超量灌溉對農(nóng)田耕作區(qū)水土肥流失的影響*

單長河，汪艷萍

(1．河北工程技術(shù)高等?？茖W校水利系，滄州 060001;2．河北工程技術(shù)高等?？茖W?；A部，滄州 060001)

1 緣由

土地是人類賴以生存與發(fā)展的重要物質(zhì)基礎，世界各國普遍重視對土地特別是耕地資源的利用與保護。對土地資源的保護不但要求對土地數(shù)量，也包括對土地生產(chǎn)力的保護。由于水土流失現(xiàn)象造成了土地水、土、肥的嚴重流失。因此對水土流失規(guī)律的研究是十分重要的［1-2］。

我國是世界上水土流失嚴重的國家之一，2014年中國第二次水土流失遙感調(diào)查成果表明:全國水土流失面積達356萬，占國土面積的37%，每年流失土壤達50億t，土地面積和土壤厚度均在減小。1949年以來由于水土流失而毀掉的耕地266．67萬hm2，每年流失的土壤相當于刮去1cm厚的沃土。許多水土流失地區(qū)，因地表植被缺乏，暴雨驟襲破壞地表土壤結(jié)構(gòu)，造成大量降雨白白流走。水土流失對環(huán)境生態(tài)的破壞也很嚴重，使耕地土層減薄，土壤水分與肥力下降，植被減少，造成小氣候干旱、燥熱。干旱多風沙的地區(qū)，地表植被破壞，還引起土地沙化，破壞了植物生長環(huán)境與生態(tài)平衡，進一步加劇水土流失，人類的生產(chǎn)生活環(huán)境也隨之惡化。據(jù)試驗資料，僅黃土丘陵地區(qū)坡耕地平均每年流失水量約225～450m3/hm2，多的可達900m3/hm2。每年水力侵蝕損失土層厚度達0．2～1．0cm，嚴重地區(qū)達2．0cm以上。因此流失氮、磷、鉀分別為8～15t/km2、15～40 t/km2、200～300 t/km2，形成了跑土、跑水、跑肥的“三跑田”［3］。

目前，山區(qū)、丘陵區(qū)的水土流失及治理，已有大量的資料與成功的技術(shù)，特別是我國制定了《水土保持技術(shù)規(guī)范》后，山、丘陵區(qū)的水土保持工作已引起各級領導的高度重視，但對于平原農(nóng)田耕作區(qū)的水、土、肥的流失與治理，資料或研究成果比較罕見［4］。1999年1月實施的土地法規(guī)定:“十分珍惜、合理利用土地與切實保護耕地是我國的基本國策，各級人民政府應當采取措施，全面規(guī)劃，嚴格管理，保護、開發(fā)土地資源”。土地作為農(nóng)業(yè)最基本且不可替代的資源，耕地狀況是決定我國農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的最重要因素。研究平原農(nóng)田耕作區(qū)在天然降雨、大定額灌溉的條件下土壤中水、土、肥的流失機理與規(guī)律，方可為平原耕作區(qū)防治水、土、肥的流失提出切實可行的技術(shù)措施［5-6］。

2 人工模擬降雨沖刷試驗

河北平原是我國重要糧食基地之一，河北平原區(qū)耕地的管理、保護、開發(fā)肩負著更為復雜而艱難的任務。文章通過室內(nèi)階段試驗，初步研究了河北平原農(nóng)田耕作區(qū)在天然降雨、超強度灌溉等條件下的水、土、肥流失的規(guī)律，提出了較有說服力的參數(shù)，河北平原屬于典型的濱海平原，本試驗選擇滄州棗糧間作地中壤質(zhì)土具有一定的代表性，能夠?qū)ξ覈皆貐^(qū)農(nóng)田耕作區(qū)土地保護、開發(fā)工作提供依據(jù)［7-9］。

