Effects of mechanical tillage years on the soil physical properties of fluvo-aquic paddy soil
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摘要:
农业机械化作业和耕作方式是造成耕地土壤物理性质改变的重要因素。探明江汉平原潮土性水稻土区不同机耕年限下土壤物理性质变化特征对明确区域土壤质量变化趋势, 合理改善耕层土壤结构, 选用适宜耕作措施, 促进作物增产增效具有重要意义。本文以江汉平原潮土性水稻土为研究对象, 采用田间原位模拟耕作试验, 分析了双季稻种植模式下不同耕作年限土壤物理性状的年际变化特征与趋势。结果表明: 1)土壤水分指标总体随机械耕作年限延长呈降低趋势, 犁底层以下土层(20~40 cm)总体平稳, 其中30~40 cm土层有缓慢增大趋势。2)长期机械耕作作用下, 土壤结构稳定性随耕作年限延长呈逐渐降低趋势, 土壤团聚体破碎率随剖面加深和耕作时间延长总体呈增大趋势, 土壤结构稳定性降低; 土壤紧实度随剖面加深呈先大幅增大后缓慢降低趋势, 这与长期机械作业造成的犁底层增厚和上移有关。3)在长期机械耕作下, 土壤抗压能力总体呈先增大后趋于平缓的趋势; 先期固结压力在犁底层(10~20 cm)总体呈减小趋势, 而在20~40 cm土层土壤总体呈增大趋势, 说明土壤容重和含水量是影响土壤最大抗压能力的关键因素。研究结果可为江汉平原水稻种植区土壤质量提升和农业可持续发展提供参数支持和理论依据。
Abstract:Agricultural mechanization and farming methods are important factors that influence the physical properties of cultivated land. Exploring the changes in the soil physical properties in the fluvo-aquic paddy region of the Jianghan Plain over different mechanical tillage years is essential for clarifying trends in regional soil quality, reasonably improving soil structure of tillage layer, selecting suitable tillage measures, and increasing crop yield and efficiency. In this study, interannual changes in soil characteristics and trends in the physical properties of double-cropping rice planting patterns under different tillage years were simulated and analyzed using in situ simulated tillage experiments in fluvo-aquic paddy soil of the Jianghan Plain. The results showed that: 1) the soil moisture indexes decreased with increasing mechanical tillage years, was generally stable in the soil layer below the plow bottom layer (20–40 cm), and showed a slowly increasing trend in the 30–40 cm layer. 2) Under the action of long-term mechanical tillage, the stability of the soil structure gradually decreased. The breakage rate of soil aggregates increased with the deepening of the profile and the increasing mechanical tillage years, and the stability of the soil structure decreased with increasing soil depth and mechanical tillage years. The soil compactness increased with the deepening of the soil profile, thereafter decreasing slowly due to the thickening and upward movement of the plow bottom caused by long-term mechanical operation. 3) Under long-term mechanical tillage, the overall trend of soil compressive capacity increased first and then tended to be gentle. Preconsolidation pressure showed a decreasing trend in the bottom layer of the plow (10–20 cm), whereas showed an increasing trend in the lower layer (20–40 cm), indicating that soil bulk density and water content are key factors influencing the maximum compression capacity of the soil. These findings provide a theoretical basis for the improvement of soil quality in the rice-planting areas of the Jianghan Plain.
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土壤质量是关系农业生产可持续的重要问题, 水土流失、土地盐碱化、土壤养分流失等造成的土壤质量下降已经成为全球性的农业问题[1]。土壤物理质量是诊断土壤质量的重要方面, 对作物生长和产量提升具有重要影响, 主要包括土壤含水率、土壤容重、土壤孔隙度、土壤紧实度和土壤团聚体破坏率等指标[2]。耕作方式、机械种类和施肥方式等都是影响土壤物理质量的关键因素, 会造成土壤质量改变, 进而影响作物生长与收获。
随着现代农业的快速发展, 农村劳动力大量转移并伴随农村老龄化问题日益突出, 农业机械化已成为我国农业生产、收获等的主要方式[3]。适宜的耕作方式直接影响土壤水、气、热和养分供应状况, 进而影响作物根系生长、分布和功能, 最终影响作物产量[4]。机械深耕、深松及旋耕技术等可以促进土壤水分渗透和储存, 但为作物生长提供充足水分的同时也带来了土壤压实等一系列现实问题[5-6]。
农业机械长期碾压使耕地土壤被压实, 土壤颗粒重新组合排列, 土壤物理性能发生改变。对机械压实最敏感的土壤物理参数是含水率、容重、孔隙度和紧实度等[7]。耕作土壤经过机械碾压后所能承受的外界压力变大, 导致容重增大、板结; 当土壤含水率较低时, 土壤压实主要集中在耕作层, 而高含水率土壤受到外力碾压时, 土壤可压缩性增大, 土壤更易下沉, 耕作层明显薄化。祁泽伟等[8]发现3种机械耕作模式对黄土高原旱作土壤物理质量的影响主要集中在5~30 cm土层。李春林等[9]发现在农业机械作业过程中, 耕层土壤结构会被破坏, 土壤先期固结压力随耕作次数增加呈逐渐增大趋势。Goutal等[10]研究表明机械压实作用对土壤容重的影响最直观。Etana等[11]发现机械收获后土壤大孔隙明显减少。目前机械耕作造成的土壤压实问题已经受到国内外学者的广泛关注, 并开展了大量研究, 但多集中在耕层土壤质量退化现状等方面, 对长期机械压实造成的土壤物理质量变化过程的研究涉及尚少, 且试验周期短, 关注指标单一, 覆盖面不广, 缺乏对土壤质量退化机制的研究。
