秸稈覆蓋還田對坡耕地的保護作用綜述

程 鵬，廖超林，朱 堅，彭 華，簡 燕，賈金龍

（1. 湖南農業大學資源環境學院，湖南 長沙 410128；2. 湖南省農業環境生態研究所，農業農村部長江中游平原農業環境重點實驗室，湖南 長沙 410125；3. 湘西自治州生態環境局保靖分局，湖南 保靖 416500）

化肥農藥大量施用是造成農業面源污染的根本原因，也是我國水環境污染的主要因素[1-2]。農業生產活動中引起的氮、磷、農藥及其他有機無機污染物質通過地表徑流、地下滲漏等途徑進入環境水體是農業面源污染的主要來源。受強降雨的影響，我國坡耕地水土流失嚴重。大量氮磷養分通過水土流失從紅壤坡耕地農田系統向環境水體擴散，是山地丘陵區農業面源污染的主要原因之一，也是當前現代農業發展中急待解決的重要問題[3]。秸稈還田作為一種保護性耕作措施，具有培肥土壤、增加土壤養分、減少坡地水土流失等作用。因此，研究坡耕地養分流失規律與關鍵節肥減排技術對有效控制坡耕地養分徑流損失、減緩丘陵區農業面源污染具有重要意義。

1 我國坡耕地養分流失現狀

1.1 我國坡耕地資源的分布情況

根據中華人民共和國水利部數據，我國現有耕地1.28 億hm2，其中坡耕地有0.24 億hm2，約占全國耕地總量的1/5。紅壤是在高溫與高濕的氣候條件下母巖經過強烈且徹底的風化淋溶過程形成的，具有“黏、瘦、板、旱、酸”等特點，土壤通透且排水能力強[4]。我國紅壤主要分布在長江以南的廣大地區，包括江西、湖南2 省的大部分地區及滇南等地，總面積占到全國總面積的22.7%，地形條件復雜，多山地丘陵[5]。紅壤坡耕地是我國南方地區一種重要的耕地資源類型。該區域水熱資源優越，氣候溫和，雨量充沛，無霜期長，生物循環快，植被生長迅速，土地再生能力強，肥力易變化，具有極大的生產潛力與經濟價值[6]。然而長期以來由于降雨、不合理的耕作以及不完善的土壤管理措施等的影響，坡耕地水土流失嚴重，耕層質量明顯退化，土壤生產力嚴重下降，嚴重制約了紅壤丘陵地區農業的可持續發展[7]。

1.2 我國坡耕地水土流失現狀

水土流失與農業的面源污染是一個緊密聯系的過程，水土流失既是面源污染發生的主要形式也是污染物遷移的載體，因此防治水土流失是解決農業面源污染的主要途徑[8]。據相關調查統計，我國坡耕地土壤侵蝕量達到14.15 億t/a，占全國土壤侵蝕總量的31%[9]。在東北黑土區，坡耕地土壤侵蝕是當前面臨的主要持續性自然災害，坡耕地水土流失面積占總流失面積的80.3%；江西紅壤地每年由于坡耕地流失的表層土可以造耕地8 900 hm2[10]；三峽庫區紫色土坡耕地占當地耕地資源的40%，坡耕地的土壤侵蝕和水土流失是三峽庫區泥沙的主要來源[11]。

2 影響坡耕地養分地表流失的因素

2.1 降雨強度

降雨是影響土壤坡面侵蝕的主要原因之一[1]。降雨強度對研究區域土壤流失量的影響最為強烈。在西北黃土高原，每年引起土壤流失的降雨量約占年總降雨量的26.7%，全年最大一次降雨所產生的土壤流失量可占全年總流失量的66.4%[12]。在云南紅壤區，高雨量、高雨強降雨產流量和產沙量分別占坡耕地的30%和37%[13]；在喀斯特地貌區，隨著雨強的增大，裸坡地地表徑流產流分配比例由28.24%上升到64.50%。因此，降雨強度是引起坡面產流的主要因素[14]。降雨對坡面侵蝕的影響主要表現在降雨前期由于雨滴對土壤表面的打擊，使得土壤顆粒被分散，土壤結構遭到破壞；當坡面產流后，由于雨滴與徑流間的擊濺作用，增加了水流流態的不穩定性，加強了徑流對土壤顆粒的搬運與侵蝕能力，導致水土流失加劇[15]。

