祁 志，韓 興，丁 超，胡 偉，張興義

填埋復(fù)墾侵蝕溝的導(dǎo)排水功能和秸稈腐解速率

祁 志1，韓 興1，丁 超1，胡 偉2，張興義2※

（1. 吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，長(zhǎng)春 130118；2. 中國(guó)科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所，哈爾濱 150081）

秸稈填埋復(fù)墾技術(shù)主要用于修復(fù)東北地區(qū)耕地中的侵蝕溝，研究復(fù)墾后原溝道的導(dǎo)排水能力以及秸稈的腐解速率，旨在為溝毀耕地修復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。該研究在黑龍江省海倫市光榮村選取一條復(fù)墾后的侵蝕溝為試驗(yàn)區(qū)，對(duì)土壤入滲能力、滲井入滲能力、秸稈層的持水能力、復(fù)墾后的土體排水能力系統(tǒng)測(cè)定分析，評(píng)價(jià)復(fù)墾后的導(dǎo)排水能力；對(duì)填埋不同年限的秸稈取樣分析，評(píng)價(jià)秸稈腐解速率。結(jié)果表明：1）復(fù)墾后原溝道位秸稈層儲(chǔ)水量為463 kg/m3，雨季產(chǎn)生徑流能夠完全被秸稈層儲(chǔ)存，復(fù)墾后耕地能承受44～80 mm/h的均勻降雨，95%的地表匯流轉(zhuǎn)為地下徑流，大大減少徑流對(duì)地表的沖刷，實(shí)現(xiàn)了變地表徑流為地下導(dǎo)排水，復(fù)墾后未二次沖刷成溝。2）秸稈捆的厚度平均每年下降1.4 cm，秸稈層下降部分可被春季翻耕以及雨季匯流帶來的泥沙沉積填充，復(fù)墾后原溝道位未出現(xiàn)塌陷。3）經(jīng)過20 a的填埋，秸稈不同組分的腐解速率不同，其中半纖維素與纖維素腐解較快，木質(zhì)素幾乎不發(fā)生腐解，其占比由26.8%上升至38.8%。填埋的秸稈長(zhǎng)期處于厭氧環(huán)境，且被水浸泡，加之約半年處于凍結(jié)狀態(tài)故腐解緩慢。秸稈填埋侵蝕溝，可以修復(fù)溝毀耕地，實(shí)現(xiàn)復(fù)墾和地塊的完整，可廣泛用于東北黑土區(qū)約20萬條耕地中侵蝕溝的修復(fù)。

復(fù)墾；導(dǎo)排水；腐解；秸稈；侵蝕溝；黑土區(qū)

0 引 言

東北黑土區(qū)是中國(guó)除黃土高原外溝道侵蝕最為嚴(yán)重的區(qū)域[1]，東北黑土區(qū)侵蝕溝60%以上發(fā)生于坡耕地[2]，耕地中侵蝕溝最突出的特點(diǎn)是形態(tài)大小各異[3-4]，在損毀農(nóng)田、糧食減收的同時(shí)，還造成土地支離破碎，阻擋機(jī)械作業(yè)，降低農(nóng)機(jī)工作效率，阻礙現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展[5-8]。因此耕地中侵蝕溝是目前東北黑土區(qū)危害最大的水土流失現(xiàn)象，將侵蝕溝進(jìn)行填埋，撫平耕地是農(nóng)民最希望的侵蝕溝治理方式[9-10]。此外現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展，必然要走機(jī)械化農(nóng)耕道路，地塊的完整性是其重要的前提保證。

