小麦玉米秸秆还田对土壤水分入渗的影响

2022-10-13宰松梅白美健

东北农业大学学报 2022年9期

张凯，宰松梅，仵峰，白美健

（1.中国水利水电科学研究院流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京 100038；2.水利部数字孪生流域重点实验室，北京 100038；3.华北水利水电大学水利学院，郑州 450046）

华北地区是我国小麦玉米粮食主产区，该区域水资源占有量不足全国总量6%，受季风气候影响，季节性干旱频发，严重影响该地区农业产业可持续发展[1]。华北地区通常采用冬小麦-夏玉米轮作制度，单位播种面积秸秆产量高达20 t·hm-2，秸秆资源丰富[2-3]。秸秆含有大量纤维素和氮、磷、钾及多种微量营养元素，将其还田可改善土壤理化性质、减少就地焚烧造成的环境污染，增加土壤储水量、显著提高水分利用效率，是华北地区减少地表径流、防治土壤侵蚀、增加土壤储水量和提高作物产量重要途径[4-5]。近年来，华北地区农民秸秆还田意识不断增强，秸秆还田率逐步提高。

秸秆还田对土壤水分运动的影响较复杂[6-8]。研究表明，不同秸秆种类对土壤含水量影响主要与其碳氮比有关，碳氮比较低显著改善土壤结构，提高土壤含水量。一定范围内，增加秸秆还田数量可增加土壤有机质含量，增强土壤保水供水能力，过量还田导致土壤中形成较多大孔隙，提高土壤导水率和土壤水分入渗能力[9-10]。针对秸秆粉碎还田土壤失墒等问题，相关学者提出通过改变秸秆粉碎程度和性质提升还田质量，合适的秸秆颗粒或将秸秆氨化处理后可显著提高堆积密度，增加土秸混合度，有效减少土壤大孔隙数量，利于土壤水分传输，增强储水量[11]。综上，不同秸秆种类、数量及还田处理方式均对土壤水分运动产生影响。秸秆还田质量与还田时土壤含水率有关，不同含水量下秸秆还田效果尚不清楚，深入探究还田时机及还田量对土壤水分入渗性能影响及其规律对优化还田技术具有重要意义。

本文基于室内土柱模拟试验，研究不同初始含水率、秸秆种类及秸秆掺加量条件下土壤入渗性能，旨在确定秸秆掺加量和初始含水率对土壤入渗特征变化规律，探究秸秆掺加量和土壤初始含水率对土壤水分再分布的影响，以期为优化秸秆还田技术、开展相关数值模拟研究提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试土样取自河南省节水农业重点实验室农水试验场小麦-玉米轮作种植区表层（0～30 cm），土壤为粉砂壤土，平均容重为1.40 g·cm-3。供试土样经自然风干、除杂、碾压、过2 mm筛后备用。采用激光粒度分析仪（Easizer30，珠海欧美克）作土壤粒径分析，其中粒径＜0.001 mm占15.56%，粒径＜0.01 mm占58.89%，粒径＜0.05 mm占99.79%。试验所用小麦、玉米秸秆为上一季收获后所留秸秆，经晾晒风干，试验前用稻麦脱粒机打碎，参考当地秸秆还田农业生产习惯，小麦秸秆碎1次，玉米秸秆碎3次，去除长度＞5 cm秸秆，与过筛土样拌匀后备用。

入渗实验装置包括有机玻璃土柱、入渗仪和铁架3部分。土柱采用有机玻璃材料制作，内径29 cm，高度100 cm。在土柱侧面对称开4列取样口，用于取样分析。取样口呈圆形，沿直径两端垂向对称开2列取样口，最上方取样口距离上沿10 cm，上下取样口间隔10 cm；再沿垂直以上2列取样口方向的侧面同样开2列取样口，最上方取样口距离上沿15 cm，保证取样深度间隔5 cm。土柱底部设有排水孔。利用土壤入渗仪（Gvelph,美国Secsoilmolsture）供水，其内外管横截面积分别为2.15和35.22 cm2，高为80 cm。

1.2 试验设计及过程

入渗试验处理见表1，A为秸秆种类，分别为小麦和玉米秸秆，B为不同掺加量（参考当地还田量）[12]，掺加量按秸秆量占干土质量百分比计算分别为0（对照）、1.00%、1.60%、2.25%和3.20%，C为土壤初始含水率，分别为0 FC、50% FC、70%FC。每个处理设3个重复，下同。

