秸稈覆蓋對(duì)土壤水分和侵蝕的影響研究進(jìn)展

劉燕青,王計(jì)磊,李子忠

(中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué) 土地科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,北京 100193)

中國(guó)地域遼闊，水資源豐富但淡水資源不足且空間分布不均衡，已成為制約我國(guó)干旱半干旱區(qū)糧食生產(chǎn)的重要因素之一[1]。水土流失不僅造成水資源的浪費(fèi)，還因土壤顆粒的流失加劇土壤結(jié)構(gòu)的破壞，引起土壤退化及農(nóng)田干旱缺水情況的發(fā)生[2]。土壤蒸發(fā)是土壤水分無(wú)效損失的一種途徑[3]，且為引起土壤鹽漬化發(fā)生重要?jiǎng)恿σ蛩刂籟4]，探索農(nóng)田有效的蓄水保土途徑受到學(xué)者的廣泛關(guān)注。目前常用的蓄水保土措施有橫坡壟作、地膜覆蓋、秸稈覆蓋和植物籬等，其中秸稈覆蓋還田可有效改善土壤—大氣界面微環(huán)境的水熱交換狀況[5-6]，減少作物棵間蒸發(fā)，提高土壤有機(jī)質(zhì)含量，促進(jìn)良好土壤結(jié)構(gòu)體的形成，增強(qiáng)土壤蓄水抗旱能力[7-8]；也能夠有效地保護(hù)地表土壤，減少土壤侵蝕的發(fā)生[2]；同時(shí)可避免秸稈焚燒造成的大氣污染，是促進(jìn)干旱半干旱區(qū)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要農(nóng)藝措施，也是農(nóng)業(yè)廢棄物資源化利用的重要途徑。如在東北黑土區(qū)，作物熟制為一年一熟，秋收后地表多為裸露，春季干旱，且多大風(fēng)季節(jié)，加劇了土壤蒸發(fā)和土壤顆粒吹蝕，對(duì)當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)安全生產(chǎn)造成嚴(yán)重威脅[9]，而秸稈覆蓋還田可有效改善上述狀況的發(fā)生。2019年“中央一號(hào)”文件提出發(fā)展生態(tài)循環(huán)農(nóng)業(yè)，推進(jìn)畜禽糞污、秸稈、農(nóng)膜等農(nóng)業(yè)廢棄物資源化利用；2020年為深入貫徹習(xí)近平總書(shū)記關(guān)于對(duì)東北黑土地實(shí)行戰(zhàn)略性保護(hù)的重要指示精神，認(rèn)真落實(shí)黨中央、國(guó)務(wù)院決策部署，加快保護(hù)性耕作推廣應(yīng)用，制定了《東北黑土地保護(hù)性耕作行動(dòng)計(jì)劃(2020—2025年)》。同時(shí)，為有效防治水土流失、提高水分利用效率，我國(guó)學(xué)者開(kāi)展了一系列研究，涉及到秸稈覆蓋方式、覆蓋度和覆蓋量等對(duì)農(nóng)田水分及土壤侵蝕的影響及機(jī)理的研究，且取得了較為豐碩的成果[10-12]。本文通過(guò)對(duì)已取得的成果進(jìn)行總結(jié)，以期為保護(hù)水土資源，保障農(nóng)業(yè)安全生產(chǎn)提供科學(xué)依據(jù)，同時(shí)找出目前研究存在的薄弱環(huán)節(jié)，為今后更為深入全面的研究提供參考。

1 秸稈覆蓋類型

1.1 根據(jù)秸稈來(lái)源劃分

我國(guó)作為農(nóng)業(yè)大國(guó)，農(nóng)作物秸稈總產(chǎn)量高達(dá)104億t/a，其中玉米秸稈、稻草和麥稈占比較大，分別為32.5%，25.1%,18.3%[13]。目前秸稈主要通過(guò)堆肥、制備飼料、建材和直接還田等方式進(jìn)行資源化利用，但在實(shí)踐中，由于勞動(dòng)力成本提高、秸稈利用技術(shù)不成熟等原因，作物秸稈資源化利用率低，焚燒、隨意丟棄等現(xiàn)象仍然長(zhǎng)期存在[14]，如2018年衛(wèi)星遙感共監(jiān)測(cè)到全國(guó)秸稈焚燒火點(diǎn)7 647個(gè)[15]。秸稈覆蓋還田不僅可以降低勞動(dòng)力成本，而且可以培肥地力，具有良好的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益，值得大面積推廣應(yīng)用。秸稈覆蓋根據(jù)作物來(lái)源可以分為玉米秸稈覆蓋、小麥秸稈覆蓋、水稻秸稈覆蓋等。

