青贮玉米间作大豆合理密植对红壤坡耕地水土流失的影响

Effects of rational close planting of silage corn-soybean intercropping on soil erosion in red soil sloping farmland

摘要

目的 探究坡耕地不同密度青贮玉米间作大豆的水土流失规律，为推广具有较好水土保持效果的青贮玉米间作大豆合理密植模式提供科学依据。 方法 以青贮玉米||大豆2∶3模式（2行玉米间作3行大豆）为研究对象，设置坡度（10°，15°，20°）和降雨强度（40，80，120 mm/h），通过人工模拟降雨试验，设置T₁—T₅共5个玉米间作密度处理（52 500，60 000，67 500，75 000，82 500株／hm²），大豆间作密度固定为180 000株／hm²，并设置T₆（高密度玉米单作82 500株／hm²）、T₇（常规玉米单作67 500株／hm²）、T₈处理（大豆单作300 000株／hm²）为对照。 结果 与T₁，T₂，T₄—T₈处理相比，T₃处理的地表径流量平均减少59.31%，43.67%，20.57%，15%，40.95%，62.01%和16.4%；侵蚀量平均减少61.52%，50.73%，27.1%，17.62%，43.48%，66.22%和8.47%。根据PLS-SEM结构模型图可知，坡度和入渗时间呈极显著负相关（p<0.01），和侵蚀量呈极显著正相关（p<0.01），坡度、雨强和径流量均主要通过直接效应来加剧土壤侵蚀，入渗时间主要通过间接效应来增大侵蚀；且在低雨强缓坡条件下，大豆单作模式（T₈）表现出更优的水土保持效果。 结论 玉米间作密度为67 500株/hm²时，在不同雨强和坡度下均展现出良好的水土保持效果，是一种适合山区坡耕地的作物多样性种植模式。

Abstract

Objective This study investigates soil erosion pattern in silage corn-soybean intercropping systems under varying planting densities on sloping farmland， aiming to provide a scientific basis for promoting rational close planting intercropping models with enhanced soil and water conservation efficacy. Methods Using a 2∶3 silage corn-soybean intercropping pattern （two corn rows intercropped with three soybean rows）， simulated rainfall experiments were conducted across slope gradients （10°， 15°， 20°） and rainfall intensities （40， 80， 120 mm/h）. Five corn intercropping density treatments （T₁—T₅： 52 500， 60 000， 67 500， 75 000， 82 500 plants per hectare） were established， with soybean density being fixed at 180 000 plants per hectare. Control groups included T₆ （corn monoculture， high density： 82 500 plants per hectare）， T₇ （corn monoculture， conventional density： 67 500 plants per hectare）， and T₈ （soybean monoculture： 300 000 plants per hectare）. Results Compared with treatments T₁， T₂， and T₄—T₈， T₃ demonstrated average reductions in surface runoff volume of 59.31%， 43.67%， 20.57%， 15.00%， 40.95%， 62.01%， and 16.40%， and in soil erosion of 61.52%， 50.73%， 27.10%， 17.62%， 43.48%， 66.22%， and 8.47%， respectively. The PLS-SEM structural model revealed that slope gradient exhibited a highly significant negative correlation with infiltration time （p<0.01） while showing a highly significant positive correlation with soil erosion （p<0.01）. Slope gradient， rainfall intensity， and runoff volume primarily aggravated soil erosion through direct effects， whereas infiltration time increased erosion mainly via indirect effects. Furthermore， under conditions of low rainfall intensity and gentle slopes， the soybean monoculture system （T₈） demonstrated superior soil and water conservation performance. Conclusion In summary， at a corn intercropping density of 67 500 plants per hectare， this system demonstrates effective soil and water conservation across varying rainfall intensities and slope gradients， making it a suitable diversified cropping model for sloping farmland in mountainous areas.

Graphical abstract

关键词

合理密植 / 水土流失 / 坡耕地 / 间作

Key words

rational close planting / soil erosion / sloping farmland / intercropping

我国耕地中山丘坡耕地面积2 400万hm²，占全国耕地总面积的19.7%^［1］，云南省以山地高原地形为主，山地高原面积占全省国土总面积约94%^［2］，云南省820.22万hm²耕地里，661.19万hm²为坡耕地，占比约80.61%，这使得全省耕地质量难以达到理想状态，随着坡耕地利用强度加大、化肥施用量增加，由农业活动引起的水土流失问题逐渐受到人们的普遍关注^［3］。水流的持续作用会引发土壤侵蚀、搬运与沉积的一系列连锁反应，这便是水土流失现象。当前，全球超七成的国家和地区正遭受水土流失与土地荒漠化的双重威胁。在广袤的1.49亿km²陆地版图中，水土流失区域占比高达30%，每年约有250亿t富含肥力的表层土壤流失^［4］，聚焦我国云南省，水土流失状况同样不容乐观。该省水土流失面积达14.13万km²，占全省国土总面积的36.9%。在每年5.1亿t的水土流失总量里，坡耕地贡献的土壤侵蚀量占比高达40%^［5］。从侵蚀类型来看，耕作侵蚀与水力侵蚀是土壤侵蚀的两大 “主因”，二者造成的破坏程度难分伯仲，对土壤资源与生态系统稳定带来严重挑战^［6］。在南方红壤分布区域，水热条件优越，但降水集中且强度大，再加上土层浅薄、地形复杂多山，同时频繁的人类活动进一步干扰生态平衡，多重因素叠加使得土壤侵蚀问题突出，土地退化严重，其危害程度在国内仅次于黄土高原地区，成为亟待解决的生态治理难题^［7］。国内外研究表明，农田土壤水土流失取决于降雨情况、施肥状况、坡度、作物覆盖度、土壤条件及人为管理措施等多种因素^［8］。而坡耕地作为我国高原山区农业重要的土地资源，其水土资源的流失不断加剧，需要从耕作栽培技术等多方面采取措施改善坡耕地水土保持能力。间作作为一种重要的多样性种植模式，若从作物产量、品质以及水土保持效益等方面考量，其在坡耕地的生产应用中会展现出较大的发展潜力。

