秸稈覆蓋對種植烤煙坡耕地土壤侵蝕的影響

呂凱 段穎丹 吳伯志

摘要：【目的】探討秸稈覆蓋對種植烤煙坡耕地土壤侵蝕的影響，為坡耕地可持續利用提供理論依據?！痉椒ā坎捎檬覂热斯つM降雨法，以烤煙K326為材料，分別設3個降雨強度（40、80和120 mm/h）和3個秸稈覆蓋量（3750、7500和15000 kg/ha），以無秸稈覆蓋為對照，觀測烤煙不同生育期徑流量和產沙量，并進行不同因素與徑流量和產沙量的相關性分析及回歸分析?！窘Y果】隨著降雨歷時的推移，產流速率先上升而后趨于穩定;隨著秸稈覆蓋量的增加，產流速率和產沙速率逐漸降低，當秸稈覆蓋量達7500和15000 kg/ha時，兩者水土保持效果較接近，其平均產流速率和平均產沙速率分別為0.19、0.14 L/（m2·min）和0.05、0.03 g/（m2·min）;徑流量和產沙量隨降雨強度的增加而上升，兩者均與降雨強度呈極顯著正相關（P<0.01，下同）;秸稈覆蓋量越高，徑流量和產沙量越低，3個秸稈覆蓋處理的徑流量和產沙量較對照分別降低48.67%～81.62%和57.63%～89.98%;無秸稈覆蓋時，徑流量和產沙量隨葉面積指數的增加而降低，徑流量和產沙量與葉面積指數呈負相關，但僅產沙量達顯著水平（P<0.05）;雙因素方差分析結果表明，秸稈覆蓋量、葉面積指數及兩者交互作用對徑流量和產沙量均有極顯著影響，以秸稈覆蓋量對產流產沙的貢獻最大;基于降雨強度（RI）、秸稈覆蓋量（ST）和葉面積指數（LAI）建立徑流量（Yr）和產沙量（Ys）的最優回歸方程分別為Yr=19.136-0.003×ST+0.356×RI-1.216×LAI和Ys=7.711-0.001×ST+0.152×RI-0.854×LAI，對應的決定系數（R2）為0.630和0.577，方程擬合度均達極顯著水平?！窘Y論】秸稈覆蓋或烤煙冠層均能有效降低坡耕地徑流量和產沙量，當兩者同時存在時秸稈覆蓋起主導作用，以7500 kg/ha秸稈覆蓋量對土壤侵蝕的抑制效果較好。

關鍵詞： 秸稈覆蓋;烤煙;葉面積指數;坡耕地;土壤侵蝕

中圖分類號： S157;S572? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標志碼： A 文章編號：2095-1191（2019）11-2450-09

Effects of straw mulching on soil erosion in tobacco

sloping farmland

LYU Kai， DUAN Ying-dan， WU Bo-zhi*

（Faculty of Agronomy and Biotechnology， Yunnan Agriculture University， Kunming? 650201， China）

Abstract：【Objective】The effects of straw mulching on soil erosion in tobacco sloping farmland were investigated to provide a theoretical basis for sustainable use of slope land. 【Method】The experiments were conducted by rainfall simulator during different tobacco growth stages involving three rainfall intensities（40，80 and 120 mm/h） and three straw rates （3750，7500 and 15000 kg/ha），and no straw was the control. Tobacco K326 was the material. The runoff and sediment yield at various growth stages were measured.Besides，the correlation and regression between soil erosion indexes （runoff and sediment yield） and different factors were discussed， respectively. 【Result】The runoff rate increased with rainfall duration firstly， and then tended to stabilize，the runoff rate and sediment yield rate reduced with straw rates increased.When the straw mulching were 7500 and 15000 kg/ha， the water conservation effects were close， and the average runoff rate and sediment yield rate of two treatments were up to 0.19 and 0.14 L/（m2·min），0.05 and 0.03 g/（m2·min）， respectively. Runoff and sediment yield increased as rainfall intensity went up. The runoff and sediment yield were extremely positive related to rainfall intensity（P<0.01， the same as below），and cut down with straw rate increased. The runoff and sediment yield decreased by 48.63%-81.62% and 57.63%-89.98% respectively compared to control. Moreover，runoff and sediment yield decreased with the increase of leaf area index under the condition of no straw mulching，the runoff and sediment yield were negatively correlated with leaf area index，but only sediment yield reached significant level（P<0.05）. The two-way analysis of variance showed that thestraw mulching， leaf area index and their interaction exhibited extremely signi-ficant effect on runoff and sediment yield，and straw mulching was the most important factor. The optimal regression equations of runoff and sediment yield were Yr=19.136-0.003×ST+0.356×RI-1.216×LAI and Ys=7.711-0.001×ST+0.152×RI-0.854×LAI，which were established on rainfall intensity（RI）， straw rates（ST） and leaf area index（LAI） by stepwise regression analysis，the coefficients of determination（R2） were respectively 0.630 and 0.577， and the fitness of the equations reached extremely significant level. 【Conclusion】Therefore，the straw mulching orcanopy cover can reduce runoff and sediment yield， but the former is better than the latter when both of them are applied. The straw rate of 7500 kg/ha has sound effects on soil erosion control.

