利用最小水分限制范圍評(píng)價(jià)東北黑土區(qū)免耕和壟作的土壤水分穩(wěn)定性

劉淑珍，高偉達(dá)，任圖生

利用最小水分限制范圍評(píng)價(jià)東北黑土區(qū)免耕和壟作的土壤水分穩(wěn)定性

劉淑珍，高偉達(dá)※，任圖生

（中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)土地科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，北京 100193）

為明確耕作方式對(duì)黑土土壤水分穩(wěn)定性的作用，提高黑土區(qū)雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)對(duì)氣候變化的適應(yīng)性，該研究基于黑土區(qū)長(zhǎng)期免耕定位試驗(yàn)，利用最小水分限制范圍（Least Limiting Water Range, LLWR）評(píng)價(jià)免耕（NT）和壟作（CT）管理下土壤含水率有效性及其變異特征。結(jié)果表明：1）在0～5、>5～10、>10～20和>20～40 cm 4個(gè)土層中，NT處理顯著降低了>5～10 cm的LLWR，其他3個(gè)土層LLWR差異均不顯著；2）在平水年（2014）、枯水年（2015）和豐水年（2016），NT管理下作物生育期內(nèi)0～40 cm平均土壤含水率正常率分別為48%、72%和85%，年間變異系數(shù)為0.23；CT的土壤含水率正常率分別為56%、20%和51%，年間變異系數(shù)為0.38；3）在豐水年，NT與CT的平均有效儲(chǔ)水量差值最小，NT比CT高8.95 mm；在枯水年相差最大，NT的平均有效儲(chǔ)水量比CT高13.99 mm。因此，NT管理下土壤水分更穩(wěn)定地分布在LLWR內(nèi)，在極端降雨年份（枯水年和豐水年）優(yōu)勢(shì)尤其明顯。

土壤；耕作；含水率；免耕；降雨年型；最小水分限制范圍

0 引 言

土壤水分是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及生態(tài)水文過(guò)程的關(guān)鍵要素[1]。在雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)，土壤水分主要來(lái)源于降雨，但降雨在年際與年內(nèi)分布往往存在很大變異[2]，從而影響作物產(chǎn)量的穩(wěn)定性[3]。同時(shí)，土壤水分的時(shí)間變異也會(huì)通過(guò)改變土壤通氣性和熱量條件而間接影響作物產(chǎn)量[4]。因此，土壤含水率高低及其時(shí)間變異性對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有重要影響。

耕作管理影響土壤結(jié)構(gòu)，從而改變水分入滲和土壤持水特性[5]，進(jìn)而引起土壤水分的時(shí)空分布差異[6-8]。免耕是保護(hù)性耕作的一種，關(guān)于免耕對(duì)土壤水分影響的研究已有許多。馮倩倩等[9]的研究表明，相比于傳統(tǒng)耕作，免耕能有效地增加0～20 cm土層的含水率。賀建華等[10]對(duì)8種不同輪耕模式對(duì)土壤水分影響的研究顯示，深松-免耕-深松模式下土壤水分條件最優(yōu)。由于試驗(yàn)時(shí)間較短，該研究未慮不同降雨條件下結(jié)果的差異。Wang等[11]研究了西北地區(qū)不同降雨年型下耕作方式對(duì)播種前土壤儲(chǔ)水量的影響，其表明，與傳統(tǒng)耕作相比，包含免耕的輪耕在枯水年和豐水年儲(chǔ)水量有較大提升，在正常年則差異不大。顯然，探討不同降雨年型下土壤水分的動(dòng)態(tài)變化有助于深入認(rèn)識(shí)耕作方式對(duì)土壤水分動(dòng)態(tài)的影響規(guī)律。大部分研究集中在對(duì)土壤含水率或總儲(chǔ)水量的探討，對(duì)于水分條件在生長(zhǎng)期內(nèi)動(dòng)態(tài)變化關(guān)注較少。Whalley等[12]研究了不同質(zhì)地土壤上土壤強(qiáng)度與作物產(chǎn)量之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)不論何種質(zhì)地，土壤強(qiáng)度都是限制作物產(chǎn)量的重要因素之一。Ren等[13]在華北平原的研究表明免耕管理下土壤容重及穿透阻力增加，阻礙了玉米根系的生長(zhǎng)，降低了根系干物質(zhì)量。Gao等[14]在東北黑土區(qū)上的試驗(yàn)結(jié)果表明免耕管理下容重增加，并導(dǎo)致土壤穿透阻力增加。一般情況下，土壤緊實(shí)度與土壤容重都和含水率具有負(fù)相關(guān)關(guān)系，因此，隨著含水率動(dòng)態(tài)變化，作物生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中還可能受到氧氣脅迫和土壤強(qiáng)度的影響[15]，單純通過(guò)含水率來(lái)分析耕作方式對(duì)土壤水分的影響存在一定的局限性。

