不同耕作措施對南方壤粘土的侵蝕產流產沙影響

孫芳媛，王寶龍，王　濤，韋鐘繼，楊丹彤

(華南農業大學 工程學院，廣州　510642)

0　引言

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

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實踐所證明[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,徑流開始時間和土壤達到田間持水量時間越晚。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質含量及土壤團聚體穩定性，可改善土壤結構[8]。

免耕是保護性耕作措施之一，在作物播種前不翻耕，直接用免耕播種機下種溝，將對土壤的擾動控制在保證種子發芽即可。因免少耕不破壞土壤結構，且保留殘茬在地表，不僅緩釋了雨滴動能，作物根系的束縛還避免土壤團聚體分離、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]在土質為粉砂質粘壤土的田塊中進行了為期4年的觀測研究得知：常規耕作的侵蝕量為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用，該方式宜布設于20°以下的坡耕地，是南方紅壤丘陵區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略低于壟臺的壟溝，利用壟臺分隔壟溝，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50、60年代興起壟作栽培的保護性耕作技術，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更易受到暴雨侵蝕。要想充分發揮其水土保持效果，修建時需要考慮降雨、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呈現縱向和橫向兩種方式的壟溝，平地起壟不會造成水土流失，而坡耕地起壟時不同走向的壟溝分布對土壤侵蝕的防治效果有待進一步研究。為此，將傳統壟作作為對照，比較不同起壟方向的土壤抗侵蝕效果。

1　材料與方法

本試驗采用微徑流場配合人工降雨，觀測產流產沙情況，以研究耕作措施對坡耕地的水土保持效應。

1.1　試驗土壤基本性質

2017年2月，在華南農業大學北門農業機械實驗室進行試驗，土壤取自河源市連平縣安吉村的農田土；鮑氏比重計法測試土壤質地，得出黏粒、粉粒、砂粒含量分別為43.6%、15.4%、41%。土壤質地為壤質粘土，容重1.35g/cm3，有機質含量2.1%。

1.2　微徑流場結構

用鐵板焊長×寬×深為1.5m×0.5m×0.5m的土槽作為微徑流場，一側墊高，坡度為3°。南方土壤普遍存在犁底層，為此槽底不打孔；為降低邊壁對入滲、產流過程及坡面侵蝕微形態發育等方面的影響[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，使下墊面土壤的變異性達到最小，最大程度還原農田土壤的原生結構。微徑流場結構模擬裝置如圖1所示。

圖1　微徑流場模擬裝置

1.3　模擬降雨裝置

模擬降雨可再現自然降雨對土壤的侵蝕過程，加速研究進程。模擬降雨系統采用帶初速度的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(如降雨強度、雨滴特性、降雨歷時、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是否可用的關鍵[16-17]。為此，針對性地對降雨強度、降雨均勻性、雨滴直徑和雨滴動能等參數逐個調整，進行率定性的試驗，最后應用于各個徑流小區，進行人工降雨條件下土壤抗侵蝕性試驗的驗證。

2　試驗結果與分析

2.1　降雨特性率定試驗

降雨量指一定時間內降落在某一面積上的水量(mm)，降水強度指單位時間內的降水量(mm/h)。針對華南地區暴雨頻發的特點，設計雨強為110、240、320mm/h。在地面均勻放置若干個雨量筒，并設置垂直和水平兩個角度的噴頭朝向，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；計量雨強與降雨均勻度。

圖2　降雨特性率定試驗雨量筒布置圖

降雨均勻系數為

不同降雨強度下降雨均勻系數如表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，水平下噴式會產生大量的無效降水；隨著供水壓力及流量的增大，噴頭的散水性能得到提高，當雨強為320mm/h時，均勻系數均可達到80%以上，符合模擬降雨的技術要求。綜上所述，本試驗選擇水平下噴式的噴水方式，試驗用降雨強度設計為320mm/h。

表1不同降雨強度下降雨均勻系數

Table 1Uniformity coefficient of different rainfall intensity %

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

國內外學者公認雨滴動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。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量相同的球體的直徑，其采用濾紙色斑法測定。色斑直徑與雨滴直徑的換算關系[21-22]為

d=0.356D0.712

由此得出320mm/h的降雨中數直徑為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到終點速度，模擬降雨由于條件所限，無法搭建過高的試驗臺，使用具有初速度的下噴式噴頭在一定程度上克服這個問題。本文雨滴直徑d換算求得雨滴降落速度。根據牟金澤在1983年提出的計算雨滴速度的經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d<1.5mm時，則

V=0.496×

當d≥1.9mm時，則

根據以上公式，計算得出雨滴降落速度為4.78～9.42m/s。雨滴動能E根據傳統動能公式計算得出，即E=1/12πd3ρV2，雨滴動能在11.9710-6～8.8510-3J之間。