间作是一种利用广泛的农业生态系统，在控制耕地土壤侵蚀中发挥着重要作用，前人研究证实，间作能够减少地表径流量和土壤侵蚀量^［9］，显著提高水土保持能力，除减少土壤侵蚀量之外，间作种植还能减少泥沙中包括N， P， K和有机碳等的养分含量，从而减少养分流失，降低面源污染发生的风险^［10］。此外已有研究表明，叶面积指数与径流和土壤侵蚀呈负相关^［11］，通过将玉米与豆科作物进行间作种植，能够有效提升土壤表层的植被覆盖程度，可显著延长雨水下渗的时间，减缓地表径流速度，从而极大地降低坡耕地发生水土流失的可能性，间作已成为应对坡耕地水土流失问题、维系生态稳定的关键举措之一^［12］。长期以来，大量研究围绕地上和地下部空间探索间作对土壤侵蚀的影响及调控作用。在地上部分，随着玉米与大豆形成的复合冠层覆盖率增加，地表受降雨冲刷强度减弱，土壤中的泥沙与养分流失量显著降低^［13］，且更高的植被覆盖率能够稳固土壤结构，减少孔隙堵塞，为降水入渗创造有利条件，提升土壤的水分渗透效率^［14］。地上部枝叶的存在形成立体防护层，在雨滴降落过程中通过空气摩擦、枝叶拦截等方式消耗其动能，极大减弱雨滴对土壤的冲击破坏；在地下层面，间作系统中作物根系对土壤侵蚀的调控作用同样关键，如改变根系的空间分布格局、提升根系密集程度，以及优化根系形态和结构^［15］。根据Kumar等^［16］研究成果，豆科植物的微生物生物量存在明显的根部聚集特性，能够更有效地提升土壤中水稳性团聚体的数量，相比非豆科植物具备更强的土壤改良能力，从而减少水土流失。根系的改变使得更多降雨得以渗入土壤，减少地表径流产生，从而增强土壤抗侵蚀能力。然而，作物种植密度对坡耕地水土流失也能带来很大影响，王安^［17］通过人工降雨保护性耕作水土保持研究发现玉米种植密度由39 000~78 000株/hm²递增，初始产流减慢，产流产沙量减少，小麦高留茬下，玉米种植密度为78 000株/hm²时，地表径流的产生最慢，产流产沙量最少；朱上卿^［18］在坡耕地上通过玉米和马铃薯4∶4间作，设置了玉米间作密度梯度为48 000~81 000株/hm²，发现玉米间作密度在63 000株/hm²下水土流失较少，且产量达到最大；此外，张晓云等^［19］通过玉米间作马铃薯，得出多样性种植群体中植被层化过程不仅提高了覆盖度，还可以通过各层间彼此的耦合来实现水土流失的控制；李海等^［20］通过坡耕地玉米间作大豆行比配置研究发现：玉米间作大豆较大豆、玉米单作水土保持效果更好。与单作相比，玉米大豆间作在冠层空间布局和土壤根系分布上更具优势，通过合理调控种植密度，间作系统能够从多个层面有效遏制水土流失。

国内外研究探讨不同密度玉米||马铃薯和不同密度玉米单作，以及玉米和小麦、大豆等间作下相关水土流失特征，且证明间作种植模式比单作及裸地的地表径流量、养分流失量均有所降低，然而对不同密度青贮玉米2∶3间作大豆种植模式下的水土流失规律尚不清楚，本研究突破传统单作密度研究框架，首创“密度—间作—地形—降雨”四维耦合的试验体系，解析作物配置对坡耕地水土过程的调控规律”。为此，本研究聚焦于探究不同种植密度的青贮玉米与大豆间作组合，在多样坡度与降雨强度条件下的水土保持效果。以期为山区坡耕地具有较好水土保持效果的青贮玉米间作大豆合理密植模式推广利用提供技术途径和理论参考，促进云南山区农业可持续发展。

1 材料与方法

1.1 试验地点

研究试验于云南农业大学节水灌溉中心实施，所采用的技术方法为微型径流小区技术，所使用的小区载体为自行设计的钢制槽体，其规格参数为长度160 cm、宽度80 cm、深度30 cm，且具备0°~24°的坡度调节功能。在钢槽结构设计上，在槽体下端上方及底部位置分别布设导流管道，用于同步收集地表径流、土壤侵蚀量及水分入渗量。在大田试验区域旁采集种植作物超10年的耕作层（0—20 cm）土壤，经10 mm筛网过筛后，将过筛土壤按5 cm厚度分层填入微型径流小区，使每个小区土壤容重控制在1.10~1.20 g/cm³且保持基本一致。小区底部铺设纱布，以增强土壤水分渗透性。降雨设备采用南京南林电子科技有限公司生产的HQJY型下喷式人工模拟降雨装置，其雨强调节范围为15~150 mm/h，降雨喷头安装高度设定为9 m，降雨均匀系数达85%以上，降雨有效面积为6m×8m。

