楊慶楠，高士軍，張何普，徐金忠

（1黑龍江省水利科學(xué)研究院，黑龍江省水土保持重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150070；2黑龍江大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)與生態(tài)環(huán)境學(xué)院，哈爾濱 150080）

0 引言

黑土是世界上公認(rèn)最寶貴的土壤資源，是一種有機(jī)質(zhì)含量高、團(tuán)粒結(jié)構(gòu)好、水肥氣熱易協(xié)調(diào)，有利于農(nóng)作物生長(zhǎng)的土壤[1-2]。黑土地在長(zhǎng)期的傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)耕作方式作用下，因過度開墾、高強(qiáng)度利用、用養(yǎng)失調(diào)等不合理的利用，使得水土流失持續(xù)發(fā)生，導(dǎo)致土壤有機(jī)質(zhì)銳減，團(tuán)粒結(jié)構(gòu)變差，保水保肥能力減弱，黑土地不合理利用與土壤退化相互促進(jìn)惡性循環(huán)。因此，保護(hù)好利用好黑土地對(duì)于筑牢祖國(guó)糧倉(cāng)、端牢中國(guó)飯碗、穩(wěn)住農(nóng)業(yè)基本盤具有特殊重要意義?！稏|北黑土地保護(hù)性耕作行動(dòng)計(jì)劃（2020—2025年）》中明確在適宜區(qū)域全面推廣應(yīng)用保護(hù)性耕作，農(nóng)田季節(jié)性裸露是加劇水土流失及土壤退化的主要原因，秸稈覆蓋作為保護(hù)性耕作體系的核心技術(shù)之一，對(duì)恢復(fù)土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，消除土壤硬化板結(jié)，建立土壤水、肥、氣、熱協(xié)調(diào)體系具有明顯優(yōu)勢(shì)。秸稈覆蓋與土壤水熱變化息息相關(guān)，科學(xué)研究主要集中于對(duì)土壤水分、溫度、鹽分運(yùn)移規(guī)律，耗水與蒸發(fā)及產(chǎn)量關(guān)系[3-7]，覆蓋條件、覆蓋量及覆蓋時(shí)期[8-12]等方面的研究。黑土區(qū)秸稈覆蓋技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用過程中存在降低地溫而導(dǎo)致作物減產(chǎn)的現(xiàn)實(shí)問題，研發(fā)不降低種床土溫的秸稈覆蓋關(guān)鍵保護(hù)性利用技術(shù)，是黑土地保護(hù)性耕作推廣應(yīng)破解的技術(shù)難題，然而，厘清秸稈覆蓋后土壤水熱與降雨之間的變化關(guān)系將是研發(fā)關(guān)鍵技術(shù)的理論基礎(chǔ)。因此，本研究以秸稈覆蓋的大豆地塊為研究對(duì)象，通過對(duì)土壤水熱的定時(shí)定位監(jiān)測(cè)，了解分析在秸稈覆蓋下次降雨對(duì)土壤水分和溫度影響，以期為研發(fā)不降低種床土溫的秸稈覆蓋保護(hù)性利用技術(shù)提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)地點(diǎn)位于黑龍江省海倫市光榮村(47°23′N，126°51′ E)。屬漫川漫崗水蝕區(qū)，土壤類型為典型黑土，位于典型黑土區(qū)中心區(qū)域，土壤質(zhì)地為黏壤土，其表層(0～20 cm)黏粒含量為35%～45%[13]，有機(jī)質(zhì)含量為47.0 g/kg，0～20 cm 土壤容重1.19 g/cm3，全氮含量0.23 g/kg，全磷含量0.072 g/kg，全鉀含量1.03 g/kg，水解氮236 mg/kg，有效磷48.6 mg/kg，速效鉀305 mg/kg，pH 6.1，母質(zhì)為黃土狀亞黏土，泥頁(yè)巖為第四紀(jì)河湖相沉積物[14]。中國(guó)科學(xué)院海倫農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站1965—2010年氣象數(shù)據(jù)顯示，年均降水量為543 mm，降雨集中于6—9月。年均氣溫為1.5℃，平均最低氣溫-21.8℃和最高氣溫21.7℃分別在1 月和7月[15]。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

選取坡度為3°～5°的順坡耕地，設(shè)置秸稈覆蓋免耕處理和傳統(tǒng)耕作對(duì)照。2021 年秋收后玉米秸稈粉碎全量覆蓋，2022年春季種植作物為大豆。安裝管式多參數(shù)含水率溫度監(jiān)測(cè)儀(JING2020070701)，7—9 月監(jiān)測(cè)10、20、30、40、50、60、70、80 cm 水分含量和土壤溫度，利用外界太陽(yáng)能供電系統(tǒng)，記錄時(shí)間間隔60 min。降雨數(shù)據(jù)來源于海倫黑土水土保持監(jiān)測(cè)研究站AMSII自動(dòng)氣象站。

