王 娟，黃 俊，趙西寧，吳普特(1.揚(yáng)州大學(xué) 水利與能源動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225009；2.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水利與建筑工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100；.珠江水利委員會(huì)珠江水利科學(xué)研究院，廣州 510611；4.中國(guó)科學(xué)院水利部水土保持研究所，陜西 楊凌 712100)

0 引 言

眾所周知，黃土高原地形破碎、植被覆蓋稀少，降雨少而集中，土壤類(lèi)型單一、黃綿土、風(fēng)沙土抗侵蝕能力較低，以及不適宜的農(nóng)業(yè)耕作措施等共同導(dǎo)致了嚴(yán)重的水土流失。長(zhǎng)期以來(lái)，水土流失已成為困擾該區(qū)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的主要問(wèn)題，且?guī)?lái)了一系列的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題[1,2]。隨著退耕還林草工程的實(shí)施，黃土丘陵區(qū)紅棗的面積有了突飛猛進(jìn)的增長(zhǎng)，加之矮化密植及微噴灌技術(shù)的應(yīng)用，該地紅棗經(jīng)濟(jì)林產(chǎn)業(yè)效益頗豐。然而，當(dāng)?shù)貤棃@多采用清耕(除去地表所有覆蓋物，包括雜草等)管理制度，使地表完全裸露，從而增加了高強(qiáng)度暴雨對(duì)坡面表土的沖擊。且該區(qū)降雨多集中在7-9月份，多以大到暴雨的形式出現(xiàn)(圖1)，由此更加劇了水土流失等自然災(zāi)害的發(fā)生，成為制約該區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的瓶頸因子之一[3]。此外，該區(qū)有限的水資源不能保證灌溉棗園的持續(xù)發(fā)展，因此需要提高對(duì)降雨資源潛力的開(kāi)發(fā)利用，發(fā)展旱作棗園，提高紅棗經(jīng)濟(jì)林生產(chǎn)力?；诖耍绾斡行У乜刂扑亮魇Р⒏咝У乩媒涤?，實(shí)現(xiàn)該區(qū)生態(tài)及經(jīng)濟(jì)協(xié)同發(fā)展是亟待解決的科學(xué)問(wèn)題。

圖1 黃土丘陵區(qū)多年平均降雨量

地面覆蓋是指采用不同的覆蓋物質(zhì)減少地表裸露面積，以保護(hù)表層土壤不受降雨、風(fēng)等外力影響，并調(diào)節(jié)土壤水分及溫度狀況，防治土壤鹽漬化發(fā)生等的一種田間管理措施。地表覆蓋物能增加降雨截留量，減少降雨過(guò)程中雨滴對(duì)地面的直接打擊，有效地提高土地生產(chǎn)潛力，是提高農(nóng)業(yè)系統(tǒng)生產(chǎn)力極為有效的農(nóng)業(yè)技術(shù)措施[4]。目前，覆蓋技術(shù)以秸稈覆蓋、地膜覆蓋和生草覆蓋研究居多，且研究對(duì)象多為農(nóng)作物，對(duì)于果園及經(jīng)濟(jì)林中樹(shù)枝覆蓋的應(yīng)用研究還處于起步階段。前人研究結(jié)果表明，采用木屑和松樹(shù)皮在蘋(píng)果園中進(jìn)行地表覆蓋，或進(jìn)行生物植被覆蓋(生草覆蓋)能非常有效地推遲徑流產(chǎn)流時(shí)間，減少次降雨條件下的地表徑流量以及泥沙流失量[5-7]。此外，地表覆蓋物可以攔蓄更多的自然降水，增加土壤中的水分含量[8,9]，保護(hù)土壤表層免受太陽(yáng)直射，從而抑制土壤表層溫度，阻擋水汽的上升，有效減少表土的無(wú)效蒸發(fā)[10,11]。本文的研究目的在于，探討不同覆蓋措施下坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙特征，并對(duì)徑流、泥沙與坡面蓋度進(jìn)行定性及定量分析，選擇較優(yōu)的覆蓋措施，以期為黃土丘陵區(qū)紅棗經(jīng)濟(jì)林最適宜管理模式的探討提供理論依據(jù)，保障該區(qū)紅棗經(jīng)濟(jì)林健康持續(xù)的發(fā)展。

1 試驗(yàn)材料、方法與試驗(yàn)布設(shè)

試驗(yàn)于2011年3月至2012年11月在西北農(nóng)林科技大學(xué)中國(guó)旱區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)研究院開(kāi)展。試驗(yàn)用土來(lái)自陜北清澗縣，過(guò)10 mm篩后自然風(fēng)干至質(zhì)量含水率為6%左右。以7×10 cm的方式填裝于土槽。