土壤类型为酸性红壤，其pH值为6.41，土壤有机质含量34.37 g/kg，碱解氮102.85 mg/kg，速效磷20.27 mg/kg，速效钾91.37 mg/kg。试验地区2024年月平均降雨量151.22 mm，月均气温16.96 ℃。

1.2 试验设计

供试玉米品种为 “金耕28”，大豆品种为 “云黄13”。试验采用随机区组设计，在室内利用钢槽开展人工模拟降雨试验，所有试验均设置为玉米||大豆2∶3间作模式。共设8个处理，具体处理见表1。

模拟降雨试验于2024年9月10日至9月17日开展（此时正值玉米乳熟期、大豆鼓粒期，地表覆盖度较高）。参考当地坡耕地坡度范围，将试验坡度设定为10°，15°，20°3个梯度；依据当地降雨特征，设置40 mm/h，80 mm/h，120 mm/h共3种降雨强度进行人工模拟降雨。每次降雨重复3次，总共24个小区，共进行27次降雨，单次降雨历时为30 min。

此外，在降雨试验前24 h，统一采用40 mm/h雨强预降雨1h，以确保各径流钢槽内的土壤含水量保持一致。

1.3 种植规格及田间管理

播种时，玉米和大豆分别播种3粒和4粒，待幼苗整齐长出后，将每穴玉米间苗至1株，大豆间苗至2株，种植规格遵循当地常规标准。玉米与大豆于5月19日同时播种，均采用挖沟条播方式，其中玉米播种深度控制在5 cm，大豆播种深4 cm。施肥方面，玉米施600 kg/hm²复合肥（氮磷钾比例15∶15∶15）作底肥，225 kg尿素作苗肥，在大喇叭口期再追施375 kg尿素；大豆施450 kg/hm²复合肥作为基肥。玉米和大豆的种肥施肥深度为5~7 cm，追肥深度为6~8 cm，均在种子或植株侧下方5~7 cm处施入。基肥方面，每个小区平均施用143.99 g复合肥；苗肥阶段，每个小区平均追施37.18 g尿素；大喇叭口期，每个小区平均追施61.78 g尿素。在作物整个生长周期内，各处理组在浇水、除草、培土以及病虫害防治等田间管理措施上保持一致，确保试验条件的统一性。

1.4 测定指标与方法

1.4.1 地表径流及入渗流产生时间测定

模拟降雨试验降雨开始后用秒表记录地表径流和入渗流产生时间，单位以s表示。

1.4.2 地表径流量、入渗量及土壤侵蚀量测定

当人工模拟降雨试验结束后，采用精度达0.1 cm的直尺，对径流及入渗流收集桶内水体深度 h（cm）进行测定，依据圆台体积计算公式，推导出各处理的径流量（V_R ）和下渗流量（V_S ）的计算公式，测定并计算不同试验处理条件下的地表径流与土壤下渗水量，最终数据以m³/hm²作为标准计量单位进行记录。完成径流和下渗流水深测量后，将桶内径流充分搅拌均匀，分上、中、下三层共采集250 ml水样进行沉淀处理。过滤后，在105 ℃条件下烘干至恒重（滤纸质量为1.50 g），随后使用精度为0.000 1 g的电子秤对烘干后的样品称重，记录重量为 m。最后结合径流量V_R 依据公式计算得到土壤侵蚀量M，单位为kg/hm^2［21］。

\begin{array}{l}{V}_R=V_S=\mathrm{1}/\mathrm{3}\mathrm{\pi }h(r_{}^{\mathrm{2}}+R_{}^{\mathrm{2}}+rR)/\\ (\mathrm{1.6}\times \mathrm{0.8}\times \mathrm{100})\end{array}（1）

M=(m-\mathrm{1.5})\times V_R\times \mathrm{1000}/\mathrm{250} （2）

式中：V_R， V_S 分别表示径流量和下渗流量（m³/hm²）；h代表径流水深（cm）；R为蓄水桶径流入口处半径（cm）；r为蓄水桶底面半径（cm）；M表示土壤侵蚀量（kg/hm²）；m为水样过滤烘干后的重量（g）。

1.5 数据统计分析

所有指标均通过 IBM SPSS Statistics 27.0软件进行方差分析及R语言进行偏最小二乘相关分析，采用邓肯（Duncan）法开展多重比较，设定显著水平为p<0.05，极显著水平为p<0.01。

2 结果与分析

2.1 不同密度青贮玉米间作大豆对产流时间和入渗量的影响

2.1.1 不同密度青贮玉米间作大豆对地表径流产流时间的影响

由表2可知，无论雨强和坡度如何改变，T₆和T₈处理较T₇处理以及T₃处理较T₂处理地表径流产流时间均得到延长。在40 mm/h雨强下，10°和15°坡度时，T₈处理较T₇处理径流时间分别显著延长97.45%，50.45%（p<0.05），T₃处理较T₁、T₂处理分别显著延长32.74%~72.57%（p<0.05），坡度10°时T₈处理极显著高于其他处理（p<0.01）。20°坡度下，T₃和T₅处理较T₇处理显著延长133.09%，129.4%（p<0.05），其余处理差异不显著（p>0.05）。在80 mm/h雨强下，10°和20°坡度下，T₈处理较T₇处理显著延长59.59%，62.57%（p<0.05），10°坡度时T₄处理较T₁处理极显著延长10.95%（p<0.01），15°坡度下T₄处理极显著高于T₂处理（p<0.01），20°坡度下，T₆处理较T₇处理显著延长52.92%（p<0.05），T₄处理产流时间为T₇处理的2.3倍（p<0.01）。在120 mm/h雨强下，10°坡度时，T₆处理较T₂处理显著延长20.52%（p<0.05），其余处理差异不显著（p>0.05），15°坡度下T₈处理较T₆处理显著延长27.29%，20°坡度下T₅处理较T₁处理显著延长51.53%（p<0.05）。

