秸稈覆蓋量對(duì)不同容重黑土坡耕地水土流失的影響

曹尤淞，李和平,2，肖 波,3

(1.中國農(nóng)業(yè)大學(xué) 土地科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 北京 100193; 2. 河南省煤炭地質(zhì)勘察研究總院,河南 鄭州 450000; 3.中國科學(xué)院 水土保持研究所 黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 楊凌 712100)

東北黑土區(qū)地勢(shì)廣袤，土壤肥沃，是中國主要的玉米和粳稻商品糧供應(yīng)地，糧食年產(chǎn)量約占全國總量的1/4[1]。然而，受氣候變化和人類活動(dòng)的影響，黑土結(jié)構(gòu)遭到不斷破壞，水土流失愈發(fā)嚴(yán)重[2]。研究表明，東北黑土區(qū)水土流失面積達(dá)2.19×105km2，占土地總面積的20.11%，其中以黑龍江省較為嚴(yán)重，水土流失面積約占耕地總面積的47%[3]，坡耕地土壤侵蝕是黑土區(qū)水土流失的主要類型，約占水土流失總面積的46%[4]。導(dǎo)致黑土區(qū)水土流失的主要因素包括：①東北黑土區(qū)超過60%的耕地為坡耕地，且大多集中在漫川漫崗地區(qū)，地形條件易引發(fā)水蝕；②黑土土質(zhì)疏松且富含有機(jī)質(zhì)，其本身也具有較強(qiáng)的可蝕性；③東北黑土區(qū)夏季(7—9月)降雨量較大，約占全年降雨的70%，高強(qiáng)度的集中降雨極易造成水土流失；④不合理的開發(fā)利用使坡耕地植被覆蓋度普遍降低，削弱了黑土表層的有效防護(hù)。基于上述影響，東北黑土區(qū)坡耕地土層厚度正以0.1～0.5 cm/a的速度不斷減少[5]，水土流失狀況異常嚴(yán)峻，亟待解決。

免耕和秸稈覆蓋作為保護(hù)性耕作的主要技術(shù)措施[6]，目前已有研究關(guān)注其水土保持效應(yīng)[7-8]，主要是通過田間試驗(yàn)對(duì)比免耕秸稈覆蓋與其他耕作方式下的水土流失特征，如賀云峰等[9]對(duì)比了免耕秸稈覆蓋和傳統(tǒng)順坡壟作的水土保持效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)前者能有效減少坡耕地徑流量和侵蝕量；孫芳媛[10]研究發(fā)現(xiàn)同等條件下免耕和秸稈覆蓋能夠減少93.6%和97.3%的侵蝕產(chǎn)沙量；Feng等[11]對(duì)比發(fā)現(xiàn)免耕秸稈覆蓋較間作、套作等更有利于水蝕風(fēng)蝕交錯(cuò)區(qū)土壤的水分保持。但是免耕條件下土壤容重、孔隙度、團(tuán)聚度等一系列土壤物理性質(zhì)均發(fā)生變化，田間試驗(yàn)受混雜因素影響，難以具體解釋容重等土壤物理性質(zhì)對(duì)水土流失的影響，致使免耕影響水土流失的研究多為宏觀現(xiàn)象的闡明，而缺乏內(nèi)在機(jī)制的分析。此外，目前針對(duì)秸稈覆蓋影響黑土水土流失的研究仍然較少，且多為直接對(duì)比有、無秸稈覆蓋時(shí)的水土流失特征[12]，水土流失隨秸稈覆蓋量的變化特征尚不明確。

基于此，本研究通過模擬傳統(tǒng)翻耕和免耕條件下的土壤容重(1.2，1.3 g/cm3)，結(jié)合不同秸稈覆蓋量(0，328，656，984 g/m2)開展人工降雨試驗(yàn)，比較不同方式下黑土的初始產(chǎn)流時(shí)間、產(chǎn)流速率、徑流量以及土壤流失量，明確土壤容重和秸稈覆蓋對(duì)東北黑土區(qū)坡耕地水土流失的影響，以期為東北黑土區(qū)保護(hù)性耕作技術(shù)的改良和推廣提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)于2017年5—9月在位于東北典型黑土區(qū)的中國農(nóng)業(yè)大學(xué)吉林梨樹試驗(yàn)站內(nèi)開展。梨樹縣位于吉林省西南部，地理坐標(biāo)為東經(jīng)123°45′—124°53′和北緯43°02′—43°46′；地處松遼平原腹地，大黑山西側(cè)，地勢(shì)東南高、西北低，南部低山丘陵，中部波狀平原，北部為東遼河沖積平原。該區(qū)屬北溫帶半濕潤大陸季風(fēng)性氣候，雨熱同季，四季分明，年平均氣溫為6 ℃，≥10 ℃年積溫2 900～3 100 ℃，年日照時(shí)數(shù)為2 392～2 928 h，無霜期為115～118 d，年均降雨量為587 mm，其中7—9月的降雨約占全年降雨量的70%，年均蒸發(fā)量為808 mm。研究區(qū)土壤為典型黑土，土壤質(zhì)地為粉質(zhì)黏壤土(砂粒、粉粒和黏粒含量分別占14.6%，51.7%和33.7%)，有機(jī)質(zhì)含量為2.2%，全氮含量為1.36 g/kg，速效氮含量為87.96 mg/kg。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

