秸秆覆盖还田对坡耕地的保护作用综述

程 鹏，廖超林，朱 坚，彭 华，简 燕，贾金龙

（1. 湖南农业大学资源环境学院，湖南 长沙 410128；2. 湖南省农业环境生态研究所，农业农村部长江中游平原农业环境重点实验室，湖南 长沙 410125；3. 湘西自治州生态环境局保靖分局，湖南 保靖 416500）

化肥农药大量施用是造成农业面源污染的根本原因，也是我国水环境污染的主要因素[1-2]。农业生产活动中引起的氮、磷、农药及其他有机无机污染物质通过地表径流、地下渗漏等途径进入环境水体是农业面源污染的主要来源。受强降雨的影响，我国坡耕地水土流失严重。大量氮磷养分通过水土流失从红壤坡耕地农田系统向环境水体扩散，是山地丘陵区农业面源污染的主要原因之一，也是当前现代农业发展中急待解决的重要问题[3]。秸秆还田作为一种保护性耕作措施，具有培肥土壤、增加土壤养分、减少坡地水土流失等作用。因此，研究坡耕地养分流失规律与关键节肥减排技术对有效控制坡耕地养分径流损失、减缓丘陵区农业面源污染具有重要意义。

1 我国坡耕地养分流失现状

1.1 我国坡耕地资源的分布情况

根据中华人民共和国水利部数据，我国现有耕地1.28 亿hm2，其中坡耕地有0.24 亿hm2，约占全国耕地总量的1/5。红壤是在高温与高湿的气候条件下母岩经过强烈且彻底的风化淋溶过程形成的，具有“黏、瘦、板、旱、酸”等特点，土壤通透且排水能力强[4]。我国红壤主要分布在长江以南的广大地区，包括江西、湖南2 省的大部分地区及滇南等地，总面积占到全国总面积的22.7%，地形条件复杂，多山地丘陵[5]。红壤坡耕地是我国南方地区一种重要的耕地资源类型。该区域水热资源优越，气候温和，雨量充沛，无霜期长，生物循环快，植被生长迅速，土地再生能力强，肥力易变化，具有极大的生产潜力与经济价值[6]。然而长期以来由于降雨、不合理的耕作以及不完善的土壤管理措施等的影响，坡耕地水土流失严重，耕层质量明显退化，土壤生产力严重下降，严重制约了红壤丘陵地区农业的可持续发展[7]。

1.2 我国坡耕地水土流失现状

水土流失与农业的面源污染是一个紧密联系的过程，水土流失既是面源污染发生的主要形式也是污染物迁移的载体，因此防治水土流失是解决农业面源污染的主要途径[8]。据相关调查统计，我国坡耕地土壤侵蚀量达到14.15 亿t/a，占全国土壤侵蚀总量的31%[9]。在东北黑土区，坡耕地土壤侵蚀是当前面临的主要持续性自然灾害，坡耕地水土流失面积占总流失面积的80.3%；江西红壤地每年由于坡耕地流失的表层土可以造耕地8 900 hm2[10]；三峡库区紫色土坡耕地占当地耕地资源的40%，坡耕地的土壤侵蚀和水土流失是三峡库区泥沙的主要来源[11]。

2 影响坡耕地养分地表流失的因素

2.1 降雨强度

降雨是影响土壤坡面侵蚀的主要原因之一[1]。降雨强度对研究区域土壤流失量的影响最为强烈。在西北黄土高原，每年引起土壤流失的降雨量约占年总降雨量的26.7%，全年最大一次降雨所产生的土壤流失量可占全年总流失量的66.4%[12]。在云南红壤区，高雨量、高雨强降雨产流量和产沙量分别占坡耕地的30%和37%[13]；在喀斯特地貌区，随着雨强的增大，裸坡地地表径流产流分配比例由28.24%上升到64.50%。因此，降雨强度是引起坡面产流的主要因素[14]。降雨对坡面侵蚀的影响主要表现在降雨前期由于雨滴对土壤表面的打击，使得土壤颗粒被分散，土壤结构遭到破坏；当坡面产流后，由于雨滴与径流间的击溅作用，增加了水流流态的不稳定性，加强了径流对土壤颗粒的搬运与侵蚀能力，导致水土流失加剧[15]。

