紫色土坡地旋耕机耕作侵蚀特征

李富程， 花小叶， 王彬

(西南科技大学环境与资源学院，621010，四川绵阳)



紫色土坡地旋耕机耕作侵蚀特征

李富程， 花小叶， 王彬

(西南科技大学环境与资源学院，621010，四川绵阳)

摘要：耕作侵蚀的过程机制和防治技术研究是我国现阶段水土保持科学与技术的重点研究领域，关于小型旋耕机耕作的土壤再分布过程和影响因素研究较少。应用磁性示踪法研究旋耕机等高耕作、向下耕作和向上耕作的土壤再分布模式和强度，查明耕作速度对旋耕机耕作侵蚀的影响。结果表明：不同耕作方向下旋耕机单次耕作过程中均引起土壤同时发生向上坡和向下坡移动，且均导致土壤发生向下坡净位移；不同耕作速度时等高耕作和向上耕作土壤净位移与坡度均呈显著正相关(P<0.01)，而向下耕作二者无显著相关性(P>0.05)；土壤净位移量表现为快挡等高耕作(11.53 kg/m)>快挡向下耕作(11.40 kg/m)>快挡向上耕作(7.59 kg/m)>慢挡向下耕作(7.33 kg/m)>慢挡等高耕作(6.87 kg/m)>慢挡向上耕作(6.29 kg/m)；快挡时上下坡交替耕作的耕作侵蚀速率小于等高耕作，但慢挡时二者相当。旋耕机耕作相比传统耕作机具的耕作侵蚀明显下降，其推广应用对于防治紫色土坡地耕作侵蚀和土壤退化有重要作用。

关键词：耕作侵蚀； 耕作位移； 耕作速度； 耕作方向； 磁性示踪； 紫色土； 四川绵阳

四川紫色土丘陵区因独特的紫色土资源与优良的水热条件成为我国西南农业的主产区[1-2]，但不合理的耕作和管理引起紫色土坡地发生严重的耕作侵蚀，导致浅薄的紫色土坡地上部土壤退化加剧，耕作侵蚀成为制约紫色土坡地土壤安全和农业持续发展的重要因素[3-4]。目前，我国耕作侵蚀相关研究还很薄弱，耕作侵蚀的过程机制和防治技术研究是我国现阶段水土保持科学与技术的重点研究领域[5]。紫色土耕作侵蚀定量研究已有10余年，对人工锄耕和家畜犁耕2种传统耕作机具的耕作侵蚀过程、耕作方向对耕作侵蚀的影响、传统保土耕作技术、耕作侵蚀的环境效应等研究较多[6-17]；但对于小型旋耕机的相关研究一直未涉及。国际上对大型机械化耕作机具(如铧式犁、凿形犁、圆盘犁)的耕作侵蚀过程机制进行了大量研究[18-23]；但小型旋耕机与大型机械化耕作机具的动力联接方式不同，大型机械化耕作机具为牵引式或悬挂式，小型旋耕机为直联式。动力联接方式的差异会直接影响土壤再分布过程；因此，选用新型磁性示踪剂钛铁矿粉，利用磁性示踪法研究旋耕机土壤再分布过程和机制，分析耕作速度对耕作侵蚀的影响，为紫色土坡地耕作侵蚀防治和退化土壤恢复提供数据支撑。

1材料与方法

1.1研究区概况

试验区位于四川省绵阳市游仙区新桥镇官司河流域(E 104°47′50″，N 31°33′14″)，距绵阳市15 km。该区地貌以浅丘为主，海拔500～638 m，相对高差多为50～100 m。土壤类型为城墙岩群组(K1c)石灰性紫色土。气候类型为亚热带湿润季风气候，多年平均降水量和蒸发量分别为986.5 mm和550 mm。坡地农作物主要有油菜(BrassicacampestrisL.)、玉米(ZeamaysL.)、红薯 (Ipomoeabatatas(L.) Lam. var.batatas)、花生(ArachishypogaeaLinn.)等。由于农村人口空心化、老龄化和坡地土壤退化等原因，当地坡地农作制从一年两熟或三熟改为一年一熟或两熟，耕作次数从一年2次减少为1次。随着农业现代化进程的推进，耕作逐渐从传统的畜力犁耕转变成小型旋耕机耕作，旋耕机的耕作方向有等高耕作、上下坡交替耕作或者环状耕作。

