基于Meta分析的4種保護(hù)性耕作措施對(duì)東北春玉米生長(zhǎng)季農(nóng)田土壤水熱環(huán)境影響

崔文倩 趙 錦 楊曉光

(中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100193)

玉米是世界和中國(guó)第一大糧食作物?！爸袊?guó)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(guó)的33%，對(duì)保障中國(guó)糧食安全具有重要的戰(zhàn)略地位。然而，由于農(nóng)田常年采用翻耕或旋耕等傳統(tǒng)耕作技術(shù)，導(dǎo)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(jì)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(dá)14.7%，嚴(yán)重威脅國(guó)家糧食安全和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。秸稈覆蓋、少免耕、深松、淺耕等保護(hù)性耕作措施是一項(xiàng)能夠提高土壤質(zhì)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(yīng)用。合理區(qū)劃和推廣保護(hù)性耕作措施是科學(xué)用養(yǎng)東北黑土地、保障國(guó)家糧食安全的重要方面。

保護(hù)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(jié)構(gòu)改善的具體表現(xiàn)。同時(shí)，由于我國(guó)東北地處高緯度地區(qū)，溫度條件是區(qū)域保護(hù)性耕作措施推廣應(yīng)用中重要的限制條件。因此，研究保護(hù)性耕作措施對(duì)土壤水熱的影響是其推廣應(yīng)用的重要前提。國(guó)內(nèi)外研究表明，保護(hù)性耕作可增加土壤水分，長(zhǎng)期保護(hù)性耕作可顯著提高團(tuán)聚體的水穩(wěn)性，改善土壤結(jié)構(gòu)；玉米農(nóng)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(hù)性耕作對(duì)生長(zhǎng)季內(nèi)土壤溫度影響則主要有3種結(jié)論：降溫、增溫和高溫時(shí)降溫、低溫時(shí)增溫的調(diào)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(shí)土溫降低；華北地區(qū)實(shí)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(duì)0～10 cm土壤有顯著的增溫效應(yīng)。對(duì)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(duì)土壤溫度具有調(diào)節(jié)作用，有時(shí)表現(xiàn)出低溫時(shí)增加、高溫時(shí)降低的效果。

盡管圍繞保護(hù)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(diǎn)田間試驗(yàn)，研究結(jié)果受到試驗(yàn)地點(diǎn)、時(shí)間、氣候等因素的限制。Meta分析是一種對(duì)同類單個(gè)研究結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)的方法，能夠?qū)⑷舾瑟?dú)立研究的統(tǒng)計(jì)結(jié)果進(jìn)行綜合分析。本研究以東北(黑龍江省、吉林省、遼寧省及內(nèi)蒙古東四盟)為研究區(qū)域，應(yīng)用Meta方法探討4種保護(hù)耕作措施對(duì)春玉米生長(zhǎng)季內(nèi)農(nóng)田土壤水熱的影響，定量東北區(qū)域?qū)嵤┍Ｗo(hù)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(píng)價(jià)保護(hù)性耕作在東北玉米農(nóng)田實(shí)施的適宜性提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

通過(guò)中國(guó)知網(wǎng)(CNKI)、萬(wàn)方和維普等數(shù)據(jù)庫(kù)，分別輸入主題“玉米”，區(qū)域關(guān)鍵詞“東北”、“黑龍江”、“吉林”、“遼寧”、“內(nèi)蒙古”，耕作方式關(guān)鍵詞“保護(hù)性耕作”、“秸稈覆蓋”、“免耕”、“深松”和測(cè)定指標(biāo)關(guān)鍵詞“理化性質(zhì)”、“土壤溫度”、“土壤含水率”，共檢索到320篇文獻(xiàn)，為減少篩選文獻(xiàn)帶來(lái)的偏差，本研究所利用的文獻(xiàn)滿足以下條件：1)研究區(qū)域?qū)儆跂|北地區(qū)，包括東北三省(黑龍江、遼寧、吉林)和內(nèi)蒙古東四盟(圖1)；2)試驗(yàn)必須為田間定位試驗(yàn)，包括至少1對(duì)保護(hù)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(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)耕作方式)，且其他條件全部相同；3)研究結(jié)果為玉米生長(zhǎng)季內(nèi)的農(nóng)田土壤溫度和含水量；4)為保證作物正常生長(zhǎng)發(fā)育，播種后灌溉次數(shù)至多兩次；5)試驗(yàn)具有明確重復(fù)數(shù)；6)采樣層次為0～200 cm。在數(shù)據(jù)收集過(guò)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(yàn)地點(diǎn)、試驗(yàn)?zāi)攴荨⒆魑锓N類、試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果相同的文獻(xiàn)。

