降雨與作物種植方式對赤紅壤坡面土壤侵蝕特征的影響

李桂芳，王堅樺，謝福倩，梁志鑫，邱 凡

(1.廣西大學農學院,530004，南寧；2.廣西壯族自治區(qū)水土保持監(jiān)測站,530023，南寧)

南方紅壤對我國農業(yè)乃至整個國民經濟的持續(xù)發(fā)展和人民生活水平的提高具有重要作用[1]。由于紅壤分布區(qū)獨特的自然地理環(huán)境，高強度降雨及不合理的耕作措施等，使得我國南方紅壤區(qū)的水土流失問題日益嚴重，造成土壤質量退化，制約當地農業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[2]。降雨及作物種植方式均對坡面土壤侵蝕具有重要影響。相同降雨量下，坡面種植方式不同，徑流系數存在顯著差異，尤其是當降雨量超過40 mm時，徑流系數的增加較為明顯，種植方式對徑流系數的影響有所減弱[3]。降雨的年際分布對坡面侵蝕量具有重要影響[4-6]，坡面侵蝕量主要與侵蝕性降雨的年內分布密切相關[7-8]。張文源等[5]研究指出，喀斯特黃壤區(qū)坡面侵蝕產沙在年內分布極為不均，少數的暴雨貢獻了絕大部分的產沙量。涂安國等[6]研究指出，20～50 mm降雨等級下引起的侵蝕量是紅壤坡面主要侵蝕量來源。坡耕地土壤侵蝕是坡面作物生長狀況及降雨綜合作用的結果。種植方式主要通過影響坡面植被生長狀態(tài)、土壤結構及地表覆蓋度進而影響坡面侵蝕[9-10]。作物生長初期地表裸露，遇強降雨較易發(fā)生嚴重侵蝕，而到后期，隨著作物生長，坡面植被覆蓋度迅速增加，此時即使降雨量增加但坡面侵蝕量反而有所降低[4]。一般而言，單一作物種植坡面侵蝕量要大于間作或輪作模式[11-12]，張鐵鋼等[13]指出模擬降雨條件下，玉米和花生套種坡面的產流產沙量遠小于花生、玉米單獨種植及裸坡處理。研究區(qū)域和觀測時間不同，相同作物種植方式對地表徑流和侵蝕的消減程度不一，當降雨條件相同時，植被在雨季的減流效益更為明顯[14]。

目前關于作物種植模式對坡地土壤侵蝕研究以模擬降雨為主，自然降雨下研究時間尺度相對較短(雨季為主)。我國南方水熱資源較為豐富，與北方地區(qū)相比，作物一般為一年兩熟甚至三熟，耕地復種指數較高[15]。耕地復種指數的增加必然導致一年內坡地擾動程度及次數明顯增大。加之南方地區(qū)的降雨在年內分布較為分散，降雨量大、降雨頻繁、降雨侵蝕力較高，坡耕地土壤侵蝕的特征又將如何變化，目前尚不清晰；因此，筆者基于野外原位徑流小區(qū)觀測試驗，通過測定不同種植方式下赤紅壤坡地土壤產流產沙量，結合降雨年內分布等特征參數，重點探討輪作和間作種植方式對赤紅壤坡地土壤侵蝕的影響，以加深南方紅壤區(qū)坡耕地土壤侵蝕特征的認識和明晰區(qū)域作物種植對土壤侵蝕的影響。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于廣西南寧市良慶區(qū)那馬鎮(zhèn)木棉麓小流域(E 108°19′00″～108°19′24″，N 22°37′26″～22°37′55″)，屬南方紅壤丘陵區(qū)，南亞熱帶季風氣候。研究區(qū)干、濕季節(jié)明顯，年均降雨量約1 232 mm，其中4—9月降水占全年降雨量的80%以上，年均氣溫21.8 ℃，年均日照時間1 687.6 h，年均有霜期28 d。試驗小區(qū)布設在木棉麓小流域中下部，坡面朝南，試驗區(qū)土壤為赤紅壤，土壤層厚度100～150 cm，pH值4.5～5.5，表層土壤有機質質量分數為20～30 g/kg，土壤密度1.2～1.3 g/cm3。土壤母質主要由第四紀砂質巖類風化物發(fā)育而成，成土母巖以沉積巖為主，且多為砂質巖[16]。

