秸稈覆蓋對廣西甘蔗地土壤水分變化的影響

甘磊，鄧婉珍，陶渙壯，李帥，陳廷速，張建兵

摘要：【目的】研究秸稈覆蓋對廣西甘蔗地不同土層深度土壤水分時空連續變化的影響，以探求優化廣西甘蔗種植中土壤水分狀況的有效途徑?！痉椒ā扛收嵩囼炋镌O無秸稈覆蓋（T0）和秸稈覆蓋（TS）2個處理，常規耕作，并對試驗區的降水量及試驗田0～10 cm、10～30 cm和30～50 cm土層的土壤含水量進行連續動態監測，對比分析不同處理甘蔗地的土壤理化性質及土壤水分變化特征?！窘Y果】秸稈覆蓋可改善甘蔗地的土壤環境，提高土壤有機質含量，TS處理0～10 cm、10～30 cm和30～50 cm土層的土壤有機質含量較T0處理分別顯著增加42.8%、29.1%和45.4%（P<0.05，下同）;秸稈覆蓋同時可提高甘蔗地土壤的蓄水保墑能力，使土壤含水量顯著增加，TS處理0～10 cm、10～30 cm和30～50 cm土層的土壤含水量較T0處理分別顯著增加10.5%、16.0%和11.5%。在干旱缺水條件下，與T0處理相比，TS處理提高了0～50 cm土層土壤水分的向上供給，水分運動更活躍?！窘Y論】在廣西甘蔗種植中進行秸稈覆蓋可增加土壤有機質含量、降低土壤蒸散發，從而改善土壤水分條件和土壤環境，為甘蔗根系生長提供良好的土壤環境，值得在廣西蔗區推廣。

關鍵詞： 秸稈覆蓋;甘蔗地;土壤含水量;水通量;廣西

中圖分類號： S152.7? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標志碼： A 文章編號：2095-1191（2021）09-2438-09

Effects of straw mulching on the change of soil moisture in sugarcane field of Guangxi

GAN Lei1，2， DENG Wan-zhen2， TAO Huan-zhuang2， LI Shuai2，

CHEN Ting-su3， ZHANG Jian-bing4*

（1Guilin University of Technology/Guangxi Collaborative Innovation Center for Water Pollution Control and Safety in Karst Area， Guilin， Guangxi? 541004，China; 2Guilin University of Technology/Guangxi Key Laboratory of Environmental Pollution Control Theory and Technology， Guilin， Guangxi? 541004， China; 3Microbiology Research Institute， Guangxi Academy of Agricultural Sciences， Nanning? 530007， China; 4Nanning Normal University/Key Laboratory of Environment Change and Resources Use in Beibu Gulf， Nanning? 530001， China）

Abstract：【Objective】The effects of straw mulching on the spatiotemporal change of soil water in different depths of sugarcane field in Guangxi were studied to find an effective way to optimize the soil water condition in sugarcane field in Guangxi. 【Method】The experiment was conducted in a sugarcane field in Guangxi with two treatments：no straw mulching（T0） and straw mulching（TS）. Rainfall data during the experiment period as well as the soil water content at 0-10 cm，10-30 cm，and 30-50 cm depth of the fields were collected through continuous dynamic monitoring to analyze the change of soil moisture and the soil physical and chemical properties under different conditions. 【Result】Straw mulching could improve the soil environment of sugarcane field and improve the soil organic matter content. The organic matter content in TS in 0-10 cm，10-30 cm，and 30-50 cm depths significantly increased by 42.8%，29.1% and 45.4%，respectively compared with T0（P<0.05，the same below）. Meanwhile，straw mulching could improve the water retention ability of sugarcane soil and significantly enhance the soil moisture content. The soil water content under TS treatment was significantly increased by 10.5%，16.0% and 11.5%，respectively in 0-10 cm，10-30 cm and 30-50 cm depths. Compared with T0 treatment，TS treatment increased the soil upward water supply of 0-50 cm depth，which resulted into the more activewater movement during the water shortage. 【Conclusion】Straw mulching can reduce soil evapotranspiration and increase soil organic matter content，there by improving soil water conditions and soil environment in sugarcane planting in Guangxi， and provide a good soil environment for sugarcane root growth. It is also suggested that straw mulching is worth populari-zing in sugarcane cultivated areas of Guangxi.

