張興義, 李健宇, 郭孟潔, 胡 偉, 李建業(yè)
(1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院,哈爾濱 150030;2.中國科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所,哈爾濱 150081)
黑土是世界上最肥沃的農(nóng)田土壤之一,我國東北黑土區(qū)已成為國家重要的糧食產(chǎn)區(qū)和優(yōu)良的商品糧基地。但由于人類長期不合理的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動,掠奪式經(jīng)營,加之黑土區(qū)漫川漫崗地貌類型特點,夏季單峰降雨,多采用順坡/斜坡壟作,水土流失加劇,農(nóng)田黑土發(fā)生嚴(yán)重退化,表現(xiàn)為黑土層變薄,土壤變硬,土壤有機(jī)質(zhì)含量下降。區(qū)域調(diào)查顯示,農(nóng)田黑土有機(jī)質(zhì)含量開墾后已下降了60%,黑土自然生產(chǎn)力下降了20%。黑土區(qū)85%的旱作農(nóng)田為坡度>0.5°的坡耕地,多順坡/斜坡壟作,存在不同程度的水土流失,坡耕地年均黑土層變薄速率為2~3 mm,黑土層厚度僅剩30 cm左右,農(nóng)田水土流失已成為當(dāng)前黑土退化的最主要誘因。
根據(jù)世界糧農(nóng)組織定義,保護(hù)性農(nóng)業(yè)的主要原則包括免耕、秸稈覆蓋還田和輪作。保護(hù)性農(nóng)業(yè)可以改善土壤物理結(jié)構(gòu),增加土壤有機(jī)質(zhì),提高土壤保水能力,作為保護(hù)性農(nóng)業(yè)的重要措施,秸稈覆蓋免耕對于減少坡耕地水土流失具有重要作用。東北黑土區(qū)保護(hù)性耕作研究起步較晚,前人研究表明,秸稈覆蓋免耕有利于農(nóng)田土壤形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu),增強(qiáng)土壤抗蝕性和保水能力,減少作物全生育期輸沙次數(shù)、徑流量和侵蝕量,連續(xù)秸稈覆蓋免耕8年后,土壤表層0—20 cm較傳統(tǒng)耕作土壤有機(jī)質(zhì)增加了11.4%,具有恢復(fù)土壤質(zhì)量的作用。近年來秸稈覆蓋免耕在黑土地保護(hù)中的重要作用,已得到了充分重視,以保護(hù)性耕作為核心的“梨樹模式”已得到各級政府肯定,2020年國家啟動了黑土地保護(hù)性耕作國家行動計劃,2021年頒布了《國家黑土地保護(hù)工程實施方案(2021—2025)》,將保護(hù)性耕作作為主要措施之一。雖然保護(hù)性耕作在東北黑土區(qū)已有初步應(yīng)用與推廣,但目前東北黑土區(qū)保護(hù)性耕作研究多聚焦于平地,且多以短期和單個生育期為主,而對坡耕地的土壤物理性狀和水土保持效應(yīng)長期研究較少,為揭示秸稈覆蓋免耕對于坡耕地土壤質(zhì)量維護(hù)和水土保持作用,通過連續(xù)14年的坡耕地秸稈覆蓋免耕長期定位田間試驗,探究黑土坡耕地保護(hù)性耕作對于土壤容重、土壤孔隙度和土壤團(tuán)聚體等土壤物理結(jié)構(gòu)的影響,分析表層土壤入滲速率及土壤保水能力,結(jié)合年產(chǎn)流和產(chǎn)沙量差異,評價黑土長期秸稈覆蓋免耕的水土保持效應(yīng),以期為黑土坡耕地侵蝕退化阻控提供科學(xué)依據(jù)。
