不同耕作和覆盖方式对广西地区甘蔗地土壤水热状况的影响

陈晓冰，朱彦光，李 帅，韦 灵，陈廷速，甘 磊*

(1.桂林理工大学，广西环境污染控制理论与技术重点实验室，广西 桂林 541004；2.桂林理工大学，广西环境污染控制理论与技术重点实验室科教结合科技创新基地，广西 桂林 541004；3.桂林理工大学，环境科学与工程学院，广西 桂林 541004；4.桂林理工大学，广西岩溶地区水污染控制与用水安全保障协同创新中心，广西 桂林 541004；5.广西农业科学院微生物研究所，广西 南宁 530007)

【研究意义】耕作对农田土壤的理化性质可产生直接的影响，合理的耕作和覆盖方式能够以物理手段提高土壤质量，有助于形成土壤水、热、气状态的良性循环，对改善土壤水热状况和作物生长环境具有重要意义[1]。而在广西地区，干旱现象频发，加之落后的农耕方式导致了地区水土流失的加剧，使得农业用水紧张问题日益突出[2-3]。因此，通过比较不同耕作和覆盖方式对土壤水热状况的影响，探寻最适合于高效利用土壤水热资源的耕作管理方式，可为改善广西地区农业发展现状提供科学支撑。【前人研究进展】有关研究表明，秸秆覆盖减弱了表层土壤与外界环境的联系，相比于裸露地表能够抑制土壤蒸发，保持土壤温度稳定[4-5]。免耕由于受到的人为扰动较少，具有降低土壤容重，增加土壤团聚体含量和持水性的效果[6]。在秸秆还田的条件下，免耕的土壤含水量得到提高，在冬季具有增温效应，且秸秆还田量加大后表现更明显[7]。而相比于传统耕作，免耕秸秆覆盖提高了0～70 cm的土壤墒情，减小了0～10 cm土壤温度的波动[8]。但由于地区间的差异，也有研究发现，长期免耕后造成了土壤下沉，容重变大且结构紧实[9]；形成土壤犁底层，阻碍水分入渗[10]；排水不畅，作物减产[11]等问题。因此，耕作方式对土壤水热状况的影响还需要在不同地区开展研究。近年来，粉垄耕作在广西部分地区已推广应用[12]，在粉垄机上装配专用的机械垂直螺旋型钻头后，钻头垂直入土高速旋转横向切割旋磨土壤使之自然悬浮成垄且不乱土层，耕作深度可达30～60 cm，垄与垄之间形成“U”型垄沟可对雨水进行积聚雨水。该耕作技术已在花生、玉米和马铃薯等作物的应用上增产10 %～30 %，提质5 %以上[13]。【本研究切入点】耕作和免耕会对土壤产生不同的影响，而目前广西地区关于不同耕作方式，特别是粉垄耕作方式对农田土壤的影响研究较少。本研究选择广西地区典型的经济作物甘蔗作为研究对象，研究不同耕作管理方式对甘蔗地土壤水热状况的影响。【拟解决的关键问题】分析粉垄耕作+无秸秆覆盖(T0)、免耕+无秸秆覆盖(NT0)、粉垄耕作+秸秆覆盖(TS)和免耕+秸秆覆盖(NTS)等4种处理下甘蔗地的土壤水热状况，比较其变化及原因，探究适宜的耕作管理方式，为广西地区甘蔗种植和农业发展提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概述

试验区位于广西农业科学院里建科学研究基地(23°14' N，108°02' E)，属中亚热带季风气候，年平均气温为21.6 ℃，年均降水量为1304.2 mm，海拔为105.0 m。试验区内土壤母质为第四纪红土，土壤类型为红壤土和石灰土，经人工管理后地势较为平坦，甘蔗为试验区内重要的旱地经济作物。

