丹江口庫區坡耕地不同作物對土壤濺蝕的影響

苗全安，曹湊貴，汪金平，高超，李成芳，3?

(1.農業部長江中游作物生理生態與耕作重點實驗室，華中農業大學植物科技學院，430070，武漢;2.湖北省水土保持監測中心，430071，武漢;3.農業部生態農業重點開放實驗室，510642，廣州)

緩坡(坡度＜25°)農耕地是我國重要的耕地資 源，長期以來由于不合理的利用，坡地土壤侵蝕嚴重，導致土壤養分流失、土壤肥力下降和環境污染，已引起普遍關注［1］。濺蝕是水蝕的初始階段，雨滴打擊土表造成土粒分散、躍移搬運的侵蝕方式，為坡地最為普遍的一種侵蝕方式。國內外學者［2-3］對濺蝕的成因機制、發展過程以及危害進行了大量研究，對影響因子間的相互關系也進行了探討。目前對濺蝕的研究主要集于在實驗室與人工模擬，宋維秀等［4］通過人工模擬降雨，分析了不同降雨特性、土壤含水量等因素對坡地土壤濺蝕的影響，取得一定進展;然而較少野外實地研究，更缺乏有作物生長的坡耕地情況下濺蝕規律的探討［3］:因此，加強野外坡耕地濺蝕的研究對于防治坡耕地土壤侵蝕具有重要意義。筆者擬研究自然降雨條件下坡耕地不同農作物對土壤濺蝕的影響，為有效控制坡耕地土壤侵蝕提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗點基本概況

試驗在丹江口庫區習家店鎮3°坡耕地進行，當地三面環山，為丘陵壟崗區，海拔300～400 m。屬亞熱帶季風氣候區，氣候溫和，年均溫15.9℃，年均降水量在800 mm左右，且分布不均，主要集中在4—10月份。人為活動頻繁，容易產生水土流失。庫區土地利用方式較單一，坡耕地占流域面積的45%，多為陡坡地，利用較為困難;平地面積僅占流域面積的25%，因為降雨少地勢陡，一般以旱地為主。環庫區為丘陵壟崗區，流域內土壤多屬紫色土、石灰土，有小面積的黃棕壤，土層較薄。其中紫色土占流域面積的61%，棕色石灰土面積占流域面積的31%，黃棕壤僅占流域面積的8%。流域土層較薄、呈堿性反應，坡地土壤侵蝕嚴重，養分含量低。

1.2 試驗設計

根據當地坡耕地的栽培制度，試驗設計了裸地(對照)、黃姜(Rhizoma curcumae Longae)、紅薯(Ipomoea batatas)、芝麻(Cortex cinnamom)、玉米(Zea mays L.)5個處理，每個處理3次重復，共15個小區，每個小區20 m2(4 m×5 m)。4種作物是當地的常作作物。在每小區上中下部布置3個地溫計用于測定5 cm地溫。小區上中下部布置摩根濺蝕盤。

2010年4月22日用畜力耕地，4月23日玉米與芝麻播種，紅薯扦插，黃姜塊莖種植，9月16日玉米與芝麻收獲，9月23日收獲紅薯，黃姜則當年不收獲。各作物栽培密度與當地栽培習慣一致，行株距分別為:玉米50 cm×33 cm，芝麻20 cm×20 cm，紅薯80 cm×33 cm，黃姜50 cm×20 cm。每個小區施2.5 kg 40%復合肥(N、P2O5、K2O分別為10%、10%、20%)，0.5 kg 46%尿素，0.2 kg速效鋅和0.2 kg大粒硼，所有肥料作為底肥一次性施用，此后不在追任何形式肥料。

試驗用濺蝕盤為直徑30 cm、高10 cm的圓型盤，盤中心是一直徑10 cm、高3 cm的圓型活動裝土盤，盤底部有滲水小孔。此裝置是在Morgan濺蝕盤的基礎上對盛試驗用土的內圓盤外半徑加大1 cm改進而成。

1.3 樣品處理與數據分析

每次降雨前測土溫，用環刀法測定土壤含水量，用皮尺直接測量作物株高，用Sunscan-probe冠層分析儀(英國DeiTA)測定作物覆蓋度;降雨后將濺蝕盤風干，用刷子將盤內的濺蝕土粒沖刷下來，烘干稱量。試驗期間降雨量見表1，本試驗共記錄了6次天然降雨后不同處理土壤的濺蝕。試驗地土壤基本理化性質為全氮質量分數1.26 g/kg，全磷0.32 g/kg，速 效 鉀 144 mg/kg，有 機 質 15.45 g/kg，＜0.002 mm黏粒8.2%.