面對(duì)東北黑土區(qū)侵蝕溝數(shù)量增加、多為發(fā)展溝等溝道侵蝕加劇的系列問題，黑土區(qū)已形成了一系列效果顯著的侵蝕溝生態(tài)修復(fù)措施，主要包括植物封溝、植物為主工程為輔和工程為主植物為輔侵蝕溝治理模式[11]?？傮w思路是先將發(fā)展的侵蝕溝穩(wěn)定，再進(jìn)行植被措施，生態(tài)封育，治理后的侵蝕溝完全被林草覆蓋，溝道成為穩(wěn)固的導(dǎo)排水通道，溝道侵蝕速率大大降低。但對(duì)大多發(fā)育形成于耕地中的侵蝕溝，若采取栽植水保林措施，勢(shì)必要減少耕地，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成影響，耕地經(jīng)營(yíng)者不愿意接受。如能采取有效措施，將耕地中的侵蝕溝通過填埋消除，且能保證不再重新發(fā)育成溝，不但對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有益，還將成為農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展的重要保障，無論是對(duì)耕種者還是國(guó)家都將有重要意義。在國(guó)家“十三五”重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目的支持下，創(chuàng)新研發(fā)了基于秸稈填埋的侵蝕溝復(fù)墾技術(shù)，復(fù)墾使耕地修復(fù)并種植[12-14]，增加了糧食的產(chǎn)量，地塊的完整性得到恢復(fù)，提升了農(nóng)機(jī)作業(yè)效率；還為秸稈利用提供了一種新途徑。2019年黑龍江省秸稈量達(dá)到1.3億t，占全國(guó)總量的1/8[15]，秸稈資源過剩無法處理最終焚燒污染大氣環(huán)境，使用秸稈填埋侵蝕溝，能夠就地利用秸稈，提高農(nóng)業(yè)資源利用率。

侵蝕溝秸稈填埋復(fù)墾總體技術(shù)路線為溝底中線布設(shè)暗管排水，下層用壓實(shí)打捆的秸稈填埋，上層覆蓋表土，耕地中的侵蝕溝消失，機(jī)械自由行走，溝毀耕地再造并墾殖。要達(dá)到此復(fù)墾目的，填埋后的原侵蝕溝仍處在匯水線上，地表徑流匯集的股流需及時(shí)滲入土中，并經(jīng)過秸稈層通過暗管導(dǎo)排出田塊，侵蝕溝填埋復(fù)墾后導(dǎo)排水能力決定著股流是否在地表重新打出溝，故需對(duì)土體垂直入滲能力、暗管導(dǎo)排水能力進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)定。其次，秸稈作為有機(jī)物必定發(fā)生腐解，秸稈腐解速率過快會(huì)導(dǎo)致表土塌陷，故需對(duì)秸稈腐解速率進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)定。構(gòu)建的暗管導(dǎo)排水系統(tǒng)的導(dǎo)排水能力和秸稈的腐解速率決定著秸稈填埋侵蝕溝復(fù)墾的成功與否。本文在復(fù)墾后的侵蝕溝處建立觀測(cè)試驗(yàn)場(chǎng)，對(duì)土壤入滲、滲井垂直入滲、秸稈層持水、暗管的排水能力進(jìn)行系統(tǒng)試驗(yàn)測(cè)定，評(píng)價(jià)復(fù)墾后的導(dǎo)排水能力；對(duì)填埋不同年限的秸稈進(jìn)行取樣測(cè)定，定量評(píng)價(jià)秸稈腐解速率，并對(duì)秸稈填埋侵蝕溝復(fù)墾技術(shù)實(shí)施后的各項(xiàng)功能進(jìn)行定量評(píng)價(jià)，為該技術(shù)的推廣應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究地點(diǎn)位于東北典型黑土區(qū)中部，黑龍江省海倫市光榮村（47°21′22.52′′N，126°49′56.71′′E），屬漫川漫崗典型水土流失區(qū)，商品糧核心產(chǎn)區(qū)。屬于中溫帶大陸性氣候，四季分明，降水集中，近90%集中在5－9月份，多年平均降雨530 mm，年均氣溫1.5 ℃。光榮村墾殖率達(dá)80%，其中坡耕地占90%以上，平均坡度為2.55°，主要作物為大豆和玉米，一年一季，旋耕壟作[16]。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1 導(dǎo)排水能力

試驗(yàn)區(qū)選取光榮村2017年秋收后利用秸稈填埋的1條侵蝕溝復(fù)墾示范溝（圖1），屬發(fā)育于橫坡壟作耕地中的小型切溝，溝長(zhǎng)280 m，平均溝寬3 m，溝深1.5 m，切溝上端與2條分叉的淺溝相連，淺溝長(zhǎng)各約100 m，延伸到分水嶺處，溝尾與橫向交叉的一條中型溝連接。匯水區(qū)面積8.06 hm2，平均坡度3.84°，橫坡壟作，橫向條帶種植大豆和玉米。

