秸稈覆蓋與耕作方式對土壤水分特性的影響

劉繼龍 李佳文 周 延 付 強 張玲玲 劉 璐

(1.東北農業大學水利與土木工程學院， 哈爾濱 150030； 2.東北農業大學理學院， 哈爾濱 150030)

0 引言

土壤水分特性通常指土壤持水性、土壤供水能力及土壤水分有效性，土壤孔隙狀況影響土壤水分特征曲線，土壤水分特征曲線則決定土壤水分特性[1-2]。研究表明，秸稈還田及耕作方式的改變，可以改善土壤結構，從而影響土壤水分特性。如免耕秸稈集中深還田分解有機質后，改變土壤結構及水分在土壤中的運動特性，在水分不易通過的粘土試驗田，有利于提高土壤孔隙度及持水能力，可以使水分沿著大孔隙更多地進入土壤，供作物更好地吸收利用[3]。將秸稈粉碎后加入土壤，能有效改善土壤結構，迅速增大土壤持水能力[4]。免耕能有效改善土壤結構，增大耕層土壤孔隙，增強持水能力[5-8]，秸稈覆蓋還田能提高土壤孔隙度，顯著改善土壤持水性[9-11]，免耕與秸稈覆蓋相結合對改善土壤結構及水分特性更為顯著[12-17]。相同土壤水吸力下，土壤中加入作物秸稈使水分特性顯著增強[1]；粉碎氨化秸稈還田條件下，隨秸稈分解，土壤結構連通性逐漸得到改善，使土壤持水特性顯著增強[17]；免耕條件下，隨秸稈覆蓋量增加，土壤持水性能增強，土壤有效水含量增加[18]；覆蓋物為枯落物時，土壤孔隙度增加，紅壤坡地土壤持水及供水能力有效提高[13]；與草甸土、白漿土、堿土、褐土相比，黑土土壤結構松緊適宜，耕層土壤有效持水量較高[19]；降雨后，土壤總孔隙度及非毛管孔隙度下降，毛管孔隙度增多，重力水減少，有效水增加[20]。不同秸稈還田方式、耕作方式、覆蓋量、覆蓋物等對土壤水分特性都有影響，隨著秸稈覆蓋的推廣和應用，深入研究不同秸稈覆蓋及耕作方式對土壤水分特性的影響機制具有重要意義。

東北黑土區是我國重要商品糧基地，受自然因素和人為因素影響，土壤退化嚴重，使土壤結構和土壤蓄水保墑能力等土壤性質不斷惡化。研究解決該區土壤退化問題、提高土壤蓄水保墑等能力是保證該區土壤資源高效、可持續利用而亟需解決的關鍵問題。適宜的秸稈覆蓋及耕作方式是改善土壤結構和提高土壤蓄水保墑等能力的有效途徑，目前，關于黑土區秸稈覆蓋與耕作方式對土壤水分特性影響的研究較少。因此，本文以黑土區農田為研究對象，在利用van-Genuchten模型擬合土壤水分特征曲線基礎上，分析不同秸稈覆蓋量及耕作方式對0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm土層土壤孔隙度、土壤持水性、土壤供水能力及土壤水分有效性的影響，深入探索秸稈覆蓋與耕作方式對土壤水分特性的影響機制，為東北黑土區適宜秸稈覆蓋和耕作方式的構建、以及土壤水分的高效利用提供理論依據與指導。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

試驗區為東北農業大學向陽試驗基地(45°45′37″N，126°54′30″E)，該基地位于黑龍江省哈爾濱市香坊區向陽鄉，屬中溫帶大陸性氣候，氣候干燥寒冷，年平均降雨量500～600 mm。試驗設置5個處理，分別為傳統耕作(CK)、免耕50%秸稈覆蓋(NM0.5)、免耕100%秸稈覆蓋(NM1)、免耕150%秸稈覆蓋(NM1.5)以及傳統耕作100%秸稈覆蓋(CM1)。NM0.5、NM1、NM1.5處理秋收后去茬并移走秸稈，次年春季免耕播種后將秸稈粉碎均勻覆蓋地表，粉碎后秸稈長12 cm左右，覆蓋量根據面積比例分別為前一年小區收獲秸稈的50%、100%、150%。CK與CM1秋收后去茬并移走秸稈，次年旋地、起壟播種，其中CM1將秸稈粉碎后均勻覆蓋地表，覆蓋量為前一年小區收獲秸稈的100%。每個處理重復3次，共計15個小區，每個小區面積為36 m2(6 m×6 m)，試驗于2018年5月2日播種，9月25日收獲，各處理施肥方案相同，播種時施用三寧復合肥414 kg/hm2(N、P2O5、K2O質量分數分別為14%、16%、15%)，施肥量參考當地常規施肥標準，7月2日追施尿素251 kg/hm2，試驗地種植作物為玉米，供試玉米品種為“中玉9號”。

