機械耕作與季節(jié)性凍融對黑土結(jié)構(gòu)的影響.pdf

1、以東北典型黑土區(qū)耕地土壤為主要研究對象,采用田間機械作業(yè)過程與模擬機械壓實試驗相結(jié)合、田間季節(jié)性凍融過程與室內(nèi)模擬凍融循環(huán)試驗相結(jié)合的方法,從機械作業(yè)正負效益、季節(jié)性凍融循環(huán)特征等方面入手,研究了對土壤影響范圍較深、影響程度較為強烈的機械作業(yè)和季節(jié)性凍融循環(huán)兩個過程對典型黑土區(qū)土壤結(jié)構(gòu)的影響。
　　 首先,通過對容重、硬度、孔隙度、團聚體分布及穩(wěn)定性、三相比、速效養(yǎng)分等指標的測定與分析,研究了不同機械類型以及前期含水量對機械作業(yè)

2、條件下黑土耕作區(qū)、非耕作區(qū)土壤結(jié)構(gòu)特征、有效養(yǎng)分的影響,結(jié)果表明:(1)機械作業(yè)對黑土區(qū)耕地土壤結(jié)構(gòu)存在正負兩方面效應(yīng),總體表現(xiàn)為對表層耕作區(qū)土壤的疏松改良效果,和對耕作層下土壤的積累壓實作用,大機械和中機械作業(yè)條件下的壓實積累區(qū)分別在41～60cm和31～40cm土層范圍。(2)大機械對耕作區(qū)土壤環(huán)境的改善調(diào)節(jié)作用明顯優(yōu)于中小機械,顯著降低了表層耕作區(qū)土壤的容重,收獲和深松作業(yè)后土壤容重分別較收獲前降低了3.5％和7.2％(P<0.0

3、5),非毛管與毛管的比例(NCP/CP)顯著增加,而由于中機械收獲和整地深度不一致,在17.5～30cm深度產(chǎn)生了土壤再生板結(jié)。(3)大機械收獲、整地作業(yè)可以顯著增加土壤速效磷的含量,與收獲前相比提高20.07％～380.91％,中機械作業(yè)時土壤速效磷的含量整體上呈現(xiàn)降低趨勢；大、中機械作業(yè)對土壤速效氮的影響均不明顯,顯著增加了下層非耕作區(qū)土壤速效鉀含量,提高幅度分別為10.04％～20.61％和17.05％～27.52％(P<0.05

4、)。(4)前期含水量不同對機械壓實后黑土土壤結(jié)構(gòu)特征的變化具有顯著影響。前期含水量較高時機械壓實對土壤的影響范圍較深,可達40cm,比較低前期含水量的影響范圍增加了10cm。但高含水量時,從首次壓實開始就體現(xiàn)了積累壓實的作用。(5)綜合黑土耕作區(qū)0～30cm范圍內(nèi)干篩團聚體和水穩(wěn)性團聚體PA0.25MWD、MWSSA、分維數(shù)D值和PAD0.25的變化,可以認為少次壓實具有促進土壤團聚體團聚的作用,但同等負荷下多次積累壓實會降低土壤的水穩(wěn)

5、定性和機械穩(wěn)定性。
　　 其次,采用長期定位監(jiān)測的方法對比分析了典型剖面、不同坡位(坡肩和坡腳)處季節(jié)性凍融特征；通過對容重、硬度、孔隙度、空隙比、飽和度、團聚體分布及穩(wěn)定性等指標的測定和分析,研究了季節(jié)性凍融對黑土耕作區(qū)、非耕作區(qū)以及壓實黑土結(jié)構(gòu)特征的影響；最后采用美國中部黑土的原狀土、填充土、團聚體樣品,通過室內(nèi)模擬實驗,進行了凍融循環(huán)次數(shù)、含水量對孔隙結(jié)構(gòu)、團聚體穩(wěn)定性的研究,結(jié)果表明:(1)季節(jié)性凍融過程中(2008年1

