秸秆覆盖对广西甘蔗地土壤水分变化的影响

甘磊，邓婉珍，陶涣壮，李帅，陈廷速，张建兵

摘要：【目的】研究秸稈覆盖对广西甘蔗地不同土层深度土壤水分时空连续变化的影响，以探求优化广西甘蔗种植中土壤水分状况的有效途径。【方法】甘蔗试验田设无秸秆覆盖（T0）和秸秆覆盖（TS）2个处理，常规耕作，并对试验区的降水量及试验田0～10 cm、10～30 cm和30～50 cm土层的土壤含水量进行连续动态监测，对比分析不同处理甘蔗地的土壤理化性质及土壤水分变化特征。【结果】秸秆覆盖可改善甘蔗地的土壤环境，提高土壤有机质含量，TS处理0～10 cm、10～30 cm和30～50 cm土层的土壤有机质含量较T0处理分别显著增加42.8%、29.1%和45.4%（P<0.05，下同）;秸秆覆盖同时可提高甘蔗地土壤的蓄水保墒能力，使土壤含水量显著增加，TS处理0～10 cm、10～30 cm和30～50 cm土层的土壤含水量较T0处理分别显著增加10.5%、16.0%和11.5%。在干旱缺水条件下，与T0处理相比，TS处理提高了0～50 cm土层土壤水分的向上供给，水分运动更活跃。【结论】在广西甘蔗种植中进行秸秆覆盖可增加土壤有机质含量、降低土壤蒸散发，从而改善土壤水分条件和土壤环境，为甘蔗根系生长提供良好的土壤环境，值得在广西蔗区推广。

关键词： 秸秆覆盖;甘蔗地;土壤含水量;水通量;广西

中图分类号： S152.7                                文献标志码： A 文章编号：2095-1191（2021）09-2438-09

Effects of straw mulching on the change of soil moisture in sugarcane field of Guangxi

GAN Lei1，2， DENG Wan-zhen2， TAO Huan-zhuang2， LI Shuai2，

CHEN Ting-su3， ZHANG Jian-bing4*

（1Guilin University of Technology/Guangxi Collaborative Innovation Center for Water Pollution Control and Safety in Karst Area， Guilin， Guangxi  541004，China; 2Guilin University of Technology/Guangxi Key Laboratory of Environmental Pollution Control Theory and Technology， Guilin， Guangxi  541004， China; 3Microbiology Research Institute， Guangxi Academy of Agricultural Sciences， Nanning  530007， China; 4Nanning Normal University/Key Laboratory of Environment Change and Resources Use in Beibu Gulf， Nanning  530001， China）

Abstract：【Objective】The effects of straw mulching on the spatiotemporal change of soil water in different depths of sugarcane field in Guangxi were studied to find an effective way to optimize the soil water condition in sugarcane field in Guangxi. 【Method】The experiment was conducted in a sugarcane field in Guangxi with two treatments：no straw mulching（T0） and straw mulching（TS）. Rainfall data during the experiment period as well as the soil water content at 0-10 cm，10-30 cm，and 30-50 cm depth of the fields were collected through continuous dynamic monitoring to analyze the change of soil moisture and the soil physical and chemical properties under different conditions. 【Result】Straw mulching could improve the soil environment of sugarcane field and improve the soil organic matter content. The organic matter content in TS in 0-10 cm，10-30 cm，and 30-50 cm depths significantly increased by 42.8%，29.1% and 45.4%，respectively compared with T0（P<0.05，the same below）. Meanwhile，straw mulching could improve the water retention ability of sugarcane soil and significantly enhance the soil moisture content. The soil water content under TS treatment was significantly increased by 10.5%，16.0% and 11.5%，respectively in 0-10 cm，10-30 cm and 30-50 cm depths. Compared with T0 treatment，TS treatment increased the soil upward water supply of 0-50 cm depth，which resulted into the more activewater movement during the water shortage. 【Conclusion】Straw mulching can reduce soil evapotranspiration and increase soil organic matter content，there by improving soil water conditions and soil environment in sugarcane planting in Guangxi， and provide a good soil environment for sugarcane root growth. It is also suggested that straw mulching is worth populari-zing in sugarcane cultivated areas of Guangxi.