综上所述可知，T₇处理产流时间始终最短，T₈处理、T₃—T₅处理能显著延长产流时间，且在低雨强缓坡下处理间差异极显著（p<0.01），高雨强陡坡时坡度主导产流时间。这可能是因为玉米单作密度低，地表裸露面积大，土壤入渗率低且径流阻力小，产流更快；大豆单作密度高，地表覆盖度大且根系密集，通过延缓水分下渗显著延长产流时间，尤其在低雨强下优势明显；玉米密度与产流时间呈先增后降的趋势，其中T₃处理较其他间作处理能显著延长产流时间。

2.1.2 不同密度青贮玉米间作大豆对入渗流产流时间的影响

由表3可知，无论雨强和坡度如何改变，T₈处理的入渗流产流时间较T₆处理和T₇处理均有所缩短。在40 mm/h雨强下：15°坡度下，T₃，T₈处理较T₁处理分别显著缩短65.16%，70.87%（p<0.05），T₈处理较T₇处理显著缩短68.45%（p<0.05），20°坡度时各处理差异不显著（p>0.05）。在80mm/h雨强下：随着坡度的增加，T₈处理较T₇处理显著缩短28.05%~51.93%（p<0.05），10°坡度下T₇处理入渗时间达最大值，T₆处理较T₇处理极显著缩短47.49%（p<0.01），T₃—T₅处理较T₂处理显著缩短31.82%~48.51%（p<0.05）；15°和20°坡度下，T₃，T₄处理较T₁处理分别显著缩短30.18%~43.63%（p<0.05）；20°坡度下，T₂，T₆处理较 T₁，T₇处理显著缩短25.21%~27.03%（p<0.05）。在120 mm/h雨强下：10°和20°坡度下，T₈处理较T₇处理分别显著缩短55.53%，100.3%（p<0.05）；10°坡度下T₄，T₆处理较T₁，T₇处理分别极显著缩短54.95%，41.31%（p<0.01），T₂，T₃，T₈处理较T₁显著缩短40.92%~45.84%（p<0.05）；20°坡度时，各处理间差异不显著（p>0.05）。

在低雨强40 mm/h下-15°坡度的产流时间普遍最长，而20°坡度下时间缩短，可能是中等坡度兼具较高径流动能与未饱和土壤入渗的竞争效应。间作中T₄处理在缓坡下入渗流产流时间最短。在单作系统中，大豆单作在40 mm/h-15°时产流时间最短，但高密度玉米单作在相同条件下产流时间更长，可能是玉米单作系统在高密度配置下可通过冠层覆盖延长入渗时间，但其效果随雨强增加迅速衰减。

2.1.3 不同密度青贮玉米间作大豆对土壤入渗量的影响

由表4可知，40 mm/h雨强下：10°坡度时T₃处理入渗量最大，T₁处理较T₃处理极显著降低56.22%（p<0.01），T₇处理较T₆，T₈处理分别极显著降低62.45%，68.19%（p<0.01），15°和20°坡度时，T₇处理较T₃，T₂处理分别显著降低50.51%，67.48%（p<0.05）。在80mm/h雨强下：15°坡度时T₇处理较T₂，T₃处理显著降低60.4%，59.79%（p<0.05），20°坡度时T₈处理入渗量最大，T₇处理较T₈处理极显著降低54.17%（p<0.01），T₁，T₃处理较T₈处理显著降低45.75%，38.57%（p<0.05）。在120 mm/h雨强下：坡度10°时，T₇处理较T₃处理显著降低54.71%（p<0.05），其余各处理差异不显著（p>0.05），在坡度15°时，各处理间差异不显著（p>0.05），在坡度20°时，T₁和T₇处理分别较T₄处理显著降低51.29%，56.52%（p<0.05）。

随着雨强的增大，多数处理的下渗量呈现先升后降或波动趋势，但单作玉米整体表现较弱。在低雨强缓坡下，玉米—大豆间作下渗量显著高于单作。其中T₃处理在各类雨强下表现最优，而密度过高时下渗量下降，可能是密植因植株竞争导致土壤结构破坏。大豆单作在80 mm/h，20°坡度时下渗量显著高于玉米单作，凸显豆科植物深层根系对水分下渗的促进作用，而常规玉米单作在所有条件下均表现最差，可能是单一玉米作物易导致土壤板结，从而导致入渗量减少。

