甘蔗種植配置模式對坡面溝蝕及土壤有機(jī)碳流失的影響研究

楊翠紅　周小淇　郭豪　王旭　吳宗猛　楊江怡　陳婷婷　李勇　黃智剛

摘要：坡面溝蝕引起泥沙及有機(jī)碳流失入河，導(dǎo)致土壤退化，造成農(nóng)田耕地質(zhì)量下降等一系列環(huán)境問題。探明甘蔗種植配置模式對坡面溝蝕及土壤有機(jī)碳流失的影響，對提升蔗區(qū)農(nóng)田耕地質(zhì)量具有重要意義。本研究在廣西甘蔗種植小流域，基于農(nóng)民甘蔗種植情況選擇了7種甘蔗種植配置模式處理，在不同甘蔗生長時(shí)期（苗期、分蘗期、伸長期和成熟期）進(jìn)行坡面侵蝕溝測量，同時(shí)分析有機(jī)碳流失及其影響因素。結(jié)果表明，7種配置模式中，宿根橫坡模式（PC）在不同甘蔗生長時(shí)期的溝蝕量與有機(jī)碳流失量最低，其溝蝕量與土壤有機(jī)碳流失量分別在2.6～15.6 t/hm2和 38.3～217.2 kg/hm2之間；新植順坡模式（RS）在不同甘蔗生長時(shí)期的溝蝕量與有機(jī)碳流失量均最大，其流失量分別在2.6～25.1 t/hm2和46.9～520.9 kg/hm2之間，比其他模式分別高了5.1%～142.9%和4.1%～144.1%。受不同配置模式的影響，在苗期與分蘗期，地面凋落物覆蓋度和甘蔗根系密度是影響溝蝕與土壤有機(jī)碳流失的重要因素。合理的甘蔗種植配置模式可以有效減少坡面溝蝕和土壤有機(jī)碳流失，提高農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量與經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞：甘蔗坡面；溝蝕；配置模式；不同生長時(shí)期；有機(jī)碳流失

中圖分類號：S157.2文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1002-1302（2023）14-0240-10

甘蔗是全球重要的糖料和能源作物，種植面積約為2 600萬hm2，蔗糖產(chǎn)量占全球食糖量的60%［1-2］。近年來，隨著糖類需求的增長，甘蔗種植規(guī)模不斷擴(kuò)大，種植區(qū)域逐漸從平原地區(qū)往山坡、林地?cái)U(kuò)展［3-4］。然而，甘蔗種植規(guī)模的擴(kuò)大破壞了原有森林草地等的土壤結(jié)構(gòu)，加劇了甘蔗種植區(qū)的土壤侵蝕強(qiáng)度，尤其是溝蝕的發(fā)生，嚴(yán)重影響了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)性［5-6］。且隨著甘蔗坡地種植規(guī)模的增大，土壤侵蝕也在增加［3，5］，土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量減少［7］，導(dǎo)致坡耕地生產(chǎn)力降低，造成大氣CO2濃度持續(xù)攀升［8-9］。侵蝕形成的細(xì)溝、淺溝會(huì)破壞土壤結(jié)構(gòu)，不僅會(huì)導(dǎo)致表層土壤流失，土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量減少，降低農(nóng)田耕地質(zhì)量和土地生產(chǎn)力［7-9］；還會(huì)連結(jié)成臨時(shí)水網(wǎng)，在降雨徑流的作用下加快侵蝕土壤及其攜帶養(yǎng)分的遷移速率［10］。溝蝕是坡地土壤侵蝕產(chǎn)沙的主要來源［11］。田磊研究發(fā)現(xiàn)，細(xì)溝侵蝕是黃土高原坡面侵蝕重要的形式之一，侵蝕量最高可占坡面土壤流失的90%［12］；Capra等研究發(fā)現(xiàn)，包括細(xì)溝、淺溝形成的短暫性溝蝕產(chǎn)沙量占土壤侵蝕產(chǎn)沙總量的20%～100%［13］。然而，鄭粉莉等研究認(rèn)為，淺溝侵蝕與短暫性溝蝕均屬溝蝕，其中淺溝由主細(xì)溝演變而來，并能發(fā)展為切溝，是一種溝渠發(fā)育的過渡狀態(tài)，在農(nóng)業(yè)耕作活動(dòng)中容易被填埋［14-15］。廣西作為我國最大的甘蔗生產(chǎn)基地，1985—2011年間土壤侵蝕面積增加了4.7%～21.3%［16-17］。該地區(qū)的甘蔗主要種植在地勢起伏較大的丘陵坡地上，且甘蔗種植期與雨季重疊，水土流失的風(fēng)險(xiǎn)較高［18］。莫雅棋對廣西客蘭水庫那辣流域坡面溝蝕的研究表明，溝蝕導(dǎo)致的泥沙養(yǎng)分流失入河是加劇廣西甘蔗種植小流域農(nóng)業(yè)面源污染的重要原因之一，合理的新植宿根比例可以有效減少坡面溝蝕的發(fā)生［5］。然而，廣西地區(qū)關(guān)于甘蔗種植對土壤侵蝕影響的研究較為匱乏，特別是土壤有機(jī)碳流失的相關(guān)研究。因此，進(jìn)一步探究甘蔗種植配置模式對坡面溝蝕及土壤有機(jī)碳流失的影響具有重要意義。

