玉-稻輪作背景下秸稈還田時(shí)間對(duì)典型紫色土壤入滲特性的影響

唐福銳，伍 駿，楊田圳，陳力輔，鐘玥驊，張志亮

（四川農(nóng)業(yè)大學(xué)水利水電學(xué)院，四川 雅安 625014）

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試土壤為四川典型紫色土壤，取自四川農(nóng)業(yè)大學(xué)雅安校區(qū)農(nóng)場(chǎng)，取土?xí)r采用多點(diǎn)采樣法，深度為0～20 cm，去除雜質(zhì)并風(fēng)干，過(guò)1 mm篩備用。土壤容重為1.28 g/cm3。供試秸稈為玉米秸稈和水稻秸稈，均模擬實(shí)際生產(chǎn)中機(jī)械化還田方式被粉碎至1～3 cm。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)處理

試驗(yàn)采用玉米、水稻2種秸稈，分別設(shè)置3個(gè)不同還田時(shí)間處理的試驗(yàn)組和1個(gè)純土對(duì)照組，共計(jì)7個(gè)組，每組重復(fù)3次試驗(yàn)。選用內(nèi)徑為10 cm、高度為30 cm的透明有機(jī)玻璃柱，底部設(shè)有小孔。裝土高度為20 cm，按每層5 cm 裝土，裝土容重為1.20 g/cm3，分界層面進(jìn)行打毛處理，以確保各層緊密結(jié)合。試驗(yàn)前將濾紙覆蓋在玻璃柱底部，并將凡士林薄層均勻涂在玻璃壁內(nèi)部，同時(shí)將各組秸稈分別均勻埋入裝有的20 cm高度土壤的相同玻璃柱中，埋深為0～10 cm，秸稈混摻質(zhì)量比為3%，保持室內(nèi)溫度與濕度恒定，土壤含水量為實(shí)際田間含水量，分別模擬還田處理0、15、30 d后供試。

試驗(yàn)前，將土柱表面覆蓋一層濾紙。試驗(yàn)采用內(nèi)徑為10 cm 的馬氏瓶供水，水頭高度控制在4 cm，調(diào)整馬氏瓶和玻璃柱高度至合適相對(duì)位置以確保入滲全過(guò)程水頭高度始終恒定。觀察濕潤(rùn)鋒的深度和馬氏瓶水位，記錄試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)馬氏瓶初始水位，后連續(xù)記錄濕潤(rùn)鋒運(yùn)移刻度和馬氏瓶水位刻度。馬氏瓶持續(xù)供水至土柱底部流出溶液，待流出流速恒定時(shí)停止供水。

1.3 土壤入滲模型

采用Kostiakov、Philip兩種公式對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行擬合

①Kostiakov公式：

式中：I（t）為累積入滲量，mL；t 為入滲時(shí)間，min；K 和n 為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，n值大小主要取決于因土地濕潤(rùn)而引|起的土壤結(jié)構(gòu)的改變。n值越大，入滲能力衰減速度越快，反之則越慢。

②Philip公式：

式中：I（t）為累積入滲量，mL；S為吸滲率，mL/min0.5。

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)中所用數(shù)據(jù)均為3次重復(fù)試驗(yàn)均值，采用Matlab2018a作圖，數(shù)據(jù)擬合和統(tǒng)計(jì)分析采用SPSS軟件。

2 結(jié)果與分析

2.1 累積入滲量

水分達(dá)到穩(wěn)定入滲前常用累積入滲量來(lái)衡量土壤的入滲能力。圖1 和圖2 分別為混摻玉米和水稻秸稈的累積入滲曲線。兩種秸稈試驗(yàn)組均是還田天數(shù)越長(zhǎng)，累積入滲量越大。混摻玉米秸稈時(shí)，各個(gè)還田處理時(shí)期的土壤累積入滲量均小于純土組，還田30 d處理下的玉米秸稈組累積入滲量最大。混摻水稻秸稈時(shí)，在還田0 d情況下，混摻水稻秸稈的試驗(yàn)組累積入滲量小于純土對(duì)照組；還田15 d情況下，與純土對(duì)照組差異不大；還田30 d情況下，明顯大于純土對(duì)照組。混摻還田同等天數(shù)情況下的水稻秸稈累積入滲量均比混摻玉米秸稈的試驗(yàn)組更大。

