玉米茎秆汁液对黄土坡面产沙速率的影响及原因分析

王 涛, 魏 霞, 苏辉东, 叶永铸, 彭海鑫, 黄青能, 何志文

(兰州大学 资源环境学院, 兰州 730000)

在产汇流等水文过程中，水土流失经常发生。水土流失会导致土地资源退化，给经济社会带来严重的危害[1-2]。对农业土壤的治理，以工程措施(如灌排制度)、土壤改良措施(如化学改良剂、有机改良剂、生物改良剂等)和耕作措施为主。土壤改良剂能改变土壤的理化性质，改变其水保能力，具有投入少、周期短或见效快等优点，成为较热门的课题[3-6]。Ekwue[7]和Celik[8]等指出施用不同的化学性质的有机质会导致不同的土壤抗剪切强度。而且Ekwue[9]发现施用源于某些草类的有机质增强了土壤抗剪切强度。已有研究结果表明：聚丙烯酰胺(Polyacrylamide 以下简称PAM )不但能有效地维护土壤团聚体的结构，而且能形成新的团聚体，PAM与水相互作用形成的粘聚作用力能有效地缓解雨滴对土壤表面打击并抑制结皮的形成，从而可以增加土壤的入渗能力，减少地表径流，防止水土流失[10-14]。但是其合成过程和降解过程都会产生额外的化学危害物质，对环境和人造成一定的负面影响[15-16]。魏霞等[17]通过研究发现：纯天然的玉米茎秆汁液也具有显著减流、减沙作用，其生产提取过程以及降解过程都无危害物质产生，对环境和人都不会造成负面影响，而且其获取便捷，成本低廉。但是其研究尚未揭示玉米茎秆汁液作为土壤改良剂具有显著减流、减沙作用的原因。鉴于此，本文分析添加玉米茎秆汁液对土壤理化性质和坡面产沙速率的影响，研究其内在相关性，并对玉米茎秆汁液减沙作用的原因进行分析与探讨。

1 试验材料与方法

1.1 试验土选取

供试验的土壤取自甘肃省水土保持科学研究所试验园区窦家山上，地理位置为103°56′40″E，36°01′37″N，海拔1 544.5～1 847.5 m。属于黄土丘陵沟壑区第五副区，地貌特征以梁状黄土丘陵为主，该土壤在当地分布广泛，是容易发生侵蚀的典型性土壤，能基本反映黄土丘陵沟壑区第五副区的土壤侵蚀状况。土壤为黄土母质上发育而成的灰钙土，质地疏松、多孔，湿陷性强，pH值约7.5～8.5。

1.2 试验土样处理

试验土样的处理：选取该地区天然的表层土壤(0—10 cm)为试验土，试验土壤经过1 cm的筛子，去除植物根系及其他杂质，风干后的土壤叫做风干试验土，其具体的理化性质见表1。将风干试验土装填满3个槽车，然后再在各槽车土壤表面均匀撒上2 000 ml的蒸馏水、25%玉米茎秆汁液和50%玉米茎秆汁液，自然静置24 h后，用于试验。将风干试验土装填满第4个槽车，撒上25%玉米茎秆汁液，经过一个冬季的冻融降解后，用于试验。形成的4种试验处理土样分别记为control，25%，50%，25%冻后。经过一个冬季的冻融降解后，玉米汁液的冻融降解、挥发、下渗等因素导致土样中的玉米茎秆汁液浓度降低，所以25%冻后处理的土样玉米茎秆汁液浓度应该介于对照和25%之间，所以玉米茎秆汁液浓度应该是control<25%冻后<25%<50%。土壤含水率的测量采用烘干法，土壤团聚体采用湿筛法。各种试验土的理化性质见表1。

表1 供试土壤理化性质

1.3 供试验用的玉米茎秆汁液的获取

供试验用的玉米茎秆汁液来自于当地的玉米秸秆中的汁液的榨取。选取生长成熟的青玉米秸秆，去掉叶子和根，榨取茎秆中的汁液获得玉米茎秆汁液(表2)，玉米茎秆汁液的有机质含量为32 g/kg。

