丹江口库区坡耕地不同作物对土壤溅蚀的影响

苗全安，曹凑贵，汪金平，高超，李成芳，3†

(1.农业部长江中游作物生理生态与耕作重点实验室，华中农业大学植物科技学院，430070，武汉;2.湖北省水土保持监测中心，430071，武汉;3.农业部生态农业重点开放实验室，510642，广州)

缓坡(坡度＜25°)农耕地是我国重要的耕地资 源，长期以来由于不合理的利用，坡地土壤侵蚀严重，导致土壤养分流失、土壤肥力下降和环境污染，已引起普遍关注［1］。溅蚀是水蚀的初始阶段，雨滴打击土表造成土粒分散、跃移搬运的侵蚀方式，为坡地最为普遍的一种侵蚀方式。国内外学者［2-3］对溅蚀的成因机制、发展过程以及危害进行了大量研究，对影响因子间的相互关系也进行了探讨。目前对溅蚀的研究主要集于在实验室与人工模拟，宋维秀等［4］通过人工模拟降雨，分析了不同降雨特性、土壤含水量等因素对坡地土壤溅蚀的影响，取得一定进展;然而较少野外实地研究，更缺乏有作物生长的坡耕地情况下溅蚀规律的探讨［3］:因此，加强野外坡耕地溅蚀的研究对于防治坡耕地土壤侵蚀具有重要意义。笔者拟研究自然降雨条件下坡耕地不同农作物对土壤溅蚀的影响，为有效控制坡耕地土壤侵蚀提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验点基本概况

试验在丹江口库区习家店镇3°坡耕地进行，当地三面环山，为丘陵垄岗区，海拔300～400 m。属亚热带季风气候区，气候温和，年均温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。人为活动频繁，容易产生水土流失。库区土地利用方式较单一，坡耕地占流域面积的45%，多为陡坡地，利用较为困难;平地面积仅占流域面积的25%，因为降雨少地势陡，一般以旱地为主。环库区为丘陵垄岗区，流域内土壤多属紫色土、石灰土，有小面积的黄棕壤，土层较薄。其中紫色土占流域面积的61%，棕色石灰土面积占流域面积的31%，黄棕壤仅占流域面积的8%。流域土层较薄、呈碱性反应，坡地土壤侵蚀严重，养分含量低。

1.2 试验设计

根据当地坡耕地的栽培制度，试验设计了裸地(对照)、黄姜(Rhizoma curcumae Longae)、红薯(Ipomoea batatas)、芝麻(Cortex cinnamom)、玉米(Zea mays L.)5个处理，每个处理3次重复，共15个小区，每个小区20 m2(4 m×5 m)。4种作物是当地的常作作物。在每小区上中下部布置3个地温计用于测定5 cm地温。小区上中下部布置摩根溅蚀盘。

2010年4月22日用畜力耕地，4月23日玉米与芝麻播种，红薯扦插，黄姜块茎种植，9月16日玉米与芝麻收获，9月23日收获红薯，黄姜则当年不收获。各作物栽培密度与当地栽培习惯一致，行株距分别为:玉米50 cm×33 cm，芝麻20 cm×20 cm，红薯80 cm×33 cm，黄姜50 cm×20 cm。每个小区施2.5 kg 40%复合肥(N、P2O5、K2O分别为10%、10%、20%)，0.5 kg 46%尿素，0.2 kg速效锌和0.2 kg大粒硼，所有肥料作为底肥一次性施用，此后不在追任何形式肥料。

试验用溅蚀盘为直径30 cm、高10 cm的圆型盘，盘中心是一直径10 cm、高3 cm的圆型活动装土盘，盘底部有渗水小孔。此装置是在Morgan溅蚀盘的基础上对盛试验用土的内圆盘外半径加大1 cm改进而成。

1.3 样品处理与数据分析

每次降雨前测土温，用环刀法测定土壤含水量，用皮尺直接测量作物株高，用Sunscan-probe冠层分析仪(英国DeiTA)测定作物覆盖度;降雨后将溅蚀盘风干，用刷子将盘内的溅蚀土粒冲刷下来，烘干称量。试验期间降雨量见表1，本试验共记录了6次天然降雨后不同处理土壤的溅蚀。试验地土壤基本理化性质为全氮质量分数1.26 g/kg，全磷0.32 g/kg，速 效 钾 144 mg/kg，有 机 质 15.45 g/kg，＜0.002 mm黏粒8.2%.

