秸稈覆蓋量對不同容重黑土坡耕地水土流失的影響

曹尤淞，李和平,2，肖 波,3

(1.中國農(nóng)業(yè)大學 土地科學與技術(shù)學院, 北京 100193; 2. 河南省煤炭地質(zhì)勘察研究總院,河南 鄭州 450000; 3.中國科學院 水土保持研究所 黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點實驗室, 陜西 楊凌 712100)

東北黑土區(qū)地勢廣袤，土壤肥沃，是中國主要的玉米和粳稻商品糧供應地，糧食年產(chǎn)量約占全國總量的1/4[1]。然而，受氣候變化和人類活動的影響，黑土結(jié)構(gòu)遭到不斷破壞，水土流失愈發(fā)嚴重[2]。研究表明，東北黑土區(qū)水土流失面積達2.19×105km2，占土地總面積的20.11%，其中以黑龍江省較為嚴重，水土流失面積約占耕地總面積的47%[3]，坡耕地土壤侵蝕是黑土區(qū)水土流失的主要類型，約占水土流失總面積的46%[4]。導致黑土區(qū)水土流失的主要因素包括：①東北黑土區(qū)超過60%的耕地為坡耕地，且大多集中在漫川漫崗地區(qū)，地形條件易引發(fā)水蝕；②黑土土質(zhì)疏松且富含有機質(zhì)，其本身也具有較強的可蝕性；③東北黑土區(qū)夏季(7—9月)降雨量較大，約占全年降雨的70%，高強度的集中降雨極易造成水土流失；④不合理的開發(fā)利用使坡耕地植被覆蓋度普遍降低，削弱了黑土表層的有效防護?；谏鲜鲇绊?，東北黑土區(qū)坡耕地土層厚度正以0.1～0.5 cm/a的速度不斷減少[5]，水土流失狀況異常嚴峻，亟待解決。

免耕和秸稈覆蓋作為保護性耕作的主要技術(shù)措施[6]，目前已有研究關(guān)注其水土保持效應[7-8]，主要是通過田間試驗對比免耕秸稈覆蓋與其他耕作方式下的水土流失特征，如賀云峰等[9]對比了免耕秸稈覆蓋和傳統(tǒng)順坡壟作的水土保持效應，發(fā)現(xiàn)前者能有效減少坡耕地徑流量和侵蝕量；孫芳媛[10]研究發(fā)現(xiàn)同等條件下免耕和秸稈覆蓋能夠減少93.6%和97.3%的侵蝕產(chǎn)沙量；Feng等[11]對比發(fā)現(xiàn)免耕秸稈覆蓋較間作、套作等更有利于水蝕風蝕交錯區(qū)土壤的水分保持。但是免耕條件下土壤容重、孔隙度、團聚度等一系列土壤物理性質(zhì)均發(fā)生變化，田間試驗受混雜因素影響，難以具體解釋容重等土壤物理性質(zhì)對水土流失的影響，致使免耕影響水土流失的研究多為宏觀現(xiàn)象的闡明，而缺乏內(nèi)在機制的分析。此外，目前針對秸稈覆蓋影響黑土水土流失的研究仍然較少，且多為直接對比有、無秸稈覆蓋時的水土流失特征[12]，水土流失隨秸稈覆蓋量的變化特征尚不明確。

基于此，本研究通過模擬傳統(tǒng)翻耕和免耕條件下的土壤容重(1.2，1.3 g/cm3)，結(jié)合不同秸稈覆蓋量(0，328，656，984 g/m2)開展人工降雨試驗，比較不同方式下黑土的初始產(chǎn)流時間、產(chǎn)流速率、徑流量以及土壤流失量，明確土壤容重和秸稈覆蓋對東北黑土區(qū)坡耕地水土流失的影響，以期為東北黑土區(qū)保護性耕作技術(shù)的改良和推廣提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗于2017年5—9月在位于東北典型黑土區(qū)的中國農(nóng)業(yè)大學吉林梨樹試驗站內(nèi)開展。梨樹縣位于吉林省西南部，地理坐標為東經(jīng)123°45′—124°53′和北緯43°02′—43°46′；地處松遼平原腹地，大黑山西側(cè)，地勢東南高、西北低，南部低山丘陵，中部波狀平原，北部為東遼河沖積平原。該區(qū)屬北溫帶半濕潤大陸季風性氣候，雨熱同季，四季分明，年平均氣溫為6 ℃，≥10 ℃年積溫2 900～3 100 ℃，年日照時數(shù)為2 392～2 928 h，無霜期為115～118 d，年均降雨量為587 mm，其中7—9月的降雨約占全年降雨量的70%，年均蒸發(fā)量為808 mm。研究區(qū)土壤為典型黑土，土壤質(zhì)地為粉質(zhì)黏壤土(砂粒、粉粒和黏粒含量分別占14.6%，51.7%和33.7%)，有機質(zhì)含量為2.2%，全氮含量為1.36 g/kg，速效氮含量為87.96 mg/kg。

