苟琪琪，朱永华，吕海深，崔晨韵

(河海大学水文水资源学院，南京 210098)

淮北平原地处黄淮海平原南侧，是我国重要的粮、棉、油、麻、果产区，但该区粮食产量水平低下，低产土壤约占耕地面积的60%，其中又以砂姜黑土面积最大，而该类土壤又具有结构性能差、质地黏重、干缩湿胀、易旱易涝、适耕期短等不良特性，因此已成为淮北平原玉米产量提高的主要制约因子，又由于该区经历了长期农业耕作、重型机械碾压等高强度作业，使得砂姜黑土土壤结构发生变化，犁底层加厚上移，土壤紧实度增大，土壤蒸发率增加，土壤保水性、透水性变差，严重影响了玉米的生长和产量[1]。只有通过合理的耕作措施才能改善土壤恶化的物理性状，保护性耕作是针对传统耕作进行改良的耕作技术, 有很好的节水增产效果，可用四句话来概括：秸秆覆盖、免耕播种、以松代翻、化学除草[2]。前人对保护性耕作对土壤水及作物产量的影响已进行了较深入的研究，李月兴等[3]在东北干旱区进行了玉米保护性耕作的节水和增产效应研究，结果表明保护性耕作措施可提高土壤含水率，且对地表以下0～40 cm的土壤含水率影响较明显；孔晓明等[4]研究表明深松较常规耕作能提高7.4%的0～35 cm田间持水量，增产4.3%；Xiaoguang Sang等[5]发现深松促进了土壤水分消耗和作物蒸散量；马俊等[6]在晋西北干旱区试验结果表明秸秆覆盖可提高0～10 cm土层的田间持水量。但这些研究大多集中在西北黄土高原区以及东北和华北地区，而淮北平原地区2010年才开始保护性耕作，所以目前对淮北平原保护性耕作的报道还较少[7]，且前人在研究玉米土壤含水量时大多只在各个生育期选取几天进行数据测量，试验数据仅是日尺度。本文通过在五道沟试验站对两种不同耕作方式下的玉米全生育期土壤水分进行实时监测的野外观测试验，探讨了淮北平原不同耕作方式对土壤水分的影响以及土壤含水量的实时变化过程，为当地保护性耕作技术的推广、水资源精确高效的利用以及农业生产提供了一定的理论依据和技术支持。

1 材料与方法

1.1 试验地点

试验在淮北平原五道沟水文水资源试验站进行。该试验站位于安徽省蚌埠市北25 km处的新马桥原种场境内(N33°9′，E117°21′)，海拔约20 m，属北亚热带和暖温带气候的过渡带，多年平均气温14 ℃，多年平均降水量890 mm，且降水量时空分布不均匀。试验区土壤为砂姜黑土，0～80 cm土层平均田间持水率为38.89%，凋萎含水率为21.5%，玉米一直是当地的主要农作物之一。

1.2 试验设计

本试验开始于2016年6月。试验区2015年秋天种的是花生，2016年上半年休耕，供试夏玉米品种为联创808，试验设两种保护性耕作，分别为常规耕作秸秆还田(TSI)和深松耕作秸秆还田(SSI)。常规耕作采用铧式犁翻耕一遍，作业深度15 cm，随后耙地两遍；深松耕作采用振动式深松机深松一遍，作业深度40 cm，随后耙地两遍；秸秆还田是冬小麦成熟后机械化收获的同时将冬小麦秸秆粉碎(3～5 cm)后覆盖地表还田(深度20 cm)，玉米贴茬播种，本次还田量是4 500 kg/hm2。各处理小区面积为3 m×5 m，重复两次，各处理尿素施肥40 kg，专用肥(NPK复合肥)施肥40 kg。为保证玉米的正常生长，试验设2次灌水，分别在8月12日和8月30日以手拿喷灌的方式进行灌溉，每次浇水30 mm，玉米生育期间按当地习惯进行田间管理。

夏玉米于6月23日播种，10月2日收割，共有五个生长阶段：出苗期(6月23-6月28日)、拔节期(6月28日-7月11日)、抽雄期(7月11日-8月21日)、灌浆期(8月21日-9月1日)、成熟期(9月1日-10月2日)。

1.3 测定项目与方法

在玉米生长过程中采用HOBO土壤水分测定仪分层实时测定0～80 cm土层的体积土壤含水量，每一小时读取一次数据，每20 cm为一层，共4层。收获时在每试验小区随机取样带回室内考种，测量穗长、穗周长，测定总粒数、百粒重、风干后百粒数及亩产量。

