秸秆覆盖对喀斯特不同类型坡耕地降雨产流的影响_吴瑶琴

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秸秆覆盖对喀斯特不同类型坡耕地降雨产流的影 响

(1. 桂林理工大学 广西环境污染控制理论与技术重点实验室科教结合科技创新基地，广西 桂林 541004;

2. 桂林理工大学 岩溶地区水污染控制与用水安全保障协同创新中心，广西 桂林 541004；3. 中山大学土 木工程学院， 广东 珠海 519082；4. 中国科学院环江喀斯特生态系统观测研究站， 广西 环江 547100)

摘 要：喀斯特地区土层不连续且常有岩石出露， 坡耕地类型多样。 为研究秸秆覆盖对不同类型喀斯特坡 耕地降雨产流特征的影响， 通过野外人工模拟降雨试验， 研究裸坡地(BS)、岩石出露型 (RE) 和砾石覆 盖型 (RF) 3 种典型坡耕地类型在 4 个秸秆覆盖度(0 、20% 、50% 、80%) 下的地表径流和壤中流产流特 征。 研究结果表明：①3 种类型喀斯特坡耕地中， RE 的平均地表径流系数显著高于其他类型， 分别为 BS 和 RF 的 1.8 和7.8 倍，而 RF 的平均壤中流径流系数显著低于其他类型，分别较 BS 和 RE 减少了 83.7%和 78.9%；②秸秆覆盖在 BS 和 RE 减少地表径流的效果优于 RF，其中 20%覆盖度在 BS 的减流效果最好， 较 无覆盖减少了 26.2%，50%覆盖度在 RE 的减流效果最好， 较无覆盖减少了 44.5%；③秸秆覆盖对壤中流的 影响较为复杂。秸秆覆盖在 RF 均会增加壤中流量，在 BS 均会减少壤中流量，但对 RE 壤中流的影响无明 显规律。研究结果可为喀斯特坡耕地水土保持措施的合理布设提供参考。

关键词 喀斯特坡耕地；秸秆覆盖； 地表径流；壤中流

中图分类号： S157. 1 文献标志码：A

收稿日期：2022-12-08

基金项目：广西重点研发计划项目(桂科 AB22035058)；国家自然科学青年基金项目(41301289)。

作者简介：吴瑶琴(1998- )，女，硕士研究生， 主要从事水土保持与农业生态研究。 E-mail: wyq5517@qq.com。 通信作者：徐勤学(1982- )，男，研究员， 博士， 主要从事水土保持与农业生态研究。 E-mail: xqx@glut.edu.cn。

Effects of Straw Cover on Rainfall Runoff in Different Types of Karst Slope Farmland

WU Yao-qin1,2 ，WU Pan3 ，XU Qin-xue1,2 ，AO Li-man1,2 ，ZHANG Shuai-pu1,2 ，FU Zhi-yong4

(1. Key Laboratory for Theory and Technology of Environmental Pollution Control in Guangxi, Guilin University of Technology, Guilin 541004, China; 2. Guangxi Collaborative Innovation Center for Water Pollution Control

and Safety in Karst Area, Guilin University of Technology, Guilin 541004, China; 3. School of Civil Engineering,

Sun Yat-sen University, Zhuhai 519082, China; 4. Huanjiang Observation and Research Station for Karst

Ecosystems, Chinese Academy of Sciences, Huanjiang 547100, China)

Abstract: The karst is characterized by discontinuous soils and often rocky exposures, with a variety of types farmland. In order to study the effect of straw mulching on the characteristics of rainfall runoff in different types of karst slope farmland, the characteristics of surface runoff and subsurface runoff in three typical slope farmland types of bare slope land (BS), rock exposure type (RE) and rock fragment type (RF) under four straw mulching degrees (0, 20%, 50%, 80%) were studied by field artificial simulated rainfall test. The results demonstrated the following, (1) In the three types of karst slope farmland, the average surface runoff of RE was significantly higher than that of other types, which was 1.8 and 7.8 times that of BS and RF, respectively. At the same time, the average subsurface flow coefficient of RF was significantly lower than that of other types, which was 83.7% and 78.9% lower than that of BS and RE, respectively. (2) The flow reduction effect of straw mulching in BS and RE is better than that of RF. The flow reduction effect of 20% coverage in BS is the best, which is 26.2% lower than that of no coverage. The flow reduction effect of 50% coverage in RE is the best, which is 44.5% lower than that

