玉米秸稈粉碎還田對黑土坡面土壤侵蝕特征的影響

牟廷森 ，沈海鷗，王東麗，張 月，武佳龍，黃子炎

(1.吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，長春 130118；2.遼寧工程技術(shù)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000；3.秸稈生物學(xué)與利用教育部重點實驗室，長春 130118)

東北黑土區(qū)是我國重要的糧食產(chǎn)地。然而，黑土資源流失、黑土層變薄，在影響糧食安全的同時，還惡化生態(tài)環(huán)境，制約區(qū)域生態(tài)、經(jīng)濟、社會可持續(xù)發(fā)展。玉米是東北黑土區(qū)主要的種植作物之一，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中產(chǎn)生大量的玉米秸稈資源。目前，秸稈的主要處理方式為秸稈還田，具體包括：秸稈覆蓋還田、碎混還田、翻壓還田、過腹還田和堆漚還田等。秸稈還田能夠增加土壤中大粒徑土粒含量，進而改變土層特征、改善土壤質(zhì)地；還能夠增加土壤有機質(zhì)含量，提高土壤肥力和土壤微生物活性。秸稈深還田能夠降低土壤容重，增加團聚體穩(wěn)定性，對玉米產(chǎn)量增長有促進作用。此外，王一菲研究指出，玉米秸稈殘茬全量還田壓埋混入土壤后，凍融作用下土壤風(fēng)蝕強度與輸沙率明顯增大；郭金金等研究表明，小麥秸稈粉碎還田在改變土壤性質(zhì)的同時，能夠影響土壤侵蝕阻力；張玲玲研究發(fā)現(xiàn)，秸稈還田量對坡耕地產(chǎn)流產(chǎn)沙特征具有一定的防治作用；賀云鋒等研究表明，秸稈還田具有調(diào)控徑流侵蝕的作用，平均調(diào)控徑流效果和侵蝕效果分別為36.8%～65.8%和84.9%～96.8%；代立等研究也發(fā)現(xiàn)，秸稈堆漚還田與粗粒秸稈還田能夠有效減少產(chǎn)流產(chǎn)沙量。綜上可知，秸稈還田在改良土壤質(zhì)地、提高土地生產(chǎn)力的同時，亦具有一定調(diào)控土壤侵蝕的能力。但是，關(guān)于玉米秸稈粉碎還田對黑土坡面徑流侵蝕特征的影響尚缺少系統(tǒng)研究。鑒于此，本研究采用人工模擬降雨試驗方法，探究不同坡度下玉米秸稈粉碎還田量對黑土坡面徑流侵蝕過程以及徑流量和土壤侵蝕量的影響，以期為東北黑土區(qū)土壤侵蝕防治提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于2019年7—9月在秸稈生物學(xué)與利用教育部重點實驗室以及吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)水土保持科研基地人工模擬降雨大廳完成。降雨設(shè)備為下噴式人工模擬降雨系統(tǒng)，降雨均勻度>85%，有效降雨覆蓋面積為3 m×6 m，降雨高度為6 m。試驗所用土槽規(guī)格為：長度×寬度×深度為1.2 m×0.5 m×0.25 m，土槽底部有9排3列均勻的排水孔，共27個，其孔徑為1 cm，用于保證試驗過程中下滲水分順利排出，土槽坡度通過液壓調(diào)節(jié)，可調(diào)范圍為0～30°。試驗土壤為黑土，于2018年6月取自吉林省榆樹市，其土地利用類型為耕地，主要種植作物為玉米，采樣時耕層土壤容重平均為1.20 g/cm。試驗土壤機械組成為砂粒8.5%，粉粒88.4%，黏粒3.1%。為盡量保持土壤的自然狀態(tài)，試驗土樣不過篩不研磨，僅去除植物根系、雜草、礫石等雜質(zhì)。試驗秸稈為玉米秸稈，在2018年秋收后于吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)水土保持科研基地采集，并放置于干燥陰涼處，經(jīng)過1年的自然風(fēng)干，采用9ZT-0.6型鍘草機粉碎，長度均為2 cm。

