茍琪琪，朱永華，呂海深，崔晨韻

(河海大學水文水資源學院，南京 210098)

淮北平原地處黃淮海平原南側，是我國重要的糧、棉、油、麻、果產(chǎn)區(qū)，但該區(qū)糧食產(chǎn)量水平低下，低產(chǎn)土壤約占耕地面積的60%，其中又以砂姜黑土面積最大，而該類土壤又具有結構性能差、質地黏重、干縮濕脹、易旱易澇、適耕期短等不良特性，因此已成為淮北平原玉米產(chǎn)量提高的主要制約因子，又由于該區(qū)經(jīng)歷了長期農業(yè)耕作、重型機械碾壓等高強度作業(yè)，使得砂姜黑土土壤結構發(fā)生變化，犁底層加厚上移，土壤緊實度增大，土壤蒸發(fā)率增加，土壤保水性、透水性變差，嚴重影響了玉米的生長和產(chǎn)量[1]。只有通過合理的耕作措施才能改善土壤惡化的物理性狀，保護性耕作是針對傳統(tǒng)耕作進行改良的耕作技術, 有很好的節(jié)水增產(chǎn)效果，可用四句話來概括：秸稈覆蓋、免耕播種、以松代翻、化學除草[2]。前人對保護性耕作對土壤水及作物產(chǎn)量的影響已進行了較深入的研究，李月興等[3]在東北干旱區(qū)進行了玉米保護性耕作的節(jié)水和增產(chǎn)效應研究，結果表明保護性耕作措施可提高土壤含水率，且對地表以下0～40 cm的土壤含水率影響較明顯；孔曉明等[4]研究表明深松較常規(guī)耕作能提高7.4%的0～35 cm田間持水量，增產(chǎn)4.3%；Xiaoguang Sang等[5]發(fā)現(xiàn)深松促進了土壤水分消耗和作物蒸散量；馬俊等[6]在晉西北干旱區(qū)試驗結果表明秸稈覆蓋可提高0～10 cm土層的田間持水量。但這些研究大多集中在西北黃土高原區(qū)以及東北和華北地區(qū)，而淮北平原地區(qū)2010年才開始保護性耕作，所以目前對淮北平原保護性耕作的報道還較少[7]，且前人在研究玉米土壤含水量時大多只在各個生育期選取幾天進行數(shù)據(jù)測量，試驗數(shù)據(jù)僅是日尺度。本文通過在五道溝試驗站對兩種不同耕作方式下的玉米全生育期土壤水分進行實時監(jiān)測的野外觀測試驗，探討了淮北平原不同耕作方式對土壤水分的影響以及土壤含水量的實時變化過程，為當?shù)乇Ｗo性耕作技術的推廣、水資源精確高效的利用以及農業(yè)生產(chǎn)提供了一定的理論依據(jù)和技術支持。

1 材料與方法

1.1 試驗地點

試驗在淮北平原五道溝水文水資源試驗站進行。該試驗站位于安徽省蚌埠市北25 km處的新馬橋原種場境內(N33°9′，E117°21′)，海拔約20 m，屬北亞熱帶和暖溫帶氣候的過渡帶，多年平均氣溫14 ℃，多年平均降水量890 mm，且降水量時空分布不均勻。試驗區(qū)土壤為砂姜黑土，0～80 cm土層平均田間持水率為38.89%，凋萎含水率為21.5%，玉米一直是當?shù)氐闹饕r作物之一。

1.2 試驗設計

本試驗開始于2016年6月。試驗區(qū)2015年秋天種的是花生，2016年上半年休耕，供試夏玉米品種為聯(lián)創(chuàng)808，試驗設兩種保護性耕作，分別為常規(guī)耕作秸稈還田(TSI)和深松耕作秸稈還田(SSI)。常規(guī)耕作采用鏵式犁翻耕一遍，作業(yè)深度15 cm，隨后耙地兩遍；深松耕作采用振動式深松機深松一遍，作業(yè)深度40 cm，隨后耙地兩遍；秸稈還田是冬小麥成熟后機械化收獲的同時將冬小麥秸稈粉碎(3～5 cm)后覆蓋地表還田(深度20 cm)，玉米貼茬播種，本次還田量是4 500 kg/hm2。各處理小區(qū)面積為3 m×5 m，重復兩次，各處理尿素施肥40 kg，專用肥(NPK復合肥)施肥40 kg。為保證玉米的正常生長，試驗設2次灌水，分別在8月12日和8月30日以手拿噴灌的方式進行灌溉，每次澆水30 mm，玉米生育期間按當?shù)亓晳T進行田間管理。

