水资源紧缺是限制农业生产的主要因素之一^[1-3]。土壤缺水会抑制作物生长，导致作物萎蔫甚至死亡，影响产量。将天然降水尽可能多地蓄积于土壤中供作物生长发育之用，对提高旱地作物产量至关重要^[4-5]。

采用合理的耕作措施，可蓄水保墒，提高土壤贮水能力，增加作物对水分的利用效率，提高产量。相关研究表明，通过深松打破犁底层，能改善土壤通透性，促进根系生长，增加土壤接纳降雨的能力，提高产量^[6-7]。但是在实际生产中，深松作业成本高、能耗大，且目前国内的深松机械存在容易堵塞、耕作质量不高等问题^[8]。深耕增加了土壤与外界环境的接触，使土壤能够容纳更多的雨水并增加土壤的储水能力^[9-10]。但是频繁翻耕会破坏土壤团聚体，并加速土壤微生物对有机质的消耗，导致土壤有机碳含量降低^[11-12]。秸秆常规还田可降低土壤容重^[13]，促进大团聚体形成^[14-15]，提高土壤含水量，提高水分利用效率^[16]。但是长期秸秆浅旋会导致犁底层上升、耕层变浅，水分下渗能力受到限制，影响土壤养分供应和作物根系的生长，进而影响产量^[17-18]，并且常规还田在实际生产中秸秆粉碎质量差、还田时耕翻深度低，还会导致耕层秸秆比例高且难腐解，会影响作物出苗，影响产量和品质^[19]。

本研究拟提出一种新的蓄水保墒的秸秆还田方式——土壤秸秆注孔。土壤秸秆注孔能在减少土壤扰动的前提下，打破犁底层，同时可以实现秸秆资源化利用，预计可以提高土壤蓄水保肥能力，提高土壤地力，改善作物生长环境，提高作物产量，提高水分利用效率。本试验通过研究土壤秸秆注孔对土壤含水量及作物生长的影响，明确土壤秸秆注孔的保水增产能力，为旱作农田增加雨水蓄集能力及提高水分利用效率提供理论依据。

1 材料与方法 1.1 试验区概况

试验设在天津滨海新区大港农场(38°44′15″N，117°13′48″E)。该地区属温带大陆性季风气候，滨海冲积平原，全年平均气温12 ℃，无霜期7个月。年均降雨量570~690 mm，但分布不均，70%集中在6—8月，年均蒸发量1 100 mm。土壤类型属盐化潮土，试验前耕层土壤基本性状为：有机质含量为14.96 g/kg，全氮含量为1.06 g/kg，水解氮含量为95.55 mg/kg，有效磷含量为4.80 mg/kg，速效钾为199.0 mg/kg，水溶性盐总量2.11 g/kg，pH值为8.45。试验前土壤0—20 cm土层含水量为12.88%，20—40 cm土层含水量为15.57%，40—60 cm土层含水量为20.11%，60—80 cm土层含水量为20.04%。

1.2 试验设计

试验共设置4个处理：①CK：常规种植。②T₁：秸秆注孔2孔/m²(钻孔孔距1.0 m×0.5 m)。③T₂：秸秆注孔4孔/m²(钻孔孔距0.5 m×0.5 m)。④T₃：秸秆注孔8孔/m²(钻孔孔距0.25 m×0.5 m)。每个处理占地面积40 m²(4 m×10 m)，重复3次，随机区组排列。土壤秸秆注孔是在田间利用打孔设备进行垂直打孔，打穿犁地层，然后将粉碎的秸秆填充在孔中、压实，再进行正常耕种。考虑到秸秆填充的方便程度、犁底层深和渗水速度等，根据前期预试验，确定本试验秸秆注孔的打孔深度为40 cm，直径2.5 cm，仅在最初玉米季打孔。秸秆用粉碎机粉碎，粒径0.5 cm以下，每孔填充秸秆0.11 kg(干基)，40 cm全部填充。作物种植时不考虑作物与注孔之间的位置关系，作物常规种植。施肥、播种等日常管理同农民习惯，玉米季和小麦季施肥量均为600 kg/hm²，玉米季供试肥料为新洋丰复合肥(含N 24%，P₂O₅ 10%，K₂O 14%)，小麦季供试肥料为鲁化复合肥(含N 25%，P₂O₅ 8%，K₂O 10%)。