Key words： straw mulching; sugarcane field; soil water content; water flux; Guangxi

Foundation item： National Natural Science Foundation of China（42067002，41761048）; Guangxi Natural Science Foundation（2016GXNSFAA380197，2019GXNSFDA245013）

0 引言

【研究意义】土壤是作物根系伸展、固持的介质，为作物的生长发育提供必要的水分与养分。在农业生产过程中，土壤含水量对于作物的生长及产量有着十分重要的影响（侯贤清等，2018）。适宜的水分条件可促进作物根系发育，为作物地上部分提供更多养分和水分，进而提高作物产量（谢金兰等，2010），而土壤水分不足则会直接影响作物的生长速度及产量（苏坎坛等，1988）。甘蔗产业是广西农业经济发展的重要产业之一，土壤水分条件对甘蔗产量有重要影响。因降水季节分配不均，广西地区农业用水紧张（陆甲等，2015），加之桂中地区的水源涵养能力低，土壤贫瘠，阻碍了广西甘蔗种植业的发展。因此，研究甘蔗种植中如何减少棵间蒸发，保住有限的土壤水分以供甘蔗生长需要，对广西甘蔗产业的发展具有重要意义。【前人研究进展】合理的覆盖方式有助于改善土壤的理化性质和土壤的水、肥、气、热状况，有利于提高作物水分利用效率，对改善作物的生长环境具有重要意义（Morris et al.，2010;侯婷等，2019;李俊红等，2021）。Guenet等（2012）研究表明，秸秆覆盖能对土壤产生积极效应，增加土壤的矿质氮、全氮及有机碳含量。地膜覆盖和秸秆覆盖均可起到减少水分蒸发和增温保水的作用（汤瑛芳等，2013;程宏波等，2016），秸秆覆盖还能有效提升土壤速效养分和微生物活性（刘艳慧等，2016）。李昱鹏等（2019）在西北干旱半干旱地区对梨枣地土壤的研究中发现，秸秆与地膜覆盖均能提高桶栽梨枣产量及改善梨枣的果实品质，且秸秆覆盖的作用略优于地膜覆盖;邓浩亮等（2020）研究发现，秸秆覆盖在陇中半干旱区春玉米的全生育期内保水效果显著，而平地全地膜覆盖不利于蓄集雨水，随着春玉米生长中后期耗水的增加，平地全地膜覆盖的土壤含水率低于露地平播;董云云等（2020）在半干旱区对农田土壤水分和大豆产量的研究中发现，地膜和秸秆覆盖的增产和持水作用显著，但地膜覆盖存在膜布难降解的环境污染风险。可见，作物秸秆覆盖还田，不仅可充当天然有机肥料，提高土壤肥力，还可减少水分蒸发，提高土壤含水量，促进作物对土壤水分的有效利用（张统帅等，2020）。【本研究切入点】目前，国内关于秸秆覆盖对土壤水分方面的研究多为单一时间和空间的土壤水分变化，而针对广西地区甘蔗全生育期内秸秆覆盖对甘蔗地土壤水分时空连续变化特征的研究较少。【拟解决的关键问题】在广西武鸣设无秸秆覆盖处理和秸秆覆盖处理的甘蔗试验田，测定其土壤理化性质，长期连续监测不同土层深度的土壤含水量，分析土壤理化性质变化和水分变化特征，研究秸秆覆盖对甘蔗地不同土层深度土壤水分时空连续变化的影响，以探求优化广西地区甘蔗种植中土壤水分状况的有效途径。

