秸稈還田下灌水量對土壤水分運移特性研究

鄭欣榮，王利書，齊 鳴，劉婧然，程東娟

(河北工程大學，河北 邯鄲 056021)

秸稈還田對土壤的培肥效果、理化性質、有機質含量、養分平衡等方面有明顯的改善作用[1-6]。隨著秸稈還田在我國的普遍推廣，秸稈還田的施用方式備受關注，已有學者研究了不同土質下的最佳秸稈還田量[7-10]，但是目前研究秸稈還田量與灌水量結合的不多。本試驗就不同秸稈還田量下對灌水量水分運移分布特性進行了模擬研究，試圖找出灌溉水量在不同秸稈還田量下的水分運移的規律，確定大田灌水定額是否適合不同秸稈覆蓋條件下的作物需水量，以指導田間灌溉，達到高效節水的目的。

1 材料和方法

為研究不同秸稈還田量下灌水量對水分運移分布特性的影響，在室內進行一維垂直均勻土柱入滲試驗。

1.1 試驗材料

試驗用土為壤土，取自河北工程大學試驗場(北緯36°20′，東經114°03′)，試驗時將土樣風干、粉碎、過2 mm篩，按照預設的土壤初始質量含水率6.5%進行配土，依據設計土壤容重1.4 g/cm3分層裝入土柱，每層2 cm，層間壓實拋毛。玉米秸稈取自寧晉農技站(北緯37°37′，東經114°53′)，秸稈干燥放置，無腐蝕因素。試驗前將秸稈粉碎成5 mm長的小段，在土表至10 cm之間按照不同還田量配比均勻層施。

1.2 試驗裝置

試驗采用馬氏瓶供水，維持恒定水頭3 cm，馬氏瓶橫截面積7.2 cm2，馬氏瓶外壁標有刻度，用于記錄入滲水量。土柱由透明有機玻璃筒制成，高30 cm，內徑5 cm，厚2 mm，土柱兩側從7 cm處開始每隔2 cm對稱開孔。試驗裝置如圖1所示。

圖1 室內一維垂直入滲實驗裝置

1.3 試驗方法

試驗共設兩個因素，分別為灌水量和秸稈還田量。灌水量設1V和1.5V兩個水平，秸稈還田量設0%、0.5%、1%、1.5%、2%共5個水平，試驗采取灌水量為1V、秸稈還田量0%作為對照處理。在室內進行一維垂直均勻土柱入滲的水分運移模擬試驗。秸稈施用深度為0～10 cm。試驗過程中，采用馬氏瓶保持全試驗水頭恒定，依據由密到疏的原則(1、3、5、7、10、15、20、30、45、60、90、120 min)觀測并記錄馬氏瓶液面下降刻度，描繪濕潤鋒。試驗以對照處理濕潤鋒運移到15 cm處所入滲的水量作為1V灌水量。當濕潤鋒運移到秸稈層底部(10 cm處)時進行第一次取土，當濕潤鋒運移到第一層不施秸稈層底部(12 cm處)進行第二次取土，當土壤入滲水量達到其設計水量時，立即關掉馬氏瓶出水口和進氣口閥門，停止試驗。試驗結束后，將土柱上層剩余液吸走，將土柱平放，避免繼續入滲，取每層土樣。將3次所取土樣用烘干法測其含水率。

2 結果與分析

2.1 不同秸稈還田量下灌水量對累積入滲量的影響

圖2是不同秸稈還田量下累積入滲量隨時間的變化趨勢圖。在各處理中，隨著時間的增加，累積入滲量也逐漸增加，并且在入滲初期增長較快，隨著入滲的進行，累積入滲量的增長幅度逐漸變緩。入滲結束時，還田量0%、0.5%、1%、1.5%和2%入滲至1.5V灌水量時所消耗時間分別為261、274、295、352和385 min，即入滲同等水量所用時間隨秸稈還田量的增大而增大，可能是因為秸稈還田促使該層土壤保水能力增加，減緩了水分在秸稈層的下滲速度。

