不同耕法及秸稈還田對土壤水分運移變化的影響

李玉梅，王曉軼，王根林，王 偉，劉崢宇，孟祥海

（1.黑龍江省農業科學院 土壤肥料與環境資源研究所，黑龍江 哈爾濱150086；2.燕山大學 環境與化學工程學院，河北 秦皇島066000；3.黑龍江省農業科學院 畜牧研究所，黑龍江 哈爾濱150086；4.黑龍江省綏濱農場，黑龍江 綏濱154213；5.黑龍江省農業科學院 牡丹江分院，黑龍江 牡丹江157000）

耕作由于改變了表層土壤的結構特性，從而影響土壤水分和養分的遷移［1］。研究發現，秸稈還田的持續時間越長，對土壤理化性狀的改善作用越明顯［2-7］。土壤水分是影響作物出苗和產量的關鍵因素，李少昆等［8］研究表明，無論是傳統翻耕、秸稈粉碎后翻耕、旋耕還田還是秸稈覆蓋，水分不足都是降低作物出苗率的主要因素。不同區域、不同土壤類型，不同耕作措施對土 壤 水 分 的 影 響 不 同［4，9］。武 際 等［10-11］研 究 表明，與傳統耕翻比較，免耕提高了表層0—20 cm 土壤的含水量，小麥地0—10 cm 土層土壤容重增加1.15%～3.88%，10—20 cm 土層增加1.93%～3.08%。干旱年份，免耕覆蓋更有利于作物苗期土壤水分的保持，隨玉米生長，覆蓋度增加，耕作措施對砂土、砂質壤土、砂質黏壤土3種質地土壤含水量的影響逐漸減小，免耕覆蓋與傳統翻耕的水分含量差異逐漸變小［12］。農業措施可導致土壤性狀季節性變化的時空差異［13-14］，關于秸稈連續、全量、不同還田深度下，土壤水分隨深度運移的時空變化研究較少，尤其是針對旱地草甸土，通過秸稈還田打破犁底層，增厚耕層的研究更是鮮有報道。本研究通過田間定位試驗，從時間和空間尺度上，探討耕法與秸稈還田方式對典型旱地草甸土水分運移的影響，以期為今后生產中因地制宜制定科學合理的耕作與培肥技術提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

本研究于2016年9月至2018年10月在牡丹江市溫春鎮（44°60′N；129°58′E）碳酸鹽性草甸土上進行，土壤基礎理化指標：全氮1.12 g／kg，全磷0.55 g／kg，全鉀2.53 g／kg，堿解氮101.55 g／kg，速效磷26.50 g／kg，有 效鉀130.28 g／kg，有機質16.50 g／kg，p H 值7.93。

1.2 試驗設計

設計3種耕法：免耕、淺翻20 cm 和深翻35 cm，3種秸稈還田方式：免耕覆蓋、淺翻還田20 cm 和深翻還田35 cm。每小區面積234 m2，3次重復。玉米施純N 160.0 kg／hm2，P2O5110.0 kg／hm2，K2O 75.0 kg／hm2。秸稈還田處理為每年秋季玉米收獲后，將秸稈粉碎至長度小于10 cm，覆蓋地表或翻埋于20 cm 和35 cm 土層。免耕與免耕覆蓋在作物整個生長期間均不進行中耕等擾動土壤處理。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 樣品采集 供試玉米品種益農玉10號，在玉米生長不同時期（播期、苗期、喇叭口期、抽穗期），分層采集0—10，10—20，20—30，30—40，40—50 cm 土層土樣，測定土壤含水量，成熟期分層采集0—40 cm土樣測定土壤含水量、田間持水量和容重。

1.3.2 測定方法 土壤含水量、田間持水量、容重測定均采用環刀法。

1.3.3 數據處理 試驗數據用Excel 2013 進行處理，SPSS 19.0軟件進行單因素方差分析。

2 結果與分析

2.1 不同年份自然降水量的變化

自然降水量的變化對土壤蓄水、持水量有一定的影響。2017年、2018 年總降水量分別為561.9 mm和604.9 mm（見表1），其中，2017年1—7月總降水量為320.1 mm，5—7 月占總降水量的47.96%。2018年1—7月總降水量僅為259.6 mm，1—4月降水量為80.8mm，降水絕對變率和相對變率分別3.77 mm 和22.95%，表明該時期降水量比往年同期平均降水量略有增加，而降雨集中的5—7月僅占全年總降水量的29.55%，降水絕對和相對變率分別為－20.36 mm和－45.16%，表明該時間段較往年同期平均降水降低幅度較大。因此，2018年1—4月降水量高于2017年，而5—7月降雨量低于2017年。

表1 2017－2018年研究區自然降水量變化

2.2 不同耕法對作物生長期土壤水分變化的影響

3種耕法對0—50 cm 土層水分變化的影響均隨年份和作物生長期發生波動性變化（見圖1）。由圖1可知，除播種期外，相同耕法同一深度土層土壤含水量2018年明顯低于2017年，與年際間降水量和降水變率有一定的關系。2018 年1—4 月降水量高于2017年（見表1），而5—7月降雨量低于2017年，是導致本年度播期土壤水分含量高于2017年，而苗期至抽穗期低于2017年的主要原因。

