紫色土坡地旋耕機(jī)耕作侵蝕特征

李富程， 花小葉， 王彬

(西南科技大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，621010，四川綿陽)

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紫色土坡地旋耕機(jī)耕作侵蝕特征

李富程， 花小葉， 王彬

(西南科技大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，621010，四川綿陽)

摘要：耕作侵蝕的過程機(jī)制和防治技術(shù)研究是我國現(xiàn)階段水土保持科學(xué)與技術(shù)的重點(diǎn)研究領(lǐng)域，關(guān)于小型旋耕機(jī)耕作的土壤再分布過程和影響因素研究較少。應(yīng)用磁性示蹤法研究旋耕機(jī)等高耕作、向下耕作和向上耕作的土壤再分布模式和強(qiáng)度，查明耕作速度對(duì)旋耕機(jī)耕作侵蝕的影響。結(jié)果表明：不同耕作方向下旋耕機(jī)單次耕作過程中均引起土壤同時(shí)發(fā)生向上坡和向下坡移動(dòng)，且均導(dǎo)致土壤發(fā)生向下坡凈位移；不同耕作速度時(shí)等高耕作和向上耕作土壤凈位移與坡度均呈顯著正相關(guān)(P<0.01)，而向下耕作二者無顯著相關(guān)性(P>0.05)；土壤凈位移量表現(xiàn)為快擋等高耕作(11.53 kg/m)>快擋向下耕作(11.40 kg/m)>快擋向上耕作(7.59 kg/m)>慢擋向下耕作(7.33 kg/m)>慢擋等高耕作(6.87 kg/m)>慢擋向上耕作(6.29 kg/m)；快擋時(shí)上下坡交替耕作的耕作侵蝕速率小于等高耕作，但慢擋時(shí)二者相當(dāng)。旋耕機(jī)耕作相比傳統(tǒng)耕作機(jī)具的耕作侵蝕明顯下降，其推廣應(yīng)用對(duì)于防治紫色土坡地耕作侵蝕和土壤退化有重要作用。

關(guān)鍵詞：耕作侵蝕； 耕作位移； 耕作速度； 耕作方向； 磁性示蹤； 紫色土； 四川綿陽

四川紫色土丘陵區(qū)因獨(dú)特的紫色土資源與優(yōu)良的水熱條件成為我國西南農(nóng)業(yè)的主產(chǎn)區(qū)[1-2]，但不合理的耕作和管理引起紫色土坡地發(fā)生嚴(yán)重的耕作侵蝕，導(dǎo)致淺薄的紫色土坡地上部土壤退化加劇，耕作侵蝕成為制約紫色土坡地土壤安全和農(nóng)業(yè)持續(xù)發(fā)展的重要因素[3-4]。目前，我國耕作侵蝕相關(guān)研究還很薄弱，耕作侵蝕的過程機(jī)制和防治技術(shù)研究是我國現(xiàn)階段水土保持科學(xué)與技術(shù)的重點(diǎn)研究領(lǐng)域[5]。紫色土耕作侵蝕定量研究已有10余年，對(duì)人工鋤耕和家畜犁耕2種傳統(tǒng)耕作機(jī)具的耕作侵蝕過程、耕作方向?qū)Ω髑治g的影響、傳統(tǒng)保土耕作技術(shù)、耕作侵蝕的環(huán)境效應(yīng)等研究較多[6-17]；但對(duì)于小型旋耕機(jī)的相關(guān)研究一直未涉及。國際上對(duì)大型機(jī)械化耕作機(jī)具(如鏵式犁、鑿形犁、圓盤犁)的耕作侵蝕過程機(jī)制進(jìn)行了大量研究[18-23]；但小型旋耕機(jī)與大型機(jī)械化耕作機(jī)具的動(dòng)力聯(lián)接方式不同，大型機(jī)械化耕作機(jī)具為牽引式或懸掛式，小型旋耕機(jī)為直聯(lián)式。動(dòng)力聯(lián)接方式的差異會(huì)直接影響土壤再分布過程；因此，選用新型磁性示蹤劑鈦鐵礦粉，利用磁性示蹤法研究旋耕機(jī)土壤再分布過程和機(jī)制，分析耕作速度對(duì)耕作侵蝕的影響，為紫色土坡地耕作侵蝕防治和退化土壤恢復(fù)提供數(shù)據(jù)支撐。

