覆蓋耕作對嶺南旱作大豆土壤水熱及產量的影響

武淑娜，楊樹青，李文娟，楊水源，孫云嶺

(1.內蒙古農業大學，呼和浩特 010018；2.內蒙古恒源水利工程有限公司，呼和浩特 010018)

大興安嶺南麓阿榮旗年均降水量為458.4 mm，屬大陸性半濕潤易旱區。該地區是內蒙古東北部的主要農作區之一，出產的高油大豆聞名全國[1]。受地勢和植被的影響，當地氣溫自南向北逐漸降低，具有寒冷、風大、干旱等氣候特點，是典型的半濕潤雨養農業[2](又稱旱作農業)區，水資源短缺成為限制當地農業和經濟發展的主要因素。有關研究表明，保護性耕作技術、作物秸稈覆蓋和合理的作物輪作方法是目前旱農地區保蓄水分、減輕和緩解干旱、增產增收及改善生態環境的重要手段[3-5]。免耕以減少土壤耕作次數的方式，調節土壤的水熱效應，增加大豆田土壤的含水量[6]，但隨著土層深度增加，土壤含水率差異逐漸變小[7]。此外，該耕作方法具有很好的保墑效果，這有利于大豆干物質積累和生長發育，進而提高大豆產量[8]；以免耕為基礎加上秸稈殘茬覆蓋，更有利于降雨入滲的增加，對提高耕層土壤含水量十分有利[8,9]。

土壤溫度作為重要的土壤物理性質，對作物的生長發育以及產量有很大影響[10]。旱作條件下，耕作方式對土壤溫度的影響較為顯著，而在水量充足情況下，覆膜處理對土壤溫度則表現出更明顯的影響[11]。不同耕作措施下土壤溫度彼此之間的差異均隨土層深度的增加而減小[12]，而有關秸稈覆蓋的溫度效應，目前存在著不同的觀點。有研究發現[13]，不同覆蓋處理下0～25 cm土層表現出不同程度的降溫效應，且增加覆蓋量會增加降溫效果；另有研究發現，秸稈覆蓋能夠減少地溫的變化幅度，緩解晝夜溫差變化，保護作物根部免受傷害[14]。地膜覆蓋和秸稈覆蓋二者均能增加土壤的貯水量、增加降雨的下滲和抑制土壤蒸發，作物也因此有了更多的可利用水分[15-20]；地膜覆蓋[21]能更好地將太陽能轉換為熱能集蓄在耕層土壤中，進而有效提高大豆生育期內耕層土壤溫度，為大豆生長提供更有利的環境。與常規耕作相比，保護性耕作技術的水分利用效率有明顯提高[22]。相比之，前人對各種耕作方式、覆蓋方式等單一條件下作物產量或土壤不同指標方面研究較多，但大都集中在陜甘地區，且供試作物多為小麥和玉米，而對我國東北地區大豆在不同覆蓋耕作方式下的土壤水分、溫度、產量的總體影響研究較少。為此，本文研究不同耕作覆蓋方式下旱作大豆產量及土壤水熱效應，通過采取旱作措施改善當地的土壤水熱環境，為進一步確定適合當地的旱作生產下農田保蓄水及增產方式提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗區位于阿榮旗松塔溝村，該地區位于內蒙古自治區呼倫貝爾市大興安嶺南麓，東經122°2′～124°5′、北緯47°56′～49°19′，屬于大陸性半濕潤氣候。年平均氣溫1.7 ℃，全年有效積溫2 394.1 ℃。全年日照時數為2 750～2 850 h。年降水主要集中在6-8月，大部分地區早霜在9月中旬就開始出現，無霜期為90～130 d。試驗地土壤耕層密度1.31 g/cm3，pH值6.8，年度生育期降水262.08 mm(表1)。

該地區農田以多礫質粉壤土為主，各層土壤容重及耕層基礎地力指標如表2。

表1 大豆生育期內逐月氣象資料Tab.1 Monthly mean meteorological data among the soybean growth period

表2 土壤顆粒基本特性Tab.2 The basic characteristics of soil particles

1.2 試驗設計

大豆生育時間表見表3。試驗共設置4個處理，3次重復：①傳統耕作(T)，播種前半個月(5月中旬)用旋耕機碎土平地，進行第一次起壟，播種后半個月(6月中旬)進行第二次起壟，6月底進行第三次起壟；②免耕(NT)，全生育期不耕作，人工完成播種和施肥；③傳統耕作秸稈覆蓋(TS)，在①基礎上，秋收后將秸稈均勻覆蓋在壟溝里；④傳統耕作覆蓋地膜(TP )，在①基礎上，秋收后將寬度90 cm地膜覆蓋在壟上。

