崔文倩 趙 錦 楊曉光

(中國農業(yè)大學 資源與環(huán)境學院，北京 100193)

玉米是世界和中國第一大糧食作物。“中國東北黃金玉米帶”是全球最適宜種植玉米的區(qū)域之一，總產(chǎn)量占全國的33%，對保障中國糧食安全具有重要的戰(zhàn)略地位。然而，由于農田常年采用翻耕或旋耕等傳統(tǒng)耕作技術，導致東北地區(qū)黑土地大面積水土流失和退化，黑土層平均厚度由20世紀50年代的60～80 cm銳減到目前的20～40 cm，且每年僅因土壤侵蝕造成的糧食減產(chǎn)高達14.7%，嚴重威脅國家糧食安全和農業(yè)可持續(xù)發(fā)展。秸稈覆蓋、少免耕、深松、淺耕等保護性耕作措施是一項能夠提高土壤質量、增加作物產(chǎn)量、有利于土壤可持續(xù)利用的有效措施，在全球得到廣泛應用。合理區(qū)劃和推廣保護性耕作措施是科學用養(yǎng)東北黑土地、保障國家糧食安全的重要方面。

保護性耕作最大效益之一是增加土壤水分，其既是增產(chǎn)的主要原因，也是土壤結構改善的具體表現(xiàn)。同時，由于我國東北地處高緯度地區(qū)，溫度條件是區(qū)域保護性耕作措施推廣應用中重要的限制條件。因此，研究保護性耕作措施對土壤水熱的影響是其推廣應用的重要前提。國內外研究表明，保護性耕作可增加土壤水分，長期保護性耕作可顯著提高團聚體的水穩(wěn)性，改善土壤結構；玉米農田深松深度25～45 cm，較高秸稈覆蓋量可顯著提高全生育期土壤貯水量；免耕條件下土壤剖面水分含量的提高可顯著提升產(chǎn)量。保護性耕作對生長季內土壤溫度影響則主要有3種結論：降溫、增溫和高溫時降溫、低溫時增溫的調節(jié)作用。例如，在東北地區(qū)覆蓋4 000 kg/hm秸稈土壤溫度升高，而覆蓋量在8 000 kg/hm時土溫降低；華北地區(qū)實施免耕覆蓋，玉米拔節(jié)期地表土溫比翻耕處理降低3.43 ℃；秸稈覆蓋對0～10 cm土壤有顯著的增溫效應。對深松和覆蓋條件下的土壤溫度日變化研究中發(fā)現(xiàn)，深松和秸稈覆蓋對土壤溫度具有調節(jié)作用，有時表現(xiàn)出低溫時增加、高溫時降低的效果。

盡管圍繞保護性耕作下土壤水熱狀況已經(jīng)開展了大量研究，但多是單點田間試驗，研究結果受到試驗地點、時間、氣候等因素的限制。Meta分析是一種對同類單個研究結果進行統(tǒng)計的方法，能夠將若干獨立研究的統(tǒng)計結果進行綜合分析。本研究以東北(黑龍江省、吉林省、遼寧省及內蒙古東四盟)為研究區(qū)域，應用Meta方法探討4種保護耕作措施對春玉米生長季內農田土壤水熱的影響，定量東北區(qū)域實施保護性耕作土壤溫度和含水量的影響程度，明確作物生育期、土壤類型、作物管理措施、氣候等因素的影響程度，以期為評價保護性耕作在東北玉米農田實施的適宜性提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

通過中國知網(wǎng)(CNKI)、萬方和維普等數(shù)據(jù)庫，分別輸入主題“玉米”，區(qū)域關鍵詞“東北”、“黑龍江”、“吉林”、“遼寧”、“內蒙古”，耕作方式關鍵詞“保護性耕作”、“秸稈覆蓋”、“免耕”、“深松”和測定指標關鍵詞“理化性質”、“土壤溫度”、“土壤含水率”，共檢索到320篇文獻，為減少篩選文獻帶來的偏差，本研究所利用的文獻滿足以下條件：1)研究區(qū)域屬于東北地區(qū)，包括東北三省(黑龍江、遼寧、吉林)和內蒙古東四盟(圖1)；2)試驗必須為田間定位試驗，包括至少1對保護性耕作(秸稈覆蓋 SM、免耕 NT、免耕+秸稈覆蓋 NM、深松 SN)與傳統(tǒng)耕作 CK(當?shù)貍鹘y(tǒng)耕作方式)，且其他條件全部相同；3)研究結果為玉米生長季內的農田土壤溫度和含水量；4)為保證作物正常生長發(fā)育，播種后灌溉次數(shù)至多兩次；5)試驗具有明確重復數(shù)；6)采樣層次為0～200 cm。在數(shù)據(jù)收集過程中，若數(shù)據(jù)以柱狀圖、或折線圖等方式呈現(xiàn)，采用GetData Graph Digitizer 2.24軟件獲得；并且剔除或合并試驗地點、試驗年份、作物種類、試驗數(shù)據(jù)結果相同的文獻。

