秸秆覆盖量对不同容重黑土坡耕地水土流失的影响

2021-08-09曹尤淞李和平

水土保持通报 2021年3期

曹尤淞，李和平,2，肖波,3

(1.中国农业大学土地科学与技术学院, 北京 100193; 2. 河南省煤炭地质勘察研究总院,河南郑州 450000; 3.中国科学院水土保持研究所黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室, 陕西杨凌 712100)

东北黑土区地势广袤，土壤肥沃，是中国主要的玉米和粳稻商品粮供应地，粮食年产量约占全国总量的1/4[1]。然而，受气候变化和人类活动的影响，黑土结构遭到不断破坏，水土流失愈发严重[2]。研究表明，东北黑土区水土流失面积达2.19×105km2，占土地总面积的20.11%，其中以黑龙江省较为严重，水土流失面积约占耕地总面积的47%[3]，坡耕地土壤侵蚀是黑土区水土流失的主要类型，约占水土流失总面积的46%[4]。导致黑土区水土流失的主要因素包括：①东北黑土区超过60%的耕地为坡耕地，且大多集中在漫川漫岗地区，地形条件易引发水蚀；②黑土土质疏松且富含有机质，其本身也具有较强的可蚀性；③东北黑土区夏季(7—9月)降雨量较大，约占全年降雨的70%，高强度的集中降雨极易造成水土流失；④不合理的开发利用使坡耕地植被覆盖度普遍降低，削弱了黑土表层的有效防护。基于上述影响，东北黑土区坡耕地土层厚度正以0.1～0.5 cm/a的速度不断减少[5]，水土流失状况异常严峻，亟待解决。

免耕和秸秆覆盖作为保护性耕作的主要技术措施[6]，目前已有研究关注其水土保持效应[7-8]，主要是通过田间试验对比免耕秸秆覆盖与其他耕作方式下的水土流失特征，如贺云峰等[9]对比了免耕秸秆覆盖和传统顺坡垄作的水土保持效应，发现前者能有效减少坡耕地径流量和侵蚀量；孙芳媛[10]研究发现同等条件下免耕和秸秆覆盖能够减少93.6%和97.3%的侵蚀产沙量；Feng等[11]对比发现免耕秸秆覆盖较间作、套作等更有利于水蚀风蚀交错区土壤的水分保持。但是免耕条件下土壤容重、孔隙度、团聚度等一系列土壤物理性质均发生变化，田间试验受混杂因素影响，难以具体解释容重等土壤物理性质对水土流失的影响，致使免耕影响水土流失的研究多为宏观现象的阐明，而缺乏内在机制的分析。此外，目前针对秸秆覆盖影响黑土水土流失的研究仍然较少，且多为直接对比有、无秸秆覆盖时的水土流失特征[12]，水土流失随秸秆覆盖量的变化特征尚不明确。

基于此，本研究通过模拟传统翻耕和免耕条件下的土壤容重(1.2，1.3 g/cm3)，结合不同秸秆覆盖量(0，328，656，984 g/m2)开展人工降雨试验，比较不同方式下黑土的初始产流时间、产流速率、径流量以及土壤流失量，明确土壤容重和秸秆覆盖对东北黑土区坡耕地水土流失的影响，以期为东北黑土区保护性耕作技术的改良和推广提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验于2017年5—9月在位于东北典型黑土区的中国农业大学吉林梨树试验站内开展。梨树县位于吉林省西南部，地理坐标为东经123°45′—124°53′和北纬43°02′—43°46′；地处松辽平原腹地，大黑山西侧，地势东南高、西北低，南部低山丘陵，中部波状平原，北部为东辽河冲积平原。该区属北温带半湿润大陆季风性气候，雨热同季，四季分明，年平均气温为6 ℃，≥10 ℃年积温2 900～3 100 ℃，年日照时数为2 392～2 928 h，无霜期为115～118 d，年均降雨量为587 mm，其中7—9月的降雨约占全年降雨量的70%，年均蒸发量为808 mm。研究区土壤为典型黑土，土壤质地为粉质黏壤土(砂粒、粉粒和黏粒含量分别占14.6%，51.7%和33.7%)，有机质含量为2.2%，全氮含量为1.36 g/kg，速效氮含量为87.96 mg/kg。

