秸稈不同還田方式對土壤蒸發(fā)特性影響

柏會子，王 洋，石 海，陳笑瑩

(1. 中國科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所，吉林長春 130102;2. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

秸稈還田是秸稈的一種有效利用方式，既可以減輕因野外焚燒引起的資源浪費、環(huán)境污染，又能改善土壤結(jié)構(gòu)，降低土壤密度、增加孔隙度，促進土壤有機質(zhì)積累和增強蓄水保墑能力［1］。常見的秸稈還田方式有粉碎還田、覆蓋還田、堆漚還田、焚燒還田、過腹還田等［2］。對于秸稈還田的研究，前人主要關(guān)注于秸稈還田的方式、時間和數(shù)量［3－5］，近年來的研究主要集中在對土壤理化性狀、作物產(chǎn)量和酶活性等方面，并取得了一些進展。王珍等［6］研究表明粉碎并氨化處理過的秸稈施入土壤后，能改善土壤團聚體結(jié)構(gòu)，降低土壤密度，增加土壤孔隙度。高飛等［7］認為，秸稈還田可提高土壤的水分利用率和蓄水能力，促進作物的光合作用，進而使作物增產(chǎn)。路文濤等［8］研究表明，在寧南半干旱區(qū)采用秸稈還田能有效提高土壤活性有機碳含量和土壤酶活性。

土壤蒸發(fā)消耗的水分不參與作物的生理過程，是土壤水分的無效消耗［9］。抑制土壤蒸發(fā)是提高農(nóng)田水分利用效率的有效措施之一。有大量研究表明通過秸稈覆蓋可有效抑制土壤蒸發(fā)［10－12］，但主要集中在秸稈覆蓋量上［13－15］，而秸稈粉碎不同還田量和秸稈覆蓋度對土壤蒸發(fā)特性的影響研究較少。為此，在田間裸地分別設(shè)置了粉碎秸稈不同添加量和秸稈不同覆蓋度對土壤蒸發(fā)特性影響的模擬實驗，為秸稈還田的推廣應(yīng)用及提高土壤水分利用效率提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試土壤采自中國科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所德惠農(nóng)業(yè)試驗示范基地0～20 cm 的耕層土壤，風(fēng)干后過5 mm 篩備用。供試土壤基本性質(zhì)見表1。供試秸稈為上季玉米秸稈，收獲后晾干，室內(nèi)儲藏。試驗前先將秸稈粉碎至粉末狀，試驗時粉末狀秸稈過2 mm 篩備用。試驗所使用的微型蒸發(fā)器為不銹鋼材質(zhì)，高15 cm，內(nèi)徑6 cm。為便于蒸發(fā)器取出稱質(zhì)量，配用不封底的PVC 材質(zhì)外筒，高15 cm，內(nèi)徑7 cm。在模擬實驗開始的前3 d，選擇地勢平坦，不易產(chǎn)生徑流的地塊，取出0～15 cm 的土，放入外筒。外筒間留有3 cm 間隙，并用挖出的土壤填實。

表1 土壤基本性狀Tab.1 Soil properties of the studied soil

1.2 試驗設(shè)計

試驗于2012 年7 月，在德惠農(nóng)業(yè)試驗示范基地的一塊裸地上進行。試驗設(shè)計了添加粉碎秸稈和覆蓋秸稈兩種還田方式。添加粉碎秸稈模擬試驗，根據(jù)單位面積生產(chǎn)的秸稈量(12 t·hm－2)，以全部還田為標準，設(shè)置30%秸稈量(Y1)、50%秸稈量(Y2)、70%秸稈量(Y3)、100%秸稈量(Y4)4 個處理。秸稈覆蓋度模擬試驗，根據(jù)覆蓋秸稈垂直投影面積占蒸發(fā)器橫截面積的百分比，設(shè)置30%秸稈覆蓋(F1)、50%秸稈覆蓋(F2)、70%秸稈覆蓋(F3)、100%秸稈覆蓋(F4)、200%秸稈覆蓋(F5)5 個處理。以不添加粉碎秸稈也不覆蓋秸稈的處理作為對照(CK)。每個處理3 次重復(fù)。