2.2 不同密度青贮玉米间作大豆对地表径流量和侵蚀量的影响

2.2.1 不同密度青贮玉米间作大豆对地表径流量的影响

从表5可知，无论雨强和坡度如何变化，T₃处理径流量均低于T₁处理。在40 mm/h雨强下，10°坡度下，T₃处理径流量较T₇和T₂处理分别显著降低88.31%，89.58%（p<0.05），15°坡度下，T₇处理显著高于其他处理（p<0.05），其余处理差异不显著，在20°坡度下T₃，T₈和T₅处理径流量显著低于T₁和T₇处理，其中T₃处理较T₁处理极显著降低84.72%（p<0.01），T₈处理较T₇处理极显著降低80.92%（p<0.01）。在80 mm/h雨强下，10°和15°坡度下，T₃，T₄，T₅处理径流量显著低于 T₁处理，如T₃处理较T₁处理极显著降低75.3%（p<0.01），10°坡度下T₃，T₄处理分别较T₂处理显著降低61.48%，51.42%（p<0.05），15°和20°坡度下，T₈处理较T₇处理显著降低47.38%，63.48%（p<0.05），20°坡度时T₃处理较T₁，T₄，T₇处理分别显著降低60.61%，57.65%，61.86%（p<0.05）。在20mm/h雨强下，10°和15°坡度下，T₃、T₅，T₈处理较T₁处理分别显著降低42.82%，45.66%，39.88%（p<0.05），15°坡度下T₈处理较T₇处理显著降低39.92%（p<0.05），20°坡度下T₃处理较T₁处理显著降低32.69%（p<0.05），且极显著低于T₇处理（p<0.01），其余处理差异不显著（p>0.05）。

随着雨强的增加，所有处理的径流量均显著上升，T₇处理径流量最高，显著高于高密度单作玉米，可能是玉米种植密度稀疏导致水土流失加剧。而大豆单作T₈在低雨强缓坡区表现优异，凸显豆科植物冠层密集、根系固土的优势。在同一雨强下，间作处理间径流量增加幅度随着坡度的增大而减少，且随着玉米密度的增加，地表径流量有先降低后趋于稳定的趋势。

2.2.2 不同密度青贮玉米间作大豆对侵蚀量的影响

从表6可知，无论雨强和坡度如何改变，T₈处理和T₆处理侵蚀量均低于T₇处理。在40 mm/h雨强下：10°和15°坡度下，T₇处理侵蚀量最大，T₈处理较T₇处理极显著降低69.24%，85.04%（p<0.01），T₃，T₄处理较T₁处理分别显著降低60.3%~63.58%（p<0.05），T₂，T₆，T₈处理较T₁处理分别显著降低51.11%~64.49%（p<0.05），20°坡度下，T₂处理侵蚀量最大，T₁处理较T₂处理极显著降低66.44%（p<0.01），T₇处理显著高于其他处理（p<0.05）。在80 mm/h雨强下：10°和15°坡度下，T₃，T₅，T₈处理较T₁处理显著降低73.11%~90.95%（p<0.05），T₈处理较T₇处理极显著降低76.94%，82.51%（p<0.01）。20°坡度下，T₃，T₄处理较T₂处理分别显著降低34.41%，39.61%（p<0.05），T₄处理较T₆，T₈处理显著降低36.16%~38.75%（p<0.05）。雨强为120 mm/h时：10°坡度下，T₃处理较T₁，T₂，T₈处理分别显著降低62.38%~68.29%（p<0.05），15°坡度下，各处理间无显著差异（p>0.05）。20°坡度下，T₃处理较T₁，T₂处理分别显著降低53.28%、45.81%（p<0.05）。

侵蚀量随着降雨强度的增加而增加，玉米—大豆间作能显著抑制侵蚀，在中低雨强和坡度下效果最佳；侵蚀量随着玉米间作密度增加呈先减少后增加的趋势，其中T₃处理整体表现最优，可能是因为适度密植形成的连续冠层能有效拦截雨滴击溅，从而减少土壤侵蚀，但密度过高时侵蚀量有所回升，可能因植株竞争导致覆盖度下降。单作系统中，大豆单作在40 mm/h各坡度下侵蚀量最低，而高密度玉米单作在120 mm/h，20°坡度时侵蚀量较T₃高，可能是高雨强陡坡下土壤快速饱和，坡度加速径流汇集，削弱了密植处理的调控作用。

2.3 降雨强度和坡度与水土流失相关参数的相关性分析

由图1可知，降雨强度与入渗量存在显著正相关关系（p<0.05），与径流产生时间呈极显著负相关关系（p<0.01）；坡度和入渗时间呈极显著负相关关系（p<0.01），和侵蚀量呈极显著正相关关系（p<0.01）；径流产生时间与侵蚀量呈极显著负相关（p<0.01），入渗时间和入渗量呈极显著负相关关系（p<0.01）。

由图2结构方程模型的效应分解可知，雨强是影响水土流失的主要因素，坡度、雨强和径流量均主要通过直接效应来加剧侵蚀，可能是强降雨会在短时间内产生大量的坡面径流以及加剧土壤溅蚀，从而增加侵蚀量，入渗时间主要通过间接效应来增大侵蚀，可能是随着产生入渗流时间的延长，导致径流量增加，进一步增大侵蚀量，入渗量通过直接效应抑制侵蚀，但作用较弱。

