張光輝，楊揚(yáng)，劉瑛娜，王志強(qiáng)

(1.地表過(guò)程與資源生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京師范大學(xué)，北京 100875；2.地理科學(xué)學(xué)部，北京師范大學(xué)，北京 100875)

0 引 言

東北黑土區(qū)是我國(guó)重要的商品糧生產(chǎn)基地，商品糧供給量占全國(guó)1/3，是國(guó)家糧食安全的“壓艙石”。該區(qū)的糧食產(chǎn)能直接關(guān)系國(guó)家糧食安全。因此，維持并提升黑土地生產(chǎn)力，具有重大戰(zhàn)略意義。受多種自然和人為因素及其交互作用的共同影響，尤其是高強(qiáng)度開(kāi)墾和掠奪式經(jīng)營(yíng)，黑土區(qū)土壤侵蝕極為發(fā)育，水土流失面積高達(dá)21.6萬(wàn)km2[1]。強(qiáng)烈的水土流失必然導(dǎo)致黑土層變薄、土地生產(chǎn)力下降、作物產(chǎn)量降低等一系列生態(tài)生產(chǎn)問(wèn)題[2-3]，如何經(jīng)濟(jì)且高效地阻控土壤侵蝕，降低侵蝕驅(qū)動(dòng)黑土地退化對(duì)糧食產(chǎn)能的潛在影響，是黑土區(qū)長(zhǎng)期面臨的重大挑戰(zhàn)。

秸稈還田是全球廣泛采用的保護(hù)性耕作技術(shù)，具有改善土壤結(jié)構(gòu)[4]、提升土壤肥力[5]、增加作物產(chǎn)量[6]等眾多功能。黑土區(qū)土地利用類(lèi)型和結(jié)構(gòu)單一、耕地面積廣大，存在土壤侵蝕風(fēng)險(xiǎn)的坡耕地高達(dá)19.5萬(wàn)km2[7]。秸稈占作物生物總量的50%左右，黑土區(qū)廣泛分布的耕地產(chǎn)出了大量秸稈，僅黑龍江省每年產(chǎn)出的秸稈便可達(dá)約1.3億t。秸稈可通過(guò)不同方式還田，并起到阻控土壤侵蝕、提升退化黑土地生態(tài)生產(chǎn)功能的作用。秸稈還田阻控侵蝕的機(jī)理與效應(yīng)，與還田方式、還田量和還田時(shí)間密切相關(guān)。目前，黑土區(qū)秸稈還田方式包括直接還田和間接還田。前者主要包括留高茬還田、免耕覆蓋還田、旋耕還田和深翻還田；后者主要有堆漚還田、過(guò)腹還田和生物質(zhì)碳還田等[8]。無(wú)論采用何種還田方式，都會(huì)直接改變土壤物理和化學(xué)性質(zhì)以及作物生長(zhǎng)，進(jìn)而影響土壤侵蝕過(guò)程、強(qiáng)度及其時(shí)空分布。

黑土區(qū)土壤侵蝕類(lèi)型多樣，大部分地區(qū)以水力侵蝕為主，西南部風(fēng)力侵蝕強(qiáng)烈發(fā)育。但無(wú)論水力還是風(fēng)力侵蝕，都受凍融作用的顯著影響[9]。就侵蝕驅(qū)動(dòng)的黑土地退化程度及其危害而言，研究秸稈還田影響水力侵蝕的機(jī)制與技術(shù)尤為重要。本文在深入分析秸稈還田阻控細(xì)溝間侵蝕、細(xì)溝侵蝕、淺溝與切溝侵蝕機(jī)制的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)總結(jié)秸稈還田的水土保持效應(yīng)，并提出未來(lái)研究亟待加強(qiáng)的內(nèi)容，為阻控侵蝕驅(qū)動(dòng)的黑土地退化、恢復(fù)退化黑土地生態(tài)生產(chǎn)功能、維持黑土地保護(hù)性開(kāi)發(fā)利用、保障黑土區(qū)生態(tài)生產(chǎn)安全提供理論與技術(shù)支撐。

1 細(xì)溝間侵蝕

細(xì)溝間侵蝕是坡耕地強(qiáng)烈發(fā)育的侵蝕類(lèi)型，受控于降雨特性、細(xì)溝間土壤可蝕性、坡度、地表覆蓋和積水深度。秸稈還田對(duì)細(xì)溝間侵蝕的影響與還田方式直接相關(guān)，其作用可分為直接作用和間接作用兩類(lèi)(圖1)。降雨特性，尤其是降雨強(qiáng)度，是影響細(xì)溝間侵蝕的核心因子。具有一定動(dòng)能的雨滴擊濺土壤，是細(xì)溝間侵蝕發(fā)生的根本原因。秸稈覆蓋還田能夠有效保護(hù)土壤，避免雨滴直接打擊地表，從而起到消減降雨動(dòng)能的作用，其功能強(qiáng)弱與秸稈覆蓋度及厚度密切相關(guān)。覆蓋在地表的秸稈可增大地表隨機(jī)糙率，增加徑流阻力，降低徑流流速，從而使坡面徑流挾沙力下降[10]，進(jìn)而阻控細(xì)溝間侵蝕。旋耕還田的秸稈也有部分露出地表，可在一定程度上消減降雨動(dòng)能，起到抑制細(xì)溝間侵蝕的作用。此外，在侵蝕過(guò)程中露出地表的秸稈，也會(huì)增大地表隨機(jī)糙率[11]，降低徑流挾沙力，從而抑制細(xì)溝間侵蝕。當(dāng)還田量相同時(shí)，秸稈覆蓋對(duì)細(xì)溝間侵蝕的影響一般顯著大于旋耕還田[12]，將大量未分解的秸稈混合于土壤中，還可能會(huì)增大細(xì)溝間侵蝕風(fēng)險(xiǎn)，在陡坡條件下尤為明顯[13]。因此，采用適宜的旋耕還田量和秸稈快速分解技術(shù)，對(duì)提升秸稈旋耕還田阻控細(xì)溝間侵蝕的功能至關(guān)重要。

