邱凌燕，張慶麗

(費(fèi)縣許家崖水庫(kù)管理中心，山東 臨沂 273400)

0 引言

農(nóng)作物秸稈中含有氮、磷、鉀等元素，是一種多用途可再生的生物資源，秸稈還田是一種廣泛采用的耕作方法，秸稈通過(guò)增加土壤酶活性和有機(jī)質(zhì)含量來(lái)提高土壤肥力，從而提高作物的質(zhì)量和產(chǎn)量，同時(shí)，秸稈摻入土壤還可以降低土壤容重、改善土壤孔隙度、增加土壤保水能力，提高土壤中水的利用效率[1]。史燕捷[2]等人進(jìn)行小麥田間試驗(yàn)表明，秸稈還田情況下，磷肥減量20%時(shí)小麥有效穗數(shù)、每穗顆粒數(shù)以及千粒重量均有一定提高，增加了小麥產(chǎn)量。劉冬碧[3]等人發(fā)現(xiàn)，在水稻-小麥輪作系統(tǒng)中，10年20季作物連續(xù)秸稈還田，水稻和小麥的子粒年均增產(chǎn)幅度均達(dá)到7%以上，秸稈年均增產(chǎn)幅度最高可達(dá)15.44%。黃璐[4]認(rèn)為2倍秸稈還田量是改善土壤物理性質(zhì)的最佳值，對(duì)當(dāng)?shù)赝寥烙袡C(jī)碳含量提升效果最好。管方圓[5]研究了添加秸稈對(duì)土壤微生物群落的影響，研究結(jié)果表明添加秸稈可以增加水稻產(chǎn)量，提高土壤腐殖質(zhì)的含量，改善土壤微生物群落結(jié)構(gòu)。目前，秸稈還田影響地表水文循環(huán)過(guò)程也引起了一些學(xué)者的重視，牟廷森[6]表明將秸稈摻入耕作層可以改變土壤滲透性和地表徑流機(jī)制，影響降雨入滲和徑流，具有調(diào)控徑流作用，延緩坡面產(chǎn)流時(shí)間。除了秸稈摻量，降雨強(qiáng)度和降雨持續(xù)時(shí)間等因素也會(huì)影響土體水文循環(huán)和侵蝕過(guò)程。關(guān)于秸稈還田的研究主要集中在秸稈覆蓋上，與在土壤表面覆蓋秸稈相比，將秸稈摻入耕作土層可以影響地表水流的剪切應(yīng)力，并改善降雨徑流過(guò)程中土壤的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，從而減少土壤侵蝕[7]。因此，研究秸稈摻入對(duì)坡地降雨徑流的影響具有重要意義。

在本研究中，進(jìn)行了室內(nèi)模擬降雨試驗(yàn)，以研究不同秸稈摻量在不同降雨強(qiáng)度的情況下對(duì)農(nóng)田徑流的影響，量化秸稈摻量對(duì)徑流發(fā)生時(shí)間、徑流過(guò)程和總徑流量的影響，以期為研究秸稈摻入對(duì)地表徑流的影響、推廣秸稈還田提供參考，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展農(nóng)業(yè)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

本次試驗(yàn)中土壤為粉土，具有均勻的質(zhì)地和良好的透水性，是有利于作物高產(chǎn)的良好農(nóng)業(yè)土壤。試驗(yàn)區(qū)土壤的顆粒密度為2.58g/cm3，耕作后的土壤堆積密度約為1.26g/cm3，孔隙率約為50%。將試驗(yàn)土壤風(fēng)干，并通過(guò)10mm篩網(wǎng)篩分。從農(nóng)田中收割麥秸，將秸稈處理為10～20cm的長(zhǎng)度，將秸稈材料與試驗(yàn)土壤材料充分混合均勻用于填充土壤水槽。