2.2 地形條件

地形條件主要包括坡長、坡度、坡型和坡向等，其中坡度對坡耕地降雨產流產沙的影響尤為關鍵。Wu 等[16]對裸露黃土徑流磷的臨界坡度和臨界降雨強度的影響研究表明，坡面侵蝕與坡度的增加呈正相關，但并不是一直累積，存在臨界坡度（15°～20°）和臨界降雨強度（90～105 mm/h）。在這里，“臨界坡度”和“臨界降雨強度”分別是指與徑流、侵蝕或養分流失的突然增加或減少有關的坡度和降雨強度的閾值。劉俏等[8]對南方紅壤坡地的研究發現，土壤侵蝕隨著坡度的增加呈增大趨勢，而TP、TN、NH4-N 和NO3-N 等養分的徑流流失同樣存在較明顯的“臨界坡度規律”，臨界坡度存在于10.22°～18.55°之間。Li 等[17]的研究也表明，坡度的變化可能會影響雨水入滲的時間和速度，從而影響坡地產流過程中的徑流通量和流速。

2.3 土地利用方式

土地利用方式主要是通過植被類型、地表覆蓋度、種植模式等來改變土壤的理化性質從而影響土壤的侵蝕度與養分流失。在南方紅壤丘陵區，不同土地利用方式下坡面年徑流量、徑流系數均表現為坡耕地＞果園＞撂荒地＞人工草地[18]。在坡面年侵蝕量方面也是坡耕地最高，而撂荒地最低，且坡耕地的侵蝕泥沙增加量比其徑流增加量更為明顯。這是由于坡耕地植被覆蓋率低，導致水土流失嚴重。汾河流域黃土坡地不同土地利用方式的產流產沙量由大到小排列依次為裸地＞坡耕地＞草地＞喬或灌[19]。青藏高原高寒地區不同土地利用方式的水土流失情況也表現出類似的趨勢。在土壤理化性質方面，天然草地的土壤理化性質均優于其他土地利用方式，而坡耕地和當年棄耕地的土壤理化性質較差[20]。在農田與林木系統的比較中，由于人類周期性的耕作與施肥，農作物區域的土壤侵蝕與養分流失量普遍高于林木系統區[21]。

3 我國坡耕地氮磷養分流失的主要途徑

3.1 氮素養分流失的主要途徑

氮肥利用率低是農田作物生產中的世界性難題，也是我國農田作物生產中的突出問題[22]。熊子怡等[23]研究發現，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%，其氮流失形態主要是以硝態氮為主，銨態氮主要通過地表徑流的方式流失。而代立等[24]對紅壤坡地的研究表明，徑流輸出占總氮流失量的50.09%～71.67%，地表徑流氮流失的主要形式是硝態氮，占總氮濃度的63.64%～86.18%，呂玉娟等[25]的研究也證實了這一點。幾項研究結果差異的原因可能是由于土壤類型不同所造成的，紫色土旱坡地具有土層薄、易風化、質地疏松、孔隙度大以及團聚結構少的特點，易被侵蝕，且雨季主要產流方式為壤中流（占比高達70%以上）[26]。氮肥施入土壤后，土壤顆粒會吸附銨態氮但幾乎不吸附硝態氮，導致銨態氮大量滯留在土壤剖面的上中層，而硝態氮主要富集在下層[27]，導致以壤中流為主的紫色土硝態氮主要通過壤中流流失。紅壤地區雨季期間雨量充沛且多暴雨，坡耕地受雨水沖刷強烈，水土流失嚴重[28]。梅雨季節是南方紅壤丘陵區的特有雨季，土壤翻耕和施肥等農作活動往往也集中于這個時間，土壤處于松散狀態，速效氮素含量偏高，容易導致土壤氮素的大量徑流損失[8]。綜上所述，氮素流失主要隨著降雨沖刷以地表徑流或壤中流的方式流失。

3.2 磷素養分流失的主要途徑

土壤中的磷素絕大部分以難溶性的無機態和有機態形式存在，有效性低、遷移性差，導致土壤中有效磷供應不足，使其成為影響作物產量的主要限制因素[29]。磷素通過土壤侵蝕、地表徑流、淋溶流失等形式進入水體，成為水體富營養化的關鍵限制性因子[30]。Huang 等[29]研究表明，地表徑流對磷的輸送起主導作用。坡面、雨強、土壤質地、施肥條件等都會影響坡地磷素流失。坡度和降雨強度對土壤磷素流失影響強烈，因為降雨強度越大，降雨動能越強，徑流量越大，這使得表土中容易產生大量疏松的土壤顆粒，最終導致含沙水流顆粒態磷損失濃度更高[30-32]。在湘南紅壤區，土壤磷素流失以顆粒態為主，顆粒態磷占磷流失總量的96.8%[7]。在紫色土旱坡地，正磷酸鹽主要通過地表徑流流失，不同處理地表徑流正磷酸鹽流失通量占總流失通量的55.35%～87.49%；全磷主要通過泥沙流失，泥沙流失全磷含量占比達63.74%～78.74%[33]。在黃土高原黃壤區，徑流中損失的磷超過90%都是顆粒態磷[16]。高強度、大容量、長持續時間的暴雨對徑流、泥沙和養分流失的貢獻顯著[34-35]。綜上所述，磷素流失主要以本底流失為主，泥沙是磷素流失的主要載體[3,36]。

