耕作深度及秸稈還田對(duì)農(nóng)田黑土土壤供水能力及作物產(chǎn)量的影響

鄒文秀，陸欣春，韓曉增，王鳳仙

(1.中國科學(xué)院 東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所 黑土區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，海倫農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)國家野外觀測(cè)研究站，黑龍江 哈爾濱 150081；2.黑龍江省林甸縣農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心，黑龍江 林甸 166300)

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耕作深度及秸稈還田對(duì)農(nóng)田黑土土壤供水能力及作物產(chǎn)量的影響

鄒文秀1，陸欣春1，韓曉增1，王鳳仙2

(1.中國科學(xué)院 東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所 黑土區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，海倫農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)國家野外觀測(cè)研究站，黑龍江 哈爾濱 150081；2.黑龍江省林甸縣農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心，黑龍江 林甸 166300)

黑土是我國重要的農(nóng)田土壤，耕作深度和秸稈還田是影響黑土生產(chǎn)力的重要因素。此研究利用一個(gè)三年的田間試驗(yàn)，分析了耕作深度和秸稈還田深度對(duì)玉米和大豆產(chǎn)量的影響，并探討了其影響機(jī)制。試驗(yàn)采用裂區(qū)設(shè)計(jì)，主處理包括淺耕0～15 cm(D15)，中淺耕0～20 cm(D20)，深耕0～35 cm(D35)和深耕0～50 cm(D50)，副處理對(duì)照和秸稈還田(+S)。結(jié)果表明增加耕作深度能夠增加玉米和大豆的產(chǎn)量，并在D35處理達(dá)到了最大值，分別為8 999 kg·hm-2和2 424 kg·hm-2，說明耕作深度是影響作物產(chǎn)量的一個(gè)重要因子。每個(gè)耕作深度又裂區(qū)為是否秸稈還田，即增加了D15+S，D20+S，D35+S，D50+S處理，與非秸稈還田處理相比，當(dāng)秸稈還田深度≤ 20 cm時(shí)，作物產(chǎn)量降低了10.62%～16.81%，而當(dāng)還田深度≥ 35 cm時(shí)，作物產(chǎn)量提高了2.25%～7.29%，說明秸稈還田深度是影響秸稈還田效果的重要因素，D35+S處理作物的產(chǎn)量達(dá)到了最大值。與D15+S相比，D20+S，D35+S，D50+S，0～15 cm土層土壤含水量增加了7.81%～12.63%，作物的出苗率增加了11.42%～16.94%，土壤的供水量增加6.71%～10.43%，其中D35+S的效果最佳，說明上述因素是能夠調(diào)控秸稈還田效果；雖然D50+S也能夠增加作物產(chǎn)量，但是增加了作業(yè)成本，同時(shí)不利于保水。因此，在典型黑土區(qū)為了提高糧食產(chǎn)量，提高大氣降水的利用效率，推薦的耕作深度是0 ～35 cm配以全層秸稈深混還田。圖3，表3，參30。

耕作深度；作物產(chǎn)量；土壤供水能力；秸稈深混還田；農(nóng)田黑土

0　前　言

土壤是陸地表層能夠生長植物的疏松表層[1]，其能生長植物的基本條件是具有植物生長需要的養(yǎng)分和供水、氣、熱交換的物理?xiàng)l件[2]。在自然土壤中，通過植物、微生物和動(dòng)物與土壤的不斷的相互作用，形成了土壤團(tuán)聚結(jié)構(gòu)，構(gòu)成了適合植物生長的大小不等的孔隙，控制著水、氣、熱的交換和根系生長[3]。自然土壤開墾后，受人類活動(dòng)尤其是機(jī)械的壓實(shí)，破壞了土壤團(tuán)聚結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致土壤孔隙惡化，限制了土壤中的水、氣和熱傳導(dǎo)[4]。在粘重土壤條件下，會(huì)出現(xiàn)滯水、厭氧和土壤熱量傳導(dǎo)不暢而產(chǎn)生的低溫冷涼，減小根系生長空間[5]。迫使人類不得不采用機(jī)械進(jìn)行疏松耕作，通過干擾增加土壤孔隙，調(diào)節(jié)土壤中的固體、液體和氣體的3項(xiàng)比例，改善耕層土壤的物理、化學(xué)和生物學(xué)性質(zhì)，協(xié)調(diào)土壤中水、肥、氣和熱之間的關(guān)系，促進(jìn)作物的生長，進(jìn)而增加土壤生產(chǎn)力[6]。但是由于缺乏合理的耕作深度、頻度和強(qiáng)度等指標(biāo)，耕作便導(dǎo)致土壤物理結(jié)構(gòu)進(jìn)一步破壞，同時(shí)也促使了土壤有機(jī)質(zhì)快速氧化，土壤肥力下降。在很多的情況下，農(nóng)業(yè)耕作實(shí)踐能夠?qū)е峦寥牢锢硇再|(zhì)的惡化，改變土壤的水量平衡[7-8]。以黑土為例，自然黑土被開墾為農(nóng)田后由于不合理的耕作導(dǎo)致儲(chǔ)水量減少了17.6%～30.8%，0～100 cm土層碳庫儲(chǔ)量減少了23.71%，土壤肥力下降[9]。同時(shí)由于小型拖拉機(jī)和牛馬犁耕作使農(nóng)田耕作層變淺，化肥和農(nóng)藥使用量加大，引起土壤板結(jié)、堆密度增大及孔隙度減少等物理性狀惡化。與開墾初期相比，開墾40年的黑土，土壤堆密度由0.79 g·cm-3增加到1.06 g·cm-3，總孔隙度由69.7%下降到58.9%，田間持水量由57.7%下降到41.9%，開墾80年后，3項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)一步惡化，分別是1.26 g·cm-3，52.5%和26.69%，土壤質(zhì)量退化嚴(yán)重[10]。

