秸稈覆蓋對(duì)土壤水熱效應(yīng)及水分利用效率的影響

孔凡丹 周利軍 鄭麗穎 張作合 楊則已 鄭美玉 吳 娟

（綏化學(xué)院農(nóng)業(yè)與水利工程學(xué)院 黑龍江綏化 152061）

我國(guó)對(duì)于秸稈覆蓋的研究始于20世紀(jì)70年代初[1]，主要研究秸稈覆蓋對(duì)土壤水熱[2]、作物產(chǎn)量[3，4]及植被生長(zhǎng)[5，6]等方面的影響。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，土壤水熱是決定植物生長(zhǎng)發(fā)育的重要條件。有研究表明，秸稈覆蓋處理可提高土壤貯水量，增加土壤墑情[7]，提高作物產(chǎn)量[8]。劉繼龍等[9]通過(guò)分析不同秸稈覆蓋量以及耕作方式對(duì)不同深度土層土壤孔隙度、土壤持水性、土壤供水能力以及土壤水分有效性的影響，揭示了黑土區(qū)秸稈覆蓋、耕作方式對(duì)土壤水分特性的影響機(jī)制。王蓉等[10]探究了膜下秸稈覆蓋的日光溫室黃瓜根際土壤水熱特征及增產(chǎn)機(jī)制，結(jié)果表明：膜下秸稈覆蓋可提高黃瓜全生育期0～30cm土壤蓄水量。范重秀等[11]以黨參為試材，采用雙因素隨機(jī)區(qū)組方法，研究了秸稈覆蓋量和覆蓋時(shí)間對(duì)土壤水熱狀況及黨參產(chǎn)量的影響，結(jié)果表明：秸稈覆蓋顯著提高黨參生長(zhǎng)后期0～20cm 土層的土壤含水量，秸稈覆蓋對(duì)黨參具有顯著的降溫保墑和增產(chǎn)作用。

黑龍江省是我國(guó)重要的糧食生產(chǎn)基地，其農(nóng)業(yè)用地土壤水分的補(bǔ)給主要依賴自然降雨，由于缺乏適宜的耕作方式，使得降雨徑流損失較大，采用秸稈覆蓋可有效提高秸稈利用率，增加雨水利用效率，保護(hù)生態(tài)環(huán)境，為黑土區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供有力的支撐。因此，本研究以黑龍江省典型黑土區(qū)為研究區(qū)，應(yīng)用玉米秸稈進(jìn)行覆蓋，主要研究秸稈覆蓋對(duì)土壤水熱及水分利用效率的影響，旨在改善黑土區(qū)土壤特性，提高水分利用效率，達(dá)到作物增產(chǎn)的目的。

一、材料與方法

（一）研究區(qū)概況。試驗(yàn)于2021年5～10月在黑龍江省綏化市北林區(qū)（46°41′N、126°58′E）進(jìn)行，該區(qū)域位于綏化市中部地區(qū)，屬于溫帶大陸性氣候，冬季寒冷漫長(zhǎng)，春秋季節(jié)短且多風(fēng)，降雨分布不均，多集中在7、8月份，屬雨熱同季，年平均氣溫約為2.4℃，年積溫約為2566℃，日照時(shí)數(shù)約為2766h，無(wú)霜期約129d左右，降水量547mm，研究區(qū)概況如圖1所示。

圖1 研究區(qū)示意圖

(二)試驗(yàn)材料。玉米秸稈為上一年秋收后收獲，于次年春耕前粉碎至3～5cm碎段，播種前均勻拌入土中。供試土壤為黑土，堿解氮含量147.26mg/kg，速效磷含量25.02mg/kg，速效鉀含量157.23mg/kg，土壤pH為6.30。試驗(yàn)用大豆品種為墾豐16，種子由黑龍江省農(nóng)墾科學(xué)院作物所選育，該品種高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)，既適宜壟作，又適宜密植，種植密度為30萬(wàn)株/hm2。

