黑土坡面壟側(cè)少耕措施的土壤侵蝕特征分析

劉殿民，沈海鷗,4，武佳龍，欒鳳嬌，牟廷森，王巖生

(1.吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，長春 130118；2.吉林省正源環(huán)?？萍加邢薰?，長春 130000；3.公主嶺市勾家店水庫灌區(qū)管理所，吉林 公主嶺 136121；4.吉林省商品糧基地土壤資源可持續(xù)利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長春 130118)

黑土地糧食產(chǎn)量對吉林省貢獻(xiàn)率超過80%，為我國糧食安全和可持續(xù)發(fā)展做出重要貢獻(xiàn)。東北黑土區(qū)坡耕地約占黑土區(qū)總面積1/2以上，但由于東北地區(qū)雨季和旱季之間轉(zhuǎn)換等自然原因，以及人類生產(chǎn)活動(dòng)等人為原因，導(dǎo)致黑土區(qū)坡耕地在水力、風(fēng)力等外營力作用下的土壤侵蝕問題嚴(yán)峻。東北黑土區(qū)坡耕地耕作措施主要包括橫坡壟作、壟向區(qū)田、竹節(jié)壟等，能夠明顯增強(qiáng)坡耕地水土保持能力。免耕、少耕保護(hù)性耕作能夠增加土壤中全氮、有機(jī)質(zhì)和速效鉀含量，顯著提高土壤脲酶、蔗糖酶等活性，同時(shí)能夠增加土壤容重，改善土壤理化性質(zhì)，增加土壤蓄水保水能力等。近年來，吉林省部分地區(qū)根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂蚣暗匦翁卣魍茝V了一種玉米壟側(cè)減免耕保墑栽培技術(shù)，簡稱為壟側(cè)少耕措施，該保護(hù)性耕作方式在種植時(shí)只利用壟的一側(cè)耕作，壟的另一側(cè)在耕種年處于閑置狀態(tài)，以提高耕地質(zhì)量，實(shí)行隔年輪換種植、倒茬休耕，實(shí)現(xiàn)休地與養(yǎng)地同時(shí)進(jìn)行，最大限度保護(hù)當(dāng)?shù)赝寥罓顩r。然而，目前黑土區(qū)坡耕地土壤侵蝕特征對該技術(shù)的響應(yīng)尚不明確。因此，為探究新型壟側(cè)少耕措施的水土保持效果，本研究采用人工模擬降雨試驗(yàn)方法，通過控制橫壟土壤容重的方式模擬壟側(cè)少耕措施對黑土坡面徑流量、土壤侵蝕量、徑流率、土壤侵蝕速率等的影響，以期為東北黑土區(qū)坡耕地土壤侵蝕防治提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置與材料

試驗(yàn)于2021年6—9月在吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)水土保持科研基地(125°21′E，43°52′N)人工模擬降雨大廳內(nèi)進(jìn)行，研究區(qū)屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候，降雨主要集中在6—9月，年平均降水量617 mm，年平均氣溫4.8 ℃。試驗(yàn)降雨設(shè)備為下噴式人工模擬降雨系統(tǒng)，降雨高度為6 m，降雨均勻度>90%，降雨覆蓋面積為6 m×3 m，降雨強(qiáng)度主要通過調(diào)節(jié)壓力閥和噴頭孔徑(5～12 mm)來控制，降雨強(qiáng)度可調(diào)節(jié)范圍為30～165 mm/h，試驗(yàn)土槽規(guī)格為長2 m、寬0.5 m、深0.5 m，其可調(diào)節(jié)坡度為0～30°。試驗(yàn)土槽底部有9排3列均勻的排水孔，共27個(gè)，其孔徑為2 cm，用于保證試驗(yàn)過程中下滲水分順利排出。試驗(yàn)土樣為典型黑土耕地土壤樣品，采自吉林省榆樹市，耕地主要經(jīng)濟(jì)作物為玉米，采樣后測得耕層土壤容重平均為1.20 g/cm，其中黏粒、粉粒、砂粒分別占土壤總體機(jī)械組成的21.2%，47.9%和30.9%，采樣后為盡量保持土壤本身的理化性質(zhì)，不過篩，僅去除植物根系及礫石等雜質(zhì)即裝填土槽。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

