秸稈覆蓋對西南喀斯特坡地幼齡橘園產流產沙的影響

高澤超, 潘焰菲, 徐勤學, 張帥普, 付智勇, 陳洪松

(1.桂林理工大學 廣西環境污染控制理論與技術重點實驗室科教結合科技創新基地,廣西 桂林 541004; 2.桂林理工大學 巖溶地區水污染控制與用水安全保障協同創新中心,廣西 桂林 541004; 3.中國科學院 環江喀斯特生態系統觀測研究站, 廣西 環江 547100)

我國西南喀斯特地區屬于土地石漠化和水土流失嚴重屬典型生態脆弱區，區域經濟社會發展相對落后，農業人口比重高，耕地總量少，該地區生態環境脆弱，坡地土層淺薄，成土速率慢，容許土壤流失量極低[1-2]。近年來，受經濟利益的帶動，我國西南喀斯特地區許多坡地改種柑橘，柑橘產業已在該區域經濟發展中發揮了重要作用，但柑橘種植初期果園地表裸露，極易發生土壤侵蝕，涂國安在對紅壤坡地橘園的長期觀測中表明在幼樹期橘園土壤侵蝕強度可達到極強烈級別[3]。Cerdà等在西班牙喀斯特地區柑橘種植初期的人工模擬降雨結果中表明地表容易產流，地表徑流系數達到0.3以上，土壤地表侵蝕也很嚴重[4]。

秸稈覆蓋是減少土壤侵蝕的主要措施，已有研究表明秸稈覆蓋具有效減少水土流失，蓄水保墑的功能[5-7]。Prosdocimi通過對全球各地秸稈覆蓋試驗結果的總結，認為減少水土流失量是秸稈覆蓋最顯著的效益[8-9]。羅崇亮在半干旱雨養農業區壟溝覆蓋栽培系統的研究中表示壟溝地膜和秸稈二元覆蓋、是東非高原半干旱地區最優的壟溝結構配置[10]，Sadeghi等通過測定發現秸稈覆蓋對降低徑流系數、徑流含沙量和減少水土流失效果顯著[11]。張翼夫通過室內模擬試驗，研究了秸稈覆蓋對沙壤地產流產沙的影響，結果表明30%稻稈覆蓋度時減少總徑流17.9%～38.7%，減少總產沙量34.1%～48.0%，其水土保持效果顯著[12]。劉文晶通過模擬降雨試驗對玉米、小麥秸稈覆蓋的研究中得出，秸稈覆蓋能延緩降雨的下滲，還可以吸收水分，減少降雨徑流損失[13]。王曉燕等通過秸稈覆蓋和普通耕作措施的比較，發現秸稈覆蓋減少了地表年徑流量52.5%，減少了土壤侵蝕量80.2%[14]。但也有研究表明秸稈覆蓋可能會在坡面造成更嚴重的侵蝕[15-16]。莊曉暉通過在強降雨條件下秸稈覆蓋對黃土坡耕地的土壤侵蝕研究中表明，秸稈覆蓋增大了坡面徑流量以及對耕作土壤的沖刷，導致了陡坡耕地更嚴重的土壤侵蝕[17]。秸稈覆蓋在喀斯特地區坡地的防蝕效益研究相對較少，之前的研究表明，在大雨強時，玉米秸稈覆蓋導致喀斯特坡耕地地表徑流增多，同時增加了土壤流失量[18]。盤李東通過野外徑流小區觀測，研究了玉米秸稈覆蓋對黔西喀斯特坡耕地產流產沙特征的影響，結果表明在不同降雨等級下，秸稈覆蓋在喀斯特坡耕地具有較好的水土保持效果，并且其產流產沙總量隨覆蓋量的增大而逐漸減小[19]。