復(fù)墾后的溝道位主要由鋪設(shè)于溝底中部的暗管、秸稈層以及覆土50 cm的表土層組成，溝道位上部與中部設(shè)置2個(gè)表面積4 m2的滲井，滲井內(nèi)無秸稈捆，內(nèi)填直徑約3 cm的碎石，滲井的背水面橫向修筑50 cm高的弧形土埂用以截流，在暗管出口處修筑鋼筋混凝土護(hù)墻（圖2），在護(hù)墻上端中部和下端暗管出口處用PVC管連接XYZ-I水土流失自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備[17]，對(duì)地表、地下暗管排出的徑流進(jìn)行全年監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)內(nèi)容為徑流過程和輸沙量（圖1）。

圖1 復(fù)墾溝及其匯水區(qū)、滲井、監(jiān)測(cè)設(shè)備布設(shè)位置

1.表層覆土 2.滲井 3.截留埂 4.土體垂直入滲 5.滲井垂直入滲 6.地表徑流 7.水泥筑鋼筋混凝土護(hù)墻 8.秸稈捆 9.暗管 10.暗管排水

1.2.2 秸稈腐解過程

秸稈腐解試驗(yàn)場(chǎng)位于黑龍江省引龍河農(nóng)場(chǎng)（48°45′N，126°36′E），地處小興安嶺南緣丘陵地帶，年降雨量在450～550 mm，年有效積溫2 100 ℃左右，無霜期105～118 d。引龍河農(nóng)場(chǎng)于1999年嘗試將多余秸稈打捆填入溝中，最早使用這種填溝方式對(duì)溝道進(jìn)行修復(fù)。本研究選取填埋0、3、7、13、20 a的秸稈捆進(jìn)行挖掘，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定不同填埋年限秸稈捆的厚度，并對(duì)秸稈捆取樣，室內(nèi)測(cè)定秸稈容重和組分，換算得到秸稈捆體積、質(zhì)量及組分含量。

1.3 測(cè)定指標(biāo)

1）土體垂直入滲能力。在光榮村示范溝，分別于2019年5月11日、6月15日、8月15日、9月11日使用雙環(huán)入滲法[18]對(duì)匯水區(qū)復(fù)墾溝道位、耕地橫向坡坡上和坡中位置的表層土壤進(jìn)行入滲速率的測(cè)定，。

2）滲井入滲能力。在光榮村示范溝滲井處使用人工注水法測(cè)定，人工向滲井注水，當(dāng)滲井無法滲水，滲井表面開始積水時(shí)，測(cè)定地表積水時(shí)最大水流量，即注水量為滲井最大入滲量。

3）秸稈層持水能力。將風(fēng)干后的秸稈捆緊實(shí)碼放在一定空間，然后向內(nèi)注水，當(dāng)水剛露出秸稈捆表面時(shí)，計(jì)算單位體積水量，即為秸稈捆最大儲(chǔ)水量；將飽和后的秸稈捆取出，不再有水淋出時(shí)，稱質(zhì)量，經(jīng)體積換算得出秸稈捆的持水能力，之后根據(jù)體積換算得出整個(gè)秸稈層的持水能力。

4）復(fù)墾后暗管排水能力。2019年春季使用XYZ-I無動(dòng)力水土流失監(jiān)測(cè)設(shè)備（中國(guó)科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所海倫黑土水土保持監(jiān)測(cè)研究站自主研發(fā)）全年進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)，每場(chǎng)降雨過后，人工收取集流瓶中水樣并測(cè)定泥沙量。獲得單次和全年累計(jì)地表和地下徑流量，地表輸沙量。

5）降雨等氣象觀測(cè)。由距離示范溝300 m的中國(guó)科學(xué)院海倫水土保持監(jiān)測(cè)研究站的氣象站獲取2019年海倫市光榮村降雨量數(shù)據(jù)。

