Runoff and soil erosion characteristics in red soil slope croplands under various straw return modes

DU Yongqiang; CHANG Tingting; CHEN Xiaoan; WANG Ce

doi:10.15983/j.cnki.jsnu.2024109

Journal of Shaanxi Normal University(Natural Science Edition) >

2024 , Vol. 52 >Issue 4: 120 - 129

DOI: https://doi.org/10.15983/j.cnki.jsnu.2024109

Runoff and soil erosion characteristics in red soil slope croplands under various straw return modes

DU Yongqiang ¹^,²^,³ ,
CHANG Tingting ² ,
CHEN Xiaoan ^,¹^,⁴^,^* ,
WANG Ce ²

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¹ Jiangxi Academy of Water Science and Engineering,Jiangxi Provincial Key Laboratory of Soil Erosion and Prevention,Nanchang 330029, Jiangxi, China
² College of Agricultural Science and Engineering,Hohai University,Nanjing 210098, Jiangsu, China
³ Guyuan Water Conservancy Survey and Design Institute Co., Ltd., Guyuan 756000, Ningxia, China
⁴ Jiangxi Provincial Technology Innovation Center for Ecological Water Engineering in Poyang Lake Basin, Nanchang 330029, Jiangxi, China

Received date: 2023-10-17

Online published: 2024-08-20

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Abstract

Through artificial rainfall simulations, the variations in surface runoff and sediment yield under different straw return rates (0.30, 0.45, 0.60, and 0.75 kg/m²) and methods (crushed mulch reversion (CV),crushed tillage reversion (RT), and mulch-crushed tillage reversion (CR)) are investigated, and the underlying mechanisms governing surface runoff and sediment yield patterns under different straw return methods and rates are analyzed. The results indicate that: 1)Under the same return method, straw return rates significantly affect the timing of runoff production, with increasing straw return rates leading to longer initial and stable runoff production time. Among the same straw return rates, there is minimal difference in runoff production time between CV and RT, while CR exhibits the most pronounced delay, with an initial runoff production time delayed by 19.42 to 55.17 minutes compared to CK. 2)With increasing straw return rates under the same return method, the initial and stable surface runoff intensities decrease, resulting in a significant reduction in total surface runoff. Notably, there is no significant difference in total surface runoff between RT and CR at straw return rates of 0.60 kg/m² and 0.75 kg/m². Moreover, under the same straw return rate, CR demonstrates significantly greater flow reduction benefits compared to CV and RT, with a decrease in initial runoff intensity ranging from 23.64 to 44.04 mm/h, and a reduction in total surface runoff ranging from 55.74% to 98.92% compared to CK. 3)Under the same return method, increasing straw return rates lead to a continual decrease in sediment yield intensity, resulting in a significant reduction in total surface sediment yield. There is no significant difference in total surface sediment yield among the three return methods at straw return rates of 0.60 kg/m² and 0.75 kg/m². Additionally, under the same straw return rate, CR demonstrates greater sediment reduction benefits compared to CV and RT, with sediment reduction benefits ranging from 93.73% to 99.99% compared to CK. Thus, it is evident that mulch-crushed tillage reversion (CR) with a straw return rate of 0.60 kg/m² is the optimal straw return mode.

Key words： red soil slope cropland; artificial rainfall simulation; straw return; runoff; sediment yield

Cite this article

DU Yongqiang , CHANG Tingting , CHEN Xiaoan , WANG Ce . Runoff and soil erosion characteristics in red soil slope croplands under various straw return modes[J]. Journal of Shaanxi Normal University(Natural Science Edition), 2024 , 52(4) : 120 -129 . DOI: 10.15983/j.cnki.jsnu.2024109

红壤是我国重要的土地资源之一,普遍存在于南方地区^[1],坡耕地是红壤区的水土流失策源地^[2-3]。水土保持措施对于红壤坡耕地涵养水分、固持水土和改良土壤尤为重要。我国是农业大国,作物秸秆类有机固体废弃物的数量每年以5%~10%的速度递增^[4],农作物秸秆产量达10亿吨,占世界秸秆产量的30%^[5-6]。秸秆粉碎还田或覆盖还田是解决稻秆焚烧最直接、最有效的方法。秸秆还田是农业利用秸秆的常见方式之一,主要包括翻埋还田和覆盖还田^[7]。秸秆还田可保护地表土壤以防止降雨冲刷和地表结皮^[8-9],改善土壤质量并降低焚烧秸秆给环境带来的负面影响^{[10⇓⇓-13]}。

