劉燕青,王計磊,李子忠

(中國農(nóng)業(yè)大學(xué) 土地科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,北京 100193)

中國地域遼闊，水資源豐富但淡水資源不足且空間分布不均衡，已成為制約我國干旱半干旱區(qū)糧食生產(chǎn)的重要因素之一[1]。水土流失不僅造成水資源的浪費，還因土壤顆粒的流失加劇土壤結(jié)構(gòu)的破壞，引起土壤退化及農(nóng)田干旱缺水情況的發(fā)生[2]。土壤蒸發(fā)是土壤水分無效損失的一種途徑[3]，且為引起土壤鹽漬化發(fā)生重要動力因素之一[4]，探索農(nóng)田有效的蓄水保土途徑受到學(xué)者的廣泛關(guān)注。目前常用的蓄水保土措施有橫坡壟作、地膜覆蓋、秸稈覆蓋和植物籬等，其中秸稈覆蓋還田可有效改善土壤—大氣界面微環(huán)境的水熱交換狀況[5-6]，減少作物棵間蒸發(fā)，提高土壤有機質(zhì)含量，促進(jìn)良好土壤結(jié)構(gòu)體的形成，增強土壤蓄水抗旱能力[7-8]；也能夠有效地保護(hù)地表土壤，減少土壤侵蝕的發(fā)生[2]；同時可避免秸稈焚燒造成的大氣污染，是促進(jìn)干旱半干旱區(qū)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要農(nóng)藝措施，也是農(nóng)業(yè)廢棄物資源化利用的重要途徑。如在東北黑土區(qū)，作物熟制為一年一熟，秋收后地表多為裸露，春季干旱，且多大風(fēng)季節(jié)，加劇了土壤蒸發(fā)和土壤顆粒吹蝕，對當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)安全生產(chǎn)造成嚴(yán)重威脅[9]，而秸稈覆蓋還田可有效改善上述狀況的發(fā)生。2019年“中央一號”文件提出發(fā)展生態(tài)循環(huán)農(nóng)業(yè)，推進(jìn)畜禽糞污、秸稈、農(nóng)膜等農(nóng)業(yè)廢棄物資源化利用；2020年為深入貫徹習(xí)近平總書記關(guān)于對東北黑土地實行戰(zhàn)略性保護(hù)的重要指示精神，認(rèn)真落實黨中央、國務(wù)院決策部署，加快保護(hù)性耕作推廣應(yīng)用，制定了《東北黑土地保護(hù)性耕作行動計劃(2020—2025年)》。同時，為有效防治水土流失、提高水分利用效率，我國學(xué)者開展了一系列研究，涉及到秸稈覆蓋方式、覆蓋度和覆蓋量等對農(nóng)田水分及土壤侵蝕的影響及機理的研究，且取得了較為豐碩的成果[10-12]。本文通過對已取得的成果進(jìn)行總結(jié)，以期為保護(hù)水土資源，保障農(nóng)業(yè)安全生產(chǎn)提供科學(xué)依據(jù)，同時找出目前研究存在的薄弱環(huán)節(jié)，為今后更為深入全面的研究提供參考。

1 秸稈覆蓋類型

1.1 根據(jù)秸稈來源劃分

我國作為農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)作物秸稈總產(chǎn)量高達(dá)104億t/a，其中玉米秸稈、稻草和麥稈占比較大，分別為32.5%，25.1%,18.3%[13]。目前秸稈主要通過堆肥、制備飼料、建材和直接還田等方式進(jìn)行資源化利用，但在實踐中，由于勞動力成本提高、秸稈利用技術(shù)不成熟等原因，作物秸稈資源化利用率低，焚燒、隨意丟棄等現(xiàn)象仍然長期存在[14]，如2018年衛(wèi)星遙感共監(jiān)測到全國秸稈焚燒火點7 647個[15]。秸稈覆蓋還田不僅可以降低勞動力成本，而且可以培肥地力，具有良好的社會、經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益，值得大面積推廣應(yīng)用。秸稈覆蓋根據(jù)作物來源可以分為玉米秸稈覆蓋、小麥秸稈覆蓋、水稻秸稈覆蓋等。