2.1 試驗所用的材料及設備

試驗用土:滄州棗糧間作地中壤質(zhì)土，

試驗用水:滄州城市用水，

試驗中用的肥料:硝酸磷肥，主要成分N:27%～25%、P2O5:10%～13．5%，用量40±0．2g，

鐵獅尿素，主要成分N:≥46．3%，用量40±0．2g，

試驗水槽:長400cm、寬50cm、高90cm，地面坡度1%，

試驗設備:降雨噴頭、水桶等噴水與取樣設備、儀器。

2.2 試驗方案

(1)第一次沖刷試驗。小降雨強度下，12h降雨總量4mm。主要分析土槽在小雨強、無追加肥情況下，土壤經(jīng)水流沖刷后，土壤中水、土、肥的流失規(guī)律。

(2)第二次沖刷試驗。大降雨強度下，12h總降雨量18mm。分析大降雨強度，無追加肥情況下，土壤經(jīng)水流沖刷后，土壤中水、土、肥的流失規(guī)律。

(3)第三次沖刷試驗。小降雨強度下，12h總降雨量4mm，追加肥60kg/667m2。土壤經(jīng)水流沖刷后，土壤中水、土、肥的流失規(guī)律。

(4)第四次沖刷試驗。大降雨強度下，追加肥60kg/667m2，12h總降雨量16mm。土壤經(jīng)水流沖刷后，土壤中水、土、肥的流失規(guī)律。

2.3 試驗觀測數(shù)據(jù)和結(jié)果分析

2．3．1 水樣的分析

每次試驗，在徑流出水口每隔2小時24分鐘取水樣一次 (共5次)，分析其泥沙含量與養(yǎng)分含量的變化。

(1)水樣泥沙含量的變化

圖1 清水沖刷試驗水樣含沙量變化

圖2 肥水沖刷試驗水樣含沙量變化

由圖1、圖2可知，4次試驗所取的水樣含沙量都是由小變大再變小的過程，且都出現(xiàn)了一個“峰值”;徑流攜沙能力隨雨強增大而增大。除第一次試驗外，第二次和第四次試驗水樣含沙量都比第三次要高，這正是因為第二次和第四次試驗雨強大于第三次。第一次試驗各次取水樣含沙量普遍偏高，主要是試驗初期土壤含水量低，土體松散，徑流泥沙攜帶量也就多。

(2)水樣養(yǎng)分的分析

①清水降雨沖刷試驗

第一次沖刷試驗水樣養(yǎng)分變化曲線，堿解氮含量最高時出現(xiàn)在第三組水樣中，速效磷含量最高值出現(xiàn)在第一、三、五組水樣中，而速效鉀含量高值集中在前3組水樣。第二次沖刷試驗，第三、四組水樣中堿解氮、速效磷、速效鉀的含量都是最高的。對照水樣的泥沙含量變化曲線就會發(fā)現(xiàn)，第一次試驗水樣泥沙含量峰值出現(xiàn)在第三組水樣中，第二次試驗水樣泥沙含量最高值集中在第三、第四組水樣，與養(yǎng)分變化趨勢一致。證明了產(chǎn)流沖刷養(yǎng)分的多少與其攜沙量的多少有關(guān)，隨挾沙量的增多而增多。

圖3 第一、二次試驗水樣養(yǎng)分變化

圖4 第一、二次試驗水樣養(yǎng)分變化

圖5 第一、二次試驗水樣養(yǎng)分變化

從圖3、圖4、圖5中2次試驗水樣養(yǎng)分含量變化幅度發(fā)現(xiàn)，第二次試驗徑流攜帶的各種養(yǎng)分比第一次的偏高。證明徑流量越大，對土壤沖刷越大，造成土壤養(yǎng)分損失也越多。

②肥水降雨沖刷試驗

圖6 第三、四次試驗水樣養(yǎng)分變化

圖7 第三、四次試驗水樣養(yǎng)分變化

圖8 第三、四次試驗水樣養(yǎng)分變化

由圖6、圖7、圖8中曲線可知，第三次實驗中氮、鉀含量較高，而第四次實驗中磷的含量較高。第三、四次沖刷實驗總降水量相同，但第三次實驗降雨時間比第四次長很多，因此第三次降雨強度小，徑流時間長，土壤中的氮、鉀極易被水流帶走而損失。而第四次沖刷實驗降雨強度大，水流沖刷力強，沖刷損失土壤的同時帶走了較多的養(yǎng)分，使磷含量偏高。