1.2 數(shù)據(jù)整理及分類

根據(jù)以上篩選標準，最終獲得44篇相關中文和英文文獻，可進行保護性耕作分析的試驗數(shù)據(jù)2 705對，4種保護性耕作措施的可分析樣本量見表1所示，文獻試驗點分布見圖1。為了進一步分析保護性耕作對東北地區(qū)玉米田土壤水熱的影響因素，本研究對篩選的數(shù)據(jù)進行分組，利用分亞組Meta分析方法檢驗某一特定影響因素下玉米農田土壤水熱的變化狀況，包括生育期、土壤類型、作物管理措施、氣候等。土壤質地根據(jù)國際制土壤質地分類分為砂土、壤土、黏壤土和黏土，文章中未提供土壤質地在中國土壤數(shù)據(jù)庫中根據(jù)區(qū)域搜索進行補充；土壤水熱變化是一個連續(xù)的過程，所以階段平均溫度能綜合地反映土壤水熱狀況。根據(jù)玉米各器官的發(fā)生順序和規(guī)律將玉米生長發(fā)育進程(5—10月)劃分為3個生育階段，即5—6月中旬，出苗至拔節(jié)為營養(yǎng)生長階段(前期)；6月中旬—7月中旬，拔節(jié)至抽雄為營養(yǎng)生長與生殖生長并進階段(中期)；7月中旬—10月上旬，抽雄至成熟為生殖生長階段(后期)。

表1 4種保護性耕作措施樣本量
Table 1 Sample size of the four conservation tillages 個

指標Index秸稈覆蓋SM免耕NT免耕+秸稈覆蓋NM深松SN土壤含水量Soil water content934501360332土壤溫度Soil temperature258126 13 61

圖1 研究區(qū)域站點分布圖Fig.1 Distribution of experimental stations in study area

1.3 數(shù)據(jù)分析

1

.

3

.

1

數(shù)據(jù)處理

本研究主要分析保護性耕作措施對東北地區(qū)玉米農田土壤水熱的影響，在搜集文獻時，玉米農田土壤溫度通常直接給出，可直接用于分析；若土壤含水量以土壤質量含水量、土壤體積含水量、貯水量、蓄水量等不同形式給出，本研究將土壤含水量統(tǒng)一轉化為土壤質量含水量，計算公式如下：

v

=

w

×

ρ

(1)

W

=

ρ

×

h

×

w

(2)

D

=

ρ

×

h

×

w

(3)

式中：

v

為土壤體積含水量，%；

W

為土壤貯水量，mm；

D

為土壤蓄水量，mm；

ρ

為土壤容重，g/cm；

h

為土層厚度，cm；

w

為土壤質量含水量，%。

1

.

3

.

2

Meta分析Meta分析一般通過效應指標量化研究結果(數(shù)據(jù))所含的規(guī)律，在進行通加權整合總結歸納同類研究的不同結果，進而較直觀簡略地表達客觀規(guī)律，特別適合于大尺度生態(tài)現(xiàn)象的研究。本研究以保護性耕作處理下玉米生長季土壤溫度和含水量與傳統(tǒng)耕作處理下玉米生長季度土壤溫度和含水量比值為響應比，以響應比的自然對數(shù)為效應值(ln

R

)，通過式(4)計算：ln

R

=ln(

Y

/Y

)=ln

Y

-ln

Y

(4)