1.2 根據(jù)秸稈覆蓋形式劃分

根據(jù)秸稈覆蓋形式可分為整桿覆蓋和秸稈粉碎覆蓋[16]。整桿覆蓋指在作物收獲的同時覆蓋整秸稈，適合機械化水平低或風(fēng)大的地區(qū)。秸稈粉碎覆蓋通常指使用配有秸稈粉碎裝置的谷物聯(lián)合收割機，在收獲作物的同時將秸稈粉碎(5～10 cm)后拋撒覆蓋在地表的過程，但遇大風(fēng)時秸稈易隨風(fēng)移動，降低覆蓋效果。后有研究指出粉碎與留茬結(jié)合，可有效避免這一問題，在收獲時地表留茬16～20 cm，其余秸稈粉碎拋撒于地表，這樣留茬可以固定秸稈，防止秸稈漂移，適用于水稻田或容易產(chǎn)生水土流失的坡耕地上[17]。

1.3 根據(jù)覆蓋度和覆蓋量劃分

秸稈可直接覆蓋于地表，也可經(jīng)旋耕后與土壤達(dá)到不同程度的混合，覆蓋于地表又可根據(jù)地表秸稈覆蓋度分為全覆蓋和部分覆蓋。秸稈全覆蓋是指將作物秸稈均勻地覆蓋于地表，地表秸稈覆蓋率為100%，可最大面積保護(hù)地表土壤，但可能會對下季作物播種及土壤溫度產(chǎn)生影響；秸稈帶狀覆蓋是一種局部覆蓋方式，地表秸稈覆蓋率小于100%，可在一定程度上減輕秸稈全覆蓋對播種及地溫產(chǎn)生的不良影響。根據(jù)覆蓋量可劃分為全量覆蓋、非全量覆蓋，對于秸稈覆蓋度和覆蓋量的選擇，應(yīng)當(dāng)結(jié)合作物、氣候和土壤類型等因素，因地制宜地利用作物秸稈。

2 秸稈覆蓋對土壤水分的影響

土壤含水量是表征土壤水分狀況的重要指標(biāo)，影響著植被生長、分布格局和演變過程。秸稈覆蓋主要通過：(1)抑制土壤水分蒸發(fā)；(2)促進(jìn)雨水入滲；(3)改善土壤結(jié)構(gòu)、提高土壤蓄水保水能力來調(diào)控土壤含水量。明晰秸稈覆蓋對土壤水分運動影響及作用機理，探明影響其保水保土效果的因素是全面認(rèn)識秸稈覆蓋對水分利用效率和土壤侵蝕影響的核心環(huán)節(jié)，也是推廣和應(yīng)用秸稈覆蓋措施的理論基礎(chǔ)。