2017年5月對(duì)試驗(yàn)站內(nèi)傳統(tǒng)翻耕區(qū)和免耕區(qū)耕層(0—20 cm)土壤容重進(jìn)行實(shí)測(cè)，同時(shí)結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)資料[13]，將土壤容重設(shè)定為1.2 g/cm3，1.3 g/cm3兩個(gè)水平，分別代表傳統(tǒng)翻耕和免耕下的黑土容重。試驗(yàn)小區(qū)當(dāng)季收獲的玉米秸稈總量平均為1 093.2 g/m2，從無秸稈覆蓋到全量覆蓋之間，設(shè)計(jì)0，30%，60%，90%4個(gè)水平，對(duì)應(yīng)的秸稈覆蓋量分別為0，328，656，984 g/m2。即本試驗(yàn)共設(shè)置2個(gè)因素，8種處理，每種處理重復(fù)3次，總計(jì)24個(gè)樣本。

供試土壤取自試驗(yàn)站內(nèi)農(nóng)田耕層(約20 cm)，將土樣自然風(fēng)干至原質(zhì)量含水量的6%～7%后，過5 mm篩，按照設(shè)定的土壤容重填裝土槽。試驗(yàn)所用土槽規(guī)格為長3.0 m，寬0.6 m，高0.6 m，為便于對(duì)水土流失的觀測(cè)，依照研究區(qū)坡耕地坡度的上限值，土槽坡度統(tǒng)一設(shè)定為8°。為保證填土均勻性，試驗(yàn)采用分層填土法，即每5 cm為一層，共分層裝填50 cm的黑土；填裝上層土之前，打毛下層土表面防止出現(xiàn)分層現(xiàn)象，土槽的邊緣用力均勻壓實(shí)以減免邊界效應(yīng)的影響。待填裝完畢，將切割后長約5 cm的玉米秸稈碎段，按設(shè)定的秸稈覆蓋量均勻撒放于土槽表面。模擬降雨前土槽的質(zhì)量含水量均控制為15%，與田間實(shí)際狀況一致，含水量不足或超過者，通過噴水或晾曬的方式進(jìn)行調(diào)整。

模擬降雨裝置采用西安新匯澤測(cè)控技術(shù)有限公司研制的XHZ-JY102型便攜式人工模擬降雨器，降雨高度為4 m。其工作原理是利用壓力，通過噴灌自吸泵將水由上至下從噴體噴出，具有一定初速度，能滿足天然降雨雨滴的終點(diǎn)速度(見表1)。根據(jù)東北黑土區(qū)降雨短歷時(shí)、高強(qiáng)度的特點(diǎn)[14]，結(jié)合《中國暴雨統(tǒng)計(jì)參數(shù)圖集》等[15]資料，同時(shí)考慮到秸稈覆蓋會(huì)極大降低雨滴動(dòng)能，若雨強(qiáng)不足，當(dāng)秸稈覆蓋量較大時(shí)水土流失差異可能不顯著，本試驗(yàn)將雨強(qiáng)設(shè)定為120 mm/h；降雨均勻度>80%，與天然降雨一致(天然降雨均勻度通常大于80%[16])。

表1 120 mm/h模擬降雨強(qiáng)度下的降雨均勻度

本試驗(yàn)降雨時(shí)間約2 h，試驗(yàn)過程中記錄初始產(chǎn)流時(shí)間并對(duì)徑流進(jìn)行全過程收集(每1 min收集一次)。降雨結(jié)束后將收集的徑流靜置8～10 h，待澄清后將上清液和泥沙分離，對(duì)上清液稱重并換算為徑流量，將泥沙于陰涼處風(fēng)干后稱重并換算為土壤流失量。由于本試驗(yàn)中產(chǎn)流開始45 min后，坡面的徑流量趨于穩(wěn)定，因此本文取產(chǎn)流過程前45 min的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

