覃 超鄭粉莉，2?劉沛峰徐錫蒙吳紅艷汪怡珂

（1 西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西楊凌 712100）

（2 中國(guó)科學(xué)院水利部水土保持研究所，陜西楊凌 712100）

（3 西北農(nóng)林科技大學(xué)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)學(xué)院，陜西楊凌 712100）

玉米秸稈汁土壤改良劑對(duì)黃綿土抗侵蝕能力的影響*

覃 超1鄭粉莉1，2?劉沛峰3徐錫蒙1吳紅艷1汪怡珂3

（1 西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西楊凌 712100）

（2 中國(guó)科學(xué)院水利部水土保持研究所，陜西楊凌 712100）

（3 西北農(nóng)林科技大學(xué)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)學(xué)院，陜西楊凌 712100）

改良土壤物理性質(zhì)是提高土壤抗侵蝕能力的主要途徑之一。通過人工模擬降雨試驗(yàn)、風(fēng)蝕試驗(yàn)和野外原位觀測(cè)試驗(yàn)，研究了不同玉米秸稈汁土壤改良劑噴施方式下黃綿土抗侵蝕能力的改良效果，探討了玉米秸稈汁防治土壤侵蝕的機(jī)理。結(jié)果表明，玉米秸稈汁能有效防治黃綿土的水蝕和風(fēng)蝕。在模擬降雨條件下，噴施玉米秸稈汁的試驗(yàn)處理，黃綿土濺蝕量較對(duì)照處理降低24.7%～78.3%，黃土坡面的徑流量和片蝕量分別降低40.0%～43.3%和20.9%～34.5%；在天然降雨條件下，無論是短歷時(shí)低強(qiáng)度或長(zhǎng)歷時(shí)低強(qiáng)度的降雨類型，還是短歷時(shí)高強(qiáng)度的降雨類型，噴施玉米秸稈汁的試驗(yàn)處理，黃土坡面的徑流量和片蝕量較對(duì)照處理明顯減少，二者的減少幅度分別介于26.3%～62.1%和58.3%～72.0%之間；在不同風(fēng)速下，玉米秸稈汁可使黃綿土的風(fēng)蝕量降低24.5%～64.6%。此外，噴施玉米秸稈汁后的靜置時(shí)間及翻耕與否對(duì)不同類型的侵蝕也有重要影響。噴施玉米秸稈汁可有效提高黃綿土的抗剪強(qiáng)度、硬度及大團(tuán)聚體的百分含量，從而降低土壤侵蝕量。施用玉米秸稈汁后，黃綿土靜水崩解量降低了97.4%～98.5%、土壤抗剪強(qiáng)度增加了97.9%～140.0%、土壤硬度增加了11.4%～127.5%；＜0.25 mm團(tuán)聚體降低了46.9%～51.6%；＞2 mm團(tuán)聚體增加了88.1%～129.7%。玉米秸稈汁是一種良好的防治坡面水蝕和風(fēng)蝕的土壤改良劑，在施用玉米秸稈汁時(shí)，應(yīng)盡量一次噴施完畢并避免人為土壤擾動(dòng)。

濺蝕；片蝕；風(fēng)蝕；原位觀測(cè)；玉米秸稈；土壤改良劑

黃土高原是我國(guó)水土流失最嚴(yán)重的地區(qū)，該地區(qū)的主要土壤—黃綿土，其質(zhì)地較輕，疏松軟綿，保水和保肥能力差，易形成嚴(yán)重的水蝕和風(fēng)蝕［1］。因此，開展黃土高原土壤侵蝕劇烈地區(qū)的土壤修復(fù)研究具有重要意義。

土壤改良劑作為修復(fù)侵蝕退化土壤、防治水土流失的重要手段，不僅能有效改善土壤理化性狀和養(yǎng)分狀況，還能對(duì)土壤微生物產(chǎn)生積極影響，從而提高退化土地的生產(chǎn)力［2-5］。土壤改良劑的研究始于19世紀(jì)末，研究較多的土壤改良劑包括沸石、粉煤灰、污泥、綠肥和聚丙烯酰胺等單一改良劑和部分復(fù)合改良劑［6］。土壤改良劑防治土壤侵蝕的作用機(jī)理，主要包括以下兩類：一類是通過促進(jìn)土壤膨脹，降低土壤密度，提高總孔隙度，防止地表板結(jié)，增加土壤入滲而降低土壤侵蝕量；另一類主要通過多價(jià)陽(yáng)離子對(duì)土壤顆粒的吸附促進(jìn)土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)形成，增強(qiáng)土壤的抗蝕性和抗沖性，從而降低坡面土壤侵蝕速率［7］。然而，這些土壤改良劑在制備過程中或多或少存在原材料價(jià)格昂貴，配合施用方法復(fù)雜，改良效果不全面等問題，且大多數(shù)土壤改良劑不以減少坡面水蝕，防治土壤風(fēng)蝕為主要施用目的。因此，開發(fā)一種原材料價(jià)格低廉，制作工藝簡(jiǎn)單，能有效提高土壤抗侵蝕能力，降低坡面水蝕和土壤風(fēng)蝕的土壤改良劑具有重要的理論價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。

