黑土區(qū)覆混耕作中玉米秸稈還田對土壤水分入滲性能的影響

齊江濤，田辛亮，劉 凱，李明森，鄭鐵志，李 光，范旭輝

黑土區(qū)覆混耕作中玉米秸稈還田對土壤水分入滲性能的影響

齊江濤1,2，田辛亮1,2，劉 凱1,2，李明森3，鄭鐵志4，李 光3，范旭輝3※

（1. 吉林大學工程仿生教育部重點試驗室，長春 130022；2. 吉林大學生物與農(nóng)業(yè)工程學院，長春 130022； 3. 吉林省農(nóng)業(yè)機械研究院，長春 130022；4. 吉林省農(nóng)業(yè)機械化管理中心，長春 130022）

覆蓋混埋耕作主要通過聯(lián)合整地機對秸稈進行切碎并均勻混入土壤，對降低風蝕水蝕、提高耕層土壤蓄水能力及構(gòu)建優(yōu)質(zhì)種床具有重要作用。為探究覆混耕作中玉米秸稈對土壤水分入滲性能的影響，該研究利用Design Expert軟件，根據(jù)Box-Behnken試驗原理通過室內(nèi)土柱模擬試驗，以覆混耕作中秸稈混埋深度、秸稈混埋量、秸稈長度為影響因素，以滲水量為指標進行三因素三水平二次回歸正交試驗。通過建立響應面數(shù)學模型，分析了各因素對土壤水分入滲性能的影響，并對影響因素進行了綜合優(yōu)化。試驗結(jié)果表明：對滲水量影響主次順序為秸稈混埋深度、秸稈長度、秸稈混埋量；當秸稈混埋深度為20 cm、秸稈混埋量為80%、秸稈長度為9 cm時，滲水量達到最優(yōu)值0.249 L。利用優(yōu)化后的參數(shù)進行試驗驗證，土壤滲水量為0.247 L。研究結(jié)果可為覆混耕作中聯(lián)合整地機的作業(yè)參數(shù)調(diào)整提供參考和土壤水分入滲性能研究提供參考。

農(nóng)業(yè)工程；覆混耕作；黑土區(qū)；水分入滲；玉米秸稈

0 引 言

保護性耕作技術(shù)是以機械化為手段、以“覆蓋免耕、保土保水”為精髓的一種綠色農(nóng)業(yè)耕作技術(shù)，通過作物秸稈及殘茬覆蓋于地表，并采用免耕或少耕的方法進行播種，可有效降低土壤的風蝕水蝕，提高土壤的蓄水保墑能力[1-2]。覆蓋混埋耕作（以下簡稱覆混耕作）作為保護性耕作技術(shù)體系中的一種秸稈處理與蓄水耕層構(gòu)建方式[3]，通常采用分段作業(yè)方式實現(xiàn)：第一年秋季玉米機收后，采用松耙聯(lián)合整地機對全量秸稈覆蓋的耕地直接進行作業(yè)，完成秸稈的深層混埋；第二年春季采用播前整地中耕機對種床層進行全幅整地作業(yè)，構(gòu)建優(yōu)質(zhì)種床，提高玉米出苗率。

