耕作深度對紫色土坡地旋耕機耕作侵蝕的影響

李富程, 花小葉, 黃 強

(1.西南科技大學 環(huán)境與資源學院, 四川 綿陽 621010; 2.綿陽市環(huán)境監(jiān)測中心站, 四川 綿陽 621010)

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耕作深度對紫色土坡地旋耕機耕作侵蝕的影響

李富程1, 花小葉1, 黃 強2

(1.西南科技大學 環(huán)境與資源學院, 四川 綿陽 621010; 2.綿陽市環(huán)境監(jiān)測中心站, 四川 綿陽 621010)

利用磁性示蹤法定量研究紫色土坡地旋耕機上下耕作的耕作位移和土壤位移量，分析了不同耕作深度(8，10，12 cm)對耕作侵蝕的影響。結(jié)果表明：在研究坡度范圍內(nèi)(3.43%～20.97%)，旋耕機不同耕作深度引起的土壤凈位移差異顯著(p=0.007)，且隨著耕作深度的增加土壤凈位移顯著增大，3種耕作深度的土壤凈位移與坡度均顯著相關，且隨著耕作深度的增加相關性逐漸增強；耕作侵蝕速率隨著耕作深度的增加而增大，耕作深度由8 cm增加為10 cm，耕作侵蝕速率增大了77%，由10 cm增加為12 cm耕作侵蝕速率增大了49%。耕作深度是影響紫色土坡地旋耕機耕作侵蝕的重要因素之一，增加耕作深度引起耕作侵蝕明顯增加，因此合理調(diào)控耕作深度是防治紫色土退化的一種重要措施。

耕作侵蝕; 耕作深度; 磁性示蹤; 旋耕機; 土壤退化

四川紫色土坡耕地具有坡度大、坡長短、土層薄的特點，且耕作強度大，導致該區(qū)耕作侵蝕強烈，嚴重制約土壤可持續(xù)利用。隨著農(nóng)村勞動力減少且老齡化，小型旋耕機得到廣泛應用，該區(qū)耕作侵蝕研究大多限于人工鋤、畜力犁等傳統(tǒng)耕作機具[1-4]，對旋耕機的研究較少[5]。大量研究表明耕作深度對土壤性質(zhì)、蓄水保墑能力和作物產(chǎn)量都有顯著影響[6-7]，而且也是影響耕作侵蝕的重要因素。許多學者對拖拉機牽引式鏵式犁、鑿式犁、圓盤犁開展了耕作深度與耕作侵蝕的關系研究[8-12]， St Gerontidis等研究指出鏵式犁上下耕作的耕作深度由40 cm減為20 cm導致土壤位移量減小77.2%[8]，Van Muysen 等研究指出鑿式犁耕作深度由20 cm減為15 cm導致土壤位移量減少45%以上[11]。研究表明機械化耕作區(qū)的耕作傳輸系數(shù)k隨耕作深度的增加顯著增大[8-12]，小型旋耕機的機械結(jié)構和耕作方式不同于上述耕作機具。因此，本研究采用磁性示蹤法，研究耕作深度對小型旋耕機耕作侵蝕的影響，為紫色土區(qū)土壤退化防治提供重要數(shù)據(jù)支撐。

1　材料與方法

1.1研究區(qū)概況

試驗研究區(qū)位于四川省綿陽市游仙區(qū)新橋鎮(zhèn)(31°33′14′′N，104°47′50′′E)。該區(qū)地貌以淺丘為主，海拔500～638 m，相對高差一般為50～100 m。氣候類型為亞熱帶濕潤季風氣候，年均溫度16.1℃，年均降水量986.5 mm。土壤類型為白堊系泥巖發(fā)育的黃紅紫色土，成土母質(zhì)為砂巖、泥巖的風化物，土壤表層質(zhì)地較細，土層淺薄，且直接下覆母巖層。該區(qū)傳統(tǒng)耕作機具為畜力犁，近年小型旋耕機逐漸得到廣泛應用，旋耕機耕種面積逐年上升，正常一年耕兩次。為了使耕層土壤更適合播種，每次耕作過程中一般耕作兩遍，耕作方向主要采用上下耕作。試驗地在耕作試驗前已有半年未耕過，試驗地耕層土壤容重為(1.39±0.1) g/cm3(n=137)，土壤質(zhì)量含水量為19.5%±1.5%(n=137)。

