郑欣荣，王利书，齐 鸣，刘婧然，程东娟

(河北工程大学，河北 邯郸 056021)

秸秆还田对土壤的培肥效果、理化性质、有机质含量、养分平衡等方面有明显的改善作用[1-6]。随着秸秆还田在我国的普遍推广，秸秆还田的施用方式备受关注，已有学者研究了不同土质下的最佳秸秆还田量[7-10]，但是目前研究秸秆还田量与灌水量结合的不多。本试验就不同秸秆还田量下对灌水量水分运移分布特性进行了模拟研究，试图找出灌溉水量在不同秸秆还田量下的水分运移的规律，确定大田灌水定额是否适合不同秸秆覆盖条件下的作物需水量，以指导田间灌溉，达到高效节水的目的。

1 材料和方法

为研究不同秸秆还田量下灌水量对水分运移分布特性的影响，在室内进行一维垂直均匀土柱入渗试验。

1.1 试验材料

试验用土为壤土，取自河北工程大学试验场(北纬36°20′，东经114°03′)，试验时将土样风干、粉碎、过2 mm筛，按照预设的土壤初始质量含水率6.5%进行配土，依据设计土壤容重1.4 g/cm3分层装入土柱，每层2 cm，层间压实抛毛。玉米秸秆取自宁晋农技站(北纬37°37′，东经114°53′)，秸秆干燥放置，无腐蚀因素。试验前将秸秆粉碎成5 mm长的小段，在土表至10 cm之间按照不同还田量配比均匀层施。

1.2 试验装置

试验采用马氏瓶供水，维持恒定水头3 cm，马氏瓶横截面积7.2 cm2，马氏瓶外壁标有刻度，用于记录入渗水量。土柱由透明有机玻璃筒制成，高30 cm，内径5 cm，厚2 mm，土柱两侧从7 cm处开始每隔2 cm对称开孔。试验装置如图1所示。

图1 室内一维垂直入渗实验装置

1.3 试验方法

试验共设两个因素，分别为灌水量和秸秆还田量。灌水量设1V和1.5V两个水平，秸秆还田量设0%、0.5%、1%、1.5%、2%共5个水平，试验采取灌水量为1V、秸秆还田量0%作为对照处理。在室内进行一维垂直均匀土柱入渗的水分运移模拟试验。秸秆施用深度为0～10 cm。试验过程中，采用马氏瓶保持全试验水头恒定，依据由密到疏的原则(1、3、5、7、10、15、20、30、45、60、90、120 min)观测并记录马氏瓶液面下降刻度，描绘湿润锋。试验以对照处理湿润锋运移到15 cm处所入渗的水量作为1V灌水量。当湿润锋运移到秸秆层底部(10 cm处)时进行第一次取土，当湿润锋运移到第一层不施秸秆层底部(12 cm处)进行第二次取土，当土壤入渗水量达到其设计水量时，立即关掉马氏瓶出水口和进气口阀门，停止试验。试验结束后，将土柱上层剩余液吸走，将土柱平放，避免继续入渗，取每层土样。将3次所取土样用烘干法测其含水率。

2 结果与分析

2.1 不同秸秆还田量下灌水量对累积入渗量的影响

图2是不同秸秆还田量下累积入渗量随时间的变化趋势图。在各处理中，随着时间的增加，累积入渗量也逐渐增加，并且在入渗初期增长较快，随着入渗的进行，累积入渗量的增长幅度逐渐变缓。入渗结束时，还田量0%、0.5%、1%、1.5%和2%入渗至1.5V灌水量时所消耗时间分别为261、274、295、352和385 min，即入渗同等水量所用时间随秸秆还田量的增大而增大，可能是因为秸秆还田促使该层土壤保水能力增加，减缓了水分在秸秆层的下渗速度。

图2 不同秸秆还田量下累积入渗量的动态变化

图3是不同秸秆还田量入渗达到秸秆还田层与非还田层分界线时累积入渗量趋势图。入渗达到秸秆还田层与非秸秆还田层分界处时，1V和1.5V灌水量下累积入渗量随秸秆还田量的增大呈增大的趋势。随着入渗的进行，秸秆不还田处理率先达到分界处，且累积入渗量最少。在低倍秸秆还田量下，不同处理到达秸秆还田层与非还田层分界处的耗时差值较小，随着秸秆还田量的增加，不同处理到达分界处时耗时差值逐渐增大。

图3 秸秆分界处不同还田量的累积入渗曲线

采用Kostiakov模型(I=kta)对累积入渗量和时间进行幂函数拟合，拟合情况如表1所示。由表1可知，Kostiakov模型在灌水量和累积入渗量两因素下拟合效果均较好。灌水量相同时，入渗系数随着秸秆还田量的增加而减小，入渗指数随着秸秆还田量的增大而增大；秸秆还田量相同时，入渗系数随着灌水量的增加而减小，入渗指数随着灌水量的增大而增大，这与前人研究所得结论一致[11-13]。

表1 灌水量下不同秸秆还田量I-t拟合情况

注：I为累积入渗量，mL；t为入渗时间，t；k为入渗系数；a为入渗指数。

利用SPSS对最终入渗时间进行双因素无重复方差分析。分析结果如表2所示，在5%的显著性水平下灌水量和秸秆还田量对入渗时间均有显著影响。

表2 灌水量和秸秆还田量下最终入渗时间方差分析表

注：a为RSquared=0.992(AdjustedRSquared=0.982)。

2.2 不同秸秆还田量下灌水量对湿润锋的影响

图4为不同秸秆还田处理下湿润锋随时间变化趋势图。在各处理中，随着时间的推进，湿润锋运移距离也逐渐增加。在同一灌水量下，随着秸秆还田量的增加，湿润锋运移距离随之减少。不同秸秆还田处理下，湿润锋到达至秸秆还田层与非还田层交界处时间变化为：还田量2%>还田量1.5%>还田量1%>还田量0.5%，与不还田相比，1V灌水量和1.5V灌水量入渗到交界处平均多耗时5、17、28、60 min。

