覆蓋耕作對(duì)嶺南旱作大豆土壤水熱及產(chǎn)量的影響

武淑娜，楊樹青，李文娟，楊水源，孫云嶺

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)，呼和浩特 010018；2.內(nèi)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(rùn)易旱區(qū)。該地區(qū)是內(nèi)蒙古東北部的主要農(nóng)作區(qū)之一，出產(chǎn)的高油大豆聞名全國[1]。受地勢(shì)和植被的影響，當(dāng)?shù)貧鉁刈阅舷虮敝饾u降低，具有寒冷、風(fēng)大、干旱等氣候特點(diǎn)，是典型的半濕潤(rùn)雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)[2](又稱旱作農(nóng)業(yè))區(qū)，水資源短缺成為限制當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要因素。有關(guān)研究表明，保護(hù)性耕作技術(shù)、作物秸稈覆蓋和合理的作物輪作方法是目前旱農(nóng)地區(qū)保蓄水分、減輕和緩解干旱、增產(chǎn)增收及改善生態(tài)環(huán)境的重要手段[3-5]。免耕以減少土壤耕作次數(shù)的方式，調(diào)節(jié)土壤的水熱效應(yīng)，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(zhì)積累和生長(zhǎng)發(fā)育，進(jìn)而提高大豆產(chǎn)量[8]；以免耕為基礎(chǔ)加上秸稈殘茬覆蓋，更有利于降雨入滲的增加，對(duì)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(zhì)，對(duì)作物的生長(zhǎng)發(fā)育以及產(chǎn)量有很大影響[10]。旱作條件下，耕作方式對(duì)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(duì)土壤溫度則表現(xiàn)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(guān)秸稈覆蓋的溫度效應(yīng)，目前存在著不同的觀點(diǎn)。有研究發(fā)現(xiàn)[13]，不同覆蓋處理下0～25 cm土層表現(xiàn)出不同程度的降溫效應(yīng)，且增加覆蓋量會(huì)增加降溫效果；另有研究發(fā)現(xiàn)，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(hù)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(fā)，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(zhuǎn)換為熱能集蓄在耕層土壤中，進(jìn)而有效提高大豆生育期內(nèi)耕層土壤溫度，為大豆生長(zhǎng)提供更有利的環(huán)境。與常規(guī)耕作相比，保護(hù)性耕作技術(shù)的水分利用效率有明顯提高[22]。相比之，前人對(duì)各種耕作方式、覆蓋方式等單一條件下作物產(chǎn)量或土壤不同指標(biāo)方面研究較多，但大都集中在陜甘地區(qū)，且供試作物多為小麥和玉米，而對(duì)我國東北地區(qū)大豆在不同覆蓋耕作方式下的土壤水分、溫度、產(chǎn)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(chǎn)量及土壤水熱效應(yīng)，通過采取旱作措施改善當(dāng)?shù)氐耐寥浪疅岘h(huán)境，為進(jìn)一步確定適合當(dāng)?shù)氐暮底魃a(chǎn)下農(nóng)田保蓄水及增產(chǎn)方式提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于阿榮旗松塔溝村，該地區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)呼倫貝爾市大興安嶺南麓，東經(jīng)122°2′～124°5′、北緯47°56′～49°19′，屬于大陸性半濕潤(rùn)氣候。年平均氣溫1.7 ℃，全年有效積溫2 394.1 ℃。全年日照時(shí)數(shù)為2 750～2 850 h。年降水主要集中在6-8月，大部分地區(qū)早霜在9月中旬就開始出現(xiàn)，無霜期為90～130 d。試驗(yàn)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(qū)農(nóng)田以多礫質(zhì)粉壤土為主，各層土壤容重及耕層基礎(chǔ)地力指標(biāo)如表2。

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

表2 土壤顆?；咎匦訲ab.2 The basic characteristics of soil particles

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

大豆生育時(shí)間表見表3。試驗(yàn)共設(shè)置4個(gè)處理，3次重復(fù)：①傳統(tǒng)耕作(T)，播種前半個(gè)月(5月中旬)用旋耕機(jī)碎土平地，進(jìn)行第一次起壟，播種后半個(gè)月(6月中旬)進(jìn)行第二次起壟，6月底進(jìn)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(tǒng)耕作秸稈覆蓋(TS)，在①基礎(chǔ)上，秋收后將秸稈均勻覆蓋在壟溝里；④傳統(tǒng)耕作覆蓋地膜(TP )，在①基礎(chǔ)上，秋收后將寬度90 cm地膜覆蓋在壟上。

表3 大豆生育時(shí)期Tab.3 The soybean growing stage

試驗(yàn)選用隨機(jī)區(qū)組排列，小區(qū)面積大小為10 m×10 m，供試作物為大豆(品種選用墾農(nóng)18號(hào)，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(zhǎng)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(jìn)行灌水，田間管理與施肥水平與當(dāng)?shù)匾恢隆?/p>

