填埋复垦侵蚀沟的导排水功能和秸秆腐解速率
2020-03-03张兴义
祁 志,韩 兴,丁 超,胡 伟,张兴义
填埋复垦侵蚀沟的导排水功能和秸秆腐解速率
祁 志1,韩 兴1,丁 超1,胡 伟2,张兴义2※
(1. 吉林农业大学资源与环境学院,长春 130118;2. 中国科学院东北地理与农业生态研究所,哈尔滨 150081)
秸秆填埋复垦技术主要用于修复东北地区耕地中的侵蚀沟,研究复垦后原沟道的导排水能力以及秸秆的腐解速率,旨在为沟毁耕地修复提供科学依据。该研究在黑龙江省海伦市光荣村选取一条复垦后的侵蚀沟为试验区,对土壤入渗能力、渗井入渗能力、秸秆层的持水能力、复垦后的土体排水能力系统测定分析,评价复垦后的导排水能力;对填埋不同年限的秸秆取样分析,评价秸秆腐解速率。结果表明:1)复垦后原沟道位秸秆层储水量为463 kg/m3,雨季产生径流能够完全被秸秆层储存,复垦后耕地能承受44~80 mm/h的均匀降雨,95%的地表汇流转为地下径流,大大减少径流对地表的冲刷,实现了变地表径流为地下导排水,复垦后未二次冲刷成沟。2)秸秆捆的厚度平均每年下降1.4 cm,秸秆层下降部分可被春季翻耕以及雨季汇流带来的泥沙沉积填充,复垦后原沟道位未出现塌陷。3)经过20 a的填埋,秸秆不同组分的腐解速率不同,其中半纤维素与纤维素腐解较快,木质素几乎不发生腐解,其占比由26.8%上升至38.8%。填埋的秸秆长期处于厌氧环境,且被水浸泡,加之约半年处于冻结状态故腐解缓慢。秸秆填埋侵蚀沟,可以修复沟毁耕地,实现复垦和地块的完整,可广泛用于东北黑土区约20万条耕地中侵蚀沟的修复。
复垦;导排水;腐解;秸秆;侵蚀沟;黑土区
0 引 言
东北黑土区是中国除黄土高原外沟道侵蚀最为严重的区域[1],东北黑土区侵蚀沟60%以上发生于坡耕地[2],耕地中侵蚀沟最突出的特点是形态大小各异[3-4],在损毁农田、粮食减收的同时,还造成土地支离破碎,阻挡机械作业,降低农机工作效率,阻碍现代农业的发展[5-8]。因此耕地中侵蚀沟是目前东北黑土区危害最大的水土流失现象,将侵蚀沟进行填埋,抚平耕地是农民最希望的侵蚀沟治理方式[9-10]。此外现代农业的发展,必然要走机械化农耕道路,地块的完整性是其重要的前提保证。
面对东北黑土区侵蚀沟数量增加、多为发展沟等沟道侵蚀加剧的系列问题,黑土区已形成了一系列效果显著的侵蚀沟生态修复措施,主要包括植物封沟、植物为主工程为辅和工程为主植物为辅侵蚀沟治理模式[11]。总体思路是先将发展的侵蚀沟稳定,再进行植被措施,生态封育,治理后的侵蚀沟完全被林草覆盖,沟道成为稳固的导排水通道,沟道侵蚀速率大大降低。但对大多发育形成于耕地中的侵蚀沟,若采取栽植水保林措施,势必要减少耕地,对农业生产造成影响,耕地经营者不愿意接受。如能采取有效措施,将耕地中的侵蚀沟通过填埋消除,且能保证不再重新发育成沟,不但对农业生产有益,还将成为农业现代化发展的重要保障,无论是对耕种者还是国家都将有重要意义。在国家“十三五”重点研发计划项目的支持下,创新研发了基于秸秆填埋的侵蚀沟复垦技术,复垦使耕地修复并种植[12-14],增加了粮食的产量,地块的完整性得到恢复,提升了农机作业效率;还为秸秆利用提供了一种新途径。2019年黑龙江省秸秆量达到1.3亿t,占全国总量的1/8[15],秸秆资源过剩无法处理最终焚烧污染大气环境,使用秸秆填埋侵蚀沟,能够就地利用秸秆,提高农业资源利用率。
侵蚀沟秸秆填埋复垦总体技术路线为沟底中线布设暗管排水,下层用压实打捆的秸秆填埋,上层覆盖表土,耕地中的侵蚀沟消失,机械自由行走,沟毁耕地再造并垦殖。要达到此复垦目的,填埋后的原侵蚀沟仍处在汇水线上,地表径流汇集的股流需及时渗入土中,并经过秸秆层通过暗管导排出田块,侵蚀沟填埋复垦后导排水能力决定着股流是否在地表重新打出沟,故需对土体垂直入渗能力、暗管导排水能力进行试验测定。其次,秸秆作为有机物必定发生腐解,秸秆腐解速率过快会导致表土塌陷,故需对秸秆腐解速率进行试验测定。构建的暗管导排水系统的导排水能力和秸秆的腐解速率决定着秸秆填埋侵蚀沟复垦的成功与否。本文在复垦后的侵蚀沟处建立观测试验场,对土壤入渗、渗井垂直入渗、秸秆层持水、暗管的排水能力进行系统试验测定,评价复垦后的导排水能力;对填埋不同年限的秸秆进行取样测定,定量评价秸秆腐解速率,并对秸秆填埋侵蚀沟复垦技术实施后的各项功能进行定量评价,为该技术的推广应用提供科学依据。
