秸秆覆盖调控南方红壤坡耕地地表-地下径流与产沙对四种降雨模式的响应差异

《Agricultural Water Management》：Straw measures attenuate the differences in surface-subsurface flow and sediment yield under four rainfall patterns on red soil sloping farmlands of southern China

本研究针对南方红壤坡耕地不同降雨强度模式(RIP)下地表-地下径流耦合与土壤侵蚀问题，通过5年实地观测发现秸秆覆盖措施能显著削弱四种降雨模式(AP/IP/DP/UP)引起的水文泥沙差异。研究表明，在前期型降雨(AP)下，秸秆覆盖耕作(TSM)使地表径流率(SFR)和含沙量(SC)分别降低78.6%和97.1%，同时使地下径流率(SSFR)提高1.9倍。幂函数分析揭示秸秆覆盖通过维持更平缓的降雨-径流-侵蚀耦合关系，增强了极端暴雨下的水文稳定性，为红壤区农业水资源管理提供了重要理论依据。

　　

在南方红壤丘陵区，坡耕地占耕地总面积的三分之一，由于人类活动干扰和降雨分布不均，该区域长期面临严重的水土流失问题。据全国水利普查数据显示，中国水土流失面积已达290万平方公里，占国土总面积的31.1%。特别是梅雨季节和台风暴雨等极端降雨事件频发，使得坡耕地土壤侵蚀风险进一步加剧。传统研究多关注降雨总量和持续时间等整体特征，而忽视了降雨过程中强度动态变化对侵蚀过程的关键影响。事实上，相同总量的降雨因强度时序分布不同，可能产生截然不同的侵蚀响应，这种降雨强度模式(RIP)的差异成为准确评估坡耕地水土流失风险的重要挑战。

为深入探究这一问题，湖南师范大学的研究团队在《Agricultural Water Management》发表了题为"Straw measures attenuate the differences in surface-subsurface flow and sediment yield under four rainfall patterns on red soil sloping farmlands of southern China"的研究论文。该研究基于2018-2022年在江西水土保持生态科技园的长期定位观测，通过127场产流降雨事件，系统分析了四种降雨强度模式(前期型AP、均匀型UP、中间型IP、延迟型DP)下不同秸秆措施对红壤坡耕地水文泥沙过程的影响机制。

研究团队采用的关键技术方法包括：基于Huff曲线的降雨强度模式分类技术，将降雨过程按时间等分为三个时段，以任一时段降雨量占比超过40%作为分类阈值；坡面地表-地下径流分离收集系统，通过L型钢板和砾石层实现30cm土层处地下径流的有效收集；五种覆盖措施对比设计(翻耕裸地PLB、常规耕作COF、秸秆覆盖免耕NTSM、秸秆埋沟覆盖SBDM、秸秆覆盖耕作TSM)；功率函数关系分析，通过y=αx^β模型量化降雨-径流-侵蚀的耦合关系。

3.1 降雨特征

五年的观测期内，AP型降雨发生频率最高(43.3%)，其特点是强度大、历时短，最大30分钟降雨强度达20.0 mm h^-1；DP型降雨虽然发生频率为28.3%，但平均降雨量和历时均最大(39.1mm, 1449.9min)，对土壤侵蚀具有持续性的影响。这种降雨特征的差异为研究不同RIP模式下的水文响应提供了良好的自然实验条件。

3.2 不同覆盖措施的径流和泥沙

秸秆覆盖措施显著降低了地表径流和土壤流失。与PLB相比，TSM使SFR降低78.6%，SC降低97.1%，同时SSFR提高1.9倍。SBDM在减少地表径流方面表现最佳(降低78.4%)，而NTSM在控制泥沙浓度方面最为有效(降低96.4%)。这表明秸秆覆盖不仅有效抑制了地表侵蚀，还促进了水分向地下转化，实现了径流资源的再分配。

3.3 不同RIP模式下的径流和泥沙

RIP模式与覆盖措施的交互作用显著影响水文响应。在AP降雨下，PLB的SFR是其他模式的1.3-1.4倍，SLR是1.2-1.5倍，而SSFR则低14.8-25.8%。秸秆覆盖措施有效削弱了这种差异，特别是在AP和IP降雨下，TSM和SBDM使SFR降低超过85%，表现出对早期强降雨的良好适应性。

3.4 地表-地下径流和土壤流失与降雨特征的关系

功率函数分析表明，秸秆覆盖显著改变了降雨-径流-侵蚀的耦合关系。在AP降雨下，PLB的功率函数指数β为-0.21，表现出强烈的负相关，而秸秆措施(β=-0.01至-0.35)的关系更为平缓。这种差异说明秸秆覆盖通过增强入渗、延缓汇流，有效稳定了极端降雨下的水文响应。

研究讨论部分深入分析了产生这些现象的机制。从水文过程看，"填满-溢出"机制(fill-and-spill mechanism)解释了地下径流的形成过程：降雨首先填充土壤微地形洼地，饱和后形成连通的饱和路径产生侧向流。秸秆覆盖通过增加地表粗糙度、减少雨滴击溅能量，有效防止了土壤结皮的形成，维持了较高的入渗能力。从侵蚀机制角度，AP降雨早期的高强度雨滴导致土壤团聚体破碎，形成物理结皮，从而增加地表径流和侵蚀风险；而DP降雨前期低强度阶段有利于水分入渗，推迟了径流产生时间。

不同秸秆措施的作用机制各有特点：TSM通过翻耕疏松犁底层促进水分下渗，但长期可能影响团聚体稳定性；NTSM能更好地保持土壤结构和有机质，但在黏重红壤上短期内容易导致表层压实；SBDM则通过秸秆填沟形成微地形拦蓄效应，兼具截流、滞沙和补水功能。这些差异解释了为什么SBDM在泥沙控制方面表现突出，而TSM在地下径流增加方面效果显著。

研究的创新性在于首次系统量化了秸秆覆盖对四种RIP模式下红壤坡耕地地表-地下径流耦合关系的调节作用。通过长期实地观测和功率函数分析，揭示了秸秆措施通过维持平缓的响应曲线(较小的α和β值)，有效削弱了不同降雨模式引起的水文泥沙差异。这种"均化效应"在极端降雨事件多发的背景下具有重要意义，为红壤区坡耕地水土资源配置提供了科学依据。

研究结论强调，秸秆覆盖措施不仅能有效控制土壤侵蚀，还能通过增强地下径流和土壤水分储存，提高农田的气候适应能力。特别是在面临极端降雨和季节性干旱交替的挑战下，这种基于自然解决方案的管理措施为实现红壤区农业可持续发展提供了实用技术路径。未来研究可进一步探索深埋秸秆与表层覆盖相结合的分阶段改良模式，以及秸秆措施对养分迁移的调控机制，为红壤坡耕地水土资源高效利用提供更完善的理论支撑。