邱 野，王 瑄

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耕作模式對坡耕地土壤水分和大豆產(chǎn)量的影響

邱 野，王 瑄※

（沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)水利學(xué)院，沈陽 110161）

為了探討北方土石低山地區(qū)不同耕作模式對坡耕地的土壤水分特征及其對作物產(chǎn)量的影響，以10°坡耕地大豆田為研究對象，監(jiān)測了傳統(tǒng)耕作（CT）、免耕（ZT）、免耕秸稈覆蓋（NT）和橫壟（CR）4種不同處理下0～100 cm土壤水分垂直變化和水平變化，測定了大豆產(chǎn)量和水分利用效率。結(jié)果表明：1）在大豆不同生育期中，各處理在0～40 cm土壤水分含量均表現(xiàn)為：NT＞ZT＞CR＞CT，當(dāng)土層深度大于40 cm時，各處理間土壤水分含量的大小關(guān)系發(fā)生波動變化，其中ZT和NT能明顯改善0～50 cm土層土壤水分含量，較CT處理保墑效果提高25.34%～35.57%。2）CT和ZT處理坡位間土壤水分含量的大小關(guān)系，受大豆生育期內(nèi)總降雨量的影響較小，分別表現(xiàn)為：下坡位＞中坡位＞上坡位和下坡位≈中坡位＞上坡位，而NT和CR處理坡位間土壤水分含量的大小關(guān)系，會隨著大豆生育期內(nèi)降雨總量的不同而產(chǎn)生微變。3）各處理剖面土壤水分空間分布格局均表現(xiàn)出下濕上干的特點，CT和CR濕潤土層（體積含水率≥11.6%）分別位于坡底40～100 cm和坡頂40～100 cm處，而干燥土層（體積含水率≤8.6%）則分別位于坡頂10～30 cm和坡底10～20 cm處。ZT濕潤土層（體積含水率≥12%）分布集中性較差，NT濕潤土層分布集中性最好，且范圍最大，占據(jù)了整個坡面40～100cm深度范圍。4）所考慮的3個因素對土壤水分含量影響作用的大小表現(xiàn)為：耕作模式＞剖面深度＞坡位。5）在2a試驗中，與CT相比CR、ZT和NT處理產(chǎn)量分別平均增加8.77%、15.68%和26.74%，水分利用效率分別平均提高6.32%、11.6%和20.61%，因此建議在研究區(qū)種植大豆時，優(yōu)先采用NT耕作模式。

土壤水分；作物；耕作；大豆；產(chǎn)量；水分利用效率

0 引 言

土壤水是土壤的重要組成部分，是農(nóng)作物的生命之源，更是自然界水循環(huán)中不可缺少的重要組成部分[1]。土壤中水分的含量及空間分布特征，對坡面土壤侵蝕、農(nóng)田水資源的水文過程以及農(nóng)作物的生長等具有重要影響[2-3]。中國北方地區(qū)坡耕地分布范圍較廣，人為擾動頻率較大，加之不科學(xué)的耕作方式和微地形變化的綜合影響，使其農(nóng)田土壤結(jié)構(gòu)遭到不同程度的破壞，導(dǎo)致土壤水分分布格局紊亂，這對農(nóng)作物的生長以及土壤水資源的有效利用和科學(xué)管理極為不利。可見，掌握不同耕作模式下坡耕地土壤水分的分布規(guī)律，對研究坡耕地土壤水分的空間變異規(guī)律、坡面水土流失的防治、影響區(qū)域水文要素的治理以及優(yōu)化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等方面具有重要意義[4-8]。

