短期秸秆不同还田方式对土壤结构和水分影响

2022-04-15周彦莉吴海梅周彦栋尚旭民

干旱区研究 2022年2期

周彦莉，吴海梅，周彦栋，尚旭民，逄蕾

（1.甘肃省干旱生境作物学重点实验室，甘肃兰州 730070；2.甘肃农业大学农学院，甘肃兰州 730070；3.甘肃农业大学植物生产类实验教学中心，甘肃兰州 730070；4.甘肃农业大学食品科学与工程学院，甘肃兰州 730070）

土壤水分是限制农业生产的主要因素［1］，土壤水分受到土壤容重、土壤孔隙度和土壤团聚体等物理性状的影响。秸秆还田对土壤结构和土壤含水量影响较大，对于秸秆还田的研究，多是建立在长期试验之上，研究表明，秸秆还田具有改良土壤结构，降低土壤水分蒸发，提高土壤水分利用效率［2-3］等作用。也有短期试验表明，短期秸秆还田同样对土壤水分和结构有较大影响，不同还田方式是影响土壤结构的关键因素［4-5］。秸秆整秆深还田、整秆覆盖还田、碎秆翻埋还田和碎秆覆盖还田均能显著降低土壤容重，增加土壤孔隙度［6］，促进微团聚体向大团聚体的转化，水稳性团聚体稳定性显著增强，土壤持水能力增大［7］。秸秆整秆和碎秆覆盖还田，其覆盖地表的秸秆形成隔层，显著降低土壤水分蒸发，减缓土壤水分波动，提高了土壤水分利用率［8-10］。浅层秸秆还田对0～20 cm 土层土壤含水量影响最显著［11-12］，秸秆深还田对水土保持效果更好［13］。但部分干旱地区秸秆翻埋和打碎还田反而促进土壤蒸发，降低土壤含水量［4,14］。秸秆覆盖虽能提高土壤水分入渗和持水能力，但秸秆覆盖量过大不仅会造成外来水分入渗受阻，而且会降低地温、影响农作物播种和种子出苗率；甚至造成因覆盖量过大秸秆不易风化而焚烧的现象［15］。随着农业资源的循环利用，秸秆还田措施逐渐被推广，深入研究合理的秸秆还田量及还田方式对改善土壤结构，减少土壤水分蒸发具有重要的意义。

西北半干旱和干旱地区受自然因素和人为因素的影响，部分土壤退化、土壤结构和蓄水能力等性能减弱［16-17］。如何降低土壤水分蒸发、改良土壤物理结构和促进农业资源高效利用，是该地区亟需解决的关键问题。合理的秸秆还田方式和还田量是改善土壤物理结构和提高土壤蓄水保墒能力的重要途径，适量秸秆还田，不仅易于风化，易于次年翻耕入土，而且收获的秸秆可以继续还田，在短期内实现秸秆资源高效利用。

本试验采用大田试验结合蒸发桶试验研究秸秆不同还田方式对土壤物理结构、蒸发特性及土壤剖面含水量的影响，明确不同方式秸秆短期还田对土壤物理性质和水分蒸发的影响，以期充实西北半干旱和干旱地区秸秆还田在改良土壤结构、降低土壤水分蒸发，实现秸秆高效利用方面的理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验区设在甘肃省白银市白银区水川镇（36°37′N，104°29′E）农业信息化科普小院甘肃农业大学试验基地，海拔1509 m。年平均气温7.9 ℃，无霜期161 d 左右，冬冷夏热，昼夜温差较大，属于温带大陆性气候。日照时数长，年均日照时数2534 h，热量资源丰富。干旱少雨，蒸发量大，年均蒸发量2004 mm，年均降水量204 mm，7—9 月的降雨量约占全年总降雨量的60%左右。土壤为沙壤土，容重1.39 g·cm-3。

1.2 试验设计

试验设4 个处理，CK（对照：无秸秆）、T1［碎秆还田：玉米秸秆粉碎至2～3 cm 后翻埋入土，秸秆用量约为9000 kg·hm-2（风干基），是每公顷产出的全部玉米秸秆］、T2（碎秆还田+整秆覆盖：秸秆用量同T1，玉米秸秆50%粉碎至2～3 cm 后翻埋入土，另50%保持整秆状态覆盖于地表）和T3（整秆覆盖：秸秆用量同T1，玉米整秆覆盖于地表）。

