秸稈覆蓋和有機質輸入對紫色土土壤可蝕性的影響*

黃新君，陳尚洪,，劉定輝，張晴雯**

（1.中國農業科學院農業環境與可持續發展研究所農業清潔流域團隊/農業部農業環境重點實驗室，北京100081；2. 四川省農業科學院土壤肥料研究所，成都 610066）

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秸稈覆蓋和有機質輸入對紫色土土壤可蝕性的影響*

黃新君1，陳尚洪1,2，劉定輝2，張晴雯1**

（1.中國農業科學院農業環境與可持續發展研究所農業清潔流域團隊/農業部農業環境重點實驗室，北京100081；2. 四川省農業科學院土壤肥料研究所，成都 610066）

摘要：以紫色土坡耕地為研究對象開展野外徑流小區定位監測試驗，設置有機質（OM）、秸稈覆蓋（SW）、有機質+秸稈覆蓋（OM+SW）和對照（無秸稈覆蓋，不增施有機質，CK）4個處理，對2014年侵蝕性降雨條件下不同處理小區徑流及產沙特征進行分析，以單位徑流沖刷侵蝕量(Kw)作為土壤可蝕性指標，研究四川省中江縣紫色土區秸稈覆蓋和有機質輸入對坡耕地土壤可蝕性的影響。結果表明：秸稈和有機質輸入能顯著降低紫色土區坡耕地產流量，4個處理減小徑流的效果表現為OM+SW＞SW＞OM＞CK；有機質、秸稈覆蓋均顯著降低單位徑流侵蝕量，從而減小土壤可蝕性，OM、SW、OM+SW處理對土壤可蝕性的平均消減率分別為22.30%、29.76%、35.04%，秸稈覆蓋處理（SW）對土壤可蝕性的減小效應略高于有機質處理（OM），但二者差異不顯著。綜合分析得出，增施有機質的同時進行秸稈覆蓋可作為紫色土區坡耕地減小土壤可蝕性的有效措施。

關鍵詞：可蝕性；紫色土；有機質；秸稈；單位徑流沖刷侵蝕量

黃新君,陳尚洪,劉定輝,等.秸稈覆蓋和有機質輸入對紫色土土壤可蝕性的影響[J].中國農業氣象,2016,37(3):289-296

土壤可蝕性作為土壤的內在屬性，指土壤是否易受侵蝕破壞的性能，是土壤對侵蝕介質剝蝕和搬運敏感程度的集中體現[1]，已被國內外學者公認為土壤侵蝕預報模型和環境效應評價模型的重要土壤參數之一[2]。四川盆地紫色土是一種重要的農業土壤資源，由于其成土母質結構多為疏松多孔的紫色砂頁巖，物理風化迅速、土層淺薄，加上多年來高墾殖、高復種利用，致使土壤侵蝕極其強烈，已成為中國繼黃土高原地區后的第二大水力侵蝕區。土壤抗侵蝕能力弱是導致紫色土坡耕地土壤侵蝕強烈發生的主要原因[3]，因此，系統研究坡耕地土壤抗蝕性及其削減途徑，對紫色土坡耕地侵蝕防治及環境保護具有重要意義。目前，有關土壤可蝕性研究主要集中在可蝕性參數量化方法、評價指標以及與土壤理化性質之間的關系等方面[4]。大多數學者認為對特定的土壤而言，土壤可蝕性應該是定值[5]，但近年相關研究表明，由于影響土壤可蝕性的土壤屬性存在動態變化，從而導致土壤可蝕性產生動態變化[6]，增加地表覆蓋和增施有機質對土壤可蝕性有顯著影響。耕作能夠增加土壤可蝕性[7]，頻繁的耕作以及缺少適宜的管理措施不僅導致土壤團聚體的破壞，而且還加速耕地的土壤侵蝕和退化[8]。King等[9]發現地表覆蓋可以影響土壤可蝕性，秸稈和有機質能夠提高土壤抗蝕性[10-14]。秸稈覆蓋一方面能夠避免雨滴直接擊打土壤表面，減少雨滴引起的濺蝕效應；另一方面能夠增加農田表面粗糙度，提高土壤入滲能力[15-16]，減少徑流和泥沙[17]。王安等[18]研究了秸稈覆蓋和留茬在玉米生育期的水土保持效應，結果表明，秸稈覆蓋在玉米的不同生育期均可有效減少土壤侵蝕，其產沙量最多可減少75%。van Liew等[19]研究表明，秸稈覆蓋處理會使土壤剝蝕能力減小60%～85%。此外，有研究表明，土壤有機質通過提高團聚體穩定性，改善土壤結構，從而增加土壤的抗蝕性[20]。張孝存等[21]通過研究黑土地區坡耕地有機質與土壤團聚體穩定性的關系發現，消散作用下的土壤團聚體平均重量直徑（MWDsw）、＞0.2mm水穩定性土壤團聚體含量均與有機質含量存在顯著的正相關關系。Jankauskas等[22]認為土壤可蝕程度與土壤有機質含量呈極顯著的負相關關系。