總之，水樣泥沙含量與養(yǎng)分含量的變化規(guī)律再次說明，降雨 (灌水)強度與入滲強度決定了土壤的水分入滲量與土表徑流量的多少。降雨 (灌水)強度變小，或是提高土壤入滲能力都能增加土壤入滲量，減少徑流量。

2．3．2 沖刷試驗前后土壤含水量及養(yǎng)分變化規(guī)律

(1)土壤的含水量變化

試驗中，在不同土層不同位置 (坡首、坡中、坡尾)取了土樣，進行含水量和養(yǎng)分含量的測定。各取土位置點含水量試驗前后變化規(guī)律大致相同，現(xiàn)以20cm土層含水量變化來進行分析。

圖9 第一次試驗前后20cm處含水量變化

圖10 第二次試驗前后20cm處含水量變化

圖11 第三次試驗前后20cm處含水量變化

圖12 第四次試驗前后20cm處含水量變化

由圖9、圖10、圖11、圖12含水量變化曲線可以看出，試驗后土壤含水量從坡首到坡尾呈現(xiàn)遞增的趨勢，坡首徑流時間短，滲入到土中的水分少，含水量低。坡中到坡尾徑流時間依次增加，含水量也就逐漸變高。土壤表層及40cm處土層含水量變化趨勢也是這樣，只不過表層變幅更大。這說明雨強大的降雨 (或大定額灌水)，引起田間水分不均勻分布，這不利于提高農(nóng)田的整體水分條件，也不利于充分利用水資源。

第二次和第四次試驗前后土層相同取土點的含水量相差不大，這兩次試驗的降雨強度都很大，引起土層表面徑流量增大，而滲入到土層的水分減少，則含水量變化很小。

(2)土壤養(yǎng)分分析

降雨引起土壤水分在水平和垂直方向上的分布，從而引起土壤養(yǎng)分的相應變化。徑流沖刷土壤，造成養(yǎng)分流失;入滲使水分被土壤吸收，促成土壤對養(yǎng)分的固定。

①徑流引起養(yǎng)分在水平方向的變化

Ⅰ、清水降雨沖刷試驗

由前面含水量變化曲線可知，20cm土層試驗前后含水量變化很大，所以對土壤養(yǎng)分變化的分析，還依據(jù)20cm土層取土點的數(shù)據(jù)。

圖13 第一次沖刷試驗前后20cm處養(yǎng)分變化

圖14 第一次沖刷試驗前后20cm處養(yǎng)分變化

由圖13、圖14、圖15、圖16明顯看出土壤中的堿解氮、速效磷的變化規(guī)律是從坡首到坡尾逐漸變大，這與含水量變化趨勢相符。說明土壤中養(yǎng)分是隨水分移動的，當然這不是簡單機械運動，其中有復雜的物理與化學變化。從圖中還可以看出徑流對土層中影響范圍內(nèi)的養(yǎng)分作用也很顯著的。從圖13中可知堿解氮比試驗前減少了，顯然是被徑流攜帶走，或是隨入滲水流滲入下層土壤中。試驗前后土壤有機質(zhì)含量變化不大。

Ⅱ、肥水降雨沖刷試驗

圖15 第二次沖刷試驗前后20cm處養(yǎng)分變化

圖16 第二次沖刷試驗前后20cm處養(yǎng)分變化

圖17 第三次沖刷試驗前后20cm處養(yǎng)分變化

圖18 第三次沖刷試驗前后20cm處養(yǎng)分變化

圖19 第四次沖刷試驗前后20cm處養(yǎng)分變化

圖20 第四次沖刷試驗前后20cm處養(yǎng)分變化

2次試驗后，各土層堿解氮的含量都降低了，從速效磷含量變化曲線上看出，各土層試驗后含量都比試驗前有所增加。另外，從圖17、圖18、圖19、圖20中2次試驗養(yǎng)分變化幅度可知，第三次比第四次增幅大。再次證明降雨或灌水強度越大越不利于土壤吸收養(yǎng)分，從而造成肥料流失。