中國每年農(nóng)作物秸稈產(chǎn)量超過9億t[4]。東北黑土區(qū)作為中國重要的商品糧基地，由于諸多因素的影響，黑土區(qū)土壤退化嚴重[5-6]。因此，加強東北黑土區(qū)土壤保護，科學合理利用黑土顯得尤為重要。作為秸稈處理的方式之一，秸稈還田可以提高土壤的蓄水能力，改善土壤結(jié)構(gòu)，增強土壤新陳代謝和有機物活性，培肥地力、恢復和提升有機質(zhì)含量[7-9]。目前，秸稈還田的方式有覆蓋還田、高留茬還田、免耕與秸稈覆蓋相結(jié)合、耙混還田、深埋還田等[10-12]。研究表明，秸稈覆蓋可以抑制土壤水分蒸發(fā)，提高土壤的蓄水能力，增加土壤有機質(zhì)含量，但種床溫度相對較低[13-15]；免耕能降低機械作業(yè)對土壤的擾動，提高土壤的蓄水能力[16-17]；免耕與秸稈覆蓋相結(jié)合的方式可以顯著改善土壤的性能，提高土壤孔隙度[18-19]。國內(nèi)外許多學者從不同的角度對土壤水分特性進行了研究。劉繼龍等[20]利用秸稈覆蓋與耕作方式對土壤水分特性進行了研究；余坤等[21]探究了秸稈還田對農(nóng)田土壤水分與冬小麥耗水特征的影響；趙永敢等[22]發(fā)現(xiàn)秸稈隔層與地膜覆蓋能有效抑制潛水蒸發(fā)；付強等[23]探究秸稈覆蓋對季節(jié)性凍融期土壤水分特征的影響；王曉彤等[24]探究了黏土夾層位置對黃河泥沙充填復墾土壤水分入滲的影響，確定了接近普通農(nóng)田土壤水分入滲特性的理想夾層位置；Mohammad等[25]利用尺度模擬探究了土壤水入滲變異性，闡述了利用最小滲透時間測量數(shù)據(jù)可以得到累積滲透曲線。通過國內(nèi)外學者對土壤水分入滲性能的研究發(fā)現(xiàn)，不同的秸稈處理方式對土壤水分入滲性能影響差異較大。

綜上，國內(nèi)外學者的研究主要集中在秸稈還田及耕作方式對土壤水分入滲性能和蓄水能力的影響方面。因此，探究適宜的秸稈還田及耕作方式對于黑土區(qū)的土壤保護具有重要意義。本文通過室內(nèi)土柱試驗探究覆混耕作中秸稈混埋深度、秸稈混埋量、秸稈長度對土壤水分入滲的影響規(guī)律，尋求較優(yōu)參數(shù)組合，以期為覆混耕作中聯(lián)合整地機作業(yè)參數(shù)提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗用土于2019年秋季取自長春市農(nóng)安縣開安鎮(zhèn)（44°10'N，120°10'E），該區(qū)年降雨量535 mm，土壤類型為黑鈣土。取土深度為0～30 cm，試驗用土經(jīng)自然風干后磨碎，除去雜物后過2 mm網(wǎng)篩，土壤初始含水率采用烘干法進行測定為3.37%，0～20 cm深度土壤容重1.3 g/cm3，20～30 cm深度土壤容重1.4 g/cm3，土壤pH值為7.01。試驗所用秸稈為2019年秋季風干玉米秸稈，含水率10.9%，分別收集4、7、10 cm長度的玉米秸稈。

1.2 試驗方法

用有機玻璃柱裝填土柱，有機玻璃柱由亞克力材料制造，外徑20 cm，壁厚2 mm，玻璃柱底部開有若干內(nèi)徑為10 mm的圓孔，便于土壤水分滲出。裝土前，為降低管壁效應對水分入滲的影響，用凡士林均勻涂滿有機玻璃柱內(nèi)壁。填裝土壤前，在玻璃柱底部平鋪一層與玻璃柱橫截面積大小相同的尼龍布，防止土壤顆粒進入水分收集儀器中。土柱裝填過程中，模擬當?shù)赝寥廊葜?，土?～20 cm深度土壤容重1.3 g/cm3，20～30 cm深度土壤容重1.4 g/cm3，分別裝填自然風干并過2 mm網(wǎng)篩的土壤。秸稈按照每組試驗的混埋深度及混埋量均勻混埋至土柱中，每組土柱裝填高度為30 cm[26]，各處理均進行3次重復試驗。土柱裝填完成后采用一維垂直積水入滲法進行試驗，為確保有部分水分滲出，依據(jù)土壤飽和含水率及前期試驗結(jié)果，每個土柱總注水量為4 L。