1.2 根據(jù)秸稈覆蓋形式劃分

根據(jù)秸稈覆蓋形式可分為整桿覆蓋和秸稈粉碎覆蓋[16]。整桿覆蓋指在作物收獲的同時(shí)覆蓋整秸稈，適合機(jī)械化水平低或風(fēng)大的地區(qū)。秸稈粉碎覆蓋通常指使用配有秸稈粉碎裝置的谷物聯(lián)合收割機(jī)，在收獲作物的同時(shí)將秸稈粉碎(5～10 cm)后拋撒覆蓋在地表的過(guò)程，但遇大風(fēng)時(shí)秸稈易隨風(fēng)移動(dòng)，降低覆蓋效果。后有研究指出粉碎與留茬結(jié)合，可有效避免這一問(wèn)題，在收獲時(shí)地表留茬16～20 cm，其余秸稈粉碎拋撒于地表，這樣留茬可以固定秸稈，防止秸稈漂移，適用于水稻田或容易產(chǎn)生水土流失的坡耕地上[17]。

1.3 根據(jù)覆蓋度和覆蓋量劃分

秸稈可直接覆蓋于地表，也可經(jīng)旋耕后與土壤達(dá)到不同程度的混合，覆蓋于地表又可根據(jù)地表秸稈覆蓋度分為全覆蓋和部分覆蓋。秸稈全覆蓋是指將作物秸稈均勻地覆蓋于地表，地表秸稈覆蓋率為100%，可最大面積保護(hù)地表土壤，但可能會(huì)對(duì)下季作物播種及土壤溫度產(chǎn)生影響；秸稈帶狀覆蓋是一種局部覆蓋方式，地表秸稈覆蓋率小于100%，可在一定程度上減輕秸稈全覆蓋對(duì)播種及地溫產(chǎn)生的不良影響。根據(jù)覆蓋量可劃分為全量覆蓋、非全量覆蓋，對(duì)于秸稈覆蓋度和覆蓋量的選擇，應(yīng)當(dāng)結(jié)合作物、氣候和土壤類型等因素，因地制宜地利用作物秸稈。

2 秸稈覆蓋對(duì)土壤水分的影響

土壤含水量是表征土壤水分狀況的重要指標(biāo)，影響著植被生長(zhǎng)、分布格局和演變過(guò)程。秸稈覆蓋主要通過(guò)：(1)抑制土壤水分蒸發(fā)；(2)促進(jìn)雨水入滲；(3)改善土壤結(jié)構(gòu)、提高土壤蓄水保水能力來(lái)調(diào)控土壤含水量。明晰秸稈覆蓋對(duì)土壤水分運(yùn)動(dòng)影響及作用機(jī)理，探明影響其保水保土效果的因素是全面認(rèn)識(shí)秸稈覆蓋對(duì)水分利用效率和土壤侵蝕影響的核心環(huán)節(jié)，也是推廣和應(yīng)用秸稈覆蓋措施的理論基礎(chǔ)。