1.2 試驗設(shè)計

根據(jù)東北黑土區(qū)典型地形和降雨特征，將試驗坡度設(shè)計為3°，5°和7°，降雨強度設(shè)計為75 mm/h，降雨歷時為40 min。根據(jù)研究區(qū)實測玉米秸稈量(12.0 t/hm)，將玉米秸稈粉碎還田量分別設(shè)計為無秸稈還田(0)，還田25%(3.0 t/hm)，50%(6.0 t/hm)，75%(9.0 t/hm)和100%(12.0 t/hm)5個試驗處理。玉米秸稈粉碎后，采用秸稈粉碎還田法，即秸稈粉碎后與黑土充分混合，其還田深度為20 cm。每個試驗處理重復(fù)3次。

1.3 試驗方法

首先，用紗布填充試驗土槽底部的排水孔，以保障試驗過程中土槽排水良好；其后將試驗土槽分為細沙層和秸稈碎混層，細沙層位于土槽最下方，厚度為5 cm，細沙層之上覆蓋紗布，并分層裝填試驗土壤與粉碎秸稈的混合樣品，每層厚度為5 cm，土壤容重控制在1.20 g/cm，共裝填4層。試驗土槽裝填完畢后，自沉降48 h后開展預(yù)降雨試驗。

正式模擬降雨試驗前，采用30 mm/h降雨強度進行預(yù)降雨，至坡面剛剛產(chǎn)流為止，目的是保證試驗前期土壤條件的一致性，各試驗處理前期土壤質(zhì)量含水率為(22.0±1.0)%。預(yù)降雨結(jié)束后，用塑料布將試驗土槽表面覆蓋，靜置24 h待開展正式模擬降雨試驗。

試驗過程中，對降雨強度進行率定，以確保模擬降雨強度的準確性和均勻性，當實測降雨強度與目標降雨強度的差值<5%時方可進行正式降雨試驗。坡面開始產(chǎn)流后，記錄初始產(chǎn)流時間，接取徑流泥沙樣品，取樣間隔為1～4 min，取樣時間視徑流量大小而定。此外，每隔5 min用高錳酸鉀染色劑示蹤法測定坡面徑流流速。

降雨結(jié)束后，稱取徑流泥沙樣品的總質(zhì)量，并將其靜置6～8 h，倒掉上清液后轉(zhuǎn)移到已知質(zhì)量的鋁盒中，放入設(shè)置恒溫為105 ℃的烘箱中烘干，稱取其質(zhì)量，用以計算產(chǎn)流率、產(chǎn)沙率及徑流量和土壤侵蝕量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

本文數(shù)據(jù)使用Excel 2007和SPSS 19.0軟件進行數(shù)據(jù)處理與分析：采用Excel 2007計算徑流量、土壤侵蝕量并繪制產(chǎn)流率、產(chǎn)沙率隨降雨歷時的變化過程圖；采用SPSS 19.0軟件中方差分析和多重比較(LSD)，進行不同坡度和秸稈還田比例下徑流量和土壤侵蝕量顯著性水平檢驗(<0.05)；由于直接測定的徑流流速為坡面優(yōu)勢徑流流速，故將實測流速乘以修正系數(shù)0.75，作為坡面平均徑流流速。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同坡度下秸稈粉碎還田量對坡面徑流侵蝕過程的影響

隨著玉米秸稈粉碎還田量從0增加為100%，其對應(yīng)的產(chǎn)流時間在3°坡面由大約4 min明顯延長到14 min左右，在5°坡面由3 min明顯延長到10 min，在7°坡面由2 min左右明顯延長到9 min左右(圖1)。分析原因是當粉碎的玉米秸稈摻入土壤中，能夠改良土壤孔隙狀況，且還田后的秸稈碎屑具有一定的蓄水持水作用，進而增加了土壤水分入滲率和土壤持水性。結(jié)果表明，玉米秸稈粉碎還田有助于延緩坡面產(chǎn)流時間，且秸稈還田量越大，其持水作用越明顯，延緩坡面產(chǎn)流時間越久；隨著坡度的增加，黑土坡面產(chǎn)流時間逐漸提前，且不同秸稈粉碎還田量處理之間產(chǎn)流時間差異間隔逐漸變短，即玉米秸稈粉碎還田措施對產(chǎn)流時間延緩效果逐漸減弱。

