西南高原“旱三熟”地區不同覆蓋栽培措施的土壤水分效應

胡兵輝，王　維，張紅芳，張志勇

(1.西南林業大學環境科學與工程學院， 云南 昆明 650224； 2.西南林業大學計算機與信息學院， 云南 昆明 650224)

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西南高原“旱三熟”地區不同覆蓋栽培措施的土壤水分效應

胡兵輝1，王維2，張紅芳1，張志勇1

(1.西南林業大學環境科學與工程學院， 云南 昆明 650224； 2.西南林業大學計算機與信息學院， 云南 昆明 650224)

在西南高原季節性旱區進行田間試驗，研究不同覆蓋栽培條件下“旱三熟”種植模式的農田土壤水分效應。研究表明，秸稈、地膜覆蓋尤其是秸稈地膜二元覆蓋有明顯蓄集和保存土壤水的作用，土壤保蓄水度平均提高60.63%，覆蓋能有效減少田間水分的無效蒸發，平均減少181.93 mm，使作物蒸騰系數和水分利用效率提高，平均提高19.84%和23.5%，而使作物耗水系數減小，平均減少18.26%，根區是作物耗水與土壤保蓄水的關鍵區域；農田水分變化沿土層可劃分為3個層次，即0～30 cm土層為土壤水分變化活躍層和土壤貯水變化明顯層、30～80 cm土層為土壤水分變化次活躍層和土壤貯水變化顯著層、80～100 cm土層為土壤水分變化相對穩定層和土壤貯水變化緩慢層。覆蓋栽培可促進作物耗水量由田間無效蒸發耗水向有效的田間作物蒸騰耗水轉化，使農田水分的有效性顯著提升。

旱三熟；覆蓋栽培；土壤水分效應；西南高原季節性旱區

我國海拔1 000 m以上的西南高原季節性干旱區[1]，范圍涉及云南中部和北部、貴州西部、四川西南部，旱作農田占總耕地面積的70%以上，旱作農業在農業生產中占有重要地位。由于旱作農田主要分布于緩坡山地區，土層淺薄、水土流失嚴重、灌溉設施不足，加之季節性干旱多發、降水少而集中、蒸發量大，使農業生產力低而不穩[2-4]。該區季節性干旱類型主要有春旱、秋旱和冬旱等，其中云南中北部是季節性干旱的多發區和重災區，元謀干熱河谷區是最具代表性的區域，這里高溫與干旱常常同步發生[5-7]，對農作物生長發育造成嚴重危害。“小麥-玉米/黃豆”種植是西南高原季節性旱區常見的旱地種植模式，其種植面積還在持續擴大，具有一定的發展潛力。為了強調前熟作物(玉米/黃豆，雨季生長)對后熟作物(小麥，旱季生長)的影響，文中提到的“旱三熟”模式即“玉米/黃豆-小麥(“/”代表間作，“-”代表連作)”種植。關于該區農田覆蓋對多熟種植模式影響的研究還鮮有報道，因此，研究西南高原“旱三熟”地區不同覆蓋栽培措施的土壤水分效應，旨在為提高西南高原季節性旱區旱作農田的復種指數、水分利用效率和水分生產潛力服務。

1　試驗設計與方法

1.1試驗地概況

試驗地位于干熱河谷區元謀縣新華鄉平地村，屬山區，海拔1 617.00 m，屬亞熱帶干旱半干旱氣候，光熱充足，高溫干燥，干旱少雨，干濕季節分明，年降雨量610～798 mm，集中在5—9月份，其它月份少雨或無雨，年蒸發量高達2 850～3 910 mm，年蒸發量為降水量的4～6倍，≥10℃積溫7 800℃～8 800℃，年平均氣溫17.5℃～23.6℃，極端最高氣溫達42℃，極端最低氣溫-2℃，太陽總輻射量550.8～650.9 kJ·cm-2，平均年日照時數2 380.4～2 840.0 h，日照率62%，干燥度4.4，年無霜期320～362 d。試驗地土壤為燥紅壤，容重1.38 g·cm-3，酸堿度適中(pH=7.21)，有機質9.81 g·kg-1，全氮0.91 g·kg-1，全磷0.52 g·kg-1，全鉀9.22 g·kg-1，有效氮77.36 mg·kg-1，有效磷10.47 mg·kg-1，有效鉀80.68 mg·kg-1。試驗地為梯平旱地，“玉米/黃豆-小麥”種植是當地常見的“旱三熟”種植模式，具有一定的典型性。