喀斯特區坡地幼齡橘園急速擴張，但對這類橘園的土壤侵蝕過程還缺乏了解。由于喀斯特坡地與非喀斯特坡地在產流和產沙過程中的差異性，也不能基于非喀斯特地區的成果對秸稈覆蓋在喀斯特坡地的水土保持效益進行合理評價[20-22]。為明確水稻秸稈覆蓋在喀斯特坡地幼齡橘園的減流減沙效益，本文通過人工模擬降雨試驗，研究喀斯特坡地幼齡橘園在不同雨強、不同秸稈覆蓋度下的產流產沙特征，相關結果將為西南喀斯特坡地幼齡橘園的水土保持措施合理布置提供理論依據，也可為喀斯特坡地其他經果林的水土保持提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

1.1.1 供試土壤 試驗土壤采自廣西壯族自治區環江毛南族自治縣板德鄉山腳(北緯24°45′，東經108°17′)表層0—40 cm處的黃色石灰土，經過實測后土壤容重為1.22 g/cm3，供試土壤原土地利用類型為撂荒地，供試土壤經風干后過1 cm的篩，土壤基本物理性質見表1。

表1 供試土壤基本物理性質

土壤過篩后經過充分混合，分三層壓實填入土槽，每層10 cm，總填土厚度為30 cm，土壤容重控制在1.22 g/cm3。填土之前，先在開孔的預留孔鋪上一張10 cm×10 cm大小的水溶棉(遇水可溶)，然后進行填土，保證各處土壤均勻的前提下用自制的鐵板對土層進行壓實，為了減少邊界效益，填土邊界也要進行壓實。

試驗所用模擬裸巖為河池市下南鄉白云巖，塊石保持裸巖形狀大致相同。本試驗根據喀斯特石漠化等級劃分標準，選擇12%的裸巖率表示潛在石漠化。裸巖在進行填土之前放進土槽中。

1.1.2 模擬降雨裝置 人工降雨器采用組合的頂噴式降雨器，噴頭為美國SPRACO錐形噴頭。可調節坡度鋼制土槽為自主設計完成，可自由移動，長2 m，寬1 m，深60 cm，土層深度設計為30 cm，鋼土槽距地面50 cm，坡度在0°～30°可自由調節，土槽的下端為V型地表集流槽，集流槽通過軟管與集流桶連接，以收集地表產生的徑流以及泥沙。土槽下端左側留出直徑為2 cm的小孔，連接軟管以收集壤中流。底板均勻打孔6個，直徑為5 cm，土槽下面分別設有地下徑流集流槽，集流槽出水口下方采用塑料小桶收集地下徑流樣品，待降雨后測定累積徑流量和產沙量。

1.1.3 供試橘樹及秸稈 試驗用橘樹品種為桂西北1 a生沃柑幼苗(渝審柑桔2012002)，初始樹高為27.5±3.2 cm，沃柑幼苗移栽入試驗土槽后，待土壤沉降和橘樹生長3個月后再進行模擬降雨試驗。

為了保證水稻秸稈的均勻鋪設，將水稻秸稈去除稻穗部分，均勻地切成15 cm左右的小段，在試驗前將水稻秸稈用水浸泡24 h，使其達到水分飽和狀態，同時防止其在試驗的過程中吸取水分，影響試驗產流時間和產流量結果。根據當地橘園常用的覆蓋方式，秸稈覆蓋范圍以橘樹樹干為中心向四周外擴20 cm的正方形區域內。均勻將秸稈覆蓋在土壤表面，并通過調整，使覆蓋厚度一致。秸稈覆蓋的覆蓋度與秸稈重量之間可以通過公式：

MR=-ln(1-MC)/Am

(1)

式中:MR:重量(t/hm2)；MC:覆蓋度(%)；Am為系數0.38。因此，在本觀測小區中0，20%，50%和80%覆蓋度所對應的秸稈的重量分別為：0，150 g，400 g，900 g。

1.2 試驗方法

試驗在中科院亞熱帶農業生態研究所的環江喀斯特生態系統觀測研究站開展(北緯24°43′—24°45′，東經108°18′—108°20′)。模擬降雨試驗于2020年7月—9月完成，試驗共設置了4個水稻秸稈覆蓋度：0，20%，50%和80%。據野外實地考察，喀斯特坡地橘園坡度主要在15°左右，因此本試驗設計坡度為15°。本試驗為模擬該地區的中高強度暴雨，每場模擬降雨量90 mm，雨強選用60 mm/h和120 mm/h，一場降雨總歷時分別為90 min和45 min[23]。地表徑流通過土槽下端的V型集流槽收集，壤中流通過土槽下端左側的2 cm小孔收集，地下徑流通過土槽底部的6個小孔下端的集流槽收集，所有水樣收集后立刻稱重得出總重，泥沙樣品靜置后倒掉上清液，置于烘箱(105℃)烘干24 h至恒重后，用天平稱量得出泥沙重量。每個秸稈覆蓋度共3次重復試驗，共計24場有效降雨。

