降雨强度和秸秆覆盖对坡耕地烤烟降雨入渗特征的影响

吕凯，段颖丹，吴伯志

降雨强度和秸秆覆盖对坡耕地烤烟降雨入渗特征的影响

吕凯，段颖丹，吴伯志*

（云南农业大学 农学与生物技术学院，昆明 650201）

【】探讨不同降雨强度下秸秆覆盖对降雨入渗的影响，为提高坡耕地雨水资源利用效率及土壤侵蚀的防治提供理论依据。以烤烟为供试材料，采用人工模拟降雨法，分析了不同降雨强度（40、80和120 mm/h）、秸秆覆盖量（0、3 750、7 500、15 000 kg/hm2）和叶面积指数条件下降雨入渗率的变化特征。随着降雨时间延长，降雨入渗率呈下降趋势，并逐渐趋于稳定，且秸秆量越高，入渗率趋于稳定的时间越短。平均入渗率随降雨强度和秸秆量的增加而上升，且不同降雨强度间存在显著性差异。当无秸秆覆盖时，烤烟冠层可以显著增加降雨入渗率；而当秸秆覆盖量达到7 500 kg/hm2和15 000 kg/hm2时，烤烟冠层覆盖会不利于降雨入渗。平均入渗率分别与降雨强度和秸秆量呈极显著正相关关系，而与叶面积指数相关性不显著。降雨强度、秸秆覆盖和烤烟冠层覆盖均是影响坡耕地降雨入渗的关键因素。在相同降雨强度下，虽然秸秆覆盖或烤烟冠层均可有效提升降雨入渗率，但当两者共同作用时，秸秆覆盖为主要影响因素。

秸秆覆盖；烤烟；叶面积指数；入渗率；坡耕地

0 引 言

据统计，云南省坡耕地面积达348.45×104hm2，占总耕地面积的57.39%，其中水土流失强烈至剧烈程度坡耕地面积占比高达66.84%。烤烟是云南主要的经济作物之一，对区域经济和社会发展起到了较好地促进作用。近年来，由于区域产业结构调整及产区农业基础设施的改善，烤烟“上山”现象日益突出，烤烟多种植于坡地，且多为顺坡垄作，从而导致雨季坡地水土流失严重，土地生产力持续降低。已有研究表明，秸秆和作物冠层覆盖均可以有效增加雨水入渗，降低地表径流，减少土壤侵蚀[1-5]。因此，开展不同降雨强度下秸秆覆盖与烤烟冠层对坡耕地降雨入渗特征的研究，对降低土壤侵蚀，提升水分利用效率具有重要意义。

降雨入渗是雨水、地面水、土壤水和地下水相互转化的重要过程[6]，也是影响作物水分利用效率的关键因素[7]。秸秆和作物覆盖增加降雨入渗率的主要原因在于覆盖削弱了雨滴动能，减少了溅蚀和结皮率，维持了土壤良好的孔隙度，从而增加了降雨入渗和土壤含水率[1,8-10]。白永会等[11]研究结果表明秸秆覆盖使入渗率提升了约3倍；Khan等[12]和张翼夫等[13]研究结果也表明秸秆覆盖可以显著提升雨水入渗率。对于作物冠层而言，吴佳等[14]认为初始入渗率、稳定入渗率、平均入渗率和累积入渗量均与叶面积指数呈正相关关系；马波等[15]研究发现，大豆生育期内降雨稳定入渗速率平均较裸地提高了109%，这与廖绵清等[16]在花生和苎麻等作物上的研究结果类似。由此可见，目前的研究成果多基于有无秸秆覆盖或有无作物覆盖等条件下，而针对不同秸秆量及秸秆覆盖与作物共同作用下的降雨入渗特征的变化则鲜有报道。基于此，兹以烤烟为对象，采用室内模拟降雨法，研究不同降雨强度条件下秸秆覆盖量和烤烟叶面积指数对降雨入渗特征的影响，以期为坡耕地土壤侵蚀防治及提升土壤水分利用效率提供一定理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