式中：

R

為響應比；ln

R

為保護性耕作處理下玉米生長季農田土壤溫度或含水量的效應值；

Y

為保護性耕作處理下玉米生長季農田土壤溫度或含水量值；

Y

為傳統(tǒng)耕作處理下玉米生長季農田土壤溫度或含水量。在獨立研究中搜集的數(shù)據(jù)標準差缺失過多，而重復取樣檢驗法有不用計算每一個研究效應值的標準差獲得權重的優(yōu)點，且重采樣不受參數(shù)檢驗分布假設的影響，故在許多情況下，比傳統(tǒng)的非參數(shù)檢驗排列法效率更高。因此，本研究采用重復取樣檢驗中的隨機檢驗(randomization test)來決定一個統(tǒng)計量的顯著性水平，用靴襻法(bootstrap)給出統(tǒng)計量的95%置信區(qū)間(95% CI)。當樣本量較小時，往往會出現(xiàn)高于或低于初值的靴襻值數(shù)大于總靴襻值數(shù)50%的現(xiàn)象，此時可用偏差校正法(bias-corrected method)來校正，具體為：算出低于初值的靴襻值占總靴襻值的比例(

F

)，再用式(5)計算偏差校正后的百分置信區(qū)間的上下限取值范圍：

N

(2

F/N

±

Z

2)

(5)

式中：

N

為標準正態(tài)分布函數(shù)；

Z

2為

α

在0.05顯著水平下的標準正態(tài)分布Z檢驗值，取1.96。若置信區(qū)間不包含0時，等價于

P

<0.05，既有統(tǒng)計學意義，表明該分類的保護性耕作處理對土壤水熱有顯著性影響，反之表示沒有顯著性影響。

為了便于理解和描述土壤水熱的變化情況，通過式(6)計算得到與傳統(tǒng)耕作相比保護性耕作措施下土壤溫度和含水量的相對變化率：

Y

=(exp(ln

R

)-1)×100%

(6)

1

.

3

.

3

異質性檢驗異質性廣義角度來講是系列獨立研究結果的變異和多樣性，或內在真實性變異；狹義定義從統(tǒng)計學角度指個體研究效應量之間存在的差異變化。異質性一方面來源于隨機誤差導致的研究內變異，另一方面來源于隨機效應導致的研究間變異。本研究將數(shù)據(jù)分組后成為具有分類結構的數(shù)據(jù)，計算分組中所有獨立研究總(或平均)效應值，即結合效應值異質性計算公式如下；權重選擇非參數(shù)權重，第

i

個獨立研究的權重

W

計算公式如下：

W

=(

b

×

b

)

/

(

b

+

b

)

(7)

結合效應值

(8)

式中：

n

為研究數(shù)；

E

為第

i

個研究的效應值。

每一個分組的結合效應值

(9)

式中：

K

為第

j

組的研究數(shù)；

W

和

E

分別為第

j

組和第

i

個研究的權重和效應值。第

j

組的總異質性

Q

：

(10)

式中各項代號的意義同上。

Q

可用自由度為

n

-1的分布來檢驗其顯著性。在Meta分析中，分組間的差異程度可以將總異質性

Q

分為由模型引起的方差

Q

和由非模型引起的殘差

Q

：

Q

=

Q

+

Q

(11)

在分組Meta分析中，

Q

為不同分組間結合效應值的差異，計算公式如下：

(12)

式中：

m

為分組數(shù)，其他代號同上。

Q

是各分組組內異質性的總和，計算公式如下：

(13)

Q

和

Q

都可用分布來檢驗其顯著性，前者自由度

n

-

m

，后者

m

-1。數(shù)據(jù)和圖處理使用R-Studio、ArcGIS 10.0和Excel 2016 進行，應用Meta分析必須檢驗多個獨立研究的合并統(tǒng)計量是否具有統(tǒng)計學意義，當95% CI上下限不包含0時，等價于

P

<0.05，即有統(tǒng)計學意義，表明該分類的保護性耕作對土壤水熱有顯著性影響，反之表示沒有顯著性影響。

2 結果與分析

2.1 保護性耕作對玉米農田土壤水熱影響程度

東北春玉米農田土壤含水量和溫度變化在4種保護性耕作措施下的結果見圖2?？芍号cCK相比，東北地區(qū)玉米農田實施保護性措施導致生長季內土壤含水量顯著增加5.93%(

P

<0.05)；其中，SM、NT、NM和SN均能顯著增加土壤含水量(

P

<0.05)，增濕效應依次為SM(7.63%)>NM(7.23%)>SN(3.70%)>NT(3.31%)，四者間無顯著差異。由圖2(b)可知：東北春玉米農田土壤溫度顯著降低2.93%(

