秸秆还田阻控黑土侵蚀机理及效应

转载自土壤与作物期刊公号（2022年5月31日）

作者简介

张光辉，男，北京师范大学地表过程与资源生态国家重点实验室副主任，地理科学学部教授，博导。主要研究方向为土壤侵蚀过程与机理、植被恢复对侵蚀过程的影响及动力机制、侵蚀退化黑土生态生产功能提升机理与技术。担任中国水土保持学会土壤侵蚀专业委员会副主任，中国水土保持学会科学与技术协作委员会委员，中国水土保持学会崩岗防治专业委员会委员、《International Soil and Water Conservation Research》副主编等。2009年获得第十届全国青年地理科技奖，2012年入选中国科学院“百人计划”。共主持包括2项国家自然科学基金重点项目、2项国家重大研发计划项目课题、1项中国科学院“百人计划”择优支持项目等各类科研项目20余项，发表论文210篇（其中SCI论文96篇），出版专著2部，参编专著5部，论文总引7400余次。

      东北黑土区土壤侵蚀强烈发育，导致黑土地严重退化，直接威胁区域生态安全和国家粮食安全。秸秆还田是黑土区广泛采用的保护性耕作措施，具有明显的阻控土壤侵蚀、抑制土壤退化、提升退化黑土地生态生产功能的作用。本文在系统分析秸秆还田阻控细沟间、细沟、浅沟与切沟侵蚀机理，综合评价秸秆还田水土保持效应的基础上，提出了未来研究亟待加强的重点内容。秸秆还田阻控侵蚀的机理与侵蚀类型直接相关。秸秆覆盖消减降雨动能、抑制土壤物理结皮发育、维持土壤入渗性能、增加地表随机糙率、降低坡面径流流速、减小径流挟沙力和剪切力，是秸秆还田阻控细沟间和细沟侵蚀的直接作用。秸秆分解改善土壤理化性质、促进团聚体发育并提升其稳定性，引起作物生长特性变化，导致细沟间土壤可蚀性和细沟土壤可蚀性降低，土壤临界剪切力增大，是秸秆还田阻控细沟间和细沟侵蚀的间接作用。尽管秸秆还田阻控浅沟和切沟侵蚀的作用不如细沟间和细沟侵蚀那样直接，但仍可通过减小集水区径流侵蚀动力来降低浅沟和切沟发育风险。秸秆还田具有显著的水土保持效应，减流和减沙效益分别为28.0%~95.1%和40.3%~99.7%。但受不同试验条件差异的影响，研究结果可比性较差。未来亟需加强秸秆还田增加地表糙率与径流阻力、降低径流挟沙力水力学机理，土壤抗蚀性能对秸秆还田驱动土壤理化性质变化的响应机制，秸秆还田水土保持效应受土壤类型与坡度的影响及主控因素，秸秆还田阻控侵蚀的长期效应与空间分异，以及秸秆还田技术影响土壤侵蚀过程与机理等研究，为遏制黑土地退化、维持黑土区生态安全、保障国家粮食安全提供理论和技术支撑。

未来研究展望

01

深化秸秆还田阻控土壤侵蚀机理研究

黑土区发育有多种侵蚀类型，秸秆还田阻控不同侵蚀类型的机理存在明显差异。秸秆还田可有效阻控的土壤侵蚀类型主要是细沟间侵蚀和细沟侵蚀，其作用可分为直接作用和间接作用2类。就秸秆还田阻控细沟间侵蚀的直接作用而言，亟待加强秸秆还田增加地表糙率与径流阻力、降低径流流速和挟沙力的水动力学机理研究。对于秸秆还田阻控细沟间侵蚀的间接作用，则需重点强化细沟间土壤可蚀性对秸秆还田导致土壤理化性质变化的响应机制研究; 同时需要深化作物生长特性，尤其是作物盖度、叶面积指数、地上生物量等与消减降雨动能密切相关的参数对秸秆还田的响应研究。秸秆还田阻控细沟间侵蚀的直接作用和间接作用间存在着明显的交互效应，但它们究竟通过何种方式交互，交互作用的大小、动态变化及主控因素等诸多方面尚不明确，需要开展进一步系统研究。