表3 大豆生育時期Tab.3 The soybean growing stage

試驗選用隨機區組排列，小區面積大小為10 m×10 m，供試作物為大豆(品種選用墾農18號，播種量為100 kg/hm2)，播種期在每年的5月中下旬。播種方式為條播，行距65 cm；覆蓋所用秸稈取用前一年收獲后的玉米秸稈，處理后長度10 cm左右，施用量為1 800 kg/hm2。大豆生育期間利用自然降水不進行灌水，田間管理與施肥水平與當地一致。

1.3 田間數據采集及計算方法

1.3.1 土壤容重

γ=(MS-M)/V

(1)

式中：γ為土壤干容重，g/cm3；MS為環刀與土壤干質量之和，g；M為環刀質量，g；V為環刀容積，cm3。

1.3.2 土壤溫度

播種前在每個小區中心位置埋設自動監測地溫計，每小區設置4個傳感器，分別測定5、10、15、20 cm深度處地溫，設定每小時讀取一次數據，連續測定，至大豆成熟收獲后停止觀測。

1.3.3 土壤水分

土壤含水率利用烘干法和時域反射儀(TDR)相結合的方法測定。在作物各個生長時期利用土鉆鉆取深度為0～100 cm土層土樣，每20 cm為一層，共5層，設置3次重復，在降雨前后和生育期轉變前后進行加測。利用烘干法測得的質量含水率校核時域反射儀所測定得土壤含水率，結合測定的土壤容重計算土壤蓄水量。

θi=(m濕-m干)/m干×100%

(2)

(3)

ET=P+W1-W2

1.不會做的題。這樣的題最能體現知識的掌握程度，有的涉及到公式、定理的運用，有的涉及到知識點之間關系等，整理這類錯題，有助于鞏固基礎知識；

(4)

WUE=Y/ET

(5)

式中：θi為第i層土壤質量含水率，% ；m濕、m干分別是濕土質量和干土質量，g；W為土壤蓄水量，mm；γi、γ水為第i層土壤容重和水的密度，g/cm3；Hi為第i層土層厚度，cm；ET為作物生育期耗水量，mm；P為作物生育時期降雨量，mm；W1為作物播種時0～100 cm土壤蓄水量；W2為作物收獲時0～100 cm土壤蓄水量；WUE為作物水分利用效率，kg/(hm2·mm)；Y為作物產量，kg/hm2。

1.3.4 產 量

每個處理小區隨機取3處4 m×4 m面積的大豆植株，人工脫粒并自然風干后測量每處籽粒的重量，取平均值后折算大豆的籽粒產量。

1.4 數據處理

采用EXCEL2010軟件進行數據分析與圖形繪制。

2 結果與分析

2.1 不同覆蓋及耕作方式對大豆生育期土壤溫度的影響

2.1.1 全生育期土壤耕層平均溫度變化

在整個旱作大豆生育期，各處理耕層土壤溫度變化相似，整體呈現出先升后降的趨勢(圖1)，且在開花期出現轉變。大豆從芽期至成熟期各處理耕層土壤平均溫度表現為TP(21.88 ℃)>T(21.01 ℃)>NT(20.56 ℃)>TS(19.62 ℃)。在芽期，TP處理下的耕層土溫顯著高于T處理，較之提高了13.31%，而NT和TS處理較T處理提高較小；分枝期到鼓粒期TP處理下的耕層地溫較T處理提高1.55%～6.40%，而NT和TS處理則平均降低3.18%和8.34%；到了成熟期，耕層地溫在NT、TS和TP處理下均低于T處理。總體上各處理較T而言，TP出現增溫效果，而NT和TS出現表現出不同程度的降溫效果。

圖1 不同生育時期0～20 cm平均地溫變化規律Fig.1 Average soil temperature in 0～20 cm soil layers at different growth stages

