周彥莉， 吳海梅， 周彥棟， 尚旭民， 逄 蕾

（1.甘肅省干旱生境作物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；3.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)植物生產(chǎn)類實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，甘肅 蘭州 730070；4.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070）

土壤水分是限制農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要因素［1］，土壤水分受到土壤容重、土壤孔隙度和土壤團(tuán)聚體等物理性狀的影響。秸稈還田對土壤結(jié)構(gòu)和土壤含水量影響較大，對于秸稈還田的研究，多是建立在長期試驗(yàn)之上，研究表明，秸稈還田具有改良土壤結(jié)構(gòu)，降低土壤水分蒸發(fā)，提高土壤水分利用效率［2-3］等作用。也有短期試驗(yàn)表明，短期秸稈還田同樣對土壤水分和結(jié)構(gòu)有較大影響，不同還田方式是影響土壤結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵因素［4-5］。秸稈整稈深還田、整稈覆蓋還田、碎稈翻埋還田和碎稈覆蓋還田均能顯著降低土壤容重，增加土壤孔隙度［6］，促進(jìn)微團(tuán)聚體向大團(tuán)聚體的轉(zhuǎn)化，水穩(wěn)性團(tuán)聚體穩(wěn)定性顯著增強(qiáng)，土壤持水能力增大［7］。秸稈整稈和碎稈覆蓋還田，其覆蓋地表的秸稈形成隔層，顯著降低土壤水分蒸發(fā)，減緩?fù)寥浪植▌?，提高了土壤水分利用率?-10］。淺層秸稈還田對0～20 cm 土層土壤含水量影響最顯著［11-12］，秸稈深還田對水土保持效果更好［13］。但部分干旱地區(qū)秸稈翻埋和打碎還田反而促進(jìn)土壤蒸發(fā)，降低土壤含水量［4,14］。秸稈覆蓋雖能提高土壤水分入滲和持水能力，但秸稈覆蓋量過大不僅會造成外來水分入滲受阻，而且會降低地溫、影響農(nóng)作物播種和種子出苗率；甚至造成因覆蓋量過大秸稈不易風(fēng)化而焚燒的現(xiàn)象［15］。隨著農(nóng)業(yè)資源的循環(huán)利用，秸稈還田措施逐漸被推廣，深入研究合理的秸稈還田量及還田方式對改善土壤結(jié)構(gòu)，減少土壤水分蒸發(fā)具有重要的意義。

西北半干旱和干旱地區(qū)受自然因素和人為因素的影響，部分土壤退化、土壤結(jié)構(gòu)和蓄水能力等性能減弱［16-17］。如何降低土壤水分蒸發(fā)、改良土壤物理結(jié)構(gòu)和促進(jìn)農(nóng)業(yè)資源高效利用，是該地區(qū)亟需解決的關(guān)鍵問題。合理的秸稈還田方式和還田量是改善土壤物理結(jié)構(gòu)和提高土壤蓄水保墑能力的重要途徑，適量秸稈還田，不僅易于風(fēng)化，易于次年翻耕入土，而且收獲的秸稈可以繼續(xù)還田，在短期內(nèi)實(shí)現(xiàn)秸稈資源高效利用。

本試驗(yàn)采用大田試驗(yàn)結(jié)合蒸發(fā)桶試驗(yàn)研究秸稈不同還田方式對土壤物理結(jié)構(gòu)、蒸發(fā)特性及土壤剖面含水量的影響，明確不同方式秸稈短期還田對土壤物理性質(zhì)和水分蒸發(fā)的影響，以期充實(shí)西北半干旱和干旱地區(qū)秸稈還田在改良土壤結(jié)構(gòu)、降低土壤水分蒸發(fā)，實(shí)現(xiàn)秸稈高效利用方面的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)設(shè)在甘肅省白銀市白銀區(qū)水川鎮(zhèn)（36°37′N，104°29′E）農(nóng)業(yè)信息化科普小院甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗(yàn)基地，海拔1509 m。年平均氣溫7.9 ℃，無霜期161 d 左右，冬冷夏熱，晝夜溫差較大，屬于溫帶大陸性氣候。日照時數(shù)長，年均日照時數(shù)2534 h，熱量資源豐富。干旱少雨，蒸發(fā)量大，年均蒸發(fā)量2004 mm，年均降水量204 mm，7—9 月的降雨量約占全年總降雨量的60%左右。土壤為沙壤土，容重1.39 g·cm-3。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計