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进行。该区域属北纬低纬度亚热带高原山地季风气候，年平均气温为15 ℃，年均日照时间2 200 h，无霜期240 d以上，年降雨量1 035 mm，5―10月降雨量占全年的85%，且雨水较集中，其中大雨和暴雨较多。坡耕地为该区域主要的农业土地资源，土壤类型主要为红壤和紫色土，小春作物主要为小麦、油菜和蚕豆等，大春作物则以玉米、马铃薯、烤烟和蔬菜等为主。

1.2 试验装置与材料

模拟降雨装置由南京南林电子科技有限公司制造，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，用于地表径流收集。土槽内填装土壤类型为砂质红壤，填装前在土槽底铺垫透水粗棉布。供试土壤养分状况为[17]：有机质量23.60 g/kg，全氮量0.15 g/kg，全磷量0.08 g/kg，全钾量0.15 g/kg，碱解氮量37.29 mg/kg，速效磷量20.36 mg/kg，速效钾量83.30 mg/kg，pH值为6.66。供试烤烟为当地主栽品种K326，秸秆类型为当年收获小麦。

1.3 试验设计

根据试验区域多年的降雨侵蚀力特征[18]（以大雨和暴雨侵蚀为主）以及气象部门对降雨强度划分，降雨强度设计为40、80和120mm/h，分别模拟大雨、暴雨和特大暴雨；秸秆覆盖量设置4个梯度，分别为0 kg/hm2（SM0）、3 750 kg/hm2（SM3 750）、7 500 kg/hm2（SM7 500）和15 000 kg/hm2（SM15 000）。分别于烤烟移栽后的第45 d（旺长期）、75 d（现蕾期）和110 d（成熟末期，叶片采收完毕）进行模拟降雨。每次降雨试验前，将土槽推入室内在40 mm/h雨强下降雨30 min进行水分平衡，室内放置24 h。正式试验前，对降雨强度进行率定，当开始产流时，每间隔5 min测定1次径流，单次降雨历时60 min以上，重复3次。

在土槽内横坡起垄2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，共计种植4株，株距和行距分别为40 cm和80 cm，种植完成后将土槽置于室外。由于试验区域烤烟多种植于缓坡地，故将土槽坡度调至7°。烤烟于2017年5月1日移栽，氮（N）、磷（P2O5）和钾（K2O）肥施用量分别为105、135和300 kg/hm2（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，培土后采用风干分切约5 cm长小麦秸秆分别对土槽垄体和垄沟进行均匀覆盖。杂草采用人工方式清除，烤烟团棵期发生轻微蚜虫危害，采用20%啶虫脒粉剂4 000倍液喷施防治，烤烟后期生长未受影响。其余种植和管理措施按照当地烤烟生产习惯进行。

1.4 观测指标与方法

在土槽下端的上方导流管处套接引流软管至带盖集水桶，用于收集径流，并计算出单位面积和单位时间内径流深。

由于降雨试验在室内进行，且降雨时空气湿度较大，故叶片截留和蒸发水量较小，可忽略不计。根据水量平衡原理，入渗率（mm/min）=降雨强度（mm/min）× cos–径流强度（mm/min），其中为7°。

每次降雨试验前，测量烤烟整株叶片的最大长度和宽度，参照邵惠芳等[19]方法计算出叶面积指数。

1.5 数据处理

利用Microsoft Office Excel 2016和SPSS 24软件进行数据处理分析，其中多重比较采用邓肯法，相关分析采用Pearson方法（双侧）。作图采用Origin 2018 软件。

