秸秆移除对西南山丘区紫色土抗侵蚀能力的影响

任 涛，贺宇欣，张 鹏，刘 超，李乃稳，谭 霄

（1.四川大学 水利水电学院，成都 610065； 2.四川大学 水力学与山区河流开发保护国家重点实验室，成都 610065）

0 引 言

【研究意义】西南山丘区由于其独特的山地丘陵地形，加之耕地类型主要为紫色土（Purple Soil）耕地，使该地区已成为我国水土流失最为严重的地域之一，耕层集中表现为土壤侵蚀退化严重，农作物产量低且不稳定[1-2]。紫色土是由紫色泥（页）岩风化形成，由于成土母质本身具有土层薄、团聚体结构差、易崩解、抗蚀性弱等特点[3-4]，是西南山丘区主要的土壤资源之一，紫色土耕地面积约占四川省耕地总面积的68%[5]。作物秸秆作为农业生产中重要的副产品，既可作为植物营养元素的来源，又可因管理不当而造成环境污染，甚至导致土壤退化。随着秸秆禁烧政策的实施，大量秸秆无人管理，被农民随意堆弃在田埂或沟渠边，秸秆腐熟过程中释放的营养元素无法被作物吸收利用，从而导致农业面源污染。为保证农业可持续发展，防止因秸秆不当管理而造成土壤侵蚀退化，需研究适宜西南山丘区的秸秆管理措施，明确在实际生产大田条件下的秸秆最大可移除量。

秸秆一度被人们认为是农业生产中的废弃物，而随着土壤可持续发展概念的提出，秸秆作为土壤表面的直接保护层，能隔绝外界条件对地表的干扰，对土壤抗侵蚀能力有显著影响。土壤侵蚀主要分为风蚀和水蚀，西南山丘区由于降雨分布不规律，大部分降雨集中在5―9 月，易形成强降雨，使该地区坡面耕地遭受严重的水土流失，侵蚀类型主要为水蚀。【研究进展】土壤抗侵蚀能力中，团聚体稳定性是一项重要指标。Blanco-Canqui 等[6]发现，秸秆从免耕玉米连续种植系统中移除后，1 a 内，50%秸秆移除率下的土壤团聚体稳定性下降了50%～80%，而在100%秸秆移除率时下降了100%～300%。但也有研究表明，秸秆覆盖与团聚体稳定性之间没有确切关系。Karlen等[7]在进行连续10 a 的秸秆完全移除后，发现土壤湿团聚体稳定性并不会下降。团聚体平均几何直径作为评判土壤侵蚀性的重要参数，在国内外有广泛的研究。李涵等[8]发现，在进行9 000 kg/hm²的秸秆覆盖后，团聚体几何平均直径明显高于无秸秆覆盖的对照组。Blanco-Canqui 等[6]也发现，秸秆覆盖能使团聚体稳定度升高，几何平均直径也随之上升。土壤发生水蚀主要是由于地表径流的出现，而土壤入渗能力关系着土壤能否及时地吸纳降雨。吴婕等[9]发现，缺乏秸秆覆盖容易使土壤表面出现结皮，降低土壤的水、气、热通量，增大土壤侵蚀性。Singh 等[10]也发现，经过9 a大麦秸秆100%移除处理后，翻耕土壤的饱和导水率大约减少了5 倍。但Black 等[11]发现，在免耕20 a的粉砂壤土上试验后，0%和100%的大麦秸秆移除率下土壤饱和导水率之间并没有统计学差异。土壤水力特性中，孔隙度和含水率在很大程度上取决于表面秸秆覆盖的影响。Shaver 等[12]发现，有秸秆覆盖的土壤在春夏之交通常比无秸秆覆盖的土壤要更加湿润，李玮等[13]也发现，秸秆覆盖可提高土壤含水率和表层贮水量。

