不同耕作措施對(duì)南方壤粘土的侵蝕產(chǎn)流產(chǎn)沙影響

孫芳媛，王寶龍，王　濤，韋鐘繼，楊丹彤

(華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院，廣州　510642)

0　引言

廣東省是全國暴雨最為頻繁的地區(qū)之一，年均降水量達(dá)1 771mm，而汛期(4-9月)降雨量占全年雨量的79%，年均暴雨日數(shù)(≥50mm)4～10天。據(jù)氣象部門統(tǒng)計(jì)，1h降水極大值和24h降水極大值分別達(dá)195.5mm和654.5mm[1]。傳統(tǒng)耕作土壤裸露，暴雨造成土壤侵蝕，大量營養(yǎng)元素及有機(jī)質(zhì)伴隨表層細(xì)軟土而流失，導(dǎo)致土壤肥力的持續(xù)下降。坡耕地由于墾植影響，土質(zhì)疏松，更易受暴雨侵蝕。以往關(guān)于土壤侵蝕的研究多在于解釋侵蝕機(jī)理，分析濺蝕、溝蝕、坡面水蝕的時(shí)空變化過程，而未從防治層面去預(yù)防土壤侵蝕。本文針對(duì)幾種南方旱作保護(hù)性耕作措施，探尋不同表土處理方式下土壤對(duì)暴雨侵蝕的抵抗程度，并選擇秸稈覆蓋、免耕、傳統(tǒng)壟作3種在廣東常見的旱作表土耕作方式進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。

秸稈覆蓋在防治土壤水蝕方面的作用已被大量研究和生產(chǎn)實(shí)踐所證明[2-5]。秸稈覆蓋可攔截雨滴，降低雨滴的終速度，防止雨滴直接打擊地表；且避免雨滴濺蝕是秸稈覆蓋最直接的作用。此外，秸稈覆蓋還可提高土壤入滲量和地表蓄水量，降低徑流速度。

王曉燕[6]在華北砂壤土的研究表明：覆蓋率越高,徑流開始時(shí)間和土壤達(dá)到田間持水量時(shí)間越晚。張華嵩[7]的研究表明：土壤入滲量隨覆蓋度的增加而增加，地表徑流量、土壤侵蝕量隨覆蓋度的增加而減少；長期的秸稈覆蓋還有助于提高有機(jī)質(zhì)含量及土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性，可改善土壤結(jié)構(gòu)[8]。

免耕是保護(hù)性耕作措施之一，在作物播種前不翻耕，直接用免耕播種機(jī)下種溝，將對(duì)土壤的擾動(dòng)控制在保證種子發(fā)芽即可。因免少耕不破壞土壤結(jié)構(gòu)，且保留殘茬在地表，不僅緩釋了雨滴動(dòng)能，作物根系的束縛還避免土壤團(tuán)聚體分離、減少徑流速率，一定程度上還可攔截泥沙、減少侵蝕量[9-10]。Blevins[11]在土質(zhì)為粉砂質(zhì)粘壤土的田塊中進(jìn)行了為期4年的觀測(cè)研究得知：常規(guī)耕作的侵蝕量為19.79t/hm2，免耕僅為0.55t/hm2。

壟作栽培在南方甜玉米、馬鈴薯等作物上已取得了較為廣泛的應(yīng)用，該方式宜布設(shè)于20°以下的坡耕地，是南方紅壤丘陵區(qū)常見的保土耕地措施之一[12]。通過在坡耕地上每隔一定距離修筑一個(gè)略低于壟臺(tái)的壟溝，利用壟臺(tái)分隔壟溝，通過改變微地形起到攔截降水、蓄水留肥的作用。John E. Morrision[13]指出：美國在20世紀(jì)50、60年代興起壟作栽培的保護(hù)性耕作技術(shù)，改善了根際土壤的通氣性和排水性能[14]；多雨年份，作物種植于30cm的壟上在可以減少33%的土壤流失。

