秸秆不同还田方式对土壤蒸发特性影响

柏会子，王 洋，石 海，陈笑莹

(1. 中国科学院东北地理与农业生态研究所，吉林长春 130102;2. 中国科学院大学，北京 100049)

秸秆还田是秸秆的一种有效利用方式，既可以减轻因野外焚烧引起的资源浪费、环境污染，又能改善土壤结构，降低土壤密度、增加孔隙度，促进土壤有机质积累和增强蓄水保墒能力［1］。常见的秸秆还田方式有粉碎还田、覆盖还田、堆沤还田、焚烧还田、过腹还田等［2］。对于秸秆还田的研究，前人主要关注于秸秆还田的方式、时间和数量［3－5］，近年来的研究主要集中在对土壤理化性状、作物产量和酶活性等方面，并取得了一些进展。王珍等［6］研究表明粉碎并氨化处理过的秸秆施入土壤后，能改善土壤团聚体结构，降低土壤密度，增加土壤孔隙度。高飞等［7］认为，秸秆还田可提高土壤的水分利用率和蓄水能力，促进作物的光合作用，进而使作物增产。路文涛等［8］研究表明，在宁南半干旱区采用秸秆还田能有效提高土壤活性有机碳含量和土壤酶活性。

土壤蒸发消耗的水分不参与作物的生理过程，是土壤水分的无效消耗［9］。抑制土壤蒸发是提高农田水分利用效率的有效措施之一。有大量研究表明通过秸秆覆盖可有效抑制土壤蒸发［10－12］，但主要集中在秸秆覆盖量上［13－15］，而秸秆粉碎不同还田量和秸秆覆盖度对土壤蒸发特性的影响研究较少。为此，在田间裸地分别设置了粉碎秸秆不同添加量和秸秆不同覆盖度对土壤蒸发特性影响的模拟实验，为秸秆还田的推广应用及提高土壤水分利用效率提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试土壤采自中国科学院东北地理与农业生态研究所德惠农业试验示范基地0～20 cm 的耕层土壤，风干后过5 mm 筛备用。供试土壤基本性质见表1。供试秸秆为上季玉米秸秆，收获后晾干，室内储藏。试验前先将秸秆粉碎至粉末状，试验时粉末状秸秆过2 mm 筛备用。试验所使用的微型蒸发器为不锈钢材质，高15 cm，内径6 cm。为便于蒸发器取出称质量，配用不封底的PVC 材质外筒，高15 cm，内径7 cm。在模拟实验开始的前3 d，选择地势平坦，不易产生径流的地块，取出0～15 cm 的土，放入外筒。外筒间留有3 cm 间隙，并用挖出的土壤填实。

表1 土壤基本性状Tab.1 Soil properties of the studied soil

1.2 试验设计

试验于2012 年7 月，在德惠农业试验示范基地的一块裸地上进行。试验设计了添加粉碎秸秆和覆盖秸秆两种还田方式。添加粉碎秸秆模拟试验，根据单位面积生产的秸秆量(12 t·hm－2)，以全部还田为标准，设置30%秸秆量(Y1)、50%秸秆量(Y2)、70%秸秆量(Y3)、100%秸秆量(Y4)4 个处理。秸秆覆盖度模拟试验，根据覆盖秸秆垂直投影面积占蒸发器横截面积的百分比，设置30%秸秆覆盖(F1)、50%秸秆覆盖(F2)、70%秸秆覆盖(F3)、100%秸秆覆盖(F4)、200%秸秆覆盖(F5)5 个处理。以不添加粉碎秸秆也不覆盖秸秆的处理作为对照(CK)。每个处理3 次重复。

试验所使用的微型蒸发器均不封底，为防止蒸发器内土壤漏出，其底部用尼龙网封住。添加粉碎秸秆试验在供试土壤中分别添加相应数量粉末状秸秆，充分混匀后，装入微型蒸发器中，为保证各蒸发器内土壤密度尽量一致，装土过程中不断轻拍压实。秸秆覆盖试验将供试土壤直接装入微型蒸发器。然后将所有蒸发器放入盛水的水槽内，水面高度低于蒸发器2 cm，土壤水分充分饱和后取出，在表面覆盖防止蒸发的条件下静止放置3 d，去除重力水后。于2012 年6 月30 日将首次称质量后的微型蒸发器分别放入事先安好的外筒中。最后在秸秆覆盖试验各蒸发器上覆盖相应面积的秸秆。

