苗全安，曹湊貴，汪金平，高超，李成芳，3?

(1.農(nóng)業(yè)部長江中游作物生理生態(tài)與耕作重點(diǎn)實驗室，華中農(nóng)業(yè)大學(xué)植物科技學(xué)院，430070，武漢;2.湖北省水土保持監(jiān)測中心，430071，武漢;3.農(nóng)業(yè)部生態(tài)農(nóng)業(yè)重點(diǎn)開放實驗室，510642，廣州)

緩坡(坡度＜25°)農(nóng)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(yán)重，導(dǎo)致土壤養(yǎng)分流失、土壤肥力下降和環(huán)境污染，已引起普遍關(guān)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(yùn)的侵蝕方式，為坡地最為普遍的一種侵蝕方式。國內(nèi)外學(xué)者［2-3］對濺蝕的成因機(jī)制、發(fā)展過程以及危害進(jìn)行了大量研究，對影響因子間的相互關(guān)系也進(jìn)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(jìn)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(guī)律的探討［3］:因此，加強(qiáng)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(nóng)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(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗點(diǎn)基本概況

試驗在丹江口庫區(qū)習(xí)家店鎮(zhèn)3°坡耕地進(jìn)行，當(dāng)?shù)厝姝h(huán)山，為丘陵壟崗區(qū)，海拔300～400 m。屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，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(chǎn)生水土流失。庫區(qū)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(huán)庫區(qū)為丘陵壟崗區(qū)，流域內(nèi)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(yīng)，坡地土壤侵蝕嚴(yán)重，養(yǎng)分含量低。

1.2 試驗設(shè)計

根據(jù)當(dāng)?shù)仄赂氐脑耘嘀贫龋囼炘O(shè)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(fù)，共15個小區(qū)，每個小區(qū)20 m2(4 m×5 m)。4種作物是當(dāng)?shù)氐某Ｗ髯魑?。在每小區(qū)上中下部布置3個地溫計用于測定5 cm地溫。小區(qū)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(dāng)年不收獲。各作物栽培密度與當(dāng)?shù)卦耘嗔?xí)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(qū)施2.5 kg 40%復(fù)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(chǔ)上對盛試驗用土的內(nèi)圓盤外半徑加大1 cm改進(jìn)而成。

1.3 樣品處理與數(shù)據(jù)分析

每次降雨前測土溫，用環(huán)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(fēng)干，用刷子將盤內(nèi)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(zhì)為全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.26 g/kg，全磷0.32 g/kg，速 效 鉀 144 mg/kg，有 機(jī) 質(zhì) 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(jié)果均以3次重復(fù)的平均值與標(biāo)準(zhǔn)差來表示，試驗數(shù)據(jù)采用SPSS16.0軟件統(tǒng)計進(jìn)行方差與相關(guān)性分析。

2 結(jié)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(dāng)，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(guān)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(guān)，且達(dá)顯著水平，但與株高不相關(guān)，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(guān)的研究結(jié)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(guān)分析Tab.3 Correlation between soil splash erosion and crop height，vegetation cover，soil moisture and soil temperature

3 結(jié)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(guān)(圖1與2)。較小的株高與覆蓋度使雨滴直接打擊土表，進(jìn)而掩蓋作物的影響。隨著作物生長發(fā)育，株高與覆蓋度增大，作物對降雨的阻擋作用加強(qiáng)，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(fā)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(jié)成片，改善土壤理化性質(zhì)，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(wěn)性團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，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(guān)(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(dāng)有關(guān)(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(rèn)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(nèi)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(fā)現(xiàn)土壤濺蝕隨玉米冠層覆蓋增加而增加，并指出經(jīng)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(qiáng)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(guān)，且不同作物土壤濺蝕量差異顯著，進(jìn)一步表明了作物的存在導(dǎo)致降雨和濺蝕間的關(guān)系變得復(fù)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(dá)到透流(經(jīng)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(zhì)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(qiáng)［11］。然而本研究未觀測到株高與土壤濺蝕間存在顯著相關(guān)，可能與本研究作物的高度較低(＜2.5 m)消弱了二者的關(guān)系有關(guān)。

湯立群［5］研究認(rèn)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(chǎn)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(jié)皮強(qiáng)度之間呈負(fù)相關(guān)，含水量越大，其結(jié)皮強(qiáng)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(guān)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(guān)系有關(guān)［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(jìn)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(guān)，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(guān)系復(fù)雜化。

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