玉米是我國(guó)主要的栽培作物之一，玉米秸稈資源極其豐富［8］。然而，現(xiàn)階段我國(guó)的玉米秸稈資源多未被有效利用，處理方式包括直接翻入土中還田（30.8%）、作食草家畜的飼料（26.2%）、作燃料（24.6%）和就地燃燒（12.8%）［9］。直接焚燒玉米秸稈會(huì)造成嚴(yán)重的空氣污染并引發(fā)霧霾天氣，少數(shù)產(chǎn)業(yè)將秸稈作為纖維原料使用，其中間產(chǎn)物——秸稈汁被作為廢液直接傾倒，造成了資源浪費(fèi)及水體污染［10］。近期，美國(guó)農(nóng)業(yè)部國(guó)家土壤侵蝕研究實(shí)驗(yàn)室（USDA-National Soil Erosion Research Laboratory）的相關(guān)學(xué)者探究了玉米秸稈汁在不同降雨強(qiáng)度條件下對(duì)坡面侵蝕過程的影響，對(duì)玉米秸稈汁防治坡面水蝕的效果進(jìn)行了研究［11-12］，發(fā)現(xiàn)玉米秸稈汁能有效降低坡面土壤水蝕速率，其結(jié)果為本研究的開展提供了很好的借鑒。然而，已有研究多側(cè)重玉米秸稈汁對(duì)室內(nèi)模擬降雨條件下土壤片蝕的防治效果及其機(jī)理，對(duì)自然條件下的不同雨型，以及片蝕的起始階段——濺蝕，以及風(fēng)蝕的防治效果暫未涉及。

因此，本研究通過向黃綿土表面噴施玉米秸稈汁土壤改良劑，探究其對(duì)黃綿土濺蝕、片蝕和風(fēng)蝕的影響，并通過測(cè)定不同處理下黃綿土的物理性質(zhì)，闡明玉米秸稈汁防治黃綿土侵蝕的機(jī)理，旨在為黃土坡面土壤侵蝕的防治提供借鑒。

1 材料與方法

1.1 供試土壤與材料

室內(nèi)試驗(yàn)的供試土壤為黃土高原丘陵溝壑區(qū)安塞縣的黃綿土（36°45′N，109°11′E），其中有機(jī)質(zhì)含量為5.9 g kg-1，黏粒、粉粒與砂粒含量分別為13.6%、58.1%和28.3%，試驗(yàn)前將土壤風(fēng)干、備用。野外原位觀測(cè)的試驗(yàn)場(chǎng)地位于陜西省富縣，其土壤機(jī)械組成與安塞縣相近，黏粒、粉粒與砂粒含量分別為16.5%、59.7%和23.8%。黃綿土是黃土高原的主要土壤類型，在中國(guó)土壤分類系統(tǒng)中屬于發(fā)育微弱的初育土，在美國(guó)土壤分類標(biāo)準(zhǔn)中屬于石灰性始成土（Calcic Cambisol），在該區(qū)域有較好的代表性，因此本試驗(yàn)的研究成果可為防治黃綿土分布區(qū)的土壤水蝕和風(fēng)蝕提供借鑒。供試玉米秸稈為陜西楊凌或富縣收獲12 h內(nèi)的新鮮玉米秸稈，其中楊凌的玉米秸稈取自河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院糧食作物研究所選育的“鄭丹958號(hào)”玉米，富縣的玉米秸稈取自甘肅五谷種業(yè)股份有限公司生產(chǎn)的“五谷702號(hào)”玉米。

玉米秸稈汁土壤改良劑的制作。首先將收獲12 h內(nèi)的玉米秸桿進(jìn)行榨汁處理；向制備的玉米秸稈汁中添加一定量的苯甲酸鈉，攪拌均勻，即得到玉米秸稈汁土壤改良劑，其中玉米秸稈汁的質(zhì)量百分比為95%～97%，苯甲酸鈉質(zhì)量百分比為3%～5%。本研究所用玉米秸稈是收獲后的新鮮玉米秸稈，屬農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的廢棄物，平均出汁率約為5.6%，即18 kg剛收獲的新鮮秸稈大約能生產(chǎn)1L玉米秸稈汁。

1.2 室內(nèi)模擬試驗(yàn)裝置和設(shè)計(jì)

模擬降雨試驗(yàn)在黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室人工模擬降雨大廳進(jìn)行，模擬降雨設(shè)備采用中國(guó)科學(xué)院水利部水土保持研究所研制的側(cè)噴式單噴頭的降雨裝置，降雨方式為兩個(gè)降雨器對(duì)噴，供水壓力由壓力表控制，降雨強(qiáng)度主要通過孔板的孔徑來調(diào)節(jié)，孔徑為5～12 mm，降雨強(qiáng)度調(diào)節(jié)范圍為30～165 mm h-1，降雨均勻度大于85%。濺蝕試驗(yàn)采用標(biāo)準(zhǔn)Morgan濺蝕盤，該盤直徑10 cm，高2.5 cm，用于承接土粒的外盤直徑30 cm，高10 cm，盤底按照1 cm的距離開有直徑為1.5 mm的小孔，可使土壤水自由下滲。片蝕試驗(yàn)采用規(guī)格為50 cm × 50 cm × 50 cm的土槽，其底部按照10 cm的距離開有直徑為2.0 mm的小孔，可使土壤水自由下滲。