1.3 數據處理

利用IBM SPSS Statistics 25和Origin 2017軟件對采集的模擬降雨徑流及泥沙數據經行統計分析，包括顯著性分析和數據擬合。

2 結果與分析

2.1 秸稈覆蓋對徑流量的影響

在中雨強(60 mm/h)條件下，秸稈覆蓋可以顯著降低地表徑流系數，同時增大壤中流和地下徑流系數(表2)。20%，50%和80%秸稈覆蓋度的地表徑流系數分別為無秸稈覆蓋的0.54，0.64，0.36倍。秸稈覆蓋顯著增大了壤中流和地下徑流的徑流系數，與無覆蓋條件相比，20%，50%和80%秸稈覆蓋度時壤中流徑流系數由0.09增大到0.17，0.16，0.13，地下徑流系數由0.14增大到0.18，0.16，0.25。在大雨強(120 mm/h)條件下，秸稈覆蓋僅在20%覆蓋度下降低了地表徑流系數，隨著秸稈覆蓋度的增加，50%和80%秸稈覆蓋度的地表徑流系數分別增加到0.39，0.30。秸稈覆蓋時顯著增大了壤中流徑流系數，20%，50%和80%秸稈覆蓋度下壤中流系數分別為無秸稈覆蓋的3.0，1.5，2.0倍。

表2 不同秸稈覆蓋度的徑流系數

在中雨強(60 mm/h)條件下，秸稈覆蓋可以顯著減少地表徑流產流占比，同時增大壤中流和地下徑流占總徑流量比例(圖1)。無秸稈覆蓋時地表徑流為總徑流中的重要組成部位(55%)，在秸稈覆蓋后，地表徑流占總徑流比例明顯變小，均以壤中流和地下徑流為主。在大雨強(120 mm/h)條件下，無覆蓋條件時地表徑流為主要產流部位(78%)。在秸稈覆蓋后，20%和80%秸稈覆蓋度的地表徑流占比明顯變小，同時增大了壤中流和地下徑流占總徑流比例。但在50%秸稈覆蓋度下地表徑流占比增大，壤中流和地下徑流占比僅占15%。

圖1 不同秸稈覆蓋度下各部分產流量百分比

2.2 秸稈覆蓋對徑流過程的影響

秸稈覆蓋顯著改變了喀斯特橘園坡地的地表徑流過程。在中雨強(60 mm/h)條件下(圖2)，不同秸稈覆蓋度穩定徑流強度大小順序為0>50%>20%>80%，秸稈覆蓋條件時穩定地表徑流強度均明顯小于無秸稈覆蓋。在無秸稈覆蓋條件下，地表徑流強度隨降雨時間呈持續增長趨勢，無明顯穩定產流。20%，50%和80%秸稈覆蓋度時地表徑流強度先增大后逐漸趨于穩定，其中50%秸稈覆蓋度下地表徑流強度最先達到穩定，20%和80%秸稈覆蓋度均在60 min左右達到穩定。在大雨強(120 mm/h)條件下，不同覆蓋度下地表徑流過程均表現為產流后迅速增加然后逐步穩定。不同覆蓋條件時穩定地表徑流強度大小順序為50%>80%>0>20%，其中80%秸稈覆蓋度和無秸稈覆蓋徑流強度相似，20%秸稈覆蓋度徑流強度明顯大于其他覆蓋度，其徑流強度在0～6 min快速增長，然后增長速度變慢，最后逐漸趨于穩定。20%秸稈覆蓋度的地表徑流強度明顯低于其他覆蓋度，其變化趨勢為0～27 min內快速增大，然后逐漸趨于穩定。

