农作物秸秆是一种宝贵的可再生资源，具有很大的利用价值^[1]。路文涛^[2]等经过四年研究发现，秸秆还田可以降低土壤容重，提高土壤孔隙度。随秸秆还田量的降低，土壤容重降低幅度随之减小，土壤孔隙度增加幅度减小。土壤水势能够反映土壤对水分的吸纳能力及作物可利用的土壤水分状况^[3]。在长江中下游地区，长期施行免耕、少耕，土壤耕层紧实，过多的降水导致麦田排水困难，土壤湿度大，因而成为限制小麦产量的重要因子。土壤温度直接作用于作物根系的生长发育，从而影响作物对养分的吸收利用^[4]。刘春晓^[5]研究表明，秸秆沟埋还田增大了埋草沟上层土壤温度变化幅度，对埋草沟下层土壤具有保温作用。冬小麦在初春拔节时期，对环境温度变化较为敏感，适宜的土壤温度对于增加冬小麦产量具有重要意义^[6]。秸秆还田作为一种秸秆处理方式已有多年研究，传统的秸秆还田存在诸多弊端，如降低作物出苗率，影响作物苗期生长^[7]；还田过浅，秸秆分解快，不利于土壤碳汇的积累^[8]；不利于土壤耕作层的加深等。秸秆集中沟埋还田是一种将当季收获的作物秸秆以整秆的方式集中埋于试验沟中，通过逐季更换埋草沟的位置实现全田土壤渐进式深翻的新技术体系。已有的研究结果表明，秸秆沟埋还田具有加深耕层、改善土壤结构、协调土壤水肥气热，降低CO₂排放量，增加碳储汇^{[9, 10]}等特点；由于秸秆整株深埋，秸秆腐解慢^[11]，因而残留的秸秆相当于肥料库，能够不断地向土壤中释放养分。关于秸秆集中沟埋还田不同深度对麦田土壤物理性质影响的研究报道较少。为此，于2008起在沿江地区进行定位试验，通过设置不同秸秆还田深度，研究秸秆沟埋还田对土壤水势、温度的影响以及长期秸秆沟埋还田对不同还田时间的埋草沟土壤容重、总孔隙度的变化，探索秸秆沟埋还田的特点，为稻麦两熟地区秸秆集中沟埋还田技术的推广提供理论依据。

试验于2008年10起在江苏沿江地区农业科学研究所水稻试验田进行，该地区属北亚热带季风气候区，雨热同季，年平均气温为 14.8 ℃，年平均无霜期 215 d，≥0℃的活动积温为5223 ℃，≥10 ℃的活动积温 3810 ℃；日照充足，年平均日照时数 2007.3 h，日照百分率 45%；水汽充足，降水充沛，年平均降水量 1049.8 mm，年均降水日数 135.7 d。供试土壤类型为潮土，2008年10月试验开始时的前茬作物为水稻.供试土壤0—20 cm主要理化性质：容重1.4 g/cm；砂粒(2—0.05)占22.10%，粘粒( < 0.002)占12.68%，粉粒(0.05—0.002)占65.22%；有机质20.45 g/kg；总氮1.62 g/kg；速效磷12.75 mg/kg；速效钾44.41 mg/kg；pH值7.5。

试验设置秸秆集中沟埋还田深度为20、40 cm以及免耕秸秆不还田(对照)3个处理。每个处理3次重复。于2008年10月开始，将当季收获的作物秸秆以整秆的方式埋于对应的埋草沟中。小区面积为3 m×6 m，每个小区设3条相同埋草沟，相同埋草沟间距为2 m，沟宽20 cm，沟长3 m。以当地水稻秸秆量10000 kg/hm²为参照还田量，折算为秸秆沟埋量6 kg/沟，即每条埋草沟掩埋6 kg秸秆，小麦秸秆还田量为5000 kg/hm²，折算为秸秆沟埋量3 kg/沟。小区埋草沟示意图(图 1)及挖沟埋草工艺图(图 2),以沟埋还田20 cm为例。沟埋还田40 cm处理过程与沟埋还田20 cm一致，区别仅仅是埋草沟的深度不一样(沟埋还田40 cm的沟深为40 cm)。第1条埋草沟为2008年10月收获的水稻秸秆，设在小区北缘。第2条埋草沟所埋秸秆为2009年6月份收获的小麦秸秆，位置位于第1条埋草沟的南边，间距为1 m，第3条埋草沟(埋水稻秸秆)在第1条埋草沟的南边，相距40 cm。第4条埋草沟(埋小麦秸秆)第2条埋草沟的南边，相距40 cm，以此类推.当小区埋草沟全部埋完时，再从第1条埋草沟开始，即5a为一个循环。试验沟覆土完毕后采用免耕机浅旋，深度约为5 cm。试验采用稻麦两熟种植制度，水稻品种为南粳44，小麦品种为扬麦13。稻麦生长过程中田间管理与当地常规生产管理相同。

