降雨特性和覆盖方式对麦田土壤水分的影响.pdf

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第28卷第13期农业工程学报2012年7月TransactionsoftheChineseSocietyofA鲥culturalEngineering、，01．28NO．13Jul．2012113降雨特性和覆盖方式对麦田土壤水分的影响刘战东1,2,3高阳1,2刘祖贵也，段爱旺啦※(1．中国农业科学院农田灌溉研究所，新乡453003：2．农业部作物需水与调控重点开放实验室，新乡453003；3．中国农业科学院研究生院，北京100081)摘要：为探明不同降雨特性和覆盖方式对冬小麦七壤水分的影响，利用人工模拟降雨器，模拟40和60mm／h2种降雨强度，在大田设置地膜覆盖(PM)、秸秆覆盖(覆盖量分别为l500、4500、7500和10500kg／hm2，即SMl5、SM45、SM75和SMl05)，同时设置无覆盖处理作为对照(CK)，研究不同降雨强度和覆盖方式对雨后冬小麦O～60cm土层土壤水分分布和降雨土壤蓄积量的影响。结果表明：模拟降雨前各覆盖处理上壤含水率均比CK高，其中0～20cm土层土壤含水率差异显著(PSM75>SM45>SMl5>CK>PM，其中SMl05和SM75均显著高于CKfP10～20、>20～30、>30～40、>40～50和>50～60em。不同覆盖方式模拟降雨前及雨后第1天各测定土壤水分1次。1．3．2数据统计和分析采用MicrosoftExcel2007软件处理数据和制图，采用DPS软件进行统计分析。2结果与分析2．1覆盖方式对雨前麦田土壤水分的影响由表1可知，各种覆盖条件下各土层土壤含水率存在差异。地膜、秸秆覆盖处理与对照处理(CK)平均土壤含水率差异主要体现在O～20cm土层，降雨前，2次土壤初始含水率测定结果显示，SMl05的O～20锄土层土壤含水率与CK间存在极显著差异(尸SM75>SM45>SMl5，SMl05与各覆盖处理问存在显著差异泸20～60cm土层土壤含水率与其他处理间差异均达到显著水平(P<0．05)；拔节后>20～60cm土层不同处理之间的土壤含水率无显著性差异，这可能是拔节后由于冬小麦冠层覆盖度增大，抵消了不同处理间的覆盖影响差异。在不同测定时期，CK的0～60cm土层土壤平均含水率均最低。拔节前，SMl5、SM45、SM75和SMl05的O～60cm土层土壤含水率较CK分别提高3．65％、5．23％、4．64％和15．91％，且SMl05与CK间的差异达到极显著水平(P40～60cm以下土层变化较小。2种降雨强度条件下，0～60cm土层平均土壤含水率较前期土壤初始含水率增幅差异明显；PM、SMl5、SM45、SM75、SMl05和CK在60mm／h降雨强度下，2个生育期平均分别增加94．21％，101．83％，102．04％，105．66％，97．41％，104．47％，而在40mm／h降雨强度下，2个生育期平均分别增加69．58％，77．50％，80．3l％，8326％，81．62％，81．76％。2．3覆盖方式对麦田土壤水分变化的影响试验结果表明，不同时期模拟降雨冬小麦不同覆盖条件下各土层深度土壤含水率的变化规律基本一致，同种降雨强度条件下，不同覆盖处理可以不同程度的增加耕层土壤含水率，秸秆覆盖量越大，其增加效果越明显。由图l可知，在冬小麦拔节前，40mm／h降雨强度下，SMl05的0～60cm各土层土壤含水率均有大幅度增加，与土壤初始含水率相比，两者差异达到显著水平(尸<0．05)；SM75除>50～60cm土层土壤含水率降雨前后差异不显著外，其他土层差异均达到显著水平(尸40～60cm土层土壤含水率都很稳定，基本上未得到上层土壤的降雨入渗补给，差异不显著。60mm／h降雨强度下，SMl05、SM75、SM45和CK的0～60cm各土层土壤含水率均有大幅度增加，与土壤初始含水率相比，两者差异达到显著水平(尸50～60cm土层土壤含水率差异不显著。由图2可知，在冬小麦拔节后，40mm／h降雨强度下，SM75和SMl05的O～40cm各土层土壤含水率均有大幅度增加，与土壤初始含水率相比，两者差异达到显著水平(尸<0．