張 凱，宰松梅，仵 峰，白美健

（1.中國水利水電科學(xué)研究院流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點實驗室，北京 100038；2.水利部數(shù)字孿生流域重點實驗室，北京 100038；3.華北水利水電大學(xué)水利學(xué)院，鄭州 450046）

華北地區(qū)是我國小麥玉米糧食主產(chǎn)區(qū)，該區(qū)域水資源占有量不足全國總量6%，受季風氣候影響，季節(jié)性干旱頻發(fā)，嚴重影響該地區(qū)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展[1]。華北地區(qū)通常采用冬小麥-夏玉米輪作制度，單位播種面積秸稈產(chǎn)量高達20 t·hm-2，秸稈資源豐富[2-3]。秸稈含有大量纖維素和氮、磷、鉀及多種微量營養(yǎng)元素，將其還田可改善土壤理化性質(zhì)、減少就地焚燒造成的環(huán)境污染，增加土壤儲水量、顯著提高水分利用效率，是華北地區(qū)減少地表徑流、防治土壤侵蝕、增加土壤儲水量和提高作物產(chǎn)量重要途徑[4-5]。近年來，華北地區(qū)農(nóng)民秸稈還田意識不斷增強，秸稈還田率逐步提高。

秸稈還田對土壤水分運動的影響較復(fù)雜[6-8]。研究表明，不同秸稈種類對土壤含水量影響主要與其碳氮比有關(guān)，碳氮比較低顯著改善土壤結(jié)構(gòu)，提高土壤含水量。一定范圍內(nèi)，增加秸稈還田數(shù)量可增加土壤有機質(zhì)含量，增強土壤保水供水能力，過量還田導(dǎo)致土壤中形成較多大孔隙，提高土壤導(dǎo)水率和土壤水分入滲能力[9-10]。針對秸稈粉碎還田土壤失墑等問題，相關(guān)學(xué)者提出通過改變秸稈粉碎程度和性質(zhì)提升還田質(zhì)量，合適的秸稈顆?；?qū)⒔斩挵被幚砗罂娠@著提高堆積密度，增加土秸混合度，有效減少土壤大孔隙數(shù)量，利于土壤水分傳輸，增強儲水量[11]。綜上，不同秸稈種類、數(shù)量及還田處理方式均對土壤水分運動產(chǎn)生影響。秸稈還田質(zhì)量與還田時土壤含水率有關(guān)，不同含水量下秸稈還田效果尚不清楚，深入探究還田時機及還田量對土壤水分入滲性能影響及其規(guī)律對優(yōu)化還田技術(shù)具有重要意義。

本文基于室內(nèi)土柱模擬試驗，研究不同初始含水率、秸稈種類及秸稈摻加量條件下土壤入滲性能，旨在確定秸稈摻加量和初始含水率對土壤入滲特征變化規(guī)律，探究秸稈摻加量和土壤初始含水率對土壤水分再分布的影響，以期為優(yōu)化秸稈還田技術(shù)、開展相關(guān)數(shù)值模擬研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試土樣取自河南省節(jié)水農(nóng)業(yè)重點實驗室農(nóng)水試驗場小麥-玉米輪作種植區(qū)表層（0～30 cm），土壤為粉砂壤土，平均容重為1.40 g·cm-3。供試土樣經(jīng)自然風干、除雜、碾壓、過2 mm篩后備用。采用激光粒度分析儀（Easizer30，珠海歐美克）作土壤粒徑分析，其中粒徑＜0.001 mm占15.56%，粒徑＜0.01 mm占58.89%，粒徑＜0.05 mm占99.79%。試驗所用小麥、玉米秸稈為上一季收獲后所留秸稈，經(jīng)晾曬風干，試驗前用稻麥脫粒機打碎，參考當?shù)亟斩掃€田農(nóng)業(yè)生產(chǎn)習慣，小麥秸稈碎1次，玉米秸稈碎3次，去除長度＞5 cm秸稈，與過篩土樣拌勻后備用。

