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2016-10-28 07:44:43李富程江仁濤花小葉
水土保持研究 2016年3期
李富程, 江仁濤, 花小葉
(西南科技大學 環(huán)境與資源學院, 四川 綿陽 621010)
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等高犁耕朝向?qū)ψ仙疗旅嫱寥涝俜植嫉挠绊?/p>
李富程, 江仁濤, 花小葉
(西南科技大學 環(huán)境與資源學院, 四川 綿陽 621010)
選擇一塊坡長15 m、坡度14.16%的坡地，采用磁性示蹤法分析等高向下犁耕(向下坡方向翻垈)和等高向上犁耕(向上坡方向翻垈)的土壤再分布特征，利用模擬耕作(15次)檢驗兩種等高犁耕的長期作用下對土壤剖面和微地貌演化的影響。結(jié)果表明：等高向下犁耕導致土壤發(fā)生向下坡移動，土壤位移量為15.62～28.70 kg/m，坡度對其影響不顯著(p=0.93)；等高向上犁耕導致土壤同時發(fā)生向下坡和向上坡移動，土壤凈位移量為-10.91～8.23 kg/m，坡度對其有顯著影響(p<0.001)，土壤凈位移方向隨著坡度的增大由向上坡轉(zhuǎn)為向下坡，本研究條件下臨界坡度為14%；等高向下犁耕15次后坡頂侵蝕深度是原土層深度的132%，耕作后土層深度與耕作深度相當，表明等高向下犁耕加速土壤侵蝕和促進母巖成土的雙重作用共同維持著坡頂土層深度的穩(wěn)定；等高向上犁耕15次后坡頂土層深度增加了12.7%，表明等高向上犁耕具有保護坡頂土層深度的作用。等高向上犁耕是一種防治類似紫色土的薄層土壤耕作侵蝕和土壤退化的有效措施。
耕作侵蝕; 等高耕作; 磁性示蹤; 耕作位移; 土壤退化
耕作侵蝕過程機制和保持耕作技術(shù)開發(fā)是我國現(xiàn)階段水土保持科學技術(shù)的重點研究領(lǐng)域[1]。耕作侵蝕主要發(fā)生在上坡或凸坡部位，而耕作沉積發(fā)生在坡腳或凹坡部位[2-4]。大量研究證實耕作侵蝕導致的土壤再分布是坡耕地土壤退化的重要過程[5-6]。紫色土的成土速率極快，但大多坡耕地上坡部位土層厚度只有20～30 cm，距其維持基本穩(wěn)定的生產(chǎn)力所需土層厚度60 cm以上相差甚遠[7]。紫色土坡耕地土壤“淺薄化”一方面由其發(fā)育淺、坡度大、侵蝕強等先天條件決定，另一方面受不合理的人類耕作活動影響[7-8]。因地制宜地優(yōu)化耕作操作，選擇能夠減小耕作侵蝕的耕作機具和耕作方式，是防治薄層紫色土繼續(xù)退化的經(jīng)濟可行的重要手段。耕作方向?qū)Ω髑治g有顯著影響[9]，其中等高耕作的耕作侵蝕較小，被認為是一種可以有效減小耕作侵蝕的保護性耕作措施[10-11]。常規(guī)畜力等高犁耕從坡腳開犁，向下坡方向翻垈，土壤位移量相對較大[12-13]。因此，本文采用磁性示蹤法和模擬耕作法，比較研究等高犁耕向下坡翻垈(簡稱等高向下犁耕)和等高犁耕向上坡翻垈(簡稱等高向上犁耕)的土壤再分布模式和強度，模擬兩種等高犁耕的長期耕作對土壤剖面和微地貌演化的影響，為紫色土坡耕地退化土壤的恢復與重建提供重要支撐。
1 材料與方法
1.1試驗區(qū)概況
試驗區(qū)位于四川丘陵區(qū)的綿陽市游仙區(qū)官司河流域(31°33′14′′N，104°47′50′′E)。該區(qū)海拔介于500～638 m，相對高差50～100 m。氣候類型為亞熱帶濕潤季風氣候，平均降水量和蒸發(fā)量分別為986.5 mm和550 mm。土壤類型為石灰性紫色土，土層較淺薄，且直接下覆母巖層，出露地層為白堊系和第四系，主要為砂巖和頁巖的重復疊置。坡地農(nóng)作物主要有油菜(BrassicacampestrisL.)、玉米(ZeamaysL.)、紅薯(IpomoeabatatasL. Lam. var.batatas)、花生(ArachishypogaeaLinn.)等。當?shù)剞r(nóng)民傳統(tǒng)耕作采用牛拉鏵式犁，為了省力和方便操作，大多采用等高耕作。等高犁耕有兩種翻垈方式：向下坡翻垈和向上坡翻垈。試驗地在耕作試驗前已有半年未耕過。
1.2試驗設(shè)計與研究方法
試驗開展于2014年12月。選擇一塊坡長為15 m、坡度為14.16%的坡地，將坡地沿順坡方向分成4個樣地(I，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ)，每個樣地寬度為5 m，相鄰樣地間距為2 m。I和Ⅱ樣地分別用于開展等高向下犁耕和等高向上犁耕的模擬耕作，Ⅲ和Ⅳ樣地分別用于開展等高向下犁耕和等高向上犁耕的耕作位移試驗。采用當?shù)氐呐＠晴f式犁進行耕作，犁的主要特征參數(shù)為：犁鏵為等邊三角形，兩條側(cè)邊為0.34 m，底邊為0.21 m；犁壁為長方形，長為0.28 m，寬為0.18 m；犁壁和犁鏵組成的犁體曲面半徑為0.57 m，弦長為0.60 m，犁體曲面直接固定在犁梢上，且與犁梢犁轅組成的面垂直。
兩種等高犁耕的模擬耕作各進行15次。等高向下犁耕總是自坡腳開始沿等高線來回耕作至坡頂，耕作時犁轅朝下坡方向傾斜約20%(以垂直水平面為基準)，向下坡方向翻垈；相反地，等高向上犁耕總是自坡頂開始沿等高線來回耕作至坡腳，耕作時犁轅朝上坡方向傾斜約20%，向上坡方向翻垈。犁耕深度約12 cm，當土層深度小于12 cm時深耕頁巖補充土層厚度，犁耕寬度為0.2 m左右。整個過程在3 d內(nèi)完成，期間無降雨。分別在耕作前、模擬耕作15次后采樣，從坡頂至坡腳布設(shè)2條采樣帶，每隔5 m利用土壤采樣器(Eijkelkamp，荷蘭)采集整個土壤剖面，按5 cm取土壤分層樣，同一坡位相同深度的兩筒樣品合為一個混合樣。利用探棒探測耕作前后土層深度變化(Eijkelkamp，荷蘭)。應用GPS測定耕作前后坡地微地貌變化(T4 GNSS，中國)。
