秸稈覆蓋與耕作方式對(duì)土壤水分特性的影響

劉繼龍 李佳文 周 延 付 強(qiáng) 張玲玲 劉 璐

(1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院， 哈爾濱 150030； 2.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)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(jié)構(gòu)，從而影響土壤水分特性。如免耕秸稈集中深還田分解有機(jī)質(zhì)后，改變土壤結(jié)構(gòu)及水分在土壤中的運(yùn)動(dòng)特性，在水分不易通過(guò)的粘土試驗(yàn)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(jìn)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(jié)構(gòu)，迅速增大土壤持水能力[4]。免耕能有效改善土壤結(jié)構(gòu)，增大耕層土壤孔隙，增強(qiáng)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(jié)合對(duì)改善土壤結(jié)構(gòu)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(qiáng)[1]；粉碎氨化秸稈還田條件下，隨秸稈分解，土壤結(jié)構(gòu)連通性逐漸得到改善，使土壤持水特性顯著增強(qiáng)[17]；免耕條件下，隨秸稈覆蓋量增加，土壤持水性能增強(qiáng)，土壤有效水含量增加[18]；覆蓋物為枯落物時(shí)，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(jié)構(gòu)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(duì)土壤水分特性都有影響，隨著秸稈覆蓋的推廣和應(yīng)用，深入研究不同秸稈覆蓋及耕作方式對(duì)土壤水分特性的影響機(jī)制具有重要意義。

東北黑土區(qū)是我國(guó)重要商品糧基地，受自然因素和人為因素影響，土壤退化嚴(yán)重，使土壤結(jié)構(gòu)和土壤蓄水保墑能力等土壤性質(zhì)不斷惡化。研究解決該區(qū)土壤退化問(wèn)題、提高土壤蓄水保墑等能力是保證該區(qū)土壤資源高效、可持續(xù)利用而亟需解決的關(guān)鍵問(wèn)題。適宜的秸稈覆蓋及耕作方式是改善土壤結(jié)構(gòu)和提高土壤蓄水保墑等能力的有效途徑，目前，關(guān)于黑土區(qū)秸稈覆蓋與耕作方式對(duì)土壤水分特性影響的研究較少。因此，本文以黑土區(qū)農(nóng)田為研究對(duì)象，在利用van-Genuchten模型擬合土壤水分特征曲線基礎(chǔ)上，分析不同秸稈覆蓋量及耕作方式對(duì)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(duì)土壤水分特性的影響機(jī)制，為東北黑土區(qū)適宜秸稈覆蓋和耕作方式的構(gòu)建、以及土壤水分的高效利用提供理論依據(jù)與指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)區(qū)為東北農(nóng)業(yè)大學(xué)向陽(yáng)試驗(yàn)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(qū)向陽(yáng)鄉(xiāng)，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(yàn)設(shè)置5個(gè)處理，分別為傳統(tǒng)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(tǒng)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(zhǎng)12 cm左右，覆蓋量根據(jù)面積比例分別為前一年小區(qū)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(qū)收獲秸稈的100%。每個(gè)處理重復(fù)3次，共計(jì)15個(gè)小區(qū)，每個(gè)小區(qū)面積為36 m2(6 m×6 m)，試驗(yàn)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(shí)施用三寧復(fù)合肥414 kg/hm2(N、P2O5、K2O質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為14%、16%、15%)，施肥量參考當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)施肥標(biāo)準(zhǔn)，7月2日追施尿素251 kg/hm2，試驗(yàn)地種植作物為玉米，供試玉米品種為“中玉9號(hào)”。

1.2 測(cè)定項(xiàng)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(qū)原狀土，用來(lái)測(cè)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(huán)刀法測(cè)定。

土壤總孔隙度及非毛管孔隙度計(jì)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(jī)法進(jìn)行測(cè)定，van-Genuchten模型進(jìn)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——?dú)堄嗤寥篮?，cm3/cm3

α——進(jìn)氣吸力的倒數(shù)，kPa-1

n——形狀系數(shù)

比水容量計(jì)算式為

(4)

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用Excel計(jì)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(shù)，Origin 9.0繪圖，SPSS 20.0軟件進(jìn)行單因素方差分析，顯著性水平為0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 秸稈覆蓋與耕作方式對(duì)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(xiě)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(jī)質(zhì)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(tǒng)耕作相比改善土壤孔隙度，是由于免耕對(duì)土壤的擾動(dòng)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(tǒng)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(jī)質(zhì)含量增加，減少了地表裸露，緩解外界環(huán)境對(duì)土壤結(jié)構(gòu)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(jié)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(dǎo)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(duì)土壤持水性的影響

