田 夢(mèng)，高偉達(dá)，任圖生，李保國(guó)

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

黑土區(qū)是我國(guó)重要的商品糧生產(chǎn)基地。從20世紀(jì)50年代以來(lái)，在高強(qiáng)度集約利用下，黑土地土壤侵蝕加劇，有機(jī)質(zhì)含量持續(xù)下降，黑土層變薄、變瘦、變硬現(xiàn)象突出[1–2]。目前，黑土區(qū)水土流失面積達(dá)到4.47萬(wàn)km2，占黑土區(qū)總面積的37.9%[3]，黑土層厚度也由開(kāi)墾初期的 60—70 cm 下降至 20—30 cm[4]。此外，東北黑土區(qū)是典型的雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)，且全年降水不均，水分對(duì)作物生長(zhǎng)是一個(gè)重要的影響因素。在松遼平原，近10年玉米生長(zhǎng)季發(fā)生干旱的頻率達(dá)到了60%[5]。Zhang[6]對(duì)松遼平原玉米產(chǎn)區(qū)作物產(chǎn)量–氣候因子的回歸分析表明，干旱是影響該地玉米產(chǎn)量的最關(guān)鍵氣象因素。因此，保護(hù)黑土地資源，提升保水能力，對(duì)實(shí)現(xiàn)黑土區(qū)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展，保障我國(guó)糧食安全具有重要的意義。

秸稈全覆蓋免耕是保護(hù)性耕作主要方式之一。通過(guò)免除機(jī)械翻耕、減少土壤擾動(dòng)和周年秸稈覆蓋還田，實(shí)現(xiàn)了降低土壤侵蝕、提高土壤有機(jī)質(zhì)含量和蓄水保墑的目標(biāo)[7–8]。但是，也有研究表明，免耕管理下土壤含水量較高，加上大量秸稈覆蓋，導(dǎo)致冷涼區(qū)春季農(nóng)田地溫偏低，影響作物出苗和前期生長(zhǎng)，甚至造成玉米減產(chǎn)[9–12]。另外，對(duì)于秸稈量較大的地區(qū)，地表大量秸稈存在影響免耕播種機(jī)性能，一定程度上影響玉米播種質(zhì)量。因此，需要建立一套既有利于改善土壤水分條件和土壤肥力，又可以降低春季土壤低溫風(fēng)險(xiǎn)的耕作模式。

Kaspar等[13]和 Swan等[14]指出，移除種植行作物秸稈，從全面覆蓋調(diào)整為采用條帶覆蓋改變了土壤水熱的時(shí)空分布，從而提高玉米株高和產(chǎn)量。近年來(lái)在我國(guó)吉林南部黑土區(qū)實(shí)踐證明，與秸稈全覆蓋下免耕相比，條帶覆蓋免耕提高了播種的質(zhì)量，也受到了農(nóng)民的認(rèn)可。但關(guān)于該模式對(duì)土壤水分和溫度在玉米生長(zhǎng)季內(nèi)行間分布特征的影響仍缺乏定量研究。為此，本研究基于田間試驗(yàn)，通過(guò)原位連續(xù)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)條帶覆蓋免耕下行尺度上土壤水分和溫度動(dòng)態(tài)變化過(guò)程，為認(rèn)識(shí)條帶覆蓋免耕技術(shù)模式，改善吉林南部黑土區(qū)土壤水分和溫度提供數(shù)據(jù)支撐，有利于科學(xué)地推廣該項(xiàng)耕作模式。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)地位于中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)吉林梨樹(shù)試驗(yàn)站 (北緯43°10′，東經(jīng) 124°22′)。該地區(qū)屬于中溫帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，歷年平均降雨量為556 mm，降雨集中在5—9月份，占全年降水量的82%；歷年平均氣溫為5.9℃，≥10℃的活動(dòng)積溫為3078℃。試驗(yàn)地土壤類(lèi)型為黑土(Mollisols，USDA)，質(zhì)地為黏壤土，0—20 cm土層土壤砂粒、粉粒和黏粒含量分別為24%、45%和31%，有機(jī)質(zhì)含量為21 g/kg。