試驗場布設(shè)在中國科學(xué)院海倫水土保持監(jiān)測研究站(47°21′16″N,126°49′56″E),位于松嫩平原黑土地帶中部黑龍江省海倫市光榮村,海拔226 m,典型漫川漫崗地貌,坡度1.5°~7.0°。氣候類型屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候,冬季寒冷干燥,夏季高溫多雨,雨熱同期,年均氣溫1.5 ℃,年均降水量500 mm,70%降雨集中在6—9月。土壤類型為典型黑土,分層明顯,黑土層平均厚度為30 cm。0—20 cm耕層土壤砂粒、粉粒、黏粒含量分別為31.6%,30.8%,37.6%,土壤有機(jī)質(zhì)含量為42.1 g/kg。
試驗小區(qū)建于2007年,徑流小區(qū)坡度為5°,寬4.5 m,長20 m。四周用地下埋30 cm,地上露20 cm圍板隔離,下設(shè)徑流收集槽,連接分流桶和集流桶,用于收集徑流和泥沙采樣。設(shè)置秸稈覆蓋免耕(NT)和傳統(tǒng)順坡耕作(CT)徑流小區(qū),每個處理3次重復(fù)。NT為秋季收獲時秸稈留茬20 cm,其余秸稈粉碎長度<20 cm并覆蓋于地表,次年人工免耕播種,除草劑控制雜草,不進(jìn)行任何秋耕和苗期中耕作業(yè),次年原壟種植;CT為當(dāng)?shù)剞r(nóng)民常規(guī)耕作方式,秋收后全部移出秸稈,順坡旋耕起壟,壟寬為70 cm,壟高為20 cm,苗期人工播種,除草劑控制雜草外人工輔助鋤草,中耕扶壟2次。所有處理均采用大豆—玉米2年輪作制,2020年種植作物為大豆。
土壤采樣觀測日期為2020年8月10日,土壤物理性狀依照魯如坤方法測定。地表徑流和輸沙觀測期為2020年6月1日至9月31日。
土壤容重(g/cm)使用環(huán)刀法測定,分別在壟溝和壟臺處采樣,采樣深度分別為0—5,5—10,10—15,15—20 cm土層,各取3個重復(fù)。
土壤含水量(%)、田間持水量(%)、毛管孔隙度(%)均用環(huán)刀浸泡法測定,環(huán)刀采樣方法同土壤容重。
土壤孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度計算公式為:
(1)
=×
(2)
=-
(3)
水穩(wěn)性團(tuán)聚體:采集0—5,5—10,10—15,15—20,20—40 cm共5層的土壤樣品,壟臺和壟溝處分別取樣,每個試驗處理小區(qū)采用5點混合法,室內(nèi)風(fēng)干后,采用快速浸提法進(jìn)行處理。
(4)
式中:為團(tuán)聚體總重量(g);>0.25為粒徑>0.25 mm的團(tuán)聚體的重量(g)。
土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體團(tuán)聚體平均重量直徑(MWD)計算公式為:
(5)
式中:為級別團(tuán)聚體的平均直徑(mm);為級別團(tuán)聚體的重量百分含量(%);≥0.25。
土壤入滲速率:使用雙環(huán)入滲儀法測定。
徑流量和泥沙量:采用分流桶和集流桶裝置,人工觀測每次降雨產(chǎn)生的徑流總量,取樣烘干法測定泥沙含量。
采用SPSS 21.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與分析,SigmaPlot 12.5軟件進(jìn)行作圖。
2.1.1 土壤容重 土壤容重是土壤結(jié)構(gòu)的重要指標(biāo)之一,受土壤耕作影響顯著。由圖1可知,實施14年NT不僅沒有增加土壤容重,反而降低10-20 cm土層土壤容重。NT由于人為擾動較少,土壤容重沒有表現(xiàn)出土層深度之間的差異,而傳統(tǒng)耕作由于長期耕作,土壤容重隨土層深度的增加而增大;壟臺和壟溝土壤容重相比較,由于人為擾動少,NT在0-20 cm土層容重?zé)o顯著差異(>0.05),而CT處理在0-15 cm土層處壟溝均大于CT壟臺,表明傳統(tǒng)耕作表層土壤壓實作用不容忽視,是導(dǎo)致土壤緊實變硬的重要原因,而長期秸稈覆蓋免耕能有效抑制土壤變硬。