2.2 地形条件

地形条件主要包括坡长、坡度、坡型和坡向等，其中坡度对坡耕地降雨产流产沙的影响尤为关键。Wu 等[16]对裸露黄土径流磷的临界坡度和临界降雨强度的影响研究表明，坡面侵蚀与坡度的增加呈正相关，但并不是一直累积，存在临界坡度（15°～20°）和临界降雨强度（90～105 mm/h）。在这里，“临界坡度”和“临界降雨强度”分别是指与径流、侵蚀或养分流失的突然增加或减少有关的坡度和降雨强度的阈值。刘俏等[8]对南方红壤坡地的研究发现，土壤侵蚀随着坡度的增加呈增大趋势，而TP、TN、NH4-N 和NO3-N 等养分的径流流失同样存在较明显的“临界坡度规律”，临界坡度存在于10.22°～18.55°之间。Li 等[17]的研究也表明，坡度的变化可能会影响雨水入渗的时间和速度，从而影响坡地产流过程中的径流通量和流速。

2.3 土地利用方式

土地利用方式主要是通过植被类型、地表覆盖度、种植模式等来改变土壤的理化性质从而影响土壤的侵蚀度与养分流失。在南方红壤丘陵区，不同土地利用方式下坡面年径流量、径流系数均表现为坡耕地＞果园＞撂荒地＞人工草地[18]。在坡面年侵蚀量方面也是坡耕地最高，而撂荒地最低，且坡耕地的侵蚀泥沙增加量比其径流增加量更为明显。这是由于坡耕地植被覆盖率低，导致水土流失严重。汾河流域黄土坡地不同土地利用方式的产流产沙量由大到小排列依次为裸地＞坡耕地＞草地＞乔或灌[19]。青藏高原高寒地区不同土地利用方式的水土流失情况也表现出类似的趋势。在土壤理化性质方面，天然草地的土壤理化性质均优于其他土地利用方式，而坡耕地和当年弃耕地的土壤理化性质较差[20]。在农田与林木系统的比较中，由于人类周期性的耕作与施肥，农作物区域的土壤侵蚀与养分流失量普遍高于林木系统区[21]。

3 我国坡耕地氮磷养分流失的主要途径

3.1 氮素养分流失的主要途径

氮肥利用率低是农田作物生产中的世界性难题，也是我国农田作物生产中的突出问题[22]。熊子怡等[23]研究发现，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%，其氮流失形态主要是以硝态氮为主，铵态氮主要通过地表径流的方式流失。而代立等[24]对红壤坡地的研究表明，径流输出占总氮流失量的50.09%～71.67%，地表径流氮流失的主要形式是硝态氮，占总氮浓度的63.64%～86.18%，吕玉娟等[25]的研究也证实了这一点。几项研究结果差异的原因可能是由于土壤类型不同所造成的，紫色土旱坡地具有土层薄、易风化、质地疏松、孔隙度大以及团聚结构少的特点，易被侵蚀，且雨季主要产流方式为壤中流（占比高达70%以上）[26]。氮肥施入土壤后，土壤颗粒会吸附铵态氮但几乎不吸附硝态氮，导致铵态氮大量滞留在土壤剖面的上中层，而硝态氮主要富集在下层[27]，导致以壤中流为主的紫色土硝态氮主要通过壤中流流失。红壤地区雨季期间雨量充沛且多暴雨，坡耕地受雨水冲刷强烈，水土流失严重[28]。梅雨季节是南方红壤丘陵区的特有雨季，土壤翻耕和施肥等农作活动往往也集中于这个时间，土壤处于松散状态，速效氮素含量偏高，容易导致土壤氮素的大量径流损失[8]。综上所述，氮素流失主要随着降雨冲刷以地表径流或壤中流的方式流失。

3.2 磷素养分流失的主要途径

土壤中的磷素绝大部分以难溶性的无机态和有机态形式存在，有效性低、迁移性差，导致土壤中有效磷供应不足，使其成为影响作物产量的主要限制因素[29]。磷素通过土壤侵蚀、地表径流、淋溶流失等形式进入水体，成为水体富营养化的关键限制性因子[30]。Huang 等[29]研究表明，地表径流对磷的输送起主导作用。坡面、雨强、土壤质地、施肥条件等都会影响坡地磷素流失。坡度和降雨强度对土壤磷素流失影响强烈，因为降雨强度越大，降雨动能越强，径流量越大，这使得表土中容易产生大量疏松的土壤颗粒，最终导致含沙水流颗粒态磷损失浓度更高[30-32]。在湘南红壤区，土壤磷素流失以颗粒态为主，颗粒态磷占磷流失总量的96.8%[7]。在紫色土旱坡地，正磷酸盐主要通过地表径流流失，不同处理地表径流正磷酸盐流失通量占总流失通量的55.35%～87.49%；全磷主要通过泥沙流失，泥沙流失全磷含量占比达63.74%～78.74%[33]。在黄土高原黄壤区，径流中损失的磷超过90%都是颗粒态磷[16]。高强度、大容量、长持续时间的暴雨对径流、泥沙和养分流失的贡献显著[34-35]。综上所述，磷素流失主要以本底流失为主，泥沙是磷素流失的主要载体[3,36]。

