不同摻量的秸稈還田對土層地表徑流的影響研究

邱凌燕，張慶麗

(費縣許家崖水庫管理中心，山東 臨沂 273400)

0 引言

農作物秸稈中含有氮、磷、鉀等元素，是一種多用途可再生的生物資源，秸稈還田是一種廣泛采用的耕作方法，秸稈通過增加土壤酶活性和有機質含量來提高土壤肥力，從而提高作物的質量和產量，同時，秸稈摻入土壤還可以降低土壤容重、改善土壤孔隙度、增加土壤保水能力，提高土壤中水的利用效率[1]。史燕捷[2]等人進行小麥田間試驗表明，秸稈還田情況下，磷肥減量20%時小麥有效穗數、每穗顆粒數以及千粒重量均有一定提高，增加了小麥產量。劉冬碧[3]等人發現，在水稻-小麥輪作系統中，10年20季作物連續秸稈還田，水稻和小麥的子粒年均增產幅度均達到7%以上，秸稈年均增產幅度最高可達15.44%。黃璐[4]認為2倍秸稈還田量是改善土壤物理性質的最佳值，對當地土壤有機碳含量提升效果最好。管方圓[5]研究了添加秸稈對土壤微生物群落的影響，研究結果表明添加秸稈可以增加水稻產量，提高土壤腐殖質的含量，改善土壤微生物群落結構。目前，秸稈還田影響地表水文循環過程也引起了一些學者的重視，牟廷森[6]表明將秸稈摻入耕作層可以改變土壤滲透性和地表徑流機制，影響降雨入滲和徑流，具有調控徑流作用，延緩坡面產流時間。除了秸稈摻量，降雨強度和降雨持續時間等因素也會影響土體水文循環和侵蝕過程。關于秸稈還田的研究主要集中在秸稈覆蓋上，與在土壤表面覆蓋秸稈相比，將秸稈摻入耕作土層可以影響地表水流的剪切應力，并改善降雨徑流過程中土壤的結構穩定性，從而減少土壤侵蝕[7]。因此，研究秸稈摻入對坡地降雨徑流的影響具有重要意義。

在本研究中，進行了室內模擬降雨試驗，以研究不同秸稈摻量在不同降雨強度的情況下對農田徑流的影響，量化秸稈摻量對徑流發生時間、徑流過程和總徑流量的影響，以期為研究秸稈摻入對地表徑流的影響、推廣秸稈還田提供參考，實現可持續發展農業。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

本次試驗中土壤為粉土，具有均勻的質地和良好的透水性，是有利于作物高產的良好農業土壤。試驗區土壤的顆粒密度為2.58g/cm3，耕作后的土壤堆積密度約為1.26g/cm3，孔隙率約為50%。將試驗土壤風干，并通過10mm篩網篩分。從農田中收割麥秸，將秸稈處理為10～20cm的長度，將秸稈材料與試驗土壤材料充分混合均勻用于填充土壤水槽。

試驗過程中模擬降雨試驗，試驗裝置包括土壤水槽帶和雨水模擬裝置。水槽長9m，寬1.5m，深0.5m，坡度控制在15°±5°，每個水槽的末端都有一個用于收集徑流樣本的徑流收集器。水槽的設計模擬常見的壟溝種植法，間隔約40cm，溝渠寬度約為15cm，溝中未覆蓋土壤的寬度約為10cm，在降雨徑流的作用下很容易發生溝中侵蝕現象。雨水模擬器裝置位于土壤水槽上方約15m處，降雨強度可在30～300mm/h的范圍內調整，降雨均勻性滿足試驗要求。

1.2 試驗設計

本次試驗選取四種秸稈摻入率：0、3、6、9t/ha，代表小麥產量水平分別為2727、5454、8181kg/ha。試驗選取3種降雨強度：50、100、150mm/h。在各組試驗過程中，設置總降雨量均為100mm，不同降雨強度的降雨持續時間分別為2、1、0.67h，每組實驗重復進行3次。土壤填充水槽至約20cm厚，堆積密度約1.26g/cm3，兩側壁上的土壤深度略高于中部，以模擬耕作層。

降雨開始后，記錄不同降雨強度和秸稈摻入率下的徑流起始時刻，以分析秸稈摻入對徑流起始時間延遲的影響。使用體積為3.0L的塑料桶從水槽末端的凹槽中收集徑流樣本，以記錄徑流速率和隨時間的累積徑流量。

