秸秆覆盖对土壤水热状况的影响

杨庆楠，高士军，张何普，徐金忠

（1黑龙江省水利科学研究院，黑龙江省水土保持重点实验室，哈尔滨 150070；2黑龙江大学现代农业与生态环境学院，哈尔滨 150080）

0 引言

黑土是世界上公认最宝贵的土壤资源，是一种有机质含量高、团粒结构好、水肥气热易协调，有利于农作物生长的土壤[1-2]。黑土地在长期的传统农业耕作方式作用下，因过度开垦、高强度利用、用养失调等不合理的利用，使得水土流失持续发生，导致土壤有机质锐减，团粒结构变差，保水保肥能力减弱，黑土地不合理利用与土壤退化相互促进恶性循环。因此，保护好利用好黑土地对于筑牢祖国粮仓、端牢中国饭碗、稳住农业基本盘具有特殊重要意义。《东北黑土地保护性耕作行动计划（2020—2025年）》中明确在适宜区域全面推广应用保护性耕作，农田季节性裸露是加剧水土流失及土壤退化的主要原因，秸秆覆盖作为保护性耕作体系的核心技术之一，对恢复土壤团粒结构，消除土壤硬化板结，建立土壤水、肥、气、热协调体系具有明显优势。秸秆覆盖与土壤水热变化息息相关，科学研究主要集中于对土壤水分、温度、盐分运移规律，耗水与蒸发及产量关系[3-7]，覆盖条件、覆盖量及覆盖时期[8-12]等方面的研究。黑土区秸秆覆盖技术在实际应用过程中存在降低地温而导致作物减产的现实问题，研发不降低种床土温的秸秆覆盖关键保护性利用技术，是黑土地保护性耕作推广应破解的技术难题，然而，厘清秸秆覆盖后土壤水热与降雨之间的变化关系将是研发关键技术的理论基础。因此，本研究以秸秆覆盖的大豆地块为研究对象，通过对土壤水热的定时定位监测，了解分析在秸秆覆盖下次降雨对土壤水分和温度影响，以期为研发不降低种床土温的秸秆覆盖保护性利用技术提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验地点位于黑龙江省海伦市光荣村(47°23′N，126°51′ E)。属漫川漫岗水蚀区，土壤类型为典型黑土，位于典型黑土区中心区域，土壤质地为黏壤土，其表层(0～20 cm)黏粒含量为35%～45%[13]，有机质含量为47.0 g/kg，0～20 cm 土壤容重1.19 g/cm3，全氮含量0.23 g/kg，全磷含量0.072 g/kg，全钾含量1.03 g/kg，水解氮236 mg/kg，有效磷48.6 mg/kg，速效钾305 mg/kg，pH 6.1，母质为黄土状亚黏土，泥页岩为第四纪河湖相沉积物[14]。中国科学院海伦农田生态系统国家野外科学观测研究站1965—2010年气象数据显示，年均降水量为543 mm，降雨集中于6—9月。年均气温为1.5℃，平均最低气温-21.8℃和最高气温21.7℃分别在1 月和7月[15]。

1.2 试验设计

选取坡度为3°～5°的顺坡耕地，设置秸秆覆盖免耕处理和传统耕作对照。2021 年秋收后玉米秸秆粉碎全量覆盖，2022年春季种植作物为大豆。安装管式多参数含水率温度监测仪(JING2020070701)，7—9 月监测10、20、30、40、50、60、70、80 cm 水分含量和土壤温度，利用外界太阳能供电系统，记录时间间隔60 min。降雨数据来源于海伦黑土水土保持监测研究站AMSII自动气象站。

2 结果与分析

7—9 月采集10、20、30、40、50、60、70、80 cm 水分含量和土壤温度共1931 次，共11586 个数据。对应的降雨历时、平均雨强、I30、EI30情况见表1。

表1 次降雨各因子情况

2.1 秸秆覆盖含水量变化情况

由图1，秸秆覆盖地块20～80 cm 的土壤含水量曲线呈“几”字形变化，即具有一段时间内含水量保持不变，突然急速下降和上升的特点，且随着土层深度的加深，土壤含水量保持不变的时长越长。与张少良[16]和于庆峰等[17]研究结果一致，主要是秸秆覆盖后阻滞了土壤与空气的交换通道，大幅度降低土壤水分蒸发。30～80 cm 土层含水量呈“几”字形变化趋势尤为明显。40 cm和50 cm含水量变化幅度最小，大多维持在36%～39%，且变化趋势一致性高，急剧上升下降幅度小，呈小“几”字形变化曲线；60 cm 和80 cm 含水量上升下降变化幅度较大，呈中“几”字形变化曲线，80 cm含水量最高，基本保持35%～40%之间，60 cm含水量变化幅度在32%～37%之间；70 cm 含水量变化幅度可达到23%，变化非常剧烈，含水量最高接近40%，最低含水量仅为16%，低于所有土层的最低含水量，呈大“几”字形变化曲线。20 cm 土壤含水量和30 cm 含水量相近，在32%～38%之间。10 cm 含水量呈规律性的含水量急剧上升后逐渐下降的多个重复的过程，在22%～37%之间。较大次降雨后，各层土壤含水量上升存在滞后期。