耕作方式與土壤質(zhì)量演化、土壤水熱特性及農(nóng)業(yè)可持續(xù)利用之間的關(guān)系較為密切[9-10]。合理的耕作方式不僅可以改善農(nóng)田土壤特性，協(xié)調(diào)土壤中水、肥、氣、熱之間的關(guān)系，還可以提高田間土壤水分利用效率，這有助于保水增產(chǎn)和有效促進農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的良性循環(huán)[11-14]。現(xiàn)如今在中國北方有許多地區(qū)仍然沿用著傳統(tǒng)的翻耕耕作方式，該耕作方式雖然在消除作物殘茬、雜草和增加表層土壤通透性等方面有一定優(yōu)勢，但同時也會對土壤結(jié)構(gòu)造成極大的破壞，使土壤水分蒸發(fā)速率加快，降雨入滲率減小，致使土壤水分含量降低，這對農(nóng)業(yè)生態(tài)的可持續(xù)發(fā)展極為不利[15-16]。如今以免耕、少耕為代表的各種保護性耕作方式，在改善土壤結(jié)構(gòu)和提高土壤墑情等方面都表現(xiàn)出了明顯的優(yōu)勢[9, 17-19]。與傳統(tǒng)耕作相比，免耕條件下土壤孔隙連通性較好，保水和抗水蝕能力較強，這對增加土壤水分含量和提高水分利用效率較為有利[20-22]。另外，免耕與秸稈覆蓋相結(jié)合的耕作方式對土壤物理性質(zhì)的改善以及保水保土等方面效果更佳[23-24]?？梢钥闯?，隨著耕作模式的改變，土壤水分含量也會隨之產(chǎn)生不同程度的變化，而這種變化勢必會對坡耕地土壤水分的空間分布規(guī)律造成影響。目前，關(guān)于坡面土壤水分分布特征的研究大多是以地形、植被和氣象等作為其影響因子展開的，而以耕作模式作為其主要影響因子開展的相關(guān)研究則較為少見?；诖?，本文將從不同深度和坡位兩個方面，對CT、ZT、NT和CR 4種耕作模式下大豆田0～100 cm土壤水分的時空分布特征進行研究，并就不同耕作模式對大豆產(chǎn)量和水分利用效率的影響進行評價。以期為東北坡耕地地區(qū)耕作方法的合理選用和如何更好地提高農(nóng)田土壤水分利用效率及作物產(chǎn)量等提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗于2016年和2017年在遼寧省鐵嶺市西豐縣泉河小流域水保站進行，此地位于124°56′13.62″E，42°42′38.7″N。地貌類型屬土石低山區(qū)，屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候，雨熱同季，該區(qū)域多年平均降雨量為659.8 mm，其中6～9月份降雨最為集中，降雨量約占全年降水總量的70%以上。年均氣溫6.19 ℃，最高氣溫35.5 ℃，最低氣溫-44.5 ℃，年平均日照數(shù)2536.5h，相對濕度67%，凍土深度小于1.5 m，平均海拔221 m，年均蒸發(fā)量為1 219.4 mm。作物一年一熟，無需灌溉，為典型旱地雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)。試驗區(qū)土壤類型為棕壤土，假比重為1.29 g/cm3，萎蔫系數(shù)為7%，有機質(zhì)3.56%。試驗地土壤顆粒機械組成見表1。

表1 試驗地0～100cm土層土壤顆粒組成

1.2 試驗設(shè)計

在野外設(shè)置12個，長20 m、寬5 m的標(biāo)準(zhǔn)試驗小區(qū)，各小區(qū)長邊與等高線垂直，坡面朝向一致，坡度均為10°，小區(qū)四周用石棉瓦圍埂，塑料薄膜密封，深入地下30 cm。相鄰小區(qū)間設(shè)置3 m寬隔離帶，為保證試驗不受坡面外水干擾，在各小區(qū)坡頂上方設(shè)置排水溝。坡底處布設(shè)主池和分流池兩個徑流池，容積分別為2.2和1 m3。試驗供試大豆品種為“中黃38”，生育期120 d左右。試驗期間，每年大豆播種日期為：5月28－30日，收獲日期為：9月26－28日，每個小區(qū)種植98行9列，行距和列距分別為55和20 cm，每穴播種1～2株，播種前施一次大豆專用肥作為基肥，施用量為550 kg/hm2，出苗前進行一次化學(xué)除草，試驗期內(nèi)各小區(qū)均無灌溉處理。各試驗小區(qū)耕作方式布設(shè)方案及代碼如表2所示，各處理3次重復(fù)。

表2 試驗設(shè)計

試驗期間月平均降雨量和氣溫如圖1所示。與多年平均降雨量659.8 mm相比，2016年總降雨量比其高26.1 mm，屬平水年，而2017年總降雨量則比其低63 mm，屬欠水年。在2016年和2017年試驗期間，降雨量分別占到全年降雨總量的72.36%和74.23%，月平均氣溫均與多年同期平均氣溫較為接近，且均無極端天氣變化的情況發(fā)生。在2a試驗期內(nèi)，共有26場降雨產(chǎn)生了地表徑流，不同處理小區(qū)坡面徑流總量表現(xiàn)為：CT＞CR＞ZT＞NT，與CT相比，CR、ZT和NT處理的保水效果分別平均提高：12.79%、20.5%和37.1%，不同耕作模式小區(qū)次降雨坡面徑流量如圖2所示。

圖1 研究區(qū)月降雨量和月平均氣溫

圖2 不同耕作模式下次降雨坡面徑流量

1.3 測定指標(biāo)及方法

1.3.1 氣象資料、坡面徑流量和土壤水分

式中：N為各試驗小區(qū)中觀測點的數(shù)目，N為觀測次數(shù)，N為各測點每次深度觀測數(shù)量。

土壤貯水量計算公式為[25]

