麦收后不同耕作模式对土壤水分的影响

刘 飞， 赵圆峰， 胡子豪， 郭建文， 何亚男， 张晓红

(山西师范大学现代文理学院，山西临汾 041000)



麦收后不同耕作模式对土壤水分的影响

刘 飞， 赵圆峰， 胡子豪， 郭建文， 何亚男， 张晓红*

(山西师范大学现代文理学院，山西临汾 041000)

[目的]研究麦收后不同耕作制度和田间管理方式对农田土壤水分的影响。[方法]运用比较法，研究了麦收后小麦高茬旋耕还田模式、高茬粉碎秸秆覆盖模式和高茬粉碎秸秆后播种夏玉米模式3种处理对小麦秋播墒情的影响。通过烘干法，测定3种模式下农田土壤含水量、储水量、耗水量。[结果]3种模式的土壤含水量随土壤深度的增加呈下降趋势，且小麦高茬旋耕还田模式的土壤含水量高于高茬粉碎秸秆覆盖模式和高茬粉碎秸秆后播种夏玉米模式，高茬粉碎秸秆覆盖模式略高于高茬粉碎秸秆后播种夏玉米模式；小麦高茬旋耕还田模式1 m深土壤储水量大于高茬粉碎秸秆覆盖模式和高茬粉碎秸秆后播种夏玉米模式，而高茬粉碎秸秆覆盖模式的土壤储水量大于高茬粉碎秸秆后播种夏玉米模式；3个模式的耗水量均随着土壤深度的增加而增大。[结论]土壤深度为1 m的土壤含水量从大到小依次为小麦高茬旋耕还田模式、高茬粉碎秸秆覆盖模式、高茬粉碎秸秆后播种夏玉米模式。

麦收；麦茬；土壤含水量；土壤储水量；耗水量

山西高原处于半干旱气候区，降水总量少，降水季节变率大，旱灾频繁，干旱成为影响该地区农业发展最大的限制因子[1]。因此，科学合理地利用土壤水资源并制订出针对性的管理方式尤为重要。临汾市尧都区处于山西高原五大盆地之一的临汾盆地内，为一年两熟制地区[2]。该区农业生产方式主要是冬小麦-夏玉米和冬小麦-休闲两种方式，即在6月中上旬冬小麦收割后，或者紧接着播种夏玉米，或者实行土地休闲，到9月底10月初播种下一茬冬小麦。从近10年临汾市的降水情况来看，麦收后到下一茬小麦播种前4个月是降水比较集中的时期，占全年降水量的70%以上，是土壤水分蓄积的关键时期，在此期间土壤水分的蓄积情况对下一茬小麦的播种、出苗乃至越冬生长起着重要作用。

不同耕作制度和田间管理方式对农田土壤水分有不同影响和要求。近年来,以免耕播种结合秸秆还田为主的保护性耕作措施在北方麦田普遍实施[3]，临汾地区农机局经过试验总结推出了4 种处理小麦高茬的模式[4]。笔者研究了麦收后不同处理方式对土壤水分的影响，以期为小麦生产水分利用与管理提供科学依据。

1　材料与方法

1.1试验地概况试验区位于山西省南部临汾市尧都区东杜村，地处111°34′ E，35°55′ N，海拔484 m，无霜期203 d，平均年降水量550 mm，年平均气温9～13 ℃，土壤类型为褐土，在农业生产特性方面表现为土层深厚，质地适宜，酸碱适中[5]。该试验选取东杜村相邻相接的具有代表性的3块样地，其面积、土壤表层质地无明显差异，只有农民对麦茬的处理方式不同。

1.2试验设计共设3个处理。小麦高茬旋耕还田模式(处理①)：麦收之后，不对麦秸做任何处理，到下一茬冬小麦播种时用旋耕机将其粉碎还田，直接施肥播种。高茬粉碎秸秆覆盖模式(处理②)：先用秸秆还田机将小麦高茬直接粉碎覆盖在田中，然后用深松机进行深松，到小麦播种时再用硬茬播种机直接播种。高茬粉碎秸秆后播种夏玉米模式(处理③)：在高茬粉碎秸秆覆盖模式的基础上直播夏玉米，玉米在9月底采用机械收割，秸秆粉碎还田。

1.3样品采集采用传统土钻方式取土样，分别于6月上旬麦收后(CK)和10月初下茬冬小麦播种前在3块农田取样，各点取土深度为100 cm，以每10 cm为1个层次采集土样装入铝盒。

1.4测定项目与方法将采集的土样用0.000 1精度天平称取土样重量，在105 ℃烘箱内将土样烘24 h至恒重，然后称取烘干土样及空铝盒的重量。根据测定数据计算以下指标：