国内外学者对秸秆覆盖还田、粉碎还田、秸秆降解进程及其相应的水保效益进行了研究,发现秸秆还田与降雨入渗的关系较为复杂,受秸秆的长度、覆盖度及表土结构的影响,增加地表覆盖可以显著削减水土流失的强度^[14],能较好地调控水土流失状况^[15⇓-17]。秸秆覆盖在覆盖初期可通过延迟产汇流和降低土表冲刷,从而抑制坡耕地水土流失现象。张翼夫等^[18]、孙佳美等^[19]、吕凯等^[20]通过人工模拟降雨试验,分析了不同降雨强度和地表覆盖量下,随着降雨时间延长,地表产流量和产沙量与覆盖量呈极显著负相关关系;曹建生等^[9]研究表明秸秆覆盖可以提高地下渗流的效果。粉碎秸秆还田会改变地表性质(如粗糙度、孔隙度等),进而对各种水文过程产生重要影响。粉碎秸秆通过增加地表粗糙度增加了填洼^[21],从而起到很好的阻流阻沙作用,且粉碎的秸秆相比完整秸秆显著改变了坡面水动力学特征^[22]。秸秆粉碎还田可改善土壤物理结构,抑制农田土壤板结和连作障碍,降低土壤容重,增加土壤入渗能力和有效水容量^[23-24]。秸秆长期还田后,土壤大团聚体含量显著增加,对有机质形成物理覆层,据此固持了有机碳,使团聚体稳定性提高^[25-26]。已有研究多聚焦于秸秆覆盖或者粉碎还田单一还田模式下的水土保持效果,而不同还田方式随还田量变化的水土保持效果及其最佳还田模式研究未见相关报道。

因此,本文以红壤坡耕地为研究对象,通过人工模拟降雨试验,探究稻草秸秆不同还田方式及不同还田量下坡耕地产流产沙特征,为秸秆还田技术在坡耕地水土流失治理中的应用提供科学依据。

1 研究方法与数据来源

1.1 试验区概况

试验在江西水土保持生态科技园(115°42'38″~115°43'06″E、29°16'37″~29°17'40″N)内完成。试验区地处江西省九江市德安县燕沟小流域、鄱阳湖水系博阳河西岸,总面积80 hm²;属亚热带季风气候区,气候温和,四季分明,雨量充沛,光照充足,且雨热同期;多年平均降雨量1 350.9 mm,最大年降雨量1 807.7 mm,最小年降雨量865.6 mm;多年平均气温16.7 ℃,年日照时数1 650~2 100 h,无霜期245~260 d^[3,27]。

1.2 试验装置

模拟降雨大厅采用钢结构,建筑面积约l 776 m²,有效降雨面积786 m²,降雨高度18 m,降雨均匀度在0.85以上,分为4个15.6 m×12.6 m独立降雨区。本文试验在2号下喷区完成,采用FULLJET旋转下喷式喷头,下喷区雨强变化范围为10~200 mm/h^[3]。

试验用土槽规格为1.5 m(长)×0.5 m(宽)×0.5 m(高),坡度可调范围为0~40°(见图1)。土槽所填土为第四纪红壤(黏粒含量37.19%,粉粒含量62.33%,砂粒含量0.48%),原状土填筑前需过10 mm筛。本试验土槽可填土厚度为45 cm,底部铺5 cm碎石以保证良好的通透性,再填筑40 cm厚的土,其中20~40 cm土壤容重为1.25 g/cm³, 0~20 cm土壤容重为1.15 g/cm³。土槽填筑完毕后自然沉降15 d,再进行人工模拟降雨。

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图1 土槽示意图

Fig.1 Schematic diagram of the soil trough

1.3 试验设计

试验设计粉碎覆盖还田(CV)、粉碎翻耕还田(RT)、覆盖-粉碎翻耕还田(CR)3种处理。秸秆粉碎至5 cm左右,每种处理分别有4种水平的还田量(还田量0为对照组CK),依次为0.30、0.45、0.60、0.75 kg/m²,共13种还田模式,每种还田模式试验重复3次。

