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联邦科技大学农业工程系，阿库尔。尼日利亚昂多州
收到日期:2013年3月27日修订日期:30/03/2013接受日期:2013年4月8日
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在尼日利亚热带雨林的Akure，东经7,5′和经度5,10′，试验土壤类型为alfisol。玉米被用作指示作物。土壤参数包括容重、保湿性、土壤温度、孔隙团聚体稳定性和土壤抗剪强度;作物参数包括根系长度和主根数量、作物出苗率。所采用的耕作处理包括免耕(ZT)、一耕一耙(PL)、一耕一耙(PH)和依次耕、耙、垄作(PHR)。所有操作都是单次操作。研究结果充分证明了耕作过程中土壤结构条件的改变会影响土壤物理性质和某些作物性状。耕作方式对土壤温度、保湿性的影响在95%置信区间内不显著，但耕作方式显著改变了土壤密度。所有测量数据的试验结果均证实了一种圆盘犁的优越性。方差分析结果表明，除土壤密度和干湿筛分的平均重径(MWD)外，大多数物理性质在95%置信水平上具有统计学意义。分析结果还表明，土壤抗剪强度随耕作处理而降低。 It was found that emergence was earliest in treatment three and lowest in treatment four, decreasing directly with increasing soil strength. Similarly, result of statistical analysis showed that total emergence was not significant although the emergence force exerted by seedling was significantly affected by tillage. It decreased from a maximum of 10.63kN at the zero tillage plots to 8.85kN for plots ploughed, harrowed and ridged. Values recorded for other treatments are 9.22 kN for disc ploughing and 8.96 kN for one disc ploughing followed by disc harrowing. The least root system both in number and length was observed on the zero tillage plots.
在中世纪，人们认为植物是靠微小的土壤颗粒生存的，土壤分割得越细，植物根系吸收的土壤颗粒就越多。15］．后来的发展证明，植物实际上依赖于在土壤中释放足够数量的植物营养物质，而这些营养物质的有效性受到一些因素的调节，包括土壤成分和管理措施。
使用各种工具或结合耕作技术的土地整理方法已证明在很大程度上是成功的，因为它们带来了持续的高产和杂草控制。当土壤由人工和公牛耕种时，没有时间和精力过度耕耘土壤。但由于机械耕作的便利，许多农民错误地认为，既然耕作很好，就不能过度。相反，人们现在知道，过度耕作土壤可能导致土壤颗粒过度粉碎，从而使土壤容易被侵蚀。由于频繁的车轮交通，它会导致翻耕盘，也会造成时间和燃料的浪费。所有这些后果直接或间接导致生产成本的增加。
由于在拖拉机和农具上的高运营成本和资本支出所造成的经济压力，现在正迫使人们重新审视这些被认为过于复杂的传统耕作系统。现在问题来了;在一个特定的农场生产一种特定的作物，而不降低生长和产量特征，同时又能保护土壤不受连续耕作的不良特征影响的最低耕作处理是什么?现在看来，提高田间效益成本比的最大机会不在于期望通过新的或更精细的耕作方法获得更高的产量，而更多地在于在简化和节约耕作操作的同时保持同样的高产。6］．
