耕作模式对坡耕地土壤水分和大豆产量的影响

邱 野，王 瑄



耕作模式对坡耕地土壤水分和大豆产量的影响

邱 野，王 瑄※

（沈阳农业大学水利学院，沈阳 110161）

为了探讨北方土石低山地区不同耕作模式对坡耕地的土壤水分特征及其对作物产量的影响，以10°坡耕地大豆田为研究对象，监测了传统耕作（CT）、免耕（ZT）、免耕秸秆覆盖（NT）和横垄（CR）4种不同处理下0～100 cm土壤水分垂直变化和水平变化，测定了大豆产量和水分利用效率。结果表明：1）在大豆不同生育期中，各处理在0～40 cm土壤水分含量均表现为：NT＞ZT＞CR＞CT，当土层深度大于40 cm时，各处理间土壤水分含量的大小关系发生波动变化，其中ZT和NT能明显改善0～50 cm土层土壤水分含量，较CT处理保墒效果提高25.34%～35.57%。2）CT和ZT处理坡位间土壤水分含量的大小关系，受大豆生育期内总降雨量的影响较小，分别表现为：下坡位＞中坡位＞上坡位和下坡位≈中坡位＞上坡位，而NT和CR处理坡位间土壤水分含量的大小关系，会随着大豆生育期内降雨总量的不同而产生微变。3）各处理剖面土壤水分空间分布格局均表现出下湿上干的特点，CT和CR湿润土层（体积含水率≥11.6%）分别位于坡底40～100 cm和坡顶40～100 cm处，而干燥土层（体积含水率≤8.6%）则分别位于坡顶10～30 cm和坡底10～20 cm处。ZT湿润土层（体积含水率≥12%）分布集中性较差，NT湿润土层分布集中性最好，且范围最大，占据了整个坡面40～100cm深度范围。4）所考虑的3个因素对土壤水分含量影响作用的大小表现为：耕作模式＞剖面深度＞坡位。5）在2a试验中，与CT相比CR、ZT和NT处理产量分别平均增加8.77%、15.68%和26.74%，水分利用效率分别平均提高6.32%、11.6%和20.61%，因此建议在研究区种植大豆时，优先采用NT耕作模式。

土壤水分；作物；耕作；大豆；产量；水分利用效率

0 引 言

土壤水是土壤的重要组成部分，是农作物的生命之源，更是自然界水循环中不可缺少的重要组成部分[1]。土壤中水分的含量及空间分布特征，对坡面土壤侵蚀、农田水资源的水文过程以及农作物的生长等具有重要影响[2-3]。中国北方地区坡耕地分布范围较广，人为扰动频率较大，加之不科学的耕作方式和微地形变化的综合影响，使其农田土壤结构遭到不同程度的破坏，导致土壤水分分布格局紊乱，这对农作物的生长以及土壤水资源的有效利用和科学管理极为不利。可见，掌握不同耕作模式下坡耕地土壤水分的分布规律，对研究坡耕地土壤水分的空间变异规律、坡面水土流失的防治、影响区域水文要素的治理以及优化农业生产等方面具有重要意义[4-8]。