土壤质量含水量=(烘干前铝盒及土样质量-烘干后铝盒及土样质量)/(烘干后铝盒及土样质量-烘干后空铝盒质量)×100%。

Dw=∑θv·h

θv=θm·ρ

式中，Dw为土壤储水量；θv为容积含水量，%；h为土层厚度，cm；θm为质量含水量，%；ρ为土壤容重。

2　结果与分析

2.1不同耕作模式下土壤水分的剖面特征从图1可以看出，3种模式的土壤含水量除底层外，随深度的加深，均呈现波动下降趋势，而CK呈现相反趋势，随土层深度的加深，土壤含水量先减少后逐渐增加，30 cm以下土壤含水量远大于3种处理模式。这说明6月麦收后土壤深层含水量较丰富，经过1个夏玉米生长季之后，在10月初下茬冬小麦播种前，3种处理模式下土壤水分均有不同程度的损耗，主要是由于试验验期间降水稀少，只有近10年平均值的40%，收不抵支。从整体剖面上来看，处理①的土壤含水量高于处理②、③，处理②略高于处理③，这是由于处理①中高茬秸秆的覆盖降低了土壤蒸发作用，在保蓄土壤水分方面优势明显，而处理②中将小麦高茬直接粉碎覆盖在田里，并用深松机进行深松之后，土壤紧实度降低，使土壤水分蒸发消耗量较大，处理③主要是因夏玉米的生长对土壤水分不断利用，造成土壤含水量较低。

图1　不同耕作模式土壤含水量比较Fig.1　Comparison of soil moisture content under various farming modes

3种处理模式土壤含水量随土层深度的变化也有着不同的表现。虽然在上层都是随土层深度的增加，土壤含水量下降，但下降截止深度明显不同。处理①在50 cm深度处停止下降，降幅40.0%，且0～20 cm降幅相对较小(2.9%)；处理②含水量下降截止深度为40 cm，降幅37.0%；处理③含水量下降截止深度为60 cm，降幅高达50.0%，但在30～40 cm处出现停顿。这表明在干旱年份免耕高留茬覆盖，在下茬小麦播种前再进行粉碎的处理方式与麦收后直接粉碎麦茬结合深松的处理方式相比，虽然剧烈失水层次深度和失水强度均较大，但由于其对雨水的收蓄能力和阻止表层蒸发的能力强，使得其1 m以上土壤含水量保持在较高水平，尤其是表层0～30 cm土壤含水量，与初期CK相比呈净增加状态，这对保证小麦秋播和出苗的表墒十分有利。种植夏玉米虽然由于植被覆盖作用降低了强烈蒸发深度，但根系吸水蒸腾消耗较强，尤其是40～80 cm根系活跃层，导致土壤含水量显著低于2个休闲处理模式。

2.2不同耕作模式下土壤水分蓄积和消耗从图2可以看出，处理① 100 cm土层土壤储水量为186 mm，明显大于处理②和处理③，而处理②100 cm土层土壤储水量(157 mm)高于处理③(140 mm)，3个处理模式均低于6月份麦收后的CK储水量(246 mm)。经历了一个少雨的旱季，在接蓄了只有近10年平均值40.0%的降水(142.2 mm)情况下，2个休闲处理(处理①、②)100 cm土壤储水分别较6月麦收后降低了24.0%和36.0%，种植夏玉米的处理降低了43.0%。这说明麦收后休闲处理①的蓄水保水能力明显好于处理②，但由于降水不足，使根系层土壤水库经历了不同程度的损失，而夏玉米的生长更是加剧了土壤水库的消耗。

注：柱中数据表示每一土层的储水量。Note：Data in the column stand for moisture storage capacity of each soil layer.图2　不同耕作模式下土壤储水量比较Fig.2　Comparison of soil moisture storage capacity under various farming modes

根据以上数据计算10月份各处理模式分层储水量与6月份CK相应层次储水量之差(耗/损水量)及其占CK相应储水量的百分比(表1)，来定量说明不同处理模式对不同土壤深度水分的消耗和利用情况。

由表1可知，处理①、②、③的耗水量均随深度加深而逐渐增大，其中处理①在表层0～20 cm为负值，说明该处理在这个深度层次上接蓄降水量大于土壤水分蒸散发损失量。对于这2个没有作物生长的休闲处理来说，100 cm土层土壤水库的变化主要取决于降水收蓄收入和土壤蒸散发支出。随着土壤深度的增加，降水入渗补偿收入越来越少，导致下层土壤水库失水百分比增加，到80～100 cm深度损失最大接近50.0%。相比较而言，在各层土壤处理②的失水量和失水比例均较处理①大，尤其是20～40 cm失水率是处理①的3.4倍，100 cm深总储水损失率也比处理①多50.0%，这说明麦收后立即碎茬深松不利于土壤水分的保持，相反留茬免耕有助于减少蒸发损失和收蓄降水资源。处理③各层土壤水库消耗量均高于处理①和处理②，土壤水分损失率分别是后两者的1.0～1.9和1.2～4.0倍，这种差距正是玉米生长消耗利用土壤水分造成的。