圖2 不同秸稈還田量下累積入滲量的動態變化

圖3是不同秸稈還田量入滲達到秸稈還田層與非還田層分界線時累積入滲量趨勢圖。入滲達到秸稈還田層與非秸稈還田層分界處時，1V和1.5V灌水量下累積入滲量隨秸稈還田量的增大呈增大的趨勢。隨著入滲的進行，秸稈不還田處理率先達到分界處，且累積入滲量最少。在低倍秸稈還田量下，不同處理到達秸稈還田層與非還田層分界處的耗時差值較小，隨著秸稈還田量的增加，不同處理到達分界處時耗時差值逐漸增大。

圖3 秸稈分界處不同還田量的累積入滲曲線

采用Kostiakov模型(I=kta)對累積入滲量和時間進行冪函數擬合，擬合情況如表1所示。由表1可知，Kostiakov模型在灌水量和累積入滲量兩因素下擬合效果均較好。灌水量相同時，入滲系數隨著秸稈還田量的增加而減小，入滲指數隨著秸稈還田量的增大而增大；秸稈還田量相同時，入滲系數隨著灌水量的增加而減小，入滲指數隨著灌水量的增大而增大，這與前人研究所得結論一致[11-13]。

表1 灌水量下不同秸稈還田量I-t擬合情況

注：I為累積入滲量，mL；t為入滲時間，t；k為入滲系數；a為入滲指數。

利用SPSS對最終入滲時間進行雙因素無重復方差分析。分析結果如表2所示，在5%的顯著性水平下灌水量和秸稈還田量對入滲時間均有顯著影響。

表2 灌水量和秸稈還田量下最終入滲時間方差分析表

注：a為RSquared=0.992(AdjustedRSquared=0.982)。

2.2 不同秸稈還田量下灌水量對濕潤鋒的影響

圖4為不同秸稈還田處理下濕潤鋒隨時間變化趨勢圖。在各處理中，隨著時間的推進，濕潤鋒運移距離也逐漸增加。在同一灌水量下，隨著秸稈還田量的增加，濕潤鋒運移距離隨之減少。不同秸稈還田處理下，濕潤鋒到達至秸稈還田層與非還田層交界處時間變化為：還田量2%>還田量1.5%>還田量1%>還田量0.5%，與不還田相比，1V灌水量和1.5V灌水量入滲到交界處平均多耗時5、17、28、60 min。

圖4 灌水量與秸稈還田量對濕潤鋒運移的影響

分析圖2和圖4，在灌水量和秸稈還田量兩者因素作用下，累積入滲量和濕潤鋒呈現出相同的規律。對濕潤鋒和累積入滲量進行線性擬合，用y=kx表示。其擬合結果如表3所示。

表3 灌水量下不同秸稈還田量對濕潤鋒和累積入滲量擬合情況

利用SPSS對最終濕潤鋒運移距離進行雙因素無重復方差分析。分析結果如表4所示，在5%的顯著性水平下灌水量和秸稈還田量對最終濕潤鋒運移距離均有顯著影響。

表4 灌水量和秸稈還田量下最終濕潤鋒運移距離方差分析表

注：a為RSquared=0.996(AdjustedRSquared = 0.991)。

在同一灌水量下，高秸稈還田量的處理到達10 cm處耗時較長，耗水較多。這可能是秸稈施入使土壤孔隙結構受到了不同程度的改變，秸稈的存在使土壤孔隙的連續性變差，水分入滲通道部分被阻斷。在土壤容重和初始含水量不變的情況下，秸稈還田量越大，對水分的吸持能力越強，再加上秸稈本身透水性能較差，使入滲的水分較多的保持在高秸稈還田層。由于秸稈削弱了土壤中水分入滲通道，使得水分在秸稈還田層中的下滲速度減緩，在同一土層深度吸收的水量也隨之越大，同時釋放的水量也隨之降低，所以表現為隨著秸稈占比的增加，在秸稈還田層內，同一時間內的下滲量降低，歷經秸稈層的時間也較長。