1材料與方法

1.1研究區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于四川省綿陽市游仙區(qū)新橋鎮(zhèn)官司河流域(E 104°47′50″，N 31°33′14″)，距綿陽市15 km。該區(qū)地貌以淺丘為主，海拔500～638 m，相對(duì)高差多為50～100 m。土壤類型為城墻巖群組(K1c)石灰性紫色土。氣候類型為亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候，多年平均降水量和蒸發(fā)量分別為986.5 mm和550 mm。坡地農(nóng)作物主要有油菜(BrassicacampestrisL.)、玉米(ZeamaysL.)、紅薯 (Ipomoeabatatas(L.) Lam. var.batatas)、花生(ArachishypogaeaLinn.)等。由于農(nóng)村人口空心化、老齡化和坡地土壤退化等原因，當(dāng)?shù)仄碌剞r(nóng)作制從一年兩熟或三熟改為一年一熟或兩熟，耕作次數(shù)從一年2次減少為1次。隨著農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程的推進(jìn)，耕作逐漸從傳統(tǒng)的畜力犁耕轉(zhuǎn)變成小型旋耕機(jī)耕作，旋耕機(jī)的耕作方向有等高耕作、上下坡交替耕作或者環(huán)狀耕作。

1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為研究不同耕作方式和地形條件下旋耕機(jī)的耕作位移和土壤位移量，對(duì)耕作方向、耕作速度和坡度這3個(gè)要素進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)。對(duì)于耕作方向，將實(shí)踐中存在的多種耕作方向分解為3種方向：等高耕作、向下耕作和向上耕作。對(duì)于耕作速度，試驗(yàn)使用的旋耕機(jī)(圖1)有2種擋位，快擋(設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速130 r/min)和慢擋(設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速90 r/min)，不同耕作方向快擋和慢擋的實(shí)際耕作速度略有差異：等高耕作快擋和慢擋的實(shí)際耕作速度分別為(0.44±0.02)m/s和(0.30±0.03)m/s；向下耕作分別為(0.45±0.02)m/s和(0.36±0.03)m/s；向上耕作分別為(0.32±0.02)m/s和(0.28±0.04)m/s。坡度選取四川盆地紫色土丘陵區(qū)的常見坡度(0.057～0.309 m/m)，每種處理分別設(shè)置14種坡度，共設(shè)置84個(gè)小區(qū)。

試驗(yàn)中使用的旋耕機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如下：旋耕機(jī)總質(zhì)量120 kg，外形尺寸1 700 mm×1 350 mm×900 mm，發(fā)動(dòng)機(jī)功率6.3 kW，轉(zhuǎn)速3 600 r/min，旋耕刀總數(shù)32把，直徑33.5 cm，幅寬135 cm。農(nóng)民在實(shí)踐中為了使土壤達(dá)到耕種細(xì)度和深度的要求，每次連續(xù)耕作2遍，本試驗(yàn)與耕作實(shí)踐保持一致，每種處理進(jìn)行2遍同方向耕作。對(duì)于等高耕作，旋耕機(jī)從下坡開始沿等高線方向來回耕作，第2遍與第1遍耕作路徑一致；對(duì)于向下耕作，旋耕機(jī)沿順坡方向從上坡向下坡進(jìn)行耕作，第1遍耕完后從旁邊空地回到坡上部起始位置進(jìn)行第2遍耕作；對(duì)于向上耕作，旋耕機(jī)沿順坡方向從下坡向上坡進(jìn)行耕作，第1遍耕完后從旁邊空地回到坡下部起始位置進(jìn)行第2遍耕作。耕作深度為(100±5)mm。

圖1　試驗(yàn)中使用的旋耕機(jī)Fig.1　Rotary cultivator used in the tillage operation

1.3測(cè)定方法

采用磁性示蹤法測(cè)定土壤耕作位移和土壤位移量。磁性示蹤劑選用鈦鐵礦粉，鈦鐵礦粉是一種黑色粉末，粒徑為200目，主要成分為二氧化鈦、三氧化二鐵和氧化鐵。相對(duì)于磚瓦渣或粉煤灰等磁性示蹤劑[5,8]，鈦鐵礦粉具有磁性強(qiáng)、粒徑小、用量少等特點(diǎn)，能夠提高土壤耕作位移測(cè)定的準(zhǔn)確性。

