秸秆覆盖对种植烤烟坡耕地土壤侵蚀的影响

吕凯 段颖丹 吴伯志

摘要：【目的】探討秸秆覆盖对种植烤烟坡耕地土壤侵蚀的影响，为坡耕地可持续利用提供理论依据。【方法】采用室内人工模拟降雨法，以烤烟K326为材料，分别设3个降雨强度（40、80和120 mm/h）和3个秸秆覆盖量（3750、7500和15000 kg/ha），以无秸秆覆盖为对照，观测烤烟不同生育期径流量和产沙量，并进行不同因素与径流量和产沙量的相关性分析及回归分析。【结果】随着降雨历时的推移，产流速率先上升而后趋于稳定;随着秸秆覆盖量的增加，产流速率和产沙速率逐渐降低，当秸秆覆盖量达7500和15000 kg/ha时，两者水土保持效果较接近，其平均产流速率和平均产沙速率分别为0.19、0.14 L/（m2·min）和0.05、0.03 g/（m2·min）;径流量和产沙量随降雨强度的增加而上升，两者均与降雨强度呈极显著正相关（P<0.01，下同）;秸秆覆盖量越高，径流量和产沙量越低，3个秸秆覆盖处理的径流量和产沙量较对照分别降低48.67%～81.62%和57.63%～89.98%;无秸秆覆盖时，径流量和产沙量随叶面积指数的增加而降低，径流量和产沙量与叶面积指数呈负相关，但仅产沙量达显著水平（P<0.05）;双因素方差分析结果表明，秸秆覆盖量、叶面积指数及两者交互作用对径流量和产沙量均有极显著影响，以秸秆覆盖量对产流产沙的贡献最大;基于降雨强度（RI）、秸秆覆盖量（ST）和叶面积指数（LAI）建立径流量（Yr）和产沙量（Ys）的最优回归方程分别为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，对应的决定系数（R2）为0.630和0.577，方程拟合度均达极显著水平。【结论】秸秆覆盖或烤烟冠层均能有效降低坡耕地径流量和产沙量，当两者同时存在时秸秆覆盖起主导作用，以7500 kg/ha秸秆覆盖量对土壤侵蚀的抑制效果较好。

关键词： 秸秆覆盖;烤烟;叶面积指数;坡耕地;土壤侵蚀

中图分类号： S157;S572                          文献标志码： A 文章编号：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

【研究意义】据统计，2017年全国烤烟种植面积和产量分别为108.1万ha和227.9万t（国家统计局，2018），其中70%烤烟种植于坡地，部分甚至为陡坡地，水土流失风险较高，对烟草生产的可持续发展造成较大隐患。云南省作为我国最大的烤烟产区，2017年种植面积和产量分别达41.2万ha和83.9万t（国家统计局，2018），其中80%以上为山地烟。近年来，随着云南烟区农业基础设施的不断改善和烤烟种植比较收益的降低，烤烟种植“上山”现象日益加剧，加之烤烟生产过程中土壤侵蚀问题较少被关注，导致水土流失严重，土壤耕層变薄，肥力降低（史东梅等，2017），烤烟产质量和经济收益下降（蔡毅等，2014）。因此，如何降低植烟坡地土壤侵蚀，对促进坡耕地资源的可持续利用及烤烟生产的稳定性具有重要意义。【前人研究进展】秸秆覆盖作为一种重要的保护性耕作措施，已广泛应用于农业生产。已有研究表明，秸秆覆盖可通过吸收雨滴动能，减少溅蚀，降低土壤孔隙堵塞和结皮机率，增加土壤入渗性能，降低径流侵蚀力，从而减少地表产流产沙（Jordán et al.，2010;Prosdocimi et al.，2016）;同时可通过增加地表糙度和降低径流流速以减少土壤侵蚀（Gholami et al.，2013;朱高立等，2016）。林超文等（2010b）研究发现，与裸地相比，秸秆覆盖降低产流和产沙量分别达73.9%～86.2%和96.4%～98.1%;Sadeghi等（2015）通过测定发现秸秆覆盖可降低径流量89.34%～96.71%;白永会等（2017）通过模拟降雨试验发现，秸秆覆盖减流减沙率分别达69.3%和99.2%;王静等（2010）、徐勤学等（2017）的研究结果也表明秸秆覆盖可有效抑制地表产流和产沙。对于作物覆盖而言，随着作物生长，冠层覆盖度不断增加，其降低土壤侵蚀的能力也不断增强。前人的研究结果表明，玉米叶面积指数与产沙量呈显著或极显著负相关（陈龙飞等，2013;王鹏飞等，2016），作物冠层覆盖度每增加10%则产沙率减少0.19%～0.27%（袁正科等，2002）。与裸地相比，大豆冠层覆盖可平均降低径流量和泥沙量为31.43%和54.84%（马波等，2012），春小麦冠层覆盖则可减少46.85%径流量和53.02%泥沙量（黄满湘等，2003）。焦平金等（2009）研究认为，叶面积指数是造成不同类型作物冠层覆盖水土保持效果差异的主要因素，其中作物覆盖抑制土壤侵蚀的效果为玉米<棉花<黄豆。【本研究切入点】目前，关于秸秆覆盖或作物冠层对植烟土壤侵蚀影响的研究较多，但两者共同作用对土壤侵蚀影响的研究鲜有报道。【拟解决的关键问题】以植烟坡耕地为研究对象，探讨人工模拟降雨条件下秸秆覆盖与烤烟冠层对土壤侵蚀的影响，以期为坡耕地土壤侵蚀防治和烤烟生产的可持续性提供理论支撑。

