秦詩潔，師登峰，高偉達(dá)

吉林南部不同耕作管理下土壤水分對(duì)降雨事件的響應(yīng)

秦詩潔，師登峰，高偉達(dá)※

（中國農(nóng)業(yè)大學(xué)土地科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，北京 100193）

土壤水分對(duì)降雨的響應(yīng)特征與降水在地表和土壤中的分配密切相關(guān)。該研究為明確不同耕作方式下黑土土壤水分對(duì)降雨的響應(yīng)，利用時(shí)域反射儀原位動(dòng)態(tài)監(jiān)測吉林南部耕作長期定位試驗(yàn)翻耕（CT）和免耕（NT）下玉米生育期含水率，通過7個(gè)指標(biāo)量化兩種耕作管理下土壤水分對(duì)降雨量大且持續(xù)時(shí)間長、降雨量小且持續(xù)時(shí)間短和降雨量較大且持續(xù)時(shí)間較短、降雨強(qiáng)度大的3類降雨事件的響應(yīng)。結(jié)果表明：1）CT初始含水率較低，0～2.5、2.5～5和5～10 cm累積增加含水率（ASWI）顯著高于NT；隨土壤深度增加，CT的ASWI明顯下降，而NT基本穩(wěn)定。2）多數(shù)情況下，NT下相鄰?fù)翆永鄯e增加含水率之比（RSWI）大于100%，而CT低于100%。3）高降雨強(qiáng)度下NT相鄰?fù)翆訉?duì)降雨事件的響應(yīng)時(shí)間（DRTlayer）平均值和異常值為負(fù)值的頻率較多，說明NT下更易發(fā)生優(yōu)先流。因此，極端降雨下NT土壤水分響應(yīng)更劇烈，有利于降水向下層土壤滲透，減少地表徑流形成。

土壤水分；耕作；黑土；免耕；降雨事件

0 引 言

全球氣候變化導(dǎo)致極端降雨事件頻發(fā)[1]。研究表明未來中國降雨總量呈下降趨勢，強(qiáng)降雨和干旱天氣發(fā)生頻率增加[2]。強(qiáng)降雨事件可能會(huì)擴(kuò)大土壤水分波動(dòng)，干旱期延長造成作物生長水分脅迫增加[3-4]。同時(shí)強(qiáng)降雨會(huì)致使土壤處于飽和狀態(tài)，一方面引起較大的地表徑流，水土流失風(fēng)險(xiǎn)加?。涣硪环矫?，地表積水會(huì)導(dǎo)致作物生長面臨缺氧脅迫，產(chǎn)量受損[5-6]。因此，明確農(nóng)田土壤水分對(duì)降雨事件的響應(yīng)對(duì)于減少水土流失，提高水分利用效率和作物產(chǎn)量具有重要意義。

農(nóng)田土壤水分對(duì)降雨事件的響應(yīng)受多個(gè)因素影響，如降雨強(qiáng)度、作物冠層截留、地表覆蓋度、土壤物理性質(zhì)（質(zhì)地、容重、孔隙等）等[7]。Hess等[6]研究發(fā)現(xiàn)降雨強(qiáng)度增加會(huì)促進(jìn)深層滲漏，增加深層土壤含水率。此外，當(dāng)土壤初始含水率較高或降雨強(qiáng)度高于土壤入滲能力時(shí)，增加降雨強(qiáng)度會(huì)改變水分入滲路徑，優(yōu)先流路徑可能會(huì)被激活[8]。冠層結(jié)構(gòu)和葉片形態(tài)可以改變降雨的分布，影響土壤水分的輸入[9-10]。Loik等[11]研究發(fā)現(xiàn)冠層截留通常會(huì)將少量降雨保留在冠層，對(duì)水分的水平分布產(chǎn)生負(fù)面影響。同時(shí)，Liu等[12]研究發(fā)現(xiàn)與高降雨強(qiáng)度相比，冠層在低降雨強(qiáng)度下能夠截留更多的水分。地表秸稈覆蓋可以提高地表粗糙度，削弱濺蝕。Xin等[13]在研究模擬降雨下地表秸稈覆蓋對(duì)黑土入滲和侵蝕的影響中發(fā)現(xiàn)隨著地表覆蓋度增加，徑流量顯著減少，土壤水分入滲率增加。土壤水分對(duì)降雨的響應(yīng)還受到土壤物理性質(zhì)（質(zhì)地、容重、孔隙等）的調(diào)控。Ma等[14]在分析土壤質(zhì)地和土壤入滲特性的關(guān)系中發(fā)現(xiàn)砂土的入滲率、累積入滲量顯著高于壤土。Wu等[15]研究發(fā)現(xiàn)土壤容重越高，孔隙度越低，入滲能力越弱。但Mondal等[16]研究發(fā)現(xiàn)即使免耕管理土壤容重較高，豐富的大孔隙和良好的孔隙連通性卻可以創(chuàng)造較好的水分入滲條件。

以雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)為主的東北黑土區(qū)是中國重要的商品糧基地，但由于長期集約化種植和土壤侵蝕，導(dǎo)致土壤退化嚴(yán)重[17]。因此，為了保護(hù)黑土地，近年來免耕在該地區(qū)推廣應(yīng)用。但在推廣過程中，農(nóng)民擔(dān)心免耕會(huì)導(dǎo)致土壤“變硬”，阻礙降雨下滲。前期研究發(fā)現(xiàn)免耕顯著提高了0～20 cm土壤容重，土壤總孔隙度降低。但基于長期耕作試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，免耕管理下0～30 cm土層具有連通性好的生物孔隙網(wǎng)絡(luò)，而翻耕盡管上層孔隙度較高，但存在著明顯的犁底層[18]。因此，本研究假設(shè)，相比于傳統(tǒng)翻耕管理，盡管免耕管理土壤容重增加，但不會(huì)阻礙降雨在土壤中的滲透。

