不同秸稈移除條件下凍融對農(nóng)田土壤風蝕可蝕性的影響

楊居聰, 賀宇欣,2, 王 陽, 劉淑珍, 茍 思,2

(1.四川大學 水利水電學院, 成都 610065; 2.四川大學 水力學與山區(qū)河流開發(fā)保護國家重點實驗室, 成都 610065)

土壤風蝕是一個綜合的自然地理過程，涉及氣候、植被、土壤、地形地貌等多種因子[1-2]，這些因子的非線性相互作用導致了系統(tǒng)的混沌特征[3]。嚴重的土壤風蝕會引起土壤質地變粗，可持續(xù)生產(chǎn)能力降低[4]。凍融作用使土層發(fā)生變形，產(chǎn)生凍脹、融陷和流變等，嚴重改變了土壤表層結構及干重度，降低土壤粘聚力，從而對土壤抗風蝕能力產(chǎn)生影響。作物留茬作為防治農(nóng)田休閑期土壤風蝕的有效措施[5]，其留茬量會影響著土壤的抗風蝕能力。中國國家能源局在2016年印發(fā)的《生物質能發(fā)展“十三五”規(guī)劃》中提出“開發(fā)利用生物質能，是能源生產(chǎn)和消費革命的重要內(nèi)容，是改善環(huán)境質量、發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟的重要任務?！弊魑锝斩捵鳛樯镔|液體燃料中的重要原料，被大量投入到生物質燃料的生產(chǎn)中，造成田間作物留茬量的減少，而過低的留茬量可能會導致土壤風蝕加重。目前，國內(nèi)外學者對作物留茬已經(jīng)有許多研究：Fryrear[6]測得在50%秸稈覆蓋度下，土壤風蝕量較翻耕田降低了90%以上；Fronning等[7]發(fā)現(xiàn)在免耕條件下，玉米秸稈留茬覆蓋能夠改善土壤性質，提高土壤有機碳含量，提高作物產(chǎn)量以及土壤抗風蝕水蝕能力；臧英等[8]發(fā)現(xiàn)免耕留茬、免耕留茬+耙和免耕無覆蓋的風蝕量分別比傳統(tǒng)耕作相對減少73.75%，75.31%和14.17%；陳智等[9]通過移動式風蝕風洞研究了陰山北麓農(nóng)牧交錯區(qū)麥薯帶狀間作農(nóng)田土壤的抗風蝕效果，提出保護性耕作帶截留風蝕物的標準留茬高度和植被覆蓋度分別為30 cm和50%。

總體看來，我國秸稈留茬防治風蝕的工作主要是通過改變秸稈留茬量的短時間風洞試驗測定土壤風蝕量、風蝕物截留率以及近地表風速，以得出秸稈留茬對土壤風蝕量的影響，其中涉及土壤物理性質指標如土壤侵蝕比EF值的研究比較少。而在實際生產(chǎn)中，土壤風蝕還受到氣候(主要是氣溫、降雨以及風速)、土壤質地、耕作制度等因素的制約。特別是我國東北、西北以及中緯度大部分受季節(jié)性凍融過程比較頻繁的地區(qū)，凍融作用對耕地的土壤結構變化起了很大的作用。因此進行不同秸稈移除率下凍融作用對土壤風蝕的影響試驗有一定的必要性，由于美國農(nóng)業(yè)已基本實現(xiàn)現(xiàn)代化，試驗田附近群眾活動干擾小，具備試驗所需的耕地條件以及儀器設備(Modified Rotary Sieve——改進旋轉土壤篩分儀，可以大量篩分土樣且其中有0.84 mm粒徑的篩網(wǎng))，故本文試驗在美國堪薩斯州進行，通過研究不同秸稈移除率下凍融作用對土壤風力侵蝕指標的影響，定量分析在不同處理下土壤風蝕指標規(guī)律，對比我國現(xiàn)有部分試驗數(shù)據(jù)，為我國類似季節(jié)性凍融地區(qū)有效防治土壤風蝕，確定合適的秸稈移除率提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