1.2試驗設計

采用磁性示蹤法測定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，主要成份為二氧化鈦、三氧化二鐵和氧化鐵。相對于磚瓦渣或煤渣等磁性示蹤劑[13-14]，鈦鐵礦粉具有磁性強、粒徑小、顏色深等特點，能夠提高土壤耕作位移測量的準確性和可操作性[4]。當?shù)剞r(nóng)民應用旋耕機的耕作深度一般在10 cm左右，本試驗將耕作深度設計為8，10，12 cm三種深度，以符合常用耕作深度。選擇1塊長期自然耕作的坡耕地，從坡頂?shù)狡履_坡度的變化范圍為3.43%～20.97%，將坡地沿順坡方向分為三部分，分別進行8，10，12 cm三種耕作深度的耕作試驗。從坡頂?shù)狡履_依次布設磁性示蹤小區(qū)，相鄰示蹤小區(qū)在平行等高線方向間距0.5 m以上，在垂直等高線方向間距2 m以上，避免耕作時相互影響。每種耕作深度設置17個示蹤小區(qū)，共計51個。采用重慶吉寶機械制造有限公司生產(chǎn)的吉寶牌柴油旋耕機進行耕作，其主要技術參數(shù)如下：旋耕機總重120 kg，外形尺寸1 700 mm×1 350 mm×900 mm，發(fā)動機功率6.3 kW，轉(zhuǎn)速3600 rpm，旋耕刀總數(shù)32把，直徑33.5 cm，幅寬135 cm。

磁性示蹤法測得耕作位移試驗的具體步驟如下：設置長1.00 m，寬0.20 m，深0.08～0.12 m(依試驗設計耕作深度設置)的示蹤小區(qū)，示蹤小區(qū)長邊平行于等高線方向，挖出的土壤堆放在塑料布上，棄去1.5 kg土，再加入等量磁性示蹤劑，充分混勻后利用磁化率儀(SM-30)測定土壤磁化率，測定完成后將混有磁性示蹤劑的土壤按原田間土壤容量回填于示蹤小區(qū)內(nèi)。按當?shù)馗髁晳T，耕作方向設置為先向上坡后向下坡耕作，上下坡耕作路徑保持一致。耕作后將一個長寬高為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間距從小區(qū)中心線分別向上坡、向下坡磁性示蹤劑分布的最遠點連續(xù)取樣，取樣深度限定于耕作深度，所采樣品充分混勻后測定土壤磁化率。

1.3計算方法

耕作引起的土壤位移可根據(jù)示蹤劑的移動分布計算[3,15]：

(1)

式中：Dd為耕作引起的平均土壤移位距離(m)；C0為耕作前示蹤小區(qū)的土壤磁化率(SI)；C(x)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)。

耕作位移和土壤位移量運用張建輝[3]等改進的模型計算：

Dd=k1+k2S

(2)

Qs=k3+k4S

(3)

k3=Dtρbk1

(4)

k4=Dtρbk2

(5)

式中：S為坡度(m/m)；Qs為單次耕作引起的土壤位移量(kg/m)；k1，k2為土壤耕作位移系數(shù)(m)；k3，k4為單次耕作的土壤耕作傳輸系數(shù)(kg/m)；Dt為耕作層深度(m)；ρb為土壤容重(kg/m3)。

耕作侵蝕速率取決于土壤位移量和坡長[3]，計算公式如下：

(6)

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

1.4數(shù)據(jù)分析

利用方差分析研究旋耕機不同耕作深度的土壤耕作位移、土壤位移量和耕作侵蝕速率是否存在顯著差異；通過回歸分析建立不同耕作深度的土壤平均位移距離、土壤凈位移與坡度的關系。

