秸秆覆盖与耕作方式对土壤水分特性的影响

刘继龙 李佳文 周 延 付 强 张玲玲 刘 璐

(1.东北农业大学水利与土木工程学院， 哈尔滨 150030； 2.东北农业大学理学院， 哈尔滨 150030)

0 引言

土壤水分特性通常指土壤持水性、土壤供水能力及土壤水分有效性，土壤孔隙状况影响土壤水分特征曲线，土壤水分特征曲线则决定土壤水分特性[1-2]。研究表明，秸秆还田及耕作方式的改变，可以改善土壤结构，从而影响土壤水分特性。如免耕秸秆集中深还田分解有机质后，改变土壤结构及水分在土壤中的运动特性，在水分不易通过的粘土试验田，有利于提高土壤孔隙度及持水能力，可以使水分沿着大孔隙更多地进入土壤，供作物更好地吸收利用[3]。将秸秆粉碎后加入土壤，能有效改善土壤结构，迅速增大土壤持水能力[4]。免耕能有效改善土壤结构，增大耕层土壤孔隙，增强持水能力[5-8]，秸秆覆盖还田能提高土壤孔隙度，显著改善土壤持水性[9-11]，免耕与秸秆覆盖相结合对改善土壤结构及水分特性更为显著[12-17]。相同土壤水吸力下，土壤中加入作物秸秆使水分特性显著增强[1]；粉碎氨化秸秆还田条件下，随秸秆分解，土壤结构连通性逐渐得到改善，使土壤持水特性显著增强[17]；免耕条件下，随秸秆覆盖量增加，土壤持水性能增强，土壤有效水含量增加[18]；覆盖物为枯落物时，土壤孔隙度增加，红壤坡地土壤持水及供水能力有效提高[13]；与草甸土、白浆土、碱土、褐土相比，黑土土壤结构松紧适宜，耕层土壤有效持水量较高[19]；降雨后，土壤总孔隙度及非毛管孔隙度下降，毛管孔隙度增多，重力水减少，有效水增加[20]。不同秸秆还田方式、耕作方式、覆盖量、覆盖物等对土壤水分特性都有影响，随着秸秆覆盖的推广和应用，深入研究不同秸秆覆盖及耕作方式对土壤水分特性的影响机制具有重要意义。

东北黑土区是我国重要商品粮基地，受自然因素和人为因素影响，土壤退化严重，使土壤结构和土壤蓄水保墒能力等土壤性质不断恶化。研究解决该区土壤退化问题、提高土壤蓄水保墒等能力是保证该区土壤资源高效、可持续利用而亟需解决的关键问题。适宜的秸秆覆盖及耕作方式是改善土壤结构和提高土壤蓄水保墒等能力的有效途径，目前，关于黑土区秸秆覆盖与耕作方式对土壤水分特性影响的研究较少。因此，本文以黑土区农田为研究对象，在利用van-Genuchten模型拟合土壤水分特征曲线基础上，分析不同秸秆覆盖量及耕作方式对0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm土层土壤孔隙度、土壤持水性、土壤供水能力及土壤水分有效性的影响，深入探索秸秆覆盖与耕作方式对土壤水分特性的影响机制，为东北黑土区适宜秸秆覆盖和耕作方式的构建、以及土壤水分的高效利用提供理论依据与指导。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验区为东北农业大学向阳试验基地(45°45′37″N，126°54′30″E)，该基地位于黑龙江省哈尔滨市香坊区向阳乡，属中温带大陆性气候，气候干燥寒冷，年平均降雨量500～600 mm。试验设置5个处理，分别为传统耕作(CK)、免耕50%秸秆覆盖(NM0.5)、免耕100%秸秆覆盖(NM1)、免耕150%秸秆覆盖(NM1.5)以及传统耕作100%秸秆覆盖(CM1)。NM0.5、NM1、NM1.5处理秋收后去茬并移走秸秆，次年春季免耕播种后将秸秆粉碎均匀覆盖地表，粉碎后秸秆长12 cm左右，覆盖量根据面积比例分别为前一年小区收获秸秆的50%、100%、150%。CK与CM1秋收后去茬并移走秸秆，次年旋地、起垄播种，其中CM1将秸秆粉碎后均匀覆盖地表，覆盖量为前一年小区收获秸秆的100%。每个处理重复3次，共计15个小区，每个小区面积为36 m2(6 m×6 m)，试验于2018年5月2日播种，9月25日收获，各处理施肥方案相同，播种时施用三宁复合肥414 kg/hm2(N、P2O5、K2O质量分数分别为14%、16%、15%)，施肥量参考当地常规施肥标准，7月2日追施尿素251 kg/hm2，试验地种植作物为玉米，供试玉米品种为“中玉9号”。