1.2 數(shù)據(jù)整理及分類

根據(jù)以上篩選標(biāo)準(zhǔn)，最終獲得44篇相關(guān)中文和英文文獻(xiàn)，可進(jìn)行保護(hù)性耕作分析的試驗(yàn)數(shù)據(jù)2 705對(duì)，4種保護(hù)性耕作措施的可分析樣本量見表1所示，文獻(xiàn)試驗(yàn)點(diǎn)分布見圖1。為了進(jìn)一步分析保護(hù)性耕作對(duì)東北地區(qū)玉米田土壤水熱的影響因素，本研究對(duì)篩選的數(shù)據(jù)進(jìn)行分組，利用分亞組Meta分析方法檢驗(yàn)?zāi)骋惶囟ㄓ绊懸蛩叵掠衩邹r(nóng)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(zhì)地根據(jù)國(guó)際制土壤質(zhì)地分類分為砂土、壤土、黏壤土和黏土，文章中未提供土壤質(zhì)地在中國(guó)土壤數(shù)據(jù)庫(kù)中根據(jù)區(qū)域搜索進(jìn)行補(bǔ)充；土壤水熱變化是一個(gè)連續(xù)的過(guò)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(zhǎng)發(fā)育進(jìn)程(5—10月)劃分為3個(gè)生育階段，即5—6月中旬，出苗至拔節(jié)為營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)階段(前期)；6月中旬—7月中旬，拔節(jié)至抽雄為營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)與生殖生長(zhǎng)并進(jìn)階段(中期)；7月中旬—10月上旬，抽雄至成熟為生殖生長(zhǎng)階段(后期)。

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

指標(biāo)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(diǎn)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(hù)性耕作措施對(duì)東北地區(qū)玉米農(nóng)田土壤水熱的影響，在搜集文獻(xiàn)時(shí)，玉米農(nóng)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(zhì)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(zhuǎn)化為土壤質(zhì)量含水量，計(jì)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(zhì)量含水量，%。

1

.

3

.

2

Meta分析Meta分析一般通過(guò)效應(yīng)指標(biāo)量化研究結(jié)果(數(shù)據(jù))所含的規(guī)律，在進(jìn)行通加權(quán)整合總結(jié)歸納同類研究的不同結(jié)果，進(jìn)而較直觀簡(jiǎn)略地表達(dá)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(hù)性耕作處理下玉米生長(zhǎng)季土壤溫度和含水量與傳統(tǒng)耕作處理下玉米生長(zhǎng)季度土壤溫度和含水量比值為響應(yīng)比，以響應(yīng)比的自然對(duì)數(shù)為效應(yīng)值(ln

R

)，通過(guò)式(4)計(jì)算：ln

R

=ln(

Y

/Y

)=ln

Y

-ln

Y

(4)