1.2 样地布设与采样分析

在甘蔗种植区内选取等面积的试验样地，共设置粉垄耕作+无秸秆覆盖处理(T0)、免耕+无秸秆覆盖处理(NT0)、粉垄耕作+秸秆覆盖处理(TS)和免耕+秸秆覆盖处理(NTS)等4个处理。每个处理长20 m，宽10 m，行间距离0.9 m，种植品种为桂柳05-136。其中，粉垄耕作为利用粉垄机械钻头进行旋磨起垄，耕作深度30 cm；覆盖处理为将甘蔗秸秆粉碎后进行覆盖。以土面最高点为起点，在每个处理的5、20和40 cm土层深度下分别水平安装水分探头(Type ML2x，Delta-T Devices，Cambridge)和温度探针(Pt-100，Delta-T Devices，Cambridge)，进行土壤水分和土壤温度的定位监测，每个处理重复3个剖面。探头和探针连接到数据采集器，监测前仪器校准，仪器采集数据的间隔为1 h。同时，在试验区域内安装雨量计(ECRN-100， Decagon Devices，Washington)记录降水数据，试验时间为2017年3月1日至2018年2月28日。监测开始前，以环刀采集各个处理5、20和40 cm的原状土，取出后垫上滤纸并缠绕保鲜膜防止水分蒸发，以梅花点法采集同样深度的扰动土样。带回实验室后以吸管法测定土壤质地，以烘干法测定土壤容重，并计算土壤总孔隙度[14]，每个指标重复5次测定。其中，质地分类标准采用美国制，土壤粒径小于2 μm为黏粒、2～50 μm为粉粒、50 μm～2 mm为砂粒，结果见表1。

表1 不同处理下土壤基本理化性质

1.3 数据分析

对土壤温度进行0:00～24:00的逐小时计算，对土壤含水量则求取其每日平均值，分析不同时期和不同处理下土壤温度的日变化以及土壤含水量的差异。所有数据采用Excel 2010和SPSS 19.0进行计算和统计分析，使用Origin 9.0 Pro 绘图。

2 结果与分析

2.1 土壤温度的日变化

对研究期内的土壤温度进行逐日、逐时的平均计算后，可以得到土壤平均温度在不同时期的日变化，能有效反映该时期作物生长的热状况。结果表明，各处理在不同土层的土壤温度变化趋势相似且随土壤深度增加温度变幅减小，因此以5 cm为例阐述其变化规律(图1)。

图1 不同处理下土壤温度日变化Fig.1 Diurnal variation of soil temperature under different treatments

可以看出，各个时期内不同处理下土壤温度的日变化均近似余弦函数，呈现出随时间的推移先下降至最低温度，此后逐渐升高至最高温并再一次下降的规律。3-5月期间，同一耕作处理下，TS和NTS的土壤温度波动分别比T0和NT0要小，说明秸秆覆盖相比于裸露地表具有保持土壤温度稳定的能力。同一覆盖处理下，日间温度上升时，T0和TS的土壤温度分别高于NT0和NTS，夜间温度下降时则相反，且粉垄耕作到达最高温和最低温的时间均比免耕快1 h。这说明粉垄耕作更有利于土壤热能传导，因而其土壤温度变幅更大且更迅速。进一步比较发现，T0土壤温度的日变幅比TS高出1.2倍，NT0比NTS高出1.6倍；而T0比NT0、TS比NTS分别仅高出0.3 和0.5 倍，说明耕作处理对土壤温度的影响弱于覆盖处理。6-8月各处理间土壤温度变化规律与3-5月相似，仅在土壤温度数值上有所不同。

9-11月不同处理间土壤温度变化幅度较其它时期减小，T0、NT0和NTS在同一时刻的最大温差不超过0.3 ℃，这可能是由于甘蔗的生长加大了对地表的遮盖度，减少了到达地面的太阳辐射。说明除耕作和覆盖方式外，土壤温度的响应还受作物生长影响。至12-2月，各处理土壤温度均降至最低(图1)。0∶00～9∶00时TS土壤温度显著高于NTS，而在此后的10∶00～23∶00二者差异不显著，T0的土壤温度则在上述两个时段均显著高于NT0。说明在气温降低后，粉垄耕作处理相比于免耕处理在夜间低温时具有增温效应，保温效果良好，配套秸秆覆盖可保持日间土壤温度的稳定。

