玉米秸稈覆蓋對喀斯特坡耕地產(chǎn)流產(chǎn)沙過程的影響

潘焰菲 高澤超 徐勤學(xué) 吳攀 方榮杰 張帥普

［關(guān)鍵詞］坡耕地；產(chǎn)流產(chǎn)沙；秸稈覆蓋；人工降雨試驗；喀斯特地區(qū)

［摘要］通過原位小區(qū)模擬降雨試驗，研究玉米秸稈覆蓋對喀斯特坡耕地產(chǎn)流產(chǎn)沙過程的影響，試驗處理分為3種典型小區(qū)（上坡位、中坡位、下坡位）和4種秸稈覆蓋度（0、20%、50%、80%）。試驗結(jié)果表明：秸稈覆蓋能顯著加快地表徑流產(chǎn)流時間，尤其在土層較厚的小區(qū)最為明顯，50%秸稈覆蓋度的地表徑流產(chǎn)流時間顯著提前；秸稈覆蓋能顯著改變徑流系數(shù)大小，尤其在20%覆蓋度時地表徑流系數(shù)降低效果最顯著，同時增加了壤中流，但具有明顯的空間異質(zhì)性；秸稈覆蓋下地表徑流和壤中流徑流強(qiáng)度隨降雨時間的變化過程均表現(xiàn)為先迅速增加后逐步穩(wěn)定，多數(shù)情況秸稈覆蓋能夠有效地降低達(dá)到穩(wěn)定時的地表徑流強(qiáng)度，其中20%覆蓋度時的穩(wěn)定地表徑流強(qiáng)度最小，同時秸稈覆蓋對穩(wěn)定壤中流徑流強(qiáng)度影響的空間異質(zhì)性較大；玉米秸稈覆蓋能夠有效減少喀斯特坡耕地的地表侵蝕量，在50%覆蓋度時減少地表侵蝕量效果最好，且在礫石較多的小區(qū)土壤侵蝕量較小。

［中圖分類號］S157.4［文獻(xiàn)標(biāo)識碼］A［文章編號］1000－0941（2023）03－0020－05

我國西南喀斯特地區(qū)人口多、耕地少，大量喀斯特坡地被農(nóng)民開墾改造成坡耕地。在傳統(tǒng)耕作、植被破壞及化肥農(nóng)藥使用等影響下，坡耕地已成為喀斯特地區(qū)水土流失的主要源地。研究表明，秸稈覆蓋是坡耕地減少土壤侵蝕、蓄水保墑的有效措施之一，能通過增加地表粗糙度減少地表徑流的產(chǎn)生和表面流速［1］，通過增大土壤入滲能力提高壤中流的吸收和儲存［2］等。在喀斯特地區(qū)，強(qiáng)烈的溶蝕作用形成的大量裂隙形成了喀斯特地下巖溶管道，與地表組成了不均勻的“二元結(jié)構(gòu)”，其水文過程與非喀斯特地區(qū)有較大區(qū)別，水土流失方式也更為復(fù)雜。近年來，大量學(xué)者在喀斯特地區(qū)開展了降雨強(qiáng)度、巖石裸露率、地下孔隙度等對坡耕地產(chǎn)流產(chǎn)沙過程的影響研究，但是關(guān)于秸稈覆蓋坡耕地產(chǎn)流產(chǎn)沙過程及其相互關(guān)系的研究成果較少?？紤]到玉米是喀斯特地區(qū)坡耕地的主要作物之一，其秸稈常被當(dāng)?shù)剞r(nóng)民收割后直接覆蓋在坡耕地上，因此研究玉米秸稈覆蓋對喀斯特坡耕地產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響

機(jī)制，對于喀斯特坡地的水土資源協(xié)調(diào)利用具有重要意義。

1材料與方法

1.1試驗區(qū)概況

研究區(qū)位于廣西壯族自治區(qū)宜州市都街村，屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，年均氣溫19.9℃，年均降水量1389.1mm，雨季主要集中在4—9月，為典型的喀斯特峰叢洼地地貌，土壤多為黑色石灰土，一般呈微堿性。在研究區(qū)依托中國科學(xué)院環(huán)江喀斯特生態(tài)系統(tǒng)觀測研究站（東經(jīng)108°18′56″～108°19′58″、北緯24°43′58″～24°44′48″）設(shè)立試驗區(qū)，試驗區(qū)為1塊長20m、寬10m的典型農(nóng)用坡耕地，整體坡度約25°，坡面上主要種植玉米。由于坡面上方土層中礫石含量較高、中部基巖裸露率較高、下部土層連續(xù)且較厚，因此在上、中、下坡位各布設(shè)3個面積2m×1m的觀測小區(qū)，同一坡位的3個小區(qū)作為重復(fù)處理。觀測小區(qū)編號及其土壤性質(zhì)見表1。

