任 濤，賀宇欣，張 鵬，劉 超，李乃穩(wěn)，譚 霄

（1.四川大學 水利水電學院，成都 610065； 2.四川大學 水力學與山區(qū)河流開發(fā)保護國家重點實驗室，成都 610065）

0 引 言

【研究意義】西南山丘區(qū)由于其獨特的山地丘陵地形，加之耕地類型主要為紫色土（Purple Soil）耕地，使該地區(qū)已成為我國水土流失最為嚴重的地域之一，耕層集中表現為土壤侵蝕退化嚴重，農作物產量低且不穩(wěn)定[1-2]。紫色土是由紫色泥（頁）巖風化形成，由于成土母質本身具有土層薄、團聚體結構差、易崩解、抗蝕性弱等特點[3-4]，是西南山丘區(qū)主要的土壤資源之一，紫色土耕地面積約占四川省耕地總面積的68%[5]。作物秸稈作為農業(yè)生產中重要的副產品，既可作為植物營養(yǎng)元素的來源，又可因管理不當而造成環(huán)境污染，甚至導致土壤退化。隨著秸稈禁燒政策的實施，大量秸稈無人管理，被農民隨意堆棄在田埂或溝渠邊，秸稈腐熟過程中釋放的營養(yǎng)元素無法被作物吸收利用，從而導致農業(yè)面源污染。為保證農業(yè)可持續(xù)發(fā)展，防止因秸稈不當管理而造成土壤侵蝕退化，需研究適宜西南山丘區(qū)的秸稈管理措施，明確在實際生產大田條件下的秸稈最大可移除量。

秸稈一度被人們認為是農業(yè)生產中的廢棄物，而隨著土壤可持續(xù)發(fā)展概念的提出，秸稈作為土壤表面的直接保護層，能隔絕外界條件對地表的干擾，對土壤抗侵蝕能力有顯著影響。土壤侵蝕主要分為風蝕和水蝕，西南山丘區(qū)由于降雨分布不規(guī)律，大部分降雨集中在5―9 月，易形成強降雨，使該地區(qū)坡面耕地遭受嚴重的水土流失，侵蝕類型主要為水蝕?！狙芯窟M展】土壤抗侵蝕能力中，團聚體穩(wěn)定性是一項重要指標。Blanco-Canqui 等[6]發(fā)現，秸稈從免耕玉米連續(xù)種植系統中移除后，1 a 內，50%秸稈移除率下的土壤團聚體穩(wěn)定性下降了50%～80%，而在100%秸稈移除率時下降了100%～300%。但也有研究表明，秸稈覆蓋與團聚體穩(wěn)定性之間沒有確切關系。Karlen等[7]在進行連續(xù)10 a 的秸稈完全移除后，發(fā)現土壤濕團聚體穩(wěn)定性并不會下降。團聚體平均幾何直徑作為評判土壤侵蝕性的重要參數，在國內外有廣泛的研究。李涵等[8]發(fā)現，在進行9 000 kg/hm2的秸稈覆蓋后，團聚體幾何平均直徑明顯高于無秸稈覆蓋的對照組。Blanco-Canqui 等[6]也發(fā)現，秸稈覆蓋能使團聚體穩(wěn)定度升高，幾何平均直徑也隨之上升。土壤發(fā)生水蝕主要是由于地表徑流的出現，而土壤入滲能力關系著土壤能否及時地吸納降雨。吳婕等[9]發(fā)現，缺乏秸稈覆蓋容易使土壤表面出現結皮，降低土壤的水、氣、熱通量，增大土壤侵蝕性。Singh 等[10]也發(fā)現，經過9 a大麥秸稈100%移除處理后，翻耕土壤的飽和導水率大約減少了5 倍。但Black 等[11]發(fā)現，在免耕20 a的粉砂壤土上試驗后，0%和100%的大麥秸稈移除率下土壤飽和導水率之間并沒有統計學差異。土壤水力特性中，孔隙度和含水率在很大程度上取決于表面秸稈覆蓋的影響。Shaver 等[12]發(fā)現，有秸稈覆蓋的土壤在春夏之交通常比無秸稈覆蓋的土壤要更加濕潤，李瑋等[13]也發(fā)現，秸稈覆蓋可提高土壤含水率和表層貯水量。