1.2 田間試驗(yàn)設(shè)置

本研究?jī)H針對(duì)條帶覆蓋免耕模式開(kāi)展田間觀測(cè)。種植作物為一年熟春玉米，采用寬窄行種植模式，寬行行距為100 cm，窄行行距40 cm。具體田間操作如下：每年秋季玉米收獲后，秸稈留高茬(30 cm)，其余部分經(jīng)聯(lián)合收割機(jī)粉碎后全部覆蓋于地表。第二年春季播種前，首先用秸稈歸行機(jī)將播種帶地表覆蓋的秸稈進(jìn)行歸行，然后利用免耕播種機(jī)一次性完成開(kāi)溝、施肥、播種和鎮(zhèn)壓作業(yè)。玉米株距為25 cm，種植密度為6.4萬(wàn)株/hm2。每年寬窄行進(jìn)行輪換，即下一年在上一年的寬行進(jìn)行播種。肥料采用緩釋摻混肥料 (N–P2O5–K2O 24–13–15)，總養(yǎng)分≥52%，施肥量為800 kg/hm2。肥料于播種過(guò)程中隨播種機(jī)溝施入土壤，施肥位置距播種行外側(cè)10 cm，深度 10 cm。

1.3 土壤含水量和溫度測(cè)定

田間觀測(cè)年份為2018年，玉米播種時(shí)間為5月20日。為準(zhǔn)確測(cè)定行間不同位置土壤含水量和溫度，待玉米出苗后(6月1日)，選擇長(zhǎng)勢(shì)良好的植株所在行安裝水分和溫度探頭。在距離植株約10 cm 處挖開(kāi)一個(gè)寬約100 cm、深約25 cm的剖面，用尺子測(cè)定好安裝位置的距離后，分別在3個(gè)土壤深度5、10和20 cm，7個(gè)行間位置埋設(shè)土壤TDR水分探頭和熱電偶溫度探頭。7個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)分別為：玉米植株下方(記為0位點(diǎn))、窄行內(nèi)距離植株10和20 cm處(記為–10和–20位點(diǎn))和寬行內(nèi)距離植株10、20、30和50 cm處(記為10、20、30和50位點(diǎn))，具體見(jiàn)圖1。本研究中，土壤水分、溫度從2018年6月5日開(kāi)始監(jiān)測(cè)，至2018年10月8日玉米收獲時(shí)結(jié)束監(jiān)測(cè)。土壤含水量采用 TDR100 (Campbell Scientific Inc., Logan, UT)，每 2 h 測(cè)定一次；土壤溫度采用銅–康銅型熱電偶，每1 h測(cè)定一次；含水量和溫度數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)采集儀 (CR1000, Campbell Scientific Inc.,Logan, UT)自動(dòng)記錄。降水量和太陽(yáng)輻射數(shù)據(jù)由試驗(yàn)地旁邊的自動(dòng)氣象站進(jìn)行監(jiān)測(cè)和記錄。

圖1 田間土壤溫度和水分探頭埋設(shè)方式示意圖Fig.1 Schematic diagram of installation the probes for measuring soil water content and temperature of different soil layers in the field

1.4 數(shù)據(jù)處理

1.4.1 土壤含水量計(jì)算 利用BMO方法[15]處理TDR波形，得到土壤介電常數(shù)(Ka)。將Ka帶入Topp公式[16]計(jì)算土壤體積含水量(θ)：

1.4.2 土壤儲(chǔ)水量計(jì)算 各生育期寬行與窄行0—20 cm土層的平均儲(chǔ)水量計(jì)算公式如下：

式中，SWw和SWN分別為寬行和窄行儲(chǔ)水量(mm)；θ10i、θ20i、θ30i、θ50i、θ–10i和θ–20i分別為 10、20、30、50、–10和–20位點(diǎn)的含水量；Zi為第i層土壤厚度(mm)。

