楊慶楠，高士軍，張何普，徐金忠

（1黑龍江省水利科學研究院，黑龍江省水土保持重點實驗室，哈爾濱 150070；2黑龍江大學現(xiàn)代農業(yè)與生態(tài)環(huán)境學院，哈爾濱 150080）

0 引言

黑土是世界上公認最寶貴的土壤資源，是一種有機質含量高、團粒結構好、水肥氣熱易協(xié)調，有利于農作物生長的土壤[1-2]。黑土地在長期的傳統(tǒng)農業(yè)耕作方式作用下，因過度開墾、高強度利用、用養(yǎng)失調等不合理的利用，使得水土流失持續(xù)發(fā)生，導致土壤有機質銳減，團粒結構變差，保水保肥能力減弱，黑土地不合理利用與土壤退化相互促進惡性循環(huán)。因此，保護好利用好黑土地對于筑牢祖國糧倉、端牢中國飯碗、穩(wěn)住農業(yè)基本盤具有特殊重要意義?！稏|北黑土地保護性耕作行動計劃（2020—2025年）》中明確在適宜區(qū)域全面推廣應用保護性耕作，農田季節(jié)性裸露是加劇水土流失及土壤退化的主要原因，秸稈覆蓋作為保護性耕作體系的核心技術之一，對恢復土壤團粒結構，消除土壤硬化板結，建立土壤水、肥、氣、熱協(xié)調體系具有明顯優(yōu)勢。秸稈覆蓋與土壤水熱變化息息相關，科學研究主要集中于對土壤水分、溫度、鹽分運移規(guī)律，耗水與蒸發(fā)及產量關系[3-7]，覆蓋條件、覆蓋量及覆蓋時期[8-12]等方面的研究。黑土區(qū)秸稈覆蓋技術在實際應用過程中存在降低地溫而導致作物減產的現(xiàn)實問題，研發(fā)不降低種床土溫的秸稈覆蓋關鍵保護性利用技術，是黑土地保護性耕作推廣應破解的技術難題，然而，厘清秸稈覆蓋后土壤水熱與降雨之間的變化關系將是研發(fā)關鍵技術的理論基礎。因此，本研究以秸稈覆蓋的大豆地塊為研究對象，通過對土壤水熱的定時定位監(jiān)測，了解分析在秸稈覆蓋下次降雨對土壤水分和溫度影響，以期為研發(fā)不降低種床土溫的秸稈覆蓋保護性利用技術提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗地點位于黑龍江省海倫市光榮村(47°23′N，126°51′ E)。屬漫川漫崗水蝕區(qū)，土壤類型為典型黑土，位于典型黑土區(qū)中心區(qū)域，土壤質地為黏壤土，其表層(0～20 cm)黏粒含量為35%～45%[13]，有機質含量為47.0 g/kg，0～20 cm 土壤容重1.19 g/cm3，全氮含量0.23 g/kg，全磷含量0.072 g/kg，全鉀含量1.03 g/kg，水解氮236 mg/kg，有效磷48.6 mg/kg，速效鉀305 mg/kg，pH 6.1，母質為黃土狀亞黏土，泥頁巖為第四紀河湖相沉積物[14]。中國科學院海倫農田生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學觀測研究站1965—2010年氣象數(shù)據(jù)顯示，年均降水量為543 mm，降雨集中于6—9月。年均氣溫為1.5℃，平均最低氣溫-21.8℃和最高氣溫21.7℃分別在1 月和7月[15]。

1.2 試驗設計

選取坡度為3°～5°的順坡耕地，設置秸稈覆蓋免耕處理和傳統(tǒng)耕作對照。2021 年秋收后玉米秸稈粉碎全量覆蓋，2022年春季種植作物為大豆。安裝管式多參數(shù)含水率溫度監(jiān)測儀(JING2020070701)，7—9 月監(jiān)測10、20、30、40、50、60、70、80 cm 水分含量和土壤溫度，利用外界太陽能供電系統(tǒng)，記錄時間間隔60 min。降雨數(shù)據(jù)來源于海倫黑土水土保持監(jiān)測研究站AMSII自動氣象站。