使用Microsoft Excel 2013計(jì)算平均值和標(biāo)準(zhǔn)誤差，同時(shí)繪制圖表。使用IBM SPSS Statistics 22進(jìn)行單因素和雙因素方差分析以檢驗(yàn)不同處理的差異顯著性，同時(shí)進(jìn)行回歸分析和相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同土壤容重下黑土的水土流失特征

如表2所示，同一秸稈覆蓋量(0，328，656，984 g/m2)下土壤容重增加均縮短了初始產(chǎn)流時(shí)間。其中與1.3 g/cm3容重相比，1.2 g/cm3容重土壤的初始產(chǎn)流時(shí)間分別延長了14.5%，78.1%，58.3%，100.0%。且當(dāng)秸稈覆蓋量為984 g/m2時(shí)兩種容重土壤的初始產(chǎn)流時(shí)間差異顯著(p<0.05)。

表2 不同容重和秸稈覆蓋量下黑土的初始產(chǎn)流時(shí)間 min

秸稈覆蓋量相同時(shí)，不同土壤容重下的產(chǎn)流過程相似，即初期產(chǎn)流速率快速增加，之后增速放緩且上下波動(dòng)，后期趨于穩(wěn)定(圖1)。以秸稈覆蓋量656 g/m2為例：在1.2 g/cm3土壤容重下，產(chǎn)流速率在1～4 min內(nèi)從0.4 mm/min快速增加到1.3 mm/min，之后速率緩慢增加并在第20 min左右達(dá)到穩(wěn)定，降雨后期的穩(wěn)定產(chǎn)流速率為2.0 mm/min；而在1.3 g/cm3土壤容重下產(chǎn)流速率在1～8 min內(nèi)從1.0 mm/min快速增加到2.5 mm/min，之后速率緩慢增加并在第30 min左右達(dá)到穩(wěn)定，降雨后期的穩(wěn)定產(chǎn)流速率為3.5 mm/min。與1.2 g/cm3，土壤容重相比，土壤容重為1.3 g/cm3時(shí)的穩(wěn)定產(chǎn)流速率增加了75.0%。秸稈覆蓋量為656 g/m2，984 g/m2時(shí)，1.3 g/cm3土壤容重下各時(shí)刻的產(chǎn)流速率均大于1.2 g/cm3土壤容重。

圖1 各秸稈覆蓋量下不同容重黑土的產(chǎn)流速率

表3中各處理的徑流量顯示，在328 g/m2秸稈覆蓋量下，土壤容重為1.3 g/cm3時(shí)的徑流量比土壤容重為1.2 g/cm3時(shí)減少了12.9%，而其他處理分別增加了0.3%，66.4%，90.2%；同時(shí)，秸稈覆蓋量為656 g/m2，984 g/m2時(shí)兩種土壤容重下徑流量差異顯著(F=11.30，p<0.001)。土壤流失量方面，當(dāng)秸稈覆蓋量相同時(shí)，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秸稈覆蓋量下，土壤容重1.3 g/cm3分別是土壤容重1.2 g/cm3下的1.6，4.0，1.2，1.9倍；秸稈覆蓋量為0，328 g/m2時(shí)，兩種土壤容重下的土壤流失量差異顯著。

表3 不同容重和秸稈覆蓋量下黑土的徑流量和土壤流失量

2.2 不同秸稈覆蓋量下黑土的水土流失特征

如表2所示，秸稈覆蓋量在656 g/m2以下時(shí)，初始產(chǎn)流時(shí)間隨覆蓋量的增加而延長，當(dāng)覆蓋量超過656 g/m2后，初始產(chǎn)流時(shí)間出現(xiàn)小幅度下降。1.2 g/cm3土壤容重下，秸稈覆蓋量為328，656，984 g/m2的初始產(chǎn)流時(shí)間較無覆蓋分別延長了2.7，2.9，2.8倍，差異極顯著(F=39.69，p<0.002)；在1.3 g/cm3土壤容重下，秸稈覆蓋量為328，656，984 g/m2的初始產(chǎn)流時(shí)間較無覆蓋分別延長了1.4，1.8，1.2倍。