1.4.3 行間土壤含水量的時(shí)間變異系數(shù) 在本研究中，計(jì)算一段時(shí)間內(nèi)土壤含水量的變異系數(shù)用來(lái)描述含水量的穩(wěn)定性(CVtime)，計(jì)算公式如下：

式中：σtime為行間某一位點(diǎn)在某一玉米生育期內(nèi)土壤日平均含水量的標(biāo)準(zhǔn)差；μtime為對(duì)應(yīng)土壤日平均含水量的平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 研究期間降水情況

圖2展示了2018年與過(guò)去30年試驗(yàn)區(qū)玉米生長(zhǎng)季內(nèi)月平均降水量的比較及2018年月平均氣溫?？傮w來(lái)看，2018年玉米生育期內(nèi)降水量(465 mm)與多年平均值(477 mm)相近，為平水年。從降水分布來(lái)看，玉米生育期內(nèi)降水呈正態(tài)分布。與30年平均值相比較，2018年6月降水量降低了30 mm，而8月份降水增加了54.6 mm。2018年6—9月平均氣溫分別為22.4℃、25.3℃、22.1℃和16.1℃。因此，2018年的氣候條件具有一定的代表性。

圖2 2018年玉米生育期內(nèi)月降雨量、月平均氣溫和過(guò)去30年玉米生育期內(nèi)平均月降雨Fig.2 Monthly rainfall and temperature in 2018 and average monthly rainfall in the past 30 years during the maize growing season

2.2 覆蓋帶和未覆蓋帶行間土壤含水量的時(shí)空分布特征

從玉米整個(gè)生育期來(lái)看，覆蓋帶和未覆蓋帶不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)5、10 和20 cm 深度土壤含水量動(dòng)態(tài)特征不同(圖3)。在5 cm土壤深度，整個(gè)作物生育期內(nèi)，覆蓋帶平均土壤含水量高于未覆蓋帶。在行間不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)的變化趨勢(shì)為50位點(diǎn)>0位點(diǎn)> –20、10、20 和 30 位點(diǎn)> –10 位點(diǎn)。50 位點(diǎn)處日平均含水量變化范圍為0.31～0.44 cm3/cm3，平均含水量為0.38 cm3/cm3；而株下(0位點(diǎn))含水量變化范圍在0.23～0.38 cm3/cm3；窄行–10位點(diǎn)的平均含水量比寬行50位點(diǎn)低44% (圖3)。在10 cm深度，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)含水量在行間分布規(guī)律與5 cm深度相似，但行間土壤含水量差異減小。在20 cm深度，–20位點(diǎn)含水量低于其他監(jiān)測(cè)點(diǎn)，其余監(jiān)測(cè)點(diǎn)行間含水量差異較小。此外，50位點(diǎn)和–20位點(diǎn)的土壤含水量隨土層深度增加而減小，5 cm深度土壤含水量比10和20 cm深度含水量高約11%。其余監(jiān)測(cè)點(diǎn)含水量隨土壤深度增加而增大。

圖3 玉米生育期內(nèi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)–20、–10、0、10、20和50 在3個(gè)土層土壤含水量隨時(shí)間的動(dòng)態(tài)變化Fig.3 The dynamics of soil water content of three soil depths at –20, –10, 0, 10, 20 and 50 monitoring points during the maize growing season