土槽坡度调至10°(江西省坡度在6°~15°的红壤坡耕地面积占区域坡耕地面积的70%以上)以模拟当地实际坡耕地坡度。试验开始前一天,用小雨强降雨充分润湿土槽,使模拟降雨试验时土槽内土壤含水率达到饱和含水率,减少不同场次模拟降雨试验下土壤含水量差异带来的试验误差。试验设计降雨强度为90 mm/h,历时1.5 h(江西赣南地区大多是短历时大雨强)。不同处理措施详见表1。

表1 不同秸秆还田处理措施

Tab.1 The different patterns of straw returning

处理方式	还田量/(kg·m^-2)
处理方式	0	0.30	0.45	0.60	0.75
CV		CV₁	CV₂	CV₃	CV₄
RT	CK	RT₁	RT₂	RT₃	RT₄
CR		CR₁	CR₂	CR₃	CR₄

1.4 样品采集与处理

从降雨开始计时,记录地表径流产流时间;地表产流后每隔3 min采集地表径流泥沙总量,记录地表径流体积,搅拌均匀后取500 mL浑水样品倒入铝盒中,不足500 mL的样品全部倒入铝盒,静置24 h,倒出上层清液,将铝盒放入烘箱中在105 ℃恒温下烘干,称重测定泥沙重量,计算地表产沙量。

1.5 数据分析与统计

采用Microsoft Excel 2016进行数据分析;利用SPSS 25.0进行显著性检验(单因素ANOVA)和相关性分析;使用Origin 2021作图。

2 结果分析

2.1 不同还田模式对坡耕地地表产流时间的影响

地表径流初始产流时间和稳定产流时间见表2。不同处理下初始产流时间均随秸秆还田量的增加而增大;相同秸秆还田量不同处理间初始产流时间存在差异,整体上CR初始产流时间明显大于CV和RT,CV和RT产流时间差异不大,CR推迟产流时间最明显。在CV处理下,初始产流时间从大到小依次为CV₄、CV₃、CV₂、CV₁、CK,初始产流时间较无覆盖依次推迟21.92、14.40、6.17、2.17 min,并且CV₃和CV₄与对照有显著性差异;在RT处理下,RT₁、RT₂、RT₃、RT₄初始产流时间较无覆盖依次推迟4.00 min、10.05 min、11.00 min、13.27 min;在CR处理下,产流时间随秸秆量的变化呈相似的规律,CR₁、CR₂、CR₃、CR₄初始产流时间较无覆盖依次推迟10.42、13.42、34.77、67.33 min。

表2 初始产流时间和稳定产流时间

Tab.2 Initial and stable production time of surface runoff

处理		还田量/(kg·m^-2)
处理		0	0.30	0.45	0.60	0.75
初始产流时间/min	CV	10.83C	13.00bC	17.00bC	25.23bB	32.75bA
	RT	10.83C	14.83bC	20.88bcB	21.83bA	24.10cA
	CR	10.83D	21.25aC	24.25aC	45.60aB	78.16aA
产流稳定时间/min	CV	34.83D	37.00bD	44.00bC	76.60aB	86.75aA
	RT	34.83E	56.83aD	38.88cC	69.83bB	51.10bA
	CR	34.83E	54.25aD	69.25aC	75.60aB	90.00aA

注:同列不同小字母表示不同还田方式存在显著差异,同行不同大写字母表示不同还田量存在差异(P<0.05 )。

产流稳定时间总体上随着秸秆还田量的增加而增大。CV处理下,CV₁、CV₂、CV₃、CV₄产流稳定时间依次分别为37.00、44.00、76.60、86.75 min,较CK推迟2.17~51.92 min;RT产流稳定时间规律不明显,但总体上大于CK;CR处理下,CR₁、CR₂、CR₃、CR₄产流稳定时间分别为54.25、69.25、75.60、90.00 min,较CK推迟19.42~55.17 min。可见,CR推迟产流时间最优。

2.2 不同还田模式对坡耕地地表产流的影响

2.2.1 对地表产流过程的影响

不同还田量下,不同秸秆还田方式的地表产流过程曲线见图2。由图2可知,不同初始条件下的地表产流变化过程相似,径流强度均在产流初期较小,随后波动上升,后趋于稳定。初始产流强度总体上随着秸秆还田量的增加而减少。

