秸秆覆盖和有机质输入对紫色土土壤可蚀性的影响*

黄新君，陈尚洪,，刘定辉，张晴雯**

（1.中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所农业清洁流域团队/农业部农业环境重点实验室，北京100081；2. 四川省农业科学院土壤肥料研究所，成都 610066）



秸秆覆盖和有机质输入对紫色土土壤可蚀性的影响*

黄新君1，陈尚洪1,2，刘定辉2，张晴雯1**

（1.中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所农业清洁流域团队/农业部农业环境重点实验室，北京100081；2. 四川省农业科学院土壤肥料研究所，成都 610066）

摘要：以紫色土坡耕地为研究对象开展野外径流小区定位监测试验，设置有机质（OM）、秸秆覆盖（SW）、有机质+秸秆覆盖（OM+SW）和对照（无秸秆覆盖，不增施有机质，CK）4个处理，对2014年侵蚀性降雨条件下不同处理小区径流及产沙特征进行分析，以单位径流冲刷侵蚀量(Kw)作为土壤可蚀性指标，研究四川省中江县紫色土区秸秆覆盖和有机质输入对坡耕地土壤可蚀性的影响。结果表明：秸秆和有机质输入能显著降低紫色土区坡耕地产流量，4个处理减小径流的效果表现为OM+SW＞SW＞OM＞CK；有机质、秸秆覆盖均显著降低单位径流侵蚀量，从而减小土壤可蚀性，OM、SW、OM+SW处理对土壤可蚀性的平均消减率分别为22.30%、29.76%、35.04%，秸秆覆盖处理（SW）对土壤可蚀性的减小效应略高于有机质处理（OM），但二者差异不显著。综合分析得出，增施有机质的同时进行秸秆覆盖可作为紫色土区坡耕地减小土壤可蚀性的有效措施。

关键词：可蚀性；紫色土；有机质；秸秆；单位径流冲刷侵蚀量

黄新君,陈尚洪,刘定辉,等.秸秆覆盖和有机质输入对紫色土土壤可蚀性的影响[J].中国农业气象,2016,37(3):289-296

土壤可蚀性作为土壤的内在属性，指土壤是否易受侵蚀破坏的性能，是土壤对侵蚀介质剥蚀和搬运敏感程度的集中体现[1]，已被国内外学者公认为土壤侵蚀预报模型和环境效应评价模型的重要土壤参数之一[2]。四川盆地紫色土是一种重要的农业土壤资源，由于其成土母质结构多为疏松多孔的紫色砂页岩，物理风化迅速、土层浅薄，加上多年来高垦殖、高复种利用，致使土壤侵蚀极其强烈，已成为中国继黄土高原地区后的第二大水力侵蚀区。土壤抗侵蚀能力弱是导致紫色土坡耕地土壤侵蚀强烈发生的主要原因[3]，因此，系统研究坡耕地土壤抗蚀性及其削减途径，对紫色土坡耕地侵蚀防治及环境保护具有重要意义。目前，有关土壤可蚀性研究主要集中在可蚀性参数量化方法、评价指标以及与土壤理化性质之间的关系等方面[4]。大多数学者认为对特定的土壤而言，土壤可蚀性应该是定值[5]，但近年相关研究表明，由于影响土壤可蚀性的土壤属性存在动态变化，从而导致土壤可蚀性产生动态变化[6]，增加地表覆盖和增施有机质对土壤可蚀性有显著影响。耕作能够增加土壤可蚀性[7]，频繁的耕作以及缺少适宜的管理措施不仅导致土壤团聚体的破坏，而且还加速耕地的土壤侵蚀和退化[8]。King等[9]发现地表覆盖可以影响土壤可蚀性，秸秆和有机质能够提高土壤抗蚀性[10-14]。秸秆覆盖一方面能够避免雨滴直接击打土壤表面，减少雨滴引起的溅蚀效应；另一方面能够增加农田表面粗糙度，提高土壤入渗能力[15-16]，减少径流和泥沙[17]。王安等[18]研究了秸秆覆盖和留茬在玉米生育期的水土保持效应，结果表明，秸秆覆盖在玉米的不同生育期均可有效减少土壤侵蚀，其产沙量最多可减少75%。van Liew等[19]研究表明，秸秆覆盖处理会使土壤剥蚀能力减小60%～85%。此外，有研究表明，土壤有机质通过提高团聚体稳定性，改善土壤结构，从而增加土壤的抗蚀性[20]。张孝存等[21]通过研究黑土地区坡耕地有机质与土壤团聚体稳定性的关系发现，消散作用下的土壤团聚体平均重量直径（MWDsw）、＞0.2mm水稳定性土壤团聚体含量均与有机质含量存在显著的正相关关系。Jankauskas等[22]认为土壤可蚀程度与土壤有机质含量呈极显著的负相关关系。