夏玉米于6月23日播種，10月2日收割，共有五個生長階段：出苗期(6月23-6月28日)、拔節(jié)期(6月28日-7月11日)、抽雄期(7月11日-8月21日)、灌漿期(8月21日-9月1日)、成熟期(9月1日-10月2日)。

1.3 測定項目與方法

在玉米生長過程中采用HOBO土壤水分測定儀分層實時測定0～80 cm土層的體積土壤含水量，每一小時讀取一次數(shù)據(jù)，每20 cm為一層，共4層。收獲時在每試驗小區(qū)隨機取樣帶回室內考種，測量穗長、穗周長，測定總粒數(shù)、百粒重、風干后百粒數(shù)及畝產(chǎn)量。

2 不同耕作方式對不同深度層土壤含水量的影響

2.1 不同耕作方式下土壤含水量的動態(tài)變化過程

不同耕作方式對土壤含水量有一定的影響，由圖1可知， TSI處理方式下各深度土壤含水量波動較大而SSI處理方式下各土層深度的土壤含水量均波動較小；TSI處理方式下各深度土壤含水量由大到小依次為50 cm>70 cm>10 cm>30 cm，SSI處理方式下各深度土壤含水量由大到小為70 cm>10 cm>30 cm>50 cm，可見深松使得50 cm土壤含水量減少，這可能是由于深松可有效打破犁地層，明顯提高夏玉米的根長、根深及根量[4]，從而使得50 cm土壤層耗水較多。從作物整個生育期來看，播種前常規(guī)耕作土壤含水量明顯低于深松處理，這表明作為底墑水，深松能提供更充分的水分供給，更有利于作物的出苗。6月21日玉米播種后有一場大降雨，使得各層土壤水量急劇上升迅速達到飽和，但深松耕作下土壤水的峰值較小，這可能是由于深松耕作下作物出苗更快，耗水更多，同時深松降低了土壤容重，增加了土壤通透性[8]，使得降水下滲更快，所以深層土壤含水量峰值較淺層更高。之后隨著玉米的生長，消耗了降雨貯蓄水量，使得各層土壤水量又急劇下降，且常規(guī)耕作較深松耕作下降的幅度更大，這說明深松地保水能力更強。8月12日和8月30日分別灌溉了30 mm，但各層土壤水并沒有較大波動，說明此時土壤十分干旱，灌水都被作物生長所消耗了。從圖中可看出降雨對土壤水分的變化有顯著影響。

圖1 不同耕作方式下土壤含水量的變化Fig.1 Changes of soil moisture under different tillage methods

2.2 不同深度層土壤含水量的動態(tài)變化過程

土壤水分在各層土壤中的含量隨各層土壤性質、根系分布以及耕作方式的變化而變化。從圖2可知，兩種耕作方式下10、50和70 cm土層的土壤含水量變化趨勢大致相同而30 cm土層的土壤含水量波動呈現(xiàn)較大差異，這可能是由于常規(guī)耕作時30 cm土壤層根系分布較多，所以30 cm土層在生育中期隨著作物生長耗水的增加土壤水量嚴重下降，到了生育后期作物成熟后耗水減少土壤含水量也相應增加，同時常規(guī)耕作時降雨下滲也慢，所以土壤水含量隨降雨波動較大。深松雖然降低了50 cm土壤含水量，但對10、30、70 cm土壤含水量均有不同程度的提高，土壤含水量分別提高了7.66%、8.74%和6.37%，可見深松對提高土壤含水量有明顯作用。從作物整個生育期來看，兩種耕作方式下生育末期的土壤含水量較播種前相比基本保持不變，所以降水量和灌溉量同作物生長的消耗、棵間蒸發(fā)量和下滲量差不多，說明降雨和灌溉是該地區(qū)夏玉米生長時期土壤供水的主要組成部分。