2.1 秸稈覆蓋對土壤蒸發(fā)的影響

土壤水分蒸發(fā)指水蒸氣從土壤表面進(jìn)入大氣的過程，是土壤水分無效損失的主要途經(jīng)，受到包括溫度、濕度、風(fēng)速和大氣壓等在內(nèi)的多種因素控制。秸稈覆蓋相當(dāng)于給土壤表面添加天然保護(hù)層，通過減少土壤空氣與大氣間的水分交互通道以及到達(dá)地面的太陽輻射，抑制土壤蒸發(fā)，保蓄土壤水分，提高土壤水分利用效率[18-20]。關(guān)于秸稈覆蓋對土壤水分蒸發(fā)影響的研究主要在我國西北、華北等地區(qū)開展，研究內(nèi)容多集中不同覆蓋材料、覆蓋量、覆蓋方式等對蒸發(fā)影響[19,21-23](表1)。田間微型蒸發(fā)儀是土壤棵間蒸發(fā)研究的常用裝備，陳素英等[24]用自制的微型蒸發(fā)儀在華北地區(qū)開展了不同秸稈覆蓋量對冬小麥田棵間蒸發(fā)影響的研究，發(fā)現(xiàn)秸稈覆蓋有效抑制土壤蒸發(fā)，在冬小麥生育期內(nèi)，少覆蓋處理(3 000 kg/hm2)比對照平均減少了21%，多覆蓋(6 000 kg/hm2)減少了40.4%，但由于覆蓋處理導(dǎo)致春季土溫回升緩慢，推遲了小麥生育期，加上后期的干熱風(fēng)，造成覆蓋處理的冬小麥減產(chǎn) 4.1%～10.4%。而劉超等[25]在陜西楊凌示范區(qū)研究不同秸稈覆蓋量對土壤蒸發(fā)的影響表明，秸稈覆蓋量在6 000～9 000 kg/hm2范圍時，保墑效果和玉米增產(chǎn)效果明顯，此外于慶峰等[22]認(rèn)為玉米秸稈覆蓋可通過調(diào)節(jié)土壤水肥氣熱，在抑制土壤棵間蒸發(fā)的同時提高玉米產(chǎn)量，其中10 t/hm2為秸稈覆蓋量閾值，超過該覆蓋量后土壤蒸發(fā)抑制作用呈減弱趨勢，而玉米增產(chǎn)作用趨于穩(wěn)定。由此可見，秸稈覆蓋對田間水分無效蒸發(fā)有良好的抑制效應(yīng)，但是其對作物產(chǎn)量的影響因氣候、土壤類型、管理措施等條件的不同變異性較大，因此明晰秸稈覆蓋對作物產(chǎn)量和土壤水分影響的作用機制，探索適合當(dāng)?shù)貧夂虻乩項l件的最佳秸稈覆蓋量及其覆蓋方式，對抑制土壤蒸發(fā)提高作物產(chǎn)量具有重要意義。

表1 秸稈覆蓋對土壤蒸發(fā)影響研究進(jìn)展

秸稈覆蓋方式是影響土壤水分蒸發(fā)的重要因素之一，不同的覆蓋形式對水分蒸發(fā)的影響不同。柏會子等[21]對比了秸稈粉碎(2 mm)施入土壤和秸稈覆蓋還田對土壤蒸發(fā)的影響，表明秸稈覆蓋還田對土壤蒸發(fā)有明顯抑制作用，秸稈粉碎與土壤混合因增加土壤孔隙含量，而提高了土壤蒸發(fā)能力。強小嫚等[26]通過大田試驗發(fā)現(xiàn)留茬結(jié)合小麥秸稈覆蓋相較于單純秸稈覆蓋對棵間蒸發(fā)的抑制效果好，尤其在連續(xù)強降雨后土壤含水量升高，其抑制效果更為明顯。土壤蒸發(fā)現(xiàn)象能夠持續(xù)進(jìn)行與深層土壤水分在土水勢梯度下向表土的轉(zhuǎn)運有關(guān)，秸稈地下覆蓋可降低深層土壤水分蒸發(fā)，有效阻隔水鹽上行[27-28]，近年來逐漸受到關(guān)注。趙永敢等[23]開展了室內(nèi)土柱模擬試驗，表明秸稈隔層處理土壤累積蒸發(fā)量比均質(zhì)土低75.07%～95.42%，表層覆膜+秸稈隔層的控鹽、抑制蒸發(fā)的效果最為明顯。周長泉等[29]研究了雙層秸稈不同層位覆蓋對土壤水分蒸發(fā)的影響，發(fā)現(xiàn)上層埋深8 cm結(jié)合下層埋深30 cm的雙層秸稈覆蓋模式可有效減小土壤水分蒸發(fā)。可見關(guān)于秸稈覆蓋對土壤蒸發(fā)影響的研究面在逐漸拓展，由秸稈表層覆蓋到秸稈地下覆蓋，由秸稈單一覆蓋，到秸稈—地膜二元覆蓋，但關(guān)于秸稈覆蓋對土壤蒸發(fā)過程、調(diào)控機理的探索較少，且研究結(jié)果隨空間、時間和試驗條件的變異性較強，全面認(rèn)識土壤蒸發(fā)發(fā)生規(guī)律、明晰秸稈保水效應(yīng)影響因素及其在整個土壤水分蒸發(fā)過程中發(fā)揮的作用還有待進(jìn)一步研究，這也是今后研究的重點。

