李海欣 郄晨龍 雷少剛 陶文曠

摘要[目的]研究半干旱礦區(qū)不同作物在不同階段對土壤含水率和土壤圓錐指數(shù)的影響。[方法]在對同一塊耕地進(jìn)行均勻施肥、統(tǒng)一耕作以及灌溉后，劃分4個區(qū)域，分別種植黃豆、玉米、大豆、綠豆4種作物。分別于作物收割前22 d、作物收割前1 d以及收割后33 d對4種農(nóng)作物種植區(qū)的土壤進(jìn)行土壤圓錐指數(shù)和土壤質(zhì)量含水率的測定，研究同一作物在不同階段對土壤圓錐指數(shù)和土壤質(zhì)量含水率的影響，以及不同作物同一階段對土壤圓錐指數(shù)和土壤質(zhì)量含水率的影響。[結(jié)果]種植作物可以增加土壤表層的土壤質(zhì)量含水率，同時降低土壤圓錐指數(shù)；不同作物對土壤圓錐指數(shù)和土壤質(zhì)量含水率的影響程度存在一定差異；線性模型能夠較好地表征土壤質(zhì)量含水率與土壤圓錐指數(shù)的定量化關(guān)系。[結(jié)論] 該研究為半干旱礦區(qū)土壤環(huán)境治理和土地復(fù)墾提供理論依據(jù)和實際應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞土壤圓錐指數(shù)；土壤質(zhì)量含水率；作物；半干旱礦區(qū)

中圖分類號S152.9文獻(xiàn)標(biāo)識碼

A文章編號0517-6611（2017）08-0124-04

Effects of Crops on Soil Water Content and Soil Cone Index in Western Arid Area

LI Haixin1，QIE Chenlong2，LEI Shaogang2，TAO Wenkuang2*

（1.Huaxin Energy LTD， Zhungeer，Inner Mongolia 010399；2.School of Environment Science and Spatial Informatics，China University of Mining and Technology，Xuzhou，Jiangsu 221116）

Abstract[Objective] To study the effect of different crops on soil cone index and soil water content in different times.[Method]Unified fertilization，cultivation and irrigation were conducted in a cultivated field.Then this field was divided into four sections which were cultivated with yellow bean，corn，soybean and green bean，respectively.22 days，1day before and 33 days after the crops were harvested，soil cone index and soil water content were determined in the four cultivated sections.Based on the analysis of variation for soil cone index and soil water content with different crops or different periods，the effect of crop on soil cone index and soil water content was studied.[Result]Crops could increase soil water content and decrease soil cone index at the soil surface；Effects of different crops on soil cone index and soil water content were various.The linear regression model for the relationship between soil water content and soil cone index was valid，considering the complex situation in the field experiment.[Conclusion] The study provides theoretical basis and practical application value for soil environmental governance and semiarid mining area land reclamation.

Key wordsSoil cone index；Soil water content；Crops；Semiarid mining area

土壤圓錐指數(shù)又稱土壤穿透阻力，可以反映土壤的緊實程度。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，土壤圓錐指數(shù)過大會抑制作物根系的生長，進(jìn)而影響作物的產(chǎn)量和質(zhì)量[1-8]；土壤圓錐指數(shù)過小，表明土壤田間持水性能降低，因此土壤圓錐指數(shù)是一個重要的土壤物理質(zhì)量指標(biāo)。由于土壤圓錐指數(shù)受測量過程及測量儀器的影響較大，美國農(nóng)業(yè)工程協(xié)會制定了ASAE EP542 PEB99號標(biāo)準(zhǔn)[9]，來統(tǒng)一規(guī)范測量過程。此外，土壤含水量、土壤容重、土壤質(zhì)地、土壤有機(jī)質(zhì)以及植被覆蓋等是影響土壤圓錐指數(shù)的重要因素[10-12]。Ayers等[13]開展了土壤含水量和干密度影響土壤圓錐指數(shù)的研究，建立了土壤圓錐指數(shù)-土壤質(zhì)量含水率-干密度的半經(jīng)驗?zāi)Ｐ?，并驗證了該模型在預(yù)測試驗中所用的5種土壤圓錐指數(shù)的有效性；Busscher[14]分別建立了利用土壤含水率和土壤密度預(yù)測土壤圓錐指數(shù)的模型。林劍輝等[15]對Ayers等[13]、Busscher[14]模型從容重預(yù)測角度進(jìn)行了對比分析，得出了各自的優(yōu)點和局限性。耕作方法也會對土壤圓錐指數(shù)產(chǎn)生一定的影響，焦彩強(qiáng)等[16]、張興義等[17]對旋耕和深耕松土2種耕作措施進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)旋耕在15～40 cm會增加土壤圓錐指數(shù)，限制作物根系伸長；但深耕松土降低土壤圓錐指數(shù)的效應(yīng)，在整個作物生育期間均能很好地體現(xiàn)，從而證實了生產(chǎn)上現(xiàn)行的旋耕方法具有明顯地導(dǎo)致土壤緊實化的問題。