试验时间为2019年6月至2020年6月。2019年6月3日土壤秸秆注孔，2019年6月5日播种玉米，玉米品种为郑单958，密度60000株/hm²，2019年10月10日收获；2019年10月20日播种冬小麦，冬小麦品种为津农6号，播种量300 kg/hm²，2020年6月5日收获。

1.3 测定项目与方法

试验期间分别在2019年6月24日、8月28日、10月10日、2020年4月28日、6月5日，采集表层土壤(0—20 cm)，并在作物收获期分4层(0—20, 20—40, 40—60, 60—80 cm)采集土壤样品。采用“S”形取样法，用土钻取土。每个小区设置4个采样点，将同小区同土层的土样混合后带回。采集样品各自混匀后用烘干法测定土壤含水量。

2019年10月10日收获玉米，每个小区选取具代表性的玉米植株8株，测量株高，晾干后称重，记录籽粒干重和秸秆干重。将8株玉米的籽粒干重用种植密度折算，即为该小区玉米的经济产量，将籽粒和秸秆的总干重用种植密度折算，即为其生物量。2020年6月5日收获冬小麦，每个小区设置1 m×1 m的样方，在样方中选取具代表性的小麦10株测量株高，将样方内小麦全部收割，晾干后称重，记录籽粒干重和秸秆干重。将1 m²小麦的籽粒干重按小区面积折算，即为该小区小麦的经济产量，将籽粒和秸秆的总干重按小区面积折算，即为其生物量。

根据作物经济产量、生育期降水量和耗水量计算降水利用效率和水分利用效率。公式分别为：

$\mathrm{PUE}=Y / P $

(1)

$ \mathrm{WUE}=Y / \mathrm{ET}$

(2)

式中：PUE为降水利用效率〔kg/(hm²·mm)〕；WUE为水分利用效率〔kg/(hm²·mm)〕；Y为作物经济产量(kg/hm²)；P为生育期降水量(mm)；ET为生育期耗水量(mm)。

生育期耗水量为作物整个生长期的灌溉水量、降水量、土壤贮水量的变化量的总和。玉米季末灌溉，小麦季于返青拔节期灌溉一次，灌溉水量60.0 mm。玉米季降水量371.6 mm，小麦季降水量195.1 mm。土壤贮水量计算公式为：

$W=w \times \rho_s \times h$

(3)

式中：W为土壤贮水量(mm)；w为土壤含水量(%)；ρ_s为土壤容重(g/cm³)；h为土层深度(mm)。

1.4 数据处理

试验采用SPSS 19.0对数据进行单因素方差分析，采用Duncan法进行多重比较，使用Excel 2020制图。

2 结果与分析 2.1 秸秆注孔对不同时期表层土壤含水量的影响

在不同时期，秸秆注孔均提高了表层土壤含水量(图 1)。试验结束时，T₁，T₂，T₃处理表层含水量与CK相比分别提高了16.39%，23.19%及18.20%。在2019年6月24日和2020年4月28日，土壤表层含水量随注孔密度的增加而增加。在2019年8月28日、10月10日和2020年6月5日，均为T₂处理表层土壤含水量最高，较CK分别提高了15.39%，12.24%，23.19%。在不同时期均为T₂或T₃处理土壤含水量最高。说明对于表层土壤，秸秆注孔能提高土壤保水能力，并且T₂，T₃处理的保水效果最好。

2.2 秸秆注孔对深层土壤含水量的影响

玉米季收获时，各处理土壤含水量均随土层深度的加深而逐渐增加，秸秆注孔T₁，T₂，T₃处理在0—60 cm土层中土壤含水量要高于CK，在60—80 cm，仅有T₂高于CK(图 2)。在40—60 cm土层T₂处理也有很高的含水量。这说明在玉米季秸秆注孔能提高土壤储水量，T₂处理的储水能力最强。

