彭 瓊， 劉寶元,2， 曹 琦， 劉逸濱

(1.西北農(nóng)林科技大學水土保持研究所，黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點室，陜西 楊凌 712100;2.北京師范大學自然科學高等研究院，廣東 珠海 519087;3.中國科學院水利部水土保持研究所，陜西 楊凌 712100)

土壤侵蝕使土壤退化，它不光造成土壤的流失，同時還能引起許多其他潛在的土壤問題。隨著對有限土壤資源的需求不斷增加和人均耕地的不斷減少，土壤侵蝕已經(jīng)成為了影響作物生產(chǎn)和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的一個全球性問題。坡耕地更容易遭受侵蝕和破壞，土壤侵蝕更為嚴重。中國坡耕地面積廣，且大部分農(nóng)地仍以傳統(tǒng)粗放式耕作為主。農(nóng)作物的種植與坡耕地管理對土壤侵蝕的發(fā)生發(fā)展有著重大的影響。

目前有大量學者從各自不同的目的出發(fā)，根據(jù)植被影響土壤侵蝕的不同角度進行了研究，其中植被覆蓋度作為表征地表植被生長狀況的重要指標，是研究植被與土壤侵蝕中應用最多的參數(shù)。其中，關(guān)于林草覆蓋對土壤侵蝕的減少作用已經(jīng)有了較為明確的認識。已有研究表明，與裸地相比，不同的植被覆蓋均具有較好的減少地表徑流和土壤侵蝕效果。覆蓋度在導致冠層降雨攔截和地面入滲差異的同時也引起產(chǎn)流和產(chǎn)沙的差異。對于作物來說，當前的研究主要集中的方面有：(1)不同作物類型的土壤侵蝕特征，包括玉米、大豆、谷子和紅薯等不同作物種類；(2)作物冠層對降雨的再分配和對侵蝕的削減作用；(3)作物根系對土壤侵蝕的控制作用。合理密植在增大地上作物覆蓋的同時，也提高了地下根系網(wǎng)的密集程度。由于植被根系在土壤中縱橫交錯，相互固結(jié)纏繞，能夠有效地減少地面土壤流失，抵御徑流的沖刷。Gyssels等根據(jù)比利時黃土帶的研究數(shù)據(jù)分析得出，作物種植密度的增加顯著改變了溝蝕形態(tài)，減少了土壤侵蝕。然而，現(xiàn)有的關(guān)于作物覆蓋度與土壤侵蝕的定量關(guān)系研究還很少。作物覆蓋度除了與其本身的生育期有關(guān)之外，還與其種植密度有著密不可分的關(guān)系。隨著施肥等耕作技術(shù)的提高，作物的種植密度發(fā)生了較大的變化，這將對土壤侵蝕造成很大的影響。

為了探討農(nóng)作物覆蓋度對土壤侵蝕的影響，通過室內(nèi)人工降雨試驗，利用不同種植密度的小麥在不同生長期的變化來模擬不同覆蓋度情況，對比作物不同覆蓋度的坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙差異，分析在采用傳統(tǒng)耕作模式下作物不同覆蓋度與土壤侵蝕的定量關(guān)系。這將對量化耕作措施因子和準確預測土壤侵蝕、指導坡耕地的水土流失防治、推動農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境保護的和諧發(fā)展有重要意義。

1 材料與方法

1.1 試驗設(shè)計

本試驗通過作物不同的種植密度和生長期來控制作物覆蓋度。作物種植密度參考大田生產(chǎn)的實際情況，共設(shè)置4個密度水平，分別為150萬,250萬,350萬，450萬株/hm以及1個裸地對照CK處理，2次重復。供試小麥品種為“小偃22號”，于2020年10月中旬播種，2021年6月初成熟收割。采用傳統(tǒng)耕作的模式，等行距種植，行距0.5 m。播種前按750 kg/hm水平施復合肥磷酸二銨、187.5 kg/hm水平施尿素作為基肥，其余田間管理同大田保持一致。選取10個鋼制長方體土槽，長×寬×高為2.0 m×1.0 m×0.5 m，土槽的坡度設(shè)置為15°，試驗用土為陜西楊凌耕層(0-20 cm)土壤，屬于黃土母質(zhì)上形成的人為土壤，質(zhì)地為壤土。