②水分入滲引起土壤養(yǎng)分沿土層深度變化

以坡中位置不同深度土壤中的堿解氮變化為例。

圖21 第二次沖刷試驗前后坡中不同深度養(yǎng)分變化

圖22 第三次沖刷試驗前后坡中不同深度養(yǎng)分變化

第二次沖刷試驗后 (圖21)，坡中位置20cm深處土壤中堿解氮的含量是最高的。由前面含水量分析知，20cm處的含水量多，在不產(chǎn)生深層滲漏的情況下，含水量高的土壤層養(yǎng)分聚集較多。第三次沖刷試驗后 (圖22)，坡中位置20cm深處土壤中堿解氮的含量反而比試驗前的還低，顯然養(yǎng)分隨徑流流失或產(chǎn)生深層滲漏到下層土壤。

3 結(jié)論

平原農(nóng)田耕作區(qū)的田間土壤在大暴雨或高強度灌水 (如噴灌)情況下，水、土、肥流失是顯見的［10］;在農(nóng)田中，較長時間的地面徑流 (如大定額地面灌溉)顯然也是不利的，它也會導致水分流失、土壤沖刷，養(yǎng)分損失;在暴雨期間，土壤入滲強度決定了地面產(chǎn)生的徑流量大小，從而也決定了能否發(fā)生沖刷的危險。所以，平原農(nóng)田耕作區(qū)水土保持的重點應放在防止水、肥流失上，綜合開發(fā)與利用水土資源，全面提高土地生產(chǎn)力。因此，應采取有效措施，提高土壤的入滲性能，減少徑流，防止沖刷。

提高土壤入滲性能的措施有:(1)保護地表免受雨滴打擊。在雨滴的打擊作用下，地表會形成封閉層 (結(jié)皮)，影響水分入滲?？赏ㄟ^對地表進行覆蓋的措施，如采用傳統(tǒng)耕作秸稈還田或用免耕秸稈覆蓋，既保護了地表，對土壤保持水分也有幫助，同時充分利用了資源，保護了環(huán)境。(2)減緩農(nóng)田坡度或采取有效排水措施 (增加排水溝數(shù)量，降低排水溝間距)，能夠避免產(chǎn)生較大徑流對土壤的沖刷。(3)加大表層土壤貯水量。土壤保持水分的能力與其本身的結(jié)構(gòu)和性狀有關(guān)，土體松散，土壤空隙多，土壤吸收水分自然就多?？赏ㄟ^田間耕作，特別是進行播前深耕和適度中耕，能增加水分入滲，提高地表貯水能力，對徑流產(chǎn)生阻礙作用。

［1］ 王慶河．農(nóng)田水利學．北京:中國水利水電出版社，2006，8

［2］ 翟浩輝．治理水土流失改善生態(tài)環(huán)境．人民日報，2000-08-07

［3］ 汪恕誠．開創(chuàng)水土保持生態(tài)環(huán)境建設新局面．人民日報，1999-08-12

［4］ 辛樹幟，蔣德麟．中國水土保持概論．北京:農(nóng)業(yè)出版社，1986

［5］ 唐可麗．中國土壤與水土保持學的特點及展望．水土保持與研究，1996，6:25

［6］ 趙南起．我國防治荒漠化的嚴峻形勢及對策．人民日報，2000，6:16

［7］ 陳學淵，唐華俊，吳永常，等．海河流域水資源對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響分析．中國農(nóng)業(yè)資源與區(qū)劃，2012，5(33):34～39

［8］ 陳曉華，張玉香，張合成．中國農(nóng)業(yè)統(tǒng)計資料2011．北京:中國農(nóng)業(yè)出版社，2012

［9］ 劉北樺．強化農(nóng)業(yè)資源持續(xù)利用工作 積極推進區(qū)域農(nóng)業(yè)協(xié)調(diào)發(fā)展．中國農(nóng)業(yè)資源與區(qū)劃，2014，35(3):1～5

［10］ Aspinall R．Editorial．Journal of land Use Science，2006，1(1):1 ～4