1.2 試驗設(shè)計與方法

2017年5月對試驗站內(nèi)傳統(tǒng)翻耕區(qū)和免耕區(qū)耕層(0—20 cm)土壤容重進行實測，同時結(jié)合相關(guān)文獻資料[13]，將土壤容重設(shè)定為1.2 g/cm3，1.3 g/cm3兩個水平，分別代表傳統(tǒng)翻耕和免耕下的黑土容重。試驗小區(qū)當季收獲的玉米秸稈總量平均為1 093.2 g/m2，從無秸稈覆蓋到全量覆蓋之間，設(shè)計0，30%，60%，90%4個水平，對應的秸稈覆蓋量分別為0，328，656，984 g/m2。即本試驗共設(shè)置2個因素，8種處理，每種處理重復3次，總計24個樣本。

供試土壤取自試驗站內(nèi)農(nóng)田耕層(約20 cm)，將土樣自然風干至原質(zhì)量含水量的6%～7%后，過5 mm篩，按照設(shè)定的土壤容重填裝土槽。試驗所用土槽規(guī)格為長3.0 m，寬0.6 m，高0.6 m，為便于對水土流失的觀測，依照研究區(qū)坡耕地坡度的上限值，土槽坡度統(tǒng)一設(shè)定為8°。為保證填土均勻性，試驗采用分層填土法，即每5 cm為一層，共分層裝填50 cm的黑土；填裝上層土之前，打毛下層土表面防止出現(xiàn)分層現(xiàn)象，土槽的邊緣用力均勻壓實以減免邊界效應的影響。待填裝完畢，將切割后長約5 cm的玉米秸稈碎段，按設(shè)定的秸稈覆蓋量均勻撒放于土槽表面。模擬降雨前土槽的質(zhì)量含水量均控制為15%，與田間實際狀況一致，含水量不足或超過者，通過噴水或晾曬的方式進行調(diào)整。

模擬降雨裝置采用西安新匯澤測控技術(shù)有限公司研制的XHZ-JY102型便攜式人工模擬降雨器，降雨高度為4 m。其工作原理是利用壓力，通過噴灌自吸泵將水由上至下從噴體噴出，具有一定初速度，能滿足天然降雨雨滴的終點速度(見表1)。根據(jù)東北黑土區(qū)降雨短歷時、高強度的特點[14]，結(jié)合《中國暴雨統(tǒng)計參數(shù)圖集》等[15]資料，同時考慮到秸稈覆蓋會極大降低雨滴動能，若雨強不足，當秸稈覆蓋量較大時水土流失差異可能不顯著，本試驗將雨強設(shè)定為120 mm/h；降雨均勻度>80%，與天然降雨一致(天然降雨均勻度通常大于80%[16])。

表1 120 mm/h模擬降雨強度下的降雨均勻度

本試驗降雨時間約2 h，試驗過程中記錄初始產(chǎn)流時間并對徑流進行全過程收集(每1 min收集一次)。降雨結(jié)束后將收集的徑流靜置8～10 h，待澄清后將上清液和泥沙分離，對上清液稱重并換算為徑流量，將泥沙于陰涼處風干后稱重并換算為土壤流失量。由于本試驗中產(chǎn)流開始45 min后，坡面的徑流量趨于穩(wěn)定，因此本文取產(chǎn)流過程前45 min的數(shù)據(jù)進行分析。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

