秸秆覆盖中原料切碎/粉碎对土壤水热的影响

2019-12-21朱新华郭文川

农机化研究 2019年3期

席娟，朱新华，刘威，郭文川

(西北农林科技大学机械与电子工程学院，陕西杨凌 712100)

0 引言

矮砧苹果集约化栽培技术因其具有产量高，品质优，便于机械化作业等优势而被广泛推广。但由于栽培植株多，根系分布密而浅，水肥消耗多，因此对土壤要求较高[1-2]。土壤贫瘠、季节性干旱是我国西北旱塬苹果产区推广该新技术的不利条件。目前，生草覆盖技术在矮砧果园被广泛采用，但存在生草与果树争水争肥的问题，对旱区果园尤为不利[3-5]。果园秸秆覆盖具有保墒、保温、抑制杂草和培肥土壤等多重效果，在西北旱区果园覆盖方面具有较好的适应性[6-10]。但该技术由于人工作业，存在费工费时以及冬季火患等缺点，限制了该技术的规模化应用。为了克服秸秆覆盖技术存在的问题，本文提出了一种果园秸秆机械化分层覆盖技术[11]，即采用机械装备将适量秸秆覆盖于果园行间，同时就地取土对秸秆层均匀地进行薄土盖压，秸秆覆盖和薄土盖压作业一次完成，形成分层覆盖。该技术能有效克服草树争水争肥的缺陷。同时，秸秆层阻断了表层土壤与底层土壤之间的水分、热量传输，保墒保温，破坏杂草的生存条件而达到抑草效果。此外，薄土盖压层还能防止火灾以及防止风、雨对秸秆层的破坏，加快秸秆的腐解速度。

适于果园覆盖的秸秆原料来源广泛，其长度差异较大，不经细碎化处理直接用于果园覆盖，会影响其覆盖质量。为了方便机械化作业，并获得均匀、稳定的秸秆分层覆盖作业质量，秸秆原料需要进行适当的切碎或粉碎加工处理。切碎处理可将秸秆横切成管状，孔隙度大，其比表面积较小，秸秆仍较完整；粉碎处理则可将秸秆处理为碎片状，孔隙度小，比表面积较大，可有效破坏秸秆组织结构。目前，上述两种不同加工处理方式对果园秸秆覆盖在土壤保墒、保温、抑制杂草等方面的影响尚不清楚。为此，本文以我国北方地区广泛种植的小麦、玉米、大豆作物的秸秆为研究对象，对秸秆进行切碎和粉碎2种处理，在室外容器中研究面向果园秸秆机械化分层覆盖的秸秆切碎/粉碎加工方式对土壤的含水率、温度和抑草效果的影响规律，为果园秸秆分层机械化覆盖技术中原料处理方式的选择和覆盖作业工艺的制定提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料准备

试验采用的土壤为塿土的耕层，试验所用的小麦、玉米和大豆秸秆为陕西杨凌区新近收获的秸秆。其中，小麦秸秆是联合收割机收获后的秸秆，玉米秸秆是机械摘穗后完整的秸秆，大豆秸秆是碾压脱粒后的秸秆。将3种秸秆分别采用9ZT-0.4型铡草机(河南省荥阳市超威机械厂)和320型粉碎机(曲阜兴文机械配件有限公司)加工成(3±1)cm的切碎小麦秸秆(CW)、粉碎小麦秸秆(SW)、切碎玉米秸秆(CC)、粉碎玉米秸秆(SC)、切碎大豆秸秆(CS)及粉碎大豆秸秆(SS)6种不同加工的秸秆。

试验在西北农林科技大学机电学院草地进行，该地区海拔521m，属于暖温带半湿润季风气候区，年均降水量为637.6mm，年平均温度为12.9℃。试验容器为图1所示的塑料容器，其底部开孔与地面土壤连通，圆周方向上开有测温孔；容器底部填充高度为15cm的土壤，在底层土壤上方分别覆盖制备的6种不同加工的秸秆，自然状态下秸秆层高度为10cm，然后在秸秆层上面覆土4cm。装填的土壤和秸秆的初始含水率和装填比重如表1所示。