2.1.2 土壤孔隙度 土壤的孔隙既能反映土體的結(jié)構(gòu),又能反映其功能,關(guān)系到土壤通氣性和水分運(yùn)移,進(jìn)而影響著水土保持功能。由圖2可知,實施14年秸稈覆蓋免耕后,NT較CT處理總孔隙度和非毛管孔隙度均降低,毛管孔隙度增加,毛管孔隙度占總孔隙度比由76.5%±11.3%增加到83.6%±5.6%,非毛管孔隙度占總孔隙度比由23.5%±11.6%降低到16.4%±5.6%,隨土層深度增加,NT處理下總孔隙度、毛管孔隙度與非毛管孔隙度無顯著差異,而CT處理下總孔隙度、非毛管孔隙度均減少,毛管孔隙度無顯著差異,表明人為擾動是影響土壤非毛管孔隙的主要影響因素,傳統(tǒng)耕作雖能疏松土壤,但是主要以增加土壤大孔隙為主,耕作過程破壞了毛管孔隙,換言之,秸稈覆蓋免耕有利于土體穩(wěn)定結(jié)構(gòu)毛管孔隙的保持和發(fā)育。
注:圖柱上方不同小寫字母表示同一土層不同處理間差異顯著(P<0.05);不同大寫字母表示同一處理不同土層間差異顯著(P<0.05)。下同。
圖2 秸稈覆蓋免耕對土壤孔隙度的影響
2.1.3 土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體 土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體是衡量土壤質(zhì)量的一項重要綜合指標(biāo),顯著影響土壤結(jié)構(gòu)和功能。由表1可知,實施14年秸稈覆蓋免耕較傳統(tǒng)耕作顯著增加了表層0—20 cm土壤水穩(wěn)性大團(tuán)聚體()的含量(<0.05),NT壟臺含量較CT壟臺高4.7%~9.9%,平均相差6.7%,壟溝高2.2%~15.4%,平均相差10.1%;而在20—40 cm土層,二者差異不顯著(>0.05),深層土壤團(tuán)聚體受耕作措施影響較小。隨土層深度增加,NT和CT的含量均表現(xiàn)出下降的趨勢,NT的含量表現(xiàn)為0—5 cm最高,這是由于長期秸稈覆蓋增加了表層土壤有機(jī)碳的積累,由于土壤人為擾動減少,避免了傳統(tǒng)耕作導(dǎo)致的土壤團(tuán)聚體機(jī)械破碎,促進(jìn)了土壤的團(tuán)聚化作用;而CT的含量并未表現(xiàn)出0—5 cm表土層最高,是由于連年秋季旋耕,導(dǎo)致耕層內(nèi)不同土層土壤混合,致使耕層土壤性狀均一化。NT和CT壟臺的含量均高于壟溝,主要是作物根系壟臺較壟溝更加密集,根系及其分泌物和微生物等作用所致;NT的含量在壟臺和壟溝總體未表現(xiàn)出顯著性差異(>0.05),而CT的含量在壟臺和壟溝差異顯著,這是由土壤旋耕和壟作共同作用所致。
平均重量直徑(MWD)是衡量土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體穩(wěn)定性的指標(biāo),其值越大表明土壤質(zhì)量越好。NT和CT的MWD差異總體表現(xiàn)出與含量一致,在0—20 cm差異顯著,20—40 cm差異不顯著,壟臺大于壟溝,NT壟臺和壟溝的MWD總體差異不顯著,而CT處理下差異顯著,與含量反映的變化規(guī)律一致。