耕作位移試驗采用磁性示蹤法，磁性示蹤劑選擇粒徑200目的鈦鐵礦粉。Ⅲ和Ⅳ樣地自坡頂向坡腳以間距2 m布置磁性示蹤小區(qū)，每個樣地設(shè)置兩列示蹤小區(qū)，兩個相鄰小區(qū)間距為1 m，共設(shè)置28個尺寸為長1.0 m、寬0.2 m、深0.12 m的磁性示蹤小區(qū)，長邊平行于等高線。在小區(qū)內(nèi)用100 cm3環(huán)刀取2個平行樣，帶回實驗室測定土壤容重。小區(qū)制作時先將挖出的土堆放在塑料布上，加入1 kg磁性示蹤劑，棄去等量的土，充分混勻后利用磁化率儀(SM-30，捷克)測定土壤磁化率，測定后將混有磁性示蹤劑的土壤按原田間土壤容重回填于小區(qū)內(nèi)。利用水平儀測定每個示蹤小區(qū)的坡度，Ⅲ和Ⅳ樣地磁性示蹤小區(qū)的坡度變化范圍分別為6.2%～22.6%和5.0%～18.4%。請當?shù)剞r(nóng)民使用等高向下犁耕和等高向上犁耕分別對Ⅲ和Ⅳ樣地進行1次完整耕作。耕作后將一個長寬高為0.6 m×0.2 m×0.2 m的金屬框垂直于插入原示蹤小區(qū)土壤中，深度限定于耕作深度，以0.10 m間距從原示蹤小區(qū)中心線分別向上坡、向下坡磁性示蹤劑分布的最遠點連續(xù)取樣，樣品充分混勻后測定土壤磁化率。
1.3耕作侵蝕指標計算
應用類流體旋轉(zhuǎn)理論，依據(jù)磁性示蹤劑在耕作前后分布的差異計算土壤位移量，計算模型如下[14]：
(1)
式中：Q——單次耕作產(chǎn)生的土壤位移量(kg/m)；C0——耕作前示蹤小區(qū)的土壤磁化率(SI)；Cx——耕作后示蹤路徑的土壤磁化率(SI)；Ms——耕作層的土壤比質(zhì)量(kg/m2)；L——取樣的最大距離(m)。耕作侵蝕速率與土壤位移量成正比，與坡體長度成反比，計算模型如下：
(2)
式中：Rt——單次耕作產(chǎn)生的耕作侵蝕速率(t/hm2)；Ld——坡體長度(m)。
2 結(jié)果與分析
2.1單次耕作土壤再分布
2.1.1土壤再分布模式等高向下犁耕在耕作后原示蹤小區(qū)內(nèi)土壤磁性明顯減弱，而示蹤小區(qū)下坡方向土壤磁性卻明顯增強，表明等高向下犁耕引起磁性示蹤劑向下坡移動。與等高向下犁耕不同，等高向上犁耕示蹤小區(qū)的下坡方向和上坡方向土壤磁性都明顯增強，表明等高向上犁耕在單次耕作過程中引起磁性示蹤劑同時向下坡和向上坡移動。等高向下犁耕引起示蹤劑向下坡最大移動距離為0.5～0.7 m(以示蹤小區(qū)上部基線為基準)；等高向上犁耕引起示蹤劑向下坡最大移動距離為0.3～0.6 m，向上坡最大移動距離為0.4～0.6 m(以示蹤小區(qū)中心線為基準)。等高向下犁耕在研究坡度6.2%～22.6%范圍內(nèi)引起向下坡土壤平均耕作位移為0.09～0.17 m；等高向上犁耕在研究坡度5.0%～18.4%范圍內(nèi)引起向下坡土壤平均凈位移為-0.06～0.05 m。
2.1.2土壤再分布強度對于等高向下犁耕，單次耕作引起的向下坡土壤位移量為15.62～28.70 kg/m(圖1A)，土壤位移量與坡度無顯著相關(guān)性(R2=0.000 9，n=14，p=0.93)。對于等高向上犁耕，單次耕作引起的向下坡土壤凈位移量為-10.91～8.23 kg/m(圖1B)，土壤凈位移量與坡度呈極顯著正相關(guān)(R2=0.66，n=14，p<0.001)。以坡長15 m計，等高向下犁耕和等高向上犁耕的耕作侵蝕速率分別為10.41～19.14 t/hm2和-7.27～5.49 t/hm2?？梢姡雀呦蛏侠绺母髑治g強度顯著小于等高向下犁耕，當坡度較小時(<14.2%)，等高向上犁耕產(chǎn)生凈的土壤向上坡移動，當坡度逐漸增大時，土壤凈位移方向轉(zhuǎn)為向下坡方向。
圖1等高向下犁耕和等高向上犁耕土壤位移量與坡度關(guān)系
2.2模擬耕作土壤再分布
2.2.1模擬耕作后土層深度變化對于等高向下犁耕，耕作前和耕作15次后的土層深度分別為17.8—69.3 cm和12.0—86.8 cm(圖2A)，顯示出等高向下耕作引起土壤剖面發(fā)生明顯變化。土壤剖面變化最顯著的部位發(fā)生在坡頂和坡腳，坡頂土層深度減小了32.6%，而坡腳增加了25.1%。耕作后中坡部位(5 m和10 m)土層深度變化率較小(0.6%和-1.3%)。這些結(jié)果表明等高向下犁耕產(chǎn)生明顯的邊界效應，即耕作侵蝕和耕作沉積主要分別發(fā)生在靠近上坡和下坡邊界部位，而中坡扮演著類似“傳送帶”的作用，將上坡耕層土壤傳輸?shù)较缕?。對于等高向上犁耕，耕作前和耕?5次后的土層深度分別為17.8—72.8 cm和20.0—73.0 cm(圖2B)，呈現(xiàn)出與等高向下犁耕明顯不同的特征，坡頂土層深度增加了12.7%，坡腳土層深度也增加了0.3%，而中坡土層深度減少了1.8%～2.8%。這個結(jié)果表明等高向上犁耕的耕作侵蝕和沉積強度明顯弱于等高向下犁耕。
2.2.2模擬耕作后海拔變化等高向下犁耕15次后上坡部位海拔明顯降低，而下坡部位顯著增加，耕作前后海拔最低點和最高點始終出現(xiàn)在坡頂和坡腳邊界處(圖3A)。這與鋤耕模擬耕作呈現(xiàn)出不同的變化特征，未出現(xiàn)鋤耕模擬耕作中海拔最高點向下坡方向移動的現(xiàn)象[15]。等高向下犁耕15次后相對海拔從2.12 m下降為1.71 m，呈現(xiàn)出“夷平”趨勢，坡頂海拔下降了23.5 cm，超過了耕作前的土層深度?？梢姡雀呦蛳吕绺鹌马斖寥懒魇Х浅Ｃ黠@。等高向上犁耕15次后海拔呈現(xiàn)出上坡部位明顯增加，而中坡部位減小，下坡部位略有增加，相對海拔從2.09 m增加為2.15 m(圖3B)。
圖2等高向下犁耕和等高向上犁耕耕作后土層深度變化
圖3等高向下犁耕和等高向上犁耕耕作后海拔變化