05)，>40～60cm土层土壤含水率变化差异不显著；其他处理O～30cm土层土壤含水率降雨前后差异达到显著水平(JP<0．05)，>30～60cm土层土壤含水率差异不显著。60mln／h降雨强度下，SMl05、SM75和SM45的O～60cm各土层土壤含水率均有大幅度增加，与土壤初始含水率相比，两者差异达到显著水平(尸<0．05)；SMl5和CK的O～40cm土层土壤含水率降雨前后差异达到显著水平(尸<0．05)，>50～60cm土层土壤含水率差异不显著；PM仅在O～40cm土层土壤含水率降雨前后差异达到显著水平(P<0．05)，其他土层土壤含水率差异不显著，这表明地膜覆盖由于其透水性较差，在一定程度上阻断了土．气界面不断地进行水分传输，因此其土壤含水率变化相对较小。另外，该阶段在30cm土层以下，个别处理土壤含水率出现不同程度小幅减少，这可能是由于冬小麦植株正处于营养与生殖并进阶段，根系吸收水分较大，冬小麦此阶段耗水量大，因而造成土壤水分减少。2．4不同降雨强度下各覆盖处理降雨土壤蓄积量由表2和表3可知，相同降雨历时，降雨强度越大，降雨量越多，转化成土壤水就越多。60mm／h降雨强度下，拔节前、后各处理平均0～60cm土层分别有48．81和43．67mm降雨转化为土壤水；40mm／h降雨强度下，拔节前、后各处理平均O～60cm土层分别有33．57和28’2lmm降雨转化为土壤水。同等降雨条件下，不同覆盖方式O～60cm土层降雨土壤蓄积量有着显著性差异。2种雨强条件下，覆盖秸秆能显著增加土壤的降雨入渗量，o～60cm土层降雨土壤蓄积量规律2个生育阶段表现一致，即SMl05>SM75>SM45>SMl5>CK>PM，SMl05和SM75间无差异，SM45、SMl5和CK间无差异，但SMl05和SM75均显著高于SM45、SMl5和CK敝O．05)，而PM相对于CK差异显著(P20～30cm土层秸秆覆盖处理降雨土壤蓄积量与CK间差异不显著，而PM和CK差异达到显著水平(P<0．05)；当在30cm土层以下时，PM降雨土壤蓄积量最小，与CK差异不显著，拔节前不0加如加∞如∞暑P型鞋巡一m∞如∞Eu、掣醛逆叫 第13期刘战东等：降雨特性和覆盖方式对麦田土壤水分的影响117同秸秆覆盖处理>30～50锄土层降雨土壤蓄积量增加明显，SMl5、SM45、SM75和SMl05较CK分别增加17．96％、32．63％、134．13％和182．63％，其中SM75、SMl05和CK间差异均达到显著水平(P50～60锄土层降雨入渗量减少．除SMl05和CK间的土壤蓄水量差异显著外(尸<0．05)，其他处理与CK差异均不显著：拔节后不同秸秆覆盖处理30～60crrl土层降雨土壤蓄积量增加不明显，除在>30～40c1Tl土层SMl05与CK间差异达到显著水平(尸<0．05)外，其他处理在该土层与CK差异均不显著，并且40cm以下各覆盖处理间的差异均不明显。表2拔节前不同覆盖处理40和60mm／h降雨强度下麦田降雨土壤蓄积量Table2Rainfallstorageamountofsoilat40and60mm／hrainfallintensityconditionsfordifferentcovetingtreatmentsbeforejointingperiodmmN／(mm．h。)士层深度／cmPMSMl5SM45SM75SMl05CKO～lO>IO～20>20～3040>30～40>40～501I．15士1．58a8．43-+-2．4Ia4．48±1．13b1．534．0．33c0．70：L-0．47c12．504．1-40a10．ts士O，53a6．8l士I，30a3-4D0．56b0．53士045e13，2I±o．70a9．67士J．26a6．17±1．06ab3．27士O85bl，16士1．07e1289士l41119．83a1．90a6．544．0．60a4．764．0．42a3．06±1．23b12．55士1．42a8．72士2．36a6．47士1．55ab5．32士0．71a4．124．0．28a12．25±1．36a1o．5啦1．36a6．00±0．15ab2．82土0．96e0．52z：0．49G>50～600，27土0．16be-0．66"±0．50c0．014．0．48bc0．66±075b2．6，士1．