坡耕地的耕作侵蝕研究

坡耕地的耕作侵蝕研究

0耕作侵蝕的發(fā)生機(jī)制作物育種的目的是為作物的生長創(chuàng)造良好的生長發(fā)育環(huán)境，保持糧食生產(chǎn)的可持續(xù)性，并為人類提供各種生存的農(nóng)產(chǎn)品。然而在山區(qū)、丘陵區(qū),特別是地形復(fù)雜,地形破碎的地區(qū),連年的高強(qiáng)度耕作對土壤的擾動造成大量的土壤遷移,從而造成嚴(yán)重的土壤侵蝕。國外利用土壤侵蝕中成熟的137Cs技術(shù)的研究結(jié)果顯示,田間觀測到土壤再分布格局不符合“標(biāo)準(zhǔn)”水蝕的預(yù)測結(jié)果。利用137Cs技術(shù)在小區(qū)或小流域測定的結(jié)果表明,在坡地凸部(該部位水蝕應(yīng)該是很小的)的土壤流失很高,而在凹部(地表徑流的集中區(qū),水蝕經(jīng)常最嚴(yán)重)卻發(fā)生沉積。土壤剖面的研究在某些情況下也提供了進(jìn)一步的證據(jù),即土壤的主要流失并非發(fā)生在預(yù)想的坡地位置。研究最終認(rèn)為,耕作很可能是引起這些異常土壤再分布的原因。這個推測被不同景觀區(qū)進(jìn)行的耕作侵蝕試驗證實。國外對耕作侵蝕的研究早在1929年就有關(guān)于耕作引起土壤移動的報導(dǎo)。1942年Mech和Free發(fā)表了第一篇關(guān)于不同耕作工具引起不同的土壤移動的文章,隨后另一個鮮為人知的研究由Weinblum和Stekelmather(1963年)在以色列完成。然而,自此以后再沒有人繼續(xù)他們的工作。直到20世紀(jì)80年代末90年代初,幾個西歐和北美的研究者才開始研究耕作引起的土壤位移及其相關(guān)的侵蝕。引起國際上的廣泛關(guān)注,耕作侵蝕研究在各大洲迅速開展起來。1997年起,歐共體將耕作侵蝕列為大型研究項目,組織了7個國家的科學(xué)家協(xié)作攻關(guān),研究范圍包括到全部歐共體國家。1997年7月在加拿大多倫多(Toronto)舉行了第1次耕作侵蝕國際會議;1999年4月在比利時魯汶(Leuven)舉行了第2次耕作侵蝕國際會議;2001年8月在英國?？巳?Exeter)再次舉行關(guān)于耕作侵蝕影響的重要國際會議。中國早在西周的《詩經(jīng)》中就已經(jīng)提到壟耕等保土的耕作措施,認(rèn)識到合理的耕作措施會起到保持水土的作用。此后一直都有研究,20世紀(jì)50年代以后,中國的土壤學(xué)家提出了等高耕作、少耕、免耕、壟耕、梯田等水保耕作措施,為水土保持起到巨大作用。但這些水保耕作措施只是基于對水蝕的防治,卻沒有對耕作導(dǎo)致的直接侵蝕加以注意,也未作為一種獨立的侵蝕形式對其機(jī)理進(jìn)行研究,長期以來沒有耕作侵蝕的直接試驗結(jié)果。2001年,張建輝、王占禮等用物理示蹤法進(jìn)行了耕作侵蝕的試驗研究,取得了耕作侵蝕的直接證據(jù)。隨后,張建輝等在中國西南丘陵區(qū)的研究證明了耕作引起的土壤位移和耕作侵蝕是十分顯著的。王占禮、李勇等在黃土高原地區(qū)進(jìn)行了耕作侵蝕過程中的土壤再分布規(guī)律,耕作侵蝕模型、耕作侵蝕強(qiáng)度及其空間分布特征以及黃土地區(qū)耕作侵蝕在總土壤侵蝕中的重要性及其空間變化規(guī)律的研究。本文回顧了國內(nèi)外耕作侵蝕概念、發(fā)生機(jī)理、模型發(fā)展的研究,綜述了坡耕地景觀內(nèi)耕作侵蝕對土壤肥力和作物產(chǎn)量影響的研究現(xiàn)狀,并展望了未來耕作侵蝕的研究趨勢。