总体来看，秸秆覆盖处理(TS和NTS)的土壤温度在日间升温比无覆盖处理(T0和NT0)缓慢，而在夜间温度更高。如表2所示，整个研究期内，耕作和覆盖方式对土壤温度产生了不同的影响。各处理在5～20 cm土层的变化一致：T0和NT0分别显著大于TS和NTS，且NT0的土壤温度显著大于T0，但TS与NTS则无显著差异。说明研究期内免耕在20 cm以上土层温度更高，但秸秆覆盖减弱了这种差异。40 cm土层中，同一耕作或覆盖条件下各处理的土壤温度差异均显著，T0显著大于NT0，这可能是因为土壤水分含量很大程度上决定了土壤的热属性，进而对温度分布产生影响，需要结合水分变化进行分析。从表2中还可见，整个研究期内0～40 cm的平均土壤温度，均呈现同一耕作方式下，无覆盖(T0和NT0)显著大于秸秆覆盖(TS和NTS)的规律。

2.2 土壤含水量的变化

从T0与NT0、TS与NTS处理在5～40 cm土层土壤含水量的变化(图2～3)可见，研究期内土壤水含量与降水量的变化基本一致，但也因甘蔗的生长期不同而发生改变：如10月18日至11月11日，降水发生(66.6 mm)后各处理5～40 cm的含水量下降21.5 %～41.5 %，除土壤蒸发因素外，与该时期甘蔗生长耗水量增大有很大关系。如图2～3所示，3-5月NT0、TS和NTS的表层(5 cm)土壤含水量均值同为0.30 m3·m-3，T0均值则分别比NT0和TS低了21.8 %和24.2 %，差异均达到显著水平，是因为在进行试验前，该样地未进行粉垄耕作处理，其前期含水量较低。至6-8月，各处理5 cm土层的土壤含水量都得到了提升，TS比NTS高出2.7 %，T0比NT0高出4.2 %，不同耕作方式间差异不显著；而TS比T0高出5.7 %，NTS比NT0高出7.2 %，不同覆盖方式间差异显著，可能是该时期较大的降水量(838.2 mm)减弱了粉垄耕作和免耕之间土壤含水量的差异。9-11月与12-2月内，5 cm土层的土壤含水量变化相同：粉垄耕作(TS和T0)分别显著高于免耕(NTS和NT0)。NTS含水量均值为所有处理中最低(2个时期内同为0.29 m-3·m-3)，可能是其表层水分被消耗且未得到补充导致的。此外，T0处理在研究期末的土壤含水量比研究期初提高31.3 %，差异显著。因此，在甘蔗耗水量增大的时期，不同处理对土壤水分动态的影响不一，粉垄耕作处理保持土壤水分的效果明显，免耕则可能导致含水量降低。

表2 研究期内不同处理下土壤温度的变化

注：表中小写字母表示同一竖列的显著性差异(P<0.05)。

Note: Different lowercase letters in the same column indicated the significant difference (P< 0.05).

图2 不同土层深度下T0和NT0土壤含水量变化Fig.2 Changes of soil water content of T0 and NT0 treatments

由图2可以看出，各个时期内NT0处理20 cm土层的土壤含水量相比于5 cm下降明显，范围为-38.6 %～29.2 %，只有在降水发生时出现正值(即含水量高于5 cm层)，且NT0含水量升降速率最快。NTS处理土壤水分变化规律与之一致(图3)，这可能是因为土壤质地的不同(表1)引起的。此外，20 cm土层各处理间土壤含水量在整个研究期内，均表现为TS和NTS分别显著大于T0和NT0，范围为8.7 %～20.6 %；TS和T0分别显著大于NTS和NT0，范围为10.3 %～29.0 %，即粉垄耕作和秸秆覆盖均提高了该层的土壤含水量。

如图2所示，在3-5月和6-8月，T0处理在40 cm层的土壤含水量均值分别比NT0高出1.0 %和2.8 %，差异不显著；至9-11月则比NT0低了10.0 %，且显著小于其他各处理，说明T0处理在该层的水分被显著消耗。而同一处理不同土层中，T0处理40 cm的土壤含水量在6-8月显著大于5和20 cm，范围分别为5.7 %～63.2 %和7.7 %～63.4 %。至9～11月则显著低于5 cm，范围为0.5 %～25.0 %，且40 cm层的均值仅比20 cm高0.01 m3·m-3。这说明T0处理40 cm土壤水分显著降低的原因可能是向表层进行补充，即粉垄耕作有助于调用更深层的土壤水利用于作物生长。T0处理40 cm温度显著高于NT0处理(表2)，即是由于前者土壤水分减少后热容量降低，土壤温度更容易上升导致的。而相比于NTS，TS的含水量始终更高(图3)，更好地改善了土壤水分状况。此外，同一覆盖处理下，发生降水时不同土层的含水量基本都表现为粉垄耕作高于免耕，即粉垄耕作后土壤对降水的响应较为灵敏，有利于水分入渗。