4 保护坡耕地的节肥减排措施

坡耕地作为我国农业的主要生产基地，生产潜力大，气候条件优越。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严重的水土流失，从而使得耕地质量不断下降，成为了制约坡耕地生产耕作的主要问题。加上我国南方红壤坡耕地土地较为贫瘠，肥力低，化肥用量大，养分大量流失引起的农业面源污染问题也引起了人们的普遍关注。在坡耕地推动节肥减排措施，降低养分径流损失，对提高土地生产能力和作物产量、保护红壤坡耕地、控制农业面源污染有着重要作用。

4.1 优化耕作栽培方式

目前，保护坡耕地最为常见也最有效的方式是改变地形或下垫面条件，例如坡改梯、缩短坡长以及横坡种植等。

4.1.1 横坡种植横坡种植是相对于目前大多数农民采用的顺坡耕作而言的，即犁头的耕作方向与坡面保持垂直，从而使每条起垄形成一个个“小梯田”，起到保土、保水、保肥的作用，进而减少坡面的水土流失[37]。与常规的顺坡耕作相比，横坡种植可减少径流系数30.06%～60.17%，提高稳定入渗率38.16%～62.13%[38]。

4.1.2 地面覆盖地面覆盖能减弱雨水的溅蚀作用，保持水土。目前，常见的有秸秆覆盖、百喜草覆盖等。同时，地面覆盖可以截留雨水，促进雨水下渗，减少径流的产生。与裸露措施相比，水稻秸秆覆盖可减少径流泥沙99%的总氮流失量和99.86%的总磷流失量[39]。

4.2 优化施肥管理模式

4.2.1 有机肥配施无机肥施肥和耕作的差异对坡耕地径流及氮磷流失有重要影响。与单施化肥处理相比，有机肥与化肥配施能够降低氮磷流失风险[40]。常见的有机肥配施秸秆处理不仅可以减少坡耕地的养分流失，还能增加作物产量。与常规施肥处理相比，稻油轮作模式下秸秆还田配施化肥处理可增加作物年均产量17.5%～28.6%[41]。

4.2.1 减少施肥量过量施用化肥不仅会降低肥料对粮食产量的贡献，增加农户生产投入成本，还会造成严重的农业面源污染与大气污染问题[42]。长期减施化肥或者用秸秆替代部分化肥均能有效降低氮磷流失风险。

5 秸秆覆盖还田对坡耕地的保护作用

农作物秸秆富含有机物质和氮、磷、钾等营养元素，将其覆盖还田，可提高土壤有机质、氮、磷和钾等养分含量，增强土壤水分的保蓄能力，减少水土流失，增加作物产量等。因此，秸秆还田已成为目前农业生产中普遍采取的耕作处理方式[43-44]。2020 年，我国秸秆产生量为7.97 亿t，农作物秸秆综合利用率为81.68%，秸秆利用主要以直接还田为主，占比35%左右[45]。鉴于秸秆覆盖还田对坡耕地的多重保护作用，在此笔者将其单独作为一个部分进行阐述。

5.1 秸秆覆盖还田可有效控制坡耕地水土流失

在裸坡面降落的雨水直接击打地表会形成溅蚀，随着径流的形成并扩大，从而形成面蚀[2]。地被覆盖可以保护坡面，防止径流的产生，并通过覆盖物栏截径流泥沙，从而有效控制泥沙的产生。秸秆覆盖作为农业中常见的保护性耕作措施，可以有效降低雨水对表层土壤的侵蚀程度，增加地面糙度以及雨水入渗度[46]。Yang 等[47]的研究发现，与常规耕作处理相比，当秸秆投还田量为2、4 和8 t/hm2时，可分别减少总径流量11.74%～28.81%、24.21%～49.67%和38.90%～65.93%。吕凯等[43]的研究也表明，随着秸秆覆盖量的增加，泥沙与径流的有机质、全氮、全磷和全钾流失量较常规耕作处理分别降低了53.97%～82.52%、61.49%～85.56%、44.69～83.75%和52.52～81.79%；径流量降低了59.94%～68.24%、45.97%～61.16%、59.74%～62.63% 和47.14%～54.29%。秸秆覆盖减缓了雨水对表层土壤的冲击，有利于雨水入渗而减少地表径流，同时降低了径流中泥沙含量，从而避免了土壤养分的流失[48]。不仅如此，随着秸秆的分解，土壤的物理、化学和生物学性状也可以得到改善，土壤肥力水平也有所提升[49]。