1農(nóng)業(yè)侵蝕內(nèi)涵1.1米耕作長度土壤輸送量耕作位移是指耕作造成土壤位置的移動,可以用相對于耕作方向的某一特定方向的土壤移動量來表示,即每米耕作寬度的土壤向前(與耕作方向平行)的土壤位移量或每米耕作長度土壤向側(cè)面(與耕作方向垂直)的輸送量(單位:kg·m-1)。耕作位移也可以用平均耕作長度來表示,即耕作層向前或向側(cè)面移動的距離來表示,但是這兩種表示方法都不能準(zhǔn)確描述耕作位移的特征。由于耕作工具的不同,因而所有的耕作位移都是以單位耕作寬度為基礎(chǔ)的。耕作位移為三維的運(yùn)動(垂直于等高線、平行于等高線、垂直于地面),但是垂直于地面的運(yùn)動并未使土壤的水平位置發(fā)生改變,不會導(dǎo)致侵蝕發(fā)生。所以對于耕作侵蝕來說,前兩種運(yùn)動方式是主要的研究范疇。1.2單次耕作引起的地表位移耕作侵蝕就是在坡耕地景觀內(nèi),由于農(nóng)耕工具和重力作用而引起的耕作位移使土壤發(fā)生向下坡運(yùn)動與向上坡運(yùn)動(依賴于耕作方向),導(dǎo)致凈余土壤量向下坡傳輸、堆積,重新分配,用每年單位面積的凈土壤傳輸量來表示(單位:t·(hm2·a)-1)。耕作侵蝕并不是土壤直接從田間流失走,在復(fù)合地貌區(qū)是從坡地的凸部流失,而在凹部沉積;在線性坡面上土壤從坡耕地上部到中部流失,在下部堆積。在平坦的土地上單次耕作只產(chǎn)生耕作位移,但是不存在耕作侵蝕,這是由于往返式耕作后不會產(chǎn)生凈土壤傳輸量。在機(jī)械化農(nóng)耕區(qū)的北美,Lindstorm等指出美國中北部每年因耕作所導(dǎo)致的土壤流失量超過150t·(hm2·a)-1。張建輝等通過示蹤劑方法的研究表明,在坡度為4%~43%的線性坡坡面內(nèi),單次耕作引起的向下坡方向的土壤位移達(dá)到36~113kg·m-1,單次耕作的侵蝕速率為24~75t·(hm2·a)-1。并證明了順坡耕作比等高壟作所引起的凈余土壤位移多達(dá)3~5倍。1.3土壤侵蝕的原因耕作對土壤的影響:一是對土壤的原位擾動,輸入與輸出的土壤相當(dāng),沒有凈位移,只是疏松土壤,改變物理性質(zhì)(如容重、孔隙度等),并沒有造成土壤侵蝕;二是使土壤發(fā)生了分散、搬運(yùn)和沉積,導(dǎo)致了土壤在景觀內(nèi)的重新分配,發(fā)生了凈位移,造成土壤侵蝕。若地勢平坦,耕作的結(jié)果主要是第一種情況,第二種情況基本不存在。而在一定地形起伏的條件下,則出現(xiàn)第二種情況,由于耕作工具的牽引力、重力等作用,在坡耕地景觀內(nèi),耕作位移使土壤發(fā)生向下坡運(yùn)動或向上坡運(yùn)動(依賴于耕作方向),導(dǎo)致凈余土壤量向下坡傳輸、堆積,重新分配。在加拿大Ontario州,Lobb等評價了上坡的土壤損失,通過試驗發(fā)現(xiàn),經(jīng)過犁和耙兩次耕作后,坡頂?shù)母髑治g速率達(dá)到了54t·(hm2·a)-1以上,并由此得出耕作侵蝕至少占總土壤侵蝕的70%(即水蝕或風(fēng)蝕僅占30%)的結(jié)論。王占禮等在中國黃土高原進(jìn)行的耕作侵蝕試驗也發(fā)現(xiàn)耕作侵蝕占總土壤侵蝕的10%~54%。因此,耕作侵蝕是坡耕地的一種重要的土壤侵蝕形式,是總土壤侵蝕的重要組成部分。2耕作工具對土壤再分布的影響耕作侵蝕模型包括了耕作位移模型、耕作侵蝕模型。研究者一般用化學(xué)或者物理示蹤劑在控制試驗條件的情況下來研究地形、耕作速度、耕作深度和不同的耕作工具對土壤的再分布影響。通過這些影響因素與耕作位移和耕作侵蝕量來建立耕作侵蝕模型。