第二章 轮耕对土壤结构及入渗特性的影响
在半干旱区，旱地农业发展的主要技术目标是充分有效地利用自然降水，减少地表径流，增加土壤水分含量。土壤的入渗能力决定了降水再分配过程中地表径流和土壤的蓄水性能，土壤渗透性能的好坏，直接关系到土壤蓄水量的多少（蒋定生，1997；蔡进军等，2007）。
土壤的入渗特性与土壤结构、土壤剖面含水率有关。研究表明，随土壤容重的增加，土壤团粒结构丧失、土壤孔隙和入渗率减小（马履一等，1999）。田积莹（1987）和蒋定生等（1984）研究认为，土壤入渗能力的大小主要取决于土壤机械组成和水稳性团粒含量。土壤入渗速率随着大于0.25 mm的水稳性团粒含量的增加而增加。另外，土壤初始含水率的状况也直接影响降水后土壤水分的入渗状况。Bodman和Colman（1944）认为，在入渗初期，随土壤含水率的增加，土壤入渗速率减小；随时间的延续，土壤含水率对入渗的影响变小。对土壤入渗特性的研究可以为提高降水利用效率，发挥旱地土壤生产潜力和改善生态环境提供科学的理论依据，并有助于评价各种耕作模式的蓄水效果。
宁南黄土高原丘陵区沟壑纵横，表层土壤结构疏松，水土流失十分严重。广大旱区普遍采用的传统耕作技术，致使水土流失加剧，生态环境恶化，生产成本提高（王育红等，2004），已愈来愈不适应旱区农业发展需要。因此，研究和推广“用、养、保”型的保护性耕作技术就显得尤为重要。近年来，有关保护性耕作对水土保持的研究已有报道，主要集中在耕作措施对土壤理化性状、蓄水保墒、作物产量及经济效益评价等方面，而对土壤结构、降水入渗影响等方面的研究鲜有报道。另外，对土壤降水入渗的测定也因方法的不同而导致结果有所差异。
第一节 试验设计与测定方法
一、试验区概况
试验于2007～2010年在宁夏彭阳县旱作农业试验区进行。该区位于宁夏回族自治区南部边缘、六盘山东麓，位于东经106°32＇~106°58＇、北纬35°41＇~36°17＇之间，海拔1 800 m，年蒸发量达1 050 mm，多年平均降水量435 mm, 60%的降水发生在7~9月份，春季干旱少雨，春旱频率达40%~50%，年平均气温8.1℃，无霜期155 d，属典型温带半干旱大陆性季风气候。试验期间降水量具体分布情况（见图2-1）。试验区降水主要集中在夏季7~9月份，占全年降水的46.3%~69.1%，冬小麦生育期为10月至次年6月，降水集中期与作物生长期严重错位。根据当地多年长期降水平均值和年降水总量可知，2007～2008年和2008～2009年为枯水年，分别比长期平均降水量（430.4 mm）低23%和13.5%;2009～2010年为平水年，降水量几乎接近长期平均值。2007～2008年、2008～2009年和2009～2010年年降水总量分别为331.4 mm、370.0 mm和427.8 mm，其中冬小麦生育期（10月至次年6月）降水总量分别为157.1 mm、114.4 mm和229.6 mm，夏闲期降水量（7~9月）分别为174.3 mm、255.6 mm和198.2 mm。由此可见，在该区最大限度地接纳夏秋降水，做到春墒秋保、秋雨春用，是提高降水有效利用率和作物产量的技术关键。
图2-1 2007~2010年试验地各月份降水量
试验田为旱平地，土壤类型为黄绵土，前茬作物为冬小麦。具体试验区土壤耕层土壤理化性状如表2-1，属低等肥力水平。
表2-1试验区耕层土壤主要理化性状
二、试验设计
试验设置3种耕作处理，随机区组设计，3次重复。每个小区宽6m、长15 m。（1）免耕/深松/免耕（NT/ST/NT）：第一年冬小麦收获后进行免耕处理，第二年冬小麦收获后进行深松处理，第三年冬小麦收获后进行免耕处理。（2）深松/免耕/深松（ST/NT/ST）：第一年冬小麦收获后进行深松处理，第二年冬小麦收获后进行免耕处理，第三年冬小麦收获后进行深松处理。（3）传统耕作（CT）：冬小麦收获后，进行传统翻耕处理。试验设计如表2-2所示。
表2-2试验处理
试验地前茬作物为冬小麦，处理前一直采用传统翻耕，试验期间无灌溉，整个试验为不覆盖。具体耕作处理如下：（1）免耕处理，冬小麦收获留茬5~8 cm休闲，9月下旬直接免耕播种；（2）深松处理，采用中国农业大学生产的冀铲式深松机，进行间隔深松整地，耕作深度30~35 cm，宽度间隔40 cm; （3）传统耕作处理，采用专用铧犁拖拉机耕翻土壤，耕作深度15~20 cm，耕后耙耱各一次。冬小麦品种为西峰26号，种植深度5~8 cm，播种密度350万株/hm2。采用可控制深度（压轮）和行距（20 cm）的250型免耕播种机分别于2007年9月18日、2008年9月15日和2009年9月20日播种，播种时基施尿素（N≥46%）675 kg/hm2、过磷酸钙（P2O5≥12%）750 kg/hm2，冬小麦拔节期分别追施尿素150 kg/hm2，试验期间进行人工除草。冬小麦分别于2008年6月27日、2009年6月24日和2010年7月10日收获。