4 保護坡耕地的節肥減排措施

坡耕地作為我國農業的主要生產基地，生產潛力大，氣候條件優越。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嚴重的水土流失，從而使得耕地質量不斷下降，成為了制約坡耕地生產耕作的主要問題。加上我國南方紅壤坡耕地土地較為貧瘠，肥力低，化肥用量大，養分大量流失引起的農業面源污染問題也引起了人們的普遍關注。在坡耕地推動節肥減排措施，降低養分徑流損失，對提高土地生產能力和作物產量、保護紅壤坡耕地、控制農業面源污染有著重要作用。

4.1 優化耕作栽培方式

目前，保護坡耕地最為常見也最有效的方式是改變地形或下墊面條件，例如坡改梯、縮短坡長以及橫坡種植等。

4.1.1 橫坡種植橫坡種植是相對于目前大多數農民采用的順坡耕作而言的，即犁頭的耕作方向與坡面保持垂直，從而使每條起壟形成一個個“小梯田”，起到保土、保水、保肥的作用，進而減少坡面的水土流失[37]。與常規的順坡耕作相比，橫坡種植可減少徑流系數30.06%～60.17%，提高穩定入滲率38.16%～62.13%[38]。

4.1.2 地面覆蓋地面覆蓋能減弱雨水的濺蝕作用，保持水土。目前，常見的有秸稈覆蓋、百喜草覆蓋等。同時，地面覆蓋可以截留雨水，促進雨水下滲，減少徑流的產生。與裸露措施相比，水稻秸稈覆蓋可減少徑流泥沙99%的總氮流失量和99.86%的總磷流失量[39]。

4.2 優化施肥管理模式

4.2.1 有機肥配施無機肥施肥和耕作的差異對坡耕地徑流及氮磷流失有重要影響。與單施化肥處理相比，有機肥與化肥配施能夠降低氮磷流失風險[40]。常見的有機肥配施秸稈處理不僅可以減少坡耕地的養分流失，還能增加作物產量。與常規施肥處理相比，稻油輪作模式下秸稈還田配施化肥處理可增加作物年均產量17.5%～28.6%[41]。

4.2.1 減少施肥量過量施用化肥不僅會降低肥料對糧食產量的貢獻，增加農戶生產投入成本，還會造成嚴重的農業面源污染與大氣污染問題[42]。長期減施化肥或者用秸稈替代部分化肥均能有效降低氮磷流失風險。

5 秸稈覆蓋還田對坡耕地的保護作用

農作物秸稈富含有機物質和氮、磷、鉀等營養元素，將其覆蓋還田，可提高土壤有機質、氮、磷和鉀等養分含量，增強土壤水分的保蓄能力，減少水土流失，增加作物產量等。因此，秸稈還田已成為目前農業生產中普遍采取的耕作處理方式[43-44]。2020 年，我國秸稈產生量為7.97 億t，農作物秸稈綜合利用率為81.68%，秸稈利用主要以直接還田為主，占比35%左右[45]。鑒于秸稈覆蓋還田對坡耕地的多重保護作用，在此筆者將其單獨作為一個部分進行闡述。

5.1 秸稈覆蓋還田可有效控制坡耕地水土流失

在裸坡面降落的雨水直接擊打地表會形成濺蝕，隨著徑流的形成并擴大，從而形成面蝕[2]。地被覆蓋可以保護坡面，防止徑流的產生，并通過覆蓋物欄截徑流泥沙，從而有效控制泥沙的產生。秸稈覆蓋作為農業中常見的保護性耕作措施，可以有效降低雨水對表層土壤的侵蝕程度，增加地面糙度以及雨水入滲度[46]。Yang 等[47]的研究發現，與常規耕作處理相比，當秸稈投還田量為2、4 和8 t/hm2時，可分別減少總徑流量11.74%～28.81%、24.21%～49.67%和38.90%～65.93%。呂凱等[43]的研究也表明，隨著秸稈覆蓋量的增加，泥沙與徑流的有機質、全氮、全磷和全鉀流失量較常規耕作處理分別降低了53.97%～82.52%、61.49%～85.56%、44.69～83.75%和52.52～81.79%；徑流量降低了59.94%～68.24%、45.97%～61.16%、59.74%～62.63% 和47.14%～54.29%。秸稈覆蓋減緩了雨水對表層土壤的沖擊，有利于雨水入滲而減少地表徑流，同時降低了徑流中泥沙含量，從而避免了土壤養分的流失[48]。不僅如此，隨著秸稈的分解，土壤的物理、化學和生物學性狀也可以得到改善，土壤肥力水平也有所提升[49]。