Key words： straw mulching; flue-cured tobacco; leaf area index; sloping farmland; soil erosion

0 引言

【研究意義】據統計，2017年全國烤煙種植面積和產量分別為108.1萬ha和227.9萬t（國家統計局，2018），其中70%烤煙種植于坡地，部分甚至為陡坡地，水土流失風險較高，對煙草生產的可持續發展造成較大隱患。云南省作為我國最大的烤煙產區，2017年種植面積和產量分別達41.2萬ha和83.9萬t（國家統計局，2018），其中80%以上為山地煙。近年來，隨著云南煙區農業基礎設施的不斷改善和烤煙種植比較收益的降低，烤煙種植“上山”現象日益加劇，加之烤煙生產過程中土壤侵蝕問題較少被關注，導致水土流失嚴重，土壤耕層變薄，肥力降低（史東梅等，2017），烤煙產質量和經濟收益下降（蔡毅等，2014）。因此，如何降低植煙坡地土壤侵蝕，對促進坡耕地資源的可持續利用及烤煙生產的穩定性具有重要意義?！厩叭搜芯窟M展】秸稈覆蓋作為一種重要的保護性耕作措施，已廣泛應用于農業生產。已有研究表明，秸稈覆蓋可通過吸收雨滴動能，減少濺蝕，降低土壤孔隙堵塞和結皮機率，增加土壤入滲性能，降低徑流侵蝕力，從而減少地表產流產沙（Jordán et al.，2010;Prosdocimi et al.，2016）;同時可通過增加地表糙度和降低徑流流速以減少土壤侵蝕（Gholami et al.，2013;朱高立等，2016）。林超文等（2010b）研究發現，與裸地相比，秸稈覆蓋降低產流和產沙量分別達73.9%～86.2%和96.4%～98.1%;Sadeghi等（2015）通過測定發現秸稈覆蓋可降低徑流量89.34%～96.71%;白永會等（2017）通過模擬降雨試驗發現，秸稈覆蓋減流減沙率分別達69.3%和99.2%;王靜等（2010）、徐勤學等（2017）的研究結果也表明秸稈覆蓋可有效抑制地表產流和產沙。對于作物覆蓋而言，隨著作物生長，冠層覆蓋度不斷增加，其降低土壤侵蝕的能力也不斷增強。前人的研究結果表明，玉米葉面積指數與產沙量呈顯著或極顯著負相關（陳龍飛等，2013;王鵬飛等，2016），作物冠層覆蓋度每增加10%則產沙率減少0.19%～0.27%（袁正科等，2002）。與裸地相比，大豆冠層覆蓋可平均降低徑流量和泥沙量為31.43%和54.84%（馬波等，2012），春小麥冠層覆蓋則可減少46.85%徑流量和53.02%泥沙量（黃滿湘等，2003）。焦平金等（2009）研究認為，葉面積指數是造成不同類型作物冠層覆蓋水土保持效果差異的主要因素，其中作物覆蓋抑制土壤侵蝕的效果為玉米<棉花<黃豆?！颈狙芯壳腥朦c】目前，關于秸稈覆蓋或作物冠層對植煙土壤侵蝕影響的研究較多，但兩者共同作用對土壤侵蝕影響的研究鮮有報道?！緮M解決的關鍵問題】以植煙坡耕地為研究對象，探討人工模擬降雨條件下秸稈覆蓋與烤煙冠層對土壤侵蝕的影響，以期為坡耕地土壤侵蝕防治和烤煙生產的可持續性提供理論支撐。

