降雨与作物种植方式对赤红壤坡面土壤侵蚀特征的影响

李桂芳，王坚桦，谢福倩，梁志鑫，邱 凡

(1.广西大学农学院,530004，南宁；2.广西壮族自治区水土保持监测站,530023，南宁)

南方红壤对我国农业乃至整个国民经济的持续发展和人民生活水平的提高具有重要作用[1]。由于红壤分布区独特的自然地理环境，高强度降雨及不合理的耕作措施等，使得我国南方红壤区的水土流失问题日益严重，造成土壤质量退化，制约当地农业的可持续发展[2]。降雨及作物种植方式均对坡面土壤侵蚀具有重要影响。相同降雨量下，坡面种植方式不同，径流系数存在显著差异，尤其是当降雨量超过40 mm时，径流系数的增加较为明显，种植方式对径流系数的影响有所减弱[3]。降雨的年际分布对坡面侵蚀量具有重要影响[4-6]，坡面侵蚀量主要与侵蚀性降雨的年内分布密切相关[7-8]。张文源等[5]研究指出，喀斯特黄壤区坡面侵蚀产沙在年内分布极为不均，少数的暴雨贡献了绝大部分的产沙量。涂安国等[6]研究指出，20～50 mm降雨等级下引起的侵蚀量是红壤坡面主要侵蚀量来源。坡耕地土壤侵蚀是坡面作物生长状况及降雨综合作用的结果。种植方式主要通过影响坡面植被生长状态、土壤结构及地表覆盖度进而影响坡面侵蚀[9-10]。作物生长初期地表裸露，遇强降雨较易发生严重侵蚀，而到后期，随着作物生长，坡面植被覆盖度迅速增加，此时即使降雨量增加但坡面侵蚀量反而有所降低[4]。一般而言，单一作物种植坡面侵蚀量要大于间作或轮作模式[11-12]，张铁钢等[13]指出模拟降雨条件下，玉米和花生套种坡面的产流产沙量远小于花生、玉米单独种植及裸坡处理。研究区域和观测时间不同，相同作物种植方式对地表径流和侵蚀的消减程度不一，当降雨条件相同时，植被在雨季的减流效益更为明显[14]。

目前关于作物种植模式对坡地土壤侵蚀研究以模拟降雨为主，自然降雨下研究时间尺度相对较短(雨季为主)。我国南方水热资源较为丰富，与北方地区相比，作物一般为一年两熟甚至三熟，耕地复种指数较高[15]。耕地复种指数的增加必然导致一年内坡地扰动程度及次数明显增大。加之南方地区的降雨在年内分布较为分散，降雨量大、降雨频繁、降雨侵蚀力较高，坡耕地土壤侵蚀的特征又将如何变化，目前尚不清晰；因此，笔者基于野外原位径流小区观测试验，通过测定不同种植方式下赤红壤坡地土壤产流产沙量，结合降雨年内分布等特征参数，重点探讨轮作和间作种植方式对赤红壤坡地土壤侵蚀的影响，以加深南方红壤区坡耕地土壤侵蚀特征的认识和明晰区域作物种植对土壤侵蚀的影响。

1 研究区概况

研究区位于广西南宁市良庆区那马镇木棉麓小流域(E 108°19′00″～108°19′24″，N 22°37′26″～22°37′55″)，属南方红壤丘陵区，南亚热带季风气候。研究区干、湿季节明显，年均降雨量约1 232 mm，其中4—9月降水占全年降雨量的80%以上，年均气温21.8 ℃，年均日照时间1 687.6 h，年均有霜期28 d。试验小区布设在木棉麓小流域中下部，坡面朝南，试验区土壤为赤红壤，土壤层厚度100～150 cm，pH值4.5～5.5，表层土壤有机质质量分数为20～30 g/kg，土壤密度1.2～1.3 g/cm3。土壤母质主要由第四纪砂质岩类风化物发育而成，成土母岩以沉积岩为主，且多为砂质岩[16]。

2 研究方法

2.1 试验设计

试验所用径流小区统一修建于2012年，最大限度的消除土壤空间分布异质性等差异。径流小区土地利用方式、规格及管理措施等参见表1。径流小区内坡面横向平整，坡度和土壤条件均一，各径流小区均配有砖砌围埂、防护带。径流小区下方设有圆形集流桶和分流桶，以承接小区径流泥沙样。轮作与间作处理下所有作物种植均按照当地习惯栽培和管理，并根据作物生长情况及时收割并种植下一茬作物，荒地处理主要在年初和年末对坡面土壤进行整治，采取统一除草等管理措施。

