玉米在不同覆蓋方式處理下的土壤水溫差異

王麗學+李振鵬+劉四平+杜俊鵬

摘要： 通過傳統耕作、生物炭翻耕覆蓋、地膜免耕覆蓋、地膜翻耕覆蓋、留茬覆蓋和條帶覆蓋6種處理方式，分析玉米在不同覆蓋方式處理下的土壤水溫差異。結果顯示：地膜覆蓋、秸稈覆蓋和生物炭處理均可提高土壤含水率，地膜覆蓋對淺層土壤含水率影響明顯，翻耕通過影響入滲率能有效增加深層土壤含水率。棵間蒸發量苗期大于拔節期，傳統耕作的蒸發量最大；隨著氣候的變化和植株的不斷生長，苗期的不同處理影響因子對棵間蒸發量差異性的影響在減弱。地膜覆蓋可通過提高地溫明顯縮短出苗期，秸稈覆蓋可有效調節地溫，生物炭處理在苗期和拔節期對地溫的影響和傳統相比略有差異；隨著土壤深度的增加，不同處理下地溫都呈下降趨勢，且降幅逐漸減小。

關鍵詞： 覆蓋；地膜；秸稈；生物炭；土壤含水率；地溫；棵間蒸發

中圖分類號： S365；S513.04 文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2016）03-0082-03

農田覆蓋通過影響太陽光能對地表的直接輻射以及土壤和大氣之間的水、氣、熱交換，直接影響著土壤的水、氣、熱狀況，進而影響著土壤的生物活性和土壤有機質的分解[1-3]。秸稈覆蓋作為一種強化土壤有機質積累、調節土壤溫度和水分的農藝措施已被廣泛應用[4]。地膜在提高土壤溫度，保持土壤濕度，調節作物生長季節，提高產量等方面同樣有積極作用[5]。研究還發現，生物炭分子表面積大，具有空隙結構，能蓄水保墑，并能提高土壤化學（如養分保持、養分穩定性等）、土壤物理（如體積質量、田間持水量、滲透性）和生物特性[6]。這3種不同的覆蓋方式在一定耕作條件下均有利于作物生長，關于不同覆蓋方式對土壤水溫的影響機理及隨玉米不同生長期產生的差別，前人的研究很少將三者放在一起做橫向分析。本研究通過試驗主要分析遼沈地區玉米在不同覆蓋方式處理下的土壤水溫差異，以期為東北旱地農業玉米生長所需水溫條件的研究提供相應的理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

本試驗于2014—2015年在沈陽農業大學水利學院的綜合試驗基地進行。該試驗基地位于遼寧省沈陽市沈河區 （41°44′N，123°27′E），平均海拔44.7 m，屬旱作農業區。農業用水以天然降水為主要來源，年降水量400～500 mm，降水主要集中在7、8、9月。該區土壤主要為草甸土，平均土壤容重為1.37 g/cm3。年平均氣溫為8 ℃，全年無霜期160～185 d。

1.2 試驗材料與試驗設計

供試作物為玉米沈禾118，2015年5月3日開始播種。每試驗小區面積2 m×3 m，行株距0.5 m×0.4 m，播種32株。本試驗設6個處理：傳統耕作、生物炭翻耕覆蓋、地膜免耕覆蓋、地膜翻耕覆蓋、留茬覆蓋、條帶覆蓋，每個處理設3次重復，詳見表1。

1.3 測定方法

采用TDR（時域反射儀）測定0～60 cm土層土壤含水率，每10 cm為1層，每5 d測定1次；每日09：00用感量為 0.1 g 的電子秤稱量自制蒸發器（內筒為高15 cm，直徑 10 cm 的鍍鋅鐵皮制成，外筒緊裹內筒且不做筒底，內筒筒底留有縫隙）質量來測棵間蒸發量；把直角地溫計插進5、10、15、20、25 cm 深的土壤中，每日10：00讀取各組地溫計的度數。