1 材料與方法

1. 1 研究區概況

試驗于2017年5—9月在云南農業大學水資源與節水灌溉重點實驗室（東經102°45′，北緯25°7′）進行。該區域年平均氣溫15 ℃，年均日照時數2200 h，無霜期240 d以上，年降水量1035 mm，全年85%的降雨量集中在5—10月，其中大雨和暴雨較多。土壤類型主要為紅壤和紫色土?？緹煘楫數氐闹饕洕魑?。

1. 2 試驗材料與裝置

供試烤煙為當地主栽品種K326，秸稈類型為當年收獲小麥。人工模擬降雨裝置由南京林業大學制造，降雨高度9 m，降雨強度變化范圍15～150 mm/h，降雨均勻度大于85%。徑流小區采用自制可調節坡度（0～30°）的土槽，長度、寬度和深度分別為160、80和30 cm，土槽下端上方和底部分別設置有導流管，用于地表徑流和地下滲漏收集。土槽內填裝土壤來自坡耕地耕層（0～20 cm），土壤類型為砂質紅壤，填裝前在土槽底鋪墊透水粗棉布。土壤風干后經孔徑為10 mm鋼篩過篩，按10 cm厚度分3層填裝，邊填土邊壓實，土壤容重約1.15 g/cm3。供試土壤養分狀況（歐陽鋮人等，2018）：有機質23.60 g/kg，全氮0.15 g/kg，全磷0.08 g/kg，全鉀0.15 g/kg，堿解氮37.29 mg/kg，速效磷20.36 mg/kg，速效鉀83.30 mg/kg，pH 6.66。

1. 3 試驗方法

根據近43年的水文資料分析，該區域降雨侵蝕力以大雨和暴雨為主（趙平偉等，2015）。因此，結合氣象部門對雨強的劃分，降雨強度設計為40、80和120 mm/h，分別模擬大雨、暴雨和特大暴雨;以無秸稈覆蓋（0 kg/ha，SM0）為對照，另設3個秸稈覆蓋量，分別為3750 kg/ha（SM3750）、7500 kg/ha（SM7500）和15000 kg/ha（SM15000）;在烤煙移栽后的第45 d（旺長期，FGS）、75 d（現蕾期，SS）和110 d（成熟末期，LMS）進行室內模擬降雨。試驗正式開始前，對降雨強度進行率定，降雨產流后，每間隔5 min取1次徑流和泥沙樣品，單次降雨歷時60 min，取樣12次，重復3次。

在土槽內橫坡起壟兩行，壟體寬40 cm，土槽上端和下端壟溝寬均為20 cm，中間壟溝為40 cm。每壟種植烤煙2株，共計4株，株距和行距分別為40和80 cm，種植完成后將土槽調節至7°（試驗區域烤煙種植以緩坡地為主）并置于室外?？緹熡?017年5月1日移栽并覆膜，氮、磷和鉀肥施用量分別為105、135和300 kg/ha（煙草專用復合肥、鈣鎂磷肥和硫酸鉀混合施用），6月10日完成揭膜培土，并采用分切約5 cm長的小麥秸稈（風干）對壟體和壟溝進行均勻覆蓋。其余種植和管理措施按照當地烤煙生產習慣進行。

1. 4 測定項目及方法

1. 4. 1 徑流量和產沙量 產流后采用帶蓋集水桶每隔5 min測量1次徑流體積，并用竹竿在桶內攪動1 min，分層采集徑流250 mL，室內靜置48 h后，倒掉上清液過濾，于50 ℃下烘干至恒重并稱重。徑流量按公式（1）計算：

