覆盖耕作对岭南旱作大豆土壤水热及产量的影响

武淑娜，杨树青，李文娟，杨水源，孙云岭

(1.内蒙古农业大学，呼和浩特 010018；2.内蒙古恒源水利工程有限公司，呼和浩特 010018)

大兴安岭南麓阿荣旗年均降水量为458.4 mm，属大陆性半湿润易旱区。该地区是内蒙古东北部的主要农作区之一，出产的高油大豆闻名全国[1]。受地势和植被的影响，当地气温自南向北逐渐降低，具有寒冷、风大、干旱等气候特点，是典型的半湿润雨养农业[2](又称旱作农业)区，水资源短缺成为限制当地农业和经济发展的主要因素。有关研究表明，保护性耕作技术、作物秸秆覆盖和合理的作物轮作方法是目前旱农地区保蓄水分、减轻和缓解干旱、增产增收及改善生态环境的重要手段[3-5]。免耕以减少土壤耕作次数的方式，调节土壤的水热效应，增加大豆田土壤的含水量[6]，但随着土层深度增加，土壤含水率差异逐渐变小[7]。此外，该耕作方法具有很好的保墒效果，这有利于大豆干物质积累和生长发育，进而提高大豆产量[8]；以免耕为基础加上秸秆残茬覆盖，更有利于降雨入渗的增加，对提高耕层土壤含水量十分有利[8,9]。

土壤温度作为重要的土壤物理性质，对作物的生长发育以及产量有很大影响[10]。旱作条件下，耕作方式对土壤温度的影响较为显著，而在水量充足情况下，覆膜处理对土壤温度则表现出更明显的影响[11]。不同耕作措施下土壤温度彼此之间的差异均随土层深度的增加而减小[12]，而有关秸秆覆盖的温度效应，目前存在着不同的观点。有研究发现[13]，不同覆盖处理下0～25 cm土层表现出不同程度的降温效应，且增加覆盖量会增加降温效果；另有研究发现，秸秆覆盖能够减少地温的变化幅度，缓解昼夜温差变化，保护作物根部免受伤害[14]。地膜覆盖和秸秆覆盖二者均能增加土壤的贮水量、增加降雨的下渗和抑制土壤蒸发，作物也因此有了更多的可利用水分[15-20]；地膜覆盖[21]能更好地将太阳能转换为热能集蓄在耕层土壤中，进而有效提高大豆生育期内耕层土壤温度，为大豆生长提供更有利的环境。与常规耕作相比，保护性耕作技术的水分利用效率有明显提高[22]。相比之，前人对各种耕作方式、覆盖方式等单一条件下作物产量或土壤不同指标方面研究较多，但大都集中在陕甘地区，且供试作物多为小麦和玉米，而对我国东北地区大豆在不同覆盖耕作方式下的土壤水分、温度、产量的总体影响研究较少。为此，本文研究不同耕作覆盖方式下旱作大豆产量及土壤水热效应，通过采取旱作措施改善当地的土壤水热环境，为进一步确定适合当地的旱作生产下农田保蓄水及增产方式提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验区位于阿荣旗松塔沟村，该地区位于内蒙古自治区呼伦贝尔市大兴安岭南麓，东经122°2′～124°5′、北纬47°56′～49°19′，属于大陆性半湿润气候。年平均气温1.7 ℃，全年有效积温2 394.1 ℃。全年日照时数为2 750～2 850 h。年降水主要集中在6-8月，大部分地区早霜在9月中旬就开始出现，无霜期为90～130 d。试验地土壤耕层密度1.31 g/cm3，pH值6.8，年度生育期降水262.08 mm(表1)。

该地区农田以多砾质粉壤土为主，各层土壤容重及耕层基础地力指标如表2。

表1 大豆生育期内逐月气象资料Tab.1 Monthly mean meteorological data among the soybean growth period

表2 土壤颗粒基本特性Tab.2 The basic characteristics of soil particles

1.2 试验设计

大豆生育时间表见表3。试验共设置4个处理，3次重复：①传统耕作(T)，播种前半个月(5月中旬)用旋耕机碎土平地，进行第一次起垄，播种后半个月(6月中旬)进行第二次起垄，6月底进行第三次起垄；②免耕(NT)，全生育期不耕作，人工完成播种和施肥；③传统耕作秸秆覆盖(TS)，在①基础上，秋收后将秸秆均匀覆盖在垄沟里；④传统耕作覆盖地膜(TP )，在①基础上，秋收后将宽度90 cm地膜覆盖在垄上。

