周 晗, 嚴(yán)俊霞, 李洪建, 王小云

(1.山西大學(xué) 黃土高原研究所, 太原 030006; 2.山西省水土保持科學(xué)研究所, 太原 030045)

黃土高原是我國坡耕地的主要分布區(qū)之一，坡耕地造成的水土流失導(dǎo)致了黃土高原地區(qū)生態(tài)環(huán)境惡化，同時土壤水分不足也制約著該地區(qū)植被與生態(tài)恢復(fù)[1-2]。如何有效攔蓄徑流、促進(jìn)降雨入滲，降低土壤侵蝕是坡耕地水土流失治理的核心。因此研究次降雨對坡耕地不同下墊面產(chǎn)流、產(chǎn)沙及入滲的影響，對于揭示黃土高原坡地徑流過程、水量轉(zhuǎn)化特點、坡面水土流失機(jī)理具有重要的意義。

關(guān)于降雨因子對坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響，學(xué)者們進(jìn)行了大量的研究，主要通過對天然降雨或者模擬降雨條件下徑流泥沙的監(jiān)測，揭示坡面水土流失的機(jī)理。目前對不同下墊面產(chǎn)流產(chǎn)沙、入滲規(guī)律的研究多集中在人工林草植被、農(nóng)作物方面，申震洲等[3]認(rèn)為相同降雨條件下，灌木地減流減沙、增加入滲的效果優(yōu)于荒草地、裸地。趙鵬宇[4]認(rèn)為灌木地土壤水分入滲率隨雨強(qiáng)增大呈增大趨勢，翻耕草灌地則反之。以作物為對象的水土流失規(guī)律研究多在模擬降雨條件下進(jìn)行，馬波等[5]通過人工模擬降雨對大豆產(chǎn)流產(chǎn)沙進(jìn)行了研究，結(jié)果表明與裸地相比，大豆全生育期內(nèi)可減少徑流量31.43%，減少土壤流失量54.84%。劉志明[6]對生育期馬鈴薯坡面進(jìn)行研究表明，坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙與降雨強(qiáng)度呈正相關(guān)，能有效削弱暴雨下坡面土壤侵蝕過程。吳佳等[7]對秋作物(玉米、大豆、谷子)坡地、裸地在模擬降雨條件下的入滲特征參數(shù)研究表明，降雨強(qiáng)度與入滲性能存在顯著正相關(guān)。關(guān)于棄耕地的研究多集中在水土流失特點、土壤抗蝕性方面。張旭昇等[8]研究了天然降雨下人為擾動和自然恢復(fù)撂荒地產(chǎn)流產(chǎn)沙的特點，結(jié)果表明徑流量與徑流含沙量、產(chǎn)沙量與15 min雨強(qiáng)有相同的增減趨勢，呈三次曲線關(guān)系。羅利芳等[9]通過野外不同流量放水沖刷試驗，認(rèn)為土壤抗沖性、透水性隨撂荒年限的延長而增強(qiáng)，撂荒5 a后，水土流失得到很大控制。李華林[10]、李瑞等[11]認(rèn)為喀斯特地區(qū)撂荒地徑流量、泥沙量均顯著低于林地和坡耕地。

上述研究沒有明確不同時段雨強(qiáng)對棄耕地及不同作物種類水土流失及入滲的影響程度。本研究在山西省靜樂縣娑婆小流域進(jìn)行，通過小區(qū)實地監(jiān)測，在兼顧作物種類、下墊面變化的基礎(chǔ)上，研究降雨因子對坡面土壤侵蝕的影響，以期為坡耕地水土流失綜合治理、土地利用規(guī)劃提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

