免耕、秸秆覆盖技术可改善土壤理化性状、增加土壤有机质含量、调节土壤水分和温度。国外研究者认为,在一般的气候和水分条件下,免耕、覆盖保护性耕作都比传统的耕作方式增加土壤蓄水量,提高了水分利用效率;并在作物生长关键时期调节了土壤温度。国内在不同区域的研究表明免耕、秸秆覆盖土壤含水量较传统耕作高。黄高宝等研究了免耕、秸秆覆盖对黄土高原西部旱地麦田土壤温度的影响,认为与传统耕作相比,免耕秸秆覆盖可以稳定土壤温度。近年来,内陆河绿洲灌区农田生态环境倍受关注,黄高宝等通过田间试验和风洞试验研究结果认为,本地区春小麦改种冬小麦并采用免耕、秸秆覆盖等保护性耕作技术可减少农田土壤风蚀发生可能性。在该区域开展的关于免耕及免耕秸秆覆盖对农田耕层土壤水分和温度的效应研究相对较少。本文在多年田间试验基础上,研究了免耕和免耕秸秆覆盖对冬小麦农田土壤耕层水分和温度的影响及其相互关系,以期为内陆河绿洲灌区冬小麦保护性耕作技术体系提供理论依据。

1 　材料与方法

1. 1 　试区概况

定位试验于2004 年9 月在甘肃省武威市凉州区黄羊镇开始布置。该地区位于甘肃河西走廊东端,东经103°5′,北纬37°30′,属冷温带干旱区,是典型的大陆性气候,日照充足,春季多风沙,夏季有干热风。平均海拔1 776 m ,降水年际变化不大,但季节变化较大,多年平均降水量160 mm 左右,主要集中在7 、8 、9 月份,冬春季干旱,降水无法满足作物生长需要。蒸发量2 400 mm ,干燥度5. 85 ,年平均气温7. 2 ℃,一月最低平均气温- 27. 7 ℃,七月最高平均气温34. 0 ℃。≥0 ℃积温为3 513. 4 ℃; ≥10 ℃积温为2 985. 4 ℃。全年无霜期156 d , 绝对无霜期118 d ,年日照时数2 945 h 。土壤以荒漠灌淤土为主,粉沙壤质,土层深厚,基本状况如表1 所示。

1. 2 　试验设计

试验设置3 个处理,如表2 所示。3 次重复,共9个小区,小区面积108 m2 (27 m×4 m) ,随机区组排列。

本试验于2006 年9 月开始布置,试验地前茬作物为春小麦。秸秆还田处理覆盖小麦秸秆6 750kg/hm2 , 冬小麦9 月中旬播种, 播种量252. 5kg/ hm2 ,各处理均用2BMFS - 5/ 10 型免耕覆盖施肥播种机播种。每公顷施纯N 150 kg ,纯P2O5 150kg。各处理分别在苗期(11 月4 日) 、拔节期(5 月7日) 、抽穗期(5 月29 日) 、灌浆期(6 月14 日) 灌水,灌水量分别为1 500 、1 350 、1 050 和900 m3/ hm2 ,全生育期灌水4 800 m3/ hm2 。

1. 3 　测定方法

1. 3. 1 　土壤含水量测定　冬小麦播种前(2006 年9月16 日) 和收获后(2007 年7 月15 日) 用烘干法分0～10 、10～20 、20～30 、30～50 、50～80 、80～110 、110～130 、130～150 cm 8 个层次测定土壤含水量。冬小麦返青后(3 月下旬) 每隔10～15 d 测定土壤含水量,0～10 、10～20 、20～30 cm 采用烘干法,30～150 cm 每10 cm 一个层次采用中子水分仪法。

1. 3. 2 　土壤温度测定　2007 年冬小麦返青后至成熟,每天8∶00 、14∶00 和18∶00 用地温计在地表(0cm) 和距离地表5 、10 、15 、20 、25 cm 测定不同层次土壤温度,0～25 cm 土壤温度为各层次的平均值。土壤温度也可以通过土壤温湿度记录仪测定。