57a一0．24=：-0．50beO～1013．86c-0．37ab16．114．2．28a15．33士o．80a1508±055a12．04±0．42b15．144．0．14a>lO～20>20～3060>30～40>40～5011．43土o．23abe8．52士o．52a5．14,x-0．94b4．2I：tO．37bc1I．96士l，64ab9．07士o．76a5．23i0．39b3．78士O．59ell，95士o．77ab9，20i-0．80a6．62．-t0．42u4．434．0．6lbe12．50±-0．57a9．21-0．57a6．32±I．12ab6．08士O．65a9．74±-0．66c8．49e0．75a6．76士0．85a5．27±O．82ab】0．454．047bc8．14士0．82a6．1S士o．39ab5．6l士o．59a——三竺二竺!：!!!!：!!!!：!竺!：!：!!：!!竺：!竺!：：竺：：竺兰竺：!!!!：!!兰!：!!!!襄3拔节后不同覆盖处理40和60mm／h降雨强度下麦田降雨土壤蓄积量Tab3．Rainfallstorageamountofsoilat40and60mm／hrainfallintensityconditionsfordifferentcovetingtreatmentsaRerjointingpetiodmill雨强／(mm-h-I)土层深度IcmPMSMI5SM45SM75SMl05CK0r10t241士o．37a13．61"2．00a14，20±1．53a13．6钍1．14a14．9l±I．78a14．38i0，13a40>10～20>20～30>30～40>40～508．62：t：1．13a1．82士1．25e-0A7i-0．07cn13±0．2轴9．38士1．54a4．644．0．94ab0．25±1．52be．0．19士I12a9．43士093a4．46：1：199ab1．574．2．55abe0．32-±0．26a9．34±0．63a5．77士1．55a2，12士o．49ab0．714．0．37a9．384．0．6la6．09+0．73a3．34±-062a0434．I．26a9．384．003a4．58．±0．26ab0．964．0．47bc0．46士0，6Ia．三!!二竺：!：!!竺兰!!：!：!竺：!!!：!：!竺：!：!：!：!型：竺!竺：!兰!：竺!：!：!!竺：竺!0～1015．69±0．95ab15．42士l，30b17．21±-0．71a1S．89-；-0．48abI5．20--士035b17．22：1：1．25a>10～20>20～3060>30～40>40～50II．784．1．43ab7．81±1．18a3，57士1．28b．O．12士o69d10．49土l73ab7．2缸0．26ab5．24-20．92ab3．54士0．95blI．39士0．98ab7．78士1．20a5．654．0．71a2．24-+-0．58e10．084．0．4lbc5．794．1．16b5．38：}0．48a5．62士026a9．12士0．5Ic7．914．0．88a5．414．I．36a5．124．0．89a12．鹊l士1．63a7．84-．加．73a4．82土=0．62曲2．87±0．37bc>50～60．0．944．0．85c1．564．I．17bc-I．254．122c4．00-±0．52ab4．75士O．37a-0．78±3．46c·_______________‘⋯。_-____·_______--________一在60mm／Il降雨强度下，0～20cm土层受土壤初始含水率影响明显，SMl05土壤初始含水率较高，土壤库容相对小，其降雨土壤蓄积量明显低于CK(Jp20～40cm土层各覆盖处理降雨土壤蓄积量与CK相比差异不明显；40cm土层以下，拔节前>40～50cm土层SM75、SMl05降雨土壤蓄积量与CK相比差异不显著，其他处理与CK间差异显著(尸50～60锄土层SM75、SMl05降雨土壤蓄积量与CK相比差异显著(P40～50cm土层PM、SM75、SMl05降雨土壤蓄积量与CK相比差异显著(JP<0．