式中：為0～100 cm深度范圍內(nèi)的土壤貯水量，mm，為土層深度編號，為總土層數(shù)，θ為第層土壤體積含水量，%，H為第層土壤厚度，mm，本試驗測定土壤含水率的深度范圍為0～100 cm，步長為10 cm，即= 100 mm，=10。

1.3.2 耗水量及水分利用效率

大豆全生育期耗水量采用水量平衡法進行計算，計算公式為[25]

式中：為大豆全生育期耗水量，mm，Δ為0～100cm深度范圍內(nèi)土壤貯水量的變化，mm，即Δ=2?1，1和2分別為作物播前和收獲后0～100 cm土壤貯水量，mm；為作物生長期內(nèi)降雨量，mm；為地表徑流量，mm，由于本試驗無灌溉設(shè)計，且試驗場地位置地下水埋深＞4 m，降雨入滲深度不超過2 m，因此灌溉用水量、地下水補給量和滲透水量的值均可視為0。

大豆成熟后每小區(qū)隨機選取（除邊行）10株，測定相關(guān)農(nóng)藝性狀指標(biāo)，全區(qū)收獲后計算產(chǎn)量。水分利用效率的計算公式為[25]

式中：為大豆水分利用效率，kg/(hm2·mm)，為大豆產(chǎn)量，kg/hm2。

1.3.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2010和SPSS 20統(tǒng)計分析軟件進行數(shù)據(jù)處理、方差分析和繪圖，在數(shù)據(jù)正態(tài)分布檢驗和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的基礎(chǔ)上，計算平均值和標(biāo)準(zhǔn)差，采用Duncan新復(fù)極差法對各處理間計算數(shù)據(jù)進行差異顯著性檢驗（<0.05），并對影響土壤含水率的因素進行單變量多因素方差分析。等值線圖采用Surfer12.0軟件繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同耕作模式下大豆地土壤水分垂直變化

由圖3可以看出，在大豆的不同生育期內(nèi)不同處理相同深度間和相同處理不同深度間的土壤水分含量均存在明顯差異，這與大豆生育時期、降雨量及氣溫等因素密切相關(guān)。

在2a試驗期間，大豆生長初期各處理土壤水分含量均高于萎蔫系數(shù)，且在0～50 cm的各層土壤水分含量均表現(xiàn)為：NT＞ZT＞CR＞CT，而當(dāng)土層深度＞50 cm時，相同土層各處理間土壤水分含量的大小關(guān)系發(fā)生了波動變化（圖3a、e）。與2016年大豆生長初期相比，2017年CT、ZT、NT和CR處理，在0～100 cm的平均土壤含水量分別下降了26.47%、26.91%、29.23%和25.95%。這與測量前有效降雨的發(fā)生次數(shù)有關(guān)，在測量的前6d內(nèi)，2016年共發(fā)生了3次有效降雨（累計降雨量40.6 mm），這直接導(dǎo)致了各小區(qū)土壤水分含量的迅速增加，而2017年則無有效降雨發(fā)生（圖3a）。隨著大豆的生長發(fā)育，盡管期間降雨量較大，但受大豆生長耗水和氣溫逐漸升高的影響，各處理0～100 cm土壤水分含量整體明顯下降，其中20～50 cm表現(xiàn)最為明顯，CT、ZT、NT和CR處理分別下降31.61%、35.89%、35.1%和31.09%。同時，相同深度各處理間土壤水分含量的大小關(guān)系也隨之發(fā)生了變化，均表現(xiàn)為NT＞ZT＞CR＞CT（圖3b）。由于連續(xù)高溫天氣以及短期（觀測前10d）內(nèi)無有效降雨的影響，CT和CR 0～50 cm土壤水分含量顯著低于ZT和NT處理，ZT和NT較CT處理保墑效果提高25.34%～35.57%，且CT和CR處理0～20 cm土壤水分含量均低于萎蔫系數(shù)。另外40～100 cm土層各處理土壤含水量的大小關(guān)系又發(fā)生了波動變化（圖3c）。2016年大豆收獲期各處理土壤水分含量與上月相比均有不同程度回升，其中0～50 cm土層回升效果最為顯著，這是由于該年9月份的累計降雨量高于多年同期，進而增加了對土壤水分的補給量，而8月份的累計降雨量則低于多年同期，同時，9月份的平均氣溫比8月低5.9 ℃，使得坡面土壤水分的蒸發(fā)減少，在加之大豆在收獲期根系耗水量減少等綜合因素的影響，最終導(dǎo)致各處理中土壤水分的含量均有所回升（圖3d）。