表1 试验处理Table 1 Experimental treatment

威尔科克斯法测定土壤田间持水量（FC）为22.7%。分别按初始含水率30% FC、50% FC、70%FC调制土样。将土样混匀后任取3～5点测定土壤含水率，取平均值；按照预设含水率计算需加入的水量，洒入土样并搅拌均匀；塑料布盖严，静置1～2 d后再次搅拌，取3～5点测定土壤含水率，直至调制成试验土样，备用。

按照试验处理将制备好土样装入土柱，装土时按10 cm厚度分层称量、装土、压实、打毛，保证层间结合良好。装填后土柱高70 cm。利用土壤入渗仪供水，水头恒为2 cm。通过预试验，实测各组合下入渗历时50 min左右可达到稳定入渗状态（连续3～5个入渗仪读数差一致，认为土柱入渗过程稳定），故试验时间设定为60 min。试验开始后，分别在1、2、3、5、7、10、12、15 min记录湿润锋位置和入渗仪读数，15 min后，每隔5 min记录1次数据。结束后，立即用倒虹吸吸走表层积水，从土柱一侧取样口取出土样测定含水率。取样位置垂直于土柱壁10 cm，从土表沿土柱底部每隔5cm设置1个取样点，将所取土样置105℃烘箱中烘干6～8 h，至质量恒定后计算含水率。一次取样完毕后，胶塞封住取样口，静置24 h，再从土柱另一侧取样测定含水率，方法同上。

2 结果与分析

2.1 初始含水率和秸秆掺加量对入渗能力的影响

土壤入渗过程在达到稳定之后可用稳定入渗速率表征其入渗能力，在达到稳定入渗前，常用累计入渗量表征其入渗能力[13]。试验结果表明，各处理入渗速率在60 min时达到稳定，故以60 min累计入渗量衡量前期土壤入渗能力，70%FC各处理土壤累计入渗曲线如图1所示。由图1可知，70% FC条件下60 min各处理累计入渗量依次为CK＞B1＞B2＞B3＞B4。由此可知，当土壤掺加秸秆后，土壤累计入渗量显著降低，随掺加秸秆量增加，土壤累计入渗量逐渐降低。因秸秆阻断土壤中水分流通的孔隙，导致入渗能力下降。当掺加秸秆量相同时，掺加玉米秸秆的土壤累计入渗量高于掺加小麦秸秆，可能与秸秆粉碎后土秸混合度有关[14]，玉米秸秆粉碎还田后，土壤大孔隙数量较小麦秸秆大，导致掺加玉米秸秆后，水分入渗率高于小麦秸秆，即小麦秸秆的土秸混合度较好。由图1还可知，对照处理在入渗初始时（0～5 min）入渗速率显著高于其他处理，表明掺加秸秆后土壤阻渗能力显著增加。

图1 70%FC条件下混掺秸秆后累计入渗量随时间变化Fig.1 Changes in cumulative infiltration over time at 70%FC after mixing with straw

为进一步分析不同时刻各处理入渗率变化规律，表2为各处理土壤入渗率及累计入渗量值。由表2可知，不同时段下对照组入渗率均大于掺加秸秆处理，不同时段下入渗率与掺加量、初始含水率均呈负相关关系，当掺加量达2.25%以上时，入渗率降幅变小。说明掺加秸秆造成土壤中毛管孔隙断头或萎缩，使土壤更加致密，发挥阻渗作用。随掺加量增加，阻渗作用逐渐增大；初始含水率对0～5 min时段入渗率影响较大，初始含水率越大，该时段入渗率越小。对比不同处理1 h累计入渗量，当初始含水率相同时，随秸秆掺加量增大，累计入渗量逐渐减小，因为在土壤容重一定时，随秸秆掺加量增加，土壤大孔隙向细小孔隙发育、毛细作用增强，使得土壤持水能力增加，水分不易下渗。70%FC处理下玉米秸秆掺加量为3.20%时，较2.25%掺加量下45～60 min入渗率出现反弹，两者累计入渗量相差小。可能与土壤中玉米掺秸秆改变土壤结构有关，说明在一定范围内，土壤持水能力随作物秸秆掺入量增加而增加，秸秆掺入量存在极值，不同作物秸秆，其掺入量极值也不同[15]。根据试验结果，玉米秸秆掺加量极值在2.25%～3.20%，小麦秸秆掺加量极值则＞3.20%。