土壤侵蝕試驗采用室內(nèi)人工模擬降雨法進行，實驗場地位于中國科學院水利部水土保持研究所人工模擬降雨大廳，降雨是模擬該地區(qū)常見天然暴雨雨強60 mm/h。降雨機是側(cè)噴式，降雨高度18 m，每場降雨歷時60 min。由于冬小麥是在秋天種植，夏季收獲，且實際秋冬季降雨較少，因此考慮作物生育期與降雨季節(jié)的實際相符情況，人工降雨土壤侵蝕試驗在夏初5月10日、5月25日和6月10日分別進行，這3個時期分別相當于美國通用土壤流失方程USLE中劃分的發(fā)育期、成熟期和殘茬期。

作物的覆蓋度每間隔約15天進行1次觀測，共觀測到8次：(1)前3次(2020年12月17日至2021年3月1日)的覆蓋度觀測采用測針法。具體操作為：從土槽兩側(cè)每隔40 cm拉1條長1 m的皮尺，共5條。每隔1 cm使用與2 mm直徑雨滴大小相似的筆芯向下探測，觸及作物葉片即在表格內(nèi)做記號，否則不記，5組記號所占比(%)的平均值即為該小區(qū)覆蓋度。(2)其余6次利用無人機測植被覆蓋度的變化狀況，并采用ImageJ 2x計算。

1.2 數(shù)據(jù)處理

為了分析不同種植密度在各個生育期的減流減沙效益，將每次降雨試驗數(shù)據(jù)為獨立的試驗結(jié)果，以裸地小區(qū)作為對照。

徑流深是單位小區(qū)面積上產(chǎn)生的徑流量，公式為：

=1000

(1)

式中:為徑流深(mm)；為徑流總量(L)；為小區(qū)面積(m)。

侵蝕模數(shù)是單位面積所產(chǎn)生的侵蝕量，計算公式為：

=100

(2)

式中：為侵蝕模數(shù)(t/hm)；為總侵蝕量(g)；為面積(m)。

使用公式(3)計算減流減沙效益：

=(-)×100%

(3)

式中：為種植密度小區(qū)的減少徑流或土壤侵蝕效益；為對照裸地小區(qū)徑流深或土壤侵蝕模數(shù)；為種植密度為作物小區(qū)的徑流深或土壤侵蝕模數(shù)。

使用SPSS Statistics 23和Origin 2018軟件對數(shù)據(jù)進行方差分析、相關(guān)分析、回歸分析和制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 種植密度與植被覆蓋度的關(guān)系

隨著不同種植密度的改變，作物莖葉的生長情況等也會根據(jù)播種量的多少發(fā)生或大或小的變化，不同的種植密度同時也意味著作物覆蓋度的不同(表1)，本文以不同的種植密度來表征作物覆蓋度的差異。小麥作為一種密植作物，雖相較于玉米、大豆等其他作物的葉片較少且小，根莖更細，但在一定的管護下能夠大量分蘗生長成簇狀，直至其植株所在坡面幾乎被密集葉片所覆蓋。

表1 作物覆蓋度隨生長期的變化

由圖1可知，隨著時間遞增，不同密度處理下的作物覆蓋度均呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢，在5月10日均達到最大值。在5月25日作物的覆蓋度反而下降，這是因為小麥進入成熟期后，麥株枝葉會逐漸變干黃，直到全部干枯，此時的覆蓋度相較前期更低。在小麥生長初期，覆蓋度與播種密度呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，即隨著種植密度的增加，作物覆蓋度也增大，450萬株/hm最大，150萬株/hm最小，因為在春季，安全越冬的小麥葉片開始生長，分蘗節(jié)開始逐漸分蘗，覆蓋度同時也隨著分蘗數(shù)的增加而增大。在進入3月后，350萬株/hm快速生長，超過450萬株/hm為各處理中覆蓋度最大，4月初時為58.8%，分別是150萬，250萬，450萬株/hm的1.5，1.4，1.3倍，這是因為播種量越大總莖蘗數(shù)越多，覆蓋度也越大，但當密度持續(xù)增加后，會導致植株徒長，爭肥奪水，土壤養(yǎng)分不足，從而長勢弱，覆蓋度相較于合理密植的小區(qū)降低。在5月初，各小區(qū)均達到最大值，其中350萬株/hm為最大70.2%，此后小麥因為成熟逐漸變得干枯，作物小區(qū)的覆蓋度也隨之快速下降，在5月25日時僅為5月10日的57%～67%。