壟作作為廣東省旱作甜玉米地典型的種植方式，一方面由于溝和壟的存在增加了地面的受雨面積，減少了單位面積雨水的打擊強(qiáng)度；另一方面，由于起壟，人為制造了更多的坡度，疏松的土壤堆砌出的壟臺(tái)更易受到暴雨侵蝕。要想充分發(fā)揮其水土保持效果，修建時(shí)需要考慮降雨、坡度、地形及配套耕作措施等諸多因素。南方田塊形狀大小不一，沿田塊邊緣起壟往往會(huì)呈現(xiàn)縱向和橫向兩種方式的壟溝，平地起壟不會(huì)造成水土流失，而坡耕地起壟時(shí)不同走向的壟溝分布對(duì)土壤侵蝕的防治效果有待進(jìn)一步研究。為此，將傳統(tǒng)壟作作為對(duì)照，比較不同起壟方向的土壤抗侵蝕效果。

1　材料與方法

本試驗(yàn)采用微徑流場(chǎng)配合人工降雨，觀測(cè)產(chǎn)流產(chǎn)沙情況，以研究耕作措施對(duì)坡耕地的水土保持效應(yīng)。

1.1　試驗(yàn)土壤基本性質(zhì)

2017年2月，在華南農(nóng)業(yè)大學(xué)北門農(nóng)業(yè)機(jī)械實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行試驗(yàn)，土壤取自河源市連平縣安吉村的農(nóng)田土；鮑氏比重計(jì)法測(cè)試土壤質(zhì)地，得出黏粒、粉粒、砂粒含量分別為43.6%、15.4%、41%。土壤質(zhì)地為壤質(zhì)粘土，容重1.35g/cm3，有機(jī)質(zhì)含量2.1%。

1.2　微徑流場(chǎng)結(jié)構(gòu)

用鐵板焊長×寬×深為1.5m×0.5m×0.5m的土槽作為微徑流場(chǎng)，一側(cè)墊高，坡度為3°。南方土壤普遍存在犁底層，為此槽底不打孔；為降低邊壁對(duì)入滲、產(chǎn)流過程及坡面侵蝕微形態(tài)發(fā)育等方面的影響[15]，將土樣混合均勻后分層裝土，每層填土深度為5cm，每填一層土壤用平板稍加壓實(shí)，使下墊面土壤的變異性達(dá)到最小，最大程度還原農(nóng)田土壤的原生結(jié)構(gòu)。微徑流場(chǎng)結(jié)構(gòu)模擬裝置如圖1所示。

圖1　微徑流場(chǎng)模擬裝置

1.3　模擬降雨裝置

模擬降雨可再現(xiàn)自然降雨對(duì)土壤的侵蝕過程，加速研究進(jìn)程。模擬降雨系統(tǒng)采用帶初速度的O型下噴式噴頭，有效降雨高度約為2m，有效降雨面積為1.5m。人工模擬降雨的特性(如降雨強(qiáng)度、雨滴特性、降雨歷時(shí)、均勻度及降雨量等)與自然降雨的相似程度是考察人工降雨系統(tǒng)是否可用的關(guān)鍵[16-17]。為此，針對(duì)性地對(duì)降雨強(qiáng)度、降雨均勻性、雨滴直徑和雨滴動(dòng)能等參數(shù)逐個(gè)調(diào)整，進(jìn)行率定性的試驗(yàn)，最后應(yīng)用于各個(gè)徑流小區(qū)，進(jìn)行人工降雨條件下土壤抗侵蝕性試驗(yàn)的驗(yàn)證。

2　試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1　降雨特性率定試驗(yàn)

降雨量指一定時(shí)間內(nèi)降落在某一面積上的水量(mm)，降水強(qiáng)度指單位時(shí)間內(nèi)的降水量(mm/h)。針對(duì)華南地區(qū)暴雨頻發(fā)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)雨強(qiáng)為110、240、320mm/h。在地面均勻放置若干個(gè)雨量筒，并設(shè)置垂直和水平兩個(gè)角度的噴頭朝向，如圖2所示。垂直下噴式將噴頭布置在雨量筒中間位置的正上方，相鄰雨量筒之間呈正方形排列，邊長為30cm；水平下噴式將噴頭布置在雨量筒圍出的圓心處，雨量筒呈放射狀圓弧排列，相鄰圓弧半徑相差30cm；計(jì)量雨強(qiáng)與降雨均勻度。