試驗所使用的微型蒸發(fā)器均不封底，為防止蒸發(fā)器內(nèi)土壤漏出，其底部用尼龍網(wǎng)封住。添加粉碎秸稈試驗在供試土壤中分別添加相應(yīng)數(shù)量粉末狀秸稈，充分混勻后，裝入微型蒸發(fā)器中，為保證各蒸發(fā)器內(nèi)土壤密度盡量一致，裝土過程中不斷輕拍壓實。秸稈覆蓋試驗將供試土壤直接裝入微型蒸發(fā)器。然后將所有蒸發(fā)器放入盛水的水槽內(nèi)，水面高度低于蒸發(fā)器2 cm，土壤水分充分飽和后取出，在表面覆蓋防止蒸發(fā)的條件下靜止放置3 d，去除重力水后。于2012 年6 月30 日將首次稱質(zhì)量后的微型蒸發(fā)器分別放入事先安好的外筒中。最后在秸稈覆蓋試驗各蒸發(fā)器上覆蓋相應(yīng)面積的秸稈。

1.3 測定項目與方法

利用精度為0.1 g 的電子天平在每天下午5 時取出微型蒸發(fā)器進行稱質(zhì)量(秸稈覆蓋度試驗去掉覆蓋秸稈再稱質(zhì)量)，稱質(zhì)量后將微型蒸發(fā)器放回外筒中，連續(xù)測定30 d。微型蒸發(fā)器內(nèi)土壤水分的變化是由土壤蒸發(fā)、降水量以及蒸發(fā)器底部與外界土壤水分交換的綜合作用所決定。顯著降雨過程中，蒸發(fā)器內(nèi)土壤的水分變化主要是以蓄積降水和蒸發(fā)器底部水分滲漏為主，相鄰兩天稱質(zhì)量的差值為正，試驗設(shè)定該正值為降水補充量。雨后蒸發(fā)器內(nèi)土壤水分以蒸發(fā)為主，相鄰兩天稱質(zhì)量的差值為負，試驗將該負值設(shè)定為土壤蒸發(fā)量。氣溫、風(fēng)速、降水量等氣象因素通過試驗區(qū)內(nèi)的小型氣象站測定。試驗結(jié)束后，分別取出微型蒸發(fā)器內(nèi)的土壤，利用烘干法計算土壤水分含量(土壤含水量均為土壤質(zhì)量含水量)。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

試驗中所有數(shù)據(jù)均為各重復(fù)測定的平均值，采用Excel、SPSS 17 等軟件對數(shù)據(jù)進行處理，利用Duncan 新復(fù)極差法進行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 添加粉碎秸稈對土壤蒸發(fā)特性的影響分析

2.1.1 添加粉碎秸稈各處理對土壤蒸發(fā)及降水補充的影響。添加粉碎秸稈處理CK、Y1、Y2、Y3、Y4 在測定期間的累積土壤蒸發(fā)量分別為59.8 mm、67.0 mm、66.3 mm、68.9 mm、68.7 mm，累積降水補充量順序依次為55.4 mm、61.7 mm、62.1 mm、63.6 mm、64.6 mm，見圖1。對照處理的累積土壤蒸發(fā)量明顯小于添加粉碎秸稈的處理，這是因為粉碎秸稈能增加土壤孔隙含量，提高土壤蒸發(fā)能力。對照處理的累積降水補充量也明顯小于添加粉碎秸稈的處理，這也是因為添加粉碎秸稈處理土壤孔隙量大，提供了較多的儲水空間。添加粉碎秸稈處理間在累積土壤蒸發(fā)量上和累積降水量上差異均不顯著，見表2。

圖1 添加粉碎秸稈各處理的土壤蒸發(fā)、降水補充量的逐日變化及累積變化Fig.1 Daily and accumulative changes of soil evaporation and precipitation supplement under different addition of comminuted straw

表2 添加粉碎秸稈各處理對土壤水分的影響Tab.2 Effects of different addition of comminuted straw on soil water

由圖2 可以看出，在測定期間有5 次明顯的降雨，每次顯著降雨過程中，各處理會得到降水的補充，雨后各處理的土壤蒸發(fā)明顯增加，然后隨著時間推移而減少。在第一次連續(xù)4 d 的降雨過程中，第一天和第四天的降雨量較小，土壤水分以蒸發(fā)為主，中間兩天降雨量較大，土壤水分以補充為主，添加粉碎秸稈處理的平均降水補充量在這兩天分別為4.8 mm、6.9 mm，比對照高0.1 mm、2.7 mm。從降雨的第四天開始到下一次降水，添加粉碎秸稈處理的平均土壤蒸發(fā)量逐日變化為6.5 mm、5.8 mm、3.3 mm、2.9 mm、2.1 mm、1.7 mm、0.9 mm，比對照的土壤蒸發(fā)量分別高0.3 mm、0.6 mm、0.4 mm、0.3 mm、0.4 mm、0.2 mm、0.1 mm。