目前有關秸稈和有機質對坡耕地土壤可蝕性的研究，大部分集中在黃土高原以及東北黑土區，缺乏對紫色土區的研究，且對秸稈與有機質耦合效應在減少土壤可蝕性方面的報道較少。由于紫色土與西北黃土和東北黑土在土壤結構、風化類型、理化性質等方面存在明顯的差異，且紫色土區大強度的降雨分布較集中，這使其區別于其它的侵蝕類型區。目前尚難以從理論上對土壤可蝕性作出定量描述或估算，只能以間接指標和試驗手段對土壤可蝕性參數進行研究。因此，在紫色土區坡耕地開展秸稈覆蓋與有機質耦合效應研究，對區域生態安全和維持糧食安全有著重要意義。本研究基于2014年6、7、8、9、10月降雨和田間徑流小區實測數據，以單位徑流沖刷侵蝕量作為土壤可蝕性指標[23-24]，研究秸稈覆蓋及有機質輸入不同處理下坡耕地土壤產流產沙特性，分析秸稈和有機質在降低土壤可蝕性方面的效應，以期為坡耕地土壤流失調控與治理提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于四川省中江縣，田間試驗布設于四川省農業科學院中江倉山試驗示范基地野外徑流監測場（30°05′27″N，104°34′16″E）。平均海拔560m，亞熱帶濕潤季風氣候，年平均氣溫16.7 ℃，年平均日照1317h，無霜期287d，年平均降水量882mm，侵蝕性降雨多分布在5、6、7、8和9月，其中5-9月降水量占全年總降水量的80%以上。旱坡地主要種植作物為小麥、玉米、大豆或甘薯。試驗地土壤有機質、全氮、全磷和全鉀含量分別為12.00、0.98、0.75和20.44g·kg-1；土壤顆粒較粗，黏粒含量約占10%，質地砂壤，抗侵蝕能力弱。

1.2 試驗處理

試驗從2014年4月開始，共設置4組處理，即對照組（CK），有機質處理（OM），秸稈覆蓋處理（SW）和有機質+秸稈覆蓋處理（OM+SW）。其中CK處理不進行秸稈覆蓋和施入有機質；OM處理施用有機肥3000kg·hm-2（有機碳35.30%，全氮2.88%，全磷5.49%，全鉀2.17%）；SW處理秸稈進行全量還田，上一季小麥收獲后秸稈覆蓋于玉米種植帶，玉米收獲后，其秸稈覆蓋行間；OM+SW處理施入有機肥后進行秸稈覆蓋。每個處理重復3次，將試驗區共分成12個小區，隨機區組排列。小區面積20m×3m，坡度為10°。4月初直播玉米，每2m廂面中央種植2行玉米，行距40cm，株距20cm。按當地常規施肥量（N150 kg·hm-2，p2O560kg·hm-2，K2O 90kg·hm-2）施肥。磷、鉀肥作基肥一次性施入，氮肥分別于播種期、六葉展和十葉展時期按照總施肥量2:3:5施用，其它管理措施與大田高產栽培一致。在玉米全生育期內（4-10月），記錄每次引起試驗區產生徑流的侵蝕性降雨數據和小區產流產沙情況。

