北方土石山区小麦与玉米秸秆还田年限对棕壤细沟侵蚀阻力的影响

Effects of the Duration of Wheat and Maize Straw Returning on Rill Erosion Resistance in Brown Soil in the Earth-rocky Mountainous Area of Northern China

摘要

目的 研究不同秸秆还田年限对细沟侵蚀阻力的影响，可为秸秆还田坡地细沟侵蚀过程模拟与防治提供科学依据。 方法 以秸秆还田0 a（CK）、3～4 a（R1）、5～6 a（R2）、7～8 a（R3）、9～10 a（R4）、15 a（R5）和20 a（R6）为研究对象，通过土样采集与分析，利用偏最小二乘回归分析，明确秸秆还田条件下土壤侵蚀阻力的主控因子。 结果 1）随秸秆还田年限的增加，细沟可蚀性（K_d）呈先降低后增加再降低趋势，R2、R3、R5和R6处理K_d均显著低于CK处理［170.38 cm³/（N·s）］；随秸秆还田年限的增加，土壤临界剪切力（τ_c）整体呈先增加后降低趋势，表现为R1=R3>R2>CK>R4>R6>R5，但各处理间差异不显著。 2）与CK处理相比，不同秸秆还田年限均可降低土壤体积质量（BD）、湿筛>0.25 mm团聚体（WG_0.25）和交换性钠离子质量分数，增加土壤总孔隙度和水分质量分数（SWC），但不同还田年限处理对土壤性质的影响具有差异。 3）土壤K_d随交换性镁离子、有机质、腐殖质、富里酸（FA）、胡敏素和交换性钙离子增加而降低，随WG_0.25的增加而增加；土壤τ_c与FA、干筛>0.25 mm团聚体和BD呈正比，与水分质量分数呈反比。 结论 各处理K_d和τ_c的差异表明，秸秆还田5～8 a或15～20 a显著降低细沟可蚀性，有助于提高土壤侵蚀阻力，具有较好控制细沟侵蚀的效果。

Abstract

Objective Research on the effects of the duration of straw returning on rill erosion resistance can provide scientific evidence for rill erosion modeling and controlling in sloping farmland. Methods Taking straw returning durations of 0 years （CK）， 3—4 years （R1）， 5—6 years （R2）， 7—8 years （R3）， 9—10 years （R4）， 15 years （R5）， and 20 years （R6） as the study subjects， soil samples were collected and analyzed. Partial least squares regression analysis was applied to identify the main controlling factors of soil erosion resistance under straw returning conditions. Results 1） With the increase of straw returning duration， rill erodibility （K_d） first decreased， then increased， and decreased again. The K_d values of R2， R3， R5， and R6 were significantly lower than that of CK ［170.38 cm³/（N·s）］. With the increase in the duration of straw returning， soil critical shear stress （τ_c） showed a trend of first increasing and then decreasing， with the pattern of R1=R3>R2>CK>R4>R6>R5， although the differences among treatments were not significant. 2） Compared to CK， all straw returning treatments reduced soil bulk density （BD）， the content of water-stable aggregates >0.25 mm （WG_0.25）， and exchangeable sodium ions， while increasing total porosity and soil saturated moisture content （SWC）， although the effects on soil properties varied across treatments. 3） Among all the main controlling factors of K_d， K_d decreased with the increases in exchangeable magnesium ions， soil organic matter， humic substances， fulvic acid （FA）， humin， and exchangeable calcium ions， but increased with the increase in WG_0.25. Among all the main controlling factors of τ_c， τ_c was positively correlated with FA， dry-sieved aggregates >0.25 mm， and BD， and negatively correlated with soil moisture content and SWC. Conclusion Straw returning for 5—8 years or 15—20 years significantly reduced K_d， helped to improve soil erosion resistance and can effectively control rill erosion.

Graphical abstract

关键词

秸秆还田年限 / 细沟可蚀性 / 临界剪切力 / 土壤理化性质

Key words

straw returning duration / rill erodibility / critical shear stress / soil physicochemical properties

Online（www.cnki.net）:2024-11-13

细沟侵蚀是坡面侵蚀的主要方式之一，其产沙量可占坡面总产沙量的50%～70%，因此细沟侵蚀防治是坡耕地水土保持的重要任务^［1-3］。细沟侵蚀是径流剪切力和土壤侵蚀阻力相互作用的结果，其中，土壤侵蚀阻力是土壤抵抗侵蚀能力的综合反应，由土壤质地、体积分数、团聚体等土壤性质决定^［4］。秸秆还田作为全球广泛应用的保护性耕作措施，可改善土壤结构、改变土壤有机质质量分数及体积质量等土壤性质^［1，5］。然而，秸秆还田对土壤性质与结构的影响具有长期累积效应，土壤性质变化程度因秸秆还田年限的不同具有差异^［1，6］。因此，明确秸秆还田年限对土壤性质的影响，揭示土壤侵蚀阻力响应规律，可为秸秆还田条件下土壤侵蚀防治提供科学依据。