1.3 测定项目与方法

利用精度为0.1 g 的电子天平在每天下午5 时取出微型蒸发器进行称质量(秸秆覆盖度试验去掉覆盖秸秆再称质量)，称质量后将微型蒸发器放回外筒中，连续测定30 d。微型蒸发器内土壤水分的变化是由土壤蒸发、降水量以及蒸发器底部与外界土壤水分交换的综合作用所决定。显著降雨过程中，蒸发器内土壤的水分变化主要是以蓄积降水和蒸发器底部水分渗漏为主，相邻两天称质量的差值为正，试验设定该正值为降水补充量。雨后蒸发器内土壤水分以蒸发为主，相邻两天称质量的差值为负，试验将该负值设定为土壤蒸发量。气温、风速、降水量等气象因素通过试验区内的小型气象站测定。试验结束后，分别取出微型蒸发器内的土壤，利用烘干法计算土壤水分含量(土壤含水量均为土壤质量含水量)。

1.4 数据处理与分析

试验中所有数据均为各重复测定的平均值，采用Excel、SPSS 17 等软件对数据进行处理，利用Duncan 新复极差法进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 添加粉碎秸秆对土壤蒸发特性的影响分析

2.1.1 添加粉碎秸秆各处理对土壤蒸发及降水补充的影响。添加粉碎秸秆处理CK、Y1、Y2、Y3、Y4 在测定期间的累积土壤蒸发量分别为59.8 mm、67.0 mm、66.3 mm、68.9 mm、68.7 mm，累积降水补充量顺序依次为55.4 mm、61.7 mm、62.1 mm、63.6 mm、64.6 mm，见图1。对照处理的累积土壤蒸发量明显小于添加粉碎秸秆的处理，这是因为粉碎秸秆能增加土壤孔隙含量，提高土壤蒸发能力。对照处理的累积降水补充量也明显小于添加粉碎秸秆的处理，这也是因为添加粉碎秸秆处理土壤孔隙量大，提供了较多的储水空间。添加粉碎秸秆处理间在累积土壤蒸发量上和累积降水量上差异均不显著，见表2。

图1 添加粉碎秸秆各处理的土壤蒸发、降水补充量的逐日变化及累积变化Fig.1 Daily and accumulative changes of soil evaporation and precipitation supplement under different addition of comminuted straw

表2 添加粉碎秸秆各处理对土壤水分的影响Tab.2 Effects of different addition of comminuted straw on soil water

由图2 可以看出，在测定期间有5 次明显的降雨，每次显著降雨过程中，各处理会得到降水的补充，雨后各处理的土壤蒸发明显增加，然后随着时间推移而减少。在第一次连续4 d 的降雨过程中，第一天和第四天的降雨量较小，土壤水分以蒸发为主，中间两天降雨量较大，土壤水分以补充为主，添加粉碎秸秆处理的平均降水补充量在这两天分别为4.8 mm、6.9 mm，比对照高0.1 mm、2.7 mm。从降雨的第四天开始到下一次降水，添加粉碎秸秆处理的平均土壤蒸发量逐日变化为6.5 mm、5.8 mm、3.3 mm、2.9 mm、2.1 mm、1.7 mm、0.9 mm，比对照的土壤蒸发量分别高0.3 mm、0.6 mm、0.4 mm、0.3 mm、0.4 mm、0.2 mm、0.1 mm。