圖2 試驗測定期間的日降雨量Fig.2 Daily rainfall during the experiment

2.1.2 添加粉碎秸稈各處理對土壤水分含量的影響。測定期間Y4 的逐日土壤含水量均高于對照，見圖3。特別是在發(fā)生降水過程中土壤含水量明顯高于對照，在第一次降水過程的10 d 中，前3 d Y4 的土壤含水量分別比對照高1.1%、1.5%、4.2%，到第三天達到最大。從第四天開始土壤水分以蒸發(fā)主，土壤含水量逐漸下降。Y4 與對照土壤含水量相差分別為2.8%、1.7%、1.1%、0.6%、0.3%、0、－0.1%、－0.1%，到第10 d 達到最小。進一步分析添加粉碎秸稈各處理的土壤蒸發(fā)量和土壤含水量的相關(guān)性，表明在0.01 水平上，土壤蒸發(fā)量與土壤含水量呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)達到0.95。Y1、Y2、Y3 的逐日土壤含水量在降水過程中與CK 相近，由于其土壤蒸發(fā)強于CK，雨后土壤含水量漸漸低于CK。其土壤含水量會其他降水過程各處理的土壤含水量變化規(guī)律與第一次降水相一致。

圖3 添加粉碎秸稈各處理土壤水含量日變化Fig.3 Daily changes of soil water content under different additions of comminuted straw

2.1.3 添加粉碎秸稈各處理對土壤貯水量的影響。土壤貯水量是土壤蒸發(fā)量和土壤降水補充量經(jīng)過階段時間后均衡作用的結(jié)果，試驗中各處理在測定結(jié)束后的土壤貯水量與初始土壤貯水量相比均有所減少，見表2，這表明試驗階段土壤蒸發(fā)作用強于降水補充。CK、Y1、Y2、Y3 、Y4 分別減少了7.5%、8.5%、7.6%、9.0%、7.0%，總體上添加粉碎秸稈土壤貯水量比對照減少幅度大，但添加100%粉碎秸稈土壤貯水量卻比對照低0.5%。

2.2 秸稈覆蓋度對土壤蒸發(fā)特性的影響分析

2.2.1 秸稈覆蓋各處理對土壤蒸發(fā)及降水補充的影響。秸稈覆蓋處理在測定期間的累積土壤蒸發(fā)量順序依次為CK ＞F2 ＞F1 ＞F3 ＞F5 ＞F4，累積降水補充量順序依次為CK ＞F2 ＞F1 ＞F5 ＞F3 ＞F4，見圖4。覆蓋秸稈處理的累積土壤蒸發(fā)量小于對照，這是因為覆蓋秸稈有效減少了到達土表的太陽輻射和風(fēng)速。覆蓋秸稈處理的累積降水補充量也小于對照，這是因為覆蓋處理的秸稈會截留一部分降水，雨后慢慢進入土壤中，但這時土壤中的水分已經(jīng)以蒸發(fā)為主，無法測定這部分降水補充量。覆蓋度較小的F1、F2 的土壤蒸發(fā)量及降水補充量與CK 無顯著性差異，覆蓋度較高的F3、F4、F5 的土壤蒸發(fā)量及降水補充量與CK 有顯著性差異，見表3。

圖4 秸稈覆蓋各處理的土壤蒸發(fā)、降水補充量的逐日變化及累積變化Fig.4 Daily and accumulative Changes of soil evaporation and precipitation supplement under different straw coverage

在測定期間第二次連續(xù)3 d 的降雨過程中，第一天降雨量較小，土壤水分以蒸發(fā)為主，后兩天降雨量較大，土壤水分以補充為主。雨后土壤水分開始以蒸發(fā)為主，且蒸發(fā)強度大于降水前的強度，但蒸發(fā)強度隨著時間推移而減小。整個過程中F4、F5 的變化幅度明顯小于其他處理，這是因為較高蓋度的秸稈對降水有截留作用，雨后又可抑制土壤蒸發(fā)。其他降水過程各處理的土壤蒸發(fā)變化規(guī)律與第二次降水相一致。