表3 大豆生育时期Tab.3 The soybean growing stage

试验选用随机区组排列，小区面积大小为10 m×10 m，供试作物为大豆(品种选用垦农18号，播种量为100 kg/hm2)，播种期在每年的5月中下旬。播种方式为条播，行距65 cm；覆盖所用秸秆取用前一年收获后的玉米秸秆，处理后长度10 cm左右，施用量为1 800 kg/hm2。大豆生育期间利用自然降水不进行灌水，田间管理与施肥水平与当地一致。

1.3 田间数据采集及计算方法

1.3.1 土壤容重

γ=(MS-M)/V

(1)

式中：γ为土壤干容重，g/cm3；MS为环刀与土壤干质量之和，g；M为环刀质量，g；V为环刀容积，cm3。

1.3.2 土壤温度

播种前在每个小区中心位置埋设自动监测地温计，每小区设置4个传感器，分别测定5、10、15、20 cm深度处地温，设定每小时读取一次数据，连续测定，至大豆成熟收获后停止观测。

1.3.3 土壤水分

土壤含水率利用烘干法和时域反射仪(TDR)相结合的方法测定。在作物各个生长时期利用土钻钻取深度为0～100 cm土层土样，每20 cm为一层，共5层，设置3次重复，在降雨前后和生育期转变前后进行加测。利用烘干法测得的质量含水率校核时域反射仪所测定得土壤含水率，结合测定的土壤容重计算土壤蓄水量。

θi=(m湿-m干)/m干×100%

(2)

(3)

ET=P+W1-W2

1.不会做的题。这样的题最能体现知识的掌握程度，有的涉及到公式、定理的运用，有的涉及到知识点之间关系等，整理这类错题，有助于巩固基础知识；

(4)

WUE=Y/ET

(5)

式中：θi为第i层土壤质量含水率，% ；m湿、m干分别是湿土质量和干土质量，g；W为土壤蓄水量，mm；γi、γ水为第i层土壤容重和水的密度，g/cm3；Hi为第i层土层厚度，cm；ET为作物生育期耗水量，mm；P为作物生育时期降雨量，mm；W1为作物播种时0～100 cm土壤蓄水量；W2为作物收获时0～100 cm土壤蓄水量；WUE为作物水分利用效率，kg/(hm2·mm)；Y为作物产量，kg/hm2。

1.3.4 产 量

每个处理小区随机取3处4 m×4 m面积的大豆植株，人工脱粒并自然风干后测量每处籽粒的重量，取平均值后折算大豆的籽粒产量。

1.4 数据处理

采用EXCEL2010软件进行数据分析与图形绘制。

2 结果与分析

2.1 不同覆盖及耕作方式对大豆生育期土壤温度的影响

2.1.1 全生育期土壤耕层平均温度变化

在整个旱作大豆生育期，各处理耕层土壤温度变化相似，整体呈现出先升后降的趋势(图1)，且在开花期出现转变。大豆从芽期至成熟期各处理耕层土壤平均温度表现为TP(21.88 ℃)>T(21.01 ℃)>NT(20.56 ℃)>TS(19.62 ℃)。在芽期，TP处理下的耕层土温显著高于T处理，较之提高了13.31%，而NT和TS处理较T处理提高较小；分枝期到鼓粒期TP处理下的耕层地温较T处理提高1.55%～6.40%，而NT和TS处理则平均降低3.18%和8.34%；到了成熟期，耕层地温在NT、TS和TP处理下均低于T处理。总体上各处理较T而言，TP出现增温效果，而NT和TS出现表现出不同程度的降温效果。

图1 不同生育时期0～20 cm平均地温变化规律Fig.1 Average soil temperature in 0～20 cm soil layers at different growth stages

