秸稈覆蓋對喀斯特不同類型坡耕地降雨產流的影響

吳瑤琴，吳 攀，徐勤學，敖利滿，張帥普，付智勇

（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.中山大學土木工程學院，廣東 珠海519082；4.中國科學院環江喀斯特生態系統觀測研究站，廣西 環江 547100）

0 引 言

坡面降雨產流是土壤侵蝕的重要過程[1]，它受到降雨強度、地形地貌、土壤特性、地表覆蓋等因素的影響[2]。喀斯特坡地基巖出露廣泛[3]，土層不連續且厚度異質性大[4,5]，坡面降雨產流過程復雜且具有很強的空間異質性[6,7]。姜光輝等[8]探討了喀斯特坡地5種產流模式，認為石質坡地的徑流是表層巖溶帶產流、超滲產流、飽和產流的集合；陳洪松等[9]認為當裸巖率較低、土層較厚時，坡面降雨產流以蓄滿產流為主，但局部土層淺薄和基巖出露地段以超滲產流為主。

坡耕地是喀斯特坡地中水土流失最嚴重的一種類型[10]，由于巖石裸露和土體跳躍式分布，形成了裸巖、土被、土窩等多種不同微地貌類型的坡耕地[11]，地表不同的巖石出露特征會影響坡耕地的產流情況。如NIU等[12]通過沖刷試驗發現，礫石覆蓋能顯著降低坡面產流量；樊春華等[13]通過室內人工降雨試驗發現，嵌入土壤中的巖石會增加地表徑流的產生。目前關于喀斯特坡耕地產流產沙的研究多以室內土槽模擬降雨試驗為主[2,13]，而基于野外試驗的降雨和地形等多因子影響下的坡地產流過程的綜合研究還較少。喀斯特不同類型坡耕地降雨產流特征還有待進一步研究。

秸稈覆蓋是坡耕地最常用的水土保持措施之一，已有研究表明[14]秸稈覆蓋通過改變地表條件使坡耕地徑流過程發生改變，對坡耕地產流過程有重要影響。國內學者對于秸稈覆蓋的研究多在非喀斯特地區，且較為廣泛地認為秸稈覆蓋可以減少地表徑流[15,16]，但也有研究表明在極端降雨和陡坡條件下秸稈覆蓋集中了地表徑流，使得徑流量增加[17]。受喀斯特地區特殊二元結構的影響，一些常用水土保持措施的應用受到一定的限制[18]。近年來，在喀斯特地區關于秸稈覆蓋對坡面產流產沙影響的研究逐漸增多，但大多探討的是對單一類型坡耕地水土保持的作用，盤禮東等[19,20]通過野外徑流小區定位觀測表明與無秸稈覆蓋的徑流小區對比，覆蓋秸稈后不僅能增加土壤含水量，還能減少年均徑流深；高澤超等[21]的研究表明中雨強下秸稈覆蓋能有效減少地表徑流同時增加壤中流和地下徑流；但也有研究表明在雨強較大條件下，秸稈覆蓋導致地表徑流增加同時顯著減少了壤中流[22]。

喀斯特坡耕地空間異質性強，同一坡面不同位置裸巖率、礫石含量相差較大，此類特征的改變對秸稈覆蓋水土保持效果的影響還不清楚。因此本文采用野外原位模擬降雨試驗，研究不同類型坡耕地下秸稈覆蓋對喀斯特產流特征的影響，旨在為不同類型喀斯特坡耕地水土保持措施的布設提供參考依據。

1 研究方法

1.1 研究區概況

研究區位于廣西壯族自治區河池市宜州區德勝鎮都街村（24°43′21″ N，108°14′42″ E），為典型喀斯特峰叢洼地景觀，屬亞熱帶季風氣候區。多年平均氣溫19.9 ℃，極端低溫-5.2 ℃，極端高溫38.7 ℃，全年無霜期300～330 d。多年平均降雨量1 389.1 mm，降水豐富但季節分布不均，降雨主要集中在4-9月，期間降水量占全年降水量的70%以上。土壤為白云巖發育的深色石灰土，土壤質地為黏土和黏壤土，pH 值7.2～7.9，土壤容重為1.2 g/cm3。

1.2 徑流小區

選取典型喀斯特農業坡耕地作為試驗點，坡耕地上同一坡面土被不連續，上部、中部和下部地表特征差異大，土壤性質異質性高，故選擇上部、中部和下部坡耕地作為研究對象。根據不同的地表特征劃分3種不同類型坡耕地特征：①下部土層較厚，無基巖出露，礫石含量較少為裸坡地（BS）；②中部土層較薄，有基巖出露，礫石含量較少為巖石出露型（RE）；③上部土層較厚，無基巖出露，礫石含量較多為礫石覆蓋型（RF）。小區大小為2 m（長）×1 m（寬），每種類型的小區做2個平行，共計6個小區。試驗小區基本性質見表1。