由圖1可知，不同坡度下不同玉米秸稈粉碎還田處理的產(chǎn)流率均隨降雨歷時先增加后趨于相對穩(wěn)定，且無秸稈還田處理的產(chǎn)流率明顯高于有秸稈還田處理。對于3°坡面，降雨30 min左右產(chǎn)流率開始趨于相對穩(wěn)定，穩(wěn)定后無秸稈還田處理產(chǎn)流率相對較高，約為1.5 L/(min·m)；玉米秸稈粉碎還田50%和75%處理的穩(wěn)定產(chǎn)流率相近，約為1.3 L/(min·m)；玉米秸稈粉碎還田100%處理的穩(wěn)定產(chǎn)流率最低，約為0.9 L/(min·m)；玉米秸稈粉碎還田25%處理的穩(wěn)定產(chǎn)流率略高于還田100%處理，約為1.0 L/(min·m)。對于5°坡面，降雨20 min左右產(chǎn)流率開始趨于相對穩(wěn)定，穩(wěn)定后無秸稈還田處理的穩(wěn)定產(chǎn)流率最高，約為1.6 L/(min·m)；玉米秸稈粉碎還田50%處理的穩(wěn)定產(chǎn)流率最低，約為0.9 L/(min·m)；不同試驗處理的產(chǎn)流率總體表現(xiàn)為無秸稈還田處理>還田75%處理>還田100%處理>還田25%處理>還田50%處理，相鄰2個試驗處理的產(chǎn)流率均相差0.1 L/(min·m)。對于7°坡面，降雨15 min左右產(chǎn)流率開始趨于相對穩(wěn)定，穩(wěn)定后無秸稈還田處理的穩(wěn)定產(chǎn)流率最高，約為1.6 L/(min·m)，而玉米秸稈粉碎還田25%，50%，75%和100%處理的穩(wěn)定產(chǎn)流率相近，均在1.2 L/(min·m)左右。綜上可知，玉米秸稈粉碎還田處理的產(chǎn)流率明顯低于無秸稈還田處理，且相同玉米秸稈粉碎還田量在不同坡度下的產(chǎn)流率亦呈現(xiàn)一定差異。分析原因是秸稈碎屑在土壤中隨機分布，能夠吸持一部分水分，增加土壤持水性；同時，改變土壤孔隙，增加土壤入滲量，消減坡面徑流(圖2)，進而降低產(chǎn)流率。該結(jié)果與野外原位條件下開展的相關(guān)研究結(jié)果相似，即秸稈還田具有調(diào)控徑流作用。但是，隨著坡度的逐漸增加，坡面徑流流速逐漸增大，上述秸稈對土壤性質(zhì)和入滲的影響作用會逐漸弱化，導(dǎo)致不同玉米秸稈粉碎還田處理產(chǎn)流率變化的差異逐漸減小，并趨于相近。因此，玉米秸稈粉碎還田措施具有調(diào)控產(chǎn)流率的作用，隨著秸稈還田量的增加，其調(diào)控產(chǎn)流率的能力增強；而隨著坡度的增大，不同玉米秸稈粉碎還田量間的調(diào)控產(chǎn)流率作用相差不大。