根據國內外學者的研究，有秸稈覆蓋的土壤能顯著降低土壤被外力侵蝕的可能性，同時在一定程度能緩解農業(yè)面源污染，但由于土壤的異質性，且土壤侵蝕同時還受到氣候條件、種植結構、管理模式等的影響，因此難以形成統一的秸稈覆蓋標準。【切入點】目前國內外對我國西南山丘區(qū)紫色土耕地土壤抗侵蝕能力的研究較少，且以往大部分研究都是基于室內試驗田進行小范圍模擬，并沒有在實際生產大田中進行實驗，缺少這方面的數據?！緮M解決的關鍵問題】因此，需明確西南山丘區(qū)耕地中作物秸稈移除的方式，探究不同秸稈移除率對紫色土抗侵蝕能力的影響。本文通過對5 個表征土壤抗侵蝕能力指標的測量，確定了一個最佳移除比例，為提高西南山丘區(qū)紫色土抗侵蝕能力及促進該地區(qū)土壤可持續(xù)發(fā)展提供了依據，為指導西南山丘區(qū)進行田間秸稈的移除提供了參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗田位于四川省簡陽市新堰村（30°29′11″N，104°38′42″E），海拔430 m，面積0.133 hm2，為農民自耕自種田塊，始耕作于1979 年，至今已有40 a 歷史。簡陽市位于四川盆地西部，屬亞熱帶季風氣候，雨量充沛，夏季高溫多雨，冬季幾乎無降雪。2018年簡陽市月平均降雨量與月平均氣溫如圖1 所示（數據來源于中國氣象數據網，其中4 月的降雨量數據缺失）。由圖1 可知，降雨主要集中于5―9 月，其中6月與7 月的降雨量最大，分別達到257.9 mm 和286.5 mm，10―12 月的降雨量較小，分別為60.3、12.7、22.6 mm。2018 年簡陽市月平均氣溫呈先上升后下降的趨勢，1 月到8 月的月平均氣溫從6.3 ℃逐漸上升至28 ℃，8 月到12 月的月平均氣溫從28 ℃逐漸下降至7.5 ℃。試驗田作物的種植制度為夏玉米-冬油菜（番薯套種）的輪作制度，耕作方式為中耕。夏玉米品種為華玉5 號（陜西華盛種業(yè)科技有限公司生產），冬油菜品種為油司令（神農公司生產）。據統計，夏玉米種植期間尿素施肥1 次，施肥量為450 kg/hm2，磷肥（主要成分為過磷酸鈣，其中有效磷P2O5占比高于12%）施肥2 次，施肥量為750 kg/hm2，第1 次在玉米幼苗期（225 kg/hm2），第2 次在玉米拔節(jié)抽穗期（525 kg/hm2）；冬油菜種植期間尿素和磷肥都只施1 次，均在油菜幼苗移栽后的第1 周進行施肥，其中尿素施肥量為375 kg/hm2，磷肥施肥量為750 kg/hm2。試驗田土壤質地為黏土，表層0～5 cm 處質量含水率為17.5%，干體積質量為1.05 g/cm3，5～10 cm 處質量含水率為19.6%，干體積質量為1.23 g/cm3。

圖1 2018 年簡陽市月平均降雨量（mm）與月平均氣溫（℃） Fig 1 Average monthly rainfall (mm) and average monthly temperature (℃) in Jianyang city in 2018