將坡地沿順坡方向分成3部分，分別用于等高耕作、向上耕作和向下耕作試驗(yàn)。在不同坡度位置設(shè)立磁性示蹤小區(qū)，尺寸為長1.0 m、寬0.2 m、高0.1 m。示蹤小區(qū)位置確定后，采用環(huán)刀法在示蹤小區(qū)內(nèi)取3個(gè)平行樣，帶回實(shí)驗(yàn)室測(cè)定。示蹤小區(qū)長邊平行于坡地等高線，且長邊與高形成的面垂直于坡面。為避免耕作時(shí)相互影響，相鄰示蹤小區(qū)在平行等高線方向間距0.5 m，在垂直等高線方向間距1.6 m，每個(gè)示蹤小區(qū)耕作試驗(yàn)用地面積約為2.7 m2。從示蹤小區(qū)挖出的土壤先堆放在塑料布上，加入1.5 kg磁性示蹤劑，同時(shí)棄去等量的土壤，充分?jǐn)嚢枋故聚檮┚鶆虻馗街谕寥郎希瑧?yīng)用磁化率儀(ZH-1，中國國土資源航空物探遙感中心)進(jìn)行多點(diǎn)測(cè)定(≥20個(gè))，如果測(cè)定值變化較大，則繼續(xù)攪拌混合后重新測(cè)定，測(cè)定完成后按原田間土壤密度回填于示蹤小區(qū)內(nèi)。示蹤小區(qū)布置完成后利用水平儀測(cè)定小區(qū)坡度。請(qǐng)當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)豐富的農(nóng)民利用旋耕機(jī)進(jìn)行等高、向下和向上耕作，耕作后將一個(gè)長×寬×高為0.6 m×0.2 m×0.2 m的金屬框垂直插入磁性示蹤小區(qū)中間，以0.10 m間距從示蹤小區(qū)中心線分別向上坡、向下坡磁性示蹤劑分布的最遠(yuǎn)點(diǎn)連續(xù)取樣，取樣深度限定于耕作深度，所采樣品混勻后用于測(cè)定土壤磁化率。

1.4耕作位移與耕作侵蝕計(jì)算

依據(jù)磁性示蹤劑在耕作前后分布的差異，應(yīng)用類流體旋轉(zhuǎn)理論計(jì)算耕作位移[4]

(1)

式中：Dm為土壤平均耕作位移，m；C0為耕作前示蹤小區(qū)的土壤磁化率，SI；Cx為耕作后示蹤路徑的土壤磁化率，SI；L為取樣的最大距離，m。應(yīng)用此公式計(jì)算向上坡耕作位移(Du)和向下坡耕作位移(Dd)，分別表示以示蹤小區(qū)中心線為基準(zhǔn)，耕作引起的土壤平均向上坡和向下坡耕作位移，二者之差為土壤凈位移(Dn)。

土壤位移量[8]

Q=DmDtρb。

(2)

式中：Q為每次耕作引起的土壤位移量，kg/m；Dt為耕作深度，m；ρb為土壤密度，kg/m3。利用此公式可得出向下坡土壤位移量(Qd)和向上坡土壤位移量(Qu)，土壤凈位移量(Qn)為二者之差。

耕作侵蝕速率[8]

(3)

式中：Rt為每次耕作產(chǎn)生的耕作侵蝕速率，t/hm2；Ld為坡體長度，m。

1.5數(shù)據(jù)處理

采用方差分析檢驗(yàn)不同處理的耕作位移和土壤位移量是否存在顯著差異，利用配對(duì)樣本T檢驗(yàn)分析各種處理向下坡和向上坡土壤位移量的差異，通過回歸分析建立土壤凈位移與坡度的關(guān)系。

2結(jié)果與分析

2.1土壤耕作位移

耕作后不同耕作方向原示蹤小區(qū)內(nèi)的土壤磁性強(qiáng)度均明顯減小，在原示蹤小區(qū)的上部和下部都分布有磁性示蹤劑，表明旋耕機(jī)等高耕作、向下耕作和向上耕作在單次耕作過程中均導(dǎo)致土壤同時(shí)發(fā)生向下坡移動(dòng)和向上坡移動(dòng)。等高耕作快擋和慢擋引起示蹤劑向下坡最大位移分別為0.5～0.6 m和0.3～0.5 m，向上坡最大位移均為0.2 m。向下耕作快擋和慢擋引起示蹤劑向下坡最大位移均為0.5～0.7 m，向上坡最大位移分別為0.3～0.4 m和0.2～0.4 m。向上耕作快擋和慢擋引起示蹤劑向下坡最大位移分別為0.5～0.6 m和0.4～0.6 m，向上坡最大位移分別為0.3～0.5 m和0.2～0.5 m。