模擬風(fēng)蝕試驗(yàn)在在黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室風(fēng)蝕實(shí)驗(yàn)區(qū)進(jìn)行。風(fēng)洞整體長(zhǎng)、寬、高分別為19.8 m、1.0 m、1.2 m，主要由五部分組成，分別是風(fēng)機(jī)（3.55 m、提供風(fēng)蝕試驗(yàn)所需風(fēng)力）、調(diào)風(fēng)段（1.50 m、調(diào)整試驗(yàn)風(fēng)速）、整流段（10.0 m、使氣流趨于穩(wěn)定）、試驗(yàn)段（1.28 m、樣品放置區(qū)域）以及集沙段（3.02 m、風(fēng)蝕產(chǎn)物收集區(qū)）。風(fēng)洞的風(fēng)速可在0～14 m s-1內(nèi)任意調(diào)節(jié)。試驗(yàn)所用裝土容器為直徑30 cm的圓形飯盒。

根據(jù)前人的研究結(jié)果［11］及本試驗(yàn)?zāi)康?，室?nèi)試驗(yàn)共設(shè)計(jì)6個(gè)處理，每個(gè)處理進(jìn)行3次重復(fù)試驗(yàn)，包括2種噴施方式處理（分別為噴施玉米秸稈汁，和噴施相同體積自來水—對(duì)照處理）、2個(gè)噴施玉米秸稈汁后的靜置時(shí)間處理（7和14 d）和2種地面條件處理（翻耕和不翻耕），設(shè)計(jì)2種地面翻耕處理的目的是為了模擬野外坡耕地可能進(jìn)行的翻耕活動(dòng)。根據(jù)試驗(yàn)區(qū)黃土坡面耕層厚度的實(shí)地調(diào)查，設(shè)計(jì)模擬翻耕深度為10 cm，翻耕所用工具為鐵耙（耙齒長(zhǎng)度10 cm），設(shè)計(jì)方案見表1。

根據(jù)黃土高原侵蝕性降雨標(biāo)準(zhǔn)［13］，設(shè)計(jì)室內(nèi)模擬濺蝕試驗(yàn)的降雨強(qiáng)度為75 mm h-1，片蝕試驗(yàn)的降雨強(qiáng)度為50 mm h-1。由于黃土高原裸露坡耕地的坡度多介于15°～25°之間，因此設(shè)計(jì)模擬片蝕試驗(yàn)的坡度為20°。根據(jù)黃土高原丘陵溝壑區(qū)裸露坡耕地耕層土壤容重的實(shí)地測(cè)定，設(shè)計(jì)室內(nèi)模擬試驗(yàn)的填土容重為1.15 g cm-3，填土厚度為15 cm。根據(jù)有關(guān)黃土高原臨界起沙風(fēng)速的研究結(jié)果［14］，設(shè)計(jì)模擬風(fēng)蝕試驗(yàn)的風(fēng)速梯度為6、8 和14 m s-1。

為進(jìn)一步闡明玉米秸稈汁土壤改良劑防治坡面土壤侵蝕的機(jī)理，本研究還對(duì)不同試驗(yàn)處理下與土壤侵蝕關(guān)系密切的土壤物理性質(zhì)進(jìn)行了測(cè)定，其中，土壤靜水崩解速率采用HP30數(shù)顯式推拉力計(jì)測(cè)定，土壤抗剪強(qiáng)度采用M251468現(xiàn)場(chǎng)剪力測(cè)試儀測(cè)定，土壤硬度采用TYD-1型土壤硬度計(jì)測(cè)定，土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)采用干篩法測(cè)定。

1.3 野外原位片蝕觀測(cè)裝置和設(shè)計(jì)

在陜西富縣玉米坡耕地上建造微型徑流小區(qū)6個(gè)，模擬野外坡耕地雨季施用玉米秸稈汁土壤改良劑后防治坡面土壤片蝕的效果。微型徑流小區(qū)面積1 m×2 m，坡度15°～17°，每?jī)蓚€(gè)小區(qū)之間有1.5 m×2 m的緩沖帶（圖1），試驗(yàn)坡耕地表層土壤（0～10 cm）容重為1.18 g cm-3。

表1 室內(nèi)模擬試驗(yàn)的處理Table 1 Designing of the treatments of the indoor simulation experiments

圖1 野外原位觀測(cè)試驗(yàn)的微型徑流小區(qū)Fig. 1 Micro runoff plots for in-situ observation in the field

每年6～8月是黃土高原地區(qū)的雨季，本試驗(yàn)通過小型氣象站收集降雨特征資料，連續(xù)觀測(cè)研究區(qū)內(nèi)能使地表產(chǎn)生徑流的侵蝕性降雨事件，通過安放在小區(qū)出口處的集流裝置收集次降雨條件下徑流小區(qū)的徑流泥沙資料。野外原位觀測(cè)共設(shè)計(jì)兩個(gè)處理，分別為改良處理（噴施玉米秸稈汁土壤改良劑至田間持水量）和對(duì)照處理（噴施相同體積的自來水），每個(gè)處理進(jìn)行兩次重復(fù)試驗(yàn)。