2 不同耕作方式对不同深度层土壤含水量的影响

2.1 不同耕作方式下土壤含水量的动态变化过程

不同耕作方式对土壤含水量有一定的影响，由图1可知， TSI处理方式下各深度土壤含水量波动较大而SSI处理方式下各土层深度的土壤含水量均波动较小；TSI处理方式下各深度土壤含水量由大到小依次为50 cm>70 cm>10 cm>30 cm，SSI处理方式下各深度土壤含水量由大到小为70 cm>10 cm>30 cm>50 cm，可见深松使得50 cm土壤含水量减少，这可能是由于深松可有效打破犁地层，明显提高夏玉米的根长、根深及根量[4]，从而使得50 cm土壤层耗水较多。从作物整个生育期来看，播种前常规耕作土壤含水量明显低于深松处理，这表明作为底墒水，深松能提供更充分的水分供给，更有利于作物的出苗。6月21日玉米播种后有一场大降雨，使得各层土壤水量急剧上升迅速达到饱和，但深松耕作下土壤水的峰值较小，这可能是由于深松耕作下作物出苗更快，耗水更多，同时深松降低了土壤容重，增加了土壤通透性[8]，使得降水下渗更快，所以深层土壤含水量峰值较浅层更高。之后随着玉米的生长，消耗了降雨贮蓄水量，使得各层土壤水量又急剧下降，且常规耕作较深松耕作下降的幅度更大，这说明深松地保水能力更强。8月12日和8月30日分别灌溉了30 mm，但各层土壤水并没有较大波动，说明此时土壤十分干旱，灌水都被作物生长所消耗了。从图中可看出降雨对土壤水分的变化有显著影响。

图1 不同耕作方式下土壤含水量的变化Fig.1 Changes of soil moisture under different tillage methods

2.2 不同深度层土壤含水量的动态变化过程

土壤水分在各层土壤中的含量随各层土壤性质、根系分布以及耕作方式的变化而变化。从图2可知，两种耕作方式下10、50和70 cm土层的土壤含水量变化趋势大致相同而30 cm土层的土壤含水量波动呈现较大差异，这可能是由于常规耕作时30 cm土壤层根系分布较多，所以30 cm土层在生育中期随着作物生长耗水的增加土壤水量严重下降，到了生育后期作物成熟后耗水减少土壤含水量也相应增加，同时常规耕作时降雨下渗也慢，所以土壤水含量随降雨波动较大。深松虽然降低了50 cm土壤含水量，但对10、30、70 cm土壤含水量均有不同程度的提高，土壤含水量分别提高了7.66%、8.74%和6.37%，可见深松对提高土壤含水量有明显作用。从作物整个生育期来看，两种耕作方式下生育末期的土壤含水量较播种前相比基本保持不变，所以降水量和灌溉量同作物生长的消耗、棵间蒸发量和下渗量差不多，说明降雨和灌溉是该地区夏玉米生长时期土壤供水的主要组成部分。

图2 各深度层土壤含水量的变化Fig.2 Variation of soil moisture in each depth layer

3 不同时间尺度雨后土壤含水量动态变化规律

3.1 雨后土壤含水量的日变化过程

该地区降雨对土壤水分有显著影响，雨后土壤水分的动态变化既能反应降雨入渗情况，又能反应土壤水分蒸发情况，因此选取生育期内两次大降雨后的土壤水分进行动态变化分析。表1和表2分别为2016年6月20日和6月21日玉米出苗期连续两天降雨76.1 mm前一天和后七天的土壤水分动态以及2016年7月19日和7月20日玉米抽雄期连续两天降雨47.4 mm前一天和后五天的土壤水分动态，从表1和表2可看出，两次降雨后第一天两种耕作方式下各层土壤含水量都迅速升高，接近饱和，出苗期雨后第五天土壤含水量开始下降而抽雄期雨后第三天土壤水分就已经开始减少了，这可能是因为抽雄期作物生长耗水多。由表1可得，TSI耕作方式下10和30 cm土壤含水量雨后都迅速减少，50和70 cm的土壤含水量却一直接近饱和持续不变。而SSI耕作方式下雨后各层土壤含水量都迅速减少，这可能与该地区砂姜黑土的土壤特性有关。砂姜黑土质地黏重，土壤坚实僵硬，孔隙小，通透性差，且该地区长期进行农业活动使得耕作层土壤疏松，孔隙度大而犁底层及下部土层压实紧密，孔隙度小，发育毛管孔隙[9]，而土壤中毛管水上升高度只有0.8～1 m，干旱时极易被切断，因此TSI耕作方式下50和70 cm土壤含水量无法补给上层土壤水分，无法被作物吸收而一直保持不变，而SSI耕作方式下50和70 cm土壤含水量有所减少说明深松可以改变土壤密实度，增大土壤孔隙和通透性，使得犁底层以下的土壤水分也能得以利用。观察表2发现，抽雄期雨后土壤水分变化也有类似规律。同时抽雄期雨后第三天SSI耕作方式下各层土壤含水量已恢复到雨前含水量并趋于稳定，而TSI耕作方式下雨后第五天土壤含水量才恢复，说明SSI耕作方式下作物生长更旺盛，耗水更快，这与前面的结论相一致。抽雄期雨后TSI耕作方式下土壤水分减少了4.86%而SSI耕作方式下土壤水分增加了0.65%，说明深松贮水性较好，TSI耕作方式下土壤水分蒸发量较大，所以深松耕作能减少土壤水分蒸发。