土壤性質(zhì)、地形、降雨、種植與管理模式以及植物特性是影響坡面溝蝕的重要因素。Thomaz等綜述巴西甘蔗土壤侵蝕狀況發(fā)現(xiàn)，沙壤土比黏土更易流失，其年平均流失量為23 t/hm2，占總土壤流失量的77%，土壤容重與滲透性影響侵蝕［19］。莫雅棋通過研究坡面新植與宿根甘蔗的空間分布對細(xì)溝侵蝕及養(yǎng)分流失的影響發(fā)現(xiàn)，新植甘蔗坡面年溝蝕量和有機(jī)碳流失量分別為43.20、0.73 t/hm2，比宿根甘蔗坡面分別高163.4%和179.5%；地面枯落物覆蓋度以及甘蔗根系是控制坡面細(xì)溝侵蝕的主要因子，坡長和坡度在很大程度上也會(huì)影響坡面溝蝕量［5］。楊任翔等基于徑流小區(qū)原位觀測的試驗(yàn)結(jié)果表明，橫坡種植比順坡種植的水土保持效果更好，強(qiáng)降雨（歷時(shí)長、雨強(qiáng)和雨量大）的雨型是導(dǎo)致水土流失的主要原因［20］。Abdalla等在南非徑流小區(qū)的試驗(yàn)結(jié)果顯示，水土流失與植被覆蓋呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系［21］，與Wang等基于7Be示蹤確定次降雨事件下廣西甘蔗種植坡面的研究結(jié)果［22］一致。因此，在自然降雨條件下，地形、坡面景觀結(jié)構(gòu)與土壤理化性質(zhì)相近時(shí)，調(diào)控甘蔗種植與管理模式已成為控制甘蔗坡面侵蝕的主要措施。然而，在實(shí)際生產(chǎn)過程中，缺乏甘蔗種植與管理對溝蝕影響的相關(guān)研究，尤其是關(guān)于不同甘蔗生長時(shí)期坡面溝蝕及其影響因素的研究。

