超量灌溉对农田耕作区水土肥流失的影响*

单长河，汪艳萍

(1．河北工程技术高等专科学校水利系，沧州 060001;2．河北工程技术高等专科学校基础部，沧州 060001)

1 缘由

土地是人类赖以生存与发展的重要物质基础，世界各国普遍重视对土地特别是耕地资源的利用与保护。对土地资源的保护不但要求对土地数量，也包括对土地生产力的保护。由于水土流失现象造成了土地水、土、肥的严重流失。因此对水土流失规律的研究是十分重要的［1-2］。

我国是世界上水土流失严重的国家之一，2014年中国第二次水土流失遥感调查成果表明:全国水土流失面积达356万，占国土面积的37%，每年流失土壤达50亿t，土地面积和土壤厚度均在减小。1949年以来由于水土流失而毁掉的耕地266．67万hm2，每年流失的土壤相当于刮去1cm厚的沃土。许多水土流失地区，因地表植被缺乏，暴雨骤袭破坏地表土壤结构，造成大量降雨白白流走。水土流失对环境生态的破坏也很严重，使耕地土层减薄，土壤水分与肥力下降，植被减少，造成小气候干旱、燥热。干旱多风沙的地区，地表植被破坏，还引起土地沙化，破坏了植物生长环境与生态平衡，进一步加剧水土流失，人类的生产生活环境也随之恶化。据试验资料，仅黄土丘陵地区坡耕地平均每年流失水量约225～450m3/hm2，多的可达900m3/hm2。每年水力侵蚀损失土层厚度达0．2～1．0cm，严重地区达2．0cm以上。因此流失氮、磷、钾分别为8～15t/km2、15～40 t/km2、200～300 t/km2，形成了跑土、跑水、跑肥的“三跑田”［3］。

目前，山区、丘陵区的水土流失及治理，已有大量的资料与成功的技术，特别是我国制定了《水土保持技术规范》后，山、丘陵区的水土保持工作已引起各级领导的高度重视，但对于平原农田耕作区的水、土、肥的流失与治理，资料或研究成果比较罕见［4］。1999年1月实施的土地法规定:“十分珍惜、合理利用土地与切实保护耕地是我国的基本国策，各级人民政府应当采取措施，全面规划，严格管理，保护、开发土地资源”。土地作为农业最基本且不可替代的资源，耕地状况是决定我国农业可持续发展的最重要因素。研究平原农田耕作区在天然降雨、大定额灌溉的条件下土壤中水、土、肥的流失机理与规律，方可为平原耕作区防治水、土、肥的流失提出切实可行的技术措施［5-6］。

2 人工模拟降雨冲刷试验

河北平原是我国重要粮食基地之一，河北平原区耕地的管理、保护、开发肩负着更为复杂而艰难的任务。文章通过室内阶段试验，初步研究了河北平原农田耕作区在天然降雨、超强度灌溉等条件下的水、土、肥流失的规律，提出了较有说服力的参数，河北平原属于典型的滨海平原，本试验选择沧州枣粮间作地中壤质土具有一定的代表性，能够对我国平原地区农田耕作区土地保护、开发工作提供依据［7-9］。