1.2 試驗設計

試驗共設置5 個不同梯度的秸稈移除率，依次為100%、75%、50%、25%、0%，并設置4 個重復組，共20 個處理塊，每個處理塊均是面積為25 m2的正方形，為分組完全隨機分布。2018 年4 月29 日進行基礎土樣的采集，測得田間土壤基礎數據（質量含水率、干體積質量等）；2018 年5 月15 日在冬油菜成熟后進行油菜秸稈移除（處理方式是將未移除的秸稈條狀覆蓋在處理塊的土壤表面，秸稈大致完整且未被切碎，后同），油菜秸稈移除株數隨移除率的減小依次為56、42、28、14、0 株；2018 年8 月5 日在夏玉米生長期間采集第1 次土壤樣本；2018 年8 月27 日在夏玉米成熟后進行玉米秸稈的移除，玉米秸稈移除株數隨移除率的減小依次分別為120、90、60、30、0 株；2018年12 月21 日在冬油菜生長期間采集第2 次土壤樣本；2019 年1 月21 日在冬油菜生長期間進行土壤飽和導水率的測量，并采集第3 次土壤樣本；2019 年4 月23日在冬油菜成熟前采集第4 次土壤樣本。

1.3 測量指標及方法

1.3.1 質量含水率θm

用環(huán)刀采集田間0～10 cm無擾動表層土壤樣本，將環(huán)刀放入恒溫干燥箱內進行烘干，烘干時間為48 h，溫度105 ℃，稱量烘干前與烘干后環(huán)刀內土壤樣本的質量，計算出θm。

式中：M0為烘干前環(huán)刀內土壤樣本的質量（g）；M1為烘干后環(huán)刀內土壤樣本的質量（g）。

1.3.2 干體積質量ρb

測量方法與測質量含水率時一致，為環(huán)刀法。

式中：M1為烘干后環(huán)刀內土壤樣本的質量（g）；V為環(huán)刀的內部體積（cm3）。

1.3.3 水穩(wěn)定性團聚體WR0.25

對采集的土樣進行濕篩處理，稱取50 g 自然風干土樣放置于團粒分析儀的套篩頂部（套篩孔徑從上而下依次為5、2、1、0.5、0.25 mm），沿筒壁緩慢加水至剛好沒過土樣，先浸泡10 min，后豎直震蕩10 min，振幅4 cm，收集各級篩層上的團聚體，在65 ℃下烘干48 h 至恒質量，稱量各級團聚體質量。

式中：Mr＞0.25為粒徑大于0.25 mm的團聚體質量（g）；MT為團聚體總質量（g）。

1.3.4 濕團聚體幾何平均直徑WGMD

式中：xi為第i 個篩層上團聚體的平均直徑（cm）；wi為第i 個篩層上的團聚體占總團聚體的質量百分比。

1.3.5 飽和導水率kf

本次試驗儀器采用的是 Hood Infiltrometer IL-2700[14]，其主要工作原理是通過馬氏瓶原理來改變施加在圓形入滲區(qū)域上的負壓，測出不同壓力下的穩(wěn)定入滲速率進而推算出kf。由于單次測量需要時間過長的緣故，選取了100%、50%、0%這3 個具有典型意義的移除率進行測量。

式中：ku為滲透系數（mm/min）；h 為水壓頭（h）；α為Gardner 系數；Q 為穩(wěn)態(tài)流流量（mm3/min）；a 為入滲罩半徑（mm）。

1.4 數據統計與分析

運用Excel 2010 進行數據的計算與擬合，SAS 9.4中的PROC MIXED 過程進行單因素方差分析，UGT IL2700 GUI 進行土壤飽和導水率的計算，ORIGIN 8進行圖表的繪制。

2 結果與分析

2.1 不同秸稈移除率對質量含水率的影響

不同秸稈移除率表層0～10 cm 土壤質量含水率（θm）與干體積質量（ρb）如表1 所示。由表1 可知，在2 次取樣時，0～5 cm 土層土壤的θm值在不同移除率下均存在顯著性差異（P＜0.05）。其中第1 次取樣時，各移除率下θm值大小順序為：0%＞25%＞75%＞50%＞100%；而第2 次取樣時，僅100%移除率與其余移除率間存在顯著性差異（P＜0.05），θm值大小順序為：25%＞75%＞0%＞50%＞100%。對比這2 次取樣可以發(fā)現，100%移除率下的θm值在5 組移除率中最小。