Key words： straw mulching; sugarcane field; soil water content; water flux; Guangxi

Foundation item： National Natural Science Foundation of China（42067002，41761048）; Guangxi Natural Science Foundation（2016GXNSFAA380197，2019GXNSFDA245013）

0 引言

【研究意義】土壤是作物根系伸展、固持的介質，為作物的生長發育提供必要的水分與養分。在農業生產過程中，土壤含水量對于作物的生長及產量有著十分重要的影響（侯賢清等，2018）。適宜的水分條件可促進作物根系發育，為作物地上部分提供更多養分和水分，進而提高作物產量（謝金蘭等，2010），而土壤水分不足則會直接影響作物的生長速度及產量（蘇坎壇等，1988）。甘蔗產業是廣西農業經濟發展的重要產業之一，土壤水分條件對甘蔗產量有重要影響。因降水季節分配不均，廣西地區農業用水緊張（陸甲等，2015），加之桂中地區的水源涵養能力低，土壤貧瘠，阻礙了廣西甘蔗種植業的發展。因此，研究甘蔗種植中如何減少棵間蒸發，保住有限的土壤水分以供甘蔗生長需要，對廣西甘蔗產業的發展具有重要意義?！厩叭搜芯窟M展】合理的覆蓋方式有助于改善土壤的理化性質和土壤的水、肥、氣、熱狀況，有利于提高作物水分利用效率，對改善作物的生長環境具有重要意義（Morris et al.，2010;侯婷等，2019;李俊紅等，2021）。Guenet等（2012）研究表明，秸稈覆蓋能對土壤產生積極效應，增加土壤的礦質氮、全氮及有機碳含量。地膜覆蓋和秸稈覆蓋均可起到減少水分蒸發和增溫保水的作用（湯瑛芳等，2013;程宏波等，2016），秸稈覆蓋還能有效提升土壤速效養分和微生物活性（劉艷慧等，2016）。李昱鵬等（2019）在西北干旱半干旱地區對梨棗地土壤的研究中發現，秸稈與地膜覆蓋均能提高桶栽梨棗產量及改善梨棗的果實品質，且秸稈覆蓋的作用略優于地膜覆蓋;鄧浩亮等（2020）研究發現，秸稈覆蓋在隴中半干旱區春玉米的全生育期內保水效果顯著，而平地全地膜覆蓋不利于蓄集雨水，隨著春玉米生長中后期耗水的增加，平地全地膜覆蓋的土壤含水率低于露地平播;董云云等（2020）在半干旱區對農田土壤水分和大豆產量的研究中發現，地膜和秸稈覆蓋的增產和持水作用顯著，但地膜覆蓋存在膜布難降解的環境污染風險?？梢?，作物秸稈覆蓋還田，不僅可充當天然有機肥料，提高土壤肥力，還可減少水分蒸發，提高土壤含水量，促進作物對土壤水分的有效利用（張統帥等，2020）?！颈狙芯壳腥朦c】目前，國內關于秸稈覆蓋對土壤水分方面的研究多為單一時間和空間的土壤水分變化，而針對廣西地區甘蔗全生育期內秸稈覆蓋對甘蔗地土壤水分時空連續變化特征的研究較少?！緮M解決的關鍵問題】在廣西武鳴設無秸稈覆蓋處理和秸稈覆蓋處理的甘蔗試驗田，測定其土壤理化性質，長期連續監測不同土層深度的土壤含水量，分析土壤理化性質變化和水分變化特征，研究秸稈覆蓋對甘蔗地不同土層深度土壤水分時空連續變化的影響，以探求優化廣西地區甘蔗種植中土壤水分狀況的有效途徑。

