土壤侵蝕對坡耕地土壤水分及入滲特性影響*

婁義寶，史東梅，江 娜，金慧芳，葉 青

（1. 西南大學資源環(huán)境學院，重慶 400715；2. 西北農(nóng)林科技大學水土保持研究所黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點實驗室，陜西楊凌 712100）

紫色丘陵區(qū)坡耕地是長江流域的重要侵蝕地帶[1]，紫色土具有易蝕性高、抗旱性差、養(yǎng)分缺乏、侵蝕土壤退化嚴重等特點[2]。土壤水分不僅是該區(qū)農(nóng)用地生產(chǎn)力和農(nóng)作物生長的主控因子，也是侵蝕過程的重要影響因素[3]，土壤水分是自然界水循環(huán)的不可忽略的重要組成部分，而且土壤水分可以直接影響作物對土壤養(yǎng)分吸收和運轉，影響作物產(chǎn)量和品質[4]。土壤入滲與地表產(chǎn)流、降雨后土壤水分再分配、農(nóng)田水分最優(yōu)調控、土壤侵蝕、養(yǎng)分隨水分的遷移、農(nóng)業(yè)面源污染等問題密切相關[5-10]。楊永輝等[11]研究發(fā)現(xiàn)坡耕地經(jīng)翻耕之后，土壤結構遭到破壞且小雨強對于土壤的打擊破壞作用小于大雨強，即雨強越大，雨滴對地表土壤的打擊破壞越大，降雨產(chǎn)生的徑流攜帶侵蝕的土壤顆粒會堵塞地表土壤孔隙形成地表封閉或結皮，從而使土壤的降雨入滲速率有所降低。李春茂等[12]對不同土地利用方式峰叢坡地土壤入滲特征研究中發(fā)現(xiàn)，灌木林地的前期入滲率下降幅度最大，而裸石地和梯田旱地相對緩慢，同時灌木林地能使土壤滲透性能得到明顯改善，在大量降雨后延緩了發(fā)生地表徑流的時間，降低了土壤侵蝕發(fā)生的可能性。張世熔等[13]根據(jù)田間觀察資料和玉米產(chǎn)量，結果表明紫色砂壤土和輕壤土的抗旱能力可用水吸力達80 kPa的大雨后天數(shù)來表達。劉恩斌和董水麗[14]對黃土高原幾種典型土壤持水特性進行研究，結果表明可以用有效水的含量及其失水累積百分率作為評價土壤持水性能及抗旱力的指標，同時指出在低吸力下有一定量的水釋出，而且高吸力段還貯備了相當數(shù)量的有效水，對于維持作物的正常生理活動具有一定的作用，能夠體現(xiàn)出明顯的抗旱性。目前對土壤入滲性能研究多為不同土地利用方式[15-16]、不同耕作措施和在土壤中添加不同物質對土壤入滲的影響[17-19]，而針對不同侵蝕程度下坡耕地土壤入滲及抗旱性能的研究較少，此外土壤侵蝕導致土壤結構變差、土壤水分變化、入滲率變低，對坡耕地土壤水分利用有重要的影響。因此本文以不同侵蝕程度紫色土坡耕地為研究對象，研究土壤侵蝕對坡耕地土壤水分和入滲特征的影響，以此為紫色丘陵區(qū)坡耕地侵蝕土壤水分調控、坡耕地耕層培育以及雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)發(fā)展提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

重慶市坡耕地面積118.9萬hm2，占全市耕地面積47.14%，15°～25°坡耕地78.5萬hm2，25°以上坡耕地40.4萬hm2，紫色土是重慶市農(nóng)耕地（尤其是坡耕地）面積分布最廣的土壤類型。紫色土丘陵區(qū)坡耕地墾殖指數(shù)為49.04%、復種指數(shù)為180%，土壤侵蝕模數(shù)在3 798～9 831 t·km-2·a-1之間[2]，土壤侵蝕性退化嚴重。鏟土侵蝕模擬小區(qū)位于重慶市萬州區(qū)熊家鎮(zhèn)，土壤為中生代侏羅系沙溪廟組灰棕紫色沙泥頁巖母質發(fā)育的中性紫色土，農(nóng)作物種植制度為油菜/玉米。

