秸稈還田量對(duì)土壤持水性質(zhì)影響的室內(nèi)試驗(yàn)研究

程?hào)|娟，齊 鳴，劉淙琮

(河北工程大學(xué)，河北 邯鄲 056021)

中國每年的秸稈產(chǎn)量約為7 億t[1]，秸稈還田現(xiàn)已經(jīng)成為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上的常用措施，如黑龍江省、江蘇省分別于2017年和2018年印發(fā)了秸稈機(jī)械化還田實(shí)施辦法。隨著秸稈還田的推廣，相應(yīng)的技術(shù)規(guī)范和規(guī)程相繼發(fā)布，如1995年中國農(nóng)科院等六單位制定了針對(duì)華北地區(qū)、西南地區(qū)、長江中游區(qū)、江蘇水旱輪作區(qū)、浙江三熟制種植區(qū)的6個(gè)秸稈還田技術(shù)規(guī)程，河南省于2016年發(fā)布了“小麥秸稈粉碎還田技術(shù)規(guī)程”，湖北省農(nóng)業(yè)科學(xué)院于2019年起草了“小麥-玉米秸稈還田技術(shù)規(guī)程”。

秸稈還田是一項(xiàng)重要的培肥地力措施，不僅能夠減輕焚燒秸稈對(duì)生態(tài)環(huán)境的不利影響，還能改善土壤結(jié)構(gòu)和理化性狀[2]，提高土壤保水保肥能力[3]，提高農(nóng)作物產(chǎn)量[4,5]。研究發(fā)現(xiàn)，秸稈還田的持續(xù)時(shí)間越長，對(duì)土壤理化性狀的改善作用越明顯[6,7]。

秸稈還田對(duì)提高土壤水分利用率、增加土壤養(yǎng)分含量影響方面的研究文獻(xiàn)很多，但在秸稈還田對(duì)土壤水分運(yùn)移分布特性方面研究較少，已有研究文獻(xiàn)集中在作物生育期內(nèi)土壤水分 動(dòng)態(tài)運(yùn)移分布方面[8,9]。在秸稈還田對(duì)土壤持水特性影響方面只見數(shù)篇報(bào)道，如仵峰等采用 Ku-pF 非飽和導(dǎo)水率測量系統(tǒng)測定土壤水分特征曲線，并分析不同秸稈摻加量對(duì)土壤水分特征曲線參數(shù)的影響及土壤水分常數(shù)的變化[10]；周倩倩采用室內(nèi)土箱進(jìn)行非飽和二維土壤入滲實(shí)驗(yàn)，用 HYDRUS-2D 軟件對(duì)土壤水分特征曲線和土壤水分入滲過程進(jìn)行數(shù)值模擬與分析[11]。為此，在室內(nèi)進(jìn)行秸稈還田量對(duì)土壤持水特性，尤其對(duì)水分有效性和釋水性影響進(jìn)行研究，以期為秸稈還田下更加合理地利用土壤水分、改善灌溉措施提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)條件與方法

1.1 試驗(yàn)材料與方法

為研究秸稈還田量對(duì)土壤持水特性影響，采用擾動(dòng)土添加秸稈的方式測定土壤水分特征曲線。試驗(yàn)所用擾動(dòng)土經(jīng)風(fēng)干粉碎后通過2 mm篩，其初始質(zhì)量含水量為3.50%。它的機(jī)械組成為砂粒(0.02～2 mm)、粉粒(0.002～0.02 mm)、黏粒(≤0.002 mm)的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)分別為8.57%、33.77%、57.66%，依據(jù)國際質(zhì)地判斷標(biāo)準(zhǔn)為砂質(zhì)壤土。

土壤水分特征曲線采用壓力膜儀法進(jìn)行測量。將擾動(dòng)土與風(fēng)干秸稈按一定比例混合后，按1.3 g/cm3的容重裝入壓力膜儀配套環(huán)刀內(nèi)，將土樣置于壓力板上加水濕潤12 h至飽和含水量，打開壓縮氣源，調(diào)節(jié)至所需壓力，待水流不再流出，達(dá)到平衡。平衡后，采用烘干法測得樣品的土壤含水量。隨后逐漸加壓，重復(fù)以上測定，得到一系列土壤水吸力和對(duì)應(yīng)的土壤含水量，從而繪制土壤水分特征曲線。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)為單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)，共5個(gè)處理，分別為4個(gè)秸稈還田量不同的處理和不還田秸稈的對(duì)照處理(CK)，秸稈還田量(用風(fēng)干秸稈添加量占風(fēng)干土樣比例表示)分別為1.0%、3.0%、5.0%、7.0%。

