玉米秸秆覆盖对喀斯特坡耕地产流产沙过程的影响

潘焰菲 高泽超 徐勤学 吴攀 方荣杰 张帅普

［关键词］坡耕地；产流产沙；秸秆覆盖；人工降雨试验；喀斯特地区

［摘要］通过原位小区模拟降雨试验，研究玉米秸秆覆盖对喀斯特坡耕地产流产沙过程的影响，试验处理分为3种典型小区（上坡位、中坡位、下坡位）和4种秸秆覆盖度（0、20%、50%、80%）。试验结果表明：秸秆覆盖能显著加快地表径流产流时间，尤其在土层较厚的小区最为明显，50%秸秆覆盖度的地表径流产流时间显著提前；秸秆覆盖能显著改变径流系数大小，尤其在20%覆盖度时地表径流系数降低效果最显著，同时增加了壤中流，但具有明显的空间异质性；秸秆覆盖下地表径流和壤中流径流强度随降雨时间的变化过程均表现为先迅速增加后逐步稳定，多数情况秸秆覆盖能够有效地降低达到稳定时的地表径流强度，其中20%覆盖度时的稳定地表径流强度最小，同时秸秆覆盖对稳定壤中流径流强度影响的空间异质性较大；玉米秸秆覆盖能够有效减少喀斯特坡耕地的地表侵蚀量，在50%覆盖度时减少地表侵蚀量效果最好，且在砾石较多的小区土壤侵蚀量较小。

［中图分类号］S157.4［文献标识码］A［文章编号］1000－0941（2023）03－0020－05

我国西南喀斯特地区人口多、耕地少，大量喀斯特坡地被农民开垦改造成坡耕地。在传统耕作、植被破坏及化肥农药使用等影响下，坡耕地已成为喀斯特地区水土流失的主要源地。研究表明，秸秆覆盖是坡耕地减少土壤侵蚀、蓄水保墒的有效措施之一，能通过增加地表粗糙度减少地表径流的产生和表面流速［1］，通过增大土壤入渗能力提高壤中流的吸收和储存［2］等。在喀斯特地区，强烈的溶蚀作用形成的大量裂隙形成了喀斯特地下岩溶管道，与地表组成了不均匀的“二元结构”，其水文过程与非喀斯特地区有较大区别，水土流失方式也更为复杂。近年来，大量学者在喀斯特地区开展了降雨强度、岩石裸露率、地下孔隙度等对坡耕地产流产沙过程的影响研究，但是关于秸秆覆盖坡耕地产流产沙过程及其相互关系的研究成果较少。考虑到玉米是喀斯特地区坡耕地的主要作物之一，其秸秆常被当地农民收割后直接覆盖在坡耕地上，因此研究玉米秸秆覆盖对喀斯特坡耕地产流产沙的影响

机制，对于喀斯特坡地的水土资源协调利用具有重要意义。

1材料与方法

1.1试验区概况

研究区位于广西壮族自治区宜州市都街村，属亚热带季风气候区，年均气温19.9℃，年均降水量1389.1mm，雨季主要集中在4—9月，为典型的喀斯特峰丛洼地地貌，土壤多为黑色石灰土，一般呈微碱性。在研究区依托中国科学院环江喀斯特生态系统观测研究站（东经108°18′56″～108°19′58″、北纬24°43′58″～24°44′48″）设立试验区，试验区为1块长20m、宽10m的典型农用坡耕地，整体坡度约25°，坡面上主要种植玉米。由于坡面上方土层中砾石含量较高、中部基岩裸露率较高、下部土层连续且较厚，因此在上、中、下坡位各布设3个面积2m×1m的观测小区，同一坡位的3个小区作为重复处理。观测小区编号及其土壤性质见表1。

1.2试验设计

2016年7—9月在各观测小区开展了人工模拟降雨试验，观测小区及降雨装置见图1。根据研究区降雨特征，选择试验设计雨强为90mm/h，每场模拟降雨历时1h，降雨开始后每3min记录一次径流量和侵蚀量，降雨结束后继续记录直至断流，計算总的径流量和侵蚀量。在上、中、下坡位共9个小区分别进行覆盖度为0、20%、50%和80%共计4轮试验，共计36场有效降雨。为了保证小区降雨前含水量一致，每轮降雨试验时间间隔为6～7d，以保证不同处理间初始含水量基本一致。