1.2 试验设计与方法

2017年5月对试验站内传统翻耕区和免耕区耕层(0—20 cm)土壤容重进行实测，同时结合相关文献资料[13]，将土壤容重设定为1.2 g/cm3，1.3 g/cm3两个水平，分别代表传统翻耕和免耕下的黑土容重。试验小区当季收获的玉米秸秆总量平均为1 093.2 g/m2，从无秸秆覆盖到全量覆盖之间，设计0，30%，60%，90%4个水平，对应的秸秆覆盖量分别为0，328，656，984 g/m2。即本试验共设置2个因素，8种处理，每种处理重复3次，总计24个样本。

供试土壤取自试验站内农田耕层(约20 cm)，将土样自然风干至原质量含水量的6%～7%后，过5 mm筛，按照设定的土壤容重填装土槽。试验所用土槽规格为长3.0 m，宽0.6 m，高0.6 m，为便于对水土流失的观测，依照研究区坡耕地坡度的上限值，土槽坡度统一设定为8°。为保证填土均匀性，试验采用分层填土法，即每5 cm为一层，共分层装填50 cm的黑土；填装上层土之前，打毛下层土表面防止出现分层现象，土槽的边缘用力均匀压实以减免边界效应的影响。待填装完毕，将切割后长约5 cm的玉米秸秆碎段，按设定的秸秆覆盖量均匀撒放于土槽表面。模拟降雨前土槽的质量含水量均控制为15%，与田间实际状况一致，含水量不足或超过者，通过喷水或晾晒的方式进行调整。

模拟降雨装置采用西安新汇泽测控技术有限公司研制的XHZ-JY102型便携式人工模拟降雨器，降雨高度为4 m。其工作原理是利用压力，通过喷灌自吸泵将水由上至下从喷体喷出，具有一定初速度，能满足天然降雨雨滴的终点速度(见表1)。根据东北黑土区降雨短历时、高强度的特点[14]，结合《中国暴雨统计参数图集》等[15]资料，同时考虑到秸秆覆盖会极大降低雨滴动能，若雨强不足，当秸秆覆盖量较大时水土流失差异可能不显著，本试验将雨强设定为120 mm/h；降雨均匀度>80%，与天然降雨一致(天然降雨均匀度通常大于80%[16])。

表1 120 mm/h模拟降雨强度下的降雨均匀度

本试验降雨时间约2 h，试验过程中记录初始产流时间并对径流进行全过程收集(每1 min收集一次)。降雨结束后将收集的径流静置8～10 h，待澄清后将上清液和泥沙分离，对上清液称重并换算为径流量，将泥沙于阴凉处风干后称重并换算为土壤流失量。由于本试验中产流开始45 min后，坡面的径流量趋于稳定，因此本文取产流过程前45 min的数据进行分析。

1.3 数据处理与分析

使用Microsoft Excel 2013计算平均值和标准误差，同时绘制图表。使用IBM SPSS Statistics 22进行单因素和双因素方差分析以检验不同处理的差异显著性，同时进行回归分析和相关性分析。

2 结果与分析

2.1 不同土壤容重下黑土的水土流失特征

如表2所示，同一秸秆覆盖量(0，328，656，984 g/m2)下土壤容重增加均缩短了初始产流时间。其中与1.3 g/cm3容重相比，1.2 g/cm3容重土壤的初始产流时间分别延长了14.5%，78.1%，58.3%，100.0%。且当秸秆覆盖量为984 g/m2时两种容重土壤的初始产流时间差异显著(p<0.05)。

表2 不同容重和秸秆覆盖量下黑土的初始产流时间 min

秸秆覆盖量相同时，不同土壤容重下的产流过程相似，即初期产流速率快速增加，之后增速放缓且上下波动，后期趋于稳定(图1)。以秸秆覆盖量656 g/m2为例：在1.2 g/cm3土壤容重下，产流速率在1～4 min内从0.4 mm/min快速增加到1.3 mm/min，之后速率缓慢增加并在第20 min左右达到稳定，降雨后期的稳定产流速率为2.0 mm/min；而在1.3 g/cm3土壤容重下产流速率在1～8 min内从1.0 mm/min快速增加到2.5 mm/min，之后速率缓慢增加并在第30 min左右达到稳定，降雨后期的稳定产流速率为3.5 mm/min。与1.2 g/cm3，土壤容重相比，土壤容重为1.3 g/cm3时的稳定产流速率增加了75.0%。秸秆覆盖量为656 g/m2，984 g/m2时，1.3 g/cm3土壤容重下各时刻的产流速率均大于1.2 g/cm3土壤容重。

