沟毁耕地复垦后原沟道导排水能力及秸秆腐解速率研究

沟毁耕地复垦后原沟道导排水能力及秸秆腐解速率研究

0暗管导排水系统复绿能力中国东北部的黑土区是受洛杉矶高原严重侵蚀的地区。面对东北黑土区侵蚀沟数量增加、多为发展沟等沟道侵蚀加剧的系列问题，黑土区已形成了一系列效果显著的侵蚀沟生态修复措施，主要包括植物封沟、植物为主工程为辅和工程为主植物为辅侵蚀沟治理模式侵蚀沟秸秆填埋复垦总体技术路线为沟底中线布设暗管排水，下层用压实打捆的秸秆填埋，上层覆盖表土，耕地中的侵蚀沟消失，机械自由行走，沟毁耕地再造并垦殖。要达到此复垦目的，填埋后的原侵蚀沟仍处在汇水线上，地表径流汇集的股流需及时渗入土中，并经过秸秆层通过暗管导排出田块，侵蚀沟填埋复垦后导排水能力决定着股流是否在地表重新打出沟，故需对土体垂直入渗能力、暗管导排水能力进行试验测定。其次，秸秆作为有机物必定发生腐解，秸秆腐解速率过快会导致表土塌陷，故需对秸秆腐解速率进行试验测定。构建的暗管导排水系统的导排水能力和秸秆的腐解速率决定着秸秆填埋侵蚀沟复垦的成功与否。本文在复垦后的侵蚀沟处建立观测试验场，对土壤入渗、渗井垂直入渗、秸秆层持水、暗管的排水能力进行系统试验测定，评价复垦后的导排水能力；对填埋不同年限的秸秆进行取样测定，定量评价秸秆腐解速率，并对秸秆填埋侵蚀沟复垦技术实施后的各项功能进行定量评价，为该技术的推广应用提供科学依据。1材料和方法1.1商品粮水土流失区研究地点位于东北典型黑土区中部，黑龙江省海伦市光荣村（47°21′22.52′′N,126°49′56.71′′E），属漫川漫岗典型水土流失区，商品粮核心产区。属于中温带大陆性气候，四季分明，降水集中，近90%集中在5-9月份，多年平均降雨530mm，年均气温1.5℃。光荣村垦殖率达80%，其中坡耕地占90%以上，平均坡度为2.55°，主要作物为大豆和玉米，一年一季，旋耕垄作1.2试验设计1.2.1小型切沟试验区选取光荣村2017年秋收后利用秸秆填埋的1条侵蚀沟复垦示范沟（图1），属发育于横坡垄作耕地中的小型切沟，沟长280m，平均沟宽3m，沟深1.5m，切沟上端与2条分叉的浅沟相连，浅沟长各约100m，延伸到分水岭处，沟尾与横向交叉的一条中型沟连接。汇水区面积8.06hm复垦后的沟道位主要由铺设于沟底中部的暗管、秸秆层以及覆土50cm的表土层组成，沟道位上部与中部设置2个表面积4m1.2.2使用龙河农场填沟秸秆腐解试验场位于黑龙江省引龙河农场（48°45′N,126°36′E），地处小兴安岭南缘丘陵地带，年降雨量在450～550mm，年有效积温2100℃左右，无霜期105～118d。引龙河农场于1999年尝试将多余秸秆打捆填入沟中，最早使用这种填沟方式对沟道进行修复。本研究选取填埋0、3、7、13、20a的秸秆捆进行挖掘，现场测定不同填埋年限秸秆捆的厚度，并对秸秆捆取样，室内测定秸秆容重和组分，换算得到秸秆捆体积、质量及组分含量。1.3秸秆绑定重监测1）土体垂直入渗能力。在光荣村示范沟，分别于2019年5月11日、6月15日、8月15日、9月11日使用双环入渗法2）渗井入渗能力。在光荣村示范沟渗井处使用人工注水法测定，人工向渗井注水，当渗井无法渗水，渗井表面开始积水时，测定地表积水时最大水流量，即注水量为渗井最大入渗量。3）秸秆层持水能力。将风干后的秸秆捆紧实码放在一定空间，然后向内注水，当水刚露出秸秆捆表面时，计算单位体积水量，即为秸秆捆最大储水量；将饱和后的秸秆捆取出，不再有水淋出时，称质量，经体积换算得出秸秆捆的持水能力，之后根据体积换算得出整个秸秆层的持水能力。4）复垦后暗管排水能力。2019年春季使用XYZ-I无动力水土流失监测设备（中国科学院东北地理与农业生态研究所海伦黑土水土保持监测研究站自主研发）全年进行连续监测，每场降雨过后，人工收取集流瓶中水样并测定泥沙量。获得单次和全年累计地表和地下径流量，地表输沙量。5）降雨等气象观测。由距离示范沟300m的中国科学院海伦水土保持监测研究站的气象站获取2019年海伦市光荣村降雨量数据。