2 研究方法

2.1 試驗設計

試驗所用徑流小區(qū)統(tǒng)一修建于2012年，最大限度的消除土壤空間分布異質性等差異。徑流小區(qū)土地利用方式、規(guī)格及管理措施等參見表1。徑流小區(qū)內坡面橫向平整，坡度和土壤條件均一，各徑流小區(qū)均配有磚砌圍埂、防護帶。徑流小區(qū)下方設有圓形集流桶和分流桶，以承接小區(qū)徑流泥沙樣。輪作與間作處理下所有作物種植均按照當地習慣栽培和管理，并根據作物生長情況及時收割并種植下一茬作物，荒地處理主要在年初和年末對坡面土壤進行整治，采取統(tǒng)一除草等管理措施。

表1 試驗小區(qū)概況Tab.1 Basic condition of each runoff plot

2.2 試驗測定及方法

試驗降雨觀測時間為2017年1—12月，在徑流小區(qū)附近配備有自計式雨量器和數字氣象站，用于收集氣象資料。降雨資料的收集包括日雨量、降雨過程、降雨歷時、降雨量、最大30 min降雨強度(I30)等參數。徑流量和侵蝕量采用野外徑流小區(qū)水文觀測法。每次降雨結束后，利用水尺測定集流桶和分流桶水深以此計算地表徑流量。采用攪拌舀水取樣、全剖面采樣器取樣方法，利用1 000 mL徑流瓶在徑流池中取徑流泥沙樣品，每次取3個重復樣，烘干法測定其中泥沙含量。參照《徑流小區(qū)和小流域控制站監(jiān)測手冊》計算總徑流量、土壤流失量等參數。

3 結果與分析

3.1 降雨特征對坡面產流產沙的影響

3.1.1 研究區(qū)降雨特征分析 2017年研究區(qū)年降雨量為1 457.9 mm，1—12月每月均有降雨發(fā)生，其中3—10月降雨量占年降雨量的88.2%(圖1)。不同月份中，7月和8月的月降雨量最高，分別為324.6和318.8 mm，占年降雨量的22.3%和21.9%； 3月、5月和10月的降雨量次之，均為160 mm左右，占年降雨量的10%左右(圖1)。

圖1 2017年研究區(qū)降雨量分布Fig.1 Rainfall distribution of January-December during 2017

本研究把能夠引起徑流小區(qū)水土流失的降雨均視為侵蝕性降雨。統(tǒng)計表明:2017年研究區(qū)侵蝕性降雨共25場(1月10日—10月17日)，降雨量介于12.4～155.3 mm之間(圖2)，總侵蝕性降雨量為1 028.2 mm，占年降雨量的70.5%。除2月、4月和9月無侵蝕性降雨外，其余月份均出現2次以上的侵蝕性降雨，7月和8月最多(圖2)。按照中國氣象降雨等級劃分[7]，25場侵蝕性降雨均為中雨及以上降雨等級。I30的變化范圍為2.0～63.8 mm/h，整體上表現為1—6月I30較高，7—10月相對較小。表明研究區(qū)2017年侵蝕性降雨年內分布較為分散，7—8月侵蝕性降雨頻次高，但高強度侵蝕性降雨主要集中在1—6月。2017年研究區(qū)各月侵蝕性降雨量范圍為58.3～285.8 mm，占當月降雨總量的61.4%～84.0% (圖1和圖2)，各月徑流量分布與侵蝕性降雨量分布特征基本一致，均隨著侵蝕性降雨量的增加而明顯增大。坡面侵蝕量的年內分布與侵蝕性降雨量各月的分布存在不同，坡面侵蝕量未隨著侵蝕性降雨總量的增加而明顯的增大，說明降雨對坡面侵蝕的影響還受到其他因素的綜合作用[3,7]。

