地表覆盖对大豆田土壤水热盐及产量的影响

董云云， 王 飞,2,3， 韩剑桥,2,3

(1.西北农林科技大学 水土保持研究所， 陕西 杨凌 712100；2.中国科学院 水利部 水土保持研究所， 陕西 杨凌 712100； 3.中国科学院大学， 北京 100049)

陕西省陕北地区延安市属干旱半干旱地区，降雨稀少，无效蒸发和径流损失严重，且多年的常规耕作导致耕层变浅，土壤紧实，不利于作物生长[1]。当地农作物以抗旱品种为主，大豆是常见作物之一，也是当地食用蛋白的重要来源。大豆根系入土深度可达1.5～2.0 m[2]，但其多数集中于表层土壤中[3-4]，提升该层土壤水、热、盐的水平，对促进该区大豆增产意义重大。

已有研究表明[5-7]，地膜和秸秆覆盖能降低无效水分蒸发，提高土壤水分含量，增加作物产量。孙娇等[8]在研究中发现不同降雨年型下旱作农田覆膜的土壤贮水量都高于裸地处理。同时，也有相关研究认为地膜在降雨充足的年份里具有良好的保水作用，在缺水年效果则不显著[9]。相似地，秸秆覆盖的作物增产与减产效应也因生产条件的不同而各有展观[10]。

土壤水分和温度紧密相关，温度影响着土壤水分循环，而水分又牵制着温度升降。基于研究角度的差异，地表覆盖对土壤温度的影响结果有所不同。目前，地膜覆盖的增温效应和秸秆覆盖的降温效应已得到普遍认可[11-13]，但也有研究表明覆膜处理并非在全生育期都具有增温效应，只有在春小麦生长前期有明显的增温作用，而在生长后期具有降温作用[14]。刘冬青等[15]也在研究中发现秸秆覆盖处理的土壤温度在低温时高于露地处理，在高温时又低于露地处理。

土壤电导率可被用于评价非盐碱化农田的土壤肥力状况[16-17]。盐分在土壤中的运移受制于水分和温度[18-19]，水、热和盐对作物生长的影响具有协同效应，三者相互影响，相互作用。有研究表明[20]，各秸秆覆盖处理下的土壤含盐量均低于裸地，且随着覆盖量增加其减小幅度变大。赵文举等[21]也在研究中发现，各覆盖处理在0—30 cm土层处的平均含盐量低于不覆盖处理。虽然地膜覆盖和秸秆覆盖都可抑制盐分表聚，但二者的控盐能力一直存在争议。邓力群等[22]研究发现秸秆覆盖厚度5 cm处理的土壤表层含盐量低于地膜覆盖。但也有学者[23]认为地膜覆盖在抑制盐分积累方面的作用优于秸秆覆盖。覆盖措施对农田土壤水、热和盐的影响因试验条件的不同而不同，需根据实际情况进行讨论。本文立足黄土高原，研究地膜和秸秆覆盖对0—60 cm土层水分、温度以及电导率的影响，以期为地表覆盖措施促进研究区作物增产提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验在陕西省延安市安塞区山地梯田内进行，地貌类型属黄土高原丘陵沟壑区，海拔1 231 m，年均日照时数2 395.6 h，无霜期157 d，年均气温10.8 ℃，年均降雨量492.8 mm。试验地土壤以黄绵土为主，质地均匀。

1.2 试验设计

试验以大豆中黄35为供试材料，设4个处理，每个处理3个重复。试验小区面积20 m2(4 m×5 m)，采用随机区组排列，试验处理以传统耕作为对照处理(CK)。具体处理方法见表1。

表1 各处理具体布设方法

4个处理均进行正常的田间管理，即翻耕、施肥和除草，整个生育期内不进行灌溉。试验于2018年4月11日进行翻耕，翻耕深度为25 cm左右。4月29日进行播种，播种深度为15 cm，播种时施入底肥(氮肥和磷肥)，施用量分别为尿素(含N46%)60 kg/hm2和磷酸二铵(含N18%，含P2O548%)45 kg/hm2，后于结荚期对各处理进行追肥，施用标准为尿素120 kg/hm2。大豆于10月5日收获，且各生长阶段的时间划分及其降雨量见表2。

表2 各生长阶段的时间划分及其降雨量

1.3 样品采集

(1) 土壤体积含水率、温度和电导率。小区中央布设有TRIME探管，采用德国IMKO生产的TRIME-PICO IPH 2仪器直接测量土壤体积含水率、土壤温度和土壤电导率，测量深度为60 cm，每20 cm为一测量层。测量周期为10 d，每次测量保持在同一时间段(上午8时许)。