連續免耕2 a，土壤水分變化特征曲線年際間相近，表明免耕耕法能夠代表原位土壤水分變化的基本趨勢。連續2 a淺翻和深翻對0—20 cm 土層含水量影響不大，分別為14.72%和14.81%；20—30 cm 土層，在5—7月降水相對變率分別為21.99%和－45.16%的2017年與2018年，深翻處理土壤含水量均高于ST處理，增幅分別為11.10%和6.89%，說明耕作深度的變化，對20—30 cm 土層土壤水分的影響高于其它土層。作物生長至抽穗期，隨地表覆蓋度增加，耕作措施對40 cm 以下土層土壤含水量的影響逐漸減少，3種耕法土壤含水率變化無差異，與劉連華等［12］研究一致。

圖1 作物生長期不同耕法下土壤水分的運移

2.3 不同秸稈還田方式對作物生長期土壤水分變化的影響

秸稈不同還田方式對土壤水分變化的影響趨勢與耕法基本一致，除播種期外，相同處理同一深度土層的土壤含水量2018年均低于2017年。有研究發現，免耕覆蓋對作物苗期不同質地土壤水分的保持效果，砂質壤土好于黏壤土和砂土［12］。由圖2可見，連續2 a免耕覆蓋，玉米播期、苗期和喇叭口期0—10 cm表土層水分含量增加，尤其在降雨量很少的5—6月期間（苗期和喇叭口期），免耕覆蓋＞淺翻還田＞深翻還田，平均含水量分別為16.29%，14.37%和13.45%，差異顯著。苗期至抽穗期，深翻還田增加了20—30 cm土層水分含量，土壤平均含水量為15.24%，比淺翻還田提高7.4%。該年度8 月份降雨量雖達到231.9 mm，但降雨主要集中在8月下旬，前期降雨量較少，僅占本月降雨量的38.1%，而此期又是作物需水關鍵時期，因此，導致該時間段內土壤水分總體降幅較大，0—40 cm 土層土壤平均含水量免耕覆蓋＜淺翻還田＜深翻還田，這與免耕覆蓋不動土，干旱少雨條件下土壤硬度增大，蓄水能力減弱有關［11，14］。

圖2 作物生長期不同秸稈還田方式下土壤水分的運移

2.4 不同耕法與秸稈還田方式對土壤水分變化的影響

作物成熟期相同處理同一深度土層2018年土壤含水量均低于2017年（見圖3—4）；連續免耕和免耕覆蓋對0—10 cm 和10—20 cm 土層水分影響不大，但同一土層有秸稈覆蓋處理土壤含水量高于無秸稈覆蓋處理；免耕1 a和免耕2 a的0—20 cm 土層平均含水量為21.24%和18.55%，20 cm 以下土層平均為22.81%和21.05%（見圖3）；免耕覆蓋1 a和免耕覆蓋2 a的0—20 cm 土層平均含水量為21.97%和19.11%，20 cm 以下土層為23.8%和21.58%（見圖4）。連續2 a免耕與免耕覆蓋1 a的土壤水分隨深度變化趨勢一致，隨土層深度增加（＞20 cm）呈平行增加趨勢。

秸稈不還田條件下，連續耕翻0—10 cm 表土層水分降低較明顯（見圖3），淺翻與深翻處理接近，分別為16.7%和16.34%，均低于免耕處理；0—40 cm土層平均土壤含水量深翻處理略低于淺翻，但差異不大。秸稈還田條件下，連續翻耕后0—10 cm 表土層水分含量增加（見圖4），淺翻還田與深翻還田處理比同一耕法無秸稈還田的淺翻、深翻處理分別增加了12.8%和4.5%，0—40 cm 土層深翻還田處理高于淺翻還田，差異不顯著；同一耕法有秸稈還田高于無秸稈還田處理，降水量越少，這種差異越明顯［15］。

圖3 不同耕法下土壤水分的變化特征

圖4 不同秸稈還田方式下土壤水分的變化特征

田間持水量是表征土壤保持水分能力的重要指標，不同質地、不同深度，田間持水量發生變化。連續2 a免耕后，0—20 cm 土層田間持水量減少13.62%（見圖5），淺翻與深翻處理則分別由32.13%和31.70%提高至35.77%和40.57%，增加了11.32%和27.98%，差異顯著，這與翻耕能夠不同程度打破犁底層，增強土壤的持水能力有關；20—30 cm 土層，各處理田間持水量均表現為增加趨勢，以深翻處理增加較大；連續2 a淺翻還田與深翻還田（見圖6），0—30 cm 土層田間持水量增加，平均增幅16.24%和5.08%，而連續免耕覆蓋，田間持水量減少，降幅達25.27%。