根据国内外学者的研究，有秸秆覆盖的土壤能显著降低土壤被外力侵蚀的可能性，同时在一定程度能缓解农业面源污染，但由于土壤的异质性，且土壤侵蚀同时还受到气候条件、种植结构、管理模式等的影响，因此难以形成统一的秸秆覆盖标准。【切入点】目前国内外对我国西南山丘区紫色土耕地土壤抗侵蚀能力的研究较少，且以往大部分研究都是基于室内试验田进行小范围模拟，并没有在实际生产大田中进行实验，缺少这方面的数据。【拟解决的关键问题】因此，需明确西南山丘区耕地中作物秸秆移除的方式，探究不同秸秆移除率对紫色土抗侵蚀能力的影响。本文通过对5 个表征土壤抗侵蚀能力指标的测量，确定了一个最佳移除比例，为提高西南山丘区紫色土抗侵蚀能力及促进该地区土壤可持续发展提供了依据，为指导西南山丘区进行田间秸秆的移除提供了参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验田位于四川省简阳市新堰村（30°29′11″N，104°38′42″E），海拔430 m，面积0.133 hm2，为农民自耕自种田块，始耕作于1979 年，至今已有40 a 历史。简阳市位于四川盆地西部，属亚热带季风气候，雨量充沛，夏季高温多雨，冬季几乎无降雪。2018年简阳市月平均降雨量与月平均气温如图1 所示（数据来源于中国气象数据网，其中4 月的降雨量数据缺失）。由图1 可知，降雨主要集中于5―9 月，其中6月与7 月的降雨量最大，分别达到257.9 mm 和286.5 mm，10―12 月的降雨量较小，分别为60.3、12.7、22.6 mm。2018 年简阳市月平均气温呈先上升后下降的趋势，1 月到8 月的月平均气温从6.3 ℃逐渐上升至28 ℃，8 月到12 月的月平均气温从28 ℃逐渐下降至7.5 ℃。试验田作物的种植制度为夏玉米-冬油菜（番薯套种）的轮作制度，耕作方式为中耕。夏玉米品种为华玉5 号（陕西华盛种业科技有限公司生产），冬油菜品种为油司令（神农公司生产）。据统计，夏玉米种植期间尿素施肥1 次，施肥量为450 kg/hm2，磷肥（主要成分为过磷酸钙，其中有效磷P2O5占比高于12%）施肥2 次，施肥量为750 kg/hm²，第1 次在玉米幼苗期（225 kg/hm2），第2 次在玉米拔节抽穗期（525 kg/hm2）；冬油菜种植期间尿素和磷肥都只施1 次，均在油菜幼苗移栽后的第1 周进行施肥，其中尿素施肥量为375 kg/hm2，磷肥施肥量为750 kg/hm2。试验田土壤质地为黏土，表层0～5 cm 处质量含水率为17.5%，干体积质量为1.05 g/cm³，5～10 cm 处质量含水率为19.6%，干体积质量为1.23 g/cm3。

图1 2018 年简阳市月平均降雨量（mm）与月平均气温（℃） Fig 1 Average monthly rainfall (mm) and average monthly temperature (℃) in Jianyang city in 2018

1.2 试验设计

试验共设置5 个不同梯度的秸秆移除率，依次为100%、75%、50%、25%、0%，并设置4 个重复组，共20 个处理块，每个处理块均是面积为25 m2的正方形，为分组完全随机分布。2018 年4 月29 日进行基础土样的采集，测得田间土壤基础数据（质量含水率、干体积质量等）；2018 年5 月15 日在冬油菜成熟后进行油菜秸秆移除（处理方式是将未移除的秸秆条状覆盖在处理块的土壤表面，秸秆大致完整且未被切碎，后同），油菜秸秆移除株数随移除率的减小依次为56、42、28、14、0 株；2018 年8 月5 日在夏玉米生长期间采集第1 次土壤样本；2018 年8 月27 日在夏玉米成熟后进行玉米秸秆的移除，玉米秸秆移除株数随移除率的减小依次分别为120、90、60、30、0 株；2018年12 月21 日在冬油菜生长期间采集第2 次土壤样本；2019 年1 月21 日在冬油菜生长期间进行土壤饱和导水率的测量，并采集第3 次土壤样本；2019 年4 月23日在冬油菜成熟前采集第4 次土壤样本。

1.3 测量指标及方法

1.3.1 质量含水率θm

用环刀采集田间0～10 cm无扰动表层土壤样本，将环刀放入恒温干燥箱内进行烘干，烘干时间为48 h，温度105 ℃，称量烘干前与烘干后环刀内土壤样本的质量，计算出θm。

式中：M0为烘干前环刀内土壤样本的质量（g）；M1为烘干后环刀内土壤样本的质量（g）。

1.3.2 干体积质量ρb

测量方法与测质量含水率时一致，为环刀法。

式中：M1为烘干后环刀内土壤样本的质量（g）；V为环刀的内部体积（cm3）。

1.3.3 水稳定性团聚体WR0.25

对采集的土样进行湿筛处理，称取50 g 自然风干土样放置于团粒分析仪的套筛顶部（套筛孔径从上而下依次为5、2、1、0.5、0.25 mm），沿筒壁缓慢加水至刚好没过土样，先浸泡10 min，后竖直震荡10 min，振幅4 cm，收集各级筛层上的团聚体，在65 ℃下烘干48 h 至恒质量，称量各级团聚体质量。