1 材料与方法
1.1 研究区概况
研究地点位于东北典型黑土区中部,黑龙江省海伦市光荣村(47°21′22.52′′N,126°49′56.71′′E),属漫川漫岗典型水土流失区,商品粮核心产区。属于中温带大陆性气候,四季分明,降水集中,近90%集中在5-9月份,多年平均降雨530 mm,年均气温1.5 ℃。光荣村垦殖率达80%,其中坡耕地占90%以上,平均坡度为2.55°,主要作物为大豆和玉米,一年一季,旋耕垄作[16]。
1.2 试验设计
1.2.1 导排水能力
试验区选取光荣村2017年秋收后利用秸秆填埋的1条侵蚀沟复垦示范沟(图1),属发育于横坡垄作耕地中的小型切沟,沟长280 m,平均沟宽3 m,沟深1.5 m,切沟上端与2条分叉的浅沟相连,浅沟长各约100 m,延伸到分水岭处,沟尾与横向交叉的一条中型沟连接。汇水区面积8.06 hm2,平均坡度3.84°,横坡垄作,横向条带种植大豆和玉米。
复垦后的沟道位主要由铺设于沟底中部的暗管、秸秆层以及覆土50 cm的表土层组成,沟道位上部与中部设置2个表面积4 m2的渗井,渗井内无秸秆捆,内填直径约3 cm的碎石,渗井的背水面横向修筑50 cm高的弧形土埂用以截流,在暗管出口处修筑钢筋混凝土护墙(图2),在护墙上端中部和下端暗管出口处用PVC管连接XYZ-I水土流失自动监测设备[17],对地表、地下暗管排出的径流进行全年监测,监测内容为径流过程和输沙量(图1)。
图1 复垦沟及其汇水区、渗井、监测设备布设位置
1.表层覆土 2.渗井 3.截留埂 4.土体垂直入渗 5.渗井垂直入渗 6.地表径流 7.水泥筑钢筋混凝土护墙 8.秸秆捆 9.暗管 10.暗管排水
1.2.2 秸秆腐解过程
秸秆腐解试验场位于黑龙江省引龙河农场(48°45′N,126°36′E),地处小兴安岭南缘丘陵地带,年降雨量在450~550 mm,年有效积温2 100 ℃左右,无霜期105~118 d。引龙河农场于1999年尝试将多余秸秆打捆填入沟中,最早使用这种填沟方式对沟道进行修复。本研究选取填埋0、3、7、13、20 a的秸秆捆进行挖掘,现场测定不同填埋年限秸秆捆的厚度,并对秸秆捆取样,室内测定秸秆容重和组分,换算得到秸秆捆体积、质量及组分含量。
1.3 测定指标
1)土体垂直入渗能力。在光荣村示范沟,分别于2019年5月11日、6月15日、8月15日、9月11日使用双环入渗法[18]对汇水区复垦沟道位、耕地横向坡坡上和坡中位置的表层土壤进行入渗速率的测定,。
2)渗井入渗能力。在光荣村示范沟渗井处使用人工注水法测定,人工向渗井注水,当渗井无法渗水,渗井表面开始积水时,测定地表积水时最大水流量,即注水量为渗井最大入渗量。
3)秸秆层持水能力。将风干后的秸秆捆紧实码放在一定空间,然后向内注水,当水刚露出秸秆捆表面时,计算单位体积水量,即为秸秆捆最大储水量;将饱和后的秸秆捆取出,不再有水淋出时,称质量,经体积换算得出秸秆捆的持水能力,之后根据体积换算得出整个秸秆层的持水能力。
4)复垦后暗管排水能力。2019年春季使用XYZ-I无动力水土流失监测设备(中国科学院东北地理与农业生态研究所海伦黑土水土保持监测研究站自主研发)全年进行连续监测,每场降雨过后,人工收取集流瓶中水样并测定泥沙量。获得单次和全年累计地表和地下径流量,地表输沙量。
5)降雨等气象观测。由距离示范沟300 m的中国科学院海伦水土保持监测研究站的气象站获取2019年海伦市光荣村降雨量数据。