2.1 秸稈覆蓋對(duì)土壤蒸發(fā)的影響

土壤水分蒸發(fā)指水蒸氣從土壤表面進(jìn)入大氣的過(guò)程，是土壤水分無(wú)效損失的主要途經(jīng)，受到包括溫度、濕度、風(fēng)速和大氣壓等在內(nèi)的多種因素控制。秸稈覆蓋相當(dāng)于給土壤表面添加天然保護(hù)層，通過(guò)減少土壤空氣與大氣間的水分交互通道以及到達(dá)地面的太陽(yáng)輻射，抑制土壤蒸發(fā)，保蓄土壤水分，提高土壤水分利用效率[18-20]。關(guān)于秸稈覆蓋對(duì)土壤水分蒸發(fā)影響的研究主要在我國(guó)西北、華北等地區(qū)開(kāi)展，研究?jī)?nèi)容多集中不同覆蓋材料、覆蓋量、覆蓋方式等對(duì)蒸發(fā)影響[19,21-23](表1)。田間微型蒸發(fā)儀是土壤棵間蒸發(fā)研究的常用裝備，陳素英等[24]用自制的微型蒸發(fā)儀在華北地區(qū)開(kāi)展了不同秸稈覆蓋量對(duì)冬小麥田棵間蒸發(fā)影響的研究，發(fā)現(xiàn)秸稈覆蓋有效抑制土壤蒸發(fā)，在冬小麥生育期內(nèi)，少覆蓋處理(3 000 kg/hm2)比對(duì)照平均減少了21%，多覆蓋(6 000 kg/hm2)減少了40.4%，但由于覆蓋處理導(dǎo)致春季土溫回升緩慢，推遲了小麥生育期，加上后期的干熱風(fēng)，造成覆蓋處理的冬小麥減產(chǎn) 4.1%～10.4%。而劉超等[25]在陜西楊凌示范區(qū)研究不同秸稈覆蓋量對(duì)土壤蒸發(fā)的影響表明，秸稈覆蓋量在6 000～9 000 kg/hm2范圍時(shí)，保墑效果和玉米增產(chǎn)效果明顯，此外于慶峰等[22]認(rèn)為玉米秸稈覆蓋可通過(guò)調(diào)節(jié)土壤水肥氣熱，在抑制土壤棵間蒸發(fā)的同時(shí)提高玉米產(chǎn)量，其中10 t/hm2為秸稈覆蓋量閾值，超過(guò)該覆蓋量后土壤蒸發(fā)抑制作用呈減弱趨勢(shì)，而玉米增產(chǎn)作用趨于穩(wěn)定。由此可見(jiàn)，秸稈覆蓋對(duì)田間水分無(wú)效蒸發(fā)有良好的抑制效應(yīng)，但是其對(duì)作物產(chǎn)量的影響因氣候、土壤類型、管理措施等條件的不同變異性較大，因此明晰秸稈覆蓋對(duì)作物產(chǎn)量和土壤水分影響的作用機(jī)制，探索適合當(dāng)?shù)貧夂虻乩項(xiàng)l件的最佳秸稈覆蓋量及其覆蓋方式，對(duì)抑制土壤蒸發(fā)提高作物產(chǎn)量具有重要意義。

表1 秸稈覆蓋對(duì)土壤蒸發(fā)影響研究進(jìn)展

秸稈覆蓋方式是影響土壤水分蒸發(fā)的重要因素之一，不同的覆蓋形式對(duì)水分蒸發(fā)的影響不同。柏會(huì)子等[21]對(duì)比了秸稈粉碎(2 mm)施入土壤和秸稈覆蓋還田對(duì)土壤蒸發(fā)的影響，表明秸稈覆蓋還田對(duì)土壤蒸發(fā)有明顯抑制作用，秸稈粉碎與土壤混合因增加土壤孔隙含量，而提高了土壤蒸發(fā)能力。強(qiáng)小嫚等[26]通過(guò)大田試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)留茬結(jié)合小麥秸稈覆蓋相較于單純秸稈覆蓋對(duì)棵間蒸發(fā)的抑制效果好，尤其在連續(xù)強(qiáng)降雨后土壤含水量升高，其抑制效果更為明顯。土壤蒸發(fā)現(xiàn)象能夠持續(xù)進(jìn)行與深層土壤水分在土水勢(shì)梯度下向表土的轉(zhuǎn)運(yùn)有關(guān)，秸稈地下覆蓋可降低深層土壤水分蒸發(fā)，有效阻隔水鹽上行[27-28]，近年來(lái)逐漸受到關(guān)注。趙永敢等[23]開(kāi)展了室內(nèi)土柱模擬試驗(yàn)，表明秸稈隔層處理土壤累積蒸發(fā)量比均質(zhì)土低75.07%～95.42%，表層覆膜+秸稈隔層的控鹽、抑制蒸發(fā)的效果最為明顯。周長(zhǎng)泉等[29]研究了雙層秸稈不同層位覆蓋對(duì)土壤水分蒸發(fā)的影響，發(fā)現(xiàn)上層埋深8 cm結(jié)合下層埋深30 cm的雙層秸稈覆蓋模式可有效減小土壤水分蒸發(fā)?？梢?jiàn)關(guān)于秸稈覆蓋對(duì)土壤蒸發(fā)影響的研究面在逐漸拓展，由秸稈表層覆蓋到秸稈地下覆蓋，由秸稈單一覆蓋，到秸稈—地膜二元覆蓋，但關(guān)于秸稈覆蓋對(duì)土壤蒸發(fā)過(guò)程、調(diào)控機(jī)理的探索較少，且研究結(jié)果隨空間、時(shí)間和試驗(yàn)條件的變異性較強(qiáng)，全面認(rèn)識(shí)土壤蒸發(fā)發(fā)生規(guī)律、明晰秸稈保水效應(yīng)影響因素及其在整個(gè)土壤水分蒸發(fā)過(guò)程中發(fā)揮的作用還有待進(jìn)一步研究，這也是今后研究的重點(diǎn)。