R=[i=1n=12r ] （1）

式中，R為產流后60 min內徑流總量（L），r為5 min內徑流量（L）。

產沙量按公式（2）計算：

S=[i=1n=12K] ×r÷V （2）

式中，S為產流后60 min內泥沙總量（g），K為250 mL徑流中泥沙重量（g），r為5 min內徑流量（L），V=0.25 L。

產流速率為5 min內單位面積平均徑流量，產沙速率為5 min內單位面積平均產沙量。

1. 4. 2 葉面積指數 在每個生育期進行模擬降雨前，測量土槽中各株烤煙葉片的最大長度和寬度，并參照邵惠芳等（2017）的方法計算葉面積指數（LAI）。

LAI=（k[i=1n=4j=1xL]×W）÷a （3）

式中，k為烤煙葉面積系數0.6345（國家煙草專賣局，2010），x為單株葉片數，L和W分別為葉片最大長度（m）和寬度（m），a為土槽面積，其值為1.28 m2。

1. 5 統計分析

利用Excel 2016和SPSS 24.0進行數據處理分析，其中多重比較采用Duncans新復極差法，相關分析采用Pearson系數（雙側）;采用Origin 2018作圖。

2 結果與分析

2. 1 烤煙不同生育期的葉面積指數變化情況

烤煙種植于4個不同土槽，并分別覆蓋4個不同梯度的秸稈量。由表1可知，同一生育期不同土槽烤煙葉面積指數存在一定差異，隨著烤煙生育期的推移，葉面積指數先增大后減小，到成熟末期（LMS）時由于葉片采收完畢，葉面積指數為0。

2. 2 烤煙不同生育期產流產沙過程分析

烤煙不同生育期的產流和產沙過程如圖1所示。產流速率在不同生育期和秸稈覆蓋條件下總體上表現為先上升而后逐漸趨于平穩。秸稈覆蓋處理（SM3750、SM7500和SM15000）在不同生育期內的產流速率與產沙速率較接近。對于無秸稈覆蓋處理（SM0）而言，不同生育期的產流速率與產沙速率存在差異，其中產流速率以成熟末期最高，烤煙旺長期（FGS）和現蕾期（SS）則接近;產沙速率排序為SS

2. 3 不同因素對坡面產流產沙的影響

2. 3. 1 降雨強度 由圖2可知，降雨強度越大，坡面徑流量和產沙量越高，且不同降雨強度間的差異達顯著水平（P<0.05，下同）;與40 mm/h降雨強度相比，80和120 mm/h降雨強度下各秸稈覆蓋處理徑流量平均增加2.9和4.22倍，產沙量則平均增加3.92和6.31倍。相關分析結果（表2）顯示，徑流量和產沙量分別與降雨強度呈極顯著正相關（P<0.01，下同），說明降雨強度是導致坡面土壤侵蝕的直接因素之一。造成上述結果的主要原因是：一方面由于降雨強度越大，雨滴對土壤沖擊力越大，表層土壤越容易被剝離，從而使產沙量增加;另一方面，雨滴沖擊加劇了土壤團聚體崩解而堵塞土壤孔隙度，降低土壤入滲率，增加徑流量，同時增加徑流的攜帶泥沙能力。

2. 3. 2 秸稈覆蓋量 秸稈覆蓋量對徑流量和產沙量的影響如圖3所示。秸稈覆蓋量越高，徑流量和產沙量越低，且不同秸稈覆蓋量處理間的徑流量（除80 mm/h成熟末期）和產沙量均差異顯著。相關分析結果（表3）顯示，徑流量和產沙量與秸稈覆蓋量呈極顯著負相關。究其原因：一方面秸稈覆蓋降低了雨滴動能，減少表層土壤濺蝕與地表結皮，有效抑制土壤孔隙被堵塞，提升雨水入滲，減少徑流量;另一方面，由于秸稈附著于地表后會削弱地表徑流的動能，降低徑流流速，從而降低徑流對土壤的剝離能力。由此可見，秸稈覆蓋可有效降低坡地徑流量和產沙量。與無秸稈覆蓋處理相比，SM3750、SM7500和SM15000處理的徑流量和產沙量分別平均降低48.67%、73.67%、81.62%和57.63%、84.73%、89.98%，進一步說明當秸稈覆蓋量超過7500 kg/ha時，秸稈覆蓋降低產沙和產流的增幅效果減弱。