受植物生長(zhǎng)及氣候影響，覆蓋帶和未覆蓋帶不同位置、不同深度土壤含水量在玉米各生育期的動(dòng)態(tài)特征不同。播種前，土壤水分充足而且寬行和窄行都處于秸稈覆蓋狀態(tài)，行間覆蓋帶與未覆蓋帶含水量分布均勻，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)平均含水量的變化范圍為0.32～0.39 cm3/cm3，苗期行間平均含水量為0.36 cm3/cm3，且土壤含水量顯著高于其他時(shí)期 (圖3)。在拔節(jié)期土壤行間平均含水量為0.31 cm3/cm3，且覆蓋帶與未覆蓋土壤含水量差異明顯。在5 cm土壤深度，50 位點(diǎn)在整個(gè)行間土壤含水量最高，為0.38 cm3/cm3，而表層其余監(jiān)測(cè)點(diǎn)土壤含水量差異較小，變化范圍在 0.28～0.31 cm3/cm3。20 cm 土壤深度–20位點(diǎn)在整個(gè)行間土壤含水量最低，為0.27 cm3/cm3。在10和20 cm土壤深度，覆蓋行和株下的含水量范圍為 0.30～0.34 cm3/cm3，高于未覆蓋行 (0.27～0.31 cm3/cm3)。在吐絲灌漿期，土壤行間平均含水量為0.29 cm3/cm3，在玉米4個(gè)生育期中最低。在表層5 cm土壤深度，50 位點(diǎn)和株下0 位點(diǎn)土壤含水量均高于0.30 cm3/cm3，其余監(jiān)測(cè)點(diǎn)土壤含水量變化范圍在0.23～0.29 cm3/cm3，其中–10位點(diǎn)土壤含水量最低，為0.23 cm3/cm3。而10和20 cm土壤深度土壤含水量變化規(guī)律與拔節(jié)期相同。成熟期土壤行間平均含水量為0.32 cm3/cm3。在5 cm土壤深度，平均含水量的空間變化特征為50位點(diǎn)(0.38 cm3/cm3)>0位點(diǎn)(0.33 cm3/cm3)>–20、10、20 和 30 位點(diǎn) (0.29～0.31 cm3/cm3)>–10 位點(diǎn) (0.25 cm3/cm3)。在 10 和 20 cm 位置，覆蓋行和株下(50、20、10、和0位點(diǎn))含水量變化范圍為0.32～0.36 cm3/cm3，略高于未覆蓋帶位點(diǎn)土壤含水量 (0.29～0.33 cm3/cm3)。

土壤含水量的時(shí)間尺度變異性(CVtime)反映了一定時(shí)期內(nèi)土壤含水量的穩(wěn)定性，與作物生長(zhǎng)也有密切關(guān)系。相較于其他生育期，苗期的CVtime最小，行間各位置在5、10和20 cm土壤深度的CVtime均小于3%。拔節(jié)期和吐絲灌漿期的土壤平均含水量較低，但降雨集中，土壤干濕交替過(guò)程變化明顯，因此CVtime高于苗期和成熟期(表1)。且不同位置的CVtime差異較大，變化范圍為5.3%～22.6%。其中，在5 cm 深度，CVtime在–10 位點(diǎn)>10 位點(diǎn)>–20、0、20和 30 位點(diǎn)>50 位點(diǎn)；在 10 cm 深度，0 和–20 位點(diǎn)的CVtime高于其他位置，而50 位點(diǎn)的CVtime最??；在20 cm 深度，–20 和–10 位點(diǎn)的CVtime高于 20、30 和 50位點(diǎn)。在成熟期，CVtime的變化范圍為3.8%～12.2%，其中50位點(diǎn)CVtime最小，其次為0 位點(diǎn)，其余監(jiān)測(cè)點(diǎn)差異不大(表1)。

表1 玉米生育期條帶覆蓋免耕行間不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)在5、10 和20 cm深度土壤含水量的時(shí)間尺度變異系數(shù)Table 1 The coefficient of variation (CVtime, %) of soil water content of different monitoring points in 5, 10 and 20 cm soil depths at different maize growth stages

圖4展示了玉米不同生育期內(nèi)窄行(–20 和–10位點(diǎn))和寬行 (10、20、30 和 50 位點(diǎn)) 0—20 cm 土壤剖面的儲(chǔ)水量。根據(jù)儲(chǔ)水量大小，4個(gè)生育期依次為苗期>成熟期>拔節(jié)期>吐絲灌漿期。在每個(gè)生育期內(nèi)，寬行土壤儲(chǔ)水量都高于窄行，在苗期、拔節(jié)期、吐絲灌漿期和成熟期，寬行比窄行區(qū)域儲(chǔ)水量分別高出8.5%、13.1%、11.1%和9.6%。