P

<0.05)；其中：SM和NT措施分別顯著降低土壤溫度1.45%和3.05%(

P

<0.05)，二者差異不顯著。而NM顯著提高0.006% 玉米農田土壤溫度(

P

<0.05)。

圖2 4種保護性耕作措施下春玉米農田土壤含水量(a)及溫度(b)的變化Fig.2 Changes of soil water content (a) and temperature (b) in maize field under four conservation tillages

2.2 保護性耕作對玉米農田土壤水熱的影響因素分析

保護性耕作對土壤含水量和溫度影響的分亞組組內和組間異質性分析見表2。保護性耕作措施下土壤含水量在7組亞組間的差異均不顯著，部分亞組內有顯著性差異，亞組內的顯著性由大到小依次為：土壤質地>土層深度>生育期>年均氣溫>年降雨量>秸稈覆蓋量，因此需對亞組內進一步分析。保護性耕作措施下土壤溫度在7組亞組間的差異也均不顯著，僅秸稈覆蓋量亞組內有顯著性差異。因此，本研究著重研究不同秸稈覆蓋量下的土壤溫度變化及不同土壤質地、土層深度、生育期、年均氣溫、年降雨量、秸稈覆蓋量下的土壤含水量變化。

表2 保護性耕作對土壤水含量和溫度影響的亞組內和亞組間異質性檢驗
Table 2 Intra-subgroup and inter-subgroup heterogeneity test of the effect of conservation tillage on soil water content and temperature

亞組分類指標Categoricalvariables亞組Sub-group土壤含水量異質性檢驗Heterogeneity test on soilwater content土壤溫度異質性檢驗Heterogeneity test on soiltemperaturenQwjPwjQMPMnQwjPwjQMPM前期 Previous period159.310.8193.640.89生育期Growth period中期 Interim period1236.27<0.010.1400.9311 5.270.871.720.42后期 Later period3238.180.1811 1.560.99(0, 3 000] kg/hm2 44.890.1820.040.83秸稈覆蓋量Straw mulchingamount(3 000, 6 000] kg/hm2 89.230.242.9100.2330.790.671.610.45(6 000, 15 000] kg/hm2 623.96<0.0136.68<0.0530 cm 54.420.3530.010.99深松深度Subsoiling depth35 cm 20.100.760.1200.9920.200.660.030.8640 cm 30.390.82---50 cm 20.090.76---壤土 Loam soil 845.44<0.0150.920.92黏土壤質地Soil texture壤土 Clay loam soil2014.780.740.4100.8161.760.881.130.57黏土 Clay soil1327.14<0.0188.520.29[0, 30] cm3743.340.19---土層深度Soil depth(30, 100] cm 841.25<0.010.7500.69-----(100, 200] cm 81.770.97---年均氣溫MAT[0, 5] ℃1433.79<0.010.0030.9673.910.690.940.33(5, 10] ℃2127.410.1296.630.58年降雨量MAP[0, 500] mm1932.89<0.051.2100.2788.350.301.140.29(500, 1 000] mm2127.120.1310 2.010.99

注：為獨立研究數(shù)；為組內異質性;為組內異質性顯著性檢驗；為組間異質性;為組間異質性顯著性檢驗。
Note: , , , and denote the number of independent studies, the intra-subgroup heterogeneity, the intra-subgroup heterogeneity test, the inter-subgroup heterogeneity and the test of inter-subgroup heterogeneity, respectively.

2

.

2

.

1

不同秸稈覆蓋量下保護性耕作對土壤溫度的影響不同秸稈覆蓋量下保護性耕作對土壤溫度的影響如表3。由表3可知：覆蓋(0, 3 000] kg/hm秸稈量，SM、NM措施下的土壤溫度比CK顯著增加0.02%、0.02%(

P

<0.05)，兩者間無顯著性差異。覆蓋(3 000, 6 000] kg/hm秸稈量，SM、NM措施能顯著降低2.46%、0.001%土壤溫度(

P

<0.05)，兩者間無顯著性差異。覆蓋(6 000, 15 000] kg/hm秸稈量，土壤溫度在SM措施下顯著降低3.09%，而在NM措施下顯著增加0.005%(

P

<0.05)。

表3 不同秸稈覆蓋量下春玉米農田土壤溫度的相對變化率和95% CI
Table 3 Relative change rate and 95% CI of soil temperature in spring maize field under different straw mulching amount

秸稈覆蓋量/(kg/hm2)Straw mulching amount秸稈覆蓋 SM免耕+秸稈覆蓋 NM相對變化率/%Relative change rate95%置信區(qū)間95% CI相對變化率/%Relative change rate95%置信區(qū)間95% CI(0, 3 000]0.0200.0040.0200.003(3 000, 6 000]-2.4601.650-0.0010.600(6 000, 15 000]-3.1003.000-0.0050.002

2

.