表2 不同处理下土壤入渗率、累计入渗量Table 2 Soil infiltration rates and cumulative infiltration for the different treatments

为分析不同初始含水率和秸秆掺加量对土壤入渗能力的影响，对不同时刻入渗率、入渗量进行显著性分析。表3为初始含水率、秸秆掺加量及其交互作用方差分析结果。由表3可得出，对于入渗0～5 min时段入渗率，无论掺加小麦秸秆还是玉米秸秆，土壤初始含水率、秸秆掺加量均对其有显著影响（P＜0.05），二者间交互作用不显著（P＞0.05）。对于入渗45～60 min时段入渗率，掺加小麦秸秆后，土壤初始含水率、秸秆掺加量对其入渗率均有显著影响（P＜0.05）；掺加玉米秸秆后，秸秆掺加量对其入渗率有显著影响（P＜0.05），土壤初始含水率对其入渗率影响不显著（P＞0.05），二者间交互作用也不显著（P＞0.05）。掺加小麦秸秆对土壤累计入渗量影响规律与入渗率一致；掺加玉米秸秆对土壤累计入渗量影响与入渗45～60 min时段入渗率规律一致。

表3 显著性分析Table 3 Analysis of significance

2.2 初始含水率和秸秆掺加量对入渗湿润锋的影响

为分析不同初始含水率和秸秆掺加量对土壤入渗湿润锋的影响，表4列出各处理湿润锋推进距离。分析表4中各组合湿润锋推进距离发现，初始含水率越高，湿润锋推进距离越大。当秸秆掺加量一定时，随初始含水率增加，湿润锋推进距离增大。因为在容重一定情况下，当秸秆掺加量相同时，湿润锋每迁移1 cm所需水量一定，当初始含水率增加，湿润锋推进距离也随之增加。当初始含水率一定时，随秸秆掺加量增加，湿润锋推进距离有减小趋势。原因是随掺加量增加，累计入渗量减小，湿润锋推进距离减小；随掺加量增加土壤内比表面积增大，储水能力增强，湿润锋推进距离减小。掺加玉米秸秆后，掺加量2.25%和3.20%处理湿润锋推进距离相近。原因是湿润锋是累计入渗量和土壤持水能力共同作用的结果，掺加量3.20%与2.25%相比，其累计入渗量虽有所增加，但持水能力减弱，二者共同作用下，湿润锋相差小。

表4 不同处理1 h末湿润锋推进距离Table 4 Distance advanced by the wetting front at the end of 1 h for different treatments(cm)

70%FC各处理湿润锋随入渗时间变化曲线见图2。对照组湿润锋推进距离均大于掺加秸秆处理，原因是土壤中掺加作物秸秆，改变土壤质地均匀性和土壤结构[16]，土壤水势在交界面发生变化，同时土壤中作物秸秆也切断土壤毛管，改变土体通透性和导水能力连续性，建立一种不连续水分运移道路，影响土壤水分入渗过程[17-19]。

图2 70%FC条件下混掺秸秆后湿润锋随时间的变化Fig.2 Changes in wetting front over time at 70%FC after mixing with straw

2.3 初始含水率和秸秆掺加量对土壤水再分布的影响

入渗试验结束，立即取土测定土壤含水率，完毕后用胶塞封住取土孔，24 h后再取另一侧土样测定土壤含水率。以掺加玉米秸秆为例，A2B1C1处理土壤水再分布情况见图3。掺加秸秆后，入渗结束时与入渗停止24 h时土壤水分再分布曲线存在交点，交点以上土壤水分在重力和水势梯度作用下继续向下运移，形成释水区；释水区以下到湿润锋之间土层处于吸湿状态，形成吸水区，此交点位置说明土壤水分再分布变化规律。