小麦季收获时，表层土壤含水量秸秆注孔各处理均高于CK，在20—80 cm土层，T₂，T₃处理含水量均明显高于CK(图 2)，底层土壤(60—80 cm)含水量与CK相比分别提高了29.19%和28.18%。T₂，T₃处理随着土层深度加深土壤含水量不断提高，且两者之间差异不显著。说明对于小麦季，秸秆注孔T₂，T₃处理能有效提高土壤储水量。

2.3 秸秆注孔对玉米、小麦株高的影响

秸秆注孔增加了玉米、小麦的株高，并且随着注孔密度的增加，株高逐渐增加(图 3)。秸秆注孔对小麦株高的提高效果比玉米更明显。玉米季秸秆注孔T₁，T₂，T₃处理相对CK分别提高株高2.35%，3.58%和6.19%，T₃处理株高显著高于CK。小麦季秸秆注孔T₁，T₂，T₃处理相对CK分别提高株高20.53%，32.11%，35.26%，各处理株高均显著高于CK。说明秸秆注孔能有效促进作物生长，提高作物株高。

2.4 秸秆注孔对玉米、小麦经济产量和生物量的影响

秸秆注孔提高了玉米的经济产量(表 1)，T₁，T₂，T₃与CK相比，分别提高玉米产量4.24%，9.70%及8.53%。T₂，T₃的玉米经济产量显著高于CK，但T₂，T₃之间差异不显著。T₂，T₃处理提高了玉米的生物量，T₁相对CK略有降低，但差异不显著。T₂，T₃玉米生物量较CK分别提高了5.94%和4.68%。说明在玉米季，秸秆注孔T₂，T₃处理能有效提高作物的经济产量和生物量，T₂处理的增产效果是最高的。

秸秆注孔提高了小麦的经济产量和生物量，并且注孔密度越大提高效果越明显(表 1)。T₁，T₂，T₃与CK相比分别提高小麦经济产量4.44%，27.79%和29.17%，T₁与CK差异不显著，但T₂，T₃均显著高于CK。T₁，T₂，T₃与CK相比分别提高小麦生物量16.41%，35.29%和43.31%，T₂，T₃显著高于CK。说明在小麦季秸秆注孔也能实现作物增产，T₂，T₃处理的增产效果更明显。

2.5 秸秆注孔对降水利用效率和水分利用效率的影响

玉米季各处理耗水量均略低于CK(表 2)。玉米季降水利用效率和水分利用效率T₁，T₂，T₃均高于CK。T₁，T₂，T₃的降水利用效率较CK分别提高4.24%，9.70%和8.53%。T₁，T₂，T₃的水分利用效率较CK分别提高4.88%，11.12%和9.80%。降水利用效率和水分利用效率均为T₂＞T₃＞T₁＞CK。说明玉米季秸秆注孔能提高降水利用效率和水分利用效率，其中T₂，T₃处理的效果最好。

小麦季T₂，T₃处理的耗水量均低于CK(表 2)，较CK分别降低了4.53%和11.62%。小麦季降水利用效率各秸秆注孔处理均高于CK，且随着注孔密度的增加降水利用效率增加。T₁，T₂，T₃的降水利用效率较CK分别提高4.43%，27.79%和29.16%。水分利用效率T₁略低于CK但差异不显著，T₂，T₃明显高于CK，分别提高了33.85%和46.15%。说明小麦季秸秆注孔T₂，T₃处理能很好提高降水利用效率和水分利用效率。

3 讨论

华北地区长期土壤的浅旋耕造成了土壤耕层变浅、犁底层加厚等土壤质量问题^[20]。犁底层过厚、坚实，不仅阻碍作物根系的穿插，同时阻碍了耕作层与心土层之间水、肥、气、热的连通性^[21]，降低土壤保水保肥能力，抑制作物生长和养分吸收^[22-23]，影响作物产量。徐萍等^[24]的研究说明，深松可以打破犁底层，提高小麦籽粒产量，提高水分利用效率。赵亚丽等^[25]的研究表明，深耕可以有效打破犁底层，降低土壤容重，增加土壤孔隙度，提高土壤渗水速度，并且增加土壤蓄水容量。花伟东等^[26]的研究指出，对于东北半干旱地区坡耕地，局部打破犁底层后水分稳定入渗率提高，产流时间延长，径流和泥沙明显减少。高建胜等^[27]的研究表明，部分破除犁底层后，夏玉米的株高、叶面积、净光合速率、地上/地下干物质重、产量均随犁底层破除程度的增加而呈增加趋势，但完全破除犁底层，并不利于作物产量等指标的进一步提升，甚至有小幅降低。