本試驗由通信作者在美國2011年9月到2013年3月間完成,試驗地分別位于美國堪薩斯州西部的Norcatur(39°50′11″N，100°11′18″W)，Colby (39°23′44″N，101°3′9″W)和Scott City(38°28′47″N，100°54′27″W)?？八_斯州屬于溫帶大陸性氣候，冬季寒冷夏季炎熱，年內(nèi)溫差大，作物生長期從4月中旬到9月中旬。1981—2010年，1月份平均氣溫-3～1℃，7月份平均氣溫24～27℃，年平均氣溫大約為13℃；堪薩斯全州的平均降水量約690 mm，年平均降水量在東南部約為1 000 mm，西部約為500 mm，西部降水主要集中在夏季，經(jīng)常出現(xiàn)旱災和沙暴天氣。由圖1可知，各試驗地2012年5—9月降雨量都比2011年相應月份的降雨量小，Norcatur，Colby，Scott City三地2012年降雨量為2011年的52%，57%，63%，且各試驗地2011年年降雨量均低于往年平均，故各試驗地2012年均經(jīng)歷了大旱。由圖2可知試驗地2011—2013年月氣溫與往年平均相差不大(氣溫、降雨數(shù)據(jù)來源：NOAA)。

圖12011-2013年月降雨量

試驗地點土壤質地類似(砂粒含量24%～28%，粉粒含量56%～58%，黏粒含量16%～18%)，土壤類型、種植系統(tǒng)見表1。本文中試驗地點均位于堪薩斯州西部地區(qū)，試驗地土壤類型為粉質壤土，試驗地坡度均小于1%。Norcatur，Colby土壤有機碳含量分別為3.76%，3.96%，土壤有機碳含量高，生物活性相對較高，而Scott City土壤有機碳含量較低，為1.35%。與其他兩地不同的是，Scott City土壤中蒙脫石含量高。

表1 土壤質地

圖22011-2013年月平均氣溫

1.2 試驗設計

本試驗為短期試驗，試驗數(shù)據(jù)的采集始于2011年秋，結束于2013年春。試驗采用免耕的耕作方式，樣本的采集使用隨機完全區(qū)組設計，設置4個重復，在每年春季(3月份)以及每年秋季(9月份)分別采取試驗區(qū)土壤樣本，并對樣本進行編號11F(2011年秋季)、12S(2012年春季)、12F(2012年秋季)、13S(2013年春季)。對每份樣本進行EF、GMD、RR等指標的檢測，EF、GMD的值可以用來判斷土壤風蝕的敏感性，即抗風蝕能力，通過對春秋季土壤3個指標進行對比分析，得出春秋季節(jié)土壤受侵蝕程度的相對大小。另外設置秸稈不同移除率作為另一變量，秸稈移除率分別設置100%，75%，50%，25%，0，由于本文主要探究凍融作用對土壤可侵蝕性的影響，本文只選取移除率為100%，50%，0的試驗組進行數(shù)據(jù)分析。

1.3 測量指標及方法

1.3.1 土壤侵蝕比EF 土壤侵蝕比(Erodible Fraction，EF)，EF是指土壤樣本中土壤顆粒粒徑小于0.84 mm的土壤顆粒質量占土壤樣品總質量的百分比。采取無擾動土壤樣本，稱取其中直徑小于0.84 mm的顆粒的質量并計算其占土樣總質量的百分比，反映了土壤易受風力侵蝕的比例，EF值越大，土壤越易受風力侵蝕。

(1)

式中：Ma指土樣中直徑小于0.84 mm的顆?；驁F聚體的質量；Mt指土樣的總質量。

1.3.2 幾何平均直徑GMD 幾何平均直徑(Geometric Mean Diameter,GMD)，反映了土樣的粒徑大小和土壤團聚體的穩(wěn)定性，同時能間接反映土壤的侵蝕程度，GMD越小，平均粒徑越小，則土壤侵蝕越嚴重。GMD采用濕篩法測定[10]:大于0.25 mm的團聚體稱為大團聚體,小于0.25 mm 的團聚體稱為微團聚體。稱取60 g風干土樣放置于團聚體分析儀的套篩頂部(套篩孔徑自上而下依次為2 mm，0.25 mm 和0.05 mm),沿桶壁緩慢加入去離子水至水沒過土樣,浸泡、潤濕5 min,豎直震蕩2 min,上下移動5次,振幅為3 cm。收集各級篩層團聚體并分別轉移至鋁盒中,65℃烘干48 h 至恒重,計算團聚體的質量分數(shù)。

(2)