由表1 可知，5～10 cm 土層土壤的θm值在2 次取樣下呈現出相同的規(guī)律。第1 次取樣時，25%移除率與其余移除率間差異性顯著（P＜0.05），其θm值達到28.7%；而第2 次取樣時，5 組移除率間均無顯著性差異（P＜0.05），但θm值大小順序與第1 次取樣時一致，均為：25%＞100%＞75%＞0%＞50%。

2.2 不同秸稈移除率對干體積質量的影響

表1 為不同秸稈移除率下土壤的質量含水率與干體積質量。由表1 可知，第1 次取樣時，0～5 cm土層內土壤的ρb值在100%與25%移除率下與其余移除率間有顯著性差異（P＜0.05），ρb值的大小順序為：100%＜25%＜0%＜75%＜50%；而第2 次取樣時，僅100%移除率與其余移除率間有顯著性差異（P＜0.05），ρb值的大小順序為：100%＜0%＜75%＜25%＜50%。對比這2 次取樣發(fā)現，50%移除率下的ρb值在5 組移除率中最大，而100%移除率最小。從時間尺度上來看，第2 次取樣時各移除率下的ρb值普遍比第1 次取樣時要小，降幅隨移除率的減小依次為5.5%、4.6%、2.1%、-5.2%、0.4%，可以看出，ρb值降幅有隨移除率的減小而減小的趨勢。

由表1 可知，第1 次取樣時，5～10 cm 土層內土壤的ρb值在各移除率間均存在顯著性差異（P＜0.05），ρb值的大小順序為：25%＜100%＜75%＜0%＜50%；而第2 次取樣時，各移除率間均無顯著性差異（P＜0.05），ρb值的大小順序為：25%＜0%＜75%＜100%＜50%。對比這2 次取樣可以發(fā)現，第2 次取樣時各移除率下的ρb值均比第1 次要小，降幅隨移除率的減小依次為2.4%、5.0%、4.2%、0.8%、5.4%。此外，25%移除率下的ρb值在2 次取樣時均是5 組移除率中最小的，而50%移除率均最大。

表1 不同秸稈移除率下土壤的質量含水率與干體積質量 Table 1 Soil mass moisture contentand dry volume mass under different straw removal rates

2.3 不同秸稈移除率對WR0.25 值的影響

不同秸稈移除率下土壤水穩(wěn)定性團聚體質量分數（WR0.25）結果如圖2 所示（圖中同一取樣時間下的不同小寫字母表示處理間差異顯著（P＜0.05），且顯著性差異僅在同一采樣時間內進行比較，不進行跨時間比較）。由圖2 可知，第1 次取樣時，100%和25%移除率與其余3組移除率間存在顯著性差異（P＜0.05），WR0.25值的大小順序為：100%＞25%＞50%＞75%＞0%；第2 次取樣時，50%和0%移除率與其余3 組移除率間存在顯著性差異（P＜0.05），WR0.25值的大小順序為：25%＞100%＞75%＞50%＞0%；第3 次取樣時，100%移除率與其余4 組移除率間存在顯著性差異（P＜0.05），WR0.25值的大小順序為：25%＞0%＞75%＞50%＞0%；第4 次取樣時，0%移除率與其余4 組移除率間存在顯著性差異（P＜0.05），WR0.25值的大小順序為：25%＞50%＞75%＞100%＞0%。對比4 次取樣可以發(fā)現，100%移除率下的WR0.25值在5 組移除率中有逐漸變小的趨勢，而25%移除率下的WR0.25值除在第1 次取樣時比100%移除率略小外，在后面3 次取樣時均是5 組移除率中最大的，其WR0.25值隨取樣時間依次為76.5%、81.2%、74.6%、76.8%。100%移除率下的WR0.25值呈現出隨著時間先減小后增大的趨勢，后3 次與前1 次取樣時的WR0.25值相比降幅依次為2.5%、18.7%、-18.3%；而75%、50%、25%移除率下的WR0.25值隨時間的變化規(guī)律大致相同，都是先增大后減小然后繼續(xù)增大，在第3 次取樣時均有較明顯的降幅，而在第4 次取樣時出現回漲；與其余4 組移除率相比，0%移除率下的WR0.25值在4 次取樣時變化幅度不大，均在66%～71%之間。

