麥?zhǔn)蘸蟛煌髂Ｊ綄?duì)土壤水分的影響

劉 飛， 趙圓峰， 胡子豪， 郭建文， 何亞男， 張曉紅

(山西師范大學(xué)現(xiàn)代文理學(xué)院，山西臨汾 041000)

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麥?zhǔn)蘸蟛煌髂Ｊ綄?duì)土壤水分的影響

劉 飛， 趙圓峰， 胡子豪， 郭建文， 何亞男， 張曉紅*

(山西師范大學(xué)現(xiàn)代文理學(xué)院，山西臨汾 041000)

[目的]研究麥?zhǔn)蘸蟛煌髦贫群吞镩g管理方式對(duì)農(nóng)田土壤水分的影響。[方法]運(yùn)用比較法，研究了麥?zhǔn)蘸笮←湼卟缧€田模式、高茬粉碎秸稈覆蓋模式和高茬粉碎秸稈后播種夏玉米模式3種處理對(duì)小麥秋播墑情的影響。通過(guò)烘干法，測(cè)定3種模式下農(nóng)田土壤含水量、儲(chǔ)水量、耗水量。[結(jié)果]3種模式的土壤含水量隨土壤深度的增加呈下降趨勢(shì)，且小麥高茬旋耕還田模式的土壤含水量高于高茬粉碎秸稈覆蓋模式和高茬粉碎秸稈后播種夏玉米模式，高茬粉碎秸稈覆蓋模式略高于高茬粉碎秸稈后播種夏玉米模式；小麥高茬旋耕還田模式1 m深土壤儲(chǔ)水量大于高茬粉碎秸稈覆蓋模式和高茬粉碎秸稈后播種夏玉米模式，而高茬粉碎秸稈覆蓋模式的土壤儲(chǔ)水量大于高茬粉碎秸稈后播種夏玉米模式；3個(gè)模式的耗水量均隨著土壤深度的增加而增大。[結(jié)論]土壤深度為1 m的土壤含水量從大到小依次為小麥高茬旋耕還田模式、高茬粉碎秸稈覆蓋模式、高茬粉碎秸稈后播種夏玉米模式。

麥?zhǔn)?；麥茬；土壤含水量；土壤?chǔ)水量；耗水量

山西高原處于半干旱氣候區(qū)，降水總量少，降水季節(jié)變率大，旱災(zāi)頻繁，干旱成為影響該地區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展最大的限制因子[1]。因此，科學(xué)合理地利用土壤水資源并制訂出針對(duì)性的管理方式尤為重要。臨汾市堯都區(qū)處于山西高原五大盆地之一的臨汾盆地內(nèi)，為一年兩熟制地區(qū)[2]。該區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式主要是冬小麥-夏玉米和冬小麥-休閑兩種方式，即在6月中上旬冬小麥?zhǔn)崭詈?，或者緊接著播種夏玉米，或者實(shí)行土地休閑，到9月底10月初播種下一茬冬小麥。從近10年臨汾市的降水情況來(lái)看，麥?zhǔn)蘸蟮较乱徊缧←湶シN前4個(gè)月是降水比較集中的時(shí)期，占全年降水量的70%以上，是土壤水分蓄積的關(guān)鍵時(shí)期，在此期間土壤水分的蓄積情況對(duì)下一茬小麥的播種、出苗乃至越冬生長(zhǎng)起著重要作用。

不同耕作制度和田間管理方式對(duì)農(nóng)田土壤水分有不同影響和要求。近年來(lái),以免耕播種結(jié)合秸稈還田為主的保護(hù)性耕作措施在北方麥田普遍實(shí)施[3]，臨汾地區(qū)農(nóng)機(jī)局經(jīng)過(guò)試驗(yàn)總結(jié)推出了4 種處理小麥高茬的模式[4]。筆者研究了麥?zhǔn)蘸蟛煌幚矸绞綄?duì)土壤水分的影響，以期為小麥生產(chǎn)水分利用與管理提供科學(xué)依據(jù)。

1　材料與方法

1.1試驗(yàn)地概況試驗(yàn)區(qū)位于山西省南部臨汾市堯都區(qū)東杜村，地處111°34′ E，35°55′ N，海拔484 m，無(wú)霜期203 d，平均年降水量550 mm，年平均氣溫9～13 ℃，土壤類型為褐土，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)特性方面表現(xiàn)為土層深厚，質(zhì)地適宜，酸堿適中[5]。該試驗(yàn)選取東杜村相鄰相接的具有代表性的3塊樣地，其面積、土壤表層質(zhì)地?zé)o明顯差異，只有農(nóng)民對(duì)麥茬的處理方式不同。