關(guān)于旱地耕作層深淺對(duì)作物產(chǎn)量影響的已有報(bào)道[11-13]。但是在我國東北黑土區(qū)系統(tǒng)研究土壤耕作深度和秸稈還田條件下對(duì)玉米、大豆產(chǎn)量的影響及其對(duì)土壤水分的影響機(jī)制未見報(bào)道。文章通過3年耕作深度試驗(yàn)和秸稈還田條件下的不同深度試驗(yàn)，試圖篩選出最佳的耕作深度，旨在為建立合理耕作制提供理論支撐。

1　材料與方法

1.1試驗(yàn)概況

試驗(yàn)設(shè)置于中國東北黑土區(qū)中心地帶，行政隸屬于黑龍江省海倫市勝利村。研究屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候，冬季寒冷干燥，夏季高溫多雨，雨熱同季，年均氣溫1.5℃，極端最高氣溫37℃，極端最低氣溫-39.5℃，近50年降水的平均值為550 mm，主要集中在7月-9月份，年均有效積溫2 450℃，年均日照時(shí)數(shù)2 600 h～2 800 h，年無霜期125 d。土壤類型為中厚層黑土，是在第四紀(jì)形成的黃土狀母質(zhì)上發(fā)育起來的地帶性土壤，質(zhì)地以粘土為主，土壤固相和液相比>50%，土壤膨脹性>25%，土體結(jié)構(gòu)致密。

1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)始于2008年10月份，試驗(yàn)地全部是玉米茬口，秋季收獲后整地至待播狀態(tài)。2009年5月開始播種。主區(qū)試驗(yàn)設(shè)置為不同耕作深度包括免耕(D0)、淺耕15 cm(D15)、中淺耕20 cm(D20)、深耕35 cm(D35)、深耕50 cm(D50)。在每個(gè)耕作深度主區(qū)試驗(yàn)中設(shè)置裂區(qū)，分為秸稈還田與沒有秸稈還田，即淺耕+秸稈(D15+S)、中淺耕+秸稈(D20+S)、深耕+秸稈(D35+S和D50+S)，其中每個(gè)處理均種植大豆和玉米，所以合計(jì)18個(gè)處理，每個(gè)處理3次重復(fù)。大豆和玉米均采用連作的種植模式，連作周期為3年。每年秋季結(jié)合秋整地進(jìn)行玉米秸稈還田，按照當(dāng)?shù)亟斩捚骄?0 000 kg·hm-2的秸稈量還田，秸稈長度均小于5 cm。在作物生育期內(nèi)進(jìn)行3次中耕耕作。

1.3測(cè)定目標(biāo)及分析方法

土壤含水量的測(cè)定：在2009年、2010年和2011年春季播種前和作物收獲后用土鉆在每個(gè)小區(qū)的中央取土，測(cè)定土壤含水量，取樣深度為200 cm，取樣間隔為20 cm。在春季干旱的2009年，利用烘干法測(cè)定土壤0～15 cm土層的土壤。選擇2011年6月11日-6月30日時(shí)段內(nèi)0～35 cm土層內(nèi)土壤含水量的變化分析土壤供水能力。

大豆和玉米產(chǎn)量的測(cè)定依據(jù)參考文獻(xiàn)[14]，土壤水分利用效率依據(jù)參考文獻(xiàn)[15]中方法進(jìn)行計(jì)算。

1.4統(tǒng)計(jì)分析方法

數(shù)據(jù)用SPSS13.0進(jìn)行方差分析，采用Sigmaplot 10.0進(jìn)行作圖。試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)均為3次重復(fù)的平均值，誤差線用標(biāo)準(zhǔn)差表示。所有的差異顯著性分析均采用新復(fù)極差發(fā)(SSR)在p< 0.05水平上進(jìn)行檢驗(yàn)。

2　結(jié)果與分析

2.1不同耕作深度對(duì)作物產(chǎn)量的影響

耕作深度具有調(diào)節(jié)土壤環(huán)境和作物生長發(fā)育的功能，通過耕作協(xié)調(diào)水、肥、氣和熱，供給作物生長發(fā)育需要[16]。適宜的耕作深度很重要，耕作過深容易造成土壤漏水漏肥，過淺易造成土壤蒸散量加大而導(dǎo)致干旱，根據(jù)土壤剖面特征，篩選適宜的耕作深度，是增產(chǎn)的保證。