2 结果与分析

2.1 降雨入渗过程特征

烤烟不同生育期降雨入渗率的变化过程如图1所示。由图1可知，随着降雨历时的延长，入渗率逐渐下降并趋于稳定；随着秸秆覆盖量的增加，降雨入渗率上升，入渗率稳定时间缩短，且入渗率随降雨历时的波动越小。这主要是因为雨水入渗使土壤水分逐渐达到饱和状态，从而降低了入渗率。在无秸秆（SM0）和较少秸秆（SM3 750）覆盖条件下，入渗率随烤烟生育期后移先上升后下降；而当秸秆覆盖量为7 500 kg/hm2和15 000 kg/hm2时，二者的入渗率较接近。这主要是由于不同生育期烟株冠层覆盖差异所致。80 mm/h和120mm/h降雨强度下试验结果与上述结果类似。

2.2 不同因素对降雨入渗率的影响

2.2.1 降雨强度

不同降雨强度下各处理降雨平均入渗率的结果见图2（图柱上不同小写字母分别表示0.05水平上的差异显著性）。在不同的烤烟生育期和秸秆覆盖量条件下，平均入渗率均随降雨强度增加而上升，且不同降雨强度下入渗率差异显著（<0.05），其中80mm/h和120 mm/h降雨强度条件下平均入渗率分别为40 mm/h的1.91倍和2.83倍（图2）。这主要是由于降雨强度越大，单位时间内地表汇集的雨水越多，地表径流向下的压力越大，促进了雨水的入渗；其次，随着降雨强度增加，雨滴到达地表冲击力越大，促进了土壤孔隙中水分向下运动，从而也提升了雨水入渗。由此可见，降雨强度是影响降雨入渗率的主要因素之一。

图1 不同条件下降雨入渗过程变化—以40 mm/h降雨强度为例

图2 不同降雨强度下各处理降雨入渗率的变化

2.2.2 秸秆覆盖量

不同秸秆量覆盖下降雨平均入渗率的变化如图3所示。由图3可知，与无秸秆（SM0）相比，秸秆覆盖处理（SM3 750、SM7 500和SM15 000）平均入渗率分别提高了82.69%、87.06%和93.69%，且有秸秆处理入渗率均显著高于无秸秆（< 0.05），这说明秸秆覆盖可以提升降雨入渗率。这主要是因为秸秆覆盖降低了雨滴对表层土壤冲击力和地表结皮，维持了良好的土壤孔隙度，从而增强了土壤入渗性能。随着秸秆量增加，平均入渗率呈上升趋势；在相同生育期和降雨强度条件下（除成熟末期120 mm/h降雨强度），各处理间降雨入渗率差异达到显著水平（< 0.05），由此可见秸秆覆盖量越高，越有利于增加降雨入渗。

2.2.3 叶面积指数

烤烟移栽后45 d（旺长期）、75 d（现蕾期）和110 d（成熟末期，叶片采收完毕）各处理叶面积指数分别为2.8～3.6、6.5～7.6和0。不同叶面积指数下各处理降雨平均入渗率的变化如图4所示。由图4可知，在无秸秆覆盖（SM0）条件下，在相同降雨强度下无冠层覆盖处理平均入渗率均显著低于有冠层覆盖（< 0.05），这说明烤烟冠层覆盖可以有效增加降雨入渗率。而当有秸秆覆盖（SM3 750、SM7 500和SM15 000）时，现蕾期（=6.5～7.6）平均入渗率整体显著高于旺长期（=2.8～3.6）（<0.05），这进一步说明增加烤烟冠层覆盖度有利于提升降雨入渗。当秸秆覆盖量为7 500kg/hm2和15 000 kg/hm2时，无冠层覆盖（成熟末期）处理在80 mm/h和120 mm/h降雨强度条件下平均入渗率均显著高于有冠层覆盖（旺长期和现蕾期）（<0.05），这与无秸秆覆盖条件下（SM0）的结果相反。由此可见，当秸秆覆盖量较大时，烤烟冠层覆盖会降低降雨入渗，这可能是由于烤烟对降雨再分配的影响所致。

图3 不同秸秆量降雨入渗率的变化

图4 不同叶面积指数下降雨入渗率变化

表1 降雨入渗率与影响因子的相关系数

注“**”代表0.01水平的相关显著性。=108。

Note “**” represents significant correlation at 0.01 level.

