秸稈覆蓋還田對(duì)坡耕地的保護(hù)作用綜述

程 鵬，廖超林，朱 堅(jiān)，彭 華，簡(jiǎn) 燕，賈金龍

（1. 湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410128；2. 湖南省農(nóng)業(yè)環(huán)境生態(tài)研究所，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部長(zhǎng)江中游平原農(nóng)業(yè)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410125；3. 湘西自治州生態(tài)環(huán)境局保靖分局，湖南 保靖 416500）

化肥農(nóng)藥大量施用是造成農(nóng)業(yè)面源污染的根本原因，也是我國(guó)水環(huán)境污染的主要因素[1-2]。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)中引起的氮、磷、農(nóng)藥及其他有機(jī)無(wú)機(jī)污染物質(zhì)通過(guò)地表徑流、地下滲漏等途徑進(jìn)入環(huán)境水體是農(nóng)業(yè)面源污染的主要來(lái)源。受強(qiáng)降雨的影響，我國(guó)坡耕地水土流失嚴(yán)重。大量氮磷養(yǎng)分通過(guò)水土流失從紅壤坡耕地農(nóng)田系統(tǒng)向環(huán)境水體擴(kuò)散，是山地丘陵區(qū)農(nóng)業(yè)面源污染的主要原因之一，也是當(dāng)前現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展中急待解決的重要問(wèn)題[3]。秸稈還田作為一種保護(hù)性耕作措施，具有培肥土壤、增加土壤養(yǎng)分、減少坡地水土流失等作用。因此，研究坡耕地養(yǎng)分流失規(guī)律與關(guān)鍵節(jié)肥減排技術(shù)對(duì)有效控制坡耕地養(yǎng)分徑流損失、減緩丘陵區(qū)農(nóng)業(yè)面源污染具有重要意義。

1 我國(guó)坡耕地養(yǎng)分流失現(xiàn)狀

1.1 我國(guó)坡耕地資源的分布情況

根據(jù)中華人民共和國(guó)水利部數(shù)據(jù)，我國(guó)現(xiàn)有耕地1.28 億hm2，其中坡耕地有0.24 億hm2，約占全國(guó)耕地總量的1/5。紅壤是在高溫與高濕的氣候條件下母巖經(jīng)過(guò)強(qiáng)烈且徹底的風(fēng)化淋溶過(guò)程形成的，具有“黏、瘦、板、旱、酸”等特點(diǎn)，土壤通透且排水能力強(qiáng)[4]。我國(guó)紅壤主要分布在長(zhǎng)江以南的廣大地區(qū)，包括江西、湖南2 省的大部分地區(qū)及滇南等地，總面積占到全國(guó)總面積的22.7%，地形條件復(fù)雜，多山地丘陵[5]。紅壤坡耕地是我國(guó)南方地區(qū)一種重要的耕地資源類型。該區(qū)域水熱資源優(yōu)越，氣候溫和，雨量充沛，無(wú)霜期長(zhǎng)，生物循環(huán)快，植被生長(zhǎng)迅速，土地再生能力強(qiáng)，肥力易變化，具有極大的生產(chǎn)潛力與經(jīng)濟(jì)價(jià)值[6]。然而長(zhǎng)期以來(lái)由于降雨、不合理的耕作以及不完善的土壤管理措施等的影響，坡耕地水土流失嚴(yán)重，耕層質(zhì)量明顯退化，土壤生產(chǎn)力嚴(yán)重下降，嚴(yán)重制約了紅壤丘陵地區(qū)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[7]。

1.2 我國(guó)坡耕地水土流失現(xiàn)狀

水土流失與農(nóng)業(yè)的面源污染是一個(gè)緊密聯(lián)系的過(guò)程，水土流失既是面源污染發(fā)生的主要形式也是污染物遷移的載體，因此防治水土流失是解決農(nóng)業(yè)面源污染的主要途徑[8]。據(jù)相關(guān)調(diào)查統(tǒng)計(jì)，我國(guó)坡耕地土壤侵蝕量達(dá)到14.15 億t/a，占全國(guó)土壤侵蝕總量的31%[9]。在東北黑土區(qū)，坡耕地土壤侵蝕是當(dāng)前面臨的主要持續(xù)性自然災(zāi)害，坡耕地水土流失面積占總流失面積的80.3%；江西紅壤地每年由于坡耕地流失的表層土可以造耕地8 900 hm2[10]；三峽庫(kù)區(qū)紫色土坡耕地占當(dāng)?shù)馗刭Y源的40%，坡耕地的土壤侵蝕和水土流失是三峽庫(kù)區(qū)泥沙的主要來(lái)源[11]。