圖2 2017年研究區(qū)侵蝕性降雨特征Fig.2 Characteristics of erosive rainfall events in 2017

3.1.2 赤紅壤坡面侵蝕對降雨特征的響應 由2017年研究區(qū)侵蝕性降雨特征(圖2)可知，≤40 mm降雨等級是研究區(qū)主要侵蝕性降雨(比例45.8%)。對不同降雨等級下坡面侵蝕特征值分析可知(表2)，整體上赤紅壤坡面徑流深較小，≤20 mm降雨等級下坡面徑流量均值低于1 mm，而>70 mm降雨等級下坡面徑流深均值也在5 mm以下?？赡艿脑蚴潜狙芯繀^(qū)赤紅壤母巖為砂頁巖，土壤中沙粒含量相對較高，研究結果與鄭江坤等[17]對砂壤土坡面產流特征接近。與徑流深變化不同，不同降雨等級下坡面侵蝕量存在較大差異，尤其是>70 mm降雨等級下，其產生的侵蝕量遠大于其余降雨等級。涂安國等[6]對江西紅壤區(qū)的研究指出，20～50 mm降雨等級是研究區(qū)最主要的降雨類型，本研究結果與其相似(圖2和表2)。>20～40和>40～70 mm降雨等級下，坡面侵蝕量差異并不明顯，甚至>40～70 mm降雨等級下坡面平均侵蝕量要低于>20～40 mm降雨等級。相關性分析結果表明(表3)：整體上，降雨量和降雨歷時與坡面徑流量和侵蝕量呈顯著和極顯著的正相關關系，I30僅在一定條件下影響坡面產流產沙。

表2 不同降雨等級下各處理坡面徑流與侵蝕對比分析Tab.2 Comparison of runoff and sediment yield under different treatments

表3 坡面侵蝕特征參數與降雨因子相關關系分析Tab.3 Correlation analyses among runoff, sediment characteristic index and rainfall characteristics and land cover

3.2 不同處理下赤紅壤坡面產流產沙特征

3.2.1 坡面年徑流量和侵蝕量 不同處理下坡面年徑流和輸沙特征見表4。不同處理下坡面年徑流深變化范圍為17.35～39.42 mm，表現為輪作坡耕地>間作坡耕地>荒地。輪作坡耕地坡面徑流量分別為間作坡耕地及荒地的1.6和2.3倍。坡面年徑流系數整體變化不大，介于1.2%～2.7%之間。與坡面年徑流量變化相比，不同處理下坡面年侵蝕量差異較為明顯，年侵蝕量介于153.5～1 165.6 kg/hm2之間，表現為輪作坡耕地>間作坡耕地>荒地，其中輪作坡耕地處理坡面徑流量分別為間作坡耕地及荒地的2.9和7.6倍。對比輪作和間作坡耕地兩種處理下坡面年侵蝕量可知，雖然2個處理下均是坡耕地，但由于種植方式不同，使得二者坡面侵蝕量在年內表現出較大的差異(表4)。

表4 不同種植方式下坡面年徑流量和侵蝕量Tab.4 Runoff and sediment yields under different cropping pattern

3.2.2 坡面徑流量及侵蝕量在年內的分布特征 為進一步分析不同處理下坡面侵蝕特征，對各處理下月徑流量及侵蝕量展開分析(圖3)。由圖3a可知，不同處理下各月坡面徑流量均表現為輪作坡耕地>間作坡耕地>荒地，且所有處理下月徑流量均為7月和8月最大。以輪作坡耕地為例，不同月份坡面徑流量在26.8～84.4 m3/hm2之間，8月的徑流量最大，為84.8 m3/hm2，占年徑流量的21.4%，7月和3月次之，分別占年徑流量的17.8%和17.1%。

圖3 2017年不同種植方式下坡面月徑流量、輸沙量及降雨量Fig.3 Runoff, sediment yield and rainfall depth distributed of each month in 2017 under different cropping pattern