3 讨 论

本试验表明，青贮玉米密度配置间作大豆对地表径流产生时间、入渗特性及土壤侵蚀过程具有显著调控作用（p<0.05），在径流调控和土壤侵蚀分析显示方面，间作体系较单作模式表现出更优的水土保持性能，间作处理中，随着玉米种植密度的增加，地表径流产流时间得到有效延缓，地表径流量和侵蚀量显著降低。当玉米密度从52 500株/hm²增至67 500株/hm²时，在40 mm/h径流量和侵蚀量有效降低，且玉米密度达到67 500株/hm²时，径流产流时间较常规玉米单作有效延长，地表径流量则有效减少，这与前人研究相符，间作和增加种植密度均能通过提升地表植被覆盖度实现水土保持，二者可增大群体叶面积指数与覆盖度^［22］。从入渗特性来看，间作体系显著改善土壤渗透性能，在80 mm/h（10°坡度）降雨下，T₃处理入渗时间较单作对照T₇有效缩短，且对应入渗量达到较大值，可能与间作系统形成的立体冠层结构有关，大豆的矮生特性有效延缓雨滴击溅作用，同时玉米的深根系增强了土壤抗剪强度，这种差异可能源于间作体系促进的土壤孔隙连通性改善：玉米主根形成的垂直孔隙与大豆须根构建的水平孔隙网络协同作用，形成立体渗流通道，表明适宜密度的间作种植模式通过冠层截留和根系网络改善土壤入渗性能。此外已有研究显示，作物覆盖是控制土壤侵蚀的关键手段，高地表覆盖可直接拦截降雨径流，促进雨水入渗^［23］，同时，作物根系通过改变土壤结构，影响水分入渗与土壤侵蚀过程^［11］，因此适宜的青贮玉米密度间作大豆能有效提高地表覆盖率，对水土流失有较好的阻控作用。

此外，王安^［17］发现玉米种植密度由78 000~117 000株/hm²递增，初始产流加快，径流量和产沙量增加，本研究发现间作密度超过75 000株/hm²后入渗量有所下降，反而使20°坡面径流量增加，且间作密度增至82 500株/hm²时侵蚀量出现反弹，在120 mm/h降雨下，T₅处理在10°和15°坡面下入渗时间较T₂—T₄均延长，可能是高密度种植导致的冠层郁闭抑制大豆生长，玉米种植密度过大导致根系发育不良，地表覆盖质量下降，与熊燚宁^［24］通过麦/玉/豆带状间作复合种植发现随着玉米种植密度的增加，均显著抑制大豆的生长的研究结果一致。大豆单作在40 mm/h，坡度为10°径流时间最长，但在20°陡坡条件下的径流延迟效应显著弱于间作系统，印证禾本科与豆科作物间作的协同保水优势。此外，大豆单作较玉米单作可显著减少地表径流量与侵蚀量，同时加快雨水下渗速率、提升入渗量，这一结果与相关研究结论相符^［25］，这可能是由于大豆拥有密集的浅层根系，能够增强表层土壤的持水能力，且大豆植株较为低矮，地表覆盖度更高，可有效削弱雨滴的动能，进而增加土壤入渗量，减少地表径流量和侵蚀量^［26］。根据已有研究成果，植被结构的垂直分层对于雨水径流调控具有显著作用。当植被垂直分层数量增多时，处于高位的玉米冠层会先承接降雨冲击，形成第一层缓冲屏障，随后，低位大豆冠层能够对穿透上层冠层的雨滴进行二次截留，通过多层植被的协同作用持续衰减雨水动能^［27］，这种分层拦截机制能够有效降低雨滴对土壤表面的击溅侵蚀力，这一理论能够很好地阐释本试验中，相较于单作种植模式，间作模式下水土流失量显著减少的现象。

已有研究表明，降雨是驱动坡耕地地表径流形成的核心动力因子^［28］，降雨强度的变化直接关系到地表径流量的多寡与土壤侵蚀的剧烈程度。本研究根据降雨强度、坡度对水土流失相关参数影响的 PLS-SEM结构模型图表明：雨强是影响水土流失的主要因素，主要通过直接效应来加剧侵蚀，降雨强度与地表径流量、土壤侵蚀量均存在高度显著的正相关关系（p<0.01）。这一现象或可归因于高强度降雨情境下，植株叶片对雨滴的拦截缓冲作用大幅降低。大量雨水难以被植被有效截留，而是迅速在地表汇聚形成径流。快速生成的地表径流显著增强坡面水流的冲刷能力，促使水流向低洼处集中，进而诱发沟蚀现象，加剧土壤侵蚀程度^［29］。作物多样性种植群体中植被不仅提高覆盖度，而且不同植被彼此的耦合影响了对水土流失的控制效果^［19］，使得不同雨强下对水土流失的影响不同。针对玉米间作大豆的种植模式，本研究发现：相比高雨强，低强度降雨环境下，随着玉米种植密度的提升，间作体系中不同密度配置的土壤侵蚀情况差异更为明显。

已有研究显示，随着坡度增大，地表径流量产生时间缩短，径流量与侵蚀量增加，入渗量减少^［30］，即坡度增大会加剧坡耕地水土流失。与本试验结果一致：由PLS-SEM结构模型图可知，随着坡度上升，地表径流量和侵蚀量增大，入渗量减少，坡度与地表径流产生时间呈极显著负相关（p<0.01），坡度主要通过直接效应来影响侵蚀量，值得注意的是，当雨强增大时，易促使集中流形成，进而削弱坡度对地表径流产流时间的影响。本研究结果表明坡度与入渗时间存在负相关关系，这与李海等^［20］通过模拟降雨玉米间作大豆行比配置研究中发现：随着坡度增加，相应的下渗时间能得到延长的结果不一致，可能是因为坡度增大后通过增强重力驱动的水流速度、提高剪切力破坏土壤入渗条件、加速径流汇集，从而缩短雨水在地表的滞留时间和实际入渗时间，最终导致入渗流产生时间提前。在20°陡坡下所有处理的径流量和侵蚀量较10°坡度显著增加（p<0.05），但间作系统对坡度的敏感性低于单作，且本研究进一步揭示，间作体系的保土效益随坡度增加呈非线性衰减。在低雨强下，随着坡度的增加大豆单作地表径流量有所降低，且坡度增加对各处理的侵蚀量影响小，在高雨强下，随着坡度增加同处理的侵蚀量剧增。此外，在间作模式中，随着玉米密度的提高，坡度变化对侵蚀量的影响幅度有所减弱，且在40 mm/h雨强、10°坡度条件下，大豆单作的径流产流时间最长，侵蚀量最低，但在中高雨强或陡坡下效果弱于间作。需要说明的是，本研究采用微型径流小区人工模拟降雨方式开展，作物种植面积较小，且未完全模拟自然降雨条件。因此，若要明确不同密度青贮玉米间作大豆在大面积坡耕地上对水土流失的实际阻控效果，需进一步开展多年自然降雨条件下的田间试验进行验证。

