耕作與覆蓋措施對黃土塬區(qū)春玉米田土壤水氣傳輸?shù)挠绊?/h1>
2021-06-21 05:18:02代子俊郝明德
植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報 2021年5期
劉 萌，付 威，樊 軍,2*，代子俊，郝明德,2
（1 西北農(nóng)林科技大學(xué)黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點實驗室，陜西楊凌 712100；2 中國科學(xué)院水利部水土保持研究所，陜西楊凌 712100）
黃土塬區(qū)是典型的傳統(tǒng)旱作農(nóng)業(yè)區(qū)，春玉米是該地區(qū)主要糧食作物之一，面臨的主要問題是降水不足、時空分布不均，施肥偏多但利用率低，缺少有效的保水保肥措施[1-2]，并且農(nóng)民習(xí)慣采用“翻耕+淺旋”的耕作方式，會對土壤產(chǎn)生劇烈擾動，引起土壤持水性下降，犁底層緊實等一系列問題[3]。因此，通過不同的耕作、覆蓋措施改變土壤理化性狀和生物學(xué)性質(zhì)是提高該地區(qū)作物產(chǎn)量的有效措施[4]。以少耕、免耕為代表的耕作措施具有改善土壤結(jié)構(gòu)，有效保持土壤水分，增加土壤持水性和通透性等作用[5-6]。國內(nèi)外很多研究表明，免耕可在減少土壤擾動和外源輸入有機(jī)物的條件下，提高土壤孔隙連通性和有機(jī)質(zhì)含量，從而提高作物產(chǎn)量[7-8]。此外，地表覆蓋措施能夠提高土壤入滲能力，有利于蓄水保墑和土壤培肥，可促進(jìn)耕地質(zhì)量提升[9]。地膜覆蓋可顯著減少地表無效蒸發(fā)，降低土壤容重[4]，為作物提供水、熱保障[10]，是旱作農(nóng)田提高水分利用效率的有效措施[11]。秸稈覆蓋可增加有機(jī)質(zhì)的輸入，提高土壤呼吸速率[12]，調(diào)節(jié)土壤溫度，增加作物產(chǎn)量[13]。
土壤供給作物生長所需的水、肥、氣和熱，其中土壤的水氣傳輸性是土壤質(zhì)量的決定性因素[14-15]。土壤水氣傳輸性反映土壤水分和空氣的更新速率，關(guān)系土壤水氣流通及其對作物的供應(yīng)[16]。土壤空氣對作物生長和有機(jī)物質(zhì)分解都起著決定性作用，其中土壤導(dǎo)氣率和相對氣體擴(kuò)散率決定了土壤氣體傳輸能力[17]。土壤水的傳輸能力影響著作物生長和生態(tài)系統(tǒng)的循環(huán)過程，其中土壤飽和導(dǎo)水率是反映土壤水分傳導(dǎo)的重要參數(shù)，具有一定的空間變化特性[15]。因此，揭示土壤的水氣傳輸特征對作物的生長發(fā)育和產(chǎn)量形成具有重要意義。
到目前為止，關(guān)于耕作、覆蓋措施對春玉米增產(chǎn)及耕層土壤理化性質(zhì)影響的研究較多，而不同耕作、覆蓋措施對土壤剖面水氣傳輸性質(zhì)影響的研究較少。針對這一問題，本研究依托陜西渭北旱塬長武黃土高原農(nóng)業(yè)生態(tài)試驗站長期不同耕作、覆蓋處理定位試驗，對試驗區(qū)2019年春玉米收獲期0—40 cm土壤含水量、容重、總孔隙度、土壤導(dǎo)氣率、相對氣體擴(kuò)散率和飽和導(dǎo)水率進(jìn)行測定與分析，探究長期不同耕作、覆蓋條件對土壤水氣傳輸?shù)挠绊?，旨在探索適合該區(qū)域保持良好土壤水氣傳輸能力的耕作措施，以期為旱作農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)性發(fā)展提供參考。
1 材料與方法
1.1 試驗地概況
長期定位試驗位于陜西省咸陽市長武縣的黃土高原農(nóng)業(yè)生態(tài)試驗站 (35°14' N、107°40' E)，地處典型的黃土塬區(qū)。屬暖溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候，是我國重要的水養(yǎng)旱作農(nóng)業(yè)區(qū)[2-4]。試驗區(qū)年平均氣溫9.1℃，1月份平均氣溫–4.7℃，7月份平均氣溫22.1℃，年均降水量578.5 mm，降水年際變異較大，且降水季節(jié)性分布不均，降雨集中于7—9月，平均海拔1200 m，日照時數(shù)2226 h。長武塬地處黏黑壚土地帶，母質(zhì)是深厚的馬蘭黃土，土層深厚，0—40 cm 土壤容重為1.23～1.44 g/cm3，孔隙度50%左右。
1.2 試驗設(shè)計
田間長期定位試驗始于2002年，總面積1260 m2，設(shè)置 12 個處理，各小區(qū)面積為5 m × 7 m，供試作物為一年一熟的春玉米，品種選用‘先玉335’，采取寬窄行種植，寬行距60 cm，窄行距30 cm。本季春玉米于2019年5月10日播種，2019年10月1日收獲。本研究選取了不同耕作、覆蓋措施的8個處理進(jìn)行研究[4](表1)。每個處理均設(shè)3次重復(fù)，試驗所用地膜為60 cm寬、0.015 mm厚的聚乙烯薄膜，每個小區(qū)均基施氮肥 (尿素，含N 46%)和磷肥 (過磷酸鈣，含 P2O516%)，其中氮肥用量為N 150 kg/hm2，磷肥用量為P2O575 kg/hm2，玉米生長期間不追肥[2]。
表 1 試驗處理詳情Table 1 Experimental treatment details
1.3 試驗方法
春玉米收獲后，在各小區(qū)預(yù)埋中子管前30 cm處挖階梯狀土壤剖面進(jìn)行取樣 (2019年10月5日至6 日)，剖面共分 0—10、10—20、20—30和30—40 cm 4層。分別在每個土層中部用環(huán)刀采樣，用于測定土壤質(zhì)量含水量、土壤容重、土壤導(dǎo)氣率、相對氣體擴(kuò)散率和飽和導(dǎo)水率。土壤質(zhì)量含水量和土壤容重采用烘干法，將環(huán)刀所取樣品置于 105℃ 下烘干12 h以上至恒重，測定土壤導(dǎo)氣率、相對氣體擴(kuò)散率和飽和導(dǎo)水率，每個處理6個重復(fù)，其中土壤導(dǎo)氣率和相對氣體擴(kuò)散率測定在容重測定結(jié)束后立即進(jìn)行，此時土壤含水量為0。
土壤導(dǎo)氣率采用Mohammadi和Vanclooster設(shè)計的裝置測定[18]，裝置示意圖如圖1所示。將土樣裝入小型氣體擴(kuò)散氣室，上層氣室封住，然后連接U型壓力計和馬氏瓶，用馬氏瓶排出水的流量代替通過土樣的氣體流量，天平讀數(shù)記錄，由大氣壓和出水量即可計算土壤導(dǎo)氣率。計算公式為：
圖 1 土壤導(dǎo)氣率裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of soil air permeability
式中：Ka是單位時間單位面積通過土樣的氣體流量(m2)；Λ是經(jīng)驗因子；q為單位時間通過土樣的氣體流量 (m3/s)；η是空氣黏滯系數(shù) (Pa·s)；?p表示土樣上下界面的壓力差 (Pa)；D是環(huán)刀中土樣直徑 (m)；H是環(huán)刀中土樣高度 (m)；T為氣溫 (℃)。