圖1 秸稈還田阻控細(xì)溝間侵蝕示意圖

秸稈還田對(duì)細(xì)溝間侵蝕的間接作用，與秸稈分解導(dǎo)致土壤理化性質(zhì)、有機(jī)質(zhì)、細(xì)溝間土壤可蝕性和作物生長(zhǎng)特性的動(dòng)態(tài)變化密切相關(guān)。隨著秸稈還田時(shí)間的延長(zhǎng)，秸稈逐漸分解，秸稈覆蓋阻控細(xì)溝間侵蝕的作用逐漸降低。當(dāng)覆蓋于地表的秸稈完全分解后，秸稈覆蓋抑制細(xì)溝間侵蝕的直接作用消失。與秸稈覆蓋類(lèi)似，旋耕和深翻還田的秸稈也會(huì)逐漸分解，土壤物理性質(zhì)發(fā)生一系列變化，集中體現(xiàn)在土壤容重降低、貫入阻力減小、孔隙度增加、含水量增大和蓄水能力增強(qiáng)[4,14-15]。秸稈含有大量有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分，以黑土區(qū)主產(chǎn)作物玉米為例，其秸稈中含有機(jī)質(zhì)93.8%、氮0.05%～0.8%、磷0.04%～0.3%、鉀0.9%～1.6%[16]。隨著秸稈分解，大量碳和養(yǎng)分輸入土壤，加之土壤水分狀況的改變，可促進(jìn)土壤微生物的生長(zhǎng)和繁殖，改善土壤微生物群落結(jié)構(gòu)，提升土壤微生物周轉(zhuǎn)速率[16]。土壤微生物周轉(zhuǎn)是有機(jī)質(zhì)形成的重要驅(qū)動(dòng)力[17]，秸稈分解引起土壤微生物的變化，必然導(dǎo)致秸稈進(jìn)一步分解，從而增加土壤有機(jī)質(zhì)含量[18]。而作為土壤團(tuán)聚體形成的主要膠結(jié)劑之一，有機(jī)質(zhì)含量增加會(huì)促進(jìn)土壤團(tuán)聚體的形成，特別是>0.25 mm團(tuán)聚體的數(shù)量、結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性顯著增加[19]。秸稈分解驅(qū)動(dòng)的上述土壤理化性質(zhì)變化，尤其是團(tuán)聚體數(shù)量增加與穩(wěn)定性提升，必然降低細(xì)溝間土壤可蝕性[20-21]，抑制細(xì)溝間侵蝕。由于秸稈深翻還田深度較大，在全量還田條件下，秸稈分解對(duì)表層土壤理化性質(zhì)及細(xì)溝間土壤可蝕性的影響會(huì)顯著小于旋耕還田，因此深翻還田阻控細(xì)溝間侵蝕的作用可能明顯小于旋耕還田，但究竟情況如何仍需相關(guān)試驗(yàn)加以證明。秸稈分解可釋放大量養(yǎng)分，提升土壤肥力[22]，增加作物蓋度、葉面積指數(shù)和生物量[23-24]，起到保護(hù)地表、消減雨滴動(dòng)能、抑制細(xì)溝間侵蝕的作用。

秸稈還田對(duì)細(xì)溝間侵蝕的影響，與秸稈還田量直接相關(guān)。一般而言，秸稈抑制細(xì)溝間侵蝕的作用隨還田量增加明顯增強(qiáng)。但值得注意的是，黑土區(qū)氣溫較低，秸稈分解緩慢，加之秸稈具有較高的C∶N比，秸稈過(guò)量還田可能會(huì)促使土壤微生物與作物爭(zhēng)氮，從而抑制秸稈分解速度[25]，影響土壤結(jié)構(gòu)與作物生長(zhǎng)，進(jìn)而降低秸稈還田阻控細(xì)溝間侵蝕的作用。同時(shí)，秸稈還田對(duì)土壤性質(zhì)與結(jié)構(gòu)的影響具有長(zhǎng)期累積效應(yīng)[26]。只有經(jīng)過(guò)多年連續(xù)還田，秸稈還田阻控細(xì)溝間侵蝕的間接作用才會(huì)凸顯。究竟秸稈還田阻控細(xì)溝間侵蝕的功能隨還田時(shí)間如何變化，仍需開(kāi)展進(jìn)一步研究。