of no coverage. (3) The effect of straw mulch on the subsurface runoff was more complex. Straw mulching increased subsurface runoff in RF, but straw mulching decreased subsurface runoff in BS, and there was no obvious rule for straw mulching on the effect of subsurface flow in RE. The results can provide a reference for the reasonable arrangement of soil and water conservation measures in karst slope farmland.

Keywords: karst slope farmland; straw mulching; surface runoff; subsurface runoff

0 引 言

坡面降雨产流是土壤侵蚀的重要过程[1] ，它受到降雨强度、地形地貌、土壤特性、地表 覆盖等因素的影响[2] 。喀斯特坡地基岩出露广泛[3] ，土层不连续且厚度异质性大[4, 5] ，坡面降 雨产流过程复杂且具有很强的空间异质性[6, 7] 。姜光辉等[8]探讨了喀斯特坡地 5 种产流模式， 认为石质坡地的径流是表层岩溶带产流、超渗产流、饱和产流的集合；陈洪松等[9]认为当裸

岩率较低、土层较厚时， 坡面降雨产流以蓄满产流为主，但局部土层浅薄和基岩出露地段以 超渗产流为主。

坡耕地是喀斯特坡地中水土流失最严重的一种类型[10]，由于岩石裸露和土体跳跃式分布， 形成了裸岩、土被、土窝等多种不同微地貌类型的坡耕地[11] ，地表不同的岩石出露特征会影 响坡耕地的产流情况。如 Niu 等[12]通过冲刷试验发现，砾石覆盖能显著降低坡面产流量； 樊 春华等[13]通过室内人工降雨试验发现，嵌入土壤中的岩石会增加地表径流的产生。 目前关于 喀斯特坡耕地产流产沙的研究多以室内土槽模拟降雨试验为主[2, 13]，而基于野外试验的降雨、 地形等多因子影响下的坡地产流过程的综合研究还较少。喀斯特不同类型坡耕地降雨产流特 征还有待进一步研究。

秸秆覆盖是坡耕地最常用的水土保持措施之一，已有研究表明[14]秸秆覆盖通过改变地表 条件使坡耕地径流过程发生改变，对坡耕地产流过程有重要影响。国内学者对于秸秆覆盖的 研究多在非喀斯特地区，且较为广泛地认为秸秆覆盖可以减少地表径流[15, 16]，但也有研究表 明在极端降雨和陡坡条件下秸秆覆盖集中了地表径流，使得径流量增加[17] 。受喀斯地区特殊 二元结构的影响，一些常用水土保持措施的应用受到一定的限制[18] 。近年来，在喀斯特地区 关于秸秆覆盖对坡面产流产沙的影响的研究逐渐增多，但大多探讨的是对单一类型坡耕地水 土保持的作用，盘礼东等[19, 20]通过野外径流小区定位观测表明与无秸秆覆盖的径流小区对比， 覆盖秸秆后不仅能增加土壤含水量，还能减少年均径流深；高泽超等[21]的研究表明中雨强下 秸秆覆盖能有效减少地表径流同时增加壤中流和地下径流；但也有研究表明在雨强较大条件 下，秸秆覆盖导致地表径流增加同时显著减少了壤中流[22]。

喀斯特坡耕地空间异质性强，同一坡面不同位置裸岩率、砾石含量相差较大，此类特征 的改变对秸秆覆盖水土保持效果的影响还不清楚。因此本文采用野外原位模拟降雨试验，研 究不同类型坡耕地下秸秆覆盖对喀斯特产流特征的影响，旨在为不同类型喀斯特坡耕地水土