表1 试验小区概况Tab.1 Basic condition of each runoff plot

2.2 试验测定及方法

试验降雨观测时间为2017年1—12月，在径流小区附近配备有自计式雨量器和数字气象站，用于收集气象资料。降雨资料的收集包括日雨量、降雨过程、降雨历时、降雨量、最大30 min降雨强度(I30)等参数。径流量和侵蚀量采用野外径流小区水文观测法。每次降雨结束后，利用水尺测定集流桶和分流桶水深以此计算地表径流量。采用搅拌舀水取样、全剖面采样器取样方法，利用1 000 mL径流瓶在径流池中取径流泥沙样品，每次取3个重复样，烘干法测定其中泥沙含量。参照《径流小区和小流域控制站监测手册》计算总径流量、土壤流失量等参数。

3 结果与分析

3.1 降雨特征对坡面产流产沙的影响

3.1.1 研究区降雨特征分析 2017年研究区年降雨量为1 457.9 mm，1—12月每月均有降雨发生，其中3—10月降雨量占年降雨量的88.2%(图1)。不同月份中，7月和8月的月降雨量最高，分别为324.6和318.8 mm，占年降雨量的22.3%和21.9%； 3月、5月和10月的降雨量次之，均为160 mm左右，占年降雨量的10%左右(图1)。

图1 2017年研究区降雨量分布Fig.1 Rainfall distribution of January-December during 2017

本研究把能够引起径流小区水土流失的降雨均视为侵蚀性降雨。统计表明:2017年研究区侵蚀性降雨共25场(1月10日—10月17日)，降雨量介于12.4～155.3 mm之间(图2)，总侵蚀性降雨量为1 028.2 mm，占年降雨量的70.5%。除2月、4月和9月无侵蚀性降雨外，其余月份均出现2次以上的侵蚀性降雨，7月和8月最多(图2)。按照中国气象降雨等级划分[7]，25场侵蚀性降雨均为中雨及以上降雨等级。I30的变化范围为2.0～63.8 mm/h，整体上表现为1—6月I30较高，7—10月相对较小。表明研究区2017年侵蚀性降雨年内分布较为分散，7—8月侵蚀性降雨频次高，但高强度侵蚀性降雨主要集中在1—6月。2017年研究区各月侵蚀性降雨量范围为58.3～285.8 mm，占当月降雨总量的61.4%～84.0% (图1和图2)，各月径流量分布与侵蚀性降雨量分布特征基本一致，均随着侵蚀性降雨量的增加而明显增大。坡面侵蚀量的年内分布与侵蚀性降雨量各月的分布存在不同，坡面侵蚀量未随着侵蚀性降雨总量的增加而明显的增大，说明降雨对坡面侵蚀的影响还受到其他因素的综合作用[3,7]。

图2 2017年研究区侵蚀性降雨特征Fig.2 Characteristics of erosive rainfall events in 2017

3.1.2 赤红壤坡面侵蚀对降雨特征的响应 由2017年研究区侵蚀性降雨特征(图2)可知，≤40 mm降雨等级是研究区主要侵蚀性降雨(比例45.8%)。对不同降雨等级下坡面侵蚀特征值分析可知(表2)，整体上赤红壤坡面径流深较小，≤20 mm降雨等级下坡面径流量均值低于1 mm，而>70 mm降雨等级下坡面径流深均值也在5 mm以下。可能的原因是本研究区赤红壤母岩为砂页岩，土壤中沙粒含量相对较高，研究结果与郑江坤等[17]对砂壤土坡面产流特征接近。与径流深变化不同，不同降雨等级下坡面侵蚀量存在较大差异，尤其是>70 mm降雨等级下，其产生的侵蚀量远大于其余降雨等级。涂安国等[6]对江西红壤区的研究指出，20～50 mm降雨等级是研究区最主要的降雨类型，本研究结果与其相似(图2和表2)。>20～40和>40～70 mm降雨等级下，坡面侵蚀量差异并不明显，甚至>40～70 mm降雨等级下坡面平均侵蚀量要低于>20～40 mm降雨等级。相关性分析结果表明(表3)：整体上，降雨量和降雨历时与坡面径流量和侵蚀量呈显著和极显著的正相关关系，I30仅在一定条件下影响坡面产流产沙。

表2 不同降雨等级下各处理坡面径流与侵蚀对比分析Tab.2 Comparison of runoff and sediment yield under different treatments

表3 坡面侵蚀特征参数与降雨因子相关关系分析Tab.3 Correlation analyses among runoff, sediment characteristic index and rainfall characteristics and land cover