東北黑土區(qū)坡耕地多為長緩坡，其中60%坡耕地坡度為3°～8°，據(jù)此將試驗(yàn)土槽坡度分別設(shè)計(jì)為5°和7°。根據(jù)野外測量獲得的數(shù)據(jù)和查閱相關(guān)的資料，模擬黑土區(qū)耕地特征裝填試驗(yàn)土槽：(1)透水層(深度5 cm)，將土槽底部用紗布覆蓋以防止細(xì)沙下漏，在紗布上方均勻裝填天然細(xì)沙，以保證土槽排水良好；(2)犁底層(深度20 cm)，在細(xì)沙之上均勻裝填4層土壤樣品，每層深度為5 cm，土壤容重為1.35 g/cm；(3)耕作層(深度15 cm)，在犁底層之上裝填3層土壤樣品，每層深度為5 cm，土壤容重為1.20 g/cm。

土槽裝填完成后，在耕作層表面從距土槽集流口50 cm處開始起壟。壟作方式為橫坡壟作，按照野外實(shí)測東北黑土區(qū)橫壟規(guī)格及相關(guān)研究結(jié)果，結(jié)合試驗(yàn)土槽深度情況進(jìn)行修壟，壟間距為65 cm，壟丘頂寬為20 cm，壟高為10 cm。課題組野外測定黑土區(qū)坡耕地翻耕后土壤容重平均為1.00 g/cm，作物生長后期土壤容重平均約為1.20 g/cm。據(jù)此，通過控制土壤容重模擬野外壟側(cè)少耕措施，試驗(yàn)處理包括橫壟全松、上實(shí)下松、上松下實(shí)及全實(shí)4種方式(表1)。(1)全松(土壤容重均為1.00 g/cm)：模擬黑土區(qū)耕地土地翻耕起壟后，橫壟為全松狀態(tài)；(2)上松下實(shí)(土壤容重分別為1.00，1.20 g/cm)：模擬黑土區(qū)耕地第1年在橫壟下方一側(cè)進(jìn)行壓實(shí)耕種，上方一側(cè)不進(jìn)行種植的橫壟狀態(tài)；(3)上實(shí)下松(土壤容重分別為1.20，1.00 g/cm)：模擬黑土區(qū)耕地第1年在橫壟上方一側(cè)進(jìn)行壓實(shí)耕種，下方一側(cè)不進(jìn)行種植的橫壟狀態(tài)；(4)全實(shí)(土壤容重均為1.20 g/cm)：模擬黑土區(qū)耕地第2年在橫壟另一側(cè)進(jìn)行種植的橫壟狀態(tài)。根據(jù)東北黑土區(qū)夏季強(qiáng)降雨變化特征，將降雨強(qiáng)設(shè)計(jì)為75，100 mm/h，降雨歷時(shí)為60 min。每個(gè)試驗(yàn)處理重復(fù)3次。

表1 不同處理方式橫壟土壤容重 單位：g/cm3

1.3 試驗(yàn)方法

土槽裝填完成后，自沉降24 h，待自然沉降之后，采用30 mm/h的降雨強(qiáng)度對土槽進(jìn)行預(yù)降雨，至壟溝間剛剛產(chǎn)生積水為止，目的是保證正式試驗(yàn)前，不同試驗(yàn)處理土壤物理性狀一致，減少試驗(yàn)誤差。預(yù)降雨結(jié)束后，用塑料布將試驗(yàn)土槽表面覆蓋，靜置24 h，使土壤水分充分下滲，測得下滲后試驗(yàn)土樣壟頂土壤質(zhì)量含水量為(33.6±4.7)%，壟溝土壤質(zhì)量含水量為(32.9±5.5)%。