2

.

2

不同影響因素下保護性耕作對土壤含水量的影響不同土壤質地下保護性耕作對土壤含水量的影響見圖3(a)?？芍喝劳临|地下，SM、NT分別能顯著增加6.30%、4.09%土壤含水量(

P

<0.05)，兩者間無顯著性差異。黏壤土質地下，SM、NT、NM、SN措施均能顯著增加土壤含水量7.60%、6.28%、9.42%、3.98%(

P

<0.05)，四者間無顯著性差異。黏土質地，土壤含水量在SM、NM、SN措施下分別顯著增加10.66%、7.16%、5.45%(

P

<0.05)，三者間無顯著性差異。整體而言，隨黏粒含量的增加，SM、NT、NM、SN措施的增濕效應逐漸增加。保護性耕作對不同土壤深度土壤含水量的影響見圖3(b)?？芍?≤

b

≤30 cm時，與CK相比SM、NT、NM、SN措施分別顯著增加7.46%、5.85%、11.86%、3.74%土壤含水量(

P

<0.05)，四者間無顯著性差異。30<

b

≤100 cm時，只有SM、SN措施能顯著增加土壤含水量，分別增加7.47%、4.18%(

P

<0.05)，兩者間無顯著性差異。100<

b

≤200 cm時，土壤含水量在SM、NT、NM、SN措施下分別顯著增加10.07%、1.82%、1.03%、4.59%(

P

<0.05)，四者間無顯著性差異。隨土壤深度的增加，SN的增濕效應變化不大，SM的增濕效應逐漸增加，NT、NM的增濕效應逐漸降低。保護性耕作對不同生育期土壤含水量的影響見圖4(c)?？芍捍河衩咨谇捌?，SM、NT、NM措施下的土壤含水量與CK相比顯著增加，分別增加7.99%、5.48%、8.13%(

P

>0.05)。春玉米生育期中期，SM、NT、SN措施分別能顯著增加8.66%、6.22%、4.12%的土壤含水量(

P

>0.05)。春玉米生育期后期，土壤含水量在SM、NM、SN措施下分別顯著提高6.65%、9.31%、4.16%(

P

>0.05)。春玉米全生育期，保護性耕作增濕效應由大到小依次為：SM、NM、NT、SN。不同年均氣溫下保護性耕作對土壤含水量的影響見圖3(d)?？芍涸?≤

d

≤5 ℃東北地區(qū)，土壤含水量在SM、NM、SN措施下顯著高于CK，分別增加11.62%、11.20%、2.87%(

P

<0.05)，且SM、NM的增濕效應顯著高于SN。在5<

d

≤10 ℃東北地區(qū)，SM、NT、NM、SN措施下的土壤含水量分別增加5.58%、10.14%、7.52%、4.61%(

P

<0.05)，四者間無顯著差異。不同年降雨量下保護性耕作對土壤含水量的影響見圖3(e)?？芍涸?≤

e

≤500 mm東北地區(qū)，SM、NM、SN措施有顯著增濕效應，分別為7.87%、5.12%、3.13%(

P

<0.05)，三者間無顯著差異。在500<

e

≤1 000 mm東北地區(qū)，SM、NT、NM、SN措施分別能顯著增加8.10%、8.83%、12.99%、5.07%的土壤含水量，四者間無顯著差異。

圖3 不同影響因素下保護性耕作對春玉米農田土壤含水量的影響Fig.3 Effects of conservation tillage on soil water content of spring maize farmland under different influencing factors