式中：Xi為第i個篩子上團聚體的平均直徑；Wi為第i個篩子上團聚體重量百分比。其中，大于2 mm篩上的團聚體平均直徑采用3.5 mm[11]。

1.3.3 地表隨機粗糙度Surface Random Roughness(RR) 地表隨機粗糙度(Surface Random Roughness，RR)，使用pin meter(由101根直徑6 mm，長50 cm，間距1 cm的針管組成)測量地表粗糙度，通過Sigma Scan Pro5軟件對針尖數(shù)字照相機傳回的每根針尖的土壤表面圖像進行分析，從而計算土壤粗糙度。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

記錄2011年秋季至2013年春季中的春秋季節(jié)內(nèi)不同秸稈移除率試驗條件下取樣檢測時的EF、GMD、RR原始數(shù)據(jù)，利用Excel 2010對數(shù)據(jù)進行處理并繪制相關圖表。用SAS 9.3軟件對試驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，采用混合效應線性模型，用約束最大似然估計法原理計算協(xié)方差矩陣獲得統(tǒng)計數(shù)據(jù)的差異性。小寫字母代表5%水平的顯著性差異，下同。

2 結果與分析

2.1 不同移除率下凍融變化對EF值的影響

由圖3可知，EF值隨秸稈移除率的增加而增大。2011年秋，Norcatur與Colby的EF值均小于30%，Scott City的EF值均大于30%且最高達到55.5%。2012年春，Norcatur，Colby和Scott City的100%移除組EF值分別為53%，74%，64%，增幅最大，較2011年秋分別為149%，185%，16%。2011年秋至2012年春，各試驗地可能都受到了不同程度的凍融作用，土壤中的重力水反復凍結膨脹使得大顆粒團聚體不斷遭到破壞，分散為小顆粒，導致土壤侵蝕比EF值增加。值得注意的是，Scott City土壤中的主要成分為蒙脫石，蒙脫石質地較硬且易吸水膨脹[12]，容重降低會增大土壤可侵蝕性，但Scott City的EF值變化沒有其他兩地明顯，并且它的50%移除組EF值非增反減，可能是由于該試驗地土壤表面結皮，臨時提高了穩(wěn)定性，但這對土壤結構的破壞明顯，一旦含水率降到一定下限，土壤極易受到風蝕，這在2012年春到2012年秋Scott City的50%移除組有所體現(xiàn)。土壤侵蝕比EF值隨著凍融次數(shù)及持續(xù)時間的增加而增大[13]，與本試驗相符。

2012年秋，Norcatur，Colby，Scott City各處理的平均EF值分別為34.8%，59.9%，54.6%，后兩地的EF值已經(jīng)到了一個比較高的水平。從圖上看，對比2012年秋、2013年春各試驗地各處理下的EF值有增有減，但EF值變幅與2011年秋至2012年春的凍融循環(huán)相比要小許多。由圖1可知，2012年各試驗地5—11月里大多數(shù)月降雨量都明顯低于2011年，故在2012—2013年凍融期間，土壤含水量較低，試驗地極度干旱的天氣[14]削弱了凍融作用。同時，經(jīng)過第一輪的凍融循環(huán)，不穩(wěn)定的土壤大團聚體已經(jīng)被分解得差不多。

在土壤水分充足的情況下，凍融作用使各試驗地土壤侵蝕比EF值明顯增大，并且由于試驗地大旱，EF值在2012—2013年受凍融作用的影響比2011—2012年弱。各地100%移除組的EF值增幅均比其他兩組高，該處理組的土壤由于沒有秸稈保護，直接暴露在自然環(huán)境下，容易受到風力侵蝕和凍融作用的影響，50%移除組和0移除組的EF值變化相差較小。秸稈留茬能有效緩解EF值在凍融過程中增大，保護土壤大團聚體，削弱土壤風蝕。

圖32011年秋季至2013年三地不同秸稈移除率下的土壤可侵蝕百分比

2.2 不同移除率下凍融變化對GMD 值的影響

GMD是反映土壤團聚體大小分布情況的常用指標，GMD值越大表示團聚體的平均粒徑團聚度越高，穩(wěn)定性越強[15]。由圖4可知，2011年秋Norcatur各處理的GMD值都在4 mm以上，50%移除組最大，達到了16.24 mm；而Colby和Scott City的GMD值在2 mm左右，Scott City100%移除組的GMD值最小，為0.55 mm。2 011秋至2012年春，凍融作用可能使試驗地的土壤大團聚體遭到破壞，Norcatur和Colby的100%和50%移除組的GMD值急劇下降，其中降幅最大為Colby100%移除組，達91%。由于Scott City土壤中蒙脫石含量較高，其100%移除組的降幅不大，并且50%移除組有96%的增幅。在秸稈保護下，各試驗地0移除組的GMD值降幅比其他處理組都小。Hammerbeck等[16]認為秸稈移除率較高時土壤團聚體會因為缺少保護而崩解為小顆粒，GMD值減小，與本試驗結果相符。