土壤侵蚀阻力是WEPP（water erosion prediction project）、SWAT（soil and water assessment tool）等土壤侵蚀模型中刻画沟蚀过程的关键参数，与土壤体积质量、质地、团聚体数量及稳定性等土壤性质密切相关，常用细沟可蚀性和临界剪切力定量表征^［7］。细沟可蚀性反映土壤对侵蚀营力剥蚀和输沙的敏感性；土壤临界剪切力是表征土壤力学性质的一个重要指标，反映土体抵抗外力作用而发生剪切变形破坏的能力。细沟可蚀性与土壤体积质量呈负相关，而土壤临界剪切力则相反^［7-8］。土壤有机质可增加土壤颗粒间的黏着力和凝聚力，从而增加土壤临界剪切力，降低细沟可蚀性^［1，8］。随着土壤团聚体数量的增加及团聚体稳定性的增强，土壤临界剪切力变大，细沟可蚀性降低^［8］。土壤离子交换容量值越高，颗粒聚集性和黏着性越大，土壤侵蚀阻力越大。土壤微生物分泌产生的有机酸、活性基团、高分子量有机物质等，可胶结土壤颗粒，提高土壤稳定性，增强土壤侵蚀阻力^［9］。

秸秆混入土壤后腐烂分解改变土壤有机质、团聚体稳定性、腐殖质组分等土壤化学性质，且未腐解的秸秆直接影响土壤结构、体积质量、孔隙度等土壤物理性质^{［1，5，10］}。因此，秸秆还田后土壤性质的变化受秸秆分解速率的影响，而分解速率因还田年限的不同具有差异性。随着秸秆还田年限的增加，0～50 cm土层土壤体积质量呈降低趋势，但秸秆还田>10 a后，土壤体积质量变化幅度显著降低^［11］。已有研究^［5，12］发现，短期秸秆还田对土壤团聚体和有机碳的影响不显著；但随着还田年限的增加，秸秆还田可显著增加土壤总有机碳质量分数（>5 a）、团聚体平均重量直径（>5 a）、几何平均直径（>3 a）和水稳性大团聚体数量（>3 a），显著降低分形维数（>5 a）。随着秸秆还田年限的增加，土壤中有机质、全氮、碱解氮、速效磷、速效钾等养分显著增加^{［11，13］}。长期秸秆还田可增加土壤中胡敏酸和胡敏素质量分数，而富里酸质量分数较稳定^［14-15］。可见，秸秆还田对土壤性质的影响具有时间异质性，仍需加强不同还田年限对土壤性质影响的研究。

棕壤是在暖温带湿润半湿润大陆性季风气候的落叶阔叶林下发生较强淋溶作用和黏化作用形成的土壤。棕壤为地带性土壤，在中国主要分布在北方土石山区的辽东-山东半岛一带。北方土石山区棕壤砾石质量分数高，土层浅薄，蓄水能力弱，水土流失严重。该区主要农作物有小麦、玉米、花生、地瓜等，其中，小麦-玉米轮作和花生-小麦-玉米轮作是该区广泛应用的种植制度，并且在小麦和玉米收获时普遍使用联合收割机，直接进行秸秆还田，其中小麦秸秆还田方式为覆盖，玉米秸秆还田通过旋耕掺混于耕层土壤。鉴于此，本文以北方土石山区不同小麦与玉米秸秆还田年限的棕壤农地为研究对象，通过土样采集与分析，研究不同秸秆还田年限对棕壤土壤性质及侵蚀阻力的影响，明确秸秆还田条件下土壤侵蚀阻力的主控因子，为秸秆还田下细沟侵蚀过程模拟与防治提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

本试验以具有北方土石山区代表性的山东省临沂市沂水县（35.67°N，118.69°E）和沂南县（35.45°N，118.63°E）为研究区。研究区属于温带季风性气候，多年平均气温13.4 ℃，年平均降水量890 mm，多集中在6—9月。土壤类型为棕壤，主要农作物为玉米、花生和小麦，已长期实施秸秆还田措施，可为试验的开展提供良好的条件。基于系统野外调查，结合课题组已有的资料，选取7个代表性秸秆还田年限进行试验，分别是秸秆还田0 a（CK）、3～4 a（R1）、5～6 a（R2）、7～8 a（R3）、9～10 a（R4）、15 a（R5）和20 a（R6），每个还田年限选取2个地块作为样地，共14个样地（表1）。