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图2 不同还田模式下的地表径流产流过程

Fig.2 Process of surface runoff production under different return patterns

CV处理下(图2a),CV₁、CV₂、CV₃、CV₄初始产流强度与CK相比分别减少3.16、9.40、28.11、42.84 mm/h。RT处理下(图2b),RT₁、RT₂、RT₃、RT₄初始产流强度远低于CK,RT₄不仅初始径流产流强度最低,而且稳定时的径流强度也最低;RT₃产流初始阶段的产流强度同RT₄差异较小;RT₂和RT₁径流强度趋势线相互交错,彼此差异较小。CR处理下(图2c),CR₁、CR₂、CR₃、CR₄初始产流强度与CK相比分别减少23.64、30.48、44.33、44.04 mm/h。在相同秸秆还田量下,不同处理的初始径流强度从小到大依次为CR、CV、RT,CR的初始径流强度均低于CV,但总体上RT的效果低于CV和CR。随着降雨的持续,不同还田模式的产流强度均趋于稳定,CK的稳定产流强度最大,为65.52 mm/h;在CV处理下,从CV₁到 CV₄的地表径流稳定产流强度依次为59.20、57.00、40.44、6.66 mm/h;在RT与CR处理下,地表径流稳定产流强度分别为 65.40~38.00、35.40~0.67 mm/h。不同还田方式下,地表径流稳定产流强度随着秸秆还田量的提高而降低。

2.2.2 对地表径流总量的影响

秸秆不同还田方式及其不同还田量下地表总产流特征见图3。不同还田方式下地表总径流量均随秸秆还田量的增加而减少。

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图3 不同还田模式下的径流总量

注:相同处理标有不同字母者表示差异显著(P<0.05)。

Fig.3 Total runoff under different return patterns

在CV处理下,CV₁、CV₂、CV₃、CV₄的地表径流总量较CK分别减少11.60%、25.54%、48.64%、92.59%;CV₁的秸秆覆盖量相对较少,减流效果稍弱,与CK无显著差异;随秸秆覆盖量的增加,CV₂、CV₃、CV₄的减流效果显著提高,与CK、CV₁均存在显著性差异,且三者相互差异显著。在RT处理下,RT₄地表径流量最小,相较于CK减少了64.10%;RT₁地表径流量最大,相较于CK减少了17.03%,削减径流效果不明显,与CK不存在显著性差异;随着还田量的增加,削减径流效果有所增加,RT₂与CK的地表径流量存在显著性差异,但与RT₃不存在显著性差异,表明随着还田量的增加,削减径流的效果并未有明显提升,保水效果低于CV。在CR处理下,CR₁地表径流量最大,较CK减少55.74%,且与CK有显著性差异,表明少量的秸秆减少径流效果可在CR处理下达到最大;CR₃地表径流量很小,相较于CK减少98.92%,与CR₁、CR₂、CK均有显著性差异,但与CR₄无显著性差异,且径流量CR₃>CV₃>RT₃。可见,在相同还田方式下,随着秸秆还田量增加,地表总产流呈不断减少趋势;在相同还田量下,CR减少地表径流效益明显优于CV和RT。

2.3 不同还田模式对坡耕地地表产沙的影响

2.3.1 对地表产沙过程的影响

不同还田模式的地表径流产沙强度变化过程见图4,不同还田模式下的地表产沙过程具有明显差异。

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图4 不同还田模式下的地表产沙过程

Fig.4 Sediment production process by surface runoff under different return patterns

CK处理下,产沙强度在产流后快速增大,至峰值后迅速减小。CV处理下(图4a),产沙强度先波动上升而后波动下降,最终趋于稳定;CV₁、CV₂、CV₃和CV₄的初始产沙强度较CK分别减少24.12、169.03、319.13和342.63 g/(h·m²),最大产沙强度依次为421.60、237.80、64.84、6.46 g/(h·m²),均低于CK。RT处理(图4b)的产沙强度规律与CV处理相反,产沙浓度呈现缓慢上升的趋势,最后趋于稳定;RT₁、RT₂、RT₃和RT₄时初始产沙强度较CK分别减少244.46、275.43、319.78和335.03 g/(h·m²),最大产沙强度为204.05~85.18 g/(h·m²)。CR处理(图4c)的产沙强度层次分明,从大到小依次为CR₁、CR₂、CR₃和CR₄,其初始产沙强度较CK分别减少336.79、340.57、345.34和345.64 g/(h·m²),差异不明显,泥沙浓度在一定范围内上下波动,且波动范围小,未发生急剧变化,最大产沙强度为20.78~0.21 g/(h·m²),还田量达到CR₄时,产沙量趋近于0,保土效果接近100%。