(三)試驗(yàn)設(shè)計(jì)。試驗(yàn)場(chǎng)地地勢(shì)平坦，劃分12塊5m×5m的區(qū)域，行距為0.5m，株距為0.3m，共設(shè)4個(gè)處理，分別為：秸稈深耕覆蓋(SG)；秸稈淺耕覆蓋(QG)；秸稈留茬覆蓋(LC)和無(wú)秸稈覆蓋(CK)，試驗(yàn)采用單因素隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，每種處理3個(gè)重復(fù)，前茬作物為玉米，收獲后秸稈粉碎均勻鋪設(shè)，2021年5月10日與底肥一起播施，田間管理與當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶管理一致，10 月6 日收獲。試驗(yàn)各處理詳見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)處理

（四）樣品采集與測(cè)定。土壤溫度及含水率采用TDR時(shí)域反射儀進(jìn)行測(cè)定，分別在各處理地塊埋設(shè)TDR 時(shí)域反射儀一臺(tái)，每10cm深度測(cè)定一組溫度及含水率，最大深度為100cm，每小時(shí)自動(dòng)收集數(shù)據(jù)。用感量為0.1g 的電子天平稱取百粒重。每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)選取三個(gè)重復(fù)，計(jì)算其平均值。

（五）計(jì)算方法及數(shù)據(jù)分析。作物耗水量是指作物在生長(zhǎng)的過(guò)程中棵間蒸發(fā)量與作物蒸騰量之和。由于作物耗水量很難直接測(cè)定，因此大豆耗水量采用農(nóng)田水分平衡方程進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算方法如下：

式中：ET—大豆生育期內(nèi)的耗水量，mm；Wr—隨計(jì)劃濕潤(rùn)層增加而增加的水量，mm；P0—有效降雨量，mm；K—地下水補(bǔ)給量（K=0），mm；M—時(shí)段t內(nèi)的灌水量，為0，mm；Wt-0—時(shí)段初和任一時(shí)段土壤計(jì)劃濕潤(rùn)層內(nèi)的儲(chǔ)水量，mm。

水分利用效率受產(chǎn)量和生育期內(nèi)耗水量的影響，水分利用效率計(jì)算方法如下：

式中：WUE—水分利用效率，kg/m3；Y—大豆產(chǎn)量，kg/hm2。

應(yīng)用ArcGIS10.2 進(jìn)行研究區(qū)示意圖繪制，Microsoft office Excel2010進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，Origin2022和sufer11軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)繪圖，SPSS Statistics22.0軟件對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析，采用最小顯著差異法(Least significant difference method，LSD)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)（P＜0.05）。

二、結(jié)果與分析

（一）秸稈覆蓋對(duì)土壤水分的影響。土壤含水率的變化主要受氣候、作物生長(zhǎng)狀況、覆蓋物及覆蓋方式的影響。2021年大豆生育期0～30cm土層含水率變化如圖2所示。0～30cm土層土壤含水率在大豆苗期至開(kāi)花期以LC 處理效果最好，土壤含水率較其他三種處理隨外界溫度變化較小，說(shuō)明秸稈留茬覆蓋可有效阻止水分散失，有利于提高土壤含水量。在大豆開(kāi)花至成熟期前后，SG 及QG 處理土壤含水率較大，其中10～20cm 土層含水率最大值為QG處理，20～30cm土層含水率最大值為SG處理。由圖2可以看出，各處理0～30cm土層含水率0～10cm處的土壤含水率差異較大，大豆生育前期秸稈留茬覆蓋含水率明顯高于其他處理；在10～20cm 差異逐漸縮小，各處理間差異不顯著，20～30cm 土層差異變大，說(shuō)明不同秸稈覆蓋方式對(duì)表層土壤含水率影響較大，較CK處理均有利于土壤含水率的提高。

圖2 大豆生育期內(nèi)0～30cm土壤水分變化圖

(二)秸稈覆蓋對(duì)土壤溫度的影響。2021 年大豆生育期0～30cm土層溫度變化如圖3所示。LC處理在苗期土壤0～10 cm溫度上升較慢，土壤溫度隨外界溫度變化較小，而在成熟期前后，由于秸稈在土壤表層，土壤溫度下降也相對(duì)較慢，10～20cm及20～30cm土層隨著外界溫度變化較小；QG處理土壤0～10cm土層溫度隨外界溫度變化較快，并能很快將表層吸收的熱量傳至10～20cm土層；SG處理10～20cm土層吸收熱量后，土壤保持溫度的時(shí)間較長(zhǎng)；SG及QG處理在大豆成熟期后隨著土壤溫度的降低降幅較小，這說(shuō)明秸稈具有一定的阻礙熱量傳遞的作用。