2.1.2 各生育期土壤垂向温度变化

图2为旱作大豆各生育期0～20 cm土层不同耕作条件下垂向土壤温度变化，随着土层深度增加地温逐渐降低，不同处理表现出基本相同的规律。生育初期(芽期～分枝期)，地温状况表现为TP>NT>T>TS且总体较高，NT和TP处理较T处理的土壤温度上升，特别是TP在芽期其各土层增幅波动范围为6.14%～14.64%；TS处理在此时表现出一定的降温效应，亦是在芽期变化显著，各土层降幅波动范围在10.16%～13.28%，分枝期降低幅度(7.94%～9.91%)相对较弱。而在中后期(开花期～成熟期)同一土层温度在不同生育阶段逐渐减小，各生育阶段内各处理较T基本表现出不同的降温效果(结荚期TP处理表现为增温，变化范围在3.86%～5.03%)，成熟期各处理耕层地温由上至下整体无显著变化。从整个生育期来看，在0～15 cm阶段温度变化趋势较缓，而15～20 cm变化较快。

2.2 不同覆盖及耕作方式对大豆生育期土壤水分的影响

2.2.1 各生育阶段土壤垂向含水率变化

旱作大豆各处理不同生育阶段0～100 cm土层土壤含水率变化情况如图3所示，随着作物生长土壤含水率逐渐降低，后期有微小幅度的增长。在大豆芽期，经过试验前期耕作覆盖处理以及降水对播前底墒的补充，0～40 cm内各处理土壤含水率的差异较大，NT、TS和TP处理值明显高于T处理，分别增长9.70%、15.00%和25.22%，不同处理间在40～100 cm土层内含水率差异较小。在分枝期TS处理0～40 cm平均含水率为23.89%，相较T处理而言增长了5.33%，表明TS处理抑制耕层土壤水分蒸发效果较好。TP处理在鼓粒期及成熟期分别比T处理0～100 cm土壤含水率平均增长8.23%和8.30%，表现出更好的保水效果。在整个生育期内，NT处理保墒效果不明显。

2.2.2 各生育阶段土壤蓄水量变化

土壤蓄水量变化情况是水量平衡计算过程中的重要环节，基于土壤质量含水率计算大豆生育期内不同时段土壤蓄水量，各生育时期土壤(0～100 cm)蓄水量的变化情况如图4。由图4可见，不同耕作覆盖措施能改善大豆生长的水分环境，在芽期，大豆生长耗水量少，由于不同耕作覆盖方式的保墒作用，各处理0～100 cm土层蓄水量均显著高于T。各措施含水量表现为TP>TS>NT>T。其中，TP和TS处理0～100 cm土壤蓄水量在芽期分别比T显著高出53.55和34.70 mm；NT处理比T显著高出29.55 mm。从分枝期开始，气温逐渐升高，各处理0～100 cm土壤蓄水量迅速下降，TP处理下的植株生长旺盛，土壤含水率逐渐接近T处理。在开花期～结荚期 TP处理下0～100 cm土壤蓄水量平均比T低了8.70 mm；在分枝期至结荚期，TS处理在0～100 cm平均土壤蓄水量比T高19.18 mm；NT处理与T差异不显著。在鼓粒期各处理土壤含水量开始升高，表现为TP>TS>NT>T。整体来说TP处理在分枝期前和结荚后0～100 cm土壤水分状况均优于其他处理，但在开花～结荚期土壤水分状况差于T。

图2 各生育阶段0～20 cm土壤剖面地温变化规律Fig.2 Variation of soil temperature in soil profile of 0～20 cm at different growth stages

图3 各处理不同生育时期土壤含水率的垂直变化Fig.3 Soil water content vertical variation at different growth stages

图4 各处理0～100 cm土壤蓄水量的变化Fig.4 Dynamical changes of soil water storage in 0～100 cm soil layer

2.2.3 生育期土壤耗水量

土壤耗水量中绝大部分为作物吸收利用，作物生育期耗水为作物生长提供充足的水分。作物生育期耗水量与作物生长季土壤蓄水量、土壤作物生育期降水量及其分布呈显著相关关系。各处理大豆生育期土壤耗水量表现为TP>TS>NT>T，TP、TS和NT处理比T处理分别增长了3.71%、4.1%和9.14%，TP处理耗水量明显高于其他处理，NT和TS处理的效果差别不大(图5)。

图5 大豆生育期土壤耗水量及增长率Fig.5 Water consumption and it is growth rate in soil during soybean growth season