2 細(xì)溝侵蝕

細(xì)溝侵蝕是黑土區(qū)廣泛分布的侵蝕類(lèi)型，尤其是在順坡或斜坡壟溝中發(fā)育強(qiáng)烈。細(xì)溝發(fā)育會(huì)顯著增大坡耕地侵蝕量，因此阻控細(xì)溝侵蝕是坡耕地水土保持的重要任務(wù)。細(xì)溝侵蝕是坡面徑流沖刷土壤的結(jié)果，是徑流剪切力和土壤侵蝕阻力的函數(shù)[27]。秸稈還田對(duì)細(xì)溝侵蝕的影響，同樣可分為直接作用和間接作用(圖2)。覆蓋地表的秸稈，直接保護(hù)地表，有效抑制土壤物理結(jié)皮發(fā)育，從而增加降水入滲，減小坡面徑流。驅(qū)動(dòng)細(xì)溝侵蝕的動(dòng)力—徑流剪切力，直接受徑流深度控制[28]。因而秸稈覆蓋抑制物理結(jié)皮發(fā)育，必然降低細(xì)溝侵蝕動(dòng)力，從而起到抑制細(xì)溝侵蝕的功能。通過(guò)旋耕或深翻混合于土壤中的秸稈，一方面可降低土壤容重，增加土壤大孔隙數(shù)量，顯著提升土壤導(dǎo)水性能[4]，促進(jìn)降水入滲，減小坡面徑流，降低坡面徑流剪切力，進(jìn)而抑制細(xì)溝侵蝕。另一方面，秸稈的力學(xué)性質(zhì)，特別是抗拉和抗剪強(qiáng)度與土壤明顯不同[29]?；旌嫌谕寥乐械慕斩?，可能呈多種方向。若與徑流流動(dòng)方向垂直，則可通過(guò)提升土壤—秸稈復(fù)合系統(tǒng)抗剪強(qiáng)度阻控細(xì)溝侵蝕；如與徑流流動(dòng)方向平行，則會(huì)通過(guò)強(qiáng)化土壤—秸稈復(fù)合系統(tǒng)抗拉性能阻控細(xì)溝侵蝕。經(jīng)旋耕或深翻進(jìn)入土壤的秸稈穿插其中，可形成某種空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，對(duì)土壤起到一定的加筋和錨固作用[30]，從而提升細(xì)溝侵蝕阻力(細(xì)溝土壤可蝕性和土壤臨界剪切力)[27]，抑制細(xì)溝侵蝕。隨著秸稈分解，秸稈覆蓋度和混合密度降低，秸稈還田阻控細(xì)溝侵蝕的作用也相應(yīng)減弱，作用機(jī)制可能與混合于表土中的枯落物對(duì)細(xì)溝侵蝕的影響類(lèi)似[31]。

秸稈還田阻控細(xì)溝侵蝕的間接作用，是秸稈分解改變土壤理化性質(zhì)及作物生長(zhǎng)的結(jié)果(圖2)。通過(guò)不同方式還田的秸稈，都會(huì)逐漸分解，分解速度主要受土壤水分、溫度、C∶N比、還田方式及秸稈類(lèi)型的影響[32]。秸稈由碳水化合物、少量粗蛋白質(zhì)和粗脂肪以及少量無(wú)機(jī)物和水組成。其中，碳水化合物主要包括纖維素、半纖維素、木質(zhì)素及可溶性糖類(lèi)，不同成分的分解速率差異顯著。在分解初期，發(fā)生分解的主要是較易分解的纖維素和半纖維素，分解速率較快。隨著分解時(shí)間的延長(zhǎng)，較難分解的木質(zhì)素占比增加，秸稈分解速率快速下降[32]。秸稈分解速率受土壤C∶N比的顯著影響，土壤微生物分解秸稈適宜的C∶N比為25∶1，但作物秸稈的C∶N比多介于60∶1～80∶1之間，因而適當(dāng)施用氮肥往往可顯著促進(jìn)秸稈分解，降低土壤容重，增加有機(jī)質(zhì)含量，促進(jìn)大團(tuán)聚體發(fā)育，提升團(tuán)聚體穩(wěn)定性[33]。土壤容重降低，加之土壤水分增加，會(huì)降低土壤粘結(jié)力或抗剪強(qiáng)度，從而降低土壤侵蝕阻力，可能會(huì)促進(jìn)細(xì)溝侵蝕。而有機(jī)質(zhì)含量增加驅(qū)動(dòng)的團(tuán)聚體發(fā)育及其穩(wěn)定性提升，則會(huì)增加土壤侵蝕阻力，起到抑制細(xì)溝侵蝕的作用[34]。秸稈分解驅(qū)動(dòng)的土壤養(yǎng)分增加，勢(shì)必會(huì)影響作物生長(zhǎng)[6]，特別是秸稈還田導(dǎo)致土壤耕層根系數(shù)量、長(zhǎng)度、體積和生物量的增加[4,24,35-36]，可直接影響細(xì)溝侵蝕。作物根系通過(guò)物理捆綁作用和化學(xué)吸附作用[37]，將土壤顆粒緊密地束縛在根系周?chē)ｋS著根系密度增大，土壤侵蝕阻力往往呈指數(shù)函數(shù)增大[38]。秸稈還田阻控細(xì)溝侵蝕的間接作用，具有明顯的滯后效應(yīng)。生長(zhǎng)季期間，隨著秸稈逐漸分解，該作用逐漸增強(qiáng)。與細(xì)溝間侵蝕類(lèi)似，秸稈還田阻控細(xì)溝侵蝕的直接作用和間接作用之間存在著多種交互影響，如秸稈還田促進(jìn)土壤入滲，勢(shì)必會(huì)增加土壤含水量，進(jìn)而促進(jìn)秸稈分解；而秸稈分解又會(huì)加快團(tuán)聚體形成、促進(jìn)作物生長(zhǎng)，反過(guò)來(lái)將影響降雨截留和土壤入滲，從而進(jìn)一步改變細(xì)溝侵蝕動(dòng)力。