图3 A2B1C1处理土壤水分再分布Fig.3 Soil moisture redistribution in the A2B1C1 treatment

为研究不同处理初始含水率和秸秆掺加量对土壤水再分布的影响，各处理下吸释水交点横纵坐标值见表5。当初始含水率不变，随掺加量增加，吸释水交点上升（交点距入渗表面距离变浅），当掺加量达2.25%以上时，吸释水交点上升趋势变缓，与掺加量增加影响土壤入渗能力的原因一致。当秸秆掺加量不变，掺加玉米秸秆后，随初始含水率增加，吸释水交点下移（交点距入渗表面距离变深）；掺加小麦秸秆时，随初始含水率增加，吸释水交点深度变化不大。当初始含水率不变，随掺加量增加吸释水交点右移（交点处的含水率变大）；当初始含水率达到70%FC时，随秸秆掺加量增加，吸释水交点右移趋势变缓，说明随初始含水率增加，土壤保水性能被削弱。当秸秆掺加量不变，掺加玉米秸秆后，随初始含水率增加，吸释水交点右移（交点处含水率变大）；掺加小麦秸秆后，释水区和吸水区交点随初始含水率的变化不明显。

表5 不同处理下土壤水再分布交点Table 5 Soil water redistribution intersections for different treatments

上述分析可知，秸秆掺加量和初始含水率对土壤水分再分布交点的深度、含水率均有不同程度的影响，利用两因素裂区试验进行显著性分析，结果见表6。查F表可得出，无论秸秆掺量、初始含水率是否为主要影响因素，均得到以下结论：秸秆掺加量对交点深度影响显著（P＜0.05），对交点含水率影响不显著（P＞0.05）；初始含水率对交点处含水率影响显著（P＜0.05），对交点深度影响不显著（P＞0.05）；二者交互作用不显著（P＞0.05）。

表6 秸秆掺加量和初始含水率裂区试验结果方差分析Table 6 Variance analysis of the results of the split zone test of the straw mixed amount and initial moisture content

3 讨论与结论

3.1 初始含水率和秸秆掺加量对入渗能力的影响

田间试验结果表明，在初始含水率相同条件下，随秸秆掺加量增大，累计入渗量减小，原因是秸秆与土壤充分混合后直接开展试验，缺少秸秆分解过程，增加土壤中粘粒质量分数，提高粘粒与土壤颗粒团聚作用[20]，土壤团聚体稳定有助于提升土壤导水率，改善土壤深层渗水性能，增加土壤含水量，提高用水效率。土壤水分饱和后，秸秆膨胀占据土壤大孔隙，导致土壤保水性提高、持水力增强，与Lou等研究结果一致[21]。郑欣荣等通过对比0.5%、1.0%、1.5%和2.0%还田量累计入渗量情况，发现增加秸秆还田量使土壤保水能力提高[22]，随还田量增大，土壤间隙增大、入渗能力增强、保水能力下降，因此秸秆掺入量存在极值，根据本文试验结果，玉米秸秆掺加量的极值在2.25%～3.20%，小麦秸秆掺加量极值大于3.20%。

3.2 初始含水率和秸秆掺加量对入渗湿润锋的影响

土壤入渗速率在数值上等于入渗水流在地表处水分通量，取决于入渗锋面处土壤水力特性。田间条件下，土壤含水量主要通过湿润区内平均土壤水势梯度对土壤入渗率产生影响。随入渗时间增加，水势梯度减小，入渗率降低。本研究中，小麦或玉米在秸秆掺加量一定时，随土壤初始含水率增加，与下土层含水率差别增大，水势梯度增大，湿润锋推进距离增加。而在土壤初始含水率一定时，随秸秆掺加量增加，上下土层间水势梯度减少，湿润锋推进距离有减小趋势。在秸秆掺加量相同条件下，土壤初始含水量越高，入渗过程中湿润锋前段水力学梯度越小，入渗速率越低，导致累计入渗量减小，与Liu等研究结果一致[23]。

3.3 初始含水率和秸秆掺加量对土壤水再分布的影响

土壤水分再分布是自然界水循环的一个重要环节，借助释水区与吸水区交点，通过裂区试验分析法分别对秸秆掺加量、初始含水率以及两者交互进行显著性分析，结果表明秸秆掺加量对土壤水再分布交点的深度影响显著，对交点含水率影响不明显，与王小慧研究结果一致[24]。通过显著性分析得到土壤初始含水率和秸秆掺加量交互作用不显著。

本研究在室内土柱进行，尚未考虑自然环境、测渗以及秸秆还田层与土壤层水分交互作用等因素影响，存在一定局限性，未来需进一步开展大田试验验证。此外，因秸秆还田效果与其粉碎程度、还田深度、还田量密切相关，仍需相应田间配套措施以及有效耕作管理相互配合。