耕作方式与土壤质量演化、土壤水热特性及农业可持续利用之间的关系较为密切[9-10]。合理的耕作方式不仅可以改善农田土壤特性，协调土壤中水、肥、气、热之间的关系，还可以提高田间土壤水分利用效率，这有助于保水增产和有效促进农田生态系统的良性循环[11-14]。现如今在中国北方有许多地区仍然沿用着传统的翻耕耕作方式，该耕作方式虽然在消除作物残茬、杂草和增加表层土壤通透性等方面有一定优势，但同时也会对土壤结构造成极大的破坏，使土壤水分蒸发速率加快，降雨入渗率减小，致使土壤水分含量降低，这对农业生态的可持续发展极为不利[15-16]。如今以免耕、少耕为代表的各种保护性耕作方式，在改善土壤结构和提高土壤墒情等方面都表现出了明显的优势[9, 17-19]。与传统耕作相比，免耕条件下土壤孔隙连通性较好，保水和抗水蚀能力较强，这对增加土壤水分含量和提高水分利用效率较为有利[20-22]。另外，免耕与秸秆覆盖相结合的耕作方式对土壤物理性质的改善以及保水保土等方面效果更佳[23-24]。可以看出，随着耕作模式的改变，土壤水分含量也会随之产生不同程度的变化，而这种变化势必会对坡耕地土壤水分的空间分布规律造成影响。目前，关于坡面土壤水分分布特征的研究大多是以地形、植被和气象等作为其影响因子展开的，而以耕作模式作为其主要影响因子开展的相关研究则较为少见。基于此，本文将从不同深度和坡位两个方面，对CT、ZT、NT和CR 4种耕作模式下大豆田0～100 cm土壤水分的时空分布特征进行研究，并就不同耕作模式对大豆产量和水分利用效率的影响进行评价。以期为东北坡耕地地区耕作方法的合理选用和如何更好地提高农田土壤水分利用效率及作物产量等提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验于2016年和2017年在辽宁省铁岭市西丰县泉河小流域水保站进行，此地位于124°56′13.62″E，42°42′38.7″N。地貌类型属土石低山区，属温带大陆性季风气候，雨热同季，该区域多年平均降雨量为659.8 mm，其中6～9月份降雨最为集中，降雨量约占全年降水总量的70%以上。年均气温6.19 ℃，最高气温35.5 ℃，最低气温-44.5 ℃，年平均日照数2536.5h，相对湿度67%，冻土深度小于1.5 m，平均海拔221 m，年均蒸发量为1 219.4 mm。作物一年一熟，无需灌溉，为典型旱地雨养农业区。试验区土壤类型为棕壤土，假比重为1.29 g/cm3，萎蔫系数为7%，有机质3.56%。试验地土壤颗粒机械组成见表1。

表1 试验地0～100cm土层土壤颗粒组成

1.2 试验设计

在野外设置12个，长20 m、宽5 m的标准试验小区，各小区长边与等高线垂直，坡面朝向一致，坡度均为10°，小区四周用石棉瓦围埂，塑料薄膜密封，深入地下30 cm。相邻小区间设置3 m宽隔离带，为保证试验不受坡面外水干扰，在各小区坡顶上方设置排水沟。坡底处布设主池和分流池两个径流池，容积分别为2.2和1 m3。试验供试大豆品种为“中黄38”，生育期120 d左右。试验期间，每年大豆播种日期为：5月28－30日，收获日期为：9月26－28日，每个小区种植98行9列，行距和列距分别为55和20 cm，每穴播种1～2株，播种前施一次大豆专用肥作为基肥，施用量为550 kg/hm2，出苗前进行一次化学除草，试验期内各小区均无灌溉处理。各试验小区耕作方式布设方案及代码如表2所示，各处理3次重复。

表2 试验设计

试验期间月平均降雨量和气温如图1所示。与多年平均降雨量659.8 mm相比，2016年总降雨量比其高26.1 mm，属平水年，而2017年总降雨量则比其低63 mm，属欠水年。在2016年和2017年试验期间，降雨量分别占到全年降雨总量的72.36%和74.23%，月平均气温均与多年同期平均气温较为接近，且均无极端天气变化的情况发生。在2a试验期内，共有26场降雨产生了地表径流，不同处理小区坡面径流总量表现为：CT＞CR＞ZT＞NT，与CT相比，CR、ZT和NT处理的保水效果分别平均提高：12.79%、20.5%和37.1%，不同耕作模式小区次降雨坡面径流量如图2所示。

图1 研究区月降雨量和月平均气温

图2 不同耕作模式下次降雨坡面径流量

1.3 测定指标及方法

1.3.1 气象资料、坡面径流量和土壤水分

式中：N为各试验小区中观测点的数目，N为观测次数，N为各测点每次深度观测数量。

土壤贮水量计算公式为[25]

式中：为0～100 cm深度范围内的土壤贮水量，mm，为土层深度编号，为总土层数，θ为第层土壤体积含水量，%，H为第层土壤厚度，mm，本试验测定土壤含水率的深度范围为0～100 cm，步长为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进行计算，计算公式为[25]