1.2试验设计

为研究不同耕作方式和地形条件下旋耕机的耕作位移和土壤位移量，对耕作方向、耕作速度和坡度这3个要素进行试验设计。对于耕作方向，将实践中存在的多种耕作方向分解为3种方向：等高耕作、向下耕作和向上耕作。对于耕作速度，试验使用的旋耕机(图1)有2种挡位，快挡(设计转速130 r/min)和慢挡(设计转速90 r/min)，不同耕作方向快挡和慢挡的实际耕作速度略有差异：等高耕作快挡和慢挡的实际耕作速度分别为(0.44±0.02)m/s和(0.30±0.03)m/s；向下耕作分别为(0.45±0.02)m/s和(0.36±0.03)m/s；向上耕作分别为(0.32±0.02)m/s和(0.28±0.04)m/s。坡度选取四川盆地紫色土丘陵区的常见坡度(0.057～0.309 m/m)，每种处理分别设置14种坡度，共设置84个小区。

试验中使用的旋耕机主要技术参数如下：旋耕机总质量120 kg，外形尺寸1 700 mm×1 350 mm×900 mm，发动机功率6.3 kW，转速3 600 r/min，旋耕刀总数32把，直径33.5 cm，幅宽135 cm。农民在实践中为了使土壤达到耕种细度和深度的要求，每次连续耕作2遍，本试验与耕作实践保持一致，每种处理进行2遍同方向耕作。对于等高耕作，旋耕机从下坡开始沿等高线方向来回耕作，第2遍与第1遍耕作路径一致；对于向下耕作，旋耕机沿顺坡方向从上坡向下坡进行耕作，第1遍耕完后从旁边空地回到坡上部起始位置进行第2遍耕作；对于向上耕作，旋耕机沿顺坡方向从下坡向上坡进行耕作，第1遍耕完后从旁边空地回到坡下部起始位置进行第2遍耕作。耕作深度为(100±5)mm。

图1　试验中使用的旋耕机Fig.1　Rotary cultivator used in the tillage operation

1.3测定方法

采用磁性示踪法测定土壤耕作位移和土壤位移量。磁性示踪剂选用钛铁矿粉，钛铁矿粉是一种黑色粉末，粒径为200目，主要成分为二氧化钛、三氧化二铁和氧化铁。相对于砖瓦渣或粉煤灰等磁性示踪剂[5,8]，钛铁矿粉具有磁性强、粒径小、用量少等特点，能够提高土壤耕作位移测定的准确性。

将坡地沿顺坡方向分成3部分，分别用于等高耕作、向上耕作和向下耕作试验。在不同坡度位置设立磁性示踪小区，尺寸为长1.0 m、宽0.2 m、高0.1 m。示踪小区位置确定后，采用环刀法在示踪小区内取3个平行样，带回实验室测定。示踪小区长边平行于坡地等高线，且长边与高形成的面垂直于坡面。为避免耕作时相互影响，相邻示踪小区在平行等高线方向间距0.5 m，在垂直等高线方向间距1.6 m，每个示踪小区耕作试验用地面积约为2.7 m2。从示踪小区挖出的土壤先堆放在塑料布上，加入1.5 kg磁性示踪剂，同时弃去等量的土壤，充分搅拌使示踪剂均匀地附着在土壤上，应用磁化率仪(ZH-1，中国国土资源航空物探遥感中心)进行多点测定(≥20个)，如果测定值变化较大，则继续搅拌混合后重新测定，测定完成后按原田间土壤密度回填于示踪小区内。示踪小区布置完成后利用水平仪测定小区坡度。请当地经验丰富的农民利用旋耕机进行等高、向下和向上耕作，耕作后将一个长×宽×高为0.6 m×0.2 m×0.2 m的金属框垂直插入磁性示踪小区中间，以0.10 m间距从示踪小区中心线分别向上坡、向下坡磁性示踪剂分布的最远点连续取样，取样深度限定于耕作深度，所采样品混匀后用于测定土壤磁化率。