因此，本研究以廣西客蘭水庫那辣小流域典型甘蔗種植坡面為研究對象，通過野外原位觀測試驗(yàn)，分析包括甘蔗種植模式（新植和宿根）、種植方向（等高和順坡）和種植坡位（上坡和下坡）耦合的配置模式對甘蔗種植坡面溝蝕的影響，旨在確定不同甘蔗生長時(shí)期（苗期、分蘗期、伸長期、成熟期）下，不同配置模式坡面的溝蝕量及有機(jī)碳流失量，明確不同生長時(shí)期影響坡面溝蝕的主要因素，為廣西甘蔗種植篩選出合適的配置模式，以減少坡面溝蝕及有機(jī)碳的流失，提高農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量與經(jīng)濟(jì)效益。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于廣西壯族自治區(qū)左江水系客蘭水庫水源區(qū)那辣流域（107°39′29″～107°40′17″E、22°20′36″～22°20′50″N，圖1）。屬南亞熱帶季風(fēng)氣候，光熱充足，雨熱同期，多年平均降水量約為 1 100 mm。流域面積1.2 km2，丘陵地貌，坡度在 0～35°之間；土壤類型為赤紅壤，土壤全氮、全磷及有機(jī)質(zhì)含量分別在0.9～1.6、0.5～0.8、17～28 g/kg之間。2017年底至2018年初，那辣流域田塊擴(kuò)增，甘蔗種植面積不斷擴(kuò)大，占比超過80%。流域內(nèi)甘蔗種植年限在3～4年，每年3—12月是甘蔗生長季，12月至次年3月是甘蔗砍收季。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本研究于2021年初在那辣流域甘蔗種植結(jié)束后，選擇包括2個(gè)坡位（上、下坡位）、2種種植模式（新植和宿根，分別記作R和P）和2個(gè)種植方向（等高種植和順坡種植，分別記作C和S）在內(nèi)的7種甘蔗種植配置模式典型坡面，分別為全坡新植的全坡順坡種植（RS）、 上坡等高種植（RC-RS）、下坡等高種植（RS-RC）和全坡等高種植（RC），全坡等高種植的上坡宿根種植（PC-RC）、下坡宿根種植（RC-PC）和全坡宿根種植（PC）。每個(gè)坡面劃分為3個(gè)面積相當(dāng)?shù)?個(gè)小區(qū)作為重復(fù)試驗(yàn)，共21個(gè)試驗(yàn)區(qū)，在試驗(yàn)區(qū)的邊界點(diǎn)插旗標(biāo)記并記錄全球定位系統(tǒng)（GPS）信息。試驗(yàn)坡面特征詳見表1。

1.3 溝蝕測量及樣品采集與分析

本試驗(yàn)在甘蔗種植后立即進(jìn)行坡面初始侵蝕狀況測量，而后在甘蔗生長的4個(gè)時(shí)期末期對坡面溝蝕進(jìn)行測量與采樣，一個(gè)時(shí)期的末期溝蝕量減去其初期溝蝕量即為該時(shí)期的溝蝕量。甘蔗生長時(shí)期劃分與降水量見表2。

1.3.1 侵蝕溝測量

首先確定侵蝕溝起點(diǎn)，然后用卷尺沿著侵蝕溝走向測定溝長，每間隔2～5 m測量1次侵蝕溝的溝寬、溝深，同時(shí)用GPS定位記錄侵蝕溝分布位置，確定每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)的侵蝕溝數(shù)量。侵蝕溝體積計(jì)算如下［5］：

式中：V為侵蝕溝的體積，m3；n為侵蝕溝的數(shù)量，條；twi為第i條溝截面的上部寬度，m；bwi為第i條溝截面的下部寬度，m；di是第i條溝截面的高度，m；li是第i條侵蝕溝的長度，m。

1.3.2 土樣采集與測定

在每條侵蝕溝的溝頭、中部以及溝尾的溝壁處用環(huán)刀法分別采集2個(gè)土壤樣品，分別用于測定土壤容重和土壤有機(jī)碳含量。其中，土壤容重以烘干稱質(zhì)量法測定，用重鉻酸鉀容量法測定土壤有機(jī)碳含量［23］。

1.3.3 坡面溝蝕及有機(jī)碳流失

坡面溝蝕量計(jì)算公式如下［5］：

式中：EG為坡面溝蝕量，t/hm2；Vi為坡面第i條侵蝕溝的體積，m3；BDi為第i條侵蝕溝的土壤容重，g/cm3；Ax是第x個(gè)試驗(yàn)區(qū)的面積，hm2。

土壤有機(jī)碳流失量計(jì)算公式如下：

式中：OC為坡面溝蝕導(dǎo)致的有機(jī)碳流失量，kg/hm2；OCi為坡面第i條侵蝕溝的土壤有機(jī)碳含量，g/kg。

1.3.4 地面凋落物覆蓋度

以樣帶法測量甘蔗地面凋落物覆蓋度（Glc）［5］。在試驗(yàn)區(qū)的每個(gè)半坡按上、中、下采集單位面積樣帶內(nèi)的甘蔗枯葉等凋落物，稱鮮質(zhì)量后取0.5 kg鮮樣經(jīng)烘箱干燥后，記錄干質(zhì)量。地面凋落物覆蓋度計(jì)算公式如下：