1.2試驗設(shè)計

2016年7—9月在各觀測小區(qū)開展了人工模擬降雨試驗，觀測小區(qū)及降雨裝置見圖1。根據(jù)研究區(qū)降雨特征，選擇試驗設(shè)計雨強(qiáng)為90mm/h，每場模擬降雨歷時1h，降雨開始后每3min記錄一次徑流量和侵蝕量，降雨結(jié)束后繼續(xù)記錄直至斷流，計算總的徑流量和侵蝕量。在上、中、下坡位共9個小區(qū)分別進(jìn)行覆蓋度為0、20%、50%和80%共計4輪試驗，共計36場有效降雨。為了保證小區(qū)降雨前含水量一致，每輪降雨試驗時間間隔為6～7d，以保證不同處理間初始含水量基本一致。

試驗開始前在每個小區(qū)的四周開挖到巖石層后用鋁塑隔板與外界隔開，在隔板與小區(qū)之間的縫隙回填稀泥漿以分隔小區(qū)內(nèi)外徑流，減小邊界效應(yīng)。在小區(qū)坡腳處垂直開挖1條長1m、寬0.5m的水渠。在土壤和基巖接界處裝入L形集水槽，集水槽通過塑料管連接到高程較低的翻斗流量計以監(jiān)測壤中流變化，集水槽寬度要略窄于小區(qū)，以保證只收集小區(qū)內(nèi)壤中流，并防止邊界側(cè)漏地表徑流的影響。在離地表約5cm處裝入另一V形集水槽，用塑料管將集水槽連接到翻斗流量計，以收集地表徑流。

1.3秸稈處理

秸稈覆蓋度與秸稈用量之間的換算公式為

MR=-ln（1-MC）/Am（1）

式中：MR為秸稈用量，t/hm2；MC為秸稈覆蓋度，%；Am為折算系數(shù)，取0.38。

經(jīng)計算，各小區(qū)中0、20%、50%和80%秸稈覆蓋度所對應(yīng)的秸稈用量分別為0、150、400、900g。在試驗前將玉米秸稈均勻地切成10cm的小段，用水浸泡24h，使其達(dá)到水分飽和狀態(tài)，以防止其在試驗過程中吸取水分，之后按試驗設(shè)計的覆蓋度將秸稈均勻地覆蓋在小區(qū)表面。

2結(jié)果與分析

2.1秸稈覆蓋對地表徑流的影響

不同秸稈覆蓋度下各小區(qū)地表徑流的徑流系數(shù)和產(chǎn)流時間見表2。從徑流系數(shù)平均值來看，20%和80%覆蓋度時徑流系數(shù)顯著降低，尤其20%覆蓋度時，相比無覆蓋徑流系數(shù)降低了一半左右（49%），而50%覆蓋度時則會增大徑流系數(shù)。從平均產(chǎn)流時間來看，增加秸稈覆蓋度后產(chǎn)流時間均顯著縮短，覆蓋度較高（≥50%）時更為明顯。從不同坡位來看，秸稈覆蓋對徑流系數(shù)和產(chǎn)流時間的影響具有一定的空間異質(zhì)性。相比無覆蓋，20%覆蓋度時中、下坡位的徑流系數(shù)顯著減少，但在上坡位減少不明顯；50%和80%覆蓋度時中坡位和下坡位的徑流系數(shù)均為減少，但在上坡位則有所增加；80%覆蓋度時中坡位的產(chǎn)流時間無顯著變化，僅提前了0.7min，而在下坡位則顯著提前了28.5min。

不同秸稈覆蓋度條件下，不同坡位小區(qū)的地表徑流過程特征存在一定差異（見圖2）。上坡位小區(qū)，無覆蓋時地表徑流強(qiáng)度表現(xiàn)為產(chǎn)流后緩慢增長，降雨40min后達(dá)到穩(wěn)定；秸稈覆蓋后，地表徑流強(qiáng)度的增長速率加快，尤其是50%覆蓋度時急劇增大，20%和80%覆蓋度時穩(wěn)定地表徑流強(qiáng)度分別是無覆蓋時的63%和91%。中坡位小區(qū)，整體來看秸稈覆蓋后徑流強(qiáng)度增長速率明顯變緩，達(dá)到穩(wěn)定徑流狀態(tài)的時間也明顯縮短，且穩(wěn)定地表徑流強(qiáng)度明顯降低，20%、50%和80%覆蓋度時穩(wěn)定地表徑流強(qiáng)度分別是無覆蓋時的50%、59%和53%。下坡位小區(qū)，無覆蓋時地表徑流表現(xiàn)為在降雨開始后迅速增加，在15min左右達(dá)到穩(wěn)定徑流狀態(tài)，20%覆蓋度時地表徑流強(qiáng)度增長緩慢，直到30min左右才達(dá)到穩(wěn)定，50%和80%覆蓋度時地表徑流強(qiáng)度增長迅速，在10min左右就達(dá)到穩(wěn)定，20%、50%和80%覆蓋度時穩(wěn)定地表徑流強(qiáng)度分別是無覆蓋時的27%、56%和91%。

