耕作层深度对降雨条件下地表-地下径流耦合驱动侵蚀的影响机制研究

推荐：针对坡耕地土壤侵蚀加剧问题，研究人员通过室内模拟降雨实验（180 min），探究耕作层深度（TLD: 10/20/30 cm）对地表径流（SRC）、地下径流（SSRC）耦合关系及土壤流失率（SLR）的影响。结果表明：TLD增至30 cm可使地表径流减少13%、地下径流增加5%，土壤侵蚀模式由细沟侵蚀转为片蚀，侵蚀速率降低19 g m?2 min?1，为坡耕地水土保持提供了理论依据。

　　

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论文解读

在中国南方红壤区，坡耕地占耕地资源的32%，却因长期浅耕、暴雨频发导致耕作层变薄，土壤侵蚀问题日益严重。陡峭的地形（5°–25°）叠加亚热带季风气候（年均降雨1614 mm）使得地表径流与地下径流耦合作用复杂化，加剧了土壤流失和土地退化。传统研究多聚焦降雨强度或植被覆盖对侵蚀的影响，而耕作层结构（尤其是深度）如何调控地表-地下径流交互作用尚不明确。为此，江西水土保持生态科技园的研究团队通过控制实验，首次系统揭示了耕作层深度（Tillage Layer Depth, TLD）对长历时降雨（180分钟）下侵蚀过程的调控机制。

研究采用室内钢制土槽（2.0×1.0×0.5 m）模拟不同TLD（10/20/30 cm）和犁底层组合，设置降雨强度（RI 30/60/90 mm h^?1）和坡度（8°/15°），定量监测地表径流、耕作层/犁底层地下径流及土壤流失动态。通过双累积曲线分析土壤流失率（SLR）与地表径流系数（SRC）的变异比（VR），结合高清摄像记录侵蚀形态演变。

研究结果

1. 地表径流生成：TLD加深显著降低地表径流，TLD 30比TLD 10平均SRC减少13%（75%→62%），且在RI 90和8°坡度下效果最显著（降幅14%）。15°坡度的SRC比8°高1.1–1.2倍，RI 90比RI 60高1.3–1.4倍。

2. 地下径流响应：耕作层是主要输水层，TLD 30在RI 90下SSRC增加3%。TLD 10–20时地下径流加剧侵蚀，而TLD 30通过分流效应使侵蚀减少。土壤水与渗漏量（SWP）占比随TLD增加而提升。

3. 土壤侵蚀模式转变：TLD 10在RI 90和15°坡度下以细沟侵蚀为主，SLR达73 g m^?2 min^?1；TLD 30则转为片蚀，SLR降至40 g m^?2 min^?1。细沟侵蚀阶段SLR是片蚀阶段的2.7–6.3倍。

4. 侵蚀动态关联：TLD 30延迟土壤结皮破裂，变异比（VR）显示侵蚀早期（前60分钟）贡献58%流失量，而TLD 10下细沟侵蚀后段占比70.98%。

结论与意义
研究表明，深耕（30 cm）通过增加土壤孔隙度和水分入渗，重构地表-地下径流耦合关系，将侵蚀能量从地表转移至地下，从而降低侵蚀强度。这一发现为南方红壤坡耕地推行深耕技术提供了科学依据：既能减少30%以上的土壤流失，又能增强土壤水库功能，提升作物抗旱能力。论文发表于《International Soil and Water Conservation Research》，为全球类似生态区的水土保持实践提供了创新思路。