入滲實驗裝置包括有機玻璃土柱、入滲儀和鐵架3部分。土柱采用有機玻璃材料制作，內(nèi)徑29 cm，高度100 cm。在土柱側(cè)面對稱開4列取樣口，用于取樣分析。取樣口呈圓形，沿直徑兩端垂向?qū)ΨQ開2列取樣口，最上方取樣口距離上沿10 cm，上下取樣口間隔10 cm；再沿垂直以上2列取樣口方向的側(cè)面同樣開2列取樣口，最上方取樣口距離上沿15 cm，保證取樣深度間隔5 cm。土柱底部設(shè)有排水孔。利用土壤入滲儀（Gvelph,美國Secsoilmolsture）供水，其內(nèi)外管橫截面積分別為2.15和35.22 cm2，高為80 cm。

1.2 試驗設(shè)計及過程

入滲試驗處理見表1，A為秸稈種類，分別為小麥和玉米秸稈，B為不同摻加量（參考當?shù)剡€田量）[12]，摻加量按秸稈量占干土質(zhì)量百分比計算分別為0（對照）、1.00%、1.60%、2.25%和3.20%，C為土壤初始含水率，分別為0 FC、50% FC、70%FC。每個處理設(shè)3個重復(fù)，下同。

表1 試驗處理Table 1 Experimental treatment

威爾科克斯法測定土壤田間持水量（FC）為22.7%。分別按初始含水率30% FC、50% FC、70%FC調(diào)制土樣。將土樣混勻后任取3～5點測定土壤含水率，取平均值；按照預(yù)設(shè)含水率計算需加入的水量，灑入土樣并攪拌均勻；塑料布蓋嚴，靜置1～2 d后再次攪拌，取3～5點測定土壤含水率，直至調(diào)制成試驗土樣，備用。

按照試驗處理將制備好土樣裝入土柱，裝土時按10 cm厚度分層稱量、裝土、壓實、打毛，保證層間結(jié)合良好。裝填后土柱高70 cm。利用土壤入滲儀供水，水頭恒為2 cm。通過預(yù)試驗，實測各組合下入滲歷時50 min左右可達到穩(wěn)定入滲狀態(tài)（連續(xù)3～5個入滲儀讀數(shù)差一致，認為土柱入滲過程穩(wěn)定），故試驗時間設(shè)定為60 min。試驗開始后，分別在1、2、3、5、7、10、12、15 min記錄濕潤鋒位置和入滲儀讀數(shù)，15 min后，每隔5 min記錄1次數(shù)據(jù)。結(jié)束后，立即用倒虹吸吸走表層積水，從土柱一側(cè)取樣口取出土樣測定含水率。取樣位置垂直于土柱壁10 cm，從土表沿土柱底部每隔5cm設(shè)置1個取樣點，將所取土樣置105℃烘箱中烘干6～8 h，至質(zhì)量恒定后計算含水率。一次取樣完畢后，膠塞封住取樣口，靜置24 h，再從土柱另一側(cè)取樣測定含水率，方法同上。

2 結(jié)果與分析

2.1 初始含水率和秸稈摻加量對入滲能力的影響

土壤入滲過程在達到穩(wěn)定之后可用穩(wěn)定入滲速率表征其入滲能力，在達到穩(wěn)定入滲前，常用累計入滲量表征其入滲能力[13]。試驗結(jié)果表明，各處理入滲速率在60 min時達到穩(wěn)定，故以60 min累計入滲量衡量前期土壤入滲能力，70%FC各處理土壤累計入滲曲線如圖1所示。由圖1可知，70% FC條件下60 min各處理累計入滲量依次為CK＞B1＞B2＞B3＞B4。由此可知，當土壤摻加秸稈后，土壤累計入滲量顯著降低，隨摻加秸稈量增加，土壤累計入滲量逐漸降低。因秸稈阻斷土壤中水分流通的孔隙，導(dǎo)致入滲能力下降。當摻加秸稈量相同時，摻加玉米秸稈的土壤累計入滲量高于摻加小麥秸稈，可能與秸稈粉碎后土秸混合度有關(guān)[14]，玉米秸稈粉碎還田后，土壤大孔隙數(shù)量較小麥秸稈大，導(dǎo)致?lián)郊佑衩捉斩捄?，水分入滲率高于小麥秸稈，即小麥秸稈的土秸混合度較好。由圖1還可知，對照處理在入滲初始時（0～5 min）入滲速率顯著高于其他處理，表明摻加秸稈后土壤阻滲能力顯著增加。