就整个研究其内5～40 cm土壤含水量的均值而言，同一耕作处理下，TS比T0高出15.4 %，NTS比NT0高出5.7 %，差异均达到显著水平；同一覆盖处理下，TS比NTS高出11.3 %，T0比NT0高出2.0 %，差异同样都达到显著水平。说明粉垄耕作处理相比于免耕处理、秸秆覆盖处理相比于无覆盖处理，都能够显著提高土壤含水量，粉垄耕作+秸秆覆盖处理的效果最优。

3 讨 论

3.1 不同耕作和覆盖方式对土壤温度的影响

前人有关研究发现，秸秆覆盖能够调节土壤温度，具有增温和降温的双重效应，土壤温度日变幅明显减小[5, 15-16]。本研究中，秸秆覆盖(TS和NTS)在日间土壤温度上升缓慢，在夜间相比于无覆盖(T0和NT0)温度更高，维持了土壤温度的稳定，与前人研究相一致，原因可能为秸秆覆盖能够阻碍太阳直射和地表长波辐射向大气逸散，减少了土壤温度的改变[17]。

不同的耕作方式可以通过改变土壤质地、容重和团聚体结构从而影响土壤温度[6]。本研究的3-8月，粉垄耕作的土壤温度在日间升温时高于免耕，夜间降温后则比免耕要低，表明粉垄耕作更有利于土壤热能在土体间的传递，这可能与粉垄耕作兼具深松和旋耕的优势有关[18]。张祥彩等[19]研究表明，0～20 cm土层内，免耕相比于深松和旋耕，其土壤温度变幅最小且变化缓慢，与本研究结果相似。出现上述变化的原因，可能是因为免耕受到的人为扰动较少，维持了土壤原有的状态，具有维持土壤温度稳定的能力[20]。而粉垄耕作打破了土壤的原有结构，土壤固体颗粒间的接触可能相对增多[21]，与外界的热能交换加快，温度变化更迅速。宋振伟等[22]也发现，旋耕起垄后土壤颗粒的表面积增大，日间利于土壤增温，夜间降温也较快。至本研究气温最低的12-2月，粉垄耕作的含水量得到提升，土壤热容量随含水量增加[23]，在夜间不容易发生降温，粉垄耕作表现为保温效应。

图3 不同土层深度下TS和NTS土壤含水量变化Fig.3 Changes of water content of TS and NTS treatments

3.2 不同耕作和覆盖方式对土壤含水量的影响

秸秆覆盖可以有效改善土壤水分状况，增加土壤中的水分[7-8]。本研究的秸秆覆盖处理下，TS、NTS的土壤含水量分别比T0、NT0显著提高。这是因为秸秆在土壤表面和外界环境之间形成了阻隔层，减少了土壤表面与外界的热流交换，抑制了水分向大气蒸发[4, 24]。

科学的耕作方式对土壤水分具有良好的调节作用，保障作物生长发育对水分的需求[1]。本研究表明，发生降水时粉垄耕作的土壤含水量基本都高于免耕，且在5 cm土层中，T0处理研究末期的土壤含水量比研究初期提高31.3 %，说明粉垄耕作改善了土壤的入渗能力和储水能力，增加土壤含水量。靳晓敏等[25]研究也发现，粉垄耕作降低了土壤容重并促进土壤水分保存，作物播种前粉垄耕作区0～20 cm的土壤含水量显著低于对照，试验结束后比对照高出2.54 %，与本研究结果相似。这主要是由于土壤经过粉垄耕作旋磨后颗粒细小，土壤疏松且紧实度下降[26]，有利于水分的入渗。且粉垄耕作后土壤颗粒的比表面积增大，对水分的吸附和保持有重要作用[27]，提高了土壤持水能力。此外，前人研究粉垄耕作对土壤水分的影响多以定期采样的方式进行[25, 28]。而本研究连续监测土壤水分变化后发现，降水量大(6-8月，838.2 mm)的情况下，5 cm土层粉垄耕作和免耕的土壤含水量差异不显著，而降水量减少后则为粉垄耕作显著大于免耕。这说明粉垄耕作相较于免耕的优势，可能更主要地在于少雨时期其保持土壤水分的能力。相关研究也表明[18]，粉垄耕作可以提高土壤耕层的水分含量，缓解干旱缺水地区农业用水压力。

