秸稈覆蓋和留茬的田間水土保持效應

王 安，郝明德，2，臧逸飛，鮑艷杰

（1．西北農(nóng)林科技大學 資源環(huán)境學院，陜西 楊凌712100；2．西北農(nóng)林科技大學水土保持研究所，陜西 楊凌712100；3．西北農(nóng)林科技大學 農(nóng)學院，陜西 楊凌712100）

水土流失是我國面臨的主要環(huán)境問題之一，在黃土高原地區(qū)由于生態(tài)環(huán)境脆弱，加之年內(nèi)降雨分布高度集中［1］，水土流失尤為嚴重，造成大量土地資源的損失和破壞，嚴重制約了黃土高原旱地農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。保護性耕作具有減少水土流失、改良土壤結構、增加土壤肥力、提高農(nóng)田水分利用效率、提高土壤微生物數(shù)量與活性等作用［2－6］，為防治農(nóng)田水土流失、實現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供了有效途徑。研究表明，保護性耕作技術措施中的秸稈覆蓋和留茬能夠增加地表糙度，阻截并分散地表徑流，減弱徑流強度，減少雨滴濺蝕和徑流沖蝕，削弱水土流失造成的危害［7－11］。然而現(xiàn)有研究多在無作物種植條件下進行模擬試驗，對于種植作物時秸稈覆蓋和留茬的水土保持效應報道較少。本文比較玉米不同生育期采用覆蓋、留茬以及二者結合的產(chǎn)流產(chǎn)沙情況，探討秸稈覆蓋和留茬的水土保持效應，以期為黃土高原地區(qū)農(nóng)田水土流失防治提供依據(jù)。

1 試驗設計與材料方法

1．1 試驗材料與方法

模擬降雨試驗在黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點實驗室降雨大廳進行，采用側噴式自動模擬降雨系統(tǒng)，噴頭高16m，雨滴降落終速可達到自然雨滴降落速度的98%以上，降雨均勻度大于80%。供試土壤為黃綿土，土壤容重1．31g／cm3。試驗所用土槽為長×寬×高＝2m×0．5m×0．3m的變坡鋼槽，坡度設定為3°，土槽下端設有集流裝置，用以收集徑流和泥沙樣品。試驗雨強設定為120mm／h，降雨前進行率定，以保證雨強的一致性。降雨過程歷時60min，記錄初始產(chǎn)流時間，自坡面產(chǎn)流始每隔3min采一次樣。降雨結束后，稱量以測定徑流量，泥沙濾出烘干后稱量測定產(chǎn)沙量。降雨前使用TDR300測定前期土壤含水率，探針長度20cm，在土槽中部由上至下以50cm的間隔設置3個測定點，結果取其平均值。

1．2 試驗設計

試驗設計是以相同秸稈用量為前提，探索較好的水土保持效益。試驗前在土槽中種植小麥，品種為小偃22號，以10cm等行距條播，收獲時直接留立茬30 cm，以備后續(xù)處理，殘茬重量約為250g／m2。試驗分為覆蓋和留茬二個因子，共設5個處理：（1）對照（CK）：無覆蓋、無留茬；（2）留茬（S）：立茬30cm；（3）覆蓋（M）：將預留的30cm立茬全部剪成10cm小節(jié)均勻覆蓋于槽中；（4）低覆蓋高留茬（M1S2）：將預留的30cm立茬剪去頂部10cm均勻覆蓋于行間，剩余的20cm留茬；（5）高覆蓋低留茬（M2S1）：將預留的30 cm立茬剪去頂部20cm，并將剪去部分剪成10cm小節(jié)均勻覆蓋于行間，剩余的10cm留茬。供試玉米品種為中玉九號，種植密度60 000株／hm2，行距30cm。