2.2 秸稈覆蓋對(duì)土壤入滲的影響

水分入滲是水循環(huán)和轉(zhuǎn)化的一個(gè)重要過(guò)程，受到地形、雨強(qiáng)、土壤性質(zhì)(土壤含水量、土壤糙率和土壤質(zhì)地)等因素的影響。降雨條件下，土壤水分入滲作用與產(chǎn)流息息相關(guān)，雨滴濺蝕作用會(huì)破壞地表土壤結(jié)構(gòu)，堵塞土壤孔隙，抑制土壤入滲，促進(jìn)地表徑流的產(chǎn)生，而秸稈覆蓋可以保護(hù)地表土壤免受雨滴的直接打擊，增加地表糙度，減緩地表徑流流速，延長(zhǎng)水土相互作用的時(shí)間[30]，促進(jìn)土壤水分的入滲。研究表明，黃土坡面免耕秸稈覆蓋下的土壤入滲速率為傳統(tǒng)耕作的1.4倍，平均徑流系數(shù)減少97.49%[31]；對(duì)南方赤紅壤進(jìn)行稻草秸稈覆蓋，其入滲率與無(wú)覆蓋處理相比可提高32%[32]。王曉燕等[33]研究了華北地區(qū)秸稈覆蓋對(duì)土壤入滲的影響，發(fā)現(xiàn)秸稈覆蓋可將土壤穩(wěn)定入滲率提高1.1倍并可延緩地表徑流的產(chǎn)生。可見(jiàn)盡管土壤類型不同，秸稈覆蓋也達(dá)到了相應(yīng)的提高入滲、減少?gòu)搅鳟a(chǎn)生的效果。

秸稈覆蓋量、覆蓋方式是影響土壤入滲的主要因素，通常情況下秸稈覆蓋量越高，徑流開(kāi)始的時(shí)間和土壤含水量達(dá)到飽和的時(shí)間越晚，且穩(wěn)定入滲率越高[33]，但秸稈覆蓋達(dá)到一定厚度后，會(huì)在一定程度上阻礙部分水分的入滲，從而造成水分的無(wú)效蒸發(fā)[22]。趙永敢等[23]探索了秸稈地下覆蓋對(duì)土壤水分入滲的影響，結(jié)果表明秸稈隔層處理與無(wú)秸稈隔層相比入滲速率降低了70%，具有明顯阻滲作用，但秸稈隔層通過(guò)抑制潛水蒸發(fā)和返鹽，提高了土壤含水量?？梢?jiàn)秸稈覆蓋對(duì)水分入滲影響并非總是正效應(yīng)，因此有必要綜合多因素探討秸稈覆蓋的最佳用量和施用方式，并基于整個(gè)農(nóng)田系統(tǒng)來(lái)綜合評(píng)價(jià)秸稈覆蓋處理的保水效果。目前關(guān)于秸稈覆蓋對(duì)土壤入滲的影響多通過(guò)固定雨強(qiáng)的人工模擬試驗(yàn)來(lái)探索[31-33]，且多集中在秸稈覆蓋量和覆蓋方式等方面，而水分入滲的發(fā)生、發(fā)展過(guò)程以及結(jié)果受到雨強(qiáng)、雨型、降雨歷時(shí)和土壤含水量等因素的影響與制約，尤其在自然降雨條件下，雨強(qiáng)并不是穩(wěn)定的，雨型是變化的，固定雨強(qiáng)的人工模擬降雨試驗(yàn)不能很好地反映自然狀態(tài)下水分入滲發(fā)生規(guī)律。劉立晶等[34]通過(guò)人工模擬降雨方法研究了不同雨型(小雨、中雨和大雨)條件下秸稈覆蓋處理對(duì)0—20 cm農(nóng)地水分入滲的影響，結(jié)果表明秸稈覆蓋對(duì)雨水入滲有暫時(shí)的阻隔作用，不同雨強(qiáng)下秸稈覆蓋的阻滯入滲作用出現(xiàn)的土層不同，中雨后秸稈阻滯入滲作用表現(xiàn)在5—20 cm土層，大雨后阻滯入滲作用出現(xiàn)在10—20 cm土壤，但這種阻隔作用會(huì)隨雨強(qiáng)的增加而減弱。劉戰(zhàn)東等[35]研究表明，同一覆蓋處理下土壤水分入滲深度和入滲量隨雨強(qiáng)的增大而增大。水分入滲是水從土壤表面進(jìn)入土壤形成土壤水的過(guò)程，量化秸稈覆蓋對(duì)土壤水分入滲的影響及機(jī)理還需要更加微觀的研究。