對(duì)于等高耕作，快擋與慢擋耕作的向上坡土壤平均耕作位移相同，快擋耕作的向下坡土壤平均耕作位移顯著高于慢擋耕作(P=0.019)。對(duì)于向下耕作，快擋與慢擋耕作的向上坡土壤平均耕作位移無顯著差異(P=0.14)，向下坡土壤平均耕作位移存在顯著差異(P=0.002)。對(duì)于向上耕作，快擋和慢擋耕作的向上坡和向下坡土壤平均耕作位移均呈顯著差異(P=0.001)。結(jié)果表明耕作速度對(duì)不同耕作方向的向下坡位移影響較大，對(duì)等高耕作和向下耕作的向上坡位移無影響，但對(duì)向上耕作的向上坡位移有影響。

無論是等高耕作、向下耕作或向上耕作，向上位移都小于向下位移，土壤凈位移總是向下坡方向?？鞊醯雀吒魍寥纼粑灰泼黠@大于慢擋等高耕作(P=0.016)?？鞊跸蛳赂魍寥纼粑灰埔诧@著大于慢擋向下耕作(P=0.006)。與向下耕作不同，快擋與慢擋向上耕作的土壤凈位移無顯著差異(P=0.45)。結(jié)果表明耕作速度對(duì)等高耕作和向下耕作的土壤凈位移影響較大，對(duì)向上耕作影響較小。

2.2耕作位移與坡度的關(guān)系

對(duì)于等高耕作，快擋和慢擋耕作土壤凈位移都隨坡度增加而增大，土壤凈位移與坡度的關(guān)系可以利用線性方法很好地?cái)M合(圖2(a))，快擋和慢擋耕作的土壤凈位移與坡度回歸方程的R2分別為0.80(P<0.000 1)和0.63(P=0.000 7)。與等高耕作不同，盡管向下耕作也表現(xiàn)為向下坡凈位移，但是快擋和慢擋耕作的土壤凈位移與坡度都無顯著相關(guān)性(圖2(b))。與等高耕作相似，向上耕作的快擋和慢擋土壤凈位移與坡度都呈顯著相關(guān)性(圖2(c))，快擋和慢擋耕作的土壤凈位移與坡度回歸方程的R2分別為0.76(P<0.000 1)和0.63(P=0.000 8)。

圖2　土壤凈下坡耕作位移與坡度的關(guān)系Fig.2　Net displacement distance (Dn) in the downslope direction vs. slope gradient (S)

2.3土壤位移量

配對(duì)樣本T檢驗(yàn)分析顯示不同耕作方向的向下坡土壤位移量都明顯大于向上坡土壤位移量。快擋等高耕作的土壤凈位移量顯著大于慢擋等高耕作(P=0.02)，快擋和慢擋耕作的土壤凈位移量平均值分別為11.53和6.87 kg/m，前者是后者的1.7倍(表1)。對(duì)于向下耕作，快擋耕作的土壤凈位移量也明顯大于慢擋耕作(P=0.015)，快擋和慢擋耕作的土壤凈位移量平均值分別為11.40和7.33 kg/m，前者是后者的1.6倍(表2)。與向下耕作不同，快擋與慢擋向上耕作的土壤凈位移量無顯著差異(P=0.52)，前者和后者平均值分別為7.59和6.29 kg/m(表3)。

表1　等高耕作土壤位移量和耕作侵蝕速率

注:耕作侵蝕速率的坡體長度以15 m計(jì)；下同。Note: downslope parcel length (Ld)=15 m when calculating tillage erosion rate (R), the same below.