2 結果與分析

2．1 覆蓋與留茬對水土流失的影響

2．1．1 覆蓋與留茬對地表徑流的影響 土壤含水率對降雨過程中地表徑流的產(chǎn)生和徑流強度有重要影響，前期土壤含水率越低，產(chǎn)流越慢，地表徑流強度越小，在裸地條件下表現(xiàn)最為明顯［12］。實行覆蓋和留茬時，由于其蓄水保墑作用，玉米各生育期二者的前期土壤含水率均高于對照（表1），在此情況下覆蓋和留茬的初始產(chǎn)流時間均有延后（表2），苗期覆蓋的初始產(chǎn)流時間延后29%，留茬延后32%；拔節(jié)期覆蓋的初始產(chǎn)流時間延后96%，留茬延后64%。但苗期和拔節(jié)期覆蓋和留茬的徑流量均有增加，苗期覆蓋的徑流量增加13%，留茬增加26%；拔節(jié)期覆蓋的徑流量增加17%，留茬增加31%。這是因為在苗期和拔節(jié)期，覆蓋和留茬的前期土壤含水率與對照相差較大，其穩(wěn)定產(chǎn)流率均高于對照（圖1—2），拔節(jié)期差距更大，徑流量的增幅相應上升。抽穗期覆蓋的初始產(chǎn)流延后38%，留茬延后9%，由于前期土壤含水率與對照間的差距大幅縮小，覆蓋的穩(wěn)定產(chǎn)流率低于對照（圖3），其徑流量減少15%，留茬的徑流量增加17%，但增幅有所下降，說明覆蓋和留茬可有效延緩地表徑流的產(chǎn)生，且在前期土壤水分狀況相近的條件下，覆蓋可有效減弱徑流強度。

表1 不同處理玉米各生育期的前期土壤含水率 %

覆蓋在玉米各生育期的前期土壤含水率均高于留茬，苗期相差5．6%，拔節(jié)期和抽穗期分別相差4．0%和3．7%。苗期覆蓋的初始產(chǎn)流時間較留茬提前7s，徑流量減少9．91mm；拔節(jié)期和抽穗期覆蓋的初始產(chǎn)流時間分別較留茬延后44s和46s，徑流量分別減少10．08mm和36．99mm。隨前期土壤含水率間差距的縮小，覆蓋和留茬在初始產(chǎn)流時間及徑流量上的差距增大，說明相同秸稈用量下覆蓋對地表徑流的抑制更為有效，且前期土壤含水率越接近，表現(xiàn)越為明顯，因為實行留茬時殘茬行間尚有部分裸露地表，覆蓋則在地表形成均勻保護，對徑流的阻截和分散強度更大。

表2 不同處理下玉米各生育期的水土流失量

圖1 玉米苗期（六葉）不同覆蓋留茬措施產(chǎn)流率隨降雨歷程變化趨勢

圖2 玉米拔節(jié)期不同覆蓋留茬措施產(chǎn)流率隨降雨歷程變化趨勢

2．1．2 覆蓋與留茬對土壤侵蝕的影響 土壤侵蝕造成的土地資源的損失和破壞是水土流失的主要危害，實行秸稈覆蓋和留茬能夠對地表形成保護，減弱土壤侵蝕及其危害。在玉米各生育期，覆蓋的產(chǎn)沙量均較對照大幅減少，苗期減幅為75%，拔節(jié)期和抽穗期減幅分別為59%和55%，抑制土壤侵蝕的效果明顯；留茬在苗期的產(chǎn)沙量較對照減少24%，拔節(jié)期減少29%，抽穗期減少15%，也可有效減弱土壤侵蝕。不同生育期間減幅存在差異，且沒有明顯規(guī)律，這是因為土壤侵蝕受前期土壤含水率、徑流強度及玉米生長發(fā)育狀況等多種因素影響，是一個相對復雜的過程。覆蓋在玉米各生育期的產(chǎn)沙量均少于留茬，苗期覆蓋的產(chǎn)沙量較留茬減少16．8g／m2，拔節(jié)期減少6．6 g／m2，抽穗期減少12．3g／m2，相同秸稈用量下對土壤侵蝕的抑制更為明顯。這是因為覆蓋的徑流強度小，徑流沖蝕相應有所減弱，另外可能與留茬時地表裸露面積較大，雨滴濺蝕相對強烈有關。