圖2 不同秸稈覆蓋度地表徑流過程

不同秸稈覆蓋度下壤中流徑流強度均顯著增大。在中雨強(60 mm/h)時(圖3)，不同覆蓋度下壤中流徑流過程均表現為產流后迅速增加然后逐步穩定。秸稈覆蓋時的壤中流穩定徑流強度均顯著大于無秸稈覆蓋，不同壤中流穩定徑流強度大小順序為20%>50%>80%>0。其中20%和50%覆蓋度下壤中流徑流強度相似，并且顯著大于80%秸稈覆蓋度和無秸稈覆蓋，這與地表徑流強度特征相似，20%和50%秸稈覆蓋度下地表徑流強度顯著高于其他覆蓋度。大雨強(120 mm/h)時，秸稈覆蓋顯著增大了壤中流徑流強度，不同壤中流穩定徑流強度大小順序為20%>80%>50%>0。20%秸稈覆蓋度的壤中流徑流強度顯著大于其他秸稈覆蓋度，與之相對應的是20%秸稈覆蓋度的地表徑流強度顯著小于其他秸稈覆蓋度。

圖3 不同秸稈覆蓋度壤中流徑流過程的影響

不同秸稈覆蓋度下地下徑流過程均表現為產流后迅速增加然后逐步穩定(圖4)。中雨強時，不同覆蓋條件時穩定地下徑流強度大小順序為80%>20%>50%>0。覆蓋措施明顯增加了地下徑流的穩定徑流強度，其中80%秸稈覆蓋度時地下徑流穩定徑流強度顯著高于其他秸稈覆蓋度。20%秸稈覆蓋度時地下徑流強度的增長速率從產流后到35 min快速增長，然后增長速度逐漸減小，在65 min左右被50%秸稈覆蓋度反超，然后均逐漸達到穩定。大雨強時，不同覆蓋條件時穩定地下徑流強度大小順序為80%>20%>0>50%，80%秸稈覆蓋度地下徑流強度明顯高于其他覆蓋措施，20%秸稈覆蓋度的地下徑流強度在產流后快速增長，在24 min左右最快達到穩定徑流狀態，50%秸稈覆蓋度的地下徑流過程從產流后一直處于持續增長的狀態，但其徑流強度顯著低于其他秸稈覆蓋度。

圖4 不同秸稈覆蓋度地下徑流過程的影響

2.3 秸稈覆蓋對地表侵蝕量的影響

秸稈覆蓋可以顯著降低地表侵蝕總量(表3)。在中雨強(60 mm/h)條件下，無秸稈覆蓋條件下土壤的侵蝕總量為117.08 kg/ha，20%，50%和80%秸稈覆蓋度下的侵蝕總量分別減少了50.3%，86.1%和96.1%。結果表明，各覆蓋度地表侵蝕量之間差異顯著，地表侵蝕量隨覆蓋度的增大而減小。在大雨強(120 mm/h)條件下，無秸稈覆蓋時地表侵蝕總量為307.8 kg/ha，20%，50%和80%秸稈覆蓋度的地表侵蝕總量分別減少了44.4%，65.7%和76.6%，在50%和80%秸稈覆蓋度下地表侵蝕總量差異不顯著。

表3 不同覆蓋條件下地表土壤侵蝕總量 kg/hm2

2.4 秸稈覆蓋對土壤侵蝕過程的影響

秸稈覆蓋顯著降低了土壤侵蝕速率(圖5)。在中雨強(60 mm/h)條件下，不同秸稈覆蓋度下的穩定侵蝕速率大小順序為0>20%>50%>80%。無秸稈覆蓋和20%秸稈覆蓋度時土壤侵蝕速率呈鋸齒狀增大，隨著覆蓋度的增大，50%和80%秸稈覆蓋度的土壤侵蝕速率過程呈先增大后快速穩定，且其穩定侵蝕速率顯著小于其他秸稈覆蓋度。在大雨強(120 mm/h)條件下，不同秸稈覆蓋度下的穩定侵蝕速率大小順序為0>20%>50%>80%。無秸稈覆蓋和20%秸稈覆蓋度的侵蝕速率變化特征為先快速增大，在達到峰值后逐漸減小。徑流對土壤50%和80%秸稈覆蓋度的侵蝕速率變化特征與小雨強時相似，均為先快速增大后逐漸趨于穩定。

