坡耕地秸稈還田量對(duì)水土流失影響的試驗(yàn)研究

張玲玲

(建平縣水土保持局，遼寧 朝陽(yáng) 122400)

我國(guó)遼西丘陵地區(qū)的耕地大多為坡耕地，受土壤特征和氣候因素影響，當(dāng)?shù)馗氐乃亮魇闆r十分嚴(yán)重，亟待通過(guò)工程和生物措施進(jìn)行治理[1]。顯然，坡面水流是產(chǎn)生土壤泥沙輸送的根本動(dòng)力，而研究坡面水流特征，量化水動(dòng)力學(xué)參數(shù)，是防治坡耕地水土流失的基礎(chǔ)和先決條件[2]。另一方面，我國(guó)是世界農(nóng)業(yè)大國(guó)，每年會(huì)產(chǎn)生6.2億t農(nóng)作物秸稈，居世界首位，其綜合化和生態(tài)化利用就成為當(dāng)前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中亟待解決的問(wèn)題。相關(guān)研究顯示，將農(nóng)作物的秸稈作為土壤改良劑進(jìn)行還田，可以有效提高土壤的抗侵蝕性，是一種行之有效的水土保持措施[3]。從當(dāng)前的研究現(xiàn)狀來(lái)看，關(guān)于秸稈還田對(duì)農(nóng)作物產(chǎn)量以及土壤結(jié)構(gòu)影響的研究已經(jīng)比較全面，但是對(duì)坡耕地的水動(dòng)力特征和侵蝕特征方面的研究不多。基于此，本次研究以遼寧省建平縣的坡耕玉米田為例，利用試驗(yàn)研究的方式探索不同的玉米秸稈還田量對(duì)水土流失的影響，力求為秸稈還田方式設(shè)計(jì)提供必要的理論支持。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)用土槽為5.0 m×1.0 m×0.6 m的鋼制土槽，土槽的底部設(shè)置有液壓設(shè)備，可以調(diào)節(jié)土槽的坡度，范圍是0°～40°，試驗(yàn)用模擬降雨系統(tǒng)采用的是中國(guó)科學(xué)院水利部水土保持研究所研制的側(cè)噴式降雨系統(tǒng)，降雨高度為16.0 m，可以模擬自然降雨條件下雨滴達(dá)到的終點(diǎn)落速。同時(shí)該系統(tǒng)還可以對(duì)降雨的強(qiáng)度進(jìn)行控制和設(shè)定，變化范圍為2～250 mm/h，降雨的均勻度在80%以上，最大持續(xù)降雨時(shí)間為12 h，有效降雨面積可以覆蓋試驗(yàn)土槽。

1.2 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用土取自遼寧省建平縣境內(nèi)的典型坡耕地，土壤的質(zhì)地為沙壤土，其組成成分如表1所示。在裝填之前，首先將土壤風(fēng)干，并經(jīng)過(guò)直徑為10 mm的篩孔，除去植物的根系和石塊等雜質(zhì)[4]。由于遼西地區(qū)的秸稈還田在秋收之后進(jìn)行，其對(duì)水土流失的影響主要表現(xiàn)在第二年的汛期，因此研究中需要模擬第二年農(nóng)作物的植被情況[5]。按照相似性原理和相關(guān)研究經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，試驗(yàn)中選擇海桐球和麥冬進(jìn)行混植，在栽植過(guò)程中先種植灌木海桐球，然后進(jìn)行麥冬的種植。試驗(yàn)用秸稈為玉米聯(lián)合收割機(jī)收割、打碎之后的玉米秸稈，將秸稈用水潤(rùn)濕并在30 ℃ 室溫下堆積120 h，以模擬自然條件下的腐化程度。

1.3 試驗(yàn)準(zhǔn)備

本次模擬實(shí)驗(yàn)在室內(nèi)環(huán)境下進(jìn)行。首先在土槽的底部鋪上厚度為5 cm的試驗(yàn)土壤。按照試驗(yàn)設(shè)定的比例將秸稈和試驗(yàn)用土混合，然后利用定制的裝填工具模擬翻耕狀態(tài)，裝填的深度為20 cm，不固定容重。在裝填好土壤之后，澆水并保持濕潤(rùn)狀態(tài)靜置24 h，然后栽植上相應(yīng)的植物，待植物完全成活并適應(yīng)環(huán)境后開(kāi)始試驗(yàn)。

表1 試驗(yàn)土壤構(gòu)成

1.4 試驗(yàn)方案

為了研究不同的秸稈還田量對(duì)不同坡度坡耕地水土流失的影響，研究中設(shè)計(jì)了10°、20°和30°三種不同的坡耕地坡度。對(duì)于秸稈還田量，結(jié)合當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)的實(shí)際情況設(shè)計(jì)了0 t/hm2、2 t/hm2、4 t/hm2、6 t/hm2和8 t/hm2等5種不同的秸稈還田量水平，結(jié)合本次試驗(yàn)土槽的大小，經(jīng)過(guò)換算后的還田量分別為0 kg、2 kg、4 kg、6 kg 和8 kg。按照上述設(shè)計(jì)分別進(jìn)行試驗(yàn)研究，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的整理和分析，獲取秸稈還田量對(duì)坡耕地水土流失的具體影響規(guī)律。鑒于遼西地區(qū)的水土流失主要由當(dāng)?shù)叵募镜亩虝r(shí)強(qiáng)降雨造成，因此研究中設(shè)計(jì)降雨雨強(qiáng)為50 mm/h，降雨歷時(shí)為30 min[6-7]。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 初始產(chǎn)流試驗(yàn)結(jié)果與分析