土壤相對氣體擴(kuò)散率測定裝置示意圖如圖2所示。完成土壤導(dǎo)氣率測定后，將土樣裝入小型氣體擴(kuò)散氣室，在上層氣室安裝O2探頭，將O2探頭與CR1000數(shù)據(jù)采集器相連，之后連接數(shù)據(jù)顯示器。向上層氣室中通入氮氣直至氣室中的O2濃度達(dá)到最低值 (O2幾乎被完全排出) 關(guān)閉氮氣開關(guān)，并將每個氣室單獨隔開，使空氣從下層氣室進(jìn)入，通過土樣向上擴(kuò)散，最終到達(dá)裝有O2探頭的上層氣室，即可測定土壤中氣體的擴(kuò)散率。定義Dp/D0為土壤相對氣體擴(kuò)散率，Dp代表土壤中氣體擴(kuò)散系數(shù)，D0是大氣中的氣體擴(kuò)散系數(shù)。Dp是氣體相對濃度Cr關(guān)于時間t的線性函數(shù)的斜率[19]，D0是關(guān)于氣壓 (P) 與溫度 (T)的函數(shù)[20]。計算公式為：
圖 2 土壤相對氣體擴(kuò)散率裝置示意圖Fig.2 Schematic diagram of soil relative gas diffusivity
式中：Ct是氣室內(nèi)t時刻O2濃度 (%)；Ca是大氣O2濃度 (%)；C0是氣室 O2初始濃度 (%)。Ds是一個關(guān)于D0在T0=293.15 K、P0=1.013× 105Pa 時的參考值，取值為1.47 × 10–5m2/s[21]，一般在 20℃，D0取值為2× 10–5m2/s。
土壤飽和導(dǎo)水率采用定水頭自下供水法，如圖3所示。根據(jù)達(dá)西定律計算[22]為：
圖 3 土壤飽和導(dǎo)水率裝置示意圖Fig.3 Schematic diagram of soil saturated hydraulic conductivity
式中：Ks為飽和導(dǎo)水率 (cm/min)；q為?t時間的滲流量 (cm3/min)；l為環(huán)刀中土體高度 (cm)；?h為環(huán)刀中土樣上下面水勢差 (cm)；A為環(huán)刀中土體橫截面面積 (cm2)。
1.4 數(shù)據(jù)分析與繪圖
試驗數(shù)據(jù)采用Excel 2010進(jìn)行整理和計算，采用SPSS 22對數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析 (one-way ANOVA)，如果差異顯著 (P＜0.05)，再用 LSD 法進(jìn)行多重比較，采用Origin 2016繪圖。
2 結(jié)果與分析
2.1 不同耕作和覆蓋措施對土壤質(zhì)量含水量的影響
不同耕作與覆蓋措施對春玉米收獲期剖面土壤質(zhì)量含水量有顯著影響 (圖4)。與CT處理相比，TS和TWP處理0—40 cm土層土壤平均質(zhì)量含水量分別顯著增加了2.6%和5.3%，但CT處理在0—10 cm土層顯著高于TS、TP和TWP處理。與NT處理相比，NS、NP和NG處理耕層土壤平均質(zhì)量含水量分別增加14.8%、3.5%和11.3%，NS、NP和NG處理0—40 cm土壤平均質(zhì)量含水量分別增加了4.5%、1.3%和5.6%，且在0—10 cm土層差異達(dá)到顯著水平。NS和NP處理0—40 cm土層土壤平均質(zhì)量含水量分別比相同覆蓋措施下的TS和TP處理高2.7%和3.4%。
圖 4 不同耕作覆蓋措施下玉米收獲期各層土壤質(zhì)量含水量Fig.4 Soil mass water content in different soil layers under different tillage and mulching methods at maize harvest
2.2 不同耕作和覆蓋措施對土壤容重和總孔隙度的影響
不同耕作覆蓋措施對春玉米收獲期剖面土壤容重和總孔隙度影響顯著，呈現(xiàn)出隨著土壤深度的增加，土壤容重增加、總孔隙度降低的趨勢 (圖5、表2)。與CT處理相比，TS、TP和TWP處理使0—10 cm土層土壤容重分別顯著增加了6.3%、10.6%和16.1%。與NT處理相比，NP處理使0—10 cm土層土壤容重增加了4.7%，而NS和NG處理則分別降低了8.7%和7.1%，且差異均達(dá)到顯著水平。NT、NS和NP 處理耕層 (0—20 cm) 土壤容重高于相同覆蓋措施的CT、TS和TP處理，而20—40 cm土層土壤容重低于相應(yīng)的傳統(tǒng)耕作處理。
圖 5 不同耕作覆蓋措施下玉米收獲期各層土壤容重Fig.5 Soil bulk density in different soil layers under different tillage and mulching methods at maize harvest
表 2 不同耕作覆蓋措施下玉米收獲期各層土壤總孔隙度 (%)Table 2 Soil porosity in different soil layers under different tillage and mulching methods at maize harvest
在0—10 cm土層，與CT處理相比，TS、TP和TWP處理土壤總孔隙度分別顯著降低了4.6%、8.5%和12.7%，與NT處理相比，NS和NG處理土壤總孔隙度分別顯著增加了8.4%和7.0%，且所有處理土壤的總孔隙度顯著高于其余土層。在10—20 cm土層，TS處理土壤總孔隙度最大，達(dá)到48.25%，顯著高于TP、NS和NP處理。在20—30 cm土層，TP處理土壤總孔隙度顯著低于其他處理。在30—40 cm土層，CT處理土壤總孔隙度顯著高于TS、TP、TWP處理，NT處理顯著高于NS、NP、NG處理。NT、NS和NP 處理耕層 (0—20 cm) 土壤總孔隙度低于相同覆蓋措施的CT、TS和TP處理，而在20—40 cm土層，土壤總孔隙度高于相應(yīng)的傳統(tǒng)耕作處理。
2.3 不同耕作和覆蓋措施對土壤導(dǎo)氣率的影響
不同耕作與覆蓋措施對剖面土壤導(dǎo)氣率有顯著影響 (表3)。在0—10 cm土層，與CT處理相比，TP和TWP處理分別顯著提高了54.1%和99.5%，TS處理比CT處理土壤導(dǎo)氣率降低了0.5%，兩個處理間差異不顯著。與NT處理相比，NP處理土壤導(dǎo)氣率顯著降低了33.7%，NS和NP處理與NT處理間差異不顯著。對比相同覆蓋條件下翻耕、免耕處理，土壤的導(dǎo)氣率表現(xiàn)為：CT＞NT、TS＞NS、TP＞NP，其中TP處理土壤導(dǎo)氣率與免耕處理NP之間差異達(dá)到顯著水平。在10—40 cm土層，與CT處理相比，TWP處理土壤導(dǎo)氣率平均提高了44.0%，且20—40 cm土層達(dá)到顯著水平，與NT處理相比，NS和NP處理土壤導(dǎo)氣率分別平均提高了17.9%和51.1%，且10—20 cm和30—40 cm土層差異達(dá)到顯著水平。隨著土壤深度增加，土壤導(dǎo)氣率逐漸降低，所有處理0—10 cm土層土壤導(dǎo)氣率顯著高于20—40 cm 土層。
表 3 不同耕作覆蓋措施下玉米收獲期剖面土壤導(dǎo)氣率 (μm2)Table 3 Soil air permeability in different soil layers under different tillage and mulching methods at maize harvest
2.4 不同耕作和覆蓋措施對土壤相對氣體擴(kuò)散率的影響