圖5 不同耕法下田間持水量的變化特征

圖6 不同秸稈還田方式下田間持水量的變化特征

2.5 不同耕法與秸稈還田方式對土壤容重的影響

由圖7可見，不同耕法0—30 cm 土層土壤容重免耕＞淺翻＞深翻；免耕不動土，土壤容重呈增加趨勢，尤以20—30 cm 土層明顯；翻耕可不同程度的降低土壤容重，以深翻10—30 cm 土層容重降低幅度較大，比免耕和淺翻分別降低31.0%和19.3%，差異顯著。秸稈還田條件下，連續2 a免耕覆蓋土壤容重增加（見圖8），平均由1.42 g／cm3增加到1.52 g／cm3，以10—20 cm 土層容重增加較大，達1.57 g／cm3，比淺翻還田和深翻還田平均增加0.29 g／cm3，差異顯著；而連續淺翻還田和深翻還田土壤容重減小，降低幅度為0.09～0.12 g／cm3。

圖7 不同耕法土壤下容重的變化特征

圖8 不同秸稈還田方式下土壤容重的變化特征

2.6 不同耕法與秸稈還田方式對作物產量的影響

不同耕作與秸稈還田方式對作物產量影響不同（見表2）。連續2 a免耕與免耕覆蓋由于土壤容重增加等結構特性的變化，玉米產量分別下降5.78%和2.69%，而翻耕與翻耕還田由于耕作深度的變化和秸稈的投入，玉米產量表現為增加，淺翻和深翻分別較上一年增加0.14%，3.32%，淺翻還田與深翻還田分別較上一年增加12.53%，12.06%，短期內淺翻還田與深翻還田差異不顯著，還有待于進一步研究。

表2 不同處理玉米產量變化 kg／hm2

3 討論與結論

農業措施對土壤理化特性的影響，受土壤質地等立地屬性及自然降水等多種因素的影響。因此，研究不同措施下土壤持水、蓄水能力的變化，需同時考慮該區域土壤類型、一定時段內自然降水量的變化等因素，綜合評價分析農業措施對土壤理化性狀改變的影響。

（1）不同耕法對土壤水分運移變化的影響。免耕作為一種保護性耕作措施，對土壤含水量和容重的影響說法不一。武際等研究認為，免耕因為土壤不進行耕作處理，土壤比較緊實，土壤體積質量偏大，所以更易導致土壤板結［11］。翻耕前期由于土壤受到耕翻作用，土壤較疏松，因而土壤容重較低［15］；也有研究認為，免耕提高了表層土壤的含水量，在干旱地區，更有利用土壤水分的保持［10］。連年翻耕或者深松作業疏松土壤的同時，增加了機具碾壓土壤的次數和強度，土壤容重降幅不明顯［16］。本研究表明，不同耕法下草甸土水分的年際間變化與降水量和降水變率有一定的關系；連續免耕，土壤水分隨深度變化曲線基本能夠代表原位土壤的水分變化特征；耕作深度的變化對20—30 cm 土層土壤水分的影響要高于其它土層，深翻土壤含水量略高于淺翻，但差異不大；隨作物生長地表覆蓋度增加，耕作措施對40 cm 以下土層水分含量的影響逐漸減少，3 種耕法土壤含水量無差異［12］。淺翻和深翻由于耕翻深度不同，增強了土壤的通氣透水能力，田間持水量增加，而免耕土壤容重隨時間有增加的趨勢。

（2）不同秸稈還田方式對土壤水分運移變化的影響。秸稈還田不僅能夠增加土壤有機質含量［17-18］，改善土壤的養分狀況［19］，提高土壤肥力，對土壤容重［2，3］、田間持水量［4］等結構特性亦有一定的影響［5］。連續20 a玉米秸稈直接還田，降低的土壤容重與增加的土壤孔隙度與秸稈還田量呈顯著正相關［6］，20—50 cm 土層土壤容重隨著秸稈還田年限增加較對照顯著下降［20］，秸稈還田的持續時間越長，對土壤理化性狀的改善作用越明顯［7］。本研究表明，同一耕法下有秸稈還田土壤水分含量高于無秸稈還田處理；免耕覆蓋由于減少了地表裸露，0—10 cm 表土層水分含量增加，尤其在降雨量很少的5—6月，但連續2 a免耕覆蓋，0—20 cm 土層田間持水量減少，10—20 cm耕層土壤容重增加，比淺翻還田和深翻還田平均增加0.29 g／cm3。

由于長期耕種，東北黑土犁底層上升、耕層變淺、土壤水養庫容降低［1］，而關于農業耕作措施下，通過翻耕打破堅硬的犁底層，同時將秸稈翻埋入深層土壤，培育深厚耕層的生產技術及機理研究較少，尤其是針對旱地草甸土的研究。因此，以維持作物產量穩定為前提，基于土壤環境及氣候的區域性差異，結合農業生產條件進行系統地實踐研究，可最大程度地發揮不同農業措施的生產、生態效應，指導建立持續發展的土壤耕作與培肥技術。