2.1.1對(duì)玉米產(chǎn)量的影響。玉米產(chǎn)量對(duì)土壤不同耕作層深度響應(yīng)是不同的，見圖1。免耕顯著減少了玉米產(chǎn)量(p<0.05)，3年平均值為5 943 kg·hm-2，與耕作土壤相比減少了23.14%。耕作能夠增加玉米的產(chǎn)量，與免耕(D0)相比，D15，D20，D35和D50玉米產(chǎn)量分別顯著增加了12.75%，36.55%，51.43%和27.59%(p<0.05)。從圖1可以得出玉米產(chǎn)量并沒有隨著耕作深度的增加而增加，而是在耕作深度為35 cm時(shí)達(dá)到了最大值，說明0～35 cm的耕作層是最有利于玉米生長發(fā)育和產(chǎn)量形成的耕層厚度。秸稈還田深度是影響玉米產(chǎn)量的主要因素，當(dāng)分別向0～15 cm、0～20 cm、0～35 cm和0～50 cm耕作層中施入相同質(zhì)量的秸稈后玉米產(chǎn)量又發(fā)生了不同的變化，在D35+S處理中玉米的產(chǎn)量是達(dá)到了最大值，為9 655 kg·hm-2，與D15+S，D20+S和D50+S相比，產(chǎn)量分別增加了71.91%、33.11%和24.53%，說明相同質(zhì)量的秸稈施入不同厚度的耕層中，由于秸稈與土壤的比例不同導(dǎo)致對(duì)玉米產(chǎn)量產(chǎn)生了不同的影響，見圖1。當(dāng)分析同一耕層深度秸稈還田與否對(duì)玉米產(chǎn)量的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)秸稈還田深度<20 cm時(shí)，對(duì)玉米產(chǎn)量有負(fù)的影響，即顯著降低了玉米產(chǎn)量(p<0.05)，與D15和D20處理相比，D15+S和D20+S處理玉米產(chǎn)量分別降低了16.81%和10.62%；當(dāng)秸稈還田深度>35 cm時(shí)，對(duì)玉米產(chǎn)量有正的影響，即顯著增加了玉米產(chǎn)量(p<0.05)，與D35和D50處理相比，D35+S和D50+S處理玉米產(chǎn)量分別增加了7.29%和2.25%。所以，在中厚層黑土上，對(duì)于玉米產(chǎn)量來說最佳耕層深度為0～35 cm，而最佳的秸稈還田深度為0～35 cm和0～50 cm，但是考慮到機(jī)械等方面因素的影響，秸稈進(jìn)入0～35 cm耕層厚度是最佳的選擇。

2.1.2對(duì)大豆產(chǎn)量的影響。大豆產(chǎn)量對(duì)不同耕層深度的響應(yīng)與玉米一致，見圖2。免耕顯著減少了大豆的產(chǎn)量(p<0.05)，3年平均值為2 147 kg·hm-2，與耕作土壤相比減少了7.29%。耕作能夠增加大豆的產(chǎn)量，與免耕(D0)相比，D15，D20，D35和D50大豆產(chǎn)量分別顯著增加了2.76%，6.98%，12.88%和8.50%(p<0.05)。從圖2可以得出大豆產(chǎn)量并沒有隨著耕作深度的增加而增加，而是在耕作深度為35 cm時(shí)達(dá)到了最大值，說明0～35 cm的耕作層是最有利于大豆生長發(fā)育和產(chǎn)量形成的耕層厚度。秸稈還田深度是影響玉米產(chǎn)量的主要因素，當(dāng)分別向0～15 cm、0～20 cm、0～35 cm和0～50 cm耕作層中施入相同質(zhì)量的秸稈后大豆產(chǎn)量又發(fā)生了不同的變化，在D35+S處理中大豆的產(chǎn)量是達(dá)到了最大值，為2 689 kg·hm-2，與D15+S，D20+S和D50+S相比，產(chǎn)量分別增加了39.89%、26.36%和14.63%，說明相同質(zhì)量的秸稈施入不同厚度的耕層中，由于秸稈與土壤的比例不同導(dǎo)致對(duì)大豆產(chǎn)量產(chǎn)生了不同的影響，見圖2。當(dāng)分析同一耕層深度秸稈還田與否對(duì)大豆產(chǎn)量的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)秸稈還田深度< 20 cm時(shí)，對(duì)大豆產(chǎn)量有負(fù)的影響，即顯著降低了大豆產(chǎn)量(p<0.05)，與D15和D20處理相比，D15+S和D20+S處理大豆產(chǎn)量分別降低了12.86%和7.33%；當(dāng)秸稈還田深度>35 cm時(shí)，對(duì)大豆產(chǎn)量有正的影響，即顯著增加了大豆產(chǎn)量(p<0.05)，與D35和D50處理相比，D35+S和D50+S處理玉米產(chǎn)量分別增加了10.97%和0.72%。所以，在中厚層黑土上，對(duì)于大豆來說最佳耕層深度為0～35 cm，而最佳的秸稈還田深度為0～35 cm和0～50 cm，但是考慮到機(jī)械等方面因素的影響，秸稈進(jìn)入0～35 cm耕層厚度是最佳的選擇。