較大強度的降雨能迅速有效的增加土壤中的水分含量，使各土層中土壤的水分條件得到大幅改善。在2017年7月20日的一次暴雨過后（降雨量45.9 mm），各處理不同土層的水分含量均大幅度提高，其中0～50 cm土層中降雨入滲補給的效果最為明顯，與CT相比ZT、NT和CR處理的土壤水分含量分別提高了5.64%、9.15%和3.37%（圖3f）。隨著大豆生長期的推進和持續(xù)高溫天氣的影響，這次暴雨對土壤水分的補給很快被消耗，各處理土壤水分含量開始大幅度下降，與去年同期相比，2017年8月各處理中均未見有低于萎蔫系數(shù)的情況發(fā)生，這是因為在本次觀測的前3d內(nèi)，共發(fā)生了3次有效降雨，累計降雨量達15.8 mm（圖g）。2017年收獲期CT、ZT、NT和CR處理0～100 cm的平均土壤含水量與2016年同期相比，分別下降了7.94%、8.1%、7.98%和8.71% ，且在0～30 cm土層中CT和CR處理均出現(xiàn)了低于萎蔫系數(shù)的情況，這與采樣前期連續(xù)多日無有效降雨有直接關(guān)系，雖然2017年9月的總降雨量高于多年同期平均降雨量18.1 mm，但該月的幾場較大強度降雨均發(fā)生在觀測日（9月14日）之后，因此造成該月所測得的土壤水分含量數(shù)據(jù)與上月相比整體偏低。在2a試驗中，收獲期各處理的0～50 cm土層的土壤水分含量均表現(xiàn)為：NT＞ZT＞CR＞CT，當(dāng)土層深度大于50 cm時，各處理間土壤水分含量的大小關(guān)系產(chǎn)生波動變化（圖3h）。

圖3 不同觀測時期耕作模式對大豆地0～100 cm土壤含水率的影響

2.2 不同耕作模式下大豆地土壤水分水平變化

在2016年和2017年大豆整個生育期內(nèi)，各處理不同坡位0～100 cm土層的平均土壤含水量如圖4所示?？梢钥闯觯诟髂暝囼炛?，同一處理不同坡位間土壤水分含量差異較大。CT和ZT處理分別表現(xiàn)為：下坡位＞中坡位＞上坡位和下坡位≈中坡位＞上坡位，其中CT處理各坡位間平均土壤水分含量大小關(guān)系差異顯著（＜0.05），且產(chǎn)生了明顯的坡底聚集效應(yīng)。而ZT處理上坡位的平均土壤水分含量顯著低于其他坡位（＜0.05），下坡位和中坡位之間則無顯著差異（＞0.05）；NT處理在平水年（2016年）和欠水年（2017年）分別表現(xiàn)為：中坡位≈下坡位＞上坡位≈中坡位和下坡位≈中坡位≈上坡位，可見，當(dāng)作物生長期內(nèi)的總降水量較多時，下坡位的平均土壤含水量會顯著高于上坡位（＜0.05），且會產(chǎn)生輕微的坡底聚集效應(yīng)，而當(dāng)作物生長期內(nèi)的總降水量較少時，各坡位間的平均土壤水分含量則無顯著差異（＞0.05）；CR與NT處理的結(jié)果則正好相反，在平水年（2016年）和欠水年（2017年）分別表現(xiàn)為：下坡位≈中坡位≈上坡位和下坡位≈中坡位＜上坡位，其中，在欠水年中，上坡位的平均土壤水分含量顯著高于其他坡位（＜0.05），而在平水年中各坡位間的平均土壤含水量則無顯著差異。

相同坡位不同耕作模式間平均土壤含水量的大小關(guān)系也存在較大差異。在2 a試驗中，各處理上坡位平均土壤含水量總體表現(xiàn)為：NT≈CR≈ZT＞CT，其中CT顯著低于其他處理（＜0.05），而ZT與CR之間則無顯著差異（＞0.05）；中坡位平均土壤含水量均表現(xiàn)為：NT≈ZT＞CR≈CT，其中NT和ZT顯著高于其他處理（＜0.05），而NT與ZT和CT與CR處理之間則無顯著差異（＞0.05）；下坡位平均土壤含水量均表現(xiàn)為：NT＞ZT≈CT＞CR，其中CR顯著低于其他處理（＜0.05），而CT與ZT處理之間則無顯著差異（＞0.05）。在不同年份中，相同處理同一坡位的平均土壤含水量也存在一定差異，這可歸因于氣象條件與坡面微地形變化等綜合作用。不難看出，在其他耕作條件相同的情況下，耕作模式的改變，同樣會對0～100 cm土壤水分的水平分布造成影響，進而使得土壤水分的空間分布格局發(fā)生變化。