不同耕作覆蓋措施對剖面土壤相對氣體擴(kuò)散率有顯著影響 (表4)。在0—10 cm土層，與CT處理相比，TS和TWP處理土壤相對氣體擴(kuò)散率分別提高了28.7%和9.3%，與NT處理相比，NS和NP處理土壤相對氣體擴(kuò)散率分別提高了25.3%和19.4%，其中NS處理差異達(dá)到顯著水平，相同覆蓋條件下NT、NS和NP處理顯著高于 CT、TS和TP處理。在10—40 cm土層，與CT處理相比，TS和TWP處理平均土壤相對氣體擴(kuò)散率分別提高了42.0%和23.3%，其中TS處理在20—40 cm土層差異達(dá)到顯著水平，與NT處理相比，NS處理平均土壤相對氣體擴(kuò)散率提高了35.0%。TP處理與CT處理各層差異均未達(dá)到顯著水平，NG處理在耕層顯著低于NT處理，降低了42.1%。隨著土壤深度的增加，土壤相對氣體擴(kuò)散率大體呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢，除NG處理外，其余處理土壤相對氣體擴(kuò)散率均是在0—10 cm土層最高。
表 4 不同耕作覆蓋措施下玉米收獲期剖面土壤相對氣體擴(kuò)散率 (Dp/D0)Table 4 Soil relative gas diffusivity in different soil layers under different tillage and mulching methods at maize harvest
2.5 不同耕作和覆蓋措施對土壤飽和導(dǎo)水率的影響
不同耕作覆蓋措施顯著影響了土壤飽和導(dǎo)水率(表5)。在0—10 cm土層，與CT處理相比，TS、TP和TWP處理土壤飽和導(dǎo)水率分別降低了75.9%、18.7%和27.5%，其中CT與TS處理差異達(dá)到顯著水平；與NT處理相比，NS和NP處理土壤飽和導(dǎo)水率顯著提高了446.4%和145.2%。對比相同覆蓋條件下翻耕、免耕處理，土壤飽和導(dǎo)水率表現(xiàn)為：CT＞NT、TS＜NS、TP＜NP。在 10—40 cm 土層，與CT處理相比，TS、TP和TWP處理土壤飽和導(dǎo)水率分別平均提高了45.7%、128.3%和272.4%，且TP和TWP處理在10—20和30—40 cm土層差異達(dá)到顯著水平；與NT處理相比，NS和NG處理土壤飽和導(dǎo)水率分別平均提高了46.1%和20.5%。
表 5 不同耕作覆蓋措施下玉米收獲期剖面土壤飽和導(dǎo)水率 (cm/d)Table 5 Soil saturated hydraulic conductivity in different soil layers under different tillage and mulching methods at maize harvest
3 討論
3.1 耕作與覆蓋措施對收獲期土壤質(zhì)量含水量的影響
本研究結(jié)果顯示，與CT處理相比，春玉米收獲后TWP處理在0—10 cm土壤質(zhì)量含水量較低，但10—40 cm各層土壤質(zhì)量含水量均增加 (圖4)，這是因為表層土壤質(zhì)量含水量受降雨影響顯著，一方面地膜覆蓋阻擋雨水入滲，另一方面TWP處理春玉米長勢優(yōu)良，生育期消耗了表層更多的水分，從而造成表層(0—10 cm)土壤質(zhì)量含水量較低，全年覆膜可有效抑制土壤水分無效蒸發(fā)，提高降水潛在利用效率[8]，促進(jìn)植物根系對下層土壤水分的利用，造成下層土壤水分向土體上層運動[23]，補(bǔ)充了10—40 cm土壤水分。潘雅文等[4]研究指出，覆膜處理的淺層土壤質(zhì)量含水量均高于傳統(tǒng)耕作。這與本研究結(jié)果不同，可能是因為兩個試驗研究的時期不同，全年覆膜有利于改善作物生育期墑情。此外，相同覆蓋條件下免耕處理0—40 cm土層土壤平均質(zhì)量含水量高于傳統(tǒng)耕作處理 (圖4)。主要是由于傳統(tǒng)耕作多年翻耕使農(nóng)田形成了堅實的犁底層，同時耕層土壤過于疏松，加速了土壤水分蒸發(fā)，從而降低了土壤蓄水能力；相反，免耕減少了對土壤的擾動，因而保墑作用明顯[24]，并且有研究表明在相同覆蓋條件下免耕模式水分利用效率高于傳統(tǒng)耕作模式[25]。殷濤等[26]認(rèn)為免耕覆蓋能顯著提高表層土壤質(zhì)量含水量，而深層水分含量卻會降低；胡錦昇等[2]也發(fā)現(xiàn)了覆膜處理會顯著增加200 cm以下水分的消耗。這表明免耕覆膜雖然能改善表層土壤墑情，但作物蒸騰耗水的增加會導(dǎo)致深層土壤儲水量下降。
3.2 耕作和覆蓋措施對收獲期土壤容重和總孔隙度的影響
土壤容重和孔隙度可以調(diào)節(jié)土壤的緊實狀況，影響?zhàn)B分轉(zhuǎn)化，因此適宜的土壤容重和孔隙度有利于作物根系的生長發(fā)育[22]。相關(guān)研究表明，免耕有利于降低土壤容重，增大土壤孔隙度，改善土壤物理性狀[4,8-9]。本研究結(jié)果表明，與傳統(tǒng)耕作相比，免耕增加了0—20 cm土壤容重，但降低了20—40 cm土層土壤容重 (圖5)，這與鞏文峰等[27]的研究結(jié)果一致，主要是因為相比于傳統(tǒng)耕作，免耕沒有對0—20 cm耕層進(jìn)行每年的機(jī)械破碎翻耕，導(dǎo)致土壤容重增大，但是免耕對土壤擾動較少，有利于土壤穩(wěn)定性的提升，促進(jìn)了土壤中生物的活動[28]，一定程度上降低了深層土壤容重。
本研究免耕秸稈覆蓋和生草覆蓋相對于免耕不覆蓋可顯著降低0—10 cm土層的土壤容重，增加土壤總孔隙度 (圖5、表2)，這與相關(guān)研究對耕層土壤物理性質(zhì)得出的結(jié)論一致[5,29]。免耕秸稈覆蓋改變了土壤與大氣的界面層狀況，避免地表裸露，從而降低了外界對于土壤結(jié)構(gòu)的破壞，有效減少了土壤板結(jié)現(xiàn)象的發(fā)生，進(jìn)而降低了土壤容重，增大了土壤總孔隙度[29]。免耕生草覆蓋降低土壤容重可能是由于植物根系主要分布于0—10 cm的土層，改善了土壤結(jié)構(gòu)，促進(jìn)了有效毛管孔隙的增多，使得土壤表層容重下降。因此，免耕秸稈覆蓋和生草覆蓋對降低土壤容重，增加土壤總孔隙度效果顯著。
黃土旱塬玉米生長面臨降雨偏少且季節(jié)分布不均的問題[2,11]，現(xiàn)已成為制約玉米增產(chǎn)的主要因素。地膜覆蓋有效降低土壤水分蒸發(fā)，起到蓄水保墑的效果，已成為當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)發(fā)展的有效措施。但是長期地膜覆蓋卻增加了0—10 cm土層土壤容重，降低了土壤總孔隙度 (圖5，表2)，影響土壤質(zhì)量，主要是因為一方面地膜材料以聚乙烯為主，長期覆蓋后會導(dǎo)致地膜殘留在土壤中，人工清除費時費力，殘留不易降解從而阻塞土壤孔隙，導(dǎo)致土壤總孔隙度減小，容重增大[23,30]；另一方面長期覆膜可能會惡化表層土壤生態(tài)條件，加速土壤有機(jī)質(zhì)礦化，導(dǎo)致土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體和微生物數(shù)量等減少[31]。為了當(dāng)?shù)睾底鬓r(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，應(yīng)推廣使用可降解地膜，以達(dá)到增產(chǎn)增效、保護(hù)環(huán)境的目的。