6)秸秆总量测定。将填埋于地下的秸秆捆挖出,使用皮尺测定其规格,将整捆秸秆带回实验室,洗去秸秆捆中土壤并烘干,测定秸秆的质量及容重。同时测量填埋时未腐解秸秆捆(40 cm×50 cm×60 cm)的质量和容重。
7)秸秆组分测定。将秸秆样品进行洗涤烘干,分别使用ADF(酸性洗涤纤维)[19]、NDF(中性洗涤纤维)[20]、ADL(酸性洗涤木质素)[21]的方法对秸秆半纤维素、纤维素、木质素含量进行测定。
1.4 数据分析
通过载波相位差分技术(RTK,Real-time kinematics)测量地理坐标结合无人机摄影,使用ArcGIS软件获得汇水区的等高线和汇水区二维平面图,利用Excel软件进行分析,使用Sigmaplot12.5对数据进行作图。
2 结果与分析
2.1 侵蚀沟填埋复垦后导排水能力
2.1.1 土体垂直入渗能力
汇水区复垦后的原侵蚀沟道位地表土壤的入渗存在季节差异。复垦后的原侵蚀沟道位的面积为840 m2,如图3所示。5、6、8、9月地表土壤稳渗速率分别为0.8、0.6、0.4、0.2 mm/min;垂直入渗雨水分别为672、504、336、168 kg/min,分别相当于48、36、24、12 mm/h的均匀降雨量。5、6月份复垦后的原侵蚀沟道位土体垂直入渗速率较强,地表径流可及时入渗,这主要是由于春季土地经过耕作整地及中耕,表层土壤较为疏松,导致土壤入渗能力较强。而8、9月份复垦原侵蚀沟道位土体垂直入渗能力明显减弱,地表径流无法及时入渗,主要是由于雨季降雨导致表层土壤自然回实,降低入渗能力[22]。
图3 2019年试验沟土体垂直入渗入渗能力
汇水区坡耕地土壤的入渗速率存在空间差异。除侵蚀沟道面积外,汇水区坡耕地面积为7.976 hm2,5月份耕地坡上和坡中的稳渗速率分别为1.2和0.8 mm/min,垂直入渗量分别为47.86和31.91 t/min,相当于72和48 mm/h的均匀降雨量;6月份耕地坡上和坡中的稳渗速率分别为0.8和0.6 mm/min,垂直入渗量分别为31.91和23.93 t/min,相当于48和36 mm/h的均匀降雨量;8月份耕地坡上和坡中的稳渗速率分别为0.6和0.5 mm/min,垂直入渗量分别为23.93和19.94 t/min,相当于36和30 mm/h的均匀降雨量,9月份耕地坡上和坡中的稳渗速率分别为0.7和0.3 mm/min,垂直入渗量分别为27.92和11.96 t/min,相当于42和18 mm/h的均匀降雨量。耕地坡上土体垂直入渗能力较强,即使在雨季耕地也能承受36 mm/h以上的均匀降雨,耕地坡上的入渗能力为复垦原沟道位入渗能力的1.3~3.5倍,8、9月份尤其明显,主要是由于沟道复垦后依然处于汇水线处,地势较普通耕地低,雨季径流由于地势原因汇集于此,沟道复垦位长时间处于饱和状态加之泥沙沉积,导致地表土壤入渗能力较差(图3)。耕地坡上的入渗能力为耕地坡中入渗能力的1.2~2.3倍,主要是由于地形原因,雨季径流顺坡而下,坡中土壤长期处于饱和状态,导致坡中土壤入渗较差。相较于沟道复垦位,坡中土壤的入渗略强,能达到沟道复垦位入渗速率的1.0~1.5倍,差异主要体现在雨季。
2.1.2 渗井入渗能力
人工注水试验表明渗井的最大垂直入渗速率为57 kg/(min·m2),试验区的复垦沟在复垦沟道位修筑渗井(图1),每个渗井表面积为4 m2,渗水速率456 kg/min。修筑渗井之后,渗井入渗加之复垦沟道位土体入渗,5、6、8、9月份复垦沟道位汇流垂直入渗速率显著增加,入渗量分别达到1 128、960、792、624 kg/min,相当于80、68、56、44 mm/h的均匀降雨量。由于复垦位地势较低,雨季径流多汇集于此,仅仅依靠土体垂直入渗能力,不能及时将地表径流导入地下,修筑渗井之后,复垦沟道位能承受相当于44 mm/h的均匀降雨的径流量,地表径流能够及时导入地下。