3.2 不同处理下赤红壤坡面产流产沙特征

3.2.1 坡面年径流量和侵蚀量 不同处理下坡面年径流和输沙特征见表4。不同处理下坡面年径流深变化范围为17.35～39.42 mm，表现为轮作坡耕地>间作坡耕地>荒地。轮作坡耕地坡面径流量分别为间作坡耕地及荒地的1.6和2.3倍。坡面年径流系数整体变化不大，介于1.2%～2.7%之间。与坡面年径流量变化相比，不同处理下坡面年侵蚀量差异较为明显，年侵蚀量介于153.5～1 165.6 kg/hm2之间，表现为轮作坡耕地>间作坡耕地>荒地，其中轮作坡耕地处理坡面径流量分别为间作坡耕地及荒地的2.9和7.6倍。对比轮作和间作坡耕地两种处理下坡面年侵蚀量可知，虽然2个处理下均是坡耕地，但由于种植方式不同，使得二者坡面侵蚀量在年内表现出较大的差异(表4)。

表4 不同种植方式下坡面年径流量和侵蚀量Tab.4 Runoff and sediment yields under different cropping pattern

3.2.2 坡面径流量及侵蚀量在年内的分布特征 为进一步分析不同处理下坡面侵蚀特征，对各处理下月径流量及侵蚀量展开分析(图3)。由图3a可知，不同处理下各月坡面径流量均表现为轮作坡耕地>间作坡耕地>荒地，且所有处理下月径流量均为7月和8月最大。以轮作坡耕地为例，不同月份坡面径流量在26.8～84.4 m3/hm2之间，8月的径流量最大，为84.8 m3/hm2，占年径流量的21.4%，7月和3月次之，分别占年径流量的17.8%和17.1%。

图3 2017年不同种植方式下坡面月径流量、输沙量及降雨量Fig.3 Runoff, sediment yield and rainfall depth distributed of each month in 2017 under different cropping pattern

与坡面径流量在年内的分布规律不同，不同处理下各月侵蚀量的分布存在较大差异。轮作处理下坡面各月的侵蚀量明显大于其余处理，坡面侵蚀量在31.6～373.5 kg/hm2之间，3月和5月的侵蚀量最大，且侵蚀量接近，占年侵蚀量的32.0%和31.9%，7月次之。间作坡耕地坡面侵蚀量最大值则出现在5月，占年侵蚀量的48.7%，7月和8月次之。荒地处理下坡面侵蚀量主要集中在7月和8月，分别占年侵蚀量的55.8%和48.7%，坡面侵蚀量的年内分布与降雨的年内分布基本一致。表明，荒地处理下坡面侵蚀量变化与降雨年内分布较为一致，而坡耕地坡面侵蚀量的变化则较为复杂。

3.3 次降雨条件下赤红壤坡面产流输沙特征

上文的分析可知，不同处理下坡面径流在年内表现为波动变化，一方面与侵蚀性降雨的特征有关，同时也与下垫面条件密切相关。不同降雨等级下，轮作坡耕地坡面侵蚀量和径流系数均显著高于荒地，而间作坡耕地与荒地处理下无显著差异(表2)。研究区次降雨坡面产流输沙特征如图4所示。由图4a可知，次降雨条件下，轮作处理下，坡面径流量始终大于其余处理(2.9～50.2 m3/hm2)，间作处理(1.8～43.2 m3/hm2)和荒地(0.5～30.9 m3/hm2)处理下波动相对较小。1—5月的8场侵蚀性降雨及8—10月的7场侵蚀性降雨坡面径流量的波动程度明显大于6—7月的9场侵蚀性降雨。主要原因是1—5月侵蚀性降雨中除3月17日及5月23日2场次降雨量较大外，其余并不大，但是由于处于作物生长初期，坡面植被覆盖度较低，此时降雨大部分用于坡面产流。而8—10月由于降雨频繁且降雨量较大，虽然地表植被覆盖度较好，但土壤持水能力有限，使得坡面径流量较高[3]。对于轮作坡耕地而言，即使1—6月部分侵蚀性降雨量相对较小，但由于玉米苗期对降雨的拦截能力有限，因而坡面产流量较大[18]。

08-26降雨事件的径流量和侵蚀量为8月24日和26日2场侵蚀性降雨产生的径流泥沙总和。 Runoff and sediment yield in August 26 was the total runoff and sediment yield from two erosive rainfall events in August 24 and August 26.图4 次降雨条件下坡面产流输沙特征Fig.4 Runoff and sediment yields of each erosive rainfall events

次降雨下坡面侵蚀量的波动情况与径流量存在明显差别(图4a和图4b)。由图4b可知，轮作坡耕地和间作坡耕地坡面侵蚀量随侵蚀性降雨的不同在年内呈剧烈波动趋势，变化范围为0.9～267.6和1.8～121.9 kg/hm2。在荒地处理下，坡面侵蚀量在年内变化相对较小(0.1～34.2 kg/hm2)，次降雨侵蚀量除几场降雨侵蚀量在30 kg/hm2左右，80%左右的降雨事件下坡面侵蚀量均小于10 kg/hm2。3月17日、3月22日、5月23日和8月26日的4场侵蚀性降雨产生的侵蚀量占轮作坡耕地年侵蚀量的62.9%；而5月23日和8月26日的2场侵蚀性降雨侵蚀量占间作坡耕地及荒地年侵蚀量的44.7%和31.8%。再次表明，高强度侵蚀性降雨是坡耕地土壤侵蚀最主要来源[19]，但草被覆盖的坡面可以有效减弱高强度降雨对坡面的侵蚀程度[20]。