20 cm土层中，免耕处理下土壤含水量均下降迅速，这应该是由于NT0和NTS的砂粒含量高于T0和TS(表1)，不同的土壤质地对土壤含水量的影响不同引起的。研究表明，土壤砂粒粒径大于粉粒和黏粒，砂粒含量较高的土壤形成的大孔隙增多[23]，大孔隙的持水能力较弱，土壤水分容易流失[29]。本研究各处理均属于同一区域，其土壤质地的背景值不会有很大区别，而粉垄耕作在20 cm土层的质地相比免耕较为均匀(表1)，可能是粉垄耕作对土壤施加的强烈外来影响在一定程度上改变了土壤颗粒粒径分布，但其影响机理和程度仍需进一步进行定量研究。

前人基于CT扫描技术在同一区域展开的研究表明，耕作区相对于免耕区的大孔隙数量减少，小孔隙数量和连通性增加[30]，而连通性好的小孔隙可以作为水分上升的通道，促进水分运移[31]。在本研究中，降水减少后，T0处理40 cm土层的水分能够对5 cm层进行补给，具有调蓄土壤水分的作用，即可能是因为粉垄后土壤连通性较好，增加了土层间毛细作用而发生的。李轶冰等[28]研究也证实，粉垄耕作后土壤水分入渗所能到达的深度大于深松和旋耕，是因为粉垄耕作下层土壤水分调用于上层，且粉垄深度越深效果越明显。

3.3 对广西地区甘蔗种植的启示

土壤水热条件是影响作物生长发育的最根本因素之一，关系到作物的产量与收成质量[20]。有学者基于多年研究发现，免耕的土壤贮水量比传统翻耕分别提高了1.9 %～7.3 %和2.4 %～12.7 %[32-33]；秸秆覆盖后0～40 cm土壤水分增加11.5 %，且对土壤温度有增温和降温的双重效应[34]。姚宝林等[5]、黄高宝等[35]认为，免耕秸秆覆盖有助于形成合理的土壤结构，提高土壤含水量和水分的抗蒸发能力，调节土壤温度的效果明显。免耕和秸秆覆盖等措施在广西地区甘蔗种植上少有应用，近年来新出现的粉垄技术虽已取得一定的增产效果[13]，但有关粉垄耕作与其他耕作管理方式对土壤水热状况的影响的研究较少。因此，基于连续定位监测后，本研究发现，粉垄耕作相比于免耕更有利于土壤热能的传递，提高了水分入渗速率和土壤持水能力，增加研究期内5～40 cm土层的土壤含水量2.0 %～11.3 %，且具有调蓄土壤水分的效果。秸秆覆盖相比于无覆盖维持了土壤温度稳定，显著提高了土壤墒情。粉垄耕作+秸秆覆盖处理的土壤含水量显著大于其他处理，气温降低后夜间具有显著的增温效应。因此，从对土壤水热状况的改善来看，粉垄耕作+秸秆覆盖处理可作为广西甘蔗种植的参考，但也需从经济效益、地区差异和可行性等方面进行综合考虑。

4 结 论

同为粉垄耕作或免耕时，秸秆覆盖相比于无覆盖降低了土壤温度且变幅较小，保持了土壤温度的稳定。同为秸秆覆盖或无覆盖时，粉垄耕作比免耕更有利于土壤热能的传导，升温更迅速，在气温降低后具有保温效应；粉垄耕作和秸秆覆盖均提高了土壤含水量，粉垄耕作+秸秆覆盖处理的土壤含水量最高；粉垄耕作+秸秆覆盖处理调节土壤温度、提高土壤含水量的效果最优。