图1 试验容器及装填示意图

表1 供试土壤和秸秆的初始含水率及装填比重

1.2 土壤参数测量

1)土壤含水率的测定：试验从2016年5月1日-9月25日，共148天。试验开始第1个月每隔7天，之后每隔15天采用自制的土壤取样器，分别取距离秸秆层上下2～4cm处的表土层和底土层的土壤样品，并密封于塑料袋后带回实验室。根据GB7172-87，采用FA2004型电子天平(上海舜宇横平科学仪器有限公司，精度0.000 1g)和101-1AB型电热鼓风箱(天津市泰斯特仪器有限公司，温度波动±1℃)105℃烘干后称量，计算表土层和底土层土壤的干基含水率。

2)土壤温度测定：秸秆覆盖后第1个月每隔7天，之后每隔15天于当天的8:00、14:00和20:00使用探针式温度计(Delta TRAK，美国，精度±0.5℃)测量底土层10cm深处圆周方向均匀分布的3个点处的土壤温度，取平均值作为底层土壤温度。试验容器置于室外保持自然降雨状态，试验期间的环境温度和降水量如图2所示。

图2 试验期间的环境温度及降水量

1.3 数据处理

试验数据采用Excel 2010进行整理，SPSS 20.0对数据进行单因素方差分析，采用最小显著差异法进行显著性检验(P<0.05)，使用OriginPro 8.0作图。

2 结果与分析

2.1 秸秆切碎/粉碎对底层土壤含水率的影响

2.1.1 小麦秸秆切粉碎对底层土壤含水率的影响

那天，许元生再次送如芸回家，如芸没有像往常那样装没看见，她径直走到他面前，说：“咱们分手了，你不用再送我了。”这次，许元生并没有乖乖地听她的话，“等以后有人送你了，我就不来了。”

图3为CW和SW 148天间底层土壤含水率随时间的变化规律。由图3可知：覆盖初期(28天)，秸秆覆盖的底层土壤含水率低于CK，之后逐渐高于CK，CW和SW的底层土壤含水率较CK最大分别提高了6.96%和3.49%。覆盖133天后，秸秆覆盖与CK相比，底层土壤含水率差异减小，说明秸秆层在试验初期阻止了雨水入渗，其后减少了底层土壤水分蒸发。试验期间，CW的底层土壤含水率普遍高于SW，因此CW比SW具有更明显的土壤保墒作用。

图3 CW和SW对底层土壤含水率的影响

2.1.2玉米秸秆切粉碎对底层土壤含水率的影响

图4为CC和SC对底层土壤含水率的影响。由图4可知：试验初期(28天)CC和SC的底层土壤含水率无明显差异，均显著低于CK，28天后秸秆覆盖的底层土壤含水率逐渐升高，直至43天后秸秆覆盖的底层土壤含水率高于CK并持续到试验结束；CC和SC对底层土壤含水率的影响表现出高度一致性，但CC的底层土壤含水率高于SC。CC和SC的底层土壤含水率较CK最大分别提高了12.48%和9.14%。

2.1.3大豆秸秆切粉碎对底层土壤含水率的影响

图5为CS和SS的底层土壤含水率随时间的变化规律。由图5可知：覆盖初期(28天)SS的底层土壤含水率与CK较为接近，且明显高于CS的底层土壤含水率；28天后CS的底层土壤含水率逐渐升高，直至43天后CS和SS的底层土壤含水率变化一致，均高于CK且持续到试验结束。试验43天后，CS和SS的底层土壤含水率均明显高于CK，两者最大分别高于CK 8.53%和10.50%，表现出良好的保墒作用，且SS的保墒效果优于CS。

图4 CC和SC对底层土壤含水率的影响

图5 CS和SS对底层土壤含水率的影响

2.1.4 各处理下底层土壤含水率差异比较

由于秸秆覆盖初期(28天)的底层土壤含水率均低于CK，之后逐渐升高，在43～103天时稳定高于CK，因此对不同覆盖下0～28天和43～103天底层土壤含水率的平均值进行比较，如图6所示。其中，0～28天内CK土壤含水率最高，CW和SS的底层土壤含水率略低于CK，且差异不显著，而SW、CC、SC以及CS的底层土壤含水率与CK差异显著，均明显低于CK。试验43～103天时各秸秆覆盖的底层土壤含水率均明显高于CK，除SW的底层土壤含水率与CK差异不显著外，其他5种秸秆覆盖均与CK底层土壤含水率差异显著。其中，CC的底层土壤含水率最高可达到24.15%，CK仅为15.54%。