试验开始前在每个小区的四周开挖到岩石层后用铝塑隔板与外界隔开，在隔板与小区之间的缝隙回填稀泥浆以分隔小区内外径流，减小边界效应。在小区坡脚处垂直开挖1条长1m、宽0.5m的水渠。在土壤和基岩接界处装入L形集水槽，集水槽通过塑料管连接到高程较低的翻斗流量计以监测壤中流变化，集水槽宽度要略窄于小区，以保证只收集小区内壤中流，并防止边界侧漏地表径流的影响。在离地表约5cm处装入另一V形集水槽，用塑料管将集水槽连接到翻斗流量计，以收集地表径流。

1.3秸秆处理

秸秆覆盖度与秸秆用量之间的换算公式为

MR=-ln（1-MC）/Am（1）

式中：MR为秸秆用量，t/hm2；MC为秸秆覆盖度，%；Am为折算系数，取0.38。

经计算，各小区中0、20%、50%和80%秸秆覆盖度所对应的秸秆用量分别为0、150、400、900g。在试验前将玉米秸秆均匀地切成10cm的小段，用水浸泡24h，使其达到水分饱和状态，以防止其在试验过程中吸取水分，之后按试验设计的覆盖度将秸秆均匀地覆盖在小区表面。

2结果与分析

2.1秸秆覆盖对地表径流的影响

不同秸秆覆盖度下各小区地表径流的径流系数和产流时间见表2。从径流系数平均值来看，20%和80%覆盖度时径流系数显著降低，尤其20%覆盖度时，相比无覆盖径流系数降低了一半左右（49%），而50%覆盖度时则会增大径流系数。从平均产流时间来看，增加秸秆覆盖度后产流时间均显著缩短，覆盖度较高（≥50%）时更为明显。从不同坡位来看，秸秆覆盖对径流系数和产流时间的影响具有一定的空间异质性。相比无覆盖，20%覆盖度时中、下坡位的径流系数显著减少，但在上坡位减少不明显；50%和80%覆盖度时中坡位和下坡位的径流系数均为减少，但在上坡位则有所增加；80%覆盖度时中坡位的产流时间无显著变化，仅提前了0.7min，而在下坡位则显著提前了28.5min。

不同秸秆覆盖度条件下，不同坡位小区的地表径流过程特征存在一定差异（见图2）。上坡位小区，无覆盖时地表径流强度表现为产流后缓慢增长，降雨40min后达到稳定；秸秆覆盖后，地表径流强度的增长速率加快，尤其是50%覆盖度时急剧增大，20%和80%覆盖度时稳定地表径流强度分别是无覆盖时的63%和91%。中坡位小区，整体来看秸秆覆盖后径流强度增长速率明显变缓，达到稳定径流状态的时间也明显缩短，且稳定地表径流强度明显降低，20%、50%和80%覆盖度时稳定地表径流强度分别是无覆盖时的50%、59%和53%。下坡位小区，无覆盖时地表径流表现为在降雨开始后迅速增加，在15min左右达到稳定径流状态，20%覆盖度时地表径流强度增长缓慢，直到30min左右才达到稳定，50%和80%覆盖度时地表径流强度增长迅速，在10min左右就达到稳定，20%、50%和80%覆盖度时稳定地表径流强度分别是无覆盖时的27%、56%和91%。

2.2秸稈覆盖对壤中流的影响

不同秸秆覆盖度下，不同坡位小区壤中流的径流系数及产流时间变化见表3。不同坡位小区的壤中流径流系数为0.049～0.392，不同秸秆覆盖度平均壤中流径流系数均明显高于地表径流。从平均值来看，相比无覆盖，20%覆盖度时壤中流径流系数变化不明显，50%覆盖度时增大了56.6%，80%覆盖度时减少了42.0%。上坡位小区，相比无覆盖，只有50%覆盖度时壤中流径流系数增加。中坡位小区，20%和50%覆盖度时壤中流径流系数明显增大。下坡位小区，20%、50%和80%覆盖度时壤中流径流系数分别是无覆盖时的1.25、2.72和1.84倍。从平均产流时间来看，相比无覆盖，20%覆盖度时产流时间增加，50%和80%覆盖度时产流时间平均值则分别是无覆盖时的74.8%和84.3%。从不同坡位小区来看，除80%覆盖度上坡位小区外，秸秆覆盖均显著提前了上坡位和中坡位小区的壤中流产流时间，但是在下坡位小区，秸秆覆盖却使壤中流的产流时间明显滞后，20%、50%、80%覆盖度时产流时间分别为无覆盖时的2.56、1.46、1.16倍。