2.1.3 秸秆层持水能力
通过人工注水试验发现,秸秆层的持水能力为463 kg/m3,试验区的复垦沟秸秆层的体积为1 260 m3,折算储水总量为583.38 m3,秸秆层储存的水经暗管缓慢逐渐排出。2019年地下排出的水总量为418.2 m3(表1),说明秸秆层完全能够将一年地下径流存储,之后再由暗管缓慢排出。
表1 2019年试验沟地表、地下径流产沙
2.1.4 复垦后暗管排水能力
复垦沟地表径流能否及时导入地下并排出是此项技术的核心,实际降雨的雨强是不均匀的,当雨强过大时,降雨无法通过表层土壤完全入渗,此时将产生地表径流,由于复垦沟到位较周围地势低,径流汇集到复垦后的沟道位形成股流,股流再通过渗井渗入秸秆层,部分汇流未能及时渗入秸秆层,沿沟线排出田面。通过对复垦沟地表、地下径流的监测发现,2019年地表产流仅为19.5 t,地下产流达到了418.2 t,95.5%的径流通过渗井入渗和土壤垂直入渗进入秸秆层,之后缓慢排出,这大大减少地表径流对表土的冲刷。例如2019年7月一场63 mm的降雨(图4),通过地表流出田块的径流量为5 m3;而通过地下排出的径流量为36 m3,88%的径流由地下导排,且随时间的推移,地下径流趋缓(图5和表1)。由于渗井与暗管的导排作用,加之沟道线横向垄作,有效地减缓和减少了地表径流,进而降低了出口的输沙量,2019年复垦沟汇水区出口输沙量为4.2 t,土壤侵蚀模数为0.52 t/hm2,主要发生于7月5日、7月16日和8月6日,降雨量分别为63、45.4和47 mm的3场降雨(图4),虽径流量较大,但径流中泥沙含量低,输沙量小。雨季前期,土壤较为疏松,产流后泥沙含量高,土壤侵蚀强[7],而进入雨季中后期,由于土壤自然回实,加之植被封育,土壤流失量显著降低。
图4 2019年7月一场降雨复垦沟地表、地下径流
图5 2019年5-10月复垦沟地表、地下径流
由于地势的原因,雨季径流由原沟道两侧向沟道中间的汇水线汇集,径流将垄沟中的泥沙携带并堆积于沟道复垦位处,整个汇水区的面积为8.06 hm2,根据中国科学院海伦水土保持监测研究站标准径流场3°横坡垄作监测结果显示2019年产沙量为0.083 t,因此,可估算出复垦沟汇水区2019年产沙量达到66.97 t,随地表径流流入排水沟的泥沙仅为4.2 t,剩余62.77 t泥沙全都集中与沟道复垦位,其面积为840 m2,62.77 t泥沙全部铺在该区域,厚度可达5.8 cm,即随径流至少可给复垦区带来5.8 cm厚的覆土,可弥补秸秆腐解造成的表土下陷。
2.2 秸秆腐解速率
2.2.1 秸秆总量变化
对填埋不同年限的秸秆捆进行取样分析,秸秆捆的厚度、容重、质量、体积均逐年下降,填埋前的秸秆捆厚度为40 cm,经过3、7、13和20 a的填埋之后,秸秆捆的厚度分别下降为25.2、19.0、13.5和12.0 cm(表2),厚度下降率为1.4 cm/a。秸秆捆的厚度虽然在不断下降,但下降的速率较缓,即使是腐解最快的前3 a,也仅仅下降了14.8 cm,年均下降4.9 cm,2019年监测沟道线年泥沙沉积厚度为5.8 cm,加之每年的旋耕秋整地,这4.9 cm的塌陷将会被表土重新覆盖,因此复垦后沟道位不会坍塌,现场仅能看到一条浅的水线(图6),未影响机械横向通行;填埋前的秸秆捆的容重为0.113 g/cm3,经过3、7、13和20 a的填埋之后,容重分别下降为0.076、0.068、0.056和0.053 g/cm3(表2),秸秆捆中秸秆的容重下降的主要原因是秸秆发生腐解,同时土壤进入秸秆捆中,导致同等体积下秸秆的质量下降。填埋前的秸秆捆质量为13.5 kg,经过3、7、13和20 a的填埋之后,秸秆捆的质量分别下降为5.89、3.89、2.27和1.89 kg(表2);填埋前的秸秆捆体积为0.12 m3,经过3、7、13和20 a的填埋之后,秸秆捆的体积分别下降为0.078、0.057、0.041和0.036 m3(表2),由于主要受上层土体的压力,秸秆捆只是高度降低,长度和宽度未改变。