表2为整个试验期不同秸秆覆盖下底底层土壤含水率的平均值。由表2可知：CW、CC的底层土壤含水率分别高于SW、SC，即小麦和玉米秸秆的切碎比粉碎处理后覆盖具有更好的保墒作用；而CS的底层土壤含水率高于SS，说明大豆秸秆粉碎比切碎处理覆盖能更好地保持土壤水分，但各秸秆处理方式之间的底层土壤水分差异未达显著水平。综合3种秸秆切碎和粉碎覆盖的底层土壤含水率平均值，可知两种加工后的秸秆覆盖较CK均有效提高了底层土壤含水率，分别高于CK 3.16%和2.35%。切碎秸秆覆盖的保墒作用总体优于粉碎秸秆覆盖。

图6 不同时期各处理的底层土壤含水率平均值

表2 试验期各处理的底层土壤含水率平均值

2.1.5 覆盖层对底层土壤含水率的影响机理分析

秸秆覆盖具有减少土壤水分蒸发，改善土壤结构，蓄水保墒的作用。同时，由于秸秆的吸水性，在降雨时可延缓雨水入渗产生不利影响[12-14]。在本研究中，试验初期(28天)降雨由少增多，总降水量为43.8mm。此阶段底层土壤含水率均低于对照组，是因为秸秆具有很强的吸水能力，且其初始含水率低于土壤的初始含水率，因此秸秆层从土壤中吸水建立平衡，降低了底层土壤的含水率；同时，表层土壤和秸秆层吸收降雨，阻断了雨水向底层土壤的传递。相反，在对照组中雨水可直接渗入底层土壤，因此对照组底层土壤含水率快速升高，而秸秆覆盖的底层土壤含水率缓慢升高，甚至略有下降。28～43天内降水较为集中，总降水量为27.8mm，秸秆覆盖的底层土壤含水率逐渐升高并高于对照组的底层土壤含水率，有3个方面的原因：①秸秆层吸水达到饱和，雨水入渗到底层土壤，同时秸秆的蓄水作用延长了水分入渗的作用时间，增加了渗入土壤的水量[15-16]；②覆盖层(表层土壤和秸秆层)对底层土壤形成保护，阻隔了土壤与大气之间的热量交换和光照引起的水分蒸发[17-18]；③秸秆层切断了土壤毛孔从而减少蒸发，且底层土壤中蒸发的少量水蒸气通过覆盖层时受到阻挡，有效减少了底层土壤水分的蒸散量[19-20]。Zhaoyonggan等[21]研究表明：秸秆覆盖提高了土壤水分贮藏量，秸秆掩埋覆盖的保水效果要优于单一秸秆覆盖，与本文研究结果一致。

不同加工方式的秸秆覆盖对土壤含水率的影响也不相同。秸秆覆盖后，长秸秆比粉碎秸秆具有更好的抑制土壤水分蒸发的作用[22]，而长秸秆在土壤中又会阻断水分流通的毛管孔隙，导致入渗能力下降[23]。郑键等[24]研究表明：片状的玉米叶对土壤水分垂向阻滞效应明显，减小了土壤水分入渗率，而颗粒状的玉米芯增加了土壤水分入渗通道，提高了土壤水分入渗率。在本分层覆盖研究中均有类似的现象发生。CW和CC的底层土壤含水率分别高于SW和SC，是由于切碎秸秆的管状结构孔隙度大，土壤水分入渗率较高，而粉碎加工使秸秆形成片状结构，孔隙度小入渗率较低。同理，CS的底层土壤含水率低于SS，是由于实芯结构的大豆秸秆粉碎较切碎加工能够获得较大的孔隙度，雨水易通过，从而更能保水保墒。反过来，切碎与粉碎秸秆的孔隙结构对底层土壤水分蒸发上行的影响刚好与雨水入渗过程相反。综上分析底层土壤含水率表明：切碎秸秆覆盖的总体高于粉碎秸秆覆盖的，即切碎秸秆具有更好的保墒作用。