圖2　降雨特性率定試驗(yàn)雨量筒布置圖

降雨均勻系數(shù)為

不同降雨強(qiáng)度下降雨均勻系數(shù)如表1所示。由表1可知：垂直下噴式的噴灑方式得到的降雨均勻性高于水平下噴式，但配合微徑流的形狀尺寸，水平下噴式會(huì)產(chǎn)生大量的無效降水；隨著供水壓力及流量的增大，噴頭的散水性能得到提高，當(dāng)雨強(qiáng)為320mm/h時(shí)，均勻系數(shù)均可達(dá)到80%以上，符合模擬降雨的技術(shù)要求。綜上所述，本試驗(yàn)選擇水平下噴式的噴水方式，試驗(yàn)用降雨強(qiáng)度設(shè)計(jì)為320mm/h。

表1不同降雨強(qiáng)度下降雨均勻系數(shù)

Table 1Uniformity coefficient of different rainfall intensity %

噴頭固定方式降雨強(qiáng)度/mm·h-1110180320垂直下噴式51.178.982.3水平下噴式40.567.680.7

國內(nèi)外學(xué)者公認(rèn)雨滴動(dòng)能是引起土壤水蝕最重要的因素[18-20]，即通常將雨滴直徑d和雨滴降落速度V視為決定降雨侵蝕力的參數(shù)。由于雨滴在降落過程中受重力和空氣阻力作用，外形難以保持球體，所以本文中雨滴直徑指的是與雨滴質(zhì)量相同的球體的直徑，其采用濾紙色斑法測(cè)定。色斑直徑與雨滴直徑的換算關(guān)系[21-22]為

d=0.356D0.712

由此得出320mm/h的降雨中數(shù)直徑為4.01mm，最小雨滴直徑為1.26mm，最大為7.25mm。

自然降雨的雨滴都能達(dá)到終點(diǎn)速度，模擬降雨由于條件所限，無法搭建過高的試驗(yàn)臺(tái)，使用具有初速度的下噴式噴頭在一定程度上克服這個(gè)問題。本文雨滴直徑d換算求得雨滴降落速度。根據(jù)牟金澤在1983年提出的計(jì)算雨滴速度的經(jīng)典公式及沙玉清和牛頓提出的修正公式[20-21]，求得雨滴降落速度V。

當(dāng)d<1.5mm時(shí)，則

V=0.496×

當(dāng)d≥1.9mm時(shí)，則

根據(jù)以上公式，計(jì)算得出雨滴降落速度為4.78～9.42m/s。雨滴動(dòng)能E根據(jù)傳統(tǒng)動(dòng)能公式計(jì)算得出，即E=1/12πd3ρV2，雨滴動(dòng)能在11.9710-6～8.8510-3J之間。

通過對(duì)降雨強(qiáng)度、降雨均勻性、雨滴特性等參數(shù)的率定，得出320mm/h的降雨強(qiáng)度下模擬降雨與自然降雨相似，能夠滿足試驗(yàn)要求。

2.2　徑流場(chǎng)試驗(yàn)

微徑流場(chǎng)設(shè)置免耕秸稈覆蓋(No Tillage With Straw Mulching)、橫向起壟(Horizontal Ridge)、免耕(No Tillage)及縱向起壟(Vertical Ridge)4個(gè)處理，以下簡(jiǎn)稱為NTS、HR、NT、VR。秸稈覆蓋度為95%；免耕地土壤閑置3個(gè)月未被擾動(dòng)，地表根茬含量在15%以下；橫向起壟即沿等高線起壟，縱向起壟即順坡起壟，沿坡度起壟。

近地表土壤初始水分含量對(duì)土壤入滲過程和徑流匯集過程有著很大影響。初始水分含量高則徑流強(qiáng)度大，坡面產(chǎn)流時(shí)間早[23]。為避免初始水分含量差異帶來的誤差影響，試驗(yàn)前用微噴灌的方式對(duì)表土進(jìn)行濕潤，至表層將要出現(xiàn)積水為止。

微徑流場(chǎng)的模擬降雨試驗(yàn)采用320mm/h的降雨強(qiáng)度，用帶刻度的徑流桶搜集含泥沙的徑流，分析產(chǎn)流速率。根據(jù)產(chǎn)流情況，NTS和HR兩組每隔5min采集1次數(shù)據(jù)，降雨時(shí)間設(shè)置為60min；NT和VR兩組每隔1min采集1次數(shù)據(jù)，降雨時(shí)間設(shè)置為15min。