圖2 WR0.25 值隨秸稈移除時間的變化Fig.2 The value of WR0.25 varies with straw removal time

2.4 不同秸稈移除率對WGMD 值的影響

不同秸稈移除率下的土壤濕團聚體幾何平均直徑（WGMD）結果如圖3 所示（圖中同一取樣時間下的不同小寫字母表示處理間差異顯著（P＜0.05），且顯著性差異僅在同一采樣時間內進行比較，不進行跨時間比較）。

圖3 WGMD 值隨秸稈移除時間的變化 Fig.3 The value of WGMD varies with the removal time

由圖3 可知，第1 次取樣時，100%移除率與其余4 組移除率間存在顯著性差異（P＜0.05），WGMD值的大小順序為：100%＞50%＞25%＞0%＞75%；第2 次取樣時，75%和25%移除率與其余3 組移除率間存在顯著性差異（P＜0.05），WGMD 值的大小順序為：25%＞75%＞50%＞100%＞0%；第3 次取樣時，各組移除率間均無顯著性差異（P＜0.05），WGMD 值的大小順序為：25%＞0%＞50%＞100%＞75%；第4 次取樣時，75%和50%移除率與其余3 組移除率間存在顯著性差異（P＜0.05），WGMD 值的大小順序為：50%＞75%＞25%＞100%＞0%。對比4 次取樣可以發(fā)現，100%移除率下的WGMD 值除在第1 次取樣時較大外，在后面3 次取樣時均是5 組處理中較小的，而75%、50%、25%這3 個移除率下的WGMD 值在后面3 次取樣時均較大。從處理來看，100%移除率下的WGMD值呈現出隨時間先減小后增大的趨勢，降幅隨取樣時間依次為31.2%、14.7%、-42.0%，在第4 次取樣時出現回漲，但仍比第1 次取樣時小了16.6%；75%、50%、25%移除率下的WGMD 值隨時間的變化規(guī)律一致，都是先增大后減小然后繼續(xù)增大，與第1 次取樣相比，第4 次取樣時的WGMD 值均有較明顯的增長，漲幅依次為58.1%、42.7%、21.8%；0%移除率下的WGMD 值隨時間變化較為平緩，4 次取樣時均在0.86～1.04 mm 之間。

2.5 不同秸稈移除率對kf 值的影響

不同秸稈移除率下土壤滲透系數kf結果如圖4所示（不同小寫字母表示處理間差異顯著（P＜0.05））。由圖4 可知，kf在3 種移除率間存在顯著性差異（P＜0.05），有隨移除率減小而增大的趨勢。100%移除率下的kf值為22.5 mm/min，50%移除率下的kf值為21.3 mm/min，0%移除率下的kf值為61.1 mm/min，0%移除率下的kf值分別比100%、50%移除率大了171.6%、186.9%。

圖4 不同秸稈移除率下的kf 值Fig. 4 The value of kf at different straw removal rates

3 討 論

本試驗發(fā)現，移除率100%時，表層0～5 cm 的質量含水率在所有處理中最小，與其余移除率有較大差異，而在5～10 cm 這個較深土層，移除率100%下的含水率與其余處理無顯著區(qū)別。有研究表明[15-17]，在深層次土層，秸稈覆蓋下的土壤含水率與秸稈不覆蓋基本相同，甚至還要低，這可能與秸稈覆蓋下的植株生長旺盛，消耗土壤含水率較多有關。此外，本試驗還發(fā)現，第2 次取樣時表層土壤的含水率普遍比第1 次取樣時大，這可能與8 月和9 月的強降雨有關，這2 月的降雨量均達到125 mm 以上。強降雨使土壤表層濕潤飽和，若土壤結構不良，無法及時地吸納降雨，大量水分將滯留在地表而產生地表徑流，甚至使土壤表面處于閉氣狀態(tài)，當土壤中氧氣耗盡后會產生厭氧環(huán)境，產生大量還原性物質，有機質無法正常進行分解，植物生長發(fā)育將受到抑制。