與坡面徑流量在年內的分布規(guī)律不同，不同處理下各月侵蝕量的分布存在較大差異。輪作處理下坡面各月的侵蝕量明顯大于其余處理，坡面侵蝕量在31.6～373.5 kg/hm2之間，3月和5月的侵蝕量最大，且侵蝕量接近，占年侵蝕量的32.0%和31.9%，7月次之。間作坡耕地坡面侵蝕量最大值則出現在5月，占年侵蝕量的48.7%，7月和8月次之。荒地處理下坡面侵蝕量主要集中在7月和8月，分別占年侵蝕量的55.8%和48.7%，坡面侵蝕量的年內分布與降雨的年內分布基本一致。表明，荒地處理下坡面侵蝕量變化與降雨年內分布較為一致，而坡耕地坡面侵蝕量的變化則較為復雜。

3.3 次降雨條件下赤紅壤坡面產流輸沙特征

上文的分析可知，不同處理下坡面徑流在年內表現為波動變化，一方面與侵蝕性降雨的特征有關，同時也與下墊面條件密切相關。不同降雨等級下，輪作坡耕地坡面侵蝕量和徑流系數均顯著高于荒地，而間作坡耕地與荒地處理下無顯著差異(表2)。研究區(qū)次降雨坡面產流輸沙特征如圖4所示。由圖4a可知，次降雨條件下，輪作處理下，坡面徑流量始終大于其余處理(2.9～50.2 m3/hm2)，間作處理(1.8～43.2 m3/hm2)和荒地(0.5～30.9 m3/hm2)處理下波動相對較小。1—5月的8場侵蝕性降雨及8—10月的7場侵蝕性降雨坡面徑流量的波動程度明顯大于6—7月的9場侵蝕性降雨。主要原因是1—5月侵蝕性降雨中除3月17日及5月23日2場次降雨量較大外，其余并不大，但是由于處于作物生長初期，坡面植被覆蓋度較低，此時降雨大部分用于坡面產流。而8—10月由于降雨頻繁且降雨量較大，雖然地表植被覆蓋度較好，但土壤持水能力有限，使得坡面徑流量較高[3]。對于輪作坡耕地而言，即使1—6月部分侵蝕性降雨量相對較小，但由于玉米苗期對降雨的攔截能力有限，因而坡面產流量較大[18]。

08-26降雨事件的徑流量和侵蝕量為8月24日和26日2場侵蝕性降雨產生的徑流泥沙總和。 Runoff and sediment yield in August 26 was the total runoff and sediment yield from two erosive rainfall events in August 24 and August 26.圖4 次降雨條件下坡面產流輸沙特征Fig.4 Runoff and sediment yields of each erosive rainfall events

次降雨下坡面侵蝕量的波動情況與徑流量存在明顯差別(圖4a和圖4b)。由圖4b可知，輪作坡耕地和間作坡耕地坡面侵蝕量隨侵蝕性降雨的不同在年內呈劇烈波動趨勢，變化范圍為0.9～267.6和1.8～121.9 kg/hm2。在荒地處理下，坡面侵蝕量在年內變化相對較小(0.1～34.2 kg/hm2)，次降雨侵蝕量除幾場降雨侵蝕量在30 kg/hm2左右，80%左右的降雨事件下坡面侵蝕量均小于10 kg/hm2。3月17日、3月22日、5月23日和8月26日的4場侵蝕性降雨產生的侵蝕量占輪作坡耕地年侵蝕量的62.9%；而5月23日和8月26日的2場侵蝕性降雨侵蝕量占間作坡耕地及荒地年侵蝕量的44.7%和31.8%。再次表明，高強度侵蝕性降雨是坡耕地土壤侵蝕最主要來源[19]，但草被覆蓋的坡面可以有效減弱高強度降雨對坡面的侵蝕程度[20]。