与细沟间侵蚀类似，秸秆还田阻控细沟侵蚀也可分为直接作用和间接作用，尽管在枯落物覆盖、枯落物与表土混合以及根系系统等方面已取得了大量研究成果，但目前真正研究秸秆还田对细沟侵蚀影响的研究还为之甚少。无论秸秆的还田量，还是物质组成、力学特性及分解过程等，都与枯落物和根系存在显著差异，而这种差异势必会影响秸秆还田阻控细沟侵蚀的效应及其动力机制。因此，需要重点研究秸秆还田影响细沟侵蚀动力—径流剪切力的水力学机理，土壤侵蚀阻力(细沟土壤可蚀性与土壤临界剪切力)对秸秆还田的响应与机制，以及秸秆还田阻控细沟侵蚀直接作用与间接作用的交互机理。与细沟间和细沟侵蚀相比，秸秆还田阻控浅沟和切沟侵蚀的功能可能较小。在相同地形条件下，秸秆还田可降低浅沟和切沟发育风险，其核心在于秸秆还田可降低地表径流对土壤的冲刷。因此，研究重点仍是秸秆还田调节地表径流剪切力的水力学机理。

02

加强秸秆还田水土保持效应监测

秸秆还田具有显著的水土保持效益，但不同的研究结果存在明显差异。目前，野外研究的土壤类型以黑土为主，但黑土区分布有多种土壤类型，以典型黑土、黑钙土、白浆土、草甸土、暗棕壤和棕色森林土为主，不同类型土壤的理化性质存在明显差异，因而对秸秆还田的响应可能也存在差异，进而影响秸秆还田对土壤侵蚀的阻控作用。因此，亟需加强不同土壤类型秸秆还田水土保持效应的对比研究。

坡度是影响土壤侵蚀的主要因素，秸秆还田的水土保持效应随坡度增大逐渐降低。但目前研究的坡度范围较小，且大量试验还结合了其他农艺或水土保持措施，因此，进一步分析坡度对秸秆还田水土保持效应的影响，需要设置单因素控制试验，重点研究秸秆还田水土保持效应随坡度的变化规律。

秸秆还田水土保持效应受还田方式的显著影响，但与坡度研究类似，大部分研究并未完全按照控制试验进行，试验处理中包括了诸如免耕、深松、垄作、区田等其他耕作或水土保持措施。尽管在生产实践中为最大限度阻控水土流失、提高作物产量，会将多种耕作和农艺措施与秸秆还田结合使用; 但作为量化秸秆还田水土保持效应的控制试验，应严格按照控制试验的思路进行设计，同时需要统一对照处理，即无秸秆还田、采用传统耕作措施、种植同种作物的坡耕地。唯有这样，不同试验得出的水土保持效应才具有可比性。

03

深化秸秆还田时间效应与空间分异研究

覆盖于地表或混合、深埋于土壤中的秸秆，在微生物作用下逐渐分解，导致秸秆还田阻控侵蚀的功能逐渐发生变化。在季节尺度上，覆盖地表的秸秆阻控侵蚀功能会缓慢下降，混合于土壤中的秸秆作用则逐渐增强。从长时间尺度而言，秸秆还田对土壤理化性质的改善是个缓慢累积的过程。只有当秸秆还田年限足够长之后，土壤性质改变才会变得显著。可见，秸秆还田阻控土壤侵蚀的功能具有明显的季节和多年变化特征，但其变化规律和动力机制尚不清楚，亟需加强研究。

同时，秸秆分解速率受气候特征、地形条件、土壤类型、耕作方式、施肥水平、田间管理措施、土壤侵蚀类型与强度以及秸秆类型、还田方式、还田量等多种因素的综合影响。在整个东北黑土区，这些因素都具有显著的空间变异，受开垦历史、耕作传统、经济水平、机械化程度等因素的影响，即便秸秆全量还田，不同地区或同一地区不同作物的秸秆还田量也存在差异。因此，亟需加强秸秆还田阻控土壤侵蚀效应空间分异特征及其主控因素的研究。