圖2 秸稈還田阻控細(xì)溝侵蝕

3 淺溝和切溝侵蝕

淺溝侵蝕和切溝侵蝕也是東北黑土區(qū)廣泛分布的侵蝕類(lèi)型，特別是切溝發(fā)育，直接損毀耕地，增加地塊破碎度[9]，威脅國(guó)家糧食安全。因此，溝蝕是黑土區(qū)坡耕地水土保持重點(diǎn)關(guān)注的侵蝕類(lèi)型。無(wú)論淺溝侵蝕，還是切溝侵蝕，都是暴雨產(chǎn)生的間歇性股流沖刷土壤的結(jié)果，受降水特性、地形條件、土壤性質(zhì)、植被生長(zhǎng)及土地利用等多種因素的綜合影響。溝蝕受地表徑流沖刷和土壤抗蝕性能共同作用[39]。地表徑流沖刷可用徑流剪切力進(jìn)行定量表征，是徑流深度和坡度的函數(shù)。但在給定的地形條件下或在特定的坡位，坡度相對(duì)穩(wěn)定，徑流剪切力則取決于徑流深度。徑流深度與坡面產(chǎn)流機(jī)制密切相關(guān)。就超滲產(chǎn)流而言，地表產(chǎn)流直接受控于降雨強(qiáng)度和土壤入滲速率的相對(duì)大小，當(dāng)降雨強(qiáng)度大于土壤入滲速率時(shí)，即可產(chǎn)生地表徑流。隨著地表徑流從上坡向下坡流動(dòng)，集水區(qū)面積逐漸增大。當(dāng)徑流剪切力大于溝頭形成的土壤臨界剪切力時(shí)，溝頭形成，隨后通過(guò)溝頭溯源、溝底下切和溝岸擴(kuò)張等子過(guò)程逐漸發(fā)育[39]。因此，淺溝和切溝發(fā)育都必須滿足一定的地形臨界條件，隨著區(qū)域的不同而有所差異[40-41]。

秸稈還田對(duì)淺溝和切溝侵蝕的影響，也可從直接作用和間接作用2個(gè)方面進(jìn)行分析。覆蓋于地表的秸稈，能避免雨滴直接打擊地表，消減降雨動(dòng)能，抑制土壤物理結(jié)皮發(fā)育[42]，維持土壤入滲性能，減少地表徑流。與此同時(shí)，秸稈還可顯著增大地表隨機(jī)糙率[43]，增加徑流阻力，降低徑流流速和徑流剪切力。無(wú)論徑流量減小，還是徑流剪切力下降，都可直接減弱淺溝和切溝侵蝕動(dòng)力，降低淺溝和切溝發(fā)育風(fēng)險(xiǎn)。通過(guò)旋耕和深翻進(jìn)入土壤耕層的秸稈，一方面可增加土壤中大孔隙的數(shù)量[4]，促進(jìn)土壤入滲，減少地表徑流；另一方面可強(qiáng)化土壤抗蝕性能，增大土壤侵蝕阻力[12,31]，抑制淺溝和切溝發(fā)育。秸稈還田對(duì)淺溝和切溝侵蝕的間接作用，也與秸稈分解導(dǎo)致土壤理化性質(zhì)、肥力、團(tuán)聚體數(shù)量及其穩(wěn)定性，以及作物生長(zhǎng)特性變化密切相關(guān)，在細(xì)溝侵蝕部分已做詳細(xì)分析，不再贅述。由于淺溝和切溝的規(guī)模遠(yuǎn)大于細(xì)溝，秸稈還田阻控淺溝和切溝侵蝕的作用，可能主要體現(xiàn)在發(fā)育初期，即溝頭形成階段。當(dāng)淺溝和切溝的深度足夠大、超過(guò)秸稈還田深度后，秸稈還田對(duì)淺溝和切溝侵蝕的阻控作用顯著下降，但集水區(qū)內(nèi)的秸稈覆蓋，仍可起到降低徑流侵蝕動(dòng)力，減緩淺溝和切溝侵蝕發(fā)育速率的作用?？傮w而言，秸稈還田阻控淺溝和切溝侵蝕的作用，可能顯著小于細(xì)溝間和細(xì)溝侵蝕，但目前的研究甚少，難以開(kāi)展定量對(duì)比分析。