土壤有效含水率可以作為評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量的一個(gè)指標(biāo)。通常認(rèn)為，田間持水量與萎蔫含水率之間水分范圍是可以被作物利用的有效水分，但該定義忽略了集約種植下土壤可能對(duì)作物產(chǎn)生的生理限制。有研究發(fā)現(xiàn)，即使土壤含水率沒(méi)有降低到萎蔫含水率，作物產(chǎn)量也會(huì)減少[16]，表明在田間持水量與萎蔫含水率之間，土壤水分的有效性并不相同。Da Silva等[17]提出了最小水分限制范圍（Least Limiting Water Range，LLWR）理論，綜合考慮了土壤有效水、通氣狀況和土壤強(qiáng)度對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育的影響。有研究表明，最小水分限制范圍與作物產(chǎn)量之間有正相關(guān)關(guān)系[18]，可以作為評(píng)價(jià)農(nóng)田管理方式對(duì)土壤質(zhì)量影響的綜合性指標(biāo)。

以雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)為主的東北黑土區(qū)是中國(guó)重要的商品糧生產(chǎn)基地。長(zhǎng)期集約化種植導(dǎo)致的黑土區(qū)土壤侵蝕和退化，黑土層逐漸變薄，土壤有機(jī)質(zhì)含量降低，結(jié)構(gòu)惡化，持水能力受到影響。近來(lái)的研究顯示，土壤水分是制約玉米產(chǎn)量的主要因素之一[19]。作為一種保護(hù)性耕作技術(shù)，免耕農(nóng)田地表有秸稈覆蓋，土壤侵蝕和地表徑流降低，土壤持水能力增加[8]。因此，在東北黑土區(qū)實(shí)施保護(hù)性耕作對(duì)保護(hù)黑土、改善土壤水分條件具有很大促進(jìn)作用。劉繼龍等[20]對(duì)東北不同耕作方式下土壤水分的研究表明，免耕秸稈覆蓋處理下土壤水分特性顯著優(yōu)于傳統(tǒng)耕作無(wú)覆蓋處理。但在東北黑土區(qū)同時(shí)考慮降雨年型以及耕作方式對(duì)土壤水分的影響的研究很少。

本文基于中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)吉林省梨樹試驗(yàn)站的長(zhǎng)期定位耕作試驗(yàn)，通過(guò)定位監(jiān)測(cè)不同降雨年型下土壤含水率動(dòng)態(tài)，并基于最小水分限制范圍評(píng)價(jià)免耕與傳統(tǒng)壟作下土壤水分的時(shí)空分布及變異特征，為黑土區(qū)雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)制定應(yīng)對(duì)氣候變化的耕作管理措施提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況與田間試驗(yàn)設(shè)計(jì)

土壤耕作長(zhǎng)期定位試驗(yàn)設(shè)在位于吉林省梨樹縣的中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)吉林梨樹試驗(yàn)站。該地屬于中溫帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，具有明顯的大陸性氣候特點(diǎn)。年平均降雨量577.2 mm，其中5-9月份降水量占全年降水量的82.2%；年平均氣溫為5.8 ℃，≥10 ℃積溫平均為3 078.5 ℃；土壤類型為黑土（Vertisols，USDA）。試驗(yàn)地土壤的質(zhì)地為粉質(zhì)黏壤土（0～20 cm土層的砂粒、粉粒和黏粒含量分別為23.89%、45.21%和30.90%）。種植作物為春玉米或大豆。

定位試驗(yàn)開始于2011年春季玉米播種前。耕作處理包括免耕（NT）和壟作（CT）。每個(gè)處理有3個(gè)重復(fù)，隨機(jī)排列，每個(gè)小區(qū)面積為31.5 m×21.6 m。NT處理不進(jìn)行土壤耕作，在作物收獲后將秸稈粉碎留在原地，殘茬高20 cm左右；CT處理使用旋耕機(jī)旋耕>10～15 cm，然后起壟，在壟上機(jī)械化播種、施肥并鎮(zhèn)壓，作物收獲后，將秸稈移出農(nóng)田。

結(jié)合田間觀測(cè)情況以及以往的經(jīng)驗(yàn)，本研究將玉米生育期劃分為播種-拔節(jié)期（5月中旬至6月下旬）、拔節(jié)-抽穗期（6月下旬至7月中旬）、抽穗-乳熟期（7月中旬至8月下旬）以及乳熟-成熟期（8月下旬至9月下旬）。由于播種日期的差異，每年各生育期的具體日期略有差異。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

1.2.1 降雨量

降雨量數(shù)據(jù)來(lái)源于實(shí)驗(yàn)站內(nèi)距試驗(yàn)地約30 m的自動(dòng)氣象站，每30 min測(cè)定1次。