2　結(jié)果與分析

2.1示蹤劑空間分布

研究坡地土壤磁化率本底值為0.089×10-3～0.278×10-3SI，平均為0.104×10-3SI。耕作前示蹤小區(qū)土壤磁化率達21.1×10-3～43.7×10-3SI，平均為31.2×10-3SI，是土壤背景值的300倍；耕作后示蹤劑分布路徑內(nèi)的土壤磁化率為0.4×10-3～17.9×10-3SI，平均為3.67×10-3SI，是土壤背景值的35倍。由于示蹤小區(qū)混入示蹤劑后的土壤磁化率顯著大于土壤磁化率本底值，而且示蹤區(qū)范圍內(nèi)耕層土壤磁化率本底值基本一致，因此，土壤本身的磁化率對耕作位移的測定無影響。

以磁性示蹤小區(qū)的中心線為基準，旋耕機上下耕作后，示蹤小區(qū)的上坡部位和下坡部位均出現(xiàn)磁性示蹤劑。耕作后示蹤劑濃度在原小區(qū)位置顯著降低，但其濃度最高值仍在原小區(qū)內(nèi)，且均出現(xiàn)在基線下坡方向，在其上坡和下坡部位示蹤劑濃度均逐漸減小。耕作深度8，10，12 cm時示蹤劑向上坡最大位移分別為0.3～0.4，0.2～0.4，0.2～0.4 m，不同耕作深度土壤向上坡最大位移無明顯差異。與向上坡最大位移不同，向下坡最大位移隨耕作深度的增加而增大，耕作深度8 cm時示蹤劑向下坡最大位移為0.5～0.6 m；耕作深度10 cm時示蹤劑向下坡最大位移為0.4～0.7 m；耕作深度12 cm時示蹤劑向下坡最大位移為0.5～0.8 m。這種差異主要源于不同耕作深度時土壤剖面對旋耕機的阻力不同，以及旋耕機刀片旋轉(zhuǎn)過程中將土塊向前后拋擲的角度也不同。

2.2耕作位移和土壤位移量

2.2.1耕作位移與耕作深度的關系不同耕作深度引起的土壤向上坡耕作位移無顯著差異(p=0.19)，耕作深度8，10，12 cm時土壤向上坡耕作位移平均值均為0.04 m(表1)。與土壤向上坡耕作位移不同，土壤向下坡耕作位移隨耕作深度的增加而增大(p=0.01)，耕作深度8，10，12 cm引起的土壤向下坡耕作位移平均值分別為0.08，0.10，0.11 m(表1)，其中耕作深度8 cm與10 cm (p=0.03)和12 cm (p=0.003)的土壤向下坡耕作位移存在顯著差異，而耕作深度10 cm與12 cm無顯著差異(p=0.38)。可見，旋耕機不同耕作深度引起的向上坡耕作位移總是小于向下坡耕作位移。

表1　旋耕機不同耕作深度時的耕作侵蝕特征指標

注:耕作侵蝕速率以坡長10 m計；同一行字母相同表示無顯著差異，字母不同表示存在顯著差異(p<0.05)。

土壤凈位移取決于向上坡和向下坡耕作位移的平衡結(jié)果。耕作深度8，10，12 cm土壤凈位移平均值分別為0.04，0.06，0.08 m(表1)，方差分析顯示不同耕作深度引起的土壤凈位移存在顯著差異(p=0.007)。這些結(jié)果表明旋耕機上下耕作導致土壤向下坡方向流失，耕作位移與耕作深度成正比。不同耕作深度的土壤凈位移量大小關系為：8 cm <10 cm <12 cm，耕作深度由8 cm增加為10 cm，土壤位移量增大了77.0%，耕作深度由10 cm增加為12 cm，土壤位移量增大了49.2%。