圖1　不同耕作深度和秸稈還田對(duì)玉米產(chǎn)量的影響Fig.1　The combination of cultivation depth and straw incorporation impacted on maize yield

圖2　不同耕作深度和秸稈還田對(duì)大豆產(chǎn)量的影響Fig.2　The combination of cultivation depth and straw incorporation impacted on soybean yield

2.2不同耕作深度對(duì)土壤蓄水供水能力的影響

2.2.1春季干旱條件下土壤含水特征及其保苗狀況。春季土壤含水量對(duì)作物出苗的影響是至關(guān)重要的，尤其是對(duì)作物種床0～15 cm土層的土壤含水量[16-17]。不同耕作深度對(duì)春季0 ～ 15 cm土層土壤含水量的影響表現(xiàn)為D35>D0>D50>D20>D15，見表1。東北地區(qū)春季風(fēng)比較大，是影響表層土壤含水量的重要因素[18]。不同的耕作深度導(dǎo)致土壤孔隙度發(fā)生變化，進(jìn)而在風(fēng)力和溫度的影響下，對(duì)土壤含水量產(chǎn)生一定的影響[16,19]。眾所周知免耕的土壤未經(jīng)耕作，土壤孔隙度小，土壤水分蒸發(fā)慢，進(jìn)而表層土壤含水量較高，而當(dāng)土壤進(jìn)行耕作后，增加了土壤孔隙，進(jìn)而增加了土壤蒸發(fā)，降低了表層(0～15 cm)土壤含水量，與D0相比，D15和D20 處理0～15 cm土層土壤儲(chǔ)水量分別減少了6.54%和5.75%。但是當(dāng)耕作深度為0～35 cm(D35)和0～50 cm (D50)時(shí)，雖然在同一氣候條件下，但是由于打破了犁底層，同時(shí)處理土壤為凍層融化的時(shí)期，0～15 cm土層能夠接收來自15 cm以下土層向上傳導(dǎo)的水分，因此土壤含水量顯著高于D15和D20，與D15和D20處理的平均值相比分別增加了11.82%和5.90%。秸稈還田亦是影響土壤含水量的重要因素，對(duì)于不同的耕作深度，秸稈還田后0～15 cm土層土壤儲(chǔ)水量均表現(xiàn)為減小，成對(duì)T檢驗(yàn)結(jié)果顯示僅D15與D15+S，D20與D20+S處理之間0～15 cm土層土壤儲(chǔ)水量的差異達(dá)到了顯著水平(p<0.05)，說明雖然耕作深度為0～35 cm和0～50 cm的處理在秸稈還田后0～15 cm土層土壤儲(chǔ)水量也減少了，但是不顯著。秸稈不同還田深度對(duì)0～15 cm土層土壤儲(chǔ)水量的影響表現(xiàn)為D35+S顯著高于其他處理(p<0.05)，秸稈還田深度最淺的D15+S處理0～15 cm土層土壤儲(chǔ)水量最小。

不同耕作深度對(duì)玉米和大豆出苗率沒有顯著的影響，但是表現(xiàn)出來一定趨勢(shì)，即免耕處理大豆和玉米的出苗率均表現(xiàn)為最低，分別為97.44%和95.40%，而耕作深度為0 ～ 35 cm的處理大豆和玉米的出苗率略高于其他的處理，分別為95.94%和97.87%，見表1。不同耕作深度下秸稈還田后大豆和玉米的出苗率均表現(xiàn)為降低，T檢驗(yàn)顯示當(dāng)耕作深度< 20 cm時(shí)，秸稈還田后大豆和玉米的出苗率顯著降低，而當(dāng)耕作深度>35 cm時(shí)，秸稈還田對(duì)玉米和大豆出苗率則沒有顯著的影響(結(jié)果未列出)。同樣在秸稈還田條件下，秸稈還田深度是影響玉米和大豆出苗率的重要因素。隨著秸稈還田深度的增加，玉米和大豆的出苗率表現(xiàn)為增加，與D15+S相比，D20+S，D35+S和D50+S玉米的出苗率分別增加了7.04%、14.54%和13.10%，大豆的出苗率分別增加了6.26%、4.45%和5.26%。