和MWD是用總含量和平均直徑來描述土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的差異,既使是數(shù)值相同,但分級占比不同,也說明其具有差異。由圖3可知,NT和CT總體都表現(xiàn)為0.25~0.5 mm的最多,0.106~0.25 mm的次之,0.5~1.0 mm再次之。>2,>1,0.5~1.0,0.25~0.5 mm的土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量均表現(xiàn)為NT>CT,壟臺>壟溝,說明連續(xù)14年實施秸稈覆蓋免耕可提高各級水穩(wěn)性大團(tuán)聚體含量,促進(jìn)土壤團(tuán)聚化,且由于機(jī)械耕作的原因,對壟臺的影響大于壟溝。
表1 秸稈覆蓋免耕對土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量及其穩(wěn)定性的影響
圖3 秸稈覆蓋免耕對土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體粒徑分布的影響
2.2.1 土壤入滲速率 土壤耕作改變了土壤結(jié)構(gòu),勢必對土壤蓄水和保水能力產(chǎn)生影響。雙環(huán)入滲儀地表土壤入滲速率結(jié)果測定表明,NT土壤初始和穩(wěn)定入滲速率均高于CT。NT和CT壟臺的初始入滲速率分別為31.16,24.20 mm/min,NT較CT提高了28.8%;壟溝的分別為25.71,21.18 mm/min,NT較CT提高了21.4%。表明NT可提高土壤初始入滲速率,有利于降雨快速入滲,進(jìn)而減少坡面地表徑流,降低土壤侵蝕。NT和CT的穩(wěn)定入滲速率壟臺分別為1.06,0.85 mm/min,NT較CT提高了24.7%;NT和CT壟溝的入滲速率分別為0.97,0.91 mm/min,NT較CT提高了6.6%(圖4),秸稈覆蓋是NT入滲速率增加的主要原因,秸稈覆蓋增加地表粗糙度,增加地表徑流入滲時間,減緩降雨對土壤的直接打擊,維持土壤團(tuán)聚體和孔隙度,減少地表結(jié)皮形成。
圖4 秸稈覆蓋免耕對土壤入滲速率的影響
2.2.2 土壤飽和含水量和田間持水量 土壤田間持水量可反映土體最大持水能力,飽和含水量代表土體最大的儲水量,既與水土保持作用有關(guān),又與土壤生產(chǎn)力有關(guān)。經(jīng)過連續(xù)14年的秸稈覆蓋免耕,0—5 cm土層NT田間持水量均高于CT,而5—15 cm土層的田間持水量無顯著差異(>0.05),隨著土層深度的增加,NT的田間持水量無顯著變化(>0.05),而CT的田間持水量逐漸增加(圖5),表明秸稈覆蓋免耕會增加土壤保水能力,而耕作過程會破壞毛管孔隙,降低土壤保水能力,但隨著土層深度的增加,該影響會逐漸削弱。0—20 cm土層平均土壤飽和含水量,NT壟臺和壟溝分別為51.0%和47.1%,CT分別為46.8%和46.1%,總體表現(xiàn)為NT高于CT,壟臺高于壟溝,0—15 cm土層的NT壟臺的飽和含水量最大,與CT及NT的15—20 cm層的飽和含水量差異均達(dá)到顯著性水平,除0—15 cm土層的NT壟臺的飽和含水量外其他處理下土層間飽和含水量均無顯著性差異(>0.05)。
圖5 秸稈覆蓋免耕對土壤田間持水量和飽和含水量的影響
2020年總降雨量為855.8 mm,其中坡耕地水土流失發(fā)生在6—9月,降雨量763 mm,占全年降雨量的89.2%,6,7,8,9月降雨量分別為221.9,138.2,252.3,160.6 mm(圖6),夏季集中單峰降雨是東北黑土區(qū)一個顯著氣候特點,也是黑土坡耕地水土流失的主要誘因之一。研究區(qū)域30年平均降雨為500 mm,2020年屬極端降雨年,較常規(guī)年多降雨70%。