目前針對土壤圓錐指數(shù)的研究很多，從影響因素、預(yù)測模型構(gòu)建以及模型可靠性分析方面開展的研究較全面。不同作物在生長過程中會對土壤物理性質(zhì)產(chǎn)生一定的影響，而同一作物在不同階段、不同作物間影響土壤圓錐指數(shù)和土壤質(zhì)量含水率的程度是否存在差異值得探討；另外，作物收割一段時間后，根系等也會持續(xù)對土壤產(chǎn)生一定的影響，不同作物產(chǎn)生影響的差異仍值得探討。鑒于此，筆者在對同一地塊進(jìn)行相同耕作和灌溉的基礎(chǔ)上，分區(qū)域種植不同作物，運(yùn)用單因素方差分析，對同一作物不同時間和同一時間不同作物間土壤圓錐指數(shù)和土壤含水量進(jìn)行顯著性差異分析，進(jìn)而探尋不同作物在不同階段對土壤物理性質(zhì)的影響。另外，對所測土壤圓錐指數(shù)和土壤質(zhì)量含水率進(jìn)行了回歸分析，以驗證土壤質(zhì)量含水率對土壤圓錐指數(shù)的關(guān)系模型，旨在為半干旱礦區(qū)土壤環(huán)境治理和土地復(fù)墾提供理論依據(jù)和實際應(yīng)用價值。

1材料與方法

1.1研究區(qū)概況

大柳塔礦區(qū)位于晉陜蒙交界處（111.2°～110.5° E，39.1°～39.4° N）。該礦區(qū)地表交錯縱橫，起伏較大，被厚黃土層覆蓋，為典型黃土溝壑區(qū)。全年降水量較少，以夏季降雨為主，一般在251.3～646.5 mm，年蒸發(fā)量高達(dá)1 788.4 mm。地下水埋深較深，無法給地表植被提供水源，因此該地區(qū)植被水源補(bǔ)給以降雨和大氣凝結(jié)水為主。平均年日照時數(shù)為2 875.9 h，極端低氣溫和高氣溫分別為-28.1和38.9 ℃，平均氣溫為8.6 ℃。由于該地區(qū)氣候干燥（濕度為56%），并且植被覆蓋較低，冬、春兩季風(fēng)速較大，因此冬、春兩季多發(fā)生沙塵暴；夏季降雨不均勻，多集中在某一時段且降雨量大，因此造成水土流失較為嚴(yán)重。該區(qū)域的土壤類型以粉砂壤土為主，以草原群落、低矮灌木、沙生植被等為主要植被類型。作物種植以馬鈴薯、玉米、小雜糧等為主，耕作方式為深松翻土，灌溉較為困難。