江汉平原是我国长江中下游地区重要的商品粮生产基地, 对保障国家粮食安全和生态安全具有重要意义。水稻(Oryza sativa)连作是该区域的主要种植模式, 连续水耕则为主要耕作方式。在该耕作模式下土壤长期渍水, 土壤孔隙充满水分, 导致土壤结构破碎[12], 土壤容重增大, 孔隙度降低, 进一步导致作物根系和外界气体交换能力下降, 营养物质吸收能力下降, 影响作物生长; 另一方面, 厌氧微生物在渍水条件下大量繁殖, 土壤pH降低, 土壤理化性质无法满足作物生长, 土壤质量下降[13]。我国一直面临着人多地少、耕地土壤退化严重且后备耕地资源严重不足及可利用率逐年降低等严重问题。针对这些问题, 国家大力推进实施耕地质量保护和提升行动计划, 力争早日实现农田土壤健康保护、耕地质量大幅提升和确保国家粮食安全的重大现实需求, 因此, 研究水稻田连续机械耕作模式下, 土壤物理质量对机械耕作年限的响应具有重要意义。当前, 有关机械作业对土壤质量影响方面的研究多集中于我国北方地区, 且多集中于不同耕作深度、不同种植制度等土壤指标的变化趋势等, 对江汉平原地区的关注尚少。本文采用田间原位模拟试验, 模拟双季稻种植模式下连续机械水耕对江汉平原潮土性水稻土耕地土壤物理质量的影响, 从不同耕作年限(10~15 a)和垂直剖面(0~40 cm)两个维度分析了潮土性水稻土土壤物理属性的变化特征及其对机械耕作年限的响应, 以期能更精准地反映土壤质量变化规律与趋势, 研究结果对区域土壤改良、耕地地力提升、农业可持续发展具有重要指导作用。
1. 材料与方法
1.1 研究区概况
研究区位于湖北省仙桃市剅河镇吴场村(30°22′N, 113°27′E), 属亚热带季风性湿润气候区, 年均气温16.3℃, 年均降雨量1232.2 mm, 年均蒸发量1784 mm, 无霜期256 d。典型平原地形, 海拔21.5~34.5 m。区内水系发达, 长期受长江和汉江等泥沙冲积、湖泊沉积与地下水运动等因素影响, 使得该区域内以第四系河湖冲积物和湖相沉积物堆积而成的潮土母质, 在长期水稻连作和人为熟化等作用下, 逐渐形成潮土性水稻土这一独特人为土壤[14], 该土壤是江汉平原分布最广泛的土壤类型之一。双季稻水稻连作模式是该区域常见的种植模式。
1.2 试验设计
在研究区潮土性水稻土分布典型地块进行田间原位模拟耕作试验, 模拟双季稻种植模式下连续机械水耕对稻田土壤物理质量的影响。具体试验流程为: 模拟耕地先灌水(灌水标准为地表水层深约10 cm)后机械旋耕(耕作机械选用当地常用农机LX904东方红, 旋耕宽幅为200 cm, 耕深为12~18 cm), 放水沉降约2周后第1次采样, 模拟双季稻第1季耕作后采样方式; 继续灌水后机械水耕, 然后放水沉降约2周采样(第2次采样), 模拟双季稻第2季耕作方式, 以上连续耕作和采样两次模拟1个周期(1 a)双季稻种植制度下水稻田土壤物理性能变化过程。前期农户调查表明, 该试验地块已连续种植双季稻10 a (背景值), 本次模拟耕作试验共连续耕作、采样10次, 则表征双季稻种植模式下耕作第11~15年。试验地块规格为50 m×50 m。考虑农业机械在转弯时对土壤压实作用受力方向的变化, 故距地块边界12.5 m范围内作为机械转移缓冲区。试验前采集田块土壤分析属性指标背景值(表1)。
表 1 试验地土壤基本物理性质背景值Table 1. Basic physical properties of soil in the test site土层
Soil layer
(cm)含水率
Water content
(%)容重
Bulk density
(g∙cm−3)总孔隙度
Total porosity
(%)毛管孔隙度
Capillary porosity
(%)田间持水量
Field capacity
(%)饱和含水量
Saturated water
content (%)团聚体破碎率
Aggregate
breakage rate (%)紧实度
Compactness
(kPa)0~10 40.43 1.12 57.89 50.52 45.27 45.36 4.79 1132.44 10~20 39.65 1.15 58.32 49.86 46.23 46.26 4.68 1100.46 20~30 28.89 1.42 46.33 44.33 31.19 31.19 17.32 3919.04 30~40 28.79 1.45 46.97 44.13 32.18 32.29 16.92 3814.94 1.3 样品采集与测试方法
在地块内梅花状布设采样点, 分层采集0~10 cm、10~20 cm、20~30 cm和30~40 cm土层土壤样品, 同时采集容重环刀、铝盒和抗压环刀样品, 各土层取样重复3次, 并利用JSD-750-2型土壤紧实度仪分层测定土壤紧实度5次。
1.3.1 土壤水分指标测定
土壤含水量、田间持水量、饱和含水量、土壤总孔隙度、毛管孔隙度以及土壤容重采用铝盒+环刀法测定。将铝盒称重后置于烘箱中105℃烘8 h后取出置于干燥器中冷却至室温称重, 然后再烘2 h, 冷却后称重直至恒重, 计算土壤含水率, 表达式为:
$$ \omega =\frac{{w}_{4}-{w}_{5}}{{w}_{5}-{w}_{2}}\times 100 {\text{%}}$$ (1) 式中:
$ \omega $ 为土壤含水率, %;$ {w}_{2} $ 为铝盒重量, g;$ {w}_{4} $ 为铝盒加湿土重量, g;$ {w}_{5} $ 为铝盒加湿土烘干后重量, g。将环刀称重后置于水中浸泡2 h, 取出环刀擦干表面水分称重, 再放入水中浸泡4 h, 取出擦干水分称重, 计算土壤容重、总孔隙度、毛管孔隙度、田间持水量和饱和含水量, 计算公式如下:
$$ {\rho }_{\mathrm{d}}=\frac{{w}_{3}-{w}_{1}}{\left(1+\omega \right)\times v} $$ (2) $$ p=\left(1-\frac{{\rho }_{\mathrm{d}}}{{\rho }_{\mathrm{s}}}\right)\times 100{\text{%}}$$ (3) $$ \varPhi =\frac{\left({w}_{6}-{w}_{1}\right)-\left({w}_{8}-{w}_{1}\right)}{{w}_{8}-{w}_{1}}\times 100{\text{%}} $$ (4) $$ S=\frac{\left({w}_{7}-{w}_{1}\right)-\left({w}_{8}-{w}_{1}\right)}{{w}_{8}-{w}_{1}}\times 100{\text{%}}$$ (5) $$ p_\mathrm{t}=p-\varPhi\times{{\rho }_{\mathrm{s}}} $$ (6) 式中:
$ {\rho }_{\mathrm{d}} $ 为土壤容重, g∙cm−3;$ {w}_{3} $ 为环刀加湿土重量, g;$ {w}_{1} $ 为环刀重量, g; v为环刀的体积, cm3;$ p $ 为土壤总孔隙度;$ {\rho }_{\mathrm{s}} $ 为土壤密度, 2.7 g∙cm−3;$ {\varPhi} $ 为田间持水量, %;$ {w}_{6} $ 为环刀加湿土浸泡2 h后的重量, g;$ {w}_{8} $ 为环刀加干土的重量, g; S为饱和含水量, %;$ {w}_{7} $ 为环刀加湿土浸泡6 h后的重量, g;$ {p}_{\mathrm{t}} $ 为毛管孔隙度。1.3.2 结构稳定性指标测定
团聚体稳定性特征采用干筛法测定, 将土样风干后取出500 g分别过10 mm、7 mm、5 mm、3 mm、2 mm、1 mm、0.5 mm和0.25 mm筛, 并对各粒径间的土样进行称重; 团聚体水稳定性特征采用湿筛法测定, 将各粒径间的土样取出1/10混合后置于团粒分析仪中湿筛15 min, 将筛内的土样洗入烧杯中置于烘箱中烘至恒重后测量<0.25 mm、0.25~0.5 mm、0.5~1 mm、1~2 mm、2~5 mm和≥5 mm的土样重; 根据干筛法和湿筛法中>0.25 mm的团聚体质量百分比计算团聚体破碎率(PAD), 表达式为[9]:
$$ \mathrm{P}\mathrm{A}\mathrm{D}=\frac{{W}_{\mathrm{d}}-{W}_{\mathrm{w}}}{{W}_{\mathrm{d}}}\times 100{\text{%}} $$ (7) 式中:
$ {W}_{\mathrm{d}} $ 为干筛中粒径>0.25mm的土壤占样品总重量的百分比,$ {W}_{\mathrm{w}} $ 为湿筛中粒径>0.25 mm的土壤重量占样品总重量的百分比。1.3.3 抗压指标特性测定