2.2 秸秆切碎/粉碎覆盖对底层土壤温度的影响

2.2.1 小麦秸秆切碎和粉碎对底层土壤温度的影响

图7为CW和SW在148天间8:00、14:00和20:00底层土壤温度的变化规律。其中，8:00时，CW、SW与CK的底层土壤温度差异较大，CW、SW的底层土壤温度分别最大高出CK 1.33℃和2.33℃；而14:00时，底层土壤温度低于CK，尤其在试验初期，CW和SW的底层土壤温度最大分别低于CK5.40℃和4.73℃；但133天后，由于秸秆降解，秸秆层变薄使得CW和SW对底层土壤温度的影响减小，与CK趋于一致。20:00时，CW、SW、CK的底层土壤温度变化规律与8:00时类似，但差异较小，CW与SW的底层土壤温度分别最大高于CK 0.7℃和1.5℃。

同时，SW的底层土壤温度在3个测量时间点均普遍高于CW。早晚气温低，底层土壤温度高于CK说明秸秆覆盖具有保温的作用；而午间气温高，底层土壤温度高于CK说明秸秆覆盖具有抑制土壤温度升高的作用。CW的底层土壤日温比SW的平稳，考虑到试验在夏秋季节，因此 CW的底层土壤温度效应优于SW。

图7 CW和SW对底层土壤温度的影响

2.2.2 玉米秸秆切碎和粉碎对底层土壤温度的影响

图8是CC和SC在不同时间点下底层土壤温度的变化规律。

图8 CC和SC对底层土壤温度的影响

其中，8:00时，CC和SC的底层土壤温度最大分别高出CK 1.66℃和2.84℃；14:00时，二者分别最大低于CK 5.28℃和3.40℃；20:00时，二者又分别最大高出CK 3.58℃和4.11℃。这说明玉米秸秆覆盖与小麦秸秆覆盖对底层土壤温度的影响规律相同，即同样具有早晚保温和午间抑温的作用，CC的底层土壤日温比SC的平稳，CW的底层土壤温度效应优于SC。

2.2.3 大豆秸秆切碎和粉碎对底层土壤温度的影响

图9为大豆秸秆覆盖后底层土壤温度的变化规律。其中，8:00时，CS和SS的底层土壤温度最大分别高出CK 2.17℃和1.43℃；14:00时，二者分别最大低于CK 2.58℃和4.68℃；20:00时，二者又分别最大高出CK 1.80℃和1.35℃。结果说明:大豆秸秆覆盖同小麦和玉米秸秆覆盖一样，具有早晚保温和午间抑温的效果；但不同的是，SS的底层土壤日温比CS的平稳，SS的底层土壤温度效应优于CS。

图9 CS和SS对底层土壤温度的影响

2.2.4 各处理下底层土壤温度差异比较

图10为整个试验期间不同处理的3种秸秆覆盖的底层土壤温度平均值。由图10可知：8:00时，小麦、玉米秸秆粉碎覆盖的保温效果优于切碎覆盖，而大豆秸秆相反；14:00时，小麦、玉米秸秆切碎覆盖的抑温效果优于切碎覆盖，而大豆秸秆相反。

图10 各处理的底层土壤温度平均值

整个试验阶段，各处理的底层土壤全天温差如表3所示。各处理均有效减小了土壤温度的全天变幅，CK全天温差最大，为12.31℃。小麦和玉米秸秆切碎覆盖的底层土壤温度全天变幅略小于粉碎覆盖，而大豆秸秆切碎覆盖的底层土壤全天温差则明显高于粉碎覆盖。综合切碎、粉碎覆盖的底层土壤温度全天变幅的平均值，两种加工方式之间差异较小，仅为0.22℃。因此，秸秆切碎和粉碎加工覆盖均可减小底层土壤温度的全天变化幅度，但无明显差异。

