三峽庫區(qū)紫色土坡地作物覆蓋與管理因子C值估算

徐勤學(xué), 李春茂, 李朝霞, 蔡崇法

(1.桂林理工大學(xué) 巖溶地區(qū)水污染控制與用水安全保障協(xié)同創(chuàng)新中心, 廣西 桂林 541004;2.華中農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)業(yè)部長江中下游耕地保育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 武漢 430070; 3.桂林理工大學(xué)廣西環(huán)境污染控制理論與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廣西 桂林 541004; 4.華中農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院, 武漢 430070)

植被覆蓋與作物管理因子C值(以下簡稱C值)是土壤流失方程(USLE)和修正通用土壤流失方程(RUSLE)中的重要組成部分，用來表示植被覆蓋和管理措施對土壤侵蝕的影響，定義為在一定地表覆蓋和管理措施下土壤流失量與同等條件下適時(shí)翻耕、連續(xù)休閑對照地上土壤流失量之比[1-3]。

不同種植和管理制度下坡面土壤侵蝕各異，作物種類、種植順序、農(nóng)作期長短、栽培措施以及不同農(nóng)作期降雨侵蝕力的分布等都影響著坡面侵蝕過程。但由于存在許多種植和管理制度，比如作物可以單獨(dú)種植、也可以間作或與其他作物輪作，輪作又具有各種輪作期和順序，作物收獲后的殘茬或從田面上清除，或者留在田面，也可以把它們摻入土壤中，土地可以清耕，或者使用幾種土壤保持耕作措施，因此很難評價(jià)種植和管理制度對土壤侵蝕的影響。而且評價(jià)這一影響還必須結(jié)合本地區(qū)的降雨侵蝕力分布，而各地的侵蝕性降雨時(shí)間及對應(yīng)的種植制度各不相同，因此種植和管理制度對土壤侵蝕的影響只能是個(gè)地區(qū)性的指標(biāo)，而不能簡單推廣。目前國內(nèi)對C值的研究也多關(guān)注于在不同植被及土壤利用的組合條件下的USLE方程在局部地區(qū)的適用性，其中南方丘陵區(qū)[4-7]和黃土高原區(qū)[8-10]對植被覆蓋與土壤侵蝕關(guān)系方面的研究較多，而對于紫色土地區(qū)的研究報(bào)道相對較少[11]。紫色土由于發(fā)育于紫色砂巖或頁巖的幼年土，其成土過程迅速，黏粒含量較低，抗蝕性弱，是三峽庫區(qū)侵蝕風(fēng)險(xiǎn)最大的一種土壤類型。USLE侵蝕模擬模型在該地區(qū)研究雖然較多，但對作物管理因子C值的研究相對不足，且相關(guān)研究多集中在作物類型、前期含水量、地表粗糙度等種植和管理制度中的單一因素對土壤侵蝕的影響，而綜合考慮種植和管理因子C值的研究相對較少。

為此，本文選取三峽庫區(qū)的紫色土坡地22種常見的農(nóng)地作物種植模式，分為單作、輪作、間—輪作的主要種植制度，結(jié)合三峽庫區(qū)當(dāng)?shù)氐慕涤昵治g力分布及作物生長周期和覆蓋度變化，通過通用流失方程(USLE)計(jì)算年均C值，以對比分析紫色土坡地主要種植和輪作模式對坡面土壤侵蝕的影響，既為紫色土地區(qū)土壤侵蝕的預(yù)測預(yù)報(bào)提供基礎(chǔ)支持，也為紫色土坡地農(nóng)業(yè)合理布局提供理論指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