圖1 70%FC條件下混摻秸稈后累計入滲量隨時間變化Fig.1 Changes in cumulative infiltration over time at 70%FC after mixing with straw

為進一步分析不同時刻各處理入滲率變化規(guī)律，表2為各處理土壤入滲率及累計入滲量值。由表2可知，不同時段下對照組入滲率均大于摻加秸稈處理，不同時段下入滲率與摻加量、初始含水率均呈負相關(guān)關(guān)系，當摻加量達2.25%以上時，入滲率降幅變小。說明摻加秸稈造成土壤中毛管孔隙斷頭或萎縮，使土壤更加致密，發(fā)揮阻滲作用。隨摻加量增加，阻滲作用逐漸增大；初始含水率對0～5 min時段入滲率影響較大，初始含水率越大，該時段入滲率越小。對比不同處理1 h累計入滲量，當初始含水率相同時，隨秸稈摻加量增大，累計入滲量逐漸減小，因為在土壤容重一定時，隨秸稈摻加量增加，土壤大孔隙向細小孔隙發(fā)育、毛細作用增強，使得土壤持水能力增加，水分不易下滲。70%FC處理下玉米秸稈摻加量為3.20%時，較2.25%摻加量下45～60 min入滲率出現(xiàn)反彈，兩者累計入滲量相差小?？赡芘c土壤中玉米摻秸稈改變土壤結(jié)構(gòu)有關(guān)，說明在一定范圍內(nèi)，土壤持水能力隨作物秸稈摻入量增加而增加，秸稈摻入量存在極值，不同作物秸稈，其摻入量極值也不同[15]。根據(jù)試驗結(jié)果，玉米秸稈摻加量極值在2.25%～3.20%，小麥秸稈摻加量極值則＞3.20%。

表2 不同處理下土壤入滲率、累計入滲量Table 2 Soil infiltration rates and cumulative infiltration for the different treatments

為分析不同初始含水率和秸稈摻加量對土壤入滲能力的影響，對不同時刻入滲率、入滲量進行顯著性分析。表3為初始含水率、秸稈摻加量及其交互作用方差分析結(jié)果。由表3可得出，對于入滲0～5 min時段入滲率，無論摻加小麥秸稈還是玉米秸稈，土壤初始含水率、秸稈摻加量均對其有顯著影響（P＜0.05），二者間交互作用不顯著（P＞0.05）。對于入滲45～60 min時段入滲率，摻加小麥秸稈后，土壤初始含水率、秸稈摻加量對其入滲率均有顯著影響（P＜0.05）；摻加玉米秸稈后，秸稈摻加量對其入滲率有顯著影響（P＜0.05），土壤初始含水率對其入滲率影響不顯著（P＞0.05），二者間交互作用也不顯著（P＞0.05）。摻加小麥秸稈對土壤累計入滲量影響規(guī)律與入滲率一致；摻加玉米秸稈對土壤累計入滲量影響與入滲45～60 min時段入滲率規(guī)律一致。