表2 供试玉米茎秆汁液的主要成分组成 mg/kg

1.4 人工模拟降雨试验

本试验在甘肃省水土保持科学研究所实验室内进行，试验所选用土槽尺寸为长1.2 m，宽0.8 m，高0.4 m。为了尽可能减小边壁效应，填土时，槽子边缘土壤的装填要十分仔细，压的更为密实，土面略低于槽车的边壁高，保证溅蚀时的水滴不会溢出槽车。槽车上层0.2 m是试验有效土壤层，下层0.2 m是为了保证试验土的透水状况接近天然坡面。槽车底部均匀布设小孔，保证底层水分可以下渗。本次试验的设计坡度为15°固定不变。试验用的降雨器为美国Norton人工模拟降雨器，喷头型号为Veejet 80100。该系统由美国农业部(USDA)和美国土壤侵蚀研究所共同开发，使用先进的振荡式原理人工模拟自然条件下的降雨情况来研究土壤在降雨条件下发生的侵蚀。

降雨试验采用的雨强分别为50，25，75，100 mm/h的连续降雨方式进行模拟降雨。相应的降雨历时为60，20，10，10 min(共100 min)，泥沙的收集间隔时间分别为5 min(11个样)，10 min(2个样)，3 min(3个样)，3 min(3个样)。收集到的泥沙处理方式是先静置1周，倒掉上层清液，然后自然风干，称取剩余泥沙的质量[18]。

2 结果与分析

2.1 不同处理土样的产沙的特征分析

图1为不同玉米茎秆汁液处理土样的产沙的特征变化图。产沙速率随着降雨强度的增大而增大，当降雨强度为25 ml/h时，产沙速率最小，只有约0.7 g/min，当降雨强度为100 ml/h时，产沙速率最大可以达到16 g/min。从中可以很直观地看到从上到下的4条产沙速率—降雨历时曲线(雨强曲线除外)，依次为control曲线、25%冻后曲线、25%曲线、50%曲线，所以产沙速率也是control>25%冻后>25%>50%。因为control>25%冻后>25%，所以25%玉米茎秆汁液在经过一个冬季的冻融降解后，其减沙作用有所减小，可能是由于玉米汁液的冻融降解、挥发、下渗等因素导致土样中的玉米茎秆汁液浓度降低。因为control>25%冻后>25%>50%，所以添加玉米茎秆汁液对产沙速率是有明显的抑制作用的，而且随着土壤中添加的汁液浓度的增加抑制作用越强。

图1不同玉米茎秆汁液处理土样的产沙的特征变化

为了量化减沙作用的效果，引入减沙百分比(各种试验土下的产沙速率与control的产沙速率的差值占control的产沙速率的百分比[17])。结果如表3所示。

表3 各试验土下的减沙百分比 %

从表3可以看出，添加玉米茎秆汁液后减沙效果都是明显的，当雨强为25，50，75，100 mm/h时，25%冻后土样减沙百分比分别为68.7%，12.3%，39.3%，39.9%；25%汁液处理土样减沙百分比分别为71.1%，25.6%，47.0%，63.3%；50%汁液处理土样减沙百分比分别为72.0%，64.4%，55.9%，63.7%。在各种相同雨强(50，25，75，100 mm/h)下，减沙百分比均有50%>25%>25%冻后，这说明随着土壤中玉米秸秆汁液浓度的增加，减沙百分比越大。其中当施加50%浓度的玉米茎秆汁液、雨强为25 ml/h时，减沙百分比最大为72.0%。当雨强相同时候，减沙百分比50%>25%；当同一种浓度玉米汁液的时候，减沙百分比最大的是25 mm/h，接近70%的减沙效果，虽然在25 ml/h的降雨强度下，产沙速率较小，但是减沙百分比是最大的，达到70%以上，其次是大雨强100 ml/h的减沙百分比也较大，产沙速率也较大。

2.2 汁液浓度-土壤有机质-土壤团聚体-产沙速率的相关关系分析

2.2.1 产沙速率与土壤团聚体的关系分析 根据以往研究结果，团聚体的粒径分布和稳定性，是预测土壤抗侵蚀能力的良好指标。有机质对团聚体水稳性具有显著的影响。所以本研究重点分析土壤团聚体和有机质对产沙速率的影响，通过研究发现>0.25 mm团聚体含量与产沙速率具有显著的线性相关性，其结果如图2所示。