6、0月～2009年6月),坡上部位的凍結(jié)強度較為明顯,坡下部位積雪較深,坡上和坡下的最大凍結(jié)深度分別為229cm和191cm,坡上部位的平均凍結(jié)和解凍速度分別為1.17cm/d和2.83cm/d；而坡下部位則相應(yīng)為1.03cm/d和2.60cm/d。(2)季節(jié)性凍融后,50～70cm土層范圍的土壤結(jié)構(gòu)較其上下土層更為敏感(P<0.05),耕作區(qū)土壤(0～30cm)風(fēng)干團聚體呈分散趨勢,但大于0.25mm團聚體的水穩(wěn)定性卻顯著增強(P<0.

7、05)。土壤硬度以表層(0～10cm)變化最為顯著,降低了84.11％(P<0.05),各層次土壤容重趨于一致,在1.10～1.11g/cm3之間。(3)凍融交替頻度、程度以及水分條件的差異能夠?qū)Φ湫秃谕帘韺?0～10cm)團聚體組成、分布及分形特征產(chǎn)生不同的影響:無水分補充時,顯著增加了>5mm干篩團聚體和>0.25mm水穩(wěn)性團聚體的含量；有水分補充時則加劇了團聚體的拆分作用,顯著增加了<2mm干篩團聚體和0.25～1mm水穩(wěn)性團聚體

8、的含量。(4)由于不同壓實程度土體內(nèi)水熱運移規(guī)律和季節(jié)性凍融過程與特征差異所致,季節(jié)性凍融能夠?qū)簩嵧寥赖膱F聚體、孔隙以及三相結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響,呈現(xiàn)緩解并改善典型黑土耕作區(qū)壓實土壤環(huán)境的趨勢,但僅一季凍融循環(huán)作用均無法使各壓實處理達到無碾壓自然恢復(fù)的狀態(tài)。(5)模擬凍融循環(huán)時,凍融循環(huán)對各粒級風(fēng)干團聚體、水穩(wěn)定性團聚體比例的影響均達到了顯著水平(P<0.01),而前期含水量僅對小于5mm的水穩(wěn)性團聚體分布比例有顯著影響(P<0.01)。風(fēng)干

9、團聚體對凍融交替更加敏感,取樣方式對風(fēng)干團聚體的MWD影響顯著(P<0.01)。(6)凍融循環(huán)能夠顯著增加0～40cm表層土壤平均孔隙的數(shù)目,顯著降低40～80cm土層范圍內(nèi)平均孔隙面積以及Feret直徑；含水量對粘化層(40～80cm)原狀土柱內(nèi)_>5mm孔隙的平均數(shù)目與平均面積的影響最為顯著(P<0.05),凍融循環(huán)顯著降低了粘化層(40～80cm)填充土柱的平均孔隙數(shù)目,相比之下,含水量對填充土柱孔隙的影響較小。
　　 與

10、此同時,在研究過程中借鑒柯布-道格拉斯生產(chǎn)函數(shù)邊際遞減效益的思想,構(gòu)建了旱作土壤介質(zhì)中“三相投入”與“結(jié)構(gòu)產(chǎn)出”的土壤結(jié)構(gòu)生產(chǎn)函數(shù)(GSS1)和土壤三相結(jié)構(gòu)距離(STPSD),為定量化研究、分析和綜合評價土壤結(jié)構(gòu)狀態(tài)與變化動態(tài)提供了新的綜合指標及方法。
　　 研究的結(jié)果不僅可以為進一步深入系統(tǒng)研究東北黑土區(qū)土壤質(zhì)量演變與管理提供理論參考和借鑒,而且對黑土資源的利用與保護、科學(xué)指導(dǎo)機械作業(yè)、恢復(fù)和改善黑土土壤結(jié)構(gòu)與功能具有重要的現(xiàn)