6）秸稈總量測(cè)定。將填埋于地下的秸稈捆挖出，使用皮尺測(cè)定其規(guī)格，將整捆秸稈帶回實(shí)驗(yàn)室，洗去秸稈捆中土壤并烘干，測(cè)定秸稈的質(zhì)量及容重。同時(shí)測(cè)量填埋時(shí)未腐解秸稈捆（40 cm×50 cm×60 cm）的質(zhì)量和容重。

7）秸稈組分測(cè)定。將秸稈樣品進(jìn)行洗滌烘干，分別使用ADF（酸性洗滌纖維）[19]、NDF（中性洗滌纖維）[20]、ADL（酸性洗滌木質(zhì)素）[21]的方法對(duì)秸稈半纖維素、纖維素、木質(zhì)素含量進(jìn)行測(cè)定。

1.4 數(shù)據(jù)分析

通過載波相位差分技術(shù)（RTK，Real-time kinematics）測(cè)量地理坐標(biāo)結(jié)合無人機(jī)攝影，使用ArcGIS軟件獲得匯水區(qū)的等高線和匯水區(qū)二維平面圖，利用Excel軟件進(jìn)行分析，使用Sigmaplot12.5對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 侵蝕溝填埋復(fù)墾后導(dǎo)排水能力

2.1.1 土體垂直入滲能力

匯水區(qū)復(fù)墾后的原侵蝕溝道位地表土壤的入滲存在季節(jié)差異。復(fù)墾后的原侵蝕溝道位的面積為840 m2，如圖3所示。5、6、8、9月地表土壤穩(wěn)滲速率分別為0.8、0.6、0.4、0.2 mm/min；垂直入滲雨水分別為672、504、336、168 kg/min，分別相當(dāng)于48、36、24、12 mm/h的均勻降雨量。5、6月份復(fù)墾后的原侵蝕溝道位土體垂直入滲速率較強(qiáng)，地表徑流可及時(shí)入滲，這主要是由于春季土地經(jīng)過耕作整地及中耕，表層土壤較為疏松，導(dǎo)致土壤入滲能力較強(qiáng)。而8、9月份復(fù)墾原侵蝕溝道位土體垂直入滲能力明顯減弱，地表徑流無法及時(shí)入滲，主要是由于雨季降雨導(dǎo)致表層土壤自然回實(shí)，降低入滲能力[22]。

圖3 2019年試驗(yàn)溝土體垂直入滲入滲能力

匯水區(qū)坡耕地土壤的入滲速率存在空間差異。除侵蝕溝道面積外，匯水區(qū)坡耕地面積為7.976 hm2，5月份耕地坡上和坡中的穩(wěn)滲速率分別為1.2和0.8 mm/min，垂直入滲量分別為47.86和31.91 t/min，相當(dāng)于72和48 mm/h的均勻降雨量；6月份耕地坡上和坡中的穩(wěn)滲速率分別為0.8和0.6 mm/min，垂直入滲量分別為31.91和23.93 t/min，相當(dāng)于48和36 mm/h的均勻降雨量；8月份耕地坡上和坡中的穩(wěn)滲速率分別為0.6和0.5 mm/min，垂直入滲量分別為23.93和19.94 t/min，相當(dāng)于36和30 mm/h的均勻降雨量，9月份耕地坡上和坡中的穩(wěn)滲速率分別為0.7和0.3 mm/min，垂直入滲量分別為27.92和11.96 t/min，相當(dāng)于42和18 mm/h的均勻降雨量。耕地坡上土體垂直入滲能力較強(qiáng)，即使在雨季耕地也能承受36 mm/h以上的均勻降雨，耕地坡上的入滲能力為復(fù)墾原溝道位入滲能力的1.3～3.5倍，8、9月份尤其明顯，主要是由于溝道復(fù)墾后依然處于匯水線處，地勢(shì)較普通耕地低，雨季徑流由于地勢(shì)原因匯集于此，溝道復(fù)墾位長(zhǎng)時(shí)間處于飽和狀態(tài)加之泥沙沉積，導(dǎo)致地表土壤入滲能力較差（圖3）。耕地坡上的入滲能力為耕地坡中入滲能力的1.2～2.3倍，主要是由于地形原因，雨季徑流順坡而下，坡中土壤長(zhǎng)期處于飽和狀態(tài)，導(dǎo)致坡中土壤入滲較差。相較于溝道復(fù)墾位，坡中土壤的入滲略強(qiáng)，能達(dá)到溝道復(fù)墾位入滲速率的1.0～1.5倍，差異主要體現(xiàn)在雨季。