徑流取樣期間平均徑流量按照下列公式計算：

(1)

式(1)中，A—斜坡的降雨收集面積，m2，本次實驗中長度為9m、寬度為0.1m；α—斜坡坡度，(°)，本次試驗中取15°；r—單位時間、單位面積的平均徑流量，mm/h。

徑流取樣期間累積徑流量按照下列公式計算：

(2)

式中，R—從降雨開始到不同時間點的累積徑流量，mm；ri和ri-1—相鄰兩個時段對應的徑流速率，mm/h；Δt—采樣間隔，h。

2 結果與分析

2.1 秸稈摻量對徑流起始時間的影響

圖1為不同秸稈摻量和降雨強度下的徑流起始時間，由圖可知，秸稈摻入土壤的徑流起始時間顯著延遲于未摻秸稈的對照組。在降雨強度為50mm/h時，3、6、9t/ha的秸稈摻入使徑流起始時間增加了8.3%、18.6%、21.9%，在降雨強度為100mm/h時，3、6、9t/ha的秸稈摻入使徑流起始時間增加了3.5%、15.2%和24.1%，在降雨強度為150mm/h時，3、6、9t/ha的秸稈摻入使徑流起始時間增加了12.1%、33.1%和40.8%。與未摻秸稈的對照組相比，3t/ha的秸稈摻量導致徑流起始時間略有延遲，6t/ha和9t/ha的秸稈摻量導致徑流起始時間的延遲現象較為顯著。在不同的降雨強度下，3t/ha、6t/ha和9t/ha的秸稈摻入率使徑流起始時間增加了3.5%～12.1%、15.2%～33.1%、21.9%～40.8%。因此，徑流起始時間隨秸稈摻入率的增加而不斷延遲，隨降雨強度的增加而變短。這些結果表明，秸稈摻入可以延長徑流起始時間，防止坡地水土流失。

圖1 同秸稈摻量和降雨強度下的徑流起始時間

分析其原因，通常秸稈覆蓋通過攔截雨滴以降低動能并促進土壤滲透，從而延遲了徑流起始時間，秸稈摻入還增加了引水渠道，改善土壤結構，增加土壤間隙，從而增加了土壤蓄水量，導致秸稈摻入時的徑流起始時間明顯延遲。同時，降雨強度越大，降雨補給量越大，因此徑流起始時間越早。但也有學者認為，在降雨強度較大時，降雨飛濺導致散落的土壤顆粒堵塞水滲透通道，可能產生更大的雨滴尺寸，以增加雨滴動能并分散土壤顆粒；雖然較小的降雨強度具有較小的動能，但可能會形成光滑而致密的土壤表層，加速坡面徑流[8]。因此，徑流起始時間受秸稈摻入率和降雨強度的綜合影響。

2.2 秸稈摻入率對平均徑流量的影響

由圖2中可以看出，秸稈摻入率和降雨強度直接影響平均徑流量，隨降雨強度的增加而增加，隨秸稈摻入率的增加而降低。與秸稈摻量為0t/ha相比，3、6、9t/ha的秸稈摻入率分別使平均徑流量減少7.4～14.69mm/h、15.51～25.82mm/h和24.83～34.24mm/h。未摻秸稈時，當降雨強度分別為100mm/h和150mm/h時，平均徑流量較降雨強度為50mm/h的情況下分別增加了14.6%和49.8%。秸稈摻入量為3t/ha時，當降雨強度分別為100mm/h和150mm/h時，平均徑流量較降雨強度為50mm/h的情況下分別增加了18.7%和42.8%。秸稈摻入量為6t/ha時，當降雨強度分別為100mm/h和150mm/h時，平均徑流量較降雨強度為50mm/h的情況下分別增加了8.8%和41.9%。秸稈摻入量為9t/ha時，當降雨強度分別為100mm/h和150mm/h時，平均徑流量較降雨強度為50mm/h的情況下分別增加了21.4%和62.4%。由此可見，降雨強度是影響平均徑流量大小的主要因素之一，秸稈摻入土壤中對減小平均徑流量起到有利作用。