試驗(yàn)過(guò)程中模擬降雨試驗(yàn)，試驗(yàn)裝置包括土壤水槽帶和雨水模擬裝置。水槽長(zhǎng)9m，寬1.5m，深0.5m，坡度控制在15°±5°，每個(gè)水槽的末端都有一個(gè)用于收集徑流樣本的徑流收集器。水槽的設(shè)計(jì)模擬常見(jiàn)的壟溝種植法，間隔約40cm，溝渠寬度約為15cm，溝中未覆蓋土壤的寬度約為10cm，在降雨徑流的作用下很容易發(fā)生溝中侵蝕現(xiàn)象。雨水模擬器裝置位于土壤水槽上方約15m處，降雨強(qiáng)度可在30～300mm/h的范圍內(nèi)調(diào)整，降雨均勻性滿足試驗(yàn)要求。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本次試驗(yàn)選取四種秸稈摻入率：0、3、6、9t/ha，代表小麥產(chǎn)量水平分別為2727、5454、8181kg/ha。試驗(yàn)選取3種降雨強(qiáng)度：50、100、150mm/h。在各組試驗(yàn)過(guò)程中，設(shè)置總降雨量均為100mm，不同降雨強(qiáng)度的降雨持續(xù)時(shí)間分別為2、1、0.67h，每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)進(jìn)行3次。土壤填充水槽至約20cm厚，堆積密度約1.26g/cm3，兩側(cè)壁上的土壤深度略高于中部，以模擬耕作層。

降雨開(kāi)始后，記錄不同降雨強(qiáng)度和秸稈摻入率下的徑流起始時(shí)刻，以分析秸稈摻入對(duì)徑流起始時(shí)間延遲的影響。使用體積為3.0L的塑料桶從水槽末端的凹槽中收集徑流樣本，以記錄徑流速率和隨時(shí)間的累積徑流量。

徑流取樣期間平均徑流量按照下列公式計(jì)算：

(1)

式(1)中，A—斜坡的降雨收集面積，m2，本次實(shí)驗(yàn)中長(zhǎng)度為9m、寬度為0.1m；α—斜坡坡度，(°)，本次試驗(yàn)中取15°；r—單位時(shí)間、單位面積的平均徑流量，mm/h。

徑流取樣期間累積徑流量按照下列公式計(jì)算：

(2)

式中，R—從降雨開(kāi)始到不同時(shí)間點(diǎn)的累積徑流量，mm；ri和ri-1—相鄰兩個(gè)時(shí)段對(duì)應(yīng)的徑流速率，mm/h；Δt—采樣間隔，h。

2 結(jié)果與分析

2.1 秸稈摻量對(duì)徑流起始時(shí)間的影響

圖1為不同秸稈摻量和降雨強(qiáng)度下的徑流起始時(shí)間，由圖可知，秸稈摻入土壤的徑流起始時(shí)間顯著延遲于未摻秸稈的對(duì)照組。在降雨強(qiáng)度為50mm/h時(shí)，3、6、9t/ha的秸稈摻入使徑流起始時(shí)間增加了8.3%、18.6%、21.9%，在降雨強(qiáng)度為100mm/h時(shí)，3、6、9t/ha的秸稈摻入使徑流起始時(shí)間增加了3.5%、15.2%和24.1%，在降雨強(qiáng)度為150mm/h時(shí)，3、6、9t/ha的秸稈摻入使徑流起始時(shí)間增加了12.1%、33.1%和40.8%。與未摻秸稈的對(duì)照組相比，3t/ha的秸稈摻量導(dǎo)致徑流起始時(shí)間略有延遲，6t/ha和9t/ha的秸稈摻量導(dǎo)致徑流起始時(shí)間的延遲現(xiàn)象較為顯著。在不同的降雨強(qiáng)度下，3t/ha、6t/ha和9t/ha的秸稈摻入率使徑流起始時(shí)間增加了3.5%～12.1%、15.2%～33.1%、21.9%～40.8%。因此，徑流起始時(shí)間隨秸稈摻入率的增加而不斷延遲，隨降雨強(qiáng)度的增加而變短。這些結(jié)果表明，秸稈摻入可以延長(zhǎng)徑流起始時(shí)間，防止坡地水土流失。