保持措施的布设提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于广西壮族自治区河池市宜州区德胜镇都街村(24°43′21″ N ，108°14′42″ E)， 为典型喀斯特峰丛洼地景观， 属亚热带季风气候区。多年平均气温 19.9 ℃，极端低温-5.2 ℃， 极端高温 38.7 ℃，全年无霜期 300~330 d 。多年平均降雨量 1 389.1 mm ，降水丰富但季节分 布不均， 降雨主要集中在 4—9 月， 期间降水量占全年降水量的 70%以上。土壤为白云岩发育 的深色石灰土， 土壤质地为黏土和黏壤土， pH 值 7.2~7.9，土壤容重为 1.2 g/cm3。

1.2 径流小区

选取典型喀斯特农业坡耕地作为试验点，坡耕地上同一坡面土被不连续，上部、中部和

下部地表特征差异大，土壤性质异质性高，故选择上部、中部、下部坡耕地作为研究对象。 根据不同的地表特征划分 3 种不同类型坡耕地特征：①下部土层较厚，无基岩出露，砾石含 量较少为裸坡地；②中部土层较薄，有基岩出露，砾石含量较少为岩石出露型(RE)； ③上 部土层较厚，无基岩出露，砾石含量较多为砾石覆盖型 (RF)。 小区大小为 2 m (长) ×1 m               (宽)，每种类型的小区做 2 个平行，共计 6 个小区。试验小区基本性质见表 1。

表 1 试验小区基本性质

Tab.1 Basic properties of experimental plot

试验小区四周均开挖到岩石层，周围用铝塑隔板与外界隔开，隔板与小区之间的缝隙回 填稀泥浆， 以分隔小区内外径流， 减小边界效应。在离地表约 5 cm 处装入另一 V 形集水槽， 用塑料管将集水槽连接到翻斗流量计收集地表径流； 在土壤和基岩接触界面装入 L 形集水槽， 集水槽通过塑料管连接到翻斗流量计收集壤中流，此集水槽略窄于小区宽度，以保证只收集 小区内壤中流，并防止边界侧漏对地表径流的影响。 试验小区示意图见图 1。

图 1 试验小区示意图

Fig.1 Diagram of the experimental field

1.3 试验设计

模拟降雨试验于 2017 年的 7—9 月进行， 人工降雨装置采用美国 SPRACO 锥形喷头组合

的顶喷式降雨器，降雨高度为 4.75 m，降雨均匀系数约 0.9。试验共进行 24 场降雨， 通过分 析河池市常年降雨数据和降雨特征， 降雨强度设定为 45 mm/h ，每次降雨时间为 2 h。降雨开 始后，记录降雨开始时间、地表径流和壤中流产流时间，每 6 min 记录径流量。

秸秆覆盖选用收割后风干的稻草秸秆，按 20 cm 切割成段自然均匀地覆盖在土壤表面， 每个小区上分别进行覆盖度为 0 、20% 、50%和 80%的人工降雨试验，2 次降雨试验间隔时间 为 7 d。为保证不同覆盖度处理间的地表状况一致， 参照研究区农业耕作习惯， 每次降雨结束 后进行翻耕处理。 参考 Adekalu 等[23]的方法确定秸秆覆盖度与覆盖量之间的定量关系：

(1)

式中：MR 为重量，t/hm2；MC 为覆盖度，%；Am 为系数 0.38。

1.4 数据处理

采用 Excel 2016 和 SPSS 26.0 软件对数据进行统计分析。采用单因素(one-way ANOVA) 进行方差分析，用 LSD (least signification difference test) 进行样本间差异显著性分析。利用 Origin 2021 软件作图。图表中数据为平均值±标准差。

2 结果与分析

2.1 不同类型喀斯特坡耕地的降雨产流特征

由图 2 可知， 喀斯特 3 种不同类型坡耕地降雨产流特征存在显著差异。 RE、BS 和 RF 的 总径流系数呈依次减少的特征， RE 的平均总径流系数分别为 BS 和 RF 的 1.1 倍和5.9 倍。不 同类型坡耕地的地表径流系数从大到小依次为：RE (0.117) >BS (0.065) >RF (0.015)， 其 中 RE 的平均地表径流系数显著高于其他坡耕地类型， 分别为 BS 和 RF 的 1.8 和 7.8 倍。壤 中流径流系数为 BS(0.147) >RE (0.114) >RF (0.024)，其中 RF 的平均壤中流径流系数显著 低于 BS 和 RE ，分别较 BS 和 RE 减少了 83.7%和 78.9% ，但 BS 和RE 之间无显著差异。