降雨前后加测一次，降雨资料由附近气象站提供。

(2) 土壤贮水量。

Vi=Wi×ρ

SWSi=Wi×ρi×Hi×10/100

式中：V为体积含水量(%)；W为质量含水量(%)；ρ为土壤容重(g/cm3)； SWS为贮水量(mm)；i为土层；H为土层厚度(cm)。

(3) 产量。在大豆成熟后，整个小区进行测产，求取3个重复小区产量的平均值作为该处理的小区产量。

1.4 数据分析

运用Origin 8.0软件作图，运用SPSS 19.0软件对数据进行统计分析，采用单因素方差分析(ANOVA)和最小显著差数法(LSD)进行差异显著性检验。文中同列数据后小写字母不同表示差异达显著水平(p<0.05)，大写字母不同表示差异达极显著水平(p<0.01)。

2 结果与分析

2.1 不同覆盖措施对土壤水分的影响

不同覆盖处理条件下各土层土壤贮水量的全生育期动态变化差异明显，相比于20—40 cm和40—60 cm土层，0—20 cm土层各处理的土壤贮水量季节性变化最大(见图1)。除20—40 cm土层的结荚期外，其他土层各时期M和J5的土壤贮水量均高于CK处理。随着土层加深，各处理的土壤贮水量降低。

注：①图中不同小写字母表示同组内不同处理间差异显著(p5,J2,CK表示不同的处理,分别为:地膜覆盖(M),秸秆覆盖量5 000 kg/hm2(J5),秸秆覆盖量2 500 kg/hm2(J2)及传统耕作(CK)。下同。

图1 0-60 cm土层土壤含水量的生育期动态变化

在0—20 cm土层中，出苗期和结荚期各处理的土壤贮水量较低。在各生长阶段内，M和J5的贮水量均高于CK处理，它们在整个生育期内的贮水量分别比CK处理高6.44%～15.81%和9.60%～21.01%，其中M处理在出苗期的贮水量最高，J5处理在其他生育阶段的贮水量最高；在20—40 cm土层中，各生长阶段内M和J5的贮水量均高于CK处理(结荚期除外)，它们在整个生育期内的贮水量分别比CK处理高5.97%～26.05%和9.69%～30.21%，其中出苗期和成熟期M处理的土壤贮水量在各处理中最高，其他生育期内J5处理的土壤贮水量在各处理中最高；在40—60 cm土层中，各生长阶段内M和J5的贮水量均高于CK处理，它们在整个生育期内的贮水量分别比CK高3.81%～20.52%和9.11%～16.87%，其中出苗期和鼓粒期M处理的土壤贮水量在各处理中最高，开花期和结荚期J5处理的土壤贮水量在各处理中最高；对于0—60 cm整个土层而言，各生长阶段内M和J5的贮水量均高于CK处理，它们在整个生育期内的贮水量分别比CK高4.01%～18.89%和11.24%～21.02%，其中出苗期M处理的土壤贮水量最高，其他生育阶段内J5处理的土壤贮水量最高。

总体上，除了0—20 cm土层开花期J5的土壤贮水量显著高于CK处理(p<0.05)，结荚期J5的土壤贮水量显著高于J2处理(p<0.05)，其他土层各生育阶段处理间的贮水量差异均未达到显著水平。说明随着土壤深度的增加，地表覆盖处理对土壤水分的影响逐渐降低。

2.2 不同覆盖措施对土壤温度的影响

随着生育期推进，不同土层各处理的土壤温度变化与气温变化规律相一致，呈先上升后下降的趋势，在开花期和结荚期土壤温度达到最高(见图2)。在各生育阶段内，随着土层加深各处理的温度变化不大。在0—60 cm各土层中，整个生育期M的土壤温度均高于其他处理。出苗期、开花期和鼓粒期秸秆覆盖处理的土壤温度低于CK处理，结荚期秸秆覆盖处理的土壤温度高于CK处理，成熟期各处理的土壤温度差异均不显著。

在0—20 cm土层，出苗期M的土壤温度极显著高于CK处理7.24%(p<0.01)，J5和J2的土壤温度分别极显著低于CK处理1.68%(p<0.01)和2.33%(p<0.01)；开花期M的土壤温度极显著高于CK处理2.12%(p<0.01),J5和J2的土壤温度分别低于CK处理0.70%和2.20%(p<0.01)；结荚期M，J5和J2的土壤温度分别极显著高于CK处理9.71%(p<0.01)，8.78%(p<0.01)和6.91%(p<0.01)；鼓粒期M的土壤温度高于CK处理0.63%，J2和J5的土壤温度分别低于CK处理2.18%(p<0.05)和2.57%(p<0.01)；成熟期M和J2的土壤温度高于CK处理，而J5的土壤温度低于CK处理，但处理间差异均不显著。