圖5 不同秸稈覆蓋度土壤侵蝕過程的影響

比較不同近地表相同徑流量條件下的侵蝕率能有效反映徑流分離和輸運能力對坡面侵蝕的影響[24]。各覆蓋措施均顯著降低了地表徑流的攜沙能力(圖6)。在中雨強(60 mm/h)條件下，不同秸稈覆蓋度攜沙能力擬合線斜率大小順序為0>20%>80%>50%。無秸稈覆蓋時方程斜率為3.42，侵蝕速率與徑流強度呈正相關，20%，50%和80%秸稈覆蓋度的方程斜率分別為3.41，-0.01和-0.08，其中50%和80%侵蝕速率幾乎不隨徑流強度變化。無秸稈覆蓋和20%秸稈覆蓋度的攜沙能力相似，但20%秸稈覆蓋度的侵蝕速率最大值在60 kg/(hm2·h)左右，徑流強度最大只到12.5左右，均大幅小于無秸稈覆蓋。在大雨強(120 mm/h)條件下，秸稈覆蓋條件時攜沙能力擬合線斜率大小順序為20%>0>80%>50%。在相同徑流強度下其中20%秸稈覆蓋度的斜率與無秸稈覆蓋相似，該特征與中雨強時相同。在相同徑流強度下，50%和80%秸稈覆蓋度的侵蝕速率顯著小于無秸稈覆蓋。

圖6 不同秸稈覆蓋度對徑流攜沙能力的影響

3 討 論

本文結果顯示，在中雨強(60 mm/h)條件下，秸稈覆蓋可以有效降低地表徑流系數，同時增大壤中流和地下徑流系數。秸稈覆蓋后主要產流部位從地表轉為地下。在降雨過程中，雨滴對表層土壤的打擊會造成土壤表層結皮，降低土壤的入滲性，使雨水入滲受阻，同時秸稈覆蓋可以減少雨滴與表層土壤的直接接觸，并且降低了地表徑流的流速，當覆蓋度越大時，秸稈對雨滴的動能削弱能力越強，因此更有利于雨水入滲，增加了壤中流和地下徑流量[25-26]。在大雨強(120 mm/h)條件下，秸稈覆蓋僅在20%覆蓋度下降低了地表徑流系數，秸稈覆蓋度較大時(50%和80%)地表徑流系數增大，這與前人的研究結果一致[16-17]。非喀斯特地區土壤入滲率較小，產流機制多為超滲產流，而喀斯特地區土壤入滲率較高，產流機制多為蓄滿產流，但在大雨強下，相比無覆蓋措施和低秸稈覆蓋度(20%)，高秸稈覆蓋度下(50%和80%)秸稈雖然保護了坡面土壤不直接與降水接觸，避免形成表層土壤結皮，但會使地表徑流直接在秸稈上產流而被收集，土壤入滲量反而變少。

秸稈覆蓋可以顯著減少地表侵蝕總量，在秸稈覆蓋時，地表侵蝕總量隨秸稈覆蓋度的增大而減小，這與大部分研究結果一致[27-29]。本研究中秸稈覆蓋一方面可以增大土壤表面的粗糙度，對泥沙運移起到阻滯作用，另一方面隨著覆蓋度的增加地表徑流量減少，進一步減少了徑流作為侵蝕動力源的可能。