在正式試驗(yàn)前進(jìn)行降雨強(qiáng)度率定，為保證降雨試驗(yàn)的準(zhǔn)確性和均勻性，當(dāng)降雨強(qiáng)度差值<5%、降雨均勻度>90%時(shí)揭開土槽上方塑料布進(jìn)行正式降雨試驗(yàn)。坡面開始產(chǎn)流后，記錄產(chǎn)流時(shí)間，同時(shí)在集流口處接取徑流泥沙樣品，每次取樣時(shí)間間隔1～4 min，取樣時(shí)間視徑流泥沙樣品量靈活掌握。

模擬降雨試驗(yàn)結(jié)束后，稱取徑流泥沙樣品質(zhì)量，將其放置于取樣桶內(nèi)靜置6～8 h后，倒掉上層清液后轉(zhuǎn)移至已知質(zhì)量的鋁盒內(nèi)，并將其放置到已設(shè)置好的恒溫為105 ℃的烘箱中烘干，稱取泥沙質(zhì)量，用來計(jì)算徑流量、土壤侵蝕量、徑流率和土壤侵蝕速率。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 19.1和Excel 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與分析。使用Excel 2010統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)信息，計(jì)算徑流量和土壤侵蝕量，分別繪制徑流率和土壤侵蝕速率隨降雨歷時(shí)的變化過程圖，通過SPSS 19.1軟件中方差分析、多重比較(LSD)和獨(dú)立樣本檢驗(yàn)，分析徑流量、土壤侵蝕量和橫壟溢流時(shí)間的顯著性差異(<0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同容重橫壟坡面徑流量和土壤侵蝕量對比

試驗(yàn)條件下，不同橫壟處理的徑流量和土壤侵蝕量具有一定差異(表2)。以全松處理為對照，除75 mm/h降雨強(qiáng)度下的5°坡面外，其他降雨強(qiáng)度和坡度條件下，上松下實(shí)、上實(shí)下松和全實(shí)處理的徑流量均減小，特別是上實(shí)下松和全實(shí)處理，其徑流量減少比例分別為16.1%～19.4%和6.6%～11.4%。對于75 mm/h降雨強(qiáng)度下的5°坡面，上實(shí)下松和全實(shí)處理的徑流量與全松處理相比分別增加16.7%和27.6%。

表2 不同橫壟處理方式下徑流量、土壤侵蝕量及其調(diào)控效果對比

與徑流量相比，不同容重橫壟處理的土壤侵蝕量差異更加顯著(表2)，土壤侵蝕量大小總體表現(xiàn)為全松>上松下實(shí)>全實(shí)>上實(shí)下松。以全松處理為對照，除75 mm/h降雨強(qiáng)度下5°坡面上實(shí)下松和全實(shí)處理外，其他降雨強(qiáng)度和坡度條件下，上松下實(shí)、上實(shí)下松和全實(shí)處理的土壤侵蝕量均減小，上松下實(shí)、上實(shí)下松和全實(shí)處理的土壤侵蝕量減少比例分別為3.5%～54.8%，25.0%～52.5%和17.9%～31.6%。

2.2 不同容重橫壟坡面徑流侵蝕過程分析

2.2.1 不同容重橫壟坡面徑流率隨降雨歷時(shí)的變化 不同容重橫壟坡面徑流率隨降雨歷時(shí)的變化總體表現(xiàn)為先增加后趨于相對穩(wěn)定(圖1)。但是，在不同降雨強(qiáng)度和坡度條件下，其變化趨勢略有差異。在75 mm/h降雨強(qiáng)度下，不同容重橫壟坡面產(chǎn)流率隨降雨歷時(shí)均呈現(xiàn)先緩慢增加，再迅速增加，最后整體相對穩(wěn)定的“一級臺階型”變化趨勢；在100 mm/h降雨強(qiáng)度下，不同容重橫壟坡面產(chǎn)流率隨降雨歷時(shí)均呈現(xiàn)先增加后趨于相對穩(wěn)定，再增加并趨于相對穩(wěn)定的“二級臺階型”變化趨勢，這是由于較大的降雨強(qiáng)度造成坡面上側(cè)橫壟出現(xiàn)溢流或斷壟現(xiàn)象，導(dǎo)致徑流率再次出現(xiàn)急劇增加的變化趨勢。此外，對于不同容重橫壟坡面，上實(shí)下松及全實(shí)處理的徑流率隨降雨歷時(shí)的變化曲線相對比較平穩(wěn)，未出現(xiàn)明顯波動(dòng)，75，100 mm/h降雨強(qiáng)度下，上實(shí)下松處理的徑流率分別穩(wěn)定在0.8～0.9，1.4～1.5 L/(m·min)；全實(shí)處理的徑流率分別穩(wěn)定在0.9～1.0，1.5～1.6 L/(m·min)。

