秸秆调控细沟侵蚀过程：揭示棕壤径流-泥沙浓度的多时间尺度滞后效应

针对传统耕作下细沟侵蚀过程中径流-泥沙动态规律认知不足的问题，本研究通过冲刷实验结合信号分解技术，系统解析了玉米秸秆还田（长度<3 cm/3-6 cm、深度15/20 cm、还田量4000/8000 kg ha?1）对棕壤坡耕地径流-泥沙多时间尺度滞后效应的影响。结果表明，长秸秆（3-6 cm）和高还田量（8000 kg ha?1）可显著减少径流和泥沙量，并改变滞后模式：传统耕作（CK）呈逆时针滞后环，而短秸秆处理趋向顺时针滞后，揭示秸秆分布通过改变沉积物输移路径调控侵蚀过程。研究为坡耕地水土保持提供了多尺度动力学机制支撑。

　　

研究背景：坡耕地的泥沙之痛

在暴雨频发的丘陵山区，坡耕地细沟侵蚀如同"大地血脉的伤口"——径流冲刷带走肥沃表土，导致耕地退化、作物减产。秸秆还田作为生态农业的核心措施，虽能改善土壤结构，却可能因秸秆形态差异（长度、埋深、用量）改变侵蚀动力学过程。传统研究聚焦单一时间尺度的径流-泥沙关系，但侵蚀过程中沉积物剥离-输移-再沉积的复杂反馈，导致二者呈现滞后现象（Hysteresis），而多时间尺度的隐藏规律尚未破解。如何定量揭示秸秆还田下径流-泥沙的跨尺度响应机制？这成为提升水土保持效益的关键科学命题。

研究设计与方法

山东临沂双河峪流域的棕壤坡耕地（坡度10°）上，中国科学院水土保持研究所团队设计9种处理：秸秆长度（<3 cm/3-6 cm）、埋深（15/20 cm）、还田量（4000/8000 kg ha^?1）及传统耕作对照（CK），共27个径流小区（0.8×5 m）。采用集中水流冲刷实验（流量8 L min^?1，模拟120 mm h^?1暴雨），分3段（10+10+20 min）动态监测径流率（L m^?2 h^?1）和泥沙浓度（kg L^?1）。核心方法包括：

1. 滞后环与滞后指数：通过标准化径流-泥沙序列构建滞后环（Hysteresis loop），结合差分滞后指数（HI）量化滞后方向（HI<0为泥沙领先径流）；
2. 变分模态分解：利用VMD（Variational Mode Decomposition）将原始信号分解为多时间尺度的本征模态函数（IMF），提取>0.3 min^?1（高频）、0.05-0.1 min^?1（亚事件尺度）等频段分量；
3. 互相关分析：计算不同IMF分量的交叉相关系数，识别泥沙对径流的领先/滞后步长。

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研究结果

1. 侵蚀关键指标：秸秆长度与用量主导减蚀效应

• 长秸秆（3-6 cm）比短秸秆（<3 cm）显著减少径流13.49 L m^?2、泥沙1.23 kg m^?2，延长产流时间9.41→18.54 min（P<0.05）；
• 高还田量（8000 kg ha^?1）比低用量（4000 kg ha^?1）减少径流14.87 L m^?2、泥沙1.47 kg m^?2；
• 机制：长秸秆增加地表粗糙度，阻滞水流；高用量秸秆形成物理屏障，削弱径流剪切力。

2. 原始序列滞后模式：秸秆改变泥沙输移动力学

• CK：呈逆时针滞后环（HI=-0.18），泥沙峰值滞后径流（图4a），反映持续性的沟道侵蚀；
• 短秸秆处理（如L3D20A4）：顺时针滞后环（HI=0.13），早期泥沙浓度高（图4d），因短秸秆易被冲刷导致沉积物快速释放；
• 长秸秆处理（如L6D20A8）：逆时针滞后（HI=-0.53），晚期泥沙突增（图2），源于侧蚀或沟床坍塌。

3. 多尺度滞后解析：高频分量揭示复杂波动

• 趋势分量（<0.01 min^?1）：所有处理相关系数>0.92，印证径流-泥沙长期变化趋同；
• 高频分量（>0.3 min^?1）：
  • 高还田量（8000 kg ha^?1）处理出现多向滞后（表4），如L3D20A8存在-1/-4 min差异步长，反映秸秆阻碍导致输移不连续；
  • CK泥沙稳定领先径流3 min（表4），而短秸秆处理无显著滞后。
• 亚事件尺度（0.05-0.1 min^?1）：
  • 长秸秆处理（如L6D15A8）泥沙领先径流2-3 min（表4），与事件尺度滞后一致，因上游沉积物供应受限。

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结论与意义

本研究首次通过信号分解技术（VMD）揭示了秸秆还田下细沟侵蚀的多时间尺度滞后机制：

1. 秸秆形态调控侵蚀模式：长秸秆（3-6 cm）通过延长产流时间、阻滞泥沙输移，显著降低侵蚀量，而短秸秆（<3 cm）易导致早期泥沙爆发；
2. 滞后尺度效应：传统耕作下泥沙滞后于径流的规律，在秸秆还田后转变为多向滞后，高频分量（>0.3 min^?1）可捕捉因微地形扰动引发的复杂波动；
3. 水土保持启示：推荐采用长秸秆（3-6 cm）+高还田量（8000 kg ha^?1）组合，通过增强地表阻力与沉积物滞留能力优化坡耕地管理。

这项发表于《International Soil and Water Conservation Research》的研究，为农业非点源污染防控和坡耕地可持续利用提供了动力学新视角。未来需结合流域尺度验证秸秆空间分布对泥沙连通性（Sediment connectivity）的长期影响，进一步优化生态农业实践。