試驗(yàn)設(shè)4 個處理，CK（對照：無秸稈）、T1［碎稈還田：玉米秸稈粉碎至2～3 cm 后翻埋入土，秸稈用量約為9000 kg·hm-2（風(fēng)干基），是每公頃產(chǎn)出的全部玉米秸稈］、T2（碎稈還田+整稈覆蓋：秸稈用量同T1，玉米秸稈50%粉碎至2～3 cm 后翻埋入土，另50%保持整稈狀態(tài)覆蓋于地表）和T3（整稈覆蓋：秸稈用量同T1，玉米整稈覆蓋于地表）。

采用大田試驗(yàn)和蒸發(fā)桶觀測試驗(yàn)相結(jié)合的方法［18］開展本研究，大田試驗(yàn)持續(xù)時間為92 d、蒸發(fā)桶觀測試驗(yàn)持續(xù)時間為22 d。大田試驗(yàn)和蒸發(fā)桶試驗(yàn)每個處理重復(fù)3 次，蒸發(fā)桶與大田試驗(yàn)小區(qū)相間排布，在試驗(yàn)區(qū)搭建干旱遮雨棚以防降雨淋濕。試驗(yàn)持續(xù)期間的溫度為5.5～28.5 ℃。

1.2.1 大田試驗(yàn) 小區(qū)面積3 m×2.5 m，完全隨機(jī)區(qū)組排列。小區(qū)初始土壤含水量為1.5%～2%，土壤下方100 cm 處鋪設(shè)砂石墊層，防止地下水干擾，用隔水材料阻斷水分橫向傳輸。各處理秸稈碎稈翻埋入耕層（約20 cm）后，一次性灌水100 mm，待水分下滲至穩(wěn)定狀態(tài)后，用秸稈整稈覆蓋地表，并測定土壤含水量，記為起始含水量。試驗(yàn)時間從2021 年4月11至7月11日。

1.2.2 蒸發(fā)桶試驗(yàn) 桶高31 cm，直徑22 cm，底部有1 cm大小均勻的孔，桶底墊紗布，裝入過2 mm篩的土高15 cm，每桶注水至桶底滲出，靜置12 h水滲流基本完成后將桶底密封，添加秸稈方式同大田，稱重記錄初始重量。試驗(yàn)時間從2021年4月11日至5月2日。

1.3 測定指標(biāo)與計算方法

1.3.1 大田試驗(yàn)

（1）土壤剖面含水量［18］：分別在試驗(yàn)開始的第1 d、第31 d、第62 d和第92 d，用TPGSQ-4土壤剖面水分速測儀測定土壤0～5 cm、5～15 cm、15～20 cm、20～40 cm、40～50 cm、50～60 cm 和60～80 cm 土層的土壤水分變化。

（2）土壤容重和孔隙度［19］：試驗(yàn)開始后的第92 d在各處理隨機(jī)選擇5個樣點(diǎn)，用環(huán)刀取0～20 cm土層的原狀土烘干后，計算土壤容重。

土壤總孔隙度＝（1-土壤容重/土壤比重）×100%（土壤比重取值為2.65 g·cm-3）

土壤毛管孔隙度=田間最大持水量-萎蔫含水量

非毛管孔隙度=土壤總孔隙度-土壤毛管孔隙度

（3）團(tuán)聚體：試驗(yàn)開始后第92 d 在各處理隨機(jī)選擇5個樣點(diǎn)，用環(huán)刀法采集0～20 cm 土層原狀土，放入硬質(zhì)塑料盒內(nèi)帶回實(shí)驗(yàn)室，去除雜物后，按自然結(jié)構(gòu)裂隙掰為約1 cm 大小的土塊，自然風(fēng)干，用濕篩法測定粒徑＞5 mm，2～5 mm，1～2 mm，0.5～1 mm，0.25～0.5 mm 和＜0.25 mm 的水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量，并計算平均重量直徑（MWD）、幾何平均直徑（GMD）和不穩(wěn)定性團(tuán)粒指數(shù)（ELT），表征土壤團(tuán)聚體特性［20］。