通過對降雨強度、降雨均勻性、雨滴特性等參數的率定，得出320mm/h的降雨強度下模擬降雨與自然降雨相似，能夠滿足試驗要求。

2.2　徑流場試驗

微徑流場設置免耕秸稈覆蓋(No Tillage With Straw Mulching)、橫向起壟(Horizontal Ridge)、免耕(No Tillage)及縱向起壟(Vertical Ridge)4個處理，以下簡稱為NTS、HR、NT、VR。秸稈覆蓋度為95%；免耕地土壤閑置3個月未被擾動，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度大，坡面產流時間早[23]。為避免初始水分含量差異帶來的誤差影響，試驗前用微噴灌的方式對表土進行濕潤，至表層將要出現積水為止。

微徑流場的模擬降雨試驗采用320mm/h的降雨強度，用帶刻度的徑流桶搜集含泥沙的徑流，分析產流速率。根據產流情況，NTS和HR兩組每隔5min采集1次數據，降雨時間設置為60min；NT和VR兩組每隔1min采集1次數據，降雨時間設置為15min。

將徑流量與降雨時間的關系通過SPSS繪制成平滑曲線，以徑流率(斜率)反應產流速率，如圖3、圖4所示。

圖3　NTS和HR的產流過程

圖4　NT和VR的產流過程

2.2.1模擬降雨下的產流過程

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

對于南方土壤而言，黏粒含量豐富，透水性差，遇水后易板結，與北方砂土的產流產沙過程有本質的區別。坡面產流后徑流水層薄，地表粗糙度、坡面微地貌等都對水流有干擾作用，流態復雜。

利用SPSS對觀測到的徑流與降雨時間的動態變化規律進行回歸分析，如表2所示。

表2不同處理小區徑流量與降雨時間的回歸分析

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的穩定降雨強度下，產流量y與降雨時間x符合線性或二次曲線回歸關系，徑流量隨降雨時間的增大而增加。在本次模擬降雨范圍內的任意時刻，均可以通過以上公式得出該時刻的產流量。

2.2.2模擬降雨下的產沙過程

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。用烘干法測量泥沙質量，數次烘干至質量不變。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　侵蝕產流產沙分析

1)NTS：由于秸稈覆蓋度占95%，有效減弱了雨滴對土壤的濺蝕作用，60min降雨產流31.35L，平均產流速率0.5L/min；產流速率平穩無明顯拐點；徑流含沙量最低，對比NTS和NT，土壤的下墊面處理類似，覆蓋能減少98.6%的凈產沙量。此結論與大多數學者的研究成果一致。盡管區域、土壤質地和覆蓋程度不同，秸稈覆蓋均可攔截雨滴，防止雨滴直接打擊破壞表土層結構，是解決農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，所以試驗的前30min內未搜集到徑流。隨著降雨的進行，土壤同時受暴雨沖刷和積水浸泡，結構受到破壞致使壟臺坍塌。30min后徑流桶開始搜集到徑流，降雨持續60min，產流13.11L，平均產流速率在0.2～1.1L/min之間，徑流含沙量為0.46g/L，僅次于VR；壟臺未坍塌之前積水與徑流只存在于壟溝，初期整個田塊可視為不存在水土流失。如若降雨時長不足以破壞壟臺，橫向起壟依舊是傳統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，細小土粒隨水向下移動，表層空隙被填塞后可形成結皮層，阻礙水分下滲[25]。耕地由于經常受擾動不易形成地表結皮，而免耕地不一樣，由本組試驗可看出：地表結皮可顯著影響水分入滲，徑流的產流率更高，這與其他學者的研究成果相似[26-27]。本組試驗降雨持續15min，搜集到徑流30.78L，平均產流速率為1.1～2.7L/min。徑流含沙量僅為0.14g/L，地表結皮增加了徑流也保護了土壤，對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，積水預先聚集在壟溝，在試驗開始后的3min搜集到徑流。隨著暴雨的進行，表土團聚體已明顯破碎，壟臺坍塌，細溝侵蝕明顯；降雨15min，產流13.97L，平均產流速率在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溝侵蝕，伴隨細溝侵蝕一同發生的是地表粗糙度的增加，直觀反映在試驗中即表層細軟土壤隨徑流流失，降雨過后地表出現較多石礫。對比不同起壟方向可以看出：縱向起壟形成徑流會引起土壤侵蝕，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械組成分析

土壤質地又稱土壤的機械組成，是指土壤中各粒級土粒的配合比例[28]。自然界的土壤是由不同粒級土粒混合組成的，各粒級的比例差異造就土壤質地的差異。

華北地區多為礫質砂土，土壤顆粒之間缺乏膠結能力，呈散碎的單粒，膨脹系數小，通水透氣性能好，耕作阻力小。南方土壤多為粘土，板結粘重，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構的改變，還會造成表土質地的改變。測量徑流桶搜集到的泥沙的質地及裸地試驗前后表層土壤的機械組成，作為判斷土壤侵蝕程度的一個輔助參數。

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

表3　土壤機械組成分析

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，砂粒的含量呈現下降趨勢，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軟質地的粉粒和黏粒，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　結論

1)對于南方旱作粘土而言，暴雨條件下耕作方式會對水土流失產生顯著的影響。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，但此防治方式僅對小雨量有效果，長時間高強度的降雨破壞壟臺后，依舊會造成土壤侵蝕。

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