0.30

a

a

0.20

a

0.15

a

a

0.10

b

b

b

0.00

地表径流

图 2 不同类型坡耕地降雨产流特征

Fig.2 Rainfall runoff characteristics of different types of slope farmland

注： BS 、RE 、RF 分别为裸坡地、岩石出露型、砾石覆盖型。下同

如图 3 所示， 地表径流和壤中流初始产流时间均表现为 RE<BS<RF。RE 的地表初始产流 时间最早(5.8 min)，且显著早于 RF (9.1 min)，BS 的地表初始产流时间为 7.4 min，与 RE 和 RF 差异较小。 不同类型坡耕地的壤中流均晚于地表径流开始产流， BS 、RE 和 RF 的壤中 流初始产流时间分别为地表径流初始产流时间的 3.1 倍，2.2 倍，2.7 倍，其中 RE 的壤中流初 始产流时间 (12.8 min) 显著早于 BS (23.1 min) 和 RF (24.1 min)，但 BS 和 RF 之间无显著 差异。

30

25

20

15

10

5

0

RE RF

a

b

a

ab

b

地表径流

图 3 不同类型坡耕地平均初始产流时间

Fig.3 Average initial runoff time of different types of slope farmland

注：图柱上方不同小写字母表示不同产流时间差异显著 (P＜0.05)。

不同类型坡耕地的产流过程如图 4 所示，RF 的平均地表径流强度和壤中流径流强度均明 显低于 BS 和 RE。其中， 平均地表径流强度表现为 RE (10.3 mm/h) >BS (6.1 mm/h) >RF               (2.4 mm/h)，RF 的平均地表径流强度较 RE 和 BS 减少了 76.7%和 60.7%，而平均壤中流径 流强度表现为 BS (12.9 mm/h) >RE (9.8 mm/h) >RF (1.9 mm/h)。 不同类型坡耕地的地表径 流和壤中流产流过程相似，即产流速率先快速增加而后增速放缓，最后趋于稳定。但是 BS 和 RE 的地表径流和壤中流的产流过程存在明显差异，地表径流产流过程中流量变化较为平 缓， 保持相对稳定， 而壤中流产流过程中流量波动明显， 在降雨后的 84 min 内均有一个持续

上升的过程。

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120

降雨时间/min

图 4 不同类型坡耕地产流过程

Fig.4 Runoff process of different types of slope farmland

2.2 秸秆覆盖对地表径流的影响

如图 5 所示，秸秆覆盖对地表径流的影响因坡耕地类型而异。在 BS 型坡耕地，20%覆盖 度能显著减少地表径流量， 较无覆盖小区减少了 26.2%，但 50%和 80%覆盖度均会增加地表 径流， 较无覆盖小区增加了 13.8%和 63. 1%；在 RE 型坡耕地，20%和50%覆盖度均能显著减 少地表径流量，较无覆盖小区减少了39.3%和44.5%，80%覆盖度下的径流系数与无覆盖无显 著差异；而在 RF 型坡耕地，秸秆覆盖均会显著增大地表径流量，随着秸秆覆盖度的增加， 地表径流量呈增加趋势。

0.25

0.20

0.15

0.10

0.05

0.00

图

BS

坡耕地类型

5 不同秸秆覆盖下地表径流产流特征

Fig.5 Characteristics of surface runoff under different straw mulching

由图 6 可知， 秸秆覆盖对不同类型坡耕地的影响存在差异。不同类型坡耕地下， 20%覆 盖度均能有效减少稳定地表径流强度， 在 BS、RE 和 RF 较无覆盖分别减少了 46.2%，38.4%， 62.5%；50%覆盖度在 BS 和 RE 能减少稳定地表径流强度， 但在 RF 稳定地表径流强度跟无秸 秆覆盖小区无明显差异； 80%覆盖度在 RE 和 RF 能减少稳定地表径流强度，而在 BS 反而会 增大稳定地表径流强度，较无覆盖增加了 35.0%。