综上,在相同还田方式下,随着秸秆还田量的增加,产沙强度不断减小;在相同秸秆还田量下,不同还田方式的产沙强度存在明显差异,3种还田方式削减产沙强度的效果从大到小依次为CR、CV、RT,即CR的泥沙流强度低于CV和RT,CR的保土效果最佳。

2.3.2 对地表产沙总量的影响

秸秆不同还田方式及其不同还田量下的地表产沙总量见图5,秸秆还田方式对产沙总量的差异显著。

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图5 不同秸秆还田模式下的泥沙产量

注:相同处理标有不同字母者表示差异显著(P<0.05 )。

Fig.5 Sediment yield under different straw returning patterns

CV处理可以显著减少地表产沙,CV₁、CV₂、CV₃和CV₄的地表产沙总量较CK 依次减少29.63%、55.88%、88.58%和99.45%,且减沙效益显著;从CV₁到CV₄,随着还田量的增加总产沙量显著减小,表明随秸秆覆盖还田量增加,减沙效益增大。在CR处理下,总产沙量远小于CK,CR₁、CR₂、CR₃和CR₄减沙效益显著,地表产沙总量较CK 依次减少93.73%、95.55%、99.83%和99.99%,与CK有显著性差异。RT减沙效益低于CV和CR,总产沙量随还田量的增加而减少,且显著小于CK。

综上,在相同还田方式下,随着秸秆还田量增加,地表总产沙量呈不断减少趋势;在相同还田量下,CR减少地表总产沙效果明显优于CV和RT。

3 结果与讨论

3.1 结果

采用人工模拟降雨试验,研究了秸秆不同还田方式及不同还田量下坡耕地的产流产沙特征,为阐明秸秆覆盖降低坡耕地土壤侵蚀机理提供了理论依据,得出以下结果。

1)在相同还田方式下,随着秸秆还田量增加,初始产流时间、产流稳定时间均显著增加;相同还田量下,CR滞后产流时间最长,较CK推迟初始产流时间为19.42~55.17 min。

2)不同秸秆还田方式产流过程均先波动增大,后趋于稳定;地表产流强度随秸秆还田量的增加而减小,地表总产流与秸秆还田量呈显著负相关,RT、CR最佳减流还田量为0.60 kg/m²;相同秸秆还田量不同还田方式下CR减流效益最大,较CK减少地表总径流效益为55.74%~98.92%。

3)不同还田方式产沙过程差异明显,CK产沙过程先快速增大,至峰值后迅速减小,CV产沙过程先波动上升而后波动下降并趋于稳定,CR产沙过程上下波动。地表产沙强度随秸秆还田量的增加而减小,地表总产沙量与秸秆还田量呈极显著负相关;还田量增加到0.60 kg/m²与0.75 kg/m²时,地表总产沙无显著差异。相同秸秆还田量时,CR减沙效益最大,较CK减沙效益为93.73%~99.99%。

4)不同秸秆还田模式对红壤坡耕地均有显著减流减沙效益。CR还田方式减流减沙效益大于其他方式,还田量为0.60 kg/m²与0.75 kg/m²的减流效果无显著性差异,且过多的还田量也存在很多弊端。因此,0.60 kg/m²的秸秆还田量为最佳还田量,0.60 kg/m²覆盖-翻耕粉碎还田(CR)为最佳还田模式。