1.2 試驗設計

鏟土侵蝕模擬法屬模擬試驗研究，即人為運用試驗手段加速侵蝕過程，通過鏟除表土構建不同侵蝕程度小區(qū)開展研究，模擬坡耕地土壤侵蝕過程中耕層土壤被剝蝕，但耕作使耕層以下的一定厚度的土壤被翻起與原來耕層土壤混合，下一年又剝蝕掉一定厚度的土層，一定厚度的耕層以下土壤又被翻到耕層，與原來耕層土壤混合，其試驗原理最接近坡面自然侵蝕過程。為反映坡耕地土壤侵蝕和耕作對耕層土壤影響的真實情況，采用配土法[20]計算不同侵蝕深度耕層土壤構成特征，根據(jù)公式計算不同侵蝕深度條件下耕層厚度土壤構成，詳見表1。

式中，hi代表原始i土層的厚度；d為多年平均侵蝕厚度，在此0.25 cm（根據(jù)重慶紫色丘陵區(qū)土壤侵蝕情況，多年平均侵蝕厚度為0.25 cm）；m為耕作厚度（20 cm）；n為侵蝕年限。

試驗地劃為3個區(qū)組，每個區(qū)組隨機布設不同侵蝕程度小區(qū)，小區(qū)面積為12 m2（長4 m×寬3 m）；順坡布置在15°坡面上，四周用鐵板插入地下做圍擋（地下30 cm，地上保留15 cm），不同侵蝕程度鏟土侵蝕模擬小區(qū)各土層理化性質詳見表2。

1.3 土壤入滲測定及土壤水庫計算

本文采用100 cm3環(huán)刀采集原狀土樣，采取單環(huán)有壓入滲法測定土壤的入滲特征參數(shù)[21]，各樣品分別重復3次。土壤是布滿大大小小孔隙的疏松多孔體，土層深厚的土壤具有顯著的存蓄、調節(jié)水分的功能，稱之為土壤水庫。土壤庫容是土壤水庫利用和調節(jié)的基礎，其大小與土壤類型、結構、質地和地下水埋深具有很大關系[22]。土壤水庫的蓄水量可以按文獻[23]計算，設某時刻地表以下一定深度H處的土壤含水量為θ（H），則該深度土層相應的蓄水量為：

式中，Wa為地表以下H深度土層的土壤蓄水量，mm。

表1 坡耕地不同侵蝕程度原位模擬小區(qū)特征原始土層剩余厚度Table 1 Thickness of the residual original soil layer in the plot of in situ simulation of soil erosion relative to erosion degree

表2 不同侵蝕程度坡耕地耕層土壤理化特征Table 2 Physical and chemical properties of the topsoil relative to erosion degree