不同秸稈覆蓋量下保護性耕作對土壤含水量的影響見圖3(f)。可知：0<

f

≤3 000 kg/hm時，SM措施顯著降低0.02%土壤含水量(

P

<0.05)。3 000<

f

≤6 000 kg/hm時，SM、NM均能顯著增加土壤含水量，分別增加11.41%、5.75%，且SM的增濕效應顯著高于NM(

P

<0.05)。6 000<

f

≤15 000 kg/hm時，土壤含水量在SM措施下顯著增加16.91%(

P

<0.05)。

3 討 論

3.1 保護性耕作對東北玉米農田土壤水熱的影響

本研究表明，與傳統(tǒng)耕作模式CK相比，保護性耕作(SM、NM、SN和NT)顯著增加了東北地區(qū)玉米農田土壤含水量(5.93%，

P

<0.05)，這與已有研究在東北、內蒙古、黃土高原一年一熟區(qū)和華北一年兩熟區(qū)的保護耕作技術增加土壤水分、改善土壤結構的結論一致。保護性耕作提高土壤水分含量的主要原因包括：1)減少土壤擾動和覆蓋秸稈，能減少地面徑流、提高土壤導水率、增加降水入滲；2)有效保持土壤水分，減輕土壤水分的無效蒸發(fā)；3)顯著提高表層土壤大團聚體含量，降低微團聚體含量，提高團聚體的水穩(wěn)性，改善土壤結構。其中，NT的增濕程度較小，這可能由于長期實施NT，無土壤擾動，降雨、凍融等自然因素會導致土壤緊實性增加，從而導致容重增加、孔隙度降低，阻礙水分的傳輸。而耕作活動可改變土壤的持水和導水能力。東北地區(qū)玉米生長季內農田的土壤溫度在保護性耕作下顯著降低(

P

<0.05)，這與Samuel等的研究結果一致。SM措施降低土壤溫度主要由于地表覆蓋的秸稈在土壤表面形成了物理隔層，攔截和吸收太陽直射及地面有效輻射，阻礙了土壤與大氣間的水熱交換，形成地表和較冷(較熱)大氣之間的絕緣屏障，使得地表接受太陽輻射較少，從而降低土壤溫度。NT造成土壤溫度降低主要是因為：1)NT土壤擾動小，顯著增加土壤水分含量，水分連續(xù)均勻分布，熱傳導快、蒸發(fā)強、蒸發(fā)潛熱損耗多，以致增溫慢；2)保護性耕作土壤擾動小，土壤相對緊實，與空氣進行氣體交換較少。已有研究表明保護性耕作有高溫時降溫、低溫時增溫的調節(jié)作用，此結論主要在保護性耕作對土壤溫度的日變化研究中出現(xiàn)，而本研究主要分析保護性耕作對土壤溫度在不同生育期階段的變化，因而保護性耕作對東北地區(qū)玉米農田土壤溫度的日變化影響，還需進一步研究。

3.2 保護性耕作對土壤水熱影響因素分析

3

.

2

.

1

保護性耕作下土壤水熱在秸稈覆蓋量的差異性分析由圖2和圖3(f)可知，SM顯著降低土壤溫度(

P

<0.05)，且SM措施的增濕效應隨秸稈覆蓋量的增加而顯著增加，這與王兆偉等研究結論：秸稈覆蓋可降低土壤溫度，且調控效果與秸稈覆蓋量的多少呈正比一致。當覆蓋(3 000, 6 000] kg/hm秸稈時的SM措施的蓄水保墑效果最佳，這與分布在我國陜西和尼日利亞進行的不同秸稈覆蓋量的試驗結果一致。

3

.

2

.

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保護性耕作下土壤含水量在土壤質地、生育期、氣候要素的差異性分析

1)土壤質地。土壤質地是反映土壤物理特性的一個綜合指標，常常是決定土壤蓄水、導水、保肥、供肥、保溫、導熱、通氣及其活動等性能的主要因素之一。本研究表明，保護性耕作下土壤含水量在壤土、黏壤土和黏土質地有一定程度增加，且土壤含水量的增濕效應隨黏粒含量的增加而增大。這可能因為土壤顆粒黏粒是形成團聚體的物質基礎，保護性耕作均有留茬覆蓋且覆蓋秸稈分解后形成的腐殖質或非腐殖質與黏粒結合形成微團聚體，使土壤變得疏松透水，黏粒含量越高土壤含水量增加效應越大。土壤擾動程度越強，土壤水分蒸發(fā)速度越快。雖然SN的土壤擾動程度大于SM、NT和NM，但仍能增加土壤含水量，這是由于適當?shù)母骺筛纳聘麑拥耐寥澜Y構，調節(jié)土壤持水、導水能力，因此SN仍能增加壤土、黏壤土、黏土土壤含水量，但增濕效應小于SM、NT、NM。

