我国作为农业大国,农作物秸秆总产量高达104亿t/a,其中玉米秸秆、稻草和麦秆占比较大,分别为32.5%,25.1%,18.3%^[13]。目前秸秆主要通过堆肥、制备饲料、建材和直接还田等方式进行资源化利用,但在实践中,由于劳动力成本提高、秸秆利用技术不成熟等原因,作物秸秆资源化利用率低,焚烧、随意丢弃等现象仍然长期存在^[14],如2018年卫星遥感共监测到全国秸秆焚烧火点7 647个^[15]。秸秆覆盖还田不仅可以降低劳动力成本,而且可以培肥地力,具有良好的社会、经济效益和生态效益,值得大面积推广应用。秸秆覆盖根据作物来源可以分为玉米秸秆覆盖、小麦秸秆覆盖、水稻秸秆覆盖等。

根据秸秆覆盖形式可分为整杆覆盖和秸秆粉碎覆盖^[16]。整杆覆盖指在作物收获的同时覆盖整秸秆,适合机械化水平低或风大的地区。秸秆粉碎覆盖通常指使用配有秸秆粉碎装置的谷物联合收割机,在收获作物的同时将秸秆粉碎(5～10 cm)后抛撒覆盖在地表的过程,但遇大风时秸秆易随风移动,降低覆盖效果。后有研究指出粉碎与留茬结合,可有效避免这一问题,在收获时地表留茬16～20 cm,其余秸秆粉碎抛撒于地表,这样留茬可以固定秸秆,防止秸秆漂移,适用于水稻田或容易产生水土流失的坡耕地上^[17]。

秸秆可直接覆盖于地表,也可经旋耕后与土壤达到不同程度的混合,覆盖于地表又可根据地表秸秆覆盖度分为全覆盖和部分覆盖。秸秆全覆盖是指将作物秸秆均匀地覆盖于地表,地表秸秆覆盖率为100%,可最大面积保护地表土壤,但可能会对下季作物播种及土壤温度产生影响; 秸秆带状覆盖是一种局部覆盖方式,地表秸秆覆盖率小于100%,可在一定程度上减轻秸秆全覆盖对播种及地温产生的不良影响。根据覆盖量可划分为全量覆盖、非全量覆盖,对于秸秆覆盖度和覆盖量的选择,应当结合作物、气候和土壤类型等因素,因地制宜地利用作物秸秆。

土壤水分蒸发指水蒸气从土壤表面进入大气的过程,是土壤水分无效损失的主要途经,受到包括温度、湿度、风速和大气压等在内的多种因素控制。秸秆覆盖相当于给土壤表面添加天然保护层,通过减少土壤空气与大气间的水分交互通道以及到达地面的太阳辐射,抑制土壤蒸发,保蓄土壤水分,提高土壤水分利用效率^[18-20]。关于秸秆覆盖对土壤水分蒸发影响的研究主要在我国西北、华北等地区开展,研究内容多集中不同覆盖材料、覆盖量、覆盖方式等对蒸发影响^[19,21-23](表1)。田间微型蒸发仪是土壤棵间蒸发研究的常用装备,陈素英等^[24]用自制的微型蒸发仪在华北地区开展了不同秸秆覆盖量对冬小麦田棵间蒸发影响的研究,发现秸秆覆盖有效抑制土壤蒸发,在冬小麦生育期内,少覆盖处理(3 000 kg/hm²)比对照平均减少了21%,多覆盖(6 000 kg/hm²)减少了40.4%,但由于覆盖处理导致春季土温回升缓慢,推迟了小麦生育期,加上后期的干热风,造成覆盖处理的冬小麦减产 4.1%～10.4%。而刘超等^[25]在陕西杨凌示范区研究不同秸秆覆盖量对土壤蒸发的影响表明,秸秆覆盖量在6 000～9 000 kg/hm²范围时,保墒效果和玉米增产效果明显,此外于庆峰等^[22]认为玉米秸秆覆盖可通过调节土壤水肥气热,在抑制土壤棵间蒸发的同时提高玉米产量,其中10 t/hm²为秸秆覆盖量阈值,超过该覆盖量后土壤蒸发抑制作用呈减弱趋势,而玉米增产作用趋于稳定。由此可见,秸秆覆盖对田间水分无效蒸发有良好的抑制效应,但是其对作物产量的影响因气候、土壤类型、管理措施等条件的不同变异性较大,因此明晰秸秆覆盖对作物产量和土壤水分影响的作用机制,探索适合当地气候地理条件的最佳秸秆覆盖量及其覆盖方式,对抑制土壤蒸发提高作物产量具有重要意义。

