玉米莖稈汁液對黃土坡面產(chǎn)沙速率的影響及原因分析

王 濤, 魏 霞, 蘇輝東, 葉永鑄, 彭海鑫, 黃青能, 何志文

(蘭州大學 資源環(huán)境學院, 蘭州 730000)

在產(chǎn)匯流等水文過程中，水土流失經(jīng)常發(fā)生。水土流失會導致土地資源退化，給經(jīng)濟社會帶來嚴重的危害[1-2]。對農業(yè)土壤的治理，以工程措施(如灌排制度)、土壤改良措施(如化學改良劑、有機改良劑、生物改良劑等)和耕作措施為主。土壤改良劑能改變土壤的理化性質，改變其水保能力，具有投入少、周期短或見效快等優(yōu)點，成為較熱門的課題[3-6]。Ekwue[7]和Celik[8]等指出施用不同的化學性質的有機質會導致不同的土壤抗剪切強度。而且Ekwue[9]發(fā)現(xiàn)施用源于某些草類的有機質增強了土壤抗剪切強度。已有研究結果表明：聚丙烯酰胺(Polyacrylamide 以下簡稱PAM )不但能有效地維護土壤團聚體的結構，而且能形成新的團聚體，PAM與水相互作用形成的粘聚作用力能有效地緩解雨滴對土壤表面打擊并抑制結皮的形成，從而可以增加土壤的入滲能力，減少地表徑流，防止水土流失[10-14]。但是其合成過程和降解過程都會產(chǎn)生額外的化學危害物質，對環(huán)境和人造成一定的負面影響[15-16]。魏霞等[17]通過研究發(fā)現(xiàn)：純天然的玉米莖稈汁液也具有顯著減流、減沙作用，其生產(chǎn)提取過程以及降解過程都無危害物質產(chǎn)生，對環(huán)境和人都不會造成負面影響，而且其獲取便捷，成本低廉。但是其研究尚未揭示玉米莖稈汁液作為土壤改良劑具有顯著減流、減沙作用的原因。鑒于此，本文分析添加玉米莖稈汁液對土壤理化性質和坡面產(chǎn)沙速率的影響，研究其內在相關性，并對玉米莖稈汁液減沙作用的原因進行分析與探討。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗土選取

供試驗的土壤取自甘肅省水土保持科學研究所試驗園區(qū)竇家山上，地理位置為103°56′40″E，36°01′37″N，海拔1 544.5～1 847.5 m。屬于黃土丘陵溝壑區(qū)第五副區(qū)，地貌特征以梁狀黃土丘陵為主，該土壤在當?shù)胤植紡V泛，是容易發(fā)生侵蝕的典型性土壤，能基本反映黃土丘陵溝壑區(qū)第五副區(qū)的土壤侵蝕狀況。土壤為黃土母質上發(fā)育而成的灰鈣土，質地疏松、多孔，濕陷性強，pH值約7.5～8.5。

1.2 試驗土樣處理

試驗土樣的處理：選取該地區(qū)天然的表層土壤(0—10 cm)為試驗土，試驗土壤經(jīng)過1 cm的篩子，去除植物根系及其他雜質，風干后的土壤叫做風干試驗土，其具體的理化性質見表1。將風干試驗土裝填滿3個槽車，然后再在各槽車土壤表面均勻撒上2 000 ml的蒸餾水、25%玉米莖稈汁液和50%玉米莖稈汁液，自然靜置24 h后，用于試驗。將風干試驗土裝填滿第4個槽車，撒上25%玉米莖稈汁液，經(jīng)過一個冬季的凍融降解后，用于試驗。形成的4種試驗處理土樣分別記為control，25%，50%，25%凍后。經(jīng)過一個冬季的凍融降解后，玉米汁液的凍融降解、揮發(fā)、下滲等因素導致土樣中的玉米莖稈汁液濃度降低，所以25%凍后處理的土樣玉米莖稈汁液濃度應該介于對照和25%之間，所以玉米莖稈汁液濃度應該是control<25%凍后<25%<50%。土壤含水率的測量采用烘干法，土壤團聚體采用濕篩法。各種試驗土的理化性質見表1。

表1 供試土壤理化性質

1.3 供試驗用的玉米莖稈汁液的獲取

供試驗用的玉米莖稈汁液來自于當?shù)氐挠衩捉斩捴械闹旱恼ト?。選取生長成熟的青玉米秸稈，去掉葉子和根，榨取莖稈中的汁液獲得玉米莖稈汁液(表2)，玉米莖稈汁液的有機質含量為32 g/kg。