1.4 分析方法

對(duì)于室內(nèi)模擬試驗(yàn)，首先計(jì)算玉米秸稈汁和自來水的用量，并控制噴施后坡面表層10 cm的土壤含水量達(dá)到田間持水量，將玉米秸稈汁與自來水充分混合，然后進(jìn)行噴施。具體步驟為：先測(cè)定待噴施坡面面積A，再測(cè)定待噴施坡面表層h m土層的土壤前期含水量W，土壤容重ρ和土壤田間持水量θ，并將其代入式（1）和式（2），分別估算稀釋玉米秸稈汁所需的水量T和玉米秸稈汁的施用量G，公式如下

T = A × h × ρ×（θ-W） （1）

式中，T為噴施用水總量，kg；A為噴施坡面面積，m2；h為玉米秸稈汁浸潤(rùn)的土層深度，m（本試驗(yàn)中h為0.1 m）；ρ為噴施坡面土壤容重，kg m-3；θ為噴施坡面田間持水量，%；W為噴施坡面土壤前期含水量，%。

G = 1/3 × A × h × ρ× θ （2）

式中，G為所需玉米秸稈汁的總量，kg；A為噴施坡面面積，m2；h為玉米秸稈汁浸潤(rùn)的土層深度，m（本試驗(yàn)中h為0.1 m）；ρ為噴施坡面土壤容重，kg m-3；θ為噴施坡面田間持水量，%。

按照試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，對(duì)需要進(jìn)行翻耕的土壤進(jìn)行二次翻耕和噴施，靜置所需天數(shù)后進(jìn)行模擬試驗(yàn)和土壤物理性質(zhì)的測(cè)定。

濺蝕試驗(yàn)歷時(shí)20 min，正式降雨開始前，需對(duì)降雨強(qiáng)度進(jìn)行率定，當(dāng)率定值與目標(biāo)降雨強(qiáng)度（75 mm h-1）的差值小于5%時(shí)方可進(jìn)行正式降雨試驗(yàn)；降雨結(jié)束后，將濺蝕盤靜置12 h，去除承接土粒外盤內(nèi)積水的上層清液，然后放入105℃烘箱，烘干后將濺蝕土壤轉(zhuǎn)移至稱量紙上稱量其質(zhì)量，計(jì)算濺蝕量。

片蝕試驗(yàn)歷時(shí)30 min，正式降雨開始前需率定降雨強(qiáng)度，正式降雨開始后記錄坡面產(chǎn)流時(shí)間，按照2 min的時(shí)間步長(zhǎng)接取全部徑流泥沙樣；降雨結(jié)束后將泥沙樣進(jìn)行烘干稱重，計(jì)算徑流量和片蝕量。

風(fēng)蝕試驗(yàn)歷時(shí)2 min，試驗(yàn)開始前和結(jié)束后分別稱量土壤重，計(jì)算風(fēng)蝕量。

對(duì)于野外原位片蝕觀測(cè)試驗(yàn)，首先測(cè)定待噴施坡面的土壤前期含水量，并控制噴灑玉米秸稈汁土壤改良劑和自來水后坡面表層10 cm的土壤含水量達(dá)到田間持水量，計(jì)算玉米秸稈汁和自來水用量，然后進(jìn)行噴施；噴施過程中為保證玉米秸稈汁能自由入滲，噴施時(shí)以少噴多次為原則并控制土壤表面無明顯積水；在每次侵蝕性降雨過后，收集集流桶內(nèi)的徑流泥沙樣，烘干稱重并計(jì)算次降雨的徑流量和片蝕量。

本研究運(yùn)用Excel2007進(jìn)行數(shù)據(jù)整理以及初步分析，在SPSS18.0中采用最小顯著差異法（LSD）進(jìn)行方差分析，顯著性檢驗(yàn)的p值取0.05，用Origin8.0進(jìn)行繪圖。

2 結(jié) 果

2.1 玉米秸稈汁土壤改良劑對(duì)土壤濺蝕的影響

濺蝕是土壤侵蝕過程的前期階段和重要環(huán)節(jié)，在雨滴大小、能量等其他外界條件一定的情況下，濺蝕速率主要取決于土壤的抗侵蝕能力。噴施自來水和玉米秸稈汁土壤改良劑后，土壤抗蝕性發(fā)生變化，進(jìn)而導(dǎo)致土壤濺蝕量不同。試驗(yàn)結(jié)果表明（表2），施用玉米秸稈汁的改良組與未施用玉米秸稈汁的對(duì)照組的土壤濺蝕量表現(xiàn)出顯著性差異，在其他試驗(yàn)條件相同的前提下，改良組土壤的濺蝕量較對(duì)照組降低24.7%～78.3%。這與聚丙烯酰胺（PAM）對(duì)土壤濺蝕過程的影響不同，胡霞等［15］的研究結(jié)果表明，PAM雖能在一定程度上降低土壤侵蝕量，但卻會(huì)在很大程度上提高土壤的濺蝕速率。此外，靜置時(shí)間的增加可使土壤濺蝕量增加，但不同的處理組別增加幅度不同。具體而言，對(duì)照組組內(nèi)不同試驗(yàn)處理下的土壤濺蝕量無顯著性差異，說明靜置天數(shù)和人工翻耕對(duì)噴施自來水處理的土壤濺蝕量無顯著影響。但對(duì)于改良組，靜置處理7d的土壤濺蝕量明顯低于靜置處理14d的土壤濺蝕量；此外，人工翻耕也可增加土壤濺蝕量。