2.2.3模擬耕作后坡度變化等高向下犁耕15次后坡度由14.15%減小為11.42%，而等高向上犁耕15次坡度由13.95%增加為14.33%。這個結(jié)果表明兩種等高耕作土壤再分布模式的差異導致坡度變化呈現(xiàn)相反的特征。兩種等高耕作對坡度的影響主要表現(xiàn)在上坡和下坡部位，等高向下犁耕導致上坡部位、下坡部位的坡度都減小，而等高向上犁耕導致上坡部位的坡度增加，下坡部位的坡度減小(圖4)。
圖4等高向下犁耕和等高向上犁耕耕作后坡度變化
3 討 論
3.1等高向下犁耕與等高向上犁耕土壤再分布模式差異
兩種等高耕作的土壤再分布模式存在顯著差異，等高向下犁耕導致土壤發(fā)生向下坡移動，等高向上犁耕導致土壤同時發(fā)生向上坡、向下坡位移。這種差異主要源于不同翻垈方向時犁壁的驅(qū)動力與重力的組合形式不同。等高向下犁耕由于犁轅向下坡傾斜，犁鏵驅(qū)動力與重力共同對土壤產(chǎn)生向下坡方向作用，因而僅發(fā)生向下坡方向的土壤移動，其向下坡位移就是凈的土壤位移。等高向上犁耕由于犁轅向上坡傾斜，犁鏵驅(qū)動力與重力對土壤搬運作用相反，其結(jié)果導致土壤不僅發(fā)生向上坡移動，同時也發(fā)生向下坡位移，上、下坡位移平衡的結(jié)果決定凈的土壤位移。等高向上犁耕的土壤凈位移方向取決于坡度，當坡度較小時(本研究條件下臨界坡度為14%)，犁鏵對土壤的驅(qū)動力大于重力，這時土壤向上坡位移量大于向下坡位移量，土壤發(fā)生向上坡凈位移；當坡度繼續(xù)增大，重力作用占主導地位，土壤向下坡位移量大于向上坡位移量，土壤發(fā)生向下坡凈位移。這種分布模式與等高鋤耕不同，等高鋤耕雖然也導致土壤發(fā)生向下坡位移和向上坡位移，但是向上坡位移總是小于向下坡位移，土壤發(fā)生向下坡凈位移[11]。
3.2等高向下犁耕與等高向上犁耕對坡地土壤剖面變化的影響
兩種等高耕作在坡地不同景觀位置對土壤侵蝕和沉積的作用明顯不同，等高向下犁耕導致土壤侵蝕和沉積分別發(fā)生在上坡和下坡部位，而等高向上犁耕導致土壤在下坡和中坡流失，在上坡沉積。經(jīng)過15次等高向下犁耕，坡頂原土壤剖面完全消失，但未出現(xiàn)母巖裸露現(xiàn)象，而是保持12 cm的土層厚度，這個厚度與犁耕深度一致，這是由于犁耕將下伏在薄層土壤下的頁巖破碎，補充了流失的土壤。等高向下犁耕對坡頂土壤剖面起著兩方面的作用：一是耕作侵蝕引起土壤向下坡傳輸，二是通過將沉積松散的泥頁巖破碎促進其風化成土，兩者共同維持著紫色土坡頂?shù)耐翆由疃?。?jīng)過15次等高向上犁耕，坡頂土層深度增加了12.7%，等高向上犁耕對于保護坡頂土層深度具有重要作用；同時，在坡腳形成一條淺溝，其對水蝕有一定抑制作用[16]。等高向下犁耕的耕作侵蝕速率超過了紫色土正常的成土速率[17]，而等高向上犁耕的耕作侵蝕明顯小于等高向下犁耕。由于等高向上犁耕動力來源于畜力，等高向上犁耕時操作者處于犁的下坡方向，重心較低，對犁的操作較為省力，相比紫色土區(qū)人力向上鋤耕較易實施。因此，在坡度較小時，采用等高向上犁耕可以有效防治坡頂土層深度減小和生產(chǎn)力退化；當坡度較大時，雖然也可以減少耕作侵蝕，但實施難度增大，可以選擇性地對坡頂?shù)韧寥罍\薄處進行等高向上犁耕。
3.3等高向下犁耕與等高向上犁耕對坡地微地貌演化的影響
兩種等高耕作對于坡地微地貌變化的作用不同，模擬長期耕作顯示出等高向下犁耕15次導致相對海拔下降41 cm，坡度減小2.73%，而等高向上犁耕15次導致相對海拔增加5.7 cm，坡度增加0.38%。等高向下犁耕對坡地微地貌演化的影響與已有研究有相同的作用特征，即陡坡耕地在長期的耕作侵蝕作用下趨向于夷平[18-19]，不同的是紫色土坡地雖然經(jīng)歷了上百年的耕作，但坡地并未被夷平，依然保持了較陡的坡度。這主要源于以下三方面原因：第一，由于紫色土區(qū)另一種主要土壤侵蝕形式——水力侵蝕的作用，水蝕將耕作堆積在坡腳的土壤搬運到耕地外部，最近研究顯示耕作侵蝕有加速水蝕的作用；第二，農(nóng)民習慣于采取一些耕作保護措施來保護坡頂土壤，如等高向上耕作、鋤耕向上耕作[16]、鋤耕不翻轉(zhuǎn)耕作[20]，或者將坡頂耕地外的土壤搬運至耕地內(nèi)來補充土壤等[5]；第三，淺薄的土層下伏母巖，導致耕作深度被迫減小，一定程度上降低了耕作侵蝕。依據(jù)等高向上犁耕的土壤再分布模式，理論上等高向上犁耕會使坡腳海拔下降，但模擬耕作顯示長期等高向上犁耕對坡腳海拔影響不大。這主要是由于連續(xù)耕作導致土壤松散(土壤緊實度下降了40%)，從而導致土壤向上坡位移量下降、土壤向下坡凈位移量明顯增加，而中坡坡度最大，在微地貌上成為該坡地的凸坡，坡腳成為凹坡，以往研究顯示凸坡和凹坡分別為耕作侵蝕和耕作沉積的主要發(fā)生部位，因而坡腳在15次耕作后不但沒有成為土壤凈流失區(qū)，反而成為土壤凈流入?yún)^(qū)。
4 結(jié) 論
(1) 等高向上犁耕采取向上坡翻垈，通過犁壁驅(qū)動力抵抗重力向上坡搬運土壤，單次耕作導致土壤同時發(fā)生向上坡、向下坡位移，土壤凈位移的大小取決于上、下坡位移平衡結(jié)果，方向取決于坡度，當坡度較小時(本研究條件下臨界坡度為14%)，土壤發(fā)生向上坡凈位移，當坡度較大時，土壤發(fā)生向下坡凈位移。
(2) 等高向下犁耕引起上坡土壤流失，下坡土壤沉積，模擬耕作顯示長期耕作將上坡部位原土層完全侵蝕，但母巖并未裸露，而是保持與耕作深度相當?shù)耐翆雍穸?，表明等高向下犁耕使坡頂土壤剖面隨著耕作次數(shù)的增加而減小，同時通過將沉積松散的泥頁巖破碎促進其風化成土，兩種作用共同維持著紫色土坡頂?shù)耐翆由疃取?/p>
(3) 等高向上犁耕可以有效減少土壤向下坡移動，長期耕作可以提高坡頂土層深度和生產(chǎn)力。等高向上犁耕對于操作者來講不算費力，相比向上鋤耕較易被接受。等高向上犁耕是一種防治類似紫色土的薄層土壤耕作侵蝕和土壤退化的有效措施。