1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)共設(shè)3個(gè)處理。小麥高茬旋耕還田模式(處理①)：麥?zhǔn)罩螅粚?duì)麥秸做任何處理，到下一茬冬小麥播種時(shí)用旋耕機(jī)將其粉碎還田，直接施肥播種。高茬粉碎秸稈覆蓋模式(處理②)：先用秸稈還田機(jī)將小麥高茬直接粉碎覆蓋在田中，然后用深松機(jī)進(jìn)行深松，到小麥播種時(shí)再用硬茬播種機(jī)直接播種。高茬粉碎秸稈后播種夏玉米模式(處理③)：在高茬粉碎秸稈覆蓋模式的基礎(chǔ)上直播夏玉米，玉米在9月底采用機(jī)械收割，秸稈粉碎還田。

1.3樣品采集采用傳統(tǒng)土鉆方式取土樣，分別于6月上旬麥?zhǔn)蘸?CK)和10月初下茬冬小麥播種前在3塊農(nóng)田取樣，各點(diǎn)取土深度為100 cm，以每10 cm為1個(gè)層次采集土樣裝入鋁盒。

1.4測(cè)定項(xiàng)目與方法將采集的土樣用0.000 1精度天平稱取土樣重量，在105 ℃烘箱內(nèi)將土樣烘24 h至恒重，然后稱取烘干土樣及空鋁盒的重量。根據(jù)測(cè)定數(shù)據(jù)計(jì)算以下指標(biāo)：

土壤質(zhì)量含水量=(烘干前鋁盒及土樣質(zhì)量-烘干后鋁盒及土樣質(zhì)量)/(烘干后鋁盒及土樣質(zhì)量-烘干后空鋁盒質(zhì)量)×100%。

Dw=∑θv·h

θv=θm·ρ

式中，Dw為土壤儲(chǔ)水量；θv為容積含水量，%；h為土層厚度，cm；θm為質(zhì)量含水量，%；ρ為土壤容重。

2　結(jié)果與分析

2.1不同耕作模式下土壤水分的剖面特征從圖1可以看出，3種模式的土壤含水量除底層外，隨深度的加深，均呈現(xiàn)波動(dòng)下降趨勢(shì)，而CK呈現(xiàn)相反趨勢(shì)，隨土層深度的加深，土壤含水量先減少后逐漸增加，30 cm以下土壤含水量遠(yuǎn)大于3種處理模式。這說(shuō)明6月麥?zhǔn)蘸笸寥郎顚雍枯^豐富，經(jīng)過(guò)1個(gè)夏玉米生長(zhǎng)季之后，在10月初下茬冬小麥播種前，3種處理模式下土壤水分均有不同程度的損耗，主要是由于試驗(yàn)驗(yàn)期間降水稀少，只有近10年平均值的40%，收不抵支。從整體剖面上來(lái)看，處理①的土壤含水量高于處理②、③，處理②略高于處理③，這是由于處理①中高茬秸稈的覆蓋降低了土壤蒸發(fā)作用，在保蓄土壤水分方面優(yōu)勢(shì)明顯，而處理②中將小麥高茬直接粉碎覆蓋在田里，并用深松機(jī)進(jìn)行深松之后，土壤緊實(shí)度降低，使土壤水分蒸發(fā)消耗量較大，處理③主要是因夏玉米的生長(zhǎng)對(duì)土壤水分不斷利用，造成土壤含水量較低。

圖1　不同耕作模式土壤含水量比較Fig.1　Comparison of soil moisture content under various farming modes

3種處理模式土壤含水量隨土層深度的變化也有著不同的表現(xiàn)。雖然在上層都是隨土層深度的增加，土壤含水量下降，但下降截止深度明顯不同。處理①在50 cm深度處停止下降，降幅40.0%，且0～20 cm降幅相對(duì)較小(2.9%)；處理②含水量下降截止深度為40 cm，降幅37.0%；處理③含水量下降截止深度為60 cm，降幅高達(dá)50.0%，但在30～40 cm處出現(xiàn)停頓。這表明在干旱年份免耕高留茬覆蓋，在下茬小麥播種前再進(jìn)行粉碎的處理方式與麥?zhǔn)蘸笾苯臃鬯辂湶缃Y(jié)合深松的處理方式相比，雖然劇烈失水層次深度和失水強(qiáng)度均較大，但由于其對(duì)雨水的收蓄能力和阻止表層蒸發(fā)的能力強(qiáng)，使得其1 m以上土壤含水量保持在較高水平，尤其是表層0～30 cm土壤含水量，與初期CK相比呈凈增加狀態(tài)，這對(duì)保證小麥秋播和出苗的表墑十分有利。種植夏玉米雖然由于植被覆蓋作用降低了強(qiáng)烈蒸發(fā)深度，但根系吸水蒸騰消耗較強(qiáng)，尤其是40～80 cm根系活躍層，導(dǎo)致土壤含水量顯著低于2個(gè)休閑處理模式。