圖1 作物覆蓋度隨生長期的變化

2.2 種植密度對徑流的影響

從圖2可以看出，不同種植密度對坡面產(chǎn)流有著重要的影響：裸地坡面的徑流量均大于種植作物的小區(qū)，且隨著密度的增加，徑流量呈現(xiàn)著大致相同的趨勢，都是先降后升。小麥全育期裸地對照的平均徑流深為42.8 mm，各種植密度的平均徑流深為37.0，32.9，31.4，32.8 mm，分別是裸地的86%，77%，73%和77%。不同種植密度的減流效益不同，其中150萬株/hm對坡面徑流的削弱作用最弱，與裸地相比，其徑流量減少了14%。350萬株/hm對徑流的控制作用最強，相較于裸地減少了27%。這表明坡面種植作物在一定程度上起著穩(wěn)定和消減徑流的作用。但殘茬期時，作物小區(qū)的徑流量基本與裸地對照小區(qū)一致，約43 mm，其平均坡面產(chǎn)流量為發(fā)育期和成熟期的1.51，1.26倍。

圖2 不同種植密度在不同生育期的徑流深對比

由于殘茬期較為特殊，將對殘茬期單獨進行討論，下文僅分析作物發(fā)育期和成熟期時的坡面產(chǎn)流規(guī)律。對比相同密度下不同生育期的徑流深，各處理均表現(xiàn)為發(fā)育期<成熟期，發(fā)育期和成熟期時作物小區(qū)徑流量分別約為裸地對照小區(qū)的51%～73%和69%～86%?？梢园l(fā)現(xiàn)，150萬株/hm處理為4種密度處理中徑流量最大，但在生長期的差距最小，僅增加了15%；250萬～450萬株/hm在發(fā)育期和成熟期的徑流量分別維持在23.31 mm左右，其中，350萬株/hm在發(fā)育期時徑流量最小，為21.75 mm。這是因為農(nóng)作物在發(fā)育期進入生長旺盛階段，有著較強的蓄水能力。相差較大的是450萬株/hm處理，成熟期較發(fā)育期增幅為45%。

不同種植密度的坡面產(chǎn)流情況的差異，同時也表明其減流特征有所不同。表2顯示了不同種植密度的徑流深及其減流效益，可以看出，裸地在試驗期內(nèi)均沒有顯著差異，但作物小區(qū)在發(fā)育期和殘茬期之間的差異均達到了顯著水平(<0.05)?？傮w來說，發(fā)育期和成熟期之間差異并不顯著，但它們與殘茬期均存在顯著差異(<0.05)。這說明當覆蓋度達到一定程度時，徑流量之間的變化并不明顯。不同生育期的減流效益表現(xiàn)為發(fā)育期>成熟期>殘茬期。

表2 作物不同種植密度在不同生育期的徑流深及減流效益

與裸地對比，有作物覆蓋的小區(qū)具有顯著的減流作用。發(fā)育期時裸地小區(qū)徑流深為42.9 mm，不同密度的減流效益表現(xiàn)為350萬株/hm>450萬株/hm>250萬株/hm>150萬株/hm，其徑流深與裸地相比分別減少了49%，47%,43%和27%。成熟期則為350萬株/hm>250萬株/hm>450萬株/hm>150萬株/hm，減流效益為14%～31%。說明不同種植密度在不同生長階段均具有明顯的抑制徑流產(chǎn)生的效果，能夠有效地減少徑流量，且密度增大后，減流效益會減弱。

徑流量與相應的植被覆蓋度的相關(guān)和回歸分析結(jié)果(圖3)表明，徑流量與覆蓋度呈極顯著負相關(guān)(<0.01)，且表現(xiàn)出良好的指數(shù)函數(shù)關(guān)系：=44.37e-0.09，=0.844。即隨著覆蓋度的增加，徑流量逐漸減少，反之則增加。隨著作物種植密度的增加，覆蓋度也隨之從裸地增加至最大蓋度350萬株/hm處理的70.15%，坡面徑流由42.9 mm減小到21.8 mm，減少49%。種植密度150萬株/hm時的覆蓋度32.7%為4種密度中最小，此時的徑流深為36.2 mm，高達350萬株/hm處理的3.08倍，是裸地的84%，此時對徑流的控制作用最弱，但仍具有一定的減流效益。殘茬期時作物小區(qū)的徑流量基本與裸地對照小區(qū)一致，約43 mm；其平均坡面產(chǎn)流量為發(fā)育期和成熟期的1.51，1.26倍，相較于裸地的減流作用并不明顯，介于-1%～1%。

圖3 作物覆蓋度與徑流的關(guān)系

總體來說，在作物的不同生長階段，不同種植密度減流效益各不相同，均表現(xiàn)為種植密度較大時減流效益較好。農(nóng)作物種植密度小，徑流截留作用弱，隨著密度的增加，土壤耕層根系越密集，冠層對坡面產(chǎn)流的抑制作用逐漸加強，產(chǎn)流時間變長，有效地增加了降雨入滲，減少地表徑流。當密度持續(xù)增加時，雖然仍具有一定的減流效益，但是作物的減流作用開始減弱。結(jié)果顯示，種植密度為350萬株/hm時，減流效益最佳。