本試驗發(fā)現，不同移除率下表層土壤的干體積質量隨時間逐漸減小，這與吳婕等[9]的結論一致，他們發(fā)現秸稈覆蓋能使土壤體積質量降低1.86%～3.73%。土壤表層無秸稈覆蓋時，雨滴擊打、農機碾壓、人畜踩踏等外界因素會使土壤更易受到干擾，出現小顆粒土粒的移動和重新排列，甚至會堵塞壤中孔隙，土壤水熱通量降低，植物無法正常吸收水分和營養(yǎng)，造成土壤生產力下降。此外，本試驗還發(fā)現，在表層0～10 cm 處，50%移除率下的干體積質量在5 組處理中最大，而100%移除率在5 組處理中反而較小，這種現象的出現可能與田間耕作方式（中耕）有關。

本試驗發(fā)現，各組處理的水穩(wěn)定性團聚體數量呈現出先增大后減小然后繼續(xù)增大的趨勢，在第3 次取樣時出現下降，這可能與取樣時間有關，因第3 次取樣時間在冬季，由于冰凍―融化過程的反復，團聚體孔隙中水分熱脹冷縮導致團聚體出現崩解，水穩(wěn)定性下降，而氣候回暖后凍融作用消失，土壤團聚作用增強，不同處理下水穩(wěn)性團聚體的數量均出現一定的增長。這與楊居聰等[18]的研究一致，他們發(fā)現冬季時凍融作用會使土壤大團聚體遭到破壞。此外，本試驗還發(fā)現，25%移除率的水穩(wěn)定性團聚體數量在5 組處理中最大，而移除率100%時，因土壤表面裸露，直接受到外界因素的干擾，水穩(wěn)定性團聚體數量在5 組處理中的排序逐漸下滑，最后一次取樣時在所有處理中最小。土壤團聚體穩(wěn)定性下降現象在地表土壤裸露的第一年就往往顯現出來，秸稈覆蓋能隔絕侵蝕力對土壤表面的擾動，使冰凍-融化和濕潤-干燥過程變得柔和，與本試驗結論一致。

團聚體幾何平均直徑是評判土壤抗侵蝕能力的重要參數，一般來說，其值越大代表土壤抗侵蝕能力越強。本試驗發(fā)現，當移除率為25%、50%、75%時，表層土壤團聚體幾何平均直徑有較大增幅，這可能與秸稈腐解過程中高分子化合物參與腐殖化作用有關[19]，土壤中腐殖質數量增多，團聚體間的膠結作用增強。而移除率100%時團聚體的幾何平均直徑在5 組處理中最小，秸稈腐熟后釋放的有機質及營養(yǎng)元素無法被植物吸收利用，異養(yǎng)型微生物和土壤動物的代謝活動減弱，導致土壤結構變差，更易受到侵蝕。

由于土壤異質性，秸稈覆蓋對土壤導水率的影響會隨著土壤性質的空間變化而不穩(wěn)定，即使在同一處理下，田塊中不同區(qū)域的土壤滲透性也會有較大差異。本試驗發(fā)現，移除率0%時飽和導水率與其余處理間有顯著性差異，這可能與秸稈覆蓋后土壤表面結皮現象減少有關。Blanco-Canqui 等[20]發(fā)現，土壤導水率在表面秸稈移除后會迅速下降，與本試驗結論一致,但也有研究表明[7]，不同秸稈移除率對農田土壤導水率變化的影響在統計學上沒有差異，這可能與土壤質地、種植制度、管理措施等因素有關。

4 結 論

秸稈覆蓋在土壤表面能提高土壤含水率，降低土壤體積質量，提高水穩(wěn)性團聚體質量分數及其幾何平均直徑，同時能顯著增大土壤入滲速率，土壤結構得到改善，抗侵蝕能力明顯提高，其中以25%秸稈移除率效果最為顯著。