圖1 不同坡度及秸稈還田量條件下產(chǎn)流率隨降雨歷時的變化

圖2 不同坡度及秸稈還田量條件下平均徑流流速的對比

由圖3可知，不同坡度下不同玉米秸稈粉碎還田處理的產(chǎn)沙率隨降雨歷時也呈現(xiàn)先增加后趨于相對穩(wěn)定的變化趨勢，且無秸稈還田處理的產(chǎn)沙率在降雨前期明顯高于有秸稈還田處理；但是，在降雨中后期，不同試驗處理的產(chǎn)沙率發(fā)生明顯變化。對于3°坡面，玉米秸稈粉碎還田100%處理的穩(wěn)定產(chǎn)沙率相對較高，約為7.9 g/(min·m)；無秸稈還田處理與玉米秸稈粉碎還田75%處理的穩(wěn)定產(chǎn)沙率相近，約為6.3 g/(min·m)。玉米秸稈粉碎還田25%處理的產(chǎn)沙率最小，約為2.2 g/(min·m)；玉米秸稈粉碎還田50%處理的穩(wěn)定產(chǎn)沙率約為3.9 g/(min·m)。對于5°坡面，玉米秸稈粉碎還田75%處理的穩(wěn)定產(chǎn)沙率最大，約為7.1 g/(min·m)；玉米秸稈粉碎還田25%處理的穩(wěn)定產(chǎn)沙率最低，約為3.0 g/(min·m)；無秸稈還田、玉米秸稈粉碎還田50%和100%處理的穩(wěn)定產(chǎn)沙率均在3.0～5.0 g/(min·m)。對于7°坡面，玉米秸稈粉碎還田50%與75%處理的穩(wěn)定產(chǎn)沙率較高，約為9.9 g/(min·m)；玉米秸稈粉碎還田0和25%處理的穩(wěn)定產(chǎn)沙率相近，約為7.0 g/(min·m)；而玉米秸稈粉碎還田100%處理的穩(wěn)定產(chǎn)沙率最低，約為4.0 g/(min·m)。可見，玉米秸稈粉碎還田后，3°坡面的產(chǎn)沙率隨著秸稈還田量的增加呈先減小后增大的變化；而5°和7°坡面的產(chǎn)沙率隨著秸稈還田量的增加呈先減小后增大再減小的變化。玉米秸稈粉碎還田100%處理的產(chǎn)沙率隨著坡度的增大而明顯降低，當坡度由3°增加到7°，其穩(wěn)定產(chǎn)沙率由7.9 g/(min·m)降至4.0 g/(min·m)；其他4種秸稈粉碎還田處理的產(chǎn)沙率則隨著坡度的增大而增大，但增加幅度不同。對于3°，5°和7°坡面，產(chǎn)沙率最大時的玉米秸稈粉碎還田分別為100%，75%和50%。

圖3 不同坡度及秸稈還田量條件下產(chǎn)沙率隨降雨歷時的變化

造成上述結(jié)果主要原因是玉米秸稈粉碎還田后，秸稈碎屑在土壤中的分布能夠改變土壤原有結(jié)構(gòu)，土壤之間作用力減弱，土壤通氣透水性提升。此外，秸稈碎屑在土壤表面穿插，能夠起到擋土攔沙的作用。因此，在降雨前期，玉米秸稈粉碎還田處理的產(chǎn)沙率較低，但隨著降雨的進行，玉米秸稈粉碎還田處理的擋土效果減弱。在較緩(3°)坡面，玉米秸稈粉碎還田對土壤表面攔沙作用不明顯，當秸稈還田量(接近100%)較大時，土壤中秸稈含量高，土壤顆粒松動程度大，產(chǎn)沙率較大。隨著坡度增大，沿著坡面斜向下的作用力增大，徑流侵蝕力度加強，不同玉米秸稈粉碎還田處理的調(diào)控侵蝕程度不同，坡度越大，玉米秸稈粉碎還田量越低，其擋土攔沙作用降低。因此，5°和7°坡面產(chǎn)沙率較大的處理分別為玉米秸稈粉碎還田75%和50%處理。結(jié)果表明，玉米秸稈粉碎還田后，有擋土攔沙、降低產(chǎn)沙率的作用，坡度和秸稈還田量的不同，其擋土攔沙作用不同，產(chǎn)沙率隨降雨歷時的變化亦不同。值得注意的是，玉米秸稈粉碎還田量較低(<25%)時，在較緩坡度(3°和5°)下的坡面產(chǎn)沙率較低，且不同坡度下相同秸稈還田量處理的產(chǎn)沙率不同，而玉米秸稈粉碎還田100%時，隨著坡度的增大，產(chǎn)沙率降低。