表3 顯著性分析Table 3 Analysis of significance

2.2 初始含水率和秸稈摻加量對入滲濕潤鋒的影響

為分析不同初始含水率和秸稈摻加量對土壤入滲濕潤鋒的影響，表4列出各處理濕潤鋒推進距離。分析表4中各組合濕潤鋒推進距離發(fā)現(xiàn)，初始含水率越高，濕潤鋒推進距離越大。當秸稈摻加量一定時，隨初始含水率增加，濕潤鋒推進距離增大。因為在容重一定情況下，當秸稈摻加量相同時，濕潤鋒每遷移1 cm所需水量一定，當初始含水率增加，濕潤鋒推進距離也隨之增加。當初始含水率一定時，隨秸稈摻加量增加，濕潤鋒推進距離有減小趨勢。原因是隨摻加量增加，累計入滲量減小，濕潤鋒推進距離減小；隨摻加量增加土壤內(nèi)比表面積增大，儲水能力增強，濕潤鋒推進距離減小。摻加玉米秸稈后，摻加量2.25%和3.20%處理濕潤鋒推進距離相近。原因是濕潤鋒是累計入滲量和土壤持水能力共同作用的結(jié)果，摻加量3.20%與2.25%相比，其累計入滲量雖有所增加，但持水能力減弱，二者共同作用下，濕潤鋒相差小。

表4 不同處理1 h末濕潤鋒推進距離Table 4 Distance advanced by the wetting front at the end of 1 h for different treatments(cm)

70%FC各處理濕潤鋒隨入滲時間變化曲線見圖2。對照組濕潤鋒推進距離均大于摻加秸稈處理，原因是土壤中摻加作物秸稈，改變土壤質(zhì)地均勻性和土壤結(jié)構(gòu)[16]，土壤水勢在交界面發(fā)生變化，同時土壤中作物秸稈也切斷土壤毛管，改變土體通透性和導(dǎo)水能力連續(xù)性，建立一種不連續(xù)水分運移道路，影響土壤水分入滲過程[17-19]。

圖2 70%FC條件下混摻秸稈后濕潤鋒隨時間的變化Fig.2 Changes in wetting front over time at 70%FC after mixing with straw

2.3 初始含水率和秸稈摻加量對土壤水再分布的影響

入滲試驗結(jié)束，立即取土測定土壤含水率，完畢后用膠塞封住取土孔，24 h后再取另一側(cè)土樣測定土壤含水率。以摻加玉米秸稈為例，A2B1C1處理土壤水再分布情況見圖3。摻加秸稈后，入滲結(jié)束時與入滲停止24 h時土壤水分再分布曲線存在交點，交點以上土壤水分在重力和水勢梯度作用下繼續(xù)向下運移，形成釋水區(qū)；釋水區(qū)以下到濕潤鋒之間土層處于吸濕狀態(tài)，形成吸水區(qū)，此交點位置說明土壤水分再分布變化規(guī)律。

圖3 A2B1C1處理土壤水分再分布Fig.3 Soil moisture redistribution in the A2B1C1 treatment

為研究不同處理初始含水率和秸稈摻加量對土壤水再分布的影響，各處理下吸釋水交點橫縱坐標值見表5。當初始含水率不變，隨摻加量增加，吸釋水交點上升（交點距入滲表面距離變淺），當摻加量達2.25%以上時，吸釋水交點上升趨勢變緩，與摻加量增加影響土壤入滲能力的原因一致。當秸稈摻加量不變，摻加玉米秸稈后，隨初始含水率增加，吸釋水交點下移（交點距入滲表面距離變深）；摻加小麥秸稈時，隨初始含水率增加，吸釋水交點深度變化不大。當初始含水率不變，隨摻加量增加吸釋水交點右移（交點處的含水率變大）；當初始含水率達到70%FC時，隨秸稈摻加量增加，吸釋水交點右移趨勢變緩，說明隨初始含水率增加，土壤保水性能被削弱。當秸稈摻加量不變，摻加玉米秸稈后，隨初始含水率增加，吸釋水交點右移（交點處含水率變大）；摻加小麥秸稈后，釋水區(qū)和吸水區(qū)交點隨初始含水率的變化不明顯。

表5 不同處理下土壤水再分布交點Table 5 Soil water redistribution intersections for different treatments

上述分析可知，秸稈摻加量和初始含水率對土壤水分再分布交點的深度、含水率均有不同程度的影響，利用兩因素裂區(qū)試驗進行顯著性分析，結(jié)果見表6。查F表可得出，無論秸稈摻量、初始含水率是否為主要影響因素，均得到以下結(jié)論：秸稈摻加量對交點深度影響顯著（P＜0.05），對交點含水率影響不顯著（P＞0.05）；初始含水率對交點處含水率影響顯著（P＜0.05），對交點深度影響不顯著（P＞0.05）；二者交互作用不顯著（P＞0.05）。

