东北黑土区是我国重要的粮食产区,同时也是全国水土流失的重点区域[1,2],其坡耕地是发生土壤侵蚀最严重的区域[3]。黑土层厚度每年减少可达0.4～0.5cm[4],造成宝贵的黑土资源流失,土地生产力下降,从而严重制约了黑土区的农业生产和经济发展,威胁着我国的生态安全和农业可持续发展[5]。东北黑土区秸秆产量丰富,秸秆还田作为一项重要的水土保持措施,也是实现农业可持续发展的重要途径之一[6]。秸秆还田方式呈现多元化的发展趋势,主要包括秸秆深还、秸秆碎混还田、秸秆覆盖还田、堆沤还田、焚烧还田和过腹还田等[7]。已有研究[8,9,10]表明,秸秆还田既可有效调节地表径流、防治土壤侵蚀,又可促进土壤微粒的团聚,改善土壤结构和提高土壤肥力,从而遏制黑土退化,增加土壤抗蚀性,并改善土壤和生态环境。黑土区相关研究[11]表明,与传统耕作处理相比,秸秆粉碎还田处理可使坡面径流量减少60.0%～66.7%,侵蚀量减少85.4%～86.4%;免耕+秸秆覆盖处理可使坡面径流量减少97.7%,侵蚀量减少98.9%[12]。可见,不同秸秆还田方式对坡耕地减流减沙效益的影响呈现一定差异。此外,现有研究[11,12]多基于定位监测方法获取黑土区坡耕地径流量和侵蚀量,缺少径流侵蚀的过程性研究成果;即使基于人工模拟降雨试验方法开展的相关研究[13],虽然能够获取径流侵蚀的过程性数据,但是又缺少野外原位坡耕地条件下的研究成果。鉴于此,本研究采用田间原位模拟降雨试验方法,阐明黑土区坡耕地不同秸秆还田方式对坡耕地径流侵蚀过程、径流量、侵蚀量及其减流减沙效益的影响,以期为东北黑土区坡耕地土壤侵蚀防治提供理论指导。

1、材料与方法

1.1试验装置与材料

本研究依托吉林农业大学土壤学科省级重点实验室的水土保持科研基地(125°21′E,43°52′N)开展试验工作,于2018年7—8月完成人工模拟降雨试验。研究区属于温带大陆性季风气候,降雨主要集中在6—9月,年均降水量617mm,年均气温4.8℃[14]。降雨设备采用侧喷式单喷头降雨装置[15],降雨高度为6m,降雨均匀度>85%,降雨强度主要通过调节压力阀和喷头孔径(5～12mm)来控制,降雨强度可调节范围为30～165mm/h。

试验径流小区修筑在野外原位坡耕地上,径流小区规格为5m(水平投影长度)×2m(宽度)。径流小区边壁材料选用聚丙烯板,将其埋入地下30cm,用于防止水分入渗的影响;地表留出20cm,用于防止雨滴击溅以及地表径流溢出,从而保证形成相对完整独立的径流小区。小区底部设有集蓄装置,用于收集试验过程中的径流泥沙样品。径流小区土壤为黑土,其颗粒组成为:砂粒(>50μm)质量分数18.4%,粉粒(2～50μm)质量分数78.9%,黏粒(<2μm)质量分数2.7%,有机质含量为25.9g/kg。