2 結果與分析

2.1 不同覆蓋方式對土壤水分的影響

土壤含水量不僅受降雨入滲、大氣濕度、光照度、地表徑流等多種自然因素的影響，還受覆蓋物、覆蓋量、耕作方式等人為因素的影響，后者可直接導致土壤對降水入滲和存蓄以及作物對水分的吸收效率發生改變。由表2可見，玉米苗期土壤含水率隨著土壤深度的增加呈整體增加趨勢，表現為PFT>PFZT>LZST>SZT>BCT>TF，其中0～30 cm土層含水率增幅較大，均在8.47%以上，TF處理10～20 cm增幅最高為 11.55%，40～60 cm增幅則相對較為緩慢，基本維持在0.5%～5.01%，這是由于在土壤淺層，大氣流動、水分循環等較為劇烈，表層蒸發量越大土壤水分增幅越大，這與盧彩云等的研究結果[7]一致。苗期土壤含水量主要受降雨量、蒸發量、根系吸收量等綜合影響，在降雨量一致的條件下，蒸發量的不同直接導致了含水量的差異。PFT、PFZT、LZST、SZT較TF在10 cm、20 cm土層土壤含水率分別提高11.63%、1071%、8.30%、6.00%和10.84%、10.33%、7.10%、508%，平均土壤含水率分別提高10.77%、7.12%、6.08%、4.70%，這主要是由于覆蓋能減少蒸發量。對于PFT和PFZT，由于地膜的不透性，直接阻礙了大氣流動，有效降低了蒸發量，這與杜社妮等的研究結果[8]一致。LZST和SZT雖然也有一定效果，但是不及PFT和PFZT。由于BCT當中含有大量的細小炭顆粒，降雨入滲過程中能有效存儲一部分水分，因此蓄水效果要優于TF，但是翻耕疏松了土層，擴大了土壤間的空隙，加大了蒸發速率，在土壤淺層較LSZT和SZT而言效果不佳。BCT較PFZT和LSZT而言，在0～40 cm土層含水率差值呈“增大—減小”趨勢，直至60 cm土層含水率BCT已經優于PFZT和LSZT，這主要是由于細小炭顆粒能有效延遲入滲時間，翻耕增大了土壤孔隙度，兩者并用使得深層土壤含水率前者高于后兩者。LSZT土壤含水率整體大于SZT，這主要是由于留茬保持了土壤原有的結構，有效降低了蒸發，結合秸稈覆蓋在不同程度上能截留部分水分。PFT優于PFZT，不同土層土壤含水率差值整體呈增大趨勢，10～60 cm分別為022、0.14、0.61、1.01、1.63、2.90百分點，表明翻耕增大了入滲率。

2.2 不同覆蓋方式下玉米苗期和拔節期棵間蒸發的比較分析

通過對玉米苗期和拔節期蒸發器的稱質量，直接測得日蒸發量，將數據采取加權平均方法處理，結果見圖1。

顯然，各個處理下蒸發量苗期均高于拔節期。受氣候的影響，降雨不斷增多，溫度雖有升高，但強烈光照不足，且隨著植株的生長，葉面積不斷擴大，同時阻擋了一部分陽光照射，棵間蒸發量為TF>BCT>SZT>LSZT>PFT>PFZT，TF始終最高，BCT、SZT、LSZT次之，PFT、PFZT最低。疏松土壤不利于土壤淺層水分的保持，從BCT>SZT>LSZT可看出。秸稈覆蓋能避免一部分陽光照射，降雨后能蓄存少量水分，在一定程度上減少了棵間蒸發量；由于LSZT留茬較好地保持了土壤的結構，在秸稈覆蓋量相等的條件下對比SZT棵間蒸發量略低。PFT和PFZT的地膜覆蓋雖然能使地溫升高，但是降低了地表通透性，有效降低了大氣的流通，因此降低了棵間蒸發量。對比TF，苗期和拔節期BCT、SZT、LSZT、PFT、PFZT分別降低了3.72%、7.02%、7.85%、9.50%、11.98%和3.65%、6.77%、8.33%、11.98%、15.10%，較耕作方式而言，不同覆蓋物對棵間蒸發量的影響更大，其中地膜比較明顯。進入拔節期，TF、BCT、SZT、LSZT、PFT、PFZT棵間蒸發量對比苗期均有所下降，降幅分別為20.66%、20.60%、20.44%、21.08%、22.83%、23.47%，其中在苗期對棵間蒸發量影響較大的PFT、PFZT處理降幅最大，說明隨著氣候的變化和植株的不斷生長，苗期的不同處理影響因子對棵間蒸發量差異性的影響在減弱。