2.1.2 滲井入滲能力

人工注水試驗(yàn)表明滲井的最大垂直入滲速率為57 kg/(min·m2)，試驗(yàn)區(qū)的復(fù)墾溝在復(fù)墾溝道位修筑滲井（圖1），每個(gè)滲井表面積為4 m2，滲水速率456 kg/min。修筑滲井之后，滲井入滲加之復(fù)墾溝道位土體入滲，5、6、8、9月份復(fù)墾溝道位匯流垂直入滲速率顯著增加，入滲量分別達(dá)到1 128、960、792、624 kg/min，相當(dāng)于80、68、56、44 mm/h的均勻降雨量。由于復(fù)墾位地勢(shì)較低，雨季徑流多匯集于此，僅僅依靠土體垂直入滲能力，不能及時(shí)將地表徑流導(dǎo)入地下，修筑滲井之后，復(fù)墾溝道位能承受相當(dāng)于44 mm/h的均勻降雨的徑流量，地表徑流能夠及時(shí)導(dǎo)入地下。

2.1.3 秸稈層持水能力

通過人工注水試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，秸稈層的持水能力為463 kg/m3，試驗(yàn)區(qū)的復(fù)墾溝秸稈層的體積為1 260 m3，折算儲(chǔ)水總量為583.38 m3，秸稈層儲(chǔ)存的水經(jīng)暗管緩慢逐漸排出。2019年地下排出的水總量為418.2 m3（表1），說明秸稈層完全能夠?qū)⒁荒甑叵聫搅鞔鎯?chǔ)，之后再由暗管緩慢排出。

表1 2019年試驗(yàn)溝地表、地下徑流產(chǎn)沙

2.1.4 復(fù)墾后暗管排水能力

復(fù)墾溝地表徑流能否及時(shí)導(dǎo)入地下并排出是此項(xiàng)技術(shù)的核心，實(shí)際降雨的雨強(qiáng)是不均勻的，當(dāng)雨強(qiáng)過大時(shí)，降雨無法通過表層土壤完全入滲，此時(shí)將產(chǎn)生地表徑流，由于復(fù)墾溝到位較周圍地勢(shì)低，徑流匯集到復(fù)墾后的溝道位形成股流，股流再通過滲井滲入秸稈層，部分匯流未能及時(shí)滲入秸稈層，沿溝線排出田面。通過對(duì)復(fù)墾溝地表、地下徑流的監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，2019年地表產(chǎn)流僅為19.5 t，地下產(chǎn)流達(dá)到了418.2 t，95.5%的徑流通過滲井入滲和土壤垂直入滲進(jìn)入秸稈層，之后緩慢排出，這大大減少地表徑流對(duì)表土的沖刷。例如2019年7月一場(chǎng)63 mm的降雨（圖4），通過地表流出田塊的徑流量為5 m3；而通過地下排出的徑流量為36 m3，88%的徑流由地下導(dǎo)排，且隨時(shí)間的推移，地下徑流趨緩（圖5和表1）。由于滲井與暗管的導(dǎo)排作用，加之溝道線橫向壟作，有效地減緩和減少了地表徑流，進(jìn)而降低了出口的輸沙量，2019年復(fù)墾溝匯水區(qū)出口輸沙量為4.2 t，土壤侵蝕模數(shù)為0.52 t/hm2，主要發(fā)生于7月5日、7月16日和8月6日，降雨量分別為63、45.4和47 mm的3場(chǎng)降雨（圖4），雖徑流量較大，但徑流中泥沙含量低，輸沙量小。雨季前期，土壤較為疏松，產(chǎn)流后泥沙含量高，土壤侵蝕強(qiáng)[7]，而進(jìn)入雨季中后期，由于土壤自然回實(shí)，加之植被封育，土壤流失量顯著降低。