1.2試驗設計

2013年4月30日—12月30日布置了玉米/黃豆-小麥“旱三熟”種植模式田間試驗，期間降雨量為538.78 mm。試驗共設置4個處理，處理1：裸地栽培，為當地旱地的主要種植模式；處理2：秸稈覆蓋，秸稈覆蓋總量為9 000 kg·hm-2；處理3：地膜覆蓋，玉米地膜寬40 cm，黃豆、小麥地膜寬20 cm；處理4：秸稈地膜二元覆蓋，玉米地膜寬40 cm，黃豆、小麥地膜寬20 cm，行間覆蓋秸稈，秸稈覆蓋量為1 800 kg·hm-2。玉米株行距為30 cm×50 cm，黃豆株行距20 cm×30 cm，玉米/黃豆行比為2∶3；小麥膜間種植2行，行距10 cm。玉米品種為長城99，黃豆為滇豆6號，小麥為云麥56。玉米、黃豆點播，小麥條播。以處理1為對照，每處理3次重復，隨機區組排列，小區面積63 m2(長9 m，寬7 m)。田間管理按當地高產栽培措施執行。

1.3測定項目與方法

(1) 土壤水分含量：采用烘干法測定，全生育期每月初、月末分別測定0～100 cm土層土壤水分含量，0～30 cm土層每5 cm取土樣1次，30～100 cm土層每10 cm取土樣1次，3次重復。

(2) 田間蒸發量(E)：蒸發量用微型蒸滲儀(Mrcro-Lysimeter)測定，微型蒸滲儀內筒直徑為10 cm，深10 cm，塑料薄膜封底，使用精度為0.01 g的電子天平(BL-3000)稱重，每天稱重1次，3次重復，每3天換土1次。

(3) 作物產量(Y)：作物收獲時，全小區測產，3次重復，取平均值。

(4) 作物耗水量(ETa)：ETa可根據農田水量平衡計算，即：ETa=△W+P[8-9]，△W=SWS-SWH，P為降雨量(mm)，△W為土壤貯水變化量(mm)，SWS為播種時土壤貯水量(mm)，SWH為收獲時土壤貯水量(mm)。

(5) 土壤保蓄水度(SWSD)：SWSD(%)=-△W×100/SWS。當SWSD為正值時，SWSD越大，說明降雨對土壤水分的補給程度越高，土壤水分恢復程度越高，土壤的保蓄水程度越高。當SWSD為負值時，SWSD的絕對值越大，說明土壤水的耗用程度越高，土壤水剩余越少，土壤的保蓄水程度越低，-△W一定程度上可以反映土壤的保蓄水量。

(6) 蒸騰量(T)、蒸騰系數(RC)、耗水系數(CC)、水分利用效率(WUE)：均可據田間水分指標進行運算獲得[10-11]。

2　結果與分析

2.1不同覆蓋栽培措施下的農田土壤水分動態

從圖1知，由于播種時(4月30日)土壤剛剛經過漫長的旱季，4個處理農田0～100 cm土層土壤水分普遍較為匱乏，均處于較低值；進入“旱三熟”作物生長期后，恰逢“雨熱同季”的雨季，雖有作物生長的蒸騰耗水和田間蒸發耗水，但農田土壤水分含量卻逐漸增加，到雨季末(9月低、10月初)，農田土壤水分含量均達到作物生育期中的最大值，隨后土壤水分開始減少，且減少幅度越來越大，對后期作物的生長發育造成嚴重影響，但地表覆蓋可有效抑制土壤水分的減少幅度，反映出“旱三熟”農田土壤水分先增加后減少的動態特征。從不同土壤層次看，在“旱三熟”作物整個生育期，0～30 cm土層(作物根系主要分布的區域，簡稱根區)土壤水分含量變化幅度的平均值，處理1(12.27%)>處理2(10.84%)>處理3(10.53%)>處理4(9.88%)；30～80 cm土層變化幅度的平均值，處理1(10.13%)>處理2(8.31%)>處理3(6.98%)>處理4(6.72%)；80～100 cm土層變化幅度的平均值，處理1(7.64%)>處理2(6.80%)>處理3(5.26%)>處理4(5.07%)；0～100 cm土層變化幅度的平均值，處理1(10.74%)>處理2(9.24%)>處理3(8.36%)>處理4(7.92%)；總體上，“旱三熟”農田土壤水分含量變化幅度處理1>處理2>處理3>處理4，各處理土壤水分含量變化幅度0～30 cm>30～80 cm>80～100 cm土層。可以看出，“旱三熟”農田土壤水分含量變化有隨干濕季節變化的特征，雨季是土壤水增加的主要時期，秸稈、地膜覆蓋有明顯增加和保存土壤水分的作用，且秸稈地膜二元覆蓋的保蓄水作用更為顯著，另外，隨土層深度的增加，土壤水分含量變化幅度逐漸變小。據此，可將農田土壤水分含量變化沿土壤剖面劃分為3個層次，即：0～30 cm土層為農田土壤水分變化活躍層、30～80 cm土層為農田土壤水分變化次活躍層、80～100 cm土層(包括100 cm以下)為農田土壤水分變化相對穩定層。