2. 3. 3 葉面積指數 各秸稈覆蓋處理烤煙不同生育期葉面積指數見表1。由圖4可知，在有無秸稈覆蓋下，葉面積指數對產流和產沙的影響存在明顯差異。當無秸稈覆蓋（SM0）時，徑流量和產沙量均隨葉面積指數增加而降低，且不同葉面積指數條件下徑流量（除120 mm/h）和產沙量存在顯著差異，說明烤煙冠層可降低產流和產沙量，且冠層覆蓋度越高效果越好。當有秸稈覆蓋（SM3750、SM7500和SM15000）時，在相同降雨強度和秸稈覆蓋量下，現蕾期（LAI=6.5～7.6）產流和產沙量均低于旺長期（LAI=2.8～3.6），尤其是當降雨強度為80和120 mm/h時，差異達顯著水平，表明秸稈與冠層覆蓋共同作用時，增加冠層覆蓋有助于降低坡面產流和產沙量。由表4可知，雖然葉面積指數與徑流量和產沙量均呈負相關，但僅與產沙量相關性達顯著水平，且相關度較低，進一步說明葉面積指數對土壤侵蝕的作用受降雨強度和秸稈覆蓋的影響較大。

2. 3. 4 秸稈覆蓋量與葉面積指數的交互作用 不同降雨強度下秸稈覆蓋量和葉面積指數與產流產沙的雙因素方差分析結果（表5）表明，秸稈覆蓋量、葉面積指數及兩者的交互作用對徑流量和產沙量均有極顯著影響;由各自變量III型平方和可知，秸稈覆蓋量對徑流量和產沙量的貢獻最大，其次為秸稈覆蓋量與葉面積指數的交互作用，葉面積指數的貢獻最小。

2. 4 土壤侵蝕指標的回歸分析結果

基于降雨強度、秸稈覆蓋量和葉面積指數，采用多元線性逐步回歸分析法建立徑流量和產沙量的最優回歸方程（表6）?；貧w方程中，Yr為徑流量（L），Ys為產沙量（g），ST為秸稈覆蓋量（kg/ha），RI為降雨強度（mm/h），LAI為葉面積指數，經F檢驗結果顯示，回歸方程均達極顯著水平，說明回歸方程較可靠，可用于模擬秸稈覆蓋條件下植煙坡地坡面徑流量和產沙量。

3 討論

本研究結果顯示，隨著降雨歷時的推移，植煙坡面產流速率先上升，隨后逐漸趨于穩定，且隨著秸稈覆蓋量的增加，產流速率和產沙速率均呈下降趨勢，與張翼夫等（2015）的研究結果相似。隨著秸稈量增加，秸稈覆蓋對土壤侵蝕抑制效果的增幅呈下降趨勢，尤其當秸稈覆蓋量達7500和15000 kg/ha時，兩者的產流速率、產沙速率、徑流量和產沙量均較接近，主要是因為當覆蓋度較高時，過多的秸稈覆蓋對地表糙度增加和雨滴動能的削弱效果有限，而對土壤入滲性能影響較?。◤堃矸虻?，2015），使其對產流產沙的抑制增幅效果降低。本研究還發現，雖然土壤侵蝕隨降雨強度的增加而加劇，但隨著秸稈覆蓋量的增加，坡面產流產沙水平呈降低趨勢，表明秸稈覆蓋量增加能削弱降雨強度增加對土壤侵蝕帶來的影響（張翼夫等，2015）。單純從水土保持角度來看，秸稈覆蓋量越高，其效果越好，但由于農業生產是以經濟產出為目的，過多的秸稈量不僅會增加生產成本，還會破壞作物生長環境。因此，坡耕地可持續利用需兼顧生態效益和經濟效益。在本研究中，當秸稈量為7500 kg/ha時，減流和減沙比例分別達73.67%和84.73%，而當秸稈量增至15000 kg/ha時，減流和減沙比例約增加8.00%和5.00%，說明當秸稈覆蓋量超過7500 kg/ha時，秸稈量的增加帶來水土保持收益較低;此外，過量的秸稈覆蓋會降低坡耕地烤煙產量和品質（鄭憲濱等，2007），從而減少經濟收益。綜上所述，在本研究條件下，以7500 kg/ha秸稈覆蓋量的綜合效益較好。