圖4 2019年7月一場(chǎng)降雨復(fù)墾溝地表、地下徑流

圖5 2019年5－10月復(fù)墾溝地表、地下徑流

由于地勢(shì)的原因，雨季徑流由原溝道兩側(cè)向溝道中間的匯水線匯集，徑流將壟溝中的泥沙攜帶并堆積于溝道復(fù)墾位處，整個(gè)匯水區(qū)的面積為8.06 hm2，根據(jù)中國(guó)科學(xué)院海倫水土保持監(jiān)測(cè)研究站標(biāo)準(zhǔn)徑流場(chǎng)3°橫坡壟作監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示2019年產(chǎn)沙量為0.083 t，因此，可估算出復(fù)墾溝匯水區(qū)2019年產(chǎn)沙量達(dá)到66.97 t，隨地表徑流流入排水溝的泥沙僅為4.2 t，剩余62.77 t泥沙全都集中與溝道復(fù)墾位，其面積為840 m2，62.77 t泥沙全部鋪在該區(qū)域，厚度可達(dá)5.8 cm，即隨徑流至少可給復(fù)墾區(qū)帶來5.8 cm厚的覆土，可彌補(bǔ)秸稈腐解造成的表土下陷。

2.2 秸稈腐解速率

2.2.1 秸稈總量變化

對(duì)填埋不同年限的秸稈捆進(jìn)行取樣分析，秸稈捆的厚度、容重、質(zhì)量、體積均逐年下降，填埋前的秸稈捆厚度為40 cm，經(jīng)過3、7、13和20 a的填埋之后，秸稈捆的厚度分別下降為25.2、19.0、13.5和12.0 cm（表2），厚度下降率為1.4 cm/a。秸稈捆的厚度雖然在不斷下降，但下降的速率較緩，即使是腐解最快的前3 a，也僅僅下降了14.8 cm，年均下降4.9 cm，2019年監(jiān)測(cè)溝道線年泥沙沉積厚度為5.8 cm，加之每年的旋耕秋整地，這4.9 cm的塌陷將會(huì)被表土重新覆蓋，因此復(fù)墾后溝道位不會(huì)坍塌，現(xiàn)場(chǎng)僅能看到一條淺的水線（圖6），未影響機(jī)械橫向通行；填埋前的秸稈捆的容重為0.113 g/cm3，經(jīng)過3、7、13和20 a的填埋之后，容重分別下降為0.076、0.068、0.056和0.053 g/cm3（表2），秸稈捆中秸稈的容重下降的主要原因是秸稈發(fā)生腐解，同時(shí)土壤進(jìn)入秸稈捆中，導(dǎo)致同等體積下秸稈的質(zhì)量下降。填埋前的秸稈捆質(zhì)量為13.5 kg，經(jīng)過3、7、13和20 a的填埋之后，秸稈捆的質(zhì)量分別下降為5.89、3.89、2.27和1.89 kg（表2）；填埋前的秸稈捆體積為0.12 m3，經(jīng)過3、7、13和20 a的填埋之后，秸稈捆的體積分別下降為0.078、0.057、0.041和0.036 m3（表2），由于主要受上層土體的壓力，秸稈捆只是高度降低，長(zhǎng)度和寬度未改變。秸稈捆的質(zhì)量和體積的下降說明秸稈捆的總量在減少，但減少的速度較緩，填埋后的秸稈捆含有難分解的植物殘?bào)w、腐殖質(zhì)以及一部分礦物質(zhì)，最終秸稈捆應(yīng)不會(huì)完全消失，可能變?yōu)轭愃撇萏客恋奈镔|(zhì)，另由于秸稈捆埋在地表0.5 m以下的土層[23-24]，秸稈夏秋季節(jié)未排出的地下徑流浸泡，處于厭氧狀態(tài)[25]，加之冬春季節(jié)處于凍結(jié)狀態(tài)，多水、厭氧、冰凍條件下，極大地降低了秸稈的腐解速度，秸稈層厚度緩慢下降，沉降后被泥沙沉積所彌補(bǔ)，復(fù)墾后的溝道位總體不會(huì)塌陷。

