等高犁耕对黄土坡耕地坡形与坡度的影响

本试验于2021年9—10月在陕西省杨凌农业高新技术产业示范区（107°59'—108°08'E，34°14'—34°20'N）西北农林科技大学水土保持工程实验室5.0 m×1.5 m的径流小区上进行，该地区平均海拔为468 m。试验区四季分明，属半湿润大陆性季风气候，年平均气温12.9 ℃，年平均降水量637 mm，60%~70%的降雨出现在7—9月。本试验土壤为杨凌土，有机质含量（12.18±0.43） g/kg，全氮含量（1.10±0.05） g/kg，速效磷含量（21.76±0.27） mg/kg，黏粒、粉粒、砂粒分别占30.3%，40.2%，29.5%。

本研究选择6种不同坡度（3°，5°，10°，15°，20°， 25°）的径流小区作为试验对象，施加6种不同耕作强度（耕作0，6，12，18，24，30次）进行模拟耕作试验。在试验开始前，对不同坡度的径流小区使用铁锹进行深翻耕，剔除地表植物体及根系，并将较大土壤块敲碎后晾晒3天，控制前期土壤含水率为10%，土壤容重为1.25 g/cm3。在进行试验前，使用抹子对小区坡面进行平整，使其无任何高低起伏。完成土地平整后采用当地长期广泛的人拉犁模式，使用一对镜像铧式犁在径流小区自下而上进行横坡等高耕作，同一耕作强度进行2次试验。在进行第1次耕作时，耕作方向为从左至右，当从径流小区下边界耕至上边界处视为完成1次耕作；耕作强度为完成耕作的次数，通过施加不同次数的耕作以达到变化耕作强度的目的。值得注意的是开始第2次耕作时，需使用另一支铧式犁从右至左耕作，往返耕作时均将土壤向坡下方向犁翻，耕作的范围始终是径流小区坡面。犁耕深度约为18 cm，犁耕宽度为15 cm，犁前进的平均速度为0.2 m/s，在犁耕之后立即对每个测量点进行测量，获取高程值。

试验利用测针法原理，通过对布设好的测量点的相对高程基点到坡面的铅垂距离进行测量，计算获得对应点的高程值。为了更好地描述耕作前后坡形变化情况（图1），以径流小区左下角为坐标原点，以径流小区宽方向为X轴，以坡长方向为Y轴，垂直于水平面为Z轴，建立坐标系。

同时在进行模拟耕作试验时，径流小区下边界处有一部分土壤移出小区，这部分土壤的干质量即为耕作直接侵蚀量（Q）。试验过程中为了尽可能减少人为扰动对坡形的影响，耕作直接侵蚀量（Q）通过移出小区土体的体积和平均容重及含水量进行计算，移出小区土体的纵剖面可以概化为梯形，运用梯形面积公式计算剖面面积，面积乘以坡面宽度即为移出小区部分的体积，直接侵蚀速率计算公式为：

由图2可知，在等高向下犁耕条件下，土壤在坡耕地上发生迁移，坡面不同位置的堆积与侵蚀状况不同。随着耕作强度的增大，不同坡度的线性坡逐 渐向“∽”形复合坡演化，分别在坡脚出现明显的净堆积现象，在坡顶出现净侵蚀现象，该现象与有关的研究结果类似。对于坡顶来说，在较小的耕作强度下，不同坡度坡顶上边界处高程值随着坡度的增大而减小。以耕作强度6次为例，3°，5°，10°，15°，20°，25°小区坡顶上边界处高程值犁耕后相较于平整坡面分别下降20.33%，17.79%，14.75%，14.36%，12.87%， 12.57%。在较大的耕作强度下，不同坡度坡顶上边界处高程值之间差异不明显。以耕作强度30次为例，3°，5°，10°，15°，20°，25°小区坡顶上边界处高程值在犁耕后相较于平整坡面分别下降30.86%，37.74%， 28.09%，24.34%，25.43%，26.40%。在同一坡度下，各个坡度的径流小区均存在随着耕作强度的增加坡顶上边界处的高程值先迅速下降后逐渐下降减缓的现象。以 10°小区为例，耕作6次降幅为14.75%，耕作12次相较于6次降幅为7.69%，耕作18次相较于12次降幅为 2.34%，耕作24次相较于18次降幅为4.60%，耕作30次相较于24次降幅1.92%。

对于坡脚来说，同一耕作强度下，随着坡度增大，坡脚下边界处高程值不断增大。以耕作强度30次为例，3°，5°，10°，15°，20°，25°小区坡脚下边界处高程值犁耕后相较于平整坡面分别升高30.35%，40.75%，49.08%， 70.45%，72.33%，107.83%。同一坡度下，随着耕作强度的增大，坡脚下边界处高程值也在不断增大，但其增大速率有所减小。以10°小区为例，耕作6次增幅为 24.38%，耕作12次相较于6次增幅为8.12%，耕作18次相较于12次增幅为6.25%，耕作24次相较于18次增幅为1.10%，耕作30次相较于24次增幅3.29%。耕作导致坡面土壤运动，使其在坡耕地上重新分布，改变坡地地形，进一步影响后续耕作。