圖1 不同還田時(shí)間對(duì)土壤累積入滲量的影響圖

圖2 不同還田時(shí)間對(duì)土壤累積入滲量的影響圖

試驗(yàn)結(jié)果表明混摻秸稈試驗(yàn)組在120 min 入滲時(shí)間內(nèi)，累積入滲量除水稻還田30 d一組外均低于純土對(duì)照組，這是因?yàn)榛鞊降慕斩挄?huì)阻礙土壤中水分的流動(dòng)，同時(shí)減弱土體通透性和導(dǎo)水能力連續(xù)性，故而出現(xiàn)降低入滲能力減弱的現(xiàn)象。而對(duì)秸稈進(jìn)行還田處理后，隨著秸稈的還田時(shí)間越久，秸稈腐解率越大，當(dāng)還田時(shí)間較長(zhǎng)的秸稈與土樣混合時(shí)，其破壞土壤結(jié)構(gòu)和質(zhì)地均勻性效果大幅減弱，秸稈阻礙土壤中水分流動(dòng)作用不斷減小，因此隨著秸稈還田時(shí)間越久，土壤的累積入滲量越大。

2.2 濕潤(rùn)鋒運(yùn)移特征

濕潤(rùn)峰是土壤水分運(yùn)移時(shí)濕潤(rùn)層的最前端，可展示土壤水分在土壤基質(zhì)吸力和重力作用下的運(yùn)動(dòng)特征。對(duì)濕潤(rùn)鋒與時(shí)間的二者關(guān)系進(jìn)行擬合，結(jié)果符合冪函數(shù)：F=atb，其中a—第一個(gè)計(jì)時(shí)單位后的濕潤(rùn)鋒的推進(jìn)距離；b—濕潤(rùn)鋒進(jìn)程的衰減程度。對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)資料進(jìn)行擬合詳見(jiàn)表1，其濕潤(rùn)鋒模擬的決定系數(shù)R2均在0.99以上，說(shuō)明此冪函數(shù)能較好地模擬不同秸稈還田下的紫色土壤濕潤(rùn)鋒的運(yùn)移規(guī)律。混摻秸稈的處理，相比未混摻秸稈的對(duì)照組處理系數(shù)a明顯增大，表明混摻秸稈后增大了土壤水分初始入滲速率，而系數(shù)b均減小表明濕潤(rùn)鋒進(jìn)程衰減增大。秸稈的添加顯著改變了土壤水分入滲過(guò)程，不同秸稈及其不同還田時(shí)間對(duì)土壤濕潤(rùn)鋒的影響存在一定差異。

表1 土壤濕潤(rùn)鋒深度與時(shí)間擬合結(jié)果表

在30 min 之前各試驗(yàn)組濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離大多超過(guò)純土對(duì)照組，濕潤(rùn)鋒運(yùn)移速率明顯高于純土對(duì)照組，其中混摻水稻秸稈的土壤濕潤(rùn)鋒運(yùn)移速率最快，且相比純土對(duì)照組的濕潤(rùn)鋒運(yùn)移速率提升效果明顯，最大可提升20%以上。濕潤(rùn)鋒下移超出土壤與秸稈的混摻層后土壤試驗(yàn)組濕潤(rùn)鋒運(yùn)移速率放緩，濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離區(qū)別明顯，在最終120 min設(shè)計(jì)時(shí)間時(shí)純土對(duì)照組的濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離均大于各個(gè)混摻秸稈的土壤試驗(yàn)組。混摻還田30 d處理下的玉米秸稈相比于15 d處理下的濕潤(rùn)鋒運(yùn)移深度提升約19%，混摻還田30 d處理下的水稻秸稈相比于15 d處理下的濕潤(rùn)鋒運(yùn)移深度提升約9%。相同處理時(shí)間條件下，各組初始入滲速率：水稻＞玉米＞純土，截至120 min 入滲設(shè)計(jì)最終時(shí)濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離：純土＞水稻＞玉米。