2012年秋，Colby和Scott City各處理GMD值均小于1 mm，Norcatur各處理GMD值稍大一些，最大為2.75 mm。經(jīng)過2012—2013年的凍融作用，2013年春各處理GMD值與2012年秋相比差異不大，凍融作用對GMD值的影響并不明顯。由于GMD和EF都只與土壤粒徑級配相關，因此可以推斷出GMD值在后一次凍融作用變化不明顯的原因與EF值相同：2012年秋—2013年春的凍融作用受大旱的影響而減弱，同時2011年秋—2012年春的凍融作用已分解了大部分易破壞的團聚體。

圖42011年秋季到2013年春季三地不同秸稈移除率下的幾何平均直徑

2.3 不同移除率下凍融變化對RR的影響

粗糙的土壤表面可以有效地吸收風能來減小近地表風速[17]，并且可以通過凹凸不平的表面留住被風吹走的土粒[18]。由圖5知，各試驗地的RR值隨秸稈移除率的增大而減小，100%移除組的RR值在不同時期基本都小于0和50%移除組。經(jīng)過2011年秋至2012年春的凍融作用，除了Colby的100%移除組的RR值有所增長，其余處理組的RR值在2012年春都有一定程度的減小。地表粗糙度與降雨、耕作有關，由于本試驗采用免耕方式，故不考慮耕作對RR值的影響，Lyles和Tatarko[19]發(fā)現(xiàn)降雨擊濺對土壤的擾動，會使土壤表面變得更平，減小土壤團聚體的形成。同時，尚倫宇等[20]經(jīng)過試驗發(fā)現(xiàn)，瑪曲地區(qū)在凍融的過程中，隨著地表植被枯黃程度的增加，下墊面更加均一，土壤地表粗糙度呈逐漸減小的趨勢。由圖4可知，相較于其他兩組2012年春的RR值8 mm，Colby的100%移除組RR值不足2 mm，而Colby的100%移除組2012年春的EF值增幅和GMD值降幅比其他兩地高，似乎可以推斷凍融作用在秸稈留茬的情況下對Colby土壤風蝕指標的影響更大。

圖52011年秋季至2013年春季不同移除率下的隨機粗糙度值

如果不考慮雨雪天氣、大風天氣以及秸稈留茬的影響，凍融作用可能會使土壤地表粗糙度增大，王恩姮等[21]通過室內(nèi)模擬凍融試驗發(fā)現(xiàn)凍融后黑土區(qū)耕作土壤表面粗糙度增加。經(jīng)過2012年秋至2013年春的凍融作用，各試驗地RR值與前一次凍融后的變化趨勢不太一致，接近一半的處理組RR值都有一定的增幅，Colby的0移除組增幅達到53.1%。2012年大旱，試驗地降雨量遠低于往年平均，因此雨滴對土壤表面的磨平作用會減弱，并且凍融作用也會因為土壤含水率低而減弱。在實際田間生產(chǎn)中，凍融作用對RR值的影響可能沒有降雨對RR值的影響大，故本文各試驗地不同處理下的RR值總體都呈減小趨勢。凍融作用下，秸稈留茬對土壤RR值的減小有一定的限制作用，提高了土壤的抗風蝕能力。

