牟廷森 ，沈海鸥，王东丽，张 月，武佳龙，黄子炎

(1.吉林农业大学资源与环境学院，长春 130118；2.辽宁工程技术大学环境科学与工程学院，辽宁 阜新 123000；3.秸秆生物学与利用教育部重点实验室，长春 130118)

东北黑土区是我国重要的粮食产地。然而，黑土资源流失、黑土层变薄，在影响粮食安全的同时，还恶化生态环境，制约区域生态、经济、社会可持续发展。玉米是东北黑土区主要的种植作物之一，在农业生产中产生大量的玉米秸秆资源。目前，秸秆的主要处理方式为秸秆还田，具体包括：秸秆覆盖还田、碎混还田、翻压还田、过腹还田和堆沤还田等。秸秆还田能够增加土壤中大粒径土粒含量，进而改变土层特征、改善土壤质地；还能够增加土壤有机质含量，提高土壤肥力和土壤微生物活性。秸秆深还田能够降低土壤容重，增加团聚体稳定性，对玉米产量增长有促进作用。此外，王一菲研究指出，玉米秸秆残茬全量还田压埋混入土壤后，冻融作用下土壤风蚀强度与输沙率明显增大；郭金金等研究表明，小麦秸秆粉碎还田在改变土壤性质的同时，能够影响土壤侵蚀阻力；张玲玲研究发现，秸秆还田量对坡耕地产流产沙特征具有一定的防治作用；贺云锋等研究表明，秸秆还田具有调控径流侵蚀的作用，平均调控径流效果和侵蚀效果分别为36.8%～65.8%和84.9%～96.8%；代立等研究也发现，秸秆堆沤还田与粗粒秸秆还田能够有效减少产流产沙量。综上可知，秸秆还田在改良土壤质地、提高土地生产力的同时，亦具有一定调控土壤侵蚀的能力。但是，关于玉米秸秆粉碎还田对黑土坡面径流侵蚀特征的影响尚缺少系统研究。鉴于此，本研究采用人工模拟降雨试验方法，探究不同坡度下玉米秸秆粉碎还田量对黑土坡面径流侵蚀过程以及径流量和土壤侵蚀量的影响，以期为东北黑土区土壤侵蚀防治提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于2019年7—9月在秸秆生物学与利用教育部重点实验室以及吉林农业大学水土保持科研基地人工模拟降雨大厅完成。降雨设备为下喷式人工模拟降雨系统，降雨均匀度>85%，有效降雨覆盖面积为3 m×6 m，降雨高度为6 m。试验所用土槽规格为：长度×宽度×深度为1.2 m×0.5 m×0.25 m，土槽底部有9排3列均匀的排水孔，共27个，其孔径为1 cm，用于保证试验过程中下渗水分顺利排出，土槽坡度通过液压调节，可调范围为0～30°。试验土壤为黑土，于2018年6月取自吉林省榆树市，其土地利用类型为耕地，主要种植作物为玉米，采样时耕层土壤容重平均为1.20 g/cm。试验土壤机械组成为砂粒8.5%，粉粒88.4%，黏粒3.1%。为尽量保持土壤的自然状态，试验土样不过筛不研磨，仅去除植物根系、杂草、砾石等杂质。试验秸秆为玉米秸秆，在2018年秋收后于吉林农业大学水土保持科研基地采集，并放置于干燥阴凉处，经过1年的自然风干，采用9ZT-0.6型铡草机粉碎，长度均为2 cm。

1.2 试验设计

根据东北黑土区典型地形和降雨特征，将试验坡度设计为3°，5°和7°，降雨强度设计为75 mm/h，降雨历时为40 min。根据研究区实测玉米秸秆量(12.0 t/hm)，将玉米秸秆粉碎还田量分别设计为无秸秆还田(0)，还田25%(3.0 t/hm)，50%(6.0 t/hm)，75%(9.0 t/hm)和100%(12.0 t/hm)5个试验处理。玉米秸秆粉碎后，采用秸秆粉碎还田法，即秸秆粉碎后与黑土充分混合，其还田深度为20 cm。每个试验处理重复3次。