本研究依托于中國農(nóng)業(yè)大學(xué)梨樹長期耕作定位試驗(yàn)，通過原位動(dòng)態(tài)監(jiān)測玉米生育期內(nèi)不同耕作方式下不同深度土壤水分的動(dòng)態(tài)變化，量化不同耕作方式下土壤水分對(duì)降雨事件的響應(yīng)，為科學(xué)地認(rèn)識(shí)免耕管理吉林南部黑土區(qū)農(nóng)田土壤保護(hù)性耕作措施、提高土壤水分利用效率提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

長期耕作定位試驗(yàn)位于吉林省四平市梨樹縣的中國農(nóng)業(yè)大學(xué)梨樹實(shí)驗(yàn)站（43°16′N，124°26′E）。該地屬于中溫帶濕潤季風(fēng)氣候區(qū)，具有明顯的大陸性。年平均氣溫為5.9 ℃，年平均降雨量556 mm，主要集中在6—9月。土壤類型為黑土（Mollisols，USDA），質(zhì)地為粉質(zhì)黏壤土（0～20 cm土壤：砂粒，23.89%；粉粒，45.21%；黏粒，30.90%），有機(jī)質(zhì)含量21.0 g/kg。種植方式一年一熟，主要作物為玉米或大豆。

耕作試驗(yàn)開始于2011年春季，采用裂區(qū)試驗(yàn)設(shè)計(jì)：耕作方式為主區(qū)，包括免耕（NT）、翻耕（CT）和輪耕（RT）。作物種植模式為副區(qū)，包括玉米連作、玉米-大豆輪作和玉米-玉米-大豆輪作。每個(gè)處理3個(gè)重復(fù)，共27個(gè)小區(qū)，每個(gè)小區(qū)面積為1361 m2（63 m×21.6 m）。本研究僅選取免耕和翻耕下的玉米連作處理開展田間觀測。NT管理下，秋季利用聯(lián)合收割機(jī)收獲玉米，地表秸稈高留茬（約20 cm），其他秸稈經(jīng)收割機(jī)打碎后均勻分布在土壤表面；春季利用免耕播種機(jī)一次完成播種、施肥和鎮(zhèn)壓操作。在CT管理下，玉米收獲后秸稈移除田間。春季播種前用鏵式犁翻耕土壤18～20 cm，然后利用旋耕機(jī)進(jìn)行旋耕2次，最后用免耕播種機(jī)進(jìn)行播種。兩種耕作管理下均采用寬窄行種植，窄行間距40 cm，寬行100 cm。種植密度為61312株/hm2。施肥量為800 kg/hm2（N-P2O5-K2O: 26-10-12）。在玉米生長期內(nèi)無灌溉，根據(jù)病蟲害情況噴灑農(nóng)藥。

1.2 地表接收降雨量和田間土壤含水率動(dòng)態(tài)監(jiān)測

1.2.1 降雨量測定

利用安裝于玉米寬行50 cm處的雨量計(jì)自動(dòng)監(jiān)測降雨量，每15 min測定一次。每個(gè)處理下各安裝一個(gè)雨量計(jì)（如圖1）。

圖1 田間TDR探針和雨量計(jì)安裝示意圖和照片

1.2.2 土壤含水率測定

采用時(shí)域反射儀（Time-Domain Reflectometry，TDR）進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測土壤含水率。分別在NT和CT管理下寬行50 cm處2.5、5、10、20、30、40和50 cm的土壤深度埋設(shè)TDR探針（圖1），用于監(jiān)測0～2.5、2.5～5、5～10、10～20、20～30、30～40和40～50 cm土層的含水率。為了降低探針安裝對(duì)土壤的擾動(dòng)，在埋設(shè)過程中，將不同土層的土壤分開放置，且將土坑的尺寸保持最小。將探針?biāo)讲迦肫拭婧?，小心地將土壤分層回填至土坑?nèi)，然后在表面噴灑一些水，使土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。TDR探針連接到TDR100主機(jī)上，測定土壤介電常數(shù)，由數(shù)據(jù)采集儀（CR3000，Campbell Scientific，Inc.，Logan，UT）自動(dòng)控制。每15 min自動(dòng)記錄一次數(shù)據(jù)。在距探針安裝位置約3 m的位置，安裝雨量計(jì)。TDR和雨量計(jì)于2021年5月28日安裝，于2021年10月15日拆除。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

土壤含水率利用Topp公式[19]由介電常數(shù)進(jìn)行計(jì)算

式中為土壤體積含水率，K為土壤介電常數(shù)。利用烘干法測定的土壤含水率與TDR100監(jiān)測的土壤含水率建立線性關(guān)系，標(biāo)定田間動(dòng)態(tài)監(jiān)測的土壤含水率數(shù)據(jù)。

本研究參考Tian等[20]方法對(duì)土壤含水率數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。首先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行降噪處理，輸出各深度土壤含水率隨時(shí)間的變化曲線。然后將相鄰時(shí)刻土壤含水率增量大于或等于0.005 cm3/cm3作為判定土壤含水率對(duì)降雨響應(yīng)的依據(jù)，小于0.005 cm3/cm3認(rèn)為土壤含水率對(duì)降雨無響應(yīng)，以此確定土壤含水率對(duì)降雨響應(yīng)開始和結(jié)束的關(guān)鍵點(diǎn)；并且將6 h土壤含水率對(duì)降雨無響應(yīng)作為區(qū)分降雨事件的依據(jù)，即將土壤含水率對(duì)兩次降雨響應(yīng)的時(shí)間間隔小于6 h劃分為同一降雨事件（圖2）。