土壤水庫各種庫容計算方法如下：

式中，Wl為凋萎持水量，%；r為土壤容重，g·cm-3；H為土層厚度，cm；n為土壤層次；C為田間持水量，%；S為飽和持水量，%。

土壤貯水特征計算[16]：土壤飽和貯水量=最大吸持貯水量+最大滯留水量，最大吸持貯水量=毛管孔隙度×土層厚度，最大滯留水量=非毛管孔隙度×土層厚度。

水分特征曲線測定采用吸力平板儀，吸力平板儀為中國科學院南京土壤所徐安富教授的專利技術產(chǎn)品，每個樣品分別重復3次。

2 結 果

2.1 坡耕地耕層土壤水分特征曲線

土壤水分特征曲線表示在土壤水非飽和狀態(tài)下土壤水的能態(tài)與數(shù)量間的關系，是分析土壤水保持和運動的最基本的因素之一[24]，能夠表示土壤的基本特性，是進行土壤水分運動及溶質運移定量分析時必不可少的重要參數(shù)[25]。由圖1可知，不同侵蝕程度紫色土坡耕地耕層土壤水分特征曲線存在較大差異。其中土壤水分特征曲線均在土壤吸力低于100 cm水柱時表現(xiàn)為，隨土壤吸力的增大，土壤容積含水率變化幅度較大，均呈下降變化趨勢；當土壤吸力在100～300 cm水柱時，土壤容積含水率則迅速下降；當土壤吸力大于300 cm水柱時，土壤容積含水率則呈現(xiàn)緩慢降低后逐漸趨于平緩，整體變化不大?？傮w上看，隨著侵蝕程度加劇，在相同吸力下土壤容積含水率呈下降變化，當侵蝕程度由S-0加劇至S-20時，土壤容積含水率下降率介于7.8%～24.32%，平均下降率為17.80%；有此可以看出，土壤侵蝕程度加劇可以使相同吸力下時土壤的容積含水量降低，不利于坡耕地土壤的水分貯存，使坡耕地土壤抗旱性能降低。

對于不同侵蝕程度的坡耕地地塊而言，不同垂直深度上，土壤容積含水率隨土壤水吸力增大，各土層間差異越明顯。其中S-0表現(xiàn)為在土壤吸力低于100 cm水柱時，隨著土壤吸力增加，土壤容積含水率下降緩慢，各土層規(guī)律表現(xiàn)為：10～20 cm＞0～10 cm＞20～30 cm＞30～40 cm；其中10～20 cm和0～10 cm層降低最多，20～30 cm和30～40 cm層則線型變化平緩。S-5和S-20坡耕地表現(xiàn)出相同規(guī)律，均呈現(xiàn)0～10 cm ＞ 10～20 cm ＞20～30 cm＞30～40 cm，這說明相同吸力條件下坡耕地表層土壤的容積含水率較高。

圖1 不同侵蝕程度坡耕地土壤容積含水率變化Fig. 1 Variation of soil water content in sloping farmland with erosion degree

2.2 坡耕地耕層土壤入滲特征

土壤水分入滲是降水、地表水轉化為土壤水、地下水的關鍵環(huán)節(jié)，同時土壤入滲與坡耕地地表徑流的產(chǎn)生和土壤侵蝕均有密切關系，直接影響到坡耕地土壤質量和生產(chǎn)性能。由圖2可知，不同侵蝕程度坡耕地土壤入滲速率存在差異，總體表現(xiàn)為隨時間的變化，土壤入滲速率先迅速減小隨后減小速率變慢最后逐漸趨于平緩。S-0坡耕地耕層土壤層入滲情況總體表現(xiàn)為0～10 cm＞30～40 cm＞20～30 cm＞10～20 cm，出現(xiàn)此規(guī)律可能是由于耕作活動的影響導致表層（0～10 cm）土壤孔隙豐富，土壤入滲速率明顯大于其他土層，耕作機具壓實作用使10～20 cm層和20～30 cm層土壤緊實入滲速率小于30～40 cm層。其中0～10 cm層和30～40 cm層入滲率在前10 min內(nèi)迅速降低，其中分別由78.00下降至2.60 mm·min-1、18.00下降至0.70 mm·min-1，隨后逐漸趨于穩(wěn)定；10～20 cm層和20～30 cm層土壤入滲率變化不大，在4.24～0.02 mm·min-1之間變化。

圖2 不同侵蝕程度坡耕地土壤入滲特征Fig. 2 Characteristics of soil infiltration in sloping farmland relative to erosion degree

S-5坡耕地土壤層入滲率表現(xiàn)為10～20 cm＞20～30 cm＞0～10 cm＞30～40 cm，且除30～40 cm層外其余土層均在前10 min內(nèi)迅速降低，分別下降了78.58、81.36和24.05 mm·min-1，30～40 cm層變化不大，前10 min下降了0.77 mm·min-1。S-10坡耕地土壤層入滲率總體上表現(xiàn)為30～40 cm ＞20～30 cm＞10～20 cm＞0～10 cm，在30 min內(nèi)下降較快，隨后不同土層土壤入滲率均趨于不同的穩(wěn)定值。前30 min內(nèi)，30～40 cm層和20～30 cm層土壤入滲率分別在51～5.5 mm·min-1、49～6.57 mm·min-1之間變化，10～20 cm層和0～10 cm層土壤入滲率分別在22～1.6 mm·min-1和26～1.15 mm·min-1之間變化。S-15坡耕地土壤層入滲率表現(xiàn)為10～20 cm＞30～40 cm＞20～30 cm＞0～10 cm，其中20～30 cm層和0～10 cm層土壤入滲速率差異不大。S-20坡耕地表現(xiàn)為不同垂直深度上10～20 cm層土壤入滲率最大，其余土層間土壤入滲率差異不大。