土壤團(tuán)聚體MWD、GMD 和ELT 的計算公式如下：

式中：n為粒徑分組組數(shù)；xˉi為i粒級分組團(tuán)聚體的平均直徑；wi為i粒級團(tuán)聚體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；Mz為團(tuán)聚體總質(zhì)量（g）；MR＞0.25為粒徑大于0.25 mm的團(tuán)聚體質(zhì)量（g）。

1.3.2 蒸發(fā)桶試驗(yàn)

（1）日蒸發(fā)量：每日18:00 用感度為0.01 g 的電子天平稱蒸發(fā)桶質(zhì)量，換算成蒸發(fā)量。

（2）土壤累計蒸發(fā)與時間的關(guān)系：用Gardner擬合曲線［21］，其計算公式如下：

式中：t為時間；E為累積蒸發(fā)量；a和b為擬合曲線參數(shù)；v為土壤水分蒸發(fā)速率。

1.4 數(shù)據(jù)處理

用Excel 和SPSS 20.0 對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，LSD 法進(jìn)行單因素方差分析，顯著性水平為0.05，Excel繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 秸稈不同還田方式對土壤結(jié)構(gòu)的影響

2.1.1 對土壤容重和孔隙度的影響 秸稈不同還田方式均能降低0～20 cm 土層土壤容重、增加總孔隙度和毛管孔隙度。由表1可知，各處理容重CK＞T3＞T2＞T1。T1、T2 和T3 比CK 分別降低了5.6%、4.5%和3.3%，其中T1、T2和T3之間土壤容重差異不顯著（P＜0.05）。T1的總孔隙度比CK顯著增加了7.3%，而T2 和T3 對土壤的總孔隙度沒有顯著影響（P＜0.05）。T1、T2和T3比CK的毛管孔隙度分別增加了34.3%、22.7%和8.1%，其中CK 和T3 之間差異不顯著（P＜0.05）。T1 和T2 與CK 相比，顯著減少了0～20 cm土層的非毛管孔隙度。

表1 秸稈不同還田方式對土壤容重和孔隙度的影響Tab.1 Effects of different straw returning methods on soil bulk density and porosity

2.1.2 對土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體組成及穩(wěn)定性的影響 秸稈不同還田方式顯著促進(jìn)土壤大團(tuán)聚體的形成，且秸稈粉碎還田對促進(jìn)土壤大團(tuán)聚體形成效果優(yōu)于秸稈整稈覆蓋。由圖1 可知，T1、T2 和T3＞5 mm 的土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量分別為23.30%、23.08%和13.40%，顯著增加了土壤水穩(wěn)性大團(tuán)聚體含量。T1和T2比CK顯著增加2～5 mm的水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量，分別增加了36.90%和63.06%（P＜0.05），而T3 比CK降低了9.89%，二者之間差異不顯著（P＜0.05）。

圖1 秸稈不同還田方式對水隱性團(tuán)聚體分布的影響Fig.1 Effects of different straw returning methods on the distribution of water-stable aggregates

秸稈不同還田方式均能提高土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的穩(wěn)定性。由表2可知，T1、T2和T3的MWD值分別比CK 高122.35%、123.53%和55.29%，GMD 值分別比CK 高51.55%、48.45%和17.53%。T1、T2 和T3的ELT 值分別比CK 低31.66%、34.15%和15.38%。即T1、T2 和T3 的平均重量直徑和幾何平均直徑比CK 顯著增大（P＜0.05），不穩(wěn)定性團(tuán)粒指數(shù)顯著降低（P＜0.05），其中，T2處理提高土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體穩(wěn)定性的作用最大。

表2 不同處理下土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體穩(wěn)定性指標(biāo)Tab.2 Soil water stable aggregate stability indexes in different treatments