图2 试验测定期间的日降雨量Fig.2 Daily rainfall during the experiment

2.1.2 添加粉碎秸秆各处理对土壤水分含量的影响。测定期间Y4 的逐日土壤含水量均高于对照，见图3。特别是在发生降水过程中土壤含水量明显高于对照，在第一次降水过程的10 d 中，前3 d Y4 的土壤含水量分别比对照高1.1%、1.5%、4.2%，到第三天达到最大。从第四天开始土壤水分以蒸发主，土壤含水量逐渐下降。Y4 与对照土壤含水量相差分别为2.8%、1.7%、1.1%、0.6%、0.3%、0、－0.1%、－0.1%，到第10 d 达到最小。进一步分析添加粉碎秸秆各处理的土壤蒸发量和土壤含水量的相关性，表明在0.01 水平上，土壤蒸发量与土壤含水量呈极显著正相关，相关系数达到0.95。Y1、Y2、Y3 的逐日土壤含水量在降水过程中与CK 相近，由于其土壤蒸发强于CK，雨后土壤含水量渐渐低于CK。其土壤含水量会其他降水过程各处理的土壤含水量变化规律与第一次降水相一致。

图3 添加粉碎秸秆各处理土壤水含量日变化Fig.3 Daily changes of soil water content under different additions of comminuted straw

2.1.3 添加粉碎秸秆各处理对土壤贮水量的影响。土壤贮水量是土壤蒸发量和土壤降水补充量经过阶段时间后均衡作用的结果，试验中各处理在测定结束后的土壤贮水量与初始土壤贮水量相比均有所减少，见表2，这表明试验阶段土壤蒸发作用强于降水补充。CK、Y1、Y2、Y3 、Y4 分别减少了7.5%、8.5%、7.6%、9.0%、7.0%，总体上添加粉碎秸秆土壤贮水量比对照减少幅度大，但添加100%粉碎秸秆土壤贮水量却比对照低0.5%。

2.2 秸秆覆盖度对土壤蒸发特性的影响分析

2.2.1 秸秆覆盖各处理对土壤蒸发及降水补充的影响。秸秆覆盖处理在测定期间的累积土壤蒸发量顺序依次为CK ＞F2 ＞F1 ＞F3 ＞F5 ＞F4，累积降水补充量顺序依次为CK ＞F2 ＞F1 ＞F5 ＞F3 ＞F4，见图4。覆盖秸秆处理的累积土壤蒸发量小于对照，这是因为覆盖秸秆有效减少了到达土表的太阳辐射和风速。覆盖秸秆处理的累积降水补充量也小于对照，这是因为覆盖处理的秸秆会截留一部分降水，雨后慢慢进入土壤中，但这时土壤中的水分已经以蒸发为主，无法测定这部分降水补充量。覆盖度较小的F1、F2 的土壤蒸发量及降水补充量与CK 无显著性差异，覆盖度较高的F3、F4、F5 的土壤蒸发量及降水补充量与CK 有显著性差异，见表3。

图4 秸秆覆盖各处理的土壤蒸发、降水补充量的逐日变化及累积变化Fig.4 Daily and accumulative Changes of soil evaporation and precipitation supplement under different straw coverage

在测定期间第二次连续3 d 的降雨过程中，第一天降雨量较小，土壤水分以蒸发为主，后两天降雨量较大，土壤水分以补充为主。雨后土壤水分开始以蒸发为主，且蒸发强度大于降水前的强度，但蒸发强度随着时间推移而减小。整个过程中F4、F5 的变化幅度明显小于其他处理，这是因为较高盖度的秸秆对降水有截留作用，雨后又可抑制土壤蒸发。其他降水过程各处理的土壤蒸发变化规律与第二次降水相一致。