秸秆覆盖能显著改变壤中流的径流过程特征（见图3）。上坡位小区，无覆盖时径流强度的前期增长速率较快，在降雨42min之后达到稳定状态，50%覆盖度时稳定径流强度略高于无覆盖，而20%和80%覆盖度时均显著低于无覆盖。中坡位小区，无覆盖时径流强度的前期增长速率较快，约在降雨后42min达到稳定速率；秸秆覆盖后壤中流的前期径流强度增长速率加快，能更快达到稳定，20%、50%和80%覆盖度时稳定径流强度分别是无覆盖时的91%、83%和67%。在下坡位小区，无覆盖时径流强度前期增长速率较快，且较快达到稳定；秸秆覆盖则显著增加了稳定径流强度，20%、50%和80%覆盖度时的稳定径流强度分别是无覆盖时的1.45、2.27、1.57倍。

2.3秸秆覆盖对土壤侵蚀的影响

秸秆覆盖措施可以显著降低地表侵蚀量（见表4）。20%、50%和80%覆盖度时平均地表侵蚀量分别为无覆盖时的20.8%、17.1%和25.8%。上、中、下坡位小区，20%、50%和80%覆盖度时地表侵蚀量分别为无覆盖时的54.8%、40.1%、49.1%，15.7%、13.9%、23.1%和14.9%、12.8%、20.9%。从平均值来看，50%覆盖度时地表减蚀效果最优。

3结论与讨论

试验结果表明，秸秆覆盖能显著加快喀斯特坡耕地地表径流产流时间，覆盖度较高（≥50%）时更为明显。这与非喀斯特地区延迟地表产流的结果相反［3-4］。原因是喀斯特地区石灰土本身入渗速率较大，产流机制多为蓄满产流，秸秆覆盖度较高会使降雨直接在秸秆表面产流，反而加速了产流。徐勤学等［5］研究认为秸秆覆盖的效果与雨强密切相关，在小雨强（63mm/h）下，秸秆覆盖能延缓地表径流，但是在大雨强（100mm/h）下，秸秆覆盖则加快了地表径流的产流时间并滞后了壤中流的产流时间，有秸秆覆盖时地表径流的产流时间是无秸秆覆盖时的38%～44%，这与本试验结果比较接近。

秸秆覆盖能显著改变径流系数大小，尤其在20%覆盖度时地表径流系数降低效果最显著，同时增加了壤中流径流系数，但具有明显的空间异质性。无覆盖时试验区坡耕地平均壤中流径流系数为0.219，显著高于平均地表径流系数，这主要与喀斯特地区土壤较高的入渗率有关。CHENetal.［6］研究表明喀斯特坡地的土壤稳定入渗率达42.0～255.0mm/h，而本试验中降雨强度为90mm/h，土壤入渗速率平均值明显高于次降雨雨强，因此地表径流较少，而壤中流较多。无覆盖时，上坡位小区的地表径流系数显著低于中坡位和下坡位，这主要是与上坡位基岩裸露率低（＜10%）、地表碎石覆盖率较高、土层较厚有关。上坡位大量的地表砾石覆盖在一定程度上能增加土壤入渗率［7］，减少地表径流的产生，使得壤中流明显多于地表径流。徐勤学等［5］对喀斯特石灰土的产流产沙过程研究表明，秸秆覆盖能增大壤中流径流系数。林超文等［8］研究了紫色土丘陵区坡耕地的水土流失过程，得出秸秆覆盖能显著增加壤中流（15.4%～156.4%），主要原因是秸秆覆盖对雨滴的阻拦削弱了雨滴的能量，阻碍了雨滴与土壤表面的直接接触，减弱了雨滴对土壤团聚体的破坏，改善了土壤结构，有利于降雨入渗［9］。