2 影響坡耕地養(yǎng)分地表流失的因素

2.1 降雨強(qiáng)度

降雨是影響土壤坡面侵蝕的主要原因之一[1]。降雨強(qiáng)度對(duì)研究區(qū)域土壤流失量的影響最為強(qiáng)烈。在西北黃土高原，每年引起土壤流失的降雨量約占年總降雨量的26.7%，全年最大一次降雨所產(chǎn)生的土壤流失量可占全年總流失量的66.4%[12]。在云南紅壤區(qū)，高雨量、高雨強(qiáng)降雨產(chǎn)流量和產(chǎn)沙量分別占坡耕地的30%和37%[13]；在喀斯特地貌區(qū)，隨著雨強(qiáng)的增大，裸坡地地表徑流產(chǎn)流分配比例由28.24%上升到64.50%。因此，降雨強(qiáng)度是引起坡面產(chǎn)流的主要因素[14]。降雨對(duì)坡面侵蝕的影響主要表現(xiàn)在降雨前期由于雨滴對(duì)土壤表面的打擊，使得土壤顆粒被分散，土壤結(jié)構(gòu)遭到破壞；當(dāng)坡面產(chǎn)流后，由于雨滴與徑流間的擊濺作用，增加了水流流態(tài)的不穩(wěn)定性，加強(qiáng)了徑流對(duì)土壤顆粒的搬運(yùn)與侵蝕能力，導(dǎo)致水土流失加劇[15]。

2.2 地形條件

地形條件主要包括坡長(zhǎng)、坡度、坡型和坡向等，其中坡度對(duì)坡耕地降雨產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響尤為關(guān)鍵。Wu 等[16]對(duì)裸露黃土徑流磷的臨界坡度和臨界降雨強(qiáng)度的影響研究表明，坡面侵蝕與坡度的增加呈正相關(guān)，但并不是一直累積，存在臨界坡度（15°～20°）和臨界降雨強(qiáng)度（90～105 mm/h）。在這里，“臨界坡度”和“臨界降雨強(qiáng)度”分別是指與徑流、侵蝕或養(yǎng)分流失的突然增加或減少有關(guān)的坡度和降雨強(qiáng)度的閾值。劉俏等[8]對(duì)南方紅壤坡地的研究發(fā)現(xiàn)，土壤侵蝕隨著坡度的增加呈增大趨勢(shì)，而TP、TN、NH4-N 和NO3-N 等養(yǎng)分的徑流流失同樣存在較明顯的“臨界坡度規(guī)律”，臨界坡度存在于10.22°～18.55°之間。Li 等[17]的研究也表明，坡度的變化可能會(huì)影響雨水入滲的時(shí)間和速度，從而影響坡地產(chǎn)流過(guò)程中的徑流通量和流速。

2.3 土地利用方式

土地利用方式主要是通過(guò)植被類型、地表覆蓋度、種植模式等來(lái)改變土壤的理化性質(zhì)從而影響土壤的侵蝕度與養(yǎng)分流失。在南方紅壤丘陵區(qū)，不同土地利用方式下坡面年徑流量、徑流系數(shù)均表現(xiàn)為坡耕地＞果園＞撂荒地＞人工草地[18]。在坡面年侵蝕量方面也是坡耕地最高，而撂荒地最低，且坡耕地的侵蝕泥沙增加量比其徑流增加量更為明顯。這是由于坡耕地植被覆蓋率低，導(dǎo)致水土流失嚴(yán)重。汾河流域黃土坡地不同土地利用方式的產(chǎn)流產(chǎn)沙量由大到小排列依次為裸地＞坡耕地＞草地＞喬或灌[19]。青藏高原高寒地區(qū)不同土地利用方式的水土流失情況也表現(xiàn)出類似的趨勢(shì)。在土壤理化性質(zhì)方面，天然草地的土壤理化性質(zhì)均優(yōu)于其他土地利用方式，而坡耕地和當(dāng)年棄耕地的土壤理化性質(zhì)較差[20]。在農(nóng)田與林木系統(tǒng)的比較中，由于人類周期性的耕作與施肥，農(nóng)作物區(qū)域的土壤侵蝕與養(yǎng)分流失量普遍高于林木系統(tǒng)區(qū)[21]。