在20—40 cm土层，出苗期M的土壤温度极显著高于CK处理7.24%(p<0.01),J5和J2的土壤温度分别低于CK处理1.77%和2.45%(p<0.01)；开花期M的土壤温度极显著高于CK处理2.09%(p<0.01)，J5和J2的土壤温度低于CK处理0.66%和2.05%(p<0.01)；结荚期M，J5和J2的土壤温度分别极显著高于CK处理9.75%(p<0.01)，8.59%(p<0.01)，6.95%(p<0.01)；鼓粒期M的土壤温度高于CK处理0.63%，J2和J5的土壤温度分别显著低于CK处理2.17%(p<0.05)和2.61%(p<0.05)；成熟期M和J2的土壤温度高于CK处理，而J5的土壤温度低于CK处理，但处理间差异均不显著。

在40—60 cm土层，出苗期M的土壤温度极显著高于CK处理7.07%(p<0.01),J5和J2的土壤温度分别极显著低于CK处理1.68%(p<0.01)和2.41%(p<0.01)；开花期M的土壤温度极显著高于CK处理1.98%(p<0.01)，J5和J2的土壤温度分别低于CK处理0.84%和2.16%(p<0.01)；结荚期M，J5和J2的土壤温度分别极显著高于CK处理9.90%(p<0.01)、8.67%(p<0.01)和7.03%%(p<0.01)；鼓粒期M的土壤温度高于CK处理0.67%，J2和J5的土壤温度分别显著低于CK处理2.22%(p<0.05)和2.57%(p<0.05)；成熟期M和J2的土壤温度高于CK处理，而J5的土壤温度低于CK处理，但处理间差异均不显著。

2.3 不同覆盖措施对土壤电导率的影响

不同土层各覆盖处理下的土壤电导率差异明显(见图3)，20—40 cm和40—60 cm土层各处理的土壤电导率均小于0—20 cm。在0—20 cm和20—40 cm土层中，出苗期M和J5处理的电导率均大于CK处理。

图3 0-60 cm土层土壤电导率的生育期动态变化

在0—20 cm土层内，除成熟期外，M的电导率都大于CK处理。除结荚期外，J5的电导率都大于CK处理。大豆生长前期M的电导率大于J5处理，成熟期J5的电导率大于M处理。且整个生育期M和J5的平均电导率分别大于CK处理5.72%(p<0.01)和4.02%(p<0.05)，但M和J5处理间差异不显著；在20—40 cm土层内，除开花期和鼓粒期外，M的电导率大于CK处理。除鼓粒期外，J5的电导率大于CK处理。大豆生长中期(开花期和结荚期)J5的电导率大于M处理，其他生育阶段M的电导率大于J5处理。整个生育期各处理的平均电导率差异均不显著；在40—60 cm土层内，除开花期和结荚期外，M的电导率均大于CK处理。整个生育期内J5的电导率均小于CK处理。开花期和结荚期M的电导率小于J5处理，其他生育阶段M的电导率大于J5处理。整个生育期J5的平均电导率显著大于M处理7.63%(p<0.05)。

2.4 不同覆盖措施对大豆产量的影响

不同地表覆盖处理对大豆产量的影响有所不同(见表3)，各处理的大豆产量顺序为：M>J5>J2>CK，M的产量极显著高于CK处理46.73%(p<0.01)，显著高于J2处理26.83(p<0.05)，J5的产量显著高于CK处理34.61%(p<0.05)，但M和J5处理间的产量差异并未达到显著水平。

2.5 不同覆盖措施下土壤各物理条件与产量的相关性分析

通过大豆产量与土壤贮水量、土壤温度和土壤电导率相关性分析发现(见图4)，大豆产量与其全生育期0—60 cm土层土壤贮水量、土壤温度和土壤电导率均呈正相关关系，但土壤贮水量和土壤温度与产量的相关性并不显著。为明确产量与各生育阶段土壤物理条件的相关性，以便更加有针对性地进行田间管理，进一步对大豆产量与各生育期0—60 cm土层土壤贮水量、土壤温度、土壤电导率进行相关性分析(见表4)，结果表明大豆产量与出苗期和鼓粒期土壤贮水量极显著正相关；与结荚期除外的其它生育阶段内土壤温度正相关，但相关性并不显著；与出苗期电导率呈极显著正相关。此外，出苗期土壤贮水量和温度分别与出苗期土壤电导率极显著正相关。