研究結果顯示秸稈覆蓋顯著改變了地表侵蝕過程特征。在中雨強(60 mm/h)條件下，無秸稈覆蓋和20%秸稈覆蓋度時土壤侵蝕速率呈鋸齒狀增大，在較大秸稈覆蓋度時(50%和80%)的土壤侵蝕速率過程呈先增大后快速穩定，且其穩定侵蝕速率顯著小于無秸稈覆蓋。本文通過對徑流強度和侵蝕速率之間關系的分析，發現無秸稈覆蓋與20%秸稈覆蓋度的徑流攜沙能力基本相同，侵蝕速率與徑流強度呈正相關。在降雨過程中，無秸稈覆蓋時，以細溝為主的侵蝕過程導致了高的水流輸送能力和徑流有足夠的動量來分離下表面的土壤顆粒[30]。20%秸稈覆蓋度的侵蝕速率顯著小于無秸稈覆蓋，這是由于在秸稈覆蓋的作用下其地表徑流強度相比于無秸稈覆蓋時顯著減小，在相同的攜沙能力下，20%秸稈覆蓋度只有較少地表徑流對泥沙進行搬運，所以造成其侵蝕速率之間的差異。隨著秸稈覆蓋度的增大，50%和80%秸稈覆蓋度的攜沙能力顯著減弱，這是由于在秸稈覆蓋減少地表徑流強度、降低流速的同時地表土壤被秸稈壓實，改變了土壤緊實度，徑流對表層土壤的剝離作用減弱，形成了徑流運輸受限和土壤剝離受限的雙重作用。

在大雨強(120 mm/h)條件下，無覆蓋措施和20%秸稈覆蓋度的侵蝕速率變化特征為先快速增大，在達到峰值后逐漸減小。其原因為，隨著降雨歷時的增長，坡面徑流強度逐漸增大，坡面徑流對泥沙的搬運、剝離能力增強，降雨前期土壤侵蝕速率呈快速增長，降雨后期坡面徑流趨于穩定，土壤表層形成結皮，可供徑流搬運和剝離的量減少，故侵蝕速率出現減小趨勢。50%和80%秸稈覆蓋度的侵蝕速率變化特征與中雨強時相似，均為先快速增大后逐漸趨于穩定。50%和80%的徑流攜沙能力顯著低于無秸稈覆蓋，但其徑流強度均能達到與無秸稈覆蓋相似的較高水平。分析其原因，降雨前期，地表徑流強度相對較小，地表土壤松散顆粒隨徑流被運輸；降雨后期，地表徑流量相對變大且逐漸穩定，但此時由于秸稈覆蓋的壓實作用，地表土壤顆粒被徑流剝離的難度增大，侵蝕過程由徑流運輸受限轉化為土壤剝離受限[24]。最后，本試驗的結果是通過模擬暴雨情況的人工降雨獲得，為了更好地研究秸稈覆蓋在喀斯特坡地幼齡橘園的產流產沙特征，還需通過天然降雨對喀斯特坡地幼齡橘園的產流產沙特征作進一步觀測研究。

4 結 論

(1)秸稈覆蓋對喀斯特坡地幼齡橘園減少地表徑流的效果受降雨強度的影響。在中雨強(60 mm/h)條件下，秸稈覆蓋可以有效降低地表徑流系數，同時增大壤中流和地下徑流系數。但在大雨強(120 mm/h)條件下，只有20%秸稈覆蓋度可以顯著降低地表徑流系數并增大壤中流徑流系數。

(2)在中雨強(60 mm/h)條件下，20%和50%的秸稈覆蓋顯著增加壤中流和地下徑流量；在大雨強(120 mm/h)條件下，20%的秸稈覆蓋顯著增加了壤中流量，50%和80%秸稈覆蓋度對壤中流量影響不顯著。

(3)水稻秸稈覆蓋可以有效減少土壤侵蝕量，并且地表土壤侵蝕總量與秸稈覆蓋度呈負相關，在中雨強(60 mm/h)條件下，20%，50%和80%秸稈覆蓋度下的侵蝕總量分別減少了50.3%，86.1%和96.1%；在大雨強(120 mm/h)條件下，20%，50%和80%秸稈覆蓋度的地表侵蝕總量分別減少了44.4%，65.7%和76.6%。

(4)較高秸稈覆蓋度時(50%和80%)，地表徑流的攜沙能力得到顯著減弱，在中雨強(60 mm/h)條件下，攜沙能力減弱原因為徑流運輸受限和土壤剝離受限的雙重作用，在大雨強(120 mm/h)條件下，攜沙能力減弱原因為土壤剝離受限。