表2 供試玉米莖稈汁液的主要成分組成 mg/kg

1.4 人工模擬降雨試驗

本試驗在甘肅省水土保持科學研究所實驗室內進行，試驗所選用土槽尺寸為長1.2 m，寬0.8 m，高0.4 m。為了盡可能減小邊壁效應，填土時，槽子邊緣土壤的裝填要十分仔細，壓的更為密實，土面略低于槽車的邊壁高，保證濺蝕時的水滴不會溢出槽車。槽車上層0.2 m是試驗有效土壤層，下層0.2 m是為了保證試驗土的透水狀況接近天然坡面。槽車底部均勻布設小孔，保證底層水分可以下滲。本次試驗的設計坡度為15°固定不變。試驗用的降雨器為美國Norton人工模擬降雨器，噴頭型號為Veejet 80100。該系統(tǒng)由美國農業(yè)部(USDA)和美國土壤侵蝕研究所共同開發(fā)，使用先進的振蕩式原理人工模擬自然條件下的降雨情況來研究土壤在降雨條件下發(fā)生的侵蝕。

降雨試驗采用的雨強分別為50，25，75，100 mm/h的連續(xù)降雨方式進行模擬降雨。相應的降雨歷時為60，20，10，10 min(共100 min)，泥沙的收集間隔時間分別為5 min(11個樣)，10 min(2個樣)，3 min(3個樣)，3 min(3個樣)。收集到的泥沙處理方式是先靜置1周，倒掉上層清液，然后自然風干，稱取剩余泥沙的質量[18]。

2 結果與分析

2.1 不同處理土樣的產(chǎn)沙的特征分析

圖1為不同玉米莖稈汁液處理土樣的產(chǎn)沙的特征變化圖。產(chǎn)沙速率隨著降雨強度的增大而增大，當降雨強度為25 ml/h時，產(chǎn)沙速率最小，只有約0.7 g/min，當降雨強度為100 ml/h時，產(chǎn)沙速率最大可以達到16 g/min。從中可以很直觀地看到從上到下的4條產(chǎn)沙速率—降雨歷時曲線(雨強曲線除外)，依次為control曲線、25%凍后曲線、25%曲線、50%曲線，所以產(chǎn)沙速率也是control>25%凍后>25%>50%。因為control>25%凍后>25%，所以25%玉米莖稈汁液在經(jīng)過一個冬季的凍融降解后，其減沙作用有所減小，可能是由于玉米汁液的凍融降解、揮發(fā)、下滲等因素導致土樣中的玉米莖稈汁液濃度降低。因為control>25%凍后>25%>50%，所以添加玉米莖稈汁液對產(chǎn)沙速率是有明顯的抑制作用的，而且隨著土壤中添加的汁液濃度的增加抑制作用越強。

圖1不同玉米莖稈汁液處理土樣的產(chǎn)沙的特征變化

為了量化減沙作用的效果，引入減沙百分比(各種試驗土下的產(chǎn)沙速率與control的產(chǎn)沙速率的差值占control的產(chǎn)沙速率的百分比[17])。結果如表3所示。

表3 各試驗土下的減沙百分比 %

從表3可以看出，添加玉米莖稈汁液后減沙效果都是明顯的，當雨強為25，50，75，100 mm/h時，25%凍后土樣減沙百分比分別為68.7%，12.3%，39.3%，39.9%；25%汁液處理土樣減沙百分比分別為71.1%，25.6%，47.0%，63.3%；50%汁液處理土樣減沙百分比分別為72.0%，64.4%，55.9%，63.7%。在各種相同雨強(50，25，75，100 mm/h)下，減沙百分比均有50%>25%>25%凍后，這說明隨著土壤中玉米秸稈汁液濃度的增加，減沙百分比越大。其中當施加50%濃度的玉米莖稈汁液、雨強為25 ml/h時，減沙百分比最大為72.0%。當雨強相同時候，減沙百分比50%>25%；當同一種濃度玉米汁液的時候，減沙百分比最大的是25 mm/h，接近70%的減沙效果，雖然在25 ml/h的降雨強度下，產(chǎn)沙速率較小，但是減沙百分比是最大的，達到70%以上，其次是大雨強100 ml/h的減沙百分比也較大，產(chǎn)沙速率也較大。

2.2 汁液濃度-土壤有機質-土壤團聚體-產(chǎn)沙速率的相關關系分析

2.2.1 產(chǎn)沙速率與土壤團聚體的關系分析 根據(jù)以往研究結果，團聚體的粒徑分布和穩(wěn)定性，是預測土壤抗侵蝕能力的良好指標。有機質對團聚體水穩(wěn)性具有顯著的影響。所以本研究重點分析土壤團聚體和有機質對產(chǎn)沙速率的影響，通過研究發(fā)現(xiàn)>0.25 mm團聚體含量與產(chǎn)沙速率具有顯著的線性相關性，其結果如圖2所示。