1.3 试验方法

首先，用纱布填充试验土槽底部的排水孔，以保障试验过程中土槽排水良好；其后将试验土槽分为细沙层和秸秆碎混层，细沙层位于土槽最下方，厚度为5 cm，细沙层之上覆盖纱布，并分层装填试验土壤与粉碎秸秆的混合样品，每层厚度为5 cm，土壤容重控制在1.20 g/cm，共装填4层。试验土槽装填完毕后，自沉降48 h后开展预降雨试验。

正式模拟降雨试验前，采用30 mm/h降雨强度进行预降雨，至坡面刚刚产流为止，目的是保证试验前期土壤条件的一致性，各试验处理前期土壤质量含水率为(22.0±1.0)%。预降雨结束后，用塑料布将试验土槽表面覆盖，静置24 h待开展正式模拟降雨试验。

试验过程中，对降雨强度进行率定，以确保模拟降雨强度的准确性和均匀性，当实测降雨强度与目标降雨强度的差值<5%时方可进行正式降雨试验。坡面开始产流后，记录初始产流时间，接取径流泥沙样品，取样间隔为1～4 min，取样时间视径流量大小而定。此外，每隔5 min用高锰酸钾染色剂示踪法测定坡面径流流速。

降雨结束后，称取径流泥沙样品的总质量，并将其静置6～8 h，倒掉上清液后转移到已知质量的铝盒中，放入设置恒温为105 ℃的烘箱中烘干，称取其质量，用以计算产流率、产沙率及径流量和土壤侵蚀量。

1.4 数据处理

本文数据使用Excel 2007和SPSS 19.0软件进行数据处理与分析：采用Excel 2007计算径流量、土壤侵蚀量并绘制产流率、产沙率随降雨历时的变化过程图；采用SPSS 19.0软件中方差分析和多重比较(LSD)，进行不同坡度和秸秆还田比例下径流量和土壤侵蚀量显著性水平检验(<0.05)；由于直接测定的径流流速为坡面优势径流流速，故将实测流速乘以修正系数0.75，作为坡面平均径流流速。

2 结果与分析

2.1 不同坡度下秸秆粉碎还田量对坡面径流侵蚀过程的影响

随着玉米秸秆粉碎还田量从0增加为100%，其对应的产流时间在3°坡面由大约4 min明显延长到14 min左右，在5°坡面由3 min明显延长到10 min，在7°坡面由2 min左右明显延长到9 min左右(图1)。分析原因是当粉碎的玉米秸秆掺入土壤中，能够改良土壤孔隙状况，且还田后的秸秆碎屑具有一定的蓄水持水作用，进而增加了土壤水分入渗率和土壤持水性。结果表明，玉米秸秆粉碎还田有助于延缓坡面产流时间，且秸秆还田量越大，其持水作用越明显，延缓坡面产流时间越久；随着坡度的增加，黑土坡面产流时间逐渐提前，且不同秸秆粉碎还田量处理之间产流时间差异间隔逐渐变短，即玉米秸秆粉碎还田措施对产流时间延缓效果逐渐减弱。

由图1可知，不同坡度下不同玉米秸秆粉碎还田处理的产流率均随降雨历时先增加后趋于相对稳定，且无秸秆还田处理的产流率明显高于有秸秆还田处理。对于3°坡面，降雨30 min左右产流率开始趋于相对稳定，稳定后无秸秆还田处理产流率相对较高，约为1.5 L/(min·m)；玉米秸秆粉碎还田50%和75%处理的稳定产流率相近，约为1.3 L/(min·m)；玉米秸秆粉碎还田100%处理的稳定产流率最低，约为0.9 L/(min·m)；玉米秸秆粉碎还田25%处理的稳定产流率略高于还田100%处理，约为1.0 L/(min·m)。对于5°坡面，降雨20 min左右产流率开始趋于相对稳定，稳定后无秸秆还田处理的稳定产流率最高，约为1.6 L/(min·m)；玉米秸秆粉碎还田50%处理的稳定产流率最低，约为0.9 L/(min·m)；不同试验处理的产流率总体表现为无秸秆还田处理>还田75%处理>还田100%处理>还田25%处理>还田50%处理，相邻2个试验处理的产流率均相差0.1 L/(min·m)。对于7°坡面，降雨15 min左右产流率开始趋于相对稳定，稳定后无秸秆还田处理的稳定产流率最高，约为1.6 L/(min·m)，而玉米秸秆粉碎还田25%，50%，75%和100%处理的稳定产流率相近，均在1.2 L/(min·m)左右。综上可知，玉米秸秆粉碎还田处理的产流率明显低于无秸秆还田处理，且相同玉米秸秆粉碎还田量在不同坡度下的产流率亦呈现一定差异。分析原因是秸秆碎屑在土壤中随机分布，能够吸持一部分水分，增加土壤持水性；同时，改变土壤孔隙，增加土壤入渗量，消减坡面径流(图2)，进而降低产流率。该结果与野外原位条件下开展的相关研究结果相似，即秸秆还田具有调控径流作用。但是，随着坡度的逐渐增加，坡面径流流速逐渐增大，上述秸秆对土壤性质和入渗的影响作用会逐渐弱化，导致不同玉米秸秆粉碎还田处理产流率变化的差异逐渐减小，并趋于相近。因此，玉米秸秆粉碎还田措施具有调控产流率的作用，随着秸秆还田量的增加，其调控产流率的能力增强；而随着坡度的增大，不同玉米秸秆粉碎还田量间的调控产流率作用相差不大。