注：不同大寫和小寫字母分別表示，同處理不同坡位間和不同處理同坡位間土壤含水量差異顯著（P＜0.05）。

2.3 不同耕作模式土壤水分剖面、坡面的二維分布及其控制因素

圖5為2016年和2017年試驗期間平均土壤含水量的分布情況，據(jù)此可以看出，各處理剖面土壤水分空間分布格局均表現(xiàn)出下濕上干的特點，且不同耕作模式間干濕土層的空間分布位置和土壤水分含量差異較大。CT處理的干燥土層（體積含水率≤8.6%）和濕潤土層（體積含水率≥11.6%）位置，分別出現(xiàn)在坡頂10～30 cm處和坡底40～100 cm處（圖5a）。與CT相比，CR處理干濕土層出現(xiàn)的水平位置與之相反，分別位于坡底10～20 cm處和坡頂40～100 cm處，且當(dāng)剖面深度大于80 cm時，濕潤土層范圍逐漸向坡底擴散（圖5d）。ZT處理的濕潤土層（體積含水率≥12%）分布集中性較差，在40～50 cm深度處其分布在坡面的中下部，在50～65 cm深度范圍內(nèi)，隨剖面深度的加深產(chǎn)生了坡底聚集效應(yīng)，而后當(dāng)剖面深度＞65 cm時，坡底聚集效應(yīng)隨剖面深度的加深而逐漸消失，當(dāng)深度增加到＞90 cm時，其濕潤層充滿整個坡面（圖5b）。與ZT相比，NT處理的濕潤土層（體積含水率≥11.8%）分布集中性相對較好，且范圍最大，其最開始出現(xiàn)在坡底20 cm處，并隨著剖面深度的加深逐漸向坡頂擴散，在剖面深度達到40 cm時，濕潤土層已經(jīng)擴散至整個坡面，并且將該擴散范圍一直延續(xù)到100 cm深度（圖5c）。在ZT和NT處理中，最干燥的土壤區(qū)域均出現(xiàn)在坡頂＜20 cm處。

圖5 2016—2017年試驗期間各處理平均土壤含水量空間分布

對所測土壤含水率數(shù)據(jù)作平方根反正弦變換，經(jīng)非參數(shù)K-S檢驗后數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布。以土壤含水率作為因變量，耕作模式、坡位和土壤剖面深度3因素作為固定因子，運用多因素方差分析法對3因素的作用大小進行評定，結(jié)果見表3。由值的大小可知，3種因素對坡耕地0～100 cm土壤水分含量均有極顯著影響（＜0.01），且影響作用的相對大小表現(xiàn)為：耕作模式（=179.867）＞剖面深度（=138.735）＞坡位（=70.467）。在3因素的交互作用中，對土壤水分含量產(chǎn)生極顯著影響的只有耕作模式與坡位的交互作用（＜0.01），產(chǎn)生顯著影響的只有耕作模式、坡位和剖面深度之間的交互作用，而其他交互作用對土壤水分含量的影響并不顯著（＞0.05），這說明在3因素的互交作用中，“耕作模式/坡位”對不同耕作模式下土壤含水量變化情況的解釋程度最高（=49.473），“耕作模式/坡位/剖面深度”次之。

表3 耕作模式、坡位和剖面深度對平均土壤含水量影響的3因素方差分析

2.4 不同耕作模式下大豆產(chǎn)量、農(nóng)藝性狀和水分利用效率

耕作模式的變換會導(dǎo)致大豆農(nóng)藝性狀的相關(guān)參數(shù)發(fā)生變化，進而對大豆產(chǎn)量和水分利用效率產(chǎn)生影響（表4）。2016年各處理大豆產(chǎn)量、貯水量和水分利用效率等參數(shù)值均大于2017年，這可能主要歸因于2a試驗期間總降雨量的不同。在2a試驗中，不同處理的大豆產(chǎn)量和耗水量均表現(xiàn)出NT＞ZT＞CR＞CT的顯著關(guān)系（＜0.05），其中大豆產(chǎn)量方面，CR、ZT和NT與CT處理相比，2016年分別提高8.11%、14.55%和24.83%，2017年分別提高9.43%、16.8%和28.65%，可見，在大豆生育期內(nèi)的總降雨量越小，則耕作模式的變化對大豆增產(chǎn)效果的影響越大。在農(nóng)藝性狀方面，NT和ZT的株高顯著高于CR和CT處理（＜0.05），而CT的分枝數(shù)和單株粒數(shù)則顯著低于其他處理（＜0.05）。在株高和分枝數(shù)方面，NT與ZT處理間無顯著差異（＞0.05）。2 a試驗中，CT、ZT和NT在單株粒數(shù)和百粒質(zhì)量方面表現(xiàn)出了顯著差異（＜0.05)，可見，與CT相比，ZT和NT處理產(chǎn)量的增加可主要歸因于單株粒數(shù)和百粒重的增加。水分利用效率方面，各處理間均表現(xiàn)出了顯著差異，CR、ZT和NT均顯著高于CT處理（＜0.05），與CT相比，其中，2016年分別提高5.21%、10.41%和19.3%，2017分別提高7.43%、12.78%和21.93%。

表4 不同耕作模式下大豆產(chǎn)量、農(nóng)藝性狀和水分利用效率

注：同列數(shù)據(jù)后不同字母表示處理間差異達5%顯著水平。

Note: Values followed by different letters in the same column refers to the 5% difference among different treatments.