1.2 样品采集与测定

试验样品采集与分析于2022年6月进行。在各样地，按“S”形布设4个表层原状土样采样点，利用内径14 cm、高10 cm的不锈钢环刀采集，用于细沟可蚀性和土壤临界剪切力测定，共采集56个原状土样。采样时，选择较为平整的土壤表面，并去除地表杂草、枯落物等。同时，在各采样点周围采集1个表层混合土样，并利用体积为100 cm³的环刀采集原状土样，分别采集56个表层土样和原状土样。所有原状土用保鲜膜包裹，胶带密封并编号，所有样品带回室内进行分析。试验选取的所有地块均采用花生-小麦-玉米轮作种植制度，采样时所有地块均种植玉米。

利用自制的JET土壤侵蚀阻力测定仪，记录土样被冲刷的深度随时间的变化，借助迭代解法计算细沟可蚀性（K_d）与土壤临界剪切力（τ_c）。具体的仪器组成、测定方法等见相关研究^{［5，16-18］}。

利用体积100 cm³环刀采集的原状土，根据浸水烘干法测定土壤体积质量（BD）、水分质量分数（SMC）、土壤总孔隙度（TP）、毛管孔隙度（CP）、通气孔隙度（AP）和饱和水分质量分数（SWC）。表层土样风干、过筛后，采用干筛法测定>0.25 mm团聚体（DG_0.25），采用湿筛法测定>0.25 mm水稳性团聚体（WG_0.25），采用重铬酸钾外加热法测定有机质（SOM），采用焦磷酸钠-氢氧化钠浸提液法测定土壤腐殖质（HS）、胡敏酸（HA）、富里酸（FA）和胡敏素（HM），采用原子吸收法测定交换性钙离子（Ca²⁺）和镁离子（Mg²⁺），采用火焰光度法测定交换性钾（K⁺）和钠（Na⁺）。

1.3 数据分析

利用Microsoft Excel 2019软件中迭代解法计算K_d和τ_c。利用SIMCA 14.1软件进行偏最小二乘回归分析，识别秸秆还田条件下土壤侵蚀阻力主控因子。利用SPSS 17.0软件进行相关性和显著性分析，并利用Origin Pro 2021软件绘图。

2 结果与分析

2.1 不同秸秆还田年限的细沟侵蚀阻力

从图1可以看出，随着秸秆还田年限的增加，K_d呈先降低后增加再降低趋势。其中，R4处理的K_d最大，为220.25 cm³/（N·s），显著高于其他处理（p<0.05）。CK处理的K_d次之，为170.38 cm³/（N·s）。与CK处理相比，R1处理降低K_d，但差异不显著；而R2、R3、R5和R6处理显著降低K_d（p<0.05）。R6处理K_d在所有处理中最低，为45.79 cm³/（N·s）。

从图1还可看出，随着秸秆还田年限的增加，τ_c整体呈先增加后降低趋势，但不同还田年限处理间τ_c无显著差异（p>0.05）。R1和R3处理的τ_c相同，均为2.69 Pa，且高于其他处理。CK处理的τ_c为2.23 Pa。与CK处理相比，R2处理的τ_c增加2.0%，为2.28 Pa；R4、R5和R6均降低τ_c，分别为1.85、1.76、1.79 Pa。

2.2 不同秸秆还田年限土壤理化性质的差异

从表2和表3可以看出，与CK处理相比，不同秸秆还田年限均可降低土壤BD、WG_0.25和Na⁺质量分数，增加土壤TP和SWC。其中，R5处理土壤BD和WG_0.25显著低于其他处理，且其土壤TP、SWC、HA、Mg²⁺和K⁺最大，而WG_0.25和FA最低。与CK处理相比，R3和R4处理均降低土壤SOM、HS和HM，而其他处理则相反。在所有处理中，R2处理SOM、HS、FA和HM最高；R6处理SMC和CP最大，而土壤AP最小。相关分析结果（图2）表明，部分土壤理化性质间具有显著相关性，如BD与SMC、TP、WG_0.25、SOM、HS、HA、Ca²⁺等具有显著相关性；SMC与BD、TP、SOM、Ca²⁺、Mg²⁺等具有显著相关性。