表1 玉米出苗期雨后土壤水分变化Tab.1 Soil moisture changes after rainfall in seeding stage

表2 玉米抽雄期雨后土壤水分变化Tab.2 Soil moisture changes after rainfall in tasseling stage

3.2 雨后土壤含水量的小时变化过程

上文已从日尺度分析了降雨对土壤水分的影响，为了更精确的显示降雨后土壤水分增长和消减的过程，下面将从小时尺度研究出苗期和抽雄期的两次大降雨当天以及降雨后土壤水分开始消减当天的土壤含水量动态变化。增长和消减当天的土壤含水量动态变化过程如图3和图4所示。从图3和图4可看出，同一种耕作方式下两次降雨后的土壤水分增长和消减过程大致相同，因此试验结果具有一定的普遍性和代表性。由图3可得，降雨后SSI耕作方式下的土壤含水量较TSI耕作方式先增长1～2 h，这是由于深松可以打破犁底层，降低犁底层土壤紧实度，增大土壤孔隙，使得雨水下渗较快。TSI耕作方式下10、50和70 cm土层先同时迅速增长，1 h后30 cm土壤含水量才开始增长，但很快各土层土壤含水量达到一致，约为0.45。SSI耕作方式下10 cm土壤水分先增长，1 h后50和70 cm土壤水分也开始迅速增长，而30 cm土壤含水量在两次降雨后都没有明显的增长，一直稳定在0.33左右，且增长后各层土壤含水量之间有明显差距，其中30 cm土壤含水量最小。

从图4可看出，两种耕作方式下都是10 cm土层的土壤含水量先开始下降。由图4(a)和图4(c)可见TSI耕作方式下10cm土壤含水量在晚上九点会突然减小，这可能是由于砂姜黑土中最主要的矿物质是蒙脱石[9]，而蒙脱石是胀缩极显著的胶体，降雨时蒙脱石遇水迅速膨胀，又由于犁底层蒙脱石含量较耕作层大，因此犁底层土壤迅速膨胀，使得犁底层及下部土层毛管孔隙闭合堵塞，耕作层土壤水分不能下渗，而雨过天晴后蒙脱石又干旱迅速收缩，土层毛管孔隙开启，因此10 cm土层土壤水分快速下渗。由图4(b)和图4(d)可见SSI耕作方式下10 cm土壤水分逐渐缓慢下降，可见深松能一定程度的改善砂姜黑土易涝易旱的土壤特性。两次降雨后，SSI耕作方式下土壤含水量比TSI耕作方式早1～2 d开始消退，说明SSI耕作方式下土壤水分更易被作物吸收利用。