2.2 不同坡度下秸稈粉碎還田量對坡面徑流量和土壤侵蝕量的影響

試驗條件下，玉米秸稈粉碎還田處理的徑流量明顯減小(表1)。在3°坡面，無秸稈還田處理與玉米秸稈粉碎還田處理的徑流量差異顯著，前者徑流量較后者高1.7～2.7 L；其中，玉米秸稈粉碎還田100%處理的徑流量最低，為13.7 L，調(diào)控徑流效果為16.2%。與3°坡面相比，5°坡面的徑流量均有所增大，但是，玉米秸稈粉碎還田25%和100%處理的調(diào)控徑流效果降低；在5°坡面，玉米秸稈粉碎還田50%處理的徑流量最低，調(diào)控徑流效果為21.5%；玉米秸稈粉碎還田25%處理的徑流量較低，調(diào)控徑流效果為8.6%；玉米秸稈粉碎還田75%和100%處理的徑流量相近，約為16.0 L，調(diào)控徑流效果在14.0%左右。與3°和5°坡面相比，7°坡面的徑流量亦有所增大；在7°坡面，玉米秸稈粉碎還田處理的調(diào)控徑流效果與3°和5°坡面相比也有提升，其中玉米秸稈粉碎還田50%處理的調(diào)控徑流效果最大，達到24.3%，與3°和5°坡面相比，增加1.1～2.2倍；玉米秸稈粉碎還田25%的徑流量為16.9 L，調(diào)控徑流效果為17.6%，與3°和5°坡面相比，增加1.2～2.0倍。由此可見，當坡度由3°增加到7°，玉米秸稈粉碎還田25%和100%處理的徑流量呈現(xiàn)增加趨勢，而調(diào)控徑流效果呈先減小再增大趨勢；玉米秸稈粉碎還田50%和75%處理的徑流量和調(diào)控徑流效果均呈增大趨勢。分析原因是玉米秸稈粉碎還田后，秸稈具有一定的持水性，能夠截持部分降水，導(dǎo)致秸稈還田后徑流量減少；隨著坡度的增加，徑流形成較快，徑流流速也較快，有玉米秸稈粉碎還田處理與無秸稈還田處理的差異越明顯；在3°，5°和7°坡面下，玉米秸稈粉碎還田75%，25%和100%處理的徑流量較大?？梢?，玉米秸稈粉碎還田能夠在一定程度上降低徑流量，起到一定的調(diào)控徑流作用。但是，不同坡度下相同秸稈還田量的調(diào)控徑流作用不同，3°坡面下玉米秸稈粉碎還田25%和100%處理的調(diào)控徑流效果較好，5°和7°坡面下玉米秸稈粉碎還田50%和75%處理的調(diào)控徑流效果較好。因此，根據(jù)坡度確定玉米秸稈粉碎還田量，有助于提高秸稈還田措施調(diào)控徑流效果。

玉米秸稈粉碎還田后，土壤侵蝕量減少，且不同坡度不同玉米秸稈粉碎還田處理的土壤侵蝕量減少程度不同(表1)。對于3°坡面，土壤侵蝕量總體表現(xiàn)為無秸稈還田處理>還田100%處理>還田75%處理>還田50%處理>還田25%處理，玉米秸稈粉碎還田100%處理的土壤侵蝕量是玉米秸稈粉碎還田25%處理的3.7倍，是玉米秸稈粉碎還田50%和75%處理的2.3，1.5倍；調(diào)控侵蝕效果隨著玉米秸稈粉碎還田量的增加而減小，從玉米秸稈粉碎還田25%處理的74.1%降至玉米秸稈粉碎還田100%處理的3.6%。對于5°坡面，土壤侵蝕量變化與3°坡面不同，玉米秸稈粉碎還田量從25%增加到75%，其土壤侵蝕量呈增大趨勢，玉米秸稈粉碎還田從75%增加到100%，其土壤侵蝕量呈減小趨勢；玉米秸稈粉碎還田75%處理的土壤侵蝕量較大，調(diào)控侵蝕效果最低，為3.0%，而玉米秸稈粉碎還田25%和100%處理的土壤侵蝕量較低，調(diào)控侵蝕效果達到40.0%。對于7°坡面，玉米秸稈粉碎還田量從25%增加到50%時，其土壤侵蝕量呈現(xiàn)增長趨勢，從50%增加到100%時，其土壤侵蝕量則呈下降趨勢；玉米秸稈粉碎還田100%處理的土壤侵蝕量最低，調(diào)控侵蝕效果最高，為72.1%。