表2 模擬降雨條件下的黃綿土濺蝕量Table 2 Splash erosion of loessial soil under simulated rainfall

2.2 玉米秸稈汁土壤改良劑對(duì)坡面土壤片蝕的影響

增加土壤入滲，控制坡面產(chǎn)流以減少侵蝕是降低坡面產(chǎn)沙量的主要措施之一。表3表明，在其他試驗(yàn)條件相同的前提下，改良組的徑流量和片蝕量分別較對(duì)照組降低40.0%～43.3%和20.9%～34.5%，與魏霞等［11-12］的研究結(jié)果相比，本試驗(yàn)處理下的片蝕量減少率較低，原因可能與玉米秸稈汁濃度、供試土壤種類、機(jī)械組成、容重、降雨強(qiáng)度和坡度不同有關(guān)。靜置時(shí)間與人工翻耕對(duì)不同處理下的坡面徑流量和片蝕量的影響與對(duì)濺蝕量的影響不同。具體而言，靜置時(shí)間增加7d，對(duì)照組的徑流量降低2.7%，而改良組徑流量的變化不大；對(duì)照組的片蝕量明顯降低22.6%，而改良組片蝕量的降低幅度未達(dá)顯著水平；人工翻耕能使對(duì)照組和改良組的片蝕量分別增加17.7%和18.6%，對(duì)徑流量的影響不顯著。

為進(jìn)一步驗(yàn)證玉米秸稈汁土壤改良劑防治坡面土壤侵蝕的效果，本研究選取了發(fā)生在野外徑流小區(qū)的3場(chǎng)典型侵蝕性降雨事件，通過記錄每場(chǎng)侵蝕性降雨的降雨量、降雨歷時(shí)和降雨強(qiáng)度等基本指標(biāo)，計(jì)算入滲量、徑流量和片蝕量，分析玉米秸稈汁減少坡面片蝕量的效果。在噴施玉米秸稈汁15、35和50 d后，分別記錄3場(chǎng)侵蝕性降雨事件，結(jié)果表明（表4），改良組較對(duì)照組的徑流量和片蝕量分別降低39.9%和66.1%。對(duì)于不同的降雨類型［16］，玉米秸稈汁對(duì)坡面徑流量和片蝕量的影響不同。具體而言，施用玉米秸稈汁的試驗(yàn)處理對(duì)短歷時(shí)低強(qiáng)度降雨類型下的（場(chǎng)次1）坡面徑流量和片蝕量的減少效果最好，其徑流量和片蝕量分別較對(duì)照處理降低62.1%和72.0%；其對(duì)短歷時(shí)高強(qiáng)度降雨類型（場(chǎng)次3）的減水減沙效果也比較明顯，其徑流量和片蝕量分別較對(duì)照處理降低26.3% 和58.3%；而對(duì)長(zhǎng)歷時(shí)低強(qiáng)度的降雨類型（場(chǎng)次2），其減水減沙效果分別為41.0%和69.6%。上述結(jié)果表明，施用玉米秸稈汁減少坡面片蝕量的效果與前人有關(guān)PAM防治黃土坡面侵蝕的效果相似［17］，但是玉米秸稈汁主要通過物理過程從秸稈中直接提取，成本低，具有純天然、無人工化學(xué)成分等優(yōu)點(diǎn)，因此在防治坡面土壤侵蝕方面有一定的應(yīng)用前景。

2.3 玉米秸稈汁土壤改良劑對(duì)土壤風(fēng)蝕的影響

在三個(gè)試驗(yàn)風(fēng)速條件下，改良組的風(fēng)蝕量均顯著低于對(duì)照組的風(fēng)蝕量（圖2）?？傮w而言，在風(fēng)速為6、8和14 m s-1的風(fēng)蝕過程中，不同試驗(yàn)處理下，改良組的土壤風(fēng)蝕量較對(duì)照組的土壤風(fēng)蝕量分別降低25.0%～64.6%、31.0%～52.9%和24.5%～43.2%，且隨著風(fēng)速的增加，風(fēng)蝕量降低的程度減少，說明在較小風(fēng)速時(shí)，玉米秸稈汁土壤改良劑防治土壤風(fēng)蝕的效果較好。就不同的靜置天數(shù)而言，與對(duì)照處理相比，靜置7和14 d并施用玉米秸稈汁的土壤風(fēng)蝕量分別降低25.0%～64.6% 和31.0%～52.9%，說明靜置天數(shù)的長(zhǎng)短對(duì)降低土壤風(fēng)蝕量的效果差別不大。就人工翻耕而言，在6、8和14 m s-1的風(fēng)速條件下，施用玉米秸稈汁土壤的風(fēng)蝕量較對(duì)照組分別降低43.2%、27.4%和24.5%，降低程度明顯小于未進(jìn)行翻耕處理的土壤，說明人為擾動(dòng)土壤會(huì)削弱玉米秸稈汁防治土壤風(fēng)蝕的效果。