2.4 討 論

2011年秋至2013年春，本文對3個試驗地在不同秸稈移除率下的土壤風蝕指標EF、GMD、RR值進行了測定分析。數(shù)據(jù)表明，相較于0，50%秸稈移除組，100%秸稈移除組經(jīng)凍融作用后EF值明顯偏大、GMD值明顯偏小，RR值偏小程度沒前兩者明顯。土壤風蝕主要發(fā)生在晚冬和早春，凍融作用使土壤孔隙水結冰膨脹，增大土壤團聚體的孔隙度，使土壤團聚體的穩(wěn)定性下降，EF值增大、GMD值減小，導致土壤風力侵蝕幾率增加[22-24]，影響土壤侵蝕的發(fā)生發(fā)展規(guī)律[25]。凍融作用對這3個指標的影響與當?shù)氐耐寥蕾|地、耕作制度、季節(jié)變化以及極端天氣都有密切的關系。例如，Scott City與其他兩地的土壤質地有很大區(qū)別，土壤中大量的蒙脫石使得50%秸稈移除組的EF值和GMD值在2011年秋至2012年春的凍融作用下與其他兩地的變化趨勢相反。同時，本文試驗指標的測定也受到了極端天氣和耕作制度變化的影響：2012年堪薩斯州經(jīng)歷了一場罕見的大旱，Norcatur，Colby，Scott City夏季平均降雨量遠遠低于三地1981—2010年夏季平均降雨量，進入冬季，土壤含水量低，受到的凍融作用并不明顯；三地的作物大量減產(chǎn)，Norcatur和Scott City兩地的農(nóng)戶顆粒無收，生產(chǎn)者放棄收割，所以留茬率比前后的幾年都要高。低于往年平均值的土壤含水量和高于往年平均值的秸稈留茬量造成了試驗數(shù)據(jù)前半段和后半段變化幅度的差異。

我國華北平原處于32°—40°N，112°—122°E，屬于暖溫帶半濕潤季風氣候，年平均氣溫8～15℃，年降雨量500～900 mm，60%～70%集中在夏季，初春、冬季易干旱且大風頻繁發(fā)生，主要栽種方式是冬小麥—夏玉米輪作[26]；2001年至目前，華北平原地區(qū)玉米已經(jīng)實現(xiàn)免耕直播，小麥免耕嶄露頭角[27]，大部分耕地已有10多年的免耕年限。同時，華北平原地處我國北方，約在11月，隨著氣溫下降，季節(jié)融化層凍結，凍結層加深，土壤凍結期開始，夜間有較淺的凍結層，但白天處于消融狀態(tài)，隨著溫度的進一步降低，出現(xiàn)季節(jié)凍結層[28]。由此可見，我國華北平原與本文試驗地的地理氣候條件、耕作條件類似，本文研究結果可以為華北平原土壤風蝕防治以及適宜秸稈移除率試驗提供一些理論依據(jù)。

3 結 論

2011年秋至2013年春，在美國堪薩斯州的3個試驗地分別設置不同的秸稈移除率處理，對各試驗地的土壤風蝕敏感性指標EF，GMD，RR值進行測定，得到以下主要結論：

(1) 在本試驗中，凍融作用對土壤風蝕指標的變化起主要作用，同時也受到土壤質地、耕作制度、作物種類、極端天氣的影響。秸稈留茬能有效地降低土壤可侵蝕比EF值，增加土壤幾何平均直徑GMD值，對土壤表面隨機粗糙度RR值的增加也有一定效果，在土壤風蝕嚴重并且晚冬早春氣溫處于0℃上下的地區(qū)，建議秸稈留茬50%以上來提高土壤的抗風蝕能力。同時，休耕對于增強土壤抗風蝕能力有一定積極作用，Norcatur和Colby的試驗數(shù)據(jù)表明，在進行休耕的年份，土壤的抗風蝕能力相對增強。

(2) 本試驗由于人力物力等條件的限制，只對研究地區(qū)的土壤進行了三年的數(shù)據(jù)測量，并且在數(shù)據(jù)記錄測量期間發(fā)生過大旱災，干旱的天氣對土壤含水量以及作物的生長有著極大的影響，影響了土壤風蝕指標的連續(xù)性。研究人員可以進行多年試驗，以排除本文試驗結論偶然不規(guī)律性，研究連續(xù)多年情況下凍融交替對土壤風力侵蝕指標的影響。

(3) 我國華北平原與堪薩斯的試驗地氣候、耕作制度類似，因此本文試驗對華北平原農(nóng)業(yè)區(qū)耕地的風蝕防治研究有一定借鑒意義。同時，對于內(nèi)蒙古高原、陜西、華北平原等地區(qū)的耕地，我國學者已經(jīng)做過秸稈覆蓋對土壤性質影響的許多研究，但對秸稈留茬對土壤風蝕指標影響的研究較少，故對以上易產(chǎn)生土壤風蝕的地區(qū)，秸稈留茬對土壤風蝕指標的影響研究應該進一步細化。

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