2.3 降雨入渗率影响因子的相关性分析

降雨平均入渗率与降雨强度、秸秆量和叶面积指数等因子的相关系数见表1。由表1可知，平均入渗率分别与降雨强度和秸秆量呈极显著正相关关系，而与叶面积指数的相关系数较小。进一步说明在这3种因素组合条件下，降雨入渗主要受降雨强度和秸秆量影响，而叶面积指数则对其影响较小。降雨平均入渗率的回归方程为f=-0.241+ 0.012+3.526 × 10-5+ 0.015（< 0.001），、分别为降雨强度和秸秆量。

3 讨 论

本研究结果表明，入渗率随降雨时间呈下降趋势，并逐渐趋于稳定，这与胡尧等[20]研究结果基本一致。已有研究表明，土壤初始含水率越高，入渗率趋于稳定的时间越短[21-22]，而本研究中，试验开始前均进行土壤含水率平衡，土壤初始含水率对入渗率的影响可忽略不计。土壤孔隙度是决定入渗率大小的关键因素[23]，在降雨入渗过程中，随着雨滴冲击力对表层土壤的扰动，土壤团聚体会逐渐崩解，堵塞土壤表层孔隙，形成结皮，降低土壤入渗率[24]，而秸秆覆盖可以有效增加地表糙度，降低雨水对表层土壤直接冲击，维持土壤孔隙度，从而使单位时间内雨水入渗量增加，土壤含水率到达饱和状态的时间缩短，使入渗率快速趋于稳定。这应该是导致本研究中秸秆覆盖量越大，入渗率达到稳定状态的时间越短的原因。

入渗率随降雨强度和秸秆覆盖量的增加而上升，且呈极显著正相关关系，这与前人研究结果类似[25-28]。秸秆覆盖之所以可以有效降低坡耕地径流和土壤侵蚀，增加土壤含水率，主要原因之一是增加了降雨入渗所致。在本研究区域内，烤烟成熟采收时间多为7―9月，随着叶片逐渐采收，地表覆盖度不断降低，且此阶段降雨较多[18]，土壤侵蚀风险较高，而秸秆覆盖则可以有效弥补因烤烟成熟期冠层覆盖度降低所带来的土壤侵蚀风险，这对于坡耕地烤烟水土保持和可持续生产具有重要意义。本研究还发现烤烟冠层覆盖可以有效提升降雨入渗能力，这与吴佳等[14]和廖绵清等[16]研究结果基本一致；但在有秸秆覆盖条件下，有无冠层覆盖处理降雨入渗率存在一定差异，尤其是当秸秆量达到7 500 kg/hm2和15 000 kg/hm2时，烤烟冠层覆盖不利于降雨入渗。造成上述现象的原因可能是：①当无秸秆覆盖时，降雨经烤烟冠层再分配后，将动能较大的雨滴通过叶片（叶尖和叶缘）和茎秆以引流的方式转化为动能相对较小的穿透雨和茎秆流，有效降低了雨滴对土壤的直接冲击，降低了表层土壤结皮的几率；再者，随着叶面积指数增加，烤烟冠层对垄沟和垄体的覆盖度越大，雨滴直接穿透冠层到达地表的数量越少，进一步降低了对土壤孔隙度干扰，从而增加了土壤入渗性能；②当秸秆覆盖量较大时，在无冠层覆盖条件下，雨滴下降后能均匀分布并降落至秸秆，有利于增加降雨入渗面积，从而增加降雨入渗；而当秸秆和冠层覆盖同时存在时，降雨经冠层再分配后，主要转化为茎秆流和穿透雨（叶片引流部分），而这两部分雨水到达地表后在土壤表层局部迅速汇集，变相降低了雨水的入渗面积，从而降低了降雨入渗能力。