3 討 論

3.1 不同耕作模式對土壤水分含量垂直方向變化的影響

與CT相比，CR、ZT和NT處理在0～30 cm土層中的平均土壤水分含量增加效果最為明顯，分別增加3.66%、12.82%和21.42%，其次是80～90 cm土層，分別增加3.17%、9.35%和17.9%，而在60～70 cm土層中的增加效果則相對較差，分別增加2.45%、6.9%和15.62%，可以看出，CR、ZT和NT處理不僅能明顯提高表層土壤的水分含量，而且對較深層土壤水分含量的增加也起到了積極的作用，這與劉爽等[26-27]的研究結(jié)果較為一致。在2a試驗期間，ZT、NT和CR在0～100 cm土層中的土壤水分含量與CT處理相比均有所增加，這是因為免耕避免了雨滴對耕層中土顆粒的直接打擊以及土壤有機質(zhì)的過度分解，促進了土壤中水穩(wěn)性團聚體的形成，優(yōu)化了土壤結(jié)構(gòu)，提高了土壤持水性能，進而造成土壤中水分含量的增加[28-29]；而秸稈覆蓋有效抑制了土壤中的水分蒸發(fā)，改善了土壤結(jié)構(gòu)及理化性質(zhì)，增強了土壤保水能力，對促進土壤中有效水含量的增加及導(dǎo)水功能的提高均起到了積極的作用[30-33]，同時，秸稈覆蓋還增加地表粗糙度，減少了雨滴和地表徑流對坡面土壤的沖擊，調(diào)節(jié)和分散了地表徑流，減緩了流速，這有效提高了降雨的就地入滲量。另外，秸稈覆蓋與免耕相結(jié)合后進一步增大了土壤中通氣孔隙的孔徑，減小了無效孔隙的孔徑，提高了土壤持水性能，進而使得土壤中水分庫的容量增大[24]；CR處理之所以能夠提高土壤中的水分含量，是由于其特殊的壟向布設(shè)方式，對坡面徑流和雨水產(chǎn)生了較強的聚集作用，減小了雨滴和徑流對坡面的打擊和沖刷，使得坡面土壤入滲時間增加，保水保土能力提高，進而促使土層中土壤水分含量增加[34]。

3.2 不同耕作模式對土壤水分含量水平方向變化的影響

在地形因子中，坡位是其最重要的組成部分之一，坡位能引起水熱因子及一系列土壤特性發(fā)生變化，從而改變能量平衡，對土壤水分分布的空間格局產(chǎn)生重要影響[35]。另外，降雨在坡面上的再分配也會使得不同坡面位置的土壤水分含量產(chǎn)生差異[36]。本研究得出CT和NT處理下坡位的平均土壤含水量均高于中坡位和上坡位，且CT處理產(chǎn)生了明顯的坡底聚集效應(yīng)。這是因為傳統(tǒng)耕作對坡面表層土壤結(jié)構(gòu)破壞較大，使得表層土壤滲透系數(shù)增大，滲流流速增加，再加之垂直坡底的壟向布設(shè)方式和坡度的聯(lián)合作用，使得在降雨發(fā)生后，產(chǎn)生地表徑流前，坡面上大量雨水順著表層土體內(nèi)部滲流通道迅速向坡底聚集，同時，隨著降雨量的持續(xù)增加，無任何保護措施的CT處理坡面會迅速產(chǎn)生地表徑流，在坡度的作用下集體向坡底匯集。與CT相比，NT處理雖然較好的保護了坡面土壤結(jié)構(gòu)，推遲了地表徑流的發(fā)生時間，減緩了地表徑流的流速，減小了坡底與坡頂土壤水分含量的差異，但由于秸稈的布設(shè)使得水分入滲到覆蓋層后，會在土層與覆蓋層的交界處聚集，并在坡度的作用下向坡底緩慢滲流，進而也使得下坡位的平均土壤含水量有所增加。