注水開始后記錄濕潤鋒下移位置及濕潤鋒運移時間。土柱底部有金屬底座，底座內(nèi)部有水分收集容器，對土柱滲出的水量進行收集，記錄土柱出水時刻，并收集和記錄每組試驗整個滲水過程的累積滲水量，每組試驗滲水量為3次重復試驗的平均值，土壤水分入滲試驗裝置如圖1所示。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

試驗中所有數(shù)據(jù)均采用平均值，利用Excel 2016進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計，Design Expert軟件進行顯著性分析，Origin 9.0軟件進行繪圖。

2 試驗設計與分析

2.1 單因素試驗

2.1.1 試驗因素及評價指標

研究表明，秸稈混埋深度[27]、秸稈混埋量[28]、秸稈長度[29]是影響土壤水分入滲性能的主要因素。秸稈混埋深度是土壤水分下滲的主要影響因素，土壤蓄水能力隨著秸稈混埋深度的增加而逐漸增大[27]。同時，較高的秸稈混埋量可以減少土壤中大孔隙結(jié)構(gòu)所占比例且秸稈吸持部分水分，亦能提高土壤的保水性能[28]；長秸稈加入土壤后對土壤水分入滲起到阻礙作用，減緩土壤中水分下滲，進而提高土壤的蓄水能力[29]。

因此，本文以秸稈混埋深度、秸稈混埋量、秸稈長度為試驗因素，選擇滲水量[30]為評價指標，探究黑土區(qū)覆混耕作中玉米秸稈對土壤水分入滲性能的影響。

2.1.2 試驗設計

提高秸稈混埋深度，可以提高土壤孔隙度，從而增強耕層內(nèi)土壤蓄水能力。但混埋深度增加，會導致機具功耗增大。因此，秸稈混埋深度應合理選取，不宜過高。為對比不同整地效果的秸稈混埋深度對土壤水分入滲效果的影響，本試驗分別選取秸稈混埋深度10、15、20 cm進行試驗[27]。

保護性耕作技術(shù)要求機具作業(yè)后地表覆蓋約30%的秸稈[3]，降低土壤風蝕水蝕，剩余70%左右秸稈用于還田或打捆移出農(nóng)田。不同保護性耕作模式地表秸稈覆蓋量存在少許差異，本試驗以70%為中間值選取秸稈混埋量試驗水平，進行混埋還田。試驗時，以1m2作為取樣區(qū)域，分別將1 m2區(qū)域內(nèi)60%、70%、80%的秸稈混埋入土壤中，進行試驗。

依據(jù)國家標準《保護性耕作機械秸稈粉碎還田機》GB/T 24675.6-2009，玉米秸稈粉碎長度不大于10 cm，同時考慮實際作業(yè)中秸稈切碎程度對土壤水分入滲效果的影響、且粉碎長度過短會增加機具能耗，因此本研究取秸稈長度指標為4、7、10 cm。

以滲水量為評價指標進行試驗，每次試驗時用水分收集容器收集滲出的水分并測量，然后記錄滲水量，每組試驗重復3次，取平均值。

2.1.3 試驗結(jié)果與分析

結(jié)合試驗結(jié)果，分別分析秸稈混埋深度、秸稈混埋量、秸稈長度3個因素與滲水量之間的關(guān)系。在秸稈混埋量與秸稈長度一定的情況下，分別選取秸稈混埋深度10、15、20 cm進行試驗，隨著秸稈混埋深度的增大，滲水量逐漸降低，如圖2a所示。分析其原因在于，土壤混入秸稈后可以增加土壤毛管孔隙的數(shù)量，從而提高了土壤混埋后的持水能力。當秸稈混埋深度與秸稈長度一定時，秸稈混埋量分別選取60%、70%、80% 3個水平進行試驗，隨著秸稈混埋量的增加，滲水量越來越小，如圖2b所示。產(chǎn)生該結(jié)果的原因在于，秸稈可以吸收水分，從而增加土壤與秸稈混合物的持水能力。當秸稈混埋深度與秸稈混埋量一定時，增大秸稈長度可以降低滲水量，如圖2c所示。分析其原因在于，土壤中混入的長秸稈吸收一部分水分，同時混入的長秸稈加大了土壤孔隙度、增強土壤持水能力，從而降低了滲水量。