图3 降雨当天土壤含水量动态变化Fig.3 Dynamic changes of soil moisture in rainy day

图4 雨后土壤含水量开始减少日动态变化Fig.4 Daily changes of soil moisture when it decreased

4 不同生长期土壤含水量的变化规律

土壤水分受降雨、耕作方式以及作物根系的影响明显，前文已对降雨及耕作方式对土壤水分的影响作了初步分析，但生育期不同，作物长势不同，不同耕作方式对土壤含水量也呈现出不同的影响。图5为玉米各生育期平均土壤含水量的动态变化，从图5可看出， SSI耕作方式只有在出苗期较TSI耕作方式土壤含水量低，降低了7.15%，到了拔节期，TSI耕作方式土壤含水量开始降低，以后各生育期SSI耕作方式土壤含水量都高于TSI耕作方式，这可能是因为SSI耕作方式下土壤保水性更好，各生育期分别升高了5.00%、4.47%、6.03%、4.70%，可见SSI耕作方式在拔节期和灌浆期土壤含水量提升最多，而玉米又在拔节期和灌浆期耗水量最大，因此SSI耕作方式能为玉米生长提供更充足的水分。两种耕作方式在灌浆期的土壤含水量都很稳定，TSI耕作方式土壤含水量为22.17%，SSI耕作方式土壤含水量为28.20%。抽雄期两种耕作方式土壤水分都有突变，总体又呈下降趋势，突变主要与降雨和灌溉有关，而总体呈下降趋势可能是由于玉米在拔节期耗水量较大，消耗完了降雨贮蓄水量，因此抽雄期需要底墒水来补给作物生长，土壤含水量呈下降趋势，但到了成熟期两种耕作方式土壤水分又明显上升，这是因为成熟期作物逐渐成熟，耗水量减少，所以土壤水分逐渐升高。从图5还可看出两种耕作方式的土壤含水量都在出苗期最大，灌浆期最小，这主要是因为作物生长消耗了大量土壤水分。

图5 各生育期土壤含水量的变化Fig.5 Changes of soil moisture in each growth period

5 不同耕作方式对夏玉米产量的影响

表3为两种耕作方式下玉米穗部性状和产量的比较，由表3可知，两种处理间穗列、穗行差别不大，TSI处理穗长较长，百粒含水率较大，SSI处理穗周长较大，粒数较多，百粒重较大，亩产量也大，SSI处理比TSI处理产量增加675.007 kg/hm2，增产5.70%，因此深松能明显提高玉米产量。孔晓明等[4]研究表明深松耕作主要通过使玉米根系向深处生长，有利于根系吸收水分、养分，提高子粒发育，从而为高产奠定物质基础。根据试验结果对每个性状和产量进行t检验后发现，按α=0.05的水平，两种耕作方式下玉米穗部性状并无显著性差异，而产量差异显著。

表3 不同耕作方式玉米穗部性状和产量比较Tab.3 Ear characteristics and yield of maize under different Tillage methods

6 结 语

(1)不同耕作方式对土壤含水量有一定的影响，深松耕作时土壤含水量波动较小，深松虽然降低了50 cm土壤含水量，但对10、30、70 cm土壤含水量均有不同程度的提高，土壤含水量分别提高了7.66%、8.74%和6.37%，两种耕作方式下30 cm土层的土壤含水量变化呈现较大差异。

(2)该地区降雨是土壤水分的主要补充来源，它对土壤水分变化有显著影响，虽然研究区总降雨量大，但降雨时空分布不均匀，在降雨量不足时期，还需进行灌溉补水。经过夏玉米一个生长季节的消耗，土壤含水量并没有显著减少，但降雨和灌溉贮蓄水量已消失殆尽，说明两种耕作方式下降雨和灌溉都是该地区夏玉米生长时土壤供水的主要组成部分。

(3)由于该地区砂姜黑土的土壤特性，常规耕作时雨后第七天50和70 cm的土壤含水量都接近饱和不减少，而深松耕作时50和70 cm土壤水分能补给上层土壤水分，被作物吸收利用，所以深松可以改变土壤密实度，增大土壤孔隙和通透性，使得犁底层以下的土壤水分也能得以利用。抽雄期常规耕作雨后土壤水分减少了4.86%而深松耕作雨后土壤水分增加了0.65%，所以深松贮水性较好，同时深松能减少土壤水分蒸发。

(4)从小时尺度研究发现，降雨后深松耕作的土壤含水量较常规耕作先增长1～2 h，且两种耕作方式下雨后各层土壤含水量的变化过程差异较大。研究还发现雨后土壤水增长达到饱和之后常规耕作时10 cm土壤水会在晚上突降，而深松耕作时会在一天内逐渐下降。

(5)土壤含水量在出苗期最大，灌浆期最小。除出苗期外，深松能显著提高其他生育期的土壤含水量，拔节期和灌浆期提升最多，分别提升5.00%和6.03%。玉米经过拔节期的大量耗水后，抽雄期需要土壤底墒水来补给作物生长，因此土壤含水量逐渐减少，灌浆期两种耕作方式的土壤水分都很稳定，到了成熟期随着作物耗水减少土壤含水量又逐渐升高。

(6)深松耕作时玉米穗周长较大，粒数较多，百粒重较大，较常规耕作增产34.65%。

(7)本研究结果表明不同耕作方式下土壤含水率分布的差异可能与根系深度有很大关系，在接下来的试验中还需增加根系的观测，进一步深入探究影响土壤含水率分布的因素。

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参考文献：

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