2.1.2 各生育期土壤垂向溫度變化

圖2為旱作大豆各生育期0～20 cm土層不同耕作條件下垂向土壤溫度變化，隨著土層深度增加地溫逐漸降低，不同處理表現出基本相同的規律。生育初期(芽期～分枝期)，地溫狀況表現為TP>NT>T>TS且總體較高，NT和TP處理較T處理的土壤溫度上升，特別是TP在芽期其各土層增幅波動范圍為6.14%～14.64%；TS處理在此時表現出一定的降溫效應，亦是在芽期變化顯著，各土層降幅波動范圍在10.16%～13.28%，分枝期降低幅度(7.94%～9.91%)相對較弱。而在中后期(開花期～成熟期)同一土層溫度在不同生育階段逐漸減小，各生育階段內各處理較T基本表現出不同的降溫效果(結莢期TP處理表現為增溫，變化范圍在3.86%～5.03%)，成熟期各處理耕層地溫由上至下整體無顯著變化。從整個生育期來看，在0～15 cm階段溫度變化趨勢較緩，而15～20 cm變化較快。

2.2 不同覆蓋及耕作方式對大豆生育期土壤水分的影響

2.2.1 各生育階段土壤垂向含水率變化

旱作大豆各處理不同生育階段0～100 cm土層土壤含水率變化情況如圖3所示，隨著作物生長土壤含水率逐漸降低，后期有微小幅度的增長。在大豆芽期，經過試驗前期耕作覆蓋處理以及降水對播前底墑的補充，0～40 cm內各處理土壤含水率的差異較大，NT、TS和TP處理值明顯高于T處理，分別增長9.70%、15.00%和25.22%，不同處理間在40～100 cm土層內含水率差異較小。在分枝期TS處理0～40 cm平均含水率為23.89%，相較T處理而言增長了5.33%，表明TS處理抑制耕層土壤水分蒸發效果較好。TP處理在鼓粒期及成熟期分別比T處理0～100 cm土壤含水率平均增長8.23%和8.30%，表現出更好的保水效果。在整個生育期內，NT處理保墑效果不明顯。

2.2.2 各生育階段土壤蓄水量變化

土壤蓄水量變化情況是水量平衡計算過程中的重要環節，基于土壤質量含水率計算大豆生育期內不同時段土壤蓄水量，各生育時期土壤(0～100 cm)蓄水量的變化情況如圖4。由圖4可見，不同耕作覆蓋措施能改善大豆生長的水分環境，在芽期，大豆生長耗水量少，由于不同耕作覆蓋方式的保墑作用，各處理0～100 cm土層蓄水量均顯著高于T。各措施含水量表現為TP>TS>NT>T。其中，TP和TS處理0～100 cm土壤蓄水量在芽期分別比T顯著高出53.55和34.70 mm；NT處理比T顯著高出29.55 mm。從分枝期開始，氣溫逐漸升高，各處理0～100 cm土壤蓄水量迅速下降，TP處理下的植株生長旺盛，土壤含水率逐漸接近T處理。在開花期～結莢期 TP處理下0～100 cm土壤蓄水量平均比T低了8.70 mm；在分枝期至結莢期，TS處理在0～100 cm平均土壤蓄水量比T高19.18 mm；NT處理與T差異不顯著。在鼓粒期各處理土壤含水量開始升高，表現為TP>TS>NT>T。整體來說TP處理在分枝期前和結莢后0～100 cm土壤水分狀況均優于其他處理，但在開花～結莢期土壤水分狀況差于T。

圖2 各生育階段0～20 cm土壤剖面地溫變化規律Fig.2 Variation of soil temperature in soil profile of 0～20 cm at different growth stages

圖3 各處理不同生育時期土壤含水率的垂直變化Fig.3 Soil water content vertical variation at different growth stages

圖4 各處理0～100 cm土壤蓄水量的變化Fig.4 Dynamical changes of soil water storage in 0～100 cm soil layer

2.2.3 生育期土壤耗水量

土壤耗水量中絕大部分為作物吸收利用，作物生育期耗水為作物生長提供充足的水分。作物生育期耗水量與作物生長季土壤蓄水量、土壤作物生育期降水量及其分布呈顯著相關關系。各處理大豆生育期土壤耗水量表現為TP>TS>NT>T，TP、TS和NT處理比T處理分別增長了3.71%、4.1%和9.14%，TP處理耗水量明顯高于其他處理，NT和TS處理的效果差別不大(圖5)。

圖5 大豆生育期土壤耗水量及增長率Fig.5 Water consumption and it is growth rate in soil during soybean growth season