目前有关秸秆和有机质对坡耕地土壤可蚀性的研究，大部分集中在黄土高原以及东北黑土区，缺乏对紫色土区的研究，且对秸秆与有机质耦合效应在减少土壤可蚀性方面的报道较少。由于紫色土与西北黄土和东北黑土在土壤结构、风化类型、理化性质等方面存在明显的差异，且紫色土区大强度的降雨分布较集中，这使其区别于其它的侵蚀类型区。目前尚难以从理论上对土壤可蚀性作出定量描述或估算，只能以间接指标和试验手段对土壤可蚀性参数进行研究。因此，在紫色土区坡耕地开展秸秆覆盖与有机质耦合效应研究，对区域生态安全和维持粮食安全有着重要意义。本研究基于2014年6、7、8、9、10月降雨和田间径流小区实测数据，以单位径流冲刷侵蚀量作为土壤可蚀性指标[23-24]，研究秸秆覆盖及有机质输入不同处理下坡耕地土壤产流产沙特性，分析秸秆和有机质在降低土壤可蚀性方面的效应，以期为坡耕地土壤流失调控与治理提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于四川省中江县，田间试验布设于四川省农业科学院中江仓山试验示范基地野外径流监测场（30°05′27″N，104°34′16″E）。平均海拔560m，亚热带湿润季风气候，年平均气温16.7 ℃，年平均日照1317h，无霜期287d，年平均降水量882mm，侵蚀性降雨多分布在5、6、7、8和9月，其中5-9月降水量占全年总降水量的80%以上。旱坡地主要种植作物为小麦、玉米、大豆或甘薯。试验地土壤有机质、全氮、全磷和全钾含量分别为12.00、0.98、0.75和20.44g·kg-1；土壤颗粒较粗，黏粒含量约占10%，质地砂壤，抗侵蚀能力弱。

1.2 试验处理

试验从2014年4月开始，共设置4组处理，即对照组（CK），有机质处理（OM），秸秆覆盖处理（SW）和有机质+秸秆覆盖处理（OM+SW）。其中CK处理不进行秸秆覆盖和施入有机质；OM处理施用有机肥3000kg·hm-2（有机碳35.30%，全氮2.88%，全磷5.49%，全钾2.17%）；SW处理秸秆进行全量还田，上一季小麦收获后秸秆覆盖于玉米种植带，玉米收获后，其秸秆覆盖行间；OM+SW处理施入有机肥后进行秸秆覆盖。每个处理重复3次，将试验区共分成12个小区，随机区组排列。小区面积20m×3m，坡度为10°。4月初直播玉米，每2m厢面中央种植2行玉米，行距40cm，株距20cm。按当地常规施肥量（N150 kg·hm-2，p2O560kg·hm-2，K2O 90kg·hm-2）施肥。磷、钾肥作基肥一次性施入，氮肥分别于播种期、六叶展和十叶展时期按照总施肥量2:3:5施用，其它管理措施与大田高产栽培一致。在玉米全生育期内（4-10月），记录每次引起试验区产生径流的侵蚀性降雨数据和小区产流产沙情况。

1.3 观测项目和方法

采用简易量筒测量各径流小区降雨量，使用径流池测量每次降雨后的径流量。径流深度为各小区径流量与小区面积之比，径流系数为每次降雨径流深与该次降雨量之比，即

式中，H为单次降雨径流深度（mm）；Q为各小区径流量（m3）；A为径流小区面积（m2）；Rc为径流系数；R为降雨量（mm）。

泥沙含量采用烘干法测定。各小区产沙量即单次降雨冲刷量计算式为

式中，W为单次降雨冲刷量（kg）；S为泥沙浓度（kg·m-3）；Q为各小区径流量（m3）。

以单位面积单位径流冲刷动力即单位径流深冲刷侵蚀量Kw(kg·m-2·mm-1)作为土壤可蚀性指标，既反映了径流冲刷动力因子的作用，也可揭示土壤本身抵抗径流冲刷的能力[23-24]。Kw计算式为