表6 秸稈摻加量和初始含水率裂區(qū)試驗結(jié)果方差分析Table 6 Variance analysis of the results of the split zone test of the straw mixed amount and initial moisture content

3 討論與結(jié)論

3.1 初始含水率和秸稈摻加量對入滲能力的影響

田間試驗結(jié)果表明，在初始含水率相同條件下，隨秸稈摻加量增大，累計入滲量減小，原因是秸稈與土壤充分混合后直接開展試驗，缺少秸稈分解過程，增加土壤中粘粒質(zhì)量分數(shù)，提高粘粒與土壤顆粒團聚作用[20]，土壤團聚體穩(wěn)定有助于提升土壤導(dǎo)水率，改善土壤深層滲水性能，增加土壤含水量，提高用水效率。土壤水分飽和后，秸稈膨脹占據(jù)土壤大孔隙，導(dǎo)致土壤保水性提高、持水力增強，與Lou等研究結(jié)果一致[21]。鄭欣榮等通過對比0.5%、1.0%、1.5%和2.0%還田量累計入滲量情況，發(fā)現(xiàn)增加秸稈還田量使土壤保水能力提高[22]，隨還田量增大，土壤間隙增大、入滲能力增強、保水能力下降，因此秸稈摻入量存在極值，根據(jù)本文試驗結(jié)果，玉米秸稈摻加量的極值在2.25%～3.20%，小麥秸稈摻加量極值大于3.20%。

3.2 初始含水率和秸稈摻加量對入滲濕潤鋒的影響

土壤入滲速率在數(shù)值上等于入滲水流在地表處水分通量，取決于入滲鋒面處土壤水力特性。田間條件下，土壤含水量主要通過濕潤區(qū)內(nèi)平均土壤水勢梯度對土壤入滲率產(chǎn)生影響。隨入滲時間增加，水勢梯度減小，入滲率降低。本研究中，小麥或玉米在秸稈摻加量一定時，隨土壤初始含水率增加，與下土層含水率差別增大，水勢梯度增大，濕潤鋒推進距離增加。而在土壤初始含水率一定時，隨秸稈摻加量增加，上下土層間水勢梯度減少，濕潤鋒推進距離有減小趨勢。在秸稈摻加量相同條件下，土壤初始含水量越高，入滲過程中濕潤鋒前段水力學(xué)梯度越小，入滲速率越低，導(dǎo)致累計入滲量減小，與Liu等研究結(jié)果一致[23]。

3.3 初始含水率和秸稈摻加量對土壤水再分布的影響

土壤水分再分布是自然界水循環(huán)的一個重要環(huán)節(jié)，借助釋水區(qū)與吸水區(qū)交點，通過裂區(qū)試驗分析法分別對秸稈摻加量、初始含水率以及兩者交互進行顯著性分析，結(jié)果表明秸稈摻加量對土壤水再分布交點的深度影響顯著，對交點含水率影響不明顯，與王小慧研究結(jié)果一致[24]。通過顯著性分析得到土壤初始含水率和秸稈摻加量交互作用不顯著。

本研究在室內(nèi)土柱進行，尚未考慮自然環(huán)境、測滲以及秸稈還田層與土壤層水分交互作用等因素影響，存在一定局限性，未來需進一步開展大田試驗驗證。此外，因秸稈還田效果與其粉碎程度、還田深度、還田量密切相關(guān)，仍需相應(yīng)田間配套措施以及有效耕作管理相互配合。

4 結(jié) 論

通過室內(nèi)土柱模擬試驗，觀測不同秸稈種類、秸稈摻加量和初始含水率條件下的土壤入滲過程，分析秸稈摻加量和初始含水率對土壤入滲性能的影響，秸稈還田可提高土壤保水能力，保水能力隨秸稈還田量增加而提高。秸稈還田量存在極值，玉米秸稈摻加量的極值在2.25%～3.20%之間，小麥秸稈摻加量極值大于3.20%。