2.3 秸稈覆蓋對(duì)土壤結(jié)構(gòu)的影響

秸稈覆蓋對(duì)土壤結(jié)構(gòu)的改善也是調(diào)控土壤含水量的重要因素，其主要從兩方面對(duì)土壤結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響：(1)如2.2所述,秸稈覆蓋可削弱降雨對(duì)土壤的濺蝕作用，防止土壤板結(jié)；(2)提高土壤有機(jī)質(zhì)含量，促進(jìn)良好團(tuán)聚體的形成[36]。良好的土壤結(jié)構(gòu)—團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的形成需要土壤黏粒，以及粘結(jié)土粒的膠結(jié)劑，秸稈覆蓋于地表減少了徑流對(duì)土壤細(xì)小顆粒的搬運(yùn)侵蝕，同時(shí)促進(jìn)有機(jī)質(zhì)積累，使小粒徑團(tuán)聚體向中粒徑團(tuán)聚體轉(zhuǎn)化[37-38]，從而降低了容重，促進(jìn)了毛管孔隙的形成，促進(jìn)水分入滲，提高了土壤蓄水能力。如王識(shí)然等[39]研究發(fā)現(xiàn)，秸稈覆蓋還田處理下土壤容積含水量比未覆蓋處理高1.4～1.6倍。楊永輝等[36]研究表明，有機(jī)質(zhì)與>0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)和土壤穩(wěn)定入滲速率呈一定的正相關(guān)關(guān)系。秸稈覆蓋對(duì)土壤結(jié)構(gòu)的影響涉及到秸稈腐解，關(guān)于秸稈腐解過(guò)程對(duì)土壤其他理化性質(zhì)的影響，以及分解物參與土壤團(tuán)聚體形成等物理、化學(xué)和生物學(xué)過(guò)程的機(jī)制有待深入研究。

3 秸稈覆蓋對(duì)土壤侵蝕的影響

水土流失這一全球性資源與環(huán)境問(wèn)題，是生態(tài)環(huán)境退化的反映，也是導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境進(jìn)一步惡化的原因。雨滴濺蝕通常被認(rèn)為是坡面水力侵蝕的最初階段[40]，該過(guò)程使土壤表層結(jié)構(gòu)破碎，堵塞土壤孔隙，抑制土壤入滲作用，促進(jìn)徑流的產(chǎn)生，為面蝕和溝蝕發(fā)生提供條件，是侵蝕發(fā)生發(fā)展過(guò)程中不容忽視的一個(gè)階段。面蝕、溝蝕發(fā)生在雨滴擊濺侵蝕之后，是水力侵蝕破壞土壤資源，造成土地退化的主要發(fā)生方式。秸稈覆蓋可增加地表覆蓋度，攔截降雨，調(diào)節(jié)地表徑流[30]，提高團(tuán)聚體穩(wěn)定性，以提高土壤抗侵蝕能力[36]，是坡耕地土壤侵蝕防治的有效措施。明晰秸稈覆蓋下雨滴濺蝕、面蝕及溝蝕發(fā)生過(guò)程和特點(diǎn)，是準(zhǔn)確掌握和預(yù)測(cè)侵蝕發(fā)生發(fā)展過(guò)程、有效布置防治措施的基礎(chǔ)。

3.1 秸稈覆蓋對(duì)雨滴濺蝕的影響

雨滴濺蝕是坡面水力侵蝕的最初階段，常發(fā)生于裸露地表，過(guò)程中土壤結(jié)構(gòu)破碎，細(xì)顆粒堵塞土壤孔隙，抑制土壤入滲作用，促進(jìn)面蝕和溝蝕的發(fā)生和發(fā)展[40]。在一定徑流水深條件下，濺蝕作用還可以增大坡面徑流紊動(dòng)性，增強(qiáng)徑流攜沙能力[41]。此外，濺蝕會(huì)造成土壤板結(jié)，影響作物出苗率。秸稈覆蓋對(duì)雨滴濺蝕的抑制作用主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：(1)研究發(fā)現(xiàn)雨滴濺蝕率與降雨動(dòng)能呈顯著正相關(guān)，秸稈覆蓋于地表改變了雨滴擊濺的直接作用對(duì)象，削弱了降雨動(dòng)能，從而減少濺蝕的發(fā)生[42]。(2)秸稈還田提高土壤有機(jī)質(zhì)含量，促進(jìn)良好團(tuán)聚體的形成[36]，并增強(qiáng)其穩(wěn)定性，減弱了土壤對(duì)雨滴機(jī)械打擊和消散作用的敏感程度，增強(qiáng)了土壤抗侵蝕能力[43]。Kukal等[44]通過(guò)人工模擬降雨探究了秸稈覆蓋對(duì)雨滴濺蝕和降雨入滲的影響，結(jié)果表明：與不覆蓋處理相比，秸稈覆蓋減少了68%的濺蝕量，土壤入滲率比無(wú)覆蓋處理高54%。