該試驗在汾河流域上游的靜樂縣娑婆鄉(xiāng)娑婆村娑婆小流域徑流觀測場進(jìn)行。該區(qū)屬汾河支流東碾河小流域，區(qū)內(nèi)屬溫帶季風(fēng)氣候，年均溫3.5～6.8℃，年降雨量380～500 mm，降水多集中在7—9月。流域內(nèi)溝壑相間、地形破碎，坡耕地分布廣泛，土壤侵蝕主要為水力侵蝕，平均土壤侵蝕模數(shù)約為5 800 t/(km2·a)。該區(qū)土壤為砂質(zhì)黃壤土，有機(jī)質(zhì)含量0.15%～1%，土壤容重1～1.3 g/cm3，土壤孔隙率45%～60%，田間持水量17%～25%。喬木主要為油松(Pinustabulaeformis)、白楊(Populusalba)和垂柳(Salixbabylonica)，灌木主要以沙棘(Hippophaerhamnoides)、黃刺玫(Rosaxanthina)、毛榛(Corylusmandshurica)為主，草本主要為狗尾草(Setariaviridis)、白草(Pennisetumcentrasiaticum)等，主要種植作物有玉米(Zeamays)、馬鈴薯(Solanumtuberosum)。

1.2 試驗設(shè)計

徑流場修建于2013年，位于娑婆小流域下游，場內(nèi)共布設(shè)有12個徑流小區(qū)，主要用于對坡耕地降雨、徑流、泥沙進(jìn)行定點監(jiān)測。各小區(qū)投影面積為30 m2(3 m×10 m)，坡向南，位于坡面中上部，坡度為12°。12個小區(qū)之間由1.0 m管理道路分為東、中、西三組，每組的4個小區(qū)分別為玉米小區(qū)、馬鈴薯小區(qū)、裸地小區(qū)、棄耕地小區(qū)，每組均有3個重復(fù)小區(qū)。2016年春季在對應(yīng)小區(qū)分別穴狀種植由山西省農(nóng)科院選育的玉米(中地88號)、馬鈴薯(晉薯17號)，根據(jù)當(dāng)?shù)胤N植制度進(jìn)行澆水、除草及病蟲害防治等農(nóng)事活動。裸地應(yīng)及時清除地表植被覆蓋物，保持坡面無任何植被覆蓋；棄耕地自2013年起沒有進(jìn)行種植，截至2016年春耕季為棄耕三年。各小區(qū)具體參數(shù)詳見表1。

表1 徑流小區(qū)參數(shù)

注：地表植被覆蓋度為觀測期內(nèi)6次測定值的平均值。

1.3 研究方法

1.3.1 數(shù)據(jù)測定 試驗于2016年雨季7—9月進(jìn)行。次降雨量采用翻斗式自記雨量計(JQR-1，濰坊金水華禹信息科技有限公司)測定。根據(jù)雨量計記錄數(shù)據(jù)分別統(tǒng)計出每隔10 min，30 min等時間間隔的降雨量，換算成相應(yīng)時間段的雨強(qiáng)，選擇出單場降雨中最大的時段雨強(qiáng)。徑流量通過集流桶收集后采用容積法測量。首先通過人力將泥沙和徑流充分混勻，然后取1 L混合水樣，經(jīng)沉淀、烘干、稱重(精確到g)求得泥沙含量，根據(jù)泥沙量計算各小區(qū)的產(chǎn)沙量。入滲率通過降雨量和徑流量的差值計算得到[12-13]。地表植被覆蓋度參照《徑流小區(qū)和小流域水土保持監(jiān)測手冊》采用目估法和照相法推算。

1.3.2 數(shù)據(jù)分析 參與統(tǒng)計分析的數(shù)據(jù)，如徑流量、泥沙量等均為3個重復(fù)小區(qū)的平均值。用Excel 2010進(jìn)行計算和作圖，用SPSS 13.0的單因素方差分析對4種下墊面小區(qū)的產(chǎn)流、產(chǎn)沙、入滲率的均值差異進(jìn)行統(tǒng)計檢驗；降雨因子與徑流深、泥沙流失量、入滲率的相關(guān)性采用Pearson相關(guān)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 試驗期降雨特征