05)，其他处理与CK间差异不显著，>50～60cm土层SM75、SMl05降雨土壤蓄积量与CK相比差异显著(P40～60cm土层土壤含水率低于土壤初始含水率，这表明地膜覆盖冬小麦不仅不能有效增加土壤水分，反而因其强烈蒸腾作用而使作物拔节后期土壤水分处于较低水平，这与王俊等【I6】试验研究结果相一致。另外，从图l和图2还发现，SM75和SMl05在60mm／h降雨强度条件下降雨入渗明显超过60cm土层，可见试验中取土深度过浅是本文不足的地方，今后研究中亟待改进。冬小麦植株冠层结构大小与其生长进程相关，拔节期是冬小麦营养生长阶段，拔节后植株冠层明显大于拔节前，因而受植株冠层降雨截留的影响，不同生育阶段降雨土壤蓄积量差异明显。相比大雨强(60mm／h)，小雨强(40mm／h)条件下相同覆盖处理2个生育阶段变化幅度较大，这说明降雨强度小，雨滴动能小，植株冠层拦截雨量能力较强【l91。对于冬小麦农田降雨入渗，除受上述因素影响外，显然还受降雨初始土壤含水率的影响【20】。试验中各覆盖处理模拟降雨前初始土壤含水率并不一致，在土壤水库容一定和试验中降雨强度对土壤入渗性能影响较小(未明显发生产流)的前提下，降雨量相同，土壤初始含水率越低，降雨入渗土层越浅；土壤初始含水率越高，降雨入渗土层越深。对旱地农业而言，降雨是其唯一外来水源，通过本试验发现，采取覆盖能够有效的保持土壤水分，有利于减少无效蒸发，增强降雨蓄积和利用，从而改善冬小麦生长的环境条件，提高了降雨利用效率，特别是秸秆覆盖，通过增加土壤有机质，增强土壤蓄水能力，改善土壤结构㈣，增加深层入渗，从而提高土壤含水率[21-22】。另一方面，也有研究表明IS,Is]，秸秆具有吸水性，降雨时可能延缓雨水的入渗，这样，秸秆覆盖对土壤含水率的影响就可能不完全是正面效应，关于这一方面的问题还有待于做更细致、深入的研究。4结论1)不同覆盖处理对表层0～20om土壤含水率影响较大，在冬小麦拔节前、后2个生育阶段所有覆盖处理的20cm土层土壤含水率均比CK高；>20～60cm土层的各处理土壤含水率差异受覆盖影响较小，除拔节前SMl05与CK差异均达到显著水平外，其他处理与CK间差异不显著；拔节后各处理土壤含水率差异不明显。2)不同覆盖处理2种降雨强度下对麦田土壤水分垂直分布的影响，主要表现为，同一覆盖处理，相同降雨历时，60mm／h降雨入渗深度和入渗量明显高于40mm／h。同一降雨强度秸秆覆盖量越大，降雨入渗影响土层深度越深。3)秸秆覆盖具有明显增加入渗的作用。试验表明，模拟降雨试验条件下，秸秆覆盖量与降雨土壤蓄积量成正相关关系，SM75、SMl05与CK差异分别达到显著水。隅⋯山㈣也H¨¨¨U。他⋯山兰m⋯⋯仆禹。，．。一。隅⋯⋯山 第13期刘战东等：降雨特性和覆盖方式对麦田土壤水分的影响119平(JP<0．05)，这表明，实际生产中，秸秆覆盖量超过7500k蚰m2后，对冬小麦降雨入渗利用起到明显促进作用，具有较好的蓄水保墒效果。4)降雨土壤蓄积量差异受植株冠层影响明显。同等降雨条件下，同一覆盖处理拔节前降雨土壤蓄积量大于拔节后的；另外，相比降雨强度60mm／h，降雨强度40mm／h条件下相同覆盖处理2个生育阶段变化幅度较大。[参考文献]【1】林超文，罗春燕，庞良玉，等．不同覆盖和耕作方式对紫色士坡耕地降雨土壤蓄积量的影响[J】水土保持学报，2010，24(3)：213—216．LinChaowen，LuoChanyan，PangLiangyu。eta1．Influenceofmulchingandtillagemethodsontherainfallstoragebysoilinpurplesoilarea[J[．JournalofSoilandWaterConservation。2010，24(3)：213—216．(inChinesewithEnglishabstract)【2】许翠平，刘洪禄，车建明，等．秸秆覆盖对冬小麦耗水特征及水分利用效率的影响【J】．灌溉排水学报，2002，21(3)：24—26．XuCuiping，LiuHonglu，CheJianming，eta1．Effectsofstrawmulchonwaterconsumptionandwateruseefficiencyinwinterwheat[J[．JournalofIrrigationandDrainage，2002，21(3)：24—26．