1.3 數(shù)據(jù)的處理與分析

圖中數(shù)據(jù)均是重復(fù)3次的平均值，使用SPSS軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，Excel進(jìn)行作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 秸稈還田量對(duì)土壤特征曲線影響

圖1為不同秸稈還田量下土壤水分特征曲線，由圖1可以看出，秸稈還田后對(duì)土壤特征曲線有影響，使土壤水分特征曲線較對(duì)照處理整體上移，即相同PF值(土壤水吸力)下秸稈還田處理土壤含水量大于秸稈不還田處理，并且隨著秸稈還田量增大，相同PF值下土壤含水量越大；由圖1還可以看出，在中吸力段(PF=2.0～3.0)，相同PF值下各處理的土壤含水量相差不大，在低吸力段(PF=0～2.0)和高吸力段(PF=3.0～4.2)內(nèi)，相同PF值下秸稈還田處理與對(duì)照處理相差較大。可見，秸稈還田處理對(duì)土壤水分特征曲線影響主要在低吸力段和高吸力段范圍。

圖1 不同秸稈還田量的土壤水分特征曲線

2.2 秸稈還田量對(duì)土壤水分常數(shù)及土壤水分有效性影響

將不同秸稈還田量下的土壤全持水量減去凋萎系數(shù)得到各處理的可用水量，將土壤全持水量減去田間持水量得到各處理的多余水量，將田間持水量減去毛管斷裂含水量得到各處理的易有效水量，將毛管斷裂含水量減去凋萎系數(shù)得到各處理的難有效水量。

表1是不同秸稈還田量處理的土壤水分常數(shù)。由表1可以看出，秸稈還田各處理的各土壤水分常數(shù)均大于秸稈不還田處理，且隨著秸稈還田量的增加，全持水量、田間持水量、毛管斷裂含水量和凋萎系數(shù)逐漸增加，表明秸稈還田量對(duì)土壤水分常數(shù)有影響，秸稈的還田增大了各水分常數(shù)。

表1 不同秸稈還田量的不同土壤水分常數(shù) %

對(duì)秸稈還田各處理中的各土壤水分常數(shù)與秸稈還田量進(jìn)行線性擬合，擬合結(jié)果見圖2。秸稈還田量與全持水量線性相關(guān)性好于與田間持水量、毛管斷裂含水量和凋萎系數(shù)的線性相關(guān)性，并且全持水量、毛管斷裂含水量、田間持水量、凋萎系數(shù)與秸稈還田量線性相關(guān)的斜率逐漸減小，截距逐漸增大，表明隨著土壤水分常數(shù)數(shù)值變小，秸稈還田對(duì)土壤水分常數(shù)影響也減小，即秸稈還田對(duì)土壤水分常數(shù)的影響大小具體表現(xiàn)為：全持水量>田間持水量>毛管斷裂含水量>凋萎系數(shù)。

圖2 不同秸稈還田量的土壤水分常數(shù)與秸稈還田量關(guān)系

表2為不同秸稈還田量下、不同水分有效性下的土壤水量。由表2可以看出，秸稈還田對(duì)水分有效性影響不完全一致。秸稈還田各處理的有效水量均大于秸稈不還田處理，以秸稈還田量5%為最大；秸稈還田各處理的多余水量均大于秸稈不還田處理，并隨秸稈還田量增大而減??；秸稈還田各處理的易有效水量均小于秸稈不還田處理，并隨秸稈還田量增大而增大；秸稈還田各處理的難有效水量均大于秸稈不還田處理，并隨秸稈還田量增大而減小。秸稈還田后，最大可用有效水含量、多余水含量、難有效水含量增大，易有效水含量減小，但易有效水量是能夠不斷地滿足作物的需要，對(duì)作物的生長發(fā)育起著關(guān)鍵作用，秸稈還田雖然增大了土壤水分儲(chǔ)量，但植物獲得相同易有效水含量時(shí)需要灌溉更多的水量，可見秸稈還田對(duì)水分利用不利。

表2 各處理在不同水分有效性下的土壤水分含量 %

2.3 秸稈還田量對(duì)土壤比水容量影響

比水容量，亦稱作土壤的容水度，是指單位基質(zhì)勢變化引起含水量的變化，在數(shù)值上等于土壤水分特征曲線斜率的負(fù)值，是表征土壤物理特性的一個(gè)重要參數(shù)，是研究土壤水分運(yùn)動(dòng)和溶質(zhì)運(yùn)移等問題的基礎(chǔ)[12,13]。