3 我國(guó)坡耕地氮磷養(yǎng)分流失的主要途徑

3.1 氮素養(yǎng)分流失的主要途徑

氮肥利用率低是農(nóng)田作物生產(chǎn)中的世界性難題，也是我國(guó)農(nóng)田作物生產(chǎn)中的突出問(wèn)題[22]。熊子怡等[23]研究發(fā)現(xiàn)，紫色土旱坡地壤中流氮流失通量占全氮流失通量的72.88%～92.35%，其氮流失形態(tài)主要是以硝態(tài)氮為主，銨態(tài)氮主要通過(guò)地表徑流的方式流失。而代立等[24]對(duì)紅壤坡地的研究表明，徑流輸出占總氮流失量的50.09%～71.67%，地表徑流氮流失的主要形式是硝態(tài)氮，占總氮濃度的63.64%～86.18%，呂玉娟等[25]的研究也證實(shí)了這一點(diǎn)。幾項(xiàng)研究結(jié)果差異的原因可能是由于土壤類型不同所造成的，紫色土旱坡地具有土層薄、易風(fēng)化、質(zhì)地疏松、孔隙度大以及團(tuán)聚結(jié)構(gòu)少的特點(diǎn)，易被侵蝕，且雨季主要產(chǎn)流方式為壤中流（占比高達(dá)70%以上）[26]。氮肥施入土壤后，土壤顆粒會(huì)吸附銨態(tài)氮但幾乎不吸附硝態(tài)氮，導(dǎo)致銨態(tài)氮大量滯留在土壤剖面的上中層，而硝態(tài)氮主要富集在下層[27]，導(dǎo)致以壤中流為主的紫色土硝態(tài)氮主要通過(guò)壤中流流失。紅壤地區(qū)雨季期間雨量充沛且多暴雨，坡耕地受雨水沖刷強(qiáng)烈，水土流失嚴(yán)重[28]。梅雨季節(jié)是南方紅壤丘陵區(qū)的特有雨季，土壤翻耕和施肥等農(nóng)作活動(dòng)往往也集中于這個(gè)時(shí)間，土壤處于松散狀態(tài)，速效氮素含量偏高，容易導(dǎo)致土壤氮素的大量徑流損失[8]。綜上所述，氮素流失主要隨著降雨沖刷以地表徑流或壤中流的方式流失。

3.2 磷素養(yǎng)分流失的主要途徑

土壤中的磷素絕大部分以難溶性的無(wú)機(jī)態(tài)和有機(jī)態(tài)形式存在，有效性低、遷移性差，導(dǎo)致土壤中有效磷供應(yīng)不足，使其成為影響作物產(chǎn)量的主要限制因素[29]。磷素通過(guò)土壤侵蝕、地表徑流、淋溶流失等形式進(jìn)入水體，成為水體富營(yíng)養(yǎng)化的關(guān)鍵限制性因子[30]。Huang 等[29]研究表明，地表徑流對(duì)磷的輸送起主導(dǎo)作用。坡面、雨強(qiáng)、土壤質(zhì)地、施肥條件等都會(huì)影響坡地磷素流失。坡度和降雨強(qiáng)度對(duì)土壤磷素流失影響強(qiáng)烈，因?yàn)榻涤陱?qiáng)度越大，降雨動(dòng)能越強(qiáng)，徑流量越大，這使得表土中容易產(chǎn)生大量疏松的土壤顆粒，最終導(dǎo)致含沙水流顆粒態(tài)磷損失濃度更高[30-32]。在湘南紅壤區(qū)，土壤磷素流失以顆粒態(tài)為主，顆粒態(tài)磷占磷流失總量的96.8%[7]。在紫色土旱坡地，正磷酸鹽主要通過(guò)地表徑流流失，不同處理地表徑流正磷酸鹽流失通量占總流失通量的55.35%～87.49%；全磷主要通過(guò)泥沙流失，泥沙流失全磷含量占比達(dá)63.74%～78.74%[33]。在黃土高原黃壤區(qū)，徑流中損失的磷超過(guò)90%都是顆粒態(tài)磷[16]。高強(qiáng)度、大容量、長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間的暴雨對(duì)徑流、泥沙和養(yǎng)分流失的貢獻(xiàn)顯著[34-35]。綜上所述，磷素流失主要以本底流失為主，泥沙是磷素流失的主要載體[3,36]。