注：ASWI表示累積增加土壤含水率，Smax表示土壤最大濕潤速率，DRTlayer表示相鄰?fù)翆油寥篮薯憫?yīng)的延遲時(shí)間，DRTrainfall表示土壤含水率對(duì)降雨事件響應(yīng)的延遲時(shí)間，DUR表示土壤含水率對(duì)降雨事件響應(yīng)的持續(xù)時(shí)間。下同。

對(duì)于每次降雨事件，將計(jì)算以下指標(biāo)來表征土壤含水率對(duì)降雨事件的響應(yīng)。

1）累積增加土壤含水率ASWI[20-21]

2）相鄰?fù)翆永鄯e增加土壤含水率之比RSWI[20]

式中表示不同土層（= 1、2、3、4、5、6和7，分別代表0～2.5、2.5～5、5～10、10～20、20～30、30～40和40～50 cm），ASWI、ASWI1表示第層和第-1層的累積增加土壤含水率（cm3/cm3）。RSWI越高，表示降水向下層滲透越多，當(dāng)RSWI>100%時(shí)，優(yōu)先流發(fā)生。

3）土壤最大濕潤速率max和平均濕潤速率mean[22]

4）相鄰?fù)翆油寥篮薯憫?yīng)的延遲時(shí)間[23]

式中ST、ST1表示第層和第1層土壤水分響應(yīng)開始的時(shí)間。

5）土壤含水率對(duì)降雨事件響應(yīng)的延遲時(shí)間DRTrainfall

式中RST表示某次降雨事件中開始降雨的時(shí)間。

6）土壤含水率對(duì)降雨事件響應(yīng)的持續(xù)時(shí)間[20]

式中ET表示第層土壤水分響應(yīng)結(jié)束的時(shí)間。

本研究將每次降雨事件的數(shù)據(jù)作為一組重復(fù)，利用Excel2016和SPSS20.0（IBM，Armonk，NYC，USA）進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與方差分析，采用獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)（<0.05）對(duì)同一深度兩組數(shù)據(jù)和最小顯著差異法LSD對(duì)同一耕作方式不同深度數(shù)據(jù)分別進(jìn)行顯著性分析，并利用Origin9.5（OriginLab，Northampton，MA，USA）作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 玉米生育期各降雨事件分類及土壤水分響應(yīng)次數(shù)

圖3展示了2021年玉米從播種到收獲期間0～50 cm剖面內(nèi)不同深度土壤含水率動(dòng)態(tài)和降雨分布情況。結(jié)果表明，玉米生育期總降雨量499.6 mm。主要集中在6—8月，占玉米生育期總降雨量的75%。7月份出現(xiàn)了長達(dá)20 d的干旱期。0～20 cm土壤含水率變化劇烈，深層土壤含水率較穩(wěn)定。

圖3 玉米生育期土壤含水率變化和降雨分布

在圖3基礎(chǔ)上，根據(jù)圖2展示的方法對(duì)玉米生育期的降雨事件進(jìn)行劃分，一共分離出24次土壤水分對(duì)降雨存在明顯響應(yīng)的降雨事件。CT管理下0～2.5、2.5～5和5～10 cm土壤含水率對(duì)24次降雨事件均有響應(yīng)，NT管理下對(duì)24次降雨事件均有響應(yīng)的僅有0～2.5 cm，2.5～5、5～10和10～20 cm土層土壤含水率對(duì)降雨產(chǎn)生響應(yīng)的次數(shù)均低于CT管理。但NT管理下30～40和40～50 cm土壤含水率對(duì)降雨的響應(yīng)次數(shù)多于CT管理（表1）。

表1 翻耕和免耕管理下各土層對(duì)降雨事件的響應(yīng)次數(shù)

考慮到玉米生育期24次降雨事件中降雨量、持續(xù)時(shí)間、降雨強(qiáng)度變異較大，采用K-means聚類算法對(duì)24次降雨事件進(jìn)行分類[24-25]。表2給出了具體分類結(jié)果，將24次降雨事件分為3類：類別Ⅰ代表降雨量大（25.53±6.52 mm）、持續(xù)時(shí)間長（15.92±4.16 h）的降雨事件；類別Ⅱ代表降雨量?。?.42±2.58 mm）、持續(xù)時(shí)間短（2.00 h）的降雨事件；類別Ⅲ代表降雨量較大（19.22±6.49 mm）、持續(xù)時(shí)間較短（4.92±3.42 h），降雨強(qiáng)度大（0.29±0.17 mm/min）的降雨事件（表2）。

表2 玉米生育期24次降雨事件分類結(jié)果

注：RDUR表示降雨持續(xù)時(shí)間，30表示30 min最大降雨強(qiáng)度。下同。

Note:RDUR represents the duration of rainfall;30represents the maximum 30-min rainfall intensity. Same as below.