16

0 20% 50% 80%

14 (b) RE型

12

10

8

6

4

2

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120

降雨时间/min

图 6 不同秸秆覆盖下地表径流产流过程

Fig.6 Surface runoff process under different straw mulching

2.3 秸秆覆盖对壤中流的影响

如图 7 所示， 秸秆覆盖对不同类型喀斯特坡耕地壤中流的影响不同。在 BS 型坡耕地， 秸秆覆盖均会显著减少壤中流量，其中 80%覆盖度减少壤中流量最显著，较无覆盖平均减少 了 85.7%；在 RF 型坡耕地， 秸秆覆盖均会增加壤中流量， 其中 50%覆盖度能显著增加壤中流 量，较无覆盖增加了 158.3%；而在RE 型坡耕地，除 50%覆盖度较无覆盖显著减少壤中流28. 1%

外，其余秸秆覆盖度会增加壤中流量。

0.20

0.15

0.10

0.05

0.00

0 20% 50%

a

BS型

图 7 不同秸秆覆盖下壤中流产流特征

Fig.7 Characteristics of subsurface runoff under different straw mulching

如图 8 所示， 秸秆覆盖显著改变了不同类型坡耕地的壤中流产流过程。在 BS 型坡耕地， 覆盖秸秆均会减少稳定壤中流径流强度，且稳定壤中流径流强度随覆盖度增加而降低，80% 覆盖度减少稳定壤中流径流强度最多， 较无覆盖减少了 89.7%；在 RE 型坡耕地， 20%和 80% 覆盖度对壤中流产流过程影响较小，稳定壤中流径流强度与无覆盖无明显差异，但 50%覆盖 度能减少稳定壤中流径流强度， 较无覆盖减少了 35.3%；在 RF 型坡耕地， 20%和 80%覆盖度 均能增大稳定壤中流径流强度，其中 50%覆盖度增加稳定壤中流径流强度最多，较无覆盖增 加了 60.0%。

25

0 20% 50% 80%

(a) BS型

20

15

10

5

0

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120

降雨时间/min

图 8 不同秸秆覆盖下壤中流产流过程

Fig.8 Subsurface runoff process under different straw mulching

3 讨论

本研究表明， 不同类型坡耕地的地表径流量表现为岩石出露(RE) >裸坡地(BS) >砾石 覆盖(RF) 。岩石出露是 RE 的地表径流高于 BS 和 RF 的主要因素。 Liu 等[24]研究结果表明 岩石出露增加了缓坡与陡坡的坡面地表径流量， 这主要是因为降雨击落在岩石上容易直接形 成岩面径流，加速了地表径流的产生， 地表径流量随着地表岩石覆盖率的增加而增加[25] ，且 RE 的土层厚度最薄， 也更容易蓄满产生地表径流。除此之外，岩石的拦截和聚集效应能降低 地表径流的流速，促进降雨入渗[26]，岩面径流能通过岩土界面快速进入土壤形成壤中流， 所 以 RE 的壤中流初始产流时间显著早于其他两种类型。而 RF 的砾石含量显著高于 BS 和 RE， Dai 等[27]研究表明， 地表砾石覆盖能显著减少地表径流量， 同时增加了壤中流和地下径流量； 王小燕等[28]在研究砾石覆盖对坡面水文过程影响时也表明，地表径流速率及地表径流系数随 砾石覆盖度的增加而降低，砾石存在能够有效的减少土壤出露面积，增大地表粗糙度，从而 使得径流流速变缓而入渗量增加， 所以 RF 的地表径流量最少。