2.3 不同覆蓋方式對地溫的影響

區域溫度很難人工控制，但通過覆蓋、秸稈還田等方式可以改變農田微生境的地溫，從而影響作物生長[9]。從玉米苗期開始至拔節期結束，地溫變化如圖2所示，PFT、PFZT溫度明顯高于其他處理，對比TF，苗期和拔節期溫度分別高出 4.6～6.5 ℃ 和1.3～4.2 ℃，這是由于地膜能截留太陽直射的部分熱量，使得地表溫度顯著升高；隨著植株進入拔節期，葉面積不斷擴大，影響逐漸降低。相反，在高溫下，LSZT、SZT溫度均低于TF，這是因為秸稈覆蓋在地表，可以遮擋一部分陽光并吸收一些熱量，對比TF，苗期和拔節期溫度分別低0.7～1.8 ℃ 和1.5～3.2 ℃，這是因為隨著秸稈的不斷腐化，秸稈與地表的空隙越來越小，遮光能力越來越強，這與李成軍等的研究結果[10]一致。BCT較TF在苗期略高且拔節期略低，上下浮動在0.3～0.9 ℃，這是由于將生物炭拌到土壤中，增大了土壤孔隙率，苗期太陽直射地表而溫度升高；當植株進入拔節期，由于生物炭的表面積和總孔隙體積較大，可以吸收部分熱量，使得溫度又略低于TF。從玉米苗期開始至拔節期結束，LSZT、SZT曲線顯示了較好的平滑度，說明秸稈覆蓋可以有效調節地溫。

由圖3可知，各個處理隨著土壤深度的增加地溫都呈下降趨勢，且降幅逐漸減小。5～10 cm均達到最大，BCT降幅最大可達21.67%，20～25 cm降幅均最小，TF降幅最低為 3.60%，說明不同的覆蓋方式對0～15 cm地溫的影響較大。PFT、PTZT在0～25 cm地溫均高于TF，隨著土壤深度的增加增幅分別為7.34、7.34、4.17、3.00、2.83 ℃和 6.67、7.84、567、5.67、4.83 ℃，增幅整體呈下降趨勢，因此地膜覆蓋對于地溫的影響隨著土壤深度的增加逐漸減弱。BCT同TF相比沒有PFT、PFZT增溫明顯，說明生物炭對地溫的影響沒有地膜覆蓋明顯。BCT在0～15 cm地溫均高于TF，這是由于翻耕增大了土壤孔隙率，導致吸收更多的熱量，而LSZT、SZT對比TF偏低，這是由于秸稈覆蓋遮擋和吸收了部分熱量。

3 結論

玉米苗期不同覆蓋方式對土壤含水率影響較大，地膜覆蓋可顯著提高地溫和淺層土壤含水率。翻耕增大了土壤間隙，天氣干燥時不利于表層土壤水分的保持，但對降雨的入滲有利，生物炭處理的土壤含水率與秸稈覆蓋相差不明顯。隨著玉米進入拔節期，植株的葉面積在增大，不同處理對地溫及棵間蒸發的影響減弱，這主要是氣候和太陽直射影響發生了變化。

參考文獻：

[1]周凌云，周劉宗，徐夢雄. 農田秸稈覆蓋節水效應研究[J]. 生態農業研究，1996（3）：51-54.

[2]王有寧，王榮堂，董秀榮. 地膜覆蓋作物農田光溫效應研究[J]. 中國生態農業學報，2004，12（3）：134-136.

[3]陳素英，張喜英，劉孟雨. 玉米秸稈覆蓋麥田下的土壤溫度和土壤水分動態規律[J]. 中國農業氣象，2002，23（4）：34-37.

[4]李洪勛，吳伯志. 地膜和秸稈覆蓋對夏玉米的調溫保墑效應[J]. 玉米科學，2006，14（3）：96-98.

[5]李洪勛，吳伯志. 地膜覆蓋對玉米生理效應研究[J]. 耕作與栽培，2003（6）：46-48.

[6]黃 劍. 生物炭對土壤微生物量及土壤酶的影響研究[D]. 北京：中國農業科學院，2012.

[7]盧彩云，王慶杰，何 進，等. 炭化秸稈覆蓋用于保護性耕作的試驗研究[J]. 農業工程學報，2012，28（增刊1）：238-243.

[8]杜社妮，白崗栓. 玉米地膜覆蓋的土壤環境效應[J]. 干旱地區農業研究，2007，25（5）：56-59.

[9]陳玉章. 不同覆蓋和秸稈還田方式對旱作小麥土壤溫度的影響[D]. 蘭州：甘肅農業大學，2013.

[10]李成軍，吳宏亮，康建宏，等. 玉米保護性耕作措施水溫效應及其產量效果分析[J]. 玉米科學，2010，18（3）：129-133，139.