2.2 不同耕作方式下土壤水分對(duì)降雨事件的響應(yīng)狀況

2.2.1 不同耕作方式下土壤含水率增量剖面分布

圖4展示了3類降雨事件下CT和NT管理各土層累積增加土壤含水率（ASWI）變化。從中可以發(fā)現(xiàn)CT管理下各深度土壤初始含水率普遍低于NT。Ⅰ類降雨事件下各處理ASWI大于Ⅱ類和Ⅲ類降雨事件。3類降雨事件下，CT管理ASWI均隨著土壤深度增加下降明顯；而NT管理的ASWI隨土壤深度增加相對(duì)穩(wěn)定。在Ⅰ類降雨事件下，CT管理2.5～5、5～10、10～20和20～30 cm土層的ASWI（平均值0.04～0.14 cm3/cm3）顯著高于NT（平均值0.02～0.05 cm3/cm3，0.05）；Ⅱ類降雨事件下0～2.5、2.5～5、5～10和40～50 cm CT管理ASWI（平均值0.02～0.07 cm3/cm3）顯著高于NT（平均值0.01～0.03 cm3/cm3，0.05）；Ⅲ類降雨事件下CT管理0～2.5、2.5～5和30～40 cm ASWI（平均值0.05～0.11 cm3/cm3）顯著高于NT（平均值0.02～0.5 cm3/cm3，0.05）。

注：大寫字母表示不同耕作方式下同一土層數(shù)據(jù)差異顯著（P<0.05），小寫字母表示相同耕作方式下不同土層數(shù)據(jù)差異顯著（P<0.05）。下同。

圖5顯示了3類降雨事件下CT和NT管理相鄰測定土層累積增加土壤含水率之比（RSWI）。3類降雨事件下CT管理各深度RSWI普遍小于100%，而NT管理下RSWI普遍大于100%。Ⅰ類降雨事件下，CT和NT管理RSWI各深度無明顯差異；Ⅱ類降雨事件下CT管理2.5～5 cm RSWI（平均值81.23%）顯著高于NT（平均值67.43%，0.05），但CT管理5～10 cm RSWI（平均值74.22%）顯著低于NT（平均值180.28%，0.05）；Ⅲ類降雨事件下同樣CT管理5～10 cm RSWI（平均值72.28%）顯著低于NT（平均值179.96%，0.05）。此外，CT和NT管理RSWI整體上隨深度增加而增加。Ⅰ類降雨事件下，CT（平均值244.80%）和NT（平均值179.83%）管理下30～40 cm RSWI總體上顯著高于其他土層（0.05）；Ⅱ類降雨事件下，CT管理40～50 cmRSWI（平均值140.30%）和NT管理5～10 cm RSWI（平均值180.28%）總體上顯著高于其他土層（0.05）；Ⅲ類降雨事件下，CT管理30～40 cmRSWI（平均值198.37%）總體上顯著高于其他土層（0.05）。

2.2.2 不同耕作方式下土壤濕潤速率剖面分布

圖6展示了3類降雨事件下CT和NT管理各土層最大濕潤速率（max）、平均濕潤速率的變化（mean）。Ⅰ類降雨事件下，CT管理下10～20和40～50 cmmax顯著低于NT，5～10和40～50 cmmean顯著低于NT（0.05），其他土層無顯著性差異；Ⅱ、Ⅲ類降雨事件下，NT和CT管理土壤濕潤速率無顯著性差異。隨著深度的增加，Ⅰ類降雨事件下CT管理max和mean無顯著性差異，NT管理下2.5～5 cm顯著高于5～10、10～20和30～40 cm；Ⅱ類降雨事件下CT管理0～2.5 cmmax和mean顯著高于其他深度，NT總體上隨深度增加顯著下降（0.05）；Ⅲ類降雨事件下，CT管理下max0～2.5 cm顯著高于10～20和20～30 cm，0～2.5 cmmean顯著高于其他土層，而NT管理各深度間無顯著性差異（0.05）。此外，NT管理下土壤濕潤速率出現(xiàn)高異常值情況明顯多于CT，尤其在Ⅲ類降雨事件下。

圖5 CT和NT管理各相鄰?fù)翆永鄯e增加含水率之比（RSWI）差異

2.2.3 不同耕作方式下土壤水分對(duì)降雨事件響應(yīng)的時(shí)間特征

圖7為3類降雨事件下CT和NT管理下相鄰測定土層土壤水分響應(yīng)的延遲時(shí)間（DRTlayer）和各深度土壤水分對(duì)降雨事件響應(yīng)的延遲時(shí)間（DRTrainfall）。Ⅰ類降雨事件各處理DRTrainfall明顯大于Ⅱ類和Ⅲ類降雨事件。3類降雨事件下，CT和NT管理下DRTlayer均無顯著性差異，但NT管理下DRTlayer平均值、異常值為負(fù)值情況明顯多于CT。Ⅰ類降雨事件下CT管理20～30 cmDRTrainfall（平均值7.50 h）顯著高于NT（平均值2.67 h，0.05）。Ⅰ、Ⅲ類降雨事件下CT管理DRTrainfall各土層間無顯著性差異，NT管理分別在30～40和10～20 cm顯著高于0～2.5和2.5～5 cm；Ⅱ類降雨事件下CT管理30～40 cm DRTrainfall顯著高于0～2.5和2.5～5 cm，而NT管理各土層間無顯著性差異（0.05）。

圖8為3類降雨事件下CT和NT管理各土層土壤水分對(duì)降雨事件響應(yīng)的持續(xù)時(shí)間（DUR）。從中可以發(fā)現(xiàn)Ⅰ類降雨事件DUR明顯大于Ⅱ類和Ⅲ類；Ⅰ類降雨事件下各處理DUR無顯著性差異；Ⅱ類降雨事件下CT管理5～10 cm DUR（平均值3.25 h）顯著高于NT（平均值0.75 h，0.05）；Ⅲ類降雨事件下CT管理2.5～5 cm DUR（平均值5.08 h）顯著高于NT（平均值2.11 h，0.05）。隨著土壤深度增加，Ⅰ類降雨事件下CT管理DUR無明顯變化，Ⅱ類降雨事件CT管理DUR在10～20 cm達(dá)到最大值（平均值3.10 h），Ⅲ類降雨事件CT管理30～40 cm DUR最大值（平均值6.36 h）；而3類降雨事件下NT管理DUR各土層間均無顯著性差異（0.05）。

a. Ⅰ類降雨事件b. Ⅱ類降雨事件c. Ⅲ類降雨事件 a. Type I rainfall eventb. Type Ⅱ rainfall eventc. Type Ⅲ rainfall event