2.2 秸稈覆蓋對土壤入滲的影響

水分入滲是水循環(huán)和轉(zhuǎn)化的一個重要過程，受到地形、雨強、土壤性質(zhì)(土壤含水量、土壤糙率和土壤質(zhì)地)等因素的影響。降雨條件下，土壤水分入滲作用與產(chǎn)流息息相關(guān)，雨滴濺蝕作用會破壞地表土壤結(jié)構(gòu)，堵塞土壤孔隙，抑制土壤入滲，促進(jìn)地表徑流的產(chǎn)生，而秸稈覆蓋可以保護(hù)地表土壤免受雨滴的直接打擊，增加地表糙度，減緩地表徑流流速，延長水土相互作用的時間[30]，促進(jìn)土壤水分的入滲。研究表明，黃土坡面免耕秸稈覆蓋下的土壤入滲速率為傳統(tǒng)耕作的1.4倍，平均徑流系數(shù)減少97.49%[31]；對南方赤紅壤進(jìn)行稻草秸稈覆蓋，其入滲率與無覆蓋處理相比可提高32%[32]。王曉燕等[33]研究了華北地區(qū)秸稈覆蓋對土壤入滲的影響，發(fā)現(xiàn)秸稈覆蓋可將土壤穩(wěn)定入滲率提高1.1倍并可延緩地表徑流的產(chǎn)生。可見盡管土壤類型不同，秸稈覆蓋也達(dá)到了相應(yīng)的提高入滲、減少徑流產(chǎn)生的效果。

秸稈覆蓋量、覆蓋方式是影響土壤入滲的主要因素，通常情況下秸稈覆蓋量越高，徑流開始的時間和土壤含水量達(dá)到飽和的時間越晚，且穩(wěn)定入滲率越高[33]，但秸稈覆蓋達(dá)到一定厚度后，會在一定程度上阻礙部分水分的入滲，從而造成水分的無效蒸發(fā)[22]。趙永敢等[23]探索了秸稈地下覆蓋對土壤水分入滲的影響，結(jié)果表明秸稈隔層處理與無秸稈隔層相比入滲速率降低了70%，具有明顯阻滲作用，但秸稈隔層通過抑制潛水蒸發(fā)和返鹽，提高了土壤含水量?？梢娊斩捀采w對水分入滲影響并非總是正效應(yīng)，因此有必要綜合多因素探討秸稈覆蓋的最佳用量和施用方式，并基于整個農(nóng)田系統(tǒng)來綜合評價秸稈覆蓋處理的保水效果。目前關(guān)于秸稈覆蓋對土壤入滲的影響多通過固定雨強的人工模擬試驗來探索[31-33]，且多集中在秸稈覆蓋量和覆蓋方式等方面，而水分入滲的發(fā)生、發(fā)展過程以及結(jié)果受到雨強、雨型、降雨歷時和土壤含水量等因素的影響與制約，尤其在自然降雨條件下，雨強并不是穩(wěn)定的，雨型是變化的，固定雨強的人工模擬降雨試驗不能很好地反映自然狀態(tài)下水分入滲發(fā)生規(guī)律。劉立晶等[34]通過人工模擬降雨方法研究了不同雨型(小雨、中雨和大雨)條件下秸稈覆蓋處理對0—20 cm農(nóng)地水分入滲的影響，結(jié)果表明秸稈覆蓋對雨水入滲有暫時的阻隔作用，不同雨強下秸稈覆蓋的阻滯入滲作用出現(xiàn)的土層不同，中雨后秸稈阻滯入滲作用表現(xiàn)在5—20 cm土層，大雨后阻滯入滲作用出現(xiàn)在10—20 cm土壤，但這種阻隔作用會隨雨強的增加而減弱。劉戰(zhàn)東等[35]研究表明，同一覆蓋處理下土壤水分入滲深度和入滲量隨雨強的增大而增大。水分入滲是水從土壤表面進(jìn)入土壤形成土壤水的過程，量化秸稈覆蓋對土壤水分入滲的影響及機理還需要更加微觀的研究。