3.2 秸稈覆蓋對(duì)面蝕的影響

面蝕與溝蝕是水力侵蝕造成土壤流失、土地退化和面源污染的主要發(fā)生方式，因此是坡面水力侵蝕防治的重點(diǎn)。地表徑流是水土流失的主要驅(qū)動(dòng)力，秸稈覆蓋主要通過(guò)：(1)促進(jìn)降雨入滲，減少?gòu)搅鳟a(chǎn)生；(2)增加地表糙度，影響徑流流速和徑流剪切力等水力學(xué)特征[45]，從而影響坡耕地土壤侵蝕發(fā)生發(fā)展。李飛等[46]研究表明天然降雨條件下秸稈覆蓋相對(duì)常規(guī)模式可使東北坡耕地土壤徑流量減少94.03%～97.97%，土壤流失量減少90.21%～97.39%。王安等[47]通過(guò)人工模擬降雨試驗(yàn)，研究了秸稈覆蓋對(duì)黃土坡面土壤侵蝕的影響，結(jié)果顯示秸稈覆蓋最高可減少75%的土壤侵蝕量，若結(jié)合高留茬，對(duì)土壤侵蝕的抑制作用會(huì)更強(qiáng)。白永會(huì)等[32]采用模擬降雨試驗(yàn)的方法，開(kāi)展了秸稈覆蓋對(duì)紅壤水土流失防控效益和徑流剪切力影響的研究，發(fā)現(xiàn)秸稈覆蓋減流效益達(dá)到69.3%，減沙效益達(dá)到99.2%，秸稈覆蓋和未覆蓋的臨界啟動(dòng)徑流剪切力分別為2.8，1.5 N/m2?？梢?jiàn)針對(duì)不同的土壤和氣候類型，秸稈覆蓋均具備很好的防蝕效果。

人工模擬降雨方法可不受時(shí)間地點(diǎn)限制，可開(kāi)展不同處理措施對(duì)坡面侵蝕的影響研究，受到研究者的青睞。車明軒等[48]通過(guò)室內(nèi)人工模擬降雨，探究了紫土坡面秸稈覆蓋水土保持作用的影響因素，發(fā)現(xiàn)雨強(qiáng)是影響秸稈覆蓋保持水土作用的重要因子，與覆蓋保水保沙率呈極顯著負(fù)相關(guān)。也有研究[49-50]認(rèn)為除雨強(qiáng)外坡度也影響著秸稈覆蓋水土保持效果，在陡坡或強(qiáng)降雨(≥100 mm/h)條件下，秸稈覆蓋反而會(huì)加劇土壤侵蝕。唐澤軍[50]發(fā)現(xiàn)，當(dāng)降雨強(qiáng)度達(dá)到100 mm/h時(shí)，在較小的坡度上，覆蓋坡面土壤流失量與裸土坡面大致相當(dāng)，而在較大坡度上，覆蓋坡面的土壤流失量大于裸土坡度；當(dāng)降雨強(qiáng)度達(dá)到150 mm/h時(shí)，覆蓋坡面的土壤流失量在試驗(yàn)設(shè)置坡度上均大于裸土坡面。莊曉暉[51]利用人工模擬降雨，研究了強(qiáng)降雨秸稈覆蓋下受犁底層影響的黃土坡耕地產(chǎn)流產(chǎn)沙特征，結(jié)果表明，秸稈覆蓋在降雨初期促進(jìn)降雨入滲、延遲了產(chǎn)流起始時(shí)間，使耕作層很快飽和。但由于犁底層入滲率低，在強(qiáng)降雨條件下，秸稈覆蓋坡面的土壤入滲率在產(chǎn)流之后快速降低，很快達(dá)到最小穩(wěn)定入滲率，最終使得坡面徑流量遠(yuǎn)大于未受到犁底層影響的裸土地面，加劇了侵蝕的發(fā)生?？梢?jiàn)秸稈覆蓋只有在特定的條件下才具備防蝕效果，而在極端降雨條件、陡坡或犁低層存在的情況下反而會(huì)加劇侵蝕。