圖4 寬行與窄行區(qū)域各生育期0—20 cm深度土壤儲(chǔ)水量的比較Fig.4 Comparisons of soil water storage in 0?20 cm soil profile between wide and narrow rows at four maize growth stages

2.3 行間不同位置土壤含水量對(duì)降雨的響應(yīng)

土壤含水量對(duì)降雨的響應(yīng)反映了降雨過(guò)程中水分在土壤剖面內(nèi)入滲再分布的過(guò)程。我們選擇了3次較為有代表性的降雨事件，分別發(fā)生在7月8日、7月11—12日、7月26日，其降雨量分別為16.4、52.2和59.4 mm。圖5展示了降雨后土壤含水量的變化過(guò)程。

圖5 不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)5、10和20 cm深度土壤含水量對(duì)3次降雨的響應(yīng)Fig.5 The responses of soil water content to three rainfall events in 5, 10 and 20 cm depths of monitoring points

第一次降雨前，5 cm深度50位點(diǎn)初始土壤含水量約為0.36 cm3/cm3，其他監(jiān)測(cè)點(diǎn)的初始含水量約為0.25 cm3/cm3。降水 16.4 mm 后，在 5 和 10 cm 深度，–20、–10、0 和10位點(diǎn)的含水量迅速增加約30%～40%，20、30和50位點(diǎn)各層次土壤含水量對(duì)降雨沒(méi)有響應(yīng)；20 cm深度–20、–10和0位點(diǎn)土壤含水量上升了16%～30%，其他監(jiān)測(cè)點(diǎn)含水量沒(méi)有明顯變化。

第二次降雨(52.2 mm)前各位點(diǎn)土壤初始含水量較高：5 cm深度 –20和0位點(diǎn)(–10位點(diǎn)處傳感器故障，缺數(shù)據(jù))約為0.30 cm3/cm3，10、20和30位點(diǎn)的土壤含水量約為0.25 cm3/cm3，50位點(diǎn)的土壤含水量達(dá)到0.37 cm3/cm3。降雨后3個(gè)土壤深度各位點(diǎn)的含水量都有增加：在5 cm深度，10 位點(diǎn)的含水量約增加了40%，–20和0位點(diǎn)含水量增加了33%，20和30位點(diǎn)含水量增加24%，50位點(diǎn)含水量?jī)H增加了10%。在10與20 cm深度，行間含水量對(duì)降雨響應(yīng)差異減小，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)土壤含水量增加約18%～36%。

第三次降雨(59.4 mm)與第二次降雨相隔14天，降雨前表層土壤較為干燥。除5 cm深度50位點(diǎn)外，其他監(jiān)測(cè)點(diǎn)含水量在0.15～0.25 cm3/cm3。降雨后，在 5 cm 深度，–20、–10、0 和 10 位點(diǎn)含水量迅速上升了約60%～70%； 20、30和50位點(diǎn)含水量分別增加了27%、48%和18%。在10 和20 cm深度，各個(gè)位點(diǎn)土壤含水量均有所上升且趨于一致，而且與表層幾乎在同一時(shí)間達(dá)到最大含水量。此外，在第二次和第三次降雨中，寬行含水量達(dá)到最大值的時(shí)間滯后于窄行約14 h。

2.4 不同位置土壤含水量在降雨后變干過(guò)程的差異

選取苗期(6月19、23和27日)和拔節(jié)期(7月12、16和20日)為例，土壤變干過(guò)程中各監(jiān)測(cè)點(diǎn)土壤含水量的時(shí)空變化特征見(jiàn)圖6。在苗期，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)土壤含水量在6月19日為0.32～0.40 cm3/cm3。土壤變干過(guò)程中，窄行 –20、–10 位點(diǎn) 5 cm 深度土壤的含水量損失最快，連續(xù)8天無(wú)降雨后，含水量減少了18%，其次為寬行0、10和20位點(diǎn)，含水量減少6%，而 30 和 50 位點(diǎn)水分無(wú)損耗。在 10 和 20 cm 深度，–20 位點(diǎn)含水量減少最快，在兩個(gè)層次分別降低了14%和10%，而在10 cm深度的0位點(diǎn)含水量減少了8%，其余監(jiān)測(cè)點(diǎn)含水量減少均小于或等于5%。

