秸稈還田抑制地表土壤裂縫工藝參數的優化

張毅峰

（晉中市農業局，山西晉中 030601）

農田灌溉后，耕作層土壤常常因遇水膨脹和失水收縮產生裂縫。土壤開裂是關系到土壤性狀、作物生長及水分溶質運輸的一個復雜過程。它的形成關系到土壤結構和土壤入滲性能的變化、土壤水分的蒸發散失狀況、土壤溶質的優先遷移以及因此帶來的土壤水質量的惡化，甚至影響植株根系的發育等諸多土壤重要性質及土體中進行的重要物理、化學及生物過程。該方面研究正成為土壤學、水文學、工程地質學、環境科學共同關注的熱點課題之一[1]。尤其是在水資源日趨緊張、干旱災害頻繁發生的背景下，農田灌溉后耕作層裂縫的出現，破壞了地表干土層的連續性，形成了土壤水分的蒸發通道，大幅度加劇了地面蒸發強度。因此，抑制田間地表土壤裂縫能顯著減少土壤水分蒸發。

本研究采用正交試驗設計方法[2-3]，研究了灌水量、秸稈長度、翻埋深度及單位面積用量與土壤裂縫的相關性，得到抑制土壤裂縫的優化組合方案，并討論了土壤裂縫與土壤水分之間的關系。

1 材料和方法

1.1 試驗區概況

試驗區選擇在山西農業大學農學院農作試驗站內，土壤質地為輕黏土，pH值為7.9，有機質含量 18.8 g/kg，土壤粒徑為 10，7，5，3，2，＜2 mm，分別占17.8%，6.4%，8.7%，8.4%，5.5%，53.2%。

1.2 試驗方法

采用田間對比試驗的方法，研究土壤裂縫對土壤水分蒸發的影響。

采用室外正交試驗的方法，分別取不同的秸稈長度、灌水量、翻埋深度和單位面積秸稈用量研究4個影響因素與土壤裂縫的相關性。各因素水平及正交設計列于表1和表2[4-8]。

1.3 設備及儀器

數碼相機、量筒、水分測量儀、塑桿、游標卡尺、卷尺及其他相關工具。

表1 因素水平

1.4 試驗步驟

1.4.1 材料的準備 按要求把秸稈切成長度分別為5，10，15 cm的3種尺寸規格。

1.4.2 劃分試驗小區 把試驗區劃分為15個長、寬都為2 m的小塊。為了方便試驗和防止相互影響，取小塊中央的1 m2為試驗小區。即在中央挖1 m2的坑，深度達到不同的要求，并保證此坑在以后的灌水時不會使水流失。

1.4.3 整地方式 把試驗小區土壤翻松，將切好的秸稈分別按表2的用量放入9塊小區中。放的過程中要1層土上蓋1層秸稈，保證秸稈在土壤內分布均勻，直至規定的厚度。

表 2 L9（34）正交設計

1.4.4 澆定額的水 澆水過程中使水緩慢進入土坑中，以免倒進水后把坑里的土壤沖得凹凸不平。澆水時在小區邊沿做埂，防止水土流失，讓水在小區內等深度垂直入滲。

1.4.5 測量并記錄數據 用塑桿實測法測裂縫的深度，即用1根不易折斷、帶標尺的彈性塑料質細桿（直徑1 mm左右），插入每條裂縫中直至其觸及到堅硬接觸面為止，此時測定的塑桿長度即可認為是該條裂縫的發育深度近似值，寬度和長度分別用游標卡尺和卷尺測量。

