不同耕作方式对广西地区甘蔗地土壤热性质的影响

朱彦光 李帅 甘磊 李健 Saeed Rad 陈晓冰

摘 要：【目的】探讨不同耕作方式下甘蔗地土壤热性質的动态变化，为合理有效利用水热资源提供依据。【方法】在广西农业科学院里建甘蔗种植地进行研究，定位监测粉垄耕作（T）处理和免耕（NT）处理方式下，5、20和40 cm深度土层的土壤含水量和土壤温度，并结合土壤基本参数，分析2个处理下土壤温度、土壤热导率和土壤热通量的变化规律。【结果】NT处理受其质地影响，土壤温度的分布为5 cm>40 cm>20 cm，差异均显著（P<0.05，下同）;T处理在一定程度上影响了土壤质地，其土壤温度分布为5 cm>20 cm>40 cm，差异均显著。研究期内，T处理土壤热导率在20 cm以上土层高于NT处理。T处理有利于降水入渗、储水性能良好、下层水分可供给上层等效果，相比于NT处理改善了土壤热导率沿土壤剖面的分布。同时，不同降水条件下，处理间的土壤热通量变化相同：NT处理在5～20 cm层大于T处理，而在20～40 cm层小于T处理，差异均达到显著水平。说明T处理土壤热通量由上至下减小，变化规律明显;而NT处理上下层间波动较大。【结论】粉垄耕作处理相比于免耕处理，在一定程度上改善了本地区的土壤质地和土壤温度分布，土壤热导率和土壤热通量的变化更具稳定性和规律性，可作为广西地区农业种植和管理方式的参考。

关键词：免耕;粉垄耕作;土壤温度;土壤热导率;土壤热通量

中图分类号：S 566.1文献标识码：A文章编号：1008-0384（2019）07-858-09

Abstract： 【Objective】 The hydrothermal dynamics of soil at sugarcane fields in Guangxi province was studied under different tillage methods to provide information for effective utilization of the natural resource. 【Method】 The moisture content and temperature of soil in the depths of 5， 20 and 40 cm under two tillage methods were monitored. Smash-ridging tillage （T） and no-tillage （NT） were applied in the sugarcane field at Lijian Research Station of Guangxi Academy of Agricultural Sciences in Nanning. In addition to the basic properties， the temperature， thermal conductivity， and heat flux of the soil under the treatments were collected for analysis. 【Result】 The texture of the NT-treated soil invariably affected the temperature distribution at different depths to show it from high to low in the order of 5 cm>40 cm>20 cm with significant differences at P<0.05 （same level for the following）. Whereas， when T was applied the texture was altered to cause the temperature ranking changed to 5 cm>20 cm>40 cm. During the time of this study， the thermal conductivity of the 5 cm and 20 cm soil under the T treatment was higher than that under NT. Compared to NT， T provided advantages on the infiltration， storage， and improved water distribution in the soil， leveling the thermal conductivities in various layers. Furthermore， varied precipitation significantly affected the heat flux in the 5-20 cm layer under NT more than T but less in the 20-40 cm layer. It indicated that the heat flux in the T-treated soil decreased gradually from the top to the deeper layers.  On the other hand， in the NT-treated soil， it fluctuated greatly between the upper and lower layers with varied rain falls. 【Conclusion】 The smash-ridging tillage improved the texture and temperature distribution of the soil in the tested range with a more constant and predictable thermal conductivity and heat flux over no-tillage method.

Key words： no-tillage; smash-ridging tillage; soil temperature; soil thermal conductivity; soil heat flux