3.3 耕作和覆蓋措施對收獲期土壤導(dǎo)氣率的影響
土壤導(dǎo)氣率是反映土壤導(dǎo)氣性的重要指標(biāo)，能夠充分反映土壤孔隙和土壤結(jié)構(gòu)特征[18,32]。在本研究中，翻耕覆膜TP和TWP處理提高了0—10 cm土壤導(dǎo)氣率，并且傳統(tǒng)耕作處理土壤導(dǎo)氣率高于相同覆蓋措施的免耕處理 (表3)，可能是因為長期翻耕增加了土壤大孔隙[33]，促進(jìn)了作物根系生長，隨著取樣環(huán)刀中土壤水分含量的降低，根系萎縮，沿根系生長方向孔隙逐漸增大，從而增加了土壤導(dǎo)氣率。而且Martínez等[16]研究表明，免耕措施可能會使表層土壤緊實，對土壤通氣性產(chǎn)生負(fù)面影響，這可能是免耕措施表層土壤導(dǎo)氣率低的原因之一。
相對于免耕不覆蓋，免耕秸稈覆蓋和生草覆蓋可提高10—40 cm土壤導(dǎo)氣率 (表3)。說明秸稈覆蓋能夠有效改善10—40 cm土壤孔隙結(jié)構(gòu)，加強(qiáng)土壤顆粒的團(tuán)聚作用[34]，使土壤孔隙連通性增加[17]，生草覆蓋增加了10—40 cm土壤生物活性，進(jìn)而增加了土壤生物大孔隙，改善了土壤通氣性[35]。秸稈或生草覆蓋的免耕條件下，良好的土壤導(dǎo)氣性既可以改善土壤肥力和土壤結(jié)構(gòu)，還可以減少土壤CO2和N2O排放，更好地保護(hù)土壤和大氣環(huán)境。
3.4 耕作和覆蓋措施對收獲期土壤相對氣體擴(kuò)散率的影響
免耕可促進(jìn)連續(xù)孔隙的形成，特別是生物孔隙的形成，對土壤的氣體運輸功能產(chǎn)生積極影響[36]。本研究發(fā)現(xiàn)相同覆蓋條件下免耕處理0—10 cm土層土壤相對氣體擴(kuò)散率顯著高于傳統(tǒng)翻耕處理 (表4)，但土壤導(dǎo)氣率卻低于傳統(tǒng)翻耕處理 (表3)，這可能是由于土壤導(dǎo)氣率主要反映的是依賴土壤表層大孔隙實現(xiàn)土壤空氣與大氣之間的對流運動，而土壤相對氣體擴(kuò)散率則反映的是依靠土壤毛管孔隙實現(xiàn)氣體交換的擴(kuò)散運動[16]，免耕處理表層土壤大孔隙較少而密布毛管孔隙，從而導(dǎo)致土壤導(dǎo)氣率低但土壤相對氣體擴(kuò)散率高。Berisso等[37]研究發(fā)現(xiàn)，農(nóng)機(jī)具對土壤的壓實作用會顯著降低土壤相對氣體擴(kuò)散率。這可能也是產(chǎn)生上述結(jié)果的原因所在。
秸稈覆蓋可明顯增加各層土壤相對氣體擴(kuò)散率(表4)，說明秸稈覆蓋可改善土壤孔隙結(jié)構(gòu)，促進(jìn)土壤空氣與外界的擴(kuò)散交換，提高土壤氣體擴(kuò)散能力。王秋菊等[31]研究顯示，秸稈覆蓋降低了直徑＞0.05 mm的大孔隙，增加了直徑0.05～0.002 mm的土壤有效孔隙。而且玉米秸稈本身的莖稈絮狀髓部經(jīng)過腐解為土壤微生物提供了良好的生活環(huán)境，改善了土壤空氣條件，從而促進(jìn)土壤氣體擴(kuò)散。
3.5 耕作和覆蓋措施對收獲期土壤飽和導(dǎo)水率的影響
土壤飽和導(dǎo)水率是決定土壤入滲和滲漏性能的主要因素[38]，相關(guān)研究顯示，傳統(tǒng)耕作條件下，覆蓋聚乙烯薄地膜會導(dǎo)致表層土壤孔隙度和透水性降低，進(jìn)而降低土壤飽和導(dǎo)水率[4,23,30]。本研究也發(fā)現(xiàn)這一現(xiàn)象，在0—10 cm土層，TP和TWP處理比CT處理土壤飽和導(dǎo)水率分別降低了18.7%和27.5%，然而，TP和TWP處理土壤飽和導(dǎo)水率在10—40 cm土層顯著增加 (表5)，造成這種現(xiàn)象的原因可能是長期覆膜導(dǎo)致地膜殘留在表層土壤中，阻塞了土壤中的導(dǎo)水孔隙，而且地膜覆蓋提高了地溫，加速了有機(jī)質(zhì)分解[4]，從而使0—10 cm土層土壤飽和導(dǎo)水率降低，但是覆膜也促進(jìn)了玉米根系的生長，改善了底層土壤條件，增加了土壤有機(jī)質(zhì)含量[23]，所以導(dǎo)致10—40 cm土層土壤飽和導(dǎo)水率增加。
相同覆蓋條件下，免耕NT、NS和NP處理在0—40 cm土層土壤平均飽和導(dǎo)水率高于傳統(tǒng)翻耕CT、TS和TP處理，其中NS處理在各層均高于TS處理，且除10—20 cm土層外均達(dá)到顯著水平 (表5)，這與張仁陟等[39]、彭正凱等[40]研究結(jié)果一致，主要是因為免耕條件能夠形成良好的土體結(jié)構(gòu)，使土壤有效毛管孔隙增多，而且孔隙連續(xù)不間斷，有利于水分的快速移動[39]。而免耕秸稈覆蓋表層土壤飽和導(dǎo)水率顯著高于其他處理，一方面是由于免耕秸稈覆蓋緩解了雨滴對地表的打擊，減緩了地表結(jié)皮發(fā)育，降低了土壤容重，提高了土壤水分入滲能力[41]；另一方面是由于秸稈覆蓋增加了土壤中有機(jī)質(zhì)的積累，促進(jìn)了玉米產(chǎn)生大量的根系分泌物，改善了土壤膠體狀況[4]。
此外，大量研究表明，在土壤含水量保持或者接近田間持水量時，土壤導(dǎo)氣率和飽和導(dǎo)水率之間存在對數(shù)關(guān)系[34,42-44]，而Masismelendez等[45]研究也發(fā)現(xiàn)，土壤飽和導(dǎo)水率與相對氣體擴(kuò)散率之間存在一定的對數(shù)關(guān)系。由于土壤含水量對土壤導(dǎo)氣率和相對氣體擴(kuò)散率影響顯著，而本研究是在收獲期采集原狀土測定的烘干土壤導(dǎo)氣率、相對氣體擴(kuò)散率，所以土壤含水量未保持在田間持水量水平，未能比較不同耕作、覆蓋處理下土壤導(dǎo)氣率、相對氣體擴(kuò)散率和飽和導(dǎo)水率之間的關(guān)系。土壤飽和導(dǎo)水率空間變異性較大，試驗操作繁瑣、費力、耗時大[43]，因此，今后應(yīng)開展相關(guān)試驗，將土壤含水量控制在某個固定水平，研究土壤導(dǎo)氣率、相對氣體擴(kuò)散率和飽和導(dǎo)水率之間的關(guān)系，以期利用土壤導(dǎo)氣率和相對氣體擴(kuò)散率值進(jìn)行土壤飽和導(dǎo)水率的推算。
4 結(jié)論
相同覆蓋條件下免耕處理有利于改善土壤水氣傳輸性狀，能夠增加土壤含水量，降低20—40 cm土層土壤容重，增加20—40 cm土層土壤總孔隙度，雖然降低了表層0—10 cm的土壤導(dǎo)氣率，但土壤相對氣體擴(kuò)散率和飽和導(dǎo)水率顯著增加。免耕條件下進(jìn)行秸稈覆蓋處理顯著提高了耕層土壤相對氣體擴(kuò)散率和飽和導(dǎo)水率，增加了下層20—40 cm土壤的導(dǎo)氣率，降低了土壤容重，增加了土壤總孔隙度和持水性，是免耕組中最優(yōu)處理。
傳統(tǒng)耕作條件下不同類型的地膜覆蓋均能增加耕層土壤導(dǎo)氣率、相對氣體擴(kuò)散率和飽和導(dǎo)水率，且全年覆蓋處理下增加了土壤持水性；秸稈覆蓋雖增加了耕層土壤相對氣體擴(kuò)散率，但是降低了土壤導(dǎo)氣率和飽和導(dǎo)水率。因此經(jīng)過綜合比較，傳統(tǒng)耕作條件下全膜覆蓋是適合該地區(qū)保持良好土壤剖面水氣傳輸能力的有效措施。