圖2 各深度層土壤含水量的變化Fig.2 Variation of soil moisture in each depth layer

3 不同時間尺度雨后土壤含水量動態(tài)變化規(guī)律

3.1 雨后土壤含水量的日變化過程

該地區(qū)降雨對土壤水分有顯著影響，雨后土壤水分的動態(tài)變化既能反應降雨入滲情況，又能反應土壤水分蒸發(fā)情況，因此選取生育期內兩次大降雨后的土壤水分進行動態(tài)變化分析。表1和表2分別為2016年6月20日和6月21日玉米出苗期連續(xù)兩天降雨76.1 mm前一天和后七天的土壤水分動態(tài)以及2016年7月19日和7月20日玉米抽雄期連續(xù)兩天降雨47.4 mm前一天和后五天的土壤水分動態(tài)，從表1和表2可看出，兩次降雨后第一天兩種耕作方式下各層土壤含水量都迅速升高，接近飽和，出苗期雨后第五天土壤含水量開始下降而抽雄期雨后第三天土壤水分就已經(jīng)開始減少了，這可能是因為抽雄期作物生長耗水多。由表1可得，TSI耕作方式下10和30 cm土壤含水量雨后都迅速減少，50和70 cm的土壤含水量卻一直接近飽和持續(xù)不變。而SSI耕作方式下雨后各層土壤含水量都迅速減少，這可能與該地區(qū)砂姜黑土的土壤特性有關。砂姜黑土質地黏重，土壤堅實僵硬，孔隙小，通透性差，且該地區(qū)長期進行農業(yè)活動使得耕作層土壤疏松，孔隙度大而犁底層及下部土層壓實緊密，孔隙度小，發(fā)育毛管孔隙[9]，而土壤中毛管水上升高度只有0.8～1 m，干旱時極易被切斷，因此TSI耕作方式下50和70 cm土壤含水量無法補給上層土壤水分，無法被作物吸收而一直保持不變，而SSI耕作方式下50和70 cm土壤含水量有所減少說明深松可以改變土壤密實度，增大土壤孔隙和通透性，使得犁底層以下的土壤水分也能得以利用。觀察表2發(fā)現(xiàn)，抽雄期雨后土壤水分變化也有類似規(guī)律。同時抽雄期雨后第三天SSI耕作方式下各層土壤含水量已恢復到雨前含水量并趨于穩(wěn)定，而TSI耕作方式下雨后第五天土壤含水量才恢復，說明SSI耕作方式下作物生長更旺盛，耗水更快，這與前面的結論相一致。抽雄期雨后TSI耕作方式下土壤水分減少了4.86%而SSI耕作方式下土壤水分增加了0.65%，說明深松貯水性較好，TSI耕作方式下土壤水分蒸發(fā)量較大，所以深松耕作能減少土壤水分蒸發(fā)。