試驗中增大灌水量后，濕潤鋒運移距離有不同程度的增加，這是因為增大灌水量后，入滲過程中雖然水分停留在秸稈中的量增加，但由于秸稈還田層土壤中孔隙逐漸地被水分填充，土壤的導水率能力增大，促進了水分向下移動，從而不斷的增大土壤的入滲深度。

2.3 不同秸稈還田量下灌水量對土壤水分運移分布影響

圖5為一維垂直入滲過程中土壤質量含水率剖面動態分布圖。由圖5(c)和圖5(e)可以看出，土壤質量含水率剖面分為2個區：過渡區和傳導區。具體表現為0～3 cm深度為過渡區，土壤質量含水率有明顯的降落，表層土質量含水率高達40%，這可能是由于在一維垂直入滲下，表層土體處于1～3 cm積水之中，另外秸稈的阻滲作用使得表層土體達到超飽和狀態；隨著濕潤鋒向下推移，含水率分布曲線由陡逐漸變緩，3～19 cm深度為傳導區，該區土壤質量含水率基本穩定在30%范圍內；在19 cm深度以下，含水率剖面有向濕潤區逼近的趨勢。

在秸稈還田層和非秸稈還田層中，土壤含水率呈現兩種變化規律。在深度為 0～10 cm時，土壤含水率隨著秸稈還田量的增加逐漸增加，這可能是由于摻加小麥秸稈，雖然使土壤孔隙連續性變差，但土壤比表面積增加，對水分的吸持力增強，使得入滲水分較多地保持在0～10 cm的秸稈還田層。在深度為10～20 cm 時，土壤質量含水率的變化規律與之恰好相反，這可能是因為秸稈還田量越大，秸稈本身透水性較差，阻水效果越大，減緩了水分向下面非秸稈還田層的移動，所以秸稈還田量越大，下面非秸稈還田的層次中土壤水分越小。

圖5 土壤質量含水率剖面動態分布圖

隨著入滲進程，每層土壤含水率值逐漸增加，其中表層土壤含水率增加速度較下層土壤含水率增加速度快。與不還田處理相比，第一次取土與第二次取土含水率變化幅度不大，但第三次取土在秸稈還田層含水率變化較大，土壤平均含水率比不還田增加3.18%、5.32%、6.75%、10.19%。在同一灌水量下，不同秸稈還田量的處理在相同土層含水率表現不同，主要體現在秸稈含量較高的處理，土層含水率較高，但隨著時間的推進，表層的含水率變化差異趨于穩定。

3 結 語

(1)在水分垂直入滲過程中，秸稈起到了阻滲的作用。試驗結果表明，在秸稈還田作用下，土壤一維垂直入滲中累積入滲量和濕潤鋒運移均符合Kostiakov入滲模型。秸稈還田量對土壤入滲性能的影響因秸稈施用量的不同而變化。與秸稈不還田相比，秸稈還田量顯著降低了土壤累積入滲量和濕潤鋒的運移速度，其中，秸稈還田量越大，阻礙效果較 大。秸稈的這種阻滲作用，延長了水分在秸稈層停留時間，提高了土壤的淺層含水率。所以在實際生產中，應當合理利用秸稈的保水性及阻水性，將秸稈還田層布設在合理的范圍內來減少深層滲漏，提高水分利用效率。

(2)灌水量在入滲過程主要起到了增加入滲深度的作用，隨著灌水量的加大，累積入滲量和濕潤鋒運移也逐漸增大。在同一秸稈還田量標準下，提高灌水量，土壤不同深度的含水率也逐漸增大。受秸稈還田量的影響，低灌水量時，大部分水分被滯留在秸稈層，下層土壤得不到及時的水量補充。在田間作業時，因每個生育時期下小麥根系長度不一，故應根據秸稈施用情況來適當調整灌水量，以滿足作物的生育需求，達到節水增產的效果。