2.1 试验所用的材料及设备

试验用土:沧州枣粮间作地中壤质土，

试验用水:沧州城市用水，

试验中用的肥料:硝酸磷肥，主要成分N:27%～25%、P2O5:10%～13．5%，用量40±0．2g，

铁狮尿素，主要成分N:≥46．3%，用量40±0．2g，

试验水槽:长400cm、宽50cm、高90cm，地面坡度1%，

试验设备:降雨喷头、水桶等喷水与取样设备、仪器。

2.2 试验方案

(1)第一次冲刷试验。小降雨强度下，12h降雨总量4mm。主要分析土槽在小雨强、无追加肥情况下，土壤经水流冲刷后，土壤中水、土、肥的流失规律。

(2)第二次冲刷试验。大降雨强度下，12h总降雨量18mm。分析大降雨强度，无追加肥情况下，土壤经水流冲刷后，土壤中水、土、肥的流失规律。

(3)第三次冲刷试验。小降雨强度下，12h总降雨量4mm，追加肥60kg/667m2。土壤经水流冲刷后，土壤中水、土、肥的流失规律。

(4)第四次冲刷试验。大降雨强度下，追加肥60kg/667m2，12h总降雨量16mm。土壤经水流冲刷后，土壤中水、土、肥的流失规律。

2.3 试验观测数据和结果分析

2．3．1 水样的分析

每次试验，在径流出水口每隔2小时24分钟取水样一次 (共5次)，分析其泥沙含量与养分含量的变化。

(1)水样泥沙含量的变化

图1 清水冲刷试验水样含沙量变化

图2 肥水冲刷试验水样含沙量变化

由图1、图2可知，4次试验所取的水样含沙量都是由小变大再变小的过程，且都出现了一个“峰值”;径流携沙能力随雨强增大而增大。除第一次试验外，第二次和第四次试验水样含沙量都比第三次要高，这正是因为第二次和第四次试验雨强大于第三次。第一次试验各次取水样含沙量普遍偏高，主要是试验初期土壤含水量低，土体松散，径流泥沙携带量也就多。

(2)水样养分的分析

①清水降雨冲刷试验

第一次冲刷试验水样养分变化曲线，碱解氮含量最高时出现在第三组水样中，速效磷含量最高值出现在第一、三、五组水样中，而速效钾含量高值集中在前3组水样。第二次冲刷试验，第三、四组水样中碱解氮、速效磷、速效钾的含量都是最高的。对照水样的泥沙含量变化曲线就会发现，第一次试验水样泥沙含量峰值出现在第三组水样中，第二次试验水样泥沙含量最高值集中在第三、第四组水样，与养分变化趋势一致。证明了产流冲刷养分的多少与其携沙量的多少有关，随挟沙量的增多而增多。

图3 第一、二次试验水样养分变化

图4 第一、二次试验水样养分变化

图5 第一、二次试验水样养分变化

从图3、图4、图5中2次试验水样养分含量变化幅度发现，第二次试验径流携带的各种养分比第一次的偏高。证明径流量越大，对土壤冲刷越大，造成土壤养分损失也越多。

②肥水降雨冲刷试验

图6 第三、四次试验水样养分变化

图7 第三、四次试验水样养分变化

图8 第三、四次试验水样养分变化

由图6、图7、图8中曲线可知，第三次实验中氮、钾含量较高，而第四次实验中磷的含量较高。第三、四次冲刷实验总降水量相同，但第三次实验降雨时间比第四次长很多，因此第三次降雨强度小，径流时间长，土壤中的氮、钾极易被水流带走而损失。而第四次冲刷实验降雨强度大，水流冲刷力强，冲刷损失土壤的同时带走了较多的养分，使磷含量偏高。

总之，水样泥沙含量与养分含量的变化规律再次说明，降雨 (灌水)强度与入渗强度决定了土壤的水分入渗量与土表径流量的多少。降雨 (灌水)强度变小，或是提高土壤入渗能力都能增加土壤入渗量，减少径流量。

2．3．2 冲刷试验前后土壤含水量及养分变化规律

(1)土壤的含水量变化

试验中，在不同土层不同位置 (坡首、坡中、坡尾)取了土样，进行含水量和养分含量的测定。各取土位置点含水量试验前后变化规律大致相同，现以20cm土层含水量变化来进行分析。

图9 第一次试验前后20cm处含水量变化

图10 第二次试验前后20cm处含水量变化

图11 第三次试验前后20cm处含水量变化

图12 第四次试验前后20cm处含水量变化

由图9、图10、图11、图12含水量变化曲线可以看出，试验后土壤含水量从坡首到坡尾呈现递增的趋势，坡首径流时间短，渗入到土中的水分少，含水量低。坡中到坡尾径流时间依次增加，含水量也就逐渐变高。土壤表层及40cm处土层含水量变化趋势也是这样，只不过表层变幅更大。这说明雨强大的降雨 (或大定额灌水)，引起田间水分不均匀分布，这不利于提高农田的整体水分条件，也不利于充分利用水资源。

第二次和第四次试验前后土层相同取土点的含水量相差不大，这两次试验的降雨强度都很大，引起土层表面径流量增大，而渗入到土层的水分减少，则含水量变化很小。

(2)土壤养分分析

降雨引起土壤水分在水平和垂直方向上的分布，从而引起土壤养分的相应变化。径流冲刷土壤，造成养分流失;入渗使水分被土壤吸收，促成土壤对养分的固定。

①径流引起养分在水平方向的变化

Ⅰ、清水降雨冲刷试验

由前面含水量变化曲线可知，20cm土层试验前后含水量变化很大，所以对土壤养分变化的分析，还依据20cm土层取土点的数据。

图13 第一次冲刷试验前后20cm处养分变化

图14 第一次冲刷试验前后20cm处养分变化

由图13、图14、图15、图16明显看出土壤中的碱解氮、速效磷的变化规律是从坡首到坡尾逐渐变大，这与含水量变化趋势相符。说明土壤中养分是随水分移动的，当然这不是简单机械运动，其中有复杂的物理与化学变化。从图中还可以看出径流对土层中影响范围内的养分作用也很显著的。从图13中可知碱解氮比试验前减少了，显然是被径流携带走，或是随入渗水流渗入下层土壤中。试验前后土壤有机质含量变化不大。