表3 不同覆盖条件下的大豆产量比较

注：①同列数据后小写字母不同表示差异达显著水平(p=0.05)，大写字母不同表示差异达极显著水平(p=0.01),下同。②M,J5,J2,CK表示不同的处理,分别为:地膜覆盖,秸秆覆盖量5 000 kg/hm2,秸秆覆盖量2 500 kg/hm2及传统耕作。下同。

图4 大豆产量与土壤贮水量、土壤温度和土壤电导率相关性

表4 大豆各个生育期产量与土壤贮水量、土壤温度和土壤电导率相关性

项目YWSPWFPWPPWDPWMPTSPTFPTPPTDPTMPCSPCFPCPPCDPWSP 0.768**WFP0.559 0.798**WPP0.504 0.655* 0.760**WDP 0.785** 0.906** 0.863** 0.815**WMP0.538 0.828** 0.946** 0.723** 0.845**TSP0.5500.433-0.058 -0.050 0.2910.038TFP0.5270.4800.0140.1030.3120.048 0.924**TPP-0.549 -0.241 0.1260.200-0.208 -0.012 -0.824**-0.581*TDP0.2270.484-0.005 0.0210.2220.104 0.769** 0.807**-0.350 TMP0.494 0.600*0.3750.1410.3780.4270.5190.571-0.241 0.632*CSP 0.760** 0.777**0.5150.424 0.736**0.526 0.762** 0.744**-0.557 0.612* 0.674*CFP0.3090.2320.3130.4440.300 0.228-0.281 -0.144 0.194-0.398 -0.378 -0.207 CPP0.185 0.607* 0.690*0.3690.529 0.750**0.0610.0930.0240.1980.1840.2530.292CDP0.3750.2940.102-0.112 0.1260.0840.0610.428-0.281 0.508 0.754**0.558-0.484 -0.152 CMP0.261-0.006 0.1950.0070.113-0.199 0.1840.072-0.256 0.0580.1050.200 -0.321 -0.622*0.127

注：①Y为产量；W为贮水量；T为土壤温度；C为电导率;SP为出苗期；FP为开花期；PP为结荚期；DP为鼓粒期；MP为成熟期。②*为p<0.05，差异显著；**为p<0.01，差异极显著。

3 讨 论

土壤水分是影响作物生长的重要因素，黄土高原雨水不足成为限制其农业发展的主要因素，高效利用土壤水分是农田管理的重要措施。浅层土壤易受降雨、蒸发和作物生长等外界因素的影响，水分波动较大[24]。相较于20—40 cm和40—60 cm土层而言，0—20 cm土层土壤贮水量全生育期动态变化较大，且该土层各处理的土壤贮水量均处于最高水平，说明随着土壤深度的增加，地表覆盖处理对土壤水分的影响逐渐降低。这与降雨在土壤中的缓慢下渗有关。出苗期和结荚期的表层土壤(0—20 cm)贮水量较低，可能与该时期降雨稀少和作物生长大量需水有关，结荚期降雨量仅占生育期降雨量的1.55%。已有研究表明[25-28]，地膜和秸秆覆盖能有效减少农田土壤水分无效蒸发，提高作物产量。这是因为地膜和秸秆覆盖层的存在起到一个遮挡物的作用，阻断了土气界面的水热传输，减少了水分的直接蒸发量，使水分在土壤中的入渗量大于蒸散量。本试验中，在0—60 cm各土层内，全生育期M和J5处理的贮水量几乎都是最高的，且出苗期M的土壤贮水量高于J5处理，提高大豆出苗率，为大豆苗期生长提供充足的水分。这与王玲等[29]的研究结果相似，地膜覆盖可提高苗期土壤含水量，覆膜玉米的平均水分含量比露地处理高0.9%。白玮[30]的研究结果表明，随着覆盖厚度增加，秸秆覆盖的保水效果增强。本试验中除成熟期20—60 cm土层外，J5处理的土壤贮水量始终高于J2处理，这是因为覆盖层越厚，可蓄持的土壤水分越多，水分受外界因素的影响越小，进一步水分散失就越少。