黑土區(qū)的溝蝕，尤其是切溝侵蝕受凍融作用的強(qiáng)烈影響[44-45]；而凍融作用的強(qiáng)弱主要受控于凍融循環(huán)次數(shù)、含水量及土壤類(lèi)型等因素[46-48]。秸稈還田改變土壤水熱條件[15,49]，必然引起凍融作用對(duì)切溝侵蝕的影響發(fā)生變化。例如，秸稈還田驅(qū)動(dòng)土壤含水量增加，可加劇凍融作用對(duì)切溝侵蝕的影響；而秸稈還田特別是秸稈覆蓋的保溫效應(yīng)，會(huì)減小近地表土壤溫度變幅，在一定程度上可降低凍融作用的潛在影響。凍融作用可破壞土壤結(jié)構(gòu)，降低土壤侵蝕阻力，但其影響集中在積雪消融期，影響程度隨著時(shí)間逐漸降低。對(duì)于坡耕地而言，耕作和播種等農(nóng)事活動(dòng)產(chǎn)生的強(qiáng)烈擾動(dòng)，可能會(huì)完全消除凍融作用對(duì)土壤侵蝕的潛在影響[9]。

4 秸稈還田的水土保持效應(yīng)

室內(nèi)人工模擬降雨試驗(yàn)是研究秸稈還田阻控土壤侵蝕機(jī)理的首選方法，在全球范圍內(nèi)廣泛應(yīng)用[50-51]。研究?jī)?nèi)容涉及土壤入滲、坡面產(chǎn)流與產(chǎn)沙過(guò)程、泥沙輸移特征及養(yǎng)分流失等多個(gè)方面[52-54]。但室內(nèi)人工模擬降雨試驗(yàn)的研究結(jié)果與降雨特性(如降雨強(qiáng)度、降雨量、降雨器類(lèi)型)、地形條件(如試驗(yàn)土槽長(zhǎng)度和坡度)、土壤性質(zhì)(如土壤類(lèi)型、容重、前期含水量)、秸稈還田時(shí)間(影響秸稈與土壤的接觸程度)等多種因素密切相關(guān)，未必能反映天然降雨或土壤的真實(shí)狀況。因此，下文僅對(duì)野外監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析和總結(jié)。

秸稈還田是保護(hù)性耕作的重要組成部分，也是一種極其重要的水土保持措施，在東北黑土區(qū)廣泛使用，但與土壤理化性質(zhì)[4,19,36]、土壤水分及其利用效率[35]、微生物[8]、有機(jī)質(zhì)[5,18,26]和作物產(chǎn)量[3,6,14]等對(duì)秸稈還田響應(yīng)的大量研究相比，關(guān)于秸稈還田水土保持效應(yīng)的野外監(jiān)測(cè)研究整體偏少。表1匯總了為數(shù)不多的黑土區(qū)秸稈還田水土保持效應(yīng)野外監(jiān)測(cè)結(jié)果。目前，此類(lèi)研究的土壤以黑土為主，暗棕壤和黑鈣土也有少量涉及。徑流小區(qū)長(zhǎng)度介于5～20 m之間，20 m居多；寬度介于2～5 m。坡度介于5°～10°之間，但部分研究未提供試驗(yàn)小區(qū)的坡度信息[55]。研究的秸稈還田方式包括立茬還田[56]、粉碎覆蓋還田[56-59]、旋耕還田[60]和深埋還田[55,59]以及覆蓋和深埋結(jié)合[59]等。秸稈還田量變化幅度較大，介于5～12 t·hm-2之間。研究中多將秸稈還田量描述為全量還田。然而，眾所周知，秸稈量隨氣候、地形、土壤、作物種類(lèi)、施肥水平及田間管理措施等因素的變化而變化。不同試驗(yàn)還田量的明顯差異，給分析秸稈還田水土保持效應(yīng)帶來(lái)了較大的困難。

表1 黑土區(qū)秸稈還田水土保持效應(yīng)相關(guān)研究的試驗(yàn)條件及減流減沙效益

秸稈還田具生態(tài)、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)等多種效益，但保持水土、阻控土壤侵蝕以及防止土壤退化是黑土區(qū)秸稈還田的首要目的，因而系統(tǒng)分析秸稈還田減流減沙效益，是評(píng)價(jià)秸稈還田水土保持效應(yīng)的基礎(chǔ)。大量研究顯示，各試驗(yàn)的減流效益介于28.0%～95.1%之間，平均值為57%。秸稈還田減流效益受還田方式的顯著影響，也受到秸稈類(lèi)型(如玉米之于大豆)和坡度的影響。在相同條件下，大豆秸稈減流效益大于玉米秸稈[56]，這和大豆秸稈較細(xì)、比表面積大、與土壤接觸面積大有關(guān)。隨著坡度增大，秸稈還田減流效益下降[55]，這是所有水土保持措施的普遍現(xiàn)象。此外，在幾乎所有研究中，秸稈還田都和其他耕作措施或水土保持措施相互結(jié)合，如深松[58,60]、橫坡壟作[55-57]、橫坡區(qū)田[58,60]和免耕[59]。盡管在生產(chǎn)上秸稈還田技術(shù)都會(huì)和其他農(nóng)藝措施、耕作措施、水土保持措施相互配合使用，從而最大限度地減少坡面徑流，降低坡面徑流侵蝕動(dòng)力，阻控土壤侵蝕。但從定量研究的角度出發(fā)，這種試驗(yàn)設(shè)計(jì)難以真正量化秸稈還田減流效益、確定其主控因素。因此，控制試驗(yàn)的開(kāi)展，對(duì)于準(zhǔn)確評(píng)估秸稈還田減流效益具有重要意義。

