坡耕地耕層水土流失模擬研究

［關(guān)鍵詞］ 田口設(shè)計(jì)；模擬；耕種年限；水土流失；耕層；坡耕地

［摘" 要］ 耕層是耕種的主要土壤層，也是水土流失的主要源地。為研究耕層各因素與水土流失的關(guān)系，應(yīng)用田口設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案，采用室內(nèi)可調(diào)微型模擬裝置，分析不同耕種年限耕層土壤對(duì)雨強(qiáng)、坡度、耕作深度、是否翻耕、干濕情況等的響應(yīng)情況，結(jié)果表明：隨著耕種年限的增加，土壤密度及貫入阻力減小，耕層在大雨以下降雨情況時(shí)不易產(chǎn)生水土流失，而在暴雨強(qiáng)度以上降雨時(shí)水土流失嚴(yán)重，徑流量及產(chǎn)流持續(xù)時(shí)間在坡度15°、耕層深度為20 cm時(shí)主效應(yīng)最大，各因子間交互作用復(fù)雜。

［中圖分類號(hào)］ S157" ［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］ A" DOI：10.3969/j.issn.1000-0941.2024.09.019

［引用格式］ 于秀娟，劉益軍，鄭云澤，等.坡耕地耕層水土流失模擬研究［J］.中國(guó)水土保持，2024（9）：60-62.

坡耕地耕層水土流失是由多重要素共同作用造成的，其中種植、翻耕等生產(chǎn)活動(dòng)對(duì)土壤結(jié)構(gòu)改變影響很大，是重要的人為因素，而坡度、耕作層土壤含水量等也對(duì)水土流失產(chǎn)生影響，降雨強(qiáng)度則是影響水土流失的關(guān)鍵因子，故研究不同降雨條件下耕作層的水土流失，對(duì)防控坡耕地水土流失具有十分重要的意義。通過(guò)模擬實(shí)際耕層狀態(tài)及其可能產(chǎn)生水土流失的過(guò)程，揭示坡耕地耕層水土流失機(jī)制，為防控坡耕地水土流失提供理論和實(shí)踐依據(jù)，對(duì)提高坡耕地水土保持管理工作具有參考意義［1-5］。

1" 試驗(yàn)土樣采集與處理方法

1.1" 土樣采集及處理

從西南大學(xué)紫色土試驗(yàn)基地相應(yīng)地塊分別隨機(jī)采集未耕種的新土（耕種年限記為0 a），以及開墾耕種2、10及30 a的耕層土壤混合樣，采樣深度40 cm，去雜風(fēng)干備用。測(cè)定土壤貫入阻力、干土含水量等土樣性質(zhì)數(shù)據(jù)，見(jiàn)表1。其中干土含水量指的是10 cm深土壤風(fēng)干土含水量，濕土含水量指的是田間持水量。

1.2" 模擬試驗(yàn)方案與設(shè)計(jì)

根據(jù)耕層特性及水土流失影響要素，選取試驗(yàn)因子為降雨強(qiáng)度、坡度、耕層深度、是否翻耕、土壤干濕情況，采用正交表L16（44×22）設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案，每次試驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)為60 min，重復(fù)一次，試驗(yàn)因素水平見(jiàn)表2。試驗(yàn)選用標(biāo)準(zhǔn)徑流小區(qū)比尺，可調(diào)坡度及土層厚度的微型裝置［6］ADDINEN.CITElt;EndNotegt;lt;Citegt;lt;Authorgt;郭云周lt;/Authorgt;lt;Yeargt;2012lt;/Yeargt;lt;RecNumgt;39lt;/RecNumgt;lt;DisplayTextgt;lt;styleface=\"superscript\"gt;lt;/stylegt;lt;/DisplayTextgt;lt;recordgt;lt;rec-numbergt;39lt;/rec-numbergt;lt;foreign-keysgt;lt;keyapp=\"EN\"db-id=\"drr9re95d0dpafea02s5sd0esfxw5rve0290\"timestamp=\"1694258218\"gt;39lt;/keygt;lt;/foreign-keysgt;lt;ref-typename=\"JournalArticle\"gt;17lt;/ref-typegt;lt;contributorsgt;lt;authorsgt;lt;authorgt;郭云周lt;/authorgt;lt;authorgt;涂仕華lt;/authorgt;lt;authorgt;劉建香lt;/authorgt;lt;authorgt;賈秋鴻lt;/authorgt;lt;/authorsgt;lt;/contributorsgt;lt;auth-addressgt;云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境資源研究所;國(guó)際植物營(yíng)養(yǎng)研究所成都代表處;lt;/auth-addressgt;lt;titlesgt;lt;titlegt;土壤侵蝕對(duì)坡耕地生產(chǎn)力影響的微區(qū)模擬試驗(yàn)lt;/titlegt;lt;secondary-titlegt;西南農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)lt;/secondary-titlegt;lt;/titlesgt;lt;periodicalgt;lt;full-titlegt;西南農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)lt;/full-titlegt;lt;/periodicalgt;lt;pagesgt;1343-1346lt;/pagesgt;lt;volumegt;25lt;/volumegt;lt;numbergt;04lt;/numbergt;lt;keywordsgt;lt;keywordgt;土壤侵蝕lt;/keywordgt;lt;keywordgt;坡耕地生產(chǎn)力lt;/keywordgt;lt;keywordgt;微區(qū)模擬試驗(yàn)lt;/keywordgt;lt;/keywordsgt;lt;datesgt;lt;yeargt;2012lt;/yeargt;lt;/datesgt;lt;isbngt;1001-4829lt;/isbngt;lt;call-numgt;51-1213/Slt;/call-numgt;lt;urlsgt;lt;/urlsgt;lt;electronic-resource-numgt;10.16213/j.cnki.scjas.2012.04.011lt;/electronic-resource-numgt;lt;remote-database-providergt;Cnkilt;/remote-database-providergt;lt;/recordgt;lt;/Citegt;lt;/EndNotegt;，試驗(yàn)小區(qū)長(zhǎng)40 cm、寬20 cm、高10～40 cm。翻耕模擬日常耕作方式，對(duì)整個(gè)土層疏松，不翻耕則模擬降雨后自然沉降狀態(tài)。使用熱風(fēng)將土壤吹干，采用噴霧噴水模擬降雨使土壤濕潤(rùn)，采用可調(diào)流量噴頭控制雨強(qiáng)。