2 結(jié)果與分析

7—9 月采集10、20、30、40、50、60、70、80 cm 水分含量和土壤溫度共1931 次，共11586 個(gè)數(shù)據(jù)。對(duì)應(yīng)的降雨歷時(shí)、平均雨強(qiáng)、I30、EI30情況見表1。

表1 次降雨各因子情況

2.1 秸稈覆蓋含水量變化情況

由圖1，秸稈覆蓋地塊20～80 cm 的土壤含水量曲線呈“幾”字形變化，即具有一段時(shí)間內(nèi)含水量保持不變，突然急速下降和上升的特點(diǎn)，且隨著土層深度的加深，土壤含水量保持不變的時(shí)長(zhǎng)越長(zhǎng)。與張少良[16]和于慶峰等[17]研究結(jié)果一致，主要是秸稈覆蓋后阻滯了土壤與空氣的交換通道，大幅度降低土壤水分蒸發(fā)。30～80 cm 土層含水量呈“幾”字形變化趨勢(shì)尤為明顯。40 cm和50 cm含水量變化幅度最小，大多維持在36%～39%，且變化趨勢(shì)一致性高，急劇上升下降幅度小，呈小“幾”字形變化曲線；60 cm 和80 cm 含水量上升下降變化幅度較大，呈中“幾”字形變化曲線，80 cm含水量最高，基本保持35%～40%之間，60 cm含水量變化幅度在32%～37%之間；70 cm 含水量變化幅度可達(dá)到23%，變化非常劇烈，含水量最高接近40%，最低含水量?jī)H為16%，低于所有土層的最低含水量，呈大“幾”字形變化曲線。20 cm 土壤含水量和30 cm 含水量相近，在32%～38%之間。10 cm 含水量呈規(guī)律性的含水量急劇上升后逐漸下降的多個(gè)重復(fù)的過程，在22%～37%之間。較大次降雨后，各層土壤含水量上升存在滯后期。

圖1 秸稈覆蓋土壤含水量變化情況

由圖2，傳統(tǒng)耕作地塊10～80 cm 的土壤含水量走勢(shì)基本一致，次降雨后，含水量快速上升，基本無滯后期，受外界氣象條件影響大于秸稈覆蓋，隨著時(shí)間推移含水量逐漸降低。傳統(tǒng)耕作含水量稍低于秸稈覆蓋，與楊成存等[18]研究結(jié)果一致。80 cm 含水量一直保持最高，多數(shù)處于36%～40%；其次是40～60 cm含水量較高，且數(shù)值為接近，基本維持在32%～39%；再次是70 cm 含水量，可達(dá)30%～36%；10～30 cm 含水量較為接近。20～80 cm土壤含水量，除在降雨時(shí)的大幅度變化，其他時(shí)段變化幅度較小，10 cm含水量相對(duì)波動(dòng)較大。40～80 cm 含水量下降后達(dá)到一個(gè)基本穩(wěn)定的水平，10～30 cm含水量會(huì)持續(xù)性波動(dòng)下降。

圖2 傳統(tǒng)耕作土壤含水量變化情況

10～50 cm秸稈覆蓋含水量基本高于傳統(tǒng)耕作，降雨時(shí)秸稈覆蓋和傳統(tǒng)耕作含水量差距小，秸稈覆蓋地表后減少了土壤水分的蒸發(fā)，起到蓄水保水的作用，降雨對(duì)裸露地表含水量進(jìn)行了補(bǔ)充，其中秸稈覆蓋10 cm土層含水量大部分高于傳統(tǒng)耕作，秸稈覆蓋20～50 cm 土層含水量均高于傳統(tǒng)耕作。秸稈覆蓋60、80 cm 土層含水量降雨時(shí)低于傳統(tǒng)耕作，其他時(shí)間高于傳統(tǒng)耕作，主要是由于傳統(tǒng)耕作地塊無秸稈蓄水保水作用，徑流直接滲透至深層土壤。