4 保護(hù)坡耕地的節(jié)肥減排措施

坡耕地作為我國(guó)農(nóng)業(yè)的主要生產(chǎn)基地，生產(chǎn)潛力大，氣候條件優(yōu)越。在耕地利用中，由于不合理施肥、不完善的管理措施等造成了嚴(yán)重的水土流失，從而使得耕地質(zhì)量不斷下降，成為了制約坡耕地生產(chǎn)耕作的主要問(wèn)題。加上我國(guó)南方紅壤坡耕地土地較為貧瘠，肥力低，化肥用量大，養(yǎng)分大量流失引起的農(nóng)業(yè)面源污染問(wèn)題也引起了人們的普遍關(guān)注。在坡耕地推動(dòng)節(jié)肥減排措施，降低養(yǎng)分徑流損失，對(duì)提高土地生產(chǎn)能力和作物產(chǎn)量、保護(hù)紅壤坡耕地、控制農(nóng)業(yè)面源污染有著重要作用。

4.1 優(yōu)化耕作栽培方式

目前，保護(hù)坡耕地最為常見(jiàn)也最有效的方式是改變地形或下墊面條件，例如坡改梯、縮短坡長(zhǎng)以及橫坡種植等。

4.1.1 橫坡種植橫坡種植是相對(duì)于目前大多數(shù)農(nóng)民采用的順坡耕作而言的，即犁頭的耕作方向與坡面保持垂直，從而使每條起壟形成一個(gè)個(gè)“小梯田”，起到保土、保水、保肥的作用，進(jìn)而減少坡面的水土流失[37]。與常規(guī)的順坡耕作相比，橫坡種植可減少?gòu)搅飨禂?shù)30.06%～60.17%，提高穩(wěn)定入滲率38.16%～62.13%[38]。

4.1.2 地面覆蓋地面覆蓋能減弱雨水的濺蝕作用，保持水土。目前，常見(jiàn)的有秸稈覆蓋、百喜草覆蓋等。同時(shí)，地面覆蓋可以截留雨水，促進(jìn)雨水下滲，減少?gòu)搅鞯漠a(chǎn)生。與裸露措施相比，水稻秸稈覆蓋可減少?gòu)搅髂嗌?9%的總氮流失量和99.86%的總磷流失量[39]。

4.2 優(yōu)化施肥管理模式

4.2.1 有機(jī)肥配施無(wú)機(jī)肥施肥和耕作的差異對(duì)坡耕地徑流及氮磷流失有重要影響。與單施化肥處理相比，有機(jī)肥與化肥配施能夠降低氮磷流失風(fēng)險(xiǎn)[40]。常見(jiàn)的有機(jī)肥配施秸稈處理不僅可以減少坡耕地的養(yǎng)分流失，還能增加作物產(chǎn)量。與常規(guī)施肥處理相比，稻油輪作模式下秸稈還田配施化肥處理可增加作物年均產(chǎn)量17.5%～28.6%[41]。

4.2.1 減少施肥量過(guò)量施用化肥不僅會(huì)降低肥料對(duì)糧食產(chǎn)量的貢獻(xiàn)，增加農(nóng)戶生產(chǎn)投入成本，還會(huì)造成嚴(yán)重的農(nóng)業(yè)面源污染與大氣污染問(wèn)題[42]。長(zhǎng)期減施化肥或者用秸稈替代部分化肥均能有效降低氮磷流失風(fēng)險(xiǎn)。