表1　不同耕作深度對(duì)出苗時(shí)土壤含水量及大豆和玉米出苗率的影響

2.2.2典型降水過程中土壤蓄水供水能力的變化過程。耕作是影響土壤含水量的重要因素[20]。2011年6月11日前經(jīng)歷累計(jì)80.2 mm降水后不同耕作深度對(duì)0 ～ 35 cm土層土壤儲(chǔ)水量的影響，見表2。免耕能夠增加土壤儲(chǔ)水量已經(jīng)被廣泛報(bào)道[21]，此研究得出了相似的結(jié)果，與D0處理相比，淺耕(D15和D20)處理的0～35 cm土層土壤儲(chǔ)水量在6月11日分別降低了3.43%和1.31%，而深耕與D0相比則增加了0～35 cm土層的土壤儲(chǔ)水量，D35和D50分別增加了5.00%和3.29%，說明增加耕層深度能夠增加黑土對(duì)大氣降水的蓄積能力。與僅耕作土壤相比，在淺耕的情況下，秸稈還田降低了6月11日0～35 cm土層土壤的儲(chǔ)水量，與D15和D20相比，D15+ S和20+S的土壤儲(chǔ)水量分別降低了6.38%和3.35%；而當(dāng)耕作深度>35 cm后秸稈還田則能夠增加土壤儲(chǔ)水量，與D35和D50相比，D35+S和D50+S土壤儲(chǔ)水量分別增加了6.67%和1.27%，說明秸稈還田對(duì)土壤儲(chǔ)水量的影響取決于秸稈還田深度。經(jīng)歷了29天沒有降水的條件下不同耕作深度處理0～35 cm土層土壤儲(chǔ)水量均顯著下降，在忽略水分在35 cm土層界面的上下傳導(dǎo)的條件下，定義損失的水分為土壤的供水量，即0～35 cm土層中供給作物吸收利用的水分總和。從表2分析得出隨著耕作深度的增加0～35 cm土層土壤儲(chǔ)水量有增加的趨勢(shì)在耕作深度為35 cm時(shí)土壤的儲(chǔ)水量達(dá)到了最大值，與其他處理相比增加了1.65%～8.73%。與耕作處理相比，秸稈還田后0～35 cm土層土壤供水量增加了0.90%～5.82%，其中秸稈還田深度為35 cm 時(shí)土壤的供水量達(dá)到最大值。

2.3大氣降水利用效率

本研究將三年大豆和玉米的水分利用效率進(jìn)行了平均后得到圖3。不同耕作深度對(duì)玉米的水分利用效率在11.78 kg·(hm2·mm)-1～13.94 kg·(hm2·mm)-1之間，大豆的水分利用效率在3.49 kg·(hm2·mm)-1～5.73 kg·(hm2·mm)-1，兩者不同處理間均表現(xiàn)為D35>D50>D20>D15>D0，說明耕作深度通過影響產(chǎn)量和土壤供水量進(jìn)而調(diào)控了大豆和玉米的水分利用效率。與僅耕作土壤相比，土壤耕作配合秸稈還田對(duì)大豆和玉米水分利用效率的影響決定于秸稈還田的深度，當(dāng)秸稈還田深<20 cm時(shí)，秸稈還田降低了大豆和玉米的水分利用效率，降低了2.25%～7.07%；而當(dāng)秸稈還田深度>35 cm時(shí)，秸稈還田則增加了大豆和玉米的水分利用效率，增加了4.23%～6.05%。大豆和玉米的水分利用效率均表現(xiàn)為隨著秸稈還田深度的增加而增加，在D35+S時(shí)達(dá)到了最大值。

表2　不同耕作深度對(duì)0～35 cm土層土壤蓄水和供水能力的影響

圖3　不同耕作深度對(duì)大豆和玉米水分利用效率的影響Fig.3　The impact of cultivation depth and straw incorporation on water use efficiency of maize and soybean注：小寫字母表示僅耕作深度處理在p<0.05水平上的差異顯著性， 小寫字母*表示耕作深度+秸稈還田處理在p<0.05水平上的差異顯著性分析Note:Low cases indicate that difference significance on p<0.05 level among cultivation depth treatments, Low cases added * indicate difference significance on p<0.05 level among straw incorporation treatments