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Effect of Contour Plowing Orientation on Soil Redistribution on Hillslope in Purple Soil
LI Fucheng, JIANG Rentao, HUA Xiaoye
(CollegeofResources&Environment,SouthwestUniversityofScienceandTechnology,Mianyang,Sichuan621010,China)
A hillslope with a length of 15 m and a slope gradient of 14.16% was selected as the experimental site in the hilly areas of the Sichuan Basin, China. The magnetic tracer method was used to determine the rates and patterns of soil redistribution for downward contour plowing (i.e., downslope turning the soil) and upward contour plowing (i.e., upslope turning the soil), respectively. Consecutive tillage by ox-drawn ploughing was performed 15 times for downward contour plowing and upward contour plowing, respectively, to simulate the impact of long-term tillage on soil profile transformation and microtopography evolution at different slope positions. The results showed that downward contour plowing caused only downslope soil translocation. Soil translocation rates ranged from 15.62 to 28.70 kg/m and no significant correlation was found between soil translocation rates and slope gradient for downward contour plowing (p=0.93). For upward contour plowing, the soil extended to both sides of plough blade, i.e. the soil moved both upslope and downslope simultaneously. Net downslope translocation rates ranged from -10.91 to 8.23 kg/m. Soil translocation rates were significantly correlated with slope gradients for upward contour plowing (p<0.001), and net displacement direction turned from uphill to downhill when slope gradient increased to 14% under this study condition. The eroded depth of soil profile at the summit position after 15 times downward contour plowing was 132% more than its original depth of pre-tillage soil profile, and the depth of post-tillage soil profile was equal to tillage depth, indicating that the downward contour plowing plays a dual roles: enhancing soil erosion and accelerating pedogenic processes when the depth of soil profile was less than tillage depth. For upward contour plowing, the depth of post-tillage soil profile at the summit position increased by 12.7%, indicating that it plays an important role in protecting soil profile. Upward contour plowing could be an effective protective measure in reducing tillage erosion and preventing soil from degradation on the sloping land in such as purple soil with thin soil over bedrock.