式中：

R

為響應(yīng)比；ln

R

為保護(hù)性耕作處理下玉米生長(zhǎng)季農(nóng)田土壤溫度或含水量的效應(yīng)值；

Y

為保護(hù)性耕作處理下玉米生長(zhǎng)季農(nóng)田土壤溫度或含水量值；

Y

為傳統(tǒng)耕作處理下玉米生長(zhǎng)季農(nóng)田土壤溫度或含水量。在獨(dú)立研究中搜集的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差缺失過(guò)多，而重復(fù)取樣檢驗(yàn)法有不用計(jì)算每一個(gè)研究效應(yīng)值的標(biāo)準(zhǔn)差獲得權(quán)重的優(yōu)點(diǎn)，且重采樣不受參數(shù)檢驗(yàn)分布假設(shè)的影響，故在許多情況下，比傳統(tǒng)的非參數(shù)檢驗(yàn)排列法效率更高。因此，本研究采用重復(fù)取樣檢驗(yàn)中的隨機(jī)檢驗(yàn)(randomization test)來(lái)決定一個(gè)統(tǒng)計(jì)量的顯著性水平，用靴襻法(bootstrap)給出統(tǒng)計(jì)量的95%置信區(qū)間(95% CI)。當(dāng)樣本量較小時(shí)，往往會(huì)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(shí)可用偏差校正法(bias-corrected method)來(lái)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(jì)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(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布函數(shù)；

Z

2為

α

在0.05顯著水平下的標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布Z檢驗(yàn)值，取1.96。若置信區(qū)間不包含0時(shí)，等價(jià)于

P

<0.05，既有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，表明該分類的保護(hù)性耕作處理對(duì)土壤水熱有顯著性影響，反之表示沒(méi)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(guò)式(6)計(jì)算得到與傳統(tǒng)耕作相比保護(hù)性耕作措施下土壤溫度和含水量的相對(duì)變化率：

Y

=(exp(ln

R

)-1)×100%

(6)

1

.

3

.

3

異質(zhì)性檢驗(yàn)異質(zhì)性廣義角度來(lái)講是系列獨(dú)立研究結(jié)果的變異和多樣性，或內(nèi)在真實(shí)性變異；狹義定義從統(tǒng)計(jì)學(xué)角度指?jìng)€(gè)體研究效應(yīng)量之間存在的差異變化。異質(zhì)性一方面來(lái)源于隨機(jī)誤差導(dǎo)致的研究?jī)?nèi)變異，另一方面來(lái)源于隨機(jī)效應(yīng)導(dǎo)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(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)，計(jì)算分組中所有獨(dú)立研究總(或平均)效應(yīng)值，即結(jié)合效應(yīng)值異質(zhì)性計(jì)算公式如下；權(quán)重選擇非參數(shù)權(quán)重，第

i

個(gè)獨(dú)立研究的權(quán)重

W

計(jì)算公式如下：

W

=(

b

×

b

)

/

(

b

+

b

)

(7)

結(jié)合效應(yīng)值

(8)

式中：

n

為研究數(shù)；

E

為第

i

個(gè)研究的效應(yīng)值。

每一個(gè)分組的結(jié)合效應(yīng)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(gè)研究的權(quán)重和效應(yīng)值。第

j

組的總異質(zhì)性

Q

：

(10)

式中各項(xiàng)代號(hào)的意義同上。

Q

可用自由度為

n

-1的分布來(lái)檢驗(yàn)其顯著性。在Meta分析中，分組間的差異程度可以將總異質(zhì)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(jié)合效應(yīng)值的差異，計(jì)算公式如下：

(12)

式中：

m

為分組數(shù)，其他代號(hào)同上。

Q

是各分組組內(nèi)異質(zhì)性的總和，計(jì)算公式如下：

(13)

Q

和

Q

都可用分布來(lái)檢驗(yàn)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(jìn)行，應(yīng)用Meta分析必須檢驗(yàn)多個(gè)獨(dú)立研究的合并統(tǒng)計(jì)量是否具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，當(dāng)95% CI上下限不包含0時(shí)，等價(jià)于

P

<0.05，即有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，表明該分類的保護(hù)性耕作對(duì)土壤水熱有顯著性影響，反之表示沒(méi)有顯著性影響。

