秸秆覆盖对土壤水热效应及水分利用效率的影响

孔凡丹 周利军 郑丽颖 张作合 杨则已 郑美玉 吴 娟

（绥化学院农业与水利工程学院 黑龙江绥化 152061）

我国对于秸秆覆盖的研究始于20世纪70年代初[1]，主要研究秸秆覆盖对土壤水热[2]、作物产量[3，4]及植被生长[5，6]等方面的影响。在农业生产中，土壤水热是决定植物生长发育的重要条件。有研究表明，秸秆覆盖处理可提高土壤贮水量，增加土壤墒情[7]，提高作物产量[8]。刘继龙等[9]通过分析不同秸秆覆盖量以及耕作方式对不同深度土层土壤孔隙度、土壤持水性、土壤供水能力以及土壤水分有效性的影响，揭示了黑土区秸秆覆盖、耕作方式对土壤水分特性的影响机制。王蓉等[10]探究了膜下秸秆覆盖的日光温室黄瓜根际土壤水热特征及增产机制，结果表明：膜下秸秆覆盖可提高黄瓜全生育期0～30cm土壤蓄水量。范重秀等[11]以党参为试材，采用双因素随机区组方法，研究了秸秆覆盖量和覆盖时间对土壤水热状况及党参产量的影响，结果表明：秸秆覆盖显著提高党参生长后期0～20cm 土层的土壤含水量，秸秆覆盖对党参具有显著的降温保墒和增产作用。

黑龙江省是我国重要的粮食生产基地，其农业用地土壤水分的补给主要依赖自然降雨，由于缺乏适宜的耕作方式，使得降雨径流损失较大，采用秸秆覆盖可有效提高秸秆利用率，增加雨水利用效率，保护生态环境，为黑土区农业生产提供有力的支撑。因此，本研究以黑龙江省典型黑土区为研究区，应用玉米秸秆进行覆盖，主要研究秸秆覆盖对土壤水热及水分利用效率的影响，旨在改善黑土区土壤特性，提高水分利用效率，达到作物增产的目的。

一、材料与方法

（一）研究区概况。试验于2021年5～10月在黑龙江省绥化市北林区（46°41′N、126°58′E）进行，该区域位于绥化市中部地区，属于温带大陆性气候，冬季寒冷漫长，春秋季节短且多风，降雨分布不均，多集中在7、8月份，属雨热同季，年平均气温约为2.4℃，年积温约为2566℃，日照时数约为2766h，无霜期约129d左右，降水量547mm，研究区概况如图1所示。

图1 研究区示意图

(二)试验材料。玉米秸秆为上一年秋收后收获，于次年春耕前粉碎至3～5cm碎段，播种前均匀拌入土中。供试土壤为黑土，碱解氮含量147.26mg/kg，速效磷含量25.02mg/kg，速效钾含量157.23mg/kg，土壤pH为6.30。试验用大豆品种为垦丰16，种子由黑龙江省农垦科学院作物所选育，该品种高产、稳产，既适宜垄作，又适宜密植，种植密度为30万株/hm2。

(三)试验设计。试验场地地势平坦，划分12块5m×5m的区域，行距为0.5m，株距为0.3m，共设4个处理，分别为：秸秆深耕覆盖(SG)；秸秆浅耕覆盖(QG)；秸秆留茬覆盖(LC)和无秸秆覆盖(CK)，试验采用单因素随机区组设计，每种处理3个重复，前茬作物为玉米，收获后秸秆粉碎均匀铺设，2021年5月10日与底肥一起播施，田间管理与当地农户管理一致，10 月6 日收获。试验各处理详见表1。

表1 试验处理

（四）样品采集与测定。土壤温度及含水率采用TDR时域反射仪进行测定，分别在各处理地块埋设TDR 时域反射仪一台，每10cm深度测定一组温度及含水率，最大深度为100cm，每小时自动收集数据。用感量为0.1g 的电子天平称取百粒重。每个试验小区选取三个重复，计算其平均值。

（五）计算方法及数据分析。作物耗水量是指作物在生长的过程中棵间蒸发量与作物蒸腾量之和。由于作物耗水量很难直接测定，因此大豆耗水量采用农田水分平衡方程进行计算，计算方法如下：

式中：ET—大豆生育期内的耗水量，mm；Wr—随计划湿润层增加而增加的水量，mm；P0—有效降雨量，mm；K—地下水补给量（K=0），mm；M—时段t内的灌水量，为0，mm；Wt-0—时段初和任一时段土壤计划湿润层内的储水量，mm。

水分利用效率受产量和生育期内耗水量的影响，水分利用效率计算方法如下：

式中：WUE—水分利用效率，kg/m3；Y—大豆产量，kg/hm2。

应用ArcGIS10.2 进行研究区示意图绘制，Microsoft office Excel2010进行数据处理，Origin2022和sufer11软件进行数据绘图，SPSS Statistics22.0软件对相关数据进行方差分析，采用最小显著差异法(Least significant difference method，LSD)进行显著性检验（P＜0.05）。