5 秸稈覆蓋還田對(duì)坡耕地的保護(hù)作用

農(nóng)作物秸稈富含有機(jī)物質(zhì)和氮、磷、鉀等營(yíng)養(yǎng)元素，將其覆蓋還田，可提高土壤有機(jī)質(zhì)、氮、磷和鉀等養(yǎng)分含量，增強(qiáng)土壤水分的保蓄能力，減少水土流失，增加作物產(chǎn)量等。因此，秸稈還田已成為目前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中普遍采取的耕作處理方式[43-44]。2020 年，我國(guó)秸稈產(chǎn)生量為7.97 億t，農(nóng)作物秸稈綜合利用率為81.68%，秸稈利用主要以直接還田為主，占比35%左右[45]。鑒于秸稈覆蓋還田對(duì)坡耕地的多重保護(hù)作用，在此筆者將其單獨(dú)作為一個(gè)部分進(jìn)行闡述。

5.1 秸稈覆蓋還田可有效控制坡耕地水土流失

在裸坡面降落的雨水直接擊打地表會(huì)形成濺蝕，隨著徑流的形成并擴(kuò)大，從而形成面蝕[2]。地被覆蓋可以保護(hù)坡面，防止徑流的產(chǎn)生，并通過(guò)覆蓋物欄截徑流泥沙，從而有效控制泥沙的產(chǎn)生。秸稈覆蓋作為農(nóng)業(yè)中常見(jiàn)的保護(hù)性耕作措施，可以有效降低雨水對(duì)表層土壤的侵蝕程度，增加地面糙度以及雨水入滲度[46]。Yang 等[47]的研究發(fā)現(xiàn)，與常規(guī)耕作處理相比，當(dāng)秸稈投還田量為2、4 和8 t/hm2時(shí)，可分別減少總徑流量11.74%～28.81%、24.21%～49.67%和38.90%～65.93%。呂凱等[43]的研究也表明，隨著秸稈覆蓋量的增加，泥沙與徑流的有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷和全鉀流失量較常規(guī)耕作處理分別降低了53.97%～82.52%、61.49%～85.56%、44.69～83.75%和52.52～81.79%；徑流量降低了59.94%～68.24%、45.97%～61.16%、59.74%～62.63% 和47.14%～54.29%。秸稈覆蓋減緩了雨水對(duì)表層土壤的沖擊，有利于雨水入滲而減少地表徑流，同時(shí)降低了徑流中泥沙含量，從而避免了土壤養(yǎng)分的流失[48]。不僅如此，隨著秸稈的分解，土壤的物理、化學(xué)和生物學(xué)性狀也可以得到改善，土壤肥力水平也有所提升[49]。

5.2 秸稈覆蓋還田可延緩坡耕地徑流發(fā)生

秸稈覆蓋對(duì)坡耕地徑流有顯著影響。坡耕地徑流的產(chǎn)生時(shí)間不僅僅與降雨強(qiáng)度、坡度有關(guān)，在秸稈還田后，與秸稈入滲率也有關(guān)聯(lián)[46]。降雨強(qiáng)度主要通過(guò)增加入滲-過(guò)量徑流量來(lái)影響產(chǎn)流起始時(shí)間，雨強(qiáng)越大，則降雨的補(bǔ)給越高，徑流就越快產(chǎn)生。坡度通過(guò)改變產(chǎn)流驅(qū)動(dòng)力來(lái)影響產(chǎn)流起始時(shí)刻，坡度越大，攔截雨水的面積就越小，單位面積的驅(qū)動(dòng)力越大，徑流越快發(fā)生。秸稈覆蓋通過(guò)截留雨滴降低了其動(dòng)能，還增加了引水通道，加速了雨水滲入土壤。土壤孔隙度隨著秸稈還田率的提高而增加，提升了土壤含水率，這也延長(zhǎng)了徑流起始時(shí)間[44-45]。Yang等[47]的研究發(fā)現(xiàn)，在降雨強(qiáng)度為120 mm/h、坡度為10°、秸稈摻入率為8 t/hm2時(shí)，對(duì)地表徑流的延遲效果和減流效果最好。