2.2不同耕作模式下土壤水分蓄積和消耗從圖2可以看出，處理① 100 cm土層土壤儲(chǔ)水量為186 mm，明顯大于處理②和處理③，而處理②100 cm土層土壤儲(chǔ)水量(157 mm)高于處理③(140 mm)，3個(gè)處理模式均低于6月份麥?zhǔn)蘸蟮腃K儲(chǔ)水量(246 mm)。經(jīng)歷了一個(gè)少雨的旱季，在接蓄了只有近10年平均值40.0%的降水(142.2 mm)情況下，2個(gè)休閑處理(處理①、②)100 cm土壤儲(chǔ)水分別較6月麥?zhǔn)蘸蠼档土?4.0%和36.0%，種植夏玉米的處理降低了43.0%。這說(shuō)明麥?zhǔn)蘸笮蓍e處理①的蓄水保水能力明顯好于處理②，但由于降水不足，使根系層土壤水庫(kù)經(jīng)歷了不同程度的損失，而夏玉米的生長(zhǎng)更是加劇了土壤水庫(kù)的消耗。

注：柱中數(shù)據(jù)表示每一土層的儲(chǔ)水量。Note：Data in the column stand for moisture storage capacity of each soil layer.圖2　不同耕作模式下土壤儲(chǔ)水量比較Fig.2　Comparison of soil moisture storage capacity under various farming modes

根據(jù)以上數(shù)據(jù)計(jì)算10月份各處理模式分層儲(chǔ)水量與6月份CK相應(yīng)層次儲(chǔ)水量之差(耗/損水量)及其占CK相應(yīng)儲(chǔ)水量的百分比(表1)，來(lái)定量說(shuō)明不同處理模式對(duì)不同土壤深度水分的消耗和利用情況。

由表1可知，處理①、②、③的耗水量均隨深度加深而逐漸增大，其中處理①在表層0～20 cm為負(fù)值，說(shuō)明該處理在這個(gè)深度層次上接蓄降水量大于土壤水分蒸散發(fā)損失量。對(duì)于這2個(gè)沒(méi)有作物生長(zhǎng)的休閑處理來(lái)說(shuō)，100 cm土層土壤水庫(kù)的變化主要取決于降水收蓄收入和土壤蒸散發(fā)支出。隨著土壤深度的增加，降水入滲補(bǔ)償收入越來(lái)越少，導(dǎo)致下層土壤水庫(kù)失水百分比增加，到80～100 cm深度損失最大接近50.0%。相比較而言，在各層土壤處理②的失水量和失水比例均較處理①大，尤其是20～40 cm失水率是處理①的3.4倍，100 cm深總儲(chǔ)水損失率也比處理①多50.0%，這說(shuō)明麥?zhǔn)蘸罅⒓此椴缟钏刹焕谕寥浪值谋３?，相反留茬免耕有助于減少蒸發(fā)損失和收蓄降水資源。處理③各層土壤水庫(kù)消耗量均高于處理①和處理②，土壤水分損失率分別是后兩者的1.0～1.9和1.2～4.0倍，這種差距正是玉米生長(zhǎng)消耗利用土壤水分造成的。

3　結(jié)論與討論

(1)劉文國(guó)等[6]研究表明，小麥土壤水分劇烈變化層(活躍層)深度約為0～80 cm。這一層易受大氣環(huán)境的影響,土攘的干濕程度波動(dòng)強(qiáng)烈,在春末夏初時(shí)節(jié)降水極少，土壤含水量易降到作物凋萎時(shí)的含量；到達(dá)多雨時(shí)期，在短時(shí)間內(nèi)可到達(dá)最大持水量濕度,波動(dòng)范圍可由6%達(dá)到22%,靠近地表的耕層常處于風(fēng)干狀態(tài)。