1 材料与方法

1. 1 研究区概况

试验于2017年5—9月在云南农业大学水资源与节水灌溉重点实验室（东经102°45′，北纬25°7′）进行。该区域年平均气温15 ℃，年均日照时数2200 h，无霜期240 d以上，年降水量1035 mm，全年85%的降雨量集中在5—10月，其中大雨和暴雨较多。土壤类型主要为红壤和紫色土。烤烟为当地的主要经济作物。

1. 2 试验材料与装置

供试烤烟为当地主栽品种K326，秸秆类型为当年收获小麦。人工模拟降雨装置由南京林业大学制造，降雨高度9 m，降雨强度变化范围15～150 mm/h，降雨均匀度大于85%。径流小区采用自制可调节坡度（0～30°）的土槽，长度、宽度和深度分别为160、80和30 cm，土槽下端上方和底部分别设置有导流管，用于地表径流和地下渗漏收集。土槽内填装土壤来自坡耕地耕层（0～20 cm），土壤类型为砂质红壤，填装前在土槽底铺垫透水粗棉布。土壤风干后经孔径为10 mm钢筛过筛，按10 cm厚度分3层填装，边填土边压实，土壤容重约1.15 g/cm3。供试土壤养分状况（欧阳铖人等，2018）：有机质23.60 g/kg，全氮0.15 g/kg，全磷0.08 g/kg，全钾0.15 g/kg，碱解氮37.29 mg/kg，速效磷20.36 mg/kg，速效钾83.30 mg/kg，pH 6.66。

1. 3 试验方法

根据近43年的水文资料分析，该区域降雨侵蚀力以大雨和暴雨为主（赵平伟等，2015）。因此，结合气象部门对雨强的划分，降雨强度设计为40、80和120 mm/h，分别模拟大雨、暴雨和特大暴雨;以无秸秆覆盖（0 kg/ha，SM0）为对照，另设3个秸秆覆盖量，分别为3750 kg/ha（SM3750）、7500 kg/ha（SM7500）和15000 kg/ha（SM15000）;在烤烟移栽后的第45 d（旺长期，FGS）、75 d（现蕾期，SS）和110 d（成熟末期，LMS）进行室内模拟降雨。试验正式开始前，对降雨强度进行率定，降雨产流后，每间隔5 min取1次径流和泥沙样品，单次降雨历时60 min，取样12次，重复3次。

在土槽内横坡起垄两行，垄体宽40 cm，土槽上端和下端垄沟宽均为20 cm，中间垄沟为40 cm。每垄种植烤烟2株，共计4株，株距和行距分别为40和80 cm，种植完成后将土槽调节至7°（试验区域烤烟种植以缓坡地为主）并置于室外。烤烟于2017年5月1日移栽并覆膜，氮、磷和钾肥施用量分别为105、135和300 kg/ha（烟草专用复合肥、钙镁磷肥和硫酸钾混合施用），6月10日完成揭膜培土，并采用分切约5 cm长的小麦秸秆（风干）对垄体和垄沟进行均匀覆盖。其余种植和管理措施按照当地烤烟生产习惯进行。