表2 不同填埋年限的秸稈捆容重、質(zhì)量、體積變化

圖6 復(fù)墾20 a后的侵蝕溝

2.2.2 秸稈組分變化

對(duì)填埋不同年限秸稈進(jìn)行取樣，測(cè)定其半纖維素、纖維素、木質(zhì)素含量。結(jié)果如圖7所示，半纖維素腐解最快，新鮮秸稈捆的半纖維素占總秸稈組分的29.9%，秸稈經(jīng)過3、7、13、20 a填埋之后，半纖維含量分別下降為15.5%、8.9%、3.8%、3.5%；纖維素腐解較慢，新鮮秸稈捆的纖維素占總秸稈組分的39.4%，秸稈經(jīng)過3、7、13、20 a填埋之后，纖維素含量分別下降為34.6%、33.4%、28.6%、26.8%；木質(zhì)素幾乎不腐解，新鮮秸稈捆的木質(zhì)素占總秸稈組分的26.8%，秸稈經(jīng)過3、7、13、20 a填埋之后，木質(zhì)素含量分別上升為32.1%、35.0%、36.9%、38.8%，木質(zhì)素含量上升，主要是由于其他易分解的物質(zhì)被腐解，導(dǎo)致剩下的秸稈中木質(zhì)素含量變高[26]。

圖7 秸稈組分變化

秸稈腐解主要分為2個(gè)時(shí)期，第1個(gè)時(shí)期，較容易分解的物質(zhì)腐解，這個(gè)階段主要由土壤微生物發(fā)揮作用，大約進(jìn)行1～2 a；第2個(gè)時(shí)期，不易分解的物質(zhì)緩慢分解，這個(gè)階段主要進(jìn)行一些物理、化學(xué)作用[27-28]。傳統(tǒng)的秸稈深埋是將秸稈填埋于土壤表層下20～30 cm[29]，研究表明，溫度和降雨是控制秸稈腐解的重要因素[30]，但是在高緯度高寒地區(qū)，秸稈與土壤混合是控制秸稈分解的重要因素，埋深對(duì)其影響不大[31-32]。傳統(tǒng)秸稈深埋，其秸稈質(zhì)量第1年剩余量為40%～60%，第2年的剩余量為15%～20%[31]；而本研究中的秸稈捆深埋0.5 m土層以下，第3年秸稈質(zhì)量剩余量為56.8%、第7年的剩余量為42.8%、第13年的剩余量為33.2%、第20年的剩余量為30.3%。造成這種現(xiàn)象的原因主要有以下2點(diǎn)，首先，秸稈的緊密度，傳統(tǒng)秸稈深埋是將秸稈粉碎后，將其裝入尼龍袋中并鋪平，使其與土壤充分接觸，而本研究中的秸稈捆，其與土壤接觸面積有限，腐解由外而內(nèi)，故腐解緩慢；第二，由于這項(xiàng)技術(shù)轉(zhuǎn)地表徑流為地下徑流的特點(diǎn)，每年的雨季，大量無法及時(shí)排出的地下徑流被秸稈層吸收，秸稈處于厭氧狀態(tài)，腐解緩慢；而冬季秸稈中存留的水凍結(jié)導(dǎo)致秸稈捆被冰凍，不易發(fā)生腐解?？傮w來說，秸稈捆會(huì)發(fā)生一定的腐解，但腐解速率緩慢，每年表層土壤會(huì)下沉一部分，但不會(huì)出現(xiàn)突然坍塌的現(xiàn)象，而隨著春季翻耕、雨季地表徑流攜帶的泥沙堆積，下沉部分會(huì)被填上，因此，侵蝕溝復(fù)墾后不會(huì)二次成溝。

3 結(jié) 論

1）基于滲井+暗管的導(dǎo)排水系統(tǒng)能夠?qū)?0%以上的溝線處的匯流通過地下導(dǎo)排出田塊，有效地削減了匯流沖刷地表，避免了復(fù)墾后溝道位再次沖刷成溝，是保證侵蝕溝秸稈填埋成功復(fù)墾的關(guān)鍵。

2）填埋到侵蝕溝中的秸稈捆，由于夏秋季節(jié)被水浸泡，處于厭氧環(huán)境，冬春季節(jié)處于冰凍狀態(tài)，腐解速率緩慢，年均高度下降1.4 cm，復(fù)墾后的侵蝕溝道為泥沙沉積加之土壤耕作，能夠有效填補(bǔ)，不會(huì)因秸稈腐爛下陷造成再次成溝。