图 1 小区埋草沟示意图 Fig.1 Straw ditch distribution in experimental plot ①—⑩代表不同埋草沟，①代表第一季埋草沟，以此类推；绿色表示埋水稻秸秆的埋草沟，黄色代表埋小麦秸秆的埋草沟

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图 2 埋草过程工艺图 Fig.2 Process drawing for straw ditch-buried return

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于2013年6月小麦收获后，用环刀法^[12]测定沟埋还田20 cm处理各埋草沟(共9条埋草沟)及对照的土壤容重。环刀规格：容量为100 cm³，高度为4.5 cm，内径为5.5 cm。总孔隙度根据茂荣^[13]的测定方法测得。取样位置为每条埋草沟的中间，取样深度分为0—7、7—14 cm，取样过程中未取到秸秆。

于2014年4月18日—5月28日连续40d，采用Tensiomark Ⅱ型水势传感器测量沟埋还田20 cm、沟埋还田40 cm两个处理的第8条(即还田时间为22个月)埋草沟以及对照的土壤水势，测量深度为15 cm，此处无秸秆。测量时间间隔为1h。降雨量采用SM-1型不锈钢雨量计测量，测量口径为20 cm。当天的降雨量值为前一天18：00至当天18:00降雨量总和。

于小麦拔节期，采用HW型土壤温度自动记录仪连续15d测定土壤温度。测量的处理为沟埋还田20 cm、沟埋还田40 cm以及对照。选择每个处理的第1条(此埋草沟埋草时间距测量时仅6个月，即已埋2次秸秆)埋草沟，测量该埋草沟及对照处理5、10、15 cm及20 cm处土壤温度.测量时间间隔为30 min，日均温为当天每30 min测定值的平均值，日较差为当天测定的最高温度与最低温度的差值。

试验数据采用Microsoft Excel 2007进行整理及绘制图表，用SPSS 17.0进行方差分析。

由图 3可以得出，沟埋还田20 cm处理各埋草沟0—7、7—14 cm土壤容重均低于对照。在0—7 cm，还田6个月及还田24个月的埋草沟土壤容重与对照差异显著，较对照分别降低17.1%、7.9%。其余埋草沟差异均不显著.在7—14 cm，除还田时间为36个月的埋草沟较对照差异不显著性外。其余各埋草沟均达显著性差异，且埋水稻秸秆及小麦秸秆的各埋草沟土壤容重均随还田时间的增加而逐渐增大.但各埋草沟之间未全部达到显著性差异。

图 3 不同还田时间对埋草沟土壤容重的影响 Fig.3 Variation of soil bulk density as affected by different straw time 不同小写字母表示同一土壤层次不同处理间差异显著(P < 0.05)还田时间为54、42、30、18、6个月的埋草沟所埋秸秆为水稻秸秆，其余均为小麦秸秆

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由图 4可知，沟埋还田20 cm处理各埋草沟0—7、7—14 cm土壤总孔隙度均高于对照。在0—7 cm，各埋草沟较对照均未达显著性差异。在7—14 cm，各埋草沟土壤总孔隙度较对照达显著性差异，埋水稻秸秆的各埋草沟总孔隙度较对照相比增加幅度为9.2%—14.0%，且以还田6个月时，总孔隙度增加最多。埋小麦秸秆的各埋草沟土壤总孔隙度较对照增加幅度为12.6%—15.1%。各埋草沟之间均未达到显著性差异. 随还田时间的增加，埋水稻秸秆及小麦秸秆的各埋草沟土壤总孔隙度总体呈降低的趋势。