根據(jù)圖2中0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm土層土壤水分特征曲線呈現(xiàn)的變化趨勢(shì)，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(shí)不同土層各處理土壤含水率隨土壤水吸力變化規(guī)律明顯，各處理間曲線趨于平緩且相對(duì)平行，這主要是因?yàn)楦呶Χ瓮寥浪种饕Ａ粼谕寥烂芸紫?，不同處理?～20 cm、20～40 cm、40～60 cm土層土壤持水性變化規(guī)律與土壤毛管孔隙度變化規(guī)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(qiáng)，與各土層毛管孔隙度隨秸稈覆蓋量變化趨勢(shì)一致。免耕條件下，NM0.5與NM1、NM1.5相比對(duì)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(fā)，且對(duì)0～20 cm土層的影響最明顯。傳統(tǒng)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(kù)容，從而增強(qiáng)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(qiáng)，秸稈覆蓋條件下免耕處理較傳統(tǒng)耕作處理增強(qiáng)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(qiáng)于傳統(tǒng)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(duì)土壤擾動(dòng)，且秸稈的集雨效果顯著，能有效減少土壤水分無(wú)效蒸發(fā)[26]。

2.3 秸稈覆蓋與耕作方式對(duì)土壤供水能力的影響

通常土壤水吸力為100 kPa時(shí)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(shì)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(tǒng)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(qiáng)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(tǒng)耕作相比增強(qiáng)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(duì)土壤水分有效性的影響

根據(jù)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(shù)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(shù)Tab.1 Soil moisture constant of different soil layers under different treatments

注：同列不同小寫(xiě)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(tǒng)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(shù)可用來(lái)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(shù)，NM0.5、NM1、NM1.5處理均隨秸稈覆蓋量增加而增加；傳統(tǒng)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(tǒng)耕作秸稈覆蓋有效水含量與易利用水比例系數(shù)均高于無(wú)覆蓋，秸稈覆蓋增強(qiáng)作物對(duì)土壤水的吸收利用能力。免耕秸稈覆蓋土壤水分常數(shù)除重力水均高于傳統(tǒng)耕作秸稈覆蓋，說(shuō)明在秸稈覆蓋條件下，免耕處理能增強(qiáng)作物對(duì)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(shù)均逐漸增加，免耕條件下秸稈覆蓋量為150%時(shí)，作物對(duì)土壤水分的吸收利用最佳。

2.5 綜合評(píng)價(jià)分析

矩陣法是環(huán)境影響綜合評(píng)價(jià)的基本方法，本文將各試驗(yàn)處理作為矩陣中的各項(xiàng)開(kāi)發(fā)活動(dòng)，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(huán)境因子，共同組成環(huán)境影響矩陣，建立各處理與土壤水分特性間的直接因果關(guān)系，通過(guò)優(yōu)劣排序值來(lái)表示不同處理對(duì)土壤水分特性產(chǎn)生的影響[27]。本文應(yīng)用矩陣法對(duì)土壤水分特性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，毛管孔隙度與土壤水分特性密切相關(guān)，因此僅對(duì)毛管孔隙度進(jìn)行評(píng)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(jìn)行評(píng)分。最終以綜合得分對(duì)不同處理進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果如表2所示，NM1.5處理綜合得分最高，明顯優(yōu)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(qiáng)，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(qū)作物生長(zhǎng)的一個(gè)重要因素，如何提高土壤蓄水保墑能力是研究區(qū)亟需解決的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，本文通過(guò)分析秸稈覆蓋與耕作方式對(duì)黑土區(qū)土壤水分特性的影響機(jī)制，提出了研究區(qū)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(chǎn)量等提供了依據(jù)。除此之外，秸稈覆蓋與耕作方式對(duì)土壤養(yǎng)分、土壤溫度和土壤微生物等也都具有明顯影響，這進(jìn)而都會(huì)影響作物的生長(zhǎng)發(fā)育，開(kāi)展這一方面的研究更有利于提出研究區(qū)適宜秸稈覆蓋量與耕作方式，提高作物產(chǎn)量，保證土壤資源高效可持續(xù)利用。后續(xù)研究中應(yīng)進(jìn)一步開(kāi)展秸稈覆蓋與耕作方式對(duì)土壤各個(gè)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(jī)質(zhì)分解、作物根系生長(zhǎng)狀況等都會(huì)影響土壤孔隙度進(jìn)而影響土壤水分特性，后續(xù)試驗(yàn)中可在此試驗(yàn)基礎(chǔ)上進(jìn)一步考慮外界條件(降水等)、土壤養(yǎng)分、土壤通氣性及作物根系對(duì)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(jié)論

(1)傳統(tǒng)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(wú)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(tǒng)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(guān)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(shì)一致。免耕處理和秸稈覆蓋處理均增強(qiáng)土壤水分特性，免耕秸稈覆蓋相結(jié)合對(duì)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(qiáng)。

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