图1 各秸秆覆盖量下不同容重黑土的产流速率

表3中各处理的径流量显示，在328 g/m2秸秆覆盖量下，土壤容重为1.3 g/cm3时的径流量比土壤容重为1.2 g/cm3时减少了12.9%，而其他处理分别增加了0.3%，66.4%，90.2%；同时，秸秆覆盖量为656 g/m2，984 g/m2时两种土壤容重下径流量差异显著(F=11.30，p<0.001)。土壤流失量方面，当秸秆覆盖量相同时，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秸秆覆盖量下，土壤容重1.3 g/cm3分别是土壤容重1.2 g/cm3下的1.6，4.0，1.2，1.9倍；秸秆覆盖量为0，328 g/m2时，两种土壤容重下的土壤流失量差异显著。

表3 不同容重和秸秆覆盖量下黑土的径流量和土壤流失量

2.2 不同秸秆覆盖量下黑土的水土流失特征

如表2所示，秸秆覆盖量在656 g/m2以下时，初始产流时间随覆盖量的增加而延长，当覆盖量超过656 g/m2后，初始产流时间出现小幅度下降。1.2 g/cm3土壤容重下，秸秆覆盖量为328，656，984 g/m2的初始产流时间较无覆盖分别延长了2.7，2.9，2.8倍，差异极显著(F=39.69，p<0.002)；在1.3 g/cm3土壤容重下，秸秆覆盖量为328，656，984 g/m2的初始产流时间较无覆盖分别延长了1.4，1.8，1.2倍。

当容重相同时，不同秸秆覆盖量下的产流过程相似，即初期产流速率先快速增加而后增速放缓，最后趋于稳定(图2)。产流速率方面，在1.2 g/cm3土壤容重下，0，328，656，984 g/m2秸秆覆盖的稳定产流速率分别是3.3，2.5，2.0，1.9 mm/min，秸秆覆盖处理分别比无覆盖处理分别减少了24.2%，39.4%，42.4%，在1.3 g/cm3土壤容重下，不同处理的稳定产流速率分别是3.0，3.6，3.5，3.7 mm/min，秸秆覆盖处理比无覆盖处理的稳定产流速率分别增加了20.0%，16.7%，23.3%。

图2 两种容重黑土在不同秸秆覆盖量下的产流速率

各处理的径流量显示，土壤容重为1.2 g/cm3时的径流量随秸秆覆盖量的增加而不断减少(表3)。与无覆盖相比，秸秆覆盖量为328，656，984 g/m2时径流量分别减少了3.1%，33.5%，38.9%。不同秸秆覆盖量下的径流量总体差异显著(F=7.25，p<0.043)，但当秸秆覆盖量不超过328 g/m2和秸秆覆盖量超过656 g/m2时，径流量差异均不显著；土壤容重为1.3 g/cm3时，径流量随着秸秆覆盖量的增加呈先减小后增加趋势。不同秸秆覆盖量下的径流量总体差异显著(F=14.39，p<0.013)，两两比较发现，328 g/m2秸秆覆盖量下径流量比无覆盖减少了15.9%，差异显著(p=0.037)；656 g/m2，984 g/m2秸秆覆盖量下径流量分别比无覆盖增加了10.2%和15.8%，在秸秆覆盖量为984 g/m2时差异显著(p=0.038)。

土壤流失方面，两种容重下土壤流失量均随秸秆覆盖量的增加而不断减小。1.2 g/cm3土壤容重下，与无覆盖相比，秸秆覆盖量为328，656，984 g/m2时土壤流失量分别减少了74.3%，91.3%，97.9%，各处理之间均差异显著(F=1 398.20，p<0.001)；1.3 g/cm3土壤容重下，与无覆盖相比，秸秆覆盖的土壤流失量分别减少了34.0%，93.1%，97.4%，各处理之间均差异显著(F=4 006.83，p<0.001)。

