秸稈還田抑制地表土壤裂縫工藝參數(shù)的優(yōu)化

張毅峰

（晉中市農(nóng)業(yè)局，山西晉中 030601）

農(nóng)田灌溉后，耕作層土壤常常因遇水膨脹和失水收縮產(chǎn)生裂縫。土壤開裂是關(guān)系到土壤性狀、作物生長及水分溶質(zhì)運輸?shù)囊粋€復(fù)雜過程。它的形成關(guān)系到土壤結(jié)構(gòu)和土壤入滲性能的變化、土壤水分的蒸發(fā)散失狀況、土壤溶質(zhì)的優(yōu)先遷移以及因此帶來的土壤水質(zhì)量的惡化，甚至影響植株根系的發(fā)育等諸多土壤重要性質(zhì)及土體中進行的重要物理、化學(xué)及生物過程。該方面研究正成為土壤學(xué)、水文學(xué)、工程地質(zhì)學(xué)、環(huán)境科學(xué)共同關(guān)注的熱點課題之一[1]。尤其是在水資源日趨緊張、干旱災(zāi)害頻繁發(fā)生的背景下，農(nóng)田灌溉后耕作層裂縫的出現(xiàn)，破壞了地表干土層的連續(xù)性，形成了土壤水分的蒸發(fā)通道，大幅度加劇了地面蒸發(fā)強度。因此，抑制田間地表土壤裂縫能顯著減少土壤水分蒸發(fā)。

本研究采用正交試驗設(shè)計方法[2-3]，研究了灌水量、秸稈長度、翻埋深度及單位面積用量與土壤裂縫的相關(guān)性，得到抑制土壤裂縫的優(yōu)化組合方案，并討論了土壤裂縫與土壤水分之間的關(guān)系。

1 材料和方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗區(qū)選擇在山西農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院農(nóng)作試驗站內(nèi)，土壤質(zhì)地為輕黏土，pH值為7.9，有機質(zhì)含量 18.8 g/kg，土壤粒徑為 10，7，5，3，2，＜2 mm，分別占17.8%，6.4%，8.7%，8.4%，5.5%，53.2%。

1.2 試驗方法

采用田間對比試驗的方法，研究土壤裂縫對土壤水分蒸發(fā)的影響。

采用室外正交試驗的方法，分別取不同的秸稈長度、灌水量、翻埋深度和單位面積秸稈用量研究4個影響因素與土壤裂縫的相關(guān)性。各因素水平及正交設(shè)計列于表1和表2[4-8]。

1.3 設(shè)備及儀器

數(shù)碼相機、量筒、水分測量儀、塑桿、游標(biāo)卡尺、卷尺及其他相關(guān)工具。

表1 因素水平

1.4 試驗步驟

1.4.1 材料的準(zhǔn)備 按要求把秸稈切成長度分別為5，10，15 cm的3種尺寸規(guī)格。

1.4.2 劃分試驗小區(qū) 把試驗區(qū)劃分為15個長、寬都為2 m的小塊。為了方便試驗和防止相互影響，取小塊中央的1 m2為試驗小區(qū)。即在中央挖1 m2的坑，深度達到不同的要求，并保證此坑在以后的灌水時不會使水流失。

1.4.3 整地方式 把試驗小區(qū)土壤翻松，將切好的秸稈分別按表2的用量放入9塊小區(qū)中。放的過程中要1層土上蓋1層秸稈，保證秸稈在土壤內(nèi)分布均勻，直至規(guī)定的厚度。

表 2 L9（34）正交設(shè)計

1.4.4 澆定額的水 澆水過程中使水緩慢進入土坑中，以免倒進水后把坑里的土壤沖得凹凸不平。澆水時在小區(qū)邊沿做埂，防止水土流失，讓水在小區(qū)內(nèi)等深度垂直入滲。

1.4.5 測量并記錄數(shù)據(jù) 用塑桿實測法測裂縫的深度，即用1根不易折斷、帶標(biāo)尺的彈性塑料質(zhì)細(xì)桿（直徑1 mm左右），插入每條裂縫中直至其觸及到堅硬接觸面為止，此時測定的塑桿長度即可認(rèn)為是該條裂縫的發(fā)育深度近似值，寬度和長度分別用游標(biāo)卡尺和卷尺測量。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤裂縫對土壤水分蒸發(fā)的影響

