秸稈覆蓋對土壤水熱效應及水分利用效率的影響

孔凡丹 周利軍 鄭麗穎 張作合 楊則已 鄭美玉 吳 娟

（綏化學院農業與水利工程學院 黑龍江綏化 152061）

我國對于秸稈覆蓋的研究始于20世紀70年代初[1]，主要研究秸稈覆蓋對土壤水熱[2]、作物產量[3，4]及植被生長[5，6]等方面的影響。在農業生產中，土壤水熱是決定植物生長發育的重要條件。有研究表明，秸稈覆蓋處理可提高土壤貯水量，增加土壤墑情[7]，提高作物產量[8]。劉繼龍等[9]通過分析不同秸稈覆蓋量以及耕作方式對不同深度土層土壤孔隙度、土壤持水性、土壤供水能力以及土壤水分有效性的影響，揭示了黑土區秸稈覆蓋、耕作方式對土壤水分特性的影響機制。王蓉等[10]探究了膜下秸稈覆蓋的日光溫室黃瓜根際土壤水熱特征及增產機制，結果表明：膜下秸稈覆蓋可提高黃瓜全生育期0～30cm土壤蓄水量。范重秀等[11]以黨參為試材，采用雙因素隨機區組方法，研究了秸稈覆蓋量和覆蓋時間對土壤水熱狀況及黨參產量的影響，結果表明：秸稈覆蓋顯著提高黨參生長后期0～20cm 土層的土壤含水量，秸稈覆蓋對黨參具有顯著的降溫保墑和增產作用。

黑龍江省是我國重要的糧食生產基地，其農業用地土壤水分的補給主要依賴自然降雨，由于缺乏適宜的耕作方式，使得降雨徑流損失較大，采用秸稈覆蓋可有效提高秸稈利用率，增加雨水利用效率，保護生態環境，為黑土區農業生產提供有力的支撐。因此，本研究以黑龍江省典型黑土區為研究區，應用玉米秸稈進行覆蓋，主要研究秸稈覆蓋對土壤水熱及水分利用效率的影響，旨在改善黑土區土壤特性，提高水分利用效率，達到作物增產的目的。

一、材料與方法

（一）研究區概況。試驗于2021年5～10月在黑龍江省綏化市北林區（46°41′N、126°58′E）進行，該區域位于綏化市中部地區，屬于溫帶大陸性氣候，冬季寒冷漫長，春秋季節短且多風，降雨分布不均，多集中在7、8月份，屬雨熱同季，年平均氣溫約為2.4℃，年積溫約為2566℃，日照時數約為2766h，無霜期約129d左右，降水量547mm，研究區概況如圖1所示。

圖1 研究區示意圖

(二)試驗材料。玉米秸稈為上一年秋收后收獲，于次年春耕前粉碎至3～5cm碎段，播種前均勻拌入土中。供試土壤為黑土，堿解氮含量147.26mg/kg，速效磷含量25.02mg/kg，速效鉀含量157.23mg/kg，土壤pH為6.30。試驗用大豆品種為墾豐16，種子由黑龍江省農墾科學院作物所選育，該品種高產、穩產，既適宜壟作，又適宜密植，種植密度為30萬株/hm2。

(三)試驗設計。試驗場地地勢平坦，劃分12塊5m×5m的區域，行距為0.5m，株距為0.3m，共設4個處理，分別為：秸稈深耕覆蓋(SG)；秸稈淺耕覆蓋(QG)；秸稈留茬覆蓋(LC)和無秸稈覆蓋(CK)，試驗采用單因素隨機區組設計，每種處理3個重復，前茬作物為玉米，收獲后秸稈粉碎均勻鋪設，2021年5月10日與底肥一起播施，田間管理與當地農戶管理一致，10 月6 日收獲。試驗各處理詳見表1。

表1 試驗處理

（四）樣品采集與測定。土壤溫度及含水率采用TDR時域反射儀進行測定，分別在各處理地塊埋設TDR 時域反射儀一臺，每10cm深度測定一組溫度及含水率，最大深度為100cm，每小時自動收集數據。用感量為0.1g 的電子天平稱取百粒重。每個試驗小區選取三個重復，計算其平均值。

（五）計算方法及數據分析。作物耗水量是指作物在生長的過程中棵間蒸發量與作物蒸騰量之和。由于作物耗水量很難直接測定，因此大豆耗水量采用農田水分平衡方程進行計算，計算方法如下：

式中：ET—大豆生育期內的耗水量，mm；Wr—隨計劃濕潤層增加而增加的水量，mm；P0—有效降雨量，mm；K—地下水補給量（K=0），mm；M—時段t內的灌水量，為0，mm；Wt-0—時段初和任一時段土壤計劃濕潤層內的儲水量，mm。

水分利用效率受產量和生育期內耗水量的影響，水分利用效率計算方法如下：

式中：WUE—水分利用效率，kg/m3；Y—大豆產量，kg/hm2。

應用ArcGIS10.2 進行研究區示意圖繪制，Microsoft office Excel2010進行數據處理，Origin2022和sufer11軟件進行數據繪圖，SPSS Statistics22.0軟件對相關數據進行方差分析，采用最小顯著差異法(Least significant difference method，LSD)進行顯著性檢驗（P＜0.05）。