表1 秸秆覆盖对土壤蒸发影响研究进展

秸秆覆盖方式是影响土壤水分蒸发的重要因素之一,不同的覆盖形式对水分蒸发的影响不同。柏会子等^[21]对比了秸秆粉碎(2 mm)施入土壤和秸秆覆盖还田对土壤蒸发的影响,表明秸秆覆盖还田对土壤蒸发有明显抑制作用,秸秆粉碎与土壤混合因增加土壤孔隙含量,而提高了土壤蒸发能力。强小嫚等^[26]通过大田试验发现留茬结合小麦秸秆覆盖相较于单纯秸秆覆盖对棵间蒸发的抑制效果好,尤其在连续强降雨后土壤含水量升高,其抑制效果更为明显。土壤蒸发现象能够持续进行与深层土壤水分在土水势梯度下向表土的转运有关,秸秆地下覆盖可降低深层土壤水分蒸发,有效阻隔水盐上行^[27-28],近年来逐渐受到关注。赵永敢等^[23]开展了室内土柱模拟试验,表明秸秆隔层处理土壤累积蒸发量比均质土低75.07%～95.42%,表层覆膜+秸秆隔层的控盐、抑制蒸发的效果最为明显。周长泉等^[29]研究了双层秸秆不同层位覆盖对土壤水分蒸发的影响,发现上层埋深8 cm结合下层埋深30 cm的双层秸秆覆盖模式可有效减小土壤水分蒸发。可见关于秸秆覆盖对土壤蒸发影响的研究面在逐渐拓展,由秸秆表层覆盖到秸秆地下覆盖,由秸秆单一覆盖,到秸秆—地膜二元覆盖,但关于秸秆覆盖对土壤蒸发过程、调控机理的探索较少,且研究结果随空间、时间和试验条件的变异性较强,全面认识土壤蒸发发生规律、明晰秸秆保水效应影响因素及其在整个土壤水分蒸发过程中发挥的作用还有待进一步研究,这也是今后研究的重点。

水分入渗是水循环和转化的一个重要过程,受到地形、雨强、土壤性质(土壤含水量、土壤糙率和土壤质地)等因素的影响。降雨条件下,土壤水分入渗作用与产流息息相关,雨滴溅蚀作用会破坏地表土壤结构,堵塞土壤孔隙,抑制土壤入渗,促进地表径流的产生,而秸秆覆盖可以保护地表土壤免受雨滴的直接打击,增加地表糙度,减缓地表径流流速,延长水土相互作用的时间^[30],促进土壤水分的入渗。研究表明,黄土坡面免耕秸秆覆盖下的土壤入渗速率为传统耕作的1.4倍,平均径流系数减少97.49%^[31]; 对南方赤红壤进行稻草秸秆覆盖,其入渗率与无覆盖处理相比可提高32%^[32]。王晓燕等^[33]研究了华北地区秸秆覆盖对土壤入渗的影响,发现秸秆覆盖可将土壤稳定入渗率提高1.1倍并可延缓地表径流的产生。可见尽管土壤类型不同,秸秆覆盖也达到了相应的提高入渗、减少径流产生的效果。

秸秆覆盖量、覆盖方式是影响土壤入渗的主要因素,通常情况下秸秆覆盖量越高,径流开始的时间和土壤含水量达到饱和的时间越晚,且稳定入渗率越高^[33],但秸秆覆盖达到一定厚度后,会在一定程度上阻碍部分水分的入渗,从而造成水分的无效蒸发 ^[22]。赵永敢等^[23]探索了秸秆地下覆盖对土壤水分入渗的影响,结果表明秸秆隔层处理与无秸秆隔层相比入渗速率降低了70%,具有明显阻渗作用,但秸秆隔层通过抑制潜水蒸发和返盐,提高了土壤含水量。可见秸秆覆盖对水分入渗影响并非总是正效应,因此有必要综合多因素探讨秸秆覆盖的最佳用量和施用方式,并基于整个农田系统来综合评价秸秆覆盖处理的保水效果。目前关于秸秆覆盖对土壤入渗的影响多通过固定雨强的人工模拟试验来探索^[31-33],且多集中在秸秆覆盖量和覆盖方式等方面,而水分入渗的发生、发展过程以及结果受到雨强、雨型、降雨历时和土壤含水量等因素的影响与制约,尤其在自然降雨条件下,雨强并不是稳定的,雨型是变化的,固定雨强的人工模拟降雨试验不能很好地反映自然状态下水分入渗发生规律。刘立晶等^[34]通过人工模拟降雨方法研究了不同雨型(小雨、中雨和大雨)条件下秸秆覆盖处理对0—20 cm农地水分入渗的影响,结果表明秸秆覆盖对雨水入渗有暂时的阻隔作用,不同雨强下秸秆覆盖的阻滞入渗作用出现的土层不同,中雨后秸秆阻滞入渗作用表现在5—20 cm土层,大雨后阻滞入渗作用出现在10—20 cm土壤,但这种阻隔作用会随雨强的增加而减弱。刘战东等^[35]研究表明,同一覆盖处理下土壤水分入渗深度和入渗量随雨强的增大而增大。水分入渗是水从土壤表面进入土壤形成土壤水的过程,量化秸秆覆盖对土壤水分入渗的影响及机理还需要更加微观的研究。