1.2 測定項目與分析方法

玉米成熟期后采集土壤樣品，在0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm土層采集田間小區原狀土，用來測定土壤容重及土壤水分特征曲線。土壤容重、毛管孔隙度采用環刀法測定。

土壤總孔隙度及非毛管孔隙度計算式為[21]

f=(1-ρb/ρs)×100%

(1)

fa=f-fb

(2)

式中ρb——土壤容重，g/cm3

ρs——土壤比重，取2.65 g/cm3

f——土壤總孔隙度，%

fb——土壤毛管孔隙度，%

fa——土壤非毛管孔隙度，%

土壤水分特征曲線采用離心機法進行測定，van-Genuchten模型進行擬合，即

(3)

其中

m=1-1/n

式中θ(h)——土壤含水率，cm3/cm3

h——土壤水吸力，kPa

θs——飽和土壤含水率，cm3/cm3

θr——殘余土壤含水率，cm3/cm3

α——進氣吸力的倒數，kPa-1

n——形狀系數

比水容量計算式為

(4)

1.3 數據分析

采用Excel計算不同處理各土層土壤孔隙度、土壤水分特征曲線、土壤比水容量以及土壤水分常數，Origin 9.0繪圖，SPSS 20.0軟件進行單因素方差分析，顯著性水平為0.05。

2 結果與分析

2.1 秸稈覆蓋與耕作方式對土壤孔隙度的影響

不同處理各土層土壤總孔隙度、毛管孔隙度以及非毛管孔隙度如圖1(圖中不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)，下同)所示。與CK相比，NM0.5、NM1、NM1.5處理0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm土層土壤總孔隙度、毛管孔隙度均隨秸稈覆蓋量增加逐漸增加，非毛管孔隙度逐漸降低；0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm土層NM1.5土壤總孔隙度顯著增加5.87%、5.59%、4.71%；0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm土層NM1.5土壤毛管孔隙度顯著增加11.19%、10.21%、9.66%；NM0.5處理20～40 cm、40～60 cm土層土壤總孔隙度、毛管孔隙度減少，非毛管孔隙度增加。NM1.5與NM0.5、NM1相比0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm土層土壤毛管孔隙度差異顯著。免耕秸稈覆蓋改善土壤孔隙狀況[22-23]，且隨秸稈覆蓋量增加各土層土壤總孔隙度及毛管孔隙度均逐漸增加，非毛管孔隙度逐漸減少。免耕50%秸稈覆蓋與CK相比，深層土壤總孔隙度及毛管孔隙度有所減少，但差異不顯著，可能由于秸稈分解的有機質含量隨秸稈覆蓋量減少逐漸減少，且隨土層加深逐漸減少。

圖1 不同處理各土層土壤總孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度Fig.1 Total porosity, capillary porosity and non-capillary porosity of soil in different soil layers under different treatments

0～20 cm、20～40 cm及40～60 cm土層NM1較CM1土壤總孔隙度分別增加0.69%、1.63%、1.17%；土壤毛管孔隙度分別增加1.52%、2.34%、2.16%；土壤非毛管孔隙度減少15.58%、10.60%、14.74%。100%秸稈覆蓋條件下，免耕較傳統耕作相比改善土壤孔隙度，是由于免耕對土壤的擾動減少，降低土壤容重，使土壤總孔隙度、毛管孔隙度增加。與CK相比，0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm土層CM1處理土壤總孔隙度分別顯著增加2.56%、2.23%、2.43%；CM1處理0～20 cm土層土壤毛管孔隙度顯著增加3.60%，非毛管孔隙度顯著減少14.36%。傳統耕作條件下，100%秸稈覆蓋增加各土層土壤總孔隙度及毛管孔隙度，減少土壤非毛管孔隙度，秸稈覆蓋能有效改善土壤孔隙度，主要是秸稈被腐蝕分解使土壤有機質含量增加，減少了地表裸露，緩解外界環境對土壤結構的影響，增加土壤孔隙度[24]。隨土層加深各處理土壤總孔隙度及毛管孔隙度逐漸減小，這與武均等[12]、呂雯等[24]研究結果一致，由于秸稈隨土層加深分解作用減弱，土壤自身沉降，導致土壤總孔隙度及毛管孔隙度減小。