2 　结果与分析

2. 1 　不同耕作措施对冬小麦播种前后土壤剖面水分的影响

近年来,不同生态区域的研究结果认为,免耕结合秸秆覆盖可提高小麦、玉米等农田土壤含水量。本试验不同耕作措施冬小麦播前收后土壤剖面水分变化如图1 所示,无论是冬小麦播种前还是收获后,在0～150 cm 土层深度范围内,各处理表土层(0～10 cm) 土壤含水量均低于深层,在0～90 cm 土层深度范围内免耕(NT) 、免耕秸秆覆盖(NTS) 土壤含水量高于传统耕作( T) 处理。播种前0～60 cm 土层深度范围内NT、NTS 处理土壤含水量高低与变化趋势表现出高度的一致性。冬小麦收获后,此时正值当地气温最高的季节,0～150 cm 土层深度范围内土壤含水量平均值的高低顺序为:NTS > NT > T ,其中NTS 处理0～10 cm 土壤含水量较NT、T 处理分别高19. 4 %和31. 2 %。说明免耕秸秆覆盖较传统耕作可以提高0～150 cm 土壤剖面的含水量,可能是由于覆盖秸秆抑制了土壤水分蒸发的结果,这对蒸发量较大的绿洲灌区作物生产有很重要的意义。

2. 2 　不同耕作措施对土壤含水量动态变化的影响

冬小麦返青至成熟0～150 cm 土层深度范围内土壤含水量动态变化如图2 所示,0～150 cm 土壤含水量变化趋势基本一致,灌水使0～30 cm 土壤含水量的变化幅度明显大于30～150 cm 变化幅度。从冬小麦返青到成熟,NTS 处理0～30 cm 土壤含水量均高于NT 和T 处理,这种优势在冬小麦进入灌浆时期表现的更突出; 在30～150 cm 范围内,NTS 处理土壤含水量明显高于NT 和T 处理。在0～150 cm 范围内NTS 处理平均土壤含水量较NT和T 处理高0. 21 %和0. 23 %;NT 和T 处理土壤含水量的高低变化表现出高度的一致性,说明免耕秸秆覆盖抑制了土壤水分的蒸发;免耕不覆盖对土壤含水量影响不大。

2. 3 　不同耕作措施对土壤温度动态变化的影响

冬小麦返青至成熟0～25 cm 土层深度的土壤温度平均值变化如图3 所示,由图可以看出,NTS和NT 处理从冬小麦返青至成熟0～25 cm 土壤温度平均值均低于T 处理,并且NTS 和NT 处理在冬小麦生长前期对土壤温度的影响较小,拔节以后随着气温的逐渐升高, 土壤温度明显低于T 处理,NTS 和NT 处理此期间土壤温度的高低和变化趋势表现出高度的一致性,这可能是由于小麦拔节以后进入生长旺盛季节,免耕处理对土壤含水量影响更加明显,进而显著影响了土壤的导热性所致。冬小麦返青至成熟0～25 cm NTS 和NT 处理土壤温度平均值较T 处理分别低2. 8 ℃和2. 6 ℃,这是免耕处理影响土壤物理性状和土壤水分的表现。低的8∶00 NTS 处理各层次平均温度比T 处理高;而在白天气温最高的14∶00 NTS 处理较T 处理低,NT 处理介于T 处理和NTS 处理之间。在气温回落的18∶00 NTS 处理各层次平均温度又高于T 处理。这说明免耕秸秆覆盖处理可以稳定土壤温度,随着气温的升降,土壤温度升降变化较免耕处理和传统耕作处理慢,这与黄高宝等在黄土高原半干旱区的研究结果是一致的。

有研究认为,地温与土壤含水量有密切关系,土壤含水量高低直接影响热量的传递。本试验为了进一步探讨不同耕作措施条件下耕层(0～25 cm)土壤含水量与土壤温度的关系,对其进行相关分析(如图6) ,结果表明土壤含水量与土壤温度存在显著负相关关系( r = - 0. 748 3 ) ,这可能与不同耕作措施条件下土壤水分含量存在差异,使土壤在不同含水量条件下的导热存在差异有关。

3 　结　论

冬小麦返青至成熟,在0～150 cm 土层深度范围内免耕秸秆覆盖处理土壤平均含水量较免耕和传统耕作处理高0. 21 %和0. 23 %;免耕对土壤含水量影响不大。冬小麦收获后,0～150 cm 土层深度范围内土壤含水量平均值的高低顺序为:免耕秸秆覆盖> 免耕> 传统耕作。冬小麦返青至成熟期间,无论晴天还是阴天0～25 cm 土层范围内免耕秸秆覆盖处理土壤温度均低于免耕和传统耕作处理,免耕秸秆覆盖和免耕处理土壤温度平均值较传统耕作处理分别低2. 8 ℃和2. 6 ℃。免耕秸秆覆盖处理可以稳定土壤温度,随着气温的升降土壤温度变化较免耕处理和传统耕作处理慢。土壤含水量与土壤温度存在显著负相关关系,这可能与不同耕作措施条件下土壤水分含量存在差异,使土壤在不同含水量条件下的导热存在差异有关。关于温度对土壤水分运移的影响及其机理和不同耕作措施对水分利用效率的影响有待进一步深入研究。