表1 玉米出苗期雨后土壤水分變化Tab.1 Soil moisture changes after rainfall in seeding stage

表2 玉米抽雄期雨后土壤水分變化Tab.2 Soil moisture changes after rainfall in tasseling stage

3.2 雨后土壤含水量的小時變化過程

上文已從日尺度分析了降雨對土壤水分的影響，為了更精確的顯示降雨后土壤水分增長和消減的過程，下面將從小時尺度研究出苗期和抽雄期的兩次大降雨當天以及降雨后土壤水分開始消減當天的土壤含水量動態(tài)變化。增長和消減當天的土壤含水量動態(tài)變化過程如圖3和圖4所示。從圖3和圖4可看出，同一種耕作方式下兩次降雨后的土壤水分增長和消減過程大致相同，因此試驗結果具有一定的普遍性和代表性。由圖3可得，降雨后SSI耕作方式下的土壤含水量較TSI耕作方式先增長1～2 h，這是由于深松可以打破犁底層，降低犁底層土壤緊實度，增大土壤孔隙，使得雨水下滲較快。TSI耕作方式下10、50和70 cm土層先同時迅速增長，1 h后30 cm土壤含水量才開始增長，但很快各土層土壤含水量達到一致，約為0.45。SSI耕作方式下10 cm土壤水分先增長，1 h后50和70 cm土壤水分也開始迅速增長，而30 cm土壤含水量在兩次降雨后都沒有明顯的增長，一直穩(wěn)定在0.33左右，且增長后各層土壤含水量之間有明顯差距，其中30 cm土壤含水量最小。

從圖4可看出，兩種耕作方式下都是10 cm土層的土壤含水量先開始下降。由圖4(a)和圖4(c)可見TSI耕作方式下10cm土壤含水量在晚上九點會突然減小，這可能是由于砂姜黑土中最主要的礦物質是蒙脫石[9]，而蒙脫石是脹縮極顯著的膠體，降雨時蒙脫石遇水迅速膨脹，又由于犁底層蒙脫石含量較耕作層大，因此犁底層土壤迅速膨脹，使得犁底層及下部土層毛管孔隙閉合堵塞，耕作層土壤水分不能下滲，而雨過天晴后蒙脫石又干旱迅速收縮，土層毛管孔隙開啟，因此10 cm土層土壤水分快速下滲。由圖4(b)和圖4(d)可見SSI耕作方式下10 cm土壤水分逐漸緩慢下降，可見深松能一定程度的改善砂姜黑土易澇易旱的土壤特性。兩次降雨后，SSI耕作方式下土壤含水量比TSI耕作方式早1～2 d開始消退，說明SSI耕作方式下土壤水分更易被作物吸收利用。

圖3 降雨當天土壤含水量動態(tài)變化Fig.3 Dynamic changes of soil moisture in rainy day

圖4 雨后土壤含水量開始減少日動態(tài)變化Fig.4 Daily changes of soil moisture when it decreased

4 不同生長期土壤含水量的變化規(guī)律

土壤水分受降雨、耕作方式以及作物根系的影響明顯，前文已對降雨及耕作方式對土壤水分的影響作了初步分析，但生育期不同，作物長勢不同，不同耕作方式對土壤含水量也呈現(xiàn)出不同的影響。圖5為玉米各生育期平均土壤含水量的動態(tài)變化，從圖5可看出， SSI耕作方式只有在出苗期較TSI耕作方式土壤含水量低，降低了7.15%，到了拔節(jié)期，TSI耕作方式土壤含水量開始降低，以后各生育期SSI耕作方式土壤含水量都高于TSI耕作方式，這可能是因為SSI耕作方式下土壤保水性更好，各生育期分別升高了5.00%、4.47%、6.03%、4.70%，可見SSI耕作方式在拔節(jié)期和灌漿期土壤含水量提升最多，而玉米又在拔節(jié)期和灌漿期耗水量最大，因此SSI耕作方式能為玉米生長提供更充足的水分。兩種耕作方式在灌漿期的土壤含水量都很穩(wěn)定，TSI耕作方式土壤含水量為22.17%，SSI耕作方式土壤含水量為28.20%。抽雄期兩種耕作方式土壤水分都有突變，總體又呈下降趨勢，突變主要與降雨和灌溉有關，而總體呈下降趨勢可能是由于玉米在拔節(jié)期耗水量較大，消耗完了降雨貯蓄水量，因此抽雄期需要底墑水來補給作物生長，土壤含水量呈下降趨勢，但到了成熟期兩種耕作方式土壤水分又明顯上升，這是因為成熟期作物逐漸成熟，耗水量減少，所以土壤水分逐漸升高。從圖5還可看出兩種耕作方式的土壤含水量都在出苗期最大，灌漿期最小，這主要是因為作物生長消耗了大量土壤水分。