2．2 覆蓋結合留茬對水土流失的影響

2．2．1 覆蓋結合留茬對地表徑流的影響 在玉米不同生育期，低覆蓋高留茬均可大幅延后地表徑流的產(chǎn)生，苗期低覆蓋高留茬的初始產(chǎn)流時間較對照延后67%，較拔節(jié)期延后1．36倍，較抽穗期延后70%；高覆蓋低留茬在苗期的初始產(chǎn)流時間較對照延后8%，較拔節(jié)期延后52%，較抽穗期延后36%，也可有效延緩初始產(chǎn)流時間。不同生育期延后幅度的差異與前期土壤含水率及玉米生長發(fā)育狀況有關。在苗期和拔節(jié)期，兩種覆蓋結合留茬措施的穩(wěn)定產(chǎn)流率均高于對照，徑流量相應增加，低覆蓋高留茬在苗期的徑流量增加17%，拔節(jié)期增加7%，在前期土壤含水率沒有明顯變化的情況下，拔節(jié)期徑流量增幅的下降可能與玉米生長發(fā)育造成植被蓋度的增加有關。高覆蓋低留茬在苗期的徑流量增加22%，拔節(jié)期增加36%，拔節(jié)期徑流量增幅的上升是因為高覆蓋低留茬和對照在穩(wěn)定產(chǎn)流率上的差距增大。抽穗期在前期土壤含水率差距縮小的情況下，覆蓋結合留茬的穩(wěn)定產(chǎn)流率均低于對照，低覆蓋高留茬的徑流量減少23%，高覆蓋低留茬減少15%，說明若前期土壤水分狀況沒有明顯差異，覆蓋結合留茬可有效減弱徑流強度。

低覆蓋高留茬在玉米各生育期的初始產(chǎn)流均晚于高覆蓋低留茬，徑流量也有減少，在苗期和拔節(jié)期與低覆蓋高留茬的前期土壤含水率更低有一定關系，苗期低覆蓋高留茬的初始產(chǎn)流時間較高覆蓋低留茬延后123s，徑流量減少3．61mm，拔節(jié)期初始產(chǎn)流時間延后116s，徑流量減少21．72mm。抽穗期在前期土壤含水率略高于高覆蓋低留茬的情況下，低覆蓋高留茬的初始產(chǎn)流時間延后55s，徑流量減少9．78 mm，說明在前期土壤含水率相同時，同等秸稈用量下實行低覆蓋高留茬對地表徑流的抑制更為有效，這可能是因為實行高覆蓋低留茬時留茬高度過低，不能有效發(fā)揮立茬截留降雨的作用。

2．2．2 覆蓋結合留茬對土壤侵蝕的影響 覆蓋結合留茬在玉米各生育期的產(chǎn)沙量均較對照大幅減少，低覆蓋高留茬在苗期和抽穗期的減幅均為62%，拔節(jié)期減幅為85%；高覆蓋低留茬在苗期的產(chǎn)沙量較對照減少63%，拔節(jié)期減少78%，抽穗期減少57%。覆蓋結合留茬減弱土壤侵蝕的效果明顯，這是因為覆蓋結合留茬可充分保護地表，防止雨滴的直接濺蝕，減少土壤表層松散泥沙顆粒的來源，且能夠削弱地表徑流攜帶泥沙顆粒的能力。不同生育期兩種覆蓋結合留茬方式產(chǎn)沙量之間的差異明顯，這可能主要與徑流強度的差異有關。苗期二者徑流強度基本相當，產(chǎn)沙量的差異很小，低覆蓋高留茬的產(chǎn)沙量較高覆蓋低留茬增加0．2 g／m2；在拔節(jié)期和抽穗期，低覆蓋高留茬的徑流強度較高覆蓋低留茬明顯減弱，其產(chǎn)沙量相應有所減少，拔節(jié)期和抽穗期低覆蓋高留茬的產(chǎn)沙量均較高覆蓋低留茬減少1．6g／m2，減弱土壤侵蝕的效果略為明顯。