4　討論

4.1大豆和玉米產(chǎn)量的變化

4.1.1大豆和玉米產(chǎn)量年際間的變化。在同一耕作深度下作物產(chǎn)量年際間的差異主要受氣候條件和病蟲草害等的影響[22-23]。在病蟲草害得到有效防治的情況下，有效降水量及分布是影響作物產(chǎn)量的重要因素之一[24]。以往的研究分析全年降雨量與作物產(chǎn)量的關(guān)系時(shí)，關(guān)注的是作物生長年內(nèi)從1月-12月份的降水量[25]，但是在研究區(qū)域內(nèi)作物的生長季為5月-9月，作物可以利用的當(dāng)年的降水來自1月-9月份，10月-12月份的降水則不能被作物利用，而是貯存在土壤中供給下一季作物利用。因此，本研究定義了有效降水量，即為上一季10月-12月份的降水和當(dāng)季1月-9月份降水的和。在此，我們分析了有效降水量與作物產(chǎn)量的關(guān)系，見表3。根據(jù)韓曉增和鄒文秀等對(duì)研究區(qū)域內(nèi)降水分布特征的分析[26-27]，可以得出2009年和2010年在劃分標(biāo)準(zhǔn)上均屬于枯水年，而2011年屬于平水年。2011年大豆和玉米的各處理平均產(chǎn)量均分別比2009年增加了8.29%和10.33%，比2010年增加了4.85%和11.39%，證明了有效降水總量是影響作物年際間產(chǎn)量差異的重要因素。在降水總量相近的2009年和2010年產(chǎn)量之間的差異是由年內(nèi)降水量分布與不同耕作深度和秸稈還田導(dǎo)致的。2009年降水的特點(diǎn)是全年降水的61.23%發(fā)生在6月份，導(dǎo)致在作物需水關(guān)鍵的7月份和8月份降水較少，雖然2010年降水與2009年相似，但是2010年降水分布與近50年降水平均值的分布相一致(表未列出)。在耕作深度<20 cm時(shí)，由于耕層較薄，導(dǎo)致在2009年內(nèi)出現(xiàn)降水分布不均時(shí)，對(duì)土壤水分的調(diào)節(jié)能力低，顯著降低了大豆和玉米的產(chǎn)量(表3)，而在降水分布符合作物生長發(fā)育需求的2010年大豆和玉米的產(chǎn)量均顯著高于2009。而當(dāng)耕作深度>35 cm時(shí)，雖然能夠增加土壤對(duì)水分的調(diào)節(jié)能力(表2)，但是由于深翻的過程中將20 cm以下的未熟化的土壤混入了0～35 cm或者0～50 cm(D35和D50)耕層導(dǎo)致作物的產(chǎn)量仍然表現(xiàn)為下降的趨勢(shì)，隨著20 cm以下土壤的逐漸熟化，作物產(chǎn)量大幅度提高。

表3　不同耕作深度和秸稈還田對(duì)2009-2011年大豆和玉米產(chǎn)量的影響(kg·hm-2)

4.1.2耕作深度效應(yīng)。耕作層是人類為了栽培作物，利用工具對(duì)土壤進(jìn)行擾動(dòng)的深度層。耕作層的結(jié)構(gòu)和厚度決定了作物的生存環(huán)境及養(yǎng)分和水分的供給。隨著機(jī)械的發(fā)展，耕作層的厚度能夠從幾厘米到數(shù)米，但是適宜的土壤耕層深度，應(yīng)根據(jù)作物根系生長發(fā)育分布空間和土層儲(chǔ)水能力以及土壤類型而定[15]。在典型中厚層粘壤質(zhì)黑土上，不同耕作深度對(duì)大豆和玉米的產(chǎn)量的影響并沒有隨著耕作深度的增加而一直增加(圖1和圖2)，而在兩者均在耕作深度為0～35 cm時(shí)達(dá)到了最大值，分別為2 424 kg·hm-2和8 999 kg·hm-2，當(dāng)耕作深度達(dá)到50 cm時(shí)，雖然與淺耕相比(耕作深度<20 cm)，也表現(xiàn)為增加，但是增加幅度減小；此研究結(jié)果與陳恩鳳等的研究結(jié)果相一致[11]，其研究表明耕作深度33 cm時(shí)小麥的增產(chǎn)效果最顯著，當(dāng)耕作深度為33 cm～48 cm時(shí)仍然表現(xiàn)為增產(chǎn)，但增產(chǎn)幅度開始降低，當(dāng)耕作深度大于48 cm后增產(chǎn)效果逐漸減少了。增加耕作深度即增加耕作層厚度能夠打破犁底層，疏松耕層土壤，降低土壤的容重，增加孔隙度，增加土壤的蓄水、保墑能力，為作物根系創(chuàng)造疏松深厚的土壤環(huán)境[26]，進(jìn)而增加了作物的產(chǎn)量。同時(shí)增加耕作深度、打破犁底層后，增強(qiáng)了接納大氣降水的能力，減少了地表徑流的發(fā)生，擴(kuò)大了土壤水分庫容，進(jìn)而提高了水分利用效率[16]。作物通過根系吸收和利用土壤中的水分與養(yǎng)分，大豆和玉米的根系密集地分布于耕作層，為作物的生長提供水分和養(yǎng)分[15]。但是當(dāng)耕作深度<20 cm時(shí)，由于犁底層等障礙性層次的存在，減小了耕作層的深度，限制了作物根系生長發(fā)育的空間[28]，梁金鳳等的研究表明增加耕作深度，可打破犁底層，促進(jìn)了玉米根系向深處生長，有利于根系吸收水分、養(yǎng)分，為高產(chǎn)奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)；并隨著耕深增加，玉米根重密度及根長密度越大，與淺耕相比(耕作深度<20 cm)，深耕后玉米的根重密度增加了26.4%和40.9%，促進(jìn)了作物對(duì)水分和養(yǎng)分的吸收，增加了產(chǎn)量和水分利用效率[29]。增加土壤耕作深度的同時(shí)，向相應(yīng)的耕作層中施入一定量的秸稈對(duì)玉米和大豆產(chǎn)量的影響取決于秸稈進(jìn)入土壤的耕作層厚度。當(dāng)耕作深度<20 cm，秸稈還田對(duì)產(chǎn)量具有負(fù)影響，與相應(yīng)的耕作深度秸稈還田處理相比，降低了作物的產(chǎn)量，其原因主要在于秸稈淺層還田時(shí)，影響作物的出苗率和玉米生育期間內(nèi)土壤中水分與養(yǎng)分的吸收，進(jìn)而降低了產(chǎn)量。而當(dāng)耕作深度>35 cm時(shí)，降低了秸稈與土壤的比例，增加了作物的出苗率。同時(shí)增加耕層的同時(shí)施入秸稈有效地改善了土壤結(jié)構(gòu)，有利于土壤中的氣體交換，增加了土壤中微生物的活性和多樣性，促進(jìn)了土壤中養(yǎng)分和被施入秸稈的礦化與分解，增加了土壤養(yǎng)分含量，進(jìn)而增加了作物產(chǎn)量[16]。