表1 試驗小區基本性質Tab.1 Basic properties of experimental plot

試驗小區四周均開挖到巖石層，周圍用鋁塑隔板與外界隔開，隔板與小區之間的縫隙回填稀泥漿，以分隔小區內外徑流，減小邊界效應。在離地表約5 cm 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收集地表徑流；在土壤和基巖接觸界面裝入L形集水槽，集水槽通過塑料管連接到翻斗流量計收集壤中流，此集水槽略窄于小區寬度，以保證只收集小區內壤中流，并防止邊界側漏對地表徑流的影響。試驗小區示意圖見圖1。

圖1 試驗小區示意圖Fig.1 Diagram of the experimental field

1.3 試驗設計

模擬降雨試驗于2017年的7-9月進行，人工降雨裝置采用美國SPRACO 錐形噴頭組合的頂噴式降雨器，降雨高度為4.75 m，降雨均勻系數約0.9。試驗共進行24 場降雨，通過分析河池市常年降雨數據和降雨特征，降雨強度設定為45 mm/h，每次降雨時間為2 h。降雨開始后，記錄降雨開始時間、地表徑流和壤中流產流時間，每6 min記錄徑流量。

秸稈覆蓋選用收割后風干的稻草秸稈，按20 cm 切割成段自然均勻地覆蓋在土壤表面，每個小區上分別進行覆蓋度為0、20%、50%和80%的人工降雨試驗，2 次降雨試驗間隔時間為7 d。為保證不同覆蓋度處理間的地表狀況一致，參照研究區農業耕作習慣，每次降雨結束后進行翻耕處理。參考Adekalu等[23]的方法確定秸稈覆蓋度與覆蓋量之間的定量關系：

式中：MR為重量，t/hm2；MC為覆蓋度，%；Am為系數0.38。

1.4 數據處理

采用Excel 2016 和SPSS 26.0 軟件對數據進行統計分析。采用單因素（one-way ANOVA）進行方差分析，用LSD（least signification difference test）進行樣本間差異顯著性分析。利用Origin 2021軟件作圖。圖表中數據為平均值±標準差。

2 結果與分析

2.1 不同類型喀斯特坡耕地的降雨產流特征

由圖2 可知，喀斯特3 種不同類型坡耕地降雨產流特征存在顯著差異。RE、BS 和RF 的總徑流系數呈依次減少的特征，RE 的平均總徑流系數分別為BS 和RF 的1.1 倍和5.9 倍。不同類型坡耕地的地表徑流系數從大到小依次為：RE（0.117）＞BS（0.065）＞RF（0.015），其中RE 的平均地表徑流系數顯著高于其他坡耕地類型，分別為BS和RF的1.8和7.8倍。壤中流徑流系數為BS(0.147）＞RE（0.114）＞RF（0.024），其中RF的平均壤中流徑流系數顯著低于BS和RE，分別較BS 和RE 減少了83.7%和78.9%，但BS和RE之間無顯著差異。

圖2 不同類型坡耕地降雨產流特征Fig.2 Rainfall runoff characteristics of different types of slope farmland

如圖3 所示，地表徑流和壤中流初始產流時間均表現為RE＜BS＜RF。RE 的地表初始產流時間最早（5.8 min），且顯著早于RF（9.1 min），BS 的地表初始產流時間為7.4 min，與RE和RF 差異較小。不同類型坡耕地的壤中流均晚于地表徑流開始產流，BS、RE 和RF 的壤中流初始產流時間分別為地表徑流初始產流時間的3.1倍，2.2倍，2.7倍，其中RE的壤中流初始產流時間（12.8 min）顯著早于BS（23.1 min）和RF（24.1 min），但BS和RF之間無顯著差異。

圖3 不同類型坡耕地平均初始產流時間Fig.3 Average initial runoff time of different types of slope farmland

不同類型坡耕地的產流過程如圖4 所示，RF 的平均地表徑流強度和壤中流徑流強度均明顯低于BS和RE。其中，平均地表徑流強度表現為RE（10.3 mm/h）＞BS（6.1 mm/h）＞RF（2.4 mm/h），RF 的平均地表徑流強度較RE 和BS 減少了76.7%和60.7%，而平均壤中流徑流強度表現為BS（12.9 mm/h）＞RE（9.8 mm/h）＞RF（1.9 mm/h）。不同類型坡耕地的地表徑流和壤中流產流過程相似，即產流速率先快速增加而后增速放緩，最后趨于穩定。但是BS和RE的地表徑流和壤中流的產流過程存在明顯差異，地表徑流產流過程中流量變化較為平緩，保持相對穩定，而壤中流產流過程中流量波動明顯，在降雨后的84 min內均有一個持續上升的過程。