3 討 論

耕作方式對(duì)農(nóng)田土壤水文過程有著明顯影響，其通過影響土壤孔隙、地表覆蓋進(jìn)而間接影響土壤含水率對(duì)降雨的響應(yīng)。在本研究中，通過原位動(dòng)態(tài)監(jiān)測玉米生育期不同耕作方式下土壤含水率變化，基于ASWI、RSWI、max、mean、DRTlayer、DRTrainfall、DUR 7個(gè)指標(biāo)從增量、速率、時(shí)間尺度3個(gè)方面分析了不同耕作方式下0～50 cm土壤水分對(duì)降雨事件的響應(yīng)。

前人的研究表明，與傳統(tǒng)耕作相比免耕可以顯著改善土壤水分入滲，增加入滲量[26-27]。但本研究中發(fā)現(xiàn)CT管理0～2.5、2.5～5和5～10 cmASWI（平均值0.02～0.14 cm3/cm3）在3類降雨事件下均顯著高于NT（平均值0.01～0.05 cm3/cm3），為NT的2～3倍（圖4）。土壤初始含水率與ASWI顯著負(fù)相關(guān)（0.01）（圖9）。玉米生育期NT管理下土壤的平均含水率高于CT（圖3），這表明降雨后NT管理土壤含水率增加的空間小于CT。此外，相關(guān)性分析顯示NT管理對(duì)ASWI呈顯著負(fù)效應(yīng)，NT管理地表秸稈覆蓋對(duì)降雨截留，使得快速進(jìn)入土壤的水分減少[28-30]。因此，3類降雨事件下CT管理ASWI顯著高于NT。此外，Ⅰ類降雨事件ASWI大于Ⅱ類和Ⅲ類；3類降雨事件下，隨著土壤深度增加，CT管理ASWI明顯下降，而NT管理下ASWI除0～2.5 cm外其余深度無明顯差異，且RSWI在大多數(shù)情況下高于100%（圖4、圖5）。相關(guān)性分析顯示降雨量和降雨持續(xù)時(shí)間與ASWI顯著正相關(guān)，NT管理對(duì)RWSI呈顯著正效應(yīng)，土壤深度與ASWI顯著負(fù)相關(guān)，而與土壤初始含水率和RSWI顯著正相關(guān)（0.01）（圖9）。這表明不同降雨事件下ASWI和RSWI的變化主要與降雨類別、耕作方式和土壤初始含水率有關(guān)。Ⅰ類降雨事件，ASWI較高；隨著土壤深度增加，土壤初始含水率逐漸增大，ASWI逐漸降低；CT管理下，土壤剖面內(nèi)含水率差異較大，表層含水率低，各深度對(duì)降雨的響應(yīng)逐漸減弱；而NT管理下，土壤剖面內(nèi)含水率較均勻（圖3），且連通性較好的生物孔隙網(wǎng)絡(luò)促進(jìn)優(yōu)先流的形成，使得NT管理各深度土壤水分對(duì)降雨的響應(yīng)強(qiáng)度較為一致，NT管理RSWI大于CT。

有報(bào)道指出：隨著土壤初始含水率增加，土壤水分入滲率逐漸降低[31-32]。但本研究發(fā)現(xiàn)Ⅰ類降雨事件下，CT管理下10～20、40～50 cmmax顯著低于NT，5～10、40～50 cmmean顯著低于NT；Ⅱ類降雨事件CT和NT管理無明顯差異；Ⅲ類降雨事件下NT管理10～20 cmmean顯著高于CT，且NT管理土壤濕潤速率出現(xiàn)高異常值情況明顯多于CT（圖6）。相關(guān)性分析顯示土壤初始含水率與mean顯著正相關(guān)（0.05），NT管理對(duì)mean呈顯著正效應(yīng)，30與max和mean顯著正相關(guān)（圖9，0.01）。這表明Ⅰ類和Ⅲ類降雨事件下NT管理土壤濕潤速率較高主要與耕作方式和降雨強(qiáng)度有關(guān)。CT管理土壤結(jié)構(gòu)松散，強(qiáng)降雨會(huì)導(dǎo)致土壤表面形成“黏閉”現(xiàn)象，更容易形成地表徑流，入滲速率降低；而NT管理地表秸稈覆蓋可以減弱強(qiáng)降雨對(duì)土壤結(jié)構(gòu)的破壞，同時(shí)NT管理連通性好的生物孔隙豐富，有助于水分快速下滲[29,33-34]。