圖6 苗期及拔節(jié)期土壤變干過(guò)程中行間不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)含水量時(shí)空變化特征Fig.6 The changes of soil water content as soil dry processes during seedling and jointing stages at different monitoring points between rows

在拔節(jié)期，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)土壤含水量7月12日為0.29～0.40 cm3/cm3。0位點(diǎn)含水量減少最多，在5、10和20 cm深度含水量分別減少了29%、34%和25%。其次為10、–10和–20位點(diǎn)，10位點(diǎn)在5、10和20 cm剖面內(nèi)含水量分別急劇減少了33%、23%和16%。–10位點(diǎn)在5、10和20 cm土層土壤含水量降低約21%～26%，–20位點(diǎn)在5、10和20 cm剖面內(nèi)土壤含水量均下降27%，干燥峰下移至20 cm深度以下；而在20和30位點(diǎn)，土壤含水量在0—20 cm剖面內(nèi)損失了8%～13%。50位點(diǎn)在0—20 cm土壤含水量變化最小，降低了約6%。

2.5 行間土壤溫度時(shí)空動(dòng)態(tài)特征

整個(gè)玉米生長(zhǎng)季內(nèi)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)在不同土層深度土壤日平均溫度時(shí)空動(dòng)態(tài)特征見(jiàn)圖7?？偟膩?lái)看，3個(gè)土壤深度、7個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的土壤溫度均具有明顯的季節(jié)性變化規(guī)律。由苗期逐漸升高，到吐絲灌漿期達(dá)到t最高后逐漸下降。在苗期和拔節(jié)期，行間土壤日均溫按照–20、–10、0、10、20、30和 50位點(diǎn)的順序依次降低，寬行的土壤溫度低于窄行和株下。在5 cm深度，與50位點(diǎn)相比，0位點(diǎn)(株下)土壤日均溫在苗期和拔節(jié)期分別高1.8℃和1.1℃，在10 cm深度分別高1.4℃和0.7℃，在20 cm深度分別高1.0℃和0.6℃；而與–20位點(diǎn)相比，0位點(diǎn)在5 cm深度的日均溫度在苗期和拔節(jié)期分別降低了0.5℃和0.4℃。在吐絲灌漿期，不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)在3個(gè)深度的土壤溫度沒(méi)有明顯差異。在玉米成熟期，行間各監(jiān)測(cè)點(diǎn)土壤溫度呈現(xiàn)出與苗期相反的變化趨勢(shì)，50位點(diǎn)的土壤溫度最高，–20位點(diǎn)最低。

圖7 不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)在5、10和20 cm深度日平均土壤溫度隨時(shí)間動(dòng)態(tài)變化Fig.7 Dynamics of mean daily soil temperature in 5,10 and 20 cm depths of various monitoring points