秸秆捆的质量和体积的下降说明秸秆捆的总量在减少,但减少的速度较缓,填埋后的秸秆捆含有难分解的植物残体、腐殖质以及一部分矿物质,最终秸秆捆应不会完全消失,可能变为类似草炭土的物质,另由于秸秆捆埋在地表0.5 m以下的土层[23-24],秸秆夏秋季节未排出的地下径流浸泡,处于厌氧状态[25],加之冬春季节处于冻结状态,多水、厌氧、冰冻条件下,极大地降低了秸秆的腐解速度,秸秆层厚度缓慢下降,沉降后被泥沙沉积所弥补,复垦后的沟道位总体不会塌陷。
表2 不同填埋年限的秸秆捆容重、质量、体积变化
图6 复垦20 a后的侵蚀沟
2.2.2 秸秆组分变化
对填埋不同年限秸秆进行取样,测定其半纤维素、纤维素、木质素含量。结果如图7所示,半纤维素腐解最快,新鲜秸秆捆的半纤维素占总秸秆组分的29.9%,秸秆经过3、7、13、20 a填埋之后,半纤维含量分别下降为15.5%、8.9%、3.8%、3.5%;纤维素腐解较慢,新鲜秸秆捆的纤维素占总秸秆组分的39.4%,秸秆经过3、7、13、20 a填埋之后,纤维素含量分别下降为34.6%、33.4%、28.6%、26.8%;木质素几乎不腐解,新鲜秸秆捆的木质素占总秸秆组分的26.8%,秸秆经过3、7、13、20 a填埋之后,木质素含量分别上升为32.1%、35.0%、36.9%、38.8%,木质素含量上升,主要是由于其他易分解的物质被腐解,导致剩下的秸秆中木质素含量变高[26]。
图7 秸秆组分变化
秸秆腐解主要分为2个时期,第1个时期,较容易分解的物质腐解,这个阶段主要由土壤微生物发挥作用,大约进行1~2 a;第2个时期,不易分解的物质缓慢分解,这个阶段主要进行一些物理、化学作用[27-28]。传统的秸秆深埋是将秸秆填埋于土壤表层下20~30 cm[29],研究表明,温度和降雨是控制秸秆腐解的重要因素[30],但是在高纬度高寒地区,秸秆与土壤混合是控制秸秆分解的重要因素,埋深对其影响不大[31-32]。传统秸秆深埋,其秸秆质量第1年剩余量为40%~60%,第2年的剩余量为15%~20%[31];而本研究中的秸秆捆深埋0.5 m土层以下,第3年秸秆质量剩余量为56.8%、第7年的剩余量为42.8%、第13年的剩余量为33.2%、第20年的剩余量为30.3%。造成这种现象的原因主要有以下2点,首先,秸秆的紧密度,传统秸秆深埋是将秸秆粉碎后,将其装入尼龙袋中并铺平,使其与土壤充分接触,而本研究中的秸秆捆,其与土壤接触面积有限,腐解由外而内,故腐解缓慢;第二,由于这项技术转地表径流为地下径流的特点,每年的雨季,大量无法及时排出的地下径流被秸秆层吸收,秸秆处于厌氧状态,腐解缓慢;而冬季秸秆中存留的水冻结导致秸秆捆被冰冻,不易发生腐解。总体来说,秸秆捆会发生一定的腐解,但腐解速率缓慢,每年表层土壤会下沉一部分,但不会出现突然坍塌的现象,而随着春季翻耕、雨季地表径流携带的泥沙堆积,下沉部分会被填上,因此,侵蚀沟复垦后不会二次成沟。
3 结 论
1)基于渗井+暗管的导排水系统能够将90%以上的沟线处的汇流通过地下导排出田块,有效地削减了汇流冲刷地表,避免了复垦后沟道位再次冲刷成沟,是保证侵蚀沟秸秆填埋成功复垦的关键。
2)填埋到侵蚀沟中的秸秆捆,由于夏秋季节被水浸泡,处于厌氧环境,冬春季节处于冰冻状态,腐解速率缓慢,年均高度下降1.4 cm,复垦后的侵蚀沟道为泥沙沉积加之土壤耕作,能够有效填补,不会因秸秆腐烂下陷造成再次成沟。
东北黑土区共有侵蚀沟约60万条,其中60%以上发育形成于耕地中,约有20万条可通过秸秆填埋复垦,修复沟毁耕地可达13万hm2以上,实施秸秆填埋修复沟毁耕地,有重要的应用价值,可成为农业现代化发展的重要保障措施。
[1] 张新玉,纪强,张超,等. 全国水土保持规划重点项目选择原则及任务[J]. 中国水土保持,2018(12):11-13.