圖1 不同處理方式下徑流率隨降雨歷時(shí)的變化

橫壟溢流時(shí)間在揭示徑流率隨降雨歷時(shí)的變化過程中具有一定的標(biāo)記作用，不同容重橫壟坡面的橫壟溢流時(shí)間也存在差異(圖2)。在75 mm/h降雨強(qiáng)度下，全松和上松下實(shí)處理的溢流時(shí)間明顯長于上實(shí)下松和全實(shí)處理；與全松處理相比，5°和7°坡面上實(shí)下松處理的橫壟溢流時(shí)間分別提前11.2，8.2 min，全實(shí)處理的橫壟溢流時(shí)間分別提前13.1，9.0 min，上松下實(shí)處理的橫壟溢流時(shí)間也分別提前5.9，1.9 min。

注：圖中不同字母表示不同處理間差異顯著(p<0.05)。

2.2.2 不同容重橫壟坡面土壤侵蝕速率隨降雨歷時(shí)的變化 不同容重橫壟坡面的土壤侵蝕速率隨降雨歷時(shí)的變化在不同降雨強(qiáng)度和坡度條件下未呈現(xiàn)明顯的規(guī)律性變化(圖3)，但是多數(shù)處理呈現(xiàn)先增加后趨于相對穩(wěn)定或減少的變化趨勢。此外，土壤侵蝕速率隨降雨歷時(shí)的波動(dòng)幅度明顯高于徑流率隨降雨歷時(shí)的波動(dòng)幅度(圖1)。降雨前期，由于坡面表層為裸露處理，含有大量的松散碎屑物質(zhì)，在坡面徑流作用下優(yōu)先搬運(yùn)這些物質(zhì)，造成土壤侵蝕速率在短時(shí)間內(nèi)增加；隨著降雨的持續(xù)進(jìn)行，雖然坡面可供搬運(yùn)的碎屑物質(zhì)逐漸減少，但隨著橫壟溢流或者斷壟現(xiàn)象的發(fā)生，為坡面徑流提供更多的泥沙補(bǔ)給。此外，由于橫壟溢流或者斷壟時(shí)間具有差異性，導(dǎo)致土壤侵蝕速率隨著降雨歷時(shí)呈現(xiàn)不同的變化趨勢。對于減少土壤侵蝕量比較顯著的上實(shí)下松和全實(shí)處理，在75 mm/h降雨強(qiáng)度下，其土壤侵蝕速率隨降雨歷時(shí)的變化幅度明顯小于100 mm/h降雨強(qiáng)度；75，100 mm/h降雨強(qiáng)度下，上實(shí)下松處理的土壤侵蝕速率變化范圍分別為0.6～4.2，2.2～10.5 g/(m·min)，全實(shí)處理的土壤侵蝕速率變化范圍分別為1.4～6.5，2.6～13.4 g/(m·min)。

圖3 不同處理方式下土壤侵蝕速率隨降雨歷時(shí)的變化

3 討 論

在降雨強(qiáng)度較小且坡度比較平緩的坡面條件下，橫壟具有較強(qiáng)的土壤水分入滲能力和蓄水保水能力，不容易發(fā)生橫壟溢流現(xiàn)象，壟體穩(wěn)定性較好；對于平均土壤容重較小的全松、上松下實(shí)、上實(shí)下松處理，有助于增加土壤水分入滲，進(jìn)而減少地表徑流。此外，上松下實(shí)和上實(shí)下松處理的土壤侵蝕量與全松處理相比減少或無明顯變化，而對于全實(shí)處理，由于較大土壤容重下的坡面徑流量增大，造成徑流挾沙力增加，土壤侵蝕量對應(yīng)增加。