本研究采用人工模拟降雨法，探讨了降雨强度、秸秆量和叶面积指数对烤烟不同生育期降雨入渗的影响，这对进一步研究秸秆和作物冠层覆盖降低坡耕地土壤侵蚀的机制提供了一定理论依据，同时对于坡耕地烤烟生产的可持续性发展具有重要意义。但关于秸秆覆盖和烤烟冠层对降雨入渗能力的共同作用机制仍需进一步深入探究，以便为提升坡耕地雨水利用效率和土壤侵蚀防治提供更为系统的理论依据。

4 结 论

1）降雨强度、秸秆覆盖和烤烟冠层覆盖均是影响坡耕地雨水入渗的关键因素。降雨平均入渗率与降雨强度和秸秆量极显著正相关，当降雨强度为80、120 mm/h时，平均入渗率较40 mm/h分别提高了0.91倍和1.83倍；与无秸秆覆盖相比，秸秆覆盖处理降雨平均入渗率增加了82.69%～93.69%。

2）在相同降雨强度下，秸秆覆盖或烤烟冠层均可有效增加降雨入渗，其中秸秆覆盖还能缩短入渗率达到稳定状态的时间。当秸秆覆盖和烤烟冠层共同作用时，秸秆覆盖是影响降雨入渗率的主要因素，而冠层覆盖的作用则相对较弱。因此，在坡耕地烤烟生产过程中可以采用秸秆覆盖以增加雨水入渗，提升土壤含水率，降低土壤侵蚀。

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Effect of Rainfall Intensity and Straw Mulching on Infiltration of Rainfall into Slope Planted with Flue-cured Tobacco

LYU Kai, DUAN Yingdan, WU Bozhi*

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

【】Water infiltration is an important hydrological process impacting and being impacted by many biotic and abiotic factors and processes. In this paper we experimentally studied how rainfall intensity and straw mulching in separation or coupling impact rainfall infiltration into a slope planted with flue-cured tobacco.【】The experiment was conducted in a slope using a rainfall simulator. We compared three rainfall intensities (40, 80 and 120 mm/h) and four straw mulches (0, 3 750, 7 500 and 15 000 kg/hm2). The infiltration rate and leaf area index () of the tobacco were measured during different growth stages of the tobacco.【】Infiltration rate decreased asymptotically with time in a rainfall event before reaching a constant, and increasing straw mulching reduced the time required for the infiltration to reach steady state. Average infiltration rate was positively related to both rainfall intensity and straw mulching at significant level, but varied between different rainfall intensities at significant level. Canopy could significantly increase average infiltration rate in soil without straw mulching, but it could made water difficult to infiltrate when the soil was mulched with straw at 7 500 kg/hm2and 15 000 kg/hm2.【】Rainfall intensity, straw mulching and canopy are key factors modulating rainfall infiltration into slope planted with flue-cured tobacco. Rainfall infiltration can be enhanced by straw mulching and canopy in separation, while under their coupling, the impact of straw mulching was more significant.

straw mulching; flue-cured tobacco; leaf area index; rain infiltration; slope farmland

S152；S157；S572

A

10.13522/j.cnki.ggps.2019201

1672 - 3317（2020）01 - 0091 - 07

2019-08-28

公益性行业(农业)科研专项（201503119）；云南中烟工业有限责任公司科技项目（2016YL05）

吕凯（1984-），男，湖北应城人。高级工程师，博士研究生，主要从事作物耕作学与栽培学研究。E-mail：378632822@qq.com

吴伯志（1960-），男，云南玉溪人。教授，博士生导师，主要从事作物耕作学与水土保持研究。E-mail：bozhiwu@outlook.com

吕凯, 段颖丹, 吴伯志. 降雨强度和秸秆覆盖对坡耕地烤烟降雨入渗特征的影响[J]. 灌溉排水学报, 2020, 39(1):91-97.

LYU Kai, DUAN Yingdan, WU Bozhi. Effect of rainfall intensity and straw mulching on infiltration of rainfall into slope planted with flue-cured tobacco [J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2020, 39(1): 91-97.

责任编辑：陆红飞