總體來看，紫色土坡耕地土壤入滲速率隨著土壤侵蝕程度加劇，0～10 cm層土壤入滲速率逐漸降低，最后趨于穩(wěn)定，可能一方面是由于土壤侵蝕導致表層土壤結構發(fā)生板結，土壤孔隙減少，使表層土壤入滲速率逐漸減?。涣硪环矫媸怯捎谒鲗⒈韺油寥赖募氼w粒運移堵塞孔隙，土壤入滲速率逐漸減小。同時隨著土壤侵蝕程度加劇，不同垂直深度上各土層土壤入滲速率差異逐漸減小。

2.3 坡耕地耕層土壤水庫特征

土壤水庫對作物供水的調節(jié)功能具有重要的生產(chǎn)意義，可以在一定程度上緩解農(nóng)作物在干旱季節(jié)的需水問題[26]。由表3可知，不同侵蝕程度坡耕地土壤水庫特征差異顯著，土壤總庫容的大小表現(xiàn)為S-10＞S-5＞S-15＞S-0＞S-20，可以看出紫色土坡耕地土壤總庫容隨著土壤侵蝕程度加劇先呈現(xiàn)上升趨勢，在S-10處達到最大值，隨后又表現(xiàn)下降趨勢。土壤死庫容的大體規(guī)律與總庫容變化規(guī)律總體上相似，均為先上升后下降，且在S-10處達最大值，依次為S-10＞S-20＞S-5＞S-15＞S-0，隨著侵蝕程度加劇紫色土坡耕地土壤水庫無效水分有著不同程度增加，其中S-10土壤無效水庫增加最多，增加了7.3%，其余侵蝕程度坡耕地則增加不明顯；這表明當侵蝕程度為10 cm時紫色土坡耕地土壤水庫水分循環(huán)利用較低。不同侵蝕程度坡耕地興利庫容隨侵蝕程度加劇呈“凹”形變化，表現(xiàn)為S-5＞S-20＞S-15＞S-0＞S-10，這表明當發(fā)生侵蝕時可以一定程度上增加耕層土壤的蓄水能力，減少了地表徑流的形成。不同侵蝕程度坡耕地水庫持水效率表現(xiàn)為S-0最大，因此土壤侵蝕可以減小水庫持水效率，但侵蝕程度對水庫持水效率影響不大。

表3 不同侵蝕程度坡耕地土壤水庫變化特征Table 3 Characteristics of soil water pool in sloping farmland relative to erosion degree

對于不同侵蝕程度的坡耕地地塊而言，在垂直深度上，不同侵蝕程度坡耕地土壤總庫容、死庫容、最大有效庫容和滯洪庫容表現(xiàn)為上兩層（0～10 cm、10～20 cm）大于下兩層（20～30 cm、30～40 cm），興利庫容則表現(xiàn)的與規(guī)律上述各土壤水庫相反。當土層由0～10 cm變化至30～40 cm時，不同侵蝕程度坡耕地土壤滯洪庫容減少最多，其中S-10坡耕地減少最多達85%，S-5坡耕地減少最少，也達65%；其次為死庫容和土壤實際庫容，總體在174.7～117.0 t·hm-2和278.5～167.5 t·hm-2之間變化，減小率均在20%～38%之間變化；最后為土壤總庫容和最大有效庫容，由此可以看出土壤垂直深度的變化對土壤各土層間滯洪庫容影響較大，其次為土壤死庫容和土壤實際庫容，對各土層間的土壤總庫容、最大有效庫容影響較小，且坡耕地（除S-15）各土層間土壤各水庫的變化率隨著土壤侵蝕程度的加劇呈減小率呈下降趨勢，這是由于侵蝕造成坡耕地表層土壤水庫變化較大的原因導致。