三、测定项目及方法
（一）土壤容重及孔隙度
在2007年6月24日试验处理前及2010年7月10日冬小麦收获后，以“S”形布置5个采样点，按0~20 cm、20~40 cm和40~60 cm土层用环刀取样，采用环刀法测定各土层土壤容重并计算孔隙度（中国科学院南京土壤研究所，1983）。土壤孔隙度=（1-土壤容重/土壤比重）×100%，土壤比重近似值取2.65 g/cm3。
（二）土壤团聚体粒级和稳定性
1．取样方法
在2007年6月24日试验处理前及2010年7月10日冬小麦收获后，按“S”形5点取土法在0~10 cm、10~20 cm、20~30 cm和30~40 cm 4个土层采集原状土样，自然风干后除去粗根及小石块，并将大土块按自然裂痕剥离为1 cm3左右。将风干土样分别过孔径为5 mm和2 mm的筛子，分为>5 mm、2~5 mm、≤2mm 3个级别。然后按3个级别土样在原状土中所占比例取混合土样200 g。
2．测定方法
土壤团聚体粒级分布和稳定性利用干筛法和湿筛法测定（Limon-Ortega, et al.,2006）。干筛法：取土样200 g，放入孔径依次分别为5 mm、2 mm、1 mm、0.5 mm及0.25 mm的套筛最上面，底层安放底盒，顶部盖筛盖，用振荡式机械筛分仪，在最大运动频率300次/min振荡2 min后，从上部依次取筛，得到>5 mm、2~5 mm、1~2 mm、0.5~1 mm、0.25~0.5 mm以及<0.25 mm的土壤团聚体，分别收集称重。湿筛法：用团粒分析仪，取土样200 g，将其放置在孔径依次为5 mm、2 mm、1 mm、0.5 mm和0.25 mm的套筛最上层，调整桶内水面的高度，使筛子移动到最高位置时最上一层筛子中的团聚体刚好淹没在水面以下，待测土样在水面下浸泡10 min时开动仪器，以30次/min的速度筛5 min后，将每一层筛上的团聚体分别洗入铝盒并烘干称重，并分别计算出各粒级机械稳定性团聚体和水稳性团聚体含量。
（三）土壤水分
3年试验期间，采用土钻取土烘干法，测定0~200 cm层土壤水分含量，每20 cm为一间隔，取样时间分别在夏闲期（7~9月）和冬小麦生育期（播种期、越冬期、返青期、拔节期、抽穗期、开花期、灌浆期和成熟期）,3次重复。
（四）土壤入渗性能
在2007年试验处理前及2010年小麦收获后，采用自行研制的简易模拟降雨装置测定土壤入渗率（韩清芳等，2004），该装置为底部密布7号注射针头（每7.5 cm×6.0 cm一枚）的合金水箱，其工作的基本原理是：依据针头出水速度v（ml/h）与水箱内水面高度h（mm）间的线性关系（该装置为v=1.842+0.183 h），通过控制水面的高度和降水时间实现不同的降水强度和降水量。
（五）计算公式
>0.25 mm机械稳定性团聚体含量（中国科学院南京土壤研究所，1983）：
式中，DR0.25为>0.25 mm机械稳定性团聚体含量，%; W i为对应粒级团聚体百分含量，%。
团聚体平均重量直径（Kemper and Rosenau,1986）：
式中，MWD为团粒平均重量直径，mm; Xi为任一级别范围内团聚体的平均直径，mm; W i为对应于Xi的团聚体百分含量，%。
团聚体几何平均重量直径（Kemper and Chepil,1965）：
式中，GMD为团粒几何平均重量直径，mm; Xi为任一级别范围内团聚体的平均直径，mm; Wi为对应于Xi的团聚体百分含量，%。
水稳性团聚体稳定率（Yang and Wander,1998）：
式中，W SA R为水稳性团聚体稳定率，%; WSA 为>0.25 mm水稳性团聚体的质量，g; A 为>0.25 mm水稳性团聚体的质量，g。
结构体破碎率（宫阿都和何毓蓉，2001）：
式中，SDR为结构体破碎率，%; DR0.25为>0.25 mm机械稳定性团聚体含量，%; W SA R为水稳性团聚体稳定率，%。
不稳定团粒指数（宫阿都和何毓蓉，2001）：
式中，ELT为不稳定团粒指数，%; A 为>0.25 mm水稳性团聚体的质量，g;W SA 为>0.25 mm水稳性团聚体的质量，g。
土壤的入渗速率（蔡进军等，2010）：
式中，V 为土壤在某一时刻的入渗速度，mm/min; Qn为第n次测定时间内注水量，ml; Tn为第n次测定时间隔的时间，min; S为渗透面积，cm2，取1.6×103。