不同掺量的秸秆还田对土层地表径流的影响研究

邱凌燕，张庆丽

(费县许家崖水库管理中心，山东 临沂 273400)

0 引言

农作物秸秆中含有氮、磷、钾等元素，是一种多用途可再生的生物资源，秸秆还田是一种广泛采用的耕作方法，秸秆通过增加土壤酶活性和有机质含量来提高土壤肥力，从而提高作物的质量和产量，同时，秸秆掺入土壤还可以降低土壤容重、改善土壤孔隙度、增加土壤保水能力，提高土壤中水的利用效率[1]。史燕捷[2]等人进行小麦田间试验表明，秸秆还田情况下，磷肥减量20%时小麦有效穗数、每穗颗粒数以及千粒重量均有一定提高，增加了小麦产量。刘冬碧[3]等人发现，在水稻-小麦轮作系统中，10年20季作物连续秸秆还田，水稻和小麦的子粒年均增产幅度均达到7%以上，秸秆年均增产幅度最高可达15.44%。黄璐[4]认为2倍秸秆还田量是改善土壤物理性质的最佳值，对当地土壤有机碳含量提升效果最好。管方圆[5]研究了添加秸秆对土壤微生物群落的影响，研究结果表明添加秸秆可以增加水稻产量，提高土壤腐殖质的含量，改善土壤微生物群落结构。目前，秸秆还田影响地表水文循环过程也引起了一些学者的重视，牟廷森[6]表明将秸秆掺入耕作层可以改变土壤渗透性和地表径流机制，影响降雨入渗和径流，具有调控径流作用，延缓坡面产流时间。除了秸秆掺量，降雨强度和降雨持续时间等因素也会影响土体水文循环和侵蚀过程。关于秸秆还田的研究主要集中在秸秆覆盖上，与在土壤表面覆盖秸秆相比，将秸秆掺入耕作土层可以影响地表水流的剪切应力，并改善降雨径流过程中土壤的结构稳定性，从而减少土壤侵蚀[7]。因此，研究秸秆掺入对坡地降雨径流的影响具有重要意义。

在本研究中，进行了室内模拟降雨试验，以研究不同秸秆掺量在不同降雨强度的情况下对农田径流的影响，量化秸秆掺量对径流发生时间、径流过程和总径流量的影响，以期为研究秸秆掺入对地表径流的影响、推广秸秆还田提供参考，实现可持续发展农业。

1 材料和方法

1.1 试验材料

本次试验中土壤为粉土，具有均匀的质地和良好的透水性，是有利于作物高产的良好农业土壤。试验区土壤的颗粒密度为2.58g/cm3，耕作后的土壤堆积密度约为1.26g/cm3，孔隙率约为50%。将试验土壤风干，并通过10mm筛网筛分。从农田中收割麦秸，将秸秆处理为10～20cm的长度，将秸秆材料与试验土壤材料充分混合均匀用于填充土壤水槽。

试验过程中模拟降雨试验，试验装置包括土壤水槽带和雨水模拟装置。水槽长9m，宽1.5m，深0.5m，坡度控制在15°±5°，每个水槽的末端都有一个用于收集径流样本的径流收集器。水槽的设计模拟常见的垄沟种植法，间隔约40cm，沟渠宽度约为15cm，沟中未覆盖土壤的宽度约为10cm，在降雨径流的作用下很容易发生沟中侵蚀现象。雨水模拟器装置位于土壤水槽上方约15m处，降雨强度可在30～300mm/h的范围内调整，降雨均匀性满足试验要求。

1.2 试验设计

本次试验选取四种秸秆掺入率：0、3、6、9t/ha，代表小麦产量水平分别为2727、5454、8181kg/ha。试验选取3种降雨强度：50、100、150mm/h。在各组试验过程中，设置总降雨量均为100mm，不同降雨强度的降雨持续时间分别为2、1、0.67h，每组实验重复进行3次。土壤填充水槽至约20cm厚，堆积密度约1.26g/cm3，两侧壁上的土壤深度略高于中部，以模拟耕作层。