2．3 不同覆蓋留茬措施的產(chǎn)流產(chǎn)沙趨勢

2．3．1 不同覆蓋留茬措施的產(chǎn)流趨勢 在玉米各生育期，不同覆蓋留茬措施的產(chǎn)流趨勢大體相同，降雨初期土壤表層結構尚未穩(wěn)定，產(chǎn)流率不斷上升，其后在雨滴的擊濺侵蝕和地表徑流的不斷沖刷下土壤結構逐漸穩(wěn)定，產(chǎn)流率亦隨之趨于平穩(wěn)，總體呈略微上升的趨勢。由于不同覆蓋留茬措施對地表保護程度不同，加之前期土壤含水率存在差異，產(chǎn)流率趨于穩(wěn)定的時間不同。各生育期均以低覆蓋高留茬的產(chǎn)流率最快穩(wěn)定，自初始產(chǎn)流始持續(xù)上升5min后不再有大幅變動。在苗期和拔節(jié)期覆蓋、留茬及高覆蓋低留茬的產(chǎn)流率均在產(chǎn)流開始后持續(xù)上升15min左右始趨于穩(wěn)定，在抽穗期有所提前，產(chǎn)流率的上升持續(xù)10 min左右。

2．3．2 不同覆蓋留茬措施的產(chǎn)沙趨勢 泥沙的產(chǎn)生主要由雨滴濺蝕和徑流沖蝕引起，在降雨初期表層土壤結構不穩(wěn)定，且地表存在一定數(shù)量的原有松散泥沙顆粒，產(chǎn)沙率多有短暫上升或在經(jīng)歷一段時間的平穩(wěn)態(tài)勢后再開始上升（圖4—6）；在降雨中后期，隨著土壤表層結構的穩(wěn)定，泥沙來源趨于減少，產(chǎn)沙率總體上多表現(xiàn)為下降的趨勢，期間有一定起伏。在玉米各生育期，覆蓋、低覆蓋高留茬及高覆蓋低留茬的產(chǎn)沙趨勢相對穩(wěn)定，少有強烈的起伏波動，留茬在降雨初期產(chǎn)沙率的上升趨勢明顯，持續(xù)時間較長，在降雨中后期產(chǎn)沙率的起伏波動相對劇烈，下降趨勢也較為明顯，這主要與留茬時雨滴濺蝕較為強烈有關。

圖5 玉米拔節(jié)期不同覆蓋留茬措施產(chǎn)沙率隨降雨歷程變化趨勢

圖6 玉米抽穗期不同覆蓋留茬措施產(chǎn)沙率隨降雨歷程變化趨勢

3 結 論

（1）在玉米不同生育期實行覆蓋和留茬均可有效延緩地表徑流的產(chǎn)生，減少土壤侵蝕，覆蓋的初始產(chǎn)流時間最大可延后96%，產(chǎn)沙量最大可減少75%，留茬的初始產(chǎn)流時間最大可延后64%，產(chǎn)沙量最大可減少29%。當前期土壤水分狀況沒有明顯差異時，覆蓋的徑流量減少15%，可有效減弱徑流強度。相同秸稈用量下覆蓋較留茬的初始產(chǎn)流時間晚，徑流量和產(chǎn)沙量少，水土保持效應較留茬明顯。

（2）覆蓋結合留茬抑制土壤侵蝕的效果明顯，在玉米不同生育期均可大幅減少產(chǎn)沙量，低覆蓋高留茬減幅最大為85%，高覆蓋低留茬減幅最大為78%。覆蓋結合留茬可有效延緩初始產(chǎn)流，且在前期土壤水分狀況相近時，對徑流也有削弱，低覆蓋高留茬的初始產(chǎn)流時間最大可延后1．36倍，徑流量可減少23%，高覆蓋低留茬的初始產(chǎn)流時間最大可延后52%，徑流量可減少15%，相同秸稈用量下實行低覆蓋高留茬的水土保持效應略為明顯。

（3）在秸稈用量相同的條件下，不同覆蓋留茬措施的水土保持效應存在明顯差異，這一方面是因為不同覆蓋留茬措施在水土流失過程中作用的機理和強度不同，另一方面實施覆蓋和留茬會對土壤理化環(huán)境產(chǎn)生影響，造 成 土 壤 含 水 率［2，13－14］和 玉 米 生 長 發(fā) 育 狀況［15－17］等的差異，對水土流失過程產(chǎn)生不同影響。

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