式中：Mr＞0.25为粒径大于0.25 mm的团聚体质量（g）；MT为团聚体总质量（g）。

1.3.4 湿团聚体几何平均直径WGMD

式中：xi为第i 个筛层上团聚体的平均直径（cm）；wi为第i 个筛层上的团聚体占总团聚体的质量百分比。

1.3.5 饱和导水率kf

本次试验仪器采用的是 Hood Infiltrometer IL-2700[14]，其主要工作原理是通过马氏瓶原理来改变施加在圆形入渗区域上的负压，测出不同压力下的稳定入渗速率进而推算出kf。由于单次测量需要时间过长的缘故，选取了100%、50%、0%这3 个具有典型意义的移除率进行测量。

式中：ku为渗透系数（mm/min）；h 为水压头（h）；α为Gardner 系数；Q 为稳态流流量（mm3/min）；a 为入渗罩半径（mm）。

1.4 数据统计与分析

运用Excel 2010 进行数据的计算与拟合，SAS 9.4中的PROC MIXED 过程进行单因素方差分析，UGT IL2700 GUI 进行土壤饱和导水率的计算，ORIGIN 8进行图表的绘制。

2 结果与分析

2.1 不同秸秆移除率对质量含水率的影响

不同秸秆移除率表层0～10 cm 土壤质量含水率（θm）与干体积质量（ρb）如表1 所示。由表1 可知，在2 次取样时，0～5 cm 土层土壤的θm值在不同移除率下均存在显著性差异（P＜0.05）。其中第1 次取样时，各移除率下θm值大小顺序为：0%＞25%＞75%＞50%＞100%；而第2 次取样时，仅100%移除率与其余移除率间存在显著性差异（P＜0.05），θm值大小顺序为：25%＞75%＞0%＞50%＞100%。对比这2 次取样可以发现，100%移除率下的θm值在5 组移除率中最小。

由表1 可知，5～10 cm 土层土壤的θm值在2 次取样下呈现出相同的规律。第1 次取样时，25%移除率与其余移除率间差异性显著（P＜0.05），其θm值达到28.7%；而第2 次取样时，5 组移除率间均无显著性差异（P＜0.05），但θm值大小顺序与第1 次取样时一致，均为：25%＞100%＞75%＞0%＞50%。

2.2 不同秸秆移除率对干体积质量的影响

表1 为不同秸秆移除率下土壤的质量含水率与干体积质量。由表1 可知，第1 次取样时，0～5 cm土层内土壤的ρb值在100%与25%移除率下与其余移除率间有显著性差异（P＜0.05），ρb值的大小顺序为：100%＜25%＜0%＜75%＜50%；而第2 次取样时，仅100%移除率与其余移除率间有显著性差异（P＜0.05），ρb值的大小顺序为：100%＜0%＜75%＜25%＜50%。对比这2 次取样发现，50%移除率下的ρb值在5 组移除率中最大，而100%移除率最小。从时间尺度上来看，第2 次取样时各移除率下的ρb值普遍比第1 次取样时要小，降幅随移除率的减小依次为5.5%、4.6%、2.1%、-5.2%、0.4%，可以看出，ρb值降幅有随移除率的减小而减小的趋势。

由表1 可知，第1 次取样时，5～10 cm 土层内土壤的ρb值在各移除率间均存在显著性差异（P＜0.05），ρb值的大小顺序为：25%＜100%＜75%＜0%＜50%；而第2 次取样时，各移除率间均无显著性差异（P＜0.05），ρb值的大小顺序为：25%＜0%＜75%＜100%＜50%。对比这2 次取样可以发现，第2 次取样时各移除率下的ρb值均比第1 次要小，降幅随移除率的减小依次为2.4%、5.0%、4.2%、0.8%、5.4%。此外，25%移除率下的ρb值在2 次取样时均是5 组移除率中最小的，而50%移除率均最大。

表1 不同秸秆移除率下土壤的质量含水率与干体积质量 Table 1 Soil mass moisture contentand dry volume mass under different straw removal rates