图 4 不同还田时间对埋草沟土壤总孔隙度的影响 Fig.4 Variation of soil total porosity as affected by different straw time 不同小写字母表示同一土壤层次不同处理间差异显著(P < 0.05)，还田时间为54、42、30、18、6个月的埋草沟所埋秸秆为水稻秸秆，其余均为小麦秸秆

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由图 5可知，在降雨前，土壤水势对照> 沟埋还田20 cm>沟埋还田40 cm，在降雨的2h内(23:00到01:00)，沟埋还田40 cm水势值从-18.3 kPa上升到-3.5 kPa，变化量为14.8 kPa，沟埋还田20 cm水势从-17.2 kPa上升到-1.5 kPa，变化量为15.7 kPa，对照水势从-15.6 kPa上升到-13.4 kPa，变化量为2.2 kPa，由此可见，沟埋还田40 cm、沟埋还田20 cm处理水势值变化较大，而对照水势变化量较小。表明沟埋还田40 cm、沟埋还田20 cm在这两个小时内水势值上升的较快，而对照则上升缓慢。在2:00时，对照的水势值为-6.5 kPa，仍低于沟埋还田40 cm的-3.5 kPa及沟埋还田20 cm的-1.1 kPa。至4:00，对照的水势值趋于稳定，此时水势值为沟埋还田20 cm>对照>沟埋还田40 cm。

图 5 降雨前后12h内各处理水势变化值(降水量26.6 mm) Fig.5 Variation of soil water potential of different treatment in 12 hours around rainfall(precipitation 26.6 mm)

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由图 6可知，在降雨量较小(10 mm)的情况下，对照和沟埋还田20 cm水势呈不断上升的趋势，水势变化量较小，在降雨的12h内(06:00至17:00)水势变化量分别为16.2 kPa、20.7 kPa。沟埋还田40 cm在此段时间内水势变化量为130.4 kPa，为对照的8倍，为沟埋还田20 cm的6.3倍。在17:00以后，沟埋还田40 cm水势开始降低，沟埋还田20 cm及对照的水势值继续升高。至00：00各处理水势值沟埋还田40 cm>对照>沟埋还田20 cm。

图 6 降水前后25h内各处理水势变化值(降水量10 mm) Fig.6 Variation of soil water potential of different treatment in 25 hours around rainfall (precipitation 10 mm)

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由图 7可得出，在降雨结束后(降水量6 mm)的5d内(4月28日—5月2日)，土壤水势值大小为沟埋还田20 cm>对照>沟埋还田40 cm，在第5天—第6天(5月2日—5月3日)，沟埋还田40 cm土壤水势开始高于对照，此时土壤水势值大小为沟埋还田20 cm>沟埋还田40 cm>对照；在第6天—第7天(5月3日—5月4日)，沟埋还田40 cm土壤水势继续升高，并高于沟埋还田20 cm，此时土壤水势值大小为沟埋还田40 cm>沟埋还田20 cm>对照；在第7天—第8天(5月4日—5月6日)，水势值大小为沟埋还田40 cm>对照>沟埋还田20 cm；第8天以后，各处理水势值差异开始增大，水势值对照>沟埋还田40 cm>沟埋还田20 cm。

图 7 降雨后12d内各处理土壤水势变化值 Fig.7 Variation of soil water potential of different treatment in12 days after rainfall

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由表 1可以得出，连续40d，各处理土壤水势日均值大小为对照>沟埋还田40 cm>沟埋还田20 cm，且各处理间差异显著。沟埋还田20 cm、沟埋还田40 cm处理较对照降低幅度分别为118.4%、88.3%。

由图 8可知，土壤日较差随土层的加深而逐渐降低。土壤5 cm处，沟埋还田40 cm处理土壤日较差最低，沟埋还田20 cm及对照土壤日较差高于沟埋还田40 cm。当日较差较高时，这种差异更加明显.在土壤10 cm层，土壤日较差呈现出沟埋还田20 cm >对照>沟埋还田40 cm的规律，仅在04-16、04-26、04-27日表现为沟埋还田40 cm>对照。在土壤15 cm处，沟埋还田20 cm处理土壤日较差最高，当日较差较高时，沟埋还田40 cm高于对照，当日较差较低时，沟埋还田40 cm低于对照。沟埋还田20 cm及对照日较差变化范围相对较大，分别为0.4—2.6℃、0.2—1.6℃.土壤20 cm处日较差值较小，总体上表现为对照日较差较高。