從時(shí)間尺度來講，Ⅰ類降雨事件DRTrainfall和DUR明顯大于Ⅱ類和Ⅲ類降雨事件；3類降雨事件下，CT、NT管理DRTlayer無明顯差異，但Ⅲ類降雨事件NT管理DRTlayer平均值、極端值為負(fù)值情況明顯多于CT；Ⅲ類降雨事件NT管理2.5～5 cmDUR比CT少2.97 h（圖8、圖9）。相關(guān)性分析顯示降雨量和降雨持續(xù)時(shí)間與DRTrainfall和DUR顯著正相關(guān)（0.01），30與DRTrainfall和DUR顯著負(fù)相關(guān)（0.05），土壤初始含水率與DRTlayer、DRTrainfall和DUR顯著負(fù)相關(guān)（0.01），NT管理對(duì)DRTlayer、DRTrainfall和DUR呈現(xiàn)弱的負(fù)效應(yīng)（圖 9）。這說明土壤水分對(duì)降雨事件響應(yīng)的快慢和持續(xù)時(shí)間與降雨類別、土壤初始含水率和耕作方式有關(guān)。Ⅰ類降雨事件DUR較高，土壤水分對(duì)降雨的響應(yīng)的持續(xù)時(shí)間較長；而Ⅲ類降雨事件DRTlayer和DUR較低；NT管理土壤初始含水率高于CT，上層達(dá)到“近飽和”狀態(tài)較快，各深度土壤水分對(duì)降雨響應(yīng)的DRTlayer、DRTrainfall和DUR低，對(duì)降雨響應(yīng)更迅速；Ⅲ類降雨事件下，由于NT管理大孔隙豐富且連通性較好[16]，下層土壤水分對(duì)降雨響應(yīng)時(shí)間提前，DRTlayer為負(fù)值情況更多。同樣，Hess等[6]研究也發(fā)現(xiàn)免耕比耕作系統(tǒng)在1.2 m土壤深度更快觀測到溴化示蹤劑。

注：θ0表示各土層的初始含水率，Treatments表示CT和NT兩種耕作方式，Soil layer表示不同土層。*、**分別表示在0.05和0.01水平上顯著相關(guān)。

需要指出，盡管土壤性狀具有較強(qiáng)的空間變異性，在本研究中僅設(shè)置了2個(gè)剖面的觀測。但是通過監(jiān)測玉米生育期多次降雨事件和含水率的變化，通過K-means聚類分析劃分不同的降雨事件，以相同降雨事件下土壤含水率變化作為重復(fù)分析，在一定程度上能夠降低偶然性。另外，文中報(bào)道的數(shù)據(jù)是2021年測定的，今年（2022年）本研究所開展的地區(qū)極端降雨次數(shù)較多，盡管沒有測定，但是通過降雨后田間積水情況，極端降雨下免耕管理下地表幾乎無積水，但翻耕管理下積水超過15 cm，從側(cè)面也證明了本文中的結(jié)果能代表田間實(shí)際情況。

4 結(jié) 論

本文以吉林省南部黑土區(qū)保護(hù)性耕作長期定位試驗(yàn)為基礎(chǔ)，通過時(shí)域反射儀連續(xù)原位監(jiān)測玉米生育期翻耕（CT）和免耕（NT）管理下0～50 cm土壤含水率變化，基于累積增加含水率（ASWI）、相鄰測定土層累積增加土壤含水率之比（RSWI）、土壤最大濕潤速率、土壤平均濕潤速率、相鄰測定土層土壤含水率響應(yīng)的延遲時(shí)間（DRTlayer）、土壤含水率對(duì)降雨事件響應(yīng)的延遲時(shí)間（DRTrainfall）和土壤含水率對(duì)降雨事件響應(yīng)的持續(xù)時(shí)間（DUR）量化評(píng)價(jià)CT和NT管理下不同深度土壤含水率對(duì)降雨事件的響應(yīng)。主要結(jié)論如下：

1）玉米生育期間，田間條件下NT管理土壤含水率普遍高于CT，3類降雨事件下表層0～2.5、2.5～5和5～10 cm 累積增加含水率 NT管理顯著低于CT；隨著土壤深度增加，CT明顯下降，NT基本保持穩(wěn)定。

2）NT管理下RSWI普遍大于100%，CT管理下普遍小于100%，說明NT管理下降水更易向下層滲透；強(qiáng)降雨情況下，NT管理土壤濕潤速率普遍高于CT，DRTlayer平均值、極端值為負(fù)值情況明顯多于CT，DUR較CT短，是由于NT管理下地表秸稈覆蓋，土壤初始含水率較高和發(fā)達(dá)的生物孔隙網(wǎng)絡(luò)形成優(yōu)先流的結(jié)果。因此，NT管理土壤水分對(duì)強(qiáng)降雨響應(yīng)更劇烈，土壤容重增加并不會(huì)阻礙土壤水分入滲。

[1] Fischer E M, Knutti R. Anthropogenic contribution to global occurrence of heavy-precipitation and high-temperature extremes[J]. Nature Climate Change, 2015, 5(6): 560-564.

[2] Piao S, Ciais P, Huang Y, et al. The impacts of climate change on water resources and agriculture in China[J]. Nature, 2010, 467(7311): 43-51.

[3] Barbeta A, Mejía-Chang M, Ogaya R, et al. The combined effects of a long-term experimental drought and an extreme drought on the use of plant-water sources in a Mediterranean forest[J]. Global Change Biology, 2015, 21(3): 1213-1225.

[4] Heisler-White J L, Blair J M, Kelly E F, et al. Contingent productivity responses to more extreme rainfall regimes across a grassland biome[J]. Global Change Biology, 2009, 15(12): 2894-2904.

[5] Rosenzweig C, Tubiello F N, Goldberg R, et al. Increased crop damage in the US from excess precipitation under climate change[J]. Global Environmental Change, 2002, 12(3): 197-202.

[6] Hess L J T, Hinckley E L S, Robertson G P, et al. Rainfall intensification enhances deep percolation and soil water content in tilled and no-till cropping systems of the US Midwest[J]. Vadose Zone Journal, 2018, 17(1): 1-12.

[7] 呂剛，吳祥云. 土壤入滲特性影響因素研究綜述[J]. 中國農(nóng)學(xué)通報(bào)，2008，24(7)：494-499.

Lv Gang, Wu Xiangyun. Review on influential factors of soil infiltration characteristics[J]. Chinese Agricultural Science Bulletin, 2008, 24(7): 494-499. (in Chinese with English abstract)

[8] Pot V, ?im?nek J, Benoit P, et al. Impact of rainfall intensity on the transport of two herbicides in undisturbed grassed filter strip soil cores[J]. Journal of Contaminant Hydrology, 2005, 81(1/2/3/4): 63-88.