1 材料與方法

1. 1 試驗區概況

試驗區位于廣西南寧市武鳴區的廣西農業科學院里建科學研究基地（東經108°02'、北緯23°14'）。試驗區地勢平坦，土壤母質主要為第四紀紅壤土，基部巖層主要為石灰巖;屬中亞熱帶季風氣候，夏季炎熱多雨，春秋季易旱，冬季溫暖少雨。武鳴區年平均氣溫為21.6 ℃;最熱為7月，平均氣溫為28.6 ℃;最冷月為1月，平均氣溫為12.8 ℃，年平均降水量約1304.2 mm，降水分配不均，多集中在4—9月，占全年總降水量的80%。

1. 2 試驗方法

試驗設2個處理：無秸稈覆蓋處理（T0）和秸稈覆蓋處理（TS）。試驗田常規耕作，耕作深度均為30 cm;2個處理面積均為200.0 m2，長20.0 m、寬10.0 m、行間距離0.9 m。甘蔗品種為桂柳05-136，按常規種植大田模式管理。其中秸稈覆蓋處理的覆蓋材料為機械粉碎后的甘蔗秸稈，覆蓋平均厚度3 cm。每處理開挖3個長、寬、深分別為60、60和50 cm的重復剖面，分別在0～10 cm、10～30 cm、30～50 cm土層深度處水平安裝水分探頭（Type ML3，Devices，Cambridge，UK）進行試驗田土壤水分的定位動態監測。所有探頭連接至數據采集器，水分監測數據每小時自動記錄一次。同時，試驗區內設Vantage PRO 2型氣象站以記錄降水量。

試驗時間為2017年1月1日—12月31日。試驗開始前在0～10 cm、10～30 cm、30～50 cm土層深度處采集環刀原狀土壤樣品，用于室內基本理化性質分析。參照《土壤物理實驗指導》的方法（程東娟和張亞麗，2012），采用吸管法測定原狀土壤質地，重鉻酸鉀法測定土壤有機質，環刀法測定土壤容重，并計算土壤總孔隙度，每個土層的各項指標重復測定5次。

土壤基質勢通過壓力膜儀測定結合RETC軟件擬合，根據van Genuchten方程（Van Genuchten，1980）計算，計算公式如下：

[θs-θrθ-θr] = [11+（ah）n] m? ? ?（1）

式中，h為土壤吸力，θs為飽和含水率，θr為殘余含水率，θ為體積含水率，α是與進氣吸力相關的參數，m和n為形狀系數。

參照Gan等（2012）計算0～50 cm土層土壤水通量，計算公式如下：

[q] = [Vθ]·[VLt2-t1]? ? ? ?（2）

式中，[q]為絕對水通量，[Vθ]為兩點之間的絕對含水量差（cm3?cm-3），[VL]為兩點之間的絕對距離（cm），t2-t1為兩次測量之間的時間（s）。土壤水通量方向根據水勢判斷。

1. 3 統計分析

試驗數據采用Excel 2016進行整理，以SPSS 25進行統計分析并進行差異顯著性檢驗，采用Origin 2018制圖。

2 結果與分析

2. 1 不同處理對土壤基本理化性質的影響

從表1可知，在土壤質地方面，TS與T0處理的砂粒含量均隨著土層深度的增加呈先增大后減小的變化趨勢，黏粒含量則相反，粉粒含量隨著土層深度的增加而增大;在0～10 cm土層中，2種處理的砂粒、粉粒和粘粒含量均差異不顯著（P>0.05，下同）;在10～30 cm和30～50 cm土層中，TS處理的砂粒含量顯著高于T0處理（P<0.05，下同），而T0處理30～50 cm土層的粉粒和黏粒含量均顯著高于TS處理。2種處理的容重均隨著土層深度的增加而增大，總孔隙度和有機質含量隨著土層深度的增加而減小，且TS處理0～10 cm、10～30 cm和30～50 cm土層的有機質含量均顯著高于T0處理，較T0處理分別提高42.8%、29.1%和45.4%。