式中：为大豆全生育期耗水量，mm，Δ为0～100cm深度范围内土壤贮水量的变化，mm，即Δ=2−1，1和2分别为作物播前和收获后0～100 cm土壤贮水量，mm；为作物生长期内降雨量，mm；为地表径流量，mm，由于本试验无灌溉设计，且试验场地位置地下水埋深＞4 m，降雨入渗深度不超过2 m，因此灌溉用水量、地下水补给量和渗透水量的值均可视为0。

大豆成熟后每小区随机选取（除边行）10株，测定相关农艺性状指标，全区收获后计算产量。水分利用效率的计算公式为[25]

式中：为大豆水分利用效率，kg/(hm2·mm)，为大豆产量，kg/hm2。

1.3.3 数据处理

采用Excel 2010和SPSS 20统计分析软件进行数据处理、方差分析和绘图，在数据正态分布检验和数据转换的基础上，计算平均值和标准差，采用Duncan新复极差法对各处理间计算数据进行差异显著性检验（<0.05），并对影响土壤含水率的因素进行单变量多因素方差分析。等值线图采用Surfer12.0软件绘制。

2 结果与分析

2.1 不同耕作模式下大豆地土壤水分垂直变化

由图3可以看出，在大豆的不同生育期内不同处理相同深度间和相同处理不同深度间的土壤水分含量均存在明显差异，这与大豆生育时期、降雨量及气温等因素密切相关。

在2a试验期间，大豆生长初期各处理土壤水分含量均高于萎蔫系数，且在0～50 cm的各层土壤水分含量均表现为：NT＞ZT＞CR＞CT，而当土层深度＞50 cm时，相同土层各处理间土壤水分含量的大小关系发生了波动变化（图3a、e）。与2016年大豆生长初期相比，2017年CT、ZT、NT和CR处理，在0～100 cm的平均土壤含水量分别下降了26.47%、26.91%、29.23%和25.95%。这与测量前有效降雨的发生次数有关，在测量的前6d内，2016年共发生了3次有效降雨（累计降雨量40.6 mm），这直接导致了各小区土壤水分含量的迅速增加，而2017年则无有效降雨发生（图3a）。随着大豆的生长发育，尽管期间降雨量较大，但受大豆生长耗水和气温逐渐升高的影响，各处理0～100 cm土壤水分含量整体明显下降，其中20～50 cm表现最为明显，CT、ZT、NT和CR处理分别下降31.61%、35.89%、35.1%和31.09%。同时，相同深度各处理间土壤水分含量的大小关系也随之发生了变化，均表现为NT＞ZT＞CR＞CT（图3b）。由于连续高温天气以及短期（观测前10d）内无有效降雨的影响，CT和CR 0～50 cm土壤水分含量显著低于ZT和NT处理，ZT和NT较CT处理保墒效果提高25.34%～35.57%，且CT和CR处理0～20 cm土壤水分含量均低于萎蔫系数。另外40～100 cm土层各处理土壤含水量的大小关系又发生了波动变化（图3c）。2016年大豆收获期各处理土壤水分含量与上月相比均有不同程度回升，其中0～50 cm土层回升效果最为显著，这是由于该年9月份的累计降雨量高于多年同期，进而增加了对土壤水分的补给量，而8月份的累计降雨量则低于多年同期，同时，9月份的平均气温比8月低5.9 ℃，使得坡面土壤水分的蒸发减少，在加之大豆在收获期根系耗水量减少等综合因素的影响，最终导致各处理中土壤水分的含量均有所回升（图3d）。