1.2.2 田間土壤含水率

土壤含水率利用TDR100（Campbell Scientific Inc., Logan，UT）系統(tǒng)測(cè)定，由數(shù)據(jù)采集儀（CR3000，Campbell Scientific Inc., Logan, UT）控制，半小時(shí)自動(dòng)記錄一次數(shù)據(jù)。探頭埋設(shè)深度分別為5、10、20和40 cm。為了和最小限制水分范圍的土層相匹配，用上述4個(gè)深度的含水率分別代表0～5、>5～10、>10～20和>20～40 cm土層的含水率。

1.2.3 土樣采集及測(cè)定

樣品采集于2014年7月下旬，在玉米棵間采集原狀樣品用于測(cè)定土壤容重和水分特征曲線。將0～40 cm土壤剖面分為0～5、>5～10、>10～20和>20～40 cm 4層，在每層的中間位置利用環(huán)刀（高5 cm、直徑5 cm，100 cm3）取樣。利用保鮮膜將原狀土樣品密封，帶回實(shí)驗(yàn)室在105 ℃下烘干24 h，測(cè)定質(zhì)量并計(jì)算土壤容重。在采集容重樣品的同時(shí)，利用直徑5.4 cm、高度1 cm（22.9 cm3）的環(huán)刀采集原狀土壤樣品以測(cè)定水分特征曲線。樣品在實(shí)驗(yàn)室充分飽和48 h后，依次在基質(zhì)勢(shì)為0、?1、?2、?4、?6、?8、?10 kPa（砂箱）和?100、?300、?500、?1 500 kPa（壓力鍋）下平衡，測(cè)定質(zhì)量。最后，將樣品在105 ℃下烘干24 h，測(cè)定其質(zhì)量，并計(jì)算各基質(zhì)勢(shì)下的含水率。每個(gè)耕作處理采集3個(gè)100 cm3和3個(gè)22.9 cm3平行樣品，分別測(cè)定容重和水分特征曲線。

土壤穿透阻力采用手持式緊實(shí)度儀（Field Scout SC900, Spectrum Technologies Inc, Aurora, Colorado, USA）測(cè)定，深度為0～45 cm，每2.5 cm記錄1個(gè)讀數(shù)。每次測(cè)定時(shí)，各耕作處理重復(fù)3～4次，然后取平均值，并將0～5、>5～10、>10～20和>20～40 cm內(nèi)各深度的數(shù)據(jù)平均，做為每個(gè)土層的穿透阻力。完成土壤穿透阻力測(cè)定后，利用土鉆采集土壤樣品，基于烘干法測(cè)定質(zhì)量含水率。最后，利用容重和質(zhì)量含水率得到土壤體積含水率。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

1.3.1 降雨年型劃分

降雨年型劃分采用干旱指數(shù)法[21]。東北黑土區(qū)通常在5月上旬播種玉米，10月初收獲。由于4月份的降雨對(duì)播種期的土壤含水率有很大影響[22]，本文將4月至9月的總降雨量作為玉米生育期降雨量，并計(jì)算干旱指數(shù)DI（Drought Index）。DI小于?0.35的年份為枯水年，DI大于0.35的為豐水年；否則為平水年。

式中DI為干旱指數(shù)，為該年生長(zhǎng)季降雨量，mm；為多年平均生長(zhǎng)季降雨量，mm；為多年生長(zhǎng)季降雨量的標(biāo)準(zhǔn)差。

1.3.2 土壤有效儲(chǔ)水量

土壤有效儲(chǔ)水量利用下列公式計(jì)算得到

式中為土層有效儲(chǔ)水量，mm；d為第個(gè)土層厚度，mm；θ為第個(gè)土層的有效體積含水率，cm3/cm3。

1.3.3 最小水分限制范圍

土壤水分特征曲線用Leao等[23]建立的含水率與基質(zhì)勢(shì)、容重的關(guān)系模型擬合得到：

土壤的穿透阻力曲線用Da Silva等[24]提出的模型進(jìn)行擬合：

式中為土壤體積含水率，cm3/cm3；D為土壤容重，g/cm3；為土壤水基質(zhì)勢(shì)，kPa；PR為穿透阻力，MPa；、、、、、為方程擬合參數(shù)。

利用上述模型得到的擬合參數(shù)，進(jìn)一步計(jì)算最小水分限制范圍涉及的4個(gè)含水率：

式中FC代表田間持水率，cm3/cm3；PWP代表萎蔫含水率，cm3/cm3；PR代表穿透阻力為2MPa時(shí)的含水率，cm3/cm3；AFP代表充氣孔隙度為10%時(shí)的含水率，cm3/cm3；D為土壤密度，g/cm3。LLWR的上限為AFP與FC中的較小值，下限為PWP與PR中的較大值；上限和下限之差即為該層土壤的最小限制水分范圍。