Zhang Xinyu, Ji Qiang, Zhang Chao, et al. Selection principles and tasks of key projects in national soil and water conservation planning[J]. Soil and Water Conservation in China, 2018(12): 11-13. (in Chinese with English abstract)
[2] Zhang Shuwen, Li Fei, Li Tianqi, et al. Remote sensing monitoring of gullies on a regional scale: A case study of Kebai region in Heilongjiang Province, China[J]. Chinese Geographical Science, 2015, 25(5): 602-611.
[3] 李智广,王岩松,刘宪春,等. 我国东北黑土区侵蚀沟道的普查方法与成果[J]. 中国水土保持科学,2013,11(5):12-16.
Li Zhiguang, Wang Yansong, Liu Xianchun, et al. Survey methods and results of erosion gullies in black soil areas of Northeastern China[J]. Science of Soil & Water Conservation, 2013, 11(5): 12-16. (in Chinese with English abstract)
[4] 王岩松,王念忠,钟云飞,等. 东北黑土区侵蚀沟省际分布特征[J]. 中国水土保持,2013(10):67-69.
Wang Yansong, Wang Nianzhong, Zhong Yunfei, et al. Characteristics of inter-provincial gully distribution in black soil region of Northeast China[J]. Water and Soil Conservation of China, 2013(10): 67-69. (in Chinese with English abstract)
[5] Yang Jiuchun, Zhang Shuwen, Chang Liping, et al. Gully erosion regionalization of black soil area in Northeastern China[J]. Chinese Geographical Science, 2017, 27(1): 78-87.
[6] 张兴义,刘晓冰. 黑土利用与保护[M]. 北京:科学出版社,2018.
[7] 郑粉莉,张加琼,刘刚,等. 东北黑土区坡耕地土壤侵蚀特征与多营力符合侵蚀研究特点[J]. 水土保持通报,2019,39(4):314-319.
Zheng Fenli, Zhang Jiaqiong, Liu Gang, et al. Characteristics of soil erosion on sloping farmland and key fields for studying compound soil erosion caused by multi-forces in Mollosol region of Northeast China[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2019, 39(4): 314-319. (in Chinese with English abstract)
[8] 张兴义,隋跃宇,宋春雨. 农田黑土退化过程[J]. 土壤与作物,2013,2(1):1-6.
Zhang Xingyi, Sui Yueyu, Song Chunyu. Degradation process of arable Mollisols[J]. Soil and Crop, 2013, 2(1): 1-6. (in Chinese with English abstract)
[9] 王念忠,沈波. 东北黑土区侵蚀沟发展状况及其对粮食安全的影响[J]. 中国水土保持科学,2011,9(5):7-10.
Wang Nianzhong, Shen Bo. Development of gully erosion in Northeast China and its effects on the national food security[J]. Science of Soil and Water Conservation, 2011, 9(5): 7-10. (in Chinese with English abstract)
[10] 王兵,张光辉,刘国彬,等. 黄土高原丘陵区水土流失综合治理生态环境效应评价[J]. 农业工程学报,2012,28(20):150-161.
Wang Bing, Zhang Guanghui, Liu Guobin, et al. Ecological and environmental evaluation for water and soil loss comprehensive harness in Loess Hilly region[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2012, 28(20): 150-161. (in Chinese with English abstract)
[11] Liu Xiaobing, Li Hao, Zhang Shengmin, et al. Gully erosion control practices in Northeast China: A review[J]. Sustainability, 2019, 11(18): 5065.
[12] 刘立春,窦家刚,孙涛,等. 一种侵蚀沟复垦技术:CN103650694A [P]. 2014-03-26.
[13] 徐学选,刘普灵,琚彤军,等.黄土丘陵区燕沟流域水土流失治理的水沙效应[J]. 农业工程学报,2012,28(3):113-117.
Xu Xuexuan, Liu Puling, Ju Tongjun, et al. Effects of soil and water loss control on reducing runoff and sediment transport in Yan’gou watershed of Loess Hilly region. [J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE), 2012, 28(3): 113-117. (in Chinese with English abstract)
[14] 张兴义,祁志,张晟旻,等. 东北黑土区农田侵蚀沟填埋复垦工程技术[J]. 中国水土保持科学,2019,17(5):128-135.
Zhang Xingyi, Qi Zhi, Zhang Shengmin, et al. Rehabilitation engineering of gully filling in the Mollisols farmland of Northeast China[J]. Science of Soil and Water Conservation, 2019, 17(5): 128-135. (in Chinese with English abstract)
[15] 于省元,吴显斌. 浅谈黑龙江省秸秆综合利用发展方向[J]. 现代化农业,2020(8):63-64.