1.3" 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理方法

采用Minitab 21.4.1軟件進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)及數(shù)據(jù)分析與處理，應(yīng)用Minitab主效應(yīng)、信噪比分析方法，分析耕層水土流失影響因子。

采用Minitab主效應(yīng)分析方法對(duì)各次試驗(yàn)均值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，如果因子各個(gè)水平均值連線不與橫軸平行則存在主效應(yīng)，與平均值相差越大則主效應(yīng)越大。

在田口設(shè)計(jì)中，信噪比（SNR）是試驗(yàn)因子穩(wěn)健性的度量，其原理是使無(wú)法控制的因子（噪聲因子）的效應(yīng)最小化來(lái)確認(rèn)目標(biāo)值變化過(guò)程中控制因子的變異性?？刂埔蜃邮强梢允艿娇刂频脑O(shè)計(jì)和過(guò)程參數(shù)，如耕層深度、是否翻耕等。噪聲因子在目標(biāo)值變化過(guò)程中無(wú)法受到控制，但在試驗(yàn)期間可以受到控制，如降雨、坡度、土壤干濕情況等。在田口設(shè)計(jì)試驗(yàn)中，對(duì)噪聲因子進(jìn)行操作以強(qiáng)制產(chǎn)生變異，然后從結(jié)果中找出使目標(biāo)值變化的過(guò)程最優(yōu)控制因子。

2" 結(jié)果與分析

對(duì)試驗(yàn)產(chǎn)生的地表徑流進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見(jiàn)圖1。由圖1可知，地表徑流總均值為1 836 mL，各個(gè)因素的總均值連線均不與橫軸平行，可認(rèn)為各個(gè)因素均存在主效應(yīng)。從耕層深度看，除耕層深度20 cm處地表徑流量大于總均值外，其余各深度地表徑流量均低于總均值。從耕種年限看，10 a及以上的地表徑流量大于總均值，而10 a以下的地表徑流量小于總均值。從是否翻耕看，翻耕的地表徑流量小于總均值，而不翻耕的地表徑流量大于總均值。從土壤干濕情況看，干燥土壤的地表徑流量小于總均值，濕潤(rùn)土壤的地表徑流量大于總均值。表3為地表徑流量信噪比，由信噪比計(jì)算出各因素的Delta值排序?yàn)椋焊N年限＞耕層深度＞是否翻耕＞土壤干濕情況，是否翻耕比土壤干濕情況對(duì)地表徑流量影響更大。不翻耕、土壤濕潤(rùn)、耕層深度20 cm、連續(xù)耕種10 a易產(chǎn)生地表徑流，所以適度休耕、耕層深度適當(dāng)則不易產(chǎn)生水土流失。

圖2為地下徑流量主效應(yīng)。由圖2可知，地下徑流量總均值為377 mL，各個(gè)因素的總均值連線均不與橫軸平行，可認(rèn)為各個(gè)因素均存在主效應(yīng)。從耕層深度看，地下徑流量在耕層深度為10 cm和30 cm時(shí)均小于總均值，而在20 cm和40 cm時(shí)均大于總均值。從耕種年限看，未耕種的地下徑流量大于總均值，而耕種2 a及以上的地下徑流量均小于總均值。從是否翻耕看，翻耕的地下徑流量大于總均值，而不翻耕的地下徑流量小于總均值。