tillage erosion; contour tillage; magnetic tracer; tillage translocation; soil degradation
2015-12-14
2016-01-05
國家自然科學基金“四川紫色土區(qū)耕作機具與坡面要素的配適機制”(41401301);四川省科技支撐項目“地震災區(qū)生態(tài)恢復與災害防治關(guān)鍵技術(shù)研究”(2014SZ0058);國家科技支撐計劃項目“川西北藏區(qū)沙化土地生態(tài)修復技術(shù)研究及示范”(2015BAC05B04);西南科技大學博士基金“耕作侵蝕的邊界效應對土壤輸送、侵蝕、補償與平衡機制”(13zx7129)
李富程(1982—),男,吉林蛟河人,博士,講師,主要從事農(nóng)業(yè)生態(tài)與水土保持研究。E-mail:lfckind@163.com
S157.1
A
1005-3409(2016)03-0106-06
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李富程, 江仁濤, 花小葉
(西南科技大學 環(huán)境與資源學院, 四川 綿陽 621010)
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等高犁耕朝向?qū)ψ仙疗旅嫱寥涝俜植嫉挠绊?/p>
李富程, 江仁濤, 花小葉
(西南科技大學 環(huán)境與資源學院, 四川 綿陽 621010)
選擇一塊坡長15 m、坡度14.16%的坡地，采用磁性示蹤法分析等高向下犁耕(向下坡方向翻垈)和等高向上犁耕(向上坡方向翻垈)的土壤再分布特征，利用模擬耕作(15次)檢驗兩種等高犁耕的長期作用下對土壤剖面和微地貌演化的影響。結(jié)果表明：等高向下犁耕導致土壤發(fā)生向下坡移動，土壤位移量為15.62～28.70 kg/m，坡度對其影響不顯著(p=0.93)；等高向上犁耕導致土壤同時發(fā)生向下坡和向上坡移動，土壤凈位移量為-10.91～8.23 kg/m，坡度對其有顯著影響(p<0.001)，土壤凈位移方向隨著坡度的增大由向上坡轉(zhuǎn)為向下坡，本研究條件下臨界坡度為14%；等高向下犁耕15次后坡頂侵蝕深度是原土層深度的132%，耕作后土層深度與耕作深度相當，表明等高向下犁耕加速土壤侵蝕和促進母巖成土的雙重作用共同維持著坡頂土層深度的穩(wěn)定；等高向上犁耕15次后坡頂土層深度增加了12.7%，表明等高向上犁耕具有保護坡頂土層深度的作用。等高向上犁耕是一種防治類似紫色土的薄層土壤耕作侵蝕和土壤退化的有效措施。
耕作侵蝕; 等高耕作; 磁性示蹤; 耕作位移; 土壤退化
耕作侵蝕過程機制和保持耕作技術(shù)開發(fā)是我國現(xiàn)階段水土保持科學技術(shù)的重點研究領(lǐng)域[1]。耕作侵蝕主要發(fā)生在上坡或凸坡部位，而耕作沉積發(fā)生在坡腳或凹坡部位[2-4]。大量研究證實耕作侵蝕導致的土壤再分布是坡耕地土壤退化的重要過程[5-6]。紫色土的成土速率極快，但大多坡耕地上坡部位土層厚度只有20～30 cm，距其維持基本穩(wěn)定的生產(chǎn)力所需土層厚度60 cm以上相差甚遠[7]。紫色土坡耕地土壤“淺薄化”一方面由其發(fā)育淺、坡度大、侵蝕強等先天條件決定，另一方面受不合理的人類耕作活動影響[7-8]。因地制宜地優(yōu)化耕作操作，選擇能夠減小耕作侵蝕的耕作機具和耕作方式，是防治薄層紫色土繼續(xù)退化的經(jīng)濟可行的重要手段。耕作方向?qū)Ω髑治g有顯著影響[9]，其中等高耕作的耕作侵蝕較小，被認為是一種可以有效減小耕作侵蝕的保護性耕作措施[10-11]。常規(guī)畜力等高犁耕從坡腳開犁，向下坡方向翻垈，土壤位移量相對較大[12-13]。因此，本文采用磁性示蹤法和模擬耕作法，比較研究等高犁耕向下坡翻垈(簡稱等高向下犁耕)和等高犁耕向上坡翻垈(簡稱等高向上犁耕)的土壤再分布模式和強度，模擬兩種等高犁耕的長期耕作對土壤剖面和微地貌演化的影響，為紫色土坡耕地退化土壤的恢復與重建提供重要支撐。
1 材料與方法
1.1試驗區(qū)概況
試驗區(qū)位于四川丘陵區(qū)的綿陽市游仙區(qū)官司河流域(31°33′14′′N，104°47′50′′E)。該區(qū)海拔介于500～638 m，相對高差50～100 m。氣候類型為亞熱帶濕潤季風氣候，平均降水量和蒸發(fā)量分別為986.5 mm和550 mm。土壤類型為石灰性紫色土，土層較淺薄，且直接下覆母巖層，出露地層為白堊系和第四系，主要為砂巖和頁巖的重復疊置。坡地農(nóng)作物主要有油菜(BrassicacampestrisL.)、玉米(ZeamaysL.)、紅薯(IpomoeabatatasL. Lam. var.batatas)、花生(ArachishypogaeaLinn.)等。當?shù)剞r(nóng)民傳統(tǒng)耕作采用牛拉鏵式犁，為了省力和方便操作，大多采用等高耕作。等高犁耕有兩種翻垈方式：向下坡翻垈和向上坡翻垈。試驗地在耕作試驗前已有半年未耕過。
1.2試驗設(shè)計與研究方法
試驗開展于2014年12月。選擇一塊坡長為15 m、坡度為14.16%的坡地，將坡地沿順坡方向分成4個樣地(I，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ)，每個樣地寬度為5 m，相鄰樣地間距為2 m。I和Ⅱ樣地分別用于開展等高向下犁耕和等高向上犁耕的模擬耕作，Ⅲ和Ⅳ樣地分別用于開展等高向下犁耕和等高向上犁耕的耕作位移試驗。采用當?shù)氐呐＠晴f式犁進行耕作，犁的主要特征參數(shù)為：犁鏵為等邊三角形，兩條側(cè)邊為0.34 m，底邊為0.21 m；犁壁為長方形，長為0.28 m，寬為0.18 m；犁壁和犁鏵組成的犁體曲面半徑為0.57 m，弦長為0.60 m，犁體曲面直接固定在犁梢上，且與犁梢犁轅組成的面垂直。