1.3 觀測項目和方法

采用簡易量筒測量各徑流小區降雨量，使用徑流池測量每次降雨后的徑流量。徑流深度為各小區徑流量與小區面積之比，徑流系數為每次降雨徑流深與該次降雨量之比，即

式中，H為單次降雨徑流深度（mm）；Q為各小區徑流量（m3）；A為徑流小區面積（m2）；Rc為徑流系數；R為降雨量（mm）。

泥沙含量采用烘干法測定。各小區產沙量即單次降雨沖刷量計算式為

式中，W為單次降雨沖刷量（kg）；S為泥沙濃度（kg·m-3）；Q為各小區徑流量（m3）。

以單位面積單位徑流沖刷動力即單位徑流深沖刷侵蝕量Kw(kg·m-2·mm-1)作為土壤可蝕性指標，既反映了徑流沖刷動力因子的作用，也可揭示土壤本身抵抗徑流沖刷的能力[23-24]。Kw計算式為

式中，W為單次降雨沖刷量（kg）；A為徑流小區面積（m2）；H為單次降雨徑流深（mm）。

1.4 數據分析

采用Excel2010和SAS進行數據整理和方差分析。使用LSD法進行差異顯著性檢驗。

2 結果與分析

2.1 秸稈覆蓋和有機質輸入對紫色土區坡耕地產流特性的影響

由表1可見，研究區6月10日-10月29日共發生10次引起產流的侵蝕性降雨，單次降雨量在25.50～101.90mm，40mm以上的降雨出現的頻數最多，占總降雨次數的70%，9月11-12日降雨量最大，達101.90mm。各處理徑流深度隨著降雨變化出現明顯的波動，降雨量越高，徑流深度越大。在所記錄的10次降雨中，各處理次降雨產生的徑流深度最小為3mm，最大為30mm，集中分布在5～25mm，其中5～10mm出現的次數最多，占總次數的40%；徑流系數最小值為0.10，最大值為0.48，極差為0.38。徑流深度和徑流系數不僅與各處理表面的產流特性有關，也與降雨量大小關系密切。

為了剔除降雨量的影響，進一步分析比較同次降雨后不同處理的徑流深和徑流系數可知，10次降雨后（不論雨量大小）對照組（CK）的徑流深和徑流系數均最大，其徑流深在7.08～29.87mm，徑流系數在0.15～0.48，平均分別為16.91mm、0.32；其次為有機質處理（OM），其徑流深在 5.42～27.04mm，徑流系數在0.14～0.45，平均分別為13.75mm、0.26，分別比CK降低18.68%和19.66%，且差異顯著（P ＜0.05）。秸稈覆蓋處理（SW）產流情況排第三，10次降雨后徑流深在4.41～20.23mm，徑流系數在0.17～0.34，平均分別為11.14mm、0.21，分別比CK降低34.11%和35.05%，差異顯著（P＜0.05）。產流最少的為有機質+秸稈覆蓋處理（OM+SW），10次降雨后徑流深在3.33～19.11mm，徑流系數在0.10～0.33，平均分別為8.77mm、0.17，分別比CK降低48.18%和49.14%，且差異也達顯著水平（P＜0.05）。可見，秸稈覆蓋或有機質輸入均能有效減少坡耕地表面的產流量和徑流系數，兩者結合后減流效果更佳。此外，對 OM、SW、OM+SW 3個處理間徑流深度差異的分析表明，除10月29日徑流深度差異達到顯著水平外（P＜0.05），其它處理間差異均不顯著。這可能是有機質輸入時間較短，未能完全分解，對土壤結構影響較小的緣故。

表1 2014年試驗區降雨量和各處理徑流特性Table 1 Rainfall and runoff of different treatments in 2014