NT和CT產(chǎn)沙次數(shù)分別為12,23,總徑流量分別為19.8,148.2 mm,NT較CT減流86.6%,NT較CT多保水128.4 mm,且該部分雨水在土壤中多以有效水的形式存在,有利于作物的生長和籽實的形成,反言之,順坡壟作流失的水是造成坡耕地水分脅迫加重作物減產(chǎn)的主要原因。NT和CT年降雨土壤侵蝕模數(shù)分別為40.7,3 609.8 t/km,NT較CT減沙98.9%,CT土壤侵蝕達(dá)到了極強(qiáng)烈等級,而秸稈覆蓋免耕年土壤侵蝕模數(shù)遠(yuǎn)低于東北黑土區(qū)的容許土壤侵蝕強(qiáng)度200 t/km。試驗小區(qū)地表徑流和輸沙的監(jiān)測結(jié)果充分證明,實施14年秸稈免耕,具有遏制坡耕地水土流失的作用,是阻控土壤侵蝕退化十分有效的措施。NT相對于CT的減流量(86.6%)和減沙量(98.9%)與徑流小區(qū)初始年(2007年)監(jiān)測結(jié)果(70.6%和89.9%)相比,均出現(xiàn)明顯增加,表明隨著實施年限的延長,NT處理的水土保持作用在明顯增強(qiáng)。
連續(xù)14年秸稈覆蓋免耕措施顯著改善土壤結(jié)構(gòu),增強(qiáng)團(tuán)聚體穩(wěn)定性,NT處理容重與CT處理下無顯著差異。農(nóng)田土壤耕作的主要目的是為作物種子發(fā)芽和作物生長發(fā)育創(chuàng)造一個良好的土壤結(jié)構(gòu),利于土壤升溫和蓄水保墑,以往多通過翻耕或旋耕(即傳統(tǒng)耕作)混合和疏松土壤來達(dá)到目的,將緊實的土壤疏松到理想的土壤容重范圍,增加土壤入滲能力,但已有研究證實長期傳統(tǒng)耕作,雖疏松了土壤,但經(jīng)降雨淋溶后,土壤回實,土壤穩(wěn)定性差,尤其是高強(qiáng)度的機(jī)耕擾動土壤,造成土壤團(tuán)聚體破碎化和機(jī)械壓實,導(dǎo)致土壤退化和水土流失加劇,成為當(dāng)前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需解決的主要問題。近幾十年人們不斷探討保護(hù)性農(nóng)業(yè)措施,秸稈覆蓋免耕就是針對土壤退化和水土流失防治而研發(fā)的創(chuàng)新技術(shù),已在世界范圍內(nèi)廣泛應(yīng)用。前人研究認(rèn)為,秸稈覆蓋免耕會增加土壤容重,但根據(jù)相同研究區(qū)域已有研究表明,隨著免耕實施年限的增加,土壤容重呈逐年下降趨勢,經(jīng)過連續(xù)7年秸稈覆蓋免耕,土壤容重逐漸變小,但仍高于傳統(tǒng)耕作,而在14年秸稈覆蓋免耕后,土壤容重與傳統(tǒng)耕作容重相比無顯著差異(>0.05),據(jù)此表明,長期秸稈覆蓋免耕不斷減小土壤容重,有利于形成穩(wěn)定良好的土壤結(jié)構(gòu),因此,連續(xù)秸稈覆蓋免耕對于改善土壤容重,避免土壤壓實具有重要作用。
圖6 不同耕作措施下的徑流量和產(chǎn)沙量
連續(xù)實施14年秸稈覆蓋免耕,顯著增加表層土壤含量,其原因是由于秸稈覆蓋免耕降低人為擾動,避免機(jī)械耕作導(dǎo)致的土壤團(tuán)聚體破碎,并增加土壤有機(jī)質(zhì)含量,促進(jìn)土壤水穩(wěn)性大團(tuán)聚體形成,并增強(qiáng)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性。根據(jù)黑土坡耕地秸稈覆蓋免耕處理下土壤物理結(jié)構(gòu)研究發(fā)現(xiàn),經(jīng)過連續(xù)5年的秸稈覆蓋免耕措施,土壤0—10 cm土層處較傳統(tǒng)耕作增加2.57%,而本試驗中NT(0—10 cm)的較CT增加3.4%~22.6%,說明長期連續(xù)秸實施稈覆蓋免耕措施,可顯著提高土壤水穩(wěn)性大團(tuán)聚體含量,有效改善土壤結(jié)構(gòu)。