1.3.4 含水率變異系數(shù)

土壤含水率的穩(wěn)定性通過(guò)其變異系數(shù)（CV）表征，其計(jì)算公式如下：

式中為樣本的標(biāo)準(zhǔn)差，為樣本的平均值。當(dāng)CV≤16%時(shí)為弱變異，16%

1.3.5 土壤水分正常率

本研究假設(shè)土壤含水率處于LLWR內(nèi)時(shí)為正常狀態(tài)，定義某生育期水分正常率為該生育期含水率正常天數(shù)與總天數(shù)之比。本研究中，0～5、>5～10、>10～20和>20～40 cm 4個(gè)土層的土壤水分正常率的平均值（MGM）被用來(lái)評(píng)價(jià)NT與CT處理下0～40 cm土壤的水分條件，計(jì)算公式如下：

其中GM為每個(gè)土層不同生育期內(nèi)土壤水分正常率的幾何平均數(shù)，可以用以下公式計(jì)算：

式中x為某生育期內(nèi)土壤含水率的正常率，的值為4。

本研究利用SPSS 19.0和Excel 2010對(duì)數(shù)據(jù)顯著性進(jìn)行處理與分析，采用LSD法進(jìn)行同一深度2組數(shù)據(jù)間的差異顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 玉米生育期降雨量年際與年內(nèi)變異

依據(jù)1986年至2018年4月至9月的降雨量，對(duì)2011－2018年劃分降雨年型（表1），得到1個(gè)枯水年，3個(gè)豐水年，4個(gè)平水年。本研究選取2014（平水年）、2015（枯水年）和2016（豐水年）作為代表進(jìn)行分析。

表1 2011－2018年降雨年型

圖1給出了3個(gè)年型內(nèi)玉米生育期的月降雨量分布情況。2014年是平水年，但4月份沒(méi)有降雨，5月份降雨量為188.8 mm，是多年平均降雨量的3.32倍，而7月份降雨量?jī)H為多年平均降雨量的40%，8月降雨量為多年平均的82%，降雨量的變異系數(shù)為0.50。2015年是枯水年，其中5月降水量比多年平均降水量多62%，但7月份的降雨量?jī)H為多年平均降雨量的15%，變異系數(shù)為0.46。2016年是豐水年，除了7月降水量比多年平均降雨量低16%外，各月份的降雨量都高于多年平均值，其中5月份降雨量是多年平均降雨量的3.18倍，9月降雨量是多年平均降雨量的2.54倍，降雨量的變異系數(shù)為0.20?？傮w來(lái)看，無(wú)論何種降雨年型，降雨量在生育期內(nèi)分布很不均勻。

圖1 不同降雨年型下玉米生育期內(nèi)月降雨量分布

2.2 兩種耕作方式下土壤最小水分限制范圍

表2為2種耕作下不同土層最小水分范圍。由表2看出，在0～5 cm土層，NT與CT管理下LLWR的上限均為FC，下限均為PWP，說(shuō)明該土層中對(duì)作物利用水分的限制主要來(lái)自土壤本身的持水能力。在>5～10 cm土層，NT管理下LLWR上限為AFP，下限為PR；CT管理下LLWR上限為FC，下限為PWP，說(shuō)明在該土層中，NT管理下作物更容易受到氧氣脅迫和穿透阻力脅迫，而CT管理下作物利用水分的限制來(lái)自于土壤本身的持水能力。在>10～20 cm和>20~40 cm土層，NT和CT的LLWR上限均為AFP，下限均為PR，表明在20 cm以下，作物生長(zhǎng)過(guò)程中更容易受到由于水分過(guò)多引起的氧氣脅迫，或者由于土壤較緊實(shí)導(dǎo)致的根系生長(zhǎng)限制。

在0～5、>10～20 cm以及>20～40 cm土層NT和CT的LLWR均無(wú)顯著差異（>0.05）；在>5～10 cm土層，NT和CT的LLWR分別為0.08和0.16 cm3/cm3，NT顯著小于CT (<0.05)。

表2 免耕（NT）與壟作（CT）管理下不同深度土層最小限制水分范圍

注：不同字母代表同一土層數(shù)據(jù)差異顯著（<0.05）

Note: Different letters indicate that the data are significantly different from the data in the same soil layer (<0.05).