1.2试验设计

径流小区坡面处理包括秸秆深还、秸秆碎混、免耕+残茬覆盖和传统顺坡垄作(对照)4种,每个处理设计2个重复。本试验秸秆选用玉米秸秆,径流小区实测秸秆量为12t/hm2。(1)秸秆碎混:将径流小区内50%秸秆通过机械进行粉碎(长度<5cm)备用;将径流小区0—15cm土层土壤取出,再将已粉碎的秸秆与径流小区15—25cm土层土壤均匀混合,随后将径流小区填平起垄,最后将剩余的50%秸秆直接覆盖还田。(2)秸秆深还:将径流小区内全部秸秆通过机械进行粉碎(长度<5cm)备用;将径流小区0—25cm土层土壤取出,再将已粉碎的秸秆与25—35cm土层的土壤均匀混合,最后用表层土壤将径流小区填平起垄。(3)免耕+残茬覆盖:径流小区在秋收后不进行翻耕处理,并将径流小区内全部秸秆直接覆盖还田。(4)传统顺坡垄作:坡面处理为翻耕裸露,按照野外坡耕地垄规格实测资料和相关研究成果[16],将顺坡常规垄规格设计为垄高15cm,垄间距65cm,垄丘顶宽20cm。布置秸秆碎混、秸秆深还和传统顺坡垄作3种处理过程中,通过控制土壤质量的方法控制土壤容重,耕作层平均土壤容重为1.20g/cm3;免耕+残茬覆盖处理表层平均土壤容重为1.26g/cm3。模拟试验开展期间,为了防止其他影响因子的干扰,径流小区内无田间作物生长。由于东北典型黑土区地表坡度多为3°～8°[17,18],据此将试验径流小区坡度设计为5°。根据长春国家基准气候站1983—2012年的暴雨资料,将降雨强度设计为50,100mm/h[19],为保证降雨总量(50mm)相同,降雨历时分别为60,30min。

1.3试验方法

正式模拟降雨试验之前,采用30mm/h降雨强度进行预降雨,至径流小区出口刚刚有连续水流出现为止,目的是保证试验前期径流小区土壤水分条件的一致性,减少下垫面空间变异性。预降雨结束后,用塑料布将径流小区覆盖,静置24h后进行正式模拟降雨试验。

为确保降雨试验的准确性和降雨强度的均匀性,每次试验前对降雨强度进行率定,当实测降雨强度与目标降雨强度的差值<5%,且降雨均匀度>85%时方可进行正式降雨。径流小区开始产流后,记录产流时间,接取径流泥沙样品,取样间隔为1～3min。

模拟降雨试验结束后,称取径流泥沙的总质量,随后将其静置6～8h后倒掉上清液并转移到已经称取质量的铝盒中,最后放入烘箱,在105℃下烘干称取质量,用以计算产流率、产沙率、径流量和侵蚀量[20]。

1.4参数计算

以顺坡垄作处理为对照基准,通过对比其他试验处理下的径流量与侵蚀量,即可获取不同秸秆还田方式的减流效益和减沙效益[21]。

Rrb=RCK−RiRCK×100%Rrb=RCΚ-RiRCΚ×100%(1)

式中:Rrb为减流效益(%);RCK为顺坡垄作处理的径流量(mm);Ri为其他秸秆还田处理的径流量(mm);i为秸秆深还、秸秆碎混或者免耕+残茬覆盖。

Srb=SCK−SiSCK×100%Srb=SCΚ-SiSCΚ×100%(2)

式中:Srb为减沙效益(%);SCK为顺坡垄作处理的侵蚀量(g/(m2·h));Si为其他秸秆还田处理的侵蚀量(g/(m2·h))。

1.5数据处理

使用Excel2010和SPSS19.1软件进行数据处理与分析;采用Excel2010计算径流量、侵蚀量、减流效益和减沙效益,绘制产流率和产沙率随降雨量的变化过程图以及50,100mm/h降雨强度下不同秸秆还田方式的产流时间对比图;采用SPSS19.1软件中方差分析和多重比较(LSD),进行不同秸秆还田方式和降雨强度下径流量和侵蚀量显著性水平检验(p<0.05)。

2、结果与分析

2.1不同秸秆还田方式对坡耕地径流侵蚀过程的影响

2.1.1产流率变化

从图1可以看出,不同试验处理的产流率均随降雨量的增加而逐渐增大。在50mm/h降雨强度下,秸秆深还、秸秆碎混、免耕+残茬覆盖和传统顺坡垄作处理平均产流率依次为4.40,3.45,2.50,1.94L/(m2·h);在100mm/h降雨强度下,其平均产流率依次为9.76,6.54,4.49,3.51L/(m2·h)。可见,产流率大小表现为传统顺坡垄作>秸秆深还>秸秆碎混>免耕+残茬覆盖。分析原因是免耕+残茬覆盖处理既能减少土层扰动,增加土壤有机质,改善土壤结构,增加土壤抗蚀性,又能增加地表覆盖,减小雨滴打击作用[13,22],所以其土壤水分入渗率最高,对应的坡面产流率最低;秸秆碎混处理有助于改善土壤结构,增加土壤团聚体含量[11],其秸秆还田深度为径流小区15—25cm土层,坡面覆盖50%的秸秆量亦能够消减雨滴动能,因此,能够明显影响土壤水分入渗率,造成较低的坡面产流率;而秸秆深还处理虽然能够改良土壤孔隙结构及水分状况等[14],但是由于其还田深度为径流小区25—35cm土层,其对次降雨土壤水分入渗的影响不及免耕+残茬覆盖和秸秆碎混处理,所以在3种秸秆还田方式中,秸秆深还方式对坡面产流率的影响最小。综上可见,秸秆还田有助于调节径流,增加土壤蓄水能力,其中免耕+残茬覆盖具有最好的减流作用,其次为秸秆碎混和秸秆深还方式。