表2　向下耕作土壤位移量和耕作侵蝕速率

2.4耕作侵蝕速率

四川紫色土區(qū)坡地的坡長多為10～20 m，按平均坡長15 m計(jì)算不同耕作速度和耕作方向的耕作侵蝕速率。快擋和慢擋等高耕作的耕作侵蝕速率分別為2.64～17.33 t/hm2和0.27～10.33 t/hm2(表1)，快擋耕作比慢擋耕作的平均耕作侵蝕速率高67.9%。快擋和慢擋向下耕作的耕作侵蝕速率分別為3.40～13.83 t/hm2和1.22～8.97 t/hm2(表2)，前者平均值比后者高55.5%。與向下耕作不同，向上耕作時(shí)快擋與慢擋的耕作侵蝕速率基本相當(dāng)(表3)，平均值分別為5.06和4.20 t/hm2。實(shí)踐中旋耕機(jī)向下耕作與向上耕作一般交替進(jìn)行，上下坡交替耕作的土壤凈位移量是二者的平均值，快擋和慢擋上下坡交替耕作的耕作侵蝕速率分別為6.33和4.54 t/hm2。

表3　向上耕作土壤位移量和耕作侵蝕速率

3討論

3.1耕作方向?qū)Ω髑治g的影響

旋耕機(jī)耕作的土壤再分布模式不同于其他耕作機(jī)具，無論向上耕作、向下耕作或等高耕作，旋耕機(jī)在單次耕作過程中都引起土壤同時(shí)向上坡和向下坡移動(dòng)。大型機(jī)械化耕作機(jī)具在單次耕作過程中土壤僅發(fā)生單方向移動(dòng)，在連續(xù)的上下坡交替耕作時(shí)，土壤運(yùn)動(dòng)方向沿上坡、下坡方向交替發(fā)生[18-21]。對(duì)于非機(jī)械化耕作機(jī)具，傳統(tǒng)牛拉鏵式犁等高向下翻耕過程中土壤僅發(fā)生向下坡位移[3]，鋤耕一般采用向下耕作，土壤總是向下坡移動(dòng)[4]。紫色土坡地上部土壤“淺薄化”主要在于傳統(tǒng)耕作機(jī)具常規(guī)耕作的土壤再分布模式缺陷，因其只有向下坡位移而無向上坡位移，致使耕作侵蝕嚴(yán)重，而旋耕機(jī)耕作時(shí)向上坡位移抵消了一部分向下坡位移，減小了土壤凈位移。

等高耕作被認(rèn)為是減小耕作侵蝕的首選技術(shù)[22]。旋耕機(jī)快擋耕作時(shí)土壤位移量從大到小為：等高耕作>向下耕作>向上耕作；而慢擋耕作時(shí)：向下耕作>等高耕作>向上耕作。旋耕機(jī)快擋耕作與以往研究認(rèn)識(shí)不同。比較旋耕機(jī)常用耕作方向——等高耕作和上下坡交替耕作的耕作侵蝕強(qiáng)度，從大到小為：快擋等高耕作(7.69 t/hm2)>快擋上下坡交替耕作(6.33 t/hm2)>慢擋等高耕作(4.58 t/hm2)>慢擋上下坡交替耕作(4.54 t/hm2)。因此，從減小耕作侵蝕角度，旋耕機(jī)慢擋耕作是較優(yōu)的耕作方式，但耕作效率較低。等高耕作不適合陡坡耕地，坡度大時(shí)側(cè)翻的風(fēng)險(xiǎn)增大，上下坡交替耕作是較適合的耕作方式。

3.2耕作速度對(duì)耕作侵蝕的影響

旋耕機(jī)快擋等高耕作的前進(jìn)速度比慢擋高47%，快擋向下耕作的前進(jìn)速度比慢擋高25%，快擋向上耕作的前進(jìn)速度比慢擋高14%，表明耕作方向是影響旋耕機(jī)耕作速度的重要因素。旋耕機(jī)耕作方向?qū)Ω魉俣鹊挠绊懪c加拿大牽引式機(jī)械化耕作機(jī)具的試驗(yàn)結(jié)果相似[18]。以往研究認(rèn)為土壤傳輸量與耕作速度呈線性正相關(guān)[19]，本研究結(jié)果顯示等高耕作和向下耕作過程中快擋耕作的土壤位移量顯著高于慢擋耕作(P<0.05)，但向上耕作時(shí)不同耕作速度的土壤位移量差異不顯著(P>0.05)。這主要是由于旋耕機(jī)向上耕作過程中土壤向上坡和向下坡耕作位移隨耕作速度變化相似，土壤凈位移與耕作速度無關(guān)。旋耕機(jī)等高耕作從快擋改為慢擋，耕作侵蝕速率減小40%，這與T. A.Quine等[23]在新西蘭丘陵區(qū)的研究結(jié)果相似。為了提高耕作效率，實(shí)踐中旋耕機(jī)耕作一般青睞快擋耕作，這在一定程度上增大了耕作侵蝕。