式中：Glc為試驗(yàn)區(qū)的地面凋落物覆蓋度，kg/m2；dri為坡面第i個(gè)單位面積上的凋落物干質(zhì)量，kg；fri為坡面第i個(gè)單位面積上的凋落物鮮質(zhì)量，kg。

1.3.5 甘蔗根系密度

參考Li 等的方法［3］，采集、測定甘蔗根系密度。具體采樣與處理步驟為：利用荷蘭根鉆（高15 cm、直徑10 cm）在距甘蔗稈5 cm處分2次采集0～30 cm深度中的甘蔗根系樣品。在試驗(yàn)區(qū)的每個(gè)半坡按上、中、下采集樣品，每個(gè)時(shí)期采集126個(gè)樣品。通過濕篩法獲取甘蔗根系，烘干稱質(zhì)量。

甘蔗根系密度計(jì)算公式為

式中：Rd為試驗(yàn)區(qū)的甘蔗根系密度，mg/dm3；Rwi為第i個(gè)坡面甘蔗根系的干質(zhì)量，mg；r為根鉆的底面半徑，取值為0.5 dm；h為取樣深度，取值為3 dm；π取3.14。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

本研究數(shù)據(jù)處理在Excel 2019中完成，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析在SPSS 25.0中完成，通過ArcMap 10.3以及Origin 2018進(jìn)行繪圖。采用單因素方差分析（ANOVA）在α=0.05水平對不同的配置模式溝蝕特征、溝蝕量及有機(jī)碳流失量進(jìn)行顯著性比較；通過獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)比較不同種植模式、方向和坡位的溝蝕量差異；通過Pearson雙變量相關(guān)分析法，分別建立溝蝕量與地面凋落物覆蓋度、甘蔗根系密度之間的相關(guān)關(guān)系。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同甘蔗種植配置模式在各生長時(shí)期中的坡面侵蝕溝特征

由表3可知，不同配置模式苗期溝數(shù)在8～16條之間，新植蔗坡溝體回填后，分蘗期產(chǎn)生新溝 6～11條，此后2個(gè)時(shí)期溝數(shù)增加1～2條；宿根坡地4個(gè)時(shí)期間溝數(shù)變化不大。

將每個(gè)全坡面區(qū)分出上坡和下坡，研究其溝體積與溝密度。苗期的平均溝體積在4.4×105～8.0×105 cm3之間，但各配置模式之間的溝體積差異不顯著。新植甘蔗坡面填埋侵蝕溝后產(chǎn)生的新生溝平均體積小于苗期，分蘗期后侵蝕溝體積則隨甘蔗生長時(shí)期遞進(jìn)而增大?；靥詈?，分蘗期時(shí)，新植坡面新產(chǎn)生的侵蝕溝平均體積在3.3×105～4.8×105 cm3，小于宿根坡面的溝體積（5.1×105～8.5×105 cm3）；隨著甘蔗生長時(shí)期的推進(jìn)，溝體積逐漸增大，成熟期時(shí)，新植坡面平均溝體積為3.9×105～7.9×105 cm3，宿根坡面平均溝體積為5.2×105～9.8×105 cm3。

整個(gè)生長期，全坡新植順坡模式（RS）下坡的平均溝密度大于其上坡及全坡宿根等高模式（PC），而PC的上、下坡溝密度無顯著差異。宿根甘蔗種植坡面的平均溝密度在整個(gè)生長期內(nèi)變化不大，平均溝密度在2.6～5.1 cm/m2之間。苗期各配置模式下全坡新植RC-RS、RS-RC、RC的下坡溝密度大于其上坡及宿根坡面，而分蘗期RC-PC全坡的下坡面溝密度大于上坡。在分蘗期到伸長期期間，新植坡面的平均溝密度變化比宿根坡面大，而到成熟期平均溝密度則不再變化。在成熟期，RS下坡溝密度最大，為7.7 cm/m2，顯著大于其他坡面；PC上坡溝密度最小，為2.3 cm/m2，而其他坡面溝密度為 2.8～4.8 cm/m2。