而ZT處理坡底聚集效應(yīng)則相對較差，其中坡位的土壤水分含量相對較高，這和免耕最大程度地保持了土壤的原有結(jié)構(gòu)有關(guān)，在無秸稈覆蓋的條件下，坡面徑流順坡底有序排出，當(dāng)降雨結(jié)束時，土壤中的水分保持了天然的分布狀態(tài)，在與大豆根系吸水的聯(lián)合作用下，弱化了坡度對土壤水分空間分布的影響；CR處理則沒有產(chǎn)生坡底聚集效應(yīng)，且上坡位的土壤水分含量相對較大，這可能主要與試驗期間較高的降雨頻次和較多的坡面徑流產(chǎn)生次數(shù)有關(guān)，由于壟向橫向布設(shè)的方式，有效阻止了坡面徑流向坡下的匯集，同時還促使了地表匯水在壟溝中的橫向移動，形成側(cè)滲流[34]，當(dāng)坡面坡度較小時，有效減小或消除了坡底聚集效應(yīng)，另外在多次徑流沖刷后，下坡位的壟檻高度與上坡位相比會明顯降低，壟溝的蓄存水能力下降，進而導(dǎo)致下坡位土壤中的水分含量下降。

3.3 不同耕作模式對大豆產(chǎn)量和水分利用效率的影響

免耕作為重要的保護性耕作措施，能減少外力對表層土壤的擾動，進而降低土壤容重，改善土壤孔隙狀況，減少水分散失，這對增強土壤蓄水保墑能力以及促進農(nóng)作物增產(chǎn)等方面均有著積極的作用[20,22]。本研究中也得出了與之相似的結(jié)論，ZT的大豆產(chǎn)量和水分利用效率分別比CT處理平均高出15.68%和11.6%。但周興祥等[27]則認(rèn)為長期免耕會對耕層土壤的理化性質(zhì)產(chǎn)生不良影響，且容易導(dǎo)致表層土壤富營養(yǎng)化和病蟲危害加劇。當(dāng)連續(xù)免耕6a時，會造成耕層土壤過于緊實和犁底層加厚，不利于作物早期生長[20]。胡立峰等[37]也認(rèn)為長期免耕會使農(nóng)作物的產(chǎn)量減少，并提出在連續(xù)免耕3～5 a后，應(yīng)對土壤進行深耕翻，以保證土地的生產(chǎn)能力。本研究中雖然也得與之相似的結(jié)論，但由于試驗期間較短，以及每年試驗期間總降雨量差異較大，連續(xù)免耕是否為該區(qū)域大豆產(chǎn)減產(chǎn)的關(guān)鍵因素還需進一步驗證；秸稈還田措施，在避免秸稈焚燒造成大氣污染的同時，還能起到提高水分利用效率、保墑、增肥和增產(chǎn)的作用。本研究中NT的大豆產(chǎn)量和水分利用效率與CT處理相比，分別平均高出26.74%和20.61%。但也有人認(rèn)為秸稈覆蓋也存在一些弊端，殷濤等[14]通過將整個田面秸稈以整桿直接覆蓋的方式，對玉米田土壤水熱效應(yīng)進行了研究，雖然同樣得出免耕秸稈覆蓋與傳統(tǒng)耕作相比，顯著改善了土壤水分條件，提高了水分利用效率，但也發(fā)現(xiàn)較大的地表覆蓋量下會致使早春地溫較低，作物出苗困難，最終導(dǎo)致作物產(chǎn)量降低。而本研究中NT的水分利用效率和產(chǎn)量在2a試驗中均顯著高于CT處理（＜0.05），未發(fā)生作物減產(chǎn)的現(xiàn)象，這可能與本研究中玉米秸稈覆蓋量較少和非整桿覆蓋有關(guān)，也可能與種植作物的品種不同有關(guān)；橫壟耕作在中國北方雨養(yǎng)農(nóng)作物地區(qū)被廣泛應(yīng)用，其特殊的壟向布設(shè)方式，能有效減少坡面水土流失，提高水分入滲量，進而處進作物增產(chǎn)和提高水分利用效率[38]。Barton等[39]在10°和27°小區(qū)上進行了4年的連續(xù)觀測，得出橫壟較傳統(tǒng)耕作的作物產(chǎn)量提高15%～19%。本研究也得出了與之相似的結(jié)論，在2a試驗中CR與CT相比，作物產(chǎn)量和水分利用效率分別平均提高了8.77%和6.32%。

4 結(jié) 論

本文通過野外試驗，在大豆的不同生育期中，對傳統(tǒng)耕作（CT）、免耕（ZT）、免耕秸稈覆蓋（NT）和橫壟（CR）4種耕作模式下，坡耕地0～100cm的土壤水分、大豆產(chǎn)量和水分利用效率等進行了分析，主要結(jié)論如下：

1）垂直方向上，各處理在0～40 cm土壤水分含量均表現(xiàn)為：NT＞ZT＞CR＞CT，當(dāng)土層深度大于40 cm時，各處理間土壤水分含量的大小關(guān)系發(fā)生波動變化。

2）水平方向上，CT和ZT處理坡位間土壤水分含量的大小關(guān)系，受大豆生育期內(nèi)總降雨量的影響較小，分別表現(xiàn)為：下坡位＞中坡位＞上坡位和下坡位≈中坡位＞上坡位，而NT和CR處理坡位間土壤水分含量的大小關(guān)系，會隨著大豆生育期內(nèi)降雨總量的不同而產(chǎn)生微變。