1.4耕作位移与耕作侵蚀计算

依据磁性示踪剂在耕作前后分布的差异，应用类流体旋转理论计算耕作位移[4]

(1)

式中：Dm为土壤平均耕作位移，m；C0为耕作前示踪小区的土壤磁化率，SI；Cx为耕作后示踪路径的土壤磁化率，SI；L为取样的最大距离，m。应用此公式计算向上坡耕作位移(Du)和向下坡耕作位移(Dd)，分别表示以示踪小区中心线为基准，耕作引起的土壤平均向上坡和向下坡耕作位移，二者之差为土壤净位移(Dn)。

土壤位移量[8]

Q=DmDtρb。

(2)

式中：Q为每次耕作引起的土壤位移量，kg/m；Dt为耕作深度，m；ρb为土壤密度，kg/m3。利用此公式可得出向下坡土壤位移量(Qd)和向上坡土壤位移量(Qu)，土壤净位移量(Qn)为二者之差。

耕作侵蚀速率[8]

(3)

式中：Rt为每次耕作产生的耕作侵蚀速率，t/hm2；Ld为坡体长度，m。

1.5数据处理

采用方差分析检验不同处理的耕作位移和土壤位移量是否存在显著差异，利用配对样本T检验分析各种处理向下坡和向上坡土壤位移量的差异，通过回归分析建立土壤净位移与坡度的关系。

2结果与分析

2.1土壤耕作位移

耕作后不同耕作方向原示踪小区内的土壤磁性强度均明显减小，在原示踪小区的上部和下部都分布有磁性示踪剂，表明旋耕机等高耕作、向下耕作和向上耕作在单次耕作过程中均导致土壤同时发生向下坡移动和向上坡移动。等高耕作快挡和慢挡引起示踪剂向下坡最大位移分别为0.5～0.6 m和0.3～0.5 m，向上坡最大位移均为0.2 m。向下耕作快挡和慢挡引起示踪剂向下坡最大位移均为0.5～0.7 m，向上坡最大位移分别为0.3～0.4 m和0.2～0.4 m。向上耕作快挡和慢挡引起示踪剂向下坡最大位移分别为0.5～0.6 m和0.4～0.6 m，向上坡最大位移分别为0.3～0.5 m和0.2～0.5 m。

对于等高耕作，快挡与慢挡耕作的向上坡土壤平均耕作位移相同，快挡耕作的向下坡土壤平均耕作位移显著高于慢挡耕作(P=0.019)。对于向下耕作，快挡与慢挡耕作的向上坡土壤平均耕作位移无显著差异(P=0.14)，向下坡土壤平均耕作位移存在显著差异(P=0.002)。对于向上耕作，快挡和慢挡耕作的向上坡和向下坡土壤平均耕作位移均呈显著差异(P=0.001)。结果表明耕作速度对不同耕作方向的向下坡位移影响较大，对等高耕作和向下耕作的向上坡位移无影响，但对向上耕作的向上坡位移有影响。

无论是等高耕作、向下耕作或向上耕作，向上位移都小于向下位移，土壤净位移总是向下坡方向。快挡等高耕作土壤净位移明显大于慢挡等高耕作(P=0.016)。快挡向下耕作土壤净位移也显著大于慢挡向下耕作(P=0.006)。与向下耕作不同，快挡与慢挡向上耕作的土壤净位移无显著差异(P=0.45)。结果表明耕作速度对等高耕作和向下耕作的土壤净位移影响较大，对向上耕作影响较小。

2.2耕作位移与坡度的关系

对于等高耕作，快挡和慢挡耕作土壤净位移都随坡度增加而增大，土壤净位移与坡度的关系可以利用线性方法很好地拟合(图2(a))，快挡和慢挡耕作的土壤净位移与坡度回归方程的R2分别为0.80(P<0.000 1)和0.63(P=0.000 7)。与等高耕作不同，尽管向下耕作也表现为向下坡净位移，但是快挡和慢挡耕作的土壤净位移与坡度都无显著相关性(图2(b))。与等高耕作相似，向上耕作的快挡和慢挡土壤净位移与坡度都呈显著相关性(图2(c))，快挡和慢挡耕作的土壤净位移与坡度回归方程的R2分别为0.76(P<0.000 1)和0.63(P=0.000 8)。