(inChinesewithEnglishabstract)【3】武继承，管秀娟，杨永辉．地面覆盖和保水剂对冬小麦生长和降水利用的影响【J】．应用生态学报，2011，22(1)．86—92．WuJicheng，GuanXiujuamYungYonghui．Effectsofgroundcoverandwater-retainingagentoilwinterwheatgrowthandprecipitationutilization[J[．ChineseJournalofAppliedEcology。2011，22(1)：86—92．(inChinesewithEnglishabstract)【4】LeonardJ，Aneelino，LudwigB，e￡a1．Analysisofthedynamicsofsoilinfiltrabilityofagriculturalsoilsfromcontinuousrain—fall．rauofrmeasurementsonsmallplots[J[．JournalofHydrology，2006，326(1／2／3／4)：122—134．【5】王兆伟，郝卫平，龚道枝，等．秸秆覆盖最对农田土壤水分和温度动态的影响【J】．中国农业气象，2010，3l(2)：244—250．WangZhaowei．HaoWeiping，GongDaozhi，eta1．Effectofstrawmulchamountondynamicchangesofsoilmoistureandtemperatureinfarmland[J[．ChineseJournalofAgrometeorology，2010，3l(2)：244--250．(inChinesewithEnglishabstract)【6】张杰，任小龙，罗诗峰，等．环保地膜覆盖对土壤水分及玉米产量的影响【J】．农业工程学报，2010，26(6)：14一19．ZhangJie，RenXiaolong，LuoShifeng，cta1．Influencesofdifferentcoveringmaterialsmulchingonsoilmoistureandcornyield[J[．TransactionsoftheChineseSocietyofAgriculturalEngineering(TransactionsoftheCSAE),2010，26(6)：14—19．(haChinesewithEnglishabstract)[7】蔡太义，贾志宽，孟蕾，等．渭北早塬小问秸秆覆盖景对土壤水分和春玉米产量的影响m．农业工程学报，201l，27(3)：43--48．CaiTaiyi，JiaZhikuan，MengLei，eta1．EffectsofdifferentratesofstrawmulchonsoilmoistureandyieldofspringmaizeinWeibeiHiighlandareaofChina[J[．TransactionsoftheChineseSocietyofAgriculturalEngineering(TransactionsoftheCSAE)，201l，27(3)：43--48．(inChinesewithEnglishabstract)【8】刘婷，贾志宽，张睿．等．秸秆覆盖对旱地土壤水分及冬小麦水分利用效率的影响[J】．西北农林科技大学学报：自然科学版，2010，38(7)：68—76．LiuTing。JiaZhiKuan，ZhangRui，etal，E髓ctofstrawmulchingollsoilmoistureandwateruseefficiencyofwinterwheatindrylandlJ|．JournalofNorthwestAgricultureandForestUniversity：Nat．Sci．Ed．，2010，38(7)：68--76．(inChinesewithEnglishabstract)[9】李毅，邵明安．人工草地覆盖条件下降雨入渗影响因素的实验研究fJ】．农业工程学报，2007，23(3)：18—23．LiYi．ShamMing’fin．