2.2.2耕作位移與坡度的關系旋耕機不同耕作深度引起的向上坡和向下坡耕作位移與坡度的關系不同(圖1)。從圖1可以看出，耕作深度為8 cm時，土壤向上坡耕作位移與坡度顯著相關(R2=0.2536，p=0.035)，而土壤向下坡耕作位移與坡度無顯著相關性(R2=0.2385，p=0.063)。耕作深度為10 cm時，土壤向上坡耕作位移與坡度無顯著相關性(R2=0.0295，p=0.785)，而土壤向下坡耕作位移與坡度顯著相關(R2=0.403，p=0.008)。耕作深度為12 cm時，土壤向上坡耕作位移與坡度顯著相關 (R2=0.2484，p=0.037)，而土壤向下坡耕作位移與坡度也顯著相關(R2=0.5458，p=0.001)。這些結(jié)果顯示出隨著耕作深度的增加，土壤向上坡耕作位移與坡度的關系由負相關轉(zhuǎn)變?yōu)檎嚓P，而土壤向下坡耕作位移與坡度的正相關程度不斷提高。

旋耕機上下耕作的不同耕作深度均導致土壤發(fā)生向下坡凈位移，耕作深度8，10，12 cm的土壤凈位移與坡度均顯著正相關，二者可由線性方程很好的擬合(圖2)，判定系數(shù)R2分別為0.301 8(p=0.039)，0.389 2(p=0.01)，0.413 5(p=0.006)。這些結(jié)果表明土壤凈位移與坡度的關系受耕作深度的影響，且隨著耕作深度的增加，坡度對土壤凈位移的影響逐漸增大。這主要是由于隨著耕作深度的增加，土壤切削面積增大，相應發(fā)生位移的土壤體積也會增大，導致向下坡土壤耕作位移增大。

圖1　不同耕作深度土壤耕作位移與坡度的關系

圖2　不同耕作深度土壤凈位移與坡度的關系

2.3耕作侵蝕速率

耕作傳輸系數(shù)k3和k4均隨著耕作深度的增加而明顯增大。耕作深度為8 cm時，耕作傳輸系數(shù)k3和k4分別為0.84和39.42 kg/m；耕作深度為10 cm時，耕作傳輸系數(shù)k3和k4分別為1.36，65.66 kg/m；耕作深度為12 cm時，耕作傳輸系數(shù)k3和k4分別為2.44，98.73 kg/m。以坡長10 m計，耕作深度為8 cm時耕作侵蝕速率為2.19～7.90 t/hm2，平均值4.97 t/hm2(表1)，耕作深度10 cm，12 cm時耕作侵蝕速率分別為4.71～14.87 t/hm2(平均值為8.78 t/hm2)和6.65～21.2 t/hm2(平均值為13.10 t/hm2)。不同耕作深度的耕作侵蝕速率均存在顯著差異(p<0.001)。耕作侵蝕速率隨耕作深度的增加而增大，耕作深度由8 cm增加為10 cm時耕作侵蝕速率增大了77.0%，由10 cm增加為12 cm時增大了49.2%。

3　討 論

旋耕機耕作深度由12 cm減為8 cm(33%)導致土壤位移量減小62%，這與鏵式犁和鑿式犁等大型機械化耕作機具的結(jié)果基本一致[8,11,16]。耕作傳輸系數(shù)k可以用來評價耕作侵蝕的強度，k值越大，耕作侵蝕強度越大。旋耕機耕作深度為8 cm時的耕作傳輸系數(shù)k3和k4(0.84和39.42 kg/m)分別比耕作深度為12 cm時(2.44和98.73 kg/m)小65.6%和60.1%；耕作深度為10 cm時的耕作傳輸系數(shù)k3和k4(1.36和65.66 kg/m)分別比耕作深度為12 cm時小44.3%和33.5%。旋耕機不同耕作深度的耕作傳輸系數(shù)k3和k4都明顯小于該區(qū)域鋤耕向下耕作，旋耕機的耕作傳輸系數(shù)k3明顯小于鋤耕等高耕作，而k4卻明顯大于鋤耕等高耕作(表2)。方差分析顯示旋耕機耕作深度為12 cm時與鋤耕等高耕作的土壤位移量相當(p=0.21)，而旋耕機耕作深度為8，10 cm時明顯小于鋤耕等高耕作(p<0.001)。因此，旋耕機耕作是一種減少耕作侵蝕的有效措施。