當(dāng)容重相同時(shí)，不同秸稈覆蓋量下的產(chǎn)流過程相似，即初期產(chǎn)流速率先快速增加而后增速放緩，最后趨于穩(wěn)定(圖2)。產(chǎn)流速率方面，在1.2 g/cm3土壤容重下，0，328，656，984 g/m2秸稈覆蓋的穩(wěn)定產(chǎn)流速率分別是3.3，2.5，2.0，1.9 mm/min，秸稈覆蓋處理分別比無覆蓋處理分別減少了24.2%，39.4%，42.4%，在1.3 g/cm3土壤容重下，不同處理的穩(wěn)定產(chǎn)流速率分別是3.0，3.6，3.5，3.7 mm/min，秸稈覆蓋處理比無覆蓋處理的穩(wěn)定產(chǎn)流速率分別增加了20.0%，16.7%，23.3%。

圖2 兩種容重黑土在不同秸稈覆蓋量下的產(chǎn)流速率

各處理的徑流量顯示，土壤容重為1.2 g/cm3時(shí)的徑流量隨秸稈覆蓋量的增加而不斷減少(表3)。與無覆蓋相比，秸稈覆蓋量為328，656，984 g/m2時(shí)徑流量分別減少了3.1%，33.5%，38.9%。不同秸稈覆蓋量下的徑流量總體差異顯著(F=7.25，p<0.043)，但當(dāng)秸稈覆蓋量不超過328 g/m2和秸稈覆蓋量超過656 g/m2時(shí)，徑流量差異均不顯著；土壤容重為1.3 g/cm3時(shí)，徑流量隨著秸稈覆蓋量的增加呈先減小后增加趨勢(shì)。不同秸稈覆蓋量下的徑流量總體差異顯著(F=14.39，p<0.013)，兩兩比較發(fā)現(xiàn)，328 g/m2秸稈覆蓋量下徑流量比無覆蓋減少了15.9%，差異顯著(p=0.037)；656 g/m2，984 g/m2秸稈覆蓋量下徑流量分別比無覆蓋增加了10.2%和15.8%，在秸稈覆蓋量為984 g/m2時(shí)差異顯著(p=0.038)。

土壤流失方面，兩種容重下土壤流失量均隨秸稈覆蓋量的增加而不斷減小。1.2 g/cm3土壤容重下，與無覆蓋相比，秸稈覆蓋量為328，656，984 g/m2時(shí)土壤流失量分別減少了74.3%，91.3%，97.9%，各處理之間均差異顯著(F=1 398.20，p<0.001)；1.3 g/cm3土壤容重下，與無覆蓋相比，秸稈覆蓋的土壤流失量分別減少了34.0%，93.1%，97.4%，各處理之間均差異顯著(F=4 006.83，p<0.001)。

2.3 土壤容重和秸稈覆蓋量與水土流失的關(guān)系

如表4所示，徑流量、土壤流失量、容重三者間兩兩成正相關(guān)關(guān)系，其中徑流量與土壤容重顯著正相關(guān)(p<0.05)；徑流量和土壤流失量與秸稈覆蓋量之間成負(fù)相關(guān)關(guān)系，且土壤流失量與秸稈覆蓋量極顯著負(fù)相關(guān)(p<0.05)。進(jìn)一步的回歸分析結(jié)果顯示，徑流量與土壤容重和秸稈覆蓋量的回歸方程決定系數(shù)為0.258(F=3.61，p=0.057)，土壤容重的回歸系數(shù)為0.559，秸稈覆蓋量的回歸系數(shù)為0.210，表明土壤容重對(duì)徑流量的影響大于秸稈覆蓋量；土壤流失量與土壤容重、秸稈覆蓋量和徑流量之間回歸方程的決定系數(shù)為0.865(F=33.17，p<0.001)，秸稈覆蓋量的回歸系數(shù)為0.922，土壤容重為0.471，徑流量為0.289，表明秸稈覆蓋量對(duì)土壤流失量的影響大于土壤容重和徑流量。

表4 徑流量和土壤流失量與土壤容重和秸稈覆蓋量的相關(guān)系數(shù)矩陣

3 討 論

不同容重黑土的水土流失研究表明，相較于1.2 g/cm3容重，1.3 g/cm3容重下黑土初始產(chǎn)流時(shí)間縮短，產(chǎn)流速率、徑流量和土壤流失量都顯著增加，這表明水土流失隨土壤容重的增加而加劇。雨滴降落土壤表面后，首先產(chǎn)生擊濺侵蝕，此時(shí)的侵蝕力較弱，徑流也尚未產(chǎn)生；當(dāng)降雨強(qiáng)度大于入滲速率后，坡面徑流開始出現(xiàn)，在持續(xù)降雨之下，匯流面積不斷擴(kuò)大，徑流量和流速迅速增加，使徑流具有較強(qiáng)的沖蝕力，從而造成大量土壤流失[17]。土壤入滲性能是影響徑流產(chǎn)生和變化的重要因素，而土壤容重作為土壤結(jié)構(gòu)緊實(shí)度的反映，其變化從根本上影響了土壤顆粒排布和大孔隙數(shù)量，進(jìn)而影響到土壤的入滲性能[18]。相同質(zhì)地土壤，其孔隙度和大孔隙數(shù)量隨容重的增大而急劇減少，而大孔隙是土壤水分流動(dòng)的主要通道，其數(shù)量減少降低了土壤內(nèi)部連通性，同時(shí)產(chǎn)生較多的封閉氣體，直接阻礙了水流的暢通性，導(dǎo)致濕潤峰運(yùn)移距離減小，累積入滲量和入滲率減緩，入滲能力衰減速度加快，最終表現(xiàn)為水土流失的加劇。