Experimentalstudyoilinfluencefactorsofrainfallandinfiltrationunderartificialgrasslandcoverage[f1．TransactionsoftheolmeseSocietyofAgriculturalEngineering(TransactionsoftheCSAE)，2007，23(3)：18—23．(inChinesewithEnglishabstract)[10】王晓燕，高焕文，杜兵，等．保护性耕作的不同因素对降雨入渗的影响【J】．中国农业大学学报，2001，6(6)：42—47．WangXiaoyan。GaoHuanwfn，DuBing，eta1．RainfallinfiltrationrelatedtodifferentconservationtillagefactorsfJ]．JournalofChinaA鲥culturalUniversity,200l，6(6)：42--47．rinChinesewithEnglishabstract)[1l】李时霞，郝明德．李鹏，等．模拟降雨条件下不同材料覆盖对水分入渗特征的影响[J】．水上保持研究，2004，9(3)：46—47．LiLixia,HaoMingde．LiPeng．etat．Differentmaterialseffectoninfiltrationundersimulatedrainfall[J[．ResearchofSoilandWaterConservation，2004，9(3)：46—47．(inChinesewithEnglishabstract)[12】王育红，姚宇卿，吕军杰．残茬和秸秆覆盖对黄土坡耕地水土流失的影响[J]．干旱地区农业研究，2002(4)：109—111．WangYuhong，YamYuqing，LuJunjie．EffectofstubbleandSll'awmulchonsoilandwatererosiononloessslopeland[J[．AgriculturalResearchintheAridAreas．2002(4)：109一“1．finChinesewithEnglishabstract)【13】郑文杰，郑毅，MAFullen，等．模拟降雨条件下秸秆编织地表覆盖物对土壤侵蚀和小麦产量的影响Ⅲ．土壤通报，2006，37(5)：969—972．ZhengWenJie，ZhengYi，MAFullen，eta1．EfleetsofRiceStrawCoveringNetonSoilErosionandWheatYieldunderSimulatedRainfall[J]．ChineseJournalofSoilScience，2006，37r51：969--972．(inChinesewithEnglishabstract)【14】唐涛，郝明德，单风霞．人工降雨条件下秸秆覆盖减少水土流失的效应研究[J1．水土保持研究，2008，15(1)-"9一11．TangTam，HamMingde，ShanFengxia．Effectsofstrawmulchapplicationonwatt"lossandsoilerosionundersimIulatedrainf甜l[J1．ResearchofSoilandWaterConservation，2008。15(1)：9一l1．(inChinesewithEnglishabstraet)【15】刘立晶，高焕文，李洪文．秸秆覆盖对降雨入渗影响的试验研究[J1．中国农业大学学报．2004，9(5)：12一15．LiuLijing，GamHuanwen．LiHongwen．Experimentalstudy彻effectofmulchcoveronrainwaterinfiltration[J[．JournalofChinaAgrieulturalUniversity，2004，9(5)：12—15．(．mChinesewithEnglishabstract)【16】王俊，李风民，宋秋华，等．地膜覆盖对土壤水温和春小麦产量形成的影响【J】．应用生态学报，2003，14(2)：205--210． 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