秸秆覆盖对土壤结构的改善也是调控土壤含水量的重要因素,其主要从两方面对土壤结构产生影响:(1)如2.2所述,秸秆覆盖可削弱降雨对土壤的溅蚀作用,防止土壤板结;(2)提高土壤有机质含量,促进良好团聚体的形成^[36]。良好的土壤结构—团粒结构的形成需要土壤黏粒,以及粘结土粒的胶结剂,秸秆覆盖于地表减少了径流对土壤细小颗粒的搬运侵蚀,同时促进有机质积累,使小粒径团聚体向中粒径团聚体转化^[37-38],从而降低了容重,促进了毛管孔隙的形成,促进水分入渗,提高了土壤蓄水能力。如王识然等^[39]研究发现,秸秆覆盖还田处理下土壤容积含水量比未覆盖处理高1.4～1.6倍。杨永辉等^[36]研究表明,有机质与>0.25 mm水稳性团聚体质量分数和土壤稳定入渗速率呈一定的正相关关系。秸秆覆盖对土壤结构的影响涉及到秸秆腐解,关于秸秆腐解过程对土壤其他理化性质的影响,以及分解物参与土壤团聚体形成等物理、化学和生物学过程的机制有待深入研究。

雨滴溅蚀是坡面水力侵蚀的最初阶段,常发生于裸露地表,过程中土壤结构破碎,细颗粒堵塞土壤孔隙,抑制土壤入渗作用,促进面蚀和沟蚀的发生和发展^[40]。在一定径流水深条件下,溅蚀作用还可以增大坡面径流紊动性,增强径流携沙能力^[41]。此外,溅蚀会造成土壤板结,影响作物出苗率。秸秆覆盖对雨滴溅蚀的抑制作用主要体现在两个方面:(1)研究发现雨滴溅蚀率与降雨动能呈显著正相关,秸秆覆盖于地表改变了雨滴击溅的直接作用对象,削弱了降雨动能,从而减少溅蚀的发生^[42]。(2)秸秆还田提高土壤有机质含量,促进良好团聚体的形成^[36],并增强其稳定性,减弱了土壤对雨滴机械打击和消散作用的敏感程度,增强了土壤抗侵蚀能力^[43]。Kukal等^[44]通过人工模拟降雨探究了秸秆覆盖对雨滴溅蚀和降雨入渗的影响,结果表明:与不覆盖处理相比,秸秆覆盖减少了68%的溅蚀量,土壤入渗率比无覆盖处理高54%。

面蚀与沟蚀是水力侵蚀造成土壤流失、土地退化和面源污染的主要发生方式,因此是坡面水力侵蚀防治的重点。地表径流是水土流失的主要驱动力,秸秆覆盖主要通过:(1)促进降雨入渗,减少径流产生;(2)增加地表糙度,影响径流流速和径流剪切力等水力学特征^[45],从而影响坡耕地土壤侵蚀发生发展。李飞等^[46]研究表明天然降雨条件下秸秆覆盖相对常规模式可使东北坡耕地土壤径流量减少94.03%～97.97%,土壤流失量减少90.21%～97.39%。王安等^[47]通过人工模拟降雨试验,研究了秸秆覆盖对黄土坡面土壤侵蚀的影响,结果显示秸秆覆盖最高可减少75%的土壤侵蚀量,若结合高留茬,对土壤侵蚀的抑制作用会更强。白永会等^[32]采用模拟降雨试验的方法,开展了秸秆覆盖对红壤水土流失防控效益和径流剪切力影响的研究,发现秸秆覆盖减流效益达到69.3%,减沙效益达到99.2%,秸秆覆盖和未覆盖的临界启动径流剪切力分别为2.8,1.5 N/m²。可见针对不同的土壤和气候类型,秸秆覆盖均具备很好的防蚀效果。