5.2 秸秆覆盖还田可延缓坡耕地径流发生

秸秆覆盖对坡耕地径流有显著影响。坡耕地径流的产生时间不仅仅与降雨强度、坡度有关，在秸秆还田后，与秸秆入渗率也有关联[46]。降雨强度主要通过增加入渗-过量径流量来影响产流起始时间，雨强越大，则降雨的补给越高，径流就越快产生。坡度通过改变产流驱动力来影响产流起始时刻，坡度越大，拦截雨水的面积就越小，单位面积的驱动力越大，径流越快发生。秸秆覆盖通过截留雨滴降低了其动能，还增加了引水通道，加速了雨水渗入土壤。土壤孔隙度随着秸秆还田率的提高而增加，提升了土壤含水率，这也延长了径流起始时间[44-45]。Yang等[47]的研究发现，在降雨强度为120 mm/h、坡度为10°、秸秆掺入率为8 t/hm2时，对地表径流的延迟效果和减流效果最好。

5.3 秸秆覆盖还田可有效控制坡耕地氮素流失

秸秆还田后通过腐解作用释放大量氮素，提高了土壤微生物氮和有机质的含量，使得土壤吸附和固持更多的铵态氮，及时补充了农田因水土流失损失的氮，进而提高了土壤的供氮能力[50]。据研究显示，秸秆还田能有效提高氮素利用率，减少氮肥施用量和氮素损失量[51]。在巢湖地区，秸秆覆盖使农田土壤径流量减少30.5%，径流氮损失量降低27.4%[52]；在黑土地免耕秸秆覆盖还田和秸秆深翻埋还田处理均可有效改善土壤结构，降低农田径流中氮的养分流失[15]；与传统耕作处理相比，秸秆覆盖还田处理的0～10 cm和10～20 cm 土层中1 a 时间增加的土壤全氮量分别为17.42%和20.53%；与单施化肥相比，秸秆还田配施化肥处理的氮肥淋溶流失损失率降低了30.9%[53]。

5.4 秸秆覆盖还田可有效控制坡耕地磷素流失

秸秆覆盖作为我国坡耕地最为常见的耕作措施，对减少坡耕地水土流失效果显著。红壤坡耕地条件下，有覆盖措施的梯田模式处理的土壤磷流失量仅为撂荒处理的0.7%[7]；与常规耕作处理相比，秸秆覆盖处理的泥沙全磷含量可降低44.69%～83.75%，径流全磷含量可降低59.74～62.63%[47]。在三峡库区紫色土坡耕地条件下，与常规施肥和优化施肥处理相比，化肥减量配施秸秆还田全磷流失通量下降了29.37%和62.62%，地表径流正磷酸盐下降了17.95%和63.67%，壤中流正磷酸盐下降了38.78%和64.69%；化肥减量配施秸秆还田对壤中流正磷酸盐流失的消减效应要强于对地表径流的[54]。徐国鑫[33]的研究表明，与优化施肥处理相比，秸秆还田处理得土壤正磷酸盐和颗粒态磷流失通量可分别降低63.67%和60.28%。

6 小结与展望

目前，防止坡耕地养分径流损失的节肥减排关键技术措施主要有以下几种。第一，在坡度较大的坡面上最好采用横坡种植或坡改梯等工程措施，人为减少陡坡地的坡度与坡长。第二，在雨季来临前或者作物种植前布设水土保持措施，例如在坡度较大的凹坡或凸坡等重点部位进行秸秆覆盖等，能大幅度削弱强降雨对坡面的冲刷侵蚀。第三，有机无机肥配施，秸秆还田也是有机无机肥配施的一个重要手段，能有效改善土壤侵蚀程度，提高土壤肥力。第四，宜根据实际情况采取少耕或免耕等保护性措施，尤其对南方红壤坡耕地有较好的水土保持效果。

坡耕地养分流失一方面导致土壤退化，土地生产力下降；另一方面造成了河流、湖泊等水体富营养化，加剧了农业面源污染。因此，坡耕地水土流失治理是减少我国水环境污染的关键。通过秸秆还田等措施加强对坡耕地的保护，减少土壤养分流失，对于提高我国南方丘陵坡耕地的产出、缓解我国农业面源污染现状有着重要的现实意义。