不同野外監(jiān)測(cè)試驗(yàn)的秸稈還田減沙效益介于40.3%～99.7%之間(表1)，平均值為74%。與減流效益相比，秸稈還田的減沙效益往往更為顯著，這是水土保持措施的共性，從而也間接證明了監(jiān)測(cè)結(jié)果的可靠性。秸稈還田的減沙效益受秸稈還田方式、作物類(lèi)型、地形條件以及監(jiān)測(cè)方法的影響，立茬還田的減沙效益明顯小于旋耕還田[56]。秸稈還田減沙效益與秸稈直徑密切相關(guān)，秸稈越細(xì)則與土壤接觸面積越大，越容易分解，更好地發(fā)揮秸稈改善土壤性質(zhì)的功能，提升土壤抗蝕性能，因此大豆秸稈還田的減沙效益明顯大于玉米秸稈[60]。隨著坡度增加，土壤侵蝕加劇，秸稈還田阻控侵蝕的功能下降。當(dāng)坡度增加到一定程度后，未分解秸稈抑制降水入滲的作用明顯增強(qiáng)，地表徑流增加，因此秸稈還田阻控侵蝕的功能隨之降低，甚至可能加劇侵蝕[61]。秸稈還田的減沙效益與監(jiān)測(cè)方法直接相關(guān)，如賀云鋒等[59]的研究是在人工模擬降雨條件下進(jìn)行的，而其他研究都是在天然降雨條件下開(kāi)展觀測(cè)，前者平均減沙效益為90.7%，而后者的均值僅為67.4%。從精準(zhǔn)評(píng)估秸稈還田減沙效益的角度出發(fā)，天然降雨條件下的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)結(jié)果可能更加可靠，但這種方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力。

5 未來(lái)研究展望

過(guò)去幾十年來(lái)，國(guó)內(nèi)學(xué)者在東北黑土區(qū)秸稈還田阻控土壤侵蝕機(jī)理與效應(yīng)方面開(kāi)展了大量研究[52,54-56]，取得了豐富的研究成果，為揭示秸稈還田阻控土壤侵蝕機(jī)理、評(píng)估秸稈還田水土保持效益、優(yōu)化秸稈還田技術(shù)等諸多方面，提供了強(qiáng)有力的理論與技術(shù)支撐。綜合分析已有研究成果，同時(shí)為進(jìn)一步明確秸稈還田阻控土壤侵蝕機(jī)理、量化秸稈還田防治水土流失效應(yīng)、抑制侵蝕驅(qū)動(dòng)的黑土地退化、提升退化黑土地生態(tài)生產(chǎn)功能，亟需加強(qiáng)以下幾個(gè)方面的研究。

5.1 合理分解侵蝕過(guò)程，深化秸稈還田阻控土壤侵蝕機(jī)理研究

黑土區(qū)發(fā)育有多種侵蝕類(lèi)型[9]，秸稈還田阻控不同侵蝕類(lèi)型的機(jī)理存在明顯差異。秸稈還田可有效阻控的土壤侵蝕類(lèi)型主要是細(xì)溝間侵蝕和細(xì)溝侵蝕，其作用可分為直接作用和間接作用2類(lèi)。就秸稈還田阻控細(xì)溝間侵蝕的直接作用而言，亟待加強(qiáng)秸稈還田增加地表糙率與徑流阻力、降低徑流流速和挾沙力的水動(dòng)力學(xué)機(jī)理研究。對(duì)于秸稈還田阻控細(xì)溝間侵蝕的間接作用，則需重點(diǎn)強(qiáng)化細(xì)溝間土壤可蝕性對(duì)秸稈還田導(dǎo)致土壤理化性質(zhì)變化的響應(yīng)機(jī)制研究；同時(shí)需要深化作物生長(zhǎng)特性，尤其是作物蓋度、葉面積指數(shù)、地上生物量等與消減降雨動(dòng)能密切相關(guān)的參數(shù)對(duì)秸稈還田的響應(yīng)研究。秸稈還田阻控細(xì)溝間侵蝕的直接作用和間接作用間存在著明顯的交互效應(yīng)，但它們究竟通過(guò)何種方式交互，交互作用的大小、動(dòng)態(tài)變化及主控因素等諸多方面尚不明確，需要開(kāi)展進(jìn)一步系統(tǒng)研究。