2.2 秸稈覆蓋溫度變化情況

由圖3，秸稈覆蓋地塊在8 月7 日前，土壤溫度隨著土層深度的加深，溫度逐漸降低；越接近地表，土壤溫度浮動(dòng)變化越劇烈，因?yàn)槭芸諝鉁囟鹊挠绊懺酱螅?0～80 cm 土層溫度浮動(dòng)很小，相鄰?fù)翆訙囟炔?℃左右；10 cm 土壤溫度在34.25～17.56℃，20 cm 土壤溫度在28.06～19.63℃，30 cm 土壤溫度在26.94～20.25℃，40 cm 土壤溫度在26.69～20.00℃，50 cm 土壤溫度在27.81～19.69℃，60 cm 土壤溫度在26.56～19.06℃，70 cm 土壤溫度在26.69～18.25℃，80 cm 土壤溫度在25.06～17.44℃，20～80 cm 相鄰?fù)翆油粫r(shí)間溫度差在0～1℃，10 cm和20 cm土壤溫度差在2～6℃。40～80 cm土層溫度8月7號(hào)后差距不足1℃，且隨著時(shí)間推移溫度變化非常小，8 月22 號(hào)后各土壤溫度幾乎一致；10～30 cm土層，越接近地表，浮動(dòng)越大。

圖3 秸稈覆蓋土壤溫度變化情況

由圖4，8 月7 日前，傳統(tǒng)耕作地塊10 cm 溫度在33.19～17.88℃，最高和最低溫度略低于秸稈覆蓋地塊1℃；20 cm 溫度在25.88～19.19℃，30 cm 溫度在23.19～19.44℃，40 cm 溫度在22.31～19.31℃，50 cm 溫度在21.94～18.88℃，60 cm 溫度在21.19～18.25℃，70 cm 溫度在20.19～17.50℃，80 cm 溫度在20.25～17.81℃，30～80 cm 相鄰?fù)翆油粫r(shí)間溫度差在0～1℃，10 cm 和20 cm 溫度差在1～7℃。傳統(tǒng)耕作各土層土壤溫度均低于秸稈覆蓋處理，說明秸稈覆蓋后，可以提供保溫效果。8月7日后，40～80 cm土層溫度較8月7日前差距減小，但其差距仍然大于秸稈覆蓋處理，且隨著時(shí)間推移溫度變化非常??；10～30 cm土層，越接近地表，浮動(dòng)越大。

圖4 傳統(tǒng)耕作土壤溫度變化情況

秸稈覆蓋和傳統(tǒng)耕作10 cm 土壤溫度變化均很大；秸稈覆蓋20～70 cm 土壤溫度高于傳統(tǒng)耕作，其中50～70 cm 秸稈覆蓋土壤溫度高于傳統(tǒng)耕作差較大，20～40 cm及80 cm土壤溫度差相對(duì)較小。

3 結(jié)論與討論

在傳統(tǒng)耕作中，土壤水分蒸發(fā)界面為空氣—土壤界面，在土壤含水量較高的情況下，地表附近的土層因太陽(yáng)輻射汽化蒸發(fā)，使得地表土壤水分減少，水勢(shì)降低，在毛管作用下，土壤深處的水會(huì)從高水勢(shì)向低水勢(shì)移動(dòng)，形成土壤水分會(huì)從下層向上傳導(dǎo)至土壤表面，再汽化蒸發(fā)的連續(xù)過程[19]。當(dāng)土壤表面覆蓋秸稈后，蒸發(fā)界面就由空氣—土壤界面變?yōu)榱丝諝?覆蓋層界面，外界熱量不會(huì)直接達(dá)到土壤表面，有效減緩了土表附近水分蒸發(fā)速率。與此同時(shí)秸稈覆蓋也可以有效的阻止地表溫度快速散失[20]，這個(gè)保溫效果甚至可以影響到較深的土層，對(duì)土壤保溫保墑起到了積極效果。

（1）本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，對(duì)照傳統(tǒng)耕作，次降雨后秸稈覆蓋的土壤含水量變化存在一個(gè)滯后期，各層土壤可以在一段時(shí)間內(nèi)保持高含水量，且隨著深度的增加，保持高含水量的時(shí)間有所增加。這說明秸稈覆蓋對(duì)土壤有很好的蓄水保墑效果，且隨著土壤深度的增加，保墑效果也會(huì)越來越好。

（2）秸稈覆蓋后，各土層土壤溫度高于傳統(tǒng)耕作的土壤溫度；8月起，秸稈覆蓋后各土層土壤溫度的差距小于傳統(tǒng)耕作的地塊。秸稈覆蓋地塊與傳統(tǒng)耕作溫度變化趨勢(shì)基本一致，隨著土層深度的加深，土壤溫度逐漸降低，但秸稈覆蓋后土壤溫度浮動(dòng)幅度小于傳統(tǒng)耕作。