本研究采用的秸秆注孔处理，可以在尽量减少土壤扰动的情况下，打破犁底层的阻隔，贯通土壤上下层。试验结果表明，在不同时期，秸秆注孔均提高了表层土壤含水量，秸秆注孔能提高耕层土壤保水能力，并且T₂，T₃处理的效果最好。土壤表层含水量的提高就是因为秸秆注孔打通了耕层与下层之间的连接，使得上下层的水分得以连通。玉米收获时秸秆注孔各处理在0—60 cm土层中土壤含水量要高于CK，体现秸秆注孔较好的蓄积水分的能力；在60—80 cm土层T₁处理与CK没有显著性差异，T₂略高于CK，而T₃土壤含水量显著低于CK，可能是由于注孔密度过大，底层水分随蒸发上移，致使深层含水量下降；T₂处理表现出良好的蓄水和耕层供水能力。小麦收获时，T₂，T₃处理在各土层的土壤含水量均明显高于CK，表现出良好的储水效果。T₁处理可能由于孔密度过低，对土壤保水性能的改善并不明显，T₂，T₃处理有比较好的保水效果。

本试验结果表明秸秆注孔能增加玉米、小麦的株高，体现了其在促进作物生长方面的作用。在玉米季和小麦季，秸秆注孔T₂，T₃处理均能有效提高作物的经济产量和生物量，有良好的增产效果。秸秆注孔T₂，T₃处理在促进作物生长方面有很好的表现，一方面可能是因为打破犁底层，实现了上下层水、肥、气、热的连通，土壤水热条件改善，土壤保水保肥能力增强，提高了水分蓄集及利用效率；另一方面可能是因为秸秆在还田后腐解，向土壤中释放了有机质和氮、磷、钾等养分。

水分利用效率是作物产量、蒸腾耗水和地表蒸发之间相互消长关系的具体表现。通过研究水分利用效率，可以了解不同处理对土壤水分的利用状况^[28]。本试验结果表明，在玉米季和小麦季，秸秆注孔均能提高降水利用效率和水分利用效率，且T₂，T₃处理的提高效果更明显。植物对土壤水分的利用效率主要取决于土层中根系分布特征值和吸水速率。根系分布特征值主要取决于根系形态和构型，根系吸水速率主要取决于土壤水分、温度和通气状况等^[29]。犁底层的存在使根系下扎困难，通过深松等措施破坏犁底层后土壤中根系分布有明显的下移趋势^[30-31]。秸秆注孔能提高作物对水分的利用，一方面可能是因为促进了根系的生长和下扎，影响了水肥利用效率；另一方面增加了雨水入渗，提高了土壤贮水能力，可以为作物持续提供水分供应，改善了土壤水热状况，提高了根系的吸水速率。

土壤秸秆注孔技术在保水和增产方面表现了良好的效果，在干旱缺水地区、旱作农业区具有较广的适用性。但该技术还存在一些不足，打孔参数(深度、孔径大小)还需进一步优化。土壤秸秆注孔超过1 a的保水效应还在进一步的观察中，最佳的注孔周期也还需进一步优化。另外在水分迁移规律、与作物根系、土壤微生物互作机制等方面还需进一步研究。

4 结论

(1) 秸秆注孔处理能显著提高土壤蓄水保水的能力。

(2) 秸秆注孔处理可以提高作物株高、经济产量和生物量，以及降水利用效率和水分利用效率。T₂，T₃处理促进作物生长的效果最好且差异不显著。

(3) 秸秆注孔T₂和T₃处理明显增加了土壤含水量、作物株高、经济产量、生物量、水分利用效率和降水利用效率，体现了秸秆注孔的保水性能和增产性能，根据成本和效果综合考虑，推荐T₂(秸秆注孔4孔/m²)作为优选处理。