與細(xì)溝間侵蝕類(lèi)似，秸稈還田阻控細(xì)溝侵蝕也可分為直接作用和間接作用，盡管在枯落物覆蓋[12]、枯落物與表土混合[31]以及根系系統(tǒng)[37]等方面已取得了大量研究成果，但目前真正研究秸稈還田對(duì)細(xì)溝侵蝕影響的研究還為之甚少。無(wú)論秸稈的還田量，還是物質(zhì)組成、力學(xué)特性及分解過(guò)程等，都與枯落物和根系存在顯著差異，而這種差異勢(shì)必會(huì)影響秸稈還田阻控細(xì)溝侵蝕的效應(yīng)及其動(dòng)力機(jī)制。因此，需要重點(diǎn)研究秸稈還田影響細(xì)溝侵蝕動(dòng)力—徑流剪切力的水力學(xué)機(jī)理，土壤侵蝕阻力(細(xì)溝土壤可蝕性與土壤臨界剪切力)對(duì)秸稈還田的響應(yīng)與機(jī)制，以及秸稈還田阻控細(xì)溝侵蝕直接作用與間接作用的交互機(jī)理。與細(xì)溝間和細(xì)溝侵蝕相比，秸稈還田阻控淺溝和切溝侵蝕的功能可能較小。在相同地形條件下，秸稈還田可降低淺溝和切溝發(fā)育風(fēng)險(xiǎn)，其核心在于秸稈還田可降低地表徑流對(duì)土壤的沖刷。因此，研究重點(diǎn)仍是秸稈還田調(diào)節(jié)地表徑流剪切力的水力學(xué)機(jī)理。

5.2 完善監(jiān)測(cè)技術(shù)與方法，加強(qiáng)秸稈還田水土保持效應(yīng)監(jiān)測(cè)

秸稈還田具有顯著的水土保持效益[55-57]，但不同的研究結(jié)果存在明顯差異。目前，野外研究的土壤類(lèi)型以黑土為主，但黑土區(qū)分布有多種土壤類(lèi)型，以典型黑土、黑鈣土、白漿土、草甸土、暗棕壤和棕色森林土為主[62]，不同類(lèi)型土壤的理化性質(zhì)存在明顯差異，因而對(duì)秸稈還田的響應(yīng)可能也存在差異，進(jìn)而影響秸稈還田對(duì)土壤侵蝕的阻控作用。因此，亟需加強(qiáng)不同土壤類(lèi)型秸稈還田水土保持效應(yīng)的對(duì)比研究。

坡度是影響土壤侵蝕的主要因素，秸稈還田的水土保持效應(yīng)隨坡度增大逐漸降低。但目前研究的坡度范圍較小，且大量試驗(yàn)還結(jié)合了其他農(nóng)藝或水土保持措施，因此，進(jìn)一步分析坡度對(duì)秸稈還田水土保持效應(yīng)的影響，需要設(shè)置單因素控制試驗(yàn)，重點(diǎn)研究秸稈還田水土保持效應(yīng)隨坡度的變化規(guī)律。

秸稈還田水土保持效應(yīng)受還田方式的顯著影響[59]，但與坡度研究類(lèi)似，大部分研究并未完全按照控制試驗(yàn)進(jìn)行，試驗(yàn)處理中包括了諸如免耕、深松、壟作、區(qū)田等其他耕作或水土保持措施(表1)。盡管在生產(chǎn)實(shí)踐中為最大限度阻控水土流失、提高作物產(chǎn)量，會(huì)將多種耕作和農(nóng)藝措施與秸稈還田結(jié)合使用；但作為量化秸稈還田水土保持效應(yīng)的控制試驗(yàn)，應(yīng)嚴(yán)格按照控制試驗(yàn)的思路進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時(shí)需要統(tǒng)一對(duì)照處理，即無(wú)秸稈還田、采用傳統(tǒng)耕作措施、種植同種作物的坡耕地。唯有這樣，不同試驗(yàn)得出的水土保持效應(yīng)才具有可比性。

5.3 充分考慮區(qū)域特點(diǎn)，深化秸稈還田時(shí)間效應(yīng)與空間分異研究

覆蓋于地表或混合、深埋于土壤中的秸稈，在微生物作用下逐漸分解[63]，導(dǎo)致秸稈還田阻控侵蝕的功能逐漸發(fā)生變化。在季節(jié)尺度上，覆蓋地表的秸稈阻控侵蝕功能會(huì)緩慢下降，混合于土壤中的秸稈作用則逐漸增強(qiáng)。從長(zhǎng)時(shí)間尺度而言，秸稈還田對(duì)土壤理化性質(zhì)的改善是個(gè)緩慢累積的過(guò)程[4]。只有當(dāng)秸稈還田年限足夠長(zhǎng)之后，土壤性質(zhì)改變才會(huì)變得顯著?？梢?jiàn)，秸稈還田阻控土壤侵蝕的功能具有明顯的季節(jié)和多年變化特征，但其變化規(guī)律和動(dòng)力機(jī)制尚不清楚，亟需加強(qiáng)研究。

同時(shí)，秸稈分解速率受氣候特征、地形條件、土壤類(lèi)型、耕作方式、施肥水平、田間管理措施、土壤侵蝕類(lèi)型與強(qiáng)度以及秸稈類(lèi)型、還田方式、還田量等多種因素的綜合影響。在整個(gè)東北黑土區(qū)，這些因素都具有顯著的空間變異[62,64-65]，受開(kāi)墾歷史、耕作傳統(tǒng)、經(jīng)濟(jì)水平、機(jī)械化程度等因素的影響，即便秸稈全量還田，不同地區(qū)或同一地區(qū)不同作物的秸稈還田量也存在差異。因此，亟需加強(qiáng)秸稈還田阻控土壤侵蝕效應(yīng)空間分異特征及其主控因素的研究。