選取試驗地2016年7月15日—2016年9月17日具有代表性的6場侵蝕性降雨，降雨量(P)介于28.63～41.82 mm之間。根據(jù)氣象學(xué)中降雨強(qiáng)度劃分標(biāo)準(zhǔn)，6場降雨均屬于大雨范疇。依次統(tǒng)計出單場降雨的最大10 min雨強(qiáng)(I10)、最大30 min雨強(qiáng)(I30)和平均雨強(qiáng)(I平)(表2)。分段雨強(qiáng)能反映出降雨過程集中程度的差異性，平均雨強(qiáng)能體現(xiàn)出單次降雨的總特征[14]。由表2，表3可知，降雨量大，時段雨強(qiáng)不一定大。時段雨強(qiáng)I平與I10，I30沒有顯著相關(guān)性，而I10與I30有顯著的相關(guān)性。

表2 場次降雨特征

表3 場次降雨特征相關(guān)性分析

2.2 不同下墊面徑流小區(qū)產(chǎn)流、產(chǎn)沙及入滲特征

不同下墊面次降雨徑流深、泥沙流失量、入滲率變化情況如圖1所示。單場降雨不同下墊面徑流深、泥沙流失量、入滲率差異顯著(p<0.05)?？傮w來看，在研究期間，不同下墊面徑流深、泥沙流失量從小到大依次表現(xiàn)為玉米地<馬鈴薯地<棄耕地<裸地，而入滲率則反之。與玉米地相比，馬鈴薯地、棄耕地和裸地的徑流深顯著增加了58.95%，146.85%，261.48%；泥沙流失量顯著增加了50.45%，94.98%，240.06%；入滲率顯著下降了5.68%，14.25%，25.36%。

注：同組不同小寫字母為p<0.05水平下差異顯著。

圖1 不同下墊面徑流小區(qū)次降雨徑流深、泥沙流失量、入滲率變化

2.3 次降雨對不同下墊面徑流小區(qū)產(chǎn)流的影響

2.3.1 降雨量對徑流深的影響 坡面產(chǎn)流是由降水、截留、填凹、蒸發(fā)、入滲等過程綜合作用的結(jié)果，其中降水作為僅有的水分來源，是產(chǎn)生地表徑流的必要條件。對觀測期降雨量(P，mm)和徑流深(玉米地Ry；馬鈴薯地Rm；棄耕地Rq；裸地Rl，mm)建立線性和冪函數(shù)回歸模型。線性回歸模型(玉米地：Ry=1.30+0.05P，R2=0.55，p=0.09；馬鈴薯地：Rm=1.01+0.11P，R2=0.76，p=0.02；棄耕地：Rq=0.99+0.19P，R2=0.69，p=0.04；裸地：Rl=2.15+0.26P，R2=0.76，p=0.03)。冪函數(shù)回歸模型(玉米地：Ry=0.36P0.60，R2=0.56，p=0.09；馬鈴薯地：Rm=0.29P0.79，R2=0.73，p=0.03；棄耕地：Rq=0.34P0.88，R2=0.68，p=0.04；裸地：Rl=0.64P0.80，R2=0.73，p=0.03)。兩種模型中除玉米地之外，線性回歸模型具有較高的相關(guān)系數(shù)。

2.3.2 雨強(qiáng)對徑流深的影響 雨強(qiáng)越大，單位時間到達(dá)地面的降水越多，地表產(chǎn)生的徑流隨之增多。運用SPSS軟件對不同下墊面徑流小區(qū)徑流深與分段雨強(qiáng)分別進(jìn)行相關(guān)分析，由表4可知，玉米地、棄耕地、裸地徑流深與I10，I30，P×I10，P×I30呈顯著或極顯著關(guān)系。除裸地以外，其他下墊面徑流深與I30相關(guān)性大于I10。各小區(qū)徑流深與降雨復(fù)合因子(P×I10，P×I30)的相關(guān)程度大體上高于與單一降雨因子(P，I10，I30)的相關(guān)程度，但與平均降雨強(qiáng)度相關(guān)性均不顯著。由表5可見，玉米地、馬鈴薯地、裸地徑流深與I10，I30，P×I10，P×I30呈較好的冪函數(shù)關(guān)系，棄耕地徑流深與I10，I30，P×I10，P×I30呈較好的一次函數(shù)關(guān)系。