本研究的主要目的是确定使用给定土壤参数可产生特定土壤物理特征的土壤处理量，确定耕作程度是否足够或过于精细，以及预测在不同耕作制度下生长的幼苗所施加的出苗力。
土壤栽培之所以能发展到今天，主要是由于当地农民的试错经验，而不是研究人员的工作。希勒尔(6据报道，土壤耕作调查的主要目的是确定满足特定目的或用途、植物需求、机械化需求和水土需求组合所需的最佳土壤物理环境。一种方法是对土壤的物理性质进行详细测量，如质地、结构和浮雕。问题是这些特征只能提供很少的信息，因为它们与作物生长没有直接的重要关系。因此，Reece(1970)建议根据耕作可能给土壤物理性质带来的变化来评估耕作，这些物理性质与植物生长直接相关。这些特性包括:土壤温度、通气性、根系阻抗和土壤湿度(渗透、排水、蒸发和导电性)。Spoor(1975)还发现，土壤物理环境可以通过植物评估来研究，其中包括确定对栽培变化作出反应的植物因子;根系发育、笋出时间和内应力。
在尼日利亚的热带雨林种植玉米的传统耕作方法包括一到两次圆盘犁，用圆盘耙耙。如果作物要与木薯间作或需要灌溉，通常会形成垄沟。
不同的耕作方法会以不同的方式影响土壤，这取决于土壤的稳定性和湿度水平。这些特性中最关键的变化往往是土壤结构。土壤结构也影响水的运动、传热、曝气、容重和孔隙度[2］．痕迹(29]列举了耕作对土壤结构的影响方式，即;土壤团聚体的形成和崩解，土块大小分布的变化，土壤颗粒通过土壤表面的反转或松动和转化而重新排列
辛和科尔文[28他提出，如果能优化与良好倾斜度相关的土壤条件，就能满足作物的生长。然而，布雷迪[3.]表明，耕作效果似乎只在短期内对植物有利，从长期来看，耕作过程中土壤有机质的分解会导致径流和交通造成的压实，犁田的生长和团聚体稳定性的降低。巴弗等[1]指出，随着耕作次数的增加，这种压实带明显地向地表移动。他对一些苗床剖面的观察表明，圆盘犁操作松动的土壤中有50-70%在随后的圆盘犁操作中重新夯实。Kohnke [10]建议，对于腐殖质含量高的中粗质土壤，只需少量耕作，就能长期保持良好的结构。对于富含粘土和淤泥的土壤，建议更频繁和精心的耕作，因为它倾向于“跑在一起”，并抑制水和空气的通过。
道格拉斯和祖法[5]在伊巴丹、Onne和porttharcourt的一项研究中报道，不同的耕作方式和做法对土壤含水量的影响因土壤类型而异。在Ibadan和Alfisols的测试中，耕种过的地块含水量最高，尽管差异并不显著。这种趋势在porttharcourt土壤(ultisol -砂质壤土)上重复出现。在Onne地区，轮耕机和平板犁的土壤含水量明显高于圆盘犁。研究得出结论:一般来说，密集耕作使土壤紧实，只留下很少或没有土壤体积来积累土壤水分。科瓦尔和卡萨姆[12]还报道说，作为提高土壤表面保水能力的耕作系统的一部分，人们开发了一种捆绑垄沟系统，但在尼日利亚北部的沙质土壤中，这并没有被证明是非常经济和有效的。
Maurya和Lal强调，根系发育的阻力是土壤抗剪强度的函数，而抗剪强度本身受土壤水分势和容重的影响。巴弗等[1]指出，水的有效性在决定内聚力分量的大小方面起着重要作用，因为它影响粒子之间的距离和与空气-水半月板相关的吸引力。
尽管Koorevaar等人。[11]认为直接测量土壤结构几乎是不可能的，Kepner等人。[9最终土壤状况的三个方面可能会引起人们的兴趣;土壤破裂的程度，与深度有关的块状大小的分离和整个耕作深度的混合均匀性。最常研究的是土壤破裂程度。比斯瓦斯和慕克吉[2他把各种评估土壤结构的方法分为直接法和间接法。间接方法包括通过干筛或湿筛来评估团聚体的粒度分布，团聚体的稳定性以及研究由土壤结构引起的土壤性质。
根据凯普娜等人。[9平均重量直径(MWD)或粉碎模量是将这种性能定量地评估为单个特征参数，以便它可能与其他因素相关。singh的De boodt等人已经表明，当其他条件相同时，MWD的变化与作物产量相关。