兩種等高犁耕的模擬耕作各進行15次。等高向下犁耕總是自坡腳開始沿等高線來回耕作至坡頂，耕作時犁轅朝下坡方向傾斜約20%(以垂直水平面為基準)，向下坡方向翻垈；相反地，等高向上犁耕總是自坡頂開始沿等高線來回耕作至坡腳，耕作時犁轅朝上坡方向傾斜約20%，向上坡方向翻垈。犁耕深度約12 cm，當土層深度小于12 cm時深耕頁巖補充土層厚度，犁耕寬度為0.2 m左右。整個過程在3 d內(nèi)完成，期間無降雨。分別在耕作前、模擬耕作15次后采樣，從坡頂至坡腳布設(shè)2條采樣帶，每隔5 m利用土壤采樣器(Eijkelkamp，荷蘭)采集整個土壤剖面，按5 cm取土壤分層樣，同一坡位相同深度的兩筒樣品合為一個混合樣。利用探棒探測耕作前后土層深度變化(Eijkelkamp，荷蘭)。應用GPS測定耕作前后坡地微地貌變化(T4 GNSS，中國)。
耕作位移試驗采用磁性示蹤法，磁性示蹤劑選擇粒徑200目的鈦鐵礦粉。Ⅲ和Ⅳ樣地自坡頂向坡腳以間距2 m布置磁性示蹤小區(qū)，每個樣地設(shè)置兩列示蹤小區(qū)，兩個相鄰小區(qū)間距為1 m，共設(shè)置28個尺寸為長1.0 m、寬0.2 m、深0.12 m的磁性示蹤小區(qū)，長邊平行于等高線。在小區(qū)內(nèi)用100 cm3環(huán)刀取2個平行樣，帶回實驗室測定土壤容重。小區(qū)制作時先將挖出的土堆放在塑料布上，加入1 kg磁性示蹤劑，棄去等量的土，充分混勻后利用磁化率儀(SM-30，捷克)測定土壤磁化率，測定后將混有磁性示蹤劑的土壤按原田間土壤容重回填于小區(qū)內(nèi)。利用水平儀測定每個示蹤小區(qū)的坡度，Ⅲ和Ⅳ樣地磁性示蹤小區(qū)的坡度變化范圍分別為6.2%～22.6%和5.0%～18.4%。請當?shù)剞r(nóng)民使用等高向下犁耕和等高向上犁耕分別對Ⅲ和Ⅳ樣地進行1次完整耕作。耕作后將一個長寬高為0.6 m×0.2 m×0.2 m的金屬框垂直于插入原示蹤小區(qū)土壤中，深度限定于耕作深度，以0.10 m間距從原示蹤小區(qū)中心線分別向上坡、向下坡磁性示蹤劑分布的最遠點連續(xù)取樣，樣品充分混勻后測定土壤磁化率。
1.3耕作侵蝕指標計算
應用類流體旋轉(zhuǎn)理論，依據(jù)磁性示蹤劑在耕作前后分布的差異計算土壤位移量，計算模型如下[14]：
(1)
式中：Q——單次耕作產(chǎn)生的土壤位移量(kg/m)；C0——耕作前示蹤小區(qū)的土壤磁化率(SI)；Cx——耕作后示蹤路徑的土壤磁化率(SI)；Ms——耕作層的土壤比質(zhì)量(kg/m2)；L——取樣的最大距離(m)。耕作侵蝕速率與土壤位移量成正比，與坡體長度成反比，計算模型如下：
(2)
式中：Rt——單次耕作產(chǎn)生的耕作侵蝕速率(t/hm2)；Ld——坡體長度(m)。
2 結(jié)果與分析
2.1單次耕作土壤再分布
2.1.1土壤再分布模式等高向下犁耕在耕作后原示蹤小區(qū)內(nèi)土壤磁性明顯減弱，而示蹤小區(qū)下坡方向土壤磁性卻明顯增強，表明等高向下犁耕引起磁性示蹤劑向下坡移動。與等高向下犁耕不同，等高向上犁耕示蹤小區(qū)的下坡方向和上坡方向土壤磁性都明顯增強，表明等高向上犁耕在單次耕作過程中引起磁性示蹤劑同時向下坡和向上坡移動。等高向下犁耕引起示蹤劑向下坡最大移動距離為0.5～0.7 m(以示蹤小區(qū)上部基線為基準)；等高向上犁耕引起示蹤劑向下坡最大移動距離為0.3～0.6 m，向上坡最大移動距離為0.4～0.6 m(以示蹤小區(qū)中心線為基準)。等高向下犁耕在研究坡度6.2%～22.6%范圍內(nèi)引起向下坡土壤平均耕作位移為0.09～0.17 m；等高向上犁耕在研究坡度5.0%～18.4%范圍內(nèi)引起向下坡土壤平均凈位移為-0.06～0.05 m。
2.1.2土壤再分布強度對于等高向下犁耕，單次耕作引起的向下坡土壤位移量為15.62～28.70 kg/m(圖1A)，土壤位移量與坡度無顯著相關(guān)性(R2=0.000 9，n=14，p=0.93)。對于等高向上犁耕，單次耕作引起的向下坡土壤凈位移量為-10.91～8.23 kg/m(圖1B)，土壤凈位移量與坡度呈極顯著正相關(guān)(R2=0.66，n=14，p<0.001)。以坡長15 m計，等高向下犁耕和等高向上犁耕的耕作侵蝕速率分別為10.41～19.14 t/hm2和-7.27～5.49 t/hm2?？梢姡雀呦蛏侠绺母髑治g強度顯著小于等高向下犁耕，當坡度較小時(<14.2%)，等高向上犁耕產(chǎn)生凈的土壤向上坡移動，當坡度逐漸增大時，土壤凈位移方向轉(zhuǎn)為向下坡方向。
圖1等高向下犁耕和等高向上犁耕土壤位移量與坡度關(guān)系
2.2模擬耕作土壤再分布
2.2.1模擬耕作后土層深度變化對于等高向下犁耕，耕作前和耕作15次后的土層深度分別為17.8—69.3 cm和12.0—86.8 cm(圖2A)，顯示出等高向下耕作引起土壤剖面發(fā)生明顯變化。土壤剖面變化最顯著的部位發(fā)生在坡頂和坡腳，坡頂土層深度減小了32.6%，而坡腳增加了25.1%。耕作后中坡部位(5 m和10 m)土層深度變化率較小(0.6%和-1.3%)。這些結(jié)果表明等高向下犁耕產(chǎn)生明顯的邊界效應，即耕作侵蝕和耕作沉積主要分別發(fā)生在靠近上坡和下坡邊界部位，而中坡扮演著類似“傳送帶”的作用，將上坡耕層土壤傳輸?shù)较缕?。對于等高向上犁耕，耕作前和耕?5次后的土層深度分別為17.8—72.8 cm和20.0—73.0 cm(圖2B)，呈現(xiàn)出與等高向下犁耕明顯不同的特征，坡頂土層深度增加了12.7%，坡腳土層深度也增加了0.3%，而中坡土層深度減少了1.8%～2.8%。這個結(jié)果表明等高向上犁耕的耕作侵蝕和沉積強度明顯弱于等高向下犁耕。
2.2.2模擬耕作后海拔變化等高向下犁耕15次后上坡部位海拔明顯降低，而下坡部位顯著增加，耕作前后海拔最低點和最高點始終出現(xiàn)在坡頂和坡腳邊界處(圖3A)。這與鋤耕模擬耕作呈現(xiàn)出不同的變化特征，未出現(xiàn)鋤耕模擬耕作中海拔最高點向下坡方向移動的現(xiàn)象[15]。等高向下犁耕15次后相對海拔從2.12 m下降為1.71 m，呈現(xiàn)出“夷平”趨勢，坡頂海拔下降了23.5 cm，超過了耕作前的土層深度?？梢姡雀呦蛳吕绺鹌马斖寥懒魇Х浅Ｃ黠@。等高向上犁耕15次后海拔呈現(xiàn)出上坡部位明顯增加，而中坡部位減小，下坡部位略有增加，相對海拔從2.09 m增加為2.15 m(圖3B)。
圖2等高向下犁耕和等高向上犁耕耕作后土層深度變化
圖3等高向下犁耕和等高向上犁耕耕作后海拔變化