表4 徑流深與降雨因子的相關(guān)性分析

注：**表示0.01水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)，*表示0.05水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)。

表5 徑流深與降雨因子回歸關(guān)系

2.4 次降雨對不同下墊面徑流小區(qū)產(chǎn)沙的影響

降雨是影響土壤侵蝕的主要因素之一。P，I平與泥沙流失量均沒有顯著相關(guān)性。不同下墊面泥沙流失量與I10，I30，P×I10，P×I30呈顯著或極顯著正相關(guān)(玉米地與P×I10，棄耕地與I30除外)。由表6可見，玉米地、馬鈴薯地、裸地泥沙流失量分別與I10，I30，P×I10，P×I30呈較好的冪函數(shù)關(guān)系，擬合程度從高到底依次是I30>I10，P×I30>P×I10；棄耕地泥沙流失量分別與I10，I30，P×I10，P×I30呈較好的一次函數(shù)關(guān)系。

表6 泥沙流失量與降雨因子回歸關(guān)系

2.5 次降雨對不同下墊面徑流小區(qū)入滲的影響

江忠善等[15]按照I30標(biāo)準(zhǔn)劃分雨強(qiáng)類型：I30≤15 mm/h為低雨強(qiáng)；15 mm/h

3 討 論

本試驗研究了次降雨下玉米地、馬鈴薯地、棄耕地、裸地的徑流深、泥沙流失量、入滲率的變化規(guī)律。對同一地區(qū)而言，在較小的時間尺度上，植被是影響土壤侵蝕的關(guān)鍵因子之一[17]。相同降雨條件下，不同下墊面間在產(chǎn)流、產(chǎn)沙及入滲方面存在顯著差異，這可能是由于不同植被的葉形、根形、莖形、株高等形態(tài)因子通過改變降雨特征、土壤物理化學(xué)特性和地表徑流性質(zhì)而影響產(chǎn)流產(chǎn)沙以及入滲規(guī)律[18-19]。根據(jù)已有研究結(jié)論[20]可知，植被覆蓋能有效延緩產(chǎn)流、增加入滲、顯著減少產(chǎn)沙量。本研究中馬鈴薯地植被覆蓋度高于玉米地，而玉米地減流減沙、增加土壤入滲效果卻優(yōu)于馬鈴薯地，這是由于玉米是作物中產(chǎn)生莖稈流能力較強(qiáng)的物種，可以將多達(dá)40%～50%的降雨轉(zhuǎn)化為莖干流[21]；馬鈴薯能將20%～46%的降雨量引流至其莖稈[22]。不同植被類型對土壤的固結(jié)作用差異明顯[23]。于國強(qiáng)等[24]認(rèn)為植被根系對水沙的調(diào)控作用大小起著至關(guān)重要的作用。馬鈴薯屬淺根性農(nóng)作物，玉米氣生支柱根發(fā)達(dá)，根系的纏繞和固結(jié)作用能增強(qiáng)土壤抗沖性。試驗期玉米地徑流系數(shù)小于0.1，低于盧龍彬等[25]研究的黃土高原北部水蝕風(fēng)蝕交錯區(qū)徑流系數(shù)，這表明大部分降雨被玉米截留進(jìn)入到土壤中。