2.2 不同甘蔗種植配置模式坡面溝蝕量與有機(jī)碳流失量

不同配置模式在不同生長期的坡面溝蝕量與有機(jī)碳流失量如圖2、圖3所示。結(jié)果顯示，坡面溝蝕量隨生長期遞進(jìn)而逐漸減少，有機(jī)碳流失量與溝蝕量變化趨勢相同。苗期為溝蝕產(chǎn)生及有機(jī)碳流失的主要時(shí)期，溝蝕量為15.6～35.1 t/hm2，占全生長期總溝蝕量的50.0%～53.9%。分蘗期與伸長期溝蝕量相近，兩者共占總溝蝕量的40.0%左右。成熟期的溝蝕量最小，僅為總溝蝕量的5.1%～8.4%。

苗期各配置模式侵蝕量大小排序?yàn)镽S>RC-RS>RS-RC>RC>RC-PC>PC-RC>PC。全坡新植RS、RC-RS、RS-RC和RC這4個(gè)配置模式間，只有RS的溝蝕量顯著高于RC；全坡面進(jìn)行等高種植的情況下，相較于全坡新植RC，全坡宿根PC的溝蝕量顯著降低；全坡新植且半坡等高RC-RS、RS-RC的溝蝕量明顯比半坡新植且全坡等高 RC-PC、PC-RC 劇烈。全坡宿根且等高種植時(shí)，溝蝕量與養(yǎng)分流失最少，溝蝕量為15.6 t/hm2，是其他模式的44.6%～88.7%，顯著低于除RC-PC、PC-RC 模式外的其他配置模式，其OC流失量為217.2 kg/hm2。分蘗期時(shí)，溝蝕量最大的全坡新植順坡RS溝蝕量為16.1 t/hm2；全坡新植且含順坡的RS、RC-RS、RS-RC的溝蝕量顯著高于全坡等高并含宿根的配置PC-RC、PC，是其1.8～2.4倍，宿根程度越高其與RS差異越大。分蘗期時(shí)全坡新植的坡面RS、RC-RS、RS-RC、RC的溝蝕量關(guān)系與苗期相同；有機(jī)碳流失量趨勢與溝蝕量趨勢完全一致，RS坡面OC流失量為243.3 kg/hm2。伸長期時(shí)，全坡新植的全坡順坡RS、上坡順坡RS-RC的溝蝕量顯著大于全坡宿根等高PC；RS的溝蝕量和有機(jī)碳流失量最大，分別為11.7 t/hm2和 189.1 kg/hm2。其他配置模式的溝蝕量和有機(jī)碳流失量分別是RS的54.5%～85.9%和51.8%～82.1%。在成熟期，各個(gè)配置模式之間的溝蝕量與有機(jī)碳流失量無顯著差異。溝蝕量范圍在2.6～3.4 t/hm2之間，有機(jī)碳流失量在37.4～46.9 kg/hm2之間。

由表4可知，甘蔗生長期內(nèi)，不同配置模式坡面溝蝕量與有機(jī)碳流失量情況不同。各配置模式溝蝕量為31.2～66.3 t/hm2，不同配置模式坡面溝蝕量排序?yàn)镽S＞RC-RS＞RS-RC＞RC＞RC-PC＞PC-RC＞PC。新植坡面中，半坡順坡RC-RS、RS-RC 的溝蝕量差異不顯著；等高線種植時(shí)，全坡新植RC和上坡新植RC-PC的溝蝕量大小接近；和PC相比，下坡新植PC-RC并沒有顯著增加溝蝕量，其余配置之間均存在明顯差異。全坡新植順坡RS的溝蝕量最大，為66.3 t/hm2，是其他配置模式的 1.2～2.1倍，其OC流失量則達(dá)到了1 000.1 kg/hm2。

2.3 甘蔗種植配置模式對坡面溝蝕及有機(jī)碳流失的影響

如圖4所示，苗期和分蘗期時(shí)，新植坡面溝蝕總量和OC流失總量顯著高于宿根坡面（P<0.05）；苗期新植坡面溝蝕量及有機(jī)碳流失量分別為 29.2 t/hm2、382.8 kg/hm2，分蘗期新植坡面溝蝕量及有機(jī)碳流失量分別為12.1 t/hm2、179.7 kg/hm2；苗期時(shí)宿根坡面溝蝕量與有機(jī)碳流失量是新植的54.1%～58.1%，而分蘗期這個(gè)比例達(dá)到63.8%～67.2%；其他2個(gè)時(shí)期時(shí)，不同模式之間溝蝕量及有機(jī)碳流失量無顯著差異。