使用Microsoft Excel 2013計算平均值和標準誤差，同時繪制圖表。使用IBM SPSS Statistics 22進行單因素和雙因素方差分析以檢驗不同處理的差異顯著性，同時進行回歸分析和相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同土壤容重下黑土的水土流失特征

如表2所示，同一秸稈覆蓋量(0，328，656，984 g/m2)下土壤容重增加均縮短了初始產(chǎn)流時間。其中與1.3 g/cm3容重相比，1.2 g/cm3容重土壤的初始產(chǎn)流時間分別延長了14.5%，78.1%，58.3%，100.0%。且當秸稈覆蓋量為984 g/m2時兩種容重土壤的初始產(chǎn)流時間差異顯著(p<0.05)。

表2 不同容重和秸稈覆蓋量下黑土的初始產(chǎn)流時間 min

秸稈覆蓋量相同時，不同土壤容重下的產(chǎn)流過程相似，即初期產(chǎn)流速率快速增加，之后增速放緩且上下波動，后期趨于穩(wěn)定(圖1)。以秸稈覆蓋量656 g/m2為例：在1.2 g/cm3土壤容重下，產(chǎn)流速率在1～4 min內(nèi)從0.4 mm/min快速增加到1.3 mm/min，之后速率緩慢增加并在第20 min左右達到穩(wěn)定，降雨后期的穩(wěn)定產(chǎn)流速率為2.0 mm/min；而在1.3 g/cm3土壤容重下產(chǎn)流速率在1～8 min內(nèi)從1.0 mm/min快速增加到2.5 mm/min，之后速率緩慢增加并在第30 min左右達到穩(wěn)定，降雨后期的穩(wěn)定產(chǎn)流速率為3.5 mm/min。與1.2 g/cm3，土壤容重相比，土壤容重為1.3 g/cm3時的穩(wěn)定產(chǎn)流速率增加了75.0%。秸稈覆蓋量為656 g/m2，984 g/m2時，1.3 g/cm3土壤容重下各時刻的產(chǎn)流速率均大于1.2 g/cm3土壤容重。

圖1 各秸稈覆蓋量下不同容重黑土的產(chǎn)流速率

表3中各處理的徑流量顯示，在328 g/m2秸稈覆蓋量下，土壤容重為1.3 g/cm3時的徑流量比土壤容重為1.2 g/cm3時減少了12.9%，而其他處理分別增加了0.3%，66.4%，90.2%；同時，秸稈覆蓋量為656 g/m2，984 g/m2時兩種土壤容重下徑流量差異顯著(F=11.30，p<0.001)。土壤流失量方面，當秸稈覆蓋量相同時，1.2 g/cm3容重下的土壤流失量均低于1.3 g/cm3容重。其中在0，328，656，984 g/m2秸稈覆蓋量下，土壤容重1.3 g/cm3分別是土壤容重1.2 g/cm3下的1.6，4.0，1.2，1.9倍；秸稈覆蓋量為0，328 g/m2時，兩種土壤容重下的土壤流失量差異顯著。

表3 不同容重和秸稈覆蓋量下黑土的徑流量和土壤流失量

2.2 不同秸稈覆蓋量下黑土的水土流失特征

如表2所示，秸稈覆蓋量在656 g/m2以下時，初始產(chǎn)流時間隨覆蓋量的增加而延長，當覆蓋量超過656 g/m2后，初始產(chǎn)流時間出現(xiàn)小幅度下降。1.2 g/cm3土壤容重下，秸稈覆蓋量為328，656，984 g/m2的初始產(chǎn)流時間較無覆蓋分別延長了2.7，2.9，2.8倍，差異極顯著(F=39.69，p<0.002)；在1.3 g/cm3土壤容重下，秸稈覆蓋量為328，656，984 g/m2的初始產(chǎn)流時間較無覆蓋分別延長了1.4，1.8，1.2倍。

當容重相同時，不同秸稈覆蓋量下的產(chǎn)流過程相似，即初期產(chǎn)流速率先快速增加而后增速放緩，最后趨于穩(wěn)定(圖2)。產(chǎn)流速率方面，在1.2 g/cm3土壤容重下，0，328，656，984 g/m2秸稈覆蓋的穩(wěn)定產(chǎn)流速率分別是3.3，2.5，2.0，1.9 mm/min，秸稈覆蓋處理分別比無覆蓋處理分別減少了24.2%，39.4%，42.4%，在1.3 g/cm3土壤容重下，不同處理的穩(wěn)定產(chǎn)流速率分別是3.0，3.6，3.5，3.7 mm/min，秸稈覆蓋處理比無覆蓋處理的穩(wěn)定產(chǎn)流速率分別增加了20.0%，16.7%，23.3%。