圖1 同秸稈摻量和降雨強(qiáng)度下的徑流起始時(shí)間

分析其原因，通常秸稈覆蓋通過(guò)攔截雨滴以降低動(dòng)能并促進(jìn)土壤滲透，從而延遲了徑流起始時(shí)間，秸稈摻入還增加了引水渠道，改善土壤結(jié)構(gòu)，增加土壤間隙，從而增加了土壤蓄水量，導(dǎo)致秸稈摻入時(shí)的徑流起始時(shí)間明顯延遲。同時(shí)，降雨強(qiáng)度越大，降雨補(bǔ)給量越大，因此徑流起始時(shí)間越早。但也有學(xué)者認(rèn)為，在降雨強(qiáng)度較大時(shí)，降雨飛濺導(dǎo)致散落的土壤顆粒堵塞水滲透通道，可能產(chǎn)生更大的雨滴尺寸，以增加雨滴動(dòng)能并分散土壤顆粒；雖然較小的降雨強(qiáng)度具有較小的動(dòng)能，但可能會(huì)形成光滑而致密的土壤表層，加速坡面徑流[8]。因此，徑流起始時(shí)間受秸稈摻入率和降雨強(qiáng)度的綜合影響。

2.2 秸稈摻入率對(duì)平均徑流量的影響

由圖2中可以看出，秸稈摻入率和降雨強(qiáng)度直接影響平均徑流量，隨降雨強(qiáng)度的增加而增加，隨秸稈摻入率的增加而降低。與秸稈摻量為0t/ha相比，3、6、9t/ha的秸稈摻入率分別使平均徑流量減少7.4～14.69mm/h、15.51～25.82mm/h和24.83～34.24mm/h。未摻秸稈時(shí)，當(dāng)降雨強(qiáng)度分別為100mm/h和150mm/h時(shí)，平均徑流量較降雨強(qiáng)度為50mm/h的情況下分別增加了14.6%和49.8%。秸稈摻入量為3t/ha時(shí)，當(dāng)降雨強(qiáng)度分別為100mm/h和150mm/h時(shí)，平均徑流量較降雨強(qiáng)度為50mm/h的情況下分別增加了18.7%和42.8%。秸稈摻入量為6t/ha時(shí)，當(dāng)降雨強(qiáng)度分別為100mm/h和150mm/h時(shí)，平均徑流量較降雨強(qiáng)度為50mm/h的情況下分別增加了8.8%和41.9%。秸稈摻入量為9t/ha時(shí)，當(dāng)降雨強(qiáng)度分別為100mm/h和150mm/h時(shí)，平均徑流量較降雨強(qiáng)度為50mm/h的情況下分別增加了21.4%和62.4%。由此可見(jiàn)，降雨強(qiáng)度是影響平均徑流量大小的主要因素之一，秸稈摻入土壤中對(duì)減小平均徑流量起到有利作用。

圖2 同秸稈摻量和降雨強(qiáng)度下的平均徑流量

分析其原因，與未摻秸稈的對(duì)照組相比，3、6和9t/ha的秸稈摻入延長(zhǎng)了徑流起始時(shí)間，同時(shí)降低了整個(gè)降雨過(guò)程中的平均徑流量。秸稈摻入后，土壤滲透面積和土壤儲(chǔ)水量會(huì)有一定程度的增加，同時(shí)暴露在地表的秸稈阻礙了徑流的聚集，降低了流速，并且這種影響會(huì)隨著秸稈摻量的增加而增加。

2.3 秸稈摻入率對(duì)累積徑流量的影響

試驗(yàn)量測(cè)了在不同降雨強(qiáng)度情況下累積徑流量的數(shù)值，將其隨累積降雨量的變化繪制為圖3。由圖3可見(jiàn)，降雨強(qiáng)度為150mm/h時(shí)在累積降雨量小于20mm時(shí)即出現(xiàn)了明顯的累積徑流量，而降雨強(qiáng)度為100mm/h和50mm/h時(shí)則在累積降雨量接近30mm后才出現(xiàn)較顯著的累積徑流量。分析其原因，在同一時(shí)期，更大的降雨強(qiáng)度提供了充足的供水，同時(shí)雨滴更大，更密集，在一定時(shí)間內(nèi)不能較好地入滲土壤中，在地表表面更易形成斜坡地表徑流[9]。在徑流剛開(kāi)始時(shí)，累積徑流量增加較緩慢，曲線較為平穩(wěn)，隨著降雨的持續(xù)，累計(jì)徑流量增加速度加快，曲線傾斜程度變大，未摻秸稈的對(duì)照組與秸稈摻入的試驗(yàn)組累積徑流量差異逐漸增大。在不同降雨強(qiáng)度的情況下，秸稈摻量越多，累計(jì)徑流量最小，數(shù)值增加最緩慢。累積降雨量為100mm時(shí)，秸稈摻量為9t/ha與未摻秸稈的對(duì)照組的累積徑流量可減少約20mm。因此，利用秸稈摻入可有效減少累積徑流量，是控制水土流失的重要措施。在累積降雨量達(dá)到100mm時(shí)，降雨強(qiáng)度為50mm/h時(shí)反而有最大的累積徑流量，降雨強(qiáng)度為100mm/h時(shí)有最小的累積徑流量。