2)生育期。干旱是限制東北雨養(yǎng)農業(yè)生產(chǎn)的主要氣象災害，而不同生育階段內限制程度不同，其中營養(yǎng)生長階段、營養(yǎng)生長和生殖生長并進階段、生殖生長階段的土壤水分下限分別為田間持水率的60%、75%、60%。本研究表明保護性耕作能增加玉米生長前、中、后期全生育期的土壤含水量，且各生育期土壤增濕效應在4種保護性耕作措施間(SM、NT、NM、SN)無顯著差異。因此，保護性耕作的實施能為春玉米全生育期提供更多的水分，減弱干旱對春玉米生長的影響，增強玉米防御干旱災害的能力，且實施4種保護性耕作措施中的任何一種，與CK相比都能提高農田土壤含水量，增濕效應較為一致，這也可能是生育期影響因素能顯著提高春玉米農田土壤含水量。

3)氣候要素。保護性耕作的研究，在半干旱和溫度較低的地區(qū)較為廣泛，而濕潤或半濕潤氣候的地區(qū)較少。本研究表明：在年均氣溫[0, 10] ℃及在年降雨量[0, 1 000] mm東北地區(qū)實施保護性耕作，土壤含水量均有顯著增濕效應。且東北春玉米可種植區(qū)自南向北年降水量從1 000 mm降至300 mm，從濕潤區(qū)、半濕潤區(qū)過渡到干旱區(qū)，年均氣溫從10 ℃降至到0 ℃，從暖溫帶、中溫帶過渡到寒溫帶。因此，保護性耕作可能既適用于溫暖地區(qū)、寒冷地區(qū)，也適用于干旱地區(qū)、濕潤地區(qū)，在溫暖、濕潤地區(qū)應進一步研究探討。

東北黑土地由于長期輕養(yǎng)重用的種植方式導致土壤結構性能惡化，而且隨著土壤被犁翻次數(shù)的增多，造成了土壤有機質的損失、耕層變薄、犁底層增厚，加劇表層土壤的流逝和風蝕，從而導致農田土壤退化，使玉米產(chǎn)量潛力難以發(fā)揮。因此，采取適宜的耕作措施，充分發(fā)揮生產(chǎn)潛力，是當前玉米生產(chǎn)優(yōu)質高效和可持續(xù)發(fā)展的關鍵之一。為保證數(shù)據(jù)結果準確可靠，本研究分析了4種保護性耕作措施下土壤溫度和土壤含水量較傳統(tǒng)耕作的變化及其影響因素，這些因素之間可能存在一定的交互作用，未來還需要進一步研究檢驗。保護性耕作措施的實施對東北玉米農田改善土壤結構、調節(jié)土壤水熱、應對氣候變化具有重要意義。未來將在本研究的基礎上，進一步探討保護耕作措施對玉米產(chǎn)量的可能影響，并制定保護性耕作在東北的適宜性區(qū)劃，為保護性耕作措施在區(qū)域上的推廣應用提供支撐。

4 結 論

本研究應用Meta分析研究表明，東北地區(qū)保護性耕作措施對玉米生長季內農田土壤有顯著的增濕降溫作用，總體可提升5.93%土壤含水量和降低2.93%土壤溫度。

4種保護性耕作均能顯著增加土壤含水量(

P

<0.05)，增濕效應依次為SM(7.63%)>NM(7.23%)>SN(3.70%)>NT(3.31%)。土壤溫度在SM和NT措施下分別顯著降低1.45%和3.05%(

P

<0.05)，而NM顯著提高0.006 %玉米農田土壤溫度(

P

<0.05)。

保護性耕作對土壤含水量及溫度的不同影響因素分析中，在年均氣溫[0, 10] ℃的東北春玉米可種植區(qū)實施保護性耕作，玉米全生育期土壤含水量均有增加。其中，東北春玉米在年均氣溫[0, 5] ℃的可種植區(qū)實施SM、NM，在年均氣溫[5, 10] ℃可種植區(qū)實施NT，在(0, 500] mm可種植區(qū)實施SM，在[500, 1 000] mm可種植區(qū)實施NM時，土壤含水量增濕效應最大。覆蓋(3 000, 6 000] kg/hm秸稈時，蓄水保墑效果最佳。