式中，W为单次降雨冲刷量（kg）；A为径流小区面积（m2）；H为单次降雨径流深（mm）。

1.4 数据分析

采用Excel2010和SAS进行数据整理和方差分析。使用LSD法进行差异显著性检验。

2 结果与分析

2.1 秸秆覆盖和有机质输入对紫色土区坡耕地产流特性的影响

由表1可见，研究区6月10日-10月29日共发生10次引起产流的侵蚀性降雨，单次降雨量在25.50～101.90mm，40mm以上的降雨出现的频数最多，占总降雨次数的70%，9月11-12日降雨量最大，达101.90mm。各处理径流深度随着降雨变化出现明显的波动，降雨量越高，径流深度越大。在所记录的10次降雨中，各处理次降雨产生的径流深度最小为3mm，最大为30mm，集中分布在5～25mm，其中5～10mm出现的次数最多，占总次数的40%；径流系数最小值为0.10，最大值为0.48，极差为0.38。径流深度和径流系数不仅与各处理表面的产流特性有关，也与降雨量大小关系密切。

为了剔除降雨量的影响，进一步分析比较同次降雨后不同处理的径流深和径流系数可知，10次降雨后（不论雨量大小）对照组（CK）的径流深和径流系数均最大，其径流深在7.08～29.87mm，径流系数在0.15～0.48，平均分别为16.91mm、0.32；其次为有机质处理（OM），其径流深在 5.42～27.04mm，径流系数在0.14～0.45，平均分别为13.75mm、0.26，分别比CK降低18.68%和19.66%，且差异显著（P ＜0.05）。秸秆覆盖处理（SW）产流情况排第三，10次降雨后径流深在4.41～20.23mm，径流系数在0.17～0.34，平均分别为11.14mm、0.21，分别比CK降低34.11%和35.05%，差异显著（P＜0.05）。产流最少的为有机质+秸秆覆盖处理（OM+SW），10次降雨后径流深在3.33～19.11mm，径流系数在0.10～0.33，平均分别为8.77mm、0.17，分别比CK降低48.18%和49.14%，且差异也达显著水平（P＜0.05）。可见，秸秆覆盖或有机质输入均能有效减少坡耕地表面的产流量和径流系数，两者结合后减流效果更佳。此外，对 OM、SW、OM+SW 3个处理间径流深度差异的分析表明，除10月29日径流深度差异达到显著水平外（P＜0.05），其它处理间差异均不显著。这可能是有机质输入时间较短，未能完全分解，对土壤结构影响较小的缘故。

表1 2014年试验区降雨量和各处理径流特性Table 1 Rainfall and runoff of different treatments in 2014

2.2 秸秆覆盖和有机质输入对紫色土区坡耕地产沙量的影响

由图1可见，各处理产沙量均呈先增加后减小的趋势。7月20日、7月24日、8月10日、8月27日4次降雨后，各处理产生泥沙量均显著高于其它次降雨，产沙量均在1000kg·hm-2以上。产沙量在500kg·hm-2以下的降雨共出现6次，占总产沙次数的60%。对比10次降雨后各处理的产沙情况可以发现，对照处理（CK）产沙量在47.63～4249.86kg·hm-2，平均1210.67kg·hm-2；其次为有机质处理（OM），产沙量在22.00～2737.30kg·hm-2，平均787.74 kg·hm-2，比CK降低34.93%；秸秆覆盖处理（SW）产沙情况排第三，产沙量在11.91～2103.4kg·hm-2，平均620.09kg·hm-2，比CK降低48.78%；产沙量最小的是有机质+秸秆覆盖处理（OM+SW），产沙量在12.04～1828kg·hm-2，平均517.29kg·hm-2，比CK降低57.27%。可见，与CK相比，各处理均能有效减小试验区坡耕地产沙量，除第一次降雨外（6月10-17日），差异均达到显著水平（P＜0.05）。

对比各处理间产沙情况可见，在第5次（8月27日）和第10次（10月29日）降雨后4种处理间产沙量差异均达显著水平（P＜0.05）。此外，有机质与秸秆同时施入在减小产沙方面的贡献率分别比单施入有机质或秸秆高28.1%和12.0%。表明秸秆和有机质同时施入能够明显降低泥沙产量，其效果比单施入有机质或秸秆更好。