0 引言

【研究意義】土壤作为人类进行生产活动所必需的物质载体，其热性质的变化一直是研究热点[1]。农业生产中，不同的耕作方式会对土壤热导率和热通量产生不同的影响，二者均与土壤温度密切相关，进而改变土壤中水、气、热循环，从而影响作物的生长与收成[2-3]。而将土壤的温度、热导率与热通量结合，能更好地反映土壤的热量状况[4-5]。因此，研究不同耕作方式下，农田土壤温度、土壤热导率和土壤热通量的动态变化，能为广西地区农业高效发展提供理论依据。【前人研究进展】当土壤固体部分维持稳定时，土壤水分状况将直接决定土壤热导率的大小，而土壤的含水量、质地、容重、孔隙度和土壤团聚体等因素均可对土壤热导率和热通量产生影响[6]。有研究表明，翻耕对土壤的扰动使土壤孔隙增大，颗粒间接触减少，从而降低土壤热导率[7]。而免耕状态下的土壤孔隙连通性则较好，蓄水保水能力高于常规耕作，有利于土壤热导率的增加[3]。卢奕丽等[8]开展田间试验和模拟翻耕后也发现，免耕在0～20 cm土层的土壤热导率显著大于翻耕和旋耕，且热导率的动态变化受到降水和干湿循环的影响。但由于地区间的差异，也有研究认为，免耕在20 cm深度以上的土壤温度和土壤热通量，相比于旋耕[9]和常规耕作[10]均降低，热量传导减弱。可见，不同耕作方式对土壤温度、土壤热导率和土壤热通量将产生明显影响。近年来，粉垄耕作在广西部分地区已推广应用[11]，在粉垄机上装配专用的机械钻头后，钻头垂直入土高速旋转横向切割旋磨土壤，使之自然悬浮成垄且不乱土层，具有一定的增产效果。甘磊等[12]在广西地区甘蔗地的研究结果表明，耕作处理相比于免耕，能够提高5～40 cm土层的土壤蓄水量和土壤热容量。【本研究切入点】前人关于不同耕作方式对土壤热性质的影响研究已有报道，但主要集中在免耕、深松和旋耕等方面。广西是我国主要的甘蔗种植区，甘蔗的生长收成受耕作方式和土壤热性质的影响。因此，在已有的研究基础上[12]，设置粉垄耕作和免耕的耕作方式，从土壤热力学角度出发，将土壤温度、土壤热导率与土壤热通量结合研究，能够进一步说明不同耕作方式对甘蔗地土壤热性质的影响。【拟解决的关键问题】在广西典型甘蔗地设置粉垄耕作处理和免耕处理，定位监测试验小区不同土层深度下土壤含水量和土壤温度，获取降水数据，结合土壤基本参数计算土壤热导率与热通量。对比不同耕作方式下土壤温度、土壤热导率和土壤热通量的变化规律，分析粉垄耕作和免耕对土壤热性质的影响及其原因，以期为广西喀斯特地区土壤水热资源有效利用和作物种植提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概述

试验区位于广西农业科学院里建科学研究基地（23°14′N，108°02′E），土壤母质为第四纪红土，土壤类型为红壤，基部岩层为石灰岩。试验区属亚热带季风气候，年平均气温为21.6℃，年均降水量1 304.2 mm，年平均相对湿度达79.0%，雨季为5月至9月，降水量占全年降水量的60 %以上，甘蔗为试验区内的主要旱地经济作物。

1.2 试验设置

在试验区内设置粉垄耕作（T）处理和免耕（NT）处理两种耕作方式。其中，免耕处理自2014年起连续免耕，播种后不进行翻耕。粉垄耕作处理在2017年2月进行，使用专用旋磨机器将土壤旋磨成小颗粒并自然悬浮成垄，耕作深度40 cm。每个处理小区长7 m，宽1.3 m，行间距离0.9 m。所有试验处理小区均在2017年3月种植甘蔗桂柳05-136品种，种植5行。每个小区之间种植2行行距为1.3 m的桂糖29作为隔离保护行，各小区施肥量为基肥复合肥750 kg·hm-2，追肥复合肥750 kg·hm-2。每个处理挖掘3个重复土壤剖面进行土壤水热动态监测。

1.3 指标测定

粉垄耕作后，使用体积为100 cm3的环刀采集T处理和NT处理0～5、5～20、20～40 cm原状土与扰动土样，取样设置3次重复。以吸管法测定土壤质地，以环刀烘干法测定土壤容重，并计算得到土壤总孔隙度，以重铬酸钾容量法测定土壤有机质[13]。免耕土壤基本理化性质及粉耕对土壤理化性质的影响见文献[12]。

试验期内，在T处理和NT处理的所有剖面内5、20、40 cm处均分别水平安装3个Theta-probe探头（Type ML2x、 Delta-T Devices、 Cambridge）和3个Pt-100型温度探针（Delta-T Devices、Cambridge、误差±0.30℃），探头和探针分别用于土壤含水量和土壤温度的定位监测，经校准后由数据线连接到CR1000数据采集器中。在试验区内安装ECRN-100型雨量计（DECAGON DEVICES，Washington）记录降水数据，监测时段为2017年5月至9月（雨季）。