图1 不同坡度及秸秆还田量条件下产流率随降雨历时的变化

图2 不同坡度及秸秆还田量条件下平均径流流速的对比

由图3可知，不同坡度下不同玉米秸秆粉碎还田处理的产沙率随降雨历时也呈现先增加后趋于相对稳定的变化趋势，且无秸秆还田处理的产沙率在降雨前期明显高于有秸秆还田处理；但是，在降雨中后期，不同试验处理的产沙率发生明显变化。对于3°坡面，玉米秸秆粉碎还田100%处理的稳定产沙率相对较高，约为7.9 g/(min·m)；无秸秆还田处理与玉米秸秆粉碎还田75%处理的稳定产沙率相近，约为6.3 g/(min·m)。玉米秸秆粉碎还田25%处理的产沙率最小，约为2.2 g/(min·m)；玉米秸秆粉碎还田50%处理的稳定产沙率约为3.9 g/(min·m)。对于5°坡面，玉米秸秆粉碎还田75%处理的稳定产沙率最大，约为7.1 g/(min·m)；玉米秸秆粉碎还田25%处理的稳定产沙率最低，约为3.0 g/(min·m)；无秸秆还田、玉米秸秆粉碎还田50%和100%处理的稳定产沙率均在3.0～5.0 g/(min·m)。对于7°坡面，玉米秸秆粉碎还田50%与75%处理的稳定产沙率较高，约为9.9 g/(min·m)；玉米秸秆粉碎还田0和25%处理的稳定产沙率相近，约为7.0 g/(min·m)；而玉米秸秆粉碎还田100%处理的稳定产沙率最低，约为4.0 g/(min·m)。可见，玉米秸秆粉碎还田后，3°坡面的产沙率随着秸秆还田量的增加呈先减小后增大的变化；而5°和7°坡面的产沙率随着秸秆还田量的增加呈先减小后增大再减小的变化。玉米秸秆粉碎还田100%处理的产沙率随着坡度的增大而明显降低，当坡度由3°增加到7°，其稳定产沙率由7.9 g/(min·m)降至4.0 g/(min·m)；其他4种秸秆粉碎还田处理的产沙率则随着坡度的增大而增大，但增加幅度不同。对于3°，5°和7°坡面，产沙率最大时的玉米秸秆粉碎还田分别为100%，75%和50%。