2.6 玉米苗期行間土壤溫度日變化規(guī)律

在吉林南部，土壤溫度與玉米苗期生長(zhǎng)有密切的關(guān)系。同時(shí)，我們的結(jié)果也表明玉米整個(gè)生育期內(nèi)，不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)土壤溫度的差異主要體現(xiàn)在苗期和拔節(jié)期(圖7)。因此，本部分重點(diǎn)分析苗期條帶秸稈覆蓋免耕行間不同位置土壤溫度日變化規(guī)律?？偟膩?lái)看，土壤溫度與太陽(yáng)輻射日變化規(guī)律基本一致，呈正弦函數(shù)變化。本文選擇苗期太陽(yáng)輻射較強(qiáng)的6月9日和較弱的6月14日為例，分析行間不同位點(diǎn)在5 cm深度土壤溫度的日動(dòng)態(tài)變化規(guī)律及其與太陽(yáng)輻射的關(guān)系(圖8)。在6月9日，太陽(yáng)輻射較強(qiáng)，0位點(diǎn)與20和50位點(diǎn)的最大溫差出現(xiàn)在14：00，分別為5.1℃和8.6℃；0位點(diǎn)與–20位點(diǎn)的最大溫差出現(xiàn)于 12：00，0位點(diǎn)比–20位點(diǎn)低 2.5℃ (圖 8a)。另外，太陽(yáng)輻射達(dá)到最大值的時(shí)間約為12：00，而窄行位點(diǎn)達(dá)到最高溫度時(shí)間為15：00，寬行位點(diǎn)達(dá)到最高溫的時(shí)間為18：00左右，土壤溫度變化均滯后于太陽(yáng)輻射變化。在太陽(yáng)輻射較弱的6月14日，土壤溫度日變幅較小，行間不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫度差異也低于6月9日相同時(shí)間的值。例如，0位點(diǎn)的最高溫度比20和50位點(diǎn)分別高出1.1℃和2.0℃，比–20 位點(diǎn)則低 0.6℃ (圖 8b)。

圖8 玉米苗期其中兩天的–20、0、20和50監(jiān)測(cè)點(diǎn)在5 cm深度土壤溫度和太陽(yáng)輻射日變化特征Fig.8 Characteristics of the daily changes of soil temperature at –20, 0, 20 and 50 monitoring points in 5 cm depth and the solar radiation in two selected days of maize seedling stage

3 討論

土壤水分和溫度在行間的分布規(guī)律受到土壤性狀、地表覆蓋、氣象條件、凈輻射、植物根系吸水等很多因素的影響[17–21]，同時(shí)土壤溫度的變化與水分狀況相關(guān)[22–24]。本研究中，我們假設(shè)不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)相同深度土壤的物理、化學(xué)性狀基本相同。因此，土壤性狀差異不再討論。在不同玉米生育期內(nèi)，NT-SRC管理下作用于行間不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)土壤水、熱特征的因素也不同。

在玉米苗期，盡管降水量在全生育期處于最低水平，但由于播種前作物地表一直保持秸稈全覆蓋狀態(tài)。因此，所有位點(diǎn)0—20 cm土壤剖面整體含水量較高，分布較為均勻(圖3)。苗期玉米植株較小，作物蒸騰作用可以忽略不計(jì)。土壤水分損失途徑主要是土面蒸發(fā)。對(duì)于寬行和窄行，影響土面蒸發(fā)的主要因素是地表秸稈覆蓋程度。寬行表面秸稈覆蓋，能有效地抑制蒸發(fā)[25]，使寬行土壤儲(chǔ)水量比窄行高8.5%；尤其明顯的是，50位點(diǎn)土壤含水量高于其他監(jiān)測(cè)點(diǎn)。另外，苗期階段，降雨事件較少(圖2)。因此，窄行位點(diǎn)和寬行位點(diǎn)土壤含水量變化均不劇烈(表1)。在此階段土壤溫度是限制玉米萌發(fā)、生長(zhǎng)的主要因素。玉米苗期行間不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)土壤溫度的變化非常劇烈。秸稈覆蓋一方面直接降低了地表凈輻射，另一方面使寬行土壤含水量較高。兩方面使窄行(苗帶)土壤升溫快且溫度高(圖7和圖8)。作為土壤與大氣熱量交換的一道屏障，秸稈覆蓋降溫作用明顯，導(dǎo)致苗期溫度過(guò)低，是影響免耕下作物生長(zhǎng)發(fā)育的關(guān)鍵因素[13,26]。本研究中，在晴朗的白天，苗期株下0位點(diǎn)在5 cm深度的土壤溫度在20℃～27℃，而寬行50位點(diǎn)的溫度變化在17℃～19℃，窄行處的日平均溫度比寬行處高2.2℃(圖8)。研究表明，即使土壤溫度改變1℃，也會(huì)對(duì)玉米生長(zhǎng)速率產(chǎn)生顯著的影響[27]。有研究指出，相較于裸土處理，在出苗后30天，秸稈覆蓋處理下玉米葉片減少1.1～1.4片[28]。因此，NT-SRC有效地提高了根系生長(zhǎng)區(qū)的土壤溫度，有利于玉米苗期生長(zhǎng)。