秸稈覆蓋的水土保持效果也受覆蓋度和覆蓋量的影響。楊青森等[52]通過(guò)野外原位人工模擬降雨試驗(yàn)，開(kāi)展了秸稈不同覆蓋量對(duì)東北黑土區(qū)土壤侵蝕影響研究，發(fā)現(xiàn)20 t/hm2的覆蓋處理下坡面徑流量、產(chǎn)沙量分別減少87%，99.86%，而40 t/hm2的秸稈覆蓋處理下坡面無(wú)產(chǎn)流。張翼夫等[53]研究了玉米秸稈覆蓋對(duì)華北地區(qū)農(nóng)田土壤侵蝕的影響，研究結(jié)果顯示秸稈覆蓋具有很好的水土保持作用，在沙土地的效果優(yōu)于壤土，30%～60%是水土保持效果和播種效果最佳的秸稈覆蓋度。劉柳松等[54-55]則認(rèn)為30%是紅壤地區(qū)較為經(jīng)濟(jì)且水土保持效果好的秸稈覆蓋度。唐濤等[56]采用人工模擬降雨試驗(yàn)，研究了秸稈不同覆蓋度對(duì)西北干旱地區(qū)土壤侵蝕的影響，結(jié)果表明在覆蓋率大于40%條件下水土流失能夠得到有效控制，但當(dāng)覆蓋度低于40%時(shí)，秸稈覆蓋對(duì)水土流失的作用不明顯。由此可見(jiàn)最佳秸稈覆蓋度的空間變異性很大，探索適合特定地區(qū)的秸稈覆蓋度和覆蓋方式，對(duì)提高土地生產(chǎn)力，保護(hù)生態(tài)環(huán)境具有重要意義。

3.3 秸稈覆蓋對(duì)溝蝕和風(fēng)蝕的影響

坡面水蝕從面蝕過(guò)渡到溝蝕后，徑流深度、流速及侵蝕力的增加，使土壤顆粒大量損失，嚴(yán)重影響土地生產(chǎn)力和可持續(xù)發(fā)展能力。秸稈覆蓋可通過(guò)減小坡面徑流的流速，減弱徑流挾沙能力以及侵蝕力，從而達(dá)到了減少坡面侵蝕量的目的，是溝蝕發(fā)展的重要防治措施[57]。徐錫蒙等[57]研究認(rèn)為，秸稈覆蓋可有效減少黃土區(qū)細(xì)溝和淺溝土壤侵蝕量，且玉米秸稈緩沖帶覆蓋可有效抑制溝頭前進(jìn)，是減少該區(qū)土壤侵蝕的有效覆蓋方式。覃超等[58]認(rèn)為在斜坡長(zhǎng)4.5～7.5 m處布設(shè)玉米秸稈緩沖帶防治侵蝕的效果較好。

在干旱半干旱區(qū)，風(fēng)力侵蝕也是降低坡耕地土壤質(zhì)量的一個(gè)重要因素，秸稈可以保護(hù)地表，避免風(fēng)對(duì)地表土壤的直接作用。于愛(ài)忠等[59]采用風(fēng)洞試驗(yàn)研究了秸稈覆蓋對(duì)甘肅地區(qū)風(fēng)力侵蝕的影響，認(rèn)為秸稈覆蓋可明顯增加地表不可蝕性土壤顆粒，降低風(fēng)力侵蝕的可能性。劉振東等[60]對(duì)不同覆蓋度對(duì)風(fēng)力侵蝕的抑制效果進(jìn)行了研究，結(jié)果顯示當(dāng)秸稈覆蓋度為30%，結(jié)合留茬措施，抗風(fēng)蝕效率可達(dá)70%～78%。

以上結(jié)果表明，秸稈覆蓋通過(guò)減少地表徑流產(chǎn)生，影響地表徑流水力學(xué)參數(shù)，可顯著降低耕地水力侵蝕危害，同時(shí)也可避免風(fēng)與地表土壤的直接接觸，降低風(fēng)力侵蝕的發(fā)生，保護(hù)地表土壤，減少土壤侵蝕量。然而，目前研究多聚焦于秸稈覆蓋對(duì)土壤侵蝕及徑流損失的防控效果，對(duì)秸稈覆蓋下水力侵蝕發(fā)生過(guò)程的數(shù)量化表達(dá)，以及降雨、地形等因素影響下土壤侵蝕發(fā)生臨界值的研究，以及各因素的互作對(duì)秸稈覆蓋處理下水力侵蝕的影響機(jī)理研究還有待深入。