图1不同秸秆还田方式下产流率随降雨量的变化

随着降雨强度的增加,相同秸秆还田方式的坡面产流率均明显增大,且产流率随降雨量变化的波动幅度明显增加(图1)。这是由于降雨强度越大,其在短时间内的土壤入渗能力受到的影响越大,从而导致产流率增加[23]。此外,随着降雨强度的增加,不同秸秆还田方式间产流率随降雨量的变化差异明显增大。分析原因是降雨强度及秸秆还田方式的变化可使径流水动力特征发生变化,而径流水动力学参数的大小对坡面径流侵蚀能力和挟沙能力的大小有重要影响[24]。免耕+残茬覆盖处理坡面覆盖100%的秸秆量,而秸秆碎混处理秸秆还田深度相对较浅,且坡面覆盖有50%的秸秆量,这些秸秆能够有效降低雨滴动能,充分调节坡面径流,且降雨强度越大,这种秸秆消能作用和径流调节作用越显著[11,13]。秸秆深还处理秸秆还田深度虽然相对较深,且秸秆全部还入耕作层以下,但是其坡面无秸秆覆盖,不能有效消减雨滴动能及调节坡面径流[24],所以其产流率随降雨量的变化与免耕+残茬覆盖及秸秆碎混处理相比差异较大。结果表明,降雨强度对不同秸秆还田方式的产流率变化具有一定的影响,其直接影响产流率大小及波动幅度。

2.1.2产流时间对比

通过观察坡面产流时间发现,秸秆还田能够有效延长坡面径流汇集时间(图2)。与顺坡垄作对照处理相比,50,100mm/h降雨强度下,免耕+残茬覆盖处理的坡面产流时间分别延后20.1,7.2min,秸秆碎混处理的坡面产流时间分别延后13.9,4.8min,秸秆深还处理的坡面产流时间分别延后8.1,2.4min。表明秸秆还田方式对产流时间的影响表现为免耕+残茬覆盖>秸秆碎混>秸秆深还>顺坡垄作,即免耕+残茬覆盖处理对产流时间的延缓作用最明显。分析原因是秸秆全量覆盖比半量覆盖条件下减流效果更显著[10,25],且秸秆覆盖于地表对产流时间的延缓作用较秸秆还于地下的效果更好,即秸秆还田可使土壤水分入渗和持水能力增强,从而增加了径流在坡面的停留时间,这种产流时间的滞后是秸秆还田措施水土保持效果的重要体现[21]。

图250,100mm/h降雨强度下不同秸秆还田方式的产流时间对比

车明轩等[26]研究表明,秸秆覆盖还田对初始产流时间具有一定滞后作用,且随降雨强度的增加而减少,本研究结果与之相似。在50mm/h降雨强度下,秸秆还田处理的产流时间是顺坡垄作处理的2.4～4.5倍;在100mm/h降雨强度下,秸秆还田处理的产流时间是顺坡垄作处理的2.0～4.0倍(图2)。表明随着降雨强度的增加,产流时间逐渐缩短,且不同秸秆还田方式对产流时间的延缓作用逐渐减小。这是由于降雨强度越大,雨滴打击和径流冲刷能力越大,导致径流汇集速度加快[23,26],其对坡耕地产流时间的影响逐渐超过秸秆还田方式的影响。