1.2 测定项目与分析方法

玉米成熟期后采集土壤样品，在0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm土层采集田间小区原状土，用来测定土壤容重及土壤水分特征曲线。土壤容重、毛管孔隙度采用环刀法测定。

土壤总孔隙度及非毛管孔隙度计算式为[21]

f=(1-ρb/ρs)×100%

(1)

fa=f-fb

(2)

式中ρb——土壤容重，g/cm3

ρs——土壤比重，取2.65 g/cm3

f——土壤总孔隙度，%

fb——土壤毛管孔隙度，%

fa——土壤非毛管孔隙度，%

土壤水分特征曲线采用离心机法进行测定，van-Genuchten模型进行拟合，即

(3)

其中

m=1-1/n

式中θ(h)——土壤含水率，cm3/cm3

h——土壤水吸力，kPa

θs——饱和土壤含水率，cm3/cm3

θr——残余土壤含水率，cm3/cm3

α——进气吸力的倒数，kPa-1

n——形状系数

比水容量计算式为

(4)

1.3 数据分析

采用Excel计算不同处理各土层土壤孔隙度、土壤水分特征曲线、土壤比水容量以及土壤水分常数，Origin 9.0绘图，SPSS 20.0软件进行单因素方差分析，显著性水平为0.05。

2 结果与分析

2.1 秸秆覆盖与耕作方式对土壤孔隙度的影响

不同处理各土层土壤总孔隙度、毛管孔隙度以及非毛管孔隙度如图1(图中不同小写字母表示差异显著(P<0.05)，下同)所示。与CK相比，NM0.5、NM1、NM1.5处理0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm土层土壤总孔隙度、毛管孔隙度均随秸秆覆盖量增加逐渐增加，非毛管孔隙度逐渐降低；0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm土层NM1.5土壤总孔隙度显著增加5.87%、5.59%、4.71%；0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm土层NM1.5土壤毛管孔隙度显著增加11.19%、10.21%、9.66%；NM0.5处理20～40 cm、40～60 cm土层土壤总孔隙度、毛管孔隙度减少，非毛管孔隙度增加。NM1.5与NM0.5、NM1相比0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm土层土壤毛管孔隙度差异显著。免耕秸秆覆盖改善土壤孔隙状况[22-23]，且随秸秆覆盖量增加各土层土壤总孔隙度及毛管孔隙度均逐渐增加，非毛管孔隙度逐渐减少。免耕50%秸秆覆盖与CK相比，深层土壤总孔隙度及毛管孔隙度有所减少，但差异不显著，可能由于秸秆分解的有机质含量随秸秆覆盖量减少逐渐减少，且随土层加深逐渐减少。

图1 不同处理各土层土壤总孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度Fig.1 Total porosity, capillary porosity and non-capillary porosity of soil in different soil layers under different treatments

0～20 cm、20～40 cm及40～60 cm土层NM1较CM1土壤总孔隙度分别增加0.69%、1.63%、1.17%；土壤毛管孔隙度分别增加1.52%、2.34%、2.16%；土壤非毛管孔隙度减少15.58%、10.60%、14.74%。100%秸秆覆盖条件下，免耕较传统耕作相比改善土壤孔隙度，是由于免耕对土壤的扰动减少，降低土壤容重，使土壤总孔隙度、毛管孔隙度增加。与CK相比，0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm土层CM1处理土壤总孔隙度分别显著增加2.56%、2.23%、2.43%；CM1处理0～20 cm土层土壤毛管孔隙度显著增加3.60%，非毛管孔隙度显著减少14.36%。传统耕作条件下，100%秸秆覆盖增加各土层土壤总孔隙度及毛管孔隙度，减少土壤非毛管孔隙度，秸秆覆盖能有效改善土壤孔隙度，主要是秸秆被腐蚀分解使土壤有机质含量增加，减少了地表裸露，缓解外界环境对土壤结构的影响，增加土壤孔隙度[24]。随土层加深各处理土壤总孔隙度及毛管孔隙度逐渐减小，这与武均等[12]、吕雯等[24]研究结果一致，由于秸秆随土层加深分解作用减弱，土壤自身沉降，导致土壤总孔隙度及毛管孔隙度减小。