1 材料与方法

1. 1 试验区概况

试验区位于广西南宁市武鸣区的广西农业科学院里建科学研究基地（东经108°02'、北纬23°14'）。试验区地势平坦，土壤母质主要为第四纪红壤土，基部岩层主要为石灰岩;属中亚热带季风气候，夏季炎热多雨，春秋季易旱，冬季温暖少雨。武鸣区年平均气温为21.6 ℃;最热为7月，平均气温为28.6 ℃;最冷月为1月，平均气温为12.8 ℃，年平均降水量约1304.2 mm，降水分配不均，多集中在4—9月，占全年总降水量的80%。

1. 2 试验方法

试验设2个处理：无秸秆覆盖处理（T0）和秸秆覆盖处理（TS）。试验田常规耕作，耕作深度均为30 cm;2个处理面积均为200.0 m2，长20.0 m、宽10.0 m、行间距离0.9 m。甘蔗品种为桂柳05-136，按常规种植大田模式管理。其中秸秆覆盖处理的覆盖材料为机械粉碎后的甘蔗秸秆，覆盖平均厚度3 cm。每处理开挖3个长、宽、深分别为60、60和50 cm的重复剖面，分别在0～10 cm、10～30 cm、30～50 cm土层深度处水平安装水分探头（Type ML3，Devices，Cambridge，UK）进行试验田土壤水分的定位动态监测。所有探头连接至数据采集器，水分监测数据每小时自动记录一次。同时，试验区内设Vantage PRO 2型气象站以记录降水量。

试验時间为2017年1月1日—12月31日。试验开始前在0～10 cm、10～30 cm、30～50 cm土层深度处采集环刀原状土壤样品，用于室内基本理化性质分析。参照《土壤物理实验指导》的方法（程东娟和张亚丽，2012），采用吸管法测定原状土壤质地，重铬酸钾法测定土壤有机质，环刀法测定土壤容重，并计算土壤总孔隙度，每个土层的各项指标重复测定5次。

土壤基质势通过压力膜仪测定结合RETC软件拟合，根据van Genuchten方程（Van Genuchten，1980）计算，计算公式如下：

[θs-θrθ-θr] = [11+（ah）n] m     （1）

式中，h为土壤吸力，θs为饱和含水率，θr为残余含水率，θ为体积含水率，α是与进气吸力相关的参数，m和n为形状系数。

参照Gan等（2012）计算0～50 cm土层土壤水通量，计算公式如下：

[q] = [Vθ]·[VLt2-t1]       （2）

式中，[q]为绝对水通量，[Vθ]为两点之间的绝对含水量差（cm3?cm-3），[VL]为两点之间的绝对距离（cm），t2-t1为两次测量之间的时间（s）。土壤水通量方向根据水势判断。

1. 3 统计分析

试验数据采用Excel 2016进行整理，以SPSS 25进行统计分析并进行差异显著性检验，采用Origin 2018制图。

2 结果与分析

2. 1 不同处理对土壤基本理化性质的影响

从表1可知，在土壤质地方面，TS与T0处理的砂粒含量均随着土层深度的增加呈先增大后减小的变化趋势，黏粒含量则相反，粉粒含量随着土层深度的增加而增大;在0～10 cm土层中，2种处理的砂粒、粉粒和粘粒含量均差异不显著（P>0.05，下同）;在10～30 cm和30～50 cm土层中，TS处理的砂粒含量显著高于T0处理（P<0.05，下同），而T0处理30～50 cm土层的粉粒和黏粒含量均显著高于TS处理。2种处理的容重均随着土层深度的增加而增大，总孔隙度和有机质含量随着土层深度的增加而减小，且TS处理0～10 cm、10～30 cm和30～50 cm土层的有机质含量均显著高于T0处理，较T0处理分别提高42.8%、29.1%和45.4%。