2.2.3模擬耕作后坡度變化等高向下犁耕15次后坡度由14.15%減小為11.42%，而等高向上犁耕15次坡度由13.95%增加為14.33%。這個結(jié)果表明兩種等高耕作土壤再分布模式的差異導致坡度變化呈現(xiàn)相反的特征。兩種等高耕作對坡度的影響主要表現(xiàn)在上坡和下坡部位，等高向下犁耕導致上坡部位、下坡部位的坡度都減小，而等高向上犁耕導致上坡部位的坡度增加，下坡部位的坡度減小(圖4)。
圖4等高向下犁耕和等高向上犁耕耕作后坡度變化
3 討 論
3.1等高向下犁耕與等高向上犁耕土壤再分布模式差異
兩種等高耕作的土壤再分布模式存在顯著差異，等高向下犁耕導致土壤發(fā)生向下坡移動，等高向上犁耕導致土壤同時發(fā)生向上坡、向下坡位移。這種差異主要源于不同翻垈方向時犁壁的驅(qū)動力與重力的組合形式不同。等高向下犁耕由于犁轅向下坡傾斜，犁鏵驅(qū)動力與重力共同對土壤產(chǎn)生向下坡方向作用，因而僅發(fā)生向下坡方向的土壤移動，其向下坡位移就是凈的土壤位移。等高向上犁耕由于犁轅向上坡傾斜，犁鏵驅(qū)動力與重力對土壤搬運作用相反，其結(jié)果導致土壤不僅發(fā)生向上坡移動，同時也發(fā)生向下坡位移，上、下坡位移平衡的結(jié)果決定凈的土壤位移。等高向上犁耕的土壤凈位移方向取決于坡度，當坡度較小時(本研究條件下臨界坡度為14%)，犁鏵對土壤的驅(qū)動力大于重力，這時土壤向上坡位移量大于向下坡位移量，土壤發(fā)生向上坡凈位移；當坡度繼續(xù)增大，重力作用占主導地位，土壤向下坡位移量大于向上坡位移量，土壤發(fā)生向下坡凈位移。這種分布模式與等高鋤耕不同，等高鋤耕雖然也導致土壤發(fā)生向下坡位移和向上坡位移，但是向上坡位移總是小于向下坡位移，土壤發(fā)生向下坡凈位移[11]。
3.2等高向下犁耕與等高向上犁耕對坡地土壤剖面變化的影響
兩種等高耕作在坡地不同景觀位置對土壤侵蝕和沉積的作用明顯不同，等高向下犁耕導致土壤侵蝕和沉積分別發(fā)生在上坡和下坡部位，而等高向上犁耕導致土壤在下坡和中坡流失，在上坡沉積。經(jīng)過15次等高向下犁耕，坡頂原土壤剖面完全消失，但未出現(xiàn)母巖裸露現(xiàn)象，而是保持12 cm的土層厚度，這個厚度與犁耕深度一致，這是由于犁耕將下伏在薄層土壤下的頁巖破碎，補充了流失的土壤。等高向下犁耕對坡頂土壤剖面起著兩方面的作用：一是耕作侵蝕引起土壤向下坡傳輸，二是通過將沉積松散的泥頁巖破碎促進其風化成土，兩者共同維持著紫色土坡頂?shù)耐翆由疃?。?jīng)過15次等高向上犁耕，坡頂土層深度增加了12.7%，等高向上犁耕對于保護坡頂土層深度具有重要作用；同時，在坡腳形成一條淺溝，其對水蝕有一定抑制作用[16]。等高向下犁耕的耕作侵蝕速率超過了紫色土正常的成土速率[17]，而等高向上犁耕的耕作侵蝕明顯小于等高向下犁耕。由于等高向上犁耕動力來源于畜力，等高向上犁耕時操作者處于犁的下坡方向，重心較低，對犁的操作較為省力，相比紫色土區(qū)人力向上鋤耕較易實施。因此，在坡度較小時，采用等高向上犁耕可以有效防治坡頂土層深度減小和生產(chǎn)力退化；當坡度較大時，雖然也可以減少耕作侵蝕，但實施難度增大，可以選擇性地對坡頂?shù)韧寥罍\薄處進行等高向上犁耕。
3.3等高向下犁耕與等高向上犁耕對坡地微地貌演化的影響
兩種等高耕作對于坡地微地貌變化的作用不同，模擬長期耕作顯示出等高向下犁耕15次導致相對海拔下降41 cm，坡度減小2.73%，而等高向上犁耕15次導致相對海拔增加5.7 cm，坡度增加0.38%。等高向下犁耕對坡地微地貌演化的影響與已有研究有相同的作用特征，即陡坡耕地在長期的耕作侵蝕作用下趨向于夷平[18-19]，不同的是紫色土坡地雖然經(jīng)歷了上百年的耕作，但坡地并未被夷平，依然保持了較陡的坡度。這主要源于以下三方面原因：第一，由于紫色土區(qū)另一種主要土壤侵蝕形式——水力侵蝕的作用，水蝕將耕作堆積在坡腳的土壤搬運到耕地外部，最近研究顯示耕作侵蝕有加速水蝕的作用；第二，農(nóng)民習慣于采取一些耕作保護措施來保護坡頂土壤，如等高向上耕作、鋤耕向上耕作[16]、鋤耕不翻轉(zhuǎn)耕作[20]，或者將坡頂耕地外的土壤搬運至耕地內(nèi)來補充土壤等[5]；第三，淺薄的土層下伏母巖，導致耕作深度被迫減小，一定程度上降低了耕作侵蝕。依據(jù)等高向上犁耕的土壤再分布模式，理論上等高向上犁耕會使坡腳海拔下降，但模擬耕作顯示長期等高向上犁耕對坡腳海拔影響不大。這主要是由于連續(xù)耕作導致土壤松散(土壤緊實度下降了40%)，從而導致土壤向上坡位移量下降、土壤向下坡凈位移量明顯增加，而中坡坡度最大，在微地貌上成為該坡地的凸坡，坡腳成為凹坡，以往研究顯示凸坡和凹坡分別為耕作侵蝕和耕作沉積的主要發(fā)生部位，因而坡腳在15次耕作后不但沒有成為土壤凈流失區(qū)，反而成為土壤凈流入?yún)^(qū)。
4 結(jié) 論
(1) 等高向上犁耕采取向上坡翻垈，通過犁壁驅(qū)動力抵抗重力向上坡搬運土壤，單次耕作導致土壤同時發(fā)生向上坡、向下坡位移，土壤凈位移的大小取決于上、下坡位移平衡結(jié)果，方向取決于坡度，當坡度較小時(本研究條件下臨界坡度為14%)，土壤發(fā)生向上坡凈位移，當坡度較大時，土壤發(fā)生向下坡凈位移。
(2) 等高向下犁耕引起上坡土壤流失，下坡土壤沉積，模擬耕作顯示長期耕作將上坡部位原土層完全侵蝕，但母巖并未裸露，而是保持與耕作深度相當?shù)耐翆雍穸?，表明等高向下犁耕使坡頂土壤剖面隨著耕作次數(shù)的增加而減小，同時通過將沉積松散的泥頁巖破碎促進其風化成土，兩種作用共同維持著紫色土坡頂?shù)耐翆由疃取?/p>
(3) 等高向上犁耕可以有效減少土壤向下坡移動，長期耕作可以提高坡頂土層深度和生產(chǎn)力。等高向上犁耕對于操作者來講不算費力，相比向上鋤耕較易被接受。等高向上犁耕是一種防治類似紫色土的薄層土壤耕作侵蝕和土壤退化的有效措施。
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Effect of Contour Plowing Orientation on Soil Redistribution on Hillslope in Purple Soil
LI Fucheng, JIANG Rentao, HUA Xiaoye