[9] Marin C T, Bouten W, Sevink J. Gross rainfall and its partitioning into throughfall, stemflow and evaporation of intercepted water in four forest ecosystems in western Amazonia[J]. Journal of Hydrology, 2000, 237(1/2): 40-57.

[10] Llorens P, Domingo F. Rainfall partitioning by vegetation under Mediterranean conditions: A review of studies in Europe[J]. Journal of Hydrology, 2007, 335(1/2): 37-54.

[11] Loik M E, Breshears D D, Lauenroth W K, et al. A multi-scale perspective of water pulses in dryland ecosystems: Climatology and ecohydrology of the western USA[J]. Oecologia, 2004, 141(2): 269-281.

[12] Liu X, He Y, Zhao X, et al. The response of soil water and deep percolation under Caragana microphylla to rainfall in the Horqin Sand Land, northern China[J]. Catena, 2016, 139: 82-91.

[13] Xin Y, Xie Y, Liu Y, et al. Residue cover effects on soil erosion and the infiltration in black soil under simulated rainfall experiments[J]. Journal of Hydrology, 2016, 543: 651-658.

[14] Ma W, Zhang X, Zhen Q, et al. Effect of soil texture on water infiltration in semiarid reclaimed land[J]. Water Quality Research Journal of Canada, 2016, 51(1): 33-41.

[15] Wu G L, Yang Z, Cui Z, et al. Mixed artificial grasslands with more roots improved mine soil infiltration capacity[J]. Journal of Hydrology, 2016, 535: 54-60.

[16] Mondal S, Das A, Pradhan S, et al. Impact of tillage and residue management on water and thermal regimes of a sandy loam soil under pigeonpea-wheat cropping system[J]. Journal of the Indian Society of Soil Science, 2018, 66(1): 40-52.

[17] 劉淑珍，高偉達(dá)，任圖生. 利用最小水分限制范圍評(píng)價(jià)東北黑土區(qū)免耕和壟作的土壤水分穩(wěn)定性[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2020，36(10)：107-115.

Liu Shuzhen, Gao Weida, Ren Tusheng. Evaluating the stability of black soil water content in Northeast China under no tillage and ridge tillage using least limiting water range[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(10): 107-115. (in Chinese with English abstract)

[18] Gao W, Whalley W R, Tian Z, et al. A simple model to predict soil penetrometer resistance as a function of density, drying and depth in the field[J]. Soil and Tillage Research, 2016, 155: 190-198.

[19] Topp G C, Davis J L, Annan A P. Electromagnetic determination of soil water content: Measurements in coaxial transmission lines[J]. Water Resources Research, 1980, 16(3): 574-582.

[20] Tian J, Zhang B, He C, et al. Dynamic response patterns of profile soil moisture wetting events under different land covers in the Mountainous area of the Heihe River Watershed, Northwest China[J]. Agricultural and Forest Meteorology, 2019, 271: 225-239.

[21] Liang W L, Kosugi K, Mizuyama T. Soil water dynamics around a tree on a hillslope with or without rainwater supplied by stemflow[J]. Water Resources Research, 2011, 47(2). doi.org/10.1029/2010WR009856

[22] Lozano-Parra J, Van Schaik N, Schnabel S, et al. Soil moisture dynamics at high temporal resolution in a semiarid Mediterranean watershed with scattered tree cover[J]. Hydrological Processes, 2016, 30(8): 1155-1170.

[23] Sun F, Lü Y, Wang J, et al. Soil moisture dynamics of typical ecosystems in response to precipitation: A monitoring-based analysis of hydrological service in the Qilian Mountains[J]. Catena, 2015, 129: 63-75.

[24] Wei W, Chen L, Fu B, et al. The effect of land uses and rainfall regimes on runoff and soil erosion in the semi-arid loess hilly area, China[J]. Journal of Hydrology, 2007, 335(3/4): 247-258.

[25] Wei Z, Sun H, Xu H, et al. The effects of rainfall regimes and rainfall characteristics on peak discharge in a small debris flow-prone catchment[J]. Journal of Mountain Science, 2019, 16(7): 1646-1660.

[26] Fatumah N, Tilahun S A, Mohammed S. Effect of tillage systems and tillage direction on soil hydrological properties and soil suspended particle concentration in arable land in Uganda[J]. Heliyon, 2020, 6(12): e05616.

[27] 郭孟潔，李建業(yè)，李健宇，等. 實(shí)施16年保護(hù)性耕作下黑土土壤結(jié)構(gòu)功能變化特征[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2021，37(22)：108-118.

Guo Mengjie, Li Jianye, Li Jianyu, et al. Changes of soil structure and function after 16-year conservation tillage in black soil[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(22): 108-118. (in Chinese with English abstract)

[28] Govaerts B, Fuentes M, Mezzalama M, et al. Infiltration, soil moisture, root rot and nematode populations after 12 years of different tillage, residue and crop rotation managements[J]. Soil and Tillage Research, 2007, 94(1): 209-219.

[29] Gómez-Paccard C, Hontoria C, Mariscal-Sancho I, et al. Soil-water relationships in the upper soil layer in a Mediterranean Palexerult as affected by no-tillage under excess water conditions-Influence on crop yield[J]. Soil and Tillage Research, 2015, 146: 303-312.

[30] 馮倩倩，韓惠芳，張亞運(yùn)，等. 耕作方式對(duì)麥-玉輪作農(nóng)田固碳、保水性能及產(chǎn)量的影響[J]. 植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào)，2018，24(4)：869-879.