图3 不同坡度及秸秆还田量条件下产沙率随降雨历时的变化

造成上述结果主要原因是玉米秸秆粉碎还田后，秸秆碎屑在土壤中的分布能够改变土壤原有结构，土壤之间作用力减弱，土壤通气透水性提升。此外，秸秆碎屑在土壤表面穿插，能够起到挡土拦沙的作用。因此，在降雨前期，玉米秸秆粉碎还田处理的产沙率较低，但随着降雨的进行，玉米秸秆粉碎还田处理的挡土效果减弱。在较缓(3°)坡面，玉米秸秆粉碎还田对土壤表面拦沙作用不明显，当秸秆还田量(接近100%)较大时，土壤中秸秆含量高，土壤颗粒松动程度大，产沙率较大。随着坡度增大，沿着坡面斜向下的作用力增大，径流侵蚀力度加强，不同玉米秸秆粉碎还田处理的调控侵蚀程度不同，坡度越大，玉米秸秆粉碎还田量越低，其挡土拦沙作用降低。因此，5°和7°坡面产沙率较大的处理分别为玉米秸秆粉碎还田75%和50%处理。结果表明，玉米秸秆粉碎还田后，有挡土拦沙、降低产沙率的作用，坡度和秸秆还田量的不同，其挡土拦沙作用不同，产沙率随降雨历时的变化亦不同。值得注意的是，玉米秸秆粉碎还田量较低(<25%)时，在较缓坡度(3°和5°)下的坡面产沙率较低，且不同坡度下相同秸秆还田量处理的产沙率不同，而玉米秸秆粉碎还田100%时，随着坡度的增大，产沙率降低。

2.2 不同坡度下秸秆粉碎还田量对坡面径流量和土壤侵蚀量的影响

试验条件下，玉米秸秆粉碎还田处理的径流量明显减小(表1)。在3°坡面，无秸秆还田处理与玉米秸秆粉碎还田处理的径流量差异显著，前者径流量较后者高1.7～2.7 L；其中，玉米秸秆粉碎还田100%处理的径流量最低，为13.7 L，调控径流效果为16.2%。与3°坡面相比，5°坡面的径流量均有所增大，但是，玉米秸秆粉碎还田25%和100%处理的调控径流效果降低；在5°坡面，玉米秸秆粉碎还田50%处理的径流量最低，调控径流效果为21.5%；玉米秸秆粉碎还田25%处理的径流量较低，调控径流效果为8.6%；玉米秸秆粉碎还田75%和100%处理的径流量相近，约为16.0 L，调控径流效果在14.0%左右。与3°和5°坡面相比，7°坡面的径流量亦有所增大；在7°坡面，玉米秸秆粉碎还田处理的调控径流效果与3°和5°坡面相比也有提升，其中玉米秸秆粉碎还田50%处理的调控径流效果最大，达到24.3%，与3°和5°坡面相比，增加1.1～2.2倍；玉米秸秆粉碎还田25%的径流量为16.9 L，调控径流效果为17.6%，与3°和5°坡面相比，增加1.2～2.0倍。由此可见，当坡度由3°增加到7°，玉米秸秆粉碎还田25%和100%处理的径流量呈现增加趋势，而调控径流效果呈先减小再增大趋势；玉米秸秆粉碎还田50%和75%处理的径流量和调控径流效果均呈增大趋势。分析原因是玉米秸秆粉碎还田后，秸秆具有一定的持水性，能够截持部分降水，导致秸秆还田后径流量减少；随着坡度的增加，径流形成较快，径流流速也较快，有玉米秸秆粉碎还田处理与无秸秆还田处理的差异越明显；在3°，5°和7°坡面下，玉米秸秆粉碎还田75%，25%和100%处理的径流量较大。可见，玉米秸秆粉碎还田能够在一定程度上降低径流量，起到一定的调控径流作用。但是，不同坡度下相同秸秆还田量的调控径流作用不同，3°坡面下玉米秸秆粉碎还田25%和100%处理的调控径流效果较好，5°和7°坡面下玉米秸秆粉碎还田50%和75%处理的调控径流效果较好。因此，根据坡度确定玉米秸秆粉碎还田量，有助于提高秸秆还田措施调控径流效果。

玉米秸秆粉碎还田后，土壤侵蚀量减少，且不同坡度不同玉米秸秆粉碎还田处理的土壤侵蚀量减少程度不同(表1)。对于3°坡面，土壤侵蚀量总体表现为无秸秆还田处理>还田100%处理>还田75%处理>还田50%处理>还田25%处理，玉米秸秆粉碎还田100%处理的土壤侵蚀量是玉米秸秆粉碎还田25%处理的3.7倍，是玉米秸秆粉碎还田50%和75%处理的2.3，1.5倍；调控侵蚀效果随着玉米秸秆粉碎还田量的增加而减小，从玉米秸秆粉碎还田25%处理的74.1%降至玉米秸秆粉碎还田100%处理的3.6%。对于5°坡面，土壤侵蚀量变化与3°坡面不同，玉米秸秆粉碎还田量从25%增加到75%，其土壤侵蚀量呈增大趋势，玉米秸秆粉碎还田从75%增加到100%，其土壤侵蚀量呈减小趋势；玉米秸秆粉碎还田75%处理的土壤侵蚀量较大，调控侵蚀效果最低，为3.0%，而玉米秸秆粉碎还田25%和100%处理的土壤侵蚀量较低，调控侵蚀效果达到40.0%。对于7°坡面，玉米秸秆粉碎还田量从25%增加到50%时，其土壤侵蚀量呈现增长趋势，从50%增加到100%时，其土壤侵蚀量则呈下降趋势；玉米秸秆粉碎还田100%处理的土壤侵蚀量最低，调控侵蚀效果最高，为72.1%。