2.3 不同秸秆移除率对WR0.25 值的影响

不同秸秆移除率下土壤水稳定性团聚体质量分数（WR0.25）结果如图2 所示（图中同一取样时间下的不同小写字母表示处理间差异显著（P＜0.05），且显著性差异仅在同一采样时间内进行比较，不进行跨时间比较）。由图2 可知，第1 次取样时，100%和25%移除率与其余3组移除率间存在显著性差异（P＜0.05），WR0.25值的大小顺序为：100%＞25%＞50%＞75%＞0%；第2 次取样时，50%和0%移除率与其余3 组移除率间存在显著性差异（P＜0.05），WR0.25值的大小顺序为：25%＞100%＞75%＞50%＞0%；第3 次取样时，100%移除率与其余4 组移除率间存在显著性差异（P＜0.05），WR0.25值的大小顺序为：25%＞0%＞75%＞50%＞0%；第4 次取样时，0%移除率与其余4 组移除率间存在显著性差异（P＜0.05），WR0.25值的大小顺序为：25%＞50%＞75%＞100%＞0%。对比4 次取样可以发现，100%移除率下的WR0.25值在5 组移除率中有逐渐变小的趋势，而25%移除率下的WR0.25值除在第1 次取样时比100%移除率略小外，在后面3 次取样时均是5 组移除率中最大的，其WR0.25值随取样时间依次为76.5%、81.2%、74.6%、76.8%。100%移除率下的WR0.25值呈现出随着时间先减小后增大的趋势，后3 次与前1 次取样时的WR0.25值相比降幅依次为2.5%、18.7%、-18.3%；而75%、50%、25%移除率下的WR0.25值随时间的变化规律大致相同，都是先增大后减小然后继续增大，在第3 次取样时均有较明显的降幅，而在第4 次取样时出现回涨；与其余4 组移除率相比，0%移除率下的WR0.25值在4 次取样时变化幅度不大，均在66%～71%之间。

图2 WR0.25 值随秸秆移除时间的变化Fig.2 The value of WR0.25 varies with straw removal time

2.4 不同秸秆移除率对WGMD 值的影响

不同秸秆移除率下的土壤湿团聚体几何平均直径（WGMD）结果如图3 所示（图中同一取样时间下的不同小写字母表示处理间差异显著（P＜0.05），且显著性差异仅在同一采样时间内进行比较，不进行跨时间比较）。

图3 WGMD 值随秸秆移除时间的变化 Fig.3 The value of WGMD varies with the removal time

由图3 可知，第1 次取样时，100%移除率与其余4 组移除率间存在显著性差异（P＜0.05），WGMD值的大小顺序为：100%＞50%＞25%＞0%＞75%；第2 次取样时，75%和25%移除率与其余3 组移除率间存在显著性差异（P＜0.05），WGMD 值的大小顺序为：25%＞75%＞50%＞100%＞0%；第3 次取样时，各组移除率间均无显著性差异（P＜0.05），WGMD 值的大小顺序为：25%＞0%＞50%＞100%＞75%；第4 次取样时，75%和50%移除率与其余3 组移除率间存在显著性差异（P＜0.05），WGMD 值的大小顺序为：50%＞75%＞25%＞100%＞0%。对比4 次取样可以发现，100%移除率下的WGMD 值除在第1 次取样时较大外，在后面3 次取样时均是5 组处理中较小的，而75%、50%、25%这3 个移除率下的WGMD 值在后面3 次取样时均较大。从处理来看，100%移除率下的WGMD值呈现出随时间先减小后增大的趋势，降幅随取样时间依次为31.2%、14.7%、-42.0%，在第4 次取样时出现回涨，但仍比第1 次取样时小了16.6%；75%、50%、25%移除率下的WGMD 值随时间的变化规律一致，都是先增大后减小然后继续增大，与第1 次取样相比，第4 次取样时的WGMD 值均有较明显的增长，涨幅依次为58.1%、42.7%、21.8%；0%移除率下的WGMD 值随时间变化较为平缓，4 次取样时均在0.86～1.04 mm 之间。

2.5 不同秸秆移除率对kf 值的影响

不同秸秆移除率下土壤渗透系数kf结果如图4所示（不同小写字母表示处理间差异显著（P＜0.05））。由图4 可知，kf在3 种移除率间存在显著性差异（P＜0.05），有随移除率减小而增大的趋势。100%移除率下的kf值为22.5 mm/min，50%移除率下的kf值为21.3 mm/min，0%移除率下的kf值为61.1 mm/min，0%移除率下的kf值分别比100%、50%移除率大了171.6%、186.9%。