2. 2 不同處理對土壤含水量的影響

圖1是不同處理0～50 cm土層的土壤含水量變化情況，圖中的斷點是因土壤水分探頭出現故障，對其進行剔除。由圖1可看出，試驗期間TS與T0處理各土層土壤含水量與降水量的變化趨勢基本一致，土壤含水量隨降水量的增大而增大，且TS處理的土壤含水量增幅更大。6月6日，降雨發生（49.0 mm）后，TS與T0處理的各土層土壤含水量分別增加12.0%～22.1%和8.8%～15.0%，TS處理的含水量增幅高出T0處理1.4～1.5倍。在0～10 cm土層中，甘蔗發芽期和幼苗期（2—5月上旬）生理需水不多，TS處理的土壤含水量明顯高于T0，但在甘蔗分蘗期、伸長期和成熟期期間（5月中旬—12月），甘蔗生長加快，生理需水增多，土壤水分消耗變大，TS與T0處理的0～10 cm土層土壤含水量差異不明顯。在10～30 cm和30～50 cm土層中，整個試驗期間均表現出TS處理的土壤含水量高于T0處理。

從表2不同處理土壤含水量的統計值可知，T0和TS處理30～50 cm土層的平均土壤含水量均最高，10～30 cm土層次之，0～10 cm土層最低，而含水量變化幅度則是0～10 cm土層最大，30～50 cm土層次之，10～30 cm土層最小;各土層TS處理的含水量變化幅度均小于T0處理;TS處理0～10 cm、10～30 cm和30～50 cm土層的土壤平均含水量均顯著高于T0處理，較T0處理分別增加10.5%、16.0%和11.5%。

2. 3 不同處理對土壤水勢的影響

結合圖1和圖2可看出，不同處理下的土壤水勢變化趨勢與土壤含水量變化趨勢基本一致。在0～10 cm、10～30 cm和30～50 cm土層中，TS與T0處理的土壤水勢變化趨勢基本一致，但T0處理的土壤水勢波動幅度相對較大。在0～10 cm土層中，發芽期和幼苗期期間TS處理的土壤水勢明顯高于T0處理，而分蘗期、伸長期和成熟期期間TS處理的土壤水勢僅略高于T0處理，其中降雨缺乏期（4月）T0處理的土壤水勢下降變幅明顯大于TS處理;在10～30 cm和30～50 cm土層中，整個試驗期間TS處理的土壤水勢高于T0處理，且T0處理的土壤水勢下降變幅大于TS處理，在伸長期和成熟期期間無降雨的情況下尤為明顯。在T0處理條件下，甘蔗發芽期和幼苗期期0～10 cm土層的土壤水勢明顯低于10～30 cm和30～50 cm土層，分蘗期、伸長期和成熟期期0～10 cm和30～50 cm土層土壤水勢無明顯差別;在TS處理條件下，0～10 cm、10～30 cm和30～50 cm土層的土壤水勢整體無明顯差異。

2. 4 不同處理對土壤水通量的影響

圖3為不同處理0～50 cm土層的土壤水通量變化情況，土壤水通量值大于零表示土壤水分運動方向向上，土壤水通量值小于零表示土壤水分運動方向向下。從圖3可看出，在甘蔗發芽期和幼苗期（1—5月），TS處理向上的水通量值明顯小于T0處理，且TS處理的土壤含水量高于T0處理，TS與T0處理的土壤水通量值大部分為正值，甘蔗地土壤水分處于消耗過程中。在甘蔗分蘗期和伸長期前期（5—7月），T0處理的向下土壤水通量值波動幅度大于TS處理。在甘蔗伸長期的中后期（8—10月），TS處理的土壤水通量上下波動幅度大于T0處理。在甘蔗成熟期（11—12月），TS與T0處理的土壤水通量上下波動幅度小，土壤水分運動平緩。

土壤水通量受降雨影響，在高溫多雨（6月13—16日，降雨量150.2 mm）的情況下，2種處理的土壤水通量方向向下且波動幅度較大;在高溫無雨（9月13—20日）的情況下，2種處理的土壤水通量波動幅度較小，但TS處理的土壤水通量方向向上，土壤水分向上運動，T0處理的土壤水通量方向向下，水分運動方向相反。