较大强度的降雨能迅速有效的增加土壤中的水分含量，使各土层中土壤的水分条件得到大幅改善。在2017年7月20日的一次暴雨过后（降雨量45.9 mm），各处理不同土层的水分含量均大幅度提高，其中0～50 cm土层中降雨入渗补给的效果最为明显，与CT相比ZT、NT和CR处理的土壤水分含量分别提高了5.64%、9.15%和3.37%（图3f）。随着大豆生长期的推进和持续高温天气的影响，这次暴雨对土壤水分的补给很快被消耗，各处理土壤水分含量开始大幅度下降，与去年同期相比，2017年8月各处理中均未见有低于萎蔫系数的情况发生，这是因为在本次观测的前3d内，共发生了3次有效降雨，累计降雨量达15.8 mm（图g）。2017年收获期CT、ZT、NT和CR处理0～100 cm的平均土壤含水量与2016年同期相比，分别下降了7.94%、8.1%、7.98%和8.71% ，且在0～30 cm土层中CT和CR处理均出现了低于萎蔫系数的情况，这与采样前期连续多日无有效降雨有直接关系，虽然2017年9月的总降雨量高于多年同期平均降雨量18.1 mm，但该月的几场较大强度降雨均发生在观测日（9月14日）之后，因此造成该月所测得的土壤水分含量数据与上月相比整体偏低。在2a试验中，收获期各处理的0～50 cm土层的土壤水分含量均表现为：NT＞ZT＞CR＞CT，当土层深度大于50 cm时，各处理间土壤水分含量的大小关系产生波动变化（图3h）。

图3 不同观测时期耕作模式对大豆地0～100 cm土壤含水率的影响

2.2 不同耕作模式下大豆地土壤水分水平变化

在2016年和2017年大豆整个生育期内，各处理不同坡位0～100 cm土层的平均土壤含水量如图4所示。可以看出，在各年试验中，同一处理不同坡位间土壤水分含量差异较大。CT和ZT处理分别表现为：下坡位＞中坡位＞上坡位和下坡位≈中坡位＞上坡位，其中CT处理各坡位间平均土壤水分含量大小关系差异显著（＜0.05），且产生了明显的坡底聚集效应。而ZT处理上坡位的平均土壤水分含量显著低于其他坡位（＜0.05），下坡位和中坡位之间则无显著差异（＞0.05）；NT处理在平水年（2016年）和欠水年（2017年）分别表现为：中坡位≈下坡位＞上坡位≈中坡位和下坡位≈中坡位≈上坡位，可见，当作物生长期内的总降水量较多时，下坡位的平均土壤含水量会显著高于上坡位（＜0.05），且会产生轻微的坡底聚集效应，而当作物生长期内的总降水量较少时，各坡位间的平均土壤水分含量则无显著差异（＞0.05）；CR与NT处理的结果则正好相反，在平水年（2016年）和欠水年（2017年）分别表现为：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显著高于其他坡位（＜0.05），而在平水年中各坡位间的平均土壤含水量则无显著差异。

相同坡位不同耕作模式间平均土壤含水量的大小关系也存在较大差异。在2 a试验中，各处理上坡位平均土壤含水量总体表现为：NT≈CR≈ZT＞CT，其中CT显著低于其他处理（＜0.05），而ZT与CR之间则无显著差异（＞0.05）；中坡位平均土壤含水量均表现为：NT≈ZT＞CR≈CT，其中NT和ZT显著高于其他处理（＜0.05），而NT与ZT和CT与CR处理之间则无显著差异（＞0.05）；下坡位平均土壤含水量均表现为：NT＞ZT≈CT＞CR，其中CR显著低于其他处理（＜0.05），而CT与ZT处理之间则无显著差异（＞0.05）。在不同年份中，相同处理同一坡位的平均土壤含水量也存在一定差异，这可归因于气象条件与坡面微地形变化等综合作用。不难看出，在其他耕作条件相同的情况下，耕作模式的改变，同样会对0～100 cm土壤水分的水平分布造成影响，进而使得土壤水分的空间分布格局发生变化。