1. 4 测定项目及方法

1. 4. 1 径流量和产沙量 产流后采用带盖集水桶每隔5 min测量1次径流体积，并用竹竿在桶内搅动1 min，分层采集径流250 mL，室内静置48 h后，倒掉上清液过滤，于50 ℃下烘干至恒重并称重。径流量按公式（1）计算：

R=[i=1n=12r ] （1）

式中，R为产流后60 min内径流总量（L），r为5 min内径流量（L）。

产沙量按公式（2）计算：

S=[i=1n=12K] ×r÷V （2）

式中，S为产流后60 min内泥沙总量（g），K为250 mL径流中泥沙重量（g），r为5 min内径流量（L），V=0.25 L。

产流速率为5 min内单位面积平均径流量，产沙速率为5 min内单位面积平均产沙量。

1. 4. 2 葉面积指数 在每个生育期进行模拟降雨前，测量土槽中各株烤烟叶片的最大长度和宽度，并参照邵惠芳等（2017）的方法计算叶面积指数（LAI）。

LAI=（k[i=1n=4j=1xL]×W）÷a （3）

式中，k为烤烟叶面积系数0.6345（国家烟草专卖局，2010），x为单株叶片数，L和W分别为叶片最大长度（m）和宽度（m），a为土槽面积，其值为1.28 m2。

1. 5 统计分析

利用Excel 2016和SPSS 24.0进行数据处理分析，其中多重比较采用Duncans新复极差法，相关分析采用Pearson系数（双侧）;采用Origin 2018作图。

2 结果与分析

2. 1 烤烟不同生育期的叶面积指数变化情况

烤烟种植于4个不同土槽，并分别覆盖4个不同梯度的秸秆量。由表1可知，同一生育期不同土槽烤烟叶面积指数存在一定差异，随着烤烟生育期的推移，叶面积指数先增大后减小，到成熟末期（LMS）时由于叶片采收完毕，叶面积指数为0。

2. 2 烤烟不同生育期产流产沙过程分析

烤烟不同生育期的产流和产沙过程如图1所示。产流速率在不同生育期和秸秆覆盖条件下总体上表现为先上升而后逐渐趋于平稳。秸秆覆盖处理（SM3750、SM7500和SM15000）在不同生育期内的产流速率与产沙速率较接近。对于无秸秆覆盖处理（SM0）而言，不同生育期的产流速率与产沙速率存在差异，其中产流速率以成熟末期最高，烤烟旺长期（FGS）和现蕾期（SS）则接近;产沙速率排序为SS

2. 3 不同因素对坡面产流产沙的影响

2. 3. 1 降雨强度 由图2可知，降雨强度越大，坡面径流量和产沙量越高，且不同降雨强度间的差异达显著水平（P<0.05，下同）;与40 mm/h降雨强度相比，80和120 mm/h降雨强度下各秸秆覆盖处理径流量平均增加2.9和4.22倍，产沙量则平均增加3.92和6.31倍。相关分析结果（表2）显示，径流量和产沙量分别与降雨强度呈极显著正相关（P<0.01，下同），说明降雨强度是导致坡面土壤侵蚀的直接因素之一。造成上述结果的主要原因是：一方面由于降雨强度越大，雨滴对土壤冲击力越大，表层土壤越容易被剥离，从而使产沙量增加;另一方面，雨滴冲击加剧了土壤团聚体崩解而堵塞土壤孔隙度，降低土壤入渗率，增加径流量，同时增加径流的携带泥沙能力。

2. 3. 2 秸秆覆盖量 秸秆覆盖量对径流量和产沙量的影响如图3所示。秸秆覆盖量越高，径流量和产沙量越低，且不同秸秆覆盖量处理间的径流量（除80 mm/h成熟末期）和产沙量均差异显著。相关分析结果（表3）显示，径流量和产沙量与秸秆覆盖量呈极显著负相关。究其原因：一方面秸秆覆盖降低了雨滴动能，减少表层土壤溅蚀与地表结皮，有效抑制土壤孔隙被堵塞，提升雨水入渗，减少径流量;另一方面，由于秸秆附着于地表后会削弱地表径流的动能，降低径流流速，从而降低径流对土壤的剥离能力。由此可见，秸秆覆盖可有效降低坡地径流量和产沙量。与无秸秆覆盖处理相比，SM3750、SM7500和SM15000处理的径流量和产沙量分别平均降低48.67%、73.67%、81.62%和57.63%、84.73%、89.98%，进一步说明当秸秆覆盖量超过7500 kg/ha时，秸秆覆盖降低产沙和产流的增幅效果减弱。