3 討論

土壤水分是土壤中能量與物質交換循環的重要載體，也是聯系土壤—植被—大氣系統的重要影響因子，對土壤性質、植物生長及區域生態系統均有重要影響（Qiu et al.，2011）。土壤含水量特征及其垂直分布受降雨情況影響較強烈，且在0～10 cm土層中的土壤含水量對降雨脈沖響應最劇烈（陳敏玲等，2016）。本研究結果表明，土壤含水量隨著降雨的變化而變化，在甘蔗發芽期和幼苗期，降雨較少且強度較小，T0與TS處理的土壤含水量波動幅度較小，其中0～10 cm土層中的土壤含水量波動幅度大于10～30 cm和30～50 cm土層;在分蘗期和伸長期，降雨較多且強度較大，T0與TS處理的土壤含水量波動幅度大。馮永建等（2010）研究表明，降雨量是影響土壤水勢變化的主要因素，與本研究中土壤水勢隨降雨量變化產生明顯波動的結果一致，當降雨量增大時，土壤水勢也隨之增大。在有較多降雨補充時，TS與T0處理的土壤水通量方向向下，說明此時的土壤水分可滿足甘蔗的生長需求、葉片蒸騰及土壤蒸發損耗。而在無降雨補充的時候，TS與T0處理的土壤水通量方向基本向上，說明該情況下廣西地區甘蔗種植中土壤水分整體向上運動，水分處于消耗過程，需在甘蔗地實施一定的灌溉，以彌補水分的消耗，保持土壤水分。蘇坎壇等（1988）發現甘蔗早灌溉能獲得更多的生長量，利于積累糖分，提高含糖量。Gan等（2018）研究表明CHL（Clock Hand Lateral）灌溉系統具有水利用效率高、適用性強且價格低廉的優點，適合用于廣西甘蔗旱地種植中。在0～50 cm土層中，T0處理的土壤含水量低于TS處理，則T0處理條件下可能需要更多的灌溉水，而TS處理所需灌溉水可能更少，進而達到節水效果。

李艷等（2015）研究表明，秸稈覆蓋會明顯降低土壤的蒸散發，減少土壤水分的無效損耗，進而發揮蓄水保墑作用。Chang等（2019）也發現秸稈覆蓋能顯著提高土壤含水量并降低地溫，促進作物生長發育。本研究中，在0～10 cm、10～30 cm和30～50 cm土層中，TS處理的土壤含水量顯著高于T0處理，分別較T0處理增加10.5%、16.0%和11.5%，為甘蔗生長發育提供了相對充足的水分條件，說明在廣西地區甘蔗種植中秸稈覆蓋處理增強了雨水入滲能力，改善了土壤的持水能力，進而增強土壤的保水效果。秸稈覆蓋可阻礙土壤空氣與大氣的交換，降低覆蓋區潛熱通量輸運率，顯著減少水分蒸發量，且覆蓋層能減少雨滴濺蝕表層土壤，利用降水積蓄下滲（林超文等，2010;Behzadnejad et al.，2020）。另外，土壤水分狀況同時受降雨、蒸發、覆蓋、植物根系等外部因素的影響（劉繼龍等，2019）。深層土壤不與大氣相接觸，受太陽輻射等外界因素影響較小，土壤水分蒸發強度隨土層深度的增加而減弱（張明忠等，2007），從而使下層的土壤水分得到保持，因此土壤含水量表現為土層越深含水量越大。2017年4月降雨量少，為干旱期，T0處理的0～10 cm土層土壤水勢下降變幅遠大于TS處理，說明秸稈覆蓋對干旱條件下的土壤具有較好的保墑效果，與吳慶華等（2009）關于秸稈覆蓋對土壤水動態影響的研究結果一致。在甘蔗分蘗期和伸長前期，T0處理的向下土壤水通量值下降更多，可能是因為之前干旱少雨的情況下，T0處理的土壤蒸發更多，土壤含水量更低。在甘蔗伸長中后期，一方面TS處理的向上土壤水通量大于T0處理，說明秸稈覆蓋處理供甘蔗生長水分更多;另一方面TS處理的向下土壤水通量大于T0處理，說明秸稈覆蓋處理利于水分入滲保持。而TS處理的土壤水通量波動幅度略大于T0處理，說明TS處理的土壤水分運動較活躍，即秸稈覆蓋在廣西甘蔗種植中水分運移通暢，流通性好，可為甘蔗生長和水分保持提供更好的土壤環境。這很可能是因為進行秸稈覆蓋后能促進土壤團聚體形成，增加土壤團聚體含量（張志毅等，2020），提高團聚體比例，增強土壤團聚性（Fu et al.，2020），且能在一定程度上提高土壤孔隙度，逐漸改善耕層土壤連通性，有利于土壤水分上下運動（Tao et al.，2015;Yan et al.，2018）。甘蔗在伸長期以后，根系主要集中在20～30 cm土層中，主要吸收20～30 cm土層的水分（吳炫柯等，2013），在干旱缺水（9月13—20日）條件下，T0處理0～50 cm土層的土壤水通量向下，而TS處理的土壤水分向上運動，表明在干旱條件下，T0處理的深層土壤含水量低，深層土壤水分無法向上供給，而進行秸稈覆蓋處理后，可更好地調動下層水分向上供給，以供甘蔗生長發育利用，從而說明秸稈覆蓋處理可改善深層土壤調蓄水分的能力，促進土壤水分的有效利用。