利用WG-4型三联固结仪对土样进行压实, 测量土样分别在25 kPa、50 kPa、100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa和800 kPa压力下压实30 min后下降的高度[15], 计算土壤孔隙度, 并通过Gompertze函数结合Matlab软件计算土壤压缩指数和先期固结压力。
经固结仪压实后, 测量土壤下陷位移, 计算不同压力下土壤孔隙比[16], 公式为:
$$ e=\frac{{\rho }_{\mathrm{s}}}{{\rho }_{\mathrm{d}}}\times \frac{H-h}{h}- 1 $$ (8) 式中: e为孔隙比; H为土壤样品初始高度, cm; h为土壤下陷位移, cm。
将计算出的孔隙比及其对应的压力值以数值矩阵的形式输入于Matlab软件中, 进行Gompertze函数拟合[17], 公式为:
$$ e=a+c-\mathrm{e}\mathrm{x}\mathrm{p}\{-\mathrm{e}\mathrm{x}\mathrm{p}[b\times (\mathrm{l}\mathrm{g}\sigma -m)\left]\right\} $$ (9) 式中: a、b、c和m为拟合系数; σ为压缩试验加载力, kPa。
经拟合后的应力-应变曲线是一条双拐点曲线, 两个拐点将曲线分为弹性区间、塑性区间和流变区间, 第2个拐点即为塑性区间和流变区间的过渡点[9]。压缩指数(Cc)为原始压缩线的斜率, 其公式为[18]:
$$ {C}_{\mathrm{c}}=\frac{b\times c}{\mathrm{e}\mathrm{x}\mathrm{p}\left(1\right)} $$ (10) 结合式(9)的一阶导数和二阶导数, 即可计算出土壤压缩曲线的曲率k, 最大曲率值对应的压力值即为先期固结压力。计算公式如下[16]:
$$ k=\frac{\mathrm{d}^{2}e/\mathrm{d}{\left(\mathrm{l}\mathrm{g}\sigma \right)}^{2}}{{\left\{1+{\left[\mathrm{d}e/\mathrm{d}\left(\mathrm{l}\mathrm{g}\sigma \right)\right]}^{2}\right\}}^{3/2}} $$ (11) 1.4 数据统计与分析
运用Microsoft Excel 2021版进行数据统计与整理, 采用SPSS 26.0软件进行方差齐性检验和单因素方差分析。
2. 结果与分析
2.1 土壤水分指标变化
土壤水分含量是影响土壤压实程度和结构状态的重要因素之一, 受降水和人类活动影响显著。由表2可见, 在垂直剖面上, 0~20 cm土层土壤含水率总体高于20~40 cm土层, 这是由于长期机械作业, 机械载荷和犁刀对下层土壤产生压实作用, 降低了土壤入渗性能, 且机械旋耕对上层土壤的扰动增加了上层土壤大孔隙含量。
表 2 双季稻种植模式下不同机械水耕年限对潮土性水稻土土壤水分指标的变化Table 2. Changes of soil moisture indexes in fluvo-aquic paddy soil of double-cropping rice under different mechanical water tillage years土层
Soil layer
(cm)机械水耕年限
Mechanical water
tillage years含水率
Water content
(%)容重
Bulk density
(g∙cm−3)总孔隙度
Total porosity
(%)毛管孔隙度
Capillary porosity
(%)田间持水量
Field capacity
(%)饱和含水量
Saturated water content
(%)0~10 11a-1 40.43±0.65b 1.12±0.00f 57.89±0.29a 50.52±0.53a 45.27±0.41b 45.36±0.53b 11a-2 53.65±0.64a 1.16±0.01e 55.99±0.17ab 49.37±0.36b 50.38±0.05a 49.98±0.74a 12a-1 36.59±0.15d 1.11±0.02f 58.11±0.83a 47.92±1.09cd 44.01±0.43c 43.37±0.45c 12a-2 36.23±0.22de 1.27±0.02b 52.01±0.57b 45.84±0.66de 36.79±0.53ef 36.75±0.57e 13a-1 35.88±0.07de 1.28±0.01b 52.19±0.87b 47.92±0.45cd 37.30±0.21e 37.79±0.20d 13a-2 37.80±0.68c 1.18±0.01d 54.64±0.86ab 45.10±0.77e 37.52±0.09de 37.87±0.64d 14a-1 35.12±0.82e 1.25±0.05c 54.27±0.05ab 47.11±0.08cde 38.32±0.79d 37.71±0.34d 14a-2 29.70±0.71f 1.26±0.01bc 52.55±4.74b 48.66±0.35bc 36.14±0.03f 36.67±0.10e 15a-1 30.07±0.71f 1.30±0.01a 50.24±0.60b 42.56±0.60f 32.66±0.56g 32.02±0.40f 15a-2 29.20±0.61f 1.27±0.01bc 54.58±0.42ab 47.36±1.01cde 37.04±0.52e 37.06±0.21de 10~20 11a-1 40.43±0.64b 1.12±0.00c 57.89±0.29a 50.52±0.53a 45.27±0.41b 45.36±0.53b 11a-2 53.65±0.64a 1.16±0.01b 55.99±0.17a 49.37±0.36bc 50.38±0.07a 49.98±0.74a 12a-1 35.78±0.30de 1.31±0.03ab 51.75±0.17b 48.18±1.11bcd 36.50±0.12c 36.79±0.26cd 12a-2 32.91±0.66e 1.32±0.04ab 51.10±3.20b 41.63±1.21f 32.22±0.17c 31.05±0.44ef 13a-1 34.63±0.75de 1.32±0.01ab 50.21±0.03bc 48.82±0.79bcd 36.46±0.28d 36.60±0.21cd 13a-2 39.36±0.25bc 1.30±0.04ab 49.76±2.02bc 49.21±0.44bc 35.12±0.05c 35.04±0.00cde 14a-1 36.70±0.93cd 1.31±0.02ab 50.42±0.58bc 50.41±0.13a 38.85±0.46c 38.52±0.38c 14a-2 32.32±0.59e 1.42±0.01a 46.41±0.41cd 46.56±0.27de 31.81±0.69d 32.13±0.70def 15a-1 25.12±0.01f 1.42±0.05a 44.60±2.59d 44.56±0.32e 29.88±0.68d 29.08±0.42f 15a-2 35.71±0.80de 1.27±0.03b 53.39±0.99b 47.06±0.67cd 37.61±0.03c 38.33±0.91c 20~30 11a-1 29.46±0.09bc 1.38±0.02e 47.91±0.68b 43.37±0.14b 31.19±0.53bc 31.19±0.38b 11a-2 32.74±0.95a 1.36±0.01ef 48.46±0.21ab 45.64±0.73a 32.94±0.88a 32.40±0.43a 12a-1 30.31±0.53b 1.48±0.01bcd 43.79±0.47cd 45.00±0.53a 31.40±0.53bc 31.81±0.53ab 12a-2 27.87±0.88de 1.52±0.05b 42.39±1.87de 41.00±0.29cd 26.88±0.56e 26.88±0.56de 13a-1 24.39±0.33g 1.56±0.01a 41.20±0.28e 40.43±0.26d 25.95±0.13f 