2.3 種植密度對侵蝕的影響

不同種植密度產(chǎn)流差異必然導致坡面產(chǎn)沙特征的差異，與徑流量類似，地表作物在攔截降雨的同時也減少了土壤侵蝕量。為了便于了解坡面侵蝕動態(tài)變化規(guī)律，用侵蝕模數(shù)反映土壤流失量的變化。由圖4可知，隨著種植密度的增加，侵蝕量呈先降低后回升的趨勢。小麥全育期裸地對照的平均侵蝕模數(shù)為10.1 t/hm，各種植密度的平均侵蝕模數(shù)為8.5，7.5，6.9，7.1 t/hm，分別是裸地的85%，74%，68%和70%。不同種植密度的減沙效益不同，其中150萬株/hm對泥沙的削弱作用最弱，與裸地相比，泥沙量減少了15%。350萬株/hm的控制作用最強，相較于裸地減少了32%。在相同的雨強和降雨歷時的情況(60 mm/h，1 h)下，作物小區(qū)的侵蝕均明顯小于裸地對照小區(qū)，這表明坡耕地的作物能顯著影響坡面產(chǎn)沙。

圖4 不同種植密度在不同生育期的侵蝕模數(shù)對比

不同生長期不同種植密度的減沙作用各不相同。由表3可知，與徑流深規(guī)律一致，裸地在試驗期內(nèi)均沒有顯著差異，但作物小區(qū)在發(fā)育期和殘茬期之間的差異均達到了顯著水平(<0.05)。總體來說，發(fā)育期和成熟期之間差異并不顯著，但它們與殘茬期均存在顯著差異(<0.05)。減沙效益大小順序為發(fā)育期>成熟期>殘茬期。發(fā)育期時裸地小區(qū)的侵蝕模數(shù)為9.6 t/hm，4個種植密度水平的侵蝕模數(shù)分別是4.6，3.3，2.2，2.3 t/hm，相比裸地分別減少52%，66%，77%，76%，減沙效益大小順序依次為350萬株/hm>450萬株/hm>250萬株/hm>150萬株/hm，且種植密度150萬株/hm的土壤侵蝕是種植密度350萬株/hm時的2.1倍。成熟期的減沙效益則為36%～63%，表現(xiàn)為350萬株/hm最佳，150萬株/hm最弱，其余2種密度減沙效果相當。作物種植密度從150萬株/hm增加到250萬株/hm時，減沙效益迅速增強，增幅為27%和82%，之后減沙效益趨于較穩(wěn)定狀態(tài)。

表3 作物不同種植密度在不同生育期的侵蝕模數(shù)及減沙效益

殘茬期時平均侵蝕模數(shù)為13.52 t/hm，高達發(fā)育期和成熟期的2～3倍，此時CK處理侵蝕模數(shù)為10.2 t/hm，作物種植小區(qū)侵蝕量則均約為對照小區(qū)的1.4倍。殘茬期是作物收割后僅留在地表留有約為10 cm高的干枯麥茬地。作物的小區(qū)在植株發(fā)育時由于冠層的攔截，能保護葉片下的地表不受雨滴打擊，但收獲后的殘茬期由于沒有了植被的覆蓋，且收割過程對地面有著一定的擾動作用。降雨后，雨滴直接打擊地表，在麥茬的匯聚作用下，地表的徑流流速增大，加速的徑流不斷沖刷著地表的土壤，從而發(fā)生更為嚴重的土壤侵蝕。而裸地對照小區(qū)地表由于結(jié)皮的出現(xiàn)，減緩了雨滴對土壤的打擊，減少了坡面產(chǎn)沙。

土壤侵蝕與植被覆蓋度的相關(guān)和回歸分析結(jié)果表明，與徑流類似，也呈極顯著負指數(shù)相關(guān)，=1089.19e-0.02(<0.01)，即隨著覆蓋度的增加，泥沙量逐漸減少，反之則增加。由圖5可知，覆蓋度72%最小，侵蝕量也最低，為2.2 t/hm，相較于裸地的侵蝕量10.4 t/hm減少了79%。4種處理中，150萬株/hm的覆蓋度32.7%最低，此時的侵蝕模數(shù)6.7 t/hm高達350萬株/hm的1.66倍，僅為裸地的64%，此時對泥沙的控制作用最弱。這說明作物對坡面產(chǎn)沙影響較大，即使在作植被的覆蓋度較小的情況下，也能減少泥沙；當覆蓋度達到一定時，減沙效果極為顯著。肖繼兵等、吳蕾等的研究也得出相似結(jié)論。