如圖5所示，順坡種植的坡面苗期、分蘗期、伸長期溝蝕量分別是34.0、15.0、11.7 t/hm2，顯著高于等高種植坡面溝蝕量（苗期21.9 t/hm2、分蘗期9.1 t/hm2、伸長期7.4 t/hm2）。有機(jī)碳流失量與溝蝕量的趨勢一致，苗期有機(jī)碳流失量為 477.7 kg/hm2、分蘗期為224.1 kg/hm2、伸長期為188.4 kg/hm2，均為同時(shí)期等高坡面的1.7倍。成熟期時(shí)，不同種植方向?qū)衔g量及有機(jī)碳流失量無顯著影響。

如圖6所示，苗期和伸長期時(shí)，上、下2個(gè)坡位間的溝蝕量和有機(jī)碳流失量無顯著差異。分蘗期和成熟期時(shí)，上坡的溝蝕量分別為8.8、2.6 t/hm2，顯著低于下坡的溝蝕量（分蘗期12.8 t/hm2、成熟期3.5 t/hm2）。分蘗期時(shí)，上坡有機(jī)碳流失量為 134.1 kg/hm2，比下坡低30.0%；成熟期時(shí)，上坡有機(jī)碳流失量是34.9 kg/hm2，比下坡低28.7%。

3 討論

侵蝕溝特征變化是溝蝕程度的直觀表征。本研究中，宿根坡面4個(gè)時(shí)期間的平均溝數(shù)變化不大，侵蝕溝數(shù)增加主要集中在苗期，分蘗期后溝數(shù)基本穩(wěn)定不變；平均溝體積隨時(shí)期推進(jìn)而緩慢增加，但平均溝密度則呈現(xiàn)出先增加再減小的趨勢。新植坡面中，侵蝕溝的數(shù)量、體積和溝密度在苗期達(dá)到最大，此后呈先減小再增大的趨勢，在成熟期達(dá)到與苗期侵蝕溝相近的溝體積與溝密度。這可能與農(nóng)民在苗期降雨結(jié)束后會(huì)填埋侵蝕溝，并進(jìn)行培土起壟等措施有關(guān)，人為填埋會(huì)導(dǎo)致分蘗期時(shí)溝數(shù)量、體積與密度較小［5］。分蘗期后，新植坡面產(chǎn)生大量新溝，新產(chǎn)生的侵蝕溝數(shù)量隨甘蔗生長期變化無明顯增長，但侵蝕溝體積在降雨徑流的作用下迅速擴(kuò)張，這可能與土壤質(zhì)地有關(guān)，新植坡面的土壤質(zhì)地疏松，容重較小，易被降雨徑流沖刷［3］。整體而言，新植坡面的溝數(shù)量、溝密度比宿根坡面大，這與莫雅棋的研究結(jié)果［5］一致；兩者的溝體積在苗期無差異，但新植坡面的溝體積在分蘗期、伸長期和成熟期小于宿根坡面，這是由于苗期、分蘗期交替之際，農(nóng)民在新植蔗地對侵蝕溝進(jìn)行過1次填埋，但已形成的淺溝、細(xì)溝很難通過1次填埋措施消除，恢復(fù)平坦坡面［3，10，14］。