2.2 秸稈覆蓋和有機質輸入對紫色土區坡耕地產沙量的影響

由圖1可見，各處理產沙量均呈先增加后減小的趨勢。7月20日、7月24日、8月10日、8月27日4次降雨后，各處理產生泥沙量均顯著高于其它次降雨，產沙量均在1000kg·hm-2以上。產沙量在500kg·hm-2以下的降雨共出現6次，占總產沙次數的60%。對比10次降雨后各處理的產沙情況可以發現，對照處理（CK）產沙量在47.63～4249.86kg·hm-2，平均1210.67kg·hm-2；其次為有機質處理（OM），產沙量在22.00～2737.30kg·hm-2，平均787.74 kg·hm-2，比CK降低34.93%；秸稈覆蓋處理（SW）產沙情況排第三，產沙量在11.91～2103.4kg·hm-2，平均620.09kg·hm-2，比CK降低48.78%；產沙量最小的是有機質+秸稈覆蓋處理（OM+SW），產沙量在12.04～1828kg·hm-2，平均517.29kg·hm-2，比CK降低57.27%。可見，與CK相比，各處理均能有效減小試驗區坡耕地產沙量，除第一次降雨外（6月10-17日），差異均達到顯著水平（P＜0.05）。

對比各處理間產沙情況可見，在第5次（8月27日）和第10次（10月29日）降雨后4種處理間產沙量差異均達顯著水平（P＜0.05）。此外，有機質與秸稈同時施入在減小產沙方面的貢獻率分別比單施入有機質或秸稈高28.1%和12.0%。表明秸稈和有機質同時施入能夠明顯降低泥沙產量，其效果比單施入有機質或秸稈更好。

圖1 2014年試驗區降雨后不同處理產沙量對比Fig. 1 Comparison of sediment yield between different treatments

2.3 秸稈覆蓋和有機質輸入對紫色土區坡耕地地表徑流抗蝕性的影響

由圖2可見，單位徑流沖刷侵蝕量隨降雨次數呈先增加后減小的趨勢。侵蝕量大的月份分布在7月和8月，土壤可蝕性指標Kw值分布在0.24～31.29g·m-2·mm-1區間，期間可蝕性指標Kw小于10g·m-2·mm-1的頻數最多，占總次數的70%。對比不同處理間侵蝕量差異可知，有機質處理（OM）、秸稈覆蓋處理（SW）、有機質+秸稈覆蓋處理（OM+SW）的單位徑流沖刷侵蝕量（Kw）均明顯低于對照CK（P＜0.05）。CK的單位徑流沖刷侵蝕量最高，其Kw值在0.41～31.29g·m-2·mm-1，平均9.54g·m-2·mm-1；其次為OM處理，其Kw值為0.35～22.74g·m-2·mm-1，平均7.07g·m-2·mm-1；SW處理的單位徑流沖刷侵蝕量排第三，其Kw值為0.27～23.01g·m-2·mm-1，平均6.64g·m-2·mm-1；OM+SW處理最低，其Kw值為0.25～21.57g·m-2·mm-1，平均6.40g·m-2·mm-1。

與CK相比，有機質和秸稈覆蓋均能降低試驗區坡耕地土壤可蝕性，有機質處理（OM）、秸稈覆蓋處理（SW）、有機質+秸稈覆蓋處理（OM+SW）對土壤可蝕性的平均消減率分別為22.30%、29.76%和35.04%，除第8次降雨（9月21日）外，差異均達到顯著水平（P＜0.05）。

圖2 不同處理下土壤的單位徑流沖刷侵蝕量(Kw)Fig. 2 Sediment yield in unit area runoff (Kw) under different treatments

3 結論與討論

3.1 討論

紫色土區降雨量出現明顯的季節性分布，集中分布在6-9月，且該時間段內暴雨頻發。因此，在紫色土區坡耕地開展水土保持工作時，應該結合降雨分布作出合理規劃和調整。在降雨發生時，對照組（CK）、有機質（OM）、秸稈覆蓋（SW）、有機質+秸稈覆蓋（OM+SW）4種處理的徑流系數依次降低，說明有機質和秸稈施入田間后對徑流系數有一定的減小作用。