为了使单个根以每天6-8厘米的速度伸长，土壤必须温暖、肥沃、潮湿、通气良好，茎部系统必须有足够的温度和光照来生产食物。尽管如此，最佳根系并不总是最大的，但它能确保根向茎部提供水、营养物质和激素，从而最大限度地生产具有重要经济意义的组织[24］．在某些复杂的耕作系统中，根系生长超出这些要求，实际上可能是表面的，导致光合作用产物的浪费，特别是在干旱条件不太有利的田间条件下。据报道，根系生长与土壤容重测量呈负相关[25］．西裤(30.]报道，在密度为1.0g/m的疏松土壤中3.，根生长迅速。土壤压缩0.35 g/cm3.可以将延伸率降低到其容量的十分之一。根据洪文等。[8常规耕作和除草导致土壤结构差，生产力低。免耕秸秆覆盖(NTSC)土壤容重比常规耕作(CT)低1.5%，毛管孔隙度比常规耕作(CT)高3.2%。
这项研究是在阿库雷的大学教学和研究农场进行的。土壤被分类为alfioil [18］．对12个样地随机取样的土壤质地分类分析表明，土壤中沙质含量为71.0 ~ 82.2%，粉砂含量为6.5 ~ 8.9%，粘土含量为9.5 ~ 19.0%，属于砂壤土—壤土。
试验设计为完全随机区组，每个耕作处理3个重复，共12个小区。地块长4.75米，宽3.25米，在每个地块的长和宽一侧的周长周围有50米的排边，以允许拖拉机停车和转弯。耕作操作按处理(表1)使用。所有操作都是单次操作。处理过的玉米种子人工单粒播种，深度为5cm，间距为75 x 25cm。种植深度控制在5厘米处，在种钉上画上标记。在免耕处理上喷施gram臭氧以控制杂草。治疗被随机分配到各个块，并对每个块进行独立随机化。
表1:耕作的治疗方法。
所有耕作作业均使用一台65马力MF拖拉机。犁是用3沟安装圆盘犁。耙耙是用一种固定的串联圆盘耙，交替有锯齿和平刃圆盘。采用双排盘式垄沟机进行垄沟，垄沟间距调整为0.75m。
用土壤探针测量土壤温度。根据Kohnke的建议，在5cm, 10cm处进行读数[10]，每个深度各3个重复，在8小时和16小时内每个地块随机选择。耕作处理完成并播种后立即开始读数，因为在萌发和幼苗阶段，温度的影响最为关键。13］．
快速湿度计型号Mc 320，先前已用重量法校准，用于确定每个地块的原位湿度百分比。Kohnke [10]指出，这种方法被推荐为大多数现场工作的近似值，在大多数材料上的精度在5%以内。
为了确定耕作处理后土壤团聚体的粒径分布，使用了团聚体分析的干筛法，结果表示为Singh [27］．使用了0.425、0.85、2.00、2.36mm、3.35、6.7mm、9.5mm七种规格的筛网。每个处理重复3个，取平均值。每个重复干筛、湿筛分别使用200g和400g土壤。MMD的定义如下:
(1）
用166厘米的芯柱取样器进行堆积密度测量3.．样品分别取自土壤剖面0-10cm、10-20cm两个深度。每块地取2个重复。出苗力还测定了湿密度。为测定土壤抗剪强度，每个地块用截面为60mm × 60mm × 60mm的3.8 cm切芯刀采集3个重复的样品，用于0-10cm土层深度的剪切箱，并使用残余直剪箱机和5kN/m的法向应力进行测试21-kN /米2, 20 kn / m2, 30 kn / m2负载环为0,0009kN/div。
每块地随机挑选4株幼苗，在直径为20cm的圆形根笼中挖出，确定根长。样品在水中浸泡一夜，清洗以确保完全去除土壤，然后干燥。测量并记录每根的长度和主根总数。每天物理计数并记录从地块发芽的幼苗数量，同时根据Sheikh et al.(1978)使用的数学关系计算幼苗施加的力:
（2）
F =幼苗施加的力(gms)
μ =苗木与土壤摩擦系数(假设0.25)
D =幼苗平均茎粗(cm)
L =种植深度(cm)
C =土壤黏聚力(gms/cm3.）
θ =土的内摩擦角，单位为度
W =土壤湿密度(gms/cm3.）