3.3旋耕機(jī)耕作對(duì)土層深度的影響

與紫色土區(qū)傳統(tǒng)耕作工具的常規(guī)耕作方式相比，在本研究坡度范圍內(nèi)旋耕機(jī)耕作的土壤位移量明顯小于鋤頭順坡向下耕作(52.89 t/hm2)和牛拉犁等高向下翻耕(53.06 t/hm2)[3-4]，旋耕機(jī)耕作相比傳統(tǒng)耕作工具的常規(guī)耕作減少耕作侵蝕85%以上(未考慮耕作深度影響)；因此，旋耕機(jī)的推廣有利于減少耕作侵蝕。盡管紫色土坡地頂部耕作侵蝕強(qiáng)度可以達(dá)到40～100 t/(hm2·a)，按這個(gè)侵蝕速率幾十年內(nèi)就可以使坡頂20～30 cm深的土壤消失一半以上；但是現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)中絕大多數(shù)紫色土坡地上部始終維持20 cm以上的土層厚度，這個(gè)厚度與傳統(tǒng)耕作機(jī)具的耕作深度相當(dāng)?？梢姡瑐鹘y(tǒng)耕作機(jī)具對(duì)于維持紫色土坡頂?shù)耐翆雍穸绕鹬匾饔?，通過將沉積松散的泥頁巖破碎促進(jìn)其風(fēng)化成土。旋耕機(jī)按其機(jī)械耕作性能可耕深16～20 cm；但實(shí)際運(yùn)用中一般耕深為10～12 cm，實(shí)踐顯示多年連續(xù)單純旋耕易導(dǎo)致耕層變淺、理化性狀變劣[24]，長期使用旋耕機(jī)耕作可能導(dǎo)致紫色土坡頂淺薄的土層進(jìn)一步變薄，影響作物產(chǎn)量。為了達(dá)到減少耕作侵蝕和提高作物產(chǎn)量的目的，在實(shí)踐中應(yīng)實(shí)行淺耕與深耕相結(jié)合，淺耕幾年后應(yīng)實(shí)行1次深耕(>20 cm)。另外，改良旋耕機(jī)耕作刀具也是一條重要途徑，在汶川等地野外調(diào)查中發(fā)現(xiàn)旋耕刀刀頭較小時(shí)，其耕作深度超過了深耕的一般深度。

3.4旋耕機(jī)推廣應(yīng)用的限制因素

機(jī)耕道路狹窄是影響旋耕機(jī)推廣應(yīng)用的重要因素之一[25]。如前所述，研究區(qū)傳統(tǒng)耕作方式采用畜力犁耕，村道至田間地頭的道路主要功能是供行人和牲畜等通行，為了節(jié)約土地，道路寬度一般相對(duì)較小，實(shí)際測(cè)量研究區(qū)20條主要田間道路寬度為(41.6±13.14)cm，而旋耕機(jī)安裝車輪時(shí)寬度為61 cm，安裝旋耕刀時(shí)寬度為135 cm，旋耕機(jī)正常行駛的機(jī)耕道路寬度至少應(yīng)為80 cm。另外，四川丘陵區(qū)雨水較豐富，機(jī)耕道路側(cè)邊大多是排水溝，與機(jī)耕道路有一定落差，對(duì)旋耕機(jī)的安全行駛構(gòu)成一定威脅；因此，目前的機(jī)耕道路寬度導(dǎo)致很多地塊旋耕機(jī)無法到達(dá)，這直接影響旋耕機(jī)的應(yīng)用推廣。

4結(jié)論與討論

1)無論是向上耕作、向下耕作或者等高耕作，旋耕機(jī)在單次耕作過程中總是同時(shí)產(chǎn)生向上坡位移和向下坡位移，向上坡位移小于向下坡位移，土壤凈位移總是向下坡方向，坡度對(duì)等高耕作和向上耕作土壤凈位移有顯著影響，但對(duì)向下耕作無明顯影響。

2)耕作速度對(duì)等高耕作和向下耕作的耕作位移和土壤位移量有明顯影響，但對(duì)向上耕作影響較小。快擋耕作時(shí)上下交替耕作的耕作侵蝕強(qiáng)度明顯小于等高耕作，慢擋耕作時(shí)二者相當(dāng)。