綜合分析上述試驗結(jié)果，增加秸稈混埋深度、秸稈混埋量、秸稈長度3個因素的水平值，可以降低試驗滲水量、提高混埋秸稈后土壤的持水能力。在實際生產(chǎn)過程中，在滿足保護性耕作秸稈覆蓋要求和機具作業(yè)低功耗要求的前提下，秸稈混埋深度、秸稈混埋量、秸稈長度3個因素可以適當選擇較大的值。

2.2 多因素優(yōu)化試驗

2.2.1 試驗設計

為探究上述3個影響因素對土壤水分入滲性能的影響規(guī)律及優(yōu)化參數(shù)組合，以滲水量為評價指標，開展多因素優(yōu)化試驗。多因素優(yōu)化試驗利用Design Expert軟件進行設計，根據(jù)Box-Behnken試驗原理設計的三因素三水平試驗[31-32]，共包括17組試驗，各水平試驗重復3次。由單因素試驗結(jié)果可知：秸稈混埋深度1、秸稈混埋量2以及秸稈長度3對滲水量有重要影響。根據(jù)單因素試驗分析結(jié)果，將秸稈混埋深度分別設置為10、15、20 cm，秸稈混埋量分別設置為60%、70%、80%，秸稈長度分別設置為4、7、10 cm。表1為試驗因素水平。

表1 試驗因素水平

2.2.2 試驗結(jié)果與分析

試驗結(jié)果如表2所示，根據(jù)表2結(jié)果，利用Design Expert軟件進行多元擬合及回歸性分析，建立滲水量與秸稈混埋深度、秸稈混埋量、秸稈長度這3個自變量間的響應面回歸模型，如式（1）所示，并對模型進行顯著性檢驗如表3所示。

表2 試驗設計方案及結(jié)果

表2描述了17組試驗中濕潤鋒運移時間，由數(shù)據(jù)可知，增加秸稈混埋深度、提高秸稈混埋量、增大秸稈長度，可以提高濕潤鋒推進速度、減少滲水量。分析其原因在于，秸稈混埋深度及秸稈混埋量增加、秸稈長度越長增大了土壤的孔隙度，大孔隙的存在對水分優(yōu)先遷移具有顯著作用[33]，利于土壤水分下滲和增加持水能力。因此，采用覆混作業(yè)的農(nóng)田地塊在降水后可以加快雨水滲入混埋有秸稈的土壤中，并增加土壤持水能力，起到涵養(yǎng)水源的作用。

由表3可知，模型顯著性檢驗=193.15，<0.000 1，說明回歸模型差異極顯著；失擬性檢驗中，=0.29，>0.1，為不顯著，說明試驗模型模擬情況與實際情況相符合，可以準確反映滲水量與秸稈混埋深度1、秸稈混埋量2、秸稈長度3之間的關(guān)系，能對試驗中各種情況進行較好預測。模型的一次項秸稈混埋深度1、秸稈混埋量2、秸稈長度3影響均為極顯著；二次項秸稈混埋深度12、秸稈混埋量22、秸稈長度32影響為極顯著；交互項秸稈混埋深度1與秸稈混埋量2影響為顯著，交互項秸稈混埋深度1與秸稈長度3影響為極顯著，交互項秸稈混埋量2與秸稈長度3影響為極顯著。模型值分別為1 287.97、85.51、146.64，可發(fā)現(xiàn)對滲水量影響主次順序為秸稈混埋深度、秸稈長度、秸稈混埋量。

表3 模型顯著性檢驗

注：**表示差異極顯著（<0.01）；*表示差異顯著（<0.05）。

Note: ** means extremely significant (<0.01); * means significant (<0.05).