2.2秸稈覆蓋對壤中流的影響

不同秸稈覆蓋度下，不同坡位小區(qū)壤中流的徑流系數(shù)及產(chǎn)流時間變化見表3。不同坡位小區(qū)的壤中流徑流系數(shù)為0.049～0.392，不同秸稈覆蓋度平均壤中流徑流系數(shù)均明顯高于地表徑流。從平均值來看，相比無覆蓋，20%覆蓋度時壤中流徑流系數(shù)變化不明顯，50%覆蓋度時增大了56.6%，80%覆蓋度時減少了42.0%。上坡位小區(qū)，相比無覆蓋，只有50%覆蓋度時壤中流徑流系數(shù)增加。中坡位小區(qū)，20%和50%覆蓋度時壤中流徑流系數(shù)明顯增大。下坡位小區(qū)，20%、50%和80%覆蓋度時壤中流徑流系數(shù)分別是無覆蓋時的1.25、2.72和1.84倍。從平均產(chǎn)流時間來看，相比無覆蓋，20%覆蓋度時產(chǎn)流時間增加，50%和80%覆蓋度時產(chǎn)流時間平均值則分別是無覆蓋時的74.8%和84.3%。從不同坡位小區(qū)來看，除80%覆蓋度上坡位小區(qū)外，秸稈覆蓋均顯著提前了上坡位和中坡位小區(qū)的壤中流產(chǎn)流時間，但是在下坡位小區(qū)，秸稈覆蓋卻使壤中流的產(chǎn)流時間明顯滯后，20%、50%、80%覆蓋度時產(chǎn)流時間分別為無覆蓋時的2.56、1.46、1.16倍。

秸稈覆蓋能顯著改變?nèi)乐辛鞯膹搅鬟^程特征（見圖3）。上坡位小區(qū)，無覆蓋時徑流強(qiáng)度的前期增長速率較快，在降雨42min之后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，50%覆蓋度時穩(wěn)定徑流強(qiáng)度略高于無覆蓋，而20%和80%覆蓋度時均顯著低于無覆蓋。中坡位小區(qū)，無覆蓋時徑流強(qiáng)度的前期增長速率較快，約在降雨后42min達(dá)到穩(wěn)定速率；秸稈覆蓋后壤中流的前期徑流強(qiáng)度增長速率加快，能更快達(dá)到穩(wěn)定，20%、50%和80%覆蓋度時穩(wěn)定徑流強(qiáng)度分別是無覆蓋時的91%、83%和67%。在下坡位小區(qū)，無覆蓋時徑流強(qiáng)度前期增長速率較快，且較快達(dá)到穩(wěn)定；秸稈覆蓋則顯著增加了穩(wěn)定徑流強(qiáng)度，20%、50%和80%覆蓋度時的穩(wěn)定徑流強(qiáng)度分別是無覆蓋時的1.45、2.27、1.57倍。

2.3秸稈覆蓋對土壤侵蝕的影響

秸稈覆蓋措施可以顯著降低地表侵蝕量（見表4）。20%、50%和80%覆蓋度時平均地表侵蝕量分別為無覆蓋時的20.8%、17.1%和25.8%。上、中、下坡位小區(qū)，20%、50%和80%覆蓋度時地表侵蝕量分別為無覆蓋時的54.8%、40.1%、49.1%，15.7%、13.9%、23.1%和14.9%、12.8%、20.9%。從平均值來看，50%覆蓋度時地表減蝕效果最優(yōu)。

3結(jié)論與討論

試驗結(jié)果表明，秸稈覆蓋能顯著加快喀斯特坡耕地地表徑流產(chǎn)流時間，覆蓋度較高（≥50%）時更為明顯。這與非喀斯特地區(qū)延遲地表產(chǎn)流的結(jié)果相反［3-4］。原因是喀斯特地區(qū)石灰土本身入滲速率較大，產(chǎn)流機(jī)制多為蓄滿產(chǎn)流，秸稈覆蓋度較高會使降雨直接在秸稈表面產(chǎn)流，反而加速了產(chǎn)流。徐勤學(xué)等［5］研究認(rèn)為秸稈覆蓋的效果與雨強(qiáng)密切相關(guān)，在小雨強(qiáng)（63mm/h）下，秸稈覆蓋能延緩地表徑流，但是在大雨強(qiáng)（100mm/h）下，秸稈覆蓋則加快了地表徑流的產(chǎn)流時間并滯后了壤中流的產(chǎn)流時間，有秸稈覆蓋時地表徑流的產(chǎn)流時間是無秸稈覆蓋時的38%～44%，這與本試驗結(jié)果比較接近。