图 8 不同处理土壤日较差变化特征 Fig.8 Variation of soil daily range as affected by different treatment

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由图 9可知，土壤5 cm处，对照的日均温最低，沟埋还田20 cm处理土温最高.当日均温较高时，对照与其它处理相比，温差更为明显，在04-17日，沟埋还田20 cm、沟埋还田40 cm分别较对照高0.62、0.35℃。04-25—04-27日，沟埋还田20 cm、沟埋还田40 cm分别较对照高0.60—0.72℃、0.19—0.58℃。土壤10 cm处，当日均温较低时，沟埋还田20cm要低于对照；当日均温较高时，沟埋还田20 cm要高于对照。沟埋还田40 cm处理土壤日均温则较低，仅在04-27—04-28日高于对照。土壤15 cm处，沟埋还田20 cm及沟埋还田40 cm土壤日均温要高于对照，对照日均温最低。沟埋还田20 cm、沟埋还田40 cm与对照日均温最高差值分别为0.87、0.70。在土壤20 cm处，沟埋还田40 cm处理土壤日均温一直较高，其与对照的差值范围在0.18—0.57 ℃。沟埋还田20 cm与对照日均温相近，差异较小。

图 9 不同处理土壤日均温变化特征 Fig.9 Variation of soil daily temperature as affected by different treatment

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土壤容重、孔隙度等是作物生长的重要土壤环境条件，起到调节土壤中水、气、热状况等作用^[14]。关于秸秆沟埋还田不同深度对埋草沟土壤容重、孔隙度的影响前人已有研究^[15]，其研究侧重于比较不同还田深度的埋草沟土壤容重、孔隙度的差异，其结果表明，秸秆沟埋还田20、40 cm时，越靠近秸秆层，土壤容重降幅越大，孔隙度增幅也越大。本文侧重于研究长期秸秆沟埋还田方式下，不同还田时间的埋草沟土壤容重、孔隙度变化的情况。本研究表明，秸秆沟埋还田具有降低麦田土壤容重，增加土壤总孔隙度的作用，且这种作用在还田54个月时，表现仍为明显，这表明秸秆沟埋还田在降低土壤容重和增加土壤总孔隙度方面具有长效的作用。本研究中，埋水稻秸秆和小麦秸秆的埋草沟土壤容重有一定差异，这可能是由于还田时间的长短不同造成的，而受不同秸秆类型的影响较小。随着还田时间的增加，土壤紧实度逐渐增加，从而导致土壤容重逐渐增高，总孔隙度逐渐降低，直至接近对照水平。在0—7 cm，各埋草沟与对照相比，土壤容重和总孔隙度差异不显著，这可能是由于耕作措施对土壤表层扰动较大的原因，这与慕平^[16]等研究结果一致。综上表明秸秆沟埋还田在改善土壤环境条件方面确有积极的作用。