降雨开始后，记录不同降雨强度和秸秆掺入率下的径流起始时刻，以分析秸秆掺入对径流起始时间延迟的影响。使用体积为3.0L的塑料桶从水槽末端的凹槽中收集径流样本，以记录径流速率和随时间的累积径流量。

径流取样期间平均径流量按照下列公式计算：

(1)

式(1)中，A—斜坡的降雨收集面积，m2，本次实验中长度为9m、宽度为0.1m；α—斜坡坡度，(°)，本次试验中取15°；r—单位时间、单位面积的平均径流量，mm/h。

径流取样期间累积径流量按照下列公式计算：

(2)

式中，R—从降雨开始到不同时间点的累积径流量，mm；ri和ri-1—相邻两个时段对应的径流速率，mm/h；Δt—采样间隔，h。

2 结果与分析

2.1 秸秆掺量对径流起始时间的影响

图1为不同秸秆掺量和降雨强度下的径流起始时间，由图可知，秸秆掺入土壤的径流起始时间显著延迟于未掺秸秆的对照组。在降雨强度为50mm/h时，3、6、9t/ha的秸秆掺入使径流起始时间增加了8.3%、18.6%、21.9%，在降雨强度为100mm/h时，3、6、9t/ha的秸秆掺入使径流起始时间增加了3.5%、15.2%和24.1%，在降雨强度为150mm/h时，3、6、9t/ha的秸秆掺入使径流起始时间增加了12.1%、33.1%和40.8%。与未掺秸秆的对照组相比，3t/ha的秸秆掺量导致径流起始时间略有延迟，6t/ha和9t/ha的秸秆掺量导致径流起始时间的延迟现象较为显著。在不同的降雨强度下，3t/ha、6t/ha和9t/ha的秸秆掺入率使径流起始时间增加了3.5%～12.1%、15.2%～33.1%、21.9%～40.8%。因此，径流起始时间随秸秆掺入率的增加而不断延迟，随降雨强度的增加而变短。这些结果表明，秸秆掺入可以延长径流起始时间，防止坡地水土流失。

图1 同秸秆掺量和降雨强度下的径流起始时间

分析其原因，通常秸秆覆盖通过拦截雨滴以降低动能并促进土壤渗透，从而延迟了径流起始时间，秸秆掺入还增加了引水渠道，改善土壤结构，增加土壤间隙，从而增加了土壤蓄水量，导致秸秆掺入时的径流起始时间明显延迟。同时，降雨强度越大，降雨补给量越大，因此径流起始时间越早。但也有学者认为，在降雨强度较大时，降雨飞溅导致散落的土壤颗粒堵塞水渗透通道，可能产生更大的雨滴尺寸，以增加雨滴动能并分散土壤颗粒；虽然较小的降雨强度具有较小的动能，但可能会形成光滑而致密的土壤表层，加速坡面径流[8]。因此，径流起始时间受秸秆掺入率和降雨强度的综合影响。

2.2 秸秆掺入率对平均径流量的影响

由图2中可以看出，秸秆掺入率和降雨强度直接影响平均径流量，随降雨强度的增加而增加，随秸秆掺入率的增加而降低。与秸秆掺量为0t/ha相比，3、6、9t/ha的秸秆掺入率分别使平均径流量减少7.4～14.69mm/h、15.51～25.82mm/h和24.83～34.24mm/h。未掺秸秆时，当降雨强度分别为100mm/h和150mm/h时，平均径流量较降雨强度为50mm/h的情况下分别增加了14.6%和49.8%。秸秆掺入量为3t/ha时，当降雨强度分别为100mm/h和150mm/h时，平均径流量较降雨强度为50mm/h的情况下分别增加了18.7%和42.8%。秸秆掺入量为6t/ha时，当降雨强度分别为100mm/h和150mm/h时，平均径流量较降雨强度为50mm/h的情况下分别增加了8.8%和41.9%。秸秆掺入量为9t/ha时，当降雨强度分别为100mm/h和150mm/h时，平均径流量较降雨强度为50mm/h的情况下分别增加了21.4%和62.4%。由此可见，降雨强度是影响平均径流量大小的主要因素之一，秸秆掺入土壤中对减小平均径流量起到有利作用。