(CollegeofResources&Environment,SouthwestUniversityofScienceandTechnology,Mianyang,Sichuan621010,China)
A hillslope with a length of 15 m and a slope gradient of 14.16% was selected as the experimental site in the hilly areas of the Sichuan Basin, China. The magnetic tracer method was used to determine the rates and patterns of soil redistribution for downward contour plowing (i.e., downslope turning the soil) and upward contour plowing (i.e., upslope turning the soil), respectively. Consecutive tillage by ox-drawn ploughing was performed 15 times for downward contour plowing and upward contour plowing, respectively, to simulate the impact of long-term tillage on soil profile transformation and microtopography evolution at different slope positions. The results showed that downward contour plowing caused only downslope soil translocation. Soil translocation rates ranged from 15.62 to 28.70 kg/m and no significant correlation was found between soil translocation rates and slope gradient for downward contour plowing (p=0.93). For upward contour plowing, the soil extended to both sides of plough blade, i.e. the soil moved both upslope and downslope simultaneously. Net downslope translocation rates ranged from -10.91 to 8.23 kg/m. Soil translocation rates were significantly correlated with slope gradients for upward contour plowing (p<0.001), and net displacement direction turned from uphill to downhill when slope gradient increased to 14% under this study condition. The eroded depth of soil profile at the summit position after 15 times downward contour plowing was 132% more than its original depth of pre-tillage soil profile, and the depth of post-tillage soil profile was equal to tillage depth, indicating that the downward contour plowing plays a dual roles: enhancing soil erosion and accelerating pedogenic processes when the depth of soil profile was less than tillage depth. For upward contour plowing, the depth of post-tillage soil profile at the summit position increased by 12.7%, indicating that it plays an important role in protecting soil profile. Upward contour plowing could be an effective protective measure in reducing tillage erosion and preventing soil from degradation on the sloping land in such as purple soil with thin soil over bedrock.
tillage erosion; contour tillage; magnetic tracer; tillage translocation; soil degradation
2015-12-14
2016-01-05
國家自然科學基金“四川紫色土區(qū)耕作機具與坡面要素的配適機制”(41401301);四川省科技支撐項目“地震災區(qū)生態(tài)恢復與災害防治關(guān)鍵技術(shù)研究”(2014SZ0058);國家科技支撐計劃項目“川西北藏區(qū)沙化土地生態(tài)修復技術(shù)研究及示范”(2015BAC05B04);西南科技大學博士基金“耕作侵蝕的邊界效應對土壤輸送、侵蝕、補償與平衡機制”(13zx7129)
李富程(1982—),男,吉林蛟河人,博士,講師,主要從事農(nóng)業(yè)生態(tài)與水土保持研究。E-mail:lfckind@163.com
S157.1
A
1005-3409(2016)03-0106-06
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