2.4 坡耕地耕層土壤抗旱性能

土壤水分貯量能力是評價土壤水分狀況的一項重要指標，主要是由孔隙狀況以及土層深度決定的[27]。由圖3可知，不同侵蝕坡耕地0～40 cm層土壤的各貯水特征之間差異不大。最大吸持貯水量在139～144 mm之間變化，最大滯留水量在42～50 mm之間變化，飽和貯水量在182～194 mm之間變化，相同土層深度下不同侵蝕程度坡耕地，最大吸持貯水量占飽和貯水量的75%左右。如果考慮坡耕地總土層厚度時，坡耕地土壤則貯水量則將表現(xiàn)出很大的差異。通過土壤貯水量計算公式可知，土壤貯水量不僅和土壤孔隙度有關，還和土層深度有直接的關系。因此當土壤土壤侵蝕程度越大，坡耕地表土損失越多，坡耕地貯水量也隨著土壤侵蝕程度的加劇發(fā)生減少，即坡耕地侵蝕越大土壤損失的越多，坡耕地的貯水量也相應的損失越多，侵蝕程度越大抗旱性越差，相關研究表明[28]，20 cm厚紫色土蓄水量僅為60 cm厚土壤蓄水量的1/3，且20～40 cm厚土層蓄水量遠遠不能滿足作物生長的需要。

圖3 不同侵蝕程度坡耕地0～40 cm土壤貯水特征Fig. 3 Characteristics of water storage in the 0～40 cm soil layer of sloping farmland relative to erosion degree

根據(jù)土壤水分特征曲線求得不同吸力段不同侵蝕程度坡耕地各土層土壤累積失水百分率（表4）。不同侵蝕程度坡耕地在土壤吸力達到900 cm時，土壤累積失水百分率在43.16～71.95之間變化，最大值出現(xiàn)在S-15的10～20 cm層，最小值出現(xiàn)在S-20的10～20 cm層。相同吸力下，坡耕地耕層土壤累計損失水百分率隨侵蝕程度加劇有不同程度的增加，整體上呈增大的變化，其中S-10坡耕地土壤失水百分率最大，隨后為S-20、S-15坡耕地，S-0坡耕地土壤失水百分率最小，依次表現(xiàn)為S-10＞S-20＞S-15＞S-5＞S-0，這說明在相同土壤吸力下，S-0土壤失水最少，S-10土壤失水最多，隨侵蝕程度加劇坡耕地土壤抗旱性變差。

在垂直深度上，同一侵蝕程度相同吸力下，不同土層土壤累積失水百分率表現(xiàn)為隨土層深度的加深逐漸減?。ǔ齋-15），表現(xiàn)為0～10 cm＞10～20 cm＞20～30 cm＞30～40 cm，這說明坡耕地土壤抗旱性隨土壤層深度加深逐漸增強，0～10 cm層土壤抗旱性最差，其次為10～20 cm層，30～40 cm層土壤抗旱性最強，因此在坡耕地抗旱過程中防治坡耕地表層土壤的水分損失，可通過增加地表覆蓋等措施進行改善。

表4 不同侵蝕程度坡耕地土壤累積失水百分率Table 4 Cumulative water loss from sloping farmland relative to erosion degree/%