考慮到棗樹(shù)及牧草的根系多分布在0～60 cm[12]，所制定的土槽尺寸200 cm × 80 cm × 80 cm。土槽底部設(shè)有小孔，利于水分的自由下滲排出，且在土槽底部裝有4個(gè)萬(wàn)向輪，以利于土槽的移動(dòng)。

降雨裝置為室內(nèi)針頭式降雨器[13]。該降雨器長(zhǎng)6 m寬3 m，降雨均勻度高于85%。人工降雨的年降雨總量約為500 mm，主要分布在6-10月份。每場(chǎng)降雨結(jié)束后，小車(chē)移至室外遮雨棚中，以避開(kāi)自然降雨。降雨過(guò)程中土槽的坡度選定為15°，采用動(dòng)力為380 V三相異步電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)連桿驅(qū)動(dòng)裝置和擺線減速機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)坡度自由調(diào)節(jié)(0～25°)。

試驗(yàn)用棗樹(shù)采用3年生梨棗樹(shù)(初始高度24.5±4.4 cm)，于2009年11月20日移自清澗縣，于2010年5月1日移栽至土槽。生草覆蓋選用種植普遍的優(yōu)質(zhì)牧草白三葉，于2011年3月5日種植?？紤]到土壤初始養(yǎng)分貧瘠，為保證棗樹(shù)初期的正常生長(zhǎng)，在2012年6月對(duì)每個(gè)小車(chē)施尿素(urea)55 g/m2。覆蓋處理中所用到的樹(shù)枝就地取材，棗樹(shù)剪枝后進(jìn)行簡(jiǎn)單碎斷，棗樹(shù)枝長(zhǎng)度為5～8 cm，覆蓋厚度5 cm左右。

本研究共設(shè)置5個(gè)試驗(yàn)處理：棗樹(shù)枝全園覆蓋(WJBM)，白三葉全園生草(WCC)，白三葉行間生草(SWC)，棗樹(shù)枝半覆蓋+白三葉行間生草(JBM+SWC)，清耕處理作為對(duì)照(CC)。具體試驗(yàn)布設(shè)圖如圖2所示。觀測(cè)坡面徑流的發(fā)生發(fā)展過(guò)程，并將集流槽口有連續(xù)水流產(chǎn)生的時(shí)刻記錄為坡面產(chǎn)流時(shí)間。間隔一定時(shí)間(徑流達(dá)到量筒體積的2/3)用標(biāo)準(zhǔn)刻度量筒(1 000 mL)收集徑流一次，量取清水體積即為相應(yīng)時(shí)段的坡面徑流量；徑流沉淀后，自然風(fēng)干后的沉淀物質(zhì)量記為該時(shí)段內(nèi)的泥沙含量。

圖2 各處理試驗(yàn)布置示意圖

2 結(jié)果與分析

2.1 各處理?xiàng)l件下起流時(shí)間、總徑流量及總泥沙量

表1中給出了各處理在2012年次降雨條件下的坡面起流時(shí)間、總徑流量及總泥沙量。

表1 各處理坡面起流時(shí)間、總徑流量及總泥沙量

注：“-”表示數(shù)據(jù)缺失。

由表1中可看出，與清耕處理相比，棗樹(shù)枝覆蓋、白三葉全園生草及二者組合處理明顯推遲了坡面徑流的發(fā)生(P<0.05)，且坡面覆蓋條件下總徑流量及泥沙量顯著低于清耕處理(P<0.05)。這是因?yàn)槠旅娴臉?shù)枝或生草覆蓋物對(duì)降雨的截留，減少了坡面土壤獲得的凈降雨量。此外，坡面表層覆蓋物，增加了坡面的糙度，間接影響了坡面產(chǎn)匯流過(guò)程，從而減緩徑流[14-17]。白三葉牧草由于其自身的蒸發(fā)蒸騰以及根系生長(zhǎng)對(duì)土壤結(jié)構(gòu)的影響，能間接地提高土壤儲(chǔ)水能力，對(duì)降雨攔蓄入滲起到了積極作用，從而有效控制坡面徑流及泥沙的產(chǎn)生，這與前人的研究結(jié)果是一致的[18]。白三葉全園生草處理產(chǎn)流時(shí)間顯著晚于其他所有處理(P<0.05)，最長(zhǎng)起流時(shí)間達(dá)36.5 min，出現(xiàn)在2012年5月的一次降雨中。該次降雨為該年度第一場(chǎng)降雨，坡面表層土壤普遍較干，此外，5月正值白三葉牧草生長(zhǎng)旺季，地表糙度大幅增加，有效地延緩了徑流的發(fā)生發(fā)展。各處理泥沙量總體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，覆蓋處理下的泥沙量在經(jīng)歷了前幾場(chǎng)降雨中的大幅下降后保持水平，清耕處理則表現(xiàn)為持續(xù)性的下降。這可能是因?yàn)殡S著降雨的多次發(fā)生，坡面表層易移動(dòng)土壤顆粒已隨前期降雨徑流移除，剩余土體較穩(wěn)定，且在雨滴對(duì)表層土壤的打擊下，坡面形成了穩(wěn)定的結(jié)皮層，使得泥沙量趨于穩(wěn)定[19,20]。此外，在降雨過(guò)程中，清耕處理的泥沙量輸出并未達(dá)到其穩(wěn)定值，也側(cè)面反映了裸地抗侵蝕能力差。