將徑流量與降雨時(shí)間的關(guān)系通過SPSS繪制成平滑曲線，以徑流率(斜率)反應(yīng)產(chǎn)流速率，如圖3、圖4所示。

圖3　NTS和HR的產(chǎn)流過程

圖4　NT和VR的產(chǎn)流過程

2.2.1模擬降雨下的產(chǎn)流過程

由圖3、圖4可以看出：4種表土處理方式的產(chǎn)流在初期會(huì)緩慢增加，NTS和HR在產(chǎn)流的10min后產(chǎn)流速率急劇增加，NT和VR在產(chǎn)流的3min后產(chǎn)流速率急劇增加。

對(duì)于南方土壤而言，黏粒含量豐富，透水性差，遇水后易板結(jié)，與北方砂土的產(chǎn)流產(chǎn)沙過程有本質(zhì)的區(qū)別。坡面產(chǎn)流后徑流水層薄，地表粗糙度、坡面微地貌等都對(duì)水流有干擾作用，流態(tài)復(fù)雜。

利用SPSS對(duì)觀測(cè)到的徑流與降雨時(shí)間的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律進(jìn)行回歸分析，如表2所示。

表2不同處理小區(qū)徑流量與降雨時(shí)間的回歸分析

Table 2Regression equation analysis of runoff and rain time by different treatments

處理回歸方程R2值F值顯著性P1y=-0.338+0.532x0.9961227.302y=-1.011-0.254x+0.007x20.93127.10.0053y=-5.941+2.39x0.986205.60.0014y=-4.715+1.188x0.972104.40.002

在320mm/h的穩(wěn)定降雨強(qiáng)度下，產(chǎn)流量y與降雨時(shí)間x符合線性或二次曲線回歸關(guān)系，徑流量隨降雨時(shí)間的增大而增加。在本次模擬降雨范圍內(nèi)的任意時(shí)刻，均可以通過以上公式得出該時(shí)刻的產(chǎn)流量。

2.2.2模擬降雨下的產(chǎn)沙過程

將徑流桶搜集到的含泥沙的水靜置5h以上，待泥沙自然沉降，倒掉上清液，剩余泥沙倒入鋁盒。用烘干法測(cè)量泥沙質(zhì)量，數(shù)次烘干至質(zhì)量不變。不同耕作處理下的徑流含量如圖5所示。

圖5　不同耕作處理下的徑流含沙量

3　討論

3.1　侵蝕產(chǎn)流產(chǎn)沙分析

1)NTS：由于秸稈覆蓋度占95%，有效減弱了雨滴對(duì)土壤的濺蝕作用，60min降雨產(chǎn)流31.35L，平均產(chǎn)流速率0.5L/min；產(chǎn)流速率平穩(wěn)無明顯拐點(diǎn)；徑流含沙量最低，對(duì)比NTS和NT，土壤的下墊面處理類似，覆蓋能減少98.6%的凈產(chǎn)沙量。此結(jié)論與大多數(shù)學(xué)者的研究成果一致。盡管區(qū)域、土壤質(zhì)地和覆蓋程度不同，秸稈覆蓋均可攔截雨滴，防止雨滴直接打擊破壞表土層結(jié)構(gòu)，是解決農(nóng)田土壤侵蝕最好的辦法。

2)HR：由于橫向起壟的積水先聚集于壟溝，所以試驗(yàn)的前30min內(nèi)未搜集到徑流。隨著降雨的進(jìn)行，土壤同時(shí)受暴雨沖刷和積水浸泡，結(jié)構(gòu)受到破壞致使壟臺(tái)坍塌。30min后徑流桶開始搜集到徑流，降雨持續(xù)60min，產(chǎn)流13.11L，平均產(chǎn)流速率在0.2～1.1L/min之間，徑流含沙量為0.46g/L，僅次于VR；壟臺(tái)未坍塌之前積水與徑流只存在于壟溝，初期整個(gè)田塊可視為不存在水土流失。如若降雨時(shí)長不足以破壞壟臺(tái)，橫向起壟依舊是傳統(tǒng)耕作中抵御土壤侵蝕的有效措施，這與林藝[24]的研究成果類似。