综上可见,不同秸秆还田方式均能改变坡面产流时间,从而改变土壤水分入渗时间,调节坡面径流流速和径流侵蚀力;但是,降雨强度越大,秸秆还田对产流时间产生的滞后作用越小。因此,建议在筛选适宜的秸秆还田方式时,应该将研究区降雨特征作为重要的背景因子。

2.1.3产沙率变化

由图3可知,传统顺坡垄作处理产沙率随降雨量的变化呈现先快速增加后减小并逐渐趋于相对稳定的趋势,这是由于顺坡垄作坡面为裸露处理,降雨初期其坡面含有大量松散碎屑物质,径流优先搬运这些物质,导致产沙率迅速增加并达到峰值[27];其后,随着降雨的持续进行,坡面可供搬运的物质逐渐减少,导致其产沙率逐渐减小并趋向于相对稳定[21]。50,100mm/h降雨强度下,顺坡垄作处理的稳定产沙率分别约为0.644,1.958kg/(m2·h)。值得注意的是,秸秆还田处理的产沙率明显低于传统顺坡垄作,呈现比较稳定的变化趋势;但是,3种秸秆还田方式之间产沙率随降雨量的变化也具有一定的差异,其大小表现为秸秆深还>秸秆碎混>免耕+残茬覆盖。这是由于免耕+残茬覆盖处理对降雨和径流有最好的消减作用和调节作用,秸秆碎混处理次之,秸秆深还处理由于秸秆还田深度较深,且坡面无秸秆覆盖,所以其对径流的影响相对较小。径流水动力特征的差异导致其侵蚀能力和挟沙能力的差异,秸秆还田处理的产沙率虽然明显低于顺坡垄作处理,但是3种秸秆还田方式之间依然存在差异。表明秸秆还田措施在调节坡面径流过程的同时,也能有效控制坡面土壤侵蚀过程[11,28]。

图3不同秸秆还田方式下产沙率随降雨量的变化

随着降雨强度的增加,相同秸秆还田方式的坡面产沙率均增大,且产沙率随降雨量变化的波动幅度也随之增大(图3)。原因是降雨强度越大,其降雨侵蚀力和径流侵蚀力越大,导致产沙率增加[23]。其中顺坡垄作处理产沙率随降雨量的变化在50,100mm/h降雨强度下差异最明显。50mm/h降雨强度下,降雨量达到8mm时顺坡垄作处理开始产沙,产沙率逐渐增加至最大值1.394kg/(m2·h),此后坡面产沙率缓慢下降,直至达到相对稳定阶段,此时产沙率为0.644kg/(m2·h);100mm/h降雨强度下,降雨量达到6mm时顺坡垄作处理开始产沙,产沙率迅速增至最大值4.123kg/(m2·h),此后坡面产沙率逐渐减小,直至达到相对稳定阶段,此时产沙率为1.958kg/(m2·h)。与100mm/h降雨强度相比,50mm/h降雨强度下最大产沙率和稳定产沙率分别减小66.2%和67.1%。此外,随着降雨强度的增加,不同秸秆还田方式间产沙率随降雨量的变化差异也略有增加,但是增加幅度明显小于顺坡垄作处理。原因也是由于降雨强度及秸秆还田方式的变化可使坡面径流侵蚀能力和挟沙能力发生变化,从而影响产沙率变化特征[21,24]。表明降雨强度对不同秸秆还田方式的产沙率变化也有一定的影响[11]。因此,在筛选具体秸秆还田方式时,应充分考虑其对降雨雨滴动能以及径流侵蚀能力的消减作用,从而有效防治黑土区坡耕地土壤侵蚀。

2.2不同秸秆还田方式对坡耕地径流量及侵蚀量的影响

从表1可以看出,通过对比不同秸秆还田方式下的坡耕地径流量和侵蚀量发现,其大小顺序均表现为顺坡垄作>秸秆深还>秸秆碎混>免耕+残茬覆盖。

表1不同秸秆还田方式下坡面的径流量和侵蚀量

注:同列不同大写字母表示相同秸秆还田方式下不同降雨强度处理的各指标在p<0.05水平上差异显著;同列不同小写字母表示相同降雨强度下不同秸秆还田方式的各指标在p<0.05水平上差异显著。