2.3 田間水分動(dòng)態(tài)及其時(shí)間變異性

圖2展示了不同降雨年型下2種耕作處理下不同土層日平均土壤含水率動(dòng)態(tài)變化。在不同降雨年型下NT與CT土壤剖面上的水分分布具有較大的差異。進(jìn)一步，本文分析了2014－2016年玉米生長(zhǎng)季內(nèi)不同深度土層的平均含水率及其變異性情況（圖3）?？傮w上，80%的土壤含水率處在0.25～0.35 cm3/cm3區(qū)間，20%的平均土壤含水率小于0.25 cm3/cm3。其中，NT的平均含水率全部高于0.25 cm3/cm3且大部分（83%）情況下時(shí)間變異性小于0.16，處于中等變異區(qū)間的僅有17%的數(shù)據(jù)。對(duì)于CT管理，僅有33%的含水率數(shù)據(jù)處在弱變異區(qū)間，67%的數(shù)據(jù)處在中等變異區(qū)間；同時(shí)，CT中50%的平均土壤含水率小0.25 cm3/cm3，且變化范圍較大。

圖2 3種降雨年型下生育期內(nèi)免耕與壟作處理的土壤剖面體積含水率

圖3 免耕（NT）與壟作（CT）管理下3種降雨年型內(nèi)含水率的均值與時(shí)間變異性

2.4 3種降雨年型下玉米生育期水分正常率

表3給出了3個(gè)降雨年型下玉米不同生育期4個(gè)土層土壤含水率的正常率。NT管理下水分正常率出現(xiàn)低于10%的時(shí)期為2014年的播種-拔節(jié)期，主要此階段較高的降雨量，導(dǎo)致>10～20和>20～40 cm土壤含水率超過(guò)LLWR上限（AFP）。CT管理下水分正常率低于10%的頻率較多，且主要發(fā)生在>10～20和>20～40 cm土層。除了與NT處理相同的時(shí)期外，2015年枯水年，由于含水率低于LLWR的下限（PR），CT在各個(gè)生育期都出現(xiàn)了水分正常率小于10%的情況；2016豐水年，由于含水率高于LLWR上限（AFP），CT管理下>10～20 cm土層在播種-拔節(jié)期和乳熟-成熟期出現(xiàn)水分正常率低于10%。

圖4是3種降雨年型下2種耕作處理0～40 cm土壤水分的平均正常率（MGM，Mean Normal Rate）。在2014，2015和2016年，NT的MGM分別為48%、72%和85%，MGM的年際間變異系數(shù)為0.23；CT的MGM分別為56%、20%和51%，MGM的年際間變異系數(shù)為0.38，顯著高于NT。顯然，實(shí)施NT后能夠降低土壤含水率的變異，并且在不同的降雨年型下保持根層土壤水分處于相對(duì)適宜的范圍內(nèi)，其中，在枯水和豐水年，NT的MGM分別是CT的3.63和1.66倍，水分條件明顯優(yōu)于CT。

綜上所述，NT管理的水分條件在不同降雨條件下更穩(wěn)定，能夠使含水率經(jīng)常保持在適宜作物生長(zhǎng)的范圍內(nèi)，而CT管理容易在極端天氣（如干旱或多雨時(shí)期）出現(xiàn)不利于作物生長(zhǎng)的水分條件。

表3 2014至2016年免耕（NT）與壟作（CT）下玉米各生育期不同深度土壤含水率正常率

圖4 2014、2015和2016年免耕（NT）與壟作（CT）0~40 cm土層土壤含水率平均正常率（MGM）

2.5 不同降雨年型下土壤有效儲(chǔ)水量

不同降雨年型下2種耕作方式0～40 cm土層的有效儲(chǔ)水量存在顯著差異（圖5）。在2014年，NT和CT管理0～40 cm土層的有效儲(chǔ)水量分別為41.52和30.15 mm。玉米作物生育期的大部分時(shí)間內(nèi)，NT的有效儲(chǔ)水量均高于CT。另外，NT和CT有效儲(chǔ)水量的變異系數(shù)分別為0.28和0.52，NT為中等變異，而CT為強(qiáng)變異。在2015年，4月初14.4 mm降雨后的27 d里只有4次降雨，總降雨量6.6 mm。在這段時(shí)期，NT管理地表有秸稈覆蓋，蒸發(fā)量較小，導(dǎo)致其5月份的有效水儲(chǔ)量高于CT。在7月，經(jīng)歷了21 d的干旱后，NT與CT的0～40 cm土層有效水儲(chǔ)量均逐漸接近0。此后20 d內(nèi)，有效降雨量較少，對(duì)有效儲(chǔ)水量影響不大?？傮w來(lái)看，在偏旱的2015年，NT和CT在玉米生長(zhǎng)季的有效儲(chǔ)水量分別為22.33和8.34 mm，變異系數(shù)都為0.68，屬于強(qiáng)變異性。在2016年，4月份降雨多且頻率較大，導(dǎo)致NT和CT在5月的有效儲(chǔ)水量比較接近；隨著降雨補(bǔ)給的增多，CT的有效儲(chǔ)水量略低于NT。在2016年玉米生長(zhǎng)季，NT和CT有效儲(chǔ)水量的平均值分別為39.14和30.19 mm，變異系數(shù)分別為0.28和0.40，NT為中等變異，CT為強(qiáng)變異。