2. 2 不同处理对土壤含水量的影响

图1是不同处理0～50 cm土层的土壤含水量变化情况，图中的断点是因土壤水分探头出现故障，对其进行剔除。由图1可看出，试验期间TS与T0处理各土层土壤含水量与降水量的变化趋势基本一致，土壤含水量随降水量的增大而增大，且TS处理的土壤含水量增幅更大。6月6日，降雨发生（49.0 mm）后，TS与T0处理的各土层土壤含水量分别增加12.0%～22.1%和8.8%～15.0%，TS处理的含水量增幅高出T0处理1.4～1.5倍。在0～10 cm土层中，甘蔗发芽期和幼苗期（2—5月上旬）生理需水不多，TS处理的土壤含水量明显高于T0，但在甘蔗分蘖期、伸长期和成熟期期间（5月中旬—12月），甘蔗生长加快，生理需水增多，土壤水分消耗变大，TS与T0处理的0～10 cm土层土壤含水量差异不明显。在10～30 cm和30～50 cm土层中，整个试验期间均表现出TS处理的土壤含水量高于T0处理。

从表2不同处理土壤含水量的统计值可知，T0和TS处理30～50 cm土层的平均土壤含水量均最高，10～30 cm土层次之，0～10 cm土层最低，而含水量变化幅度则是0～10 cm土层最大，30～50 cm土层次之，10～30 cm土层最小;各土层TS处理的含水量变化幅度均小于T0处理;TS处理0～10 cm、10～30 cm和30～50 cm土层的土壤平均含水量均显著高于T0处理，较T0处理分别增加10.5%、16.0%和11.5%。

2. 3 不同处理对土壤水势的影响

结合图1和图2可看出，不同处理下的土壤水势变化趋势与土壤含水量变化趋势基本一致。在0～10 cm、10～30 cm和30～50 cm土層中，TS与T0处理的土壤水势变化趋势基本一致，但T0处理的土壤水势波动幅度相对较大。在0～10 cm土层中，发芽期和幼苗期期间TS处理的土壤水势明显高于T0处理，而分蘖期、伸长期和成熟期期间TS处理的土壤水势仅略高于T0处理，其中降雨缺乏期（4月）T0处理的土壤水势下降变幅明显大于TS处理;在10～30 cm和30～50 cm土层中，整个试验期间TS处理的土壤水势高于T0处理，且T0处理的土壤水势下降变幅大于TS处理，在伸长期和成熟期期间无降雨的情况下尤为明显。在T0处理条件下，甘蔗发芽期和幼苗期期0～10 cm土层的土壤水势明显低于10～30 cm和30～50 cm土层，分蘖期、伸长期和成熟期期0～10 cm和30～50 cm土层土壤水势无明显差别;在TS处理条件下，0～10 cm、10～30 cm和30～50 cm土层的土壤水势整体无明显差异。

2. 4 不同处理对土壤水通量的影响

图3为不同处理0～50 cm土层的土壤水通量变化情况，土壤水通量值大于零表示土壤水分运动方向向上，土壤水通量值小于零表示土壤水分运动方向向下。从图3可看出，在甘蔗发芽期和幼苗期（1—5月），TS处理向上的水通量值明显小于T0处理，且TS处理的土壤含水量高于T0处理，TS与T0处理的土壤水通量值大部分为正值，甘蔗地土壤水分处于消耗过程中。在甘蔗分蘖期和伸长期前期（5—7月），T0处理的向下土壤水通量值波动幅度大于TS处理。在甘蔗伸长期的中后期（8—10月），TS处理的土壤水通量上下波动幅度大于T0处理。在甘蔗成熟期（11—12月），TS与T0处理的土壤水通量上下波动幅度小，土壤水分运动平缓。

土壤水通量受降雨影响，在高温多雨（6月13—16日，降雨量150.2 mm）的情况下，2种处理的土壤水通量方向向下且波动幅度较大;在高温无雨（9月13—20日）的情况下，2种处理的土壤水通量波动幅度较小，但TS处理的土壤水通量方向向上，土壤水分向上运动，T0处理的土壤水通量方向向下，水分运动方向相反。