圖2 同秸稈摻量和降雨強度下的平均徑流量

分析其原因，與未摻秸稈的對照組相比，3、6和9t/ha的秸稈摻入延長了徑流起始時間，同時降低了整個降雨過程中的平均徑流量。秸稈摻入后，土壤滲透面積和土壤儲水量會有一定程度的增加，同時暴露在地表的秸稈阻礙了徑流的聚集，降低了流速，并且這種影響會隨著秸稈摻量的增加而增加。

2.3 秸稈摻入率對累積徑流量的影響

試驗量測了在不同降雨強度情況下累積徑流量的數值，將其隨累積降雨量的變化繪制為圖3。由圖3可見，降雨強度為150mm/h時在累積降雨量小于20mm時即出現了明顯的累積徑流量，而降雨強度為100mm/h和50mm/h時則在累積降雨量接近30mm后才出現較顯著的累積徑流量。分析其原因，在同一時期，更大的降雨強度提供了充足的供水，同時雨滴更大，更密集，在一定時間內不能較好地入滲土壤中，在地表表面更易形成斜坡地表徑流[9]。在徑流剛開始時，累積徑流量增加較緩慢，曲線較為平穩，隨著降雨的持續，累計徑流量增加速度加快，曲線傾斜程度變大，未摻秸稈的對照組與秸稈摻入的試驗組累積徑流量差異逐漸增大。在不同降雨強度的情況下，秸稈摻量越多，累計徑流量最小，數值增加最緩慢。累積降雨量為100mm時，秸稈摻量為9t/ha與未摻秸稈的對照組的累積徑流量可減少約20mm。因此，利用秸稈摻入可有效減少累積徑流量，是控制水土流失的重要措施。在累積降雨量達到100mm時，降雨強度為50mm/h時反而有最大的累積徑流量，降雨強度為100mm/h時有最小的累積徑流量。

圖3 同秸稈摻量和降雨強度下的累積徑流量

2.4 秸稈摻入率對總徑流量的影響

圖4顯示了不同秸稈摻入率和降雨強度情況下的總徑流量，由圖中可以看出，總徑流量隨秸稈摻入率的增加而減少。與秸稈摻量為0t/ha的對照組相比，3、6、9t/ha摻入率下的總徑流量分別減少了5.0%～20.7%、18.9%～37.5%和40.8%～45.3%。因此，當秸稈摻入率為9t/ha時，徑流減少效果最顯著。不同降雨強度情況下，相同秸稈摻量對地表總徑流量的影響不同，降雨強度為150mm/h時總徑流量最大，降雨強度為100mm/h時總徑流量最小。

圖4 同秸稈摻量和降雨強度下的總徑流量

秸稈摻入可以減少總徑流量，本研究設計的總降雨量為100mm，但總徑流量在降雨強度為50mm/h時大于100mm/h。分析其原因，在總降雨量相同的情況下，50mm/h的降雨強度增加了降雨持續時間，減弱了雨滴的影響，較長的降雨持續時間增加了表面結皮的可能性，較低的降雨強度減少了雨滴對土體表面的破壞，從而增加了地表徑流。總體而言，隨著降雨強度的增加，總徑流量變化并不大。分析其原因，耕作層土壤在降雨后期達到飽和，并受到降雨強度、降雨持續時間等因素的影響，高強度降雨反而會嚴重干擾地表徑流，細溝的發育增加了土壤的滲透性[10]，這在一定程度上減少了降雨強度為100mm/h的徑流總量。在本試驗中，降雨強度為150mm/h時的總徑流量與降雨強度為50mm/h時較為接近。

3 結論

本文通過研究不同降雨強度和不同秸稈摻量對土壤地表徑流的影響。結果表明增加秸稈摻量(3t/ha、6t/ha和9t/ha)可以顯著延遲徑流起始時間，在秸稈摻入速率為9t/ha時，延遲效果最明顯，且隨著降雨強度的增加，徑流出現的時間更早；當秸稈摻入率為9t/ha時，徑流減少效果最顯著，累計徑流量最小，數值增加最緩慢。總徑流量在降雨強度為100mm/h時最小，降雨強度為150mm/h時的總徑流量與降雨強度為50mm/h時較為接近，秸稈摻入土壤中可以增加土壤蓄水量，提高降雨利用率，減少降雨侵蝕。由于降雨侵蝕與土壤類型有關，在其他類型土壤侵蝕治理中，需要進一步試驗確認。