產流和產沙是反映坡耕地土壤侵蝕的重要指標，弄清降雨過程中地表產流和產沙特征有助于理解和闡述坡耕地土壤侵蝕機制。坡耕地產流產沙的影響因素較多，如地表覆蓋度（馬波等，2012）、耕作措施（陳龍飛等，2013）、種植制度（蔣翔等，2015）、土壤理化性狀（吳媛媛等，2016）和降雨強度（朱高立等，2016）等。就秸稈覆蓋和作物冠層而言，已有研究表明秸稈覆蓋或作物冠層均能有效抑制坡耕地產流和產沙，降低土壤侵蝕（王靜等，2010;Zhao et al.，2014;Tesemma et al.，2015;朱高立等，2016），本研究結果與上述的前人研究結果一致。本研究還發現，在40、80和120 mm/h降雨強度條件下，當無冠層覆蓋時（成熟末期），3750、7500和15000 kg/ha秸稈覆蓋較無秸稈覆蓋的徑流量和產沙量平均降低64.97%～91.63%和70.82%～93.88%;而無秸稈覆蓋時，旺長期和現蕾期徑流量和產沙量較成熟末期平均降低38.66%～45.66%和26.04%～63.53%，說明秸稈覆蓋對抑制坡耕地產流產沙的效果高于冠層覆蓋。這主要是因為降雨經作物冠層分配后將動能較高的雨滴轉化為動能較小的穿透雨和莖稈流（馬波等，2014），降低了濺蝕和結皮的機率，增加雨水入滲（張祖蓮等，2017），從而降低坡面產流和產沙;但由于冠層下方穿透雨的分布不均勻性，穿透雨多以葉尖和葉緣引流的方式到達地表（馬波等，2015），也會加劇局部土壤的濺蝕和產流，尤其是在降雨強度較大和植株較高時;當秸稈覆蓋達到一定量時，雨滴大部分動能被秸稈吸收，其對土壤孔隙度和糙度的破壞較小，維持了土壤良好的入滲性能，同時降雨能均勻入滲，從而能更有效地降低產流和產沙。本研究結果表明，秸稈覆蓋量、葉面積指數及兩者交互作用均對坡面產流和產沙具有極顯著影響，其中以秸稈覆蓋量的影響最大，而葉面積指數的影響最小，進一步說明秸稈和冠層同時作用，秸稈覆蓋是影響坡面產流和產沙的主導因子。在無冠層覆蓋時，由于降雨可均勻分布于地表，增加雨水入滲面積，其次秸稈直接覆蓋于地表，其對雨水的攔截效果相對更好;而有冠層存在時，由于其對降雨的攔截和引流，降低雨水到達地表分布的均勻性及雨水入滲面積，削弱秸稈覆蓋的作用，導致局部土壤侵蝕加劇，可能是造成秸稈覆蓋與葉面積指數的交互作用對產流產沙的影響不及秸稈覆蓋單一作用的原因。本研究區域烤煙成熟采收階段（7—9月）正值雨季，隨著冠層覆蓋的降低，土壤侵蝕風險也會不斷增加。因此，在烤煙生產中有必要進行合理的秸稈覆蓋，既有利于增加坡耕地雨水利用效率（林超文等，2010a），又能降低土壤侵蝕（Prosdocimi et al.，2016），促進烤煙產量和品質形成（蔡毅等，2014），實現坡耕地的可持續利用。

本研究基于室內人工模擬降雨，探討不同降雨強度、秸稈覆蓋量和葉面積指數條件下坡耕地產流產沙特征，明確秸稈與烤煙冠層覆蓋對土壤侵蝕影響及適宜的秸稈覆蓋量，研究結果可為當地烤煙生產及坡耕地土壤侵蝕防治提供理論支撐。但關于秸稈與作物冠層協同作用下對坡耕地產流產沙機制影響仍需進一步深入研究，以便為坡耕地土壤侵蝕的防治提供更系統的理論依據。

4 結論

植煙坡地土壤侵蝕隨秸稈覆蓋量或葉面積指數的增加而降低，秸稈覆蓋或烤煙冠層均能有效降低坡耕地徑流量和產沙量，當兩者同時存在時秸稈覆蓋的減流減沙效益相對更好，在坡耕地烤煙生產中建議采用7500 kg/ha秸稈覆蓋以降低土壤侵蝕，增加雨水利用效率，促進坡耕地可持續利用。

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（責任編輯 羅 麗）