26.13±0.05e 13a-2 27.42±0.83ef 1.47±0.02cd 44.47±0.91c 38.65±0.41e 26.27±0.33ef 26.29±0.23e 14a-1 28.72±0.74cd 1.46±0.02cd 44.73±0.59c 45.07±0.11a 30.56±0.37c 30.20±0.26c 14a-2 26.53±0.24f 1.49±0.01bc 43.64±0.34cd 40.80±0.43d 27.20±0.03e 27.65±0.50d 15a-1 28.07±0.22de 1.32±0.01f 49.58±0.86a 42.87±1.61b 32.07±0.67ab 31.60±0.44ab 15a-2 29.17±0.37c 1.45±0.03d 47.54±1.15b 42.68±0.53bc 29.39±0.01d 29.88±0.81c 30~40 11a-1 28.89±0.09b 1.38±0.02bc 47.91±0.68bc 43.36±0.14bc 31.19±0.53b 31.19±0.38d 11a-2 28.05±0.49c 1.49±0.01ab 43.92±0.48fg 40.43±0.02d 27.20±0.22ef 27.05±0.09h 12a-1 28.28±0.61c 1.43±0.03b 45.15±0.71def 43.49±0.56bc 30.31±0.25c 30.24±0.21e 12a-2 26.05±0.53d 1.48±0.01ab 44.26±0.29efg 39.23±0.53d 26.56±0.29fg 26.56±0.30h 13a-1 23.56±0.56e 1.51±0.01a 42.82±0.18g 43.55±0.25bc 28.90±0.23d 29.36±0.28f 13a-2 28.31±0.54c 1.48±0.01ab 43.98±0.17fg 39.26±0.81d 26.37±0.39g 25.81±0.18i 14a-1 31.11±0.46a 1.42±0.01b 46.34±0.42cd 46.06±0.41a 32.79±0.51a 32.10±0.25c 14a-2 26.33±0.61d 1.41±0.02b 45.49±1.50de 40.14±0.37d 27.80±0.56e 27.86±0.40g 15a-1 31.29±0.58a 1.36±0.02c 49.90±1.60a 42.49±0.07c 33.23±0.24a 33.40±0.36a 15a-2 31.11±0.73a 1.38±0.01bc 48.55±1.11ab 45.74±0.40ab 33.00±0.01a 32.85±0.11b 11a、12a、13a、14a和15a分别表示连续种植双季稻第11年、第12年、第13年、第14年和第15年, 即模拟连续机械水耕的第1年、第2年、第3年、第4年和第5年, 其后的1和2分别表示模拟双季稻第1季和第2季耕作后。不同小写字母表示同一土层不同机械水稻耕作年限差异显著(P<0.05). 11a, 12a, 13a, 14a and 15a represent the 11th, 12th, 13th, 14th and 15th years of the continuous planting of double-cropping rice, that is the 1st, 2nd, 3rd, 4th and 5th years of the simulated mechanical water tillage of double-cropping rice; the 1 and 2 following them represent after the first and second seasons of the simulated double-cropping rice. Different lowercase letters indicate significant differences among different years of mechanical water tillage at the same soil layer (P<0.05). 随着耕作年限的增加, 0~10 cm土层土壤含水率呈波动式下降; 土壤含水率在11a-2 (第11年第2季, 下同)时高于背景值(40.43%, 表1), 11a-2后均低于背景值, 但降低幅度不大。这是因为气温和降水等对表层裸露土壤存在一定影响, 同时机械耕作对表层土壤的扰动也会导致土壤结构破坏, 孔隙度降低。在10~20 cm土层, 11a-2后随耕作年限增加, 土壤含水率波动下降, 且均小于背景值(39.65%), 这可能与机械耕作对犁底层的压实作用有关。含水率在20~30 cm土层深度基本保持稳定, 在11a-2—13a-1之间逐年缓慢降低, 在13a-1之后又有所增加, 说明在耕作期内, 20~30 cm土层土壤扰动小, 但仍受到了农业机械压实的一定影响。土壤含水率在30~40 cm土层整体呈先缓慢减少后缓慢增加的趋势, 13a-1前的土壤含水率低于背景值(28.79%), 而13a-1后的土壤含水率基本高于背景值, 这与地下水位的季节性变化有关。
土壤容重表征单位容积土体质量, 是土壤质地和结构孔隙等特征的综合反映。总体看来, 0~20 cm土层土壤容重总体小于20~40 cm土层土壤。0~10 cm土层土壤容重随耕作年限延长呈显著(P<0.05, r=0.732)增长趋势, 由于机械耕作对耕作层压力明显, 使得耕作层土壤单位容积和质量有所增加; 10~20 cm土层土壤容重与上层土壤表现出相似规律(P<0.05, r=0.634); 20~30 cm土层土壤容重呈缓慢增加状态, 而13a-1后呈缓慢降低趋势, 这说明机械耕作对20~30 cm土层土壤扰动较小, 但在机械压力作用下土壤容重存在增大趋势, 而土壤长期渍水, 空气不流通, 致使厌氧微生物活跃, 有机质增加, 进而导致土壤容重呈变小趋势; 30~40 cm土层土壤容重变化情况与20~30 cm土层相似, 地下水位是主要影响因素。
土壤孔隙度是衡量土壤通气和持水能力的重要指标, 也可以反映土壤结构特征。0~20 cm土层土壤总孔隙度总体高于20~40 cm土层, 这是由于机械耕作过程中, 耕作层土壤破碎后形成了新孔隙, 20~40 cm土层土壤在压力作用下, 结构变得更为密实, 孔隙度一定程度减少。从耕作年限来看, 0~10 cm和10~20 cm土层土壤总孔隙度均总体呈递减趋势(P<0.05, r0~10 cm=−0.732; P<0.05, r10~20 cm=−0.634), 这与连续机械耕作措施下土壤结构破碎率增大有关[17]; 20~30 cm土层土壤总孔隙度处于波动式变化, 且与背景值(46.33%)相近, 在13a-1时达最低点, 说明机械耕作对该层土壤影响较少, 微生物活动是主要影响因素; 30~40 cm土层内土壤总孔隙度也与20~30 cm土层相似。土壤毛管孔隙度与总孔隙度变化趋势基本相似, 均随剖面加深呈递减趋势, 土壤受机械压实次数增多, 土壤趋于板结则毛管孔隙减少[19]。0~10 cm土层, 毛管孔隙度随耕作年限增加呈波动下降趋势, 这是因为长期机械水耕后, 被破坏的毛管孔隙数量远大于新形成的毛管孔隙数量; 10~20 cm土层, 土壤毛管孔隙度随耕作年限增加有缓慢降低趋势且14a-2后小于背景值(49.86%), 说明该层土壤受到机械压实影响较上层土壤小; 20~40 cm土层土壤毛管孔隙度随耕作年限增加总体无明显变化规律, 其中 30~40 cm土层土壤毛管孔隙度总体小于背景值(44.13%), 这是因为双季稻种植模式下, 土壤多处于渍水状态, 土壤在缺氧条件下, 厌气微生物大量繁殖, 土壤有机质增加导致土壤毛管孔隙度降低。
田间持水量是指土壤在地下水位较深时, 降水或经过充分灌溉后所保持的含水量, 是作物吸水的重要来源。田间持水量在0~10 cm土层随耕作年限增加, 在11a-2达顶峰(50.38%), 且在12a-1后, 田间持水量出现波动式下降趋势, 且均小于背景值(45.27%)。毛管孔隙在机械旋耕过程中有所增加, 但受机械载荷影响, 土壤被压实, 毛管孔隙度降低, 进而导致持水能力降低。10~20 cm土层土壤田间持水量呈降低趋势, 这是由于10~20 cm土层趋近于犁底层, 土壤相对板结, 且持水能力相对较低。20~30 cm土层土壤田间持水量无明显变化, 这是由于该层土壤受机械压实的影响较小; 30~40 cm土层土壤田间持水量与背景值相比为波动式变化, 这与该层受地下水位波动影响, 土壤微生物繁殖使土壤有机质含量增加使土壤孔隙增加有关。