3)NT：降雨過程中雨滴的打擊易使表土層容重增加，形成致密層，細(xì)小土粒隨水向下移動(dòng)，表層空隙被填塞后可形成結(jié)皮層，阻礙水分下滲[25]。耕地由于經(jīng)常受擾動(dòng)不易形成地表結(jié)皮，而免耕地不一樣，由本組試驗(yàn)可看出：地表結(jié)皮可顯著影響水分入滲，徑流的產(chǎn)流率更高，這與其他學(xué)者的研究成果相似[26-27]。本組試驗(yàn)降雨持續(xù)15min，搜集到徑流30.78L，平均產(chǎn)流速率為1.1～2.7L/min。徑流含沙量僅為0.14g/L，地表結(jié)皮增加了徑流也保護(hù)了土壤，對(duì)于防治土壤侵蝕的效果僅次于秸稈覆蓋。

4)VR：縱向起壟(順坡起壟)在降雨過程中，積水預(yù)先聚集在壟溝，在試驗(yàn)開始后的3min搜集到徑流。隨著暴雨的進(jìn)行，表土團(tuán)聚體已明顯破碎，壟臺(tái)坍塌，細(xì)溝侵蝕明顯；降雨15min，產(chǎn)流13.97L，平均產(chǎn)流速率在0.3～1.4L/min之間，徑流含沙量2.17g/L，是4組處理中含沙量最高的，同等條件下徑流的含沙量是免耕的16倍，是橫坡起壟的5倍，是秸稈覆蓋是36倍。降雨過程中存在明顯的細(xì)溝侵蝕，伴隨細(xì)溝侵蝕一同發(fā)生的是地表粗糙度的增加，直觀反映在試驗(yàn)中即表層細(xì)軟土壤隨徑流流失，降雨過后地表出現(xiàn)較多石礫。對(duì)比不同起壟方向可以看出：縱向起壟形成徑流會(huì)引起土壤侵蝕，而同種條件下橫向起壟可顯著減少土壤流失量。

3.2　暴雨侵蝕前后的土壤機(jī)械組成分析

土壤質(zhì)地又稱土壤的機(jī)械組成，是指土壤中各粒級(jí)土粒的配合比例[28]。自然界的土壤是由不同粒級(jí)土?；旌辖M成的，各粒級(jí)的比例差異造就土壤質(zhì)地的差異。

華北地區(qū)多為礫質(zhì)砂土，土壤顆粒之間缺乏膠結(jié)能力，呈散碎的單粒，膨脹系數(shù)小，通水透氣性能好，耕作阻力小。南方土壤多為粘土，板結(jié)粘重，在灌水或降雨等條件下膨脹，土料分散；而干燥后土面變硬，降雨不僅造成土壤顆粒間結(jié)構(gòu)的改變，還會(huì)造成表土質(zhì)地的改變。測(cè)量徑流桶搜集到的泥沙的質(zhì)地及裸地試驗(yàn)前后表層土壤的機(jī)械組成，作為判斷土壤侵蝕程度的一個(gè)輔助參數(shù)。

降雨前在田塊表層按五點(diǎn)取樣法取土樣，命名為①號(hào)土樣；降雨后在同一田塊用同種方法取樣，命名為②號(hào)土樣；并將徑流桶搜集到的泥沙烘干，命名為③號(hào)土樣。分析以上3類土樣，測(cè)試其機(jī)械組成如表3所示。

表3　土壤機(jī)械組成分析

由表3可知：降雨前土壤含石礫7.4%，降雨過后，土壤石礫含量升至21.8%。降雨前后，砂粒的含量呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，占比下降29.1%；粉粒的含量小幅上升，占比上升11.8%；黏粒含量下降，占比下降10.3%。隨徑流流失的土壤大多為細(xì)軟質(zhì)地的粉粒和黏粒，粒徑<2mm。石礫過于沉重，一般不受雨滴濺蝕和徑流沖蝕的影響。

4　結(jié)論

1)對(duì)于南方旱作粘土而言，暴雨條件下耕作方式會(huì)對(duì)水土流失產(chǎn)生顯著的影響。順坡起壟的水土流失劇烈，而秸稈覆蓋、免耕均有不同程度的緩解效果，同等條件下可減少97.3%、93.6%的侵蝕產(chǎn)2)沙量；橫坡起壟在降雨初期可有效防止土壤侵蝕，但此防治方式僅對(duì)小雨量有效果，長時(shí)間高強(qiáng)度的降雨破壞壟臺(tái)后，依舊會(huì)造成土壤侵蝕。

2)隨徑流流失的土壤大多為細(xì)軟質(zhì)地的粉粒和黏粒，暴雨對(duì)表層土壤質(zhì)地的改變較為明顯。