降雨產(chǎn)流是降雨強(qiáng)度大于入滲強(qiáng)度情況下，多余的水分由于不能及時(shí)入滲而在土壤表面產(chǎn)生地表徑流的現(xiàn)象，是衡量坡耕地水土流失的重要指標(biāo)之一[8]。在形成比較穩(wěn)定的坡面徑流之后，如果其侵蝕力大于土壤的抗蝕力，就會(huì)造成坡面侵蝕和水土流失。因此，研究中對(duì)不同試驗(yàn)坡面條件下的初始產(chǎn)流時(shí)間進(jìn)行整理，結(jié)果如表2所示。由試驗(yàn)結(jié)果可知，在秸稈還田量不變的情況下，隨著耕地坡度的增加，初始產(chǎn)流時(shí)間呈現(xiàn)出減小的態(tài)勢(shì)，但是減小的幅度較為有限。由此可見(jiàn)，坡耕地的坡度對(duì)初始產(chǎn)流時(shí)間的影響較小。在坡度不變的情況下，初始產(chǎn)流時(shí)間會(huì)隨著秸稈還田量的增加而明顯增加，且在2～6 kg之間增加最為迅速。這說(shuō)明秸稈還田可以增加初始產(chǎn)流時(shí)間，有利于水土保持，選擇合適的秸稈還田量可以獲取最佳效果。

表2 初始產(chǎn)流時(shí)間試驗(yàn)結(jié)果

2.2 產(chǎn)流流速試驗(yàn)結(jié)果與分析

對(duì)不同試驗(yàn)方案下的產(chǎn)流流速試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，結(jié)果如表3所示。由試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)可知，在秸稈還田量不變的情況下，隨著耕地坡度的增加，產(chǎn)流流速呈現(xiàn)出明顯增加的態(tài)勢(shì)，說(shuō)明坡度對(duì)產(chǎn)流流速存在比較顯著的影響，這一試驗(yàn)結(jié)果也和水力學(xué)原理一致。由此可見(jiàn)，坡度是影響坡耕地水土流失的重要影響因素。在坡度不變的情況下，產(chǎn)流流速會(huì)隨著秸稈還田量的增加而明顯減小，且在2～6 kg之間減小最為明顯。由此可見(jiàn)，實(shí)施秸稈還田可以有效降低坡耕地在降雨條件下的產(chǎn)流流速，有利于坡耕地的水土保持。此外，從表中數(shù)據(jù)還可看出，當(dāng)坡耕地的坡度較小時(shí)，秸稈還田量對(duì)產(chǎn)流流速影響較大，而坡度較大時(shí)這一影響會(huì)變小，這也從側(cè)面說(shuō)明坡度是坡耕地產(chǎn)流流速的重要影響因素。

表3 產(chǎn)流量試驗(yàn)結(jié)果

2.3 侵蝕量試驗(yàn)結(jié)果與分析

對(duì)不同試驗(yàn)方案下的總侵蝕量試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，獲得如圖1所示的結(jié)果。由試驗(yàn)結(jié)果可知，在秸稈還田量不變的情況下，隨著耕地坡度的增加，土壤侵蝕量呈現(xiàn)出明顯增加的態(tài)勢(shì)，說(shuō)明坡度對(duì)土壤侵蝕量存在比較顯著的影響。由此可見(jiàn)，坡度是影響坡耕地水土流失的重要影響因素。在坡度不變的情況下，土壤侵蝕量會(huì)隨著秸稈還田量的增加而明顯減小，且在2～6 kg之間減小最為迅速。例如，坡度在10°的條件下，秸稈還田量為6 kg，也就是6t/hm2時(shí)的侵蝕量為523 g，與沒(méi)有秸稈還田條件下1223 g的侵蝕量相比，降低了約57%。由此可見(jiàn)，實(shí)施秸稈還田可以有效降低坡耕地在降雨條件下的土壤侵蝕作用，有利于坡耕地的水土保持。

圖1 土壤侵蝕量試驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié) 論

(1)初始產(chǎn)流時(shí)間會(huì)隨著秸稈還田量的增加而明顯增加，且在2～6 kg之間增加最為迅速。說(shuō)明秸稈還田可以增加初始產(chǎn)流時(shí)間，有利于水土保持。

(2)產(chǎn)流流速會(huì)隨著秸稈還田量的增加而明顯減小，且在2～6 kg之間減小最為明顯，說(shuō)明實(shí)施秸稈還田可以有效降低坡耕地在降雨條件下的產(chǎn)流流速，有利于坡耕地的水土保持。

(3)土壤侵蝕量會(huì)隨著秸稈還田量的增加而明顯減小，且在2～6 kg之間減小最為迅速，說(shuō)明實(shí)施秸稈還田可以有效降低坡耕地在降雨條件下的土壤侵蝕作用，有利于坡耕地的水土保持。