2.2 秸秆覆盖与耕作方式对土壤持水性的影响

根据图2中0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm土层土壤水分特征曲线呈现的变化趋势，分为低吸力段(0～150 kPa)和中高吸力段(大于150 kPa)[25]，低吸力段在相同水吸力下，各处理0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm土层土壤含水率差别较小，高吸力段时不同土层各处理土壤含水率随土壤水吸力变化规律明显，各处理间曲线趋于平缓且相对平行，这主要是因为高吸力段土壤水分主要保留在土壤毛管孔隙，不同处理下0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm土层土壤持水性变化规律与土壤毛管孔隙度变化规律一致。

图2 0～60 cm土层各处理土壤水分特征曲线Fig.2 Soil moisture characteristic curves in 0～60 cm soil layers for each treatment

0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm土层NM0.5、NM1、NM1.5土壤持水性随秸秆覆盖量增加而增强，与各土层毛管孔隙度随秸秆覆盖量变化趋势一致。免耕条件下，NM0.5与NM1、NM1.5相比对20～40 cm及40～60 cm土层土壤持水性影响减弱；NM1.5与NM0.5、NM1相比有效抑制土壤水分蒸发，且对0～20 cm土层的影响最明显。传统耕作条件下，0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm土层CM1土壤持水性均高于CK，秸秆覆盖增加了土壤毛管孔隙度，增大土壤水库容，从而增强了土壤持水性。秸秆覆盖条件下，NM1与CM1相比0～20 cm、20～40 cm及40～60 cm土层土壤持水性均增强，秸秆覆盖条件下免耕处理较传统耕作处理增强土壤持水性。随土层加深各处理土壤持水性减弱，主要由于随土层加深土壤毛管孔隙度减小。免耕秸秆覆盖土壤持水性强于传统耕作秸秆覆盖，主要由于免耕和秸秆覆盖共同作用，免耕减少对土壤扰动，且秸秆的集雨效果显著，能有效减少土壤水分无效蒸发[26]。

2.3 秸秆覆盖与耕作方式对土壤供水能力的影响

通常土壤水吸力为100 kPa时的比水容量可很好地衡量土壤的供水能力[26]，图3为各处理不同土层土壤比水容量。各处理间0～20 cm、20～40 cm及40～60 cm土层土壤供水能力均与土壤持水性变化趋势一致。相同土壤水吸力下，0～20 cm土层土壤比水容量由大到小依次为NM1.5、NM1、CM1、NM0.5、CK处理，20～40 cm及40～60 cm土壤比水容量由大到小则依次为NM1.5、NM1、CM1、CK、NM0.5处理。0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm土层NM0.5、NM1、NM1.5土壤比水容量均随秸秆覆盖量增加而增加；传统耕作条件下，0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm土层CM1土壤比水容量较CK相比分别高11.86%、9.03%、9.24%，秸秆覆盖增强了土壤供水能力，这与李航等[25]研究一致；0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm土层土壤比水容量NM1较CM1分别高2.58%、17.78%、3.94%，秸秆覆盖条件下，免耕较传统耕作相比增强土壤供水能力。

图3 不同处理各土层的比水容量Fig.3 Specific water capacity of soil suction in each layer

2.4 秸秆覆盖与耕作方式对土壤水分有效性的影响

根据被植物吸收利用的难易程度，土壤水可分为重力水、全有效水、速效水、迟效水[1]。由表1可知，与CK相比，0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm土层NM0.5、NM1、NM1.5处理土壤水分常数基本呈线性变化，各土层重力水含量均随秸秆覆盖量增加而减少，即由大到小为NM0.5、NM1、NM1.5处理；全有效水、速效水、迟效水含量随秸秆覆盖量增加而增加，即由大到小为NM1.5、NM1、NM0.5处理。NM1.5较CK显著增加0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm土层土壤全有效水、速效水及迟效水含量，且与NM0.5、NM1相比差异显著。

表1 不同处理各土层土壤水分常数Tab.1 Soil moisture constant of different soil layers under different treatments

注：同列不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。

秸秆覆盖条件下，0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm土层NM1较CM1土壤重力水含量分别减少29.42%、24.53%、8.91%；全有效水含量分别增加2.49%、15.88%、12.30%；速效水含量分别增加2.70%、7.10%、0.86%；迟效水含量分别增加2.29%、57.64%、89.67%。传统耕作条件下，CM1较CK相比0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm土层重力水含量分别减少1.71%、2.80%、19.42%；全有效水含量分别增加6.23%、3.71%、1.10%；速效水含量分别增加6.24%、2.01%、0.73%；迟效水含量分别增加6.21%、13.21%、2.25%。