表3 模擬降雨條件下黃綿土坡面的徑流量和片蝕量Table 3 Runoff amount and sheet erosion amount of loessial hillslope under simulated rainfall

表4 天然降雨條件下黃綿土坡面的徑流量和片蝕量Table 4 Runoff amount and sheet erosion amount of loessial hillslope under natural rainfall

3 討 論

圖2 模擬風(fēng)洞不同風(fēng)速條件下（6、8和14 m s-1）黃綿土的風(fēng)蝕量Fig. 2 Wind erosion amount of loessial soil under simulated wind with different wind speeds（6，8 and 14 m s-1）

在外部條件相同的前提下，土壤侵蝕強(qiáng)度大小主要由土壤本身的性質(zhì)決定。土壤崩解與土壤侵蝕過程密切相關(guān)，土壤靜水崩解速率作為評(píng)價(jià)土壤抗侵蝕能力強(qiáng)弱的指標(biāo)已經(jīng)在全國(guó)，特別是在黃土高原地區(qū)得到了廣泛的應(yīng)用，該指標(biāo)能在一定程度上反映土壤濺蝕的強(qiáng)弱［18］。試驗(yàn)結(jié)果表明（表5），玉米秸稈汁土壤改良劑能顯著提高黃綿土的抗侵蝕能力，對(duì)照組黃綿土15min的靜水崩解量大于96.5%，而改良后的黃綿土靜水崩解量小于2.5%，較對(duì)照組降低了97.4%～98.5%。就噴施玉米秸稈汁后的靜置時(shí)間（7和14 d）和地面條件（翻耕和不翻耕）而言，組內(nèi)的靜水崩解量差異均不顯著，說明玉米秸稈汁處理對(duì)土壤靜水崩解速率起決定性作用，其他因素諸如靜置時(shí)間和地面條件對(duì)土壤靜水崩解速率的影響也不明顯。在濺蝕過程初期，土壤微團(tuán)聚體的干土濺散是濺蝕量的主要來源，隨著降雨過程的進(jìn)行，土壤逐漸濕潤(rùn)，大團(tuán)聚體的破碎、崩解為土壤濺蝕提供了另一物質(zhì)來源。隨著靜置天數(shù)的增加，玉米秸稈汁處理的土壤靜水崩解量增加，由大團(tuán)聚體破碎形成的微團(tuán)聚體的量也在增加，使土壤濺蝕量呈增加趨勢(shì)。人工翻耕同樣破壞了土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)（圖3），增加了土壤靜水崩解速率，進(jìn)而增加了土壤濺蝕量。

良好的土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)能增大土壤的通氣透水能力，防止板結(jié)、龜裂，提高土壤的抗蝕性和抗沖性，進(jìn)而達(dá)到防治土壤水蝕和風(fēng)蝕的目的［19］。由圖3可知，未經(jīng)任何處理的黃綿土（CK）＜ 0.25 mm的微團(tuán)聚體含量大于60%，大團(tuán)聚體含量甚少。試驗(yàn)結(jié)果表明，玉米秸稈汁土壤改良劑能顯著減少微團(tuán)聚體并促進(jìn)大團(tuán)聚體的形成。與CK相比，添加玉米秸稈汁并處理7、14 d后的黃綿土，＜0.25 mm的微團(tuán)聚體分別減少了56.3%、58.2%，＞2 mm的大團(tuán)聚體分別增加了2.7倍和3.1倍；與噴灑自來水的黃綿土相比，添加玉米秸稈汁并處理7、14 d后的黃綿土，＜0.25 mm的微團(tuán)聚體分別減少了51.6%、47.0%，＞2 mm的大團(tuán)聚體分別增加了1.2倍、0.9倍。這可能與玉米秸稈汁中含有大量有機(jī)物有關(guān)，有關(guān)學(xué)者對(duì)玉米秸稈汁/莖干汁的主要成分（糖、礦質(zhì)元素、氨基酸）進(jìn)行了分析［12，20］，他們指出成熟期玉米秸稈汁中果糖和蔗糖含量分別可達(dá)11.7 和2.0 mg ml-1，而糖類物質(zhì)是良好的膠結(jié)劑，可以有效促進(jìn)微團(tuán)聚體形成大團(tuán)聚體。

表5 不同試驗(yàn)處理下的土壤靜水崩解量Table 5 Soil disintegration relative to treatment in the experiment

圖3 不同試驗(yàn)處理下土壤樣品的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)Fig. 3 Composition of soil aggregates relative to treatment

不同風(fēng)速條件下土壤風(fēng)蝕量的大小與土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，當(dāng)風(fēng)速為起沙風(fēng)速時(shí)（6 m s-1），＜ 0.5 mm團(tuán)聚體是風(fēng)蝕搬運(yùn)的主要物質(zhì)來源，該粒級(jí)團(tuán)聚體的含量與風(fēng)蝕量的大小有正相關(guān)關(guān)系。隨著風(fēng)速的增大，被吹蝕團(tuán)聚體的粒級(jí)也逐漸增大，大團(tuán)聚體逐漸成為風(fēng)蝕物質(zhì)的主要來源。但試驗(yàn)結(jié)果表明，＞ 5 mm的大團(tuán)聚體含量與14 m s-1風(fēng)速下的土壤風(fēng)蝕量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，說明該粒級(jí)團(tuán)聚體極不易被吹蝕，被吹蝕的主要是＜ 5 mm的團(tuán)聚體，因而增大該粒級(jí)團(tuán)聚含量能有效降低較大風(fēng)速條件下土壤的風(fēng)蝕量。