2.2.3 響應曲面分析

根據(jù)模型利用Design Expert軟件生成響應面如圖3所示，進一步分析秸稈混埋深度1、秸稈混埋量2、秸稈長度33個因素對響應值滲水量的交互影響。

圖3a為秸稈混埋深度1、秸稈混埋量2對滲水量交互作用的響應曲面圖，可知當增大秸稈混埋深度與秸稈混埋量有助于降低滲水量，出現(xiàn)該現(xiàn)象的主要原因是增大秸稈混埋深度與秸稈混埋量增加了土壤中毛管孔隙的數(shù)量，毛管孔隙對水分入滲有阻礙效果，使?jié)B水量減少。

圖3b為秸稈混埋深度1、秸稈長度3對滲水量交互作用的響應曲面圖，可知隨著秸稈長度及秸稈混埋深度的增大，滲水量有降低的趨勢，出現(xiàn)該現(xiàn)象的主要原因是秸稈混埋深度增大，使得秸稈在土壤中分布范圍變廣，增加了土壤中毛管孔隙數(shù)量；秸稈長度增大，雖有大孔隙存在，但長秸稈吸水后膨脹，會持有部分水分，且長秸稈阻斷了土壤水分流通的毛管孔隙，使?jié)B水量減少。

圖3c為秸稈混埋量2、秸稈長度3對滲水量交互作用的響應曲面圖，由響應面的形狀可以看出，增大秸稈混埋量及秸稈長度可以降低滲水量，出現(xiàn)該現(xiàn)象的主要原因是增大秸稈混埋量提高了秸稈在土壤中的含量，秸稈內(nèi)部孔隙可吸附部分水分，且秸稈長度增大對于土壤水分下滲起到阻礙作用，土壤中混埋秸稈可以涵養(yǎng)水分，使?jié)B水量減少。

2.2.4 參數(shù)優(yōu)化

根據(jù)模型分析效果，利用Design Expert軟件尋優(yōu)功能進行參數(shù)優(yōu)化，為提高耕層土壤蓄水能力，就要獲得較低的滲水量，必須要求秸稈混埋深度、秸稈混埋量、秸稈長度選擇合適的參數(shù)，參數(shù)優(yōu)化約束條件為

利用Design Expert軟件中的優(yōu)化求解器對回歸方程模型（1）進行優(yōu)化求解。利用軟件優(yōu)化后，得到秸稈混埋深度20 cm、秸稈混埋量80%、秸稈長度9 cm時，滲水量達到最小值0.249 L。為了驗證優(yōu)化后參數(shù)準確性，采用優(yōu)化后參數(shù)進行3次重復試驗，土柱裝填深度及土壤容重與前文試驗相同，秸稈混埋深度20 cm、秸稈混埋量80%、秸稈長度9 cm，分別裝填自然風干并過2 mm網(wǎng)篩的土壤，得到3次試驗平均滲水量為0.247 L。試驗得到數(shù)值與模型優(yōu)化值相對誤差均小于5%，說明參數(shù)優(yōu)化模型可靠。

3 結(jié) 論

1）本文通過室內(nèi)土柱模擬試驗，研究了黑土區(qū)覆混耕作中玉米秸稈對土壤水分入滲性能的影響。由試驗結(jié)果可知，對滲水量的影響主次順序依次為：秸稈混埋深度、秸稈長度、秸稈混埋量。