圖1農田土壤水分含量動態特征

Fig.1The dynamic features of soil water content

2.2不同覆蓋栽培措施下的農田土壤貯水動態

由圖2和表1知，4個處理的農田土壤貯水量均呈現先增加后減少的態勢，雨季末達到最大值，受田間蒸散影響，末季作物收獲時的土壤貯水量均比第一季作物播種時低，由于地表覆蓋狀況的差異，不同處理0～100 cm土層土壤貯水量減少情況為：處理1(79.63 mm)>處理2(53.87 mm)>處理3(31.26 mm)>處理4(8.49 mm)。其中，處理1的0～30 cm土層土壤貯水量減少值為25.68 mm，占其總貯水量32.25%，變化幅度為52.03 mm；處理2減少值為16.04 mm，占其總貯水量29.78%，變化幅度43.82 mm；處理3減少值為9.33 mm，占其總貯水量29.85%，變化幅度43.38 mm；處理4減少值為4.26 mm，占其總貯水量50.18%，變化幅度為40.69 mm。處理1的30～80 cm土層減少值為38.47 mm，占其總貯水量48.31%，變化幅度為76.76 mm；處理2減少值為29.57 mm，占其總貯水量54.89%，變化幅度62.94 mm；處理3減少值為15.83 mm，占其總貯水量50.64%，變化幅度50.95 mm；處理4減少值為5.27 mm，占其總貯水量62.07%，變化幅度50.7 mm。處理1的80～100 cm土層減少值為15.48 mm，占其總貯水量19.44%，變化幅度為22.82 mm；處理2減少值為8.26 mm，占其總貯水量15.33%，變化幅度20.75 mm；處理3減少值為6.1 mm，占其總貯水量19.51%，變化幅度15.57 mm；處理4減少值為-1.04 mm，占其總貯水量-12.25%，變化幅度14.05 mm。可見，雨季是土壤貯水的關鍵期，但減少農田蒸發耗水格外重要，地表覆蓋有抑制農田蒸發、增加土壤貯水的作用，秸稈地膜二元覆蓋的貯水作用更為顯著。從不同土層土壤貯水變化幅度來看，0～30 cm土層土壤貯水變化較明顯，30～80 cm土層土壤貯水變化顯著，80～100 cm土層土壤貯水變化緩慢；根區土壤貯水沒有30～80 cm土層土壤儲水變化顯著，原因是根區是作物耗水與田間蒸發的主要土層，土壤貯水與第一季作物播種時相比變化不大，而80 cm以下的深層土壤貯水受地下水補給變化遲緩。據此，可將“旱三熟”農田土壤貯水變化沿土層劃分為3個層次，即：0～30 cm土層為農田土壤貯水變化明顯層，30～80 cm土層為農田土壤貯水變化顯著層，80～100 cm土層(包括100 cm以下)為農田土壤貯水變化緩慢層。