2.2 徑流量及泥沙量與坡面蓋度的關(guān)系

坡面徑流量及泥沙量受降雨特征的影響(降雨強(qiáng)度、降雨歷時(shí))，且因下墊面條件的差異而不同，會(huì)受地表覆蓋物狀況，植被生長(zhǎng)特征及生長(zhǎng)階段的影響[21-23]。圖3中繪制了各處理坡面蓋度隨時(shí)間的變化，以及同時(shí)期徑流和泥沙變化量。隨著時(shí)間的推移，坡面蓋度隨著試驗(yàn)期推移逐漸增大，尤其是白三葉全園生草處理，牧草生長(zhǎng)非常茂盛，短期內(nèi)幾乎近100%覆蓋了地表，且高于其他處理約30%。需要指出的是，清耕處理因其地表裸露，其覆蓋度主要取決于棗樹(shù)的繁茂程度，而在9月末至10月初正處棗樹(shù)落葉期，因此該處理下坡面覆蓋度大幅下降。

圖3 坡面覆蓋度、總徑流量及泥沙量隨時(shí)間的變化趨勢(shì)

總體來(lái)看，隨著坡面覆蓋度的提高，徑流泥沙均有不同程度的下降，并最終趨于穩(wěn)定(除清耕處理外)，這與前人的研究結(jié)果是一致的[24]。在最后2場(chǎng)降雨中，個(gè)別處理徑流量仍有小幅度增加趨勢(shì)，這有可能是因?yàn)楹髱讏?chǎng)降雨間隔較短，且試驗(yàn)后期土壤蒸發(fā)量較小，土壤前期含水量較大所致[25]。泥沙量隨坡面蓋度的變化趨勢(shì)與徑流量趨勢(shì)大致相同，都表現(xiàn)出逐漸減小并穩(wěn)定的趨勢(shì)。在整個(gè)試驗(yàn)階段清耕處理?xiàng)l件下徑流及泥沙量變異都比較大，并未出現(xiàn)其他處理下的穩(wěn)定狀態(tài)。

2.3 徑流量及泥沙量與坡面蓋度的定量關(guān)系

徑流量及泥沙量與坡覆蓋度緊密相關(guān)，為了進(jìn)一步探究二者的關(guān)系，對(duì)徑流量-坡面覆蓋度及泥沙量-坡面覆蓋度分別進(jìn)行了散點(diǎn)分析和定量方程擬合，如圖4中所示。由于在清耕處理下，蓋度與徑流量及泥沙量關(guān)系與其他處理有較大差異，因此在擬合過(guò)程中，利用SPSS等統(tǒng)計(jì)分析軟件，剔除了清耕處理下的個(gè)別壞點(diǎn)。前人的研究中采用冪函數(shù)、對(duì)數(shù)函數(shù)擬合二者關(guān)系，效果較好。在此基礎(chǔ)上，本文中采用形如y=a(1+x)b的變形指數(shù)函數(shù)分別對(duì)徑流量和泥沙量與坡面蓋度間的關(guān)系散點(diǎn)進(jìn)行了擬合。統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示擬合效果較好，尤其是徑流與坡面蓋度間的關(guān)系，擬合方程R2>0.8。由此可見(jiàn)，隨坡面蓋度的增大，徑流量經(jīng)歷一個(gè)迅速下降后逐漸趨于平穩(wěn)，而泥沙量的減少則較緩慢，這也驗(yàn)證了該尺度坡面泥沙流失過(guò)程很難達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。此外，側(cè)面反映出坡面蓋度狀況對(duì)徑流過(guò)程較泥沙流失過(guò)程的影響更大。然而，Rocha 等的研究則指出地表覆蓋或耕作措施在減少泥沙方面更有效[26]。這種不一致是因?yàn)榇颂幹粏为?dú)考慮了坡面覆蓋度因素；另外，與研究尺度也有一定關(guān)系。在小區(qū)尺度上，植被在影響徑流過(guò)程的同時(shí)還對(duì)徑流-泥沙過(guò)程有很大影響，但在流域尺度泥沙量主要以沖溝侵蝕和大體積水土流失為主，此時(shí)植被對(duì)大體積的泥沙固持作用很微弱，且很難改變沖溝內(nèi)水流對(duì)土體的沖刷[27]。

