坡耕地秸秆还田量对水土流失影响的试验研究

张玲玲

(建平县水土保持局，辽宁 朝阳 122400)

我国辽西丘陵地区的耕地大多为坡耕地，受土壤特征和气候因素影响，当地耕地的水土流失情况十分严重，亟待通过工程和生物措施进行治理[1]。显然，坡面水流是产生土壤泥沙输送的根本动力，而研究坡面水流特征，量化水动力学参数，是防治坡耕地水土流失的基础和先决条件[2]。另一方面，我国是世界农业大国，每年会产生6.2亿t农作物秸秆，居世界首位，其综合化和生态化利用就成为当前农业生产中亟待解决的问题。相关研究显示，将农作物的秸秆作为土壤改良剂进行还田，可以有效提高土壤的抗侵蚀性，是一种行之有效的水土保持措施[3]。从当前的研究现状来看，关于秸秆还田对农作物产量以及土壤结构影响的研究已经比较全面，但是对坡耕地的水动力特征和侵蚀特征方面的研究不多。基于此，本次研究以辽宁省建平县的坡耕玉米田为例，利用试验研究的方式探索不同的玉米秸秆还田量对水土流失的影响，力求为秸秆还田方式设计提供必要的理论支持。

1 材料和方法

1.1 试验装置

试验用土槽为5.0 m×1.0 m×0.6 m的钢制土槽，土槽的底部设置有液压设备，可以调节土槽的坡度，范围是0°～40°，试验用模拟降雨系统采用的是中国科学院水利部水土保持研究所研制的侧喷式降雨系统，降雨高度为16.0 m，可以模拟自然降雨条件下雨滴达到的终点落速。同时该系统还可以对降雨的强度进行控制和设定，变化范围为2～250 mm/h，降雨的均匀度在80%以上，最大持续降雨时间为12 h，有效降雨面积可以覆盖试验土槽。

1.2 试验材料

试验用土取自辽宁省建平县境内的典型坡耕地，土壤的质地为沙壤土，其组成成分如表1所示。在装填之前，首先将土壤风干，并经过直径为10 mm的筛孔，除去植物的根系和石块等杂质[4]。由于辽西地区的秸秆还田在秋收之后进行，其对水土流失的影响主要表现在第二年的汛期，因此研究中需要模拟第二年农作物的植被情况[5]。按照相似性原理和相关研究经验数据，试验中选择海桐球和麦冬进行混植，在栽植过程中先种植灌木海桐球，然后进行麦冬的种植。试验用秸秆为玉米联合收割机收割、打碎之后的玉米秸秆，将秸秆用水润湿并在30 ℃ 室温下堆积120 h，以模拟自然条件下的腐化程度。

1.3 试验准备

本次模拟实验在室内环境下进行。首先在土槽的底部铺上厚度为5 cm的试验土壤。按照试验设定的比例将秸秆和试验用土混合，然后利用定制的装填工具模拟翻耕状态，装填的深度为20 cm，不固定容重。在装填好土壤之后，浇水并保持湿润状态静置24 h，然后栽植上相应的植物，待植物完全成活并适应环境后开始试验。

表1 试验土壤构成

1.4 试验方案

为了研究不同的秸秆还田量对不同坡度坡耕地水土流失的影响，研究中设计了10°、20°和30°三种不同的坡耕地坡度。对于秸秆还田量，结合当地农业生产的实际情况设计了0 t/hm2、2 t/hm2、4 t/hm2、6 t/hm2和8 t/hm2等5种不同的秸秆还田量水平，结合本次试验土槽的大小，经过换算后的还田量分别为0 kg、2 kg、4 kg、6 kg 和8 kg。按照上述设计分别进行试验研究，根据试验数据的整理和分析，获取秸秆还田量对坡耕地水土流失的具体影响规律。鉴于辽西地区的水土流失主要由当地夏季的短时强降雨造成，因此研究中设计降雨雨强为50 mm/h，降雨历时为30 min[6-7]。

2 试验结果与分析

2.1 初始产流试验结果与分析

降雨产流是降雨强度大于入渗强度情况下，多余的水分由于不能及时入渗而在土壤表面产生地表径流的现象，是衡量坡耕地水土流失的重要指标之一[8]。在形成比较稳定的坡面径流之后，如果其侵蚀力大于土壤的抗蚀力，就会造成坡面侵蚀和水土流失。因此，研究中对不同试验坡面条件下的初始产流时间进行整理，结果如表2所示。由试验结果可知，在秸秆还田量不变的情况下，随着耕地坡度的增加，初始产流时间呈现出减小的态势，但是减小的幅度较为有限。由此可见，坡耕地的坡度对初始产流时间的影响较小。在坡度不变的情况下，初始产流时间会随着秸秆还田量的增加而明显增加，且在2～6 kg之间增加最为迅速。这说明秸秆还田可以增加初始产流时间，有利于水土保持，选择合适的秸秆还田量可以获取最佳效果。

表2 初始产流时间试验结果

2.2 产流流速试验结果与分析

对不同试验方案下的产流流速试验数据进行整理，结果如表3所示。由试验结果数据可知，在秸秆还田量不变的情况下，随着耕地坡度的增加，产流流速呈现出明显增加的态势，说明坡度对产流流速存在比较显著的影响，这一试验结果也和水力学原理一致。由此可见，坡度是影响坡耕地水土流失的重要影响因素。在坡度不变的情况下，产流流速会随着秸秆还田量的增加而明显减小，且在2～6 kg之间减小最为明显。由此可见，实施秸秆还田可以有效降低坡耕地在降雨条件下的产流流速，有利于坡耕地的水土保持。此外，从表中数据还可看出，当坡耕地的坡度较小时，秸秆还田量对产流流速影响较大，而坡度较大时这一影响会变小，这也从侧面说明坡度是坡耕地产流流速的重要影响因素。

表3 产流量试验结果

2.3 侵蚀量试验结果与分析

对不同试验方案下的总侵蚀量试验数据进行整理，获得如图1所示的结果。由试验结果可知，在秸秆还田量不变的情况下，随着耕地坡度的增加，土壤侵蚀量呈现出明显增加的态势，说明坡度对土壤侵蚀量存在比较显著的影响。由此可见，坡度是影响坡耕地水土流失的重要影响因素。在坡度不变的情况下，土壤侵蚀量会随着秸秆还田量的增加而明显减小，且在2～6 kg之间减小最为迅速。例如，坡度在10°的条件下，秸秆还田量为6 kg，也就是6t/hm2时的侵蚀量为523 g，与没有秸秆还田条件下1223 g的侵蚀量相比，降低了约57%。由此可见，实施秸秆还田可以有效降低坡耕地在降雨条件下的土壤侵蚀作用，有利于坡耕地的水土保持。

图1 土壤侵蚀量试验结果

3 结 论

(1)初始产流时间会随着秸秆还田量的增加而明显增加，且在2～6 kg之间增加最为迅速。说明秸秆还田可以增加初始产流时间，有利于水土保持。

(2)产流流速会随着秸秆还田量的增加而明显减小，且在2～6 kg之间减小最为明显，说明实施秸秆还田可以有效降低坡耕地在降雨条件下的产流流速，有利于坡耕地的水土保持。

(3)土壤侵蚀量会随着秸秆还田量的增加而明显减小，且在2～6 kg之间减小最为迅速，说明实施秸秆还田可以有效降低坡耕地在降雨条件下的土壤侵蚀作用，有利于坡耕地的水土保持。