2.3 入滲過(guò)程模擬與入滲特征參數(shù)

為了進(jìn)一步探究不同秸稈及還田時(shí)間對(duì)土壤入滲過(guò)程的影響及入滲模型在本試驗(yàn)擬合的適應(yīng)性，將土壤累積入滲量隨時(shí)間變化的數(shù)據(jù)分別用Philip 模型、Kostiakov 模型進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果詳見(jiàn)表2。Kostiakov 的決定系數(shù)R2均在0.99 左右，Philip 模型的決定系數(shù)R2絕大部分0.96～0.99，可知Kostiakov模型對(duì)本試驗(yàn)探究的土壤入滲過(guò)程的擬合更好。隨著秸稈還田處理時(shí)間的增長(zhǎng)，K 值先減小后增大，n 值先增大后減小，表明混摻秸稈及其秸稈還田時(shí)間不同對(duì)K值和n值有較大影響。

表2 兩種入滲公式參數(shù)擬合結(jié)果表

3 結(jié)論與討論

同種秸稈在不同還田處理時(shí)間下土壤累積入滲量和濕潤(rùn)鋒運(yùn)移規(guī)律的研究表明：秸稈的還田時(shí)間與土壤累積入滲量、濕潤(rùn)鋒初始運(yùn)移速率、最終運(yùn)移距離呈現(xiàn)正相關(guān)。隨著秸稈還田時(shí)間越長(zhǎng)，土壤累積入滲量越大；秸稈還田處理時(shí)間越短，濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離越小。其中水稻秸稈還田30 d處理后累積入滲量大于純土對(duì)照組，其余試驗(yàn)組均小于純土對(duì)照組。隨著時(shí)間向后推移，兩者濕潤(rùn)鋒曲線斜率逐漸由陡峭轉(zhuǎn)向平緩；混摻秸稈的試驗(yàn)組前期濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離和速率均大于對(duì)照組，這可能與秸稈還田增加了土壤孔隙度有關(guān)。當(dāng)水分最開(kāi)始流過(guò)混摻秸稈的土壤層時(shí)，因土壤孔隙率較大，滲透系數(shù)相對(duì)較大，由達(dá)西定律可知入滲速率也會(huì)相對(duì)增大。因此土壤孔隙度增加將最終導(dǎo)致各試驗(yàn)組的土壤混摻層中濕潤(rùn)鋒初始運(yùn)移速率明顯大于純土對(duì)照組，因此可見(jiàn)秸稈還田可加快土壤初始入滲速率，有助于水分快速到達(dá)作物根尖部位。后期純土對(duì)照組穩(wěn)定運(yùn)移速度更快，最終濕潤(rùn)峰深度均大于混摻秸稈試驗(yàn)組，原因可能在于向土壤中混摻秸稈后切斷了土壤毛管，影響了土壤本身具備的通透性和導(dǎo)水的連續(xù)性。

不同秸稈在同一還田處理時(shí)間下土壤累積入滲量和濕潤(rùn)鋒運(yùn)移規(guī)律的研究表明：混摻水稻秸稈的試驗(yàn)組累積入滲量與入滲速率、濕潤(rùn)鋒深度與運(yùn)移速率均大于混摻玉米秸稈的試驗(yàn)組，可知水稻秸稈還田對(duì)土壤入滲能力的改善作用明顯大于玉米秸稈。其原因可能在于水稻秸稈的吸水性與吸濕性均高于玉米秸稈，且因玉米秸稈的外表面光滑致密，有著少量的氣孔和非均勻分布的劃痕，因此具備良好的防水性能，同時(shí)結(jié)構(gòu)相比水稻秸稈較為復(fù)雜，不宜與土壤混合均勻。