易利用水比例系数可用来表征土壤保水性，其值为速效水含量与饱和含水率之比[1]。0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm土层的土壤易利用水比例系数，NM0.5、NM1、NM1.5处理均随秸秆覆盖量增加而增加；传统耕作条件下，CM1与CK相比分别增加2.15%、1.57%、0.82%，但差异不显著；秸秆覆盖条件下，NM1较CM1分别增加9.06%、10.29%、2.93%。传统耕作秸秆覆盖有效水含量与易利用水比例系数均高于无覆盖，秸秆覆盖增强作物对土壤水的吸收利用能力。免耕秸秆覆盖土壤水分常数除重力水均高于传统耕作秸秆覆盖，说明在秸秆覆盖条件下，免耕处理能增强作物对土壤水分吸收利用能力。重力水存在大孔隙中，不易被植物吸收利用，秸秆覆盖量增加，除重力水含量逐渐减少外，其他土壤水分常数均逐渐增加，免耕条件下秸秆覆盖量为150%时，作物对土壤水分的吸收利用最佳。

2.5 综合评价分析

矩阵法是环境影响综合评价的基本方法，本文将各试验处理作为矩阵中的各项开发活动，将土壤孔隙度、土壤持水性、土壤供水能力以及土壤水分有效性作为受影响的各环境因子，共同组成环境影响矩阵，建立各处理与土壤水分特性间的直接因果关系，通过优劣排序值来表示不同处理对土壤水分特性产生的影响[27]。本文应用矩阵法对土壤水分特性进行综合评价，毛管孔隙度与土壤水分特性密切相关，因此仅对毛管孔隙度进行评分；比水容量反映土壤供水能力，值越大得分越高；土壤持水性、土壤水分有效性分别以相同水吸力下土壤含水率、有效水含量进行评分。最终以综合得分对不同处理进行评价，结果如表2所示，NM1.5处理综合得分最高，明显优于其他处理，NM1.5处理毛管孔隙度最大，土壤持水性、供水能力最强，土壤有效水含量最高，有利于作物吸收利用。

3 讨论

土壤水分是影响研究区作物生长的一个重要因素，如何提高土壤蓄水保墒能力是研究区亟需解决的一个关键问题，本文通过分析秸秆覆盖与耕作方式对黑土区土壤水分特性的影响机制，提出了研究区适宜秸秆覆盖量与耕作方式，为提高土壤蓄水保墒能力以及作物产量等提供了依据。除此之外，秸秆覆盖与耕作方式对土壤养分、土壤温度和土壤微生物等也都具有明显影响，这进而都会影响作物的生长发育，开展这一方面的研究更有利于提出研究区适宜秸秆覆盖量与耕作方式，提高作物产量，保证土壤资源高效可持续利用。后续研究中应进一步开展秸秆覆盖与耕作方式对土壤各个方面以及作物的综合影响。年限、降雨、地形等外界因素以及有机质分解、作物根系生长状况等都会影响土壤孔隙度进而影响土壤水分特性，后续试验中可在此试验基础上进一步考虑外界条件(降水等)、土壤养分、土壤通气性及作物根系对土壤水分特性的影响。

表2 不同处理土壤水分特性矩阵Tab.2 Matrix of soil moisture characteristics under different treatments

4 结论

(1)传统耕作条件下，0～20 cm、20～40 cm及40～60 cm土层秸秆覆盖处理较无覆盖处理增大了土壤总孔隙度及毛管孔隙度，减小了非毛管孔隙度；秸秆覆盖条件下，免耕较传统耕作方式增大了各土层土壤总孔隙度及毛管孔隙度，减小了非毛管孔隙度。免耕150%秸秆覆盖0～20 cm、20～40 cm和40～60 cm土层土壤总孔隙度显著增加5.87%、5.59%和4.71%，土壤毛管孔隙度显著增加11.19%、10.21%和9.66%。

(2)土壤孔隙度是决定土壤水分特性的关键因素，各处理不同土层相同土壤水吸力下土壤含水率、土壤比水容量及土壤有效水含量均与毛管孔隙度的变化趋势一致。免耕处理和秸秆覆盖处理均增强土壤水分特性，免耕秸秆覆盖相结合对土壤水分特性的影响更为显著。免耕秸秆覆盖下，土壤持水性、土壤供水能力、土壤水分有效性随覆盖量增加而逐渐增强。

(3)矩阵法综合评价分析表明，免耕150%秸秆覆盖处理最优，能有效改善土壤孔隙度，有利于土壤水分蓄积及作物对土壤水分的高效利用，是研究区最适宜的秸秆覆盖与耕作方式。