本文的研究對象是三峽庫區(qū)的紫色土坡地，試驗(yàn)區(qū)選在三峽庫區(qū)秭歸縣王家橋小流域，該流域的自然條件及其區(qū)域發(fā)展模式在三峽庫區(qū)紫色土地區(qū)具有廣泛的代表性。該試驗(yàn)區(qū)(110°40′—110°47′E，31°05′—31°15′N)屬于北亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候區(qū)，氣候溫和、四季分明、雨熱同季、無霜期長。多年平均氣候18℃，多年平均降雨蒸發(fā)量846.5 mm，多年平均降雨1 192 mm，雨量時(shí)空分布極其不均勻，汛期5—9月降水量占年總量的66.5%。流域坡度較陡，25°～35°的坡地占35%，大于35°的坡地占50%，屬典型的山區(qū)小流域。流域出露中生界侏羅系蓬萊鎮(zhèn)組地層，土壤為中性紫色土和石灰性紫色土，紫色土土層薄、礫石含量高，土層厚度大都在50 cm以下[12]。該流域植被分布為少量針闊葉林，主要樹種有馬尾松、柏、杉等，林下為灌草結(jié)構(gòu)，灌木主要種類為馬桑、積木。人工栽植樹種主要是經(jīng)濟(jì)林(柑橘、茶、油桐、板栗、杜仲)。旱地作物主要有小麥、玉米、薯類、豆類。主要耕作方式為套種或間作。

1.2 C值的計(jì)算方法

本文首先通過資料分析和野外調(diào)查統(tǒng)計(jì)出紫色土地區(qū)常見的種植模式，分析具體種植作物的不同農(nóng)作期。其次是確定不同農(nóng)作期的土壤流失比率(SLR)，對有觀測資料的種植模式，利用觀測小區(qū)與標(biāo)準(zhǔn)小區(qū)侵蝕量比值確定SLR，對無觀測資料的種植模式，利用植被覆蓋度與土壤侵蝕的經(jīng)驗(yàn)公式得出SLR值，計(jì)算出不同農(nóng)作期內(nèi)的降雨侵蝕力分布。最后利用USLE中C值公式計(jì)算出該種植模式的作物覆蓋與管理因子C值。

不同地區(qū)降雨侵蝕力在年內(nèi)的分布以及作物的生長期差別很大，因此同一種作物在不同地區(qū)C值也會明顯不同。如張憲奎等[18]通過7 a的試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)得出黑龍江地區(qū)玉米的年均C值為0.257，而楊子生[19]在滇東北的3年實(shí)際觀測數(shù)據(jù)表明玉米的年C值為0.351，并與史志華[20]根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算的三峽庫區(qū)玉米的C值0.36相近。本文通過計(jì)算農(nóng)作期、降雨侵蝕力分布、農(nóng)作期土壤流失比率得出的玉米年C值為0.38，與在滇東北和三峽庫區(qū)的結(jié)果比較一致。

紫色土坡地其他不同輪作制度下的年均C值見表5。輪作模式下的C值通常都小于單種模式。分析原因是，輪作制度下作物的殘茬期普遍縮短，甚至在殘茬期接著輪作下一種作物，這種做法會使每種作物的C值的峰值大大減小，導(dǎo)致總的C值減小，另外輪作可以改變田地生態(tài)條件，改善土壤理化性質(zhì)，提高抵抗土壤流失的能力。

以單作模式下的計(jì)算玉米苗床期為例(表2)，苗床期作物覆蓋度為0～10%，一般播種后20 d以內(nèi)作物覆蓋度小于5%，不超過10%。這里取5%代入公式(4)，求得SLR=e(-0.035×5)=0.83。降雨侵蝕力R根據(jù)苗床期生長日數(shù)見圖1，比如苗床期(04-05—04-25)農(nóng)作物EI百分比為5，所以SLR與降雨侵蝕力R的乘積得到0.041 5。用相同方法求出玉米作物定苗期、成熟期、發(fā)育期、殘茬期每個(gè)時(shí)段SLR和EI相乘，將5個(gè)時(shí)段的值求和，再將該和與EI百分比之和相除，得到的就是C值[17]，結(jié)果見表2。

R=∑E·I30/100

(1)

以小麥—紅薯為例說明輪作模式下C值的計(jì)算(表4)。計(jì)算過程同樣是先劃分生長期，然后確定降雨侵蝕力、土壤流失比，計(jì)算各農(nóng)作期的C值，最后計(jì)算全年C值，唯一與單種區(qū)別的是需將兩種作物的農(nóng)作期都考慮在內(nèi)。

E=e·p

(2)

式中：e為單位降雨動能[(m·t)/(hm2·cm)]；p為某時(shí)段的降雨雨量(cm)。而單位降雨動能e的計(jì)算如下：

(一)在制度層面，首先，鎮(zhèn)街非稅收入