2.2 秸稈覆蓋與耕作方式對土壤持水性的影響

根據圖2中0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm土層土壤水分特征曲線呈現的變化趨勢，分為低吸力段(0～150 kPa)和中高吸力段(大于150 kPa)[25]，低吸力段在相同水吸力下，各處理0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm土層土壤含水率差別較小，高吸力段時不同土層各處理土壤含水率隨土壤水吸力變化規律明顯，各處理間曲線趨于平緩且相對平行，這主要是因為高吸力段土壤水分主要保留在土壤毛管孔隙，不同處理下0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm土層土壤持水性變化規律與土壤毛管孔隙度變化規律一致。

圖2 0～60 cm土層各處理土壤水分特征曲線Fig.2 Soil moisture characteristic curves in 0～60 cm soil layers for each treatment

0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm土層NM0.5、NM1、NM1.5土壤持水性隨秸稈覆蓋量增加而增強，與各土層毛管孔隙度隨秸稈覆蓋量變化趨勢一致。免耕條件下，NM0.5與NM1、NM1.5相比對20～40 cm及40～60 cm土層土壤持水性影響減弱；NM1.5與NM0.5、NM1相比有效抑制土壤水分蒸發，且對0～20 cm土層的影響最明顯。傳統耕作條件下，0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm土層CM1土壤持水性均高于CK，秸稈覆蓋增加了土壤毛管孔隙度，增大土壤水庫容，從而增強了土壤持水性。秸稈覆蓋條件下，NM1與CM1相比0～20 cm、20～40 cm及40～60 cm土層土壤持水性均增強，秸稈覆蓋條件下免耕處理較傳統耕作處理增強土壤持水性。隨土層加深各處理土壤持水性減弱，主要由于隨土層加深土壤毛管孔隙度減小。免耕秸稈覆蓋土壤持水性強于傳統耕作秸稈覆蓋，主要由于免耕和秸稈覆蓋共同作用，免耕減少對土壤擾動，且秸稈的集雨效果顯著，能有效減少土壤水分無效蒸發[26]。

2.3 秸稈覆蓋與耕作方式對土壤供水能力的影響

通常土壤水吸力為100 kPa時的比水容量可很好地衡量土壤的供水能力[26]，圖3為各處理不同土層土壤比水容量。各處理間0～20 cm、20～40 cm及40～60 cm土層土壤供水能力均與土壤持水性變化趨勢一致。相同土壤水吸力下，0～20 cm土層土壤比水容量由大到小依次為NM1.5、NM1、CM1、NM0.5、CK處理，20～40 cm及40～60 cm土壤比水容量由大到小則依次為NM1.5、NM1、CM1、CK、NM0.5處理。0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm土層NM0.5、NM1、NM1.5土壤比水容量均隨秸稈覆蓋量增加而增加；傳統耕作條件下，0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm土層CM1土壤比水容量較CK相比分別高11.86%、9.03%、9.24%，秸稈覆蓋增強了土壤供水能力，這與李航等[25]研究一致；0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm土層土壤比水容量NM1較CM1分別高2.58%、17.78%、3.94%，秸稈覆蓋條件下，免耕較傳統耕作相比增強土壤供水能力。

圖3 不同處理各土層的比水容量Fig.3 Specific water capacity of soil suction in each layer

2.4 秸稈覆蓋與耕作方式對土壤水分有效性的影響

根據被植物吸收利用的難易程度，土壤水可分為重力水、全有效水、速效水、遲效水[1]。由表1可知，與CK相比，0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm土層NM0.5、NM1、NM1.5處理土壤水分常數基本呈線性變化，各土層重力水含量均隨秸稈覆蓋量增加而減少，即由大到小為NM0.5、NM1、NM1.5處理；全有效水、速效水、遲效水含量隨秸稈覆蓋量增加而增加，即由大到小為NM1.5、NM1、NM0.5處理。NM1.5較CK顯著增加0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm土層土壤全有效水、速效水及遲效水含量，且與NM0.5、NM1相比差異顯著。

表1 不同處理各土層土壤水分常數Tab.1 Soil moisture constant of different soil layers under different treatments

注：同列不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。

秸稈覆蓋條件下，0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm土層NM1較CM1土壤重力水含量分別減少29.42%、24.53%、8.91%；全有效水含量分別增加2.49%、15.88%、12.30%；速效水含量分別增加2.70%、7.10%、0.86%；遲效水含量分別增加2.29%、57.64%、89.67%。傳統耕作條件下，CM1較CK相比0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm土層重力水含量分別減少1.71%、2.80%、19.42%；全有效水含量分別增加6.23%、3.71%、1.10%；速效水含量分別增加6.24%、2.01%、0.73%；遲效水含量分別增加6.21%、13.21%、2.25%。