5.2 秸稈覆蓋還田可延緩坡耕地徑流發生

秸稈覆蓋對坡耕地徑流有顯著影響。坡耕地徑流的產生時間不僅僅與降雨強度、坡度有關，在秸稈還田后，與秸稈入滲率也有關聯[46]。降雨強度主要通過增加入滲-過量徑流量來影響產流起始時間，雨強越大，則降雨的補給越高，徑流就越快產生。坡度通過改變產流驅動力來影響產流起始時刻，坡度越大，攔截雨水的面積就越小，單位面積的驅動力越大，徑流越快發生。秸稈覆蓋通過截留雨滴降低了其動能，還增加了引水通道，加速了雨水滲入土壤。土壤孔隙度隨著秸稈還田率的提高而增加，提升了土壤含水率，這也延長了徑流起始時間[44-45]。Yang等[47]的研究發現，在降雨強度為120 mm/h、坡度為10°、秸稈摻入率為8 t/hm2時，對地表徑流的延遲效果和減流效果最好。

5.3 秸稈覆蓋還田可有效控制坡耕地氮素流失

秸稈還田后通過腐解作用釋放大量氮素，提高了土壤微生物氮和有機質的含量，使得土壤吸附和固持更多的銨態氮，及時補充了農田因水土流失損失的氮，進而提高了土壤的供氮能力[50]。據研究顯示，秸稈還田能有效提高氮素利用率，減少氮肥施用量和氮素損失量[51]。在巢湖地區，秸稈覆蓋使農田土壤徑流量減少30.5%，徑流氮損失量降低27.4%[52]；在黑土地免耕秸稈覆蓋還田和秸稈深翻埋還田處理均可有效改善土壤結構，降低農田徑流中氮的養分流失[15]；與傳統耕作處理相比，秸稈覆蓋還田處理的0～10 cm和10～20 cm 土層中1 a 時間增加的土壤全氮量分別為17.42%和20.53%；與單施化肥相比，秸稈還田配施化肥處理的氮肥淋溶流失損失率降低了30.9%[53]。

5.4 秸稈覆蓋還田可有效控制坡耕地磷素流失

秸稈覆蓋作為我國坡耕地最為常見的耕作措施，對減少坡耕地水土流失效果顯著。紅壤坡耕地條件下，有覆蓋措施的梯田模式處理的土壤磷流失量僅為撂荒處理的0.7%[7]；與常規耕作處理相比，秸稈覆蓋處理的泥沙全磷含量可降低44.69%～83.75%，徑流全磷含量可降低59.74～62.63%[47]。在三峽庫區紫色土坡耕地條件下，與常規施肥和優化施肥處理相比，化肥減量配施秸稈還田全磷流失通量下降了29.37%和62.62%，地表徑流正磷酸鹽下降了17.95%和63.67%，壤中流正磷酸鹽下降了38.78%和64.69%；化肥減量配施秸稈還田對壤中流正磷酸鹽流失的消減效應要強于對地表徑流的[54]。徐國鑫[33]的研究表明，與優化施肥處理相比，秸稈還田處理得土壤正磷酸鹽和顆粒態磷流失通量可分別降低63.67%和60.28%。

6 小結與展望

目前，防止坡耕地養分徑流損失的節肥減排關鍵技術措施主要有以下幾種。第一，在坡度較大的坡面上最好采用橫坡種植或坡改梯等工程措施，人為減少陡坡地的坡度與坡長。第二，在雨季來臨前或者作物種植前布設水土保持措施，例如在坡度較大的凹坡或凸坡等重點部位進行秸稈覆蓋等，能大幅度削弱強降雨對坡面的沖刷侵蝕。第三，有機無機肥配施，秸稈還田也是有機無機肥配施的一個重要手段，能有效改善土壤侵蝕程度，提高土壤肥力。第四，宜根據實際情況采取少耕或免耕等保護性措施，尤其對南方紅壤坡耕地有較好的水土保持效果。

坡耕地養分流失一方面導致土壤退化，土地生產力下降；另一方面造成了河流、湖泊等水體富營養化，加劇了農業面源污染。因此，坡耕地水土流失治理是減少我國水環境污染的關鍵。通過秸稈還田等措施加強對坡耕地的保護，減少土壤養分流失，對于提高我國南方丘陵坡耕地的產出、緩解我國農業面源污染現狀有著重要的現實意義。