土壤饱和含水量与田间持水量总体表现出相似变化规律。0~20 cm土层土壤饱和含水量总体较20~40 cm土层高, 这与土层间孔隙度差异有关。0~10 cm土层土壤饱和含水量随耕作年限增加, 在11a-2出现顶峰(49.98%)后呈波动式下降趋势, 且总体小于背景值(45.36%), 这与机械压实作用下, 土壤总孔隙度降低有关; 30~40 cm土层土壤饱和含水量在13a-1之前呈缓慢减小趋势, 在13a-1后出现增大趋势, 这是由于该层土壤受地下水和微生物活动影响程度明显大于上层机械压实作用。
2.2 土壤结构稳定性指标变化
团聚体破碎率是土壤团聚体稳定性的重要指标, 在机械耕作过程中主要受物理和化学分散作用中的机械和水的影响。总体来看, 团聚体破碎率总体随剖面加深呈增大趋势(图1)。0~10 cm土层, 土壤团聚体破碎率随耕作年限增加在12a-1时最低(4.17%), 随后其土壤团聚体破碎率出现波动式增加且团聚体破碎率均高于背景值(4.79%, 表1), 这是因为在机械耕作作用下, 土壤结构被破坏, 同时在水的作用下分解, 团聚体破碎程度增高, 而12a-1与13a-1出现异常, 这可能与采样前后干旱或降雨等有关。10~20 cm土层土壤团聚体破碎率随耕作年限增加呈波动递增趋势, 在11a-1时, 土壤团聚体破碎率低于背景值(4.68%), 其后破碎率增高, 这可能是因为机械旋耕初期压实作用大于破碎作用, 水稳性小粒径团聚体较少, 大粒径团聚体较多, 随着机械耕作次数的增加, 破碎作用占主导地位。20~30 cm土层团聚体破碎率随机耕年限增加总体仍呈波动式增加趋势, 在13a-1时达最低(14.71%), 这是由于土壤中水稳性小粒径团聚体受力向下转移; 这一土层土壤团聚体破碎率破碎作用主要来源于土壤水分, 随着机耕年限增加, 土壤水分逐渐占据土壤孔隙, 孔隙内空气被挤压, 团聚体被土壤压强破坏。30~40 cm土层土壤团聚体破碎率总体高于背景值(16.92%), 其主要是因为土壤水分挤压空气造成团聚体破碎, 使得水稳性小粒径团聚体减少, 机械稳定性团聚体变化不明显, 以上说明地下水位运移对下层土壤结构稳定性的影响占主导作用。
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图 1 双季稻种植模式下不同机械水耕年限下潮土性水稻土团聚体破碎率的变化趋势11a、12a、13a、14a和15a分别表示连续种植双季稻第11年、第12年、第13年、第14年和第15年, 即模拟连续机械水耕的第1年、第2年、第3年、第4年和第5年, 其后的1和2分别表示模拟双季稻第1季和第2季耕作后。不同小写字母表示同一土层不同机械水稻耕作年限差异显著(P<0.05). 11a, 12a, 13a, 14a and 15a represent the 11th, 12th, 13th, 14th and 15th years of the continuous planting of double-cropping rice, that is the 1st, 2nd, 3rd, 4th and 5th years of the simulated mechanical water tillage of double-cropping rice; the 1 and 2 following them represent after the simulated first and second seasons of the double-cropping rice. Different lowercase letters indicate significant differences among different years of mechanical water tillage at the same soil layer (P<0.05).Figure 1. Change trend of aggregate breakage rate in fluvo-aquic paddy soil of double-cropping rice under different mechanical water tillage years紧实度是土壤抵抗外界压力与破碎能力的重要指标。土壤紧实度随耕作年限的延长无明显变化趋势, 但随剖面加深总体呈先增加后减少趋势(14a-1除外, 图2)。土壤紧实度在10~20 cm土层大幅增大后趋于降低且均高于CK (14a-1除外), 这与长期机械作业条件下, 上层土壤可被压缩的孔隙比逐渐降低、土壤趋于板结和犁底层增厚有关。20~30 cm土层土壤紧实度波动增加, 这是因为该层土壤处于犁刀下沿受力的主要区域, 也是承受机械载荷的主要土层。30~40 cm土层土壤紧实度波动下降, 这说明下层土壤紧实程度主要与土壤成土母质和地下水位等有关, 受机械耕作的影响较小。
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图 2 双季稻种植模式下不同机械水耕年限下潮土性水稻土紧实度的变化趋势11a、12a、13a、14a和15a分别表示连续种植双季稻第11年、第12年、第13年、第14年和第15年, 即模拟连续机械水耕的第1年、第2年、第3年、第4年和第5年, 其后的1和2分别表示模拟双季稻第1季和第2季耕作后。不同小写字母表示同一土层不同机械水稻耕作年限差异显著(P<0.05). 11a, 12a, 13a, 14a and 15a represent the 11th, 12th, 13th, 14th and 15th years of the continuous planting of double-cropping rice, that is the 1st, 2nd, 3rd, 4th and 5th years of the simulated mechanical water tillage of double-cropping rice; the 1 and 2 following them represent after the simulated first and second seasons of the double-cropping rice. Different lowercase letters indicate significant differences among different years of mechanical water tillage at the same soil layer (P<0.05).Figure 2. Change trend of compactness of fluvo-aquic paddy soil of double-cropping rice under different mechanical water tillage years2.3 土壤压缩指标变化
压缩指数是土壤压缩线斜率, 反映了土壤抗压能力及特性。模拟双季稻种植制度连续机械水耕模式下的土壤压缩指数总体变化范围为0.1360~0.7631。0~10 cm土层土壤压缩指数总体随着耕作年限延长在11a-2后出现先减少后增加趋势, 这是因为长期耕作造成土壤颗粒破碎, 土壤空隙被小颗粒填充, 抗压能力增强, 12a-2和13a-1时降低可能是由于机械旋耕对表层土壤扰动较大, 此外降雨等自然因素对其影响也较大; 10~20 cm土层土壤压缩指数相对平稳,土壤颗粒组成相对均匀。在20~40 cm土层压缩指数随耕作年限增加波动变化, 这是由于连续机械水耕使上层土壤黏粒不断下移, 土壤有机质含量逐渐增多, 孔隙度增加, 土壤大孔隙被水分填充进而在一定程度上抵消了因机械压实导致的孔隙度减少(图3)。