图2　土壤净下坡耕作位移与坡度的关系Fig.2　Net displacement distance (Dn) in the downslope direction vs. slope gradient (S)

2.3土壤位移量

配对样本T检验分析显示不同耕作方向的向下坡土壤位移量都明显大于向上坡土壤位移量。快挡等高耕作的土壤净位移量显著大于慢挡等高耕作(P=0.02)，快挡和慢挡耕作的土壤净位移量平均值分别为11.53和6.87 kg/m，前者是后者的1.7倍(表1)。对于向下耕作，快挡耕作的土壤净位移量也明显大于慢挡耕作(P=0.015)，快挡和慢挡耕作的土壤净位移量平均值分别为11.40和7.33 kg/m，前者是后者的1.6倍(表2)。与向下耕作不同，快挡与慢挡向上耕作的土壤净位移量无显著差异(P=0.52)，前者和后者平均值分别为7.59和6.29 kg/m(表3)。

表1　等高耕作土壤位移量和耕作侵蚀速率

注:耕作侵蚀速率的坡体长度以15 m计；下同。Note: downslope parcel length (Ld)=15 m when calculating tillage erosion rate (R), the same below.

表2　向下耕作土壤位移量和耕作侵蚀速率

2.4耕作侵蚀速率

四川紫色土区坡地的坡长多为10～20 m，按平均坡长15 m计算不同耕作速度和耕作方向的耕作侵蚀速率。快挡和慢挡等高耕作的耕作侵蚀速率分别为2.64～17.33 t/hm2和0.27～10.33 t/hm2(表1)，快挡耕作比慢挡耕作的平均耕作侵蚀速率高67.9%。快挡和慢挡向下耕作的耕作侵蚀速率分别为3.40～13.83 t/hm2和1.22～8.97 t/hm2(表2)，前者平均值比后者高55.5%。与向下耕作不同，向上耕作时快挡与慢挡的耕作侵蚀速率基本相当(表3)，平均值分别为5.06和4.20 t/hm2。实践中旋耕机向下耕作与向上耕作一般交替进行，上下坡交替耕作的土壤净位移量是二者的平均值，快挡和慢挡上下坡交替耕作的耕作侵蚀速率分别为6.33和4.54 t/hm2。

表3　向上耕作土壤位移量和耕作侵蚀速率

3讨论

3.1耕作方向对耕作侵蚀的影响

旋耕机耕作的土壤再分布模式不同于其他耕作机具，无论向上耕作、向下耕作或等高耕作，旋耕机在单次耕作过程中都引起土壤同时向上坡和向下坡移动。大型机械化耕作机具在单次耕作过程中土壤仅发生单方向移动，在连续的上下坡交替耕作时，土壤运动方向沿上坡、下坡方向交替发生[18-21]。对于非机械化耕作机具，传统牛拉铧式犁等高向下翻耕过程中土壤仅发生向下坡位移[3]，锄耕一般采用向下耕作，土壤总是向下坡移动[4]。紫色土坡地上部土壤“浅薄化”主要在于传统耕作机具常规耕作的土壤再分布模式缺陷，因其只有向下坡位移而无向上坡位移，致使耕作侵蚀严重，而旋耕机耕作时向上坡位移抵消了一部分向下坡位移，减小了土壤净位移。

等高耕作被认为是减小耕作侵蚀的首选技术[22]。旋耕机快挡耕作时土壤位移量从大到小为：等高耕作>向下耕作>向上耕作；而慢挡耕作时：向下耕作>等高耕作>向上耕作。旋耕机快挡耕作与以往研究认识不同。比较旋耕机常用耕作方向——等高耕作和上下坡交替耕作的耕作侵蚀强度，从大到小为：快挡等高耕作(7.69 t/hm2)>快挡上下坡交替耕作(6.33 t/hm2)>慢挡等高耕作(4.58 t/hm2)>慢挡上下坡交替耕作(4.54 t/hm2)。因此，从减小耕作侵蚀角度，旋耕机慢挡耕作是较优的耕作方式，但耕作效率较低。等高耕作不适合陡坡耕地，坡度大时侧翻的风险增大，上下坡交替耕作是较适合的耕作方式。