4 结 论

大豆单作与高密度青贮玉米单作的土壤侵蚀控制效果均优于常规玉米单作。在间作种植模式中，地表径流量和侵蚀量随青贮玉米密度增加呈现先减少后升高的趋势。其中，当青贮玉米间作密度为67 500株/hm²时，较其他处理的地表径流量平均减少15%~62.01%，侵蚀量平均减少8.47%~66.22%，展现出更优的水土保持效果，是一种对山区坡耕地具有较好水土保持效果的青贮玉米间作大豆合理密植模式，通过推广该密植模式可促进云南山区农业的可持续发展。

降雨强度是影响水土流失的主导因素，雨强与坡度均通过直接效应来影响侵蚀量，在低雨强缓坡条件下，大豆单作模式展现出更优的水土保持效果。

参考文献

[1] 鄂竟平.中国水土流失与生态安全综合科学考察总结报告［J］.中国水土保持，2008（12）：3-6.

[2] E J P. Summary report on the comprehensive scientific investigation of soil erosion and ecological security in China［J］. Soil and Water Conservation in China， 2008（12）：3-6.

[3] 张丽，张乃明，张仕颖，等. AMF和间作对作物产量和坡耕地土壤径流氮磷流失的影响［J］.农业工程学报，2019，35（22）：216-224.

[4] Zhang L， Zhang N M， Zhang S Y， et al. Effects of AMF and intercropping on crop yield and soil nitrogen and phosphorus loss by runoff on slope farmland［J］. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering， 2019，35（22）：216-224.

[5] 李锐，上官周平，刘宝元，等.近60年我国土壤侵蚀科学研究进展［J］.中国水土保持科学，2009，7（5）：1-6.

[6] Li R， Shangguan Z P， Liu B Y， et al. Advances of soil erosion research during the past 60 years in China［J］. Science of Soil and Water Conservation， 2009，7（5）：1-6.

[7] 王彪东，单晓翠.我国水土流失现状和防治对策［J］.农业与技术，2016，36（5）：83-84.

[8] Wang B D， Shan X C. Current status of soil erosion and prevention and control countermeasures in China［J］. Agriculture and Technology， 2016，36（5）：83-84.

[9] 赵璟，武平，王克勤，等.云南省政府系统决策咨询研究课题组，云南省坡耕地高效水土保持对策研究［J］.水利发展研究，2013，13（1）：34-38.

[10] Zhao J， Wu P， Wang K Q， et al. Research group of decision-making consultation in Yunnan Provincial government system， research on high-efficiency soil and water conservation countermeasures for sloping farmland in Yunnan Province［J］. Water Resources Development Research， 2013，13（1）：34-38.

[11] Lee S， Chu M L， Guzman J A， et al. A comprehensive modeling framework to evaluate soil erosion by water and tillage［J］. Journal of Environmental Management， 2021，279：111631.

[12] 陈世发.南方红壤区典型流域土壤侵蚀格局与风险评价［D］.福州：福建师范大学，2018.

[13] Chen S F. Evaluation of soil erosion patterns and risk in typical watershed of southern red soil region［D］. Fuzhou： Fujian Normal University， 2018.

[14] Walter M T， Gao B， Parlange J Y. Modeling soil solute release into runoff with infiltration［J］. Journal of Hydrology， 2007，347（3/4）：430-437.

[15] Laloy E， Bielders C L. Modelling intercrop management impact on runoff and erosion in a continuous maize cropping system： part Ⅱ. Model Pareto multi-objective calibration and long-term scenario analysis using disaggregated rainfall［J］. European Journal of Soil Science， 2009，60（6）：1022-1037.

[16] VAN DE N， Douglas I， McMorrow J， et al. Erosion and nutrient loss on sloping land under intense cultivation in southern Vietnam［J］. Geographical Research， 2008，46（1）：4-16.

[17] 王婷，王强学，李永梅，等.玉米大豆间作对作物根系及土壤团聚体稳定性的影响［J］.云南农业大学学报（自然科学），2021，36（3）：507-515.

[18] Wang T， Wang Q X， Li Y M， et al. Effect of maize and soybean intercropping on root system and soil aggregate stability［J］. Journal of Yunnan Agricultural University： Natural Science， 2021，36（3）：507-515.

[19] Nguyen X H， Pham A H. Assessing soil erosion by agricultural and forestry production and proposing solutions to mitigate： a case study in son La province， Vietnam［J］. Applied and Environmental Soil Science，2018，2018（1）：1-10.

[20] 高林林.典型紫色土坡耕地不同施肥处理径流的氮素流失特征研究［D］.南充：西华师范大学，2018.