1.2樣地設(shè)置及樣品采集

在該耕地上進(jìn)行均勻施肥、統(tǒng)一耕作以及灌溉后，均勻劃分4個區(qū)域，分別種植黃豆、玉米、大豆、綠豆4種作物。分別在作物收割前22 d（2013-09-03）、作物收割前1 d（2013-09-24）以及收割后33 d（2013-10-28）進(jìn)行土壤圓錐指數(shù)和土壤質(zhì)量含水率的測量。在未受人為干擾點分別測量土壤圓錐指數(shù)和土壤質(zhì)量含水率，測量深度為0～10 cm，每一個測點土壤圓錐指數(shù)和土壤質(zhì)量含水率進(jìn)行3～4次測量，取其平均值作為該測點的測量結(jié)果，黃豆、玉米、綠豆3個種植區(qū)域有12個測點，大豆種植區(qū)域有15個測點。4種作物種植時間和收割時間均相同，收割過程中保留殘茬高度也基本相同。

試驗選用的土壤緊實度儀器為6120型指針式土壤緊實度儀，測量范圍：0 ～600 psi（1 psi=6.89 kPa），選用大錐頭（直徑1.9 cm），不銹鋼探桿上深度標(biāo)識設(shè)置為15.0 cm處；土壤含水率測量儀器為便攜式POGO土壤多參數(shù)測定系統(tǒng)和Hydra便攜式土壤含水率測定儀。由于土壤含水率儀器測得數(shù)據(jù)為土壤的體積含水率，通過土壤質(zhì)量含水量=土壤體積含水量/土壤干密度換算后得到土壤質(zhì)量含水率，該塊耕地的平均土壤干密度為1.39 g/cm3。

1.3數(shù)據(jù)分析

通過SPSS軟件對土壤圓錐指數(shù)和土壤質(zhì)量含水率進(jìn)行描述性統(tǒng)計分析，并針對同一作物不同階段和同一階段不同作物間的土壤圓錐指數(shù)和土壤質(zhì)量含水率分別進(jìn)行單因素方差分析，從而探討不同作物在不同時間對土壤物理性質(zhì)的影響。另外，通過SPSS對所測土壤圓錐指數(shù)和土壤質(zhì)量含水率進(jìn)行回歸分析，以驗證土壤質(zhì)量含水率對土壤圓錐指數(shù)的影響規(guī)律，從而減少土壤圓錐指數(shù)預(yù)測模型的輸入變量。

2結(jié)果與分析

2.1同一作物不同階段土壤質(zhì)量含水率及土壤圓錐指數(shù)

由表1可知，4種作物種植區(qū)，土壤質(zhì)量含水率在作物收割前1 d（09-24）和作物收割前22 d（09-03）并無顯著差異（P>0.05），但2個時間土壤質(zhì)量含水率均顯著高于收割后33 d（10-28）。同時，黃豆、玉米、大豆、綠豆4種作物種植區(qū)，土壤圓錐指數(shù)在作物收割前1 d（09-24）和作物收割前22 d（09-03）均未表現(xiàn)出顯著差異（P>0.05），但2個時間土壤圓錐指數(shù)均顯著低于收割后33 d（10-28）。該規(guī)律和土壤含水量的時間變化規(guī)律相反，即土壤質(zhì)量含水率較高時對應(yīng)的土壤圓錐指數(shù)較低，這和Ayers等[13]得到的經(jīng)驗公式一致。

2.2同一階段不同作物土壤質(zhì)量含水率及土壤圓錐指數(shù)由表2可知，在作物收割前22 d（09-03），大豆種植區(qū)的土壤質(zhì)量含水率顯著低于黃豆、玉米和綠豆種植區(qū)的土壤質(zhì)量含水率（P<0.05），但黃豆、玉米和綠豆種植區(qū)土壤質(zhì)量含水率并無顯著差異（P>0.05）。在作物收割前1 d（09-24），玉米種植區(qū)的土壤質(zhì)量含水率顯著高于黃豆、大豆和綠豆種植區(qū)的土壤質(zhì)量含水率（P<0.05），但黃豆、大豆和綠豆種植區(qū)的土壤質(zhì)量含水率并無顯著差異（P>0.05）。作物收割后33 d（10-28），玉米和綠豆種植區(qū)的土壤質(zhì)量含水率顯著高于黃豆和大豆種植區(qū)的土壤