注：不同大写和小写字母分别表示，同处理不同坡位间和不同处理同坡位间土壤含水量差异显著（P＜0.05）。

2.3 不同耕作模式土壤水分剖面、坡面的二维分布及其控制因素

图5为2016年和2017年试验期间平均土壤含水量的分布情况，据此可以看出，各处理剖面土壤水分空间分布格局均表现出下湿上干的特点，且不同耕作模式间干湿土层的空间分布位置和土壤水分含量差异较大。CT处理的干燥土层（体积含水率≤8.6%）和湿润土层（体积含水率≥11.6%）位置，分别出现在坡顶10～30 cm处和坡底40～100 cm处（图5a）。与CT相比，CR处理干湿土层出现的水平位置与之相反，分别位于坡底10～20 cm处和坡顶40～100 cm处，且当剖面深度大于80 cm时，湿润土层范围逐渐向坡底扩散（图5d）。ZT处理的湿润土层（体积含水率≥12%）分布集中性较差，在40～50 cm深度处其分布在坡面的中下部，在50～65 cm深度范围内，随剖面深度的加深产生了坡底聚集效应，而后当剖面深度＞65 cm时，坡底聚集效应随剖面深度的加深而逐渐消失，当深度增加到＞90 cm时，其湿润层充满整个坡面（图5b）。与ZT相比，NT处理的湿润土层（体积含水率≥11.8%）分布集中性相对较好，且范围最大，其最开始出现在坡底20 cm处，并随着剖面深度的加深逐渐向坡顶扩散，在剖面深度达到40 cm时，湿润土层已经扩散至整个坡面，并且将该扩散范围一直延续到100 cm深度（图5c）。在ZT和NT处理中，最干燥的土壤区域均出现在坡顶＜20 cm处。

图5 2016—2017年试验期间各处理平均土壤含水量空间分布

对所测土壤含水率数据作平方根反正弦变换，经非参数K-S检验后数据符合正态分布。以土壤含水率作为因变量，耕作模式、坡位和土壤剖面深度3因素作为固定因子，运用多因素方差分析法对3因素的作用大小进行评定，结果见表3。由值的大小可知，3种因素对坡耕地0～100 cm土壤水分含量均有极显著影响（＜0.01），且影响作用的相对大小表现为：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，对土壤水分含量产生极显著影响的只有耕作模式与坡位的交互作用（＜0.01），产生显著影响的只有耕作模式、坡位和剖面深度之间的交互作用，而其他交互作用对土壤水分含量的影响并不显著（＞0.05），这说明在3因素的互交作用中，“耕作模式/坡位”对不同耕作模式下土壤含水量变化情况的解释程度最高（=49.473），“耕作模式/坡位/剖面深度”次之。

表3 耕作模式、坡位和剖面深度对平均土壤含水量影响的3因素方差分析

2.4 不同耕作模式下大豆产量、农艺性状和水分利用效率

耕作模式的变换会导致大豆农艺性状的相关参数发生变化，进而对大豆产量和水分利用效率产生影响（表4）。2016年各处理大豆产量、贮水量和水分利用效率等参数值均大于2017年，这可能主要归因于2a试验期间总降雨量的不同。在2a试验中，不同处理的大豆产量和耗水量均表现出NT＞ZT＞CR＞CT的显著关系（＜0.05），其中大豆产量方面，CR、ZT和NT与CT处理相比，2016年分别提高8.11%、14.55%和24.83%，2017年分别提高9.43%、16.8%和28.65%，可见，在大豆生育期内的总降雨量越小，则耕作模式的变化对大豆增产效果的影响越大。在农艺性状方面，NT和ZT的株高显著高于CR和CT处理（＜0.05），而CT的分枝数和单株粒数则显著低于其他处理（＜0.05）。在株高和分枝数方面，NT与ZT处理间无显著差异（＞0.05）。2 a试验中，CT、ZT和NT在单株粒数和百粒质量方面表现出了显著差异（＜0.05)，可见，与CT相比，ZT和NT处理产量的增加可主要归因于单株粒数和百粒重的增加。水分利用效率方面，各处理间均表现出了显著差异，CR、ZT和NT均显著高于CT处理（＜0.05），与CT相比，其中，2016年分别提高5.21%、10.41%和19.3%，2017分别提高7.43%、12.78%和21.93%。