2.1耕作位移模型Lindstrom等在1990年第一個報道了等高耕作、向上和向下耕作時坡度與耕作位移的關(guān)系。隨后,Govers等在1994年系統(tǒng)地提出耕作位移與坡度為線性關(guān)系。大量研究得出相近的模型,即耕作位移主要受坡度的影響,耕作位移大多與坡度呈線性正相關(guān)關(guān)系(表1),用D=A+B·s表示,只有在坡度特別大(達(dá)到41°)的情況下二者之間呈指數(shù)關(guān)系。在復(fù)合地貌機(jī)械化耕作區(qū),對于耕作位移模型中坡度規(guī)定向上坡耕作為正,向下坡耕作為負(fù)。當(dāng)耕作方向向下(凹坡)或耕作方向坡度變大時,由于坡度規(guī)定為負(fù),在Lindstrom,Govers,Muysen和Poesen等所建立耕作位移模型(表1)中,耕作位移(D)變大;當(dāng)耕作方向向上(凸坡)或耕作方向坡度變小時,坡度規(guī)定為正,則耕作位移(D)變小。這與實際耕作中向下(凹坡)耕作時,土壤在重力和機(jī)械工具共同作用下向下坡運(yùn)動的土壤位移量變大;而向上(凸坡)耕作時,由于重力和機(jī)械工具的相互作用向下坡運(yùn)動的土壤位移量變小是一致的。在非機(jī)械化農(nóng)耕區(qū),以鋤耕和畜耕為主,耕作方向總是等高耕作或者向下耕作,使土壤向下坡方向移動,沒有像西歐和北美等國家的機(jī)械化耕作所產(chǎn)生的向上、下坡往復(fù)運(yùn)動。因此,Nyssen等,張建輝等建立的耕作位移模型中規(guī)定一次項為正,而王占禮等所建立的等高線耕作位移模型仍沿襲機(jī)械化農(nóng)耕區(qū)的符號規(guī)定,即向下坡耕作時坡度為負(fù)。除了坡度之外,還有其它影響因素(耕作方向、耕作深度、耕作前的土地利用情況)不能忽略,它們對耕作位移也有顯著的影響。張建輝等把線性坡上進(jìn)行的等高線壟作和順坡耕作進(jìn)行對比,耕作位移在兩種不同方向的耕作下存在顯著的差異,從而為等高線壟作的合理性提供了理論依據(jù)。最近,Quine等提出把各個耕作方向進(jìn)行簡單的綜合,建立二維耕作位移模型來代替目前的一維模型。因為耕作時土壤既要向耕作方向運(yùn)動,還要垂直于耕作方向運(yùn)動(垂直于地面的運(yùn)動忽略)。王占禮等在中國黃土高原的研究發(fā)現(xiàn)耕作深度對土壤水平位移的影響大于坡度。Muysen等通過對耕作前土地利用狀況分別是草地和耕地兩個對照區(qū)試驗發(fā)現(xiàn),二者之間的模型也存在顯著差異。研究耕作位移不能忽視耕作方向、耕作深度和耕作前土地利用情況,因此需要對現(xiàn)在的耕作位移模型進(jìn)行一定的補(bǔ)充。2.2復(fù)合地貌機(jī)械化耕作技術(shù)耕作引起的土壤傳輸量主要受土壤容重、耕作深度、單次耕作土壤位移與坡度的影響(表2),但是發(fā)現(xiàn)還有其它影響因子,如土壤初始條件、耕作速度等。計算耕作傳輸量的模型(表2)主要有兩種:一種是由Govers等提出的適合復(fù)合地貌機(jī)械化往復(fù)耕作的Q=k·s,需要先計算耕作傳輸系數(shù)k,然后計算耕作侵蝕量;Quine等改進(jìn)了該模型,使其適用于非復(fù)合地貌區(qū),表達(dá)為Q=k3+k4s,因為在非復(fù)合地貌區(qū)無論是鋤耕還是畜耕都只是造成土壤向下坡移動,而復(fù)合地貌機(jī)械化農(nóng)耕區(qū)的往復(fù)式耕作則會造成土壤的往復(fù)運(yùn)動,所以復(fù)合坡的凈土壤傳輸量比線性坡要小。