由图3可知，不同坡度的小区坡脚均出现延长现象。以10°小区为例，在耕作强度为6，12，18，24，30次下，坡脚分别延长32.4，37.2，48.4，51.4，53.5 cm。造成这种现象的原因是随着耕作的进行，坡面上的土壤在犁的作用下不断顺着耕作方向运动，逐渐迁移出径流小区，最终在小区下边界外堆积，造成坡脚的延长。同时3°，5°，10°，15°，20°，25°小区在耕作18次后导致坡脚延伸距离占耕作30次最终延伸距离分别为70.25%，56.54%，59.07%，53.73%，66.46%，59.82%，全部超过50%，说明较小的耕作强度对坡脚的延长作用大于较大的耕作强度。对于坡度来说，坡度通过影响土壤所受到的重力在坡面上的分力大小，从而影响土壤的运动距离。以耕作强度为12 次为例。3°，5°，10°，15°，20°，25°小区坡脚分别延长25.4，33.5，37.2，44.8， 49.1，51.0 cm，说明在同一耕作强度下坡度越大，坡脚的延长距离越远。

由表1可知，对出现反坡的小区利用高程差计算坡脚堆积区的反坡坡度。3°，5°， 10°小区在30次耕作内，坡脚都存在反坡，且随着耕作强度的增大，反坡的坡度呈现减小趋势；15°，20°， 25°小区只有在耕作强度为6次时坡脚出现反坡。

由表2可知，通过对该区域的高程与坡长进行拟合发现，坡中传输区高程与坡长的关系呈线性关系，即线性坡。利用函数关系式的系数计算出不同坡度与强度下该区域耕作后的坡度。

同一耕作强度下，坡度对坡中传输区域的影响表现为坡度越大，坡中传输区的坡度随 着耕作强度的增大，其降低的幅度越小。以耕作强度为30次为例，3°，5°， 10°，15°，20°，25°小区坡度相较于平整坡分别下降42.56%，31.25%，25.28%，20.75%，19.63%， 13.12%。主要是因为坡脚的堆积导致该区域的高程增大，坡度降低，土壤的运动能力也随之下降，土壤更容易留在坡面上继续发生堆积。而坡度大的小区，需要更多的土壤在坡脚部位堆积才能让高程增大，因此坡度越大，该区域耕作后坡度下降幅度越小。

由表3可知，通过对不同坡度的径流小区耕作后的坡度与耕作强度进行拟合发现，耕作后坡度与耕作强度之间存在线性函数关系，函数关系可以用通式表示：

由图5可知，通过对坡度变化率和坡度之间进行拟合发现，在耕作强度30次内，坡中传输区坡度变化率随着坡度的增大呈现指数增长，说明坡度越大，耕作对坡中传输区的影响更剧烈。

由图6可知，以15°小区为例，耕作强度分别为6，12，18，24，30，该分界线位置的投影坡长分别为 434.7，386.4，357.4，338.1， 309.0 cm；以耕作强度为18次为例，3°，5°，10°，15°， 20°，25°小区的该分界线位置的投影坡长分别为399.4，388.5，384.1，357.4，328.9，326.3 cm，说明侵蚀区出现的位置随着耕作强度和坡度的提高而向坡下推移。该区域表现出的侵蚀现象本质上由于在上边界没有土壤补给情况下，该区域土壤侵蚀速率大于堆积速率，坡顶出现强烈的侵蚀现象与盯关的研究结果一致，耕作导致坡顶侵蚀区的土层变薄。坡度越大，重力在坡面方向上的分力越大，土壤位移速率越大， 侵蚀的速率也越大；由于上方没有土壤补给，高程的快速下降意味着坡度的下降，坡度下降，土壤位移能力下降，减少对坡下方向相邻区域的补给，堆积速率小于侵蚀速率的分界线不断向下移动。

由表4可知，对耕作后该区域的高程数据和投影坡长进行拟合后发现，不同坡度、不同耕作强度下，该区域的坡形均呈现抛物线特征。这种坡形的出现表明犁耕后坡顶位置存在新的分水岭。

由图7可知，耕作30 次后3°，5°，10°，15°，20°， 25°小区坡顶分水岭高程分别下降1.90，2.73，6.95，7.91，8.24，9.49 cm，其位置分别向下推移120.5，131.4，76.5，94.3，105.3，110.3 cm，说明在同一坡度下随着耕作强度的增大，分水岭的高程与投影坡长呈线性减小。同时坡度越大的小区其分水岭高程和投影坡长随着耕作强度增加下降越多。

由图8可知，以耕作强度为6 次为例， 3°，5°，10°，15°，20°， 25°小区的直接侵蚀速率分别为0.33，0.56，0.63， 0.80，1.12，1.31 kg/（m ² ·次）。直接侵蚀速率呈现出随着坡度增大而增大的规律，同时其他耕作强度下也表现出此规律。耕作强度对直接侵蚀速率的影响包括2个方面：一方面， 3°，5°，10°，15°，20°， 25°小区在耕作强度为30次时的直接侵蚀速率相比耕作强度为 6次时的直接侵蚀速率分别下降45.45%，51.79%， 50.79%，43.75%，57.22%，60.31%，不同坡度的小区均表现出随着耕作强度的增大，直接侵蚀速率降低的现象；另一方面， 3°，5°，10°，15°，20°， 25°小区在耕作6次后直接侵蚀速率的降幅占耕作30次降幅分别为 80.00%，72.41%，43.75%，34.29%，53.27%，56.96%，均超过30%，表明在耕作前期，直接侵蚀速率下降速率较快，随着耕作强度的不断增大，直接侵蚀速率下降速率逐渐减缓。