表3 不同处理的底层土壤温度全天变幅

2.2.5 覆盖层对底层土壤温度影响机理分析

有研究表明：秸秆白天可吸收太阳辐射阻挡热量向地面传递，而晚上可减缓土壤热量散失，因此秸秆的降温效应主要发生在白天，而夜间表现为保温效应，能有效减小全天土壤温度的变化幅度[25-27]。这与本研究秸秆分层覆盖得到的结果是相同的。试验中所有秸秆覆盖的底层土壤温度均在早、晚气温较低时高于对照组，表现出保温作用；午间气温较高时底层土壤温度低于对照组，表现出抑温作用。因此，秸秆覆盖具有减小全天温度变幅，平抑土壤温度的作用。秸秆覆盖对土壤温度的影响与土壤含水率有关，降水后的土壤温度会降低[28]，含水率较低时土壤温度最高值升高，温差变大[29]。对比本研究中切碎、粉碎加工对底层土壤温度的影响可知：切碎和粉碎处理对小麦和玉米2种秸秆覆盖对底层土壤温度的影响一致，且粉碎处理的底层土壤温度高于切碎处理；大豆秸秆不同处理后覆盖对底层土壤温度的影响则与小麦和玉米秸秆的相反。由于SW、SC的底层土壤含水率分别低于CW、CC，因此SW、SC的土壤温度相应较高，具有较好的保温作用，而CW、CC的土壤温度较低，具有更好的抑温作用。同时，秸秆粉碎对结构的破坏大于切碎，比表面积大，降解速度快。因此，粉碎秸秆的降解热对土壤保温也有贡献。综合3种秸秆的2种加工方式，切碎和粉碎的秸秆覆盖均能在低温时增温，高温时抑温，有效减小底层土壤全天温差，且两种加工方式对底层土壤全天温差的影响差异不明显。

2.3 秸秆切碎/粉碎覆盖对表层土壤隔离水分效果的影响

2.3.1 秸秆切碎/粉碎覆盖对表层土壤含水率的影响

图11为各处理下表层土壤含水率随时间的变化规律。由于水分是杂草萌发和生长的决定性因素之一，表层土壤水分变化规律在很大程度上能够反映秸秆层对表层土壤抑制杂草的效果。表层土壤与底层土壤含水率差异越大，说明秸秆层的隔水抑草效果越好。由图11可知：各处理的表层土壤含水率在各测量时期变化规律一致。试验初期(28天)除SS外，各处理的表层土壤含水率均低于CK；28天后SS的表层土壤含水率逐渐降低，与其他处理的变化规律趋于一致，均低于CK。其中，CW和SW的表层土壤含水率与CK相比，最大分别低于CK 5.88%和6.21%；CC和SC的表层土壤含水率分别低于CK的最大值为3.8%和4.74%；CS和SS的表层土壤含水率分别低于CK的最大值为5.96%和3.38%。试验118天后秸秆覆盖与CK的表层土壤含水率差异减小。

图12为整个覆盖期间各处理下表层土壤含水率平均值及表层土壤与底层土壤含水率差值平均值的比较。由图12可知：整个试验期间CK的表层土壤含水率均值达到10.32%，而各秸秆覆盖处理的表层土壤含水率均低于CK。其中，SW的表层土壤含水率最低，仅为7.16%，SS的表层土壤含水率与CK最接近，为9.51%，但也低于多数草本植物的凋萎系数[30]。各秸秆覆盖均有效隔离了表层土壤与底层土壤的水分交换，使得上下层土壤含水率差值较大，CK的差值最小为4.29%。CW和CC覆盖的上下层土壤含水率差值较大，与CK差异显著；而SW、SC、SS和CS覆盖的差值仍大于CK，但差异不显著。因此，切碎加工秸秆覆盖的隔水抑草效果优于粉碎加工。

图11 各处理对表层土壤含水率的影响

图12 各处理表层土壤含水率及表层土壤与底层土壤含水率差值

2.3.2 秸秆层对表层土壤水分隔离作用机理分析

在本研究中采用秸秆—土壤双层覆盖，秸秆层不仅可以提高下层土壤水分含量，还具有隔离上下层土壤水分传输，降低秸秆层上方表层土壤含水率达到抑草效果的作用，此结果与前人研究一致。赵勇敢等[31]研究表明：在土壤中埋设秸秆隔层可改变土壤质地的均匀性，切断土壤毛管，水分蒸发时秸秆隔层上方土壤水分散失较快，同时秸秆隔层含水率也逐渐降低，此时秸秆失水形成不导水的阻隔层，使得底层水分无法越过秸秆隔层向上供水，从而大大减少了底层水分的蒸发量。本研究中切碎秸秆和粉碎秸秆覆盖的隔水效果不同，是因为不同加工的秸秆层所形成的孔隙率不同，导水能力不同造成的。切碎的小麦、玉米秸秆呈管状，孔隙大，有效阻断了下层水分向上传输；而粉碎的小麦、玉米秸秆呈片状，孔隙率较小，易形成毛管现象，水分传输快，隔水效果不如切碎秸秆。