圖2農田土壤貯水量動態特征

Fig.2The dynamic features of soil water storage

2.3不同覆蓋栽培措施下農田土壤保蓄水程度

從|SWSD|的值可以看出(表1)，處理1的0～30 cm土層的土壤保蓄水程度為40.20%，處理2為25.81%，處理3為16.21%，處理4為8.91%；30～80 cm土層的土壤保蓄水程度處理1為28.91%，處理2為21.48%，處理3為11.99%，處理4為3.21%；80～100 cm土層的土壤保蓄水程度處理1為22.26%，處理2為12.07%，處理3為8.52%，處理4為1.51%；從0～100 cm土層看，處理1的土壤保蓄水程度為29.88%，處理2為20.08%，處理3為11.96%，處理4為3.25%。可見，0～30 cm土層土壤水的保存蓄積程度最高，30～80 cm土層次之，80～100 cm土層最低，且隨著地表覆蓋效應的加強土壤保蓄水程度也逐漸增大。說明地表覆蓋可有效增加土壤的保蓄水程度，尤以秸稈地膜二元覆蓋最為顯著，根區成為土壤保蓄水的關鍵區域，由于根區接近地表，土壤水分散失較快，若要增加土壤保蓄水的程度，就需要進一步擴庫增容，即在增加地表覆蓋的同時，疏松土層，改良土壤，使雨季有限的水分資源也能在深層土壤得到保蓄，從而為“旱三熟”作物的生長發育奠定良好的水分基礎。

2.4不同覆蓋栽培措施下的田間水分利用效果

從田間水分利用效果看(表2、表3)，農田蒸發量處理1>處理2>處理3>處理4，農田蒸騰量處理1<處理2<處理3<處理4，農田保蓄水量處理1<處理2<處理3<處理4，作物耗水量處理1>處理2>處理3>處理4，產值處理1<處理2<處理3<處理4，作物蒸騰系數處理1<處理2<處理3<處理4，作物耗水系數處理1>處理2>處理3>處理4，農田水分利用效率處理1<處理2<處理3<處理4。從農田蒸發量和蒸騰量占作物耗水量的比例來看，處理1分別占65.92%和34.08%，處理2分別占39.56%和60.44%，處理3分別占23.26%和76.74%，而處理4分別占15.40%和84.60%。可見，地表覆蓋可有效減少田間水分的無效蒸發，有利于保存農田土壤貯水，且在提高作物產量的同時，作物的蒸騰系數和水分利用效率也明顯提高，而作物的耗水系數卻減小，說明秸稈、地膜覆蓋尤其是秸稈地膜二元覆蓋，可促使作物耗水量由田間無效蒸發耗水向有效的田間作物蒸騰耗水轉化，農田水分的有效性顯著提升。因此，在西南高原“旱三熟”地區，應在控制農田土壤水分無效物理蒸發和農田徑流非目標性輸出的同時，進行農田節水、保水栽培措施，有效增加地表覆蓋物，提高作物的蒸騰效率，降低作物的耗水系數，實施農田水分的時空富集，最大限度地保蓄僅有的農田水分資源，提高農田有限水分資源的利用效率，不斷增進農田水分的生產潛力。

表1　農田土壤保蓄水度

表2　農田作物經濟產量及折算產量

注：為了便于比較，根據當地價格比，將各處理黃豆、小麥的經濟產量折算為玉米產量。玉米單價2.71 元·kg-1、黃豆單價4.7 元·kg-1、小麥單價2.00 元·kg-1；表列中字母不同表示在0.05水平具有顯著性差異。下同。

Note: For comparison, according to local price ratio, the soybean and wheat yields can be converted into maize yield. Different letters indicate significance level ofP<0.05. The same below.

表3　田間水分利用效果指標

3　討論與結論

3.1討論

覆蓋栽培具有明顯保蓄土壤水分的效果，這在我國南、北方地區有大量的研究證據，在西南旱區的研究較少[1-4]，而在西南高原旱區研究覆蓋條件下多熟種植模式農田的土壤水分動態還鮮有報道。針對高原旱區生態脆弱性的特點，僅有的研究主要集中在不同類型林地、草地的土壤水分動態上，表明不同的整地、覆蓋等措施有增加土壤水分的作用，且土壤水分隨土層深度增加而增大[12-15]，雨季土壤水分明顯高于旱季[13,16]，土壤水分的來源主要靠雨季降雨。故出現雨季植被生長良好，旱季土壤干旱，生態缺水嚴重，甚至造成植被枯死。因此，調控土壤水分的利用時間顯得尤為迫切，這就要求在土壤中保蓄雨季充分的水分資源，使其在深層土壤得到保蓄，為旱季植被生長提供較為良好的水分基礎，農田作物的生長更是如此[8]；另外一些研究也表明在西南高原旱區土壤水分的利用與變化具有層次性的特征，地表覆蓋可以影響土壤水分的層次變化及其運動規律[16-19]。研究對象、試驗地、研究時間等不同研究結果各有差異，但總體上，土壤水分變化均表現為隨土層深度增加土壤含水量變化越來越小。原因是隨土層深度增加，土壤水分受地表與植物影響越來越小，其變化也越來越小，而土壤貯水量越來越大。本文土壤貯水量層次變化的主要原因是，根區是農田作物耗水與田間蒸發的主要土層，土壤貯水與第一季作物播種時相比變化不大，而80 cm以下的深層土壤貯水受地下水補給變化遲緩，故出現文中的變化特點。