2.2 秸稈不同還田方式對土壤水分蒸發(fā)的影響

2.2.1 對土壤蒸發(fā)強(qiáng)度的影響 秸稈不同還田方式均能抑制土壤日蒸發(fā)量，其中整稈覆蓋處理抑制蒸發(fā)效果最好。由蒸發(fā)桶試驗(yàn)可知（圖2），CK、T1、T2和T3的日蒸發(fā)量隨時間的增加呈下降趨勢。前7 d T2和T3日蒸發(fā)量均比CK和T1小，之后二者日蒸發(fā)量隨總體含水量的下降而快速下降，但相比CK，T1，T2和T3日蒸發(fā)量較大。試驗(yàn)期間，第1 d小雨，空氣濕度較大，T1、T2 和T3 的日蒸發(fā)量較小，但比CK 分別低21.2%、51.5%和58.8%；第4 d 降溫，各處理日蒸發(fā)量驟降；第22 d，T1、T2和T3的日蒸發(fā)量比CK 分別高10.5%、130.3%和253.7%，即秸稈還田方式對抑制水分蒸發(fā)有顯著效果。

圖2 秸稈不同還田方式對土壤蒸發(fā)強(qiáng)度的影響Fig.2 Effects of different straw returning methods on soil evaporation intensity

2.2.2 對土壤累積蒸發(fā)量的影響 秸稈還田對土壤累積蒸發(fā)量的影響呈先快速增加后逐漸變緩的趨勢，相同時間內(nèi)不同秸稈還田方式均比對照蒸發(fā)量小。由圖3可知，各處理前15 d蒸發(fā)量都較大，之后蒸發(fā)量減少，趨勢線逐漸趨于平緩。至試驗(yàn)結(jié)束時，CK 的累積蒸發(fā)量為21.28 mm，T1 比CK 的累積蒸發(fā)量小0.63%，T2 和T3 在地表形成秸稈隔層，與CK相比，其抑制水分蒸發(fā)率分別是3.65%和4.13%。

圖3 秸稈不同還田方式對土壤累積蒸發(fā)量的影響Fig.3 Effects of different straw returning methods on soilevaporation

T1、T2 和T3 對土壤累積蒸發(fā)量與時間的關(guān)系用Gardner曲線擬合，擬合參數(shù)見表3。Gardner擬合曲線與實(shí)測曲線的相關(guān)系數(shù)R2均在0.93以上，達(dá)到顯著水平，表明Gardner 擬合數(shù)據(jù)與實(shí)測數(shù)據(jù)吻合，這4種秸稈還田方式土壤累積蒸發(fā)量和時間的關(guān)系可以用Gardner 擬合曲線模擬土壤水分蒸發(fā)全過程。由方程可知，土壤水分蒸發(fā)速率與系數(shù)a、b和b-1 相關(guān)。從表中ab的值可知，各處理土壤水分蒸發(fā)速率大小為：CK＞T1＞T2＞T3，與圖1各處理日蒸發(fā)量趨勢相一致。

表3 秸稈不同還田方式累積蒸發(fā)量E與時間t的回歸關(guān)系Tab.3 Regression relationship between cumulative evaporation(E)and time(t)under different straw returning methods

2.3 秸稈不同還田方式對土壤剖面含水量的影響

秸稈不同還田方式主要影響0～60 cm土層的土壤剖面含水量，0～20 cm土層的土壤含水量受4種處理的影響最顯著。由圖4可知，T1、T2和T3對0～20 cm土層的土壤含水量影響最大，試驗(yàn)第1 d 0～20 cm土層土壤含水量為：T2＞T1＞T3＞CK；第20 d 后各處理0～20 cm 土層土壤含水量基本上是T3＞T2＞CK＞T1。整個試驗(yàn)期間0～20 cm 土層CK 的平均含水量為16.8%，T1、T2 和T3 比CK 分別高2.20%、14.70%和20.60%，CK、T1、T2 及T3 在0～60 cm 土層土壤平均含水量最大，分別為20.24%、21.18%、21.22%和21.88%，其中T2 和T3 比CK 顯著增高了0.98%和1.64%。

圖4 秸稈不同還田方式對土壤剖面含水量的影響Fig.4 Effects of different straw returning methods on soil water content