圖4 徑流量、泥沙量與坡面覆蓋度散點(diǎn)圖及關(guān)系擬合曲線

2.4 坡面徑流量與泥沙量定量關(guān)系

本文探討了不同覆蓋耕作系統(tǒng)下的總徑流量與總泥沙量，其關(guān)系散點(diǎn)圖及擬合方程如圖5所示。

圖5 徑流量與泥沙量散點(diǎn)圖及關(guān)系擬合曲線

由圖5中可明顯看出，所有處理?xiàng)l件下泥沙總量與徑流總量均呈顯著線性正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)，這與之前的研究結(jié)果一致[17,28]。由于清耕處理下徑流、泥沙與覆蓋條件下的差別很大，故將數(shù)據(jù)散點(diǎn)圖分為2組：①清耕，②其他覆蓋處理。擬合線①較擬合線②更陡(擬合線斜率2.18)，說(shuō)明在徑流增加量相同的條件下，清耕處理泥沙流失增量會(huì)大于其余覆蓋處理。這是由于同等降雨條件下清耕處理徑流含沙量(單位徑流所攜帶泥沙量)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他覆蓋耕作處理[29]。從擬合效果來(lái)看，擬合線方程均達(dá)到顯著水平(P<0.05)，擬合優(yōu)度分別為0.634和0.865，很好地表達(dá)了徑流量與泥沙量的相關(guān)關(guān)系。

3 結(jié) 論

相對(duì)于傳統(tǒng)的棗園清耕管理制，棗樹(shù)枝覆蓋、生草覆蓋及其組合處理均顯著地推遲了坡面徑流產(chǎn)生的時(shí)間，且對(duì)坡面徑流量及泥沙量有顯著調(diào)控效應(yīng)，水沙調(diào)控效果以白三葉全園生草最好。

棗樹(shù)及牧草生長(zhǎng)期內(nèi)，坡面蓋度隨時(shí)間逐漸增大，白三葉全園覆蓋坡面蓋度增長(zhǎng)最快。各處理徑流量與泥沙量隨著坡面覆蓋度的增加逐漸減小，徑流總量逐漸趨于平穩(wěn)。采用變形指數(shù)函數(shù)對(duì)總徑流量與坡面蓋度和總泥沙量與坡面蓋度的散點(diǎn)進(jìn)行擬合，方程均達(dá)到顯著水平，擬合優(yōu)度分別為0.812和0.614。

對(duì)徑流量與泥沙量散點(diǎn)進(jìn)行擬合，發(fā)現(xiàn)二者呈極顯著的線性關(guān)系。與其他覆蓋處理相比較，清耕處理下泥沙量隨徑流量增大增加的更快。

綜上所述，白三葉全園生草覆蓋體現(xiàn)了較好的徑流泥沙調(diào)控效果，為該尺度下最優(yōu)的旱作棗園徑流、泥沙調(diào)控措施。然而，考慮白三葉自身生長(zhǎng)對(duì)土壤水分的消耗，是否會(huì)對(duì)棗樹(shù)的生長(zhǎng)產(chǎn)生威脅。此外，白三葉屬豆科作物，其自身固氮作用在補(bǔ)充土壤N素的同時(shí)，是否會(huì)增加雨季N素淋溶的潛在風(fēng)險(xiǎn)，這都將成為后續(xù)論文研究的重點(diǎn)。

□

致謝：特別感謝揚(yáng)州大學(xué)水利與能源動(dòng)力工程學(xué)院馮紹元教授在此論文撰寫(xiě)過(guò)程中的指導(dǎo)。感謝西北農(nóng)林科技大學(xué)農(nóng)學(xué)院陳小莉老師以及李洪兵、景子龍同志在試驗(yàn)開(kāi)展中給予的幫助。

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