2. 3. 3 叶面积指数 各秸秆覆盖处理烤烟不同生育期叶面积指数见表1。由图4可知，在有无秸秆覆盖下，叶面积指数对产流和产沙的影响存在明显差异。当无秸秆覆盖（SM0）时，径流量和产沙量均随叶面积指数增加而降低，且不同叶面积指数条件下径流量（除120 mm/h）和产沙量存在显著差异，说明烤烟冠层可降低产流和产沙量，且冠层覆盖度越高效果越好。当有秸秆覆盖（SM3750、SM7500和SM15000）时，在相同降雨强度和秸秆覆盖量下，现蕾期（LAI=6.5～7.6）产流和产沙量均低于旺长期（LAI=2.8～3.6），尤其是当降雨强度为80和120 mm/h时，差异达显著水平，表明秸秆与冠层覆盖共同作用时，增加冠层覆盖有助于降低坡面产流和产沙量。由表4可知，虽然叶面积指数与径流量和产沙量均呈负相关，但仅与产沙量相关性达显著水平，且相关度较低，进一步说明叶面积指数对土壤侵蚀的作用受降雨强度和秸秆覆盖的影响较大。

2. 3. 4 秸秆覆盖量与叶面积指数的交互作用 不同降雨强度下秸秆覆盖量和叶面积指数与产流产沙的双因素方差分析结果（表5）表明，秸秆覆盖量、叶面积指数及两者的交互作用对径流量和产沙量均有极显著影响;由各自变量III型平方和可知，秸秆覆盖量对径流量和产沙量的贡献最大，其次为秸秆覆盖量与叶面积指数的交互作用，叶面积指数的贡献最小。

2. 4 土壤侵蚀指标的回归分析结果

基于降雨强度、秸秆覆盖量和叶面积指数，采用多元线性逐步回归分析法建立径流量和产沙量的最优回归方程（表6）。回归方程中，Yr为径流量（L），Ys为产沙量（g），ST为秸秆覆盖量（kg/ha），RI为降雨强度（mm/h），LAI为叶面积指数，经F检验结果显示，回归方程均达极显著水平，说明回归方程较可靠，可用于模拟秸秆覆盖条件下植烟坡地坡面徑流量和产沙量。

3 讨论

本研究结果显示，随着降雨历时的推移，植烟坡面产流速率先上升，随后逐渐趋于稳定，且随着秸秆覆盖量的增加，产流速率和产沙速率均呈下降趋势，与张翼夫等（2015）的研究结果相似。随着秸秆量增加，秸秆覆盖对土壤侵蚀抑制效果的增幅呈下降趋势，尤其当秸秆覆盖量达7500和15000 kg/ha时，两者的产流速率、产沙速率、径流量和产沙量均较接近，主要是因为当覆盖度较高时，过多的秸秆覆盖对地表糙度增加和雨滴动能的削弱效果有限，而对土壤入渗性能影响较小（张翼夫等，2015），使其对产流产沙的抑制增幅效果降低。本研究还发现，虽然土壤侵蚀随降雨强度的增加而加剧，但随着秸秆覆盖量的增加，坡面产流产沙水平呈降低趋势，表明秸秆覆盖量增加能削弱降雨强度增加对土壤侵蚀带来的影响（张翼夫等，2015）。单纯从水土保持角度来看，秸秆覆盖量越高，其效果越好，但由于农业生产是以经济产出为目的，过多的秸秆量不仅会增加生产成本，还会破坏作物生长环境。因此，坡耕地可持续利用需兼顾生态效益和经济效益。在本研究中，当秸秆量为7500 kg/ha时，减流和减沙比例分别达73.67%和84.73%，而当秸秆量增至15000 kg/ha时，减流和减沙比例约增加8.00%和5.00%，说明当秸秆覆盖量超过7500 kg/ha时，秸秆量的增加带来水土保持收益较低;此外，过量的秸秆覆盖会降低坡耕地烤烟产量和品质（郑宪滨等，2007），从而减少经济收益。综上所述，在本研究条件下，以7500 kg/ha秸秆覆盖量的综合效益较好。