1.4 数据处理

对于土壤热导率和土壤热通量，根据降水量的不同划分出3种土壤水分条件进行辅助分析：6月1日至16日为湿润条件，总降水量为233.6 mm，超过10 mm的降水事件有4次，最大降水量为6月13日的85.2 mm。7月28日至8月7日为中等水分条件，总降水量为85.8 mm，最大降水量为8月4日的33.0 mm。9月9日至24日为干旱条件，降水量仅有9月23日的0.4 mm。土壤热导率采用Campbell[14]经验模型计算，公式如下：

土壤热通量的计算深度分为5～20 cm和20～40 cm两层，计算公式如下[15]：

2 结果与分析

2.1 降水量与土壤温度的变化

基于監测数据得出不同耕作方式下区域降水量和5～40 cm土层的土壤温度（图1）。可以看出，两个处理的土壤温度在各时期变化趋势均一致，变幅随土壤深度的增加而减小。5月14日降水87.4 mm，T处理和NT处理的表层土温分别下降了3.6℃和3.4℃;而7月24～29日连续无降水，表层土温则分别上升1.2℃和0.9℃，说明降水是影响该地区土壤温度变化的重要因素之一。

研究期内配对t检验的结果表明：T处理的土壤温度沿土壤剖面向下递减，表现为5 cm>20 cm>40 cm，差异均显著;而NT处理则为5 cm>40 cm>20 cm，沿土壤剖面先减小后增加，差异均显著。NT处理在20 cm层土壤温度最低可能是由于该层质地砂粒较多[12]导致的。同一土层深度下，5和40 cm表现为NT处理的土壤温度显著高于T处理，20 cm土层则相反。上述变化说明，粉垄耕作对质地的改变可能会影响土壤温度沿剖面的再分配情况，具体原因还需要从土壤热导率和热通量的结果中进行分析。

2.2 土壤热导率的时空变化

两个处理不同深度下的土壤热导率随时间的动态变化趋势基本相同（图2）。可以看到，降水发生时T处理和NT处理的土壤热导率均迅速上升，降水结束后则下降，且处理间差异逐渐扩大。说明降水是导致本地区土壤热导率上升的主要因素;而在无雨期，耕作方式对土壤热导率的改变起到主导作用。因此，研究不同耕作方式对土壤热导率的影响十分有必要。

在5 cm土层中，整个研究期内2个处理间的土壤热导率无显著差异;而比对6月1日至9月30日的热导率，则为T处理均值高于NT处理1.1%，差异显著。这可能是因为进行本试验前T处理样地的土壤热导率就已较低，而耕作对土壤性质的改变需要一定时间，6月以后粉垄耕作相比于免耕对土壤热导率的改善作用逐渐明显，上述土壤温度的改变也可能是T处理土壤热导率增加引起的。同样地，研究期内，20 cm土层T处理的土壤热导率显著高于NT处理，而40 cm土层二者无显著差异。在降水发生时，T处理土壤热导率的上升要比NT处理明显（图2）。上述分析说明，随着土壤深度的增加，耕作效应对土壤热导率的影响逐渐减弱，但T处理对水分的响应更迅速，利于雨水入渗，热导率增加更迅速。

表1统计了不同处理在3种土壤水分条件下土壤含水量、土壤热导率和土壤热通量的均值。在NT处理中，不同土壤水分条件下的土壤热导率均呈现出40 cm>5 cm>20 cm的规律，其变化与土壤含水量的变化一致。而T处理的土壤热导率变化则相对复杂：湿润条件下其土壤热导率表现为40 cm>20 cm>5 cm，差异均显著;中等水分条件下5 cm和40 cm土层的热导率无显著差异，但均显著大于20 cm土层;而在干旱条件下，却变为5 cm层最高，20 cm层最小。这说明粉垄耕作对土壤热导率在土壤剖面的再分布的主导作用比免耕更明显。

在5 cm土层中，随着土壤水分条件出现由湿润、中等到干旱的变化，2个处理间的土壤热导率分别表现为T低于NT、T显著高于NT和T显著高于NT;而在40 cm土层则分别表现为T高于NT、T低于NT和T显著低于NT（表1）。不同土层间2个处理土壤热导率的大小关系相反，这可能是在降水减少的条件下，T处理下层（40 cm）土壤水分能够向上层（5 cm）进行补给所导致的，即粉垄耕作具有调节土壤水分和热导率的作用。在20 cm土层中，T处理的土壤热导率在不同土壤水分条件下均显著大于NT处理，这同样应该是由于耕作方式与土壤质地的差异[12]而导致土壤孔隙状况不同所引起的。因此，耕作方式的不同会导致不同降水条件下土壤水分的差异，从而引起土壤热导率的改变。