圖3 大豆生育期內(nèi)0～30cm土壤溫度變化圖

（三）秸稈覆蓋對(duì)耗水量的影響。大豆生育期內(nèi)的耗水量變化如圖4所示。由圖4看出，大豆在苗期的耗水量最低，此時(shí)作物較小，對(duì)水分需求較少，再者氣溫較低，致使棵間蒸發(fā)量和植株蒸騰量都很少。開(kāi)花期以后，作物增長(zhǎng)加快，大豆耗水量亦有所增長(zhǎng)。進(jìn)入結(jié)莢期后，作物主要以營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)為主，此期會(huì)消耗掉大量的水分，因此，結(jié)莢期和鼓粒期大豆耗水量逐漸增大。成熟期后大豆各器官生長(zhǎng)緩慢，葉片逐漸脫落至地表，使得棵間蒸發(fā)量和植株蒸騰量減少，因此耗水量很小。

圖4 大豆生育期耗水量變化圖

不同秸稈覆蓋方式對(duì)大豆生育期耗水量的影響不同，整體上大豆耗水量由大到小為：SG＞CK＞QG＞LC。在苗期各處理間的耗水量差異較小，開(kāi)花期至鼓粒期，各處理耗水量顯著差異，SG處理與LC處理之間耗水量差距最大，達(dá)到了46.41mm。SG、QG、LC和CK在開(kāi)花期至鼓粒期的耗水量分別占整個(gè)生育期的77..17%、77.25%、77.16%和78.01%，可見(jiàn)，開(kāi)花至鼓粒期是水分消耗的關(guān)鍵期。總的來(lái)說(shuō)，LC處理對(duì)于減少生育期內(nèi)的耗水量效果最好，SG處理效果最差。

（四）秸稈覆蓋對(duì)水分利用效率的影響。不同秸稈覆蓋對(duì)大豆水分利用效率的影響見(jiàn)表2。由表2 可知，不同秸稈覆蓋措施對(duì)大豆水分利用效率由高到低為：LC＞QG＞SG＞CK。SG與QG 處理間的水分利用效率差異不顯著，SG 處理產(chǎn)量高，但其耗水量最大；CK 處理不僅耗水量大，產(chǎn)量還很低，致使水分利用效率最小。LC處理水分利用效率最高，且耗水量最低，產(chǎn)量與QG處理差異不顯著，說(shuō)明LC處理在一定的程度上可以減小因水分蒸發(fā)所造成的消耗，同時(shí)保證作物產(chǎn)量。

表2 不同秸稈覆蓋對(duì)大豆水分利用效率的影響

三、結(jié)語(yǔ)

（一）土壤含水率在大豆苗期至開(kāi)花期以秸稈留茬覆蓋處理效果最好，說(shuō)明秸稈留茬覆蓋可有效阻止水分散失，有利于提高土壤含水量；在大豆開(kāi)花至成熟期前后，深耕秸稈覆蓋和淺耕秸稈覆蓋處理土壤含水率較大，說(shuō)明秸稈覆蓋在一定程度上更有利于土壤含水率的提高。秸稈覆蓋在大豆生育初期土壤溫度上升較慢，土壤溫度隨外界溫度變化較小，而在成熟期前后，土壤溫度下降也相對(duì)較慢，說(shuō)明秸稈具有一定的阻礙熱量傳遞的作用。

（二）大豆生育期作物耗水量呈先升高后降低的趨勢(shì)。不同秸稈覆蓋方式對(duì)大豆生育期耗水量的影響不同，秸稈留茬處理可有效減少生育期內(nèi)的作物耗水量。秸稈留茬處理水分利用效率最高，且耗水量最低，產(chǎn)量與淺耕秸稈覆蓋處理差異不顯著，說(shuō)明秸稈留茬處理在一定的程度上可以減小因水分蒸發(fā)所造成的消耗，同時(shí)保證作物產(chǎn)量。