在拔節(jié)期，玉米株高和葉面積處于逐漸升高階段，因此，拔節(jié)期土壤含水量時(shí)空動(dòng)態(tài)特征主要受作物吸水、土面蒸發(fā)和降雨的影響。整體來(lái)看，拔節(jié)期寬行含水量高且比窄行穩(wěn)定(圖3和表1)，其主要原因是秸稈覆蓋一方面減少土壤蒸發(fā)[25,29]，另一方面，盡管秸稈覆蓋對(duì)降水具有截獲作用，減少了降水入滲量[30]，但其減緩了土壤含水量在降雨和干旱過(guò)程中的變化強(qiáng)度，增強(qiáng)了土壤含水量的穩(wěn)定性(圖5和圖6)[31]。玉米根系主要分在10和–10位點(diǎn)的空間內(nèi)，根系吸水使兩個(gè)位點(diǎn)土壤含水量變異增大(表1)。在此階段，土壤含水量和地表凈輻射差異是導(dǎo)致行間不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)土壤溫度時(shí)空分布特征差異的驅(qū)動(dòng)因子。寬行有秸稈覆蓋，含水量高、凈輻射低，所以日平均溫、最高溫度和升溫速率均低于窄行。

在吐絲灌漿期和成熟期，吉林南部黑土區(qū)農(nóng)田土面蒸發(fā)量很低[32]。玉米蒸騰量在全生育期最大，土壤水分損失主要過(guò)程為玉米植株蒸騰作用[33]。此階段是玉米一生需水最多的時(shí)期，易發(fā)生干旱脅迫[34]。降雨也主要集中在這段時(shí)間內(nèi)(圖2)。因此，玉米根系分布特征與該時(shí)期行間含水量動(dòng)態(tài)變化也有密切的關(guān)系。玉米根系密度隨土壤深度一般呈先增加后降低的趨勢(shì)[35–36]。所以，在本研究中，5 cm深度玉米根系吸水主要使–10和10位點(diǎn)土壤含水量迅速下降。隨著深度的增加，根系吸水作用位點(diǎn)逐漸擴(kuò)大到–20和20、30位點(diǎn)(表1)。50位點(diǎn)不受影響。在吐絲灌漿期，行間相同深度不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)日平均土壤溫度基本相同，其主要原因是秸稈覆蓋帶土壤含水量較高，熱容量較大，接收到的凈輻射較小，土壤溫度日變化較小。在成熟期，由于氣溫的降低，部分土壤熱量通過(guò)熱交換散失到大氣中，而秸稈覆蓋能夠降低這種熱量的損失，使得寬行處的土壤溫度高于窄行處，秸稈起到了保溫作用。同時(shí)成熟期寬行土壤含水量較高，土壤熱慣量較大，也一定程度上減緩了土壤溫度隨氣溫的降低[37]。

4 結(jié)論

免耕條件下，玉米采用窄行播種、寬行秸稈覆蓋的技術(shù)措施，避免了秸稈覆蓋降低苗期土壤溫度的副作用，又提高了玉米整個(gè)生育期內(nèi)土壤水分狀況，提高玉米抵御干旱能力。因此，免耕-帶狀秸稈還田可創(chuàng)造適合玉米生長(zhǎng)的水熱時(shí)空分布。由于本研究?jī)H基于一個(gè)平水年的結(jié)果，在春季干旱或者雨水偏多的情況下，玉米行間的土壤水熱時(shí)空動(dòng)態(tài)特征還需進(jìn)一步評(píng)估。