圖3為不同秸稈還田處理的比水容量隨土壤水吸力的變化。由圖3可以看出，秸稈還田處理比水容量隨土壤水吸力變化與不還田秸稈處理相似，在PF=0.5～1.5范圍內(nèi)各處理比水容量均隨著土壤水吸力增大而迅速增大，表現(xiàn)為土壤水吸力大于進(jìn)氣吸力后，土壤水吸力增大后土壤大孔隙中的重力水釋水量增大；在PF=1.5～1.9 范圍內(nèi)，土壤釋水仍以大孔隙中的重力水為主，但土壤比水容量隨著土壤水吸力增大迅速減?。辉赑F=1.9～2.8范圍內(nèi)，為土壤有效水分范圍，隨著土壤水吸力增大，土壤比水容量先迅速減小后趨于平緩；在PF=2.8～4.2范圍內(nèi)，土壤比水容量很小且變化平緩。可見，秸稈的還田，影響了比水容量隨土壤水吸力變化的數(shù)值大小，但沒有改變比水容量隨土壤水吸力的變化規(guī)律，表明一定秸稈還田量下土壤礦物基質(zhì)性質(zhì)仍是決定比水容量與土壤水吸力關(guān)系的決定因素。

圖3 各處理中的比水容量隨土壤水吸力的變化

相同PF值下，隨著秸稈還田量增加，土壤比水容量減小，表明隨著秸稈還田量增大，單位水勢變化下釋放水量減小，有利于水分保存，但有效水分因釋放水分減少，不利于植物吸收水分。

在PF=0.5～1.9范圍內(nèi)，土壤中水分以重力水為主，秸稈不還田處理，當(dāng)吸力增大時(shí)，比水容量明顯大于秸稈還田處理，表明秸稈有利于易流失的重力水在土壤中保存，這對(duì)減小降雨或灌溉的水分向深層運(yùn)移出根系活動(dòng)層、對(duì)根系活動(dòng)層水分保持更多水分有意義。

與不同吸力段土壤含水量比較，在低、高吸力段，秸稈還田量高的土壤含水量高，但比水容量小，說明在低、高吸力段，較多的水分存在于土壤中，準(zhǔn)確地說存在土壤的秸稈中。

3 結(jié)論與討論

(1)秸稈還田后，相同土壤水吸力的土壤含水量隨著秸稈還田量增大而增大；秸稈還田量增大了各土壤水分常數(shù)，使多余水量、難有效水量增大，但減小了有效水量。

仵峰研究發(fā)現(xiàn)，在摻加小麥秸稈 3.2%、摻加玉米秸稈2.25%處理下，土壤中易利用水比例系數(shù)上升，認(rèn)為通過摻加秸稈能顯著提高土壤的保水性。本試驗(yàn)研究結(jié)果與仵峰研究結(jié)果相反，可能因?yàn)樵囼?yàn)中使用的秸稈狀況和施用量不同。仵峰研究中秸稈還田量最大施用比例為3.2%，秸稈還田量由1.0%、1.6%、2.25%增大達(dá)到3.2%，在秸稈還田量為2.25%時(shí)土壤保水性達(dá)到最優(yōu)，而本試驗(yàn)4個(gè)處理中3個(gè)處理的秸稈還田量均大于2.25%(4個(gè)稈還田量分別為1.0%、3.0%、5.0%、7.0%)；本試驗(yàn)中秸稈碎度小于0.5 cm，而仵峰研究中秸稈碎度大于5 cm。結(jié)合仵峰研究結(jié)果，建議秸稈還田量不宜過大，本試驗(yàn)條件下不宜超過5.0%。

(2)秸稈的還田沒有改變比水容量隨土壤水吸力的變化規(guī)律，但隨著秸稈還田量增加，土壤比水容量減小。

秸稈的初始情況可能對(duì)試驗(yàn)結(jié)果有影響，本試驗(yàn)使用風(fēng)干后的秸稈，水分入滲到土壤中，秸稈由干變濕吸附了大量水分，而進(jìn)入秸稈中的這些水分被秸稈內(nèi)的組織吸附不易被釋放出來，可能導(dǎo)致了土壤水吸力增大，而還田秸稈處理的比水容量變小。