采用大田试验和蒸发桶观测试验相结合的方法［18］开展本研究，大田试验持续时间为92 d、蒸发桶观测试验持续时间为22 d。大田试验和蒸发桶试验每个处理重复3 次，蒸发桶与大田试验小区相间排布，在试验区搭建干旱遮雨棚以防降雨淋湿。试验持续期间的温度为5.5～28.5 ℃。

1.2.1 大田试验小区面积3 m×2.5 m，完全随机区组排列。小区初始土壤含水量为1.5%～2%，土壤下方100 cm 处铺设砂石垫层，防止地下水干扰，用隔水材料阻断水分横向传输。各处理秸秆碎秆翻埋入耕层（约20 cm）后，一次性灌水100 mm，待水分下渗至稳定状态后，用秸秆整秆覆盖地表，并测定土壤含水量，记为起始含水量。试验时间从2021 年4月11至7月11日。

1.2.2 蒸发桶试验桶高31 cm，直径22 cm，底部有1 cm大小均匀的孔，桶底垫纱布，装入过2 mm筛的土高15 cm，每桶注水至桶底渗出，静置12 h水渗流基本完成后将桶底密封，添加秸秆方式同大田，称重记录初始重量。试验时间从2021年4月11日至5月2日。

1.3 测定指标与计算方法

1.3.1 大田试验

（1）土壤剖面含水量［18］：分别在试验开始的第1 d、第31 d、第62 d和第92 d，用TPGSQ-4土壤剖面水分速测仪测定土壤0～5 cm、5～15 cm、15～20 cm、20～40 cm、40～50 cm、50～60 cm 和60～80 cm 土层的土壤水分变化。

（2）土壤容重和孔隙度［19］：试验开始后的第92 d在各处理随机选择5个样点，用环刀取0～20 cm土层的原状土烘干后，计算土壤容重。

土壤总孔隙度＝（1-土壤容重/土壤比重）×100%（土壤比重取值为2.65 g·cm-3）

土壤毛管孔隙度=田间最大持水量-萎蔫含水量

非毛管孔隙度=土壤总孔隙度-土壤毛管孔隙度

（3）团聚体：试验开始后第92 d 在各处理随机选择5个样点，用环刀法采集0～20 cm 土层原状土，放入硬质塑料盒内带回实验室，去除杂物后，按自然结构裂隙掰为约1 cm 大小的土块，自然风干，用湿筛法测定粒径＞5 mm，2～5 mm，1～2 mm，0.5～1 mm，0.25～0.5 mm 和＜0.25 mm 的水稳性团聚体含量，并计算平均重量直径（MWD）、几何平均直径（GMD）和不稳定性团粒指数（ELT），表征土壤团聚体特性［20］。

土壤团聚体MWD、GMD 和ELT 的计算公式如下：

式中：n为粒径分组组数；xˉi为i粒级分组团聚体的平均直径；wi为i粒级团聚体的质量分数；Mz为团聚体总质量（g）；MR＞0.25为粒径大于0.25 mm的团聚体质量（g）。

1.3.2 蒸发桶试验

（1）日蒸发量：每日18:00 用感度为0.01 g 的电子天平称蒸发桶质量，换算成蒸发量。

（2）土壤累计蒸发与时间的关系：用Gardner拟合曲线［21］，其计算公式如下：

式中：t为时间；E为累积蒸发量；a和b为拟合曲线参数；v为土壤水分蒸发速率。

1.4 数据处理

用Excel 和SPSS 20.0 对数据进行统计分析，LSD 法进行单因素方差分析，显著性水平为0.05，Excel绘图。

2 结果与分析

2.1 秸秆不同还田方式对土壤结构的影响

2.1.1 对土壤容重和孔隙度的影响秸秆不同还田方式均能降低0～20 cm 土层土壤容重、增加总孔隙度和毛管孔隙度。由表1可知，各处理容重CK＞T3＞T2＞T1。T1、T2 和T3 比CK 分别降低了5.6%、4.5%和3.3%，其中T1、T2和T3之间土壤容重差异不显著（P＜0.05）。T1的总孔隙度比CK显著增加了7.3%，而T2 和T3 对土壤的总孔隙度没有显著影响（P＜0.05）。T1、T2和T3比CK的毛管孔隙度分别增加了34.3%、22.7%和8.1%，其中CK 和T3 之间差异不显著（P＜0.05）。T1 和T2 与CK 相比，显著减少了0～20 cm土层的非毛管孔隙度。