其次，降雨量與徑流深度有一定的相關性，降雨量大時，各處理的徑流深度也高。分析同一時期不同處理間徑流量差異可知，有機質和秸稈覆蓋均能減小徑流量，并且在強降雨發生時，這種消減效應更明顯，該結論驗證了趙君范等[17，25]的研究。有研究表明，土壤表面覆蓋秸稈后，避免了降雨對地表的直接沖擊和暴曬，團粒結構穩定，土壤疏松多孔，因而土壤的導水性強，降雨就地入滲快，地表徑流小[26]。然而，本試驗秸稈對徑流的消減效應低于Won等[27]的結論，這可能是因為本試驗中的降雨類型、土壤類型等因素與之不同，此外，本試驗中小麥的秸稈還田量為4500kg·hm-2，遠低于Won等試驗中所投入9000kg·hm-2的秸稈量。而王兆偉等[28]對山西壽陽褐土進行4種不同秸稈覆蓋量（1500、3000、4500、6000kg·hm-2）的研究表明，試驗區最佳秸稈覆蓋量為4500kg·hm-2，秸稈覆蓋量過高不利于降雨入滲，過低則不利于土壤水分調控。

產沙量在10次降雨中的分布較集中，500kg·hm-2水平以上產沙量多分布在前6次降雨后。在6月10-17日發生大強度的降雨但產沙量卻未增加，這可能是降雨在該段時間內分布不集中，加之此時玉米處于小喇叭口期，發達的冠層能夠攔截雨滴對土壤的直接擊打并且根系能夠起到固定土壤的作用，使徑流含沙量遠低于其它強降雨發生時的泥沙含量。第二次降雨（7 月20日）雖然強度小，但各小區產沙量較高。這可能是在7月20日之前，試驗區發生較小強度的降雨，小區雖未產流但土壤水分含量逐漸增加，使土壤更容易被徑流分散而造成土壤侵蝕[3]，造成前期各處理出現很高的產沙量。在8月27日雖然出現一次強降雨，但其后產沙量并未出現陡增，這可能是因為在9月11-12日徑流小區的玉米秸稈已經全量還田，剛收割的玉米秸稈覆蓋于農田表面，能夠阻擋大部分雨滴對土壤直接擊打造成的濺蝕，減小了徑流中的泥沙含量。對比同一時期不同處理間的產沙情況發現，秸稈覆蓋處理（SW）比有機質處理（OM）的產沙量平均低16.2%，說明秸稈還田能夠減少產沙量，且效果比單施入有機質更明顯，這一結果與徐泰平等[29]的結論一致。而在Won等[27]的研究中，這種減小效應更為明顯，并且當秸稈覆蓋量為9000kg·hm-2時，徑流小區無泥沙產生。4種處理下的徑流量與產沙量表現為對照組（CK）＞有機質處理（OM）＞秸稈覆蓋處理（SW）＞有機質+秸稈覆蓋處理（OM+SW）。

本研究所得的可蝕性指標（Kw）值多分布在10g·m-2·mm-1左右，最大值為31.29g·m-2·mm-1。然而在Prats等[25]的研究中，對照組和試驗組土壤可蝕性指標分別為1.05和0.17g·m-2·mm-1，本試驗的土壤可蝕性值普遍高于該研究，這可能是因為Sergio使用了林地作為研究對象，而農田經過長期的耕作，土壤擾動程度更大，因此，比林地土壤擁有更高的可蝕性。就秸稈覆蓋和有機質對土壤可蝕性的消減效應而言，本試驗中秸稈覆蓋處理（SW）對可蝕性的消減效應高于有機質處理（OM），這可能是因為有機質施入田間的時間較短，對土壤結構的影響較小；而秸稈對水分有很強的吸收能力，秸稈覆蓋不僅增加了地表的粗糙率而且還能有效防止雨滴擊濺，阻延流速，降低了水流能量，減少了徑流沖刷[30]。因此，本研究中，秸稈主要是通過物理方面的效應來減小土壤可蝕性。另外，有機質+秸稈覆蓋處理（OM+SW）3種對可蝕性的消減效應均高于單施有機質和秸稈覆蓋處理，且差異達到顯著水平，故有機質和秸稈耦合效應能更有效地降低土壤可蝕性。秸稈和有機質對降低土壤可蝕性的作用不僅受施用量的影響，也與施用方式及施用時間等因素密切相關。但本研究結果僅基于1a降雨侵蝕試驗所得，為了進一步揭示有機質和秸稈在減小土壤可蝕性方面的效應和作用機制，仍需進行多年長期定位試驗。