图4 灌水量与秸秆还田量对湿润锋运移的影响

分析图2和图4，在灌水量和秸秆还田量两者因素作用下，累积入渗量和湿润锋呈现出相同的规律。对湿润锋和累积入渗量进行线性拟合，用y=kx表示。其拟合结果如表3所示。

表3 灌水量下不同秸秆还田量对湿润锋和累积入渗量拟合情况

利用SPSS对最终湿润锋运移距离进行双因素无重复方差分析。分析结果如表4所示，在5%的显著性水平下灌水量和秸秆还田量对最终湿润锋运移距离均有显著影响。

表4 灌水量和秸秆还田量下最终湿润锋运移距离方差分析表

注：a为RSquared=0.996(AdjustedRSquared = 0.991)。

在同一灌水量下，高秸秆还田量的处理到达10 cm处耗时较长，耗水较多。这可能是秸秆施入使土壤孔隙结构受到了不同程度的改变，秸秆的存在使土壤孔隙的连续性变差，水分入渗通道部分被阻断。在土壤容重和初始含水量不变的情况下，秸秆还田量越大，对水分的吸持能力越强，再加上秸秆本身透水性能较差，使入渗的水分较多的保持在高秸秆还田层。由于秸秆削弱了土壤中水分入渗通道，使得水分在秸秆还田层中的下渗速度减缓，在同一土层深度吸收的水量也随之越大，同时释放的水量也随之降低，所以表现为随着秸秆占比的增加，在秸秆还田层内，同一时间内的下渗量降低，历经秸秆层的时间也较长。

试验中增大灌水量后，湿润锋运移距离有不同程度的增加，这是因为增大灌水量后，入渗过程中虽然水分停留在秸秆中的量增加，但由于秸秆还田层土壤中孔隙逐渐地被水分填充，土壤的导水率能力增大，促进了水分向下移动，从而不断的增大土壤的入渗深度。

2.3 不同秸秆还田量下灌水量对土壤水分运移分布影响

图5为一维垂直入渗过程中土壤质量含水率剖面动态分布图。由图5(c)和图5(e)可以看出，土壤质量含水率剖面分为2个区：过渡区和传导区。具体表现为0～3 cm深度为过渡区，土壤质量含水率有明显的降落，表层土质量含水率高达40%，这可能是由于在一维垂直入渗下，表层土体处于1～3 cm积水之中，另外秸秆的阻渗作用使得表层土体达到超饱和状态；随着湿润锋向下推移，含水率分布曲线由陡逐渐变缓，3～19 cm深度为传导区，该区土壤质量含水率基本稳定在30%范围内；在19 cm深度以下，含水率剖面有向湿润区逼近的趋势。

在秸秆还田层和非秸秆还田层中，土壤含水率呈现两种变化规律。在深度为 0～10 cm时，土壤含水率随着秸秆还田量的增加逐渐增加，这可能是由于掺加小麦秸秆，虽然使土壤孔隙连续性变差，但土壤比表面积增加，对水分的吸持力增强，使得入渗水分较多地保持在0～10 cm的秸秆还田层。在深度为10～20 cm 时，土壤质量含水率的变化规律与之恰好相反，这可能是因为秸秆还田量越大，秸秆本身透水性较差，阻水效果越大，减缓了水分向下面非秸秆还田层的移动，所以秸秆还田量越大，下面非秸秆还田的层次中土壤水分越小。

图5 土壤质量含水率剖面动态分布图

随着入渗进程，每层土壤含水率值逐渐增加，其中表层土壤含水率增加速度较下层土壤含水率增加速度快。与不还田处理相比，第一次取土与第二次取土含水率变化幅度不大，但第三次取土在秸秆还田层含水率变化较大，土壤平均含水率比不还田增加3.18%、5.32%、6.75%、10.19%。在同一灌水量下，不同秸秆还田量的处理在相同土层含水率表现不同，主要体现在秸秆含量较高的处理，土层含水率较高，但随着时间的推进，表层的含水率变化差异趋于稳定。

3 结 语

(1)在水分垂直入渗过程中，秸秆起到了阻渗的作用。试验结果表明，在秸秆还田作用下，土壤一维垂直入渗中累积入渗量和湿润锋运移均符合Kostiakov入渗模型。秸秆还田量对土壤入渗性能的影响因秸秆施用量的不同而变化。与秸秆不还田相比，秸秆还田量显著降低了土壤累积入渗量和湿润锋的运移速度，其中，秸秆还田量越大，阻碍效果较 大。秸秆的这种阻渗作用，延长了水分在秸秆层停留时间，提高了土壤的浅层含水率。所以在实际生产中，应当合理利用秸秆的保水性及阻水性，将秸秆还田层布设在合理的范围内来减少深层渗漏，提高水分利用效率。

(2)灌水量在入渗过程主要起到了增加入渗深度的作用，随着灌水量的加大，累积入渗量和湿润锋运移也逐渐增大。在同一秸秆还田量标准下，提高灌水量，土壤不同深度的含水率也逐渐增大。受秸秆还田量的影响，低灌水量时，大部分水分被滞留在秸秆层，下层土壤得不到及时的水量补充。在田间作业时，因每个生育时期下小麦根系长度不一，故应根据秸秆施用情况来适当调整灌水量，以满足作物的生育需求，达到节水增产的效果。