3.2結論

在西南高原季節性旱區進行“旱三熟”覆蓋栽培，應重視雨季蓄水與旱季保水，覆蓋可有效增加土壤保蓄水量，尤以秸稈地膜二元覆蓋最為顯著，根區成為土壤保蓄水的關鍵區域，由于根區接近地表，土壤水分散失較快，若要進一步增加土壤保蓄水量，就要擴庫增容，即在增加地表覆蓋的同時，疏松土層，改良土壤，使雨季有限的水分資源能在深層土壤得到保蓄，從而為“旱三熟”作物的生長發育奠定良好的水分基礎。同時，地表覆蓋可有效減少田間水分的無效蒸發，使農田土壤貯水保留量增加，作物蒸騰系數和水分利用效率明顯提高，而使作物耗水系數減小，說明秸稈、地膜覆蓋尤其是秸稈地膜二元覆蓋，可促使作物耗水量由田間無效蒸發耗水向有效的田間作物蒸騰耗水轉化，促使農田水分的有效性顯著提升。此外，“旱三熟”農田土壤水分含量變化沿土層可劃分為3個層次，即：0～30 cm土層為農田土壤水分變化活躍層、30～80 cm土層為農田土壤水分變化次活躍層、80～100 cm土層(包括100 cm以下)為農田土壤水分變化相對穩定層。農田土壤貯水變化沿土層也可劃分為3個層次，即：0～30 cm土層為農田土壤貯水變化明顯層，30～80 cm土層為農田土壤貯水變化顯著層，80～100 cm土層(包括100 cm以下)為農田土壤貯水變化緩慢層。

因此，在西南高原季節性旱區進行旱地農業生產，應在控制農田土壤水分無效物理蒸發和農田徑流非目標性輸出的同時，進行農田節水、保水栽培，有效增加地表覆蓋物，提高農田作物的蒸騰效率，實施農田水分的時空富集，最大限度地保蓄僅有的農田水分資源，提高農田有限水分資源的利用效率，不斷增進農田水分的生產潛力和復種指數，才是解決西南高原季節性旱區旱作農田干旱缺水和產量低下的根本途徑。

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The soil water effects of different mulching cultivation patterns in triple cropping dry-land on southwest plateau

HU Bing-hui1, WANG Wei2, ZHANG Hong-fang1, ZHANG Zhi-yong1

(1.EnvironmentalScienceandEngineeringCollege,SouthwestForestryUniversity,Kunming,Yunnan650224,China;2.ComputerandInformationCollege,SouthwestForestryUniversity,Kunming,Yunnan650224,China)

Based on mulching experiments through triple cropping in dry-land of seasonal arid region of southwest plateau, the water effects of different treatments were studied. The results showed that straw and plastic film mulching played a very important role in increasing and reserving soil water. The dual mulching mode with plastic film and straw displayed prominent function, root region was proved to be key region on crop consuming water and soil reserving water. The changes of farmland water were divided into 3 layers: 0～30 cm soil layer that was the active changing layer for soil water content and the obvious changing layer for reserving soil water, 30～80 cm soil layer that was the subordinate active changing layer for soil water content and the significant changing layer for reserving soil water, and 80～100 cm soil layer that was the relative steady changing layer for soil water content and the relative general changing layer for reserving soil water. Furthermore, mulching cultivation could impel the crop consuming water converted into effective crop transpiration consuming water from useless evaporation consuming water, and the availability of farmland water was promoted clearly. Thus, the study on water effects of mulching through triple cropping patterns in dry-land will allow the enhancements of multiple crop index, water use efficiency and water production potentiality in seasonal arid area of southwest plateau.

triple cropping in dry-land; mulching cultivation; soil water effects; seasonal arid region in southwest plateau

1000-7601(2016)04-0183-06

10.7606/j.issn.1000-7601.2016.04.28

2015-07-20

國家自然科學基金項目(31201173)；云南省高校優勢特色重點學科(生態學)建設項目；西南林業大學科研啟動基金項目(111116)

胡兵輝(1979—)，男，陜西乾縣人，博士，副教授，碩士生導師，研究方向為旱區農業資源利用及生態系統調控。 E-mail：hubinghui1980@126.com。

S152.7

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