3 讨论

土壤水分是土壤中能量与物质交换循环的重要载体，也是联系土壤—植被—大气系统的重要影响因子，对土壤性质、植物生长及区域生态系统均有重要影响（Qiu et al.，2011）。土壤含水量特征及其垂直分布受降雨情况影响较强烈，且在0～10 cm土层中的土壤含水量对降雨脉冲响应最剧烈（陈敏玲等，2016）。本研究结果表明，土壤含水量随着降雨的变化而变化，在甘蔗发芽期和幼苗期，降雨较少且强度较小，T0与TS处理的土壤含水量波动幅度较小，其中0～10 cm土层中的土壤含水量波动幅度大于10～30 cm和30～50 cm土层;在分蘖期和伸长期，降雨较多且强度较大，T0与TS处理的土壤含水量波动幅度大。冯永建等（2010）研究表明，降雨量是影响土壤水势变化的主要因素，与本研究中土壤水势随降雨量变化产生明显波动的结果一致，当降雨量增大时，土壤水势也随之增大。在有较多降雨补充时，TS与T0处理的土壤水通量方向向下，说明此时的土壤水分可满足甘蔗的生长需求、叶片蒸腾及土壤蒸发损耗。而在无降雨补充的时候，TS与T0处理的土壤水通量方向基本向上，说明该情况下广西地区甘蔗种植中土壤水分整体向上运动，水分处于消耗过程，需在甘蔗地实施一定的灌溉，以弥补水分的消耗，保持土壤水分。苏坎坛等（1988）发现甘蔗早灌溉能获得更多的生长量，利于积累糖分，提高含糖量。Gan等（2018）研究表明CHL（Clock Hand Lateral）灌溉系统具有水利用效率高、适用性强且价格低廉的优点，适合用于广西甘蔗旱地种植中。在0～50 cm土层中，T0处理的土壤含水量低于TS处理，则T0处理条件下可能需要更多的灌溉水，而TS处理所需灌溉水可能更少，进而达到节水效果。

李艳等（2015）研究表明，秸秆覆盖会明显降低土壤的蒸散发，减少土壤水分的无效损耗，进而发挥蓄水保墒作用。Chang等（2019）也发现秸秆覆盖能显著提高土壤含水量并降低地温，促进作物生长发育。本研究中，在0～10 cm、10～30 cm和30～50 cm土层中，TS处理的土壤含水量显著高于T0处理，分别较T0处理增加10.5%、16.0%和11.5%，为甘蔗生长发育提供了相对充足的水分条件，说明在广西地区甘蔗种植中秸秆覆盖处理增强了雨水入渗能力，改善了土壤的持水能力，进而增强土壤的保水效果。秸秆覆盖可阻碍土壤空气与大气的交换，降低覆盖区潜热通量输运率，显著减少水分蒸发量，且覆盖层能减少雨滴溅蚀表层土壤，利用降水积蓄下渗（林超文等，2010;Behzadnejad et al.，2020）。另外，土壤水分状况同时受降雨、蒸发、覆盖、植物根系等外部因素的影响（刘继龙等，2019）。深层土壤不与大气相接触，受太阳辐射等外界因素影响较小，土壤水分蒸发强度随土层深度的增加而减弱（张明忠等，2007），从而使下层的土壤水分得到保持，因此土壤含水量表现为土层越深含水量越大。2017年4月降雨量少，为干旱期，T0处理的0～10 cm土层土壤水势下降变幅远大于TS处理，说明秸秆覆盖对干旱条件下的土壤具有较好的保墒效果，与吴庆华等（2009）关于秸秆覆盖对土壤水动态影响的研究结果一致。在甘蔗分蘖期和伸长前期，T0处理的向下土壤水通量值下降更多，可能是因为之前干旱少雨的情况下，T0处理的土壤蒸发更多，土壤含水量更低。在甘蔗伸长中后期，一方面TS处理的向上土壤水通量大于T0处理，说明秸秆覆盖处理供甘蔗生长水分更多;另一方面TS处理的向下土壤水通量大于T0处理，说明秸秆覆盖处理利于水分入渗保持。而TS处理的土壤水通量波动幅度略大于T0处理，说明TS处理的土壤水分运动较活跃，即秸秆覆盖在广西甘蔗种植中水分运移通畅，流通性好，可为甘蔗生长和水分保持提供更好的土壤环境。这很可能是因为进行秸秆覆盖后能促进土壤团聚体形成，增加土壤团聚体含量（张志毅等，2020），提高团聚体比例，增强土壤团聚性（Fu et al.，2020），且能在一定程度上提高土壤孔隙度，逐渐改善耕层土壤连通性，有利于土壤水分上下运动（Tao et al.，2015;Yan et al.，2018）。甘蔗在伸长期以后，根系主要集中在20～30 cm土层中，主要吸收20～30 cm土层的水分（吴炫柯等，2013），在干旱缺水（9月13—20日）条件下，T0处理0～50 cm土层的土壤水通量向下，而TS处理的土壤水分向上运动，表明在干旱条件下，T0处理的深层土壤含水量低，深层土壤水分无法向上供给，而进行秸稈覆盖处理后，可更好地调动下层水分向上供给，以供甘蔗生长发育利用，从而说明秸秆覆盖处理可改善深层土壤调蓄水分的能力，促进土壤水分的有效利用。