图1 2014年试验区降雨后不同处理产沙量对比Fig. 1 Comparison of sediment yield between different treatments

2.3 秸秆覆盖和有机质输入对紫色土区坡耕地地表径流抗蚀性的影响

由图2可见，单位径流冲刷侵蚀量随降雨次数呈先增加后减小的趋势。侵蚀量大的月份分布在7月和8月，土壤可蚀性指标Kw值分布在0.24～31.29g·m-2·mm-1区间，期间可蚀性指标Kw小于10g·m-2·mm-1的频数最多，占总次数的70%。对比不同处理间侵蚀量差异可知，有机质处理（OM）、秸秆覆盖处理（SW）、有机质+秸秆覆盖处理（OM+SW）的单位径流冲刷侵蚀量（Kw）均明显低于对照CK（P＜0.05）。CK的单位径流冲刷侵蚀量最高，其Kw值在0.41～31.29g·m-2·mm-1，平均9.54g·m-2·mm-1；其次为OM处理，其Kw值为0.35～22.74g·m-2·mm-1，平均7.07g·m-2·mm-1；SW处理的单位径流冲刷侵蚀量排第三，其Kw值为0.27～23.01g·m-2·mm-1，平均6.64g·m-2·mm-1；OM+SW处理最低，其Kw值为0.25～21.57g·m-2·mm-1，平均6.40g·m-2·mm-1。

与CK相比，有机质和秸秆覆盖均能降低试验区坡耕地土壤可蚀性，有机质处理（OM）、秸秆覆盖处理（SW）、有机质+秸秆覆盖处理（OM+SW）对土壤可蚀性的平均消减率分别为22.30%、29.76%和35.04%，除第8次降雨（9月21日）外，差异均达到显著水平（P＜0.05）。

图2 不同处理下土壤的单位径流冲刷侵蚀量(Kw)Fig. 2 Sediment yield in unit area runoff (Kw) under different treatments

3 结论与讨论

3.1 讨论

紫色土区降雨量出现明显的季节性分布，集中分布在6-9月，且该时间段内暴雨频发。因此，在紫色土区坡耕地开展水土保持工作时，应该结合降雨分布作出合理规划和调整。在降雨发生时，对照组（CK）、有机质（OM）、秸秆覆盖（SW）、有机质+秸秆覆盖（OM+SW）4种处理的径流系数依次降低，说明有机质和秸秆施入田间后对径流系数有一定的减小作用。

其次，降雨量与径流深度有一定的相关性，降雨量大时，各处理的径流深度也高。分析同一时期不同处理间径流量差异可知，有机质和秸秆覆盖均能减小径流量，并且在强降雨发生时，这种消减效应更明显，该结论验证了赵君范等[17，25]的研究。有研究表明，土壤表面覆盖秸秆后，避免了降雨对地表的直接冲击和暴晒，团粒结构稳定，土壤疏松多孔，因而土壤的导水性强，降雨就地入渗快，地表径流小[26]。然而，本试验秸秆对径流的消减效应低于Won等[27]的结论，这可能是因为本试验中的降雨类型、土壤类型等因素与之不同，此外，本试验中小麦的秸秆还田量为4500kg·hm-2，远低于Won等试验中所投入9000kg·hm-2的秸秆量。而王兆伟等[28]对山西寿阳褐土进行4种不同秸秆覆盖量（1500、3000、4500、6000kg·hm-2）的研究表明，试验区最佳秸秆覆盖量为4500kg·hm-2，秸秆覆盖量过高不利于降雨入渗，过低则不利于土壤水分调控。