質(zhì)量含水率（P<0.05），但黃豆和大豆、玉米和綠豆種植區(qū)之間的土壤質(zhì)量含水率并未表現(xiàn)出顯著差異（P>0.05）。作物收割前22 d（09-03），玉米和大豆種植區(qū)土壤圓錐指數(shù)未表現(xiàn)出顯著差異（P>0.05），黃豆、大豆和綠豆種植區(qū)也未表現(xiàn)出顯著差異（P>0.05），但玉米種植區(qū)的土壤圓錐指數(shù)顯著高于黃豆和綠豆種植區(qū)（P<0.05）。作物收割前1 d（09-24），黃豆和大豆、玉米和大豆、玉米和綠豆種植區(qū)土壤圓錐指數(shù)并未表現(xiàn)出顯

著差異（P>0.05）。但黃豆和大豆種植區(qū)的土壤圓錐指數(shù)顯著高于綠豆種植區(qū)土壤圓錐指數(shù)。收割后33 d（10-28），黃豆、玉米和大豆種植區(qū)之間并未表現(xiàn)出顯著差異（P>0.05）；同時，黃豆、大豆和綠豆種植區(qū)之間也未表現(xiàn)出顯著差異（P>0.05），但玉米種植區(qū)的土壤圓錐指數(shù)顯著高于綠豆種植區(qū)土壤圓錐指數(shù)（P<0.05）。另外，作物收割前22 d，4種作物種植區(qū)的土壤圓錐指數(shù)均超過1 MPa，據(jù)有關(guān)研究，植物根系生長明顯變緩[18]。

2.3土壤質(zhì)量含水率與土壤圓錐指數(shù)的關(guān)系

對黃豆、玉米、大豆和綠豆4種作物種植區(qū)域3個時間合并后的土壤圓錐指數(shù)和土壤質(zhì)量含水率進(jìn)行線性回歸，回歸關(guān)系見圖1。由圖1可知，玉米決定系數(shù)較高，其他3種作物種植區(qū)的決定系數(shù)都在40%左右。土壤質(zhì)量含水率能較好地解釋土壤圓錐指數(shù)，回歸模型具有可信性。4個地塊的土壤圓錐指數(shù)與土壤質(zhì)量含水率之間存在負(fù)相關(guān)。每個地塊土壤質(zhì)量含水率對土壤圓錐指數(shù)的影響存在顯著差異，表明不同作物對土壤質(zhì)量含水率和土壤圓錐指數(shù)的影響程度不同，這可能與土壤容重等因素有關(guān)。4個區(qū)域土壤圓錐指數(shù)和土壤質(zhì)量含水率的回歸方程：黃豆y=-65.73x+1 810.31；玉米y=-127.09x+2 901.77；大豆y=-72.11x+1 880.19；綠豆y=-111.61x+2 292.31。

3結(jié)論與討論

（1）對同一作物不同階段土壤圓錐指數(shù)和土壤質(zhì)量含水率分別進(jìn)行單因素方差分析，結(jié)果表明作物能夠顯著增加土壤表層的土壤質(zhì)量含水率，同時降低土壤圓錐指數(shù)。研究表明，作物和土壤質(zhì)量含水率、土壤圓錐指數(shù)之間相互影響，即土壤質(zhì)量含水率和土壤圓錐指數(shù)影響作物生長，同時作物的存在也影響土壤質(zhì)量含水率和土壤圓錐指數(shù)。對同一階段不同作物間土壤圓錐指數(shù)和土壤質(zhì)量含水率的單因素方差分析表明，不同作物對土壤質(zhì)量含水率和土壤圓錐指數(shù)的影響存在一定差異，即不同作物對土壤圓錐指數(shù)和土壤質(zhì)量含水率的影響程度不同。

（2）半干旱礦區(qū)作物可以增加土壤表層的土壤質(zhì)量含水率，同時降低土壤圓錐指數(shù)，說明作物和土壤物理性質(zhì)之間相互影響。種植不同作物的土壤，其土壤圓錐指數(shù)和土壤質(zhì)量含水率之間存在顯著差異，表明不同作物對土壤物理性質(zhì)的影響程度不同。

該研究得到了4種作物種植區(qū)具有可信性的線性回歸模型，能夠較好地表征半干旱礦區(qū)土壤質(zhì)量含水率對土壤圓錐指數(shù)的定量化模型。

該研究為半干旱礦區(qū)作物種植區(qū)土壤的改良及灌溉等提供依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

[1]

BENGOUHGH A G，MCKENMZIE B M，HALLETT P D，et al.Root elongation，water stress，and mechanical impedance：A review of limiting stresses and beneficial root tip traits[J].Journal of experimental botany，2011，62（1）：59-68.