3.2耕作速度对耕作侵蚀的影响

旋耕机快挡等高耕作的前进速度比慢挡高47%，快挡向下耕作的前进速度比慢挡高25%，快挡向上耕作的前进速度比慢挡高14%，表明耕作方向是影响旋耕机耕作速度的重要因素。旋耕机耕作方向对耕作速度的影响与加拿大牵引式机械化耕作机具的试验结果相似[18]。以往研究认为土壤传输量与耕作速度呈线性正相关[19]，本研究结果显示等高耕作和向下耕作过程中快挡耕作的土壤位移量显著高于慢挡耕作(P<0.05)，但向上耕作时不同耕作速度的土壤位移量差异不显著(P>0.05)。这主要是由于旋耕机向上耕作过程中土壤向上坡和向下坡耕作位移随耕作速度变化相似，土壤净位移与耕作速度无关。旋耕机等高耕作从快挡改为慢挡，耕作侵蚀速率减小40%，这与T. A.Quine等[23]在新西兰丘陵区的研究结果相似。为了提高耕作效率，实践中旋耕机耕作一般青睐快挡耕作，这在一定程度上增大了耕作侵蚀。

3.3旋耕机耕作对土层深度的影响

与紫色土区传统耕作工具的常规耕作方式相比，在本研究坡度范围内旋耕机耕作的土壤位移量明显小于锄头顺坡向下耕作(52.89 t/hm2)和牛拉犁等高向下翻耕(53.06 t/hm2)[3-4]，旋耕机耕作相比传统耕作工具的常规耕作减少耕作侵蚀85%以上(未考虑耕作深度影响)；因此，旋耕机的推广有利于减少耕作侵蚀。尽管紫色土坡地顶部耕作侵蚀强度可以达到40～100 t/(hm2·a)，按这个侵蚀速率几十年内就可以使坡顶20～30 cm深的土壤消失一半以上；但是现实生产中绝大多数紫色土坡地上部始终维持20 cm以上的土层厚度，这个厚度与传统耕作机具的耕作深度相当。可见，传统耕作机具对于维持紫色土坡顶的土层厚度起着重要作用，通过将沉积松散的泥页岩破碎促进其风化成土。旋耕机按其机械耕作性能可耕深16～20 cm；但实际运用中一般耕深为10～12 cm，实践显示多年连续单纯旋耕易导致耕层变浅、理化性状变劣[24]，长期使用旋耕机耕作可能导致紫色土坡顶浅薄的土层进一步变薄，影响作物产量。为了达到减少耕作侵蚀和提高作物产量的目的，在实践中应实行浅耕与深耕相结合，浅耕几年后应实行1次深耕(>20 cm)。另外，改良旋耕机耕作刀具也是一条重要途径，在汶川等地野外调查中发现旋耕刀刀头较小时，其耕作深度超过了深耕的一般深度。

3.4旋耕机推广应用的限制因素

机耕道路狭窄是影响旋耕机推广应用的重要因素之一[25]。如前所述，研究区传统耕作方式采用畜力犁耕，村道至田间地头的道路主要功能是供行人和牲畜等通行，为了节约土地，道路宽度一般相对较小，实际测量研究区20条主要田间道路宽度为(41.6±13.14)cm，而旋耕机安装车轮时宽度为61 cm，安装旋耕刀时宽度为135 cm，旋耕机正常行驶的机耕道路宽度至少应为80 cm。另外，四川丘陵区雨水较丰富，机耕道路侧边大多是排水沟，与机耕道路有一定落差，对旋耕机的安全行驶构成一定威胁；因此，目前的机耕道路宽度导致很多地块旋耕机无法到达，这直接影响旋耕机的应用推广。

4结论与讨论

1)无论是向上耕作、向下耕作或者等高耕作，旋耕机在单次耕作过程中总是同时产生向上坡位移和向下坡位移，向上坡位移小于向下坡位移，土壤净位移总是向下坡方向，坡度对等高耕作和向上耕作土壤净位移有显著影响，但对向下耕作无明显影响。

2)耕作速度对等高耕作和向下耕作的耕作位移和土壤位移量有明显影响，但对向上耕作影响较小。快挡耕作时上下交替耕作的耕作侵蚀强度明显小于等高耕作，慢挡耕作时二者相当。