秸稈覆蓋免耕增加土壤毛管孔隙度,降低非毛管孔隙度,導(dǎo)致秸稈覆蓋免耕處理下土壤飽和含水量和田間持水量高于傳統(tǒng)耕作,飽和含水量和田間持水量是反應(yīng)土壤保水能力主要指標(biāo),也是土壤孔隙特征的重要表征,秸稈覆蓋免耕對土壤含水量的影響主要通過2個方面,通過增加地表覆蓋,減少土壤表面蒸發(fā),其次,通過增加水穩(wěn)性大團(tuán)聚體數(shù)量,改變土壤孔隙結(jié)構(gòu),減少非毛管孔隙,增加毛管孔隙,促進(jìn)入滲速率的增加,提高土壤有效含水量,提升土壤水分利用效率,東北黑土區(qū)降雨的發(fā)生集中在7—8月,是黑土農(nóng)田水土流失發(fā)生的主要時期,該時期的土壤入滲速率對于水土流失評價具有重要意義,土壤初始入滲速率越高,越利于雨水快速入滲,從而減少瞬間暴雨導(dǎo)致的超滲產(chǎn)流;土壤穩(wěn)定入滲速率越高,越不易形成地表徑流,因此,連續(xù)秸稈覆蓋免耕可以有效的增加土壤的入滲速率和土壤保水能力,從而減少坡耕地的水土流失。
水力侵蝕是東北黑土區(qū)主要侵蝕類型,秸稈覆蓋免耕措施顯著降低坡耕地徑流泥沙量,究其原因主要有:(1)秸稈覆蓋免耕改善土壤結(jié)構(gòu),增強(qiáng)土壤穩(wěn)定性和雨水入滲,秸稈覆蓋本身對徑流和泥沙具有物理攔截阻滯作用,降低地表徑流流速,削弱徑流侵蝕力并使泥沙不斷沉積,減少坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙;(2)秸稈覆蓋有效削減降雨雨滴動能,調(diào)節(jié)地表徑流,增加土壤入滲,降低雨滴濺蝕,有研究發(fā)現(xiàn),東北黑土區(qū)濺蝕對黑土侵蝕的作用占80%,減蝕作用的減少對于坡耕地水土保持起到重要貢獻(xiàn);(3)免耕減少人為擾動對土壤團(tuán)聚體的影響,增加了土壤抗蝕性和抗沖性,減少了坡面產(chǎn)沙。本試驗研究結(jié)果與國內(nèi)外研究基本一致,根據(jù)黑土區(qū)坡耕地已有研究發(fā)現(xiàn),短期內(nèi)秸稈覆蓋免耕徑流深比傳統(tǒng)耕作低70.6%,徑流系數(shù)是傳統(tǒng)耕作的13.6%,產(chǎn)沙量比傳統(tǒng)耕作低89.9%,而經(jīng)過連續(xù)14年長期秸稈覆蓋免耕措施后,秸稈覆蓋免耕處理下徑流量和產(chǎn)沙量較傳統(tǒng)耕作的減少量分別為86.6%和98.9%。由此可見,長期秸稈覆蓋免耕通過改善土壤物理結(jié)構(gòu),增加土壤入滲速率,優(yōu)化土壤孔隙結(jié)構(gòu),調(diào)節(jié)地表徑流,減流減沙效果明顯,對于黑土坡耕地水土保持治理具有重要參考意義。
(1)秸稈覆蓋免耕措施可改善土壤結(jié)構(gòu),提高土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,增加土壤蓄水保水能力,促進(jìn)土壤質(zhì)量提升,特別是長期秸稈覆蓋免耕,有助于克服短期秸稈覆蓋免耕導(dǎo)致的土壤容重增大、不利于作物生長的問題,使土壤環(huán)境更有利于作物生長,是促進(jìn)黑土長期可持續(xù)發(fā)展的重要措施。
(2)長期秸稈覆蓋免耕可有效遏制5°以下坡耕地的水土流失,是抑制黑土侵蝕退化的重要措施,且隨著秸稈覆蓋免耕實施年限的增加,水土保持效果逐漸增強(qiáng),特別是減沙效益增加明顯,可為黑土坡耕地的侵蝕阻控防治提供重要科學(xué)依據(jù),但本研究由于徑流小區(qū)坡度的單一,對于長期秸稈覆蓋免耕措施下不同坡度的水土保持效果尚需進(jìn)一步研究。