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劉 萌，付 威，樊 軍,2*，代子俊，郝明德,2
（1 西北農(nóng)林科技大學(xué)黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點實驗室，陜西楊凌 712100；2 中國科學(xué)院水利部水土保持研究所，陜西楊凌 712100）
黃土塬區(qū)是典型的傳統(tǒng)旱作農(nóng)業(yè)區(qū)，春玉米是該地區(qū)主要糧食作物之一，面臨的主要問題是降水不足、時空分布不均，施肥偏多但利用率低，缺少有效的保水保肥措施[1-2]，并且農(nóng)民習(xí)慣采用“翻耕+淺旋”的耕作方式，會對土壤產(chǎn)生劇烈擾動，引起土壤持水性下降，犁底層緊實等一系列問題[3]。因此，通過不同的耕作、覆蓋措施改變土壤理化性狀和生物學(xué)性質(zhì)是提高該地區(qū)作物產(chǎn)量的有效措施[4]。以少耕、免耕為代表的耕作措施具有改善土壤結(jié)構(gòu)，有效保持土壤水分，增加土壤持水性和通透性等作用[5-6]。國內(nèi)外很多研究表明，免耕可在減少土壤擾動和外源輸入有機(jī)物的條件下，提高土壤孔隙連通性和有機(jī)質(zhì)含量，從而提高作物產(chǎn)量[7-8]。此外，地表覆蓋措施能夠提高土壤入滲能力，有利于蓄水保墑和土壤培肥，可促進(jìn)耕地質(zhì)量提升[9]。地膜覆蓋可顯著減少地表無效蒸發(fā)，降低土壤容重[4]，為作物提供水、熱保障[10]，是旱作農(nóng)田提高水分利用效率的有效措施[11]。秸稈覆蓋可增加有機(jī)質(zhì)的輸入，提高土壤呼吸速率[12]，調(diào)節(jié)土壤溫度，增加作物產(chǎn)量[13]。
土壤供給作物生長所需的水、肥、氣和熱，其中土壤的水氣傳輸性是土壤質(zhì)量的決定性因素[14-15]。土壤水氣傳輸性反映土壤水分和空氣的更新速率，關(guān)系土壤水氣流通及其對作物的供應(yīng)[16]。土壤空氣對作物生長和有機(jī)物質(zhì)分解都起著決定性作用，其中土壤導(dǎo)氣率和相對氣體擴(kuò)散率決定了土壤氣體傳輸能力[17]。土壤水的傳輸能力影響著作物生長和生態(tài)系統(tǒng)的循環(huán)過程，其中土壤飽和導(dǎo)水率是反映土壤水分傳導(dǎo)的重要參數(shù)，具有一定的空間變化特性[15]。因此，揭示土壤的水氣傳輸特征對作物的生長發(fā)育和產(chǎn)量形成具有重要意義。
到目前為止，關(guān)于耕作、覆蓋措施對春玉米增產(chǎn)及耕層土壤理化性質(zhì)影響的研究較多，而不同耕作、覆蓋措施對土壤剖面水氣傳輸性質(zhì)影響的研究較少。針對這一問題，本研究依托陜西渭北旱塬長武黃土高原農(nóng)業(yè)生態(tài)試驗站長期不同耕作、覆蓋處理定位試驗，對試驗區(qū)2019年春玉米收獲期0—40 cm土壤含水量、容重、總孔隙度、土壤導(dǎo)氣率、相對氣體擴(kuò)散率和飽和導(dǎo)水率進(jìn)行測定與分析，探究長期不同耕作、覆蓋條件對土壤水氣傳輸?shù)挠绊?，旨在探索適合該區(qū)域保持良好土壤水氣傳輸能力的耕作措施，以期為旱作農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)性發(fā)展提供參考。
1 材料與方法
1.1 試驗地概況
長期定位試驗位于陜西省咸陽市長武縣的黃土高原農(nóng)業(yè)生態(tài)試驗站 (35°14' N、107°40' E)，地處典型的黃土塬區(qū)。屬暖溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候，是我國重要的水養(yǎng)旱作農(nóng)業(yè)區(qū)[2-4]。試驗區(qū)年平均氣溫9.1℃，1月份平均氣溫–4.7℃，7月份平均氣溫22.1℃，年均降水量578.5 mm，降水年際變異較大，且降水季節(jié)性分布不均，降雨集中于7—9月，平均海拔1200 m，日照時數(shù)2226 h。長武塬地處黏黑壚土地帶，母質(zhì)是深厚的馬蘭黃土，土層深厚，0—40 cm 土壤容重為1.23～1.44 g/cm3，孔隙度50%左右。
1.2 試驗設(shè)計
田間長期定位試驗始于2002年，總面積1260 m2，設(shè)置 12 個處理，各小區(qū)面積為5 m × 7 m，供試作物為一年一熟的春玉米，品種選用‘先玉335’，采取寬窄行種植，寬行距60 cm，窄行距30 cm。本季春玉米于2019年5月10日播種，2019年10月1日收獲。本研究選取了不同耕作、覆蓋措施的8個處理進(jìn)行研究[4](表1)。每個處理均設(shè)3次重復(fù)，試驗所用地膜為60 cm寬、0.015 mm厚的聚乙烯薄膜，每個小區(qū)均基施氮肥 (尿素，含N 46%)和磷肥 (過磷酸鈣，含 P2O516%)，其中氮肥用量為N 150 kg/hm2，磷肥用量為P2O575 kg/hm2，玉米生長期間不追肥[2]。
表 1 試驗處理詳情Table 1 Experimental treatment details
1.3 試驗方法
春玉米收獲后，在各小區(qū)預(yù)埋中子管前30 cm處挖階梯狀土壤剖面進(jìn)行取樣 (2019年10月5日至6 日)，剖面共分 0—10、10—20、20—30和30—40 cm 4層。分別在每個土層中部用環(huán)刀采樣，用于測定土壤質(zhì)量含水量、土壤容重、土壤導(dǎo)氣率、相對氣體擴(kuò)散率和飽和導(dǎo)水率。土壤質(zhì)量含水量和土壤容重采用烘干法，將環(huán)刀所取樣品置于 105℃ 下烘干12 h以上至恒重，測定土壤導(dǎo)氣率、相對氣體擴(kuò)散率和飽和導(dǎo)水率，每個處理6個重復(fù)，其中土壤導(dǎo)氣率和相對氣體擴(kuò)散率測定在容重測定結(jié)束后立即進(jìn)行，此時土壤含水量為0。
土壤導(dǎo)氣率采用Mohammadi和Vanclooster設(shè)計的裝置測定[18]，裝置示意圖如圖1所示。將土樣裝入小型氣體擴(kuò)散氣室，上層氣室封住，然后連接U型壓力計和馬氏瓶，用馬氏瓶排出水的流量代替通過土樣的氣體流量，天平讀數(shù)記錄，由大氣壓和出水量即可計算土壤導(dǎo)氣率。計算公式為：
圖 1 土壤導(dǎo)氣率裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of soil air permeability
式中：Ka是單位時間單位面積通過土樣的氣體流量(m2)；Λ是經(jīng)驗因子；q為單位時間通過土樣的氣體流量 (m3/s)；η是空氣黏滯系數(shù) (Pa·s)；?p表示土樣上下界面的壓力差 (Pa)；D是環(huán)刀中土樣直徑 (m)；H是環(huán)刀中土樣高度 (m)；T為氣溫 (℃)。