2）以滲水量為評價指標，對影響因素進行參數(shù)優(yōu)化，優(yōu)化后最佳參數(shù)為：秸稈混埋深度20 cm、秸稈混埋量80%、秸稈長度9 cm。通過試驗對建立的滲水量的二元多項式回歸模型的優(yōu)化參數(shù)進行驗證，實測值與模型優(yōu)化值誤差小于5%，說明模型可靠。

3）通過多因素試驗對比濕潤鋒運移時間和滲水量，得出覆混耕作中土壤水分入滲規(guī)律：增加秸稈混埋深度、提高秸稈混埋量、增大秸稈長度，可以減少濕潤鋒運移時間、降低滲水量，從而為黑土區(qū)土壤水分入滲性能研究提供試驗依據(jù)。

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Soil water infiltration under mulch tillage affected by maize stovers returning in black soil areas

Qi Jiangtao1,2, Tian Xinliang1,2, Liu Kai1,2, Li Mingsen3, Zheng Tiezhi4, Li Guang3, Fan Xuhui3※

(1.,,,130022,;2.,,130022,;3.,130022,;4.,130022,)

Conservation tillage has become a promising farming technology with mechanized operations as the main means. The method of minimum tillage or no tillage planting is widely adopted, where the crop stover and stubble are used to cover on the soil surface, in order to effectively reduce the soil wind erosion and water erosion, while improve the ability of soil to keep moisture and water. As a kind of conservation tillage, mulch tillage is mainly used to chop up the stover by a combined tillage machine and mix it evenly into the soil. As such, the mulch tillage can contribute to soil moisture infiltration, and high-quality seed beds. After the corn harvest in the first autumn, the full amount of stover-covered arable land was operated directly by the combined soil planter with the soft rake. In the second spring, the seed bed making machine was used to prepare the whole field of the seed bed, to build a high-quality seed bed and improve the emergence rate of corn. Most previous research focused on the effect of stover mulching and tillage methods on soil moisture infiltration performance. However, it is of great significance to explore the suitable stover returning and tillage method for soil protection in black soil area. In this study, a Design Expert software and a Box-Behnken test were used to conduct an experimental study on the infiltration performance of stover on soil moisture in black soil area in mulching tillage. In the column experiment, a quadratic regression orthogonal experiment was designed with three factors and three levels, including the depth, the quantity, and the length of mixed stover. The experimental results showed that the significant order of the influence on the amount of water seepage was as follows: the depth of mixed stover, the length of stover, the quantity of mixed stover. A response surface mathematical model was established to analyze the influence of various factors on soil moisture infiltration performance, and thereby to comprehensively optimize the influencing factors. The optimal combination was achieved, where the water seepage reached the maximum, when the depth of mixed stover was 20 cm, the quantity of mixed stover was 80%, and the length of stover was 9 cm. Using the optimized parameters for experiments, the soil water infiltration rate was up to 0.247 L. The findings can provide a sound reference for the adjustment parameters in the combined tillage machine in the mulch tillage, particularly on a theoretical support for black soil protection.

agricultural engineering; mulch tillage; black soil area; water infiltration; maize stover

齊江濤，田辛亮，劉凱，等. 黑土區(qū)覆混耕作中玉米秸稈還田對土壤水分入滲性能的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2021，37(1)：141-147.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.01.018 http://www.tcsae.org

Qi Jiangtao, Tian Xinliang, Liu Kai, et al. Soil water infiltration under mulch tillage affected by maize stovers returning in black soil areas[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(1): 141-147. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.01.018 http://www.tcsae.org

2020-09-10

2020-12-11

國家自然科學基金資助項目（31971783）

齊江濤，教授，博士生導師，中國農(nóng)業(yè)工程學會高級會員（No.E041201131S），主要從事精準農(nóng)業(yè)與智能農(nóng)業(yè)裝備研究。 Email：qijiangtao@jlu.edu.cn

范旭輝，研究員，主要從事保護性耕作及其智能裝備研究。Email：cchkbjomfan@163.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.01.018

S152.7

A

1002-6819(2021)-01-0141-07