4.2秸稈還田對(duì)土壤水分的影響機(jī)制

4.2.1秸稈還田對(duì)春季含水量的影響。秸稈還田對(duì)土壤含水量的影響取決于秸稈的還田量、還田深度、還田秸稈的長度等因素[3]。秸稈還田通過影響土壤孔隙結(jié)構(gòu)與大小分布，調(diào)控土-氣-植物界面的水分傳導(dǎo)，進(jìn)而影響土壤的含水量[30]。本研究中將相同數(shù)量的秸稈施入不同厚度的耕作層，即在不同厚度的耕層中土壤與秸稈的比例是不同的，以本研究秸稈還田量10 000 kg·hm-2(烘干重)為例，當(dāng)秸稈還田深度為0～15 cm、0～20 cm、0～35 cm和0～50 cm時(shí)，土壤(土壤容重參考典型土壤剖面的容重值)與秸稈的質(zhì)量比分別為170∶1，220∶1、410∶1和600∶1。當(dāng)秸稈淺層還田(D15+S)和中淺層還田(D20+S)時(shí)，土壤與秸稈比例較小，增加了土壤中因秸稈施入而增加的孔隙的比例，即增加土壤的總孔隙度，進(jìn)而增加了土壤蒸發(fā)[19]，降低了土壤含水量。當(dāng)土壤深耕并進(jìn)行秸稈還田時(shí)(D35+S)，與秸稈淺層和中淺層還田相比，將同質(zhì)量的秸稈施入0～35 cm和0～50 cm土層，降低了秸稈在土壤中比例，相應(yīng)地減小了土壤的大孔隙和無效水分蒸發(fā)，有效地保蓄了土壤水分，使更多的土壤水分保存在深層的土層中，同時(shí)增加了0～35 cm土層內(nèi)的水分交換，當(dāng)表層的土壤水分通過蒸騰作用減少時(shí)，下層對(duì)上層有補(bǔ)給效應(yīng)，見表1和表2。與D15+S和D20+S相比，D30+S處理春季0～15 cm土層土壤儲(chǔ)水量增加了17.07%和2.4%。雖然D50+S處理與D35+S處理相似，均是降低了秸稈在土壤中的比例，但是由于耕作深度增加，增加了土壤水滲漏，降低了土壤的保水性，進(jìn)而導(dǎo)致0～15 cm土層土壤儲(chǔ)水量較低。

4.2.2對(duì)調(diào)控土壤水分的作用。在旱作農(nóng)田土壤-植物-大氣連續(xù)體中，以土壤為載體，接納大氣降水，水分進(jìn)入土壤后，在土壤中形成“地下水庫”，供給作物吸收利用。土壤供給水分的能力與土壤的剖面性質(zhì)、耕層厚度等密切相關(guān)[15]。典型耕作中厚層黑土在約20 cm存在犁底層，犁底層容重>1.23 g·cm-3，總孔隙度<50%，限制了水分的入滲和根系生長。當(dāng)耕作深度<20 cm，有效調(diào)控接納大氣降水的土層厚度最大為20 cm，0～20 cm土層的飽和持水量為101 mm[15]，研究區(qū)域內(nèi)10年平均土壤含水量為42 mm[30]，計(jì)算可以得出0～20 cm土層最多可以接納單次降水量為59 mm的降水，即當(dāng)單次降雨量或者短期內(nèi)累計(jì)降雨量>59 mm時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)地表徑流，引起水土流失。而當(dāng)通過深耕打破犁底層，增加耕層厚度為35 cm時(shí)， 0～35 cm土層土壤的飽和持水量為227.5 mm，該層10年平均土壤含水量為84 mm，因此，0～35 cm土層可接納最大單次降雨量或者短期內(nèi)累計(jì)降雨為143.5 mm。通過對(duì)研究區(qū)域內(nèi)近50年大氣降水進(jìn)行統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)域內(nèi)最大的單次降水量為81 mm，所以當(dāng)耕作深度為35 cm時(shí)，能夠有效地蓄積大氣降水。同時(shí)該層土壤有效水分(田間持水量-凋萎含水量)為115.5 mm，說明吸收的降水能夠完全轉(zhuǎn)換為有效水分供作物利用。耕作深度越深，調(diào)蓄大氣降水的耕層越厚，能夠調(diào)蓄的大氣降水就越多，0～50 cm土層能夠調(diào)蓄的降水為156 mm，但是當(dāng)耕作深度為50 cm時(shí)增加了土壤水分的入滲，不利于表層土壤水分的保持(表1和表2)。秸稈還田能夠增加土壤的總孔隙度，進(jìn)而增加飽和持水量，相應(yīng)地能夠增加土壤調(diào)蓄大氣降水的能力。因此，當(dāng)耕作深度為35 cm并配合全層秸稈還田時(shí)，能夠最有效地蓄積大氣降水和保持土壤水分。