二、結果與分析

（一）秸稈覆蓋對土壤水分的影響。土壤含水率的變化主要受氣候、作物生長狀況、覆蓋物及覆蓋方式的影響。2021年大豆生育期0～30cm土層含水率變化如圖2所示。0～30cm土層土壤含水率在大豆苗期至開花期以LC 處理效果最好，土壤含水率較其他三種處理隨外界溫度變化較小，說明秸稈留茬覆蓋可有效阻止水分散失，有利于提高土壤含水量。在大豆開花至成熟期前后，SG 及QG 處理土壤含水率較大，其中10～20cm 土層含水率最大值為QG處理，20～30cm土層含水率最大值為SG處理。由圖2可以看出，各處理0～30cm土層含水率0～10cm處的土壤含水率差異較大，大豆生育前期秸稈留茬覆蓋含水率明顯高于其他處理；在10～20cm 差異逐漸縮小，各處理間差異不顯著，20～30cm 土層差異變大，說明不同秸稈覆蓋方式對表層土壤含水率影響較大，較CK處理均有利于土壤含水率的提高。

圖2 大豆生育期內0～30cm土壤水分變化圖

(二)秸稈覆蓋對土壤溫度的影響。2021 年大豆生育期0～30cm土層溫度變化如圖3所示。LC處理在苗期土壤0～10 cm溫度上升較慢，土壤溫度隨外界溫度變化較小，而在成熟期前后，由于秸稈在土壤表層，土壤溫度下降也相對較慢，10～20cm及20～30cm土層隨著外界溫度變化較??；QG處理土壤0～10cm土層溫度隨外界溫度變化較快，并能很快將表層吸收的熱量傳至10～20cm土層；SG處理10～20cm土層吸收熱量后，土壤保持溫度的時間較長；SG及QG處理在大豆成熟期后隨著土壤溫度的降低降幅較小，這說明秸稈具有一定的阻礙熱量傳遞的作用。

圖3 大豆生育期內0～30cm土壤溫度變化圖

（三）秸稈覆蓋對耗水量的影響。大豆生育期內的耗水量變化如圖4所示。由圖4看出，大豆在苗期的耗水量最低，此時作物較小，對水分需求較少，再者氣溫較低，致使棵間蒸發量和植株蒸騰量都很少。開花期以后，作物增長加快，大豆耗水量亦有所增長。進入結莢期后，作物主要以營養生長為主，此期會消耗掉大量的水分，因此，結莢期和鼓粒期大豆耗水量逐漸增大。成熟期后大豆各器官生長緩慢，葉片逐漸脫落至地表，使得棵間蒸發量和植株蒸騰量減少，因此耗水量很小。

圖4 大豆生育期耗水量變化圖

不同秸稈覆蓋方式對大豆生育期耗水量的影響不同，整體上大豆耗水量由大到小為：SG＞CK＞QG＞LC。在苗期各處理間的耗水量差異較小，開花期至鼓粒期，各處理耗水量顯著差異，SG處理與LC處理之間耗水量差距最大，達到了46.41mm。SG、QG、LC和CK在開花期至鼓粒期的耗水量分別占整個生育期的77..17%、77.25%、77.16%和78.01%，可見，開花至鼓粒期是水分消耗的關鍵期?？偟膩碚f，LC處理對于減少生育期內的耗水量效果最好，SG處理效果最差。

（四）秸稈覆蓋對水分利用效率的影響。不同秸稈覆蓋對大豆水分利用效率的影響見表2。由表2 可知，不同秸稈覆蓋措施對大豆水分利用效率由高到低為：LC＞QG＞SG＞CK。SG與QG 處理間的水分利用效率差異不顯著，SG 處理產量高，但其耗水量最大；CK 處理不僅耗水量大，產量還很低，致使水分利用效率最小。LC處理水分利用效率最高，且耗水量最低，產量與QG處理差異不顯著，說明LC處理在一定的程度上可以減小因水分蒸發所造成的消耗，同時保證作物產量。

表2 不同秸稈覆蓋對大豆水分利用效率的影響

三、結語

（一）土壤含水率在大豆苗期至開花期以秸稈留茬覆蓋處理效果最好，說明秸稈留茬覆蓋可有效阻止水分散失，有利于提高土壤含水量；在大豆開花至成熟期前后，深耕秸稈覆蓋和淺耕秸稈覆蓋處理土壤含水率較大，說明秸稈覆蓋在一定程度上更有利于土壤含水率的提高。秸稈覆蓋在大豆生育初期土壤溫度上升較慢，土壤溫度隨外界溫度變化較小，而在成熟期前后，土壤溫度下降也相對較慢，說明秸稈具有一定的阻礙熱量傳遞的作用。

（二）大豆生育期作物耗水量呈先升高后降低的趨勢。不同秸稈覆蓋方式對大豆生育期耗水量的影響不同，秸稈留茬處理可有效減少生育期內的作物耗水量。秸稈留茬處理水分利用效率最高，且耗水量最低，產量與淺耕秸稈覆蓋處理差異不顯著，說明秸稈留茬處理在一定的程度上可以減小因水分蒸發所造成的消耗，同時保證作物產量。