鄭欣榮，王利書(shū)，齊 鳴，劉婧然，程?hào)|娟

(河北工程大學(xué)，河北 邯鄲 056021)

秸稈還田對(duì)土壤的培肥效果、理化性質(zhì)、有機(jī)質(zhì)含量、養(yǎng)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(guó)的普遍推廣，秸稈還田的施用方式備受關(guān)注，已有學(xué)者研究了不同土質(zhì)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(jié)合的不多。本試驗(yàn)就不同秸稈還田量下對(duì)灌水量水分運(yùn)移分布特性進(jìn)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(yùn)移的規(guī)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(dǎo)田間灌溉，達(dá)到高效節(jié)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(duì)水分運(yùn)移分布特性的影響，在室內(nèi)進(jìn)行一維垂直均勻土柱入滲試驗(yàn)。

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用土為壤土，取自河北工程大學(xué)試驗(yàn)場(chǎng)(北緯36°20′，東經(jīng)114°03′)，試驗(yàn)時(shí)將土樣風(fēng)干、粉碎、過(guò)2 mm篩，按照預(yù)設(shè)的土壤初始質(zhì)量含水率6.5%進(jìn)行配土，依據(jù)設(shè)計(jì)土壤容重1.4 g/cm3分層裝入土柱，每層2 cm，層間壓實(shí)拋毛。玉米秸稈取自寧晉農(nóng)技站(北緯37°37′，東經(jīng)114°53′)，秸稈干燥放置，無(wú)腐蝕因素。試驗(yàn)前將秸稈粉碎成5 mm長(zhǎng)的小段，在土表至10 cm之間按照不同還田量配比均勻?qū)邮?/p>

1.2 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)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(biāo)有刻度，用于記錄入滲水量。土柱由透明有機(jī)玻璃筒制成，高30 cm，內(nèi)徑5 cm，厚2 mm，土柱兩側(cè)從7 cm處開(kāi)始每隔2 cm對(duì)稱(chēng)開(kāi)孔。試驗(yàn)裝置如圖1所示。

圖1 室內(nèi)一維垂直入滲實(shí)驗(yàn)裝置

1.3 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)共設(shè)兩個(gè)因素，分別為灌水量和秸稈還田量。灌水量設(shè)1V和1.5V兩個(gè)水平，秸稈還田量設(shè)0%、0.5%、1%、1.5%、2%共5個(gè)水平，試驗(yàn)采取灌水量為1V、秸稈還田量0%作為對(duì)照處理。在室內(nèi)進(jìn)行一維垂直均勻土柱入滲的水分運(yùn)移模擬試驗(yàn)。秸稈施用深度為0～10 cm。試驗(yàn)過(guò)程中，采用馬氏瓶保持全試驗(yàn)水頭恒定，依據(jù)由密到疏的原則(1、3、5、7、10、15、20、30、45、60、90、120 min)觀測(cè)并記錄馬氏瓶液面下降刻度，描繪濕潤(rùn)鋒。試驗(yàn)以對(duì)照處理濕潤(rùn)鋒運(yùn)移到15 cm處所入滲的水量作為1V灌水量。當(dāng)濕潤(rùn)鋒運(yùn)移到秸稈層底部(10 cm處)時(shí)進(jìn)行第一次取土，當(dāng)濕潤(rùn)鋒運(yùn)移到第一層不施秸稈層底部(12 cm處)進(jìn)行第二次取土，當(dāng)土壤入滲水量達(dá)到其設(shè)計(jì)水量時(shí)，立即關(guān)掉馬氏瓶出水口和進(jìn)氣口閥門(mén)，停止試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)束后，將土柱上層剩余液吸走，將土柱平放，避免繼續(xù)入滲，取每層土樣。將3次所取土樣用烘干法測(cè)其含水率。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同秸稈還田量下灌水量對(duì)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(shí)間的變化趨勢(shì)圖。在各處理中，隨著時(shí)間的增加，累積入滲量也逐漸增加，并且在入滲初期增長(zhǎng)較快，隨著入滲的進(jìn)行，累積入滲量的增長(zhǎng)幅度逐漸變緩。入滲結(jié)束時(shí)，還田量0%、0.5%、1%、1.5%和2%入滲至1.5V灌水量時(shí)所消耗時(shí)間分別為261、274、295、352和385 min，即入滲同等水量所用時(shí)間隨秸稈還田量的增大而增大，可能是因?yàn)榻斩掃€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(dòng)態(tài)變化

圖3是不同秸稈還田量入滲達(dá)到秸稈還田層與非還田層分界線(xiàn)時(shí)累積入滲量趨勢(shì)圖。入滲達(dá)到秸稈還田層與非秸稈還田層分界處時(shí)，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(shì)。隨著入滲的進(jìn)行，秸稈不還田處理率先達(dá)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(dá)秸稈還田層與非還田層分界處的耗時(shí)差值較小，隨著秸稈還田量的增加，不同處理到達(dá)分界處時(shí)耗時(shí)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(xiàn)

采用Kostiakov模型(I=kta)對(duì)累積入滲量和時(shí)間進(jìn)行冪函數(shù)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?jī)梢蛩叵聰M合效果均較好。灌水量相同時(shí)，入滲系數(shù)隨著秸稈還田量的增加而減小，入滲指數(shù)隨著秸稈還田量的增大而增大；秸稈還田量相同時(shí)，入滲系數(shù)隨著灌水量的增加而減小，入滲指數(shù)隨著灌水量的增大而增大，這與前人研究所得結(jié)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(shí)間，t；k為入滲系數(shù)；a為入滲指數(shù)。