本文结果显示，秸秆覆盖的减流效果因坡耕地类型而异。在有岩石出露的 RE 型坡耕地 覆盖秸秆后能减少地表径流，这是因为 RE 的裸岩会增加径流流速，加快地表结皮的产生， 使得地表径流强度持续增加，而秸秆覆盖后坡面流速降低， 使达到稳定时的地表径流强度明 显降低，所以在岩石裸露地区覆盖秸秆能起到较好的减流效果。综合考虑，50%秸秆覆盖量 减少地表径流效果最为明显，可见， 在坡耕地水土流失防治实践中，并不是秸秆覆盖量越大 越好，秸秆覆盖量过高， 可能更容易导致水土的流失。在砾石含量较高的 RF 型坡耕地，覆 盖秸秆反而会增大地表径流。这是因为秸秆覆盖主要是通过增加地表的粗糙度来减少地表径 流的产生速率和表面流速。有相关研究[29]表明，砾石相较于秸秆覆盖与坡面接触面大，覆盖 密度更高，这使得砾石覆盖截留降水促进降雨入渗的效果要高于秸秆覆盖，因而砾石覆盖比 秸秆覆盖具有更好的减流效果， 当秸秆覆盖在砾石表面上时， 砾石的减流效益也被削弱[30] 。 本研究中， 80%秸秆覆盖度在 3 种类型坡耕地均会增加地表径流，这与以往秸秆覆盖能有效 降低地表径流系数不同。这主要是前述研究坡度都较缓(<15°)，本研究中径流小区坡度较陡，

平均坡度为 26°，有研究结果表明[31]在大坡度情况下， 覆盖坡面土壤含水率达到饱和的时间 早于无覆盖坡面，因此更容易产生地表径流。此外秸秆覆盖阻碍了雨滴与土壤的直接接触， 减缓了入渗，随着覆盖度的增加，雨滴容易在秸秆上直接产生径流并顺着秸秆向下。

研究结果表明，秸秆覆盖在 RF 会增加壤中流量， 但在 BS 却减少了壤中流量。 这主要是 因为 RF 的砾石含量较高， Omidvar 等[29]研究表明， 秸秆覆盖比砾石覆盖更能有效增加地表粗 糙度并降低流速，这使得降雨入渗时间增加从而促进水分入渗。 在 BS 型坡耕地，由于秸秆 本身的吸水能力，降雨期间截留了部分降水，使得入渗量减少，使得壤中流减少， 赵永敢等 [32]研究结果也表明，秸秆覆盖后入渗速率较无覆盖降低 70%。

最后，本文结果是通过人工模拟降雨试验获得， 为了更好地研究秸秆覆盖对不同类型喀 斯特坡耕地降雨产流特征的影响，还需进一步开展长时间的天然降雨观测试验。同时，本研 究中仅通过土层厚度和岩石出露特征划分不同坡耕地类型， 而喀斯特地区裸岩广泛出露，土 体被裸岩零星切割，坡耕地破碎度增加，不同类型的坡耕地相互交错分布，形成了一系列复

合坡耕地类型，秸秆覆盖在复合坡耕地上的适用性还需进一步开展研究。

4 结论

(1) 坡耕地类型对于地表径流和壤中流的产流特征均有重要影响，裸岩率和砾石含量是 影响坡面径流的重要因素。喀斯特 3 种类型坡耕地中， 岩石出露型(RE) 坡耕地地表径流和 壤中流初始产流时间最早， 平均地表径流最大， 总径流量显著高于裸坡地 (BS) 和砾石覆盖 型(RF) 坡耕地。

(2) 秸秆覆盖的减流效果因坡耕地类型而异。20%覆盖度在 BS 型坡耕地的减流效果最 好，较无覆盖减少了 26. 1% ，50%覆盖度在 RE 型坡耕地的减流效果最好，较无覆盖减少了 44.5%，而秸秆覆盖在 BS 型坡耕地会增加地表径流量。 因此在喀斯特坡耕地开展水土保持工 作时，秸秆覆盖措施主要考虑应用于裸坡地和岩石出露的坡耕地。

(3) 壤中流受降雨、 坡耕地类型和地表覆盖等因素的综合影响， 产流特征较为复杂。不 同秸秆覆盖度在 RF 型坡耕地均会增加壤中流量，其中 50%覆盖度壤中流量较无覆盖显著增 加了 158.3%；在 BS 型坡耕地 80%覆盖度减少壤中流量最多，较无覆盖减少了 85.7%；而秸 秆覆盖在 RE 型坡耕地对壤中流的作用效果无明显规律。

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