获得的物理特征结果变化很大，而土壤水分和土壤温度没有显示出耕作处理的显著影响，这支持了Ojeniyi的早期结果[17和欧詹尼伊和德克斯特[19]，耕作后土壤密度显著改变(表2)．土壤水分保持结果也表明，土壤水分平均百分比在T4的最大值为9.59%，在T1的最小值为8.61%。T2和T3分别为8.9%和9.92%。该参数在P< 0.05处的方差分析结果表明，各样间差异不大。这个微不足道的结果与Ojeniyi的结果相反。17但与Ojeniyi相比[18这表明，在免耕条件下，大孔隙度(> 8mm)越大，土壤含水量越小，因为大于8mm的孔隙是导致土壤水分流失的原因。结果可能是由于种植前在地块上堆积了有机质，只留下很少的有机质作为地膜，从而支持了这样一种观点，即在没有表面地膜的情况下，耕作越多，微孔隙越多，保水效果越好。
表2:土壤物理性质。
早上的温度读数显示表2除处理4外，其余结果均大于或等于5cm处的结果。
夜间5cm水深的ZT、PL、PH、PHR平均值分别为34.22℃、35.14℃、34.38℃、35.14℃，10cm水深的平均值分别为33.05℃、33.36℃、33.26℃、34.64℃。晚上土壤温度一般在10cm处较低。免耕区土壤温度最低，这可能是因为免耕区土壤有机质未受干扰，降低了太阳直接辐射对表层土壤的影响。
0 ~ 10cm土层的土壤密度(干基)表明，免耕地块密度较大，平均为1.40g/cm3.很明显，这是因为随着时间的推移，颗粒自然地固化了。其次是处理4，剂量为1.31 g/cm3.，处理3和处理2在1.25 g/cm时3.1.24 g/cm3.分别。处理四明显的高密度可能是由于更细的颗粒被分解并推入现有的大孔隙，从而堵塞了它们，除此之外，结果与Oyelade和Aduba一致[20.］．10-20cm深度处理的密度结果不一致且不显著，可能是由于在耕作过程中无法保持恒定的操作深度。然而，免耕地块的密度仍然较高，为1.48 g/cm3.优于其他处理。可以预见的是，所有处理在10 - 20厘米深度的密度都更大。这可能是由于深层土壤有机质含量的降低，也可能是Baver等人报道的耕盘形成效应[1］．
利用干筛试验数据评价耕作处理对土壤结构的影响(表3)显示T1平均MWD为6.54mm, T2为6.18mm, T3为4.79mm, T4为4.81mm。这些结果在95%置信区间显著。结果表明，除处理4的数值略高于前一处理外，耕作工具的使用确实影响了土块的分解。这可能是由于脊化操作比前面的反转和解体操作更像是一种聚集形成操作。
表3:耕作技术稳定性指标。
在湿筛过程中，土壤团聚体在水的作用下被分解为2.99mm(处理1)，2.36mm(处理2)，1.81和1.81(处理T2, T3和T4)。这表明，与免耕相比，免耕强度有助于形成MWD较小的水稳性团聚体。
为了确定不同耕作处理下土壤的稳定程度，采用了干湿筛分比。虽然在5%水平上方差分析结果不显著。计算得到的F值为1.231,F临界值为4.346。这表明不同处理之间的差异很小。稳定性比如T1值越大，表明对雨蚀或风蚀破坏力的稳定性越好，表明随着种植的增加，稳定性降低，如Vakali [31］．这可能是由于Chan[4]发现的土壤矿物颗粒之间的粘结减弱或土壤有机质的解体促进了团聚体的形成。
根系测量的方差分析结果表明，每个处理的平均根数和测量根的平均根长均为p0.05。T1、T2、T3和T4的主根发育最多为13、18、13和14个。相同处理的最小根数分别为7、8、8和9。处理2平均长出12.4根主根(表4)，然后是第四组，数量为10.4。处理1和处理3记录的根数略少于处理4。这一结果似乎与Ojeniyi所发现的耕作强度没有任何明确的规律[18］．
表4:作物参数。
2次耕作处理3的平均根长为12.98 cm, 1次耕作处理为11.57 cm, 4次耕作处理为11.03cm。免耕处理平均根长和根数发育最差，平均根长8.75 cm。这可能是由于土壤密度对根系伸长的影响，证实了这两个参数之间的负相关关系，如先前的研究人员所报道的。这样的根系最终可能无法满足作物的需求。结果不能准确地预测根生长受到限制的临界密度。