4 研究展望

綜上所述，秸稈覆蓋通過(guò)降低土壤—大氣能量交換，穩(wěn)定土壤溫度，抑制土壤蒸發(fā)作用，增加土壤含水量；通過(guò)避免外營(yíng)力與地表土壤顆粒的直接接觸，削弱徑流侵蝕力等方面抑制土壤侵蝕的發(fā)生，是干旱半干旱區(qū)提高水土資源利用效率的重要農(nóng)藝措施。目前，關(guān)于秸稈覆蓋對(duì)土壤水分及土壤侵蝕影響的研究較為豐富，涉及到機(jī)理、效應(yīng)等方面，這在一定程度上完善了秸稈覆蓋“保墑抗旱”的研究，但秸稈覆蓋對(duì)土壤水分、土壤侵蝕的作用效果以及對(duì)作物產(chǎn)量的影響，受氣候類型、秸稈類型、還田方式和作物種類等因素的影響而存在較大的變異，如有研究表明秸稈覆蓋不利于播種、秸稈阻擋作物出苗，在寒冷地區(qū)秸稈覆蓋可降低春季地溫回升速率，對(duì)作物出苗發(fā)育不利[46]，也有研究表明秸稈覆蓋在陡坡、高雨強(qiáng)或犁底層存在的情況下會(huì)加速侵蝕。為解決上述問(wèn)題，促進(jìn)秸稈覆蓋措施的推廣應(yīng)用，今后的秸稈覆蓋研究應(yīng)當(dāng)強(qiáng)化以下4方面：

(1)明晰秸稈覆蓋對(duì)土壤水分運(yùn)動(dòng)和土壤侵蝕影響的作用機(jī)制，量化其作用效果。作用機(jī)理研究是掌握秸稈覆蓋與土壤水分、侵蝕關(guān)系的關(guān)鍵，要在不同試驗(yàn)條件下開(kāi)展定量化研究，室內(nèi)模擬與野外觀測(cè)相結(jié)合。如秸稈覆蓋在高雨強(qiáng)、陡坡和犁底層存在下加劇侵蝕的作用機(jī)理還比較模糊，只有加強(qiáng)作用機(jī)制研究，才能為有效解決應(yīng)用難題，發(fā)展秸稈覆蓋技術(shù)，提供理論支持。

(2)秸稈覆蓋措施的區(qū)域適用性及評(píng)價(jià)，制定秸稈覆蓋技術(shù)規(guī)程，因地制宜科學(xué)推廣秸稈覆蓋技術(shù)。秸稈覆蓋效果受氣候、作物和管理措施等因素的影響，其作用效果具有較大空間變異性，所以在不同地區(qū)可選取具有代表性地塊長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)土壤質(zhì)量、作物產(chǎn)量和病蟲(chóng)草害變化，并評(píng)估機(jī)具的適用性，優(yōu)化秸稈還田技術(shù)規(guī)程，促進(jìn)相關(guān)機(jī)械的升級(jí)。如秸稈帶狀覆蓋措施的提出，有效解決了對(duì)作物出苗率的影響，但此類研究多集中在特定的區(qū)域，且沒(méi)有形成統(tǒng)一的定量化結(jié)論，覆蓋技術(shù)可能不具有普適性，在今后的研究中仍需加強(qiáng)該方面的研究，促進(jìn)秸稈還田措施的推廣應(yīng)用。

(3)秸稈覆蓋及播種等相關(guān)機(jī)械的研制與改進(jìn)。機(jī)械研發(fā)是秸稈覆蓋技術(shù)廣泛推廣應(yīng)用的核心環(huán)節(jié)之一，今后的研究中，應(yīng)加強(qiáng)各科研單位、農(nóng)機(jī)制造企業(yè)和材料研發(fā)企業(yè)的協(xié)同，制定并研發(fā)適合特定區(qū)域、特定作物的機(jī)械配置，開(kāi)展秸稈覆蓋機(jī)具與高性能播種機(jī)核心部件研發(fā)攻關(guān)。

(4)模型研究在科學(xué)研究和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)都有重要意義，秸稈覆蓋是作物生長(zhǎng)模型(如APSIM模型)、水土流失模型(如WEPP模型)的重要參數(shù)，但該參數(shù)也受外界條件影響較大，在今后研究中，需注重開(kāi)展不同條件下的科學(xué)試驗(yàn)，確定模型中秸稈覆蓋系列參數(shù)，以及評(píng)價(jià)相關(guān)模型在不同區(qū)域的適用性。