本研究中，不同配置模式坡面的溝蝕量與有機(jī)碳流失量趨勢一致，二者隨甘蔗種植時(shí)期、種植模式變化而變化。苗期是溝蝕與有機(jī)碳流失發(fā)生的主要時(shí)期，分蘗期和伸長期次之，成熟期最少；這與Li等在該流域監(jiān)測的不同甘蔗生長時(shí)間的泥沙入河負(fù)荷趨勢基本一致（初夏：27.3%；晚夏：34.1%；初秋：37.5%；晚秋：1.1%）［24］。RC的坡面溝蝕量和有機(jī)碳流失量比PC分別高了42.3%和33.7%，說明新植甘蔗坡面的溝蝕量和有機(jī)碳流失量顯著大于宿根甘蔗坡面，這與Li等在該流域中的研究結(jié)果［3，22］相似。研究表明，植被在侵蝕過程中發(fā)揮著重要作用，而土壤有機(jī)碳流失與侵蝕呈正相關(guān)關(guān)系［8，25］。一方面，植被覆蓋可以在土壤表面形成有效保護(hù)層，避免雨滴與土壤的直接接觸，削弱地表雨滴濺蝕、截?cái)鄰搅鳎璧K和攔截侵蝕泥沙和表層土壤有機(jī)碳流失以達(dá)到水土保持的目的［3，5，22］；另一方面，植物通過根系固持土壤顆粒，增加土壤入滲能力、穩(wěn)定土壤結(jié)構(gòu)，提高土壤抗沖性［3，5，25］。本研究中，坡面溝蝕量與凋落物覆蓋度、根系密度回歸分析結(jié)果（圖7、圖8）顯示，苗期、分蘗期的甘蔗地面凋落物覆蓋度、根系密度與坡面溝蝕量呈顯著負(fù)相關(guān)（P<0.01），地面凋落物覆蓋度及根系密度越大，坡面溝蝕量越小；而伸長期和成熟期的地面凋落物覆蓋度與根系密度對不同配置的坡面溝蝕量無影響。甘蔗新植時(shí)，焚燒枯葉及翻耕等活動(dòng)會(huì)極大地降低新植甘蔗坡面的地面凋落物覆蓋度，因此苗期及分蘗期時(shí)新植甘蔗坡面抵抗雨滴濺蝕和徑流沖刷的能力較差；而宿根甘蔗坡面在甘蔗收獲后采取免耕措施，地面枯落物覆蓋度較高，表層土壤有機(jī)碳含量也比新植坡面高，土壤穩(wěn)定性較強(qiáng)，降雨徑流剝離土壤的能力較弱［3，5，22］。此外，苗期和分蘗期新植甘蔗坡面的甘蔗根系發(fā)育程度與宿根坡面相比較差，土壤抗沖性較弱，因此，苗期和分蘗期時(shí)坡面溝蝕劇烈。新植坡面溝蝕量在苗期時(shí)是宿根坡面的1.9 倍，在分蘗期時(shí)則減小到1.5 倍，這可能與甘蔗分蘗率有關(guān)。郭豪通過分析甘蔗不同播期的生長狀況發(fā)現(xiàn)，甘蔗的出芽率、分蘗率以及植被覆蓋度均會(huì)隨著甘蔗播期推遲而降低［26］，而本研究中宿根坡面的甘蔗分蘗率較低，低分蘗率可以降低覆蓋度、增加溝蝕量和有機(jī)碳流失量，這在一定程度上抵消了新植與宿根坡面的溝蝕量差異。隨著甘蔗進(jìn)入伸長期與成熟期后，地面枯落物覆蓋度與甘蔗根系對溝蝕量無顯著影響。這可能是進(jìn)入伸長期后，甘蔗葉片增多，根系發(fā)育完全，植物冠層增大，截留、再分配降雨，此時(shí)植物冠層已成為影響溝蝕與土壤有機(jī)碳流失的主要因素［8，27］。這種影響在新植和宿根坡面中差異不大，巨大的生長量使得新植和宿根甘蔗在緩沖、截留與吸納雨水上的差距消失，從而導(dǎo)致伸長期與成熟期的坡面溝蝕量較小，且在新植和宿根坡面中無差異。