产流和产沙是反映坡耕地土壤侵蚀的重要指标，弄清降雨过程中地表产流和产沙特征有助于理解和阐述坡耕地土壤侵蚀机制。坡耕地产流产沙的影响因素较多，如地表覆盖度（马波等，2012）、耕作措施（陈龙飞等，2013）、种植制度（蒋翔等，2015）、土壤理化性状（吴媛媛等，2016）和降雨强度（朱高立等，2016）等。就秸秆覆盖和作物冠层而言，已有研究表明秸秆覆盖或作物冠层均能有效抑制坡耕地产流和产沙，降低土壤侵蚀（王静等，2010;Zhao et al.，2014;Tesemma et al.，2015;朱高立等，2016），本研究结果与上述的前人研究结果一致。本研究还发现，在40、80和120 mm/h降雨强度条件下，当无冠层覆盖时（成熟末期），3750、7500和15000 kg/ha秸秆覆盖较无秸秆覆盖的径流量和产沙量平均降低64.97%～91.63%和70.82%～93.88%;而无秸秆覆盖时，旺长期和现蕾期径流量和产沙量较成熟末期平均降低38.66%～45.66%和26.04%～63.53%，说明秸秆覆盖对抑制坡耕地产流产沙的效果高于冠层覆盖。这主要是因为降雨经作物冠层分配后将动能较高的雨滴转化为动能较小的穿透雨和茎秆流（马波等，2014），降低了溅蚀和结皮的机率，增加雨水入渗（张祖莲等，2017），从而降低坡面产流和产沙;但由于冠层下方穿透雨的分布不均匀性，穿透雨多以叶尖和叶缘引流的方式到达地表（马波等，2015），也会加剧局部土壤的溅蚀和产流，尤其是在降雨强度较大和植株较高时;当秸秆覆盖达到一定量时，雨滴大部分动能被秸秆吸收，其对土壤孔隙度和糙度的破坏较小，维持了土壤良好的入渗性能，同时降雨能均匀入渗，从而能更有效地降低产流和产沙。本研究结果表明，秸秆覆盖量、叶面积指数及两者交互作用均对坡面产流和产沙具有极显著影响，其中以秸秆覆盖量的影响最大，而叶面积指数的影响最小，进一步说明秸秆和冠层同时作用，秸秆覆盖是影响坡面产流和产沙的主导因子。在无冠层覆盖时，由于降雨可均匀分布于地表，增加雨水入渗面积，其次秸秆直接覆盖于地表，其对雨水的拦截效果相对更好;而有冠层存在时，由于其对降雨的拦截和引流，降低雨水到达地表分布的均匀性及雨水入渗面积，削弱秸秆覆盖的作用，导致局部土壤侵蚀加剧，可能是造成秸秆覆盖与叶面积指数的交互作用对产流产沙的影响不及秸秆覆盖单一作用的原因。本研究区域烤烟成熟采收阶段（7—9月）正值雨季，随着冠层覆盖的降低，土壤侵蚀风险也会不断增加。因此，在烤烟生产中有必要进行合理的秸秆覆盖，既有利于增加坡耕地雨水利用效率（林超文等，2010a），又能降低土壤侵蚀（Prosdocimi et al.，2016），促进烤烟产量和品质形成（蔡毅等，2014），实现坡耕地的可持续利用。

本研究基于室内人工模拟降雨，探讨不同降雨强度、秸秆覆盖量和叶面积指数条件下坡耕地产流产沙特征，明确秸秆与烤烟冠层覆盖对土壤侵蚀影响及适宜的秸秆覆盖量，研究结果可为当地烤烟生产及坡耕地土壤侵蚀防治提供理论支撑。但关于秸秆与作物冠层协同作用下对坡耕地产流产沙机制影响仍需进一步深入研究，以便为坡耕地土壤侵蚀的防治提供更系统的理论依据。

4 结论

植烟坡地土壤侵蚀随秸秆覆盖量或叶面积指数的增加而降低，秸秆覆盖或烤烟冠层均能有效降低坡耕地径流量和产沙量，当两者同时存在时秸秆覆盖的减流减沙效益相对更好，在坡耕地烤烟生产中建议采用7500 kg/ha秸秆覆盖以降低土壤侵蚀，增加雨水利用效率，促进坡耕地可持续利用。

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（责任编辑 罗 丽）