04

促进秸秆还田技术体系凝练

      秸秆还田阻控土壤侵蚀的效应与秸秆类型、还田量以及还田方式密切相关。无论秸秆覆盖还田，还是秸秆旋耕、深翻或深还，秸秆还田消减降雨动能、降低径流剪切力、减小径流挟沙力、改善土壤理化性质以及提升细沟间土壤可蚀性和细沟土壤可蚀性的作用，都是秸秆类型、还田量和还田方式的函数。但目前关于秸秆还田水土保持效应的相关研究，尚未充分量化这些因素对其水土保持效应的影响，不同秸秆类型、还田量及还田方式阻控土壤侵蚀的动力机制尚不明确。如上文所述，秸秆还田阻控土壤侵蚀的效应具有显著的空间变化特征。根据目前的研究成果，尚无法做到因地制宜，根据不同区域具体的气候、地形和土壤等特点，确定适宜的秸秆还田量和还田方式，从而制约了秸秆还田水土保持效应的充分发挥。因此，亟需开展秸秆类型、还田量及还田方式影响土壤侵蚀过程与机理、水土保持效益量化研究，建立秸秆类型、还田量与还田方式和水土保持效应之间的定量关系，从而优化秸秆还田技术，更好地为阻控黑土地土壤侵蚀、防治黑土地退化、提升退化黑土地生态生产功能、维持土地生产力与粮食产能、保障黑土区生态和粮食安全提供理论和技术支撑。

结论

      秸秆还田阻控土壤侵蚀机理与土壤侵蚀类型密切相关。对细沟间侵蚀和细沟侵蚀而言，秸秆还田阻控侵蚀的机制可从直接作用和间接作用两方面分析，秸秆覆盖地表可消减降雨动能、抑制土壤物理结皮发育、促进降水入渗、增加地表随机糙率、降低地表径流流速、减小坡面径流挟沙力和剪切力，是秸秆还田阻控细沟间和细沟侵蚀的直接作用。

      秸秆分解驱动的土壤理化性质改善、土壤有机质增加及由此导致的团聚体发育及其稳定性增强、秸秆养分释放驱动的作物生长特性变化，可引起细沟间土壤可蚀性下降和细沟土壤侵蚀阻力增大，是秸秆还田阻控细沟间和细沟侵蚀的间接作用。

      秸秆还田对浅沟和切沟侵蚀的影响可能显著小于细沟间和细沟侵蚀，但秸秆还田可增加集水区地表随机糙率、减弱坡面径流剪切力，从而降低浅沟和切沟侵蚀发育风险。

      秸秆还田具有显著的水土保持效应，减流和减沙效益分别为28.0%~95.1%和40.3%~99.7%，与秸秆类型、还田方式与还田量以及坡度等因素密切相关。受不同试验条件差异的影响，研究结果的可比性较差。

      未来亟需加强秸秆还田增加地表糙率与径流阻力、降低径流流速和挟沙力等水动力学机理、细沟间土壤可蚀性和细沟侵蚀阻力对秸秆还田导致土壤理化性质变化的响应与机制、秸秆还田阻控侵蚀直接作用与间接作用相对强弱及其时间变化、土壤类型与坡度对秸秆还田水土保持效应的影响与机制、秸秆还田阻控侵蚀的长期效应与空间分异特征及其主控因素，以及秸秆还田技术影响土壤侵蚀过程与机理等方面的研究，为黑土地保护和可持续利用、保障国家粮食安全提供理论和技术服务。

图1  秸秆还田阻控细沟间侵蚀示意图

Fig.1 Diagram for straw return′s mitigation of interrill erosion

图2  秸秆还田阻控细沟侵蚀示意图

Fig.2 Diagram for straw return′s mitigation of rill erosion

引用小贴士

张光辉, 杨扬, 刘瑛娜, 等. 秸秆还田阻控黑土侵蚀机理及效应[J]. 土壤与作物, 2022, 11(2): 115-128. doi: 10.11689/j.issn.2095-2961.2022.02.001.

ZHANG G H, YANG Y, LIU Y N, et al. Mechanisms and benefits of straw return in mitigating black soil erosion[J]. Soils and Crops, 2022, 11(2): 115-128. doi: 10.11689/j.issn.2095-2961.2022.02.001.

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