2.3 秸稈覆蓋對土壤結(jié)構(gòu)的影響

秸稈覆蓋對土壤結(jié)構(gòu)的改善也是調(diào)控土壤含水量的重要因素，其主要從兩方面對土壤結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響：(1)如2.2所述,秸稈覆蓋可削弱降雨對土壤的濺蝕作用，防止土壤板結(jié)；(2)提高土壤有機質(zhì)含量，促進(jìn)良好團(tuán)聚體的形成[36]。良好的土壤結(jié)構(gòu)—團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的形成需要土壤黏粒，以及粘結(jié)土粒的膠結(jié)劑，秸稈覆蓋于地表減少了徑流對土壤細(xì)小顆粒的搬運侵蝕，同時促進(jìn)有機質(zhì)積累，使小粒徑團(tuán)聚體向中粒徑團(tuán)聚體轉(zhuǎn)化[37-38]，從而降低了容重，促進(jìn)了毛管孔隙的形成，促進(jìn)水分入滲，提高了土壤蓄水能力。如王識然等[39]研究發(fā)現(xiàn)，秸稈覆蓋還田處理下土壤容積含水量比未覆蓋處理高1.4～1.6倍。楊永輝等[36]研究表明，有機質(zhì)與>0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)和土壤穩(wěn)定入滲速率呈一定的正相關(guān)關(guān)系。秸稈覆蓋對土壤結(jié)構(gòu)的影響涉及到秸稈腐解，關(guān)于秸稈腐解過程對土壤其他理化性質(zhì)的影響，以及分解物參與土壤團(tuán)聚體形成等物理、化學(xué)和生物學(xué)過程的機制有待深入研究。

3 秸稈覆蓋對土壤侵蝕的影響

水土流失這一全球性資源與環(huán)境問題，是生態(tài)環(huán)境退化的反映，也是導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境進(jìn)一步惡化的原因。雨滴濺蝕通常被認(rèn)為是坡面水力侵蝕的最初階段[40]，該過程使土壤表層結(jié)構(gòu)破碎，堵塞土壤孔隙，抑制土壤入滲作用，促進(jìn)徑流的產(chǎn)生，為面蝕和溝蝕發(fā)生提供條件，是侵蝕發(fā)生發(fā)展過程中不容忽視的一個階段。面蝕、溝蝕發(fā)生在雨滴擊濺侵蝕之后，是水力侵蝕破壞土壤資源，造成土地退化的主要發(fā)生方式。秸稈覆蓋可增加地表覆蓋度，攔截降雨，調(diào)節(jié)地表徑流[30]，提高團(tuán)聚體穩(wěn)定性，以提高土壤抗侵蝕能力[36]，是坡耕地土壤侵蝕防治的有效措施。明晰秸稈覆蓋下雨滴濺蝕、面蝕及溝蝕發(fā)生過程和特點，是準(zhǔn)確掌握和預(yù)測侵蝕發(fā)生發(fā)展過程、有效布置防治措施的基礎(chǔ)。

3.1 秸稈覆蓋對雨滴濺蝕的影響

雨滴濺蝕是坡面水力侵蝕的最初階段，常發(fā)生于裸露地表，過程中土壤結(jié)構(gòu)破碎，細(xì)顆粒堵塞土壤孔隙，抑制土壤入滲作用，促進(jìn)面蝕和溝蝕的發(fā)生和發(fā)展[40]。在一定徑流水深條件下，濺蝕作用還可以增大坡面徑流紊動性，增強徑流攜沙能力[41]。此外，濺蝕會造成土壤板結(jié)，影響作物出苗率。秸稈覆蓋對雨滴濺蝕的抑制作用主要體現(xiàn)在兩個方面：(1)研究發(fā)現(xiàn)雨滴濺蝕率與降雨動能呈顯著正相關(guān)，秸稈覆蓋于地表改變了雨滴擊濺的直接作用對象，削弱了降雨動能，從而減少濺蝕的發(fā)生[42]。(2)秸稈還田提高土壤有機質(zhì)含量，促進(jìn)良好團(tuán)聚體的形成[36]，并增強其穩(wěn)定性，減弱了土壤對雨滴機械打擊和消散作用的敏感程度，增強了土壤抗侵蝕能力[43]。Kukal等[44]通過人工模擬降雨探究了秸稈覆蓋對雨滴濺蝕和降雨入滲的影響，結(jié)果表明：與不覆蓋處理相比，秸稈覆蓋減少了68%的濺蝕量，土壤入滲率比無覆蓋處理高54%。

