例、促进土壤水稳性团聚体的形成,在增加农田保水能力的同时也提高了作物的水分利用效率,进而增加作物产量,其水土保持效应及作物增产效应随免耕年限的增长而增加[19-21].本研究中,免耕3年的土壤物理性质与翻耕土壤无显着差异,但免耕土壤的三相比更趋近于农业土壤最理想的三相比(2∶1∶1),土壤水稳性团聚体的数量也表现出了明显的增加趋势,水分利用率和春玉米产量分别较传统翻耕提高了13?3%和16?4%,表明该耕作方式在北京地区的推广应用具有重要的生态和生产效应