3)旋耕机耕作的土壤位移量和耕作侵蚀速率明显小于锄头顺坡向下耕作和牛拉犁等高向下翻耕，旋耕机的推广应用对于防治紫色土耕作侵蚀和土壤退化有重要作用；但多年连续单纯旋耕可能引起紫色土坡顶土层变薄，影响作物产量，定期深耕或改良耕作机具是必要的。

目前，机耕道路狭窄是制约旋耕机广泛应用的主要因素之一，农用机械推广应首先解决的这一难题，拓宽机耕道路是一项巨大的系统工程，坡耕地田间小型机械化道路配套技术是未来研究的一个重要方向。

中国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所张建辉研究员对旋耕机耕作位移模型计算提出订正建议，在此深表感谢。

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(责任编辑：程云郭雪芳)

Rate and pattern of tillage erosion by rotary cultivator on the steep land of purple soil

Li Fucheng, Hua Xiaoye, Wang Bin

(College of Resource & Environment, Southwest University of Science and Technology, 621010, Mianyang, Sichuan, China)

Abstract:[Background] The process mechanism and conservation technology of tillage erosion are the key research domains of science and technology for soil and water conservation at current stage in China. Most of researches on the tillage erosion have focused on the effect of towed or hanging mechanized tillage and manual or animal-powered non-mechanized tillage on soil translocation and soil loss. However, there is few researches about the processes and factors of soil redistribution by the direct-connected rotary cultivator tillage. [Methods] The magnetic tracer method was used to label soils of 84 experimental plots with different gradients ranging from 5.7% to 30.9%, and to quantitatively evaluate the rate and pattern of soil redistribution by rotary cultivator tillage on the steep land of purple soil in Sichuan Basin, southwestern China. Ilmenite powder was selected as magnetic tracer, because its contrasting color distinguished from the surrounding soil and high level of magnetic strength, and it could be closely adsorbed on soil surface and move simultaneously with the eroded soil. In order to determine effects of tillage speed and directions on tillage erosion rate, three tillage directions of i) parallel to the contour ii) downward along the slope and iii) upward along the slope, and two tillage speeds of high and low gear for each tillage direction were set up in the study. [Results] The results showed that at each tillage direction, any single tillage by rotary cultivator caused soil moving in both upslope and downslope simultaneously, and net translocation of soil was in the downslope direction due to gravity. While at different tillage speeds, the net translocation rates were significantly correlated with slope gradient in contour and upward tillage (P<0.01), respectively, but not significantly correlated in downward one (P>0.05). Net soil translocation rate decreased in the order: contour at high gear (11.53 kg/m), downward at high gear (11.40 kg/m), upward at high gear (7.59 kg/m), downward at low gear (7.33 kg/m), contour at low gear (6.87 kg/m), and upward at low gear (6.29 kg/m). Tillage erosion rates induced by upslope-downslope alternative were less than those by contour at high gear operation, however, they were equivalent at low gear operation. Tillage erosion rate (4.54-7.68 t/hm2 under downslope parcel length of 15 m conditions) by rotary cultivator was much lower than by traditional farming implements (52.89 and 53.06 t/hm2 for hoeing tillage and ox-drawn ploughing, respectively), i.e., more than 85% erosion rate decreased. [Conclusions] Therefore the expanding application of rotary cultivator should play a critical role in reducing tillage erosion and preventing soil from degradation on the sleep land of purple soil.

Keywords:tillage erosion; tillage translocation; tillage speed; tillage direction; magnetic tracer; purple soil; Mianyang Sichuan

收稿日期：2015-06-16修回日期： 2015-12-22

第一作者简介：李富程(1982—)，男，博士，讲师。主要研究方向：农业生态与水土保持。E-mail：lfckind@163.com

中图分类号：S157.1

文献标志码：A

文章编号：1672-3007(2016)01-0071-08

DOI:10.16843/j.sswc.2016.01.009

项目名称： 国家自然科学基金“四川紫色土区耕作机具与坡面要素的配适机制”(41401301)；西南科技大学博士基金“耕作侵蚀的边界效应对土壤输送、侵蚀、补偿与平衡机制”(13zx7129)