雖然減小旋耕機耕作深度，有利于減小耕作侵蝕，然而長期進行旋耕機淺耕，則不利于紫色土的土壤保持，甚至可能導致坡頂本身淺薄的土層進一步變淺，進而影響作物產(chǎn)量。大多數(shù)紫色土坡地上部土層厚度在20 cm左右，這個厚度與傳統(tǒng)耕作機具的耕作深度相當，耕作將沉積松散的泥頁巖破碎促進其風化成土，這對于維持紫色土坡頂?shù)耐翆雍穸绕鹬匾饔?。旋耕機按其機械性能耕作深度可達16—18 cm，但實際運用中耕作深度多為10—12 cm，這個耕作深度很難達到傳統(tǒng)耕作機具促進母巖風化成土的作用，而且旋耕機不具備傳統(tǒng)耕作機具將坡地景觀外的土壤搬運至耕地內(nèi)部的作用[17]。因此，對于紫色土旋耕機耕作，可考慮將淺耕與深翻相結(jié)合，淺耕有助于減小耕作侵蝕，防止土壤退化，深耕有助于改善耕層土壤，促進母巖風化成土。

表2　部分區(qū)域的耕作傳輸系數(shù)[1-3,8,11,16]

4　結(jié) 論

(1) 耕作深度對旋耕機上下耕作的耕作侵蝕有顯著影響，隨著耕作深度的增大，土壤凈位移、土壤凈位移量和耕作侵蝕速率顯著增大。

(2) 旋耕機上下耕作導致的土壤再分布受耕作深度、坡度的共同影響，隨耕作深度的增加，耕作位移與坡度的相關性逐漸增強。

(3) 旋耕機上下耕作的土壤耕作傳輸系數(shù)k3和k4均隨著耕作深度的增加而增大，減小旋耕機耕作深度可以減少耕作侵蝕，有利于土壤保護，但長期淺耕易導致耕層土壤變薄，使用旋耕機耕作時，選擇合理的耕作深度并定期深耕，可在減小耕作侵蝕的同時有效防治土壤退化。

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Effects of Tillage Depth on Tillage Erosion by Rotary Cultivator Plough on the Steep Land in Purple Soil

LI Fucheng1, HUA Xiaoye1, HUANG Qiang2

(1.CollegeofResources&Environment,SouthwestUniversityofScienceandTechnology,Mianyang,Sichuan621010,China; 2.MianyangEnvironmentalMonitoringCenter,Mianyang,Sichuan621010,China)

This study was implemented in purple soil regions of Sichuan. To evaluate the effect of tillage depth on tillage erosion by rotary cultivator plough, the magnetic tracer was used to label experiment plots of soil to quantify soil translocation and soil flux due to tillage. Three tillage depths of 8, 10 and 12 cm were set and seventeen plots were established for each tillage depth on a series of hillslopes with slope gradients ranging from 3.43% to 20.97%. The results showed that net soil displacement distances under different tillage depths were significantly different (p=0.007) and increased with tillage depth. Soil displacement distances were positively correlated to slope gradients for all treatments. Especially， the coefficient was gradually improved with the increasing tillage depth. As tillage depth increased from 8 cm to 10 cm and 10 cm to 12 cm, tillage erosion rate increased by 77% and 49%, respectively. Consequently， tillage depth was one of the critical factors affecting tillage erosion by rotary cultivator plough. Because tillage erosivity markedly enhanced with the increase of tillage depth, reasonably regulating the tillage depth plays an important role in prevention and control of soil degradation in the area of purple soil.

tillage erosion; tillage depth; magnetic tracer; rotary cultivator; soil degradation

2015-07-12

2015-08-18

國家自然科學基金(41401301);西南科技大學博士基金(13zx7129)

李富程(1982—),男,吉林蛟河人,博士,講師,主要從事農(nóng)業(yè)生態(tài)與水土保持研究。E-mail:lfckind@163.com

S157.1

A

1005-3409(2016)04-0001-05