Yu Shengyuan, Wu Xianbin. Development direction of comprehensive utilization of straw in Heilongjiang province[J]. Modern Agriculture, 2020(8): 63-64. (in Chinese with English abstract)
[16] 李浩,张兴义,刘爽,等. 典型黑土区村级尺度侵蚀沟演变[J]. 中国水土保持科学,2012,10(2):21-28.
Li Hao, Zhang Xingyi, Liu Shuang, et al. Evolvement of gully erosion in village scale in the typical black soil area[J]. Science of Soil and Water Conservation, 2012, 10(2): 21-28. (in Chinese with English abstract)
[17] Sun Tao, Richard M Cruse, Chen Qiang,et al. Design and initial evaluation of a portable in situ runoff and sediment monitoring device[J]. Journal of Hydrology, 2014, 519: 1141-1148.
[18] 费璐旸. 用双环法和单环土柱法测定黄土地表土壤入渗的对比分析[J]. 中国水土保持,2020(8):47-50,5.
Fei Luyang. Comparative analysis of double ring method and single ring soil column method in measuring soil infiltration on loess surface[J]. Science of Soil and Water Conservation, 2020(8): 47-50,5. (in Chinese with English abstract)
[19] 中国国家标准化管理委员会. GB/T 20806—2006饲料中中性洗涤纤维(NDF)的测定[S]. 北京:中国标准出版社,2006.
[20] 中华人民共和国农业部. NY/T 1459—2007饲料中酸性洗涤纤维的测定[S]. 北京:农业出版社,2008.
[21] 中国国家标准化管理委员会. GB/T 20805—2006饲料中酸性洗涤木质素(ADL)的测定[S]. 北京:中国标准出版社,2007.
[22] 张兴义,王其存,隋跃宇,等. 黑土坡耕地土壤湿度时空演变及其与大豆产量空间相关性分析[J]. 土壤,2006(4):410-416.
Zhang Xingyi, Wang Qicun, Sui Yueyu, et al. Spatial-temporal variation of soil moisture and its spatial correlations with soybean yield in black soil sloping farmland[J]. Soils, 2006(4): 410-416. (in Chinese with English abstract)
[23] 王金洲,卢昌艾,张文菊,等. 中国农田土壤中有机物料腐解特征的整合分析[J]. 土壤学报,2016,53(1):16-27.
Wang Jinzhou, Lu Chang'ai, Zhang Wenju, et al. Decomposition of organic materials in cropland soils across China: A meta-analysis[J]. Acta Pedologica Sinica, 2016, 53(1): 16-27.(in Chinese with English abstract)
[24] 李新举,张志国,李贻学. 土壤深度对还田秸秆腐解速度的影响[J]. 土壤学报,2001(1):135-138.
Li Xinju, Zhang Zhiguo, Li Yixue. Effects of soil depth on decomposition rate of returning straw[J]. Acta Pedologica Sinica, 2001(1): 135-138. (in Chinese with English abstract)
[25] 王景,陈曦,魏俊岭. 水稻秸秆和玉米秸秆在好气和厌氧条件下的腐解规律[J]. 农业资源与环境学报,2017,34(1):59-65.
Wang Jing, Chen Xi, Wei Junling. Decomposition of rice straw and corn straw under aerobic and anaerobic conditions[J]. Journal of Agricultural Resources and Environment, 2017, 34(1): 59-65. (in Chinese with English abstract)
[26] 须湘成,张继宏,佟国良,等. 有机物料在不同土壤中腐解残留率的研究[J]. 土壤通报,1985(1):21-26.
Xu Xiangcheng, Zhang Jihong, Tong Guoliang, et al. Study on degradation residue rate of organic materials in different soils[J]. Chinese Journal of Soil Science, 1985(1): 21-26. (in Chinese with English abstract)
[27] 袁玉强. 秸秆综合利用研究分析[J]. 农机使用与维修,2015(2):92-93.
Yuan Yuqiang. Study on Comprehensive utilization of straw[J]. Agricultural Machinery Use and Maintenance, 2015(2): 92-93. (in Chinese with English abstract)
[28] 江永红,宇振荣,马永良. 秸秆还田对农田生态系统及作物生长的影响[J]. 土壤通报,2001(5):209-213.
Jiang Yonghong, Yu Zhenron, Ma Yongliang. Effects of straw returning on farmland ecosystem and crop growth[J]. Chinese Journal of Soil Science, 2001(5): 209-213. (in Chinese with English abstract)
[29] Guo Zhibin, Liu Hui, Wan Shuixia, et al. Enhanced yields and soil quality in a wheat–maize rotation using buried straw mulch[J]. Journal of the Science of Food and Agriculture, 2017, 97(10): 3333-3341.