在試驗區(qū)內(nèi)設(shè)置11號和14號2個試驗小區(qū)，分別灌相同的水。到出現(xiàn)裂縫后，14號小區(qū)的裂縫用干土填塞，11號不處理。5 d后逐日測量2個小區(qū)0～6 cm的土壤含水量。從圖1可以看出，11號小區(qū)土壤水分曲線沒有14號小區(qū)的平滑，分析其原因可能是因為11號小區(qū)有土壤裂縫存在，因其裂縫的存在，從5月28日開始，2個小區(qū)土壤水分開始出現(xiàn)差異，到6月10日下了場雨后，2個小區(qū)的土壤水分含量又相近了。由于6月19日下的雨不是很大，2個小區(qū)的土壤水分差距并沒有消除。6月22日后由于土壤裂縫的堵塞和裂縫內(nèi)表干土層的形成，土壤裂縫對土壤水分蒸發(fā)的影響在減弱，土壤在0～6 cm內(nèi)的水分含量趨于一致。

從以上分析可以看出，土壤裂縫的存在增加了土壤水分的蒸發(fā)面積，加劇了土壤水分的蒸發(fā)，因此，抑制田間地表土壤裂縫能顯著減少土壤水分損失，從而提高水分的有效利用率。

2.2 試驗結(jié)果的直觀分析

水分完全滲透完的0.5 h后，土壤開始出現(xiàn)裂縫，裂縫在前期的發(fā)育非常迅速，前2 d就發(fā)育了最大裂縫值的90%以上，在第5 d趨于穩(wěn)定，測量此時土壤裂縫的平均寬度、長度及深度。體積的計算則視裂縫為一定深度的楔形體，通過計算該楔形體體積，獲得裂縫體積的近似值。

用極差分析確定各因素的重要程度。從表3可以看出，B因素的極差最大，表明B因素對裂縫體積的影響程度最大；A因素的極差最小，說明A因素對裂縫的開裂影響最小；C因素的極差大于D因素，說明C因素對裂縫開裂的影響比D因素大。

進一步分析A，B，C，D這4個因素對裂縫的開裂體積影響的趨勢得出，當(dāng)秸稈的長度在10 cm時，土壤開裂體積最小。隨著翻埋深度的增加，土壤裂縫體積在快速減小，直到翻埋深度為15 cm時，土壤裂縫體積達到最小。隨著單位面積秸稈用量的增加，土壤開裂體積在減小，直到單位面積用量為0.8 kg/m2時，土壤開裂體積達到最小值。灌水量在30 L/m2時，土壤開裂體積最小，隨著灌水量的增加，土壤開裂體積在增加，直到灌水量為50 L/m2時達到最大，之后又隨著灌水量的增加，土壤開裂體積減小。從理論上可得出處理的最優(yōu)組合為A2B3C3D1，即秸稈長度10 cm，翻埋深度15 cm，單位面積秸稈用量0.8 kg/m2，灌水量30 L/m2。而實際上3號小區(qū)的試驗結(jié)果最好，其產(chǎn)生的裂縫最少，處理組合為A1B3C3D3。

表3 試驗結(jié)果直觀分析

3 結(jié)論與討論

試驗結(jié)果表明，土壤裂縫的存在對土壤水分蒸發(fā)有比較大的影響，其能在一定程度上加劇土壤水分的蒸發(fā)。

本試驗為等水平的正交試驗，極差R值的大小表示該因素水平變化對裂縫的影響大小，R值越大，因素對試驗指標(biāo)影響也越大，因素也就越重要；反之，R值越小，因素對試驗指標(biāo)影響也越小，因素也就不重要。從試驗結(jié)果來看，B因素（翻埋深度）是影響裂縫的主要因素，其次是C因素（單位面積秸稈用量），再次是D因素（灌水量）和A因素（秸稈長度），4個因素對土壤裂縫的影響順序為：翻埋深度＞單位面積秸稈用量＞灌水量＞秸稈長度[9]。

本試驗結(jié)果表明，翻埋深度以15 cm（B3）為最好，單位面積秸稈用量以0.8 kg/m2（C3）為最好，灌水量取30 L/m2（D1）為最好，秸稈長度以10 cm（A2）為最好，將4個因素的最優(yōu)水平結(jié)合起來，就是篩選出的最優(yōu)處理組合A2B3C3D1。而實際上3號小區(qū)試驗結(jié)果最好，產(chǎn)生的裂縫最少，其處理的組合為A1B3C3D3。這是因為正交試驗是部分實施的試驗設(shè)計，分析選出的最優(yōu)處理組合常常不一定與實際試驗結(jié)果最好的處理組合相符合[10]。

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