3.2 結論

（1）秸稈和有機質輸入能顯著降低紫色土區坡耕地產流量和徑流系數。與對照（CK）相比，在田間進行有機質（OM）、秸稈覆蓋（SW）、有機質+秸稈覆蓋（OM+SW）3種處理，對徑流的減小效應分別為18.68%、34.11%、48.18%，且差異顯著。4種處理減小徑流效果表現為有機質+秸稈覆蓋處理（OM+SW）＞秸稈覆蓋處理（SW）＞有機質處理（OM）＞對照組（CK）。秸稈和有機質能顯著降低泥沙產量，其效果比單施入有機質或秸稈更好。有機質和秸稈耦合模式在減小產沙方面的貢獻分別比單施入有機質或秸稈高28.1%和12.0%。

（2）有機質和秸稈覆蓋均能顯著降低單位徑流侵蝕量，并減小紫色土區坡耕地土壤可蝕性，且效果顯著。有機質處理（OM）、秸稈覆蓋處理（SW）、有機質+秸稈覆蓋處理（OM+SW）對土壤可蝕性的平均消減率分別為22.30%、29.76%、35.04%。秸稈覆蓋處理（SW）的平均可蝕性消減率略低于有機質處理（OM），但二者差異不顯著。有機質+秸稈覆蓋處理（OM+SW）對土壤可蝕性的消減效應均高于有機質處理（OM）和秸稈覆蓋處理（SW），且差異顯著。因此，增施有機質和秸稈覆蓋相結合可作為該地區坡耕地一種水土保持農藝措施而推廣。

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Combined Effects of Straw Mulch Cover & Organic Matter Input on the Erodibility of Purple Soil in Sloping Farmland

HUANG Xin-jun1, CHEN Shang-hong1,2, LIU Ding-hui2, ZHANG Qing-wen1
(1. Agricultural Clean Watershed Research Group, Institute of Environment and Sustainable Development in Agriculture, Chinese Academy of Agricultural Sciences/Key Laboratory of Agro-Environment, Ministry of Agriculture, Beijing 100081,China; 2. Soil and Fertilizer Institute, Sichuan Academy of Agricultural Sciences, Chengdu 610066)

Abstract:Based on the data from rainfall and field runoff plots in 2014, a field experiment was conducted in Sichuan to evaluate the runoff, sediment characteristics and soil erodibility of purple soil on the sloping farmland soil as affected by the straw mulch cover and organic matter input. There were four treatments as organic matter input (OM), straw mulch (SW), combined treatment of organic matter input with straw mulch treatment (OM+SW), and control group(CK). The sediment yield in unit area runoff plots by unit individual runoff depth (Kw) was used to describe the soil erodibility. The results showed that there was a positive linear correlation between runoff depth and sediment yield. More importantly, straw mulch and organic matter input can significantly reduce surface runoff in sloping farmland. Besides, the effects of four treatments in reducing surface runoff was ranked as: OM+SW＞SW＞OM＞CK. Straw mulch and organic matter input can notably decrease unit sediment yields caused by runoff and thus reduce soil erodibility. The contribution of organic matter treatment (OM), straw mulch treatment(SW) and organic matter+straw mulch(OM+SW) treatment on the reduction to soil erodibility were on average 22.30%, 29.76% and 35.04%, separately. Additionally, the subtractive effects of straw mulch treatment (SW) on soil erodibility were more obvious than organic inputtreatment (OM), but the differences were not significant. Therefore, it is suggested to use organic matter input together with straw mulch as a practical tillage way to eliminate soil erodibility for this region.

Key words:Soil erodibility; Purple soil; Organic matter; Straw mulch; Unit individual runoff depth

doi:10.3969/j.issn.1000-6362.2016.03.004

* 收稿日期：2015-09-07**通訊作者。E-mail：ellenzhqw@163.com

基金項目：國家水體污染控制與治理科技重大專項(2012ZX07104-003)；公益性行業(農業)科研專項(201503119)

作者簡介：黃新君（1992-），碩士生，主要從事土壤資源管理研究。E-mail：xinjun1323@sina.com