5.3 秸稈覆蓋還田可有效控制坡耕地氮素流失

秸稈還田后通過(guò)腐解作用釋放大量氮素，提高了土壤微生物氮和有機(jī)質(zhì)的含量，使得土壤吸附和固持更多的銨態(tài)氮，及時(shí)補(bǔ)充了農(nóng)田因水土流失損失的氮，進(jìn)而提高了土壤的供氮能力[50]。據(jù)研究顯示，秸稈還田能有效提高氮素利用率，減少氮肥施用量和氮素?fù)p失量[51]。在巢湖地區(qū)，秸稈覆蓋使農(nóng)田土壤徑流量減少30.5%，徑流氮損失量降低27.4%[52]；在黑土地免耕秸稈覆蓋還田和秸稈深翻埋還田處理均可有效改善土壤結(jié)構(gòu)，降低農(nóng)田徑流中氮的養(yǎng)分流失[15]；與傳統(tǒng)耕作處理相比，秸稈覆蓋還田處理的0～10 cm和10～20 cm 土層中1 a 時(shí)間增加的土壤全氮量分別為17.42%和20.53%；與單施化肥相比，秸稈還田配施化肥處理的氮肥淋溶流失損失率降低了30.9%[53]。

5.4 秸稈覆蓋還田可有效控制坡耕地磷素流失

秸稈覆蓋作為我國(guó)坡耕地最為常見(jiàn)的耕作措施，對(duì)減少坡耕地水土流失效果顯著。紅壤坡耕地條件下，有覆蓋措施的梯田模式處理的土壤磷流失量?jī)H為撂荒處理的0.7%[7]；與常規(guī)耕作處理相比，秸稈覆蓋處理的泥沙全磷含量可降低44.69%～83.75%，徑流全磷含量可降低59.74～62.63%[47]。在三峽庫(kù)區(qū)紫色土坡耕地條件下，與常規(guī)施肥和優(yōu)化施肥處理相比，化肥減量配施秸稈還田全磷流失通量下降了29.37%和62.62%，地表徑流正磷酸鹽下降了17.95%和63.67%，壤中流正磷酸鹽下降了38.78%和64.69%；化肥減量配施秸稈還田對(duì)壤中流正磷酸鹽流失的消減效應(yīng)要強(qiáng)于對(duì)地表徑流的[54]。徐國(guó)鑫[33]的研究表明，與優(yōu)化施肥處理相比，秸稈還田處理得土壤正磷酸鹽和顆粒態(tài)磷流失通量可分別降低63.67%和60.28%。

6 小結(jié)與展望

目前，防止坡耕地養(yǎng)分徑流損失的節(jié)肥減排關(guān)鍵技術(shù)措施主要有以下幾種。第一，在坡度較大的坡面上最好采用橫坡種植或坡改梯等工程措施，人為減少陡坡地的坡度與坡長(zhǎng)。第二，在雨季來(lái)臨前或者作物種植前布設(shè)水土保持措施，例如在坡度較大的凹坡或凸坡等重點(diǎn)部位進(jìn)行秸稈覆蓋等，能大幅度削弱強(qiáng)降雨對(duì)坡面的沖刷侵蝕。第三，有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施，秸稈還田也是有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施的一個(gè)重要手段，能有效改善土壤侵蝕程度，提高土壤肥力。第四，宜根據(jù)實(shí)際情況采取少耕或免耕等保護(hù)性措施，尤其對(duì)南方紅壤坡耕地有較好的水土保持效果。

坡耕地養(yǎng)分流失一方面導(dǎo)致土壤退化，土地生產(chǎn)力下降；另一方面造成了河流、湖泊等水體富營(yíng)養(yǎng)化，加劇了農(nóng)業(yè)面源污染。因此，坡耕地水土流失治理是減少我國(guó)水環(huán)境污染的關(guān)鍵。通過(guò)秸稈還田等措施加強(qiáng)對(duì)坡耕地的保護(hù)，減少土壤養(yǎng)分流失，對(duì)于提高我國(guó)南方丘陵坡耕地的產(chǎn)出、緩解我國(guó)農(nóng)業(yè)面源污染現(xiàn)狀有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。