綜上所述，在枯水年里，NT與CT的平均有效儲(chǔ)水量相差最多，NT比CT高13.99 mm；在豐水年里NT與CT的平均有效儲(chǔ)水量相差最少，NT比CT多8.95 mm。

圖5 2014、2015和2016年免耕（NT）和壟作（CT）0～40 cm 土壤有效儲(chǔ)水量動(dòng)態(tài)變化

3 討 論

3.1 耕作方式對(duì)最小水分限制范圍的影響

作為一個(gè)評(píng)價(jià)土壤物理質(zhì)量的綜合指標(biāo)，LLWR受容重影響很大。有研究表明，容重越大，LLWR越小[25]。本研究中，NT的容重在0～10 cm土層中顯著高于CT，但只有5～10 cm土層中NT的LLWR顯著小于CT，在其他土層中，NT與CT的LLWR無(wú)顯著差異，這與Guedes等[26]的研究結(jié)果一致。Guedes等[26]的結(jié)果還顯示，在5～10 cm土層中，翻耕與免耕處理下LLWR上限均為AFP，下限均為PR。而本文NT的結(jié)果與之一致，但CT在5～10 cm土層的LLWR上限為FC，下限為PWP，這可能與耕作強(qiáng)度有關(guān)。Gra?ina等[27]研究了直接播種、耙松至8～10 cm深以及犁到20 cm深3種耕作強(qiáng)度對(duì)作物根系的生長(zhǎng)限制。結(jié)果表明，耕作強(qiáng)度較小時(shí)作物根系會(huì)受到較高穿透阻力。在本研究中，CT處理采用機(jī)械旋耕，耕作深度約15 cm，耕作強(qiáng)度較大。Maurício等[28]研究表明，土壤耕作在短期內(nèi)會(huì)帶來(lái)好處，但是長(zhǎng)期耕作會(huì)由于土壤侵蝕導(dǎo)致持水能力降低進(jìn)而使土壤退化。這可能是導(dǎo)致本研究中CT管理下5～10 cm土層上限為FC的原因。另外，免耕對(duì)土壤容重的作用依賴于實(shí)施年限，所以免耕對(duì)LLWR的作用可能會(huì)隨著時(shí)間而變化。本文中免耕始于2011年，2014年是免耕的第四年。Miwa等[29]的結(jié)果表明短期免耕后會(huì)使表層土壤顯著增加。而長(zhǎng)期實(shí)施免耕后，由于表層有機(jī)質(zhì)的累計(jì)，會(huì)使土壤容重降低[30]。

3.2 耕作處理對(duì)土壤含水率及其變異性的影響

耕作方式會(huì)影響土壤表面與大氣界面的能量和物質(zhì)交換，從而改變土壤含水率的時(shí)空分布[8]。一般地，與傳統(tǒng)耕作相比，免耕通過(guò)減少土壤擾動(dòng)降低了土壤中大孔隙比例，增加了小孔隙比例，從而提高了土壤持水性能[31]，在作物生育期保持較高的含水率[9,11]。本研究指出，在3種降雨年型下，NT管理玉米生育期0～5、>5～10、>10～20和>20～40 cm土層的平均含水率比CT管理分別增加43%、33%、13%和2%（圖2）；而且NT管理下水分更穩(wěn)定，4個(gè)土層含水率的變異系數(shù)分別比CT降低了35%、48%、51%和13%（圖3和圖5）。

LLWR表征作物生長(zhǎng)過(guò)程中受土壤含水率、氧氣濃度和穿透阻力影響最小的土壤含水率范圍。由于0～40 cm土層的水分對(duì)黑土區(qū)作物生長(zhǎng)發(fā)育具有決定性作用[32]，本研究基于LLWR指標(biāo)對(duì)3種不同降雨年型下NT和CT管理0～40 cm土層水分條件進(jìn)行了評(píng)價(jià)。張曉平等[33]指出，實(shí)施免耕使春季黑土土壤含水率顯著增加，有利于出苗和幼苗的健康生長(zhǎng)。這與本文研究結(jié)果一致，在3種降雨年型下，播種-拔節(jié)期，NT管理下土壤水分正常率均高于CT處理（表3）。從全年角度看，NT的水分正常率在枯水年和豐水年都高于CT，（圖4）。NT管理的秸稈覆蓋會(huì)對(duì)土壤中的水熱條件起緩沖作用，減緩?fù)寥乐兴终舭l(fā)的同時(shí)，減緩水分進(jìn)入土壤，同時(shí)，NT管理下土壤擾動(dòng)減少，土壤中擁有更多完整的垂直大孔隙[34]，容易形成優(yōu)先流，在降雨量較大時(shí)有利于水分下滲[30]；在CT管理下，雖然耕作增加了耕層的總孔隙度，耕作層具有較大的入滲率，但由于耕作機(jī)具對(duì)土壤的壓實(shí)導(dǎo)致其在20 cm左右的深度的孔隙度急劇降低，形成突變層[14]，不利于土壤水分向深層次入滲，導(dǎo)致降雨量集中時(shí)水分容易滯留在該土層。如在2016年，CT管理下20 cm土層土壤含水率較高（圖2），超過(guò)LLWR上限AFP的次數(shù)較多，導(dǎo)致2016年CT管理下累計(jì)水分正常率較低。