2.3 土壤热通量的时空变化

图3展示了不同耕作方式下土壤热通量的变化，取正值代表热通量向上传导。就整个试验期而言，2个处理的净土壤热通量均表现为向下传导，T处理以-231.3 W·m-2高于NT处理的-218.0 W·m-2，即T处理的热量有更大的向深层传递的趋势。在图3中，两个处理的土壤热通量在5～20 cm层的传导均要强于20～40 cm层。NT处理的土壤热通量在监测期内5～20 cm层基本向下传导;20～40 cm层则在0附近波动，变幅较小。T处理的土壤热通量则在5～20 cm和20～40 cm两层均以向下传导为主。

5月14～18日的干湿循环（15、18日分别降水87.0、0.6 mm，其余无雨）中，T处理5～20 cm层的土壤热通量因强降水由14日的-298 W·m-2直接变为15日的200 W·m-2，NT处理由-499 W·m-2直接变为-4 W·m-2。土壤热通量在NT处理仅出现数量上的减小但未改变传导方向，T处理热通量则由向下传导直接变为向上传导，且在数量上显著高于NT处理。说明降雨能在很大程度上抑制原有的热通量的传导甚至改变传导方向，且土壤热通量间的差异应是由耕作方式的不同引起的。随后，T处理和NT处理的土壤热通量又分别由16日的-119 W·m-2和-184 W·m-2分别逐渐减小至18日的-1 W·m-2和-108 W·m-2。这是因为降水结束后，上层土壤温度重新高于下层;而下层水分得到补充，其土壤热容量和热导率均提高，升温速率加快，进而缩小了与上层土壤的温差，在无雨期向下的土壤热通量也减小。再之后，太阳辐射的增加使向下的土壤热通量再次增大。因此，土壤热通量在干湿循环中的变化具有延续性和滞后性，且少量降水（18日）不一定能改变土壤热通量的传播方向。7月1～7日及8月8～13日等时间段也有上述规律。而不同土壤水分条件中，湿润条件下，NT处理5～20 cm层热通量高于T处理达90.3 %，差异显著（表1）;而在20～40 cm层则低于T处理91.9 %，差异显著。中等与干旱水分条件下的变化规律与之相同，仅在数值上有所差异。这说明NT处理的土壤热通量在5～20 cm和20～40 cm土层间的差别较大，T处理土壤热通量变化比NT处理更具规律性和稳定性。

3 讨 论

不同的耕作方式会对土壤物理性质，尤其对土壤结构产生不同的改变，从而影响到土壤中热性质的变化，关系到农业的生产与发展[8]。研究期内，T和NT处理的土壤温度分别表现为5 cm>20 cm>40 cm和5 cm>40 cm>20 cm，差异均达到显著，后者土壤温度的变化与前人所研究得出的土壤温度随土壤层加深而降低的结果不一致[16-17]。这可能是由于其试验区本身土壤质地[12]所造成的：NT处理5～20 cm土层砂粒含量较高，水分不易储存，导致土壤热导率降低，热能传递受阻，因而温度最低。陈善雄等[18]也指出，砂粒含量高的土壤持水能力差，土壤水分容易流失，不易于储存，因而传热能力相比于含水量高的土壤要弱。本研究设置处于同一区域的两种耕作方式，T处理土壤颗粒组成相比于NT处理更为均匀，土壤温度形成由上层至下层递减分布，即可能是因为粉垄耕作在一定程度上改善了土壤质地，利于水分储存和土壤热能传导，但其机理和程度仍需量化研究。刘斌等[19]也认为粉垄可以疏松土层，有助于细化土壤颗粒。上述分析表明，粉垄耕作相比于免耕更好地改变了土壤温度的分布。