图4 不同秸秆移除率下的kf 值Fig. 4 The value of kf at different straw removal rates

3 讨 论

本试验发现，移除率100%时，表层0～5 cm 的质量含水率在所有处理中最小，与其余移除率有较大差异，而在5～10 cm 这个较深土层，移除率100%下的含水率与其余处理无显著区别。有研究表明[15-17]，在深层次土层，秸秆覆盖下的土壤含水率与秸秆不覆盖基本相同，甚至还要低，这可能与秸秆覆盖下的植株生长旺盛，消耗土壤含水率较多有关。此外，本试验还发现，第2 次取样时表层土壤的含水率普遍比第1 次取样时大，这可能与8 月和9 月的强降雨有关，这2 月的降雨量均达到125 mm 以上。强降雨使土壤表层湿润饱和，若土壤结构不良，无法及时地吸纳降雨，大量水分将滞留在地表而产生地表径流，甚至使土壤表面处于闭气状态，当土壤中氧气耗尽后会产生厌氧环境，产生大量还原性物质，有机质无法正常进行分解，植物生长发育将受到抑制。

本试验发现，不同移除率下表层土壤的干体积质量随时间逐渐减小，这与吴婕等[9]的结论一致，他们发现秸秆覆盖能使土壤体积质量降低1.86%～3.73%。土壤表层无秸秆覆盖时，雨滴击打、农机碾压、人畜踩踏等外界因素会使土壤更易受到干扰，出现小颗粒土粒的移动和重新排列，甚至会堵塞壤中孔隙，土壤水热通量降低，植物无法正常吸收水分和营养，造成土壤生产力下降。此外，本试验还发现，在表层0～10 cm 处，50%移除率下的干体积质量在5 组处理中最大，而100%移除率在5 组处理中反而较小，这种现象的出现可能与田间耕作方式（中耕）有关。

本试验发现，各组处理的水稳定性团聚体数量呈现出先增大后减小然后继续增大的趋势，在第3 次取样时出现下降，这可能与取样时间有关，因第3 次取样时间在冬季，由于冰冻―融化过程的反复，团聚体孔隙中水分热胀冷缩导致团聚体出现崩解，水稳定性下降，而气候回暖后冻融作用消失，土壤团聚作用增强，不同处理下水稳性团聚体的数量均出现一定的增长。这与杨居聪等[18]的研究一致，他们发现冬季时冻融作用会使土壤大团聚体遭到破坏。此外，本试验还发现，25%移除率的水稳定性团聚体数量在5 组处理中最大，而移除率100%时，因土壤表面裸露，直接受到外界因素的干扰，水稳定性团聚体数量在5 组处理中的排序逐渐下滑，最后一次取样时在所有处理中最小。土壤团聚体稳定性下降现象在地表土壤裸露的第一年就往往显现出来，秸秆覆盖能隔绝侵蚀力对土壤表面的扰动，使冰冻-融化和湿润-干燥过程变得柔和，与本试验结论一致。

团聚体几何平均直径是评判土壤抗侵蚀能力的重要参数，一般来说，其值越大代表土壤抗侵蚀能力越强。本试验发现，当移除率为25%、50%、75%时，表层土壤团聚体几何平均直径有较大增幅，这可能与秸秆腐解过程中高分子化合物参与腐殖化作用有关[19]，土壤中腐殖质数量增多，团聚体间的胶结作用增强。而移除率100%时团聚体的几何平均直径在5 组处理中最小，秸秆腐熟后释放的有机质及营养元素无法被植物吸收利用，异养型微生物和土壤动物的代谢活动减弱，导致土壤结构变差，更易受到侵蚀。

由于土壤异质性，秸秆覆盖对土壤导水率的影响会随着土壤性质的空间变化而不稳定，即使在同一处理下，田块中不同区域的土壤渗透性也会有较大差异。本试验发现，移除率0%时饱和导水率与其余处理间有显著性差异，这可能与秸秆覆盖后土壤表面结皮现象减少有关。Blanco-Canqui 等[20]发现，土壤导水率在表面秸秆移除后会迅速下降，与本试验结论一致,但也有研究表明[7]，不同秸秆移除率对农田土壤导水率变化的影响在统计学上没有差异，这可能与土壤质地、种植制度、管理措施等因素有关。

4 结 论

秸秆覆盖在土壤表面能提高土壤含水率，降低土壤体积质量，提高水稳性团聚体质量分数及其几何平均直径，同时能显著增大土壤入渗速率，土壤结构得到改善，抗侵蚀能力明显提高，其中以25%秸秆移除率效果最为显著。