秸秆还田抑制地表土壤裂缝工艺参数的优化

张毅峰

（晋中市农业局，山西晋中 030601）

农田灌溉后，耕作层土壤常常因遇水膨胀和失水收缩产生裂缝。土壤开裂是关系到土壤性状、作物生长及水分溶质运输的一个复杂过程。它的形成关系到土壤结构和土壤入渗性能的变化、土壤水分的蒸发散失状况、土壤溶质的优先迁移以及因此带来的土壤水质量的恶化，甚至影响植株根系的发育等诸多土壤重要性质及土体中进行的重要物理、化学及生物过程。该方面研究正成为土壤学、水文学、工程地质学、环境科学共同关注的热点课题之一[1]。尤其是在水资源日趋紧张、干旱灾害频繁发生的背景下，农田灌溉后耕作层裂缝的出现，破坏了地表干土层的连续性，形成了土壤水分的蒸发通道，大幅度加剧了地面蒸发强度。因此，抑制田间地表土壤裂缝能显著减少土壤水分蒸发。

本研究采用正交试验设计方法[2-3]，研究了灌水量、秸秆长度、翻埋深度及单位面积用量与土壤裂缝的相关性，得到抑制土壤裂缝的优化组合方案，并讨论了土壤裂缝与土壤水分之间的关系。

1 材料和方法

1.1 试验区概况

试验区选择在山西农业大学农学院农作试验站内，土壤质地为轻黏土，pH值为7.9，有机质含量 18.8 g/kg，土壤粒径为 10，7，5，3，2，＜2 mm，分别占17.8%，6.4%，8.7%，8.4%，5.5%，53.2%。

1.2 试验方法

采用田间对比试验的方法，研究土壤裂缝对土壤水分蒸发的影响。

采用室外正交试验的方法，分别取不同的秸秆长度、灌水量、翻埋深度和单位面积秸秆用量研究4个影响因素与土壤裂缝的相关性。各因素水平及正交设计列于表1和表2[4-8]。

1.3 设备及仪器

数码相机、量筒、水分测量仪、塑杆、游标卡尺、卷尺及其他相关工具。

表1 因素水平

1.4 试验步骤

1.4.1 材料的准备 按要求把秸秆切成长度分别为5，10，15 cm的3种尺寸规格。

1.4.2 划分试验小区 把试验区划分为15个长、宽都为2 m的小块。为了方便试验和防止相互影响，取小块中央的1 m2为试验小区。即在中央挖1 m2的坑，深度达到不同的要求，并保证此坑在以后的灌水时不会使水流失。

1.4.3 整地方式 把试验小区土壤翻松，将切好的秸秆分别按表2的用量放入9块小区中。放的过程中要1层土上盖1层秸秆，保证秸秆在土壤内分布均匀，直至规定的厚度。

表 2 L9（34）正交设计

1.4.4 浇定额的水 浇水过程中使水缓慢进入土坑中，以免倒进水后把坑里的土壤冲得凹凸不平。浇水时在小区边沿做埂，防止水土流失，让水在小区内等深度垂直入渗。

1.4.5 测量并记录数据 用塑杆实测法测裂缝的深度，即用1根不易折断、带标尺的弹性塑料质细杆（直径1 mm左右），插入每条裂缝中直至其触及到坚硬接触面为止，此时测定的塑杆长度即可认为是该条裂缝的发育深度近似值，宽度和长度分别用游标卡尺和卷尺测量。

2 结果与分析

2.1 土壤裂缝对土壤水分蒸发的影响

在试验区内设置11号和14号2个试验小区，分别灌相同的水。到出现裂缝后，14号小区的裂缝用干土填塞，11号不处理。5 d后逐日测量2个小区0～6 cm的土壤含水量。从图1可以看出，11号小区土壤水分曲线没有14号小区的平滑，分析其原因可能是因为11号小区有土壤裂缝存在，因其裂缝的存在，从5月28日开始，2个小区土壤水分开始出现差异，到6月10日下了场雨后，2个小区的土壤水分含量又相近了。由于6月19日下的雨不是很大，2个小区的土壤水分差距并没有消除。6月22日后由于土壤裂缝的堵塞和裂缝内表干土层的形成，土壤裂缝对土壤水分蒸发的影响在减弱，土壤在0～6 cm内的水分含量趋于一致。

从以上分析可以看出，土壤裂缝的存在增加了土壤水分的蒸发面积，加剧了土壤水分的蒸发，因此，抑制田间地表土壤裂缝能显著减少土壤水分损失，从而提高水分的有效利用率。

2.2 试验结果的直观分析

水分完全渗透完的0.5 h后，土壤开始出现裂缝，裂缝在前期的发育非常迅速，前2 d就发育了最大裂缝值的90%以上，在第5 d趋于稳定，测量此时土壤裂缝的平均宽度、长度及深度。体积的计算则视裂缝为一定深度的楔形体，通过计算该楔形体体积，获得裂缝体积的近似值。

用极差分析确定各因素的重要程度。从表3可以看出，B因素的极差最大，表明B因素对裂缝体积的影响程度最大；A因素的极差最小，说明A因素对裂缝的开裂影响最小；C因素的极差大于D因素，说明C因素对裂缝开裂的影响比D因素大。

进一步分析A，B，C，D这4个因素对裂缝的开裂体积影响的趋势得出，当秸秆的长度在10 cm时，土壤开裂体积最小。随着翻埋深度的增加，土壤裂缝体积在快速减小，直到翻埋深度为15 cm时，土壤裂缝体积达到最小。随着单位面积秸秆用量的增加，土壤开裂体积在减小，直到单位面积用量为0.8 kg/m2时，土壤开裂体积达到最小值。灌水量在30 L/m2时，土壤开裂体积最小，随着灌水量的增加，土壤开裂体积在增加，直到灌水量为50 L/m2时达到最大，之后又随着灌水量的增加，土壤开裂体积减小。从理论上可得出处理的最优组合为A2B3C3D1，即秸秆长度10 cm，翻埋深度15 cm，单位面积秸秆用量0.8 kg/m2，灌水量30 L/m2。而实际上3号小区的试验结果最好，其产生的裂缝最少，处理组合为A1B3C3D3。

表3 试验结果直观分析

3 结论与讨论

试验结果表明，土壤裂缝的存在对土壤水分蒸发有比较大的影响，其能在一定程度上加剧土壤水分的蒸发。

本试验为等水平的正交试验，极差R值的大小表示该因素水平变化对裂缝的影响大小，R值越大，因素对试验指标影响也越大，因素也就越重要；反之，R值越小，因素对试验指标影响也越小，因素也就不重要。从试验结果来看，B因素（翻埋深度）是影响裂缝的主要因素，其次是C因素（单位面积秸秆用量），再次是D因素（灌水量）和A因素（秸秆长度），4个因素对土壤裂缝的影响顺序为：翻埋深度＞单位面积秸秆用量＞灌水量＞秸秆长度[9]。

本试验结果表明，翻埋深度以15 cm（B3）为最好，单位面积秸秆用量以0.8 kg/m2（C3）为最好，灌水量取30 L/m2（D1）为最好，秸秆长度以10 cm（A2）为最好，将4个因素的最优水平结合起来，就是筛选出的最优处理组合A2B3C3D1。而实际上3号小区试验结果最好，产生的裂缝最少，其处理的组合为A1B3C3D3。这是因为正交试验是部分实施的试验设计，分析选出的最优处理组合常常不一定与实际试验结果最好的处理组合相符合[10]。

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