表1 試驗期間降雨量Tab.1 Amount of rainfall during crop growth mm

試驗結果均以3次重復的平均值與標準差來表示，試驗數據采用SPSS16.0軟件統計進行方差與相關性分析。

2 結果與分析

2.1 作物株高、覆蓋度、土壤含水量和土溫

從圖1可知，在7月21日前，即在作物生長前期，除了玉米外，其他作物株高較低，均在30 cm以下，且處理間差異不顯著;之后，在生長盛期，作物株高差異顯著，不同作物株高從高到底依次為玉米＞芝麻＞紅薯＞黃姜。

圖1 不同處理作物的株高Fig.1 Plant height in different treatments

從圖2可看出，在作物生長前期，作物覆蓋度均值小于50%，各處理作物覆蓋度大小依次為玉米＞紅薯＞芝麻＞黃姜;之后，除了裸地與黃姜處理，各處理作物覆蓋度均大于50%，且差異顯著，大小依次為紅薯＞玉米＞芝麻＞黃姜。

圖2 不同處理作物的覆蓋度Fig.2 Vegetation coverage in different treatments

圖3可知，在作物生長前期各處理土壤含水量差異不顯著;7月21日后，即作物盛期，紅薯處理水分含量最大，顯著高于其他處理，后次為玉米、黃姜、芝麻與裸地。

圖3 不同作物的土壤水分含量Fig.3 Soil moisture in different treatments

在6月15日和7月5日，各處理5 cm土溫差異不顯著，在27～29℃波動;此后裸地5 cm土溫最高，顯著高于其他處理，黃姜與紅薯處理次之，而玉米與芝麻處理最低(圖4)。

圖4 不同處理5 cm土溫的變化Fig.4 Soil temperature at 5 cm depth in different treatments

2.2 土壤濺蝕

圖5和表2可看出，在作物生長前期，各處理間土壤濺蝕量差異不顯著;此后，在作物生長盛期，各處理差異顯著，其中裸地處理顯著高于其他處理，黃姜處理次之，芝麻與玉米處理相當，而紅薯處理最小。在整個試驗期間，裸地處理總濺蝕量為33.89 g，是黃姜、紅薯、芝麻與玉米處理的 1.44、4.93、2.12與2.69倍，表明了種植作物能有效降低土壤濺蝕，而種植紅薯效果最佳。

圖5 不同處理的土壤濺蝕Fig.5 Soil splash erosion in different treatments

表2 在試驗期間不同處理的濺蝕量Tab.2 Amount of soil splash erosion in different treatments during crop growth g

2.3 相關分析

由表3可知，土壤濺蝕量y與覆蓋度、土壤含水量、土溫均呈一元二次曲線相關，且達顯著水平，但與株高不相關，與宋維秀等［4］和湯立群［5］的土壤濺蝕量與覆蓋度、土壤含水量、土溫呈直線相關的研究結果不一致。

表3 土壤濺蝕量與株高、覆蓋度、土壤含水量及土溫的相關分析Tab.3 Correlation between soil splash erosion and crop height，vegetation cover，soil moisture and soil temperature