3.2 讨论

不同秸秆还田方式均可以延缓产流时间,减少地表产流产沙。在粉碎覆盖还田(CV)、粉碎翻耕还田(RT)和覆盖-粉碎翻耕还田(CR)还田方式下,0.30~0.75 kg/m²还田量较CK产流时间,分别推迟2.17~22.97、1.33~10.00和10.42~34.30 min。在粉碎翻耕还田方式下,稻草粉碎翻耕还田可以增加土壤孔隙度、疏松度和田间持水量^[24],降低土壤容重,提升土壤入渗能力^[23],延缓地表径流产生,因此粉碎翻耕还田可以有效降低地表产流、延缓产流时间。覆盖-粉碎翻耕还田方式结合了粉碎覆盖和粉碎还田的优点,显著降低了地表径流,大幅度延缓了产流时间。同时,不同秸秆还田方式增加了地表的粗糙程度,间接增加了坡面径流的产汇流时间,高覆盖量水平下,粉碎秸秆通过增加地表粗糙度增加了填洼^[21],从而起到很好的阻流阻沙作用,减少地表径流,这与王宏等^[28]的研究结果一致。粉碎的秸秆与完整秸秆相比,坡面水动力学特征显著变化^[22]。综上所述,不同秸秆还田方式减少地表径流量和泥沙产量,其主要原因为粉碎的秸秆可以增加土壤孔隙度,增加降雨入渗,延缓产流时间,降低径流量;同时增加地表粗糙度,减缓径流流速,削弱径流携带泥沙能力。

地表产流产沙量随秸秆还田量的增加而减少,且呈显著负相关关系(见表3),这与前人研究结果类似^[29⇓-31]。由表3可知,地表径流量与地表产沙量呈极显著正相关(P<0.01),地表径流量与还田量呈极显著负相关(P<0.01),地表产沙量与还田量呈极显著负相关(P<0.01)。

表3 产流产沙相关性分析

Tab.3 Analysis of the correlation between surface runoff and sediment production

指标	地表径流量	地表产沙量	还田量
地表径流量	1
地表产沙量	0.903^**	1
还田量	-0.851^**	-0.885^**	1

注:**为P<0.01。

单位面积稻草量越多,延缓地表径流产生时间的效果越明显;降雨过程中,由于雨滴下落具有动能,击打在土壤表面破坏地表结构,导致地表结皮,降雨入渗速率大幅度降低,缩短了地表径流形成的时间,因此裸地产流时间短。粉碎覆盖还田通过地表覆盖减少雨滴打击能量,延迟地表径流的产生和地表径流量,保护土壤的良好结构,有效地减少了土壤侵蚀量。随着稻草粉碎覆盖量增加,稻草粉碎覆盖可以削减雨滴的动能,减弱雨滴的溅蚀危害,覆盖度越大,对地表结构的保护越好。坡面地表产沙量主要由地表径流产沙强度和地表径流量决定,裸地条件下产沙强度由低值剧烈上升后缓慢下降。翻耕后地表存在很多松散的土壤颗粒^[32],产流初期地表径流产流强度小,地表径流流速小,其携带地表土壤颗粒以及搬运土壤颗粒的能力有限^[33]。随地表径流增加,地表产沙强度呈现剧烈上升趋势,主要原因是降雨对表层土壤的击溅导致土壤颗粒松散以及翻耕后表层土壤颗粒松散;产流中后期产沙强度缓慢下降,随地表松散颗粒被径流不断输移,松散土壤颗粒数量显著减少,中后期径流泥沙含量主要来源于降雨的击溅侵蚀。地表覆盖可以有效减小地表侵蚀量^[34-35],随着覆盖量的增大,土壤产沙速率逐渐下降,这与唐涛等^[33]、刘柳松等^[36]的研究结果类似。

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Abstract

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1 研究方法与数据来源

1.1 试验区概况

1.2 试验装置

图1 土槽示意图

1.3 试验设计

表1 不同秸秆还田处理措施

1.4 样品采集与处理

1.5 数据分析与统计

2 结果分析

2.1 不同还田模式对坡耕地地表产流时间的影响

表2 初始产流时间和稳定产流时间

2.2 不同还田模式对坡耕地地表产流的影响

2.2.1 对地表产流过程的影响

图2 不同还田模式下的地表径流产流过程

2.2.2 对地表径流总量的影响

图3 不同还田模式下的径流总量

2.3 不同还田模式对坡耕地地表产沙的影响

2.3.1 对地表产沙过程的影响

图4 不同还田模式下的地表产沙过程

2.3.2 对地表产沙总量的影响

图5 不同秸秆还田模式下的泥沙产量

3 结果与讨论

3.1 结果

3.2 讨论

表3 产流产沙相关性分析

References