圖3 同秸稈摻量和降雨強(qiáng)度下的累積徑流量

2.4 秸稈摻入率對(duì)總徑流量的影響

圖4顯示了不同秸稈摻入率和降雨強(qiáng)度情況下的總徑流量，由圖中可以看出，總徑流量隨秸稈摻入率的增加而減少。與秸稈摻量為0t/ha的對(duì)照組相比，3、6、9t/ha摻入率下的總徑流量分別減少了5.0%～20.7%、18.9%～37.5%和40.8%～45.3%。因此，當(dāng)秸稈摻入率為9t/ha時(shí)，徑流減少效果最顯著。不同降雨強(qiáng)度情況下，相同秸稈摻量對(duì)地表總徑流量的影響不同，降雨強(qiáng)度為150mm/h時(shí)總徑流量最大，降雨強(qiáng)度為100mm/h時(shí)總徑流量最小。

圖4 同秸稈摻量和降雨強(qiáng)度下的總徑流量

秸稈摻入可以減少總徑流量，本研究設(shè)計(jì)的總降雨量為100mm，但總徑流量在降雨強(qiáng)度為50mm/h時(shí)大于100mm/h。分析其原因，在總降雨量相同的情況下，50mm/h的降雨強(qiáng)度增加了降雨持續(xù)時(shí)間，減弱了雨滴的影響，較長(zhǎng)的降雨持續(xù)時(shí)間增加了表面結(jié)皮的可能性，較低的降雨強(qiáng)度減少了雨滴對(duì)土體表面的破壞，從而增加了地表徑流?？傮w而言，隨著降雨強(qiáng)度的增加，總徑流量變化并不大。分析其原因，耕作層土壤在降雨后期達(dá)到飽和，并受到降雨強(qiáng)度、降雨持續(xù)時(shí)間等因素的影響，高強(qiáng)度降雨反而會(huì)嚴(yán)重干擾地表徑流，細(xì)溝的發(fā)育增加了土壤的滲透性[10]，這在一定程度上減少了降雨強(qiáng)度為100mm/h的徑流總量。在本試驗(yàn)中，降雨強(qiáng)度為150mm/h時(shí)的總徑流量與降雨強(qiáng)度為50mm/h時(shí)較為接近。

3 結(jié)論

本文通過(guò)研究不同降雨強(qiáng)度和不同秸稈摻量對(duì)土壤地表徑流的影響。結(jié)果表明增加秸稈摻量(3t/ha、6t/ha和9t/ha)可以顯著延遲徑流起始時(shí)間，在秸稈摻入速率為9t/ha時(shí)，延遲效果最明顯，且隨著降雨強(qiáng)度的增加，徑流出現(xiàn)的時(shí)間更早；當(dāng)秸稈摻入率為9t/ha時(shí)，徑流減少效果最顯著，累計(jì)徑流量最小，數(shù)值增加最緩慢?？倧搅髁吭诮涤陱?qiáng)度為100mm/h時(shí)最小，降雨強(qiáng)度為150mm/h時(shí)的總徑流量與降雨強(qiáng)度為50mm/h時(shí)較為接近，秸稈摻入土壤中可以增加土壤蓄水量，提高降雨利用率，減少降雨侵蝕。由于降雨侵蝕與土壤類型有關(guān)，在其他類型土壤侵蝕治理中，需要進(jìn)一步試驗(yàn)確認(rèn)。