不同耕作管理下，作物生育期內(nèi)降雨量及其時(shí)間分布對(duì)土壤有效儲(chǔ)水量的動(dòng)態(tài)影響不同（圖5）。當(dāng)長(zhǎng)期干旱后發(fā)生降雨時(shí)，NT管理0～40 cm土層有效儲(chǔ)水量的增加量小于CT管理（如2015年8月8日），主要是因?yàn)槊飧砻娴慕斩捊孬@了一部分降雨。譚春薦[35]也研究了秸稈對(duì)降雨的吸收作用，只有降雨比較頻繁時(shí)，少量降雨后免耕中的增加的有效儲(chǔ)水量才會(huì)與壟作相當(dāng)?？偟膩?lái)看，由于NT管理下土壤前期有效儲(chǔ)水量較高，降雨量較少時(shí)，作物受到的水分脅迫比CT管理弱。但是，當(dāng)無(wú)降雨的天數(shù)超過(guò)一定期限后，NT管理下有效儲(chǔ)水量的優(yōu)勢(shì)也會(huì)消失。

3.3 最小水分限制范圍評(píng)價(jià)土壤水分的局限性

關(guān)于LLWR作為評(píng)價(jià)土壤水分對(duì)作物生長(zhǎng)有效性的指標(biāo)，目前仍然存在一些爭(zhēng)論。一部分研究顯示，LLWR是評(píng)價(jià)農(nóng)田管理方式對(duì)土壤結(jié)構(gòu)影響的一個(gè)有效指標(biāo)之一，并以此為標(biāo)準(zhǔn)判斷整個(gè)作物生育期內(nèi)土壤水分條件是否正常[36]。另外一部分研究者則表明，LLWR與作物的生長(zhǎng)狀況之間并沒(méi)有顯著的聯(lián)系[37]。這些差異可能與LLWR上限閾值A(chǔ)FP的選取有關(guān)。土壤向作物根系供給氧氣的能力不僅受充氣孔隙度的影響，與氣體擴(kuò)散系數(shù)也密切相關(guān)[38]。因此，不同質(zhì)地土壤產(chǎn)生氧氣脅迫時(shí)的充氣孔隙度可能不同，LLWR中以AFP（充氣孔隙度為10%時(shí)的含水率）為上限閾值具有一定的局限性。Siegellissem等[39]也指出，當(dāng)土壤充氣孔隙度小于10%時(shí)，作物也可以正常生長(zhǎng)。本研究中，在某些生育期內(nèi)，兩種耕作管理下20～40 cm土層出現(xiàn)含水率正常率為0的情況，尤其是在豐水年（2016），主要原因在于土壤含水率超過(guò)了LLWR的上限AFP。因此，在這種情況下利用LLWR指標(biāo)評(píng)價(jià)田間作物受到氧氣脅迫可能會(huì)產(chǎn)生誤判。另一方面，傳統(tǒng)耕作管理下，耕作后一定時(shí)期內(nèi)土壤容重隨著時(shí)間呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)[40]。本研究未考慮容重在生育期內(nèi)的動(dòng)態(tài)變化，在計(jì)算LLWR時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生一定的誤差。

4 結(jié) 論

本文以中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)吉林省梨樹實(shí)驗(yàn)站的長(zhǎng)期耕作定位試驗(yàn)為基礎(chǔ)，利用時(shí)域反射儀（TDR）連續(xù)原位監(jiān)測(cè)免耕與壟作管理下不同層次土壤含水率，基于最小水分限制范圍（LLWR）評(píng)價(jià)了免耕與壟作在面對(duì)不同降雨年型時(shí)土壤水分狀況的表現(xiàn)。主要結(jié)論如下：

