玉-稻轮作背景下秸秆还田时间对典型紫色土壤入渗特性的影响

唐福锐，伍 骏，杨田圳，陈力辅，钟玥骅，张志亮

（四川农业大学水利水电学院，四川 雅安 625014）

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试土壤为四川典型紫色土壤，取自四川农业大学雅安校区农场，取土时采用多点采样法，深度为0～20 cm，去除杂质并风干，过1 mm筛备用。土壤容重为1.28 g/cm3。供试秸秆为玉米秸秆和水稻秸秆，均模拟实际生产中机械化还田方式被粉碎至1～3 cm。

1.2 试验设计处理

试验采用玉米、水稻2种秸秆，分别设置3个不同还田时间处理的试验组和1个纯土对照组，共计7个组，每组重复3次试验。选用内径为10 cm、高度为30 cm的透明有机玻璃柱，底部设有小孔。装土高度为20 cm，按每层5 cm 装土，装土容重为1.20 g/cm3，分界层面进行打毛处理，以确保各层紧密结合。试验前将滤纸覆盖在玻璃柱底部，并将凡士林薄层均匀涂在玻璃壁内部，同时将各组秸秆分别均匀埋入装有的20 cm高度土壤的相同玻璃柱中，埋深为0～10 cm，秸秆混掺质量比为3%，保持室内温度与湿度恒定，土壤含水量为实际田间含水量，分别模拟还田处理0、15、30 d后供试。

试验前，将土柱表面覆盖一层滤纸。试验采用内径为10 cm 的马氏瓶供水，水头高度控制在4 cm，调整马氏瓶和玻璃柱高度至合适相对位置以确保入渗全过程水头高度始终恒定。观察湿润锋的深度和马氏瓶水位，记录试验开始时马氏瓶初始水位，后连续记录湿润锋运移刻度和马氏瓶水位刻度。马氏瓶持续供水至土柱底部流出溶液，待流出流速恒定时停止供水。

1.3 土壤入渗模型

采用Kostiakov、Philip两种公式对试验结果进行拟合

①Kostiakov公式：

式中：I（t）为累积入渗量，mL；t 为入渗时间，min；K 和n 为经验常数，n值大小主要取决于因土地湿润而引|起的土壤结构的改变。n值越大，入渗能力衰减速度越快，反之则越慢。

②Philip公式：

式中：I（t）为累积入渗量，mL；S为吸渗率，mL/min0.5。

1.4 数据处理

试验中所用数据均为3次重复试验均值，采用Matlab2018a作图，数据拟合和统计分析采用SPSS软件。

2 结果与分析

2.1 累积入渗量

水分达到稳定入渗前常用累积入渗量来衡量土壤的入渗能力。图1 和图2 分别为混掺玉米和水稻秸秆的累积入渗曲线。两种秸秆试验组均是还田天数越长，累积入渗量越大。混掺玉米秸秆时，各个还田处理时期的土壤累积入渗量均小于纯土组，还田30 d处理下的玉米秸秆组累积入渗量最大。混掺水稻秸秆时，在还田0 d情况下，混掺水稻秸秆的试验组累积入渗量小于纯土对照组；还田15 d情况下，与纯土对照组差异不大；还田30 d情况下，明显大于纯土对照组。混掺还田同等天数情况下的水稻秸秆累积入渗量均比混掺玉米秸秆的试验组更大。

图1 不同还田时间对土壤累积入渗量的影响图

图2 不同还田时间对土壤累积入渗量的影响图

试验结果表明混掺秸秆试验组在120 min 入渗时间内，累积入渗量除水稻还田30 d一组外均低于纯土对照组，这是因为混掺的秸秆会阻碍土壤中水分的流动，同时减弱土体通透性和导水能力连续性，故而出现降低入渗能力减弱的现象。而对秸秆进行还田处理后，随着秸秆的还田时间越久，秸秆腐解率越大，当还田时间较长的秸秆与土样混合时，其破坏土壤结构和质地均匀性效果大幅减弱，秸秆阻碍土壤中水分流动作用不断减小，因此随着秸秆还田时间越久，土壤的累积入渗量越大。