2 結果與分析

7—9 月采集10、20、30、40、50、60、70、80 cm 水分含量和土壤溫度共1931 次，共11586 個數(shù)據(jù)。對應的降雨歷時、平均雨強、I30、EI30情況見表1。

表1 次降雨各因子情況

2.1 秸稈覆蓋含水量變化情況

由圖1，秸稈覆蓋地塊20～80 cm 的土壤含水量曲線呈“幾”字形變化，即具有一段時間內含水量保持不變，突然急速下降和上升的特點，且隨著土層深度的加深，土壤含水量保持不變的時長越長。與張少良[16]和于慶峰等[17]研究結果一致，主要是秸稈覆蓋后阻滯了土壤與空氣的交換通道，大幅度降低土壤水分蒸發(fā)。30～80 cm 土層含水量呈“幾”字形變化趨勢尤為明顯。40 cm和50 cm含水量變化幅度最小，大多維持在36%～39%，且變化趨勢一致性高，急劇上升下降幅度小，呈小“幾”字形變化曲線；60 cm 和80 cm 含水量上升下降變化幅度較大，呈中“幾”字形變化曲線，80 cm含水量最高，基本保持35%～40%之間，60 cm含水量變化幅度在32%～37%之間；70 cm 含水量變化幅度可達到23%，變化非常劇烈，含水量最高接近40%，最低含水量僅為16%，低于所有土層的最低含水量，呈大“幾”字形變化曲線。20 cm 土壤含水量和30 cm 含水量相近，在32%～38%之間。10 cm 含水量呈規(guī)律性的含水量急劇上升后逐漸下降的多個重復的過程，在22%～37%之間。較大次降雨后，各層土壤含水量上升存在滯后期。

圖1 秸稈覆蓋土壤含水量變化情況

由圖2，傳統(tǒng)耕作地塊10～80 cm 的土壤含水量走勢基本一致，次降雨后，含水量快速上升，基本無滯后期，受外界氣象條件影響大于秸稈覆蓋，隨著時間推移含水量逐漸降低。傳統(tǒng)耕作含水量稍低于秸稈覆蓋，與楊成存等[18]研究結果一致。80 cm 含水量一直保持最高，多數(shù)處于36%～40%；其次是40～60 cm含水量較高，且數(shù)值為接近，基本維持在32%～39%；再次是70 cm 含水量，可達30%～36%；10～30 cm 含水量較為接近。20～80 cm土壤含水量，除在降雨時的大幅度變化，其他時段變化幅度較小，10 cm含水量相對波動較大。40～80 cm 含水量下降后達到一個基本穩(wěn)定的水平，10～30 cm含水量會持續(xù)性波動下降。

圖2 傳統(tǒng)耕作土壤含水量變化情況

10～50 cm秸稈覆蓋含水量基本高于傳統(tǒng)耕作，降雨時秸稈覆蓋和傳統(tǒng)耕作含水量差距小，秸稈覆蓋地表后減少了土壤水分的蒸發(fā)，起到蓄水保水的作用，降雨對裸露地表含水量進行了補充，其中秸稈覆蓋10 cm土層含水量大部分高于傳統(tǒng)耕作，秸稈覆蓋20～50 cm 土層含水量均高于傳統(tǒng)耕作。秸稈覆蓋60、80 cm 土層含水量降雨時低于傳統(tǒng)耕作，其他時間高于傳統(tǒng)耕作，主要是由于傳統(tǒng)耕作地塊無秸稈蓄水保水作用，徑流直接滲透至深層土壤。