产沙量在10次降雨中的分布较集中，500kg·hm-2水平以上产沙量多分布在前6次降雨后。在6月10-17日发生大强度的降雨但产沙量却未增加，这可能是降雨在该段时间内分布不集中，加之此时玉米处于小喇叭口期，发达的冠层能够拦截雨滴对土壤的直接击打并且根系能够起到固定土壤的作用，使径流含沙量远低于其它强降雨发生时的泥沙含量。第二次降雨（7 月20日）虽然强度小，但各小区产沙量较高。这可能是在7月20日之前，试验区发生较小强度的降雨，小区虽未产流但土壤水分含量逐渐增加，使土壤更容易被径流分散而造成土壤侵蚀[3]，造成前期各处理出现很高的产沙量。在8月27日虽然出现一次强降雨，但其后产沙量并未出现陡增，这可能是因为在9月11-12日径流小区的玉米秸秆已经全量还田，刚收割的玉米秸秆覆盖于农田表面，能够阻挡大部分雨滴对土壤直接击打造成的溅蚀，减小了径流中的泥沙含量。对比同一时期不同处理间的产沙情况发现，秸秆覆盖处理（SW）比有机质处理（OM）的产沙量平均低16.2%，说明秸秆还田能够减少产沙量，且效果比单施入有机质更明显，这一结果与徐泰平等[29]的结论一致。而在Won等[27]的研究中，这种减小效应更为明显，并且当秸秆覆盖量为9000kg·hm-2时，径流小区无泥沙产生。4种处理下的径流量与产沙量表现为对照组（CK）＞有机质处理（OM）＞秸秆覆盖处理（SW）＞有机质+秸秆覆盖处理（OM+SW）。

本研究所得的可蚀性指标（Kw）值多分布在10g·m-2·mm-1左右，最大值为31.29g·m-2·mm-1。然而在Prats等[25]的研究中，对照组和试验组土壤可蚀性指标分别为1.05和0.17g·m-2·mm-1，本试验的土壤可蚀性值普遍高于该研究，这可能是因为Sergio使用了林地作为研究对象，而农田经过长期的耕作，土壤扰动程度更大，因此，比林地土壤拥有更高的可蚀性。就秸秆覆盖和有机质对土壤可蚀性的消减效应而言，本试验中秸秆覆盖处理（SW）对可蚀性的消减效应高于有机质处理（OM），这可能是因为有机质施入田间的时间较短，对土壤结构的影响较小；而秸秆对水分有很强的吸收能力，秸秆覆盖不仅增加了地表的粗糙率而且还能有效防止雨滴击溅，阻延流速，降低了水流能量，减少了径流冲刷[30]。因此，本研究中，秸秆主要是通过物理方面的效应来减小土壤可蚀性。另外，有机质+秸秆覆盖处理（OM+SW）3种对可蚀性的消减效应均高于单施有机质和秸秆覆盖处理，且差异达到显著水平，故有机质和秸秆耦合效应能更有效地降低土壤可蚀性。秸秆和有机质对降低土壤可蚀性的作用不仅受施用量的影响，也与施用方式及施用时间等因素密切相关。但本研究结果仅基于1a降雨侵蚀试验所得，为了进一步揭示有机质和秸秆在减小土壤可蚀性方面的效应和作用机制，仍需进行多年长期定位试验。

3.2 结论

（1）秸秆和有机质输入能显著降低紫色土区坡耕地产流量和径流系数。与对照（CK）相比，在田间进行有机质（OM）、秸秆覆盖（SW）、有机质+秸秆覆盖（OM+SW）3种处理，对径流的减小效应分别为18.68%、34.11%、48.18%，且差异显著。4种处理减小径流效果表现为有机质+秸秆覆盖处理（OM+SW）＞秸秆覆盖处理（SW）＞有机质处理（OM）＞对照组（CK）。秸秆和有机质能显著降低泥沙产量，其效果比单施入有机质或秸秆更好。有机质和秸秆耦合模式在减小产沙方面的贡献分别比单施入有机质或秸秆高28.1%和12.0%。

（2）有机质和秸秆覆盖均能显著降低单位径流侵蚀量，并减小紫色土区坡耕地土壤可蚀性，且效果显著。有机质处理（OM）、秸秆覆盖处理（SW）、有机质+秸秆覆盖处理（OM+SW）对土壤可蚀性的平均消减率分别为22.30%、29.76%、35.04%。秸秆覆盖处理（SW）的平均可蚀性消减率略低于有机质处理（OM），但二者差异不显著。有机质+秸秆覆盖处理（OM+SW）对土壤可蚀性的消减效应均高于有机质处理（OM）和秸秆覆盖处理（SW），且差异显著。因此，增施有机质和秸秆覆盖相结合可作为该地区坡耕地一种水土保持农艺措施而推广。

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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**通讯作者。E-mail：ellenzhqw@163.com

基金项目：国家水体污染控制与治理科技重大专项(2012ZX07104-003)；公益性行业(农业)科研专项(201503119)

作者简介：黄新君（1992-），硕士生，主要从事土壤资源管理研究。E-mail：xinjun1323@sina.com