3 討論

關(guān)于秸稈還田研究，前人主要從長期秸稈還田的角度證實(shí)，秸稈還田能改良土壤物理結(jié)構(gòu)［22］，增加秸稈殘留，增大土壤孔隙，提高土壤導(dǎo)氣性，使土壤固-液-氣三相結(jié)構(gòu)趨于合理［23］。也有短期研究表明，秸稈還田對改良土壤結(jié)構(gòu)影響較大。本研究通過短期試驗(yàn)，研究秸稈不同還田方式對土壤結(jié)構(gòu)和水分影響，結(jié)果也表明，碎桿還田、碎稈還田+整稈覆蓋對降低土壤容重、增大土壤孔隙作用較大，且碎稈還田量越大該作用越大。同時研究結(jié)果也表明碎稈還田、碎稈還田+整稈覆蓋和整稈覆蓋均能降低0～20 cm 土層土壤的微團(tuán)聚體含量（粒徑＜0.25 mm），提高水穩(wěn)性團(tuán)聚體的穩(wěn)定性［24-25］，且碎稈還田+整稈覆蓋處理的效果最顯著，這主要是因?yàn)橥寥乐谢烊氪蛩榈慕斩捚鸬健靶ㄗ印钡淖饔茫纳屏送寥赖奈锢斫Y(jié)構(gòu)，優(yōu)化了土壤三相比［26］；秸稈覆蓋有效改善土壤-大氣界面微環(huán)境水熱交換狀況，促進(jìn)土壤結(jié)構(gòu)體的形成，增強(qiáng)土壤蓄水能力［27］。

秸稈還田對0～20 cm 土層土壤水分影響最顯著，通過短期模擬試驗(yàn)，可以探究其對土壤耕層水分的影響。本試驗(yàn)中碎桿還田處理0～20 cm土層的土壤孔隙度增大，影響了土壤水分蒸發(fā)，碎桿還田與對照相比土壤水分蒸發(fā)的差異不顯著，碎稈還田+整稈覆蓋和整稈覆蓋更有利于抑制土壤水分的蒸發(fā)。本試驗(yàn)結(jié)果表明，碎稈還田+整稈覆蓋抑制水分蒸發(fā)與整稈覆蓋差異不顯著。秸稈覆蓋于地表，形成土壤-秸稈-大氣隔層，土壤水分蒸發(fā)受隔層的阻礙，延緩蒸發(fā)速率［28］，對土壤水分保持有很大作用。碎桿還田、碎稈還田+整稈覆蓋和整稈覆蓋在0～60 cm 土層平均含水量較高，陳素英等［11］的研究也印證了這一點(diǎn)。員學(xué)峰等［29］研究發(fā)現(xiàn)，秸稈覆蓋影響和保持土壤含水量在0～50 cm 土層，與本試驗(yàn)研究結(jié)果略有差異，可能與土質(zhì)和氣候條件有關(guān)。本試驗(yàn)進(jìn)行時間較短，后期試驗(yàn)還需增加不同處理，延長觀測時間，另外對土壤深層水分變化需進(jìn)一步研究，以獲得最佳秸稈還田方式和還田量，改善土壤物理特性和抑制水分蒸發(fā)。

4 結(jié)論

本試驗(yàn)通過研究秸稈短期不同還田方式對土壤結(jié)構(gòu)和水分蒸發(fā)的影響，結(jié)合數(shù)學(xué)模型模擬，發(fā)現(xiàn)秸稈不同還田方式對改良土壤結(jié)構(gòu)和抑制水分蒸發(fā)影響差異較大，得出以下結(jié)論：

（1）碎桿還田和碎稈還田+整稈覆蓋能顯著降低0～20 cm土層土壤容重，增大土壤孔隙度，提高土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體穩(wěn)定性，促進(jìn)大團(tuán)聚體的形成。

（2）秸稈還田能提高0～60 cm 土層土壤平均含水量，降低土壤水分累積蒸發(fā)量，其中整稈覆蓋抑制蒸發(fā)的效果顯著。

（3）秸稈碎稈還田能有效改良土壤物理結(jié)構(gòu)，秸稈整稈覆蓋能有效降低土壤水分蒸發(fā)，秸稈碎稈還田+秸稈整稈覆蓋的效果兼具二者優(yōu)缺點(diǎn)，既要改良土壤結(jié)構(gòu)又要抑制土壤水分蒸發(fā)時，秸稈碎稈還田+秸稈整稈覆蓋效果最優(yōu)，是最佳選擇。