秸秆覆盖下地表径流和壤中流径流强度随降雨时间的变化过程均表现为先迅速增加后逐步稳定。秸秆覆盖对稳定壤中流径流强度影响的空间异质性较大，规律相对不明显。秸秆覆盖对地表径流过程的影响比较明显，多数情况能够有效地降低达到稳定时的地表径流强度，其中20%覆盖度的稳定地表径流强度最小，在中坡位秸秆覆盖使地表径流提前达到稳定径流状态，主要原因是中坡位小区的裸岩率较高，无覆盖措施时裸岩会增加径流流速，加快地表结皮的产生，使地表径流强度持续增加，而实施秸秆覆盖措施后，坡面流速降低，可以保证较高的土壤入渗速率，在降低地表径流强度的同时更快达到稳定径流状态。

秸秆覆盖能显著减少地表侵蚀量，尤其50%秸秆覆盖度时的减蚀效果最明显，这与刘柳松等［10-11］的研究结果相同。秸秆覆盖减少喀斯特坡耕地地表侵蚀量的主要原因：一方面是秸秆覆盖能显著增大地表粗糙度，对泥沙运移起到阻滞作用，减少了产沙量；另一方面秸秆覆盖能减缓地表径流，从而降低了径流转化为侵蚀动力源的可能［12］。试验中无覆盖时，上坡位的侵蚀量明显低于中坡位和下坡位，其原因主要是上坡位小区土壤具有较大的砾石含量（13.4%），出露在地表的砾石能够有效减少土壤的出露面积，增大地表的粗糙度，减少雨滴溅蚀，并对径流泥沙有拦截作用。试验结果表明，砾石覆盖可以减缓坡面水文过程，减小地表径流速率。

［参考文献］

［1］ANTONIOJ，LORENAMZ，JUANG.EffectsofmulchingonsoilphysicalpropertiesandrunoffundersemiaridconditionsinsouthernSpain［J］.Catena，2010，81（1）：77-85.

［2］WANGJ，HUANGJ，ZHAOXN，etal.Simulatedstudyoneffectsofgroundmanagementsonsoilwaterandavailablenutrientsinjujubeorchards［J］.LandDegradation&Development，2016，27（1）：35-42.

［3］HUANGJ，WANGJ，ZHAOXN，etal.Simulationstudyoftheimpactofpermanentgroundcoveronsoilandwaterchangesinjujubeorchardsonslopingground［J］.LandDegradation&Development，2016，27（4）：946-954.

［4］CHULHW，YONGHC，MINHS，etal.Effectsofricestrawmatsonrunoffandsedimentdischargeinalaboratoryrainfallsimulation［J］.Geoderma，2012，189-190：164-169.

［5］徐勤学，朱晓锋，方荣杰，等.秸秆覆盖对岩溶区坡耕地产流产沙的影响［J］.水土保持学报，2017，31（2）：22-26，32.

［6］CHENHS，LIUJW，ZHANGW，etal.SoilhydraulicpropertiesonthesteepkarsthillslopesinnorthwestGuangxi，China［J］.EnvironmentalEarthSciences，2012，66（1）：371-379.

［7］王小燕，李朝霞，蔡崇法.砾石覆盖紫色土坡耕地水文过程［J］.水科学进展，2012，23（1）：38-45.

［8］林超文，罗春燕，庞良玉，等.不同耕作和覆盖方式对紫色丘陵区坡耕地水土及养分流失的影响［J］.生态学报，2010，30（22）：6091-6101.

［9］杨永辉，武继承，吴普特，等.秸秆覆盖与保水剂对土壤结构、蒸发及入渗过程的作用机制［J］.中国水土保持科学，2009，7（5）：70-75.

［10］刘柳松，任红艳，史学正，等.秸秆覆盖对不同初始含水率土壤产沙过程的影响［J］.农业工程学报，2010，26（1）：108-112.

［11］趙雨森，魏永霞.坡耕地保护性耕作措施的水土保持效应［J］.中国水土保持科学，2009，7（3）：86-90.

［12］徐锡蒙，郑粉莉，吴红艳，等.玉米秸秆覆盖缓冲带对细沟侵蚀及其水动力学特征的影响［J］.农业工程学报，2015，31（24）：111-119.

［作者简介］潘焰菲（1997—），女，广西梧州人，硕士，主要从事水土保持与农业生态方向的研究；通信作者徐勤学（1982—），男，湖南新宁人，教授，博士，主要从事水土保持与农业生态方向的研究。［收稿日期］2021-09-18

（责任编辑李杨杨）

［基金项目］国家重点研发计划项目（2016YFC0502403）；国家自然科学基金项目（41301289）