3 結論與討論

研究表明，在作物生長前期各處理濺蝕差異不顯著，這可能與前期各作物株高較矮和覆蓋度較低有關(圖1與2)。較小的株高與覆蓋度使雨滴直接打擊土表，進而掩蓋作物的影響。隨著作物生長發育，株高與覆蓋度增大，作物對降雨的阻擋作用加強，通過截留、透流和干流3方面改變了降雨的降落方向和方式［3］，減小了雨滴的降落速度和作物層下降雨量，緩解了降雨對土壤直接的濺蝕和徑流對土壤的沖刷，減小雨滴的濺蝕［6］。同時，隨著作物生長，土表作物枯枝落葉的增加能有效地緩解雨滴對地面的打擊，還能阻止濺蝕的侵蝕物發生位移，并吸收水分［7］;此外，未分解的枯落物在地表聚積纏結成片，改善土壤理化性質，增加土壤的通氣性及透水性，而部分枯落物分解可形成菌絲體，菌絲體纏繞土壤顆粒，形成具有較大顆粒的水穩性團粒結構，阻止土粒被雨水濺散，從而抑制土壤濺蝕［8］。在試驗期間，各作物中黃姜處理濺蝕量最大，紅薯處理最小，這與4種作物中黃姜覆蓋最小，紅薯覆蓋度最大有關(圖2)。而芝麻與玉米在試驗期間土壤濺蝕差異不顯著與在盛期覆蓋度相當有關(圖2)。

作物冠層作為截留降水的作用層，能有效地減小雨滴濺蝕。一般認為生長茂密的植被覆蓋度高，植物吸收降水的能力也越大［9］，同時也可有效避免雨滴直接打擊在地表，在大范圍內減少雨滴的擊濺對地表土壤的分散和破壞［6］;然而，R.P.C.Morgan［2］對玉米冠下土壤濺蝕的研究則發現土壤濺蝕隨玉米冠層覆蓋增加而增加，并指出經玉米冠層改變后的雨滴比天然雨滴更能引起濺蝕。馬波等［10］研究也表明，在特定條件下植被冠層下土壤濺蝕速率會高于相同雨強下的裸地。本研究卻表明土壤濺蝕與覆蓋度呈顯著的一元二次曲線相關，且不同作物土壤濺蝕量差異顯著，進一步表明了作物的存在導致降雨和濺蝕間的關系變得復雜［10］。

游珍等［7］研究表明，植被高度是影響土壤濺蝕重要因子，在降雨量達到透流(經枝葉聚集部分)臨界雨量后，植被越高，土壤濺蝕越大。余新曉［11］試驗也表明植被高度與濺蝕能量呈正比，植被越高，土壤濺蝕越大。這主要是因為雨滴在枝葉上聚集后質量增大，速度減小，此時枝葉越高，雨滴落地動能越大，濺蝕能力也越強［11］。然而本研究未觀測到株高與土壤濺蝕間存在顯著相關，可能與本研究作物的高度較低(＜2.5 m)消弱了二者的關系有關。

湯立群［5］研究認為土壤含水量是土壤侵蝕的影響因子，降雨前土壤含水量越大，越易產生濺蝕。宋維秀等［4］的研究也指出土壤濺蝕隨著前期土壤含水量的增加而增加，其原因可能是土壤含水量與表土結皮強度之間呈負相關，含水量越大，其結皮強度越小，抗濺蝕能力減弱。這與本研究土壤濺蝕與土壤含水量間呈顯著的一元二次曲線相關不一致，其原因可能與試驗地種植前的耕地措施改變了地表糙度，影響了土壤濺蝕與含水量的關系有關［12］。

坡耕地作物通過高度、覆蓋度及種植密度影響著群體的溫度、濕度，影響著土壤的溫度和濕度［13］，而土壤溫度又進一步影響著土壤濕度，從而影響土壤濺蝕。陳曉飛等［14］研究指出土壤水熱狀況對坡耕地土壤侵蝕的有著重要影響。我們的研究表明土溫與土壤濺蝕存在顯著一元二次曲線相關，表明了土溫對土壤濺蝕的影響并不是簡單的單一的作用，而是多種因素的共同綜合反映。綜上，作物的存在改變了坡耕地局部空間格局，影響降雨的空間分布，使得土壤濺蝕與影響因素之間的關系復雜化。

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［13］張光輝，于艷，劉寶元.東北黑土區防護林帶隊土壤水分影響的研究［J］.水土保持學報，2006，20(6):54-57

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