圖4 不同類型坡耕地產流過程Fig.4 Runoff process of different types of slope farmland

2.2 秸稈覆蓋對地表徑流的影響

如圖5 所示，秸稈覆蓋對地表徑流的影響因坡耕地類型而異。在BS 型坡耕地，20%覆蓋度能顯著減少地表徑流量，較無覆蓋小區減少了26.2%，但50%和80%覆蓋度均會增加地表徑流，較無覆蓋小區增加了13.8%和63.1%；在RE 型坡耕地，20%和50%覆蓋度均能顯著減少地表徑流量，較無覆蓋小區減少了39.3%和44.5%，80%覆蓋度下的徑流系數與無覆蓋無顯著差異；而在RF 型坡耕地，秸稈覆蓋均會顯著增大地表徑流量，隨著秸稈覆蓋度的增加，地表徑流量呈增加趨勢。

圖5 不同秸稈覆蓋下地表徑流產流特征Fig.5 Characteristics of surface runoff under different straw mulching

由圖6 可知，秸稈覆蓋對不同類型坡耕地的影響存在差異。不同類型坡耕地下，20%覆蓋度均能有效減少穩定地表徑流強度，在BS、RE 和RF 較無覆蓋分別減少了46.2%，38.4%，62.5%；50%覆蓋度在BS 和RE 能減少穩定地表徑流強度，但在RF 穩定地表徑流強度跟無秸稈覆蓋小區無明顯差異；80%覆蓋度在RE 和RF 能減少穩定地表徑流強度，而在BS反而會增大穩定地表徑流強度，較無覆蓋增加了35.0%。

圖6 不同秸稈覆蓋下地表徑流產流過程Fig.6 Surface runoff process under different straw mulching

2.3 秸稈覆蓋對壤中流的影響

如圖7所示，秸稈覆蓋對不同類型喀斯特坡耕地壤中流的影響不同。在BS型坡耕地，秸稈覆蓋均會顯著減少壤中流量，其中80%覆蓋度減少壤中流量最顯著，較無覆蓋平均減少了85.7%；在RF 型坡耕地，秸稈覆蓋均會增加壤中流量，其中50%覆蓋度能顯著增加壤中流量，較無覆蓋增加了158.3%；而在RE 型坡耕地，除50%覆蓋度較無覆蓋顯著減少壤中流28.1%外，其余秸稈覆蓋度會增加壤中流量。

圖7 不同秸稈覆蓋下壤中流產流特征Fig.7 Characteristics of subsurface runoff under different straw mulching

如圖8所示，秸稈覆蓋顯著改變了不同類型坡耕地的壤中流產流過程。在BS 型坡耕地，覆蓋秸稈均會減少穩定壤中流徑流強度，且穩定壤中流徑流強度隨覆蓋度增加而降低，80%覆蓋度減少穩定壤中流徑流強度最多，較無覆蓋減少了89.7%；在RE 型坡耕地，20%和80%覆蓋度對壤中流產流過程影響較小，穩定壤中流徑流強度與無覆蓋無明顯差異，但50%覆蓋度能減少穩定壤中流徑流強度，較無覆蓋減少了35.3%；在RF 型坡耕地，20%和80%覆蓋度均能增大穩定壤中流徑流強度，其中50%覆蓋度增加穩定壤中流徑流強度最多，較無覆蓋增加了60.0%。

圖8 不同秸稈覆蓋下壤中流產流過程Fig.8 Subsurface runoff process under different straw mulching

3 討 論

本研究表明，不同類型坡耕地的地表徑流量表現為巖石出露（RE）＞裸坡地（BS）＞礫石覆蓋（RF）。巖石出露是RE的地表徑流高于BS 和RF 的主要因素。LIU 等[24]研究結果表明巖石出露增加了緩坡與陡坡的坡面地表徑流量，這主要是因為降雨擊落在巖石上容易直接形成巖面徑流，加速了地表徑流的產生，地表徑流量隨著地表巖石覆蓋率的增加而增加[25]，且RE 的土層厚度最薄，也更容易蓄滿產生地表徑流。除此之外，巖石的攔截和聚集效應能降低地表徑流的流速，促進降雨入滲[26]，巖面徑流能通過巖土界面快速進入土壤形成壤中流，所以RE 的壤中流初始產流時間顯著早于其他兩種類型。而RF的礫石含量顯著高于BS和RE，DAI等[27]研究表明，地表礫石覆蓋能顯著減少地表徑流量，同時增加了壤中流和地下徑流量；王小燕等[28]在研究礫石覆蓋對坡面水文過程影響時也表明，地表徑流速率及地表徑流系數隨礫石覆蓋度的增加而降低，礫石存在能夠有效的減少土壤出露面積，增大地表粗糙度，從而使得徑流流速變緩而入滲量增加，所以RF 的地表徑流量最少。