1.3 田間數(shù)據(jù)采集及計(jì)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(huán)刀與土壤干質(zhì)量之和，g；M為環(huán)刀質(zhì)量，g；V為環(huán)刀容積，cm3。

1.3.2 土壤溫度

播種前在每個(gè)小區(qū)中心位置埋設(shè)自動(dòng)監(jiān)測(cè)地溫計(jì)，每小區(qū)設(shè)置4個(gè)傳感器，分別測(cè)定5、10、15、20 cm深度處地溫，設(shè)定每小時(shí)讀取一次數(shù)據(jù)，連續(xù)測(cè)定，至大豆成熟收獲后停止觀測(cè)。

1.3.3 土壤水分

土壤含水率利用烘干法和時(shí)域反射儀(TDR)相結(jié)合的方法測(cè)定。在作物各個(gè)生長(zhǎng)時(shí)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(shè)置3次重復(fù)，在降雨前后和生育期轉(zhuǎn)變前后進(jìn)行加測(cè)。利用烘干法測(cè)得的質(zhì)量含水率校核時(shí)域反射儀所測(cè)定得土壤含水率，結(jié)合測(cè)定的土壤容重計(jì)算土壤蓄水量。

θi=(m濕-m干)/m干×100%

(2)

(3)

ET=P+W1-W2

1.不會(huì)做的題。這樣的題最能體現(xiàn)知識(shí)的掌握程度，有的涉及到公式、定理的運(yùn)用，有的涉及到知識(shí)點(diǎn)之間關(guān)系等，整理這類錯(cuò)題，有助于鞏固基礎(chǔ)知識(shí)；

(4)

WUE=Y/ET

(5)

式中：θi為第i層土壤質(zhì)量含水率，% ；m濕、m干分別是濕土質(zhì)量和干土質(zhì)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(shí)期降雨量，mm；W1為作物播種時(shí)0～100 cm土壤蓄水量；W2為作物收獲時(shí)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(chǎn)量，kg/hm2。

1.3.4 產(chǎn) 量

每個(gè)處理小區(qū)隨機(jī)取3處4 m×4 m面積的大豆植株，人工脫粒并自然風(fēng)干后測(cè)量每處籽粒的重量，取平均值后折算大豆的籽粒產(chǎn)量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用EXCEL2010軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與圖形繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同覆蓋及耕作方式對(duì)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(gè)旱作大豆生育期，各處理耕層土壤溫度變化相似，整體呈現(xiàn)出先升后降的趨勢(shì)(圖1)，且在開花期出現(xiàn)轉(zhuǎn)變。大豆從芽期至成熟期各處理耕層土壤平均溫度表現(xiàn)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??；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?？傮w上各處理較T而言，TP出現(xiàn)增溫效果，而NT和TS出現(xiàn)表現(xiàn)出不同程度的降溫效果。

圖1 不同生育時(shí)期0～20 cm平均地溫變化規(guī)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(xiàn)出基本相同的規(guī)律。生育初期(芽期～分枝期)，地溫狀況表現(xiàn)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(dòng)范圍為6.14%～14.64%；TS處理在此時(shí)表現(xiàn)出一定的降溫效應(yīng)，亦是在芽期變化顯著，各土層降幅波動(dòng)范圍在10.16%～13.28%，分枝期降低幅度(7.94%～9.91%)相對(duì)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(nèi)各處理較T基本表現(xiàn)出不同的降溫效果(結(jié)莢期TP處理表現(xiàn)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(gè)生育期來看，在0～15 cm階段溫度變化趨勢(shì)較緩，而15～20 cm變化較快。

2.2 不同覆蓋及耕作方式對(duì)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(zhǎng)土壤含水率逐漸降低，后期有微小幅度的增長(zhǎng)。在大豆芽期，經(jīng)過試驗(yàn)前期耕作覆蓋處理以及降水對(duì)播前底墑的補(bǔ)充，0～40 cm內(nèi)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(zhǎng)9.70%、15.00%和25.22%，不同處理間在40～100 cm土層內(nèi)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(zhǎng)了5.33%，表明TS處理抑制耕層土壤水分蒸發(fā)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(zhǎng)8.23%和8.30%，表現(xiàn)出更好的保水效果。在整個(gè)生育期內(nèi)，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(jì)算過程中的重要環(huán)節(jié)，基于土壤質(zhì)量含水率計(jì)算大豆生育期內(nèi)不同時(shí)段土壤蓄水量，各生育時(shí)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(zhǎng)的水分環(huán)境，在芽期，大豆生長(zhǎng)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(xiàn)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(zhǎng)旺盛，土壤含水率逐漸接近T處理。在開花期～結(jié)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(jié)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(xiàn)為TP>TS>NT>T。整體來說TP處理在分枝期前和結(jié)莢后0～100 cm土壤水分狀況均優(yōu)于其他處理，但在開花～結(jié)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(guī)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(shí)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(zhǎng)提供充足的水分。作物生育期耗水量與作物生長(zhǎng)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(guān)關(guān)系。各處理大豆生育期土壤耗水量表現(xiàn)為TP>TS>NT>T，TP、TS和NT處理比T處理分別增長(zhǎng)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(zhǎng)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(chǎn)量與太陽能的積累、水、肥、氣、熱諸因素的協(xié)調(diào)及合理的農(nóng)業(yè)措施是密不可分的。不同耕作覆蓋方式對(duì)保持干旱期土壤水分、提高水分利用效率及增產(chǎn)的效果不同。表4結(jié)果表明，不同耕作覆蓋方式均能夠有效提高大豆產(chǎn)量，不同措施下大豆產(chǎn)量由高到低為TP>TS>NT>T，TP、TS、NT處理比T處理產(chǎn)量分別高出249.9、548.85、760.5 kg/hm2，以TP處理增產(chǎn)幅度最高，各處理大豆增產(chǎn)率在9.02%～27.45%之間。不同覆蓋耕作方式大豆耗水量、產(chǎn)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(chǎn)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(guān)系

