潘焰菲 高澤超 徐勤學 吳攀 方榮杰 張帥普

［關鍵詞］坡耕地；產流產沙；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流產沙過程的影響，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%）。試驗結果表明：秸稈覆蓋能顯著加快地表徑流產流時間，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流時間顯著提前；秸稈覆蓋能顯著改變徑流系數大小，尤其在20%覆蓋度時地表徑流系數降低效果最顯著，同時增加了壤中流，但具有明顯的空間異質性；秸稈覆蓋下地表徑流和壤中流徑流強度隨降雨時間的變化過程均表現為先迅速增加后逐步穩(wěn)定，多數情況秸稈覆蓋能夠有效地降低達到穩(wěn)定時的地表徑流強度，其中20%覆蓋度時的穩(wěn)定地表徑流強度最小，同時秸稈覆蓋對穩(wěn)定壤中流徑流強度影響的空間異質性較大；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［文獻標識碼］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民開墾改造成坡耕地。在傳統耕作、植被破壞及化肥農藥使用等影響下，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“二元結構”，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雜。近年來，大量學者在喀斯特地區(qū)開展了降雨強度、巖石裸露率、地下孔隙度等對坡耕地產流產沙過程的影響研究，但是關于秸稈覆蓋坡耕地產流產沙過程及其相互關系的研究成果較少。考慮到玉米是喀斯特地區(qū)坡耕地的主要作物之一，其秸稈常被當地農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流產沙的影響

機制，對于喀斯特坡地的水土資源協調利用具有重要意義。

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)依托中國科學院環(huán)江喀斯特生態(tài)系統觀測研究站（東經108°18′56″～108°19′58″、北緯24°43′58″～24°44′48″）設立試驗區(qū)，試驗區(qū)為1塊長20m、寬10m的典型農用坡耕地，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)作為重復處理。觀測小區(qū)編號及其土壤性質見表1。

1.2試驗設計

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。根據研究區(qū)降雨特征，選擇試驗設計雨強為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)內外徑流，減小邊界效應。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)內壤中流，并防止邊界側漏地表徑流的影響。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，取0.38。

經計算，各小區(qū)中0、20%、50%和80%秸稈覆蓋度所對應的秸稈用量分別為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，之后按試驗設計的覆蓋度將秸稈均勻地覆蓋在小區(qū)表面。

2結果與分析

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和產流時間見表2。從徑流系數平均值來看，20%和80%覆蓋度時徑流系數顯著降低，尤其20%覆蓋度時，相比無覆蓋徑流系數降低了一半左右（49%），而50%覆蓋度時則會增大徑流系數。從平均產流時間來看，增加秸稈覆蓋度后產流時間均顯著縮短，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和產流時間的影響具有一定的空間異質性。相比無覆蓋，20%覆蓋度時中、下坡位的徑流系數顯著減少，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均為減少，但在上坡位則有所增加；80%覆蓋度時中坡位的產流時間無顯著變化，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度表現為產流后緩慢增長，降雨40min后達到穩(wěn)定；秸稈覆蓋后，地表徑流強度的增長速率加快，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度增長速率明顯變緩，達到穩(wěn)定徑流狀態(tài)的時間也明顯縮短，且穩(wěn)定地表徑流強度明顯降低，20%、50%和80%覆蓋度時穩(wěn)定地表徑流強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為在降雨開始后迅速增加，在15min左右達到穩(wěn)定徑流狀態(tài)，20%覆蓋度時地表徑流強度增長緩慢，直到30min左右才達到穩(wěn)定，50%和80%覆蓋度時地表徑流強度增長迅速，在10min左右就達到穩(wěn)定，20%、50%和80%覆蓋度時穩(wěn)定地表徑流強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)壤中流的徑流系數及產流時間變化見表3。不同坡位小區(qū)的壤中流徑流系數為0.049～0.392，不同秸稈覆蓋度平均壤中流徑流系數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增加。中坡位小區(qū)，20%和50%覆蓋度時壤中流徑流系數明顯增大。下坡位小區(qū)，20%、50%和80%覆蓋度時壤中流徑流系數分別是無覆蓋時的1.25、2.72和1.84倍。從平均產流時間來看，相比無覆蓋，20%覆蓋度時產流時間增加，50%和80%覆蓋度時產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)的壤中流產流時間，但是在下坡位小區(qū)，秸稈覆蓋卻使壤中流的產流時間明顯滯后，20%、50%、80%覆蓋度時產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壤中流的徑流過程特征（見圖3）。上坡位小區(qū)，無覆蓋時徑流強度的前期增長速率較快，在降雨42min之后達到穩(wěn)定狀態(tài)，50%覆蓋度時穩(wěn)定徑流強度略高于無覆蓋，而20%和80%覆蓋度時均顯著低于無覆蓋。中坡位小區(qū)，無覆蓋時徑流強度的前期增長速率較快，約在降雨后42min達到穩(wěn)定速率；秸稈覆蓋后壤中流的前期徑流強度增長速率加快，能更快達到穩(wěn)定，20%、50%和80%覆蓋度時穩(wěn)定徑流強度分別是無覆蓋時的91%、83%和67%。在下坡位小區(qū)，無覆蓋時徑流強度前期增長速率較快，且較快達到穩(wěn)定；秸稈覆蓋則顯著增加了穩(wěn)定徑流強度，20%、50%和80%覆蓋度時的穩(wěn)定徑流強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結論與討論

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

秸稈覆蓋能顯著改變徑流系數大小，尤其在20%覆蓋度時地表徑流系數降低效果最顯著，同時增加了壤中流徑流系數，但具有明顯的空間異質性。無覆蓋時試驗區(qū)坡耕地平均壤中流徑流系數為0.219，顯著高于平均地表徑流系數，這主要與喀斯特地區(qū)土壤較高的入滲率有關。CHENetal.［6］研究表明喀斯特坡地的土壤穩(wěn)定入滲率達42.0～255.0mm/h，而本試驗中降雨強度為90mm/h，土壤入滲速率平均值明顯高于次降雨雨強，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。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］，減少地表徑流的產生，使得壤中流明顯多于地表徑流。徐勤學等［5］對喀斯特石灰土的產流產沙過程研究表明，秸稈覆蓋能增大壤中流徑流系數。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聚體的破壞，改善了土壤結構，有利于降雨入滲［9］。

秸稈覆蓋下地表徑流和壤中流徑流強度隨降雨時間的變化過程均表現為先迅速增加后逐步穩(wěn)定。秸稈覆蓋對穩(wěn)定壤中流徑流強度影響的空間異質性較大，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，多數情況能夠有效地降低達到穩(wěn)定時的地表徑流強度，其中20%覆蓋度的穩(wěn)定地表徑流強度最小，在中坡位秸稈覆蓋使地表徑流提前達到穩(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，加快地表結皮的產生，使地表徑流強度持續(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，在降低地表徑流強度的同時更快達到穩(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業(yè)生態(tài)方向的研究；通信作者徐勤學（1982—），男，湖南新寧人，教授，博士，主要從事水土保持與農業(yè)生態(tài)方向的研究。［收稿日期］2021-09-18

（責任編輯李楊楊）

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