表1 试验期间降雨量Tab.1 Amount of rainfall during crop growth mm

试验结果均以3次重复的平均值与标准差来表示，试验数据采用SPSS16.0软件统计进行方差与相关性分析。

2 结果与分析

2.1 作物株高、覆盖度、土壤含水量和土温

从图1可知，在7月21日前，即在作物生长前期，除了玉米外，其他作物株高较低，均在30 cm以下，且处理间差异不显著;之后，在生长盛期，作物株高差异显著，不同作物株高从高到底依次为玉米＞芝麻＞红薯＞黄姜。

图1 不同处理作物的株高Fig.1 Plant height in different treatments

从图2可看出，在作物生长前期，作物覆盖度均值小于50%，各处理作物覆盖度大小依次为玉米＞红薯＞芝麻＞黄姜;之后，除了裸地与黄姜处理，各处理作物覆盖度均大于50%，且差异显著，大小依次为红薯＞玉米＞芝麻＞黄姜。

图2 不同处理作物的覆盖度Fig.2 Vegetation coverage in different treatments

图3可知，在作物生长前期各处理土壤含水量差异不显著;7月21日后，即作物盛期，红薯处理水分含量最大，显著高于其他处理，后次为玉米、黄姜、芝麻与裸地。

图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，各处理5 cm土温差异不显著，在27～29℃波动;此后裸地5 cm土温最高，显著高于其他处理，黄姜与红薯处理次之，而玉米与芝麻处理最低(图4)。

图4 不同处理5 cm土温的变化Fig.4 Soil temperature at 5 cm depth in different treatments

2.2 土壤溅蚀

图5和表2可看出，在作物生长前期，各处理间土壤溅蚀量差异不显著;此后，在作物生长盛期，各处理差异显著，其中裸地处理显著高于其他处理，黄姜处理次之，芝麻与玉米处理相当，而红薯处理最小。在整个试验期间，裸地处理总溅蚀量为33.89 g，是黄姜、红薯、芝麻与玉米处理的 1.44、4.93、2.12与2.69倍，表明了种植作物能有效降低土壤溅蚀，而种植红薯效果最佳。

图5 不同处理的土壤溅蚀Fig.5 Soil splash erosion in different treatments

表2 在试验期间不同处理的溅蚀量Tab.2 Amount of soil splash erosion in different treatments during crop growth g

2.3 相关分析

由表3可知，土壤溅蚀量y与覆盖度、土壤含水量、土温均呈一元二次曲线相关，且达显著水平，但与株高不相关，与宋维秀等［4］和汤立群［5］的土壤溅蚀量与覆盖度、土壤含水量、土温呈直线相关的研究结果不一致。

表3 土壤溅蚀量与株高、覆盖度、土壤含水量及土温的相关分析Tab.3 Correlation between soil splash erosion and crop height，vegetation cover，soil moisture and soil temperature

3 结论与讨论

研究表明，在作物生长前期各处理溅蚀差异不显著，这可能与前期各作物株高较矮和覆盖度较低有关(图1与2)。较小的株高与覆盖度使雨滴直接打击土表，进而掩盖作物的影响。随着作物生长发育，株高与覆盖度增大，作物对降雨的阻挡作用加强，通过截留、透流和干流3方面改变了降雨的降落方向和方式［3］，减小了雨滴的降落速度和作物层下降雨量，缓解了降雨对土壤直接的溅蚀和径流对土壤的冲刷，减小雨滴的溅蚀［6］。同时，随着作物生长，土表作物枯枝落叶的增加能有效地缓解雨滴对地面的打击，还能阻止溅蚀的侵蚀物发生位移，并吸收水分［7］;此外，未分解的枯落物在地表聚积缠结成片，改善土壤理化性质，增加土壤的通气性及透水性，而部分枯落物分解可形成菌丝体，菌丝体缠绕土壤颗粒，形成具有较大颗粒的水稳性团粒结构，阻止土粒被雨水溅散，从而抑制土壤溅蚀［8］。在试验期间，各作物中黄姜处理溅蚀量最大，红薯处理最小，这与4种作物中黄姜覆盖最小，红薯覆盖度最大有关(图2)。而芝麻与玉米在试验期间土壤溅蚀差异不显著与在盛期覆盖度相当有关(图2)。