另一方面，大團(tuán)聚體含量的增加和微團(tuán)聚體含量的降低也有助于降低土壤片蝕量。具體而言，靜置時(shí)間增加7 d，添加玉米秸稈汁土壤改良劑處理的黃土坡面＞ 2 mm大團(tuán)聚體含量增加8.8%，片蝕量也隨之降低7.3%；人工翻耕同樣會(huì)促進(jìn)大團(tuán)聚體的破碎，微團(tuán)聚體的形成，從而使片蝕量大于未進(jìn)行人工翻耕的坡面。因此，在施用玉米秸稈汁時(shí)，應(yīng)盡量確保一次性足量施用，避免施用后坡面的人為擾動(dòng)。

從土壤物理性質(zhì)角度分析，水蝕是雨滴對(duì)土粒的擊濺剪切作用和徑流對(duì)土體的沖刷剪切作用的綜合過程，其破壞形式大多數(shù)為剪切破壞，所以土壤抗剪強(qiáng)度是水土流失評(píng)價(jià)中反映土壤物理特性的重要指標(biāo)之一［21］，它與土壤類型、水穩(wěn)性團(tuán)聚體、黏粒含量和有機(jī)質(zhì)含量等有關(guān)［22］。由表6可知，玉米秸稈汁土壤改良劑能顯著增加土壤的抗剪強(qiáng)度，且隨著靜置天數(shù)的增加，對(duì)照組和改良組的土壤抗剪強(qiáng)度均隨之增加。具體而言，與對(duì)照組相比，施用玉米秸稈汁并靜置7和14 d的土壤其抗剪強(qiáng)度分別增加了140.0%和97.9%，與之對(duì)應(yīng)，坡面土壤片蝕量降低了34.5%和21.5%；人工翻耕對(duì)土壤抗剪強(qiáng)度的影響也不容小視，人工翻耕處理分別使對(duì)照組和改良組的土壤抗剪強(qiáng)度降低了63.1% 和49.5%，與之對(duì)應(yīng)，坡面土壤片蝕量分別增加了17.7%和18.6%。

土壤硬度是土壤的重要物理性質(zhì)之一，是土壤物理及化學(xué)組成的綜合表現(xiàn)，對(duì)土壤通氣透水性、坡面土壤抗風(fēng)蝕能力、抗雨滴打擊能力和抗徑流沖刷能力等均具有重要影響。試驗(yàn)結(jié)果表明（表6），施用玉米秸稈汁土壤改良劑坡面的土壤硬度大于施用自來水坡面的土壤硬度，且隨著靜置天數(shù)由7 d增加至14 d，玉米秸稈汁對(duì)土壤硬度的影響逐漸增大，與對(duì)照處理相比，施用玉米秸稈汁并靜置7和14 d的土壤硬度分別提高了11.4%和127.5%。有關(guān)研究指出［23］，土壤硬度隨土壤含水量的降低而增大，這可以用來解釋本研究中B1處理的土壤硬度較A1處理的大36.9%（A1和B1處理的土壤含水量分別為12.0%和9.7%）；然而，與對(duì)照處理相比，A2和B2處理的土壤含水量分別為12.9%和12.8%，均大于對(duì)照處理，但土壤硬度卻顯著高于對(duì)照處理，土壤硬度并未隨土壤含水量的增大而增大，所以本研究認(rèn)為這是玉米秸稈汁中大量有機(jī)質(zhì)本身膠結(jié)作用的結(jié)果，這種膠結(jié)作用增加了土壤顆粒間的膠粘力，促進(jìn)了土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的形成，增加了土壤的緊實(shí)程度，從而提高了土體的水穩(wěn)結(jié)構(gòu)和抗蝕強(qiáng)度。

表6 不同試驗(yàn)處理下的土壤抗剪強(qiáng)度和土壤硬度Table 6 Soil shear strength and soil hardness relative to treatment

4 結(jié) 論

噴施玉米秸稈汁土壤改良劑可以有效降低黃綿土的濺蝕、片蝕和風(fēng)蝕量，降低幅度分別介于24.7%～78.3%、20.9%～34.5%和24.5%～64.6%之間。天然降雨條件下，施用玉米秸稈汁的試驗(yàn)處理對(duì)短歷時(shí)低強(qiáng)度降雨類型下的坡面徑流量和片蝕量的減少效果最好，其值分別降低62.1%和72.0%。人工翻耕可降低玉米秸稈汁土壤改良劑防治黃綿土濺蝕、片蝕和風(fēng)蝕的效果，但靜置天數(shù)的長(zhǎng)短對(duì)玉米秸稈汁防治黃綿土侵蝕的影響不同。玉米秸稈汁土壤改良劑可使不同試驗(yàn)處理下的黃綿土靜水崩解速率降低97.4%～98.5%、土壤抗剪強(qiáng)度增加97.9%～171.2%、土壤硬度增加11.4%～127.5%，＜0.25 mm微團(tuán)聚體降低46.9%～51.6%，＞ 2 mm團(tuán)聚體增加88.1%～129.7%。玉米秸稈汁土壤改良