表1 秸秆不同还田方式对土壤容重和孔隙度的影响Tab.1 Effects of different straw returning methods on soil bulk density and porosity

2.1.2 对土壤水稳性团聚体组成及稳定性的影响秸秆不同还田方式显著促进土壤大团聚体的形成，且秸秆粉碎还田对促进土壤大团聚体形成效果优于秸秆整秆覆盖。由图1 可知，T1、T2 和T3＞5 mm 的土壤水稳性团聚体含量分别为23.30%、23.08%和13.40%，显著增加了土壤水稳性大团聚体含量。T1和T2比CK显著增加2～5 mm的水稳性团聚体含量，分别增加了36.90%和63.06%（P＜0.05），而T3 比CK降低了9.89%，二者之间差异不显著（P＜0.05）。

图1 秸秆不同还田方式对水隐性团聚体分布的影响Fig.1 Effects of different straw returning methods on the distribution of water-stable aggregates

秸秆不同还田方式均能提高土壤水稳性团聚体的稳定性。由表2可知，T1、T2和T3的MWD值分别比CK 高122.35%、123.53%和55.29%，GMD 值分别比CK 高51.55%、48.45%和17.53%。T1、T2 和T3的ELT 值分别比CK 低31.66%、34.15%和15.38%。即T1、T2 和T3 的平均重量直径和几何平均直径比CK 显著增大（P＜0.05），不稳定性团粒指数显著降低（P＜0.05），其中，T2处理提高土壤水稳性团聚体稳定性的作用最大。

表2 不同处理下土壤水稳性团聚体稳定性指标Tab.2 Soil water stable aggregate stability indexes in different treatments

2.2 秸秆不同还田方式对土壤水分蒸发的影响

2.2.1 对土壤蒸发强度的影响秸秆不同还田方式均能抑制土壤日蒸发量，其中整秆覆盖处理抑制蒸发效果最好。由蒸发桶试验可知（图2），CK、T1、T2和T3的日蒸发量随时间的增加呈下降趋势。前7 d T2和T3日蒸发量均比CK和T1小，之后二者日蒸发量随总体含水量的下降而快速下降，但相比CK，T1，T2和T3日蒸发量较大。试验期间，第1 d小雨，空气湿度较大，T1、T2 和T3 的日蒸发量较小，但比CK 分别低21.2%、51.5%和58.8%；第4 d 降温，各处理日蒸发量骤降；第22 d，T1、T2和T3的日蒸发量比CK 分别高10.5%、130.3%和253.7%，即秸秆还田方式对抑制水分蒸发有显著效果。

图2 秸秆不同还田方式对土壤蒸发强度的影响Fig.2 Effects of different straw returning methods on soil evaporation intensity

2.2.2 对土壤累积蒸发量的影响秸秆还田对土壤累积蒸发量的影响呈先快速增加后逐渐变缓的趋势，相同时间内不同秸秆还田方式均比对照蒸发量小。由图3可知，各处理前15 d蒸发量都较大，之后蒸发量减少，趋势线逐渐趋于平缓。至试验结束时，CK 的累积蒸发量为21.28 mm，T1 比CK 的累积蒸发量小0.63%，T2 和T3 在地表形成秸秆隔层，与CK相比，其抑制水分蒸发率分别是3.65%和4.13%。

图3 秸秆不同还田方式对土壤累积蒸发量的影响Fig.3 Effects of different straw returning methods on soilevaporation