3.2 秸稈覆蓋對面蝕的影響

面蝕與溝蝕是水力侵蝕造成土壤流失、土地退化和面源污染的主要發(fā)生方式，因此是坡面水力侵蝕防治的重點。地表徑流是水土流失的主要驅(qū)動力，秸稈覆蓋主要通過：(1)促進(jìn)降雨入滲，減少徑流產(chǎn)生；(2)增加地表糙度，影響徑流流速和徑流剪切力等水力學(xué)特征[45]，從而影響坡耕地土壤侵蝕發(fā)生發(fā)展。李飛等[46]研究表明天然降雨條件下秸稈覆蓋相對常規(guī)模式可使東北坡耕地土壤徑流量減少94.03%～97.97%，土壤流失量減少90.21%～97.39%。王安等[47]通過人工模擬降雨試驗，研究了秸稈覆蓋對黃土坡面土壤侵蝕的影響，結(jié)果顯示秸稈覆蓋最高可減少75%的土壤侵蝕量，若結(jié)合高留茬，對土壤侵蝕的抑制作用會更強。白永會等[32]采用模擬降雨試驗的方法，開展了秸稈覆蓋對紅壤水土流失防控效益和徑流剪切力影響的研究，發(fā)現(xiàn)秸稈覆蓋減流效益達(dá)到69.3%，減沙效益達(dá)到99.2%，秸稈覆蓋和未覆蓋的臨界啟動徑流剪切力分別為2.8，1.5 N/m2?？梢娽槍Σ煌耐寥篮蜌夂蝾愋?，秸稈覆蓋均具備很好的防蝕效果。

人工模擬降雨方法可不受時間地點限制，可開展不同處理措施對坡面侵蝕的影響研究，受到研究者的青睞。車明軒等[48]通過室內(nèi)人工模擬降雨，探究了紫土坡面秸稈覆蓋水土保持作用的影響因素，發(fā)現(xiàn)雨強是影響秸稈覆蓋保持水土作用的重要因子，與覆蓋保水保沙率呈極顯著負(fù)相關(guān)。也有研究[49-50]認(rèn)為除雨強外坡度也影響著秸稈覆蓋水土保持效果，在陡坡或強降雨(≥100 mm/h)條件下，秸稈覆蓋反而會加劇土壤侵蝕。唐澤軍[50]發(fā)現(xiàn)，當(dāng)降雨強度達(dá)到100 mm/h時，在較小的坡度上，覆蓋坡面土壤流失量與裸土坡面大致相當(dāng)，而在較大坡度上，覆蓋坡面的土壤流失量大于裸土坡度；當(dāng)降雨強度達(dá)到150 mm/h時，覆蓋坡面的土壤流失量在試驗設(shè)置坡度上均大于裸土坡面。莊曉暉[51]利用人工模擬降雨，研究了強降雨秸稈覆蓋下受犁底層影響的黃土坡耕地產(chǎn)流產(chǎn)沙特征，結(jié)果表明，秸稈覆蓋在降雨初期促進(jìn)降雨入滲、延遲了產(chǎn)流起始時間，使耕作層很快飽和。但由于犁底層入滲率低，在強降雨條件下，秸稈覆蓋坡面的土壤入滲率在產(chǎn)流之后快速降低，很快達(dá)到最小穩(wěn)定入滲率，最終使得坡面徑流量遠(yuǎn)大于未受到犁底層影響的裸土地面，加劇了侵蝕的發(fā)生?？梢娊斩捀采w只有在特定的條件下才具備防蝕效果，而在極端降雨條件、陡坡或犁低層存在的情況下反而會加劇侵蝕。