表1　不同耕作模式下不同土層耗水量及其百分比

(2)李玲玲等[7]研究表明，不同耕作措施對(duì)表層0～10 cm土壤含水量影響較大，而免耕秸稈覆蓋在作物播種期可以顯著增加播種期土壤含水量，0～200 cm土壤剖面貯水量年變化分為春夏作物旺盛生長(zhǎng)失墑期(5月中旬至7月中旬)，夏秋雨季增墑期(7月中旬至10月中旬)和冬春穏墑期(11月-翌年-5月上旬)3個(gè)階段[7]。

(3)該研究結(jié)果表明，100 cm深土體內(nèi)小麥高茬旋耕還田模式的土壤含水量大于高茬粉碎秸稈覆蓋模式和高茬粉碎秸稈后播種夏玉米模式的土壤含水量，而高茬粉碎秸稈覆蓋模式的土壤含水量略大于高茬粉碎秸稈后播種夏玉米模式的土壤含水量。這說(shuō)明小麥高茬旋耕還田模式相對(duì)于高茬粉碎秸稈覆蓋模式更有利于土壤水分的蓄積。但由于2015年是異于常年的少雨年份，在麥?zhǔn)蘸蟮膸讉€(gè)月關(guān)鍵蓄雨期內(nèi)只接受了不到近10年平均值50.0%的降水，因此對(duì)于3種處理模式在正常年份或多雨年份的表現(xiàn)仍有待于研究。

[1] 孟萬(wàn)忠,趙景波.近六百年來(lái)山西氣象災(zāi)害與氣候變化[M].北京：中國(guó)社會(huì)科學(xué)出版社,2014.

[2] 白麗芹,紀(jì)春艷,張冰,等.氣候變暖對(duì)臨汾堯都區(qū)冬小麥適宜播種期的影響分析[J].農(nóng)學(xué)學(xué)報(bào),2014(8):12-15,21.

[3] 戴鋒平.免耕與秸稈還田對(duì)土壤理化性質(zhì)和小麥生長(zhǎng)的影響[D].揚(yáng)州:揚(yáng)州大學(xué),2013.

[4] 柴躍進(jìn).處理小麥高茬的4種模式[J].山西農(nóng)機(jī),1998(5):11.

[5] 杜娟.堯都區(qū)耕層土壤粒度及微量元素空間分布特征研究[D].臨汾:山西師范大學(xué),2013.

[6] 劉文國(guó),張建昌,曹衛(wèi)賢,等.多種栽培模式下旱地小麥土壤水分的動(dòng)態(tài)變化[J].西北農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2006(4):112-116.

[7] 李玲玲,黃高寶,張仁陟,等.不同保護(hù)性耕作措施對(duì)旱作農(nóng)田土壤水分的影響[J].生態(tài)學(xué)報(bào),2005(9):2326-2332.

Effects of Different Farming Modes after Wheat Harvest on Soil Moisture

LIU Fei, ZHAO Yuan-feng, HU Zi-hao, ZHANG Xiao-hong*et al

(Modern College of Arts and Science, Shanxi Normal University, Linfen, Shanxi 041000)

[Objective] To study the effects of different farming modes and field management ways after wheat harvest on soil moisture in farmland. [Method] Through comparison, the impacts of three farming modes (high stubble rotary tillage with straw mode, high stubble crushing straw mulching mode, and sowing summer maize mode after high stubble crushing) on soil moisture in autumn were analyzed. Soil moisture content, soil moisture storage capacity, and water consumption under the three modes were detected by drying method. [Result] With the increase of soil depth, soil moisture content under the three modes tended to decrease, and it was the highest under the first mode, followed by the second mode, while it was the lowest under the third mode. The changing trend of soil moisture storage capacity at a depth of 1 m under the three modes was similar to that of soil moisture content. Water consumption under the three modes rose with the increase of soil depth. [Conclusion] Soil moisture content at a depth of 1 m is shown as follows: high stubble rotary tillage with straw mode>high stubble crushing straw mulching mode>sowing summer maize mode after high stubble crushing.

Wheat harvest; Wheat stubble; Soil moisture content; Soil moisture storage capacity; Water consumption

劉飛(1993- )，男，山西大同人，本科生，專業(yè)：地理科學(xué)。*通訊作者，副教授，博士，碩士生導(dǎo)師，從事農(nóng)業(yè)生態(tài)和土壤學(xué)研究。

2016-05-23

S 152.7

A

0517-6611(2016)19-130-03