图2 同秸秆掺量和降雨强度下的平均径流量

分析其原因，与未掺秸秆的对照组相比，3、6和9t/ha的秸秆掺入延长了径流起始时间，同时降低了整个降雨过程中的平均径流量。秸秆掺入后，土壤渗透面积和土壤储水量会有一定程度的增加，同时暴露在地表的秸秆阻碍了径流的聚集，降低了流速，并且这种影响会随着秸秆掺量的增加而增加。

2.3 秸秆掺入率对累积径流量的影响

试验量测了在不同降雨强度情况下累积径流量的数值，将其随累积降雨量的变化绘制为图3。由图3可见，降雨强度为150mm/h时在累积降雨量小于20mm时即出现了明显的累积径流量，而降雨强度为100mm/h和50mm/h时则在累积降雨量接近30mm后才出现较显著的累积径流量。分析其原因，在同一时期，更大的降雨强度提供了充足的供水，同时雨滴更大，更密集，在一定时间内不能较好地入渗土壤中，在地表表面更易形成斜坡地表径流[9]。在径流刚开始时，累积径流量增加较缓慢，曲线较为平稳，随着降雨的持续，累计径流量增加速度加快，曲线倾斜程度变大，未掺秸秆的对照组与秸秆掺入的试验组累积径流量差异逐渐增大。在不同降雨强度的情况下，秸秆掺量越多，累计径流量最小，数值增加最缓慢。累积降雨量为100mm时，秸秆掺量为9t/ha与未掺秸秆的对照组的累积径流量可减少约20mm。因此，利用秸秆掺入可有效减少累积径流量，是控制水土流失的重要措施。在累积降雨量达到100mm时，降雨强度为50mm/h时反而有最大的累积径流量，降雨强度为100mm/h时有最小的累积径流量。

图3 同秸秆掺量和降雨强度下的累积径流量

2.4 秸秆掺入率对总径流量的影响

图4显示了不同秸秆掺入率和降雨强度情况下的总径流量，由图中可以看出，总径流量随秸秆掺入率的增加而减少。与秸秆掺量为0t/ha的对照组相比，3、6、9t/ha掺入率下的总径流量分别减少了5.0%～20.7%、18.9%～37.5%和40.8%～45.3%。因此，当秸秆掺入率为9t/ha时，径流减少效果最显著。不同降雨强度情况下，相同秸秆掺量对地表总径流量的影响不同，降雨强度为150mm/h时总径流量最大，降雨强度为100mm/h时总径流量最小。

图4 同秸秆掺量和降雨强度下的总径流量

秸秆掺入可以减少总径流量，本研究设计的总降雨量为100mm，但总径流量在降雨强度为50mm/h时大于100mm/h。分析其原因，在总降雨量相同的情况下，50mm/h的降雨强度增加了降雨持续时间，减弱了雨滴的影响，较长的降雨持续时间增加了表面结皮的可能性，较低的降雨强度减少了雨滴对土体表面的破坏，从而增加了地表径流。总体而言，随着降雨强度的增加，总径流量变化并不大。分析其原因，耕作层土壤在降雨后期达到饱和，并受到降雨强度、降雨持续时间等因素的影响，高强度降雨反而会严重干扰地表径流，细沟的发育增加了土壤的渗透性[10]，这在一定程度上减少了降雨强度为100mm/h的径流总量。在本试验中，降雨强度为150mm/h时的总径流量与降雨强度为50mm/h时较为接近。

3 结论

本文通过研究不同降雨强度和不同秸秆掺量对土壤地表径流的影响。结果表明增加秸秆掺量(3t/ha、6t/ha和9t/ha)可以显著延迟径流起始时间，在秸秆掺入速率为9t/ha时，延迟效果最明显，且随着降雨强度的增加，径流出现的时间更早；当秸秆掺入率为9t/ha时，径流减少效果最显著，累计径流量最小，数值增加最缓慢。总径流量在降雨强度为100mm/h时最小，降雨强度为150mm/h时的总径流量与降雨强度为50mm/h时较为接近，秸秆掺入土壤中可以增加土壤蓄水量，提高降雨利用率，减少降雨侵蚀。由于降雨侵蚀与土壤类型有关，在其他类型土壤侵蚀治理中，需要进一步试验确认。