易利用水比例系數可用來表征土壤保水性，其值為速效水含量與飽和含水率之比[1]。0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm土層的土壤易利用水比例系數，NM0.5、NM1、NM1.5處理均隨秸稈覆蓋量增加而增加；傳統耕作條件下，CM1與CK相比分別增加2.15%、1.57%、0.82%，但差異不顯著；秸稈覆蓋條件下，NM1較CM1分別增加9.06%、10.29%、2.93%。傳統耕作秸稈覆蓋有效水含量與易利用水比例系數均高于無覆蓋，秸稈覆蓋增強作物對土壤水的吸收利用能力。免耕秸稈覆蓋土壤水分常數除重力水均高于傳統耕作秸稈覆蓋，說明在秸稈覆蓋條件下，免耕處理能增強作物對土壤水分吸收利用能力。重力水存在大孔隙中，不易被植物吸收利用，秸稈覆蓋量增加，除重力水含量逐漸減少外，其他土壤水分常數均逐漸增加，免耕條件下秸稈覆蓋量為150%時，作物對土壤水分的吸收利用最佳。

2.5 綜合評價分析

矩陣法是環境影響綜合評價的基本方法，本文將各試驗處理作為矩陣中的各項開發活動，將土壤孔隙度、土壤持水性、土壤供水能力以及土壤水分有效性作為受影響的各環境因子，共同組成環境影響矩陣，建立各處理與土壤水分特性間的直接因果關系，通過優劣排序值來表示不同處理對土壤水分特性產生的影響[27]。本文應用矩陣法對土壤水分特性進行綜合評價，毛管孔隙度與土壤水分特性密切相關，因此僅對毛管孔隙度進行評分；比水容量反映土壤供水能力，值越大得分越高；土壤持水性、土壤水分有效性分別以相同水吸力下土壤含水率、有效水含量進行評分。最終以綜合得分對不同處理進行評價，結果如表2所示，NM1.5處理綜合得分最高，明顯優于其他處理，NM1.5處理毛管孔隙度最大，土壤持水性、供水能力最強，土壤有效水含量最高，有利于作物吸收利用。

3 討論

土壤水分是影響研究區作物生長的一個重要因素，如何提高土壤蓄水保墑能力是研究區亟需解決的一個關鍵問題，本文通過分析秸稈覆蓋與耕作方式對黑土區土壤水分特性的影響機制，提出了研究區適宜秸稈覆蓋量與耕作方式，為提高土壤蓄水保墑能力以及作物產量等提供了依據。除此之外，秸稈覆蓋與耕作方式對土壤養分、土壤溫度和土壤微生物等也都具有明顯影響，這進而都會影響作物的生長發育，開展這一方面的研究更有利于提出研究區適宜秸稈覆蓋量與耕作方式，提高作物產量，保證土壤資源高效可持續利用。后續研究中應進一步開展秸稈覆蓋與耕作方式對土壤各個方面以及作物的綜合影響。年限、降雨、地形等外界因素以及有機質分解、作物根系生長狀況等都會影響土壤孔隙度進而影響土壤水分特性，后續試驗中可在此試驗基礎上進一步考慮外界條件(降水等)、土壤養分、土壤通氣性及作物根系對土壤水分特性的影響。

表2 不同處理土壤水分特性矩陣Tab.2 Matrix of soil moisture characteristics under different treatments

4 結論

(1)傳統耕作條件下，0～20 cm、20～40 cm及40～60 cm土層秸稈覆蓋處理較無覆蓋處理增大了土壤總孔隙度及毛管孔隙度，減小了非毛管孔隙度；秸稈覆蓋條件下，免耕較傳統耕作方式增大了各土層土壤總孔隙度及毛管孔隙度，減小了非毛管孔隙度。免耕150%秸稈覆蓋0～20 cm、20～40 cm和40～60 cm土層土壤總孔隙度顯著增加5.87%、5.59%和4.71%，土壤毛管孔隙度顯著增加11.19%、10.21%和9.66%。

(2)土壤孔隙度是決定土壤水分特性的關鍵因素，各處理不同土層相同土壤水吸力下土壤含水率、土壤比水容量及土壤有效水含量均與毛管孔隙度的變化趨勢一致。免耕處理和秸稈覆蓋處理均增強土壤水分特性，免耕秸稈覆蓋相結合對土壤水分特性的影響更為顯著。免耕秸稈覆蓋下，土壤持水性、土壤供水能力、土壤水分有效性隨覆蓋量增加而逐漸增強。

(3)矩陣法綜合評價分析表明，免耕150%秸稈覆蓋處理最優，能有效改善土壤孔隙度，有利于土壤水分蓄積及作物對土壤水分的高效利用，是研究區最適宜的秸稈覆蓋與耕作方式。