2.2.2 秸稈覆蓋各處理對土壤水分含量的影響。測定期間F4、F5 的平均土壤含水量高于對照，F(xiàn)1、F2、F3 與對照無顯著差異，見表3。這是因為覆蓋度較大的F4、F5 土壤蒸發(fā)顯著小于對照，秸稈的截留作用又增加了降水的緩慢入滲，所以土壤含水量高于對照。覆蓋度較小的F1、F2、F3 處理土壤蒸發(fā)和降水補充與對照相當，因此平均土壤含水量與對照差異不大。由圖5 看出，在第二次連續(xù)3 d 的降水過程中各處理土壤含水量均不斷增加，F(xiàn)1、F2 和F3 三處理土壤含水量的平均值的逐日變化為27.1%、28.6%、34.9%，F(xiàn)4 土壤含水量的逐日變化為29.8%、31.2%、36.5%，F(xiàn)5 土壤含水量的逐日變化為31.8%、32.5%、37.3%，對照土壤含水量的逐日變化為28.0%、31.0%、36.4%，F(xiàn)4 比對照土壤含水量分別高1.8%、0.2%、0.1%，F(xiàn)5 比對照土壤含水量分別高3.8%、1.5%、0.9%。在隨后的9 d 中土壤水分以蒸發(fā)主，各處理土壤含水量均開始下降。但F4、F5 下降緩慢，而其他處理快速下降。到第9 天時F4、F5的土壤含水量分別比對照高1.5%、3.2%。其他降水過程各處理土壤含水量的變化規(guī)律與第二次降水相一致。

表3 秸稈覆蓋各處理對土壤水分的影響Tab.3 Effects of different straw coverage on soil water

圖5 秸稈覆蓋各處理土壤水含量的日變化Fig.5 Daily changes of soil water content under different straw coverage

2.2.3 秸稈覆蓋各處理對土壤貯水量的影響。秸稈覆蓋各處理在測定結(jié)束后的土壤貯水量與初始土壤貯水量相比，除F4 增加了0.5%外，其他處理均有所減少，這表明試驗階段土壤蒸發(fā)作用強于降水補充。F1、F2、F3 與CK 在土壤貯水減少量上無顯著差異，F(xiàn)4、F5 與CK 在土壤貯水減少量上存在顯著性差異，見表3。說明秸稈覆蓋土壤蓄水保墑能力強。

2.3 兩種秸稈還田方式對土壤蒸發(fā)影響的對比

由表2、表3 看出，秸稈覆蓋各處理在測定期間的累積土壤蒸發(fā)量及累積降水補充量均明顯低于添加粉碎秸稈各處理，秸稈覆蓋各處理測定期間土壤貯水量比對照有所提高，而添加粉碎秸稈各處理與對照均無明顯差異。秸稈覆蓋處理土壤蓄水保墑、抑制蒸發(fā)能力顯著優(yōu)于秸稈粉碎添加處理。

3 結(jié)論與討論

試驗表明，秸稈粉碎添加到土壤中能促進土壤蒸發(fā)，但添加粉碎秸稈處理間對土壤蒸發(fā)的影響無明顯差異。添加粉碎秸稈各處理在測定結(jié)束后的土壤貯水量與初始土壤貯水量相比均有所減少，但與對照無顯著差異。測定期間Y4 的平均土壤含水量高于對照0.8%，且與對照差異顯著(P ＜0.05)。秸稈覆蓋可有效的抑制土壤蒸發(fā)，高覆蓋度的抑制效果顯著。F4 累積土壤蒸發(fā)量最少，為40.8 mm，與其他處理差異顯著(P ＜0.05)。測定期間F4、F5 的平均土壤含水量分別高于對照0.7%、3.5%。試驗階段土壤蒸發(fā)作用強于降水補充，各處理測定結(jié)束后的土壤貯水量與初始土壤貯水量相比均有所減少(F4 除外)，添加粉碎秸稈土壤貯水量比對照減少幅度大，秸稈覆蓋處理土壤貯水能力高于對照。因此，100%秸稈覆蓋抑制土壤蒸發(fā)效果最好，且可以顯著提高土壤含水量，增加土壤貯水量。

綜上所述，土壤中添加粉碎秸稈短時間內(nèi)無法提高土壤的蓄水保墑能力，反會促進土壤蒸發(fā)。覆蓋秸稈可以有效抑制土壤蒸發(fā)，提高土壤蓄水保墑能力，且高秸稈覆蓋度抑制土壤蒸發(fā)效果顯著。就保持土壤水分而言，秸稈覆蓋還田更優(yōu)于秸稈粉碎還田。模擬實驗中所測定的土壤含水量明顯高于鄰近土壤含水量，這可能是因為微型蒸發(fā)器內(nèi)土壤水分無法與周圍土壤的水分進行交換，有待于進一步研究。添加粉碎秸稈處理的土壤蒸發(fā)顯著大于對照，但處理間對土壤蒸發(fā)的影響無明顯差異，這與杜璇研究結(jié)果不一致［16］，這可能與秸稈粉碎的程度不同有關(guān)，另外實驗的粉碎秸稈也沒進行氨化處理，有必要研究不同粉碎程度的秸稈還田對土壤蒸發(fā)的特性影響。

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