表1 不同坡度及秸秆粉碎还田处理的径流量、土壤侵蚀量及其调控径流侵蚀效果对比

综上可知，在3°，5°和7°坡面下，玉米秸秆粉碎还田100%，75%和50%处理的土壤侵蚀量较大；随着坡度的增加，玉米秸秆粉碎还田量降低，其调控侵蚀效果减弱。分析原因是玉米秸秆粉碎还田后，秸秆碎屑分布在土壤中，表面秸秆部分扎在土壤中，部分在土壤之上，相当于微型挡土拦沙措施，具有一定挡土拦沙能力，产流产沙时间延后，降雨前期玉米秸秆粉碎还田处理的产沙率均低于无秸秆还田处理，因此，玉米秸秆粉碎还田处理的土壤侵蚀量均低于无秸秆还田处理。玉米秸秆粉碎还田后，秸秆碎屑分布于土壤中，土壤较无秸秆还田松动，不同玉米秸秆粉碎还田量土壤松动程度不同，土壤易侵蚀程度亦不同，导致不同坡度下玉米秸秆粉碎还田处理的调控侵蚀效果呈现差异。结果表明，在坡度较缓(3°)，且玉米秸秆粉碎还田量低(25%)时，其土壤侵蚀量较低，为29.4 g，调控侵蚀效果最好，达到74.1%，但是玉米秸秆粉碎还田量越大，其土壤侵蚀量反而增加；随着坡度的增加，特别是在7°坡面，玉米秸秆粉碎还田100%时，其土壤侵蚀量最低，为36.7 g，调控侵蚀效果最好，达到为72.1%。因此，根据坡度确定玉米秸秆粉碎还田量，有助于提高秸秆还田措施对土壤侵蚀的防治效果。

3 结 论

(1)玉米秸秆粉碎还田措施具有一定的调控径流作用。玉米秸秆粉碎还田后，黑土坡面产流率和径流量降低，径流量由无秸秆还田处理的16.4～20.5 L减小为有秸秆还田处理的13.7～17.0 L；且随着秸秆还田量的增加，其产流时间延后及平均径流流速降低越明显。但是，随着坡度的增加，玉米秸秆粉碎还田的调控径流作用有所消减。在3°坡面，秸秆粉碎还田25%和100%处理的调控径流效果较好；在5°和7°坡面，秸秆粉碎还田50%和75%处理的调控径流效果较好。

(2)玉米秸秆粉碎还田措施能够在一定程度上降低产沙率和土壤侵蚀量。相同秸秆粉碎还田量在不同坡度下的调控侵蚀效果亦不同，当秸秆粉碎还田量较低(<50%)时，平缓坡度(3°和5°)下的产沙率和土壤侵蚀量较低，即具有相对较好的调控侵蚀效果，其中在3°坡面，秸秆粉碎还田25%处理的调控侵蚀效果可达74.1%；当秸秆粉碎还田量较高(>50%)时，随着坡度的增大，其调控侵蚀效果呈增加趋势，其中，在7°坡面，秸秆粉碎还田100%处理的调控侵蚀效果可达72.1%。

(3)综上可知，不同地形坡度条件下，玉米秸秆粉碎还田处理对黑土坡面径流侵蚀特征的影响具有一定差异。因此，建议秸秆还田措施的推广应用要与土壤侵蚀特征分析相结合，筛选适宜的秸秆还田方式和还田量，从而在确保提高黑土地力的同时，保护宝贵的黑土资源。