土壤水分含量是指土壤中水分数量的多少，通常用体积百分数、质量百分数等来表示。土壤水分含量虽然能够表示土壤中水分数量的多少，但并不能表示土壤中植物可利用的水分含量大小^[17]。土壤水势是表征土壤干旱程度以及土壤水分对植物有效性的重要指标，用水势描述土壤中水分对作物的有效性能够避免土壤质地的影响，因而具有较好的代表性^[18]。本试验结果表明：在降雨时的短时间内，会有大量雨水进入埋草沟，这是由于沟埋还田20 cm、沟埋还田40 cm处理土壤较为疏松，土壤导水率较好，有利于水分的入渗^[19]，此时土壤水势急剧升高；在降水结束后，大量雨水由埋草沟进入大田的排水沟中，土壤水势快速下降。即表明秸秆沟埋还田具有较好的排水降渍效果。当降雨量较小时(10 mm)，沟埋还田40cm处理水势在降雨的短时间内上升速率高于沟埋还田20 cm和对照，说明沟埋还田40 cm处理在降雨量较小时，仍具备较好的排水降渍效果。这可能是由于沟埋还田20 cm处理0—20 cm土壤疏松，在20 cm以下则相对紧实，因此在越靠近20 cm处，土壤含水量越高，水势相对较高，这在一定程度上阻碍了上层土壤水分的下渗，使得水分入渗速率降低。沟埋还田40 cm处理由于埋草沟较深，降雨能够在短时间内进入埋草沟深层土壤中，因而在降雨量较小时，上层水分入渗速率仍较快，水势值变化较沟埋还田20 cm更快。在降雨停止后的较长时间里，沟埋还田20 cm处理土壤水势值先高于沟埋还田40 cm，后低于沟埋还田40 cm，这可能是由于降雨结束后的前一段时间内，沟埋还田20 cm处理埋草沟中积累的水分高于沟埋还田40 cm处理，因而水势值高于沟埋还田40 cm处理。后期埋草沟中剩余的水分由下部不断向上部蒸发散失，一方面由于沟埋还田20 cm、沟埋还田40 cm埋深不同导致秸秆腐解速度不一，沟埋还田40 cm处理秸秆腐解速度相对较慢^[11]，因而秸秆残留量多，其水分总含量高于沟埋还田20 cm处理^[20]；另一方面，沟埋还田20 cm处理20 cm以下紧实，沟埋还田40 cm处理由于下层(20—40 cm)土壤疏松，导致下层土壤水分向上层蒸发速率较快^[21]，上层土壤中水分含量相对较高，因而沟埋还田40 cm处理上层土壤水势高于沟埋还田20 cm处理。综上结果表明，秸秆沟埋还田具有较好的排水降渍效果，在降雨量较小或降水结束后短期内沟埋还田40 cm处理排水降渍效果较好，而从长期效果来看，沟埋还田20 cm处理效果最好。

土壤温度是影响作物生长的重要生态因子，对作物根系水分、养分等吸收有重要影响^[22].杨滨娟等研究表明，较对照相比，秸秆还田配施化肥后在8：00和20:00时提高了土壤温度，在14：00时降低了土壤温度，并且具有降低整日低温变化幅度的作用^[23]。Ramakrishna^[24]等研究表明，秸秆覆盖还田主要影响10 cm以内土温，而对深层土温的调控作用较小。本研究表明，在小麦拔节期，秸秆沟埋还田具有增大沟埋还田20 cm处理秸秆层以上0—15 cm土壤日较差的作用，这是由于秸秆层的存在，一方面吸收了较多的上层土壤热量，另一方面，秸秆下层土壤热量不能有效的传递到秸秆上层土壤中^[25]。秸秆沟埋还田40 cm时，秸秆上层0—20 cm土壤日较差反而较低，这可能是由于沟埋还田40 cm，翻动土壤较深，使得0—40 cm土壤较为疏松，白天温度高时，进入土壤深层的热量较多，夜晚温度降低时，下层土壤热量可以较快的向上层传送，使得上层土壤温差变化较小。因而沟埋还田40 cm有降低表层土壤日较差的作用。秸秆沟埋还田还具有增加沟埋还田20 cm处理0—15 cm以及沟埋还田40 cm处理0—20 cm土壤日均温的作用，这与埋草沟具有较好的排水降渍效果及降低土壤容重，增加土壤孔隙度有较大关系。一方面，排水降渍较好，导致埋草沟中土壤含水量低，由于水的比热容较高，土壤含水量少，在吸收了同样的热量之后，土壤温度上升的越高；另一方面，土壤容重低，土壤孔隙度高，表明土壤通气性较好，有利于水分的蒸发，降低了土壤含水量，同样有利于土壤温度的增加。沟埋还田20 cm处理在20 cm处较为特殊，此处秸秆上层土壤较为疏松，下层土壤较为紧实，形成类似于排水沟的结构，因此此处秸秆和土壤湿度大。同时，秸秆的腐解也会产生一定的热量^[26]，这些因素的综合作用一方面导致温度变化幅度较小，土壤日较差低于对照；另一方面，土壤日均温较小，其值与对照较为接近。秸秆沟埋还田增加了沟埋还田20 cm处理秸秆层以上土壤日较差，其对作物生长的影响仍有待进一步研究。