2.2.1 秸秆覆盖与耕作方式的优选试验
1）试验设计
试验设置：当地常规耕作（CK处理）、秸秆表覆+常规耕作（BF处理）、秸秆深埋+深翻耕作（耕作层—秸秆隔层—心土层）（SM处理）、秸秆表覆+深埋+深翻耕作（BFSM处理），4个处理，3次重复，共12个小区，随机区组排列，每个小区面积为72 m2，各试验小区间设2～3 m宽的保护带。小区四周采用聚乙烯塑料薄膜隔开，薄膜埋深1.2 m，且顶部预留30 cm，防止水肥互窜，田间管理与当地农户管理一致。播种前采用农耕机械将耕地辊磨、浅耙、整平，覆膜种植（地膜采用白膜，膜厚0.01 mm，宽幅80 cm）。各处理均统一采用当地施肥水平（磷肥为磷酸二铵，以P2O5计，施磷量为150 kg/hm2；钾肥为氯化钾，以K2O计，施钾量为45 kg/hm2；氮肥为尿素，以纯氮计，施氮量为225 kg/hm2，施肥时均应换算成肥料质量。磷肥、钾肥与50%氮肥作为基肥一次性施入，剩余氮肥在拔节期施入）；各处理均采用统一灌水水平，黄河水灌溉（矿化度为0.608 g/L），整个生育期灌溉3次，每次135 mm，采用汽油泵从渠道中定量抽取黄河水。有秸秆深埋的处理（SM和BFSM处理），在2016年秋浇前进行深翻，人工均匀铺设5 cm厚玉米秸秆，后整平压实；有秸秆表覆的处理（BF和BFSM处理），在机械播种后立即在无膜行间铺设玉米秸秆，厚度为5 cm，并压实，防止被风或人为破坏。具体试验设计见表2.6。
表2.6 秸秆覆盖与翻耕深度耦合的试验设计
整个试验用的秸秆来自上一年夏玉米收获后粉碎的秸秆，打捆备用，放在干燥阴凉的地方，防止潮湿发霉，夏玉米秸秆覆盖量（表覆或者深埋）为7 500 kg/hm2。供试的夏玉米品种为当地种植的常规品种（钧凯918），机械播种，株距为0.35 m，行距为0.45 m，种植密度为6万株/hm2。试验于2017—2018年连续开展两年，每年5月初播种，9月末收获。秸秆深埋后形成土壤层依次命名为：耕作层（0～35 cm）、秸秆隔层（35～40 cm）、心土层（秸秆隔层以下土层）（图2.7）。
图2.7 秸秆覆盖的示意图
2）样品采集与测定
（1）夏玉米根系生长指标及根长密度模型
夏玉米成熟期，在每个处理小区随机选取3株具有代表性植株，采用Monolith 3D空间取样法，收集夏玉米根样品。将取回的根样品采用根系扫描仪（型号Epson Perfection 4870）进行扫描，并采用根系分析系统Win RHIZO Program分析根表面积、根长密度、根体积、根节点等根的相关数据。将取根样后的地上部夏玉米植株及清洗干净后的根样品经105℃杀青，80℃烘干，至恒重后称其质量，测得地上部植株干物质及根样品的质量。
根长密度（Root Length Density，RLD）是土壤水分模型模拟中的一个重要参数，采用根长密度模型对不同耕作模式的夏玉米根长密度进行回归分析，得到回归参数估算值。Wu等将作物根系入土的深度转为0～1的相对标准化根深，提出了归一化根长密度分布的概念。本研究根据试验的实际情况，采用Wu等提出的三阶多项式的模型，对田间试验中不同耕作模式下夏玉米成熟期的相对标准化取样深度x处的各土层根长密度进行拟合，即
式中 y——各土层深度根长密度，cm/cm3；
x——相对标准化根深，x=z/60，0≤z≤60，z为田间试验的夏玉米根的实际取样的土层深度，cm；
a，b，c，d——模型回归参数，与土层相对标准化深度有关。
（2）土壤含水率
在夏玉米播种前及每次灌水的前、后（遇到降雨，应在雨后2～3 d加测一次），采用土钻在田间取样，测定土壤含水率。分别在0～20，20～40，40～60，60～80，80～100 cm取样，采用干燥称重测定土壤质量含水率。
（3）考种测产及作物耗水量
在夏玉米的收获期，每个处理小区随机选取10株代表性的夏玉米，测定穗长、穗粗、穗粒数、百粒质量等指标。夏玉米籽粒干燥后，对其进行称量，并测算单位面积产量；在自然晾干后的夏玉米籽粒中随机选取100粒，3个重复，分别称量，并将平均值作为夏玉米的百粒质量。
作物耗水量（Evaporation and Transpiration of Crop，ET）可计算为
式中 ET——作物耗水量，mm；
P——生育期降雨量，mm；
I——灌溉量，mm；
ΔW——夏玉米收获后与试验初期的土壤含水量的变化量，mm（具体计算公式详见式（2.3）—式（2.4））；
Wg——地下水的补给量，mm（具体计算公式详见式（2.5）—式（2.9））；
D——土壤水的渗漏量，由于本农业示范区地下水位较高，且腾发作用强烈，地下水的补给量远大于土壤水渗漏量，因此渗漏水量可忽略，故取D=0；
R——降雨在地表产生的径流量，因农业示范区地势平坦，生育期降雨较少，无地表径流产生，故R可忽略，取R=0。
土壤储水量可计算为
式中 W——土壤储水量，mm；
θi——第i层土壤质量含水率，%；
hi——第i层土层厚度，cm；
ρi——第i层土层容重，g/cm3。
夏玉米收获后与试验初期的土壤含水量的变化量ΔW可计算为
式中 WHarvest，WInitial——夏玉米收获后、试验初期土壤含水量，mm。
（4）地下水补给量Wg
播种后，在每个处理小区埋设负压计，埋设深度分别为90 cm和110 cm，每天早晚定时（早晨7：00，下午7：00）读取负压计读数，测土壤基质势，然后根据V-G模型测算土壤导水率。土壤非饱和导水率可计算为
式中 Kh，Ks——分别为土壤非饱和导水率、饱和导水率，cm/d；
α——与土壤进气吸力的相关参数，是进气值的倒数，cm-1；
h——土壤基质势，cm；
n，m——均为形状系数。
土壤水分运移遵循质量守恒定律与达西定律，本研究采用定位通量法测算地下水补给量。土壤水分近似一维垂向流动的连续方程为
对式（2.6）在z*到z进行积分，并由质量守恒原理写出无源汇情况下的水量平衡方程，即
最后由达西定律可得z*处的土壤水分通量，即
式中 z*=（z1+z2）/2，cm；
Kz*——z*的非饱和导水率，cm/d；
Δz=z2-z1,cm;
z1，z2——负压计埋设的深度，本研究中分别取z1=110 cm，z2=90 cm；
h1，h2——两点的负压计读数，cm。
由此可得出，单位面积在t1至t2时段内流过的土壤水量Q（z*），任一z断面的相应水量Q（z）为
（5）水分利用效率
水分利用效率（Water Use Efficiency，WUE）可计算为
式中 WUE——水分利用效率，kg/（hm2·mm）；
Y——玉米产量，kg/hm2。