2.2.4 各生育阶段土壤水分利用效率

作物产量与太阳能的积累、水、肥、气、热诸因素的协调及合理的农业措施是密不可分的。不同耕作覆盖方式对保持干旱期土壤水分、提高水分利用效率及增产的效果不同。表4结果表明，不同耕作覆盖方式均能够有效提高大豆产量，不同措施下大豆产量由高到低为TP>TS>NT>T，TP、TS、NT处理比T处理产量分别高出249.9、548.85、760.5 kg/hm2，以TP处理增产幅度最高，各处理大豆增产率在9.02%～27.45%之间。不同覆盖耕作方式大豆耗水量、产量和水分利用效率(WUE)都存在差异。TP和TS处理下的水分利用效率(WUE)分别较T提高28.22%和17.17%。NT处理则提高不明显。

表4 大豆产量和水分利用效率Tab.4 The yield of soybean and water use efficiency

2.3 土壤水分和土壤温度的关系

大豆田土壤温度改变会引起土壤水分变化。本研究通过对土壤水热关系进行拟合，发现土壤水温之间并非简单的正向或反向关系。从分析的结果看(图6)，不同耕作覆盖处理方式通过对土壤温度的改变明显改善了大豆各生育期的土壤水分环境，大豆覆膜处理前期增温保墒，后期降温抑蒸，这有利于改善土壤水热环境，符合大豆生长发育对环境的需求。

图6 土壤温度与土壤含水量的相关性Fig.6 Relation on soil temperature and soil water content

2.4 产量和土壤温度的相关分析

如表5所示，不同处理0～20 cm土层平均温度与大豆产量基本呈现正相关。从各处理看，大豆土壤温度与产量的相关性表现为TP>TS>NT>T，而且TP处理下土壤温度和产量表现为显著相关，说明土壤温度对产量有影响，且对TP处理影响最大。

表5 各处理土壤温度与产量的相关性分析表Tab.5 The correlation of soil temperature and yield analysis table

注：*表示差异达P<0.05显著水平。

3 结 语

在半湿润旱作区，有效贮存更多的土壤水分是旱作农业作物提产及实现可持续发展的重要途径之一，传统单一的耕作方式不利于土壤蓄水和作物增产。覆盖种植能不同程度地增加作物对降水和土壤水的利用，促进作物生长发育，并保持较多的水分供作物生长所需，是提高作物产量和水分利用的有效措施。

(1)李奇建[23]研究认为覆膜可以调节土壤耕层温度，明显改善地温状况，利于玉米前期生长；而王兆伟等[24]认为秸秆覆盖能更有效调节作物生育前期地温，且黄高宝等表示地温在秸秆覆盖条件下生长季内变化波动较小[25]。本文研究结果表明从整个生育期来看，在0～15 cm阶段温度变化趋势较缓，而15～20 cm变化较快。覆膜能有效提高全生育期耕层平均温度，保障大豆的出苗和生长所需温度，这可能是因为该处理更能有效减少土壤水分蒸发进而增加土壤热容量，使得土壤温度增加。

(2)在自然降水与作物生长供需错位的旱作农业区，如何实现土壤水分保蓄及高效利用尤为重要。吕军杰[26]等研究发现免耕或免耕秸秆覆盖增加土壤含水率的效果优于传统耕作。本研究认为与其他处理相比，TP处理在大豆整个生育期年内均表现出不同程度地保墒抑蒸优势，提高水分利用效率，能够为大豆生长提供较好的水分条件，对提高大豆增产意义重大。

(3)不同覆盖耕作处理下土壤水热环境差异会直接影响到作物生长进程和产量增加。研究表明[8]免耕更有利于大豆生长发育并提高产量；而郭志利等[27]研究结果与其相反，他们认为地膜覆盖对大豆增产作用更为有利。本文发现，不同耕作覆盖方式均能够有效提高大豆产量，大豆产量由高到低为TP>TS>NT>T，以TP处理增产幅度最高。

秸秆覆盖和地膜覆盖方式具有良好蓄水保墒作用，且可提供适宜的水热条件[28]，本文发现土壤温度差异及变化引起其内的水分迁移与转化，而土壤水分通过改变土壤热特性进而影响土壤温度，二者之间相互制约；不同处理0～20 cm土层土壤平均温度与大豆产量基本呈现正相关。从各处理看，大豆的土壤温度与产量相关性表现为TP>TS>NT>T，且TP处理下土壤温度和产量表现为显著相关，说明土壤温度对产量有影响，且对TP处理下的产量影响最大。