直接剪切箱试验结果表明，未耕土强度最高。处理2和处理4的土壤抗剪强度随耕作直接降低。第三次和第四次耕作处理的抗剪强度最小。预测的价值表5根据库仑定律对剪切试验进行线性回归分析，并对剪切试验数据进行建模。回归统计表5结果表明，除处理4外，其他处理的正应力与剪应力均呈高度正相关。T1时R值为0.76,T2、T3、T4时R值分别为0.92、0.78、0.39。得到的标准误差为T1为2.71,T2为1.22,T3和T4为2.51和7.66。方差分析也表明，这些结果在95%置信区间显著。尽管希勒尔[7他指出，土壤强度对幼苗的影响不仅取决于结皮强度，还取决于外来因素，如幼苗的大小、幼苗的活力。
表5:土体抗剪强度模型。
试验结果表明，T3处理5 d后羽化率较高(表6)．这可能是由于耕作处理产生了较小的平均孔隙尺寸，从而使种子与土壤和水分更好地收缩。在T3中，第5天种子出苗率最高达72.58%。该结果还表明，在T4和T1，密度较大的倾斜限制了羽化。治疗2为63.56%，T4为45.1%。7天后的实际出苗情况并非如此，因为所有处理均显示出85%以上的种子。在28个观察单元中，出苗顺序依次为26、25、24、66、24，出苗依次为T2、T1、T3、T4。虽然，实际紧急情况的方差分析表明，该结果在α = 0.05时不显著，与Mari的结果相似，等[14帕普沃斯[21］．
表6:幼苗的出苗力。
出苗力计算使用的数据从各种物理和作物参数提取到表6．处理4的力最小，且随耕作量的减少而直接增加。T1、T2、T3、T4的平均值分别为10.63kN、9.22KN、8.96KN。方差分析结果在95%置信区间显著。
以出苗力为因变量，其他物理和作物参数为自变量，拟合各处理间的多元线性回归模型。各处理的参数分别为:黏聚力(C)、内摩擦角(θ)、湿密度(W)、平均重径(D)、根长(RL)和根数(RN)。模型是:
(6）
(7）
（8）
（9)
结果表明，各变量之间存在较好的拟合关系。个体治疗的相关系数(R)和决定系数(R2)都非常高。T1为0.84 T2为0.83 T3为0.88 T4为0.96。相同处理的R分别为0.92、0.91、0.92和0.98。标准误差也很低，表明关系之间存在共同因素。这些结果表明，自变量是预测玉米幼苗出苗力的准确参数，反之亦然。
研究表明，耕作过程中土壤结构条件的改变对土壤物理性质和种子出苗有一定的影响。栽培对土壤温度、保墒的影响不大。但耕作处理显著改变了土壤密度。这些发现与Chan [4］．在本研究中未发现垄作对玉米的明显优势，但在防止水土流失和改善保水方面可能有优势，否则可能被认为是多余的。试验还表明，集约耕作降低了不同耕作处理下所测土壤的团聚体稳定性。这表明在雨季对裸露的土壤造成了严重的有害后果。
少耕和免耕处理种子出苗时间较早。突现力随土层强度的增加直接增加，从T4的最小值8.85 kN增加到T1的最大值10.63 kN。这可能是研究中相对于第三和第四种处理较少耕作的林分减少的原因，这在Phillips和Phillips的报告中得到了证实。22］．由于这些原因，建议在减少耕作时提高种子率，以弥补短的落差并保证最大的林分。试验中取样的主根数和平均根长也受各处理的显著影响，均表现出单次盘耕的优越性。该实验无法确定可能完全阻碍幼苗生长的临界土壤强度。考虑到所有测量参数的一般影响，很难从统计上说一种耕作技术是最优的，但建议在本试验类似条件下种植的玉米，一次耕作就足够了。这足以满足作物、水土保持和机械化的需要。从试验来看，免耕系统除了在幼苗上有足够的覆盖物以改善土壤水分保持外，没有任何优势，而且可能需要更频繁地提供有机或无机肥料，以弥补根系无法深入和密集地渗透以寻找新鲜养分。除草剂的环境危害问题和机械化的困难也是反对免耕的主要原因。从结果可以明显看出，随着耕作次数的增加而增加的剪切强度和出浆力并没有转化为所研究的作物参数的增加。