隨著降雨強(qiáng)度或坡度的增加，橫壟的蓄水保水能力和土壤水分入滲能力均降低，因此，不同容重橫壟處理對徑流量、土壤侵蝕量的調(diào)控效果差異更加顯著。這是由于該條件下全松橫壟土壤抗剪切能力和壟體穩(wěn)定性降低，容易發(fā)生溢流或斷壟現(xiàn)象，甚至發(fā)生細(xì)溝侵蝕，從而增加徑流量和徑流含沙量，進(jìn)而增加土壤侵蝕量，而全實(shí)狀態(tài)下橫壟中的土壤抗剪切能力和壟體穩(wěn)定性明顯增強(qiáng)，其在土壤侵蝕率變化中尤為明顯，可顯著降低地表徑流對橫壟的直接沖刷，因此，上實(shí)下松處理在較大降雨強(qiáng)度和坡度下，其土壤侵蝕調(diào)控效果最好。同時(shí)，對于上松下實(shí)、上實(shí)下松、全實(shí)處理，其適度少耕或免耕，不僅具有調(diào)節(jié)徑流的作用，還能夠保持壟體穩(wěn)定性，減少壟溝內(nèi)徑流對橫壟壟體的破壞，進(jìn)而減少土壤侵蝕量。

值得注意的是，在降雨強(qiáng)度為100 mm/h時(shí)，由于降雨侵蝕力增加，導(dǎo)致不同容重橫壟溢流時(shí)間發(fā)生變化，5°坡面全松和上松下實(shí)處理的溢流時(shí)間反而少于上實(shí)下松和全實(shí)處理；7°坡面不同容重橫壟處理的溢流時(shí)間無顯著差異，造成這種現(xiàn)象的原因除了與較大降雨侵蝕力有關(guān)外，主要是由于相對較大的地形坡度導(dǎo)致橫壟蓄水保水能力降低，徑流匯集較快，徑流量迅速增加并發(fā)生溢流，同時(shí)在重力等其他外界作用力下，打破橫壟下半部分的受力平衡臨界點(diǎn)，產(chǎn)生橫壟局部損壞現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致短時(shí)間內(nèi)徑流率大幅度提高的情況，此時(shí)地形因素對徑流的影響高于不同容重橫壟處理的影響。

綜上可知，在東北黑土區(qū)，如果降雨強(qiáng)度較大、經(jīng)常發(fā)生極端降雨現(xiàn)象，或者坡耕地地形坡度較大，上實(shí)下松或全實(shí)的橫壟能夠在一定程度上減緩坡面徑流、防治土壤侵蝕。因此，建議深入開展不同容重橫壟處理的相關(guān)研究，從而提高壟側(cè)少耕措施在東北黑土區(qū)坡耕地實(shí)施的科學(xué)性和適用性。

4 結(jié) 論

(1)壟側(cè)少耕措施具有一定的調(diào)控徑流和土壤侵蝕的作用，特別是上實(shí)下松和全實(shí)處理，與全松處理相比，其徑流量分別減少16.1%～19.4%和6.6%～11.4%，土壤侵蝕量分別減少25.0%～52.5%和17.9%～31.6%；土壤侵蝕量大小總體表現(xiàn)為全松>上松下實(shí)>全實(shí)>上實(shí)下松。壟側(cè)少耕措施也具有較好地調(diào)控徑流侵蝕過程的作用，其坡面徑流率和土壤侵蝕速率隨降雨歷時(shí)的變化相對比較平穩(wěn)。

(2)在降雨強(qiáng)度較大、經(jīng)常發(fā)生極端降雨現(xiàn)象或者地形坡度相對較大的坡耕地，上實(shí)下松或全實(shí)的橫壟能夠在一定程度上防治土壤侵蝕。因此，建議深入開展不同容重橫壟處理的相關(guān)研究，從而提高壟側(cè)少耕措施在東北黑土區(qū)坡耕地實(shí)施的科學(xué)性和適用性。