北美和西歐采用機(jī)械化犁耕單次的耕作傳輸系數(shù)為230~350kg·m-1,最新近報導(dǎo)高達(dá)456kg·m-1。中國南方丘陵區(qū)地貌特征(以線性短坡為主)以及非機(jī)械化的耕作工具,張建輝等認(rèn)為應(yīng)用模型Q=k3+k4·s較Q=k·s更能反映實際情況,但是由于耕作工具的耕作速度問題,所得到的k值比機(jī)械化地區(qū)小。在中國南方丘陵區(qū)耕作傳輸系數(shù)k3、k4分別為25~31kg·m-1和141~153kg·m-1。第二種模型以Poesen等提出的Q=D·d·ρ,即通過影響耕作侵蝕的各個要素(耕作深度、容重和耕作位移量)直接計算耕作傳輸量,而不需要計算耕作傳輸系數(shù),但是對于不同耕作方向需要采用不同的耕作傳輸量計算模型。Muysen等也得出了相似的模型。耕作侵蝕速率是耕作侵蝕強(qiáng)度的指標(biāo)。通用的耕作侵蝕速率模型由Lindstrom等提出:R=Q/L?？梢钥闯?耕作侵蝕速率(R)與坡長(L)成反比關(guān)系,與耕作傳輸量(Q)呈正比例關(guān)系。耕作侵蝕最嚴(yán)重的區(qū)域是坡度較大,坡體較短的坡耕地。VanMuysen等提出建立適合田間具體耕作情況的模型來計算耕作侵蝕速率,即耕作侵蝕速率應(yīng)該是一年內(nèi)出現(xiàn)的犁耕、鑿耕、鏟耕等多種耕作措施綜合作用下的結(jié)果,需要當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)民提供大量的信息和控制條件,對單次耕作的耕作傳輸系數(shù)進(jìn)行累加,計算出多種耕作工具下的耕作傳輸系數(shù),然后計算耕作侵蝕量,反映出一年內(nèi)一個田塊的總耕作侵蝕速率。3地形地貌對土壤肥力的影響由于坡地地表起伏,長期的耕作侵蝕不僅可將大量的坡地土壤運(yùn)送到有利于水力搬運(yùn)的部位,而且直接造成土壤及其養(yǎng)分從坡地上流失,也使坡地土壤自然成土過程受到干擾,造成坡地土壤養(yǎng)分等發(fā)生空間變異,進(jìn)而影響坡地水土流失過程。Quine等在英國南部進(jìn)行的耕作侵蝕試驗(表3)表明,除了交換態(tài)P沒有與耕作侵蝕出現(xiàn)明顯的相關(guān)之外,其它指標(biāo)均與耕作侵蝕在0.01的顯著水平上相關(guān),而水蝕沒有與這些土壤肥力指標(biāo)表現(xiàn)出顯著的相關(guān)關(guān)系。在四川盆地中部,張建輝等通過鋤耕試驗表明,通過長期耕作坡頂只有很薄的土層,甚至在一些陡坡頂部母質(zhì)或者巖石已經(jīng)裸露,在坡地底部由于土壤聚集,土層厚度顯著增加。從坡腳至坡頂?shù)臏y定表明,土層厚度與到坡頂?shù)木嚯x呈明顯的正相關(guān)關(guān)系。而且隨著坡度的增大,相關(guān)性變大,顯著水平也隨之提高。雖然水蝕對坡腳的土壤聚集也有一定貢獻(xiàn),但是耕作侵蝕在短坡體的地貌條件下卻起著主導(dǎo)作用。黃土高原坡耕地上,李勇等進(jìn)行連續(xù)50次畜耕的試驗的結(jié)果表明,在坡耕地上部侵蝕最嚴(yán)重區(qū)域坡面下降了1.25m,而在坡地底部,堆積最多的地面相對于耕作前上升了1.33m。在坡耕地的上部,表面土壤容重從1.14Mg/m3上升到1.28Mg/m3,在下部從1.10Mg/m3下降到1.03Mg/m3。在坡耕地上部到中部平均有機(jī)質(zhì)的含量從8.3g/kg下降到3.6g/kg,堿解N從43.4mg/kg下降到17.4mg/kg,交換態(tài)P從4.5mg/kg下降到1.0mg/kg。