劑通過增加黃綿土的土壤抗剪強(qiáng)度和硬度，膠結(jié)土壤微團(tuán)聚體，提高土壤中大團(tuán)聚體的百分含量來降低土壤靜水崩解速率、濺蝕量、片蝕量和風(fēng)蝕量，是一種良好的防治坡面水蝕和風(fēng)蝕的土壤改良劑，在施用玉米秸稈汁時(shí)，應(yīng)盡量一次噴施完畢并避免人為土壤擾動(dòng)。

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Effect of A New Soil Amendment — Corn Stalk Sap on Loessial Soil Antierodibility

QIN Chao1ZHENG Fenli1，2?LIU Peifeng3XU Ximeng1WU Hongyan1WANG Yike3
（1 State Key Laboratory of Soil Erosion and Dryland Farming on Loessial Plateau，Institute of Soil and Water Conservation，Northwest A&F University，Yangling，Shaanxi 712100，China）
（2 Institute of Soil and Water Conservation，CAS & MWR，Yangling，Shaanxi 712100，China）
（3 Innovative Experimental College，Northwest A&F University，Yangling，Shaanxi 712100，China）

【Objective】Modifying soil physical properties is an important approach to improving soil anti-erodibility. As by-product of some industries，corn stalk sap is often discharged as waste. Recent studies have demonstrated that spraying corn stalk sap in the field may control sheet erosion. However，little is available in literature regarding effects of corn stalk sap controlling splash erosion and wind erosion. 【Method】In this study，a new soil amendment consisting 95%～97% corn stalk sap and 3%～5% preservative（sodium benzoate）was tested in a field subjected to artificial rainfalls，winds and in situ observation to explore its effects of controlling splash，sheet，and wind erosion of loessial soil and their mechanisms. The experiment was designed to have two treatments for ingredient of the spray（corn stalk sap and tap water，the same in spraying volume），two treatments for standing time after spraying（7 and 14 d）and two treatments for soil tillage condition（with and without manual plough）. 【Result】Results show that corn stalk sap was quite effective in controlling water and wind erosion of loessial soil. Under simulated rainfalls，it reduced splash erosion by 24.7%～78.3%，runoff by 35.3%～45.3% and sheet erosion by 20.9%～34.5%. Under natural rainfalls，the effects varied with rainfall pattern. When the rain was short in duration and low in intensity its effects reached the highest，with runoff and sheet erosion reduced by 62.1% and 72.0%. But when the rain was long in duration and high in intensity，it reduced runoff and sheet erosion by 26.3% and 58.3% and when the rain was short in duration and high in intensity，it did by 41.0% and 69.6%，respectively. Under the same standing time and soil tillage condition，its effect of reducing sediment yield was higher than that of reducing runoff. Under the condition of 6，8 and 14 m s-1in wind speed，it reduced wind erosion by 25.0%～64.6%，31.0%～52.9% and 24.5%～43.2%，respectively，as compared with those in the control treatments. Manual tillage significantly increased water and wind erosion. Besides the effects of spraying corn stalk sap on various types of erosion varied with standing time and tillage. By increasing soil shear strength and soil hardness，promoting formation of soil micro-aggregates，spraying cornstalk sap reduced soil erosion of any types. After spraying corn stalk sap，soil disintegration decreased by 97.4%～98.5%；soil shear strength and soil hardness increased by 98.1%～171.2% and 11.4%～127.5%，respectively；proportion of soil aggregates with diameter＜0.25 mm decreased by 46.9%～51.6%；and proportion of soil macro-aggregates with diameter＞2 mm increased by 88.1%～129.7%. 【Conclusion】Corn stalk sap is proved to be a practical soil amendment for control of water and wind erosion of the soil. It is，therefore，suggested that spraying of corn stalk sap be finished without suspending，so as to avoid any further human disturbance of the soil sprayed with corn stalk sap.

Splash erosion；Sheet erosion；Wind erosion；In situ observation；Corn stalk；Soil amendment

S157

A

10.11766/trxb201606130213

（責(zé)任編輯：檀滿枝）

* 國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41271299）西北農(nóng)林科技大學(xué)國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目（20140712004）和黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目（A31402143-C2）資助 Supported by the National Natural Science Foundation of China（No. 41271299），the Northwest A&F University National Foundation of College Students Innovation Project（No. 20140712004）. and Special-Funds of Scientific Research Programs of State Key Laboratory of Soil Erosion and Dryland Farming on the Loess Plateall（A314021403-C2）

? 通訊作者 Corresponding author，E-mail：flzh@ms.iswc.ac.cn

覃 超（1989—），男，廣西桂林人，博士研究生，主要從事土壤侵蝕過程與機(jī)理研究。E-mail：glqinchao@ nwsuaf.edu.cn

2016-06-13；

2016-10-08；優(yōu)先數(shù)字出版日期（www.cnki.net）：2016-11-14