圖5 各生育期土壤含水量的變化Fig.5 Changes of soil moisture in each growth period

5 不同耕作方式對夏玉米產(chǎn)量的影響

表3為兩種耕作方式下玉米穗部性狀和產(chǎn)量的比較，由表3可知，兩種處理間穗列、穗行差別不大，TSI處理穗長較長，百粒含水率較大，SSI處理穗周長較大，粒數(shù)較多，百粒重較大，畝產(chǎn)量也大，SSI處理比TSI處理產(chǎn)量增加675.007 kg/hm2，增產(chǎn)5.70%，因此深松能明顯提高玉米產(chǎn)量。孔曉明等[4]研究表明深松耕作主要通過使玉米根系向深處生長，有利于根系吸收水分、養(yǎng)分，提高子粒發(fā)育，從而為高產(chǎn)奠定物質基礎。根據(jù)試驗結果對每個性狀和產(chǎn)量進行t檢驗后發(fā)現(xiàn)，按α=0.05的水平，兩種耕作方式下玉米穗部性狀并無顯著性差異，而產(chǎn)量差異顯著。

表3 不同耕作方式玉米穗部性狀和產(chǎn)量比較Tab.3 Ear characteristics and yield of maize under different Tillage methods

6 結 語

(1)不同耕作方式對土壤含水量有一定的影響，深松耕作時土壤含水量波動較小，深松雖然降低了50 cm土壤含水量，但對10、30、70 cm土壤含水量均有不同程度的提高，土壤含水量分別提高了7.66%、8.74%和6.37%，兩種耕作方式下30 cm土層的土壤含水量變化呈現(xiàn)較大差異。

(2)該地區(qū)降雨是土壤水分的主要補充來源，它對土壤水分變化有顯著影響，雖然研究區(qū)總降雨量大，但降雨時空分布不均勻，在降雨量不足時期，還需進行灌溉補水。經(jīng)過夏玉米一個生長季節(jié)的消耗，土壤含水量并沒有顯著減少，但降雨和灌溉貯蓄水量已消失殆盡，說明兩種耕作方式下降雨和灌溉都是該地區(qū)夏玉米生長時土壤供水的主要組成部分。

(3)由于該地區(qū)砂姜黑土的土壤特性，常規(guī)耕作時雨后第七天50和70 cm的土壤含水量都接近飽和不減少，而深松耕作時50和70 cm土壤水分能補給上層土壤水分，被作物吸收利用，所以深松可以改變土壤密實度，增大土壤孔隙和通透性，使得犁底層以下的土壤水分也能得以利用。抽雄期常規(guī)耕作雨后土壤水分減少了4.86%而深松耕作雨后土壤水分增加了0.65%，所以深松貯水性較好，同時深松能減少土壤水分蒸發(fā)。

(4)從小時尺度研究發(fā)現(xiàn)，降雨后深松耕作的土壤含水量較常規(guī)耕作先增長1～2 h，且兩種耕作方式下雨后各層土壤含水量的變化過程差異較大。研究還發(fā)現(xiàn)雨后土壤水增長達到飽和之后常規(guī)耕作時10 cm土壤水會在晚上突降，而深松耕作時會在一天內逐漸下降。

(5)土壤含水量在出苗期最大，灌漿期最小。除出苗期外，深松能顯著提高其他生育期的土壤含水量，拔節(jié)期和灌漿期提升最多，分別提升5.00%和6.03%。玉米經(jīng)過拔節(jié)期的大量耗水后，抽雄期需要土壤底墑水來補給作物生長，因此土壤含水量逐漸減少，灌漿期兩種耕作方式的土壤水分都很穩(wěn)定，到了成熟期隨著作物耗水減少土壤含水量又逐漸升高。

(6)深松耕作時玉米穗周長較大，粒數(shù)較多，百粒重較大，較常規(guī)耕作增產(chǎn)34.65%。

(7)本研究結果表明不同耕作方式下土壤含水率分布的差異可能與根系深度有很大關系，在接下來的試驗中還需增加根系的觀測，進一步深入探究影響土壤含水率分布的因素。

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