二、结果与分析

（一）秸秆覆盖对土壤水分的影响。土壤含水率的变化主要受气候、作物生长状况、覆盖物及覆盖方式的影响。2021年大豆生育期0～30cm土层含水率变化如图2所示。0～30cm土层土壤含水率在大豆苗期至开花期以LC 处理效果最好，土壤含水率较其他三种处理随外界温度变化较小，说明秸秆留茬覆盖可有效阻止水分散失，有利于提高土壤含水量。在大豆开花至成熟期前后，SG 及QG 处理土壤含水率较大，其中10～20cm 土层含水率最大值为QG处理，20～30cm土层含水率最大值为SG处理。由图2可以看出，各处理0～30cm土层含水率0～10cm处的土壤含水率差异较大，大豆生育前期秸秆留茬覆盖含水率明显高于其他处理；在10～20cm 差异逐渐缩小，各处理间差异不显著，20～30cm 土层差异变大，说明不同秸秆覆盖方式对表层土壤含水率影响较大，较CK处理均有利于土壤含水率的提高。

图2 大豆生育期内0～30cm土壤水分变化图

(二)秸秆覆盖对土壤温度的影响。2021 年大豆生育期0～30cm土层温度变化如图3所示。LC处理在苗期土壤0～10 cm温度上升较慢，土壤温度随外界温度变化较小，而在成熟期前后，由于秸秆在土壤表层，土壤温度下降也相对较慢，10～20cm及20～30cm土层随着外界温度变化较小；QG处理土壤0～10cm土层温度随外界温度变化较快，并能很快将表层吸收的热量传至10～20cm土层；SG处理10～20cm土层吸收热量后，土壤保持温度的时间较长；SG及QG处理在大豆成熟期后随着土壤温度的降低降幅较小，这说明秸秆具有一定的阻碍热量传递的作用。

图3 大豆生育期内0～30cm土壤温度变化图

（三）秸秆覆盖对耗水量的影响。大豆生育期内的耗水量变化如图4所示。由图4看出，大豆在苗期的耗水量最低，此时作物较小，对水分需求较少，再者气温较低，致使棵间蒸发量和植株蒸腾量都很少。开花期以后，作物增长加快，大豆耗水量亦有所增长。进入结荚期后，作物主要以营养生长为主，此期会消耗掉大量的水分，因此，结荚期和鼓粒期大豆耗水量逐渐增大。成熟期后大豆各器官生长缓慢，叶片逐渐脱落至地表，使得棵间蒸发量和植株蒸腾量减少，因此耗水量很小。

图4 大豆生育期耗水量变化图

不同秸秆覆盖方式对大豆生育期耗水量的影响不同，整体上大豆耗水量由大到小为：SG＞CK＞QG＞LC。在苗期各处理间的耗水量差异较小，开花期至鼓粒期，各处理耗水量显著差异，SG处理与LC处理之间耗水量差距最大，达到了46.41mm。SG、QG、LC和CK在开花期至鼓粒期的耗水量分别占整个生育期的77..17%、77.25%、77.16%和78.01%，可见，开花至鼓粒期是水分消耗的关键期。总的来说，LC处理对于减少生育期内的耗水量效果最好，SG处理效果最差。

（四）秸秆覆盖对水分利用效率的影响。不同秸秆覆盖对大豆水分利用效率的影响见表2。由表2 可知，不同秸秆覆盖措施对大豆水分利用效率由高到低为：LC＞QG＞SG＞CK。SG与QG 处理间的水分利用效率差异不显著，SG 处理产量高，但其耗水量最大；CK 处理不仅耗水量大，产量还很低，致使水分利用效率最小。LC处理水分利用效率最高，且耗水量最低，产量与QG处理差异不显著，说明LC处理在一定的程度上可以减小因水分蒸发所造成的消耗，同时保证作物产量。

表2 不同秸秆覆盖对大豆水分利用效率的影响

三、结语

（一）土壤含水率在大豆苗期至开花期以秸秆留茬覆盖处理效果最好，说明秸秆留茬覆盖可有效阻止水分散失，有利于提高土壤含水量；在大豆开花至成熟期前后，深耕秸秆覆盖和浅耕秸秆覆盖处理土壤含水率较大，说明秸秆覆盖在一定程度上更有利于土壤含水率的提高。秸秆覆盖在大豆生育初期土壤温度上升较慢，土壤温度随外界温度变化较小，而在成熟期前后，土壤温度下降也相对较慢，说明秸秆具有一定的阻碍热量传递的作用。

（二）大豆生育期作物耗水量呈先升高后降低的趋势。不同秸秆覆盖方式对大豆生育期耗水量的影响不同，秸秆留茬处理可有效减少生育期内的作物耗水量。秸秆留茬处理水分利用效率最高，且耗水量最低，产量与浅耕秸秆覆盖处理差异不显著，说明秸秆留茬处理在一定的程度上可以减小因水分蒸发所造成的消耗，同时保证作物产量。