土壤相對氣體擴(kuò)散率測定裝置示意圖如圖2所示。完成土壤導(dǎo)氣率測定后，將土樣裝入小型氣體擴(kuò)散氣室，在上層氣室安裝O2探頭，將O2探頭與CR1000數(shù)據(jù)采集器相連，之后連接數(shù)據(jù)顯示器。向上層氣室中通入氮氣直至氣室中的O2濃度達(dá)到最低值 (O2幾乎被完全排出) 關(guān)閉氮氣開關(guān)，并將每個氣室單獨隔開，使空氣從下層氣室進(jìn)入，通過土樣向上擴(kuò)散，最終到達(dá)裝有O2探頭的上層氣室，即可測定土壤中氣體的擴(kuò)散率。定義Dp/D0為土壤相對氣體擴(kuò)散率，Dp代表土壤中氣體擴(kuò)散系數(shù)，D0是大氣中的氣體擴(kuò)散系數(shù)。Dp是氣體相對濃度Cr關(guān)于時間t的線性函數(shù)的斜率[19]，D0是關(guān)于氣壓 (P) 與溫度 (T)的函數(shù)[20]。計算公式為：
圖 2 土壤相對氣體擴(kuò)散率裝置示意圖Fig.2 Schematic diagram of soil relative gas diffusivity
式中：Ct是氣室內(nèi)t時刻O2濃度 (%)；Ca是大氣O2濃度 (%)；C0是氣室 O2初始濃度 (%)。Ds是一個關(guān)于D0在T0=293.15 K、P0=1.013× 105Pa 時的參考值，取值為1.47 × 10–5m2/s[21]，一般在 20℃，D0取值為2× 10–5m2/s。
土壤飽和導(dǎo)水率采用定水頭自下供水法，如圖3所示。根據(jù)達(dá)西定律計算[22]為：
圖 3 土壤飽和導(dǎo)水率裝置示意圖Fig.3 Schematic diagram of soil saturated hydraulic conductivity
式中：Ks為飽和導(dǎo)水率 (cm/min)；q為?t時間的滲流量 (cm3/min)；l為環(huán)刀中土體高度 (cm)；?h為環(huán)刀中土樣上下面水勢差 (cm)；A為環(huán)刀中土體橫截面面積 (cm2)。
1.4 數(shù)據(jù)分析與繪圖
試驗數(shù)據(jù)采用Excel 2010進(jìn)行整理和計算，采用SPSS 22對數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析 (one-way ANOVA)，如果差異顯著 (P＜0.05)，再用 LSD 法進(jìn)行多重比較，采用Origin 2016繪圖。
2 結(jié)果與分析
2.1 不同耕作和覆蓋措施對土壤質(zhì)量含水量的影響
不同耕作與覆蓋措施對春玉米收獲期剖面土壤質(zhì)量含水量有顯著影響 (圖4)。與CT處理相比，TS和TWP處理0—40 cm土層土壤平均質(zhì)量含水量分別顯著增加了2.6%和5.3%，但CT處理在0—10 cm土層顯著高于TS、TP和TWP處理。與NT處理相比，NS、NP和NG處理耕層土壤平均質(zhì)量含水量分別增加14.8%、3.5%和11.3%，NS、NP和NG處理0—40 cm土壤平均質(zhì)量含水量分別增加了4.5%、1.3%和5.6%，且在0—10 cm土層差異達(dá)到顯著水平。NS和NP處理0—40 cm土層土壤平均質(zhì)量含水量分別比相同覆蓋措施下的TS和TP處理高2.7%和3.4%。
圖 4 不同耕作覆蓋措施下玉米收獲期各層土壤質(zhì)量含水量Fig.4 Soil mass water content in different soil layers under different tillage and mulching methods at maize harvest
2.2 不同耕作和覆蓋措施對土壤容重和總孔隙度的影響
不同耕作覆蓋措施對春玉米收獲期剖面土壤容重和總孔隙度影響顯著，呈現(xiàn)出隨著土壤深度的增加，土壤容重增加、總孔隙度降低的趨勢 (圖5、表2)。與CT處理相比，TS、TP和TWP處理使0—10 cm土層土壤容重分別顯著增加了6.3%、10.6%和16.1%。與NT處理相比，NP處理使0—10 cm土層土壤容重增加了4.7%，而NS和NG處理則分別降低了8.7%和7.1%，且差異均達(dá)到顯著水平。NT、NS和NP 處理耕層 (0—20 cm) 土壤容重高于相同覆蓋措施的CT、TS和TP處理，而20—40 cm土層土壤容重低于相應(yīng)的傳統(tǒng)耕作處理。
圖 5 不同耕作覆蓋措施下玉米收獲期各層土壤容重Fig.5 Soil bulk density in different soil layers under different tillage and mulching methods at maize harvest
表 2 不同耕作覆蓋措施下玉米收獲期各層土壤總孔隙度 (%)Table 2 Soil porosity in different soil layers under different tillage and mulching methods at maize harvest
在0—10 cm土層，與CT處理相比，TS、TP和TWP處理土壤總孔隙度分別顯著降低了4.6%、8.5%和12.7%，與NT處理相比，NS和NG處理土壤總孔隙度分別顯著增加了8.4%和7.0%，且所有處理土壤的總孔隙度顯著高于其余土層。在10—20 cm土層，TS處理土壤總孔隙度最大，達(dá)到48.25%，顯著高于TP、NS和NP處理。在20—30 cm土層，TP處理土壤總孔隙度顯著低于其他處理。在30—40 cm土層，CT處理土壤總孔隙度顯著高于TS、TP、TWP處理，NT處理顯著高于NS、NP、NG處理。NT、NS和NP 處理耕層 (0—20 cm) 土壤總孔隙度低于相同覆蓋措施的CT、TS和TP處理，而在20—40 cm土層，土壤總孔隙度高于相應(yīng)的傳統(tǒng)耕作處理。
2.3 不同耕作和覆蓋措施對土壤導(dǎo)氣率的影響
不同耕作與覆蓋措施對剖面土壤導(dǎo)氣率有顯著影響 (表3)。在0—10 cm土層，與CT處理相比，TP和TWP處理分別顯著提高了54.1%和99.5%，TS處理比CT處理土壤導(dǎo)氣率降低了0.5%，兩個處理間差異不顯著。與NT處理相比，NP處理土壤導(dǎo)氣率顯著降低了33.7%，NS和NP處理與NT處理間差異不顯著。對比相同覆蓋條件下翻耕、免耕處理，土壤的導(dǎo)氣率表現(xiàn)為：CT＞NT、TS＞NS、TP＞NP，其中TP處理土壤導(dǎo)氣率與免耕處理NP之間差異達(dá)到顯著水平。在10—40 cm土層，與CT處理相比，TWP處理土壤導(dǎo)氣率平均提高了44.0%，且20—40 cm土層達(dá)到顯著水平，與NT處理相比，NS和NP處理土壤導(dǎo)氣率分別平均提高了17.9%和51.1%，且10—20 cm和30—40 cm土層差異達(dá)到顯著水平。隨著土壤深度增加，土壤導(dǎo)氣率逐漸降低，所有處理0—10 cm土層土壤導(dǎo)氣率顯著高于20—40 cm 土層。
表 3 不同耕作覆蓋措施下玉米收獲期剖面土壤導(dǎo)氣率 (μm2)Table 3 Soil air permeability in different soil layers under different tillage and mulching methods at maize harvest
2.4 不同耕作和覆蓋措施對土壤相對氣體擴(kuò)散率的影響