4 讨论

4.1 降雨特征对坡面侵蚀的影响

降雨对坡面侵蚀的影响与降雨分布、降雨量、降雨强度等均密切相关[21]。本研究结果表明，除轮作坡耕地处理外，其余处理下I30与坡面径流和侵蚀参数均无显著相关关系。而笔者对研究区2018年的降雨侵蚀特征分析[20]可知，I30显著影响坡面径流量，与本文研究存在差异，可能的原因是2017年研究区侵蚀性降雨I30整体偏小且差异较小，而2018年I30的波动范围明显较大。降雨量对坡面径流的积极影响目前已得到众多学者的认可[5,22-23]，但降雨特征参数对坡面产流产沙的影响与坡面条件、土壤类型、土地利用方式等有关[23-24]。降雨特征参数中，降雨量与下垫面有植被覆盖的小区的水土流失量关系更为密切[5]，而本研究指出所有处理下，降雨量均与坡面径流量和侵蚀量呈显著或极显著的相关关系。广西赤红壤区降雨在年内的分布较为分散(图1和图2)，1—3月即有不同程度的侵蚀性降雨，此时作物均处于生长前期，地表覆盖度较低(<20%)较易出现严重的土壤侵蚀(图3b)，同时也再次表明降雨对坡面侵蚀的影响与下垫面条件等因素密切相关[17]。

4.2 作物种植等因素对坡面侵蚀的影响

作物种植方式的不同会影响坡面产流产沙在年内分布特征，且不同处理坡面土壤对侵蚀性降雨的响应存在明显不同。对于不同作物种植模式下，作物种植方式主要通过影响坡面作物覆盖、土壤管理以及土壤性质的改变进而影响坡面土壤侵蚀[8]。与荒地处理相比，轮作和间作处理由于增加了坡面扰动次数和周期性的影响地表覆盖度，导致坡面侵蚀量在年内波动较大，且明显大于荒地处理，出现较大的侵蚀量(图4b)。Adimassu等[22]研究指出不同时期由于作物生长状态及地表覆盖度的不同，坡耕地侵蚀量在各月的分布存在明显不同。作物种植初期，地表疏松、植被覆盖度较低时遇到强降雨是坡耕地产生严重侵蚀的主要原因[25]。此外，作物类型的不同，坡面侵蚀的差异也存在明显不同，单作处理下坡面侵蚀量显著高于套种或间作处理[11]，同时不同作物组合模式对径流和侵蚀的消减程度也存在较大差异[12]。

富涵等[8]对东北黑土区及谢颂华等[7]对红壤区坡耕地侵蚀特征研究均指出，坡面年侵蚀量在年际间存在较大差异。同时，坡长对坡面土壤侵蚀存在显著影响[26]，而本研究仅采用研究区2017年1年的监测结果，分析坡面侵蚀特征时并未考虑坡长因子的差异。此外，本研究表明2017年研究区坡面侵蚀输沙主要集中在5月之前(图3b)。这与黑土区[8]、黄壤区[5]、红壤区[7]等坡面侵蚀主要集中在5—9月或7—8月不同。因此，在后续的研究中需要综合考虑观测时间序列、坡长及区域降雨特征等因素对坡面侵蚀的综合影响。

5 结论

1)2017年研究区年降雨量为1 457.9 mm，其中3—10月降雨量占年降雨量的88.2%。整体上，降雨历时、降雨量与坡面径流量、侵蚀量均呈显著或极显著正相关关系，而I30与坡面径流量和侵蚀量的相关关系相对不显著，且与坡面条件关系密切。不同降雨等级下，坡面平均径流量差异相对较小，整体上在5 mm以下，但侵蚀量差异较大，尤其是>70 mm降雨等级下坡面侵蚀远大于其他降雨等级。坡面径流量的分布与侵蚀性降雨的年内分布特征基本一致，但侵蚀量则存在较大差异。

2)轮作坡耕地坡面年径流量及侵蚀量均最大，是间作坡耕地及荒地的1.6、2.3倍和2.9、7.6倍。各月坡面径流量和侵蚀量均表现为轮作坡耕地>间作坡耕地>荒地。轮作坡耕地坡面侵蚀主要源自1—6月的高强度降雨，坡面产流产沙随次降雨在年内剧烈波动，而荒地和间作坡耕地则波动相对较小。