2.2 湿润锋运移特征

湿润峰是土壤水分运移时湿润层的最前端，可展示土壤水分在土壤基质吸力和重力作用下的运动特征。对湿润锋与时间的二者关系进行拟合，结果符合幂函数：F=atb，其中a—第一个计时单位后的湿润锋的推进距离；b—湿润锋进程的衰减程度。对实测数据资料进行拟合详见表1，其湿润锋模拟的决定系数R2均在0.99以上，说明此幂函数能较好地模拟不同秸秆还田下的紫色土壤湿润锋的运移规律。混掺秸秆的处理，相比未混掺秸秆的对照组处理系数a明显增大，表明混掺秸秆后增大了土壤水分初始入渗速率，而系数b均减小表明湿润锋进程衰减增大。秸秆的添加显著改变了土壤水分入渗过程，不同秸秆及其不同还田时间对土壤湿润锋的影响存在一定差异。

表1 土壤湿润锋深度与时间拟合结果表

在30 min 之前各试验组湿润锋运移距离大多超过纯土对照组，湿润锋运移速率明显高于纯土对照组，其中混掺水稻秸秆的土壤湿润锋运移速率最快，且相比纯土对照组的湿润锋运移速率提升效果明显，最大可提升20%以上。湿润锋下移超出土壤与秸秆的混掺层后土壤试验组湿润锋运移速率放缓，湿润锋运移距离区别明显，在最终120 min设计时间时纯土对照组的湿润锋运移距离均大于各个混掺秸秆的土壤试验组。混掺还田30 d处理下的玉米秸秆相比于15 d处理下的湿润锋运移深度提升约19%，混掺还田30 d处理下的水稻秸秆相比于15 d处理下的湿润锋运移深度提升约9%。相同处理时间条件下，各组初始入渗速率：水稻＞玉米＞纯土，截至120 min 入渗设计最终时湿润锋运移距离：纯土＞水稻＞玉米。

2.3 入渗过程模拟与入渗特征参数

为了进一步探究不同秸秆及还田时间对土壤入渗过程的影响及入渗模型在本试验拟合的适应性，将土壤累积入渗量随时间变化的数据分别用Philip 模型、Kostiakov 模型进行拟合，拟合结果详见表2。Kostiakov 的决定系数R2均在0.99 左右，Philip 模型的决定系数R2绝大部分0.96～0.99，可知Kostiakov模型对本试验探究的土壤入渗过程的拟合更好。随着秸秆还田处理时间的增长，K 值先减小后增大，n 值先增大后减小，表明混掺秸秆及其秸秆还田时间不同对K值和n值有较大影响。

表2 两种入渗公式参数拟合结果表

3 结论与讨论

同种秸秆在不同还田处理时间下土壤累积入渗量和湿润锋运移规律的研究表明：秸秆的还田时间与土壤累积入渗量、湿润锋初始运移速率、最终运移距离呈现正相关。随着秸秆还田时间越长，土壤累积入渗量越大；秸秆还田处理时间越短，湿润锋运移距离越小。其中水稻秸秆还田30 d处理后累积入渗量大于纯土对照组，其余试验组均小于纯土对照组。随着时间向后推移，两者湿润锋曲线斜率逐渐由陡峭转向平缓；混掺秸秆的试验组前期湿润锋运移距离和速率均大于对照组，这可能与秸秆还田增加了土壤孔隙度有关。当水分最开始流过混掺秸秆的土壤层时，因土壤孔隙率较大，渗透系数相对较大，由达西定律可知入渗速率也会相对增大。因此土壤孔隙度增加将最终导致各试验组的土壤混掺层中湿润锋初始运移速率明显大于纯土对照组，因此可见秸秆还田可加快土壤初始入渗速率，有助于水分快速到达作物根尖部位。后期纯土对照组稳定运移速度更快，最终湿润峰深度均大于混掺秸秆试验组，原因可能在于向土壤中混掺秸秆后切断了土壤毛管，影响了土壤本身具备的通透性和导水的连续性。

不同秸秆在同一还田处理时间下土壤累积入渗量和湿润锋运移规律的研究表明：混掺水稻秸秆的试验组累积入渗量与入渗速率、湿润锋深度与运移速率均大于混掺玉米秸秆的试验组，可知水稻秸秆还田对土壤入渗能力的改善作用明显大于玉米秸秆。其原因可能在于水稻秸秆的吸水性与吸湿性均高于玉米秸秆，且因玉米秸秆的外表面光滑致密，有着少量的气孔和非均匀分布的划痕，因此具备良好的防水性能，同时结构相比水稻秸秆较为复杂，不宜与土壤混合均匀。