坡耕地耕層水土流失模擬研究

［關鍵詞］ 田口設計；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系，應用田口設計試驗方案，采用室內可調微型模擬裝置，分析不同耕種年限耕層土壤對雨強、坡度、耕作深度、是否翻耕、干濕情況等的響應情況，結果表明：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不易產生水土流失，而在暴雨強度以上降雨時水土流失嚴重，徑流量及產流持續時間在坡度15°、耕層深度為20 cm時主效應最大，各因子間交互作用復雜。

［中圖分類號］ S157" ［文獻標識碼］ 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、翻耕等生產活動對土壤結構改變影響很大，是重要的人為因素，而坡度、耕作層土壤含水量等也對水土流失產生影響，降雨強度則是影響水土流失的關鍵因子，故研究不同降雨條件下耕作層的水土流失，對防控坡耕地水土流失具有十分重要的意義。通過模擬實際耕層狀態及其可能產生水土流失的過程，揭示坡耕地耕層水土流失機制，為防控坡耕地水土流失提供理論和實踐依據，對提高坡耕地水土保持管理工作具有參考意義［1-5］。

1" 試驗土樣采集與處理方法

1.1" 土樣采集及處理

從西南大學紫色土試驗基地相應地塊分別隨機采集未耕種的新土（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，去雜風干備用。測定土壤貫入阻力、干土含水量等土樣性質數據，見表1。其中干土含水量指的是10 cm深土壤風干土含水量，濕土含水量指的是田間持水量。

1.2" 模擬試驗方案與設計

根據耕層特性及水土流失影響要素，選取試驗因子為降雨強度、坡度、耕層深度、是否翻耕、土壤干濕情況，采用正交表L16（44×22）設計試驗方案，每次試驗時長為60 min，重復一次，試驗因素水平見表2。試驗選用標準徑流小區比尺，可調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;云南省農業科學院農業環境資源研究所;國際植物營養研究所成都代表處;lt;/auth-addressgt;lt;titlesgt;lt;titlegt;土壤侵蝕對坡耕地生產力影響的微區模擬試驗lt;/titlegt;lt;secondary-titlegt;西南農業學報lt;/secondary-titlegt;lt;/titlesgt;lt;periodicalgt;lt;full-titlegt;西南農業學報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;坡耕地生產力lt;/keywordgt;lt;keywordgt;微區模擬試驗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;，試驗小區長40 cm、寬20 cm、高10～40 cm。翻耕模擬日常耕作方式，對整個土層疏松，不翻耕則模擬降雨后自然沉降狀態。使用熱風將土壤吹干，采用噴霧噴水模擬降雨使土壤濕潤，采用可調流量噴頭控制雨強。

1.3" 試驗設計與數據處理方法

采用Minitab 21.4.1軟件進行試驗設計及數據分析與處理，應用Minitab主效應、信噪比分析方法，分析耕層水土流失影響因子。

采用Minitab主效應分析方法對各次試驗均值進行統計分析，如果因子各個水平均值連線不與橫軸平行則存在主效應，與平均值相差越大則主效應越大。

在田口設計中，信噪比（SNR）是試驗因子穩健性的度量，其原理是使無法控制的因子（噪聲因子）的效應最小化來確認目標值變化過程中控制因子的變異性。控制因子是可以受到控制的設計和過程參數，如耕層深度、是否翻耕等。噪聲因子在目標值變化過程中無法受到控制，但在試驗期間可以受到控制，如降雨、坡度、土壤干濕情況等。在田口設計試驗中，對噪聲因子進行操作以強制產生變異，然后從結果中找出使目標值變化的過程最優控制因子。

2" 結果與分析

對試驗產生的地表徑流進行統計，結果見圖1。由圖1可知，地表徑流總均值為1 836 mL，各個因素的總均值連線均不與橫軸平行，可認為各個因素均存在主效應。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，由信噪比計算出各因素的Delta值排序為：耕種年限＞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地表徑流量影響更大。不翻耕、土壤濕潤、耕層深度20 cm、連續耕種10 a易產生地表徑流，所以適度休耕、耕層深度適當則不易產生水土流失。

圖2為地下徑流量主效應。由圖2可知，地下徑流量總均值為377 mL，各個因素的總均值連線均不與橫軸平行，可認為各個因素均存在主效應。從耕層深度看，地下徑流量在耕層深度為10 cm和30 cm時均小于總均值，而在20 cm和40 cm時均大于總均值。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，由信噪比計算出各因素的Delta值排序為：耕層深度＞耕種年限＞土壤干濕情況＞是否翻耕，土壤干濕情況比是否翻耕對地下徑流量影響更大。適當保持土壤干燥，也就是合理灌排水、適度深耕有利于水土保持。

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

為進一步研究地表徑流對各因素的響應，對降雨量、坡度、耕層深度、耕種年限進行等值線分析，探究其是否具有中心效應，若存在中心點，可為進一步試驗提供更精細的試驗因子水平，使試驗更準確，為實際控制提供關鍵控制因子值。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時地表徑流量具有中心效應；坡度為15°、耕層深度20 cm時地表徑流量具有中心效應；耕層深度20 cm、降雨量200 mm時地表徑流量具有中心效應。

3" 結論與討論

耕層是農林生產主要活動場所，耕種不斷重塑土壤結構，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，對水土流失影響大，適當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，而暴雨以上強度降雨會產生嚴重水土流失，進一步研究坡耕地耕層暴雨水土流失過程、規律具有十分重要的意義。

關于坡耕地水土流失影響因子，人們對一些直接因子，如坡度、坡長等因子有了大量研究，但對改變耕層土壤結構的翻耕及耕種年限等因子的影響機理尚無深入研究。坡耕地的坡度、土壤含水量、耕作措施等之間存在復雜的交互作用，因此繼續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源，深入研究耕層水土流失，對防控人為水土流失，特別是防控坡耕地水土流失具有指導意義。

［參考文獻］

［1］ 郭賢仕，楊如萍，馬一凡，等.保護性耕作對坡耕地土壤水分特性和水土流失的影響［J］.水土保持通報，2010，30（4）：1-5.

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［5］ 張潭，孟琳，董明明.不同降雨條件下沂蒙山區典型小流域水土流失變化特征［J］.中國水土保持，2023（8）：28-31.

［6］ 郭云周，涂仕華，劉建香，等.土壤侵蝕對坡耕地生產力影響的微區模擬試驗［J］.西南農業學報，2012，25（4）：1343-1346.

收稿日期： 2023-09-28

基金項目： 重慶市水利科技項目（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測工作。

通信作者： 劉益軍（1968—），男，湖南衡陽人，副教授，博士，主要從事水土保持監測與評價等教學與研究工作。

E-mail： 542593340@qq.com

（責任編輯" 楊傲秋）