表4 不同耕作模式下大豆产量、农艺性状和水分利用效率

注：同列数据后不同字母表示处理间差异达5%显著水平。

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

3 讨 论

3.1 不同耕作模式对土壤水分含量垂直方向变化的影响

与CT相比，CR、ZT和NT处理在0～30 cm土层中的平均土壤水分含量增加效果最为明显，分别增加3.66%、12.82%和21.42%，其次是80～90 cm土层，分别增加3.17%、9.35%和17.9%，而在60～70 cm土层中的增加效果则相对较差，分别增加2.45%、6.9%和15.62%，可以看出，CR、ZT和NT处理不仅能明显提高表层土壤的水分含量，而且对较深层土壤水分含量的增加也起到了积极的作用，这与刘爽等[26-27]的研究结果较为一致。在2a试验期间，ZT、NT和CR在0～100 cm土层中的土壤水分含量与CT处理相比均有所增加，这是因为免耕避免了雨滴对耕层中土颗粒的直接打击以及土壤有机质的过度分解，促进了土壤中水稳性团聚体的形成，优化了土壤结构，提高了土壤持水性能，进而造成土壤中水分含量的增加[28-29]；而秸秆覆盖有效抑制了土壤中的水分蒸发，改善了土壤结构及理化性质，增强了土壤保水能力，对促进土壤中有效水含量的增加及导水功能的提高均起到了积极的作用[30-33]，同时，秸秆覆盖还增加地表粗糙度，减少了雨滴和地表径流对坡面土壤的冲击，调节和分散了地表径流，减缓了流速，这有效提高了降雨的就地入渗量。另外，秸秆覆盖与免耕相结合后进一步增大了土壤中通气孔隙的孔径，减小了无效孔隙的孔径，提高了土壤持水性能，进而使得土壤中水分库的容量增大[24]；CR处理之所以能够提高土壤中的水分含量，是由于其特殊的垄向布设方式，对坡面径流和雨水产生了较强的聚集作用，减小了雨滴和径流对坡面的打击和冲刷，使得坡面土壤入渗时间增加，保水保土能力提高，进而促使土层中土壤水分含量增加[34]。

3.2 不同耕作模式对土壤水分含量水平方向变化的影响

在地形因子中，坡位是其最重要的组成部分之一，坡位能引起水热因子及一系列土壤特性发生变化，从而改变能量平衡，对土壤水分分布的空间格局产生重要影响[35]。另外，降雨在坡面上的再分配也会使得不同坡面位置的土壤水分含量产生差异[36]。本研究得出CT和NT处理下坡位的平均土壤含水量均高于中坡位和上坡位，且CT处理产生了明显的坡底聚集效应。这是因为传统耕作对坡面表层土壤结构破坏较大，使得表层土壤渗透系数增大，渗流流速增加，再加之垂直坡底的垄向布设方式和坡度的联合作用，使得在降雨发生后，产生地表径流前，坡面上大量雨水顺着表层土体内部渗流通道迅速向坡底聚集，同时，随着降雨量的持续增加，无任何保护措施的CT处理坡面会迅速产生地表径流，在坡度的作用下集体向坡底汇集。与CT相比，NT处理虽然较好的保护了坡面土壤结构，推迟了地表径流的发生时间，减缓了地表径流的流速，减小了坡底与坡顶土壤水分含量的差异，但由于秸秆的布设使得水分入渗到覆盖层后，会在土层与覆盖层的交界处聚集，并在坡度的作用下向坡底缓慢渗流，进而也使得下坡位的平均土壤含水量有所增加。

而ZT处理坡底聚集效应则相对较差，其中坡位的土壤水分含量相对较高，这和免耕最大程度地保持了土壤的原有结构有关，在无秸秆覆盖的条件下，坡面径流顺坡底有序排出，当降雨结束时，土壤中的水分保持了天然的分布状态，在与大豆根系吸水的联合作用下，弱化了坡度对土壤水分空间分布的影响；CR处理则没有产生坡底聚集效应，且上坡位的土壤水分含量相对较大，这可能主要与试验期间较高的降雨频次和较多的坡面径流产生次数有关，由于垄向横向布设的方式，有效阻止了坡面径流向坡下的汇集，同时还促使了地表汇水在垄沟中的横向移动，形成侧渗流[34]，当坡面坡度较小时，有效减小或消除了坡底聚集效应，另外在多次径流冲刷后，下坡位的垄槛高度与上坡位相比会明显降低，垄沟的蓄存水能力下降，进而导致下坡位土壤中的水分含量下降。