5　結(jié)　論

(1)耕作和秸稈還田深度對(duì)干旱條件下土壤含水量和作物出苗率具有顯著的影響。與其他處理相比，35 cm耕作深度配合全層秸稈混施(D35+S)能夠顯著增加出苗時(shí)的土壤含水量，進(jìn)而保障出苗率。同時(shí)D35+S處理在土壤處理在降水不足時(shí)，能夠增加土壤的供水量，保障作物生育期間對(duì)水分的需求。

(2)不同耕作深度對(duì)玉米和大豆產(chǎn)量的影響表現(xiàn)為D35>D50>D20>D15>D0，表明耕作能夠增加黑土區(qū)大豆和玉米的產(chǎn)量，但是其產(chǎn)量并沒有隨著耕作深度的增加而呈線性增加。與非秸稈還田的處理相比，當(dāng)耕作深度<20 cm，秸稈還田量為10 000 kg·hm-2時(shí)，降低了大豆和玉米的產(chǎn)量；而當(dāng)耕作深度>35 cm時(shí)，同質(zhì)量的秸稈進(jìn)行全層混施后顯著增加了大豆和玉米的產(chǎn)量，說明耕作和秸稈還田深度是影響作物產(chǎn)量的重要因素。當(dāng)耕作深度為35 cm配以全層秸稈深混還田時(shí)作物的產(chǎn)量和水分利用效率達(dá)到了最大值，因此，在典型中厚層黑土區(qū)建議的合理耕作深度和秸稈還田深度為35 cm。

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The Impact of Tillage Depth and Straw Incorporation on Crop Yield and Soil Water Supply in Arable Black Soil

ZOU Wenxiu1, LU Xinchun1, HAN Xiaozeng1, WANG Fengxian2

(1.KeyLaboratoryofMollisolsAgroecology,NationalObservationStationofHailunAgroecologySystem,NortheastInstituteofGeograpthyandAgroecology,CAS,Harbin150081,China; 2.LindiancenterofAgricultureTechnologyExtension,Lindian166300,China)

Black soil is one of important arable soil in China, tillage depth and straw incorporation both impacted the agricultural production of black soil. The impact of tillage depth and straw incorporation depths on maize and soybean yield were considered based on a three-year field experiment which is a split block design. The main treatments included shallow cultivation within 0～15 cm (D15), medium-shallow cultivation within 0～20 cm (D20)， deep cultivation within 0～35 cm (D35)and 0～50 cm (D50)，secondary treatments included contrast and straw incorporation (+S). Yields of maize and soybean were increased along with the increase in cultivation depth, and obtained the greatest values of 8 999 kg·hm-2and 2 424 kg·hm-2, respectively, suggesting that the cultivation depth was an important factor impacting crop yield. Straw incorporation within 0～15 cm (D15+S),0～20 cm (D20+S),0～35 cm(D35+S),0～50 cm(D50+S)were added after each cultivation depth treatment was split. Comparison with corresponding no straw incorporation treatments, maize and soybean yields were decreased when cultivation depth was ≤ 20 cm, but were increased when cultivation depth was ≥35 cm, and obtained the greatest yield in D35+S treatments, which suggested that the depth of straw incorporation was key factor impacting the role of straw incorporation. Comparison with D15+S, soil water content in 0～15 cm soil layer, crop emergence rate and soil water supply under D20+S, D35+S and D50+S treatments were increased by 7.8%～12.6%, 11.4%～16.9% and 6.7%～10.4%, respectively, suggesting that above factors could regulate the role of straw incorporation. D50 and D50+S treatments increased maize and soybean yields, but increased also mechanical operation cost and was not in favor of soil water conservation. Therefore, combination of 0～35 cm cultivation depth and straw incorporation was recommended with the objectives of increasing crop yield and rainfall use efficiency in study site.

tillage depth; crop yield; soil water supply; straw incorporation; arable black soil

10.11689/j.issn.2095-2961.2016.03.003

2095-2961(2016)03-0141-09

2016-04-05;

2016-06-06.

國家自然科學(xué)基金(41571219，41371296，41301312)；公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(xiàng)(201303126，201303011，201303030，201503120).

鄒文秀(1982-)，女，黑龍江巴彥人，博士，副研究員，主要從事農(nóng)田生態(tài)方面的研究工作.

韓曉增(1957-)，男，遼寧瓦房店人，研究員，博士生導(dǎo)師，主要從事土壤生態(tài)方面的研究工作.

S155.2+7

A