本研究中，秸稈覆蓋延長了黑土初始產(chǎn)流時(shí)間，降低了產(chǎn)流速率、徑流量和土壤流失量，即秸稈覆蓋顯著提升了黑土的水土保持性能。其原因一方面是秸稈覆蓋可以減緩降雨對(duì)表層土壤的直接沖擊[19]，維持土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)和孔隙度，減少地表結(jié)皮的形成，從而增加了單位時(shí)間內(nèi)的雨水入滲量，降低了產(chǎn)生徑流的動(dòng)能；另一方面秸稈覆蓋通過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徑流，從而延滯了坡面初始產(chǎn)流時(shí)間；此外，秸稈本身對(duì)徑流和泥沙具有物理攔截阻滯作用，能削弱徑流侵蝕力并使泥沙不斷沉積，減少了坡面的產(chǎn)流產(chǎn)沙量[20]。本研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)黑土容重為1.3 g/cm3時(shí)，徑流量并未隨秸稈覆蓋量的增加而顯著減少，可能是因?yàn)橥寥廊葜剌^大，土壤中有利于降雨入滲的大孔隙數(shù)量過少，并且與田間土壤的結(jié)構(gòu)相比，人工土槽受填裝、壓實(shí)等影響下其內(nèi)部的非活性孔隙更多，由此導(dǎo)致的徑流增加量遠(yuǎn)大于秸稈覆蓋對(duì)徑流量的減少，致使秸稈覆蓋的作用難以顯現(xiàn)。僅從本研究的數(shù)據(jù)來看，秸稈覆蓋量為656 g/m2時(shí)的初始產(chǎn)流時(shí)間最長，其原因可能是當(dāng)秸稈覆蓋量較低時(shí)，對(duì)降雨初期所造成的擊濺侵蝕減緩作用相對(duì)較弱，大雨強(qiáng)下的抗濺蝕能力仍然不足，當(dāng)秸稈覆蓋量達(dá)到656 g/m2后，土壤表面已經(jīng)形成了較為致密的覆蓋層，充分提升了地表粗糙度，削減了雨滴濺蝕力，因而臨界點(diǎn)之后再增加秸稈對(duì)延長初始產(chǎn)流時(shí)間的作用并不顯著。

綜合本研究結(jié)果，免耕對(duì)土壤容重的提升將加劇水土流失，秸稈覆蓋則具有良好的水土保持效應(yīng)。因此，從水土保持角度考慮，東北黑土區(qū)免耕時(shí)應(yīng)注意結(jié)合秸稈覆蓋。

4 結(jié) 論

(1) 土壤容重增加顯著縮短了初始產(chǎn)流時(shí)間并增加了水土流失量。與土壤容重為1.2 g/cm3時(shí)相比，1.3 g/cm3容重時(shí)土壤初始產(chǎn)流時(shí)間縮短了13.1%～49.9%，徑流量增加了0.4%～90.4%，土壤流失量增加了24.6%～302.8%。

(2) 秸稈覆蓋具有顯著的水土保持效應(yīng)。與無秸稈覆蓋相比，秸稈覆蓋下的土壤初始產(chǎn)流時(shí)間延長了1.2～2.9倍，徑流量減少了3.1%～38.9%，土壤流失量減少了34.0%～97.9%；同時(shí)秸稈覆蓋的水土保持效果與秸稈覆蓋量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系；秸稈覆蓋量為656 g/m2時(shí)達(dá)到最佳的水土保持效果。

(3) 免耕后土壤容重的增加可能會(huì)增多地表徑流，并由此加劇土壤侵蝕，而秸稈覆蓋可以顯著降低黑土水土流失，綜合對(duì)比顯示，當(dāng)土壤容重為1.3 g/cm3時(shí)采取秸稈覆蓋仍平均減少了10.7%的徑流量和74.2%的土壤流失量。