[21] Gao L L. Study on nitrogen loss characteristics of runoff in typical purple soil slope［D］. Nanchong： China West Normal University， 2018.

[22] 冯小杰，郑子成，李廷轩，等.暴雨条件下紫色土区玉米季坡耕地氮素流失特征［J］.中国农业科学，2018，51（4）：738-749.

[23] Feng X J， Zheng Z C， Li T X， et al. Characteristics of nitrogen loss in sloping cropland of purple soil during maize growth stage under rainstorm［J］. Scientia Agricultura Sinica， 2018，51（4）：738-749.

[24] 张志兰，范志伟，王永刚，等.玉米马铃薯间作系统中玉米的恢复性生长［J］.西南农业学报，2018，31（2）：284-288.

[25] Zhang Z L， Fan Z W， Wang Y G， et al. Restorative growth of maize in maize and potato intercropping system［J］. Southwest China Journal of Agricultural Sciences， 2018，31（2）：284-288.

[26] Kumar S， Meena R S， Lal R， et al. Role of legumes in soil carbon sequestration［M］∥Legumes For Soil Health and Sustainable Management. Singapore： Springer Singapore， 2018：109-138.

[27] 王安.人工降雨条件下保护性耕作的水土保持效应研究［D］.陕西杨凌：西北农林科技大学，2013.

[28] Wang A. Effects of conservation tillage on soil and water conservation under artificial rainfall［D］. Yangling， Shaanxi： Northwest A&F University， 2013.

[29] 朱上卿.云南省坡耕地青贮玉米间作马铃薯水土保持效应研究［D］.昆明：云南农业大学，2023.

[30] Zhu S Q. Soil conservation of silage maize and potato intercropping on upland in Yunnan Province［D］. Kunming： Yunnan Agricultural University， 2023.

[31] 张晓云，郎凤莲，李永贤，等.坡地玉米马铃薯间作群体地上部垂直层化对水土流失的影响［J］.云南农业大学学报：自然科学，2017，32（5）：903-911.

[32] Zhang X Y， Lang F L， Li Y X， et al. Effects of vertical stratification on the soil and water loss of maize and potato intercropping on sloping land［J］. Journal of Yunnan Agricultural University： Natural Science， 2017，32（5）：903-911.

[33] 李海，沈鹏，吕凯，等.玉米间作大豆行比配置对坡耕地水土流失的影响［J］.水土保持研究，2024，31（4）：11-19.

[34] Li H， Shen P， Lü K， et al. Effect of row ratio configuration of maize intercropping soybean on soil and water loss in slope farmland［J］. Research of Soil and Water Conservation， 2024，31（4）：11-19.

[35] 赵桂茹，安曈昕，欧阳铖人，等.青贮玉米氮投入对坡耕地土壤侵蚀及水稳性团聚体的影响［J］.水土保持学报，2021，35（5）：72-79.

[36] Zhao G R， An T X， Ouyang C R， et al. Impact of nitrogen input of silage maize on soil erosion and water-stable aggregates in sloping farmland［J］. Journal of Soil and Water Conservation， 2021，35（5）：72-79.

[37] Xia L Z， Hoermann G， Ma L， et al. Reducing nitrogen and phosphorus losses from arable slope land with contour hedgerows and perennial alfalfa mulching in Three Gorges Area， China［J］. Catena， 2013，110：86-94.

[38] El Kateb H， Zhang H F， Zhang P C， et al. Soil erosion and surface runoff on different vegetation covers and slope gradients： a field experiment in Southern Shaanxi Province， China［J］. Catena， 2013，105：1-10.

[39] 熊燚宁.不同种植模式、品种、密度对玉米产量和品质的影响［D］.武汉：华中农业大学，2024.

[40] Xiong Y N. The influence of different planting modes， varieties， and densities on maize yield and quality［D］. Wuhan： Huazhong Agricultural University， 2024.

[41] 马志鹏，范茂攀，陈小强，等.间作模式下作物根系与坡耕地红壤抗蚀性的关系［J］.水土保持学报，2016，30（4）：68-73.

[42] Ma Z P， Fan M P， Chen X Q， et al. Study on root system and red soil anti-erodibility of slope farmland under intercropping of maize and soybean［J］. Journal of Soil and Water Conservation， 2016，30（4）：68-73.

[43] Hou J， Wang H Q， Fu B J， et al. Effects of plant diversity on soil erosion for different vegetation patterns［J］. Catena， 2016，147：632-637.

[44] Fan Z W， An T X， Wu K X， et al. Effects of intercropping of maize and potato on sloping land on the water balance and surface runoff［J］. Agricultural Water Management， 2016，166：9-16.

[45] Hao H X， Wang J G， Guo Z L， et al. Water erosion processes and dynamic changes of sediment size distribution under the combined effects of rainfall and overland flow［J］. Catena， 2019，173：494-504.

[46] Wei W， Chen L D， Fu B J， et al. The effect of land uses and rainfall regimes on runoff and soil erosion in the semi-arid loess hilly area， China［J］. Journal of Hydrology， 2007，335（3/4）：247-258.

[47] Brivois O， Bonelli S， Borghi R. Soil erosion in the boundary layer flow along a slope： a theoretical study［J］. European Journal of Mechanics-B/Fluids， 2007，26（6）：707-719.

基金资助

国家自然科学基金(31660378)

云南省重大科技专项绿色食品国际合作研究中心项目(2019ZG00902)