Ⅱ、肥水降雨冲刷试验

图15 第二次冲刷试验前后20cm处养分变化

图16 第二次冲刷试验前后20cm处养分变化

图17 第三次冲刷试验前后20cm处养分变化

图18 第三次冲刷试验前后20cm处养分变化

图19 第四次冲刷试验前后20cm处养分变化

图20 第四次冲刷试验前后20cm处养分变化

2次试验后，各土层碱解氮的含量都降低了，从速效磷含量变化曲线上看出，各土层试验后含量都比试验前有所增加。另外，从图17、图18、图19、图20中2次试验养分变化幅度可知，第三次比第四次增幅大。再次证明降雨或灌水强度越大越不利于土壤吸收养分，从而造成肥料流失。

②水分入渗引起土壤养分沿土层深度变化

以坡中位置不同深度土壤中的碱解氮变化为例。

图21 第二次冲刷试验前后坡中不同深度养分变化

图22 第三次冲刷试验前后坡中不同深度养分变化

第二次冲刷试验后 (图21)，坡中位置20cm深处土壤中碱解氮的含量是最高的。由前面含水量分析知，20cm处的含水量多，在不产生深层渗漏的情况下，含水量高的土壤层养分聚集较多。第三次冲刷试验后 (图22)，坡中位置20cm深处土壤中碱解氮的含量反而比试验前的还低，显然养分随径流流失或产生深层渗漏到下层土壤。

3 结论

平原农田耕作区的田间土壤在大暴雨或高强度灌水 (如喷灌)情况下，水、土、肥流失是显见的［10］;在农田中，较长时间的地面径流 (如大定额地面灌溉)显然也是不利的，它也会导致水分流失、土壤冲刷，养分损失;在暴雨期间，土壤入渗强度决定了地面产生的径流量大小，从而也决定了能否发生冲刷的危险。所以，平原农田耕作区水土保持的重点应放在防止水、肥流失上，综合开发与利用水土资源，全面提高土地生产力。因此，应采取有效措施，提高土壤的入渗性能，减少径流，防止冲刷。

提高土壤入渗性能的措施有:(1)保护地表免受雨滴打击。在雨滴的打击作用下，地表会形成封闭层 (结皮)，影响水分入渗。可通过对地表进行覆盖的措施，如采用传统耕作秸秆还田或用免耕秸秆覆盖，既保护了地表，对土壤保持水分也有帮助，同时充分利用了资源，保护了环境。(2)减缓农田坡度或采取有效排水措施 (增加排水沟数量，降低排水沟间距)，能够避免产生较大径流对土壤的冲刷。(3)加大表层土壤贮水量。土壤保持水分的能力与其本身的结构和性状有关，土体松散，土壤空隙多，土壤吸收水分自然就多。可通过田间耕作，特别是进行播前深耕和适度中耕，能增加水分入渗，提高地表贮水能力，对径流产生阻碍作用。

［1］ 王庆河．农田水利学．北京:中国水利水电出版社，2006，8

［2］ 翟浩辉．治理水土流失改善生态环境．人民日报，2000-08-07

［3］ 汪恕诚．开创水土保持生态环境建设新局面．人民日报，1999-08-12

［4］ 辛树帜，蒋德麟．中国水土保持概论．北京:农业出版社，1986

［5］ 唐可丽．中国土壤与水土保持学的特点及展望．水土保持与研究，1996，6:25

［6］ 赵南起．我国防治荒漠化的严峻形势及对策．人民日报，2000，6:16

［7］ 陈学渊，唐华俊，吴永常，等．海河流域水资源对农业生产的影响分析．中国农业资源与区划，2012，5(33):34～39

［8］ 陈晓华，张玉香，张合成．中国农业统计资料2011．北京:中国农业出版社，2012

［9］ 刘北桦．强化农业资源持续利用工作 积极推进区域农业协调发展．中国农业资源与区划，2014，35(3):1～5

［10］ Aspinall R．Editorial．Journal of land Use Science，2006，1(1):1 ～4