2.3 土壤容重和秸秆覆盖量与水土流失的关系

如表4所示，径流量、土壤流失量、容重三者间两两成正相关关系，其中径流量与土壤容重显著正相关(p<0.05)；径流量和土壤流失量与秸秆覆盖量之间成负相关关系，且土壤流失量与秸秆覆盖量极显著负相关(p<0.05)。进一步的回归分析结果显示，径流量与土壤容重和秸秆覆盖量的回归方程决定系数为0.258(F=3.61，p=0.057)，土壤容重的回归系数为0.559，秸秆覆盖量的回归系数为0.210，表明土壤容重对径流量的影响大于秸秆覆盖量；土壤流失量与土壤容重、秸秆覆盖量和径流量之间回归方程的决定系数为0.865(F=33.17，p<0.001)，秸秆覆盖量的回归系数为0.922，土壤容重为0.471，径流量为0.289，表明秸秆覆盖量对土壤流失量的影响大于土壤容重和径流量。

表4 径流量和土壤流失量与土壤容重和秸秆覆盖量的相关系数矩阵

3 讨论

不同容重黑土的水土流失研究表明，相较于1.2 g/cm3容重，1.3 g/cm3容重下黑土初始产流时间缩短，产流速率、径流量和土壤流失量都显著增加，这表明水土流失随土壤容重的增加而加剧。雨滴降落土壤表面后，首先产生击溅侵蚀，此时的侵蚀力较弱，径流也尚未产生；当降雨强度大于入渗速率后，坡面径流开始出现，在持续降雨之下，汇流面积不断扩大，径流量和流速迅速增加，使径流具有较强的冲蚀力，从而造成大量土壤流失[17]。土壤入渗性能是影响径流产生和变化的重要因素，而土壤容重作为土壤结构紧实度的反映，其变化从根本上影响了土壤颗粒排布和大孔隙数量，进而影响到土壤的入渗性能[18]。相同质地土壤，其孔隙度和大孔隙数量随容重的增大而急剧减少，而大孔隙是土壤水分流动的主要通道，其数量减少降低了土壤内部连通性，同时产生较多的封闭气体，直接阻碍了水流的畅通性，导致湿润峰运移距离减小，累积入渗量和入渗率减缓，入渗能力衰减速度加快，最终表现为水土流失的加剧。

本研究中，秸秆覆盖延长了黑土初始产流时间，降低了产流速率、径流量和土壤流失量，即秸秆覆盖显著提升了黑土的水土保持性能。其原因一方面是秸秆覆盖可以减缓降雨对表层土壤的直接冲击[19]，维持土壤团聚体结构和孔隙度，减少地表结皮的形成，从而增加了单位时间内的雨水入渗量，降低了产生径流的动能；另一方面秸秆覆盖通过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径流，从而延滞了坡面初始产流时间；此外，秸秆本身对径流和泥沙具有物理拦截阻滞作用，能削弱径流侵蚀力并使泥沙不断沉积，减少了坡面的产流产沙量[20]。本研究发现当黑土容重为1.3 g/cm3时，径流量并未随秸秆覆盖量的增加而显著减少，可能是因为土壤容重较大，土壤中有利于降雨入渗的大孔隙数量过少，并且与田间土壤的结构相比，人工土槽受填装、压实等影响下其内部的非活性孔隙更多，由此导致的径流增加量远大于秸秆覆盖对径流量的减少，致使秸秆覆盖的作用难以显现。仅从本研究的数据来看，秸秆覆盖量为656 g/m2时的初始产流时间最长，其原因可能是当秸秆覆盖量较低时，对降雨初期所造成的击溅侵蚀减缓作用相对较弱，大雨强下的抗溅蚀能力仍然不足，当秸秆覆盖量达到656 g/m2后，土壤表面已经形成了较为致密的覆盖层，充分提升了地表粗糙度，削减了雨滴溅蚀力，因而临界点之后再增加秸秆对延长初始产流时间的作用并不显著。

综合本研究结果，免耕对土壤容重的提升将加剧水土流失，秸秆覆盖则具有良好的水土保持效应。因此，从水土保持角度考虑，东北黑土区免耕时应注意结合秸秆覆盖。