对于径流量,50mm/h降雨强度下顺坡垄作处理的径流量分别是秸秆深还、秸秆碎混和免耕+残茬覆盖处理的1.6,2.3,3.0倍;100mm/h降雨强度下,这些倍数分别为1.6,2.0,2.9倍。对于侵蚀量,50mm/h降雨强度下顺坡垄作处理的侵蚀量分别是秸秆深还、秸秆碎混和免耕+残茬覆盖处理的7.8,11.4,31.5倍;100mm/h降雨强度下,这些倍数分别为5.8,9.4,31.0倍。表明不同降雨强度下,秸秆还田措施均能有效减少坡耕地径流量和侵蚀量,其对侵蚀量的防治作用明显高于对径流量的减缓作用。原因主要包括3个方面:一是覆盖于地表的秸秆能够消减雨滴动能,秸秆覆盖度越高,其消减雨滴动能作用越显著[13,29];二是覆盖于地表或者还于地下的秸秆能够调节地表径流,通过影响径流流速,进而改变径流侵蚀力和挟沙力[28,30];三是秸秆还田能够改善土壤结构,改变土壤孔隙结构,增加土壤水稳性团聚体含量等,从而增加土壤抗蚀能力[11,14]。此外,随着降雨强度的增加,相同秸秆还田方式下,侵蚀量的增加幅度明显高于径流量的变化,该结果与我国其他地区秸秆还田方式相关研究[26,31]结果相似。

为了进一步分析不同秸秆还田方式对坡耕地径流量及侵蚀量的影响,以顺坡垄作处理为基准,分别计算秸秆深还、秸秆碎混、免耕+残茬覆盖处理的减流效益和减沙效益(表1)。50,100mm/h降雨强度下,3种秸秆还田处理的减流效益分别为37.0%～66.6%和36.6%～64.9%,减沙效益分别为87.2%～96.8%和82.6%～96.8%。表明随着降雨强度的增加,不同秸秆还田方式的减流效益和减沙效益均减小,但是减小幅度不显著;相同降雨强度下,减流效益和减沙效益最好的秸秆还田方式均为免耕+残茬覆盖,其次为秸秆碎混,最后为秸秆深还。这也与降雨强度及秸秆还田方式的变化引起坡面径流侵蚀能力和挟沙能力发生变化有关[13,24,26],从而影响坡耕地不同试验处理的减流减沙效益特征。本研究中得到的减流效益和减沙效益与基于天然降雨条件下定位监测方法获取的对应数值相近,相关研究[11,12]表明,秸秆碎混还田方式及免耕+秸秆覆盖还田方式的减流效益分别为60.0%～66.7%和97.7%,减沙效益分别为85.4%～86.4%和98.9%。此外,不同秸秆还田方式的减沙效益均高于减流效益,该结果与已有研究[21]结果相似。综上可知,秸秆还田具有较好的减流减沙作用,其中免耕+残茬覆盖属于比较适用于东北黑土区坡耕地的还田方式,其水土保持效果最好。因此,建议深入开展相关研究,从而提高秸秆还田措施在东北黑土区实施的科学性和适用性。

3、结论

(1)不同秸秆还田方式的产流率均随降雨量的增加而逐渐增大,且降雨强度越大,其变化差异越明显。与顺坡垄作相比,50,100mm/h降雨强度下,秸秆还田处理分别延缓产流时间14.0,4.8min。秸秆还田处理的产沙率明显小于顺坡垄作处理,随降雨量呈现比较稳定的变化趋势。可见,秸秆还田措施在调节坡面径流过程的同时,也能有效控制坡面土壤侵蚀过程。

(2)试验条件下,不同秸秆还田方式均能有效减少坡耕地径流量和侵蚀量,而且其对坡面土壤侵蚀的防治作用明显高于对径流的减缓作用。50,100mm/h降雨强度下,秸秆还田处理的减流效益分别为37.0%～66.6%和36.6%～64.9%,减沙效益分别为87.2%～96.8%和82.6%～96.8%。其中,免耕+残茬覆盖处理的减流减沙效益最好,其次为秸秆碎混和秸秆深还处理。因此,免耕+残茬覆盖属于比较适用于东北黑土区坡耕地的秸秆还田方式。

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基金:国家重点研发计划项目(2016YFE0202900);国家自然科学基金项目(U19A2061,41601281).