1）在0～40 cm土壤剖面內(nèi)，與壟作相比，盡管免耕顯著增加0～5和>5～10 cm土層土壤容重，但只有>5～10 cm土層的LLWR顯著減小。

2）在3種降雨年型下，免耕管理下不同土層平均土壤含水率高于壟作管理。另外，兩種耕作處理在平水年的平均水分正常率差異不大，但在枯水和豐水年，免耕的平均水分正常率分別是壟作的3.63和1.66倍，水分條件明顯優(yōu)于壟作。同時(shí)，免耕管理平均水分正常率的變異系數(shù)為0.23，而壟作平均水分正常率變異系數(shù)為0.38。

因此，從年際尺度講，當(dāng)經(jīng)歷不同降雨年型時(shí)，免耕管理下土壤水分變異性更小；在極端降雨頻率增加時(shí)，在黑土區(qū)采用免耕管理方式可以為作物生長(zhǎng)提供良好的水分條件。

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Evaluating the stability of black soil water content in Northeast China under no tillage and ridge tillage using least limiting water range

Liu Shuzhen, Gao Weida※, Ren Tusheng

(,100193,)

An optimal range of water content in soil plays an important role in the whole season of crop growth, in order to obtain stable yields in rainfed agricultural region. This study aims to investigate the temporal stability of soil water content in black soil under the no tillage (NT) and ridge tillage (CT) modes subjected to different rainfall conditions in Northeast China. The long-term tillage experiment was conducted in 2011 at Jilin Lishu Experimental Station of China Agricultural University. The time domain reflectometer (TDR) probes were installed in the soil depth of 5, 10 20 and 40 cm under NT and CT treatments to monitor the volume dynamics of soil water content. Least Limiting Water Range (LLWR) that calculated from the curves of soil water retention and penetration resistance was used as an indicator to evaluate the temporal variability and the availability of soil water content under three rainfall-type years, including normal year (2014), dry year (2015), and wet year (2016). Moreover, the available water storage of 0-40 cm soil layer was also calculated in two tillage treatments. The normal rate of soil water content was defined as the ratio of the cumulative number of days to the total number of days in each period of corn growth stages, where the soil water content was within LLWR. The mean of geometric means (MGMs) for four stages of corn growth can be calculated to evaluate the normal rate of soil water content during the whole crop growth season. The results indicated that: 1) The values of LLWR ranged from 0.05 to 0.19 cm3/cm3in both tillage treatment. In the 5-10 cm soil layer, the LLWR in NT treatment was significantly smaller than that in CT treatment. There was no significant difference observed in the soil layers of 0-5, 10-20 and 20-40 cm in two tillage treatment. 2) Lower normal rate of soil water content occurred mainly in the 10-40 cm soil layer under both tillage treatments. During the whole growth season, the MGMs of 0-40 cm profile under NT treatment were 48%, 72% and 85% in normal, dry and wet year, respectively, with the coefficient of variance (CV) of 0.23. In CT treatment, the MGMs were 56%, 20% and 51% in normal, dry, and wet year, respectively, with the CV of 0.38. 3) Higher mean available water storage can be obtained in the soil layer of 0-40 cm after NT treatment than that of CT. In the 0-40 cm layer, the difference in available soil water storage between NT and CT was minimum in 2016 (wet year), where that of NT was 8.95 mm higher than that of CT. The maximum difference occurred in 2015 (dry year), where that of NT was 13.99 mm higher than that of CT. The soil water content under NT treatment was more stable within the LLWR than that under CT treatment, especially in the extreme weather conditions, such as dry and wet year. It infers that there is a relatively low risk of water limitation condition for the crops under NT treatment in the black soil in Northeast China, when climate change in future. This finding can provide a field management strategy to obtain a stable crop production in Northeast China.

soils; tillage; water content; no-tillage; rainfall type; least limiting water range

劉淑珍，高偉達(dá)，任圖生. 利用最小水分限制范圍評(píng)價(jià)東北黑土區(qū)免耕和壟作的土壤水分穩(wěn)定性[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2020，36(10)：107-115.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.10.013 http://www.tcsae.org

Liu Shuzhen, Gao Weida, Ren Tusheng. Evaluating the stability of black soil water content in Northeast China under no tillage and ridge tillage using least limiting water range[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(10): 107-115. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.10.013 http://www.tcsae.org

2020-01-09

2020-03-28

國(guó)家自然科學(xué)基金（41701244）；國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目子課題：松嫩平原區(qū)基于合理耕層構(gòu)造的全程機(jī)械化保護(hù)性耕作技術(shù)體系（2016YFD0300804-3）

劉淑珍，主要從事農(nóng)田土壤水分方面研究。Email: lsz@cau.edu.cn

高偉達(dá)，博士，副教授，博士生導(dǎo)師，主要從事土壤物理方面研究。Email：weida_gao@cau.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.10.013

S152.7

A

1002-6819(2020)-10-0107-09