不同耕作覆蓋措施對剖面土壤相對氣體擴(kuò)散率有顯著影響 (表4)。在0—10 cm土層，與CT處理相比，TS和TWP處理土壤相對氣體擴(kuò)散率分別提高了28.7%和9.3%，與NT處理相比，NS和NP處理土壤相對氣體擴(kuò)散率分別提高了25.3%和19.4%，其中NS處理差異達(dá)到顯著水平，相同覆蓋條件下NT、NS和NP處理顯著高于 CT、TS和TP處理。在10—40 cm土層，與CT處理相比，TS和TWP處理平均土壤相對氣體擴(kuò)散率分別提高了42.0%和23.3%，其中TS處理在20—40 cm土層差異達(dá)到顯著水平，與NT處理相比，NS處理平均土壤相對氣體擴(kuò)散率提高了35.0%。TP處理與CT處理各層差異均未達(dá)到顯著水平，NG處理在耕層顯著低于NT處理，降低了42.1%。隨著土壤深度的增加，土壤相對氣體擴(kuò)散率大體呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢，除NG處理外，其余處理土壤相對氣體擴(kuò)散率均是在0—10 cm土層最高。
表 4 不同耕作覆蓋措施下玉米收獲期剖面土壤相對氣體擴(kuò)散率 (Dp/D0)Table 4 Soil relative gas diffusivity in different soil layers under different tillage and mulching methods at maize harvest
2.5 不同耕作和覆蓋措施對土壤飽和導(dǎo)水率的影響
不同耕作覆蓋措施顯著影響了土壤飽和導(dǎo)水率(表5)。在0—10 cm土層，與CT處理相比，TS、TP和TWP處理土壤飽和導(dǎo)水率分別降低了75.9%、18.7%和27.5%，其中CT與TS處理差異達(dá)到顯著水平；與NT處理相比，NS和NP處理土壤飽和導(dǎo)水率顯著提高了446.4%和145.2%。對比相同覆蓋條件下翻耕、免耕處理，土壤飽和導(dǎo)水率表現(xiàn)為：CT＞NT、TS＜NS、TP＜NP。在 10—40 cm 土層，與CT處理相比，TS、TP和TWP處理土壤飽和導(dǎo)水率分別平均提高了45.7%、128.3%和272.4%，且TP和TWP處理在10—20和30—40 cm土層差異達(dá)到顯著水平；與NT處理相比，NS和NG處理土壤飽和導(dǎo)水率分別平均提高了46.1%和20.5%。
表 5 不同耕作覆蓋措施下玉米收獲期剖面土壤飽和導(dǎo)水率 (cm/d)Table 5 Soil saturated hydraulic conductivity in different soil layers under different tillage and mulching methods at maize harvest
3 討論
3.1 耕作與覆蓋措施對收獲期土壤質(zhì)量含水量的影響
本研究結(jié)果顯示，與CT處理相比，春玉米收獲后TWP處理在0—10 cm土壤質(zhì)量含水量較低，但10—40 cm各層土壤質(zhì)量含水量均增加 (圖4)，這是因為表層土壤質(zhì)量含水量受降雨影響顯著，一方面地膜覆蓋阻擋雨水入滲，另一方面TWP處理春玉米長勢優(yōu)良，生育期消耗了表層更多的水分，從而造成表層(0—10 cm)土壤質(zhì)量含水量較低，全年覆膜可有效抑制土壤水分無效蒸發(fā)，提高降水潛在利用效率[8]，促進(jìn)植物根系對下層土壤水分的利用，造成下層土壤水分向土體上層運動[23]，補(bǔ)充了10—40 cm土壤水分。潘雅文等[4]研究指出，覆膜處理的淺層土壤質(zhì)量含水量均高于傳統(tǒng)耕作。這與本研究結(jié)果不同，可能是因為兩個試驗研究的時期不同，全年覆膜有利于改善作物生育期墑情。此外，相同覆蓋條件下免耕處理0—40 cm土層土壤平均質(zhì)量含水量高于傳統(tǒng)耕作處理 (圖4)。主要是由于傳統(tǒng)耕作多年翻耕使農(nóng)田形成了堅實的犁底層，同時耕層土壤過于疏松，加速了土壤水分蒸發(fā)，從而降低了土壤蓄水能力；相反，免耕減少了對土壤的擾動，因而保墑作用明顯[24]，并且有研究表明在相同覆蓋條件下免耕模式水分利用效率高于傳統(tǒng)耕作模式[25]。殷濤等[26]認(rèn)為免耕覆蓋能顯著提高表層土壤質(zhì)量含水量，而深層水分含量卻會降低；胡錦昇等[2]也發(fā)現(xiàn)了覆膜處理會顯著增加200 cm以下水分的消耗。這表明免耕覆膜雖然能改善表層土壤墑情，但作物蒸騰耗水的增加會導(dǎo)致深層土壤儲水量下降。
3.2 耕作和覆蓋措施對收獲期土壤容重和總孔隙度的影響
土壤容重和孔隙度可以調(diào)節(jié)土壤的緊實狀況，影響?zhàn)B分轉(zhuǎn)化，因此適宜的土壤容重和孔隙度有利于作物根系的生長發(fā)育[22]。相關(guān)研究表明，免耕有利于降低土壤容重，增大土壤孔隙度，改善土壤物理性狀[4,8-9]。本研究結(jié)果表明，與傳統(tǒng)耕作相比，免耕增加了0—20 cm土壤容重，但降低了20—40 cm土層土壤容重 (圖5)，這與鞏文峰等[27]的研究結(jié)果一致，主要是因為相比于傳統(tǒng)耕作，免耕沒有對0—20 cm耕層進(jìn)行每年的機(jī)械破碎翻耕，導(dǎo)致土壤容重增大，但是免耕對土壤擾動較少，有利于土壤穩(wěn)定性的提升，促進(jìn)了土壤中生物的活動[28]，一定程度上降低了深層土壤容重。
本研究免耕秸稈覆蓋和生草覆蓋相對于免耕不覆蓋可顯著降低0—10 cm土層的土壤容重，增加土壤總孔隙度 (圖5、表2)，這與相關(guān)研究對耕層土壤物理性質(zhì)得出的結(jié)論一致[5,29]。免耕秸稈覆蓋改變了土壤與大氣的界面層狀況，避免地表裸露，從而降低了外界對于土壤結(jié)構(gòu)的破壞，有效減少了土壤板結(jié)現(xiàn)象的發(fā)生，進(jìn)而降低了土壤容重，增大了土壤總孔隙度[29]。免耕生草覆蓋降低土壤容重可能是由于植物根系主要分布于0—10 cm的土層，改善了土壤結(jié)構(gòu)，促進(jìn)了有效毛管孔隙的增多，使得土壤表層容重下降。因此，免耕秸稈覆蓋和生草覆蓋對降低土壤容重，增加土壤總孔隙度效果顯著。
黃土旱塬玉米生長面臨降雨偏少且季節(jié)分布不均的問題[2,11]，現(xiàn)已成為制約玉米增產(chǎn)的主要因素。地膜覆蓋有效降低土壤水分蒸發(fā)，起到蓄水保墑的效果，已成為當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)發(fā)展的有效措施。但是長期地膜覆蓋卻增加了0—10 cm土層土壤容重，降低了土壤總孔隙度 (圖5，表2)，影響土壤質(zhì)量，主要是因為一方面地膜材料以聚乙烯為主，長期覆蓋后會導(dǎo)致地膜殘留在土壤中，人工清除費時費力，殘留不易降解從而阻塞土壤孔隙，導(dǎo)致土壤總孔隙度減小，容重增大[23,30]；另一方面長期覆膜可能會惡化表層土壤生態(tài)條件，加速土壤有機(jī)質(zhì)礦化，導(dǎo)致土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體和微生物數(shù)量等減少[31]。為了當(dāng)?shù)睾底鬓r(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，應(yīng)推廣使用可降解地膜，以達(dá)到增產(chǎn)增效、保護(hù)環(huán)境的目的。