[30] Zhang Xinyue, Wang Wei. Control of climate and litter quality on leaf litter decomposition in different climatic zones[J]. Journal of Plant Research, 2015, 128: 791-802.
[31] Xu Yehong, Chen Zengming, Fontaine Sébastien,et al. Dominant effects of organic carbon chemistry on decomposition dynamics of crop residues in a Mollisol[J]. Soil Biology & Biochemistry , 2017, 115: 221-232.
[32] Han Ya, Yao Shuihong, Jiang Heng, et al. Effects of mixing maize straw with soil and placement depths on decomposition rates and products at two cold sites in the Mollisol region of China[J]. Soil and Tillage Research, 2020, 197(C).
Drainage function and straw decomposition rate of landfill reclamation erosion gully
Qi Zhi1, Han Xing1, Ding Chao1, Hu Wei2, Zhang Xingyi2※
(1.,,130118,;2.,,150081)
Gully erosion has become a key disturbance factor in the sloping farmland, particularly in the black soil area of the Northeast China. This is because the gully erosion can damage land resources site off the tractor travel, and thereby threaten the sustainability of crop production. As such, a new technology was introduced to the rehabilitation engineering of gully filling with straw. However, two scientific questions need to be answered in this technique: Firstly, whether the new gully that induced by the surface runoff can change the original site after the rehabilitation. Secondly, whether the collapse that induced by the decomposition of straw bundle can occur in the original site, where the decomposition has existed due to the organic matter of straw. These two problems can also determine the feasibility of the technique. Therefore, in this study, the drainage function and straw decomposition were investigated in a rehabilitated gully, to verify the drainage capacity of the technique, and further to explore the straw decomposition in different rehabilitation years. A rehabilitated gully (47°21′22.52″N, 126°49′56.71″E) was selected, located in Guangrong village, Hailun City, Heilongjiang Province. The capacity parameters were measured, including the soil infiltration, seepage infiltration, water holding of straw bundle, and the drainage. Taking Yinlonghe farm (48°45′N, 126°36′E) as the research area, located in Heihe City, Heilongjiang Province, China, the straw decomposition test was conducted to measure the thickness, bulk density, and components of straw bundle. The results showed that the water storage of straw bundle layer was 463 kg/m3in the rehabilitated gully bed. The runoff in the rainy season can be completely stored by the straw layer. The sloping farmland after rehabilitation can resist the uniform rainfall intensity of 44 to 80 mm/h. 95% surface runoff was transformed into the underground runoff, indicating a great reduction in the soil erosion induced by surface runoff. From the surface runoff to underground runoff, there was no new gully reformed in the original site. In addition, the thickness of straw bundle layer decreased at an average annual rate of 1.4 cm. The settlement of straw layer can be filled by the spring plough and the sediment deposition in the rainy season. Therefore, there was no collapse occurred in the original site. Furthermore, the decomposition rate of straw component varied in different rehabilitation years. There was a rapid increase in the decomposition rate of hemicellulose and cellulose after 20 years, whereas, the lignin hardly decomposed, where the content ranged from 26.8% to 38.8%. Long term anaerobic environment, water saturation, and half a year freezing period can significantly suppress the decomposition of straw. The technology of rehabilitation from the gully erosion can be widely used for the rehabilitation of 200000 gullies in the sloping farmland in the black soil area of the Northeast China. The finding can provide a scientific basis for the reclamation of erosion gully.
reclamation; drainage; decomposition; straw; erosion gully;black soil area
祁志,韩兴,丁超,等. 填埋复垦侵蚀沟的导排水功能和秸秆腐解速率[J]. 农业工程学报,2020,36(23):85-91.doi:10.11975/j.issn.1002-6819.2020.23.010 http://www.tcsae.org
Qi Zhi, Han Xing, Ding Chao, et al. Drainage function and straw decomposition rate of landfill reclamation erosion gully[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(23): 85-91. (in Chinese with English abstract) doi:10.11975/j.issn.1002-6819.2020.23.010 http://www.tcsae.org
2020-09-15
2020-11-06
国家重点研发计划项目“侵蚀沟复垦关键技术研发与技术体系构建”(2017YFC0504200);黑龙江省级资助项目“侵蚀沟秸秆填埋复垦技术”(GX18B051)
祁志,主要从事黑土区水土保持研究。Email:1803342464@qq.com
张兴义,博士,研究员,主要从事黑土侵蚀与水土保持研究。Email:zhangxy@iga.ac.cn
10.11975/j.issn.1002-6819.2020.23.010
S281
A
1002-6819(2020)-23-0085-07