图1 秸秆覆盖土壤含水量变化情况

由图2，传统耕作地块10～80 cm 的土壤含水量走势基本一致，次降雨后，含水量快速上升，基本无滞后期，受外界气象条件影响大于秸秆覆盖，随着时间推移含水量逐渐降低。传统耕作含水量稍低于秸秆覆盖，与杨成存等[18]研究结果一致。80 cm 含水量一直保持最高，多数处于36%～40%；其次是40～60 cm含水量较高，且数值为接近，基本维持在32%～39%；再次是70 cm 含水量，可达30%～36%；10～30 cm 含水量较为接近。20～80 cm土壤含水量，除在降雨时的大幅度变化，其他时段变化幅度较小，10 cm含水量相对波动较大。40～80 cm 含水量下降后达到一个基本稳定的水平，10～30 cm含水量会持续性波动下降。

图2 传统耕作土壤含水量变化情况

10～50 cm秸秆覆盖含水量基本高于传统耕作，降雨时秸秆覆盖和传统耕作含水量差距小，秸秆覆盖地表后减少了土壤水分的蒸发，起到蓄水保水的作用，降雨对裸露地表含水量进行了补充，其中秸秆覆盖10 cm土层含水量大部分高于传统耕作，秸秆覆盖20～50 cm 土层含水量均高于传统耕作。秸秆覆盖60、80 cm 土层含水量降雨时低于传统耕作，其他时间高于传统耕作，主要是由于传统耕作地块无秸秆蓄水保水作用，径流直接渗透至深层土壤。

2.2 秸秆覆盖温度变化情况

由图3，秸秆覆盖地块在8 月7 日前，土壤温度随着土层深度的加深，温度逐渐降低；越接近地表，土壤温度浮动变化越剧烈，因为受空气温度的影响越大，40～80 cm 土层温度浮动很小，相邻土层温度差1℃左右；10 cm 土壤温度在34.25～17.56℃，20 cm 土壤温度在28.06～19.63℃，30 cm 土壤温度在26.94～20.25℃，40 cm 土壤温度在26.69～20.00℃，50 cm 土壤温度在27.81～19.69℃，60 cm 土壤温度在26.56～19.06℃，70 cm 土壤温度在26.69～18.25℃，80 cm 土壤温度在25.06～17.44℃，20～80 cm 相邻土层同一时间温度差在0～1℃，10 cm和20 cm土壤温度差在2～6℃。40～80 cm土层温度8月7号后差距不足1℃，且随着时间推移温度变化非常小，8 月22 号后各土壤温度几乎一致；10～30 cm土层，越接近地表，浮动越大。

图3 秸秆覆盖土壤温度变化情况

由图4，8 月7 日前，传统耕作地块10 cm 温度在33.19～17.88℃，最高和最低温度略低于秸秆覆盖地块1℃；20 cm 温度在25.88～19.19℃，30 cm 温度在23.19～19.44℃，40 cm 温度在22.31～19.31℃，50 cm 温度在21.94～18.88℃，60 cm 温度在21.19～18.25℃，70 cm 温度在20.19～17.50℃，80 cm 温度在20.25～17.81℃，30～80 cm 相邻土层同一时间温度差在0～1℃，10 cm 和20 cm 温度差在1～7℃。传统耕作各土层土壤温度均低于秸秆覆盖处理，说明秸秆覆盖后，可以提供保温效果。8月7日后，40～80 cm土层温度较8月7日前差距减小，但其差距仍然大于秸秆覆盖处理，且随着时间推移温度变化非常小；10～30 cm土层，越接近地表，浮动越大。

图4 传统耕作土壤温度变化情况

秸秆覆盖和传统耕作10 cm 土壤温度变化均很大；秸秆覆盖20～70 cm 土壤温度高于传统耕作，其中50～70 cm 秸秆覆盖土壤温度高于传统耕作差较大，20～40 cm及80 cm土壤温度差相对较小。

3 结论与讨论

在传统耕作中，土壤水分蒸发界面为空气—土壤界面，在土壤含水量较高的情况下，地表附近的土层因太阳辐射汽化蒸发，使得地表土壤水分减少，水势降低，在毛管作用下，土壤深处的水会从高水势向低水势移动，形成土壤水分会从下层向上传导至土壤表面，再汽化蒸发的连续过程[19]。当土壤表面覆盖秸秆后，蒸发界面就由空气—土壤界面变为了空气-覆盖层界面，外界热量不会直接达到土壤表面，有效减缓了土表附近水分蒸发速率。与此同时秸秆覆盖也可以有效的阻止地表温度快速散失[20]，这个保温效果甚至可以影响到较深的土层，对土壤保温保墒起到了积极效果。

（1）本试验发现，对照传统耕作，次降雨后秸秆覆盖的土壤含水量变化存在一个滞后期，各层土壤可以在一段时间内保持高含水量，且随着深度的增加，保持高含水量的时间有所增加。这说明秸秆覆盖对土壤有很好的蓄水保墒效果，且随着土壤深度的增加，保墒效果也会越来越好。

（2）秸秆覆盖后，各土层土壤温度高于传统耕作的土壤温度；8月起，秸秆覆盖后各土层土壤温度的差距小于传统耕作的地块。秸秆覆盖地块与传统耕作温度变化趋势基本一致，随着土层深度的加深，土壤温度逐渐降低，但秸秆覆盖后土壤温度浮动幅度小于传统耕作。