人工模拟降雨方法可不受时间地点限制,可开展不同处理措施对坡面侵蚀的影响研究,受到研究者的青睐。车明轩等^[48]通过室内人工模拟降雨,探究了紫土坡面秸秆覆盖水土保持作用的影响因素,发现雨强是影响秸秆覆盖保持水土作用的重要因子,与覆盖保水保沙率呈极显著负相关。也有研究^[49-50]认为除雨强外坡度也影响着秸秆覆盖水土保持效果,在陡坡或强降雨(≥100 mm/h)条件下,秸秆覆盖反而会加剧土壤侵蚀。唐泽军^[50]发现,当降雨强度达到100 mm/h时,在较小的坡度上,覆盖坡面土壤流失量与裸土坡面大致相当,而在较大坡度上,覆盖坡面的土壤流失量大于裸土坡度; 当降雨强度达到150 mm/h时,覆盖坡面的土壤流失量在试验设置坡度上均大于裸土坡面。庄晓晖^[51]利用人工模拟降雨,研究了强降雨秸秆覆盖下受犁底层影响的黄土坡耕地产流产沙特征,结果表明,秸秆覆盖在降雨初期促进降雨入渗、延迟了产流起始时间,使耕作层很快饱和。但由于犁底层入渗率低,在强降雨条件下,秸秆覆盖坡面的土壤入渗率在产流之后快速降低,很快达到最小稳定入渗率,最终使得坡面径流量远大于未受到犁底层影响的裸土地面,加剧了侵蚀的发生。可见秸秆覆盖只有在特定的条件下才具备防蚀效果,而在极端降雨条件、陡坡或犁低层存在的情况下反而会加剧侵蚀。

秸秆覆盖的水土保持效果也受覆盖度和覆盖量的影响。杨青森等^[52]通过野外原位人工模拟降雨试验,开展了秸秆不同覆盖量对东北黑土区土壤侵蚀影响研究,发现20 t/hm²的覆盖处理下坡面径流量、产沙量分别减少87%,99.86%,而40 t/hm²的秸秆覆盖处理下坡面无产流。张翼夫等^[53]研究了玉米秸秆覆盖对华北地区农田土壤侵蚀的影响,研究结果显示秸秆覆盖具有很好的水土保持作用,在沙土地的效果优于壤土,30%～60%是水土保持效果和播种效果最佳的秸秆覆盖度。刘柳松等^[54-55]则认为30%是红壤地区较为经济且水土保持效果好的秸秆覆盖度。唐涛等^[56]采用人工模拟降雨试验,研究了秸秆不同覆盖度对西北干旱地区土壤侵蚀的影响,结果表明在覆盖率大于40%条件下水土流失能够得到有效控制,但当覆盖度低于40%时,秸秆覆盖对水土流失的作用不明显。由此可见最佳秸秆覆盖度的空间变异性很大,探索适合特定地区的秸秆覆盖度和覆盖方式,对提高土地生产力,保护生态环境具有重要意义。

坡面水蚀从面蚀过渡到沟蚀后,径流深度、流速及侵蚀力的增加,使土壤颗粒大量损失,严重影响土地生产力和可持续发展能力。秸秆覆盖可通过减小坡面径流的流速,减弱径流挟沙能力以及侵蚀力,从而达到了减少坡面侵蚀量的目的,是沟蚀发展的重要防治措施^[57]。徐锡蒙等^[57]研究认为,秸秆覆盖可有效减少黄土区细沟和浅沟土壤侵蚀量,且玉米秸秆缓冲带覆盖可有效抑制沟头前进,是减少该区土壤侵蚀的有效覆盖方式。覃超等^[58]认为在斜坡长4.5～7.5 m处布设玉米秸秆缓冲带防治侵蚀的效果较好。

在干旱半干旱区,风力侵蚀也是降低坡耕地土壤质量的一个重要因素,秸秆可以保护地表,避免风对地表土壤的直接作用。于爱忠等^[59]采用风洞试验研究了秸秆覆盖对甘肃地区风力侵蚀的影响,认为秸秆覆盖可明显增加地表不可蚀性土壤颗粒,降低风力侵蚀的可能性。刘振东等^[60]对不同覆盖度对风力侵蚀的抑制效果进行了研究,结果显示当秸秆覆盖度为30%,结合留茬措施,抗风蚀效率可达70%～78%。

以上结果表明,秸秆覆盖通过减少地表径流产生,影响地表径流水力学参数,可显著降低耕地水力侵蚀危害,同时也可避免风与地表土壤的直接接触,降低风力侵蚀的发生,保护地表土壤,减少土壤侵蚀量。然而,目前研究多聚焦于秸秆覆盖对土壤侵蚀及径流损失的防控效果,对秸秆覆盖下水力侵蚀发生过程的数量化表达,以及降雨、地形等因素影响下土壤侵蚀发生临界值的研究,以及各因素的互作对秸秆覆盖处理下水力侵蚀的影响机理研究还有待深入。