4 討論

4.1 降雨特征對坡面侵蝕的影響

降雨對坡面侵蝕的影響與降雨分布、降雨量、降雨強度等均密切相關[21]。本研究結果表明，除輪作坡耕地處理外，其余處理下I30與坡面徑流和侵蝕參數均無顯著相關關系。而筆者對研究區(qū)2018年的降雨侵蝕特征分析[20]可知，I30顯著影響坡面徑流量，與本文研究存在差異，可能的原因是2017年研究區(qū)侵蝕性降雨I30整體偏小且差異較小，而2018年I30的波動范圍明顯較大。降雨量對坡面徑流的積極影響目前已得到眾多學者的認可[5,22-23]，但降雨特征參數對坡面產流產沙的影響與坡面條件、土壤類型、土地利用方式等有關[23-24]。降雨特征參數中，降雨量與下墊面有植被覆蓋的小區(qū)的水土流失量關系更為密切[5]，而本研究指出所有處理下，降雨量均與坡面徑流量和侵蝕量呈顯著或極顯著的相關關系。廣西赤紅壤區(qū)降雨在年內的分布較為分散(圖1和圖2)，1—3月即有不同程度的侵蝕性降雨，此時作物均處于生長前期，地表覆蓋度較低(<20%)較易出現嚴重的土壤侵蝕(圖3b)，同時也再次表明降雨對坡面侵蝕的影響與下墊面條件等因素密切相關[17]。

4.2 作物種植等因素對坡面侵蝕的影響

作物種植方式的不同會影響坡面產流產沙在年內分布特征，且不同處理坡面土壤對侵蝕性降雨的響應存在明顯不同。對于不同作物種植模式下，作物種植方式主要通過影響坡面作物覆蓋、土壤管理以及土壤性質的改變進而影響坡面土壤侵蝕[8]。與荒地處理相比，輪作和間作處理由于增加了坡面擾動次數和周期性的影響地表覆蓋度，導致坡面侵蝕量在年內波動較大，且明顯大于荒地處理，出現較大的侵蝕量(圖4b)。Adimassu等[22]研究指出不同時期由于作物生長狀態(tài)及地表覆蓋度的不同，坡耕地侵蝕量在各月的分布存在明顯不同。作物種植初期，地表疏松、植被覆蓋度較低時遇到強降雨是坡耕地產生嚴重侵蝕的主要原因[25]。此外，作物類型的不同，坡面侵蝕的差異也存在明顯不同，單作處理下坡面侵蝕量顯著高于套種或間作處理[11]，同時不同作物組合模式對徑流和侵蝕的消減程度也存在較大差異[12]。

富涵等[8]對東北黑土區(qū)及謝頌華等[7]對紅壤區(qū)坡耕地侵蝕特征研究均指出，坡面年侵蝕量在年際間存在較大差異。同時，坡長對坡面土壤侵蝕存在顯著影響[26]，而本研究僅采用研究區(qū)2017年1年的監(jiān)測結果，分析坡面侵蝕特征時并未考慮坡長因子的差異。此外，本研究表明2017年研究區(qū)坡面侵蝕輸沙主要集中在5月之前(圖3b)。這與黑土區(qū)[8]、黃壤區(qū)[5]、紅壤區(qū)[7]等坡面侵蝕主要集中在5—9月或7—8月不同。因此，在后續(xù)的研究中需要綜合考慮觀測時間序列、坡長及區(qū)域降雨特征等因素對坡面侵蝕的綜合影響。

5 結論

1)2017年研究區(qū)年降雨量為1 457.9 mm，其中3—10月降雨量占年降雨量的88.2%。整體上，降雨歷時、降雨量與坡面徑流量、侵蝕量均呈顯著或極顯著正相關關系，而I30與坡面徑流量和侵蝕量的相關關系相對不顯著，且與坡面條件關系密切。不同降雨等級下，坡面平均徑流量差異相對較小，整體上在5 mm以下，但侵蝕量差異較大，尤其是>70 mm降雨等級下坡面侵蝕遠大于其他降雨等級。坡面徑流量的分布與侵蝕性降雨的年內分布特征基本一致，但侵蝕量則存在較大差異。

2)輪作坡耕地坡面年徑流量及侵蝕量均最大，是間作坡耕地及荒地的1.6、2.3倍和2.9、7.6倍。各月坡面徑流量和侵蝕量均表現為輪作坡耕地>間作坡耕地>荒地。輪作坡耕地坡面侵蝕主要源自1—6月的高強度降雨，坡面產流產沙隨次降雨在年內劇烈波動，而荒地和間作坡耕地則波動相對較小。