利用SPSS對(duì)最終入滲時(shí)間進(jìn)行雙因素?zé)o重復(fù)方差分析。分析結(jié)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(duì)入滲時(shí)間均有顯著影響。

表2 灌水量和秸稈還田量下最終入滲時(shí)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(duì)濕潤(rùn)鋒的影響

圖4為不同秸稈還田處理下濕潤(rùn)鋒隨時(shí)間變化趨勢(shì)圖。在各處理中，隨著時(shí)間的推進(jìn)，濕潤(rùn)鋒運(yùn)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(rùn)鋒運(yùn)移距離隨之減少。不同秸稈還田處理下，濕潤(rùn)鋒到達(dá)至秸稈還田層與非還田層交界處時(shí)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(shí)5、17、28、60 min。

圖4 灌水量與秸稈還田量對(duì)濕潤(rùn)鋒運(yùn)移的影響

分析圖2和圖4，在灌水量和秸稈還田量?jī)烧咭蛩刈饔孟?，累積入滲量和濕潤(rùn)鋒呈現(xiàn)出相同的規(guī)律。對(duì)濕潤(rùn)鋒和累積入滲量進(jìn)行線(xiàn)性擬合，用y=kx表示。其擬合結(jié)果如表3所示。

表3 灌水量下不同秸稈還田量對(duì)濕潤(rùn)鋒和累積入滲量擬合情況

利用SPSS對(duì)最終濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離進(jìn)行雙因素?zé)o重復(fù)方差分析。分析結(jié)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(duì)最終濕潤(rùn)鋒運(yùn)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(rùn)鋒運(yùn)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(dá)10 cm處耗時(shí)較長(zhǎng)，耗水較多。這可能是秸稈施入使土壤孔隙結(jié)構(gòu)受到了不同程度的改變，秸稈的存在使土壤孔隙的連續(xù)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(duì)水分的吸持能力越強(qiáng)，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(shí)釋放的水量也隨之降低，所以表現(xiàn)為隨著秸稈占比的增加，在秸稈還田層內(nèi)，同一時(shí)間內(nèi)的下滲量降低，歷經(jīng)秸稈層的時(shí)間也較長(zhǎng)。

試驗(yàn)中增大灌水量后，濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離有不同程度的增加，這是因?yàn)樵龃蠊嗨亢?，入滲過(guò)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(dǎo)水率能力增大，促進(jìn)了水分向下移動(dòng)，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(duì)土壤水分運(yùn)移分布影響

圖5為一維垂直入滲過(guò)程中土壤質(zhì)量含水率剖面動(dòng)態(tài)分布圖。由圖5(c)和圖5(e)可以看出，土壤質(zhì)量含水率剖面分為2個(gè)區(qū)：過(guò)渡區(qū)和傳導(dǎo)區(qū)。具體表現(xiàn)為0～3 cm深度為過(guò)渡區(qū)，土壤質(zhì)量含水率有明顯的降落，表層土質(zhì)量含水率高達(dá)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(dá)到超飽和狀態(tài)；隨著濕潤(rùn)鋒向下推移，含水率分布曲線(xiàn)由陡逐漸變緩，3～19 cm深度為傳導(dǎo)區(qū)，該區(qū)土壤質(zhì)量含水率基本穩(wěn)定在30%范圍內(nèi)；在19 cm深度以下，含水率剖面有向濕潤(rùn)區(qū)逼近的趨勢(shì)。

在秸稈還田層和非秸稈還田層中，土壤含水率呈現(xiàn)兩種變化規(guī)律。在深度為 0～10 cm時(shí)，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(xù)性變差，但土壤比表面積增加，對(duì)水分的吸持力增強(qiáng)，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(shí)，土壤質(zhì)量含水率的變化規(guī)律與之恰好相反，這可能是因?yàn)榻斩掃€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(dòng)，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(zhì)量含水率剖面動(dòng)態(tài)分布圖

隨著入滲進(jìn)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(xiàn)不同，主要體現(xiàn)在秸稈含量較高的處理，土層含水率較高，但隨著時(shí)間的推進(jìn)，表層的含水率變化差異趨于穩(wěn)定。

3 結(jié) 語(yǔ)

(1)在水分垂直入滲過(guò)程中，秸稈起到了阻滲的作用。試驗(yàn)結(jié)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(rùn)鋒運(yùn)移均符合Kostiakov入滲模型。秸稈還田量對(duì)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(rùn)鋒的運(yùn)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(zhǎng)了水分在秸稈層停留時(shí)間，提高了土壤的淺層含水率。所以在實(shí)際生產(chǎn)中，應(yīng)當(dāng)合理利用秸稈的保水性及阻水性，將秸稈還田層布設(shè)在合理的范圍內(nèi)來(lái)減少深層滲漏，提高水分利用效率。

(2)灌水量在入滲過(guò)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(rùn)鋒運(yùn)移也逐漸增大。在同一秸稈還田量標(biāo)準(zhǔn)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(shí)，大部分水分被滯留在秸稈層，下層土壤得不到及時(shí)的水量補(bǔ)充。在田間作業(yè)時(shí)，因每個(gè)生育時(shí)期下小麥根系長(zhǎng)度不一，故應(yīng)根據(jù)秸稈施用情況來(lái)適當(dāng)調(diào)整灌水量，以滿(mǎn)足作物的生育需求，達(dá)到節(jié)水增產(chǎn)的效果。