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图 3 双季稻种植模式下不同机械耕作年限下压缩指数的变化趋势11a、12a、13a、14a和15a分别表示连续种植双季稻第11年、第12年、第13年、第14年和第15年, 即模拟连续机械水耕的第1年、第2年、第3年、第4年和第5年, 其后的1和2分别表示模拟双季稻第1季和第2季耕作后。不同小写字母表示同一土层不同机械水稻耕作年限差异显著(P<0.05). 11a, 12a, 13a, 14a and 15a represent the 11th, 12th, 13th, 14th and 15th years of the continuous planting of double-cropping rice, that is the 1st, 2nd, 3rd, 4th and 5th years of the simulated mechanical water tillage of double-cropping rice; the 1 and 2 following them represent after the simulated first and second seasons of the double-cropping rice. Different lowercase letters indicate significant differences among different years of mechanical water tillage at the same soil layer (P<0.05).Figure 3. Change trend of compression index of fluvo-aquic paddy soil of double-cropping rice under different mechanical water tillage years先期固结压力指土壤能承受的最大压力。模拟双季稻种植模式下机械水耕11a—15a间变化发现, 土壤先期固结压力变化范围为466.63~786.43 kPa(图4)。从垂直剖面来看, 下层土壤(20~40 cm)在12a-2后先期固结压力明显高于上层土壤(0~20 cm)。而从年际尺度来看, 0~20 cm土层土壤总体呈平稳缓慢降低的趋势, 20~40 cm土层土壤总体呈先增大直至趋于稳定的趋势。0~20 cm土层土壤受机械旋耕影响大, 上层土壤变松, 其先期固结压力逐渐减小, 虽然下层土壤受机械载荷的影响程度较弱, 但土壤孔隙还是存在缓慢压缩、变小等趋势, 同时地下水位上下运移和耕作次数增多同样对土壤黏粒运动和孔隙胀缩存在一定程度影响, 并导致部分土壤先期固结压力略有降低。
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图 4 双季稻种植模式下不同机械耕作年限下先期固结压力的变化趋势11a、12a、13a、14a和15a分别表示连续种植双季稻第11年、第12年、第13年、第14年和第15年, 即模拟连续机械水耕的第1年、第2年、第3年、第4年和第5年, 其后的1和2分别表示模拟双季稻第1季和第2季耕作后。不同小写字母表示同一土层不同机械水稻耕作年限差异显著(P<0.05). 11a, 12a, 13a, 14a and 15a represent the 11th, 12th, 13th, 14th and 15th years of the continuous planting of double-cropping rice, that is the 1st, 2nd, 3rd, 4th and 5th years of the simulated mechanical water tillage of double-cropping rice; the 1 and 2 following them represent after the simulated first and second seasons of the double-cropping rice. Different lowercase letters indicate significant differences among different years of mechanical water tillage at the same soil layer (P<0.05).Figure 4. Change trend of preconsolidation pressure of fluvo-aquic paddy soil of double-cropping rice under different mechanical water tillage years3. 讨论
3.1 耕作年限对土壤水分的影响
合理耕作是缓解土壤压实, 提升土壤生产力的有效措施, 土壤水分是影响土壤物理性能的重要因素, 直接影响土壤耕作质量。土壤水分包括土壤含水率、饱和含水量和田间持水量等, 反映土壤持水特性, 直接影响农田持水、保水和透气能力, 进而影响作物生长和产量[8]。土壤容重、含水量和孔隙度等通过影响土壤三相比和土壤结构等来影响土壤入渗与透气性能[20]。垂直剖面上土壤水分指标虽呈波动状但整体微减少趋势, 土壤容重呈波动状但整体增加趋势, 与王永栋等[21]研究结果相似。本研究表明, 0~20 cm土层土壤容重总体随机械耕作年限延长而增大, 李卓等[22]研究表明土壤水分和质地是影响容重的关键因素, 说明产生这种结果的原因与机械长期耕作下, 土壤颗粒分散、下沉充塞了土壤孔隙有关[19]。周期性耕作可有效改善土壤紧实度、土壤容重和孔隙度[23], 而泡水耕作条件下, 耕作层土壤团聚体被水分进一步分解, 造成土壤孔隙排列与连续性降低, 进而导致土壤耕作层土壤孔隙度降低[24], 与本文研究结果一致。年际尺度下, 机械长期连续机械耕作, 农业机械对土壤持续施压改变了土壤三相比[24], 导致土壤持续压实、土壤通气和持水孔隙降低, 含水量也随之降低, 容重增大。20~30 cm土层土壤水分指标变化趋势不明显, 与前人研究结果[7]相似, 当前江汉平原常用农机犁刀扰动深度主要集中在耕作层, 对20 cm以下土层的影响较小, 对20 cm以下土层的影响主要表现为抵抗机械压实的承受力, 而在长期淹水条件下, 土层中微生物和有机质增多, 增强了土壤颗粒间黏结力, 可有效抵御机械压实作用对土壤孔隙和水分挤压的影响[25]。30~40 cm土层土壤水分指标普遍呈上升趋势, 土壤孔隙度无明显变化, 这说明水稻田长期渍水和该区域地下水位的上下运移是主要影响因素, 与杨燕等[26]研究结论相似, 剖面垂直渗漏也是影响江汉平原水稻田土壤水分运移规律的重要因素, 可作为后期研究关注的重点。
3.2 耕作年限对土壤结构功能的影响
土壤结构是反映土壤质量、实现土壤功能的基础, 结构特征直接影响作物生长情况[20]。就稻田土壤而言, 机械作业是影响土壤结构的主导因素。土壤紧实度和团聚体破碎率通过影响土壤抗压能力和土壤粒径大小来影响土壤水分渗透和空气交换等[27]。团聚体是由土壤颗粒重新排列、凝絮和胶结所产生的, 有机质、生物群落和黏粒含量等对团聚体起了重要的调节作用, 而团聚体又反过来对其产生反馈作用。土壤团聚体的好坏直接影响孔隙状况等, 并进一步影响土壤通气透水性和水分含量, 间接影响作物吸收利用[28]。团聚体破坏主要表现为物理破坏和化学破坏, 即消散和分散[28]。就稻田土壤而言, 土壤团聚体在受到水分湿润时, 其内部存在于孔隙中的闭蓄空气由于水分渗入而被不断挤压, 当被挤压到一定程度后会发生爆破从而引起团聚体崩解[29]。本研究发现了相似结果, 土壤团聚体结构破碎率随机械水耕次数增加而增大, 垂直剖面上下层土壤受地下水位运移影响团聚体结构破碎率明显高于耕作层土壤, 这与孙义秋等[30]研究结论也一致。
20~40 cm土层土壤紧实度随耕作年限延长总体平稳, 且大于0~20 cm土层土壤, 这是因为农业机械对耕作层土壤的扰动强度大, 使稳定的团粒结构崩解[31], 黏粒下移, 一方面潮土性水稻土本身黏性较大, 且长期渍水, 使其内部压强更高, 下层土壤孔隙被填充, 且处于犁刀下沿, 土壤被扰动破坏的程度降低, 紧实度增大。土壤压缩性能主要反映外力作用下, 土壤承受机械载荷等外界压力的能力。本研究表明土壤压缩指数总体随耕作年限增大呈缓慢增大趋势, 与金玉贺等[23]的研究结果相似。20~40 cm土层压缩指数呈波动变化, 在机械耕作时不断产生小结构土壤, 且在机械压实及降雨等不同力的作用下不断向下转移, 减少了土壤孔隙度, 但在长期渍水的情况下, 土壤有机质增多, 又增加了土壤孔隙度, 同时抵抗了机械耕作带来的压实作用, 相同情况下, 土壤孔隙度随着容重的增大而减小, 同时抗压能力增强, 与柴鑫[32]研究结果一致, 土壤容重和含水率是影响土壤抗压能力的关键因素[33]。
4. 结论
1)江汉平原潮土性水稻土模拟双季稻多年机械水耕模式下, 垂直剖面各层土壤水分、结构和力学等物理指标变化程度差异明显, 进而改变土壤物理质量。模拟机械水耕1~5 a, 0~20 cm土层土壤含水率、土壤总孔隙度、土壤毛管孔隙度、田间持水量、饱和含水量总体呈减小趋势, 土壤容重总体呈增加趋势, 30~40 cm土层水分特征则与之相反; 20~30 cm土层各指标变化趋于平稳; 这说明机械载荷和灌水耕作方式对土壤物理性能产生双重交互作用。