圖2 兩種容重黑土在不同秸稈覆蓋量下的產(chǎn)流速率

各處理的徑流量顯示，土壤容重為1.2 g/cm3時的徑流量隨秸稈覆蓋量的增加而不斷減少(表3)。與無覆蓋相比，秸稈覆蓋量為328，656，984 g/m2時徑流量分別減少了3.1%，33.5%，38.9%。不同秸稈覆蓋量下的徑流量總體差異顯著(F=7.25，p<0.043)，但當秸稈覆蓋量不超過328 g/m2和秸稈覆蓋量超過656 g/m2時，徑流量差異均不顯著；土壤容重為1.3 g/cm3時，徑流量隨著秸稈覆蓋量的增加呈先減小后增加趨勢。不同秸稈覆蓋量下的徑流量總體差異顯著(F=14.39，p<0.013)，兩兩比較發(fā)現(xiàn)，328 g/m2秸稈覆蓋量下徑流量比無覆蓋減少了15.9%，差異顯著(p=0.037)；656 g/m2，984 g/m2秸稈覆蓋量下徑流量分別比無覆蓋增加了10.2%和15.8%，在秸稈覆蓋量為984 g/m2時差異顯著(p=0.038)。

土壤流失方面，兩種容重下土壤流失量均隨秸稈覆蓋量的增加而不斷減小。1.2 g/cm3土壤容重下，與無覆蓋相比，秸稈覆蓋量為328，656，984 g/m2時土壤流失量分別減少了74.3%，91.3%，97.9%，各處理之間均差異顯著(F=1 398.20，p<0.001)；1.3 g/cm3土壤容重下，與無覆蓋相比，秸稈覆蓋的土壤流失量分別減少了34.0%，93.1%，97.4%，各處理之間均差異顯著(F=4 006.83，p<0.001)。

2.3 土壤容重和秸稈覆蓋量與水土流失的關(guān)系

如表4所示，徑流量、土壤流失量、容重三者間兩兩成正相關(guān)關(guān)系，其中徑流量與土壤容重顯著正相關(guān)(p<0.05)；徑流量和土壤流失量與秸稈覆蓋量之間成負相關(guān)關(guān)系，且土壤流失量與秸稈覆蓋量極顯著負相關(guān)(p<0.05)。進一步的回歸分析結(jié)果顯示，徑流量與土壤容重和秸稈覆蓋量的回歸方程決定系數(shù)為0.258(F=3.61，p=0.057)，土壤容重的回歸系數(shù)為0.559，秸稈覆蓋量的回歸系數(shù)為0.210，表明土壤容重對徑流量的影響大于秸稈覆蓋量；土壤流失量與土壤容重、秸稈覆蓋量和徑流量之間回歸方程的決定系數(shù)為0.865(F=33.17，p<0.001)，秸稈覆蓋量的回歸系數(shù)為0.922，土壤容重為0.471，徑流量為0.289，表明秸稈覆蓋量對土壤流失量的影響大于土壤容重和徑流量。

表4 徑流量和土壤流失量與土壤容重和秸稈覆蓋量的相關(guān)系數(shù)矩陣

3 討 論

不同容重黑土的水土流失研究表明，相較于1.2 g/cm3容重，1.3 g/cm3容重下黑土初始產(chǎn)流時間縮短，產(chǎn)流速率、徑流量和土壤流失量都顯著增加，這表明水土流失隨土壤容重的增加而加劇。雨滴降落土壤表面后，首先產(chǎn)生擊濺侵蝕，此時的侵蝕力較弱，徑流也尚未產(chǎn)生；當降雨強度大于入滲速率后，坡面徑流開始出現(xiàn)，在持續(xù)降雨之下，匯流面積不斷擴大，徑流量和流速迅速增加，使徑流具有較強的沖蝕力，從而造成大量土壤流失[17]。土壤入滲性能是影響徑流產(chǎn)生和變化的重要因素，而土壤容重作為土壤結(jié)構(gòu)緊實度的反映，其變化從根本上影響了土壤顆粒排布和大孔隙數(shù)量，進而影響到土壤的入滲性能[18]。相同質(zhì)地土壤，其孔隙度和大孔隙數(shù)量隨容重的增大而急劇減少，而大孔隙是土壤水分流動的主要通道，其數(shù)量減少降低了土壤內(nèi)部連通性，同時產(chǎn)生較多的封閉氣體，直接阻礙了水流的暢通性，導致濕潤峰運移距離減小，累積入滲量和入滲率減緩，入滲能力衰減速度加快，最終表現(xiàn)為水土流失的加劇。