本试验中0—60 cm土层各处理的生育期温度变化与气温变化规律大体一致，说明大气温度是影响土壤温度变化的主要因素之一。另外在0—60 cm各土层内，大豆生长前期(出苗期至鼓粒期)处理间的土壤温度差异较大，大豆生长后期(成熟期)处理间的土壤温度差异变小，说明降雨和作物生长也是研究土壤温度变化不可忽视的外界因素。这同时也表明地表覆盖措施对土壤温度的调控效应主要表现在作物生长前期。地表覆盖技术对土壤温度的影响比较复杂，蔡太义等[11]发现在0—25 cm土层，不同秸秆覆盖处理均表现出不同程度的降温效应，相关研究进一步发现秸秆覆盖在夜晚具有增温作用，而在白天具有降温作用[31]。在冬季具有增温作用，而在春季具有降温作用[32]。在本试验中，出苗期、开花期和鼓粒期0—60 cm土层秸秆覆盖处理(J5和J2)的土壤温度都低于CK处理，与上述研究结论一致。其原因可能有3种：①因为秸秆覆盖时间仅为1 a，其对土壤温度的提升效应还未体现出来。②因为秸秆自身的导热性能劣于塑料地膜，且相较于地膜而言，秸秆间空隙较大，易造成热量散失。③因为土壤温度与土壤贮水量有很大关系。相较于传统耕作而言，秸秆覆盖会蓄积较多的土壤水分，而水的比热容较大，在接受同样的太阳辐射能后，水分含量高的处理土壤温度升高会较慢[33]。另外，本试验中结荚期的降雨量仅有6.2 mm，占全生育期降雨量的1.55%，此时秸秆覆盖处理(J5和J2)的土壤温度均高于传统耕作，说明秸秆覆盖的增温效应在气候干旱时较为突出。对于地膜覆盖的土壤温度效应，不同的研究有不同的见解。部分研究认为，地膜覆盖可提高表层土壤温度[34]，尤其是苗期温度，增加出苗率，进而促进作物增产[35]。这与本试验结论相似，在0—60 cm各土层中，整个生育期M的土壤温度都高于其他处理。但也有研究表明在作物的不同生长阶段，覆膜处理存在增温和降温的双重作用[14]。不同的试验结果可能由气候、土壤和作物品种等条件差异引起。最后，在0—60 cm各土层中，地膜覆盖和秸秆覆盖的土壤温度差异随着生育期推进而变小，至成熟期时，各处理间的温度差异互不显著。这是因为当大豆生长进入鼓粒期后，植株的冠层面积变大，其阻挡太阳辐射能直射地表，地膜覆盖的增温效应就随之减弱，处理间温度差异因此变小。

试验区属半干旱地区，地表水分蒸发和作物蒸腾耗水强烈，导致盐分随水分的消耗而上移，又随着降水入渗和淋洗而向下移动，因此各处理间土壤电导率有所差异。受蒸发影响，土壤中的盐分随水分上升至表层土壤，故随着土层加深各处理的电导率变小。本试验中0—20 cm土层各处理的土壤电导率均大于其在20—40 cm和40—60 cm土层中的电导率。在0—20 cm土层中，全生育期M和J5处理的土壤电导率几乎都大于CK处理，这与土壤电导率正相关于土壤含水率的结论一致[36]，但与卢星航等[37]的研究结果相反，可能是因为覆盖处理下的大豆生长旺盛，植株较为健硕，其强烈的蒸腾耗水导致水盐失衡，大量盐分积累于表层土壤中，导致覆盖处理下的土壤电导率大于对照处理。也可能因为地膜和秸秆覆盖层的存在，减弱了水分对盐分的向下淋洗作用，造成土壤盐分表聚。另各覆盖处理的大豆产量均大于CK处理，其中地膜覆盖的增产效应最明显，说明地表覆盖引起的土壤电导率上升在适宜大豆生长的含盐量范围，非但不会影响大豆生长，还会为其提供一个适宜的生长环境。因此覆盖处理可蓄持土壤水分，调节土壤盐分于适宜的含量，进而促进作物增产。

4 结 论

地膜和秸秆覆盖可提高土壤贮水量，且在出苗期地膜覆盖的蓄水效果优于秸秆覆盖；其次，地膜覆盖可提高土壤温度，而秸秆覆盖对土壤温度的影响具有双重作用；另外，地膜和秸秆覆盖可在一定范围内提高表层土壤电导率，且在大豆生长前期地膜覆盖对土壤电导率的影响更大，而在成熟期秸秆覆盖对电导率的影响更大；最后，地膜和秸秆覆盖均可促进大豆增产，且地膜覆盖处理下的大豆产量最高。

综合考虑，大豆产量与出苗期0—60 cm土层土壤贮水量和电导率极显著正相关，而地膜覆盖处理下的各土层出苗期贮水量最高，0—20 cm土层全生育期平均电导率最大，其产量也极显著高于传统耕作，故只要使用可降解的地膜材料，地膜覆盖技术就可在黄土高原旱作农业区大力推广。目前本研究仅进行了1 a，后期可结合长期监测的试验数据进一步验证相关结论。