3.3 不同耕作模式对大豆产量和水分利用效率的影响

免耕作为重要的保护性耕作措施，能减少外力对表层土壤的扰动，进而降低土壤容重，改善土壤孔隙状况，减少水分散失，这对增强土壤蓄水保墒能力以及促进农作物增产等方面均有着积极的作用[20,22]。本研究中也得出了与之相似的结论，ZT的大豆产量和水分利用效率分别比CT处理平均高出15.68%和11.6%。但周兴祥等[27]则认为长期免耕会对耕层土壤的理化性质产生不良影响，且容易导致表层土壤富营养化和病虫危害加剧。当连续免耕6a时，会造成耕层土壤过于紧实和犁底层加厚，不利于作物早期生长[20]。胡立峰等[37]也认为长期免耕会使农作物的产量减少，并提出在连续免耕3～5 a后，应对土壤进行深耕翻，以保证土地的生产能力。本研究中虽然也得与之相似的结论，但由于试验期间较短，以及每年试验期间总降雨量差异较大，连续免耕是否为该区域大豆产减产的关键因素还需进一步验证；秸秆还田措施，在避免秸秆焚烧造成大气污染的同时，还能起到提高水分利用效率、保墒、增肥和增产的作用。本研究中NT的大豆产量和水分利用效率与CT处理相比，分别平均高出26.74%和20.61%。但也有人认为秸秆覆盖也存在一些弊端，殷涛等[14]通过将整个田面秸秆以整杆直接覆盖的方式，对玉米田土壤水热效应进行了研究，虽然同样得出免耕秸秆覆盖与传统耕作相比，显著改善了土壤水分条件，提高了水分利用效率，但也发现较大的地表覆盖量下会致使早春地温较低，作物出苗困难，最终导致作物产量降低。而本研究中NT的水分利用效率和产量在2a试验中均显著高于CT处理（＜0.05），未发生作物减产的现象，这可能与本研究中玉米秸秆覆盖量较少和非整杆覆盖有关，也可能与种植作物的品种不同有关；横垄耕作在中国北方雨养农作物地区被广泛应用，其特殊的垄向布设方式，能有效减少坡面水土流失，提高水分入渗量，进而处进作物增产和提高水分利用效率[38]。Barton等[39]在10°和27°小区上进行了4年的连续观测，得出横垄较传统耕作的作物产量提高15%～19%。本研究也得出了与之相似的结论，在2a试验中CR与CT相比，作物产量和水分利用效率分别平均提高了8.77%和6.32%。

4 结 论

本文通过野外试验，在大豆的不同生育期中，对传统耕作（CT）、免耕（ZT）、免耕秸秆覆盖（NT）和横垄（CR）4种耕作模式下，坡耕地0～100cm的土壤水分、大豆产量和水分利用效率等进行了分析，主要结论如下：

1）垂直方向上，各处理在0～40 cm土壤水分含量均表现为：NT＞ZT＞CR＞CT，当土层深度大于40 cm时，各处理间土壤水分含量的大小关系发生波动变化。

2）水平方向上，CT和ZT处理坡位间土壤水分含量的大小关系，受大豆生育期内总降雨量的影响较小，分别表现为：下坡位＞中坡位＞上坡位和下坡位≈中坡位＞上坡位，而NT和CR处理坡位间土壤水分含量的大小关系，会随着大豆生育期内降雨总量的不同而产生微变。

3）各处理剖面土壤水分空间分布格局虽然均表现出下湿上干的特点，但各处理相对湿润和干燥土壤区域的空间分布范围和位置各不相同，在所考虑的3个因素中，对土壤水分含量影响作用的大小表现为：耕作模式＞剖面深度＞坡位。

4）CR、ZT和NT与CT处理相比均能显著增加大豆产量和提高水分利用效率，其中产量分别平均增加：8.77%、15.68%、26.74%，水分利用效率分别平均提高6.32%、11.6%、20.61%。

因此，所选4种耕作模式中以“免耕秸秆覆盖（NT）”耕作模式的增产效果最好、水分利用效率最高，是土石低山地区及类似地区大豆田首选的耕作模式，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※

(110161)

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. 耕作模式对坡耕地土壤水分和大豆产量的影响[J]. 农业工程学报，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

东北半干旱地区主要农作物微灌节水关键技术研究与示范项目（201303125）

邱 野，博士生，主要从事农业水资源环境保护与利用方面的研究。Email：qiuye19841118@163.com

王 瑄，博士生导师，主要研究方向为土壤侵蚀与农业节水。Email：xuanw11@163.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.22.016

S152.7

A

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