T1、T2 和T3 对土壤累积蒸发量与时间的关系用Gardner曲线拟合，拟合参数见表3。Gardner拟合曲线与实测曲线的相关系数R2均在0.93以上，达到显著水平，表明Gardner 拟合数据与实测数据吻合，这4种秸秆还田方式土壤累积蒸发量和时间的关系可以用Gardner 拟合曲线模拟土壤水分蒸发全过程。由方程可知，土壤水分蒸发速率与系数a、b和b-1 相关。从表中ab的值可知，各处理土壤水分蒸发速率大小为：CK＞T1＞T2＞T3，与图1各处理日蒸发量趋势相一致。

表3 秸秆不同还田方式累积蒸发量E与时间t的回归关系Tab.3 Regression relationship between cumulative evaporation(E)and time(t)under different straw returning methods

2.3 秸秆不同还田方式对土壤剖面含水量的影响

秸秆不同还田方式主要影响0～60 cm土层的土壤剖面含水量，0～20 cm土层的土壤含水量受4种处理的影响最显著。由图4可知，T1、T2和T3对0～20 cm土层的土壤含水量影响最大，试验第1 d 0～20 cm土层土壤含水量为：T2＞T1＞T3＞CK；第20 d 后各处理0～20 cm 土层土壤含水量基本上是T3＞T2＞CK＞T1。整个试验期间0～20 cm 土层CK 的平均含水量为16.8%，T1、T2 和T3 比CK 分别高2.20%、14.70%和20.60%，CK、T1、T2 及T3 在0～60 cm 土层土壤平均含水量最大，分别为20.24%、21.18%、21.22%和21.88%，其中T2 和T3 比CK 显著增高了0.98%和1.64%。

图4 秸秆不同还田方式对土壤剖面含水量的影响Fig.4 Effects of different straw returning methods on soil water content

3 讨论

关于秸秆还田研究，前人主要从长期秸秆还田的角度证实，秸秆还田能改良土壤物理结构［22］，增加秸秆残留，增大土壤孔隙，提高土壤导气性，使土壤固-液-气三相结构趋于合理［23］。也有短期研究表明，秸秆还田对改良土壤结构影响较大。本研究通过短期试验，研究秸秆不同还田方式对土壤结构和水分影响，结果也表明，碎杆还田、碎秆还田+整秆覆盖对降低土壤容重、增大土壤孔隙作用较大，且碎秆还田量越大该作用越大。同时研究结果也表明碎秆还田、碎秆还田+整秆覆盖和整秆覆盖均能降低0～20 cm 土层土壤的微团聚体含量（粒径＜0.25 mm），提高水稳性团聚体的稳定性［24-25］，且碎秆还田+整秆覆盖处理的效果最显著，这主要是因为土壤中混入打碎的秸秆起到“楔子”的作用，改善了土壤的物理结构，优化了土壤三相比［26］；秸秆覆盖有效改善土壤-大气界面微环境水热交换状况，促进土壤结构体的形成，增强土壤蓄水能力［27］。

秸秆还田对0～20 cm 土层土壤水分影响最显著，通过短期模拟试验，可以探究其对土壤耕层水分的影响。本试验中碎杆还田处理0～20 cm土层的土壤孔隙度增大，影响了土壤水分蒸发，碎杆还田与对照相比土壤水分蒸发的差异不显著，碎秆还田+整秆覆盖和整秆覆盖更有利于抑制土壤水分的蒸发。本试验结果表明，碎秆还田+整秆覆盖抑制水分蒸发与整秆覆盖差异不显著。秸秆覆盖于地表，形成土壤-秸秆-大气隔层，土壤水分蒸发受隔层的阻碍，延缓蒸发速率［28］，对土壤水分保持有很大作用。碎杆还田、碎秆还田+整秆覆盖和整秆覆盖在0～60 cm 土层平均含水量较高，陈素英等［11］的研究也印证了这一点。员学峰等［29］研究发现，秸秆覆盖影响和保持土壤含水量在0～50 cm 土层，与本试验研究结果略有差异，可能与土质和气候条件有关。本试验进行时间较短，后期试验还需增加不同处理，延长观测时间，另外对土壤深层水分变化需进一步研究，以获得最佳秸秆还田方式和还田量，改善土壤物理特性和抑制水分蒸发。