2.3 秸秆还田条件下细沟侵蚀阻力主控因子识别

由细沟侵蚀阻力与土壤理化性质之间的相关分析可知，K_d与SMC、TP、CP、SWC、DG_0.25、WG_0.25、SOM、HS、HM、Ca²⁺和Mg²⁺呈显著相关；τ_c与DG_0.25、WG_0.25、HM和Na⁺呈显著相关。鉴于部分土壤理化性质间具有显著相关性，本研究利用偏最小二乘回归分析土壤理化性质对细沟侵蚀阻力的影响，以消除原始自变量（土壤理化性质）的相关性，并用变量投影重要性指标（variable importance for the projection， VIP）和回归系数分别表示土壤理化性质对细沟侵蚀阻力（因变量）的影响程度和方向。

从秸秆还田条件下细沟侵蚀阻力偏最小二乘回归最优模型参数（表4）可知，K_d和τ_c 偏最小二乘回归模型均提取4个偏最小二乘回归成分。在K_d偏最小二乘回归最优模型中，第1成分对土壤理化性质（自变量）和K_d（因变量）变异性解释的百分比分别为54.1%和72.0%；第2、3、4成分对土壤理化性质变异性解释的百分比分别为18.8%、9.7%和7.2%，对K_d变异性解释的百分比分别为20.4%、5.4%和2.0%。偏最小二乘回归最优模型4个成分对K_d变异性解释的累计百分比和累积可解释的因变量方差比分别为99.8%和0.97。在τ_c偏最小二乘回归最优模型中，第1成分对土壤理化性质变异性解释的百分比为54.7%，第2、3、4成分对土壤理化性质变异性解释的百分比分别为12.2%、13.6%和6.2%。第1、2、3、4成分对τ_c变异性解释的百分比分别为50.6%、37.5%、8.7%和3.1%。偏最小二乘回归最优模型4个成分对τ_c变异性解释的累计百分比和累积可解释的因变量方差比分别为99.8%和0.83。

本研究选取的土壤理化性质均对细沟侵蚀阻力有影响，但是影响的重要性具有差异，其中VIP<1的土壤理化性质被认为是对细沟侵蚀阻力的影响较小。因此，进一步的分析仅针对VIP>1的土壤理化性质。在K_d偏最小二乘回归最优模型中，VIP值最高的为Mg²⁺（VIP=1.36），其次为DG_0.25（VIP=1.25）、SOM（VIP=1.16）和HS（VIP=1.16），以及FA（VIP=1.09）、HM（VIP=1.05）、WG_0.25（VIP=1.05）和Ca²⁺（VIP=1.02）（图3）。回归系数的正负号表明，K_d与Mg²⁺、DG_0.25、SOM、HS、FA、HM和Ca²⁺呈正比，与WG_0.25呈反比。在τ_c偏最小二乘回归最优模型中，VIP>1的土壤理化性质有FA（VIP=1.61）、DG_0.25（VIP=1.40）、BD（VIP=1.12）、SWC（VIP=1.04）和SMC（VIP=1.03）（图4）。τ_c随土壤FA、GD_0.25和BD的增大而增大，随SWC和SMC的增大而减小。

3 讨论

土壤K_d与τ_c可综合反映土壤性质所决定的土壤抵抗侵蚀的能力。利用偏最小二乘回归分析秸秆还田条件下土壤理化性质对细沟侵蚀阻力的影响发现，K_d的主控因子为Mg²⁺、DG_0.25、SOM、HS、FA、HM、WG_0.25和Ca²⁺（图3）。团聚体作为土壤结构的基本单元，其数量和稳定性均可影响土壤结构^［19］。土壤团聚体数量越多，稳定性越强，土壤侵蚀阻力越大。因此，DG_0.25与K_d呈负相关。Mg²⁺可与土壤有机质和胶体颗粒表面上的负电荷结合，形成稳定的桥黏土矿物结构，增强土壤团聚体的稳定性^［20］。Ca²⁺与土壤中的负离子（如有机物、矿物等）交换时，可在土壤中形成稳定的电荷平衡，促进团聚体的形成^［21］。SOM可促进团聚体发育并增强其稳定性，进而降低K_d^［22-23］。土壤HS作为SOM的主要成分，包括HA、FA和HM。FA和HM可与土壤中阳离子结合，促进土壤的团聚体形成，并增强团聚体稳定性^［23-24］。因此，K_d与Mg²⁺、SOM、HS、FA、HM和Ca²⁺呈负相关。而K_d与WG_0.25呈正相关，可能是由于秸秆还田条件下湿筛>0.25 mm团聚体的胶结物质主要为根、菌丝等临时性胶结剂^{［23，25］}，土壤颗粒间胶结力较弱，土壤可蚀性较大。