圖2 不同下墊面徑流小區(qū)入滲率隨I30變化

本試驗中玉米地、馬鈴薯地泥沙流失量高于棄耕地，這與一些研究結(jié)果[10-11]不一致。這是因為試驗期為7—9月，玉米和馬鈴薯處于生殖生長階段，依照當(dāng)?shù)氐姆N植制度，在此期間不進(jìn)行除草等農(nóng)事活動，因此人為活動引起的水土流失較低。撂荒1～5 a土壤堅實度、植被生長狀況有一定差異，波動性較大[9]。試驗地棄耕地恢復(fù)年限為3 a，地表植被分布不均勻，試驗期降雨較集中，降雨初期濺蝕作用較大，降雨中后期極易發(fā)生細(xì)溝和淺溝侵蝕，因此泥沙流失量相對較高。而玉米地和馬鈴薯地由于上層植被對雨滴動能的緩沖作用和根系對土壤的固結(jié)作用，不易發(fā)生細(xì)溝和淺溝侵蝕。

馬鈴薯地、裸地、棄耕地徑流深與次降雨量呈顯著線性相關(guān)，這與寇馨月等[13]研究結(jié)果一致。但玉米地徑流深與次降雨量關(guān)系不顯著，這是由于玉米特有的植株形態(tài)通過對降雨進(jìn)行再分配進(jìn)而影響地表徑流的形成。降雨量與不同下墊面泥沙流失量正相關(guān)關(guān)系不顯著，主要原因是坡面產(chǎn)沙不同于產(chǎn)流，產(chǎn)流量主要與土壤含水量有關(guān)，而土壤含水量與降雨量密切相關(guān)；產(chǎn)沙量則主要取決于地表徑流侵蝕力的大小，因此與降雨強(qiáng)度的關(guān)系更密切[26]。不同下墊面徑流深、泥沙流失量與平均雨強(qiáng)均無顯著相關(guān)性，這是由于平均雨強(qiáng)僅僅反映的是某次降雨的總體特征，不能反映出降雨集中程度的差異[27]。不同時段雨強(qiáng)分別與徑流、泥沙流失量的回歸關(guān)系一致，這是因為徑流是泥沙輸出的載體。

不同下墊面降雨因子與入滲率沒有顯著相關(guān)性。這是由于天然降雨過程中雨強(qiáng)變化不恒定，導(dǎo)致土壤入滲率隨之改變，雨強(qiáng)降低時，入滲率有所增加；雨強(qiáng)增大時，入滲率小幅增加后，增加速率減慢[28]。不同下墊面入滲率隨降雨量增加而增加，隨雨強(qiáng)增加而減小，這是由于降雨量大時雨強(qiáng)不一定大，當(dāng)降雨量增加時，地表水深增加，地表水層靜水壓力相應(yīng)增大，一定程度上增加了土壤入滲性能[29]。在中高型雨強(qiáng)下，雨滴具有較強(qiáng)的動能，對地表的擊濺作用會堵塞土壤毛細(xì)孔管，阻礙水分正常入滲。

本研究也存在一些問題，缺少不同農(nóng)作物間作模式的徑流小區(qū)，缺乏作物根系對產(chǎn)流產(chǎn)沙及入滲的研究，今后的研究中可加入此部分內(nèi)容，進(jìn)而全面揭示坡地作物對水土流失的影響機(jī)理。對于棄耕地隨棄耕年限增加的水土流失變化特點仍需在結(jié)合植被演替、土壤理化性質(zhì)規(guī)律的基礎(chǔ)上深入研究。

4 結(jié) 論

(1) 不同下墊面徑流深、泥沙流失量、入滲率差異顯著，相同降雨量條件下，各下墊面徑流深、泥沙流失量大小關(guān)系為：玉米地<馬鈴薯地<棄耕地<裸地，入滲率則反之。

(2) 不同下墊面徑流小區(qū)降雨量、平均雨強(qiáng)分別與泥沙流失量、入滲率沒有顯著相關(guān)性；徑流深隨降雨量的增加而顯著增加，I30對不同下墊面徑流深、泥沙流失量影響整體高于I10，降雨復(fù)合因子對徑流深的影響高于單因子。不同下墊面徑流深、泥沙流失量與雨強(qiáng)因子呈冪函數(shù)或一次函數(shù)關(guān)系。

(3) 玉米具有較好的水土保持性能，可作為黃土丘陵區(qū)坡耕地農(nóng)作物首選品種進(jìn)行種植。