農業生產過程是一個能量轉換的過程，農作物在生長發育過程中需不斷消耗能量。因此，在農作物生長過程中需改良土壤結構，不斷調節土壤的水肥含量，不斷補充能量，以供作物生長吸收和利用。魯天平等（2015）研究發現，深溝秸稈覆蓋可使土壤孔隙度提高11.2%～20.0%，改良土壤結構，促進植物生長。本研究發現，秸稈覆蓋降低了各土層的土壤平均容重，提高了土壤總孔隙度，說明在廣西甘蔗種植中秸稈覆蓋有助于改良土壤物理性狀，增強土壤的持水性能，促進根系對土壤水分的吸收，利于根系的發育。秸稈覆蓋還可增加土壤的有機質和養分含量，培肥地力。潘雅文等（2016）在陜西的長期定位試驗中研究發現，持續秸稈覆蓋還田可有效增加耕層土壤有機質、全氮和速效磷含量。本研究同樣發現，粉碎的秸稈經過一段時間腐蝕降解作用后，轉化為有機質和速效養分，與無秸稈覆蓋處理相比，秸稈覆蓋處理顯著增加土壤有機質含量，進而改善了土壤化學性狀。同時，土壤肥力增加有助于提高土壤孔隙連通性，促進作物根系生長，以更好地吸收深層土壤水分（Naveed et al.，2014）。

前人研究表明，深松施肥（馬陽等，2019）、粉壟（陳曉冰等，2019）、壟作覆膜（趙凱超等，2019）在改良土壤結構、提高土壤含水量、促進作物生長及增產等方面效果明顯，秸稈覆蓋（梅四衛等，2020）也可提高土壤養分和水分利用效率，增加玉米產量。在水土保持方面，秸稈覆蓋能顯著減少飛濺侵蝕，減少水土流失，加強土壤團聚性（Gholami et al.，2013）。本研究結果表明，在廣西甘蔗種植中，通過秸稈覆蓋提高了甘蔗地0～50 cm土層中的土壤含水量和有機質含量，并降低了土壤容重。因此，秸稈覆蓋可較好地改善土壤理化性質，進而增強土壤蓄水能力，同時能較好的調動下層土壤水分運動，有助于提高甘蔗對土壤水分的有效利用率，為甘蔗生長提供更好的土壤環境。

4 結論

廣西地區甘蔗種植時進行秸稈覆蓋可改善土壤的理化性質及土壤水分條件。秸稈覆蓋后土壤有機質明顯增加，土壤總孔隙度也略微增加，有利于降水入滲，減少土壤水分的無效散發，增強對深層土壤水分的調蓄能力，增加甘蔗全生育期0～50 cm土層的土壤含水量，提高土壤的蓄水保墑能力，進而為甘蔗生長提供相對充足的水分條件，為甘蔗根系生長提供良好的土壤環境，值得在廣西蔗區推廣。

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（責任編輯 王 暉）