于秀娟等：坡耕地耕層水土流失模擬研究

從土壤干濕情況看，干燥土壤的地下徑流量小于總均值，濕潤(rùn)土壤的地下徑流量大于總均值。表4為地下徑流量信噪比，由信噪比計(jì)算出各因素的Delta值排序?yàn)椋焊麑由疃龋靖N年限＞土壤干濕情況＞是否翻耕，土壤干濕情況比是否翻耕對(duì)地下徑流量影響更大。適當(dāng)保持土壤干燥，也就是合理灌排水、適度深耕有利于水土保持。

圖3為總產(chǎn)流時(shí)間主效應(yīng)。由圖3可知，總產(chǎn)流時(shí)間總均值為2 342 s，各個(gè)因素的總均值連線均不與橫軸平行，可認(rèn)為各個(gè)因素均存在主效應(yīng)。從耕層深度來(lái)看，除耕層深度為20 cm時(shí)總產(chǎn)流時(shí)間小于總均值外，其余深度總產(chǎn)流時(shí)間均大于總均值。從耕作年限看，耕種2 a及30 a的土壤總產(chǎn)流時(shí)間大于均值，而未耕種和耕種10 a的土壤總產(chǎn)流時(shí)間小于總均值。從是否翻耕看，翻耕的總產(chǎn)流時(shí)間大于總均值，而不翻耕的總產(chǎn)流時(shí)間小于總均值。從土壤干濕情況看，干燥土壤的總產(chǎn)流時(shí)間大于總均值，濕潤(rùn)土壤的總產(chǎn)流時(shí)間小于總均值。這表明，紫色土坡耕地存在一個(gè)合理耕作深度，也需要適度休耕來(lái)改變耕作年限對(duì)耕層水土流失的影響。

為進(jìn)一步研究地表徑流對(duì)各因素的響應(yīng)，對(duì)降雨量、坡度、耕層深度、耕種年限進(jìn)行等值線分析，探究其是否具有中心效應(yīng)，若存在中心點(diǎn)，可為進(jìn)一步試驗(yàn)提供更精細(xì)的試驗(yàn)因子水平，使試驗(yàn)更準(zhǔn)確，為實(shí)際控制提供關(guān)鍵控制因子值。圖4為地表徑流量與降雨量、坡度、耕層深度、耕種年限的等值線圖。由圖4可知，耕種年限15 a、耕層深度20 cm時(shí)地表徑流量具有中心效應(yīng)；坡度為15°、耕層深度20 cm時(shí)地表徑流量具有中心效應(yīng)；耕層深度20 cm、降雨量200 mm時(shí)地表徑流量具有中心效應(yīng)。

3" 結(jié)論與討論

耕層是農(nóng)林生產(chǎn)主要活動(dòng)場(chǎng)所，耕種不斷重塑土壤結(jié)構(gòu)，從而改變土壤組成成分，也使得研究坡耕地水土流失難度更大。耕種年限在一定程度上反映了坡耕地土壤狀態(tài)，對(duì)水土流失影響大，適當(dāng)休耕有利于坡耕地水土保持。小雨以下降雨有利于坡耕地水分利用，而暴雨以上強(qiáng)度降雨會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重水土流失，進(jìn)一步研究坡耕地耕層暴雨水土流失過(guò)程、規(guī)律具有十分重要的意義。

關(guān)于坡耕地水土流失影響因子，人們對(duì)一些直接因子，如坡度、坡長(zhǎng)等因子有了大量研究，但對(duì)改變耕層土壤結(jié)構(gòu)的翻耕及耕種年限等因子的影響機(jī)理尚無(wú)深入研究。坡耕地的坡度、土壤含水量、耕作措施等之間存在復(fù)雜的交互作用，因此繼續(xù)研究這些因子之間的交互作用十分必要。

坡耕地是水土流失的主要源地，而耕層是坡耕地土壤流失的主要來(lái)源，深入研究耕層水土流失，對(duì)防控人為水土流失，特別是防控坡耕地水土流失具有指導(dǎo)意義。

［參考文獻(xiàn)］

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［6］ 郭云周，涂仕華，劉建香，等.土壤侵蝕對(duì)坡耕地生產(chǎn)力影響的微區(qū)模擬試驗(yàn)［J］.西南農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2012，25（4）：1343-1346.

收稿日期： 2023-09-28

基金項(xiàng)目： 重慶市水利科技項(xiàng)目（CQSLK-2022021）

第一作者： 于秀娟（1982—），女，四川開江人，工程師，主要從事水土保持監(jiān)測(cè)工作。

通信作者： 劉益軍（1968—），男，湖南衡陽(yáng)人，副教授，博士，主要從事水土保持監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)等教學(xué)與研究工作。

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（責(zé)任編輯" 楊傲秋）