大豆田土壤溫度改變會(huì)引起土壤水分變化。本研究通過對(duì)土壤水熱關(guān)系進(jìn)行擬合，發(fā)現(xiàn)土壤水溫之間并非簡(jiǎn)單的正向或反向關(guān)系。從分析的結(jié)果看(圖6)，不同耕作覆蓋處理方式通過對(duì)土壤溫度的改變明顯改善了大豆各生育期的土壤水分環(huán)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(huán)境，符合大豆生長(zhǎng)發(fā)育對(duì)環(huán)境的需求。

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

2.4 產(chǎn)量和土壤溫度的相關(guān)分析

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

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

注：*表示差異達(dá)P<0.05顯著水平。

3 結(jié) 語

在半濕潤(rùn)旱作區(qū)，有效貯存更多的土壤水分是旱作農(nóng)業(yè)作物提產(chǎn)及實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要途徑之一，傳統(tǒng)單一的耕作方式不利于土壤蓄水和作物增產(chǎn)。覆蓋種植能不同程度地增加作物對(duì)降水和土壤水的利用，促進(jìn)作物生長(zhǎng)發(fā)育，并保持較多的水分供作物生長(zhǎng)所需，是提高作物產(chǎn)量和水分利用的有效措施。

(1)李奇建[23]研究認(rèn)為覆膜可以調(diào)節(jié)土壤耕層溫度，明顯改善地溫狀況，利于玉米前期生長(zhǎng)；而王兆偉等[24]認(rèn)為秸稈覆蓋能更有效調(diào)節(jié)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(zhǎng)季內(nèi)變化波動(dòng)較小[25]。本文研究結(jié)果表明從整個(gè)生育期來看，在0～15 cm階段溫度變化趨勢(shì)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(zhǎng)所需溫度，這可能是因?yàn)樵撎幚砀苡行p少土壤水分蒸發(fā)進(jìn)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(zhǎng)供需錯(cuò)位的旱作農(nóng)業(yè)區(qū)，如何實(shí)現(xiàn)土壤水分保蓄及高效利用尤為重要。呂軍杰[26]等研究發(fā)現(xiàn)免耕或免耕秸稈覆蓋增加土壤含水率的效果優(yōu)于傳統(tǒng)耕作。本研究認(rèn)為與其他處理相比，TP處理在大豆整個(gè)生育期年內(nèi)均表現(xiàn)出不同程度地保墑抑蒸優(yōu)勢(shì)，提高水分利用效率，能夠?yàn)榇蠖股L(zhǎng)提供較好的水分條件，對(duì)提高大豆增產(chǎn)意義重大。

(3)不同覆蓋耕作處理下土壤水熱環(huán)境差異會(huì)直接影響到作物生長(zhǎng)進(jìn)程和產(chǎn)量增加。研究表明[8]免耕更有利于大豆生長(zhǎng)發(fā)育并提高產(chǎn)量；而郭志利等[27]研究結(jié)果與其相反，他們認(rèn)為地膜覆蓋對(duì)大豆增產(chǎn)作用更為有利。本文發(fā)現(xiàn)，不同耕作覆蓋方式均能夠有效提高大豆產(chǎn)量，大豆產(chǎn)量由高到低為TP>TS>NT>T，以TP處理增產(chǎn)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(fā)現(xiàn)土壤溫度差異及變化引起其內(nèi)的水分遷移與轉(zhuǎn)化，而土壤水分通過改變土壤熱特性進(jìn)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(chǎn)量基本呈現(xiàn)正相關(guān)。從各處理看，大豆的土壤溫度與產(chǎn)量相關(guān)性表現(xiàn)為TP>TS>NT>T，且TP處理下土壤溫度和產(chǎn)量表現(xiàn)為顯著相關(guān)，說明土壤溫度對(duì)產(chǎn)量有影響，且對(duì)TP處理下的產(chǎn)量影響最大。