2 結(jié)果與分析

2.1 保護(hù)性耕作對(duì)玉米農(nóng)田土壤水熱影響程度

東北春玉米農(nóng)田土壤含水量和溫度變化在4種保護(hù)性耕作措施下的結(jié)果見圖2?？芍号cCK相比，東北地區(qū)玉米農(nóng)田實(shí)施保護(hù)性措施導(dǎo)致生長(zhǎng)季內(nèi)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(yīng)依次為SM(7.63%)>NM(7.23%)>SN(3.70%)>NT(3.31%)，四者間無(wú)顯著差異。由圖2(b)可知：東北春玉米農(nóng)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(nóng)田土壤溫度(

P

<0.05)。

圖2 4種保護(hù)性耕作措施下春玉米農(nóng)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(hù)性耕作對(duì)玉米農(nóng)田土壤水熱的影響因素分析

保護(hù)性耕作對(duì)土壤含水量和溫度影響的分亞組組內(nèi)和組間異質(zhì)性分析見表2。保護(hù)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(nèi)有顯著性差異，亞組內(nèi)的顯著性由大到小依次為：土壤質(zhì)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(duì)亞組內(nèi)進(jìn)一步分析。保護(hù)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(nèi)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(zhì)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(hù)性耕作對(duì)土壤水含量和溫度影響的亞組內(nèi)和亞組間異質(zhì)性檢驗(yàn)
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(biāo)Categoricalvariables亞組Sub-group土壤含水量異質(zhì)性檢驗(yàn)Heterogeneity test on soilwater content土壤溫度異質(zhì)性檢驗(yàn)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(zhì)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(dú)立研究數(shù)；為組內(nèi)異質(zhì)性;為組內(nèi)異質(zhì)性顯著性檢驗(yàn)；為組間異質(zhì)性;為組間異質(zhì)性顯著性檢驗(yàn)。
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(hù)性耕作對(duì)土壤溫度的影響不同秸稈覆蓋量下保護(hù)性耕作對(duì)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(wú)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(wú)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(nóng)田土壤溫度的相對(duì)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(duì)變化率/%Relative change rate95%置信區(qū)間95% CI相對(duì)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(hù)性耕作對(duì)土壤含水量的影響不同土壤質(zhì)地下保護(hù)性耕作對(duì)土壤含水量的影響見圖3(a)?？芍喝劳临|(zhì)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(wú)顯著性差異。黏壤土質(zhì)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(wú)顯著性差異。黏土質(zhì)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(wú)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(yīng)逐漸增加。保護(hù)性耕作對(duì)不同土壤深度土壤含水量的影響見圖3(b)。可知：0≤

b

≤30 cm時(shí)，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(wú)顯著性差異。30<

b

≤100 cm時(shí)，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(wú)顯著性差異。100<

b

≤200 cm時(shí)，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(wú)顯著性差異。隨土壤深度的增加，SN的增濕效應(yīng)變化不大，SM的增濕效應(yīng)逐漸增加，NT、NM的增濕效應(yīng)逐漸降低。保護(hù)性耕作對(duì)不同生育期土壤含水量的影響見圖4(c)。可知：春玉米生育期前期，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(hù)性耕作增濕效應(yīng)由大到小依次為：SM、NM、NT、SN。不同年均氣溫下保護(hù)性耕作對(duì)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(yīng)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(wú)顯著差異。不同年降雨量下保護(hù)性耕作對(duì)土壤含水量的影響見圖3(e)。可知：在0≤

e

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

P

<0.05)，三者間無(wú)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(wú)顯著差異。

圖3 不同影響因素下保護(hù)性耕作對(duì)春玉米農(nóng)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(hù)性耕作對(duì)土壤含水量的影響見圖3(f)。可知：0<

f

≤3 000 kg/hm時(shí)，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(shí)，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(yīng)顯著高于NM(