2.2.4 各生育階段土壤水分利用效率

作物產量與太陽能的積累、水、肥、氣、熱諸因素的協調及合理的農業措施是密不可分的。不同耕作覆蓋方式對保持干旱期土壤水分、提高水分利用效率及增產的效果不同。表4結果表明，不同耕作覆蓋方式均能夠有效提高大豆產量，不同措施下大豆產量由高到低為TP>TS>NT>T，TP、TS、NT處理比T處理產量分別高出249.9、548.85、760.5 kg/hm2，以TP處理增產幅度最高，各處理大豆增產率在9.02%～27.45%之間。不同覆蓋耕作方式大豆耗水量、產量和水分利用效率(WUE)都存在差異。TP和TS處理下的水分利用效率(WUE)分別較T提高28.22%和17.17%。NT處理則提高不明顯。

表4 大豆產量和水分利用效率Tab.4 The yield of soybean and water use efficiency

2.3 土壤水分和土壤溫度的關系

大豆田土壤溫度改變會引起土壤水分變化。本研究通過對土壤水熱關系進行擬合，發現土壤水溫之間并非簡單的正向或反向關系。從分析的結果看(圖6)，不同耕作覆蓋處理方式通過對土壤溫度的改變明顯改善了大豆各生育期的土壤水分環境，大豆覆膜處理前期增溫保墑，后期降溫抑蒸，這有利于改善土壤水熱環境，符合大豆生長發育對環境的需求。

圖6 土壤溫度與土壤含水量的相關性Fig.6 Relation on soil temperature and soil water content

2.4 產量和土壤溫度的相關分析

如表5所示，不同處理0～20 cm土層平均溫度與大豆產量基本呈現正相關。從各處理看，大豆土壤溫度與產量的相關性表現為TP>TS>NT>T，而且TP處理下土壤溫度和產量表現為顯著相關，說明土壤溫度對產量有影響，且對TP處理影響最大。

表5 各處理土壤溫度與產量的相關性分析表Tab.5 The correlation of soil temperature and yield analysis table

注：*表示差異達P<0.05顯著水平。

3 結 語

在半濕潤旱作區，有效貯存更多的土壤水分是旱作農業作物提產及實現可持續發展的重要途徑之一，傳統單一的耕作方式不利于土壤蓄水和作物增產。覆蓋種植能不同程度地增加作物對降水和土壤水的利用，促進作物生長發育，并保持較多的水分供作物生長所需，是提高作物產量和水分利用的有效措施。

(1)李奇建[23]研究認為覆膜可以調節土壤耕層溫度，明顯改善地溫狀況，利于玉米前期生長；而王兆偉等[24]認為秸稈覆蓋能更有效調節作物生育前期地溫，且黃高寶等表示地溫在秸稈覆蓋條件下生長季內變化波動較小[25]。本文研究結果表明從整個生育期來看，在0～15 cm階段溫度變化趨勢較緩，而15～20 cm變化較快。覆膜能有效提高全生育期耕層平均溫度，保障大豆的出苗和生長所需溫度，這可能是因為該處理更能有效減少土壤水分蒸發進而增加土壤熱容量，使得土壤溫度增加。

(2)在自然降水與作物生長供需錯位的旱作農業區，如何實現土壤水分保蓄及高效利用尤為重要。呂軍杰[26]等研究發現免耕或免耕秸稈覆蓋增加土壤含水率的效果優于傳統耕作。本研究認為與其他處理相比，TP處理在大豆整個生育期年內均表現出不同程度地保墑抑蒸優勢，提高水分利用效率，能夠為大豆生長提供較好的水分條件，對提高大豆增產意義重大。

(3)不同覆蓋耕作處理下土壤水熱環境差異會直接影響到作物生長進程和產量增加。研究表明[8]免耕更有利于大豆生長發育并提高產量；而郭志利等[27]研究結果與其相反，他們認為地膜覆蓋對大豆增產作用更為有利。本文發現，不同耕作覆蓋方式均能夠有效提高大豆產量，大豆產量由高到低為TP>TS>NT>T，以TP處理增產幅度最高。

秸稈覆蓋和地膜覆蓋方式具有良好蓄水保墑作用，且可提供適宜的水熱條件[28]，本文發現土壤溫度差異及變化引起其內的水分遷移與轉化，而土壤水分通過改變土壤熱特性進而影響土壤溫度，二者之間相互制約；不同處理0～20 cm土層土壤平均溫度與大豆產量基本呈現正相關。從各處理看，大豆的土壤溫度與產量相關性表現為TP>TS>NT>T，且TP處理下土壤溫度和產量表現為顯著相關，說明土壤溫度對產量有影響，且對TP處理下的產量影響最大。