3　结论与讨论

(1)刘文国等[6]研究表明，小麦土壤水分剧烈变化层(活跃层)深度约为0～80 cm。这一层易受大气环境的影响,土攘的干湿程度波动强烈,在春末夏初时节降水极少，土壤含水量易降到作物凋萎时的含量；到达多雨时期，在短时间内可到达最大持水量湿度,波动范围可由6%达到22%,靠近地表的耕层常处于风干状态。

表1　不同耕作模式下不同土层耗水量及其百分比

(2)李玲玲等[7]研究表明，不同耕作措施对表层0～10 cm土壤含水量影响较大，而免耕秸秆覆盖在作物播种期可以显著增加播种期土壤含水量，0～200 cm土壤剖面贮水量年变化分为春夏作物旺盛生长失墒期(5月中旬至7月中旬)，夏秋雨季增墒期(7月中旬至10月中旬)和冬春穏墒期(11月-翌年-5月上旬)3个阶段[7]。

(3)该研究结果表明，100 cm深土体内小麦高茬旋耕还田模式的土壤含水量大于高茬粉碎秸秆覆盖模式和高茬粉碎秸秆后播种夏玉米模式的土壤含水量，而高茬粉碎秸秆覆盖模式的土壤含水量略大于高茬粉碎秸秆后播种夏玉米模式的土壤含水量。这说明小麦高茬旋耕还田模式相对于高茬粉碎秸秆覆盖模式更有利于土壤水分的蓄积。但由于2015年是异于常年的少雨年份，在麦收后的几个月关键蓄雨期内只接受了不到近10年平均值50.0%的降水，因此对于3种处理模式在正常年份或多雨年份的表现仍有待于研究。

[1] 孟万忠,赵景波.近六百年来山西气象灾害与气候变化[M].北京：中国社会科学出版社,2014.

[2] 白丽芹,纪春艳,张冰,等.气候变暖对临汾尧都区冬小麦适宜播种期的影响分析[J].农学学报,2014(8):12-15,21.

[3] 戴锋平.免耕与秸秆还田对土壤理化性质和小麦生长的影响[D].扬州:扬州大学,2013.

[4] 柴跃进.处理小麦高茬的4种模式[J].山西农机,1998(5):11.

[5] 杜娟.尧都区耕层土壤粒度及微量元素空间分布特征研究[D].临汾:山西师范大学,2013.

[6] 刘文国,张建昌,曹卫贤,等.多种栽培模式下旱地小麦土壤水分的动态变化[J].西北农业学报，2006(4):112-116.

[7] 李玲玲,黄高宝,张仁陟,等.不同保护性耕作措施对旱作农田土壤水分的影响[J].生态学报,2005(9):2326-2332.

Effects of Different Farming Modes after Wheat Harvest on Soil Moisture

LIU Fei, ZHAO Yuan-feng, HU Zi-hao, ZHANG Xiao-hong*et al

(Modern College of Arts and Science, Shanxi Normal University, Linfen, Shanxi 041000)

[Objective] To study the effects of different farming modes and field management ways after wheat harvest on soil moisture in farmland. [Method] Through comparison, the impacts of three farming modes (high stubble rotary tillage with straw mode, high stubble crushing straw mulching mode, and sowing summer maize mode after high stubble crushing) on soil moisture in autumn were analyzed. Soil moisture content, soil moisture storage capacity, and water consumption under the three modes were detected by drying method. [Result] With the increase of soil depth, soil moisture content under the three modes tended to decrease, and it was the highest under the first mode, followed by the second mode, while it was the lowest under the third mode. The changing trend of soil moisture storage capacity at a depth of 1 m under the three modes was similar to that of soil moisture content. Water consumption under the three modes rose with the increase of soil depth. [Conclusion] Soil moisture content at a depth of 1 m is shown as follows: high stubble rotary tillage with straw mode>high stubble crushing straw mulching mode>sowing summer maize mode after high stubble crushing.

Wheat harvest; Wheat stubble; Soil moisture content; Soil moisture storage capacity; Water consumption

刘飞(1993- )，男，山西大同人，本科生，专业：地理科学。*通讯作者，副教授，博士，硕士生导师，从事农业生态和土壤学研究。

2016-05-23

S 152.7

A

0517-6611(2016)19-130-03