圖2 產(chǎn)沙速率與土壤團聚體含量百分比的關系

從圖2可以看出，在4種設定的雨強(25，50，75，100 ml/h)下，>0.25 mm土壤團聚體含量都與產(chǎn)沙速率具有顯著的線性相關性，其線性擬合方程分別為y=-0.0815x+1.4063，y=-0.0198x+3.7083，y=-0.0757x+7.4486，y=-0.02525x+22.17。其可決系數(shù)R2分別為0.945 5，0.942 2，0.970 5，0.943 8，都通過了0.01的顯著性檢驗。所以隨著>0.25 mm土壤團聚體增加，坡面產(chǎn)沙速率是呈顯著的線性減少趨勢。產(chǎn)沙速率隨著雨強的增加而增加，隨著>0.25 mm土壤團聚體含量的增加而減小。所以>0.25 mm土壤團聚體起到了減沙的作用。

2.2.2 土壤團聚體和有機質的關系分析 從圖3A可以看出>0.25 mm團聚體的含量是與土壤中的有機質含量顯著線性相關的。其線性擬合方程為y=0.9772x+4.6957，其決定系數(shù)R2為0.977 2，通過了0.01的顯著性檢驗。所以>0.25 mm土壤團聚體總含量與有機質是呈線性正相關的，即>0.25 mm土壤團聚體總百分比越高，土壤有機質含量也會相應增加，這說明玉米莖稈汁液同步改變了土壤的有機質含量與>0.25 mm土壤團聚體總百分比。4種試驗土樣的處理(control，25%凍后，25%，50%)，土壤中的玉米莖稈汁液是一個增加的過程，而也正是土壤團聚體和有機質增加的過程，所以玉米莖稈汁液的添加，同步改變了土壤中的有機質和>0.25 mm土壤團聚體，從而起到了減沙作用。

圖3B是土壤>0.25 mm土壤團聚體的各粒徑團聚體的分布與有機質的變化關系圖，從圖3B可以看出添加玉米莖稈汁液以后變化最顯著的是>5 mm的土壤團聚體的含量變化，由施加前的5%左右增加到30%左右，變化幅度最大。其中>0.25 mm和2.0～1.0 mm團聚體的變化與有機質的變化趨勢較為一致。1.0～0.5 mm和0.5～0.25 mm的50%土樣有所減少，不大一致。但是綜合而言，>0.25 mm團聚體的含量與土壤中的有機質含量是具有顯著線性相關性的。

圖3 汁液濃度、土壤團聚體、土壤有機質變化

2.3 討 論

已有研究表明團聚體的粒徑分布和穩(wěn)定性極大地影響著土壤的物理性質和土壤中發(fā)生的各種過程[18-19]。團聚體穩(wěn)定性影響著土壤入滲、結皮、產(chǎn)沙等土壤侵蝕的各個過程，是預測土壤抗侵蝕能力的良好指標[20-22]。有機質對團聚體水穩(wěn)性的影響已經(jīng)被廣為認識[7-8,23-24]。而本試驗通過對各種理化性質的變化研究發(fā)現(xiàn)，施加玉米莖稈汁液明顯改變了土壤有機質含量與土壤水穩(wěn)定性團聚體的含量，跟土壤產(chǎn)沙速率相關關系顯著，增加了>0.25 mm土壤團聚體的含量和有機質含量，是玉米莖稈汁液作為添加劑的減沙作用的內因，與以往研究一致。魏霞等[17]通過研究發(fā)現(xiàn)：純天然的玉米莖稈汁液具有顯著減流、減沙作用。本文進一步證實了玉米莖稈汁液是通過增加土壤中有機質和>0.25 mm的團聚體實現(xiàn)減沙作用的。以往研究表明，莖稈汁液中有機物(特別是可溶性糖)和鈣離子含量等也可能對團聚體穩(wěn)定性起很大作用。對此應有進一步試驗(如水配溶液，改變溶液組成)，確定汁液各組分對減沙的影響，從而進一步揭示玉米莖稈汁液對黃土坡面產(chǎn)沙速率影響及其機理。

3 結 論

(1) 添加玉米莖稈汁液對產(chǎn)沙速率是有明顯的抑制作用的，玉米莖稈汁液通過增加土壤中>0.25 mm 的團聚體和有機質實現(xiàn)減沙作用的。

(2) 4種處理后的土樣中>5 mm 的土壤團聚體和有機質是顯著線性相關的，通過了0.01的顯著性水平。在各種試驗雨強下的產(chǎn)沙速率與>0.25 mm 的土壤團聚體、有機質都具有顯著線性負相關關系，通過了0.01的顯著性檢驗。

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