对土壤τ_c影响较大的土壤理化性质为FA、DG_0.25、BD、SWC和SMC（图4），且土壤τ_c与FA、DG_0.25和BD呈正比。已有大量研究^{［1，7，22，26］}表明，土壤体积质量越大，越不易被分离，土壤τ_c随体积质量的增大而增大；土壤有机质增加，可促进大团聚体发育，增强团聚体稳定性，提高土壤τ_c。当SWC较高时，土壤颗粒间的黏结力和摩擦力降低，土壤τ_c减小^［27-28］。当土壤水分质量分数达到饱和，SMC较高时，土壤中截留空气体积减小，内部应力发生变化，减小土壤抗剪强度，降低土壤τ_c^［29-30］。因此，土壤τ_c随SWC和SMC的增大而减小。

秸秆混入土壤后经腐烂分解可改变土壤性质，与CK处理相比，不同年限秸秆还田处理均可降低土壤BD、WG_0.25和Na⁺，增加土壤TP和SWC（表2、表3）。但随着秸秆还田年限的增加，土壤CP、SOM、HS、HA、FA和K⁺呈先增加后降低趋势，而土壤HM、Ca²⁺和Mg²⁺呈波动变化。张翰林等^［12］研究发现，秸秆还田条件下土壤大团聚体（>0.25 mm）数量、平均质量直径和几何平均直径显著提升，且随着还田年限的增加而增加；慕平等^［13］研究表明，玉米全量秸秆还田可显著增加0～30 cm耕层土壤有机质质量分数，且随着还田年限的延长增幅越大，秸秆还田9 a土壤有机质可增加103%；但秸秆还田可降低0～50 cm土层土壤体积质量，且随着还田年限增加，下降幅度越大。已有研究结果间的差异及不同秸秆还田年限对土壤理化性质影响的差异，可能与秸秆分解程度、秸秆残留、土壤质地和气候等有关。不同秸秆还田年限处理对土壤理化性质的影响不同，导致不同秸秆还田年限下土壤K_d与τ_c具有差异。本研究发现，与CK处理相比，仅有R4处理显著提高土壤K_d，而其他秸秆还田年限处理均降低K_d。原因可能是R4相比于CK处理降低土壤Mg²⁺、DG_0.25、SOM、HS、FA、HM和Ca²⁺；土壤τ_c随着秸秆还田年限的增加呈先增加后降低趋势（图2）。其中，R1和R3处理的τ_c相同，均为2.69 Pa，且高于CK处理，原因可能是R1和R3处理降低SMC，增加DG_0.25和FA。各处理间τ_c无显著差异，但R2、R3、R5和R6处理显著降低K_d，表明秸秆还田5～8 a或者15～20 a土壤侵蚀阻力较大，具有较好控制细沟侵蚀的效果。

4 结论

1）不同年限秸秆还田处理均可降低土壤BD、WG_0.25和Na⁺，增加土壤TP和SWC。R4处理的土壤K_d显著高于其他处理（p<0.05），且R2、R3、R5和R6处理土壤K_d显著低于CK处理。随着秸秆还田年限的增加，τ_c整体上呈先增加后降低趋势，各处理土壤τ_c无显著差异。R1和R3处理的τ_c相同，且高于其他处理。

2）土壤K_d的主控因子有Mg²⁺、DG_0.25、SOM、HS、FA、HM、WG_0.25和Ca²⁺，且土壤K_d随Mg²⁺、SOM、HS、FA、HM和Ca²⁺增加而降低，随WG_0.25的增加而增加。而对土壤τ_c影响较大的土壤理化性质为FA、DG_0.25、BD、SWC和SMC，且土壤τ_c随FA、DG_0.25和BD的增大而增大，随SWC和SMC的减小而降低。

3）与CK处理相比，R4处理降低土壤Mg²⁺、DG_0.25、SOM、HS、FA、HM和Ca²⁺，导致R4处理显著提高土壤K_d。而R1和R3处理降低SMC，增加DG_0.25和FA，进而提高土壤τ_c。整体来看，秸秆还田5～8 a或15～20 a，土壤侵蚀阻力较大，具有较好控制细沟侵蚀的效果。

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基金资助

山东省自然科学基金项目(ZR2023MD081)

国家自然科学基金项目(42377329)

国家自然科学基金项目(42077061)

国家自然科学基金项目(41701311)

山东省高等学校青年创新团队项目(2022KJ115)

山东省高等学校青年创新团队项目(LUJIAORENZI20199)