后來,王占禮等在黃土高原也進(jìn)行了類似的試驗進(jìn)一步提出,全N、堿解N及有機(jī)質(zhì)含量隨投影坡長的變化可用拋物線描述,有效P及速效K的變化可用冪函數(shù)描述;全N、堿解N、速效K含量與耕作侵蝕的關(guān)系可用線性方程描述;有效P含量的關(guān)系可用三次多項式描述;耕作侵蝕對全N、堿解N、有效P及速效K含量的貢獻(xiàn)率分別為16.47%、2.69%、48.85%及15.30%;由于耕作侵蝕,15年里堿解N、速效K、有機(jī)質(zhì)及陽離子代換量的含量將在耕作侵蝕區(qū)呈減少趨勢,在耕作沉積區(qū)呈增加趨勢。由此可見,耕作侵蝕對土壤的厚度、容重和質(zhì)地等物理性質(zhì)和有機(jī)質(zhì)(C)、N、P和K含量等化學(xué)性質(zhì)具有不可忽視的影響,造成坡耕地景觀內(nèi)上坡土壤肥力的直接降低,而在下坡到坡腳的位置堆積,使土壤營養(yǎng)元素處于過剩狀態(tài),在降雨條件下被淋失出坡耕地,從而使整個坡面土壤肥力降低,同時對環(huán)境造成影響。過去,在一些地區(qū),農(nóng)民常在農(nóng)閑季節(jié)把坡地底部的土壤挑運(yùn)到坡頂來補(bǔ)償土壤流失,這是農(nóng)民在生產(chǎn)實踐中治理耕作侵蝕和水蝕危害的舉措。4作物產(chǎn)量與坡面景觀位置的關(guān)系耕作侵蝕對土壤肥力的不利影響自然會反映到作物生產(chǎn)指標(biāo)上,因為無論是土層厚度、容重、質(zhì)地等物理性質(zhì),還是有機(jī)質(zhì)、N、P和K等營養(yǎng)元素的改變,都會直接影響作物產(chǎn)量。這是因為在耕作導(dǎo)致的土壤退化過程中,首先是最肥沃的表層被侵蝕掉,當(dāng)表土層被侵蝕后,便失去固有的生產(chǎn)能力,造成減產(chǎn)。Lobb等發(fā)現(xiàn),加拿大農(nóng)作物產(chǎn)量40%~50%的降低與凸面景觀位置嚴(yán)重的侵蝕有關(guān)。在丹麥,作物產(chǎn)量與由137Cs演繹的耕作侵蝕速率的相關(guān)系數(shù)為0.33,與耕作位移的相關(guān)系數(shù)為0.50,二者都在0.001的水平顯著相關(guān)。在中國西南丘陵區(qū),張建輝等通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)在同一坡面不同的坡位作物產(chǎn)量也存在顯著的差異,坡頂部的土層厚度由于連年耕作只有坡底部的30%左右,坡頂部的作物產(chǎn)量僅僅是坡底部的50%或者更少,這一方面是由于水蝕的作用,另一方面也是由于耕作侵蝕導(dǎo)致大量的泥土從坡頂部傳輸?shù)狡碌撞?坡頂部的土壤肥力發(fā)生嚴(yán)重退化。由此可見,耕作侵蝕引起的坡耕地土壤的再分配影響土壤肥力,從而對作物產(chǎn)量產(chǎn)生影響。無論是在機(jī)械化耕作的復(fù)合地貌區(qū)還是在非復(fù)合地貌區(qū),不僅在一個坡面上的不同位置作物產(chǎn)量會出現(xiàn)明顯差異,而且整個坡面的總產(chǎn)量也會出現(xiàn)明顯的降低。5探索農(nóng)耕地耕作侵蝕模型國內(nèi)外研究顯示,在坡耕地景觀內(nèi)耕作侵蝕普遍存在,并且在一定的景觀范圍內(nèi)是十分嚴(yán)重的,已經(jīng)超過了水蝕,是一個絕對不可以忽視的問題。因此,從土壤侵蝕領(lǐng)域的研究來看,可以說不包含耕作侵蝕的土壤侵蝕模型是不能夠反映出真正坡耕地的土壤侵蝕狀況的,因而需要在以下方面重點進(jìn)行研究:1)今后的研究中,應(yīng)深入地