此外，種植方向與坡位對坡面溝蝕量和有機(jī)碳流失量也有影響。本研究中，RS與RC坡面的溝蝕量和有機(jī)碳流失量結(jié)果表明，等高種植可以有效降低坡面溝蝕和有機(jī)碳流失，這與楊任翔等的研究結(jié)果［20］一致，這可能是由于順坡種植匯水能力強(qiáng)、坡面徑流速度大，容易造成溝蝕［28］；而等高種植可以截?cái)嗟乇韽搅?，削弱地形地勢的影響，減少溝蝕［29-30］。而RC-RS、RS-RC溝蝕量和有機(jī)碳流失量均無顯著差異，說明坡位對等高種植減少二者發(fā)生的效果無影響，這可能與劉冉等綜述提出的徑流、侵蝕量與坡長呈正相關(guān)關(guān)系會(huì)導(dǎo)致水流中泥沙含量增加，但同時(shí)會(huì)導(dǎo)致徑流侵蝕能力減弱，二者相互消長，不同坡位間的侵蝕量無差異［31］有關(guān)。PC坡面溝蝕量顯著低于RC-PC坡面，但有機(jī)碳流失量之間無顯著差異；此外，PC坡面溝蝕量和有機(jī)碳流失量與PC-RC坡面相比均無差異，說明在全坡等高種植的情況下，坡下部新植甘蔗不會(huì)顯著增加溝蝕量和有機(jī)碳流失量，這可能是由于坡上部的宿根甘蔗根系發(fā)達(dá)，土壤入滲能力較強(qiáng)［3，5］；地表凋落物較大，對降雨徑流有較好的攔截吸納作用，匯集到下坡的徑流較少，對下坡土壤的沖刷能力較弱［3，22，31］。然而，等高種植本質(zhì)上是一種人為短暫改變地表微地形的耕作手段，容易受外力影響［30］。等高種植在苗期、分蘗期與伸長期時(shí)可顯著降低溝蝕量和有機(jī)碳流失量，但成熟期無影響；這可能是因?yàn)槊缙谥辽扉L期時(shí)農(nóng)民會(huì)在等高種植過程中田間培土，并形成壟，截?cái)鄰搅鞑⑹蛊湓趬砰g匯集，減少溝蝕。成熟期時(shí)，等高行在經(jīng)歷了前3個(gè)時(shí)期大量的雨水沖刷后，地表糙度降低，等高種植的培土行被搬運(yùn)填平，坡面趨于平整，失去等高行攔截的徑流不斷向坡下部匯集，造成了等高種植與順坡種植坡面溝蝕量相近、下坡溝蝕強(qiáng)于上坡［31-32］。

4 結(jié)論

本研究探究了甘蔗種植配置模式對不同甘蔗生長時(shí)期坡面溝蝕量及土壤有機(jī)碳流失量的影響，確定了不同甘蔗生長時(shí)期影響溝蝕和土壤有機(jī)碳流失的主要因素。種植模式（新植、宿根）、種植方向（順坡、等高）、種植坡位（上坡、下坡）這3種配置模式的坡面溝蝕量與有機(jī)碳流失量相關(guān)具體研究結(jié)果如下。

（1）不同配置模式全生長期溝蝕總量大小排序?yàn)镽S>RC-RS>RS-RC>RC>RC-PC>PC-RC>PC。

（2）坡面溝蝕量與有機(jī)碳流失量呈顯著正相關(guān)，且不同配置模式的溝蝕量與有機(jī)碳流失量大小排序依次為苗期、分蘗期、伸長期、成熟期。

（3）順坡種植甘蔗和新植活動(dòng)會(huì)導(dǎo)致劇烈溝蝕，但在新植坡面進(jìn)行半個(gè)坡面的等高種植可以有效降低當(dāng)年新植坡面土壤溝蝕和有機(jī)碳流失的風(fēng)險(xiǎn)，等高種植面積越大坡面溝蝕量和有機(jī)碳流失量越少。

（4）全坡等高宿根的坡面進(jìn)行新植活動(dòng)時(shí)，選擇坡下部進(jìn)行新植甘蔗不會(huì)顯著增加次年溝蝕量。

（5）種植模式、種植方向、種植坡位在不同甘蔗生長時(shí)期對坡面溝蝕的控制效果不同，苗期的坡面溝蝕量主要由新植和順坡的坡面貢獻(xiàn)；分蘗期時(shí)坡面受到種植模式、種植方向、種植坡位3種因素共同影響；伸長期，不同坡面溝蝕量的減少可以歸功于等高種植；成熟期時(shí)，坡位顯著影響了溝蝕發(fā)生，上坡面溝蝕量比下坡面小。

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收稿日期：2022-08-30

基金項(xiàng)目：廣西科技重大專項(xiàng)（編號：桂科 AA17202005-1）；廣西科技基地和人才專項(xiàng) （編號：桂科 AD17195098）；廣西自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目（編號：2018JJD150014）。

作者簡介：楊翠紅（1999—），女，廣西貴港人，碩士研究生，主要從事土壤侵蝕與碳循環(huán)研究。E-mail：369309839@qq.com。

通信作者：黃智剛，博士，副教授，主要從事土壤侵蝕與農(nóng)業(yè)面源污染方面研究。E-mail：hzg@gxu.edu.cn。