3 討 論

土壤入滲對坡面水土流失有著直接影響，土壤入滲速率決定著地表徑流，對水土流失作用有著直接的影響[5]，坡面產(chǎn)流機理主要有三種：超滲產(chǎn)流、蓄滿產(chǎn)流以及兩者混合的產(chǎn)流理論[29]。由本文中不同侵蝕程度坡耕地土壤入滲情況可知，侵蝕程度由0增加至20 cm，初始入滲率由47.2 mm·min-1下降至24.61 mm·min-1，下降了48%，土壤侵蝕使土壤初始入滲率明顯下降；由此可知，當強降雨、超滲產(chǎn)流發(fā)生時，侵蝕程度大的坡耕地先產(chǎn)生地表徑流，發(fā)生土壤侵蝕，造成惡性循環(huán)。相關研究[30]表明無明顯侵蝕的土壤的水分入滲量和入滲速率最大，并隨著侵蝕程度的加劇入滲量和入滲速度逐漸減小。不同侵蝕程度的土壤水分入滲量的差別隨著入滲時間的延長而加大；不同侵蝕土壤的起始入滲速率差異更為明顯。丁文斌等[31]對不同區(qū)域紫色土坡耕地的研究中表明當土壤水分在0～20 cm 土層蓄滿可導致具有一定流速的壤中流產(chǎn)生，可將在土壤結構中起膠結作用的細粒物質攜帶出土壤體之外，形成渾濁的、具有一定含沙量的壤中流，是紫色丘陵區(qū)水力侵蝕導致坡耕地耕層土壤退化的主要原因。楊永輝等[11]研究發(fā)現(xiàn)耕作破壞了土壤結構，易使表層土壤產(chǎn)生結皮，降低土壤入滲速率，導致徑流量增大，土壤侵蝕加劇。與撂荒地相比，各種雨強條件下坡耕地的穩(wěn)定入滲率均較撂荒地明顯降低。林代杰等[15]不同土地利用方式研究中表明，紅葉李林的入滲特征最好，可以有效延緩地表徑流的產(chǎn)生，抑制土壤侵蝕，有利于水土保持。黑土的研究[32]表明，0～35 cm土層的最大儲水能力為227.5 mm，此層10年平均土壤含水量為84 mm，所能接納單次最大降雨量為143.5 mm而不產(chǎn)生徑流。因此對于紫色土坡耕地，應改良土壤結構增加土壤入滲率，當降雨發(fā)生時前期土壤入滲速率大，可延緩產(chǎn)流，同時可減少水土流失，抑制土壤侵蝕。

土壤總庫容值的大小與土壤孔隙有一定的關系，由于紫色土具有粗骨化的特性，土壤侵蝕造成侵蝕后的坡耕地土壤的孔隙整體上會有不同程度的增加，出現(xiàn)S-0土壤總庫容不是最高的現(xiàn)象。同時土壤侵蝕造成土壤結構破壞，對水分的蓄持能力變差，因此表現(xiàn)出S-0土壤失水最少，S-10土壤失水最多的規(guī)律。此外研究表明[33]，土壤基本理化性質如有機質含量、黏粒含量、物理性黏粒含量、土壤分散系數(shù)等均影響土壤水庫庫容。因此，在后續(xù)的研究中應該繼續(xù)關注此問題，以更為準確地反土壤侵蝕對坡耕地土壤水庫的影響，提高坡耕地水分調控的實踐性。

4 結 論

土壤侵蝕程度加劇可以使相同吸力下時土壤容積含水量降低，不利于坡耕地土壤的水分貯存，使坡耕地土壤抗旱性能降低。不同侵蝕程度坡耕地，相同吸力下土壤容積含水率隨著侵蝕程度加劇呈下降變化。紫色土坡耕地土壤入滲速率隨著土壤侵蝕程度加劇，0～10 cm層土壤入滲速率逐漸降低，同時隨著土壤侵蝕程度加劇，不同垂直深度上各個土層土壤入滲速率差異逐漸減小。不同侵蝕程度坡耕地土壤水庫特征差異顯著，紫色土坡耕地土壤總庫容隨著土壤侵蝕程度加劇先呈現(xiàn)上升趨勢。隨著侵蝕程度加劇紫色土坡耕地土壤水庫無效水分有著不同程度的增加，土壤侵蝕可以減小水庫持水效率，但侵蝕程度對水庫持水效率影響不大。不同侵蝕坡耕地0～40 cm層土壤的各貯水特征之間差異不大，相同土層深度下不同侵蝕程度坡耕地，最大吸持貯水量占飽和貯水量的75%。