农业生产过程是一个能量转换的过程，农作物在生长发育过程中需不断消耗能量。因此，在农作物生长过程中需改良土壤结构，不断调节土壤的水肥含量，不断补充能量，以供作物生长吸收和利用。鲁天平等（2015）研究发现，深沟秸秆覆盖可使土壤孔隙度提高11.2%～20.0%，改良土壤结构，促进植物生长。本研究发现，秸秆覆盖降低了各土层的土壤平均容重，提高了土壤总孔隙度，说明在广西甘蔗种植中秸秆覆盖有助于改良土壤物理性状，增强土壤的持水性能，促进根系对土壤水分的吸收，利于根系的发育。秸秆覆盖还可增加土壤的有机质和养分含量，培肥地力。潘雅文等（2016）在陕西的长期定位试验中研究发现，持续秸秆覆盖还田可有效增加耕层土壤有机质、全氮和速效磷含量。本研究同样发现，粉碎的秸秆经过一段时间腐蚀降解作用后，转化为有机质和速效养分，与无秸秆覆盖处理相比，秸秆覆盖处理显著增加土壤有机质含量，进而改善了土壤化学性状。同时，土壤肥力增加有助于提高土壤孔隙连通性，促进作物根系生长，以更好地吸收深层土壤水分（Naveed et al.，2014）。

前人研究表明，深松施肥（马阳等，2019）、粉垄（陈晓冰等，2019）、垄作覆膜（赵凯超等，2019）在改良土壤结构、提高土壤含水量、促进作物生长及增产等方面效果明显，秸秆覆盖（梅四卫等，2020）也可提高土壤养分和水分利用效率，增加玉米产量。在水土保持方面，秸秆覆盖能显著减少飞溅侵蚀，减少水土流失，加强土壤团聚性（Gholami et al.，2013）。本研究结果表明，在广西甘蔗种植中，通过秸秆覆盖提高了甘蔗地0～50 cm土层中的土壤含水量和有机质含量，并降低了土壤容重。因此，秸秆覆盖可较好地改善土壤理化性质，进而增强土壤蓄水能力，同时能较好的调动下层土壤水分运动，有助于提高甘蔗对土壤水分的有效利用率，为甘蔗生长提供更好的土壤环境。

4 结论

广西地区甘蔗种植时进行秸秆覆盖可改善土壤的理化性质及土壤水分条件。秸秆覆盖后土壤有机质明显增加，土壤总孔隙度也略微增加，有利于降水入渗，减少土壤水分的无效散发，增强对深层土壤水分的调蓄能力，增加甘蔗全生育期0～50 cm土层的土壤含水量，提高土壤的蓄水保墒能力，进而为甘蔗生长提供相对充足的水分条件，为甘蔗根系生长提供良好的土壤环境，值得在广西蔗区推广。

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（責任编辑 王 晖）