2)土壤团聚体破碎率和表层(0~20 cm)紧实度总体随机械水耕年限增加而增大, 分别在4.17%~78.68%和268.65~5344.64 kPa之间变化。沿垂直剖面加深, 土壤团聚体破碎率整体呈增大趋势, 紧实度总体呈大幅增大后缓慢降低趋势。说明双季稻机械水耕模式不利于土壤结构稳定性维持。
3)土壤抗压能力(先期固结压力)总体随机械水耕年限增加呈先增大后趋于平缓。模拟机械水耕1~5 a, 土壤压缩指数整体呈增大趋势, 其变化范围为0.1360~0.7631, 耕作年限越长, 土壤抗压能力越强。先期固结压力在表层土层(0~20 cm)呈减少趋势, 在下层土壤(20~40 cm)后期略呈增大趋势, 总体变化范围为437.12~722.89 kPa, 这与不同土层土壤容重和含水率水平有直接关系。
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图 1 双季稻种植模式下不同机械水耕年限下潮土性水稻土团聚体破碎率的变化趋势
11a、12a、13a、14a和15a分别表示连续种植双季稻第11年、第12年、第13年、第14年和第15年, 即模拟连续机械水耕的第1年、第2年、第3年、第4年和第5年, 其后的1和2分别表示模拟双季稻第1季和第2季耕作后。不同小写字母表示同一土层不同机械水稻耕作年限差异显著(P<0.05). 11a, 12a, 13a, 14a and 15a represent the 11th, 12th, 13th, 14th and 15th years of the continuous planting of double-cropping rice, that is the 1st, 2nd, 3rd, 4th and 5th years of the simulated mechanical water tillage of double-cropping rice; the 1 and 2 following them represent after the simulated first and second seasons of the double-cropping rice. Different lowercase letters indicate significant differences among different years of mechanical water tillage at the same soil layer (P<0.05).
Figure 1. Change trend of aggregate breakage rate in fluvo-aquic paddy soil of double-cropping rice under different mechanical water tillage years
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图 2 双季稻种植模式下不同机械水耕年限下潮土性水稻土紧实度的变化趋势
11a、12a、13a、14a和15a分别表示连续种植双季稻第11年、第12年、第13年、第14年和第15年, 即模拟连续机械水耕的第1年、第2年、第3年、第4年和第5年, 其后的1和2分别表示模拟双季稻第1季和第2季耕作后。不同小写字母表示同一土层不同机械水稻耕作年限差异显著(P<0.05). 11a, 12a, 13a, 14a and 15a represent the 11th, 12th, 13th, 14th and 15th years of the continuous planting of double-cropping rice, that is the 1st, 2nd, 3rd, 4th and 5th years of the simulated mechanical water tillage of double-cropping rice; the 1 and 2 following them represent after the simulated first and second seasons of the double-cropping rice. Different lowercase letters indicate significant differences among different years of mechanical water tillage at the same soil layer (P<0.05).
Figure 2. Change trend of compactness of fluvo-aquic paddy soil of double-cropping rice under different mechanical water tillage years
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图 3 双季稻种植模式下不同机械耕作年限下压缩指数的变化趋势
11a、12a、13a、14a和15a分别表示连续种植双季稻第11年、第12年、第13年、第14年和第15年, 即模拟连续机械水耕的第1年、第2年、第3年、第4年和第5年, 其后的1和2分别表示模拟双季稻第1季和第2季耕作后。不同小写字母表示同一土层不同机械水稻耕作年限差异显著(P<0.05). 11a, 12a, 13a, 14a and 15a represent the 11th, 12th, 13th, 14th and 15th years of the continuous planting of double-cropping rice, that is the 1st, 2nd, 3rd, 4th and 5th years of the simulated mechanical water tillage of double-cropping rice; the 1 and 2 following them represent after the simulated first and second seasons of the double-cropping rice. Different lowercase letters indicate significant differences among different years of mechanical water tillage at the same soil layer (P<0.05).
Figure 3. Change trend of compression index of fluvo-aquic paddy soil of double-cropping rice under different mechanical water tillage years
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图 4 双季稻种植模式下不同机械耕作年限下先期固结压力的变化趋势
11a、12a、13a、14a和15a分别表示连续种植双季稻第11年、第12年、第13年、第14年和第15年, 即模拟连续机械水耕的第1年、第2年、第3年、第4年和第5年, 其后的1和2分别表示模拟双季稻第1季和第2季耕作后。不同小写字母表示同一土层不同机械水稻耕作年限差异显著(P<0.05). 11a, 12a, 13a, 14a and 15a represent the 11th, 12th, 13th, 14th and 15th years of the continuous planting of double-cropping rice, that is the 1st, 2nd, 3rd, 4th and 5th years of the simulated mechanical water tillage of double-cropping rice; the 1 and 2 following them represent after the simulated first and second seasons of the double-cropping rice. Different lowercase letters indicate significant differences among different years of mechanical water tillage at the same soil layer (P<0.05).