秸稈覆蓋的水土保持效果也受覆蓋度和覆蓋量的影響。楊青森等[52]通過野外原位人工模擬降雨試驗，開展了秸稈不同覆蓋量對東北黑土區(qū)土壤侵蝕影響研究，發(fā)現(xiàn)20 t/hm2的覆蓋處理下坡面徑流量、產(chǎn)沙量分別減少87%，99.86%，而40 t/hm2的秸稈覆蓋處理下坡面無產(chǎn)流。張翼夫等[53]研究了玉米秸稈覆蓋對華北地區(qū)農(nóng)田土壤侵蝕的影響，研究結(jié)果顯示秸稈覆蓋具有很好的水土保持作用，在沙土地的效果優(yōu)于壤土，30%～60%是水土保持效果和播種效果最佳的秸稈覆蓋度。劉柳松等[54-55]則認(rèn)為30%是紅壤地區(qū)較為經(jīng)濟(jì)且水土保持效果好的秸稈覆蓋度。唐濤等[56]采用人工模擬降雨試驗，研究了秸稈不同覆蓋度對西北干旱地區(qū)土壤侵蝕的影響，結(jié)果表明在覆蓋率大于40%條件下水土流失能夠得到有效控制，但當(dāng)覆蓋度低于40%時，秸稈覆蓋對水土流失的作用不明顯。由此可見最佳秸稈覆蓋度的空間變異性很大，探索適合特定地區(qū)的秸稈覆蓋度和覆蓋方式，對提高土地生產(chǎn)力，保護(hù)生態(tài)環(huán)境具有重要意義。

3.3 秸稈覆蓋對溝蝕和風(fēng)蝕的影響

坡面水蝕從面蝕過渡到溝蝕后，徑流深度、流速及侵蝕力的增加，使土壤顆粒大量損失，嚴(yán)重影響土地生產(chǎn)力和可持續(xù)發(fā)展能力。秸稈覆蓋可通過減小坡面徑流的流速，減弱徑流挾沙能力以及侵蝕力，從而達(dá)到了減少坡面侵蝕量的目的，是溝蝕發(fā)展的重要防治措施[57]。徐錫蒙等[57]研究認(rèn)為，秸稈覆蓋可有效減少黃土區(qū)細(xì)溝和淺溝土壤侵蝕量，且玉米秸稈緩沖帶覆蓋可有效抑制溝頭前進(jìn)，是減少該區(qū)土壤侵蝕的有效覆蓋方式。覃超等[58]認(rèn)為在斜坡長4.5～7.5 m處布設(shè)玉米秸稈緩沖帶防治侵蝕的效果較好。

在干旱半干旱區(qū)，風(fēng)力侵蝕也是降低坡耕地土壤質(zhì)量的一個重要因素，秸稈可以保護(hù)地表，避免風(fēng)對地表土壤的直接作用。于愛忠等[59]采用風(fēng)洞試驗研究了秸稈覆蓋對甘肅地區(qū)風(fēng)力侵蝕的影響，認(rèn)為秸稈覆蓋可明顯增加地表不可蝕性土壤顆粒，降低風(fēng)力侵蝕的可能性。劉振東等[60]對不同覆蓋度對風(fēng)力侵蝕的抑制效果進(jìn)行了研究，結(jié)果顯示當(dāng)秸稈覆蓋度為30%，結(jié)合留茬措施，抗風(fēng)蝕效率可達(dá)70%～78%。

以上結(jié)果表明，秸稈覆蓋通過減少地表徑流產(chǎn)生，影響地表徑流水力學(xué)參數(shù)，可顯著降低耕地水力侵蝕危害，同時也可避免風(fēng)與地表土壤的直接接觸，降低風(fēng)力侵蝕的發(fā)生，保護(hù)地表土壤，減少土壤侵蝕量。然而，目前研究多聚焦于秸稈覆蓋對土壤侵蝕及徑流損失的防控效果，對秸稈覆蓋下水力侵蝕發(fā)生過程的數(shù)量化表達(dá)，以及降雨、地形等因素影響下土壤侵蝕發(fā)生臨界值的研究，以及各因素的互作對秸稈覆蓋處理下水力侵蝕的影響機理研究還有待深入。