2.2 秸稈覆蓋溫度變化情況

由圖3，秸稈覆蓋地塊在8 月7 日前，土壤溫度隨著土層深度的加深，溫度逐漸降低；越接近地表，土壤溫度浮動變化越劇烈，因為受空氣溫度的影響越大，40～80 cm 土層溫度浮動很小，相鄰土層溫度差1℃左右；10 cm 土壤溫度在34.25～17.56℃，20 cm 土壤溫度在28.06～19.63℃，30 cm 土壤溫度在26.94～20.25℃，40 cm 土壤溫度在26.69～20.00℃，50 cm 土壤溫度在27.81～19.69℃，60 cm 土壤溫度在26.56～19.06℃，70 cm 土壤溫度在26.69～18.25℃，80 cm 土壤溫度在25.06～17.44℃，20～80 cm 相鄰土層同一時間溫度差在0～1℃，10 cm和20 cm土壤溫度差在2～6℃。40～80 cm土層溫度8月7號后差距不足1℃，且隨著時間推移溫度變化非常小，8 月22 號后各土壤溫度幾乎一致；10～30 cm土層，越接近地表，浮動越大。

圖3 秸稈覆蓋土壤溫度變化情況

由圖4，8 月7 日前，傳統(tǒng)耕作地塊10 cm 溫度在33.19～17.88℃，最高和最低溫度略低于秸稈覆蓋地塊1℃；20 cm 溫度在25.88～19.19℃，30 cm 溫度在23.19～19.44℃，40 cm 溫度在22.31～19.31℃，50 cm 溫度在21.94～18.88℃，60 cm 溫度在21.19～18.25℃，70 cm 溫度在20.19～17.50℃，80 cm 溫度在20.25～17.81℃，30～80 cm 相鄰土層同一時間溫度差在0～1℃，10 cm 和20 cm 溫度差在1～7℃。傳統(tǒng)耕作各土層土壤溫度均低于秸稈覆蓋處理，說明秸稈覆蓋后，可以提供保溫效果。8月7日后，40～80 cm土層溫度較8月7日前差距減小，但其差距仍然大于秸稈覆蓋處理，且隨著時間推移溫度變化非常?。?0～30 cm土層，越接近地表，浮動越大。

圖4 傳統(tǒng)耕作土壤溫度變化情況

秸稈覆蓋和傳統(tǒng)耕作10 cm 土壤溫度變化均很大；秸稈覆蓋20～70 cm 土壤溫度高于傳統(tǒng)耕作，其中50～70 cm 秸稈覆蓋土壤溫度高于傳統(tǒng)耕作差較大，20～40 cm及80 cm土壤溫度差相對較小。

3 結論與討論

在傳統(tǒng)耕作中，土壤水分蒸發(fā)界面為空氣—土壤界面，在土壤含水量較高的情況下，地表附近的土層因太陽輻射汽化蒸發(fā)，使得地表土壤水分減少，水勢降低，在毛管作用下，土壤深處的水會從高水勢向低水勢移動，形成土壤水分會從下層向上傳導至土壤表面，再汽化蒸發(fā)的連續(xù)過程[19]。當土壤表面覆蓋秸稈后，蒸發(fā)界面就由空氣—土壤界面變?yōu)榱丝諝?覆蓋層界面，外界熱量不會直接達到土壤表面，有效減緩了土表附近水分蒸發(fā)速率。與此同時秸稈覆蓋也可以有效的阻止地表溫度快速散失[20]，這個保溫效果甚至可以影響到較深的土層，對土壤保溫保墑起到了積極效果。

（1）本試驗發(fā)現(xiàn)，對照傳統(tǒng)耕作，次降雨后秸稈覆蓋的土壤含水量變化存在一個滯后期，各層土壤可以在一段時間內保持高含水量，且隨著深度的增加，保持高含水量的時間有所增加。這說明秸稈覆蓋對土壤有很好的蓄水保墑效果，且隨著土壤深度的增加，保墑效果也會越來越好。

（2）秸稈覆蓋后，各土層土壤溫度高于傳統(tǒng)耕作的土壤溫度；8月起，秸稈覆蓋后各土層土壤溫度的差距小于傳統(tǒng)耕作的地塊。秸稈覆蓋地塊與傳統(tǒng)耕作溫度變化趨勢基本一致，隨著土層深度的加深，土壤溫度逐漸降低，但秸稈覆蓋后土壤溫度浮動幅度小于傳統(tǒng)耕作。