2 結果與分析

2.1 土壤裂縫對土壤水分蒸發的影響

在試驗區內設置11號和14號2個試驗小區，分別灌相同的水。到出現裂縫后，14號小區的裂縫用干土填塞，11號不處理。5 d后逐日測量2個小區0～6 cm的土壤含水量。從圖1可以看出，11號小區土壤水分曲線沒有14號小區的平滑，分析其原因可能是因為11號小區有土壤裂縫存在，因其裂縫的存在，從5月28日開始，2個小區土壤水分開始出現差異，到6月10日下了場雨后，2個小區的土壤水分含量又相近了。由于6月19日下的雨不是很大，2個小區的土壤水分差距并沒有消除。6月22日后由于土壤裂縫的堵塞和裂縫內表干土層的形成，土壤裂縫對土壤水分蒸發的影響在減弱，土壤在0～6 cm內的水分含量趨于一致。

從以上分析可以看出，土壤裂縫的存在增加了土壤水分的蒸發面積，加劇了土壤水分的蒸發，因此，抑制田間地表土壤裂縫能顯著減少土壤水分損失，從而提高水分的有效利用率。

2.2 試驗結果的直觀分析

水分完全滲透完的0.5 h后，土壤開始出現裂縫，裂縫在前期的發育非常迅速，前2 d就發育了最大裂縫值的90%以上，在第5 d趨于穩定，測量此時土壤裂縫的平均寬度、長度及深度。體積的計算則視裂縫為一定深度的楔形體，通過計算該楔形體體積，獲得裂縫體積的近似值。

用極差分析確定各因素的重要程度。從表3可以看出，B因素的極差最大，表明B因素對裂縫體積的影響程度最大；A因素的極差最小，說明A因素對裂縫的開裂影響最小；C因素的極差大于D因素，說明C因素對裂縫開裂的影響比D因素大。

進一步分析A，B，C，D這4個因素對裂縫的開裂體積影響的趨勢得出，當秸稈的長度在10 cm時，土壤開裂體積最小。隨著翻埋深度的增加，土壤裂縫體積在快速減小，直到翻埋深度為15 cm時，土壤裂縫體積達到最小。隨著單位面積秸稈用量的增加，土壤開裂體積在減小，直到單位面積用量為0.8 kg/m2時，土壤開裂體積達到最小值。灌水量在30 L/m2時，土壤開裂體積最小，隨著灌水量的增加，土壤開裂體積在增加，直到灌水量為50 L/m2時達到最大，之后又隨著灌水量的增加，土壤開裂體積減小。從理論上可得出處理的最優組合為A2B3C3D1，即秸稈長度10 cm，翻埋深度15 cm，單位面積秸稈用量0.8 kg/m2，灌水量30 L/m2。而實際上3號小區的試驗結果最好，其產生的裂縫最少，處理組合為A1B3C3D3。

表3 試驗結果直觀分析

3 結論與討論

試驗結果表明，土壤裂縫的存在對土壤水分蒸發有比較大的影響，其能在一定程度上加劇土壤水分的蒸發。

本試驗為等水平的正交試驗，極差R值的大小表示該因素水平變化對裂縫的影響大小，R值越大，因素對試驗指標影響也越大，因素也就越重要；反之，R值越小，因素對試驗指標影響也越小，因素也就不重要。從試驗結果來看，B因素（翻埋深度）是影響裂縫的主要因素，其次是C因素（單位面積秸稈用量），再次是D因素（灌水量）和A因素（秸稈長度），4個因素對土壤裂縫的影響順序為：翻埋深度＞單位面積秸稈用量＞灌水量＞秸稈長度[9]。

本試驗結果表明，翻埋深度以15 cm（B3）為最好，單位面積秸稈用量以0.8 kg/m2（C3）為最好，灌水量取30 L/m2（D1）為最好，秸稈長度以10 cm（A2）為最好，將4個因素的最優水平結合起來，就是篩選出的最優處理組合A2B3C3D1。而實際上3號小區試驗結果最好，產生的裂縫最少，其處理的組合為A1B3C3D3。這是因為正交試驗是部分實施的試驗設計，分析選出的最優處理組合常常不一定與實際試驗結果最好的處理組合相符合[10]。

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