東北黑土區(qū)共有侵蝕溝約60萬條，其中60%以上發(fā)育形成于耕地中，約有20萬條可通過秸稈填埋復(fù)墾，修復(fù)溝毀耕地可達(dá)13萬hm2以上，實(shí)施秸稈填埋修復(fù)溝毀耕地，有重要的應(yīng)用價(jià)值，可成為農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展的重要保障措施。

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Drainage function and straw decomposition rate of landfill reclamation erosion gully

Qi Zhi1, Han Xing1, Ding Chao1, Hu Wei2, Zhang Xingyi2※

(1.,,130118,;2.,,150081)

Gully erosion has become a key disturbance factor in the sloping farmland, particularly in the black soil area of the Northeast China. This is because the gully erosion can damage land resources site off the tractor travel, and thereby threaten the sustainability of crop production. As such, a new technology was introduced to the rehabilitation engineering of gully filling with straw. However, two scientific questions need to be answered in this technique: Firstly, whether the new gully that induced by the surface runoff can change the original site after the rehabilitation. Secondly, whether the collapse that induced by the decomposition of straw bundle can occur in the original site, where the decomposition has existed due to the organic matter of straw. These two problems can also determine the feasibility of the technique. Therefore, in this study, the drainage function and straw decomposition were investigated in a rehabilitated gully, to verify the drainage capacity of the technique, and further to explore the straw decomposition in different rehabilitation years. A rehabilitated gully (47°21′22.52″N, 126°49′56.71″E) was selected, located in Guangrong village, Hailun City, Heilongjiang Province. The capacity parameters were measured, including the soil infiltration, seepage infiltration, water holding of straw bundle, and the drainage. Taking Yinlonghe farm (48°45′N, 126°36′E) as the research area, located in Heihe City, Heilongjiang Province, China, the straw decomposition test was conducted to measure the thickness, bulk density, and components of straw bundle. The results showed that the water storage of straw bundle layer was 463 kg/m3in the rehabilitated gully bed. The runoff in the rainy season can be completely stored by the straw layer. The sloping farmland after rehabilitation can resist the uniform rainfall intensity of 44 to 80 mm/h. 95% surface runoff was transformed into the underground runoff, indicating a great reduction in the soil erosion induced by surface runoff. From the surface runoff to underground runoff, there was no new gully reformed in the original site. In addition, the thickness of straw bundle layer decreased at an average annual rate of 1.4 cm. The settlement of straw layer can be filled by the spring plough and the sediment deposition in the rainy season. Therefore, there was no collapse occurred in the original site. Furthermore, the decomposition rate of straw component varied in different rehabilitation years. There was a rapid increase in the decomposition rate of hemicellulose and cellulose after 20 years, whereas, the lignin hardly decomposed, where the content ranged from 26.8% to 38.8%. Long term anaerobic environment, water saturation, and half a year freezing period can significantly suppress the decomposition of straw. The technology of rehabilitation from the gully erosion can be widely used for the rehabilitation of 200000 gullies in the sloping farmland in the black soil area of the Northeast China. The finding can provide a scientific basis for the reclamation of erosion gully.

reclamation; drainage; decomposition; straw; erosion gully;black soil area

祁志，韓興，丁超，等. 填埋復(fù)墾侵蝕溝的導(dǎo)排水功能和秸稈腐解速率[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2020，36(23)：85-91.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.23.010 http://www.tcsae.org

Qi Zhi, Han Xing, Ding Chao, et al. Drainage function and straw decomposition rate of landfill reclamation erosion gully[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(23): 85-91. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.23.010 http://www.tcsae.org

2020-09-15

2020-11-06

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目“侵蝕溝復(fù)墾關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)與技術(shù)體系構(gòu)建”（2017YFC0504200）；黑龍江省級(jí)資助項(xiàng)目“侵蝕溝秸稈填埋復(fù)墾技術(shù)”（GX18B051）

祁志，主要從事黑土區(qū)水土保持研究。Email：1803342464@qq.com

張興義，博士，研究員，主要從事黑土侵蝕與水土保持研究。Email：zhangxy@iga.ac.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.23.010

S281

A

1002-6819(2020)-23-0085-07