[2] JIN K M，SHEN J B，ASHTON R W，et al.How do roots elongate in a structured soil？[J].Journal of experimental botany，2013，64（15）：4761-4777.

[3] REBETZKE G J，KIRKEGAARD J A，WATT M，et al.Genetically vigorous wheat genotypes maintain superior early growth in notill soils[J].Plant & soil，2013，377（1/2）：127-144.

[4] 李朝蘇，湯永祿，黃鋼，等.麥稻輪作區(qū)周年耕作模式對作物產(chǎn)量和土壤特性的影響[J].西南農(nóng)業(yè)學(xué)報，2012，25（3）：786-791.

[5] 劉禹池.保護(hù)性耕作下不同施肥處理對作物產(chǎn)量和土壤理化性質(zhì)的影響[D].雅安：四川農(nóng)業(yè)大學(xué)，2012.

[6] 穆心愿，趙亞麗，李潮海.耕作方式和秸稈還田對黃淮海區(qū)小麥玉米根系生長和作物產(chǎn)量的影響[C]//2014年全國青年作物栽培與生理學(xué)術(shù)研討會論文集.揚(yáng)州：中國作物學(xué)會，2014.

[7] 王纏軍.保護(hù)性耕作措施對作物產(chǎn)量及土壤肥力的影響[D].楊凌：西北農(nóng)林科技大學(xué)，2011.

[8] 王金貴，王益權(quán)，徐海，等.農(nóng)田土壤緊實度和容重空間變異性研究[J].土壤通報，2012（3）：594-598.

[9] NAWAZ M F，BOURRI G，TROLARD F.Soil compaction impact and modelling.A review[J].Agronomy for sustainable development，2013，33（2）：291-309.

[10] HERNANZ J L，PEIXOTO H，CERISOLA C，et al.An empirical model to predict soil bulk density profiles in field conditions using penetration resistance，moisture content and soil depth[J].Journal of terramechanics，2000，37（4）：167-184.

[11] 林劍輝，孫宇瑞，曾慶猛，等.土壤圓錐指數(shù)、水分與容重耦合模型的試驗比較研究：Ⅱ.水分與深度的影響[J].應(yīng)用基礎(chǔ)與工程科學(xué)學(xué)報，2009，17（1）：62-68.

[12] 張立彬.土壤含水量和土壤緊實度對土壤圓錐指數(shù)值影響的試驗研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，1993，9（2）：41-44.

[13] AYERS P D，PERUMPRAL J V.Moisture and density effect on cone index[J].Transactiong of the asae，1982，25（5）：1169-1172.

[14] BUSSCHER W.Adjustment of flattipped penetrometer resistance data to a common water content[J].Trans Am Soc Agric Eng，1990，33：519-524.

[15] 林劍輝，孫宇瑞，曾慶猛，等.土壤圓錐指數(shù)、水分與容重耦合模型的試驗比較：Ⅰ.模型性能的統(tǒng)計檢驗與容重預(yù)測[J].應(yīng)用基礎(chǔ)與工程科學(xué)學(xué)報，2008，16（6）：779-786.

[16] 焦彩強(qiáng)，王益權(quán)，劉軍，等.關(guān)中地區(qū)耕作方法與土壤緊實度時空變異及其效應(yīng)分析[J].干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究，2009，27（3）：7-12.

[17] 張興義，隋躍宇.土壤壓實對農(nóng)作物影響概述[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，2005，36（10）：161-164.

[18] 格雷戈里.作物根的發(fā)育與功能[M].陳放，譯.成都：四川大學(xué)出版社，1992.