本文結果顯示，秸稈覆蓋的減流效果因坡耕地類型而異。在有巖石出露的RE 型坡耕地覆蓋秸稈后能減少地表徑流，這是因為RE 的裸巖會增加徑流流速，加快地表結皮的產生，使得地表徑流強度持續增加，而秸稈覆蓋后坡面流速降低，使達到穩定時的地表徑流強度明顯降低，所以在巖石裸露地區覆蓋秸稈能起到較好的減流效果。綜合考慮，50%秸稈覆蓋量減少地表徑流效果最為明顯，可見，在坡耕地水土流失防治實踐中，并不是秸稈覆蓋量越大越好，秸稈覆蓋量過高，可能更容易導致水土的流失。在礫石含量較高的RF 型坡耕地，覆蓋秸稈反而會增大地表徑流。這是因為秸稈覆蓋主要是通過增加地表的粗糙度來減少地表徑流的產生速率和表面流速。有相關研究[29]表明，礫石相較于秸稈覆蓋與坡面接觸面大，覆蓋密度更高，這使得礫石覆蓋截留降水促進降雨入滲的效果要高于秸稈覆蓋，因而礫石覆蓋比秸稈覆蓋具有更好的減流效果，當秸稈覆蓋在礫石表面上時，礫石的減流效益也被削弱[30]。本研究中，80%秸稈覆蓋度在3 種類型坡耕地均會增加地表徑流，這與以往秸稈覆蓋能有效降低地表徑流系數不同。這主要是前述研究坡度都較緩（＜15°），本研究中徑流小區坡度較陡，平均坡度為26°，有研究結果表明[31]在大坡度情況下，覆蓋坡面土壤含水率達到飽和的時間早于無覆蓋坡面，因此更容易產生地表徑流。此外秸稈覆蓋阻礙了雨滴與土壤的直接接觸，減緩了入滲，隨著覆蓋度的增加，雨滴容易在秸稈上直接產生徑流并順著秸稈向下。

研究結果表明，秸稈覆蓋在RF會增加壤中流量，但在BS卻減少了壤中流量。這主要是因為RF 的礫石含量較高，OMIDVAR 等[29]研究表明，秸稈覆蓋比礫石覆蓋更能有效增加地表粗糙度并降低流速，這使得降雨入滲時間增加從而促進水分入滲。在BS 型坡耕地，由于秸稈本身的吸水能力，降雨期間截留了部分降水，使得入滲量減少，使得壤中流減少，趙永敢等[32]研究結果也表明，秸稈覆蓋后入滲速率較無覆蓋降低70%。

最后，本文結果是通過人工模擬降雨試驗獲得，為了更好地研究秸稈覆蓋對不同類型喀斯特坡耕地降雨產流特征的影響，還需進一步開展長時間的天然降雨觀測試驗。同時，本研究中僅通過土層厚度和巖石出露特征劃分不同坡耕地類型，而喀斯特地區裸巖廣泛出露，土體被裸巖零星切割，坡耕地破碎度增加，不同類型的坡耕地相互交錯分布，形成了一系列復合坡耕地類型，秸稈覆蓋在復合坡耕地上的適用性還需進一步開展研究。

4 結 論

（1）坡耕地類型對于地表徑流和壤中流的產流特征均有重要影響，裸巖率和礫石含量是影響坡面徑流的重要因素。喀斯特3 種類型坡耕地中，巖石出露型（RE）坡耕地地表徑流和壤中流初始產流時間最早，平均地表徑流最大，總徑流量顯著高于裸坡地（BS）和礫石覆蓋型（RF）坡耕地。

（2）秸稈覆蓋的減流效果因坡耕地類型而異。20%覆蓋度在BS 型坡耕地的減流效果最好，較無覆蓋減少了26.1%，50%覆蓋度在RE 型坡耕地的減流效果最好，較無覆蓋減少了44.5%，而秸稈覆蓋在BS 型坡耕地會增加地表徑流量。因此在喀斯特坡耕地開展水土保持工作時，秸稈覆蓋措施主要考慮應用于裸坡地和巖石出露的坡耕地。

（3）壤中流受降雨、坡耕地類型和地表覆蓋等因素的綜合影響，產流特征較為復雜。不同秸稈覆蓋度在RF 型坡耕地均會增加壤中流量，其中50%覆蓋度壤中流量較無覆蓋顯著增加了158.3%；在BS 型坡耕地80%覆蓋度減少壤中流量最多，較無覆蓋減少了85.7%；而秸稈覆蓋在RE 型坡耕地對壤中流的作用效果無明顯規律。