3)旋耕機(jī)耕作的土壤位移量和耕作侵蝕速率明顯小于鋤頭順坡向下耕作和牛拉犁等高向下翻耕，旋耕機(jī)的推廣應(yīng)用對(duì)于防治紫色土耕作侵蝕和土壤退化有重要作用；但多年連續(xù)單純旋耕可能引起紫色土坡頂土層變薄，影響作物產(chǎn)量，定期深耕或改良耕作機(jī)具是必要的。

目前，機(jī)耕道路狹窄是制約旋耕機(jī)廣泛應(yīng)用的主要因素之一，農(nóng)用機(jī)械推廣應(yīng)首先解決的這一難題，拓寬機(jī)耕道路是一項(xiàng)巨大的系統(tǒng)工程，坡耕地田間小型機(jī)械化道路配套技術(shù)是未來研究的一個(gè)重要方向。

中國科學(xué)院水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所張建輝研究員對(duì)旋耕機(jī)耕作位移模型計(jì)算提出訂正建議，在此深表感謝。

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(責(zé)任編輯：程云郭雪芳)

Rate and pattern of tillage erosion by rotary cultivator on the steep land of purple soil

Li Fucheng, Hua Xiaoye, Wang Bin

(College of Resource & Environment, Southwest University of Science and Technology, 621010, Mianyang, Sichuan, China)

Abstract:[Background] The process mechanism and conservation technology of tillage erosion are the key research domains of science and technology for soil and water conservation at current stage in China. Most of researches on the tillage erosion have focused on the effect of towed or hanging mechanized tillage and manual or animal-powered non-mechanized tillage on soil translocation and soil loss. However, there is few researches about the processes and factors of soil redistribution by the direct-connected rotary cultivator tillage. [Methods] The magnetic tracer method was used to label soils of 84 experimental plots with different gradients ranging from 5.7% to 30.9%, and to quantitatively evaluate the rate and pattern of soil redistribution by rotary cultivator tillage on the steep land of purple soil in Sichuan Basin, southwestern China. Ilmenite powder was selected as magnetic tracer, because its contrasting color distinguished from the surrounding soil and high level of magnetic strength, and it could be closely adsorbed on soil surface and move simultaneously with the eroded soil. In order to determine effects of tillage speed and directions on tillage erosion rate, three tillage directions of i) parallel to the contour ii) downward along the slope and iii) upward along the slope, and two tillage speeds of high and low gear for each tillage direction were set up in the study. [Results] The results showed that at each tillage direction, any single tillage by rotary cultivator caused soil moving in both upslope and downslope simultaneously, and net translocation of soil was in the downslope direction due to gravity. While at different tillage speeds, the net translocation rates were significantly correlated with slope gradient in contour and upward tillage (P<0.01), respectively, but not significantly correlated in downward one (P>0.05). Net soil translocation rate decreased in the order: contour at high gear (11.53 kg/m), downward at high gear (11.40 kg/m), upward at high gear (7.59 kg/m), downward at low gear (7.33 kg/m), contour at low gear (6.87 kg/m), and upward at low gear (6.29 kg/m). Tillage erosion rates induced by upslope-downslope alternative were less than those by contour at high gear operation, however, they were equivalent at low gear operation. Tillage erosion rate (4.54-7.68 t/hm2 under downslope parcel length of 15 m conditions) by rotary cultivator was much lower than by traditional farming implements (52.89 and 53.06 t/hm2 for hoeing tillage and ox-drawn ploughing, respectively), i.e., more than 85% erosion rate decreased. [Conclusions] Therefore the expanding application of rotary cultivator should play a critical role in reducing tillage erosion and preventing soil from degradation on the sleep land of purple soil.

Keywords:tillage erosion; tillage translocation; tillage speed; tillage direction; magnetic tracer; purple soil; Mianyang Sichuan

收稿日期：2015-06-16修回日期： 2015-12-22

第一作者簡(jiǎn)介：李富程(1982—)，男，博士，講師。主要研究方向：農(nóng)業(yè)生態(tài)與水土保持。E-mail：lfckind@163.com

中圖分類號(hào)：S157.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1672-3007(2016)01-0071-08

DOI:10.16843/j.sswc.2016.01.009

項(xiàng)目名稱： 國家自然科學(xué)基金“四川紫色土區(qū)耕作機(jī)具與坡面要素的配適機(jī)制”(41401301)；西南科技大學(xué)博士基金“耕作侵蝕的邊界效應(yīng)對(duì)土壤輸送、侵蝕、補(bǔ)償與平衡機(jī)制”(13zx7129)