P

<0.05)。6 000<

f

≤15 000 kg/hm時(shí)，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(hù)性耕作對(duì)東北玉米農(nóng)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(hù)性耕作(SM、NM、SN和NT)顯著增加了東北地區(qū)玉米農(nóng)田土壤含水量(5.93%，

P

<0.05)，這與已有研究在東北、內(nèi)蒙古、黃土高原一年一熟區(qū)和華北一年兩熟區(qū)的保護(hù)耕作技術(shù)增加土壤水分、改善土壤結(jié)構(gòu)的結(jié)論一致。保護(hù)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(dòng)和覆蓋秸稈，能減少地面徑流、提高土壤導(dǎo)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(wú)效蒸發(fā)；3)顯著提高表層土壤大團(tuán)聚體含量，降低微團(tuán)聚體含量，提高團(tuán)聚體的水穩(wěn)性，改善土壤結(jié)構(gòu)。其中，NT的增濕程度較小，這可能由于長(zhǎng)期實(shí)施NT，無(wú)土壤擾動(dòng)，降雨、凍融等自然因素會(huì)導(dǎo)致土壤緊實(shí)性增加，從而導(dǎo)致容重增加、孔隙度降低，阻礙水分的傳輸。而耕作活動(dòng)可改變土壤的持水和導(dǎo)水能力。東北地區(qū)玉米生長(zhǎng)季內(nèi)農(nóng)田的土壤溫度在保護(hù)性耕作下顯著降低(

P

<0.05)，這與Samuel等的研究結(jié)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(yáng)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(yáng)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?yàn)椋?)NT土壤擾動(dòng)小，顯著增加土壤水分含量，水分連續(xù)均勻分布，熱傳導(dǎo)快、蒸發(fā)強(qiáng)、蒸發(fā)潛熱損耗多，以致增溫慢；2)保護(hù)性耕作土壤擾動(dòng)小，土壤相對(duì)緊實(shí)，與空氣進(jìn)行氣體交換較少。已有研究表明保護(hù)性耕作有高溫時(shí)降溫、低溫時(shí)增溫的調(diào)節(jié)作用，此結(jié)論主要在保護(hù)性耕作對(duì)土壤溫度的日變化研究中出現(xiàn)，而本研究主要分析保護(hù)性耕作對(duì)土壤溫度在不同生育期階段的變化，因而保護(hù)性耕作對(duì)東北地區(qū)玉米農(nóng)田土壤溫度的日變化影響，還需進(jìn)一步研究。

3.2 保護(hù)性耕作對(duì)土壤水熱影響因素分析

3

.

2

.

1

保護(hù)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(yīng)隨秸稈覆蓋量的增加而顯著增加，這與王兆偉等研究結(jié)論：秸稈覆蓋可降低土壤溫度，且調(diào)控效果與秸稈覆蓋量的多少呈正比一致。當(dāng)覆蓋(3 000, 6 000] kg/hm秸稈時(shí)的SM措施的蓄水保墑效果最佳，這與分布在我國(guó)陜西和尼日利亞進(jìn)行的不同秸稈覆蓋量的試驗(yàn)結(jié)果一致。

3

.

2

.

2

保護(hù)性耕作下土壤含水量在土壤質(zhì)地、生育期、氣候要素的差異性分析

1)土壤質(zhì)地。土壤質(zhì)地是反映土壤物理特性的一個(gè)綜合指標(biāo)，常常是決定土壤蓄水、導(dǎo)水、保肥、供肥、保溫、導(dǎo)熱、通氣及其活動(dòng)等性能的主要因素之一。本研究表明，保護(hù)性耕作下土壤含水量在壤土、黏壤土和黏土質(zhì)地有一定程度增加，且土壤含水量的增濕效應(yīng)隨黏粒含量的增加而增大。這可能因?yàn)橥寥李w粒黏粒是形成團(tuán)聚體的物質(zhì)基礎(chǔ)，保護(hù)性耕作均有留茬覆蓋且覆蓋秸稈分解后形成的腐殖質(zhì)或非腐殖質(zhì)與黏粒結(jié)合形成微團(tuán)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(yīng)越大。土壤擾動(dòng)程度越強(qiáng)，土壤水分蒸發(fā)速度越快。雖然SN的土壤擾動(dòng)程度大于SM、NT和NM，但仍能增加土壤含水量，這是由于適當(dāng)?shù)母骺筛纳聘麑拥耐寥澜Y(jié)構(gòu)，調(diào)節(jié)土壤持水、導(dǎo)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(yīng)小于SM、NT、NM。