作物冠层作为截留降水的作用层，能有效地减小雨滴溅蚀。一般认为生长茂密的植被覆盖度高，植物吸收降水的能力也越大［9］，同时也可有效避免雨滴直接打击在地表，在大范围内减少雨滴的击溅对地表土壤的分散和破坏［6］;然而，R.P.C.Morgan［2］对玉米冠下土壤溅蚀的研究则发现土壤溅蚀随玉米冠层覆盖增加而增加，并指出经玉米冠层改变后的雨滴比天然雨滴更能引起溅蚀。马波等［10］研究也表明，在特定条件下植被冠层下土壤溅蚀速率会高于相同雨强下的裸地。本研究却表明土壤溅蚀与覆盖度呈显著的一元二次曲线相关，且不同作物土壤溅蚀量差异显著，进一步表明了作物的存在导致降雨和溅蚀间的关系变得复杂［10］。

游珍等［7］研究表明，植被高度是影响土壤溅蚀重要因子，在降雨量达到透流(经枝叶聚集部分)临界雨量后，植被越高，土壤溅蚀越大。余新晓［11］试验也表明植被高度与溅蚀能量呈正比，植被越高，土壤溅蚀越大。这主要是因为雨滴在枝叶上聚集后质量增大，速度减小，此时枝叶越高，雨滴落地动能越大，溅蚀能力也越强［11］。然而本研究未观测到株高与土壤溅蚀间存在显著相关，可能与本研究作物的高度较低(＜2.5 m)消弱了二者的关系有关。

汤立群［5］研究认为土壤含水量是土壤侵蚀的影响因子，降雨前土壤含水量越大，越易产生溅蚀。宋维秀等［4］的研究也指出土壤溅蚀随着前期土壤含水量的增加而增加，其原因可能是土壤含水量与表土结皮强度之间呈负相关，含水量越大，其结皮强度越小，抗溅蚀能力减弱。这与本研究土壤溅蚀与土壤含水量间呈显著的一元二次曲线相关不一致，其原因可能与试验地种植前的耕地措施改变了地表糙度，影响了土壤溅蚀与含水量的关系有关［12］。

坡耕地作物通过高度、覆盖度及种植密度影响着群体的温度、湿度，影响着土壤的温度和湿度［13］，而土壤温度又进一步影响着土壤湿度，从而影响土壤溅蚀。陈晓飞等［14］研究指出土壤水热状况对坡耕地土壤侵蚀的有着重要影响。我们的研究表明土温与土壤溅蚀存在显著一元二次曲线相关，表明了土温对土壤溅蚀的影响并不是简单的单一的作用，而是多种因素的共同综合反映。综上，作物的存在改变了坡耕地局部空间格局，影响降雨的空间分布，使得土壤溅蚀与影响因素之间的关系复杂化。

［1］Sharplry A N，Simth S J，Naney J W.Envrionmental impact of agricultural nitrogen and phosphorus［J］.Journal of Agricultural and Food Chemistry，1987，35:812-817

［2］Morgan R P C.Effect of corn and soybean canopy on soil detachment by rainfall［J］.Transactions of the ASAE，1985，28(4):1135-1140

［3］韩学坤，吴伯志，安瞳昕，等.溅蚀研究进展［J］.水土保持研究，2010，17(4):46-51

［4］宋维秀，樊萍，魏国良.单雨滴降雨对结皮土壤溅蚀的影响［J］.青海大学学报，2005，23(1):59-61

［5］汤立群.坡面降雨溅蚀及其模拟［J］.水科学进展，1995，6(4):304-310

［6］王艳红，宋维峰，李财金.不同森林类型林冠截留效应研究［J］.亚热带水土保持，2008，20(3):5-10

［7］游珍，李占斌，蒋庆丰.植被对降雨的再分配分析［J］.中国水土保持科学，2003，1(3):102-105

［8］韩冰，吴钦孝.山杨林地枯落物层对溅蚀的影响［J］.植物资源与环境，1994，3(4):5-9

［9］谢锦忠，傅憋毅，马占兴，等.麻竹人工林水文生态效应［J］.林业科学研究，2005，18(6):682-687

［10］马波，吴发启，马王番.谷子冠层下的土壤溅蚀速率特征［J］.干旱地区农业研究，2010，28(1):130-135

［11］余新晓.森林植被减弱降雨侵蚀能量的数理分析［J］.水土保持学报，1988，2(2):1-7

［12］郑子成，何淑勤，吴发启.降雨条件下耕作方式对地表糙度的溅蚀效应［J］.农业工程学报，2009，25(11):103-108

［13］张光辉，于艳，刘宝元.东北黑土区防护林带队土壤水分影响的研究［J］.水土保持学报，2006，20(6):54-57

［14］陈晓飞，田静，张学萍，等.积雪融雪过程中水、热、溶质耦合运移规律的研究进展［J］.冰川冻土，2006，28(1):288-291