3）各處理剖面土壤水分空間分布格局雖然均表現(xiàn)出下濕上干的特點，但各處理相對濕潤和干燥土壤區(qū)域的空間分布范圍和位置各不相同，在所考慮的3個因素中，對土壤水分含量影響作用的大小表現(xiàn)為：耕作模式＞剖面深度＞坡位。

4）CR、ZT和NT與CT處理相比均能顯著增加大豆產(chǎn)量和提高水分利用效率，其中產(chǎn)量分別平均增加：8.77%、15.68%、26.74%，水分利用效率分別平均提高6.32%、11.6%、20.61%。

因此，所選4種耕作模式中以“免耕秸稈覆蓋（NT）”耕作模式的增產(chǎn)效果最好、水分利用效率最高，是土石低山地區(qū)及類似地區(qū)大豆田首選的耕作模式，其次是“免耕（ZT）”耕作模式。

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Effects of tillage patterns on soil moisture and soybean yield in sloping fields

Qiu Ye, Wang Xuan※

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Due to the differences in farming habits, geographic and climatic environment, there are great discrepancies in the cultivation methods in different rainfed agricultural areas of China. In order to study the effect of different tillage patterns on soil moisture characteristics and crop yields in sloping field of the low hilly areas in northern China. 12 standard experimental plots were set as 12 m ×5 m in the soybean fields with sloping field of 10 degree. The long sides of each plot were perpendicular to the contour lines, and the slopes were facing the same direction. In this paper, we set up four treatments: traditional tillage (CT), no-tillage (ZT), no-tillage straw mulch (NT) and Cross Ridge (CR). The bottom of each plot was equipped with a runoff pool. The vertical and horizontal variations of soil moisture content at 0-100 cm depth under different treatmentsat different growth stages of soybean were monitored. The runoff, yield and water use efficiency of soybean in different slopes were measured. The results showed that: 1) in different growth stages of soybean, the soil moisture content of each treatment in 0-40 cm was NT > ZT > CR > CT. When the soil depth exceeded 40 cm, the relationship among different treatments in soil moisture content fluctuated. Compared with the CT treatment, ZT and NT treatments could obviously increased soil moisture content by 25.34% to 35.57% in 0-50 cm. 2) The relationship between CT and ZT treatments in soil water content was slightly affected by the total rainfall during soybean growth period, which showed as follows: downhill position > midslope position > uphill position, and downhill position ≈ middle slope position > uphill position, and the relationship between NT and CR treatments in soil moisture content slightly varied with the total rainfall during the soybean growth period. 3) The spatial distribution of soil moisture in profile of each treatment showed the characters of upper wetting and down drying. The wet soil layers (volumetric moisture content ≥11.6%) in CT and CR treatment were located at 40-100 cm from the bottom of slope and 40-100 cm from the top of slope, respectively, while dry soil layers (volumetric moisture content ≤ 8.6%) were located at 10-30 cm from the top of slope and 10-20 cm from the bottom of slope, respectively. The wet soil layer (volume moisture content ≥ 12%) in ZT treatment was poorly distributed, and wet soil layer in NT treatment has centralized distribution with the largest range, occupying the 40-100 cm depth range of the whole slope. 4) The effects of three factors on soil water content were as follows: tillage pattern > depth of profile > slope position. 5) During the 2yr’s experiment, compared with the CT treatment, soybean yield in CR, ZT and NT treatments increased by 8.77%, 15.68% and 26.74%, respectively, and water use efficiency increased by 6.32%, 11.6% and 20.61%, respectively. Therefore, NT cultivation mode should be preferred in soybean cultivation in the study area.

soil moisture; crops; tillage; soybean; yield; water use efficiency

邱 野，王 瑄. 耕作模式對坡耕地土壤水分和大豆產(chǎn)量的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2018，34(22)：128－137. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.22.016 http://www.tcsae.org

Qiu Ye, Wang Xuan. Effects of tillage patterns on soil moisture and soybean yield in sloping fields[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(22): 128－137. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.22.016 http://www.tcsae.org

2018-06-02

2018-10-22

東北半干旱地區(qū)主要農(nóng)作物微灌節(jié)水關(guān)鍵技術(shù)研究與示范項目（201303125）

邱 野，博士生，主要從事農(nóng)業(yè)水資源環(huán)境保護與利用方面的研究。Email：qiuye19841118@163.com

王 瑄，博士生導(dǎo)師，主要研究方向為土壤侵蝕與農(nóng)業(yè)節(jié)水。Email：xuanw11@163.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.22.016

S152.7

A

1002-6819(2018)-22-0128-10