本研究中，只要降水发生则T处理的土壤热导率就高于NT处理，这说明粉垄耕作相比于免耕有利于水分入渗从而提高土壤热导率。NT处理在3种土壤水分条件下的土壤热导率大小关系均为40 cm>5 cm>20 cm，变化稳定，说明免耕处理具有保持其土壤含水量和热导率稳定的能力。这与学者们在东北黑土区[17]、黄土高原区[20]和北京地区[21]的研究结果一致，由于没有人为施加影响和扰动，免耕处理在一定程度上维持了土壤本身及其水分分布的稳定性。而T处理中，其湿润条件下的降水量比中等水分条件时多148.4 mm，但其5 cm层的土壤热导率均值仅比中等水分条件高0.008 W·m-1·K-1。这一现象是因为进行试验处理前T处理的土壤含水量和热导率已较低，降水多用于补充土壤含水量;而中等水分条件的含水量得到提高，虽然降水量减少但土壤热导率没有明显下降。这说明经过降水补充后，粉垄耕作的保持水分的能力更好，从而引起了土壤热导率的改变。李轶冰等[22]比较不同耕作方式也发现，有水分补给发生时粉垄耕作的水分入渗速率相比于旋耕和深松更快，且土壤贮水量增加。王世佳等[23]观察不同放大倍数下土壤微结构的结果表明，粉垄耕作后土壤的表面颗粒细小，稳定性增加，且排列紧密有序，对土壤水分可能具有更好的吸附性。这些结论与本研究中粉垄耕作处理的土壤热导率得到提高的原因相印证。

通过对比不同处理间5 cm和40 cm土壤热导率的变化发现，降水减少后T处理下层（40 cm）土壤水分对上层（5 cm）进行了补给。这是因为T处理和NT处理的总孔隙度差异虽然不显著，但前人基于CT扫描技术在同一试验区的研究证实，耕作区的中小孔隙数量相比于免耕区有所增加，且改善了土壤的连通性[24]。连通性好的小孔隙可作为土壤水上升的毛细管道，促进水分的向上运动[25]。因此，在相对少雨的条件下T处理的下层水分可以向上补充，具有调节土壤水分的作用，引起土壤热导率的变化。李轶冰等[26]通过大田试验也发现：粉垄耕作深度越深，则水分进行补充时所能到达的土层深度也越深，说明粉垄耕作处理调用了更多深层水分供给上层，与本研究结论相似。上述分析表明，免耕在不同降水条件下均具有保持其土壤热性质相对稳定的能力。而粉垄耕作更有利于降水入渗和水分保存，在不同的时期均能有助于提高土壤热导率，改善土壤热导率沿土壤剖面的再分布。

降水发生可以暂时改变土壤中的水热条件，能在很大程度上抑制土壤热通量的传导或改变其传导方向，这与Gan等[27]的研究结果一致。干湿循环中，T处理在强降水时期与无降水时期，其土壤热通量的数值变化（分别为由-298 W·m-2变为200 W·m-2、由-119 W·m-2变为-1 W·m-2）都要比NT处理的变化（分别为由-499 W·m-2变为-4 W·m-2、由-184 W·m-2变为-108 W·m-2）要大。这进一步说明了T处理对降水的响应更为敏感，且在雨后更好地储存土壤水分，同时期内土壤热能传递更迅速，温度变化也加快，因而引起了土壤热通量的更大变化。同时，邵明安等[6]指出，土壤热通量与土壤垂直温度梯度和土壤热导率成正比。本研究中，NT处理在3种土壤水分条件下，其土壤热通量在5～20 cm和20～40 cm的波动均比T处理更大，这是因为NT处理20 cm土层土壤热导率和温度均较低，5～20 cm层温差大，20～40 cm层温度相近（热通量接近于0）导致的。分析表明粉垄耕作相比于免耕更有利于土壤热能的传递和维持，在一定程度上改善了土壤热通量的传导和分布。

4 结 论

本研究通过在典型甘蔗种植区设置粉垄耕作和免耕处理，研究甘蔗地土壤热性质在不同处理下的变化规律，结论如下：

（1）研究期内，降水的发生会导致土壤温度暂时降低。免耕處理的土壤温度表现为5 cm>40 cm>20 cm，差异均显著;粉垄耕作处理的土壤温度表现为5 cm>20 cm>40 cm，差异均显著，粉垄耕作在一定程度上改变了土壤质地从而改善了土壤热能的传导和温度的分布;

（2）降水发生时粉垄耕作处理的土壤热导率高于免耕处理，且能将水分储存于下层;降水减少后下层水分对表层具有补给作用，引起土壤热导率的改变。研究期内，粉垄耕作处理在20 cm以上土层的土壤热导率均值大于免耕处理，水分和热能保持效果相比于免耕处理更好;

（3）研究期内，粉垄耕作处理的土壤净热通量大于免耕处理，增温过程更明显。降水可通过干湿循环过程影响土壤热通量的变化，粉垄耕作改善了土壤热通量的传导和分布，且其在不同土层和不同时期的变化要比免耕处理更具规律性，土壤热能传递更有效。

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（责任编辑：张 梅）