2.2.2 秸秆覆盖各处理对土壤水分含量的影响。测定期间F4、F5 的平均土壤含水量高于对照，F1、F2、F3 与对照无显著差异，见表3。这是因为覆盖度较大的F4、F5 土壤蒸发显著小于对照，秸秆的截留作用又增加了降水的缓慢入渗，所以土壤含水量高于对照。覆盖度较小的F1、F2、F3 处理土壤蒸发和降水补充与对照相当，因此平均土壤含水量与对照差异不大。由图5 看出，在第二次连续3 d 的降水过程中各处理土壤含水量均不断增加，F1、F2 和F3 三处理土壤含水量的平均值的逐日变化为27.1%、28.6%、34.9%，F4 土壤含水量的逐日变化为29.8%、31.2%、36.5%，F5 土壤含水量的逐日变化为31.8%、32.5%、37.3%，对照土壤含水量的逐日变化为28.0%、31.0%、36.4%，F4 比对照土壤含水量分别高1.8%、0.2%、0.1%，F5 比对照土壤含水量分别高3.8%、1.5%、0.9%。在随后的9 d 中土壤水分以蒸发主，各处理土壤含水量均开始下降。但F4、F5 下降缓慢，而其他处理快速下降。到第9 天时F4、F5的土壤含水量分别比对照高1.5%、3.2%。其他降水过程各处理土壤含水量的变化规律与第二次降水相一致。

表3 秸秆覆盖各处理对土壤水分的影响Tab.3 Effects of different straw coverage on soil water

图5 秸秆覆盖各处理土壤水含量的日变化Fig.5 Daily changes of soil water content under different straw coverage

2.2.3 秸秆覆盖各处理对土壤贮水量的影响。秸秆覆盖各处理在测定结束后的土壤贮水量与初始土壤贮水量相比，除F4 增加了0.5%外，其他处理均有所减少，这表明试验阶段土壤蒸发作用强于降水补充。F1、F2、F3 与CK 在土壤贮水减少量上无显著差异，F4、F5 与CK 在土壤贮水减少量上存在显著性差异，见表3。说明秸秆覆盖土壤蓄水保墒能力强。

2.3 两种秸秆还田方式对土壤蒸发影响的对比

由表2、表3 看出，秸秆覆盖各处理在测定期间的累积土壤蒸发量及累积降水补充量均明显低于添加粉碎秸秆各处理，秸秆覆盖各处理测定期间土壤贮水量比对照有所提高，而添加粉碎秸秆各处理与对照均无明显差异。秸秆覆盖处理土壤蓄水保墒、抑制蒸发能力显著优于秸秆粉碎添加处理。

3 结论与讨论

试验表明，秸秆粉碎添加到土壤中能促进土壤蒸发，但添加粉碎秸秆处理间对土壤蒸发的影响无明显差异。添加粉碎秸秆各处理在测定结束后的土壤贮水量与初始土壤贮水量相比均有所减少，但与对照无显著差异。测定期间Y4 的平均土壤含水量高于对照0.8%，且与对照差异显著(P ＜0.05)。秸秆覆盖可有效的抑制土壤蒸发，高覆盖度的抑制效果显著。F4 累积土壤蒸发量最少，为40.8 mm，与其他处理差异显著(P ＜0.05)。测定期间F4、F5 的平均土壤含水量分别高于对照0.7%、3.5%。试验阶段土壤蒸发作用强于降水补充，各处理测定结束后的土壤贮水量与初始土壤贮水量相比均有所减少(F4 除外)，添加粉碎秸秆土壤贮水量比对照减少幅度大，秸秆覆盖处理土壤贮水能力高于对照。因此，100%秸秆覆盖抑制土壤蒸发效果最好，且可以显著提高土壤含水量，增加土壤贮水量。

综上所述，土壤中添加粉碎秸秆短时间内无法提高土壤的蓄水保墒能力，反会促进土壤蒸发。覆盖秸秆可以有效抑制土壤蒸发，提高土壤蓄水保墒能力，且高秸秆覆盖度抑制土壤蒸发效果显著。就保持土壤水分而言，秸秆覆盖还田更优于秸秆粉碎还田。模拟实验中所测定的土壤含水量明显高于邻近土壤含水量，这可能是因为微型蒸发器内土壤水分无法与周围土壤的水分进行交换，有待于进一步研究。添加粉碎秸秆处理的土壤蒸发显著大于对照，但处理间对土壤蒸发的影响无明显差异，这与杜璇研究结果不一致［16］，这可能与秸秆粉碎的程度不同有关，另外实验的粉碎秸秆也没进行氨化处理，有必要研究不同粉碎程度的秸秆还田对土壤蒸发的特性影响。

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