Figure 4. Change trend of preconsolidation pressure of fluvo-aquic paddy soil of double-cropping rice under different mechanical water tillage years
表 1 试验地土壤基本物理性质背景值
Table 1 Basic physical properties of soil in the test site
土层
Soil layer
(cm)含水率
Water content
(%)容重
Bulk density
(g∙cm−3)总孔隙度
Total porosity
(%)毛管孔隙度
Capillary porosity
(%)田间持水量
Field capacity
(%)饱和含水量
Saturated water
content (%)团聚体破碎率
Aggregate
breakage rate (%)紧实度
Compactness
(kPa)0~10 40.43 1.12 57.89 50.52 45.27 45.36 4.79 1132.44 10~20 39.65 1.15 58.32 49.86 46.23 46.26 4.68 1100.46 20~30 28.89 1.42 46.33 44.33 31.19 31.19 17.32 3919.04 30~40 28.79 1.45 46.97 44.13 32.18 32.29 16.92 3814.94 
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表 2 双季稻种植模式下不同机械水耕年限对潮土性水稻土土壤水分指标的变化
Table 2 Changes of soil moisture indexes in fluvo-aquic paddy soil of double-cropping rice under different mechanical water tillage years
土层
Soil layer
(cm)机械水耕年限
Mechanical water
tillage years含水率
Water content
(%)容重
Bulk density
(g∙cm−3)总孔隙度
Total porosity
(%)毛管孔隙度
Capillary porosity
(%)田间持水量
Field capacity
(%)饱和含水量
Saturated water content
(%)0~10 11a-1 40.43±0.65b 1.12±0.00f 57.89±0.29a 50.52±0.53a 45.27±0.41b 45.36±0.53b 11a-2 53.65±0.64a 1.16±0.01e 55.99±0.17ab 49.37±0.36b 50.38±0.05a 49.98±0.74a 12a-1 36.59±0.15d 1.11±0.02f 58.11±0.83a 47.92±1.09cd 44.01±0.43c 43.37±0.45c 12a-2 36.23±0.22de 1.27±0.02b 52.01±0.57b 45.84±0.66de 36.79±0.53ef 36.75±0.57e 13a-1 35.88±0.07de 1.28±0.01b 52.19±0.87b 47.92±0.45cd 37.30±0.21e 37.79±0.20d 13a-2 37.80±0.68c 1.18±0.01d 54.64±0.86ab 45.10±0.77e 37.52±0.09de 37.87±0.64d 14a-1 35.12±0.82e 1.25±0.05c 54.27±0.05ab 47.11±0.08cde 38.32±0.79d 37.71±0.34d 14a-2 29.70±0.71f 1.26±0.01bc 52.55±4.74b 48.66±0.35bc 36.14±0.03f 36.67±0.10e 15a-1 30.07±0.71f 1.30±0.01a 50.24±0.60b 42.56±0.60f 32.66±0.56g 32.02±0.40f 15a-2 29.20±0.61f 1.27±0.01bc 54.58±0.42ab 47.36±1.01cde 37.04±0.52e 37.06±0.21de 10~20 11a-1 40.43±0.64b 1.12±0.00c 57.89±0.29a 50.52±0.53a 45.27±0.41b 45.36±0.53b 11a-2 53.65±0.64a 1.16±0.01b 55.99±0.17a 49.37±0.36bc 50.38±0.07a 49.98±0.74a 12a-1 35.78±0.30de 1.31±0.03ab 51.75±0.17b 48.18±1.11bcd 36.50±0.12c 36.79±0.26cd 12a-2 32.91±0.66e 1.32±0.04ab 51.10±3.20b 41.63±1.21f 32.22±0.17c 31.05±0.44ef 13a-1 34.63±0.75de 1.32±0.01ab 50.21±0.03bc 48.82±0.79bcd 36.46±0.28d 36.60±0.21cd 13a-2 39.36±0.25bc 1.30±0.04ab 49.76±2.02bc 49.21±0.44bc 35.12±0.05c 35.04±0.00cde 14a-1 36.70±0.93cd 1.31±0.02ab 50.42±0.58bc 50.41±0.13a 38.85±0.46c 38.52±0.38c 14a-2 32.32±0.59e 1.42±0.01a 46.41±0.41cd 46.56±0.27de 31.81±0.69d 32.13±0.70def 15a-1 25.12±0.01f 1.42±0.05a 44.60±2.59d 44.56±0.32e 29.88±0.68d 29.08±0.42f 15a-2 35.71±0.80de 1.27±0.03b 53.39±0.99b 47.06±0.67cd 37.61±0.03c 38.33±0.91c 20~30 11a-1 29.46±0.09bc 1.38±0.02e 47.91±0.68b 43.37±0.14b 31.19±0.53bc 31.19±0.38b 11a-2 32.74±0.95a 1.36±0.01ef 48.46±0.21ab 45.64±0.73a 32.94±0.88a 32.40±0.43a 12a-1 30.31±0.53b 1.48±0.01bcd 43.79±0.47cd 45.00±0.53a 31.40±0.53bc 31.81±0.53ab 12a-2 27.87±0.88de 1.52±0.05b 42.39±1.87de 41.00±0.29cd 26.88±0.56e 26.88±0.56de 13a-1 24.39±0.33g 1.56±0.01a 41.20±0.28e 40.43±0.26d 25.95±0.13f 26.13±0.05e 13a-2 27.42±0.83ef 1.47±0.02cd 44.47±0.91c 38.65±0.41e 26.27±0.33ef 26.29±0.23e 14a-1 28.72±0.74cd 1.46±0.02cd 44.73±0.59c 45.07±0.11a 30.56±0.37c 30.20±0.26c 14a-2 26.53±0.24f 1.49±0.01bc 43.64±0.34cd 40.80±0.43d 27.20±0.03e 27.65±0.50d 15a-1 28.07±0.22de 1.32±0.01f 49.58±0.86a 42.87±1.61b 32.07±0.67ab 31.60±0.44ab 15a-2 29.17±0.37c 1.45±0.03d 47.54±1.15b 42.68±0.53bc 29.39±0.01d 29.88±0.81c 30~40 11a-1 28.89±0.09b 1.38±0.02bc 47.91±0.68bc 43.36±0.14bc 31.19±0.53b 31.19±0.38d 11a-2 28.05±0.49c 1.49±0.01ab 43.92±0.48fg 40.43±0.02d 27.20±0.22ef 27.05±0.09h 12a-1 28.28±0.61c 1.43±0.03b 45.15±0.71def 43.49±0.56bc 30.31±0.25c 30.24±0.21e 12a-2 26.05±0.53d 1.48±0.01ab 44.26±0.29efg 39.23±0.53d 26.56±0.29fg 26.56±0.30h 13a-1 23.56±0.56e 1.51±0.01a 42.82±0.18g 43.55±0.25bc 28.90±0.23d 29.36±0.28f 13a-2 28.31±0.54c 1.48±0.01ab 43.98±0.17fg 39.26±0.81d 26.37±0.39g 25.81±0.18i 14a-1 31.11±0.46a 1.42±0.01b 46.34±0.42cd 46.06±0.41a 32.79±0.51a 32.10±0.25c 14a-2 26.33±0.61d 1.41±0.02b 45.49±1.50de 40.14±0.37d 27.80±0.56e 27.86±0.40g 15a-1 31.29±0.58a 1.36±0.02c 49.90±1.60a 42.49±0.07c 33.23±0.24a 33.40±0.36a 15a-2 31.11±0.73a 1.38±0.01bc 48.55±1.11ab 45.74±0.40ab 33.00±0.01a 32.85±0.11b 11a、12a、13a、14a和15a分别表示连续种植双季稻第11年、第12年、第13年、第14年和第15年, 即模拟连续机械水耕的第1年、第2年、第3年、第4年和第5年, 其后的1和2分别表示模拟双季稻第1季和第2季耕作后。不同小写字母表示同一土层不同机械水稻耕作年限差异显著(P<0.05). 11a, 12a, 13a, 14a and 15a represent the 11th, 12th, 13th, 14th and 15th years of the continuous planting of double-cropping rice, that is the 1st, 2nd, 3rd, 4th and 5th years of the simulated mechanical water tillage of double-cropping rice; the 1 and 2 following them represent after the first and second seasons of the simulated double-cropping rice. Different lowercase letters indicate significant differences among different years of mechanical water tillage at the same soil layer (P<0.05).
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