3.3 耕作和覆蓋措施對收獲期土壤導(dǎo)氣率的影響
土壤導(dǎo)氣率是反映土壤導(dǎo)氣性的重要指標(biāo)，能夠充分反映土壤孔隙和土壤結(jié)構(gòu)特征[18,32]。在本研究中，翻耕覆膜TP和TWP處理提高了0—10 cm土壤導(dǎo)氣率，并且傳統(tǒng)耕作處理土壤導(dǎo)氣率高于相同覆蓋措施的免耕處理 (表3)，可能是因為長期翻耕增加了土壤大孔隙[33]，促進(jìn)了作物根系生長，隨著取樣環(huán)刀中土壤水分含量的降低，根系萎縮，沿根系生長方向孔隙逐漸增大，從而增加了土壤導(dǎo)氣率。而且Martínez等[16]研究表明，免耕措施可能會使表層土壤緊實，對土壤通氣性產(chǎn)生負(fù)面影響，這可能是免耕措施表層土壤導(dǎo)氣率低的原因之一。
相對于免耕不覆蓋，免耕秸稈覆蓋和生草覆蓋可提高10—40 cm土壤導(dǎo)氣率 (表3)。說明秸稈覆蓋能夠有效改善10—40 cm土壤孔隙結(jié)構(gòu)，加強(qiáng)土壤顆粒的團(tuán)聚作用[34]，使土壤孔隙連通性增加[17]，生草覆蓋增加了10—40 cm土壤生物活性，進(jìn)而增加了土壤生物大孔隙，改善了土壤通氣性[35]。秸稈或生草覆蓋的免耕條件下，良好的土壤導(dǎo)氣性既可以改善土壤肥力和土壤結(jié)構(gòu)，還可以減少土壤CO2和N2O排放，更好地保護(hù)土壤和大氣環(huán)境。
3.4 耕作和覆蓋措施對收獲期土壤相對氣體擴(kuò)散率的影響
免耕可促進(jìn)連續(xù)孔隙的形成，特別是生物孔隙的形成，對土壤的氣體運輸功能產(chǎn)生積極影響[36]。本研究發(fā)現(xiàn)相同覆蓋條件下免耕處理0—10 cm土層土壤相對氣體擴(kuò)散率顯著高于傳統(tǒng)翻耕處理 (表4)，但土壤導(dǎo)氣率卻低于傳統(tǒng)翻耕處理 (表3)，這可能是由于土壤導(dǎo)氣率主要反映的是依賴土壤表層大孔隙實現(xiàn)土壤空氣與大氣之間的對流運動，而土壤相對氣體擴(kuò)散率則反映的是依靠土壤毛管孔隙實現(xiàn)氣體交換的擴(kuò)散運動[16]，免耕處理表層土壤大孔隙較少而密布毛管孔隙，從而導(dǎo)致土壤導(dǎo)氣率低但土壤相對氣體擴(kuò)散率高。Berisso等[37]研究發(fā)現(xiàn)，農(nóng)機(jī)具對土壤的壓實作用會顯著降低土壤相對氣體擴(kuò)散率。這可能也是產(chǎn)生上述結(jié)果的原因所在。
秸稈覆蓋可明顯增加各層土壤相對氣體擴(kuò)散率(表4)，說明秸稈覆蓋可改善土壤孔隙結(jié)構(gòu)，促進(jìn)土壤空氣與外界的擴(kuò)散交換，提高土壤氣體擴(kuò)散能力。王秋菊等[31]研究顯示，秸稈覆蓋降低了直徑＞0.05 mm的大孔隙，增加了直徑0.05～0.002 mm的土壤有效孔隙。而且玉米秸稈本身的莖稈絮狀髓部經(jīng)過腐解為土壤微生物提供了良好的生活環(huán)境，改善了土壤空氣條件，從而促進(jìn)土壤氣體擴(kuò)散。
3.5 耕作和覆蓋措施對收獲期土壤飽和導(dǎo)水率的影響
土壤飽和導(dǎo)水率是決定土壤入滲和滲漏性能的主要因素[38]，相關(guān)研究顯示，傳統(tǒng)耕作條件下，覆蓋聚乙烯薄地膜會導(dǎo)致表層土壤孔隙度和透水性降低，進(jìn)而降低土壤飽和導(dǎo)水率[4,23,30]。本研究也發(fā)現(xiàn)這一現(xiàn)象，在0—10 cm土層，TP和TWP處理比CT處理土壤飽和導(dǎo)水率分別降低了18.7%和27.5%，然而，TP和TWP處理土壤飽和導(dǎo)水率在10—40 cm土層顯著增加 (表5)，造成這種現(xiàn)象的原因可能是長期覆膜導(dǎo)致地膜殘留在表層土壤中，阻塞了土壤中的導(dǎo)水孔隙，而且地膜覆蓋提高了地溫，加速了有機(jī)質(zhì)分解[4]，從而使0—10 cm土層土壤飽和導(dǎo)水率降低，但是覆膜也促進(jìn)了玉米根系的生長，改善了底層土壤條件，增加了土壤有機(jī)質(zhì)含量[23]，所以導(dǎo)致10—40 cm土層土壤飽和導(dǎo)水率增加。
相同覆蓋條件下，免耕NT、NS和NP處理在0—40 cm土層土壤平均飽和導(dǎo)水率高于傳統(tǒng)翻耕CT、TS和TP處理，其中NS處理在各層均高于TS處理，且除10—20 cm土層外均達(dá)到顯著水平 (表5)，這與張仁陟等[39]、彭正凱等[40]研究結(jié)果一致，主要是因為免耕條件能夠形成良好的土體結(jié)構(gòu)，使土壤有效毛管孔隙增多，而且孔隙連續(xù)不間斷，有利于水分的快速移動[39]。而免耕秸稈覆蓋表層土壤飽和導(dǎo)水率顯著高于其他處理，一方面是由于免耕秸稈覆蓋緩解了雨滴對地表的打擊，減緩了地表結(jié)皮發(fā)育，降低了土壤容重，提高了土壤水分入滲能力[41]；另一方面是由于秸稈覆蓋增加了土壤中有機(jī)質(zhì)的積累，促進(jìn)了玉米產(chǎn)生大量的根系分泌物，改善了土壤膠體狀況[4]。
此外，大量研究表明，在土壤含水量保持或者接近田間持水量時，土壤導(dǎo)氣率和飽和導(dǎo)水率之間存在對數(shù)關(guān)系[34,42-44]，而Masismelendez等[45]研究也發(fā)現(xiàn)，土壤飽和導(dǎo)水率與相對氣體擴(kuò)散率之間存在一定的對數(shù)關(guān)系。由于土壤含水量對土壤導(dǎo)氣率和相對氣體擴(kuò)散率影響顯著，而本研究是在收獲期采集原狀土測定的烘干土壤導(dǎo)氣率、相對氣體擴(kuò)散率，所以土壤含水量未保持在田間持水量水平，未能比較不同耕作、覆蓋處理下土壤導(dǎo)氣率、相對氣體擴(kuò)散率和飽和導(dǎo)水率之間的關(guān)系。土壤飽和導(dǎo)水率空間變異性較大，試驗操作繁瑣、費力、耗時大[43]，因此，今后應(yīng)開展相關(guān)試驗，將土壤含水量控制在某個固定水平，研究土壤導(dǎo)氣率、相對氣體擴(kuò)散率和飽和導(dǎo)水率之間的關(guān)系，以期利用土壤導(dǎo)氣率和相對氣體擴(kuò)散率值進(jìn)行土壤飽和導(dǎo)水率的推算。
4 結(jié)論
相同覆蓋條件下免耕處理有利于改善土壤水氣傳輸性狀，能夠增加土壤含水量，降低20—40 cm土層土壤容重，增加20—40 cm土層土壤總孔隙度，雖然降低了表層0—10 cm的土壤導(dǎo)氣率，但土壤相對氣體擴(kuò)散率和飽和導(dǎo)水率顯著增加。免耕條件下進(jìn)行秸稈覆蓋處理顯著提高了耕層土壤相對氣體擴(kuò)散率和飽和導(dǎo)水率，增加了下層20—40 cm土壤的導(dǎo)氣率，降低了土壤容重，增加了土壤總孔隙度和持水性，是免耕組中最優(yōu)處理。
傳統(tǒng)耕作條件下不同類型的地膜覆蓋均能增加耕層土壤導(dǎo)氣率、相對氣體擴(kuò)散率和飽和導(dǎo)水率，且全年覆蓋處理下增加了土壤持水性；秸稈覆蓋雖增加了耕層土壤相對氣體擴(kuò)散率，但是降低了土壤導(dǎo)氣率和飽和導(dǎo)水率。因此經(jīng)過綜合比較，傳統(tǒng)耕作條件下全膜覆蓋是適合該地區(qū)保持良好土壤剖面水氣傳輸能力的有效措施。
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