Feng Qianqian, Han Huifang, Zhang Yayun, et al. Effects of tillage methods on soil carbon sequestration and water holding capacity and yield in wheat-maize rotation[J]. Journal of Plant Nutrition and Fertilizers, 2018, 24(4): 869-879. (in Chinese with English abstract)

[31] 陳洪松，邵明安，王克林. 土壤初始含水率對(duì)坡面降雨入滲及土壤水分再分布的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2006，22(1)：44-47.

Chen Hongsong, Shao Mingan, Wang Kelin. Effects of initial water content on hillslope rainfall infiltration and soil water redistribution[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2006, 22(1): 44-47. (in Chinese with English abstract)

[32] 劉目興，聶艷，于婧. 不同初始含水率下粘質(zhì)土壤的入滲過程[J]. 生態(tài)學(xué)報(bào)，2012，32(3)：871-878.

Liu Muxing, Nie Yan, Yu Jing. The infiltration process of clay soil under different initial soil water contents[J]. Acta Ecologica Sinica, 2012, 32(3): 871-878. (in Chinese with English abstract)

[33] de Almeida W S, Panachuki E, de Oliveira P T S, et al. Effect of soil tillage and vegetal cover on soil water infiltration[J]. Soil and Tillage Research, 2018, 175: 130-138.

[34] 陳帥. 黑土區(qū)坡耕地玉米秸稈還田水土保持功效研究[D]. 長春：中國科學(xué)院大學(xué)（中國科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所），2019.

Chen Shuai. Effect of Corn Straw Returning on Soil and Water Conservation in Slopping Farmland of Black Soil Region[D]. Changchun: University of Chinese Academic of Scienses (Northeast Institute of Geography and Agroecology), 2019. (in Chinese with English abstract)

Responses of soil water content to rainfall events under different tillage management in Southern Jilin Province of China

Qin Shijie, Shi Dengfeng, Gao Weida※

(,,100193,)

Soil water content is one of the essential indicators for crop growth. The main source of soil water is then the rainfall in the rainfed agricultural region. Among them, tillage management is one of the important factors for the distribution of rainfall above and below ground, which is closely related to the dynamics of soil water content. However, it is still unclear in the response of soil water content to rainfall events under different tillage management. The objective of this study is to determine the effect of tillage management on the response characteristics of soil water content to rainfall events on Mollisol. The long-standing tillage experiment was carried out in the spring of 2011 at the Lishu Experiment Station of China Agricultural University (43°16′ N, 124°26′ E), located in Lishu, Jilin Province, China. The time-domain reflectometer (TDR) probes were installed in the soil depths of 2.5, 5, 10, 20, 30, 40, and 50 cm under No-Tillage (NT), and Conventional Tillage (CT) treatments, in order to monitor the dynamics of soil water content. Some parameters were used to quantify the dynamic response of soil water content under NT and CT to rainfall events, including the Accumulated Soil Water Content Increment (ASWI), the ratio of accumulated soil water content increment between adjacent soil layers (RSWI), the maximum (max) and mean (mean) rate or the slope of a soil water content curve under rainfall events, the difference of the soil water content response time between two adjacent soil layers (DRTlayer), the difference of the soil water content response time and rainfall onset time (DRTrainfall), and the duration of soil water response to rainfall events (DUR). According to the rainfall duration and intensity, 24 rainfall events were divided into three categories with the-means clustering: the rainfall events Ⅰ with the large rainfall (25.53±6.52 mm) and long rainfall duration (15.92 h), the rainfall events Ⅱ with the small rainfall (5.42±2.58 mm) and long rainfall duration (2.00 h), and the rainfall events Ⅲ with the large rainfall (19.22±6.49 mm), short rainfall duration (4.92±3.42 h) and heavy rainfall intensity (0.29±0.17 mm/min). The results indicated that: 1) The ASWIof NT was significantly lower than that of CT under 0-2.5, 2.5-5, and 5-10 cm soil layer, due to the lower soil water content of CT in the surface layer. 2) The ASWI of CT decreased with the increase of soil depth, while remaining stable under the NT. 3) The RSWI of NT was over 100% under the most rainfall conditions, whereas less than 100% under the CT. The values ofmaxandmeanof NT were generally higher than those of CT. Moreover, there was a high frequency of negative abnormal values and average values ofDRTlayerunder the NT management at the high rainfall intensity. It infers that the activities of preferential flow were greater under the NT management. Therefore, the soil water content under the NT presented a stronger response to extreme rainfall. Furthermore, there was no significant influence of soil bulk density on the soil water infiltration, due to the well-developed biological pores network. Therefore, the rainfall can be percolated into the soil, as the extreme rainfall continued, which was beneficial to reduce surface runoff and soil erosion.

water moisture; cultivation; Mollisol; no-tillage; rainfall events

10.11975/j.issn.1002-6819.2022.18.016

S152.7+2

A

1002-6819(2022)-18-0147-09

秦詩潔，師登峰，高偉達(dá). 吉林南部不同耕作管理下土壤水分對(duì)降雨事件的響應(yīng)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2022，38(18)：147-155.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.18.016 http://www.tcsae.org

Qin Shijie, Shi Dengfeng, Gao Weida. Responses of soil water content to rainfall events under different tillage management in Southern Jilin Province of China[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2022, 38(18): 147-155. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.18.016 http://www.tcsae.org

2022-07-14

2022-09-13

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目子課題（2021YFD1500802-5）

秦詩潔，博士生，主要研究方向?yàn)楸Ｗo(hù)性耕作。Email：sjqin@cau.edu.cn

高偉達(dá)，博士，副教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)橥寥牢锢怼mail：weida_gao@cau.edu.cn