坡耕地秸稈還田量對水土流失影響的試驗研究

2021-05-17 08:14:04張玲玲

水利科學與寒區工程 2021年2期

張玲玲

(建平縣水土保持局，遼寧朝陽 122400)

我國遼西丘陵地區的耕地大多為坡耕地，受土壤特征和氣候因素影響，當地耕地的水土流失情況十分嚴重，亟待通過工程和生物措施進行治理[1]。顯然，坡面水流是產生土壤泥沙輸送的根本動力，而研究坡面水流特征，量化水動力學參數，是防治坡耕地水土流失的基礎和先決條件[2]。另一方面，我國是世界農業大國，每年會產生6.2億t農作物秸稈，居世界首位，其綜合化和生態化利用就成為當前農業生產中亟待解決的問題。相關研究顯示，將農作物的秸稈作為土壤改良劑進行還田，可以有效提高土壤的抗侵蝕性，是一種行之有效的水土保持措施[3]。從當前的研究現狀來看，關于秸稈還田對農作物產量以及土壤結構影響的研究已經比較全面，但是對坡耕地的水動力特征和侵蝕特征方面的研究不多。基于此，本次研究以遼寧省建平縣的坡耕玉米田為例，利用試驗研究的方式探索不同的玉米秸稈還田量對水土流失的影響，力求為秸稈還田方式設計提供必要的理論支持。

1 材料和方法

1.1 試驗裝置

試驗用土槽為5.0 m×1.0 m×0.6 m的鋼制土槽，土槽的底部設置有液壓設備，可以調節土槽的坡度，范圍是0°～40°，試驗用模擬降雨系統采用的是中國科學院水利部水土保持研究所研制的側噴式降雨系統，降雨高度為16.0 m，可以模擬自然降雨條件下雨滴達到的終點落速。同時該系統還可以對降雨的強度進行控制和設定，變化范圍為2～250 mm/h，降雨的均勻度在80%以上，最大持續降雨時間為12 h，有效降雨面積可以覆蓋試驗土槽。

1.2 試驗材料

試驗用土取自遼寧省建平縣境內的典型坡耕地，土壤的質地為沙壤土，其組成成分如表1所示。在裝填之前，首先將土壤風干，并經過直徑為10 mm的篩孔，除去植物的根系和石塊等雜質[4]。由于遼西地區的秸稈還田在秋收之后進行，其對水土流失的影響主要表現在第二年的汛期，因此研究中需要模擬第二年農作物的植被情況[5]。按照相似性原理和相關研究經驗數據，試驗中選擇海桐球和麥冬進行混植，在栽植過程中先種植灌木海桐球，然后進行麥冬的種植。試驗用秸稈為玉米聯合收割機收割、打碎之后的玉米秸稈，將秸稈用水潤濕并在30 ℃ 室溫下堆積120 h，以模擬自然條件下的腐化程度。

1.3 試驗準備

本次模擬實驗在室內環境下進行。首先在土槽的底部鋪上厚度為5 cm的試驗土壤。按照試驗設定的比例將秸稈和試驗用土混合，然后利用定制的裝填工具模擬翻耕狀態，裝填的深度為20 cm，不固定容重。在裝填好土壤之后，澆水并保持濕潤狀態靜置24 h，然后栽植上相應的植物，待植物完全成活并適應環境后開始試驗。

表1 試驗土壤構成

1.4 試驗方案

為了研究不同的秸稈還田量對不同坡度坡耕地水土流失的影響，研究中設計了10°、20°和30°三種不同的坡耕地坡度。對于秸稈還田量，結合當地農業生產的實際情況設計了0 t/hm2、2 t/hm2、4 t/hm2、6 t/hm2和8 t/hm2等5種不同的秸稈還田量水平，結合本次試驗土槽的大小，經過換算后的還田量分別為0 kg、2 kg、4 kg、6 kg 和8 kg。按照上述設計分別進行試驗研究，根據試驗數據的整理和分析，獲取秸稈還田量對坡耕地水土流失的具體影響規律。鑒于遼西地區的水土流失主要由當地夏季的短時強降雨造成，因此研究中設計降雨雨強為50 mm/h，降雨歷時為30 min[6-7]。

2 試驗結果與分析

2.1 初始產流試驗結果與分析

降雨產流是降雨強度大于入滲強度情況下，多余的水分由于不能及時入滲而在土壤表面產生地表徑流的現象，是衡量坡耕地水土流失的重要指標之一[8]。在形成比較穩定的坡面徑流之后，如果其侵蝕力大于土壤的抗蝕力，就會造成坡面侵蝕和水土流失。因此，研究中對不同試驗坡面條件下的初始產流時間進行整理，結果如表2所示。由試驗結果可知，在秸稈還田量不變的情況下，隨著耕地坡度的增加，初始產流時間呈現出減小的態勢，但是減小的幅度較為有限。由此可見，坡耕地的坡度對初始產流時間的影響較小。在坡度不變的情況下，初始產流時間會隨著秸稈還田量的增加而明顯增加，且在2～6 kg之間增加最為迅速。這說明秸稈還田可以增加初始產流時間，有利于水土保持，選擇合適的秸稈還田量可以獲取最佳效果。

表2 初始產流時間試驗結果

2.2 產流流速試驗結果與分析

對不同試驗方案下的產流流速試驗數據進行整理，結果如表3所示。由試驗結果數據可知，在秸稈還田量不變的情況下，隨著耕地坡度的增加，產流流速呈現出明顯增加的態勢，說明坡度對產流流速存在比較顯著的影響，這一試驗結果也和水力學原理一致。由此可見，坡度是影響坡耕地水土流失的重要影響因素。在坡度不變的情況下，產流流速會隨著秸稈還田量的增加而明顯減小，且在2～6 kg之間減小最為明顯。由此可見，實施秸稈還田可以有效降低坡耕地在降雨條件下的產流流速，有利于坡耕地的水土保持。此外，從表中數據還可看出，當坡耕地的坡度較小時，秸稈還田量對產流流速影響較大，而坡度較大時這一影響會變小，這也從側面說明坡度是坡耕地產流流速的重要影響因素。

表3 產流量試驗結果

2.3 侵蝕量試驗結果與分析

對不同試驗方案下的總侵蝕量試驗數據進行整理，獲得如圖1所示的結果。由試驗結果可知，在秸稈還田量不變的情況下，隨著耕地坡度的增加，土壤侵蝕量呈現出明顯增加的態勢，說明坡度對土壤侵蝕量存在比較顯著的影響。由此可見，坡度是影響坡耕地水土流失的重要影響因素。在坡度不變的情況下，土壤侵蝕量會隨著秸稈還田量的增加而明顯減小，且在2～6 kg之間減小最為迅速。例如，坡度在10°的條件下，秸稈還田量為6 kg，也就是6t/hm2時的侵蝕量為523 g，與沒有秸稈還田條件下1223 g的侵蝕量相比，降低了約57%。由此可見，實施秸稈還田可以有效降低坡耕地在降雨條件下的土壤侵蝕作用，有利于坡耕地的水土保持。