表1 不同坡度及秸稈粉碎還田處理的徑流量、土壤侵蝕量及其調(diào)控徑流侵蝕效果對比

綜上可知，在3°，5°和7°坡面下，玉米秸稈粉碎還田100%，75%和50%處理的土壤侵蝕量較大；隨著坡度的增加，玉米秸稈粉碎還田量降低，其調(diào)控侵蝕效果減弱。分析原因是玉米秸稈粉碎還田后，秸稈碎屑分布在土壤中，表面秸稈部分扎在土壤中，部分在土壤之上，相當于微型擋土攔沙措施，具有一定擋土攔沙能力，產(chǎn)流產(chǎn)沙時間延后，降雨前期玉米秸稈粉碎還田處理的產(chǎn)沙率均低于無秸稈還田處理，因此，玉米秸稈粉碎還田處理的土壤侵蝕量均低于無秸稈還田處理。玉米秸稈粉碎還田后，秸稈碎屑分布于土壤中，土壤較無秸稈還田松動，不同玉米秸稈粉碎還田量土壤松動程度不同，土壤易侵蝕程度亦不同，導(dǎo)致不同坡度下玉米秸稈粉碎還田處理的調(diào)控侵蝕效果呈現(xiàn)差異。結(jié)果表明，在坡度較緩(3°)，且玉米秸稈粉碎還田量低(25%)時，其土壤侵蝕量較低，為29.4 g，調(diào)控侵蝕效果最好，達到74.1%，但是玉米秸稈粉碎還田量越大，其土壤侵蝕量反而增加；隨著坡度的增加，特別是在7°坡面，玉米秸稈粉碎還田100%時，其土壤侵蝕量最低，為36.7 g，調(diào)控侵蝕效果最好，達到為72.1%。因此，根據(jù)坡度確定玉米秸稈粉碎還田量，有助于提高秸稈還田措施對土壤侵蝕的防治效果。

3 結(jié) 論

(1)玉米秸稈粉碎還田措施具有一定的調(diào)控徑流作用。玉米秸稈粉碎還田后，黑土坡面產(chǎn)流率和徑流量降低，徑流量由無秸稈還田處理的16.4～20.5 L減小為有秸稈還田處理的13.7～17.0 L；且隨著秸稈還田量的增加，其產(chǎn)流時間延后及平均徑流流速降低越明顯。但是，隨著坡度的增加，玉米秸稈粉碎還田的調(diào)控徑流作用有所消減。在3°坡面，秸稈粉碎還田25%和100%處理的調(diào)控徑流效果較好；在5°和7°坡面，秸稈粉碎還田50%和75%處理的調(diào)控徑流效果較好。

(2)玉米秸稈粉碎還田措施能夠在一定程度上降低產(chǎn)沙率和土壤侵蝕量。相同秸稈粉碎還田量在不同坡度下的調(diào)控侵蝕效果亦不同，當秸稈粉碎還田量較低(<50%)時，平緩坡度(3°和5°)下的產(chǎn)沙率和土壤侵蝕量較低，即具有相對較好的調(diào)控侵蝕效果，其中在3°坡面，秸稈粉碎還田25%處理的調(diào)控侵蝕效果可達74.1%；當秸稈粉碎還田量較高(>50%)時，隨著坡度的增大，其調(diào)控侵蝕效果呈增加趨勢，其中，在7°坡面，秸稈粉碎還田100%處理的調(diào)控侵蝕效果可達72.1%。

(3)綜上可知，不同地形坡度條件下，玉米秸稈粉碎還田處理對黑土坡面徑流侵蝕特征的影響具有一定差異。因此，建議秸稈還田措施的推廣應(yīng)用要與土壤侵蝕特征分析相結(jié)合，篩選適宜的秸稈還田方式和還田量，從而在確保提高黑土地力的同時，保護寶貴的黑土資源。