4 研究展望

綜上所述，秸稈覆蓋通過降低土壤—大氣能量交換，穩(wěn)定土壤溫度，抑制土壤蒸發(fā)作用，增加土壤含水量；通過避免外營力與地表土壤顆粒的直接接觸，削弱徑流侵蝕力等方面抑制土壤侵蝕的發(fā)生，是干旱半干旱區(qū)提高水土資源利用效率的重要農(nóng)藝措施。目前，關(guān)于秸稈覆蓋對土壤水分及土壤侵蝕影響的研究較為豐富，涉及到機理、效應(yīng)等方面，這在一定程度上完善了秸稈覆蓋“保墑抗旱”的研究，但秸稈覆蓋對土壤水分、土壤侵蝕的作用效果以及對作物產(chǎn)量的影響，受氣候類型、秸稈類型、還田方式和作物種類等因素的影響而存在較大的變異，如有研究表明秸稈覆蓋不利于播種、秸稈阻擋作物出苗，在寒冷地區(qū)秸稈覆蓋可降低春季地溫回升速率，對作物出苗發(fā)育不利[46]，也有研究表明秸稈覆蓋在陡坡、高雨強或犁底層存在的情況下會加速侵蝕。為解決上述問題，促進(jìn)秸稈覆蓋措施的推廣應(yīng)用，今后的秸稈覆蓋研究應(yīng)當(dāng)強化以下4方面：

(1)明晰秸稈覆蓋對土壤水分運動和土壤侵蝕影響的作用機制，量化其作用效果。作用機理研究是掌握秸稈覆蓋與土壤水分、侵蝕關(guān)系的關(guān)鍵，要在不同試驗條件下開展定量化研究，室內(nèi)模擬與野外觀測相結(jié)合。如秸稈覆蓋在高雨強、陡坡和犁底層存在下加劇侵蝕的作用機理還比較模糊，只有加強作用機制研究，才能為有效解決應(yīng)用難題，發(fā)展秸稈覆蓋技術(shù)，提供理論支持。

(2)秸稈覆蓋措施的區(qū)域適用性及評價，制定秸稈覆蓋技術(shù)規(guī)程，因地制宜科學(xué)推廣秸稈覆蓋技術(shù)。秸稈覆蓋效果受氣候、作物和管理措施等因素的影響，其作用效果具有較大空間變異性，所以在不同地區(qū)可選取具有代表性地塊長期監(jiān)測土壤質(zhì)量、作物產(chǎn)量和病蟲草害變化，并評估機具的適用性，優(yōu)化秸稈還田技術(shù)規(guī)程，促進(jìn)相關(guān)機械的升級。如秸稈帶狀覆蓋措施的提出，有效解決了對作物出苗率的影響，但此類研究多集中在特定的區(qū)域，且沒有形成統(tǒng)一的定量化結(jié)論，覆蓋技術(shù)可能不具有普適性，在今后的研究中仍需加強該方面的研究，促進(jìn)秸稈還田措施的推廣應(yīng)用。

(3)秸稈覆蓋及播種等相關(guān)機械的研制與改進(jìn)。機械研發(fā)是秸稈覆蓋技術(shù)廣泛推廣應(yīng)用的核心環(huán)節(jié)之一，今后的研究中，應(yīng)加強各科研單位、農(nóng)機制造企業(yè)和材料研發(fā)企業(yè)的協(xié)同，制定并研發(fā)適合特定區(qū)域、特定作物的機械配置，開展秸稈覆蓋機具與高性能播種機核心部件研發(fā)攻關(guān)。

(4)模型研究在科學(xué)研究和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)都有重要意義，秸稈覆蓋是作物生長模型(如APSIM模型)、水土流失模型(如WEPP模型)的重要參數(shù)，但該參數(shù)也受外界條件影響較大，在今后研究中，需注重開展不同條件下的科學(xué)試驗，確定模型中秸稈覆蓋系列參數(shù)，以及評價相關(guān)模型在不同區(qū)域的適用性。