6）秸秆总量测定。将填埋于地下的秸秆捆挖出，使用皮尺测定其规格，将整捆秸秆带回实验室，洗去秸秆捆中土壤并烘干，测定秸秆的质量及容重。同时测量填埋时未腐解秸秆捆（40cm×50cm×60cm）的质量和容重。7）秸秆组分测定。将秸秆样品进行洗涤烘干，分别使用ADF（酸性洗涤纤维）1.4数据获取及分析通过载波相位差分技术（RTK,Real-timekinematics）测量地理坐标结合无人机摄影，使用ArcGIS软件获得汇水区的等高线和汇水区二维平面图，利用Excel软件进行分析，使用Sigmaplot12.5对数据进行作图。2结果与分析2.1填海沟填充填充，回收后的导排水能力2.1.1侵蚀沟道位的面积和入渗速率汇水区复垦后的原侵蚀沟道位地表土壤的入渗存在季节差异。复垦后的原侵蚀沟道位的面积为840m汇水区坡耕地土壤的入渗速率存在空间差异。除侵蚀沟道面积外，汇水区坡耕地面积为7.976hm2.1.2井渗透能力人工注水试验表明渗井的最大垂直入渗速率为57kg/(min·m2.1.3甘蔗层的保水能力通过人工注水试验发现，秸秆层的持水能力为463kg/m2.1.4复垦沟地表、地下径流特征复垦沟地表径流能否及时导入地下并排出是此项技术的核心，实际降雨的雨强是不均匀的，当雨强过大时，降雨无法通过表层土壤完全入渗，此时将产生地表径流，由于复垦沟到位较周围地势低，径流汇集到复垦后的沟道位形成股流，股流再通过渗井渗入秸秆层，部分汇流未能及时渗入秸秆层，沿沟线排出田面。通过对复垦沟地表、地下径流的监测发现，2019年地表产流仅为19.5t，地下产流达到了418.2t,95.5%的径流通过渗井入渗和土壤垂直入渗进入秸秆层，之后缓慢排出，这大大减少地表径流对表土的冲刷。例如2019年7月一场63mm的降雨（图4），通过地表流出田块的径流量为5m由于地势的原因，雨季径流由原沟道两侧向沟道中间的汇水线汇集，径流将垄沟中的泥沙携带并堆积于沟道复垦位处，整个汇水区的面积为8.06hm2.2氮肥的腐败分解2.2.1秸秆绑的厚度对填埋不同年限的秸秆捆进行取样分析，秸秆捆的厚度、容重、质量、体积均逐年下降，填埋前的秸秆捆厚度为40cm，经过3、7、13和20a的填埋之后，秸秆捆的厚度分别下降为25.2、19.0、13.5和12.0cm（表2），厚度下降率为1.4cm/a。秸秆捆的厚度虽然在不断下降，但下降的速率较缓，即使是腐解最快的前3a，也仅仅下降了14.8cm，年均下降4.9cm,2019年监测沟道线年泥沙沉积厚度为5.8cm，加之每年的旋耕秋整地，这4.9cm的塌陷将会被表土重新覆盖，因此复垦后沟道位不会坍塌，现场仅能看到一条浅的水线（图6），未影响机械横向通行；填埋前的秸秆捆的容重为0.113g/cm2.2.2秸秆组分分布对填埋不同年限秸秆进行取样，测定其半纤维素、纤维素、木质素含量。结果如图7所示，半纤维素腐解最快，新鲜秸秆捆的半纤维素占总秸秆组分的29.9%，秸秆经过3、7、13、20a填埋之后，半纤维含量分别下降为15.5%、8.9%、3.8%、3.5%；纤维素腐解较慢，新鲜秸秆捆的纤维素占总秸秆组分的39.4%，秸秆经过3、7、13、20a填埋之后，纤维素含量分别下降为34.6%、33.4%、28.6%、26.8%；木质素几乎不腐解，新鲜秸秆捆的木质素占总秸秆组分的26.8%，秸秆经过3、7、13、20a填埋之后，木质素含量分别上升为32.1%、35.0%、36.9%、38.8%，木质素含量上升，主要是由于其他易分解的物质被腐解，导致剩下的秸秆中木质素含量变高秸秆腐解主要分为2个时期，第1个时期，较容易分解的物质腐解，这个阶段主要由土壤微生物发挥作用，大约进行1～2a；第2个时期，不易分解的物质缓慢分解，这个阶段主要进行一些物理、化学作用3成为侵蚀沟秸秆回填的关键1）基于渗井+暗管的导排水系统能够将90%以上的沟线处的汇流通过地下导排出田块，有效地削减了汇流冲刷地表，避免了复垦后沟道位再次冲刷成沟，是保证侵蚀沟