图2 产沙速率与土壤团聚体含量百分比的关系

从图2可以看出，在4种设定的雨强(25，50，75，100 ml/h)下，>0.25 mm土壤团聚体含量都与产沙速率具有显著的线性相关性，其线性拟合方程分别为y=-0.0815x+1.4063，y=-0.0198x+3.7083，y=-0.0757x+7.4486，y=-0.02525x+22.17。其可决系数R2分别为0.945 5，0.942 2，0.970 5，0.943 8，都通过了0.01的显著性检验。所以随着>0.25 mm土壤团聚体增加，坡面产沙速率是呈显著的线性减少趋势。产沙速率随着雨强的增加而增加，随着>0.25 mm土壤团聚体含量的增加而减小。所以>0.25 mm土壤团聚体起到了减沙的作用。

2.2.2 土壤团聚体和有机质的关系分析 从图3A可以看出>0.25 mm团聚体的含量是与土壤中的有机质含量显著线性相关的。其线性拟合方程为y=0.9772x+4.6957，其决定系数R2为0.977 2，通过了0.01的显著性检验。所以>0.25 mm土壤团聚体总含量与有机质是呈线性正相关的，即>0.25 mm土壤团聚体总百分比越高，土壤有机质含量也会相应增加，这说明玉米茎秆汁液同步改变了土壤的有机质含量与>0.25 mm土壤团聚体总百分比。4种试验土样的处理(control，25%冻后，25%，50%)，土壤中的玉米茎秆汁液是一个增加的过程，而也正是土壤团聚体和有机质增加的过程，所以玉米茎秆汁液的添加，同步改变了土壤中的有机质和>0.25 mm土壤团聚体，从而起到了减沙作用。

图3B是土壤>0.25 mm土壤团聚体的各粒径团聚体的分布与有机质的变化关系图，从图3B可以看出添加玉米茎秆汁液以后变化最显著的是>5 mm的土壤团聚体的含量变化，由施加前的5%左右增加到30%左右，变化幅度最大。其中>0.25 mm和2.0～1.0 mm团聚体的变化与有机质的变化趋势较为一致。1.0～0.5 mm和0.5～0.25 mm的50%土样有所减少，不大一致。但是综合而言，>0.25 mm团聚体的含量与土壤中的有机质含量是具有显著线性相关性的。

图3 汁液浓度、土壤团聚体、土壤有机质变化

2.3 讨 论

已有研究表明团聚体的粒径分布和稳定性极大地影响着土壤的物理性质和土壤中发生的各种过程[18-19]。团聚体稳定性影响着土壤入渗、结皮、产沙等土壤侵蚀的各个过程，是预测土壤抗侵蚀能力的良好指标[20-22]。有机质对团聚体水稳性的影响已经被广为认识[7-8,23-24]。而本试验通过对各种理化性质的变化研究发现，施加玉米茎秆汁液明显改变了土壤有机质含量与土壤水稳定性团聚体的含量，跟土壤产沙速率相关关系显著，增加了>0.25 mm土壤团聚体的含量和有机质含量，是玉米茎秆汁液作为添加剂的减沙作用的内因，与以往研究一致。魏霞等[17]通过研究发现：纯天然的玉米茎秆汁液具有显著减流、减沙作用。本文进一步证实了玉米茎秆汁液是通过增加土壤中有机质和>0.25 mm的团聚体实现减沙作用的。以往研究表明，茎秆汁液中有机物(特别是可溶性糖)和钙离子含量等也可能对团聚体稳定性起很大作用。对此应有进一步试验(如水配溶液，改变溶液组成)，确定汁液各组分对减沙的影响，从而进一步揭示玉米茎秆汁液对黄土坡面产沙速率影响及其机理。

3 结 论

(1) 添加玉米茎秆汁液对产沙速率是有明显的抑制作用的，玉米茎秆汁液通过增加土壤中>0.25 mm 的团聚体和有机质实现减沙作用的。

(2) 4种处理后的土样中>5 mm 的土壤团聚体和有机质是显著线性相关的，通过了0.01的显著性水平。在各种试验雨强下的产沙速率与>0.25 mm 的土壤团聚体、有机质都具有显著线性负相关关系，通过了0.01的显著性检验。

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