本研究中，秸稈覆蓋延長了黑土初始產(chǎn)流時間，降低了產(chǎn)流速率、徑流量和土壤流失量，即秸稈覆蓋顯著提升了黑土的水土保持性能。其原因一方面是秸稈覆蓋可以減緩降雨對表層土壤的直接沖擊[19]，維持土壤團聚體結(jié)構(gòu)和孔隙度，減少地表結(jié)皮的形成，從而增加了單位時間內(nèi)的雨水入滲量，降低了產(chǎn)生徑流的動能；另一方面秸稈覆蓋通過提升地表粗糙度增加了地表填洼量，致使需要更多的降雨填洼才能形成徑流，從而延滯了坡面初始產(chǎn)流時間；此外，秸稈本身對徑流和泥沙具有物理攔截阻滯作用，能削弱徑流侵蝕力并使泥沙不斷沉積，減少了坡面的產(chǎn)流產(chǎn)沙量[20]。本研究發(fā)現(xiàn)當黑土容重為1.3 g/cm3時，徑流量并未隨秸稈覆蓋量的增加而顯著減少，可能是因為土壤容重較大，土壤中有利于降雨入滲的大孔隙數(shù)量過少，并且與田間土壤的結(jié)構(gòu)相比，人工土槽受填裝、壓實等影響下其內(nèi)部的非活性孔隙更多，由此導致的徑流增加量遠大于秸稈覆蓋對徑流量的減少，致使秸稈覆蓋的作用難以顯現(xiàn)。僅從本研究的數(shù)據(jù)來看，秸稈覆蓋量為656 g/m2時的初始產(chǎn)流時間最長，其原因可能是當秸稈覆蓋量較低時，對降雨初期所造成的擊濺侵蝕減緩作用相對較弱，大雨強下的抗濺蝕能力仍然不足，當秸稈覆蓋量達到656 g/m2后，土壤表面已經(jīng)形成了較為致密的覆蓋層，充分提升了地表粗糙度，削減了雨滴濺蝕力，因而臨界點之后再增加秸稈對延長初始產(chǎn)流時間的作用并不顯著。

綜合本研究結(jié)果，免耕對土壤容重的提升將加劇水土流失，秸稈覆蓋則具有良好的水土保持效應。因此，從水土保持角度考慮，東北黑土區(qū)免耕時應注意結(jié)合秸稈覆蓋。

4 結(jié) 論

(1) 土壤容重增加顯著縮短了初始產(chǎn)流時間并增加了水土流失量。與土壤容重為1.2 g/cm3時相比，1.3 g/cm3容重時土壤初始產(chǎn)流時間縮短了13.1%～49.9%，徑流量增加了0.4%～90.4%，土壤流失量增加了24.6%～302.8%。

(2) 秸稈覆蓋具有顯著的水土保持效應。與無秸稈覆蓋相比，秸稈覆蓋下的土壤初始產(chǎn)流時間延長了1.2～2.9倍，徑流量減少了3.1%～38.9%，土壤流失量減少了34.0%～97.9%；同時秸稈覆蓋的水土保持效果與秸稈覆蓋量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系；秸稈覆蓋量為656 g/m2時達到最佳的水土保持效果。

(3) 免耕后土壤容重的增加可能會增多地表徑流，并由此加劇土壤侵蝕，而秸稈覆蓋可以顯著降低黑土水土流失，綜合對比顯示，當土壤容重為1.3 g/cm3時采取秸稈覆蓋仍平均減少了10.7%的徑流量和74.2%的土壤流失量。