秸稈覆蓋能顯著改變徑流系數(shù)大小，尤其在20%覆蓋度時地表徑流系數(shù)降低效果最顯著，同時增加了壤中流徑流系數(shù)，但具有明顯的空間異質(zhì)性。無覆蓋時試驗區(qū)坡耕地平均壤中流徑流系數(shù)為0.219，顯著高于平均地表徑流系數(shù)，這主要與喀斯特地區(qū)土壤較高的入滲率有關(guān)。CHENetal.［6］研究表明喀斯特坡地的土壤穩(wěn)定入滲率達(dá)42.0～255.0mm/h，而本試驗中降雨強(qiáng)度為90mm/h，土壤入滲速率平均值明顯高于次降雨雨強(qiáng)，因此地表徑流較少，而壤中流較多。無覆蓋時，上坡位小區(qū)的地表徑流系數(shù)顯著低于中坡位和下坡位，這主要是與上坡位基巖裸露率低（＜10%）、地表碎石覆蓋率較高、土層較厚有關(guān)。上坡位大量的地表礫石覆蓋在一定程度上能增加土壤入滲率［7］，減少地表徑流的產(chǎn)生，使得壤中流明顯多于地表徑流。徐勤學(xué)等［5］對喀斯特石灰土的產(chǎn)流產(chǎn)沙過程研究表明，秸稈覆蓋能增大壤中流徑流系數(shù)。林超文等［8］研究了紫色土丘陵區(qū)坡耕地的水土流失過程，得出秸稈覆蓋能顯著增加壤中流（15.4%～156.4%），主要原因是秸稈覆蓋對雨滴的阻攔削弱了雨滴的能量，阻礙了雨滴與土壤表面的直接接觸，減弱了雨滴對土壤團(tuán)聚體的破壞，改善了土壤結(jié)構(gòu)，有利于降雨入滲［9］。

秸稈覆蓋下地表徑流和壤中流徑流強(qiáng)度隨降雨時間的變化過程均表現(xiàn)為先迅速增加后逐步穩(wěn)定。秸稈覆蓋對穩(wěn)定壤中流徑流強(qiáng)度影響的空間異質(zhì)性較大，規(guī)律相對不明顯。秸稈覆蓋對地表徑流過程的影響比較明顯，多數(shù)情況能夠有效地降低達(dá)到穩(wěn)定時的地表徑流強(qiáng)度，其中20%覆蓋度的穩(wěn)定地表徑流強(qiáng)度最小，在中坡位秸稈覆蓋使地表徑流提前達(dá)到穩(wěn)定徑流狀態(tài)，主要原因是中坡位小區(qū)的裸巖率較高，無覆蓋措施時裸巖會增加徑流流速，加快地表結(jié)皮的產(chǎn)生，使地表徑流強(qiáng)度持續(xù)增加，而實施秸稈覆蓋措施后，坡面流速降低，可以保證較高的土壤入滲速率，在降低地表徑流強(qiáng)度的同時更快達(dá)到穩(wěn)定徑流狀態(tài)。

秸稈覆蓋能顯著減少地表侵蝕量，尤其50%秸稈覆蓋度時的減蝕效果最明顯，這與劉柳松等［10-11］的研究結(jié)果相同。秸稈覆蓋減少喀斯特坡耕地地表侵蝕量的主要原因：一方面是秸稈覆蓋能顯著增大地表粗糙度，對泥沙運移起到阻滯作用，減少了產(chǎn)沙量；另一方面秸稈覆蓋能減緩地表徑流，從而降低了徑流轉(zhuǎn)化為侵蝕動力源的可能［12］。試驗中無覆蓋時，上坡位的侵蝕量明顯低于中坡位和下坡位，其原因主要是上坡位小區(qū)土壤具有較大的礫石含量（13.4%），出露在地表的礫石能夠有效減少土壤的出露面積，增大地表的粗糙度，減少雨滴濺蝕，并對徑流泥沙有攔截作用。試驗結(jié)果表明，礫石覆蓋可以減緩坡面水文過程，減小地表徑流速率。

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［作者簡介］潘焰菲（1997—），女，廣西梧州人，碩士，主要從事水土保持與農(nóng)業(yè)生態(tài)方向的研究；通信作者徐勤學(xué)（1982—），男，湖南新寧人，教授，博士，主要從事水土保持與農(nóng)業(yè)生態(tài)方向的研究。［收稿日期］2021-09-18

（責(zé)任編輯李楊楊）

［基金項目］國家重點研發(fā)計劃項目（2016YFC0502403）；國家自然科學(xué)基金項目（41301289）