5.4 加強(qiáng)適宜性研究，促進(jìn)秸稈還田技術(shù)體系凝練

秸稈還田阻控土壤侵蝕的效應(yīng)與秸稈類(lèi)型、還田量以及還田方式[4,8,18,25,59]密切相關(guān)。無(wú)論秸稈覆蓋還田，還是秸稈旋耕、深翻或深還，秸稈還田消減降雨動(dòng)能、降低徑流剪切力、減小徑流挾沙力、改善土壤理化性質(zhì)以及提升細(xì)溝間土壤可蝕性和細(xì)溝土壤可蝕性的作用，都是秸稈類(lèi)型、還田量和還田方式的函數(shù)。但目前關(guān)于秸稈還田水土保持效應(yīng)的相關(guān)研究(表1)，尚未充分量化這些因素對(duì)其水土保持效應(yīng)的影響，不同秸稈類(lèi)型、還田量及還田方式阻控土壤侵蝕的動(dòng)力機(jī)制尚不明確。如上文所述，秸稈還田阻控土壤侵蝕的效應(yīng)具有顯著的空間變化特征。根據(jù)目前的研究成果，尚無(wú)法做到因地制宜，根據(jù)不同區(qū)域具體的氣候、地形和土壤等特點(diǎn)，確定適宜的秸稈還田量和還田方式，從而制約了秸稈還田水土保持效應(yīng)的充分發(fā)揮。因此，亟需開(kāi)展秸稈類(lèi)型、還田量及還田方式影響土壤侵蝕過(guò)程與機(jī)理、水土保持效益量化研究，建立秸稈類(lèi)型、還田量與還田方式和水土保持效應(yīng)之間的定量關(guān)系，從而優(yōu)化秸稈還田技術(shù)，更好地為阻控黑土地土壤侵蝕、防治黑土地退化、提升退化黑土地生態(tài)生產(chǎn)功能、維持土地生產(chǎn)力與糧食產(chǎn)能、保障黑土區(qū)生態(tài)和糧食安全提供理論和技術(shù)支撐。

6 結(jié)論

(1)秸稈還田阻控土壤侵蝕機(jī)理與土壤侵蝕類(lèi)型密切相關(guān)。對(duì)細(xì)溝間侵蝕和細(xì)溝侵蝕而言，秸稈還田阻控侵蝕的機(jī)制可從直接作用和間接作用兩方面分析，秸稈覆蓋地表可消減降雨動(dòng)能、抑制土壤物理結(jié)皮發(fā)育、促進(jìn)降水入滲、增加地表隨機(jī)糙率、降低地表徑流流速、減小坡面徑流挾沙力和剪切力，是秸稈還田阻控細(xì)溝間和細(xì)溝侵蝕的直接作用。

(2)秸稈分解驅(qū)動(dòng)的土壤理化性質(zhì)改善、土壤有機(jī)質(zhì)增加及由此導(dǎo)致的團(tuán)聚體發(fā)育及其穩(wěn)定性增強(qiáng)、秸稈養(yǎng)分釋放驅(qū)動(dòng)的作物生長(zhǎng)特性變化，可引起細(xì)溝間土壤可蝕性下降和細(xì)溝土壤侵蝕阻力(細(xì)溝土壤可蝕性和土壤臨界剪切力)增大，是秸稈還田阻控細(xì)溝間和細(xì)溝侵蝕的間接作用。

(3)秸稈還田對(duì)淺溝和切溝侵蝕的影響可能顯著小于細(xì)溝間和細(xì)溝侵蝕，但秸稈還田可增加集水區(qū)地表隨機(jī)糙率、減弱坡面徑流剪切力，從而降低淺溝和切溝侵蝕發(fā)育風(fēng)險(xiǎn)。

(4)秸稈還田具有顯著的水土保持效應(yīng)，減流和減沙效益分別為28.0%～95.1%和40.3%～99.7%，與秸稈類(lèi)型、還田方式與還田量以及坡度等因素密切相關(guān)。受不同試驗(yàn)條件差異的影響，研究結(jié)果的可比性較差。

(5)未來(lái)亟需加強(qiáng)秸稈還田增加地表糙率與徑流阻力、降低徑流流速和挾沙力等水動(dòng)力學(xué)機(jī)理、細(xì)溝間土壤可蝕性和細(xì)溝侵蝕阻力對(duì)秸稈還田導(dǎo)致土壤理化性質(zhì)變化的響應(yīng)與機(jī)制、秸稈還田阻控侵蝕直接作用與間接作用相對(duì)強(qiáng)弱及其時(shí)間變化、土壤類(lèi)型與坡度對(duì)秸稈還田水土保持效應(yīng)的影響與機(jī)制、秸稈還田阻控侵蝕的長(zhǎng)期效應(yīng)與空間分異特征及其主控因素，以及秸稈還田技術(shù)影響土壤侵蝕過(guò)程與機(jī)理等方面的研究，為黑土地保護(hù)和可持續(xù)利用、保障國(guó)家糧食安全提供理論和技術(shù)服務(wù)。