2)生育期。干旱是限制東北雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要?dú)庀鬄?zāi)害，而不同生育階段內(nèi)限制程度不同，其中營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)階段、營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)和生殖生長(zhǎng)并進(jìn)階段、生殖生長(zhǎng)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(hù)性耕作能增加玉米生長(zhǎng)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(yīng)在4種保護(hù)性耕作措施間(SM、NT、NM、SN)無(wú)顯著差異。因此，保護(hù)性耕作的實(shí)施能為春玉米全生育期提供更多的水分，減弱干旱對(duì)春玉米生長(zhǎng)的影響，增強(qiáng)玉米防御干旱災(zāi)害的能力，且實(shí)施4種保護(hù)性耕作措施中的任何一種，與CK相比都能提高農(nóng)田土壤含水量，增濕效應(yīng)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(nóng)田土壤含水量。

3)氣候要素。保護(hù)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(rùn)或半濕潤(rùn)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(shí)施保護(hù)性耕作，土壤含水量均有顯著增濕效應(yīng)。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(rùn)區(qū)、半濕潤(rùn)區(qū)過(guò)渡到干旱區(qū)，年均氣溫從10 ℃降至到0 ℃，從暖溫帶、中溫帶過(guò)渡到寒溫帶。因此，保護(hù)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(rùn)地區(qū)，在溫暖、濕潤(rùn)地區(qū)應(yīng)進(jìn)一步研究探討。

東北黑土地由于長(zhǎng)期輕養(yǎng)重用的種植方式導(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)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(jī)質(zhì)的損失、耕層變薄、犁底層增厚，加劇表層土壤的流逝和風(fēng)蝕，從而導(dǎo)致農(nóng)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(dāng)前玉米生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)高效和可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵之一。為保證數(shù)據(jù)結(jié)果準(zhǔn)確可靠，本研究分析了4種保護(hù)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(lái)還需要進(jìn)一步研究檢驗(yàn)。保護(hù)性耕作措施的實(shí)施對(duì)東北玉米農(nóng)田改善土壤結(jié)構(gòu)、調(diào)節(jié)土壤水熱、應(yīng)對(duì)氣候變化具有重要意義。未來(lái)將在本研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步探討保護(hù)耕作措施對(duì)玉米產(chǎn)量的可能影響，并制定保護(hù)性耕作在東北的適宜性區(qū)劃，為保護(hù)性耕作措施在區(qū)域上的推廣應(yīng)用提供支撐。

4 結(jié) 論

本研究應(yīng)用Meta分析研究表明，東北地區(qū)保護(hù)性耕作措施對(duì)玉米生長(zhǎng)季內(nèi)農(nóng)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(hù)性耕作均能顯著增加土壤含水量(

P

<0.05)，增濕效應(yīng)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(nóng)田土壤溫度(

P

<0.05)。

保護(hù)性耕作對(duì)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(shí)施保護(hù)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(shí)施SM、NM，在年均氣溫[5, 10] ℃可種植區(qū)實(shí)施NT，在(0, 500] mm可種植區(qū)實(shí)施SM，在[500, 1 000] mm可種植區(qū)實(shí)施NM時(shí)，土壤含水量增濕效應(yīng)最大。覆蓋(3 000, 6 000] kg/hm秸稈時(shí)，蓄水保墑效果最佳。