圖5 作物覆蓋度與侵蝕量的關(guān)系

從上述分析可以看出，在相同的雨強、地形和土壤條件下，坡耕地產(chǎn)沙的差異主要是由地上植被覆蓋所決定的。隨著作物覆蓋度的增加，植被對地面的保護作用增強，在攔截降雨的同時削弱雨滴動能，冠層的遮蔽能降低雨滴對地面的擊濺作用，減少土壤侵蝕量。

2.4 徑流和侵蝕量的關(guān)系

坡面徑流是影響土壤流失的主要動力，是導致土壤侵蝕發(fā)生的一個關(guān)鍵因素，土壤侵蝕與徑流有著密切的關(guān)系。由圖6可知，侵蝕量與徑流量之間呈極顯著指數(shù)函數(shù)關(guān)系(=38.12e0.08，=0.96)。

圖6 人工降雨試驗徑流和泥沙的關(guān)系

試驗分別在3個不同的生長季進行，同一季節(jié)有4個種植密度和1個裸地。作物蓋度的變化隨季節(jié)變化較大，隨種植密度也有變化。地表徑流和土壤侵蝕隨作物蓋度的變化同步增加和減少。作物覆蓋最大的發(fā)育期徑流深和侵蝕速率都最小，覆蓋最小的殘茬期都最大。發(fā)育期的地表徑流深在20～30 mm，成熟期的地表徑流深在30～35 mm，殘茬期和裸地的徑流深都在40～45 mm。相應的土壤侵蝕速率發(fā)育期在2～4 t/hm，成熟期的在4～8 t/hm，殘茬期在14 t/hm左右，而裸地在10 t/hm左右。裸地和殘茬期蓋度都為0，土壤侵蝕速率差異較大，這是因為裸露地有生物結(jié)皮的原因，但徑流和侵蝕之間的關(guān)系仍然沒變。

3 討 論

本研究結(jié)果顯示，作物覆蓋度的差異通過不同的種植密度來表示。隨著種植密度的增加，作物覆蓋度呈現(xiàn)先上升，隨后到達峰值后開始降低的趨勢，且作物覆蓋度隨著時間遞增，也會發(fā)生變化。作物植密度越大，在進入生長旺盛階段后覆蓋度越大，攔截泥沙的效果越好。對比不同密度在不同生長期的侵蝕量和徑流量，均表現(xiàn)為發(fā)育期7.5萬株/hm為最小。此外，作物覆蓋度對坡面徑流和侵蝕的影響達到了極顯著水平(<0.01)，徑流量和侵蝕量與覆蓋度均呈負指數(shù)函數(shù)關(guān)系，作物植被的減沙效益大于減流效益，這與肖繼兵等的研究結(jié)果一致。尤其是在種植密度為9萬株/hm時的覆蓋度和減流減沙效益相較于7.5萬株/hm時降低了，主要是因為密度過高，作物所需養(yǎng)分不足，長勢更差，從而覆蓋度相對下降，對徑流和泥沙的削弱作用也減小。大致表現(xiàn)為覆蓋度增大時，徑流和侵蝕也會隨之降低。

徑流與侵蝕之間也有著密不可分的關(guān)系，坡面徑流是引起地表侵蝕的直接動力，二者為正相關(guān)關(guān)系，表現(xiàn)為徑流越大，侵蝕量也越大。影響坡面徑流和侵蝕的因素諸多，地表被覆、降雨強度、坡度、土壤含水量等因素及其相互作用都能在不同程度引起變化。作物枝葉的遮蔽可以抑制土壤水分蒸發(fā)，土壤含水量也隨之增加，土壤含水量越大，降雨時土壤越快到達田間飽和含水率，產(chǎn)流越快。此外，作物冠層能夠削弱雨滴動能，枝葉的截留作用可以減緩雨滴降落到地面的速度，增加降雨入滲，導致坡面徑流沖刷減少，侵蝕也隨之減少。

本研究所觀測的降雨場次土壤前期含水量存在一定的誤差，且地表結(jié)皮對徑流和侵蝕的產(chǎn)沙均有較大的影響。若更加充分地考慮地表結(jié)皮和前期含水量的影響，能更好地表征覆蓋度與侵蝕之間的關(guān)系。后續(xù)繼續(xù)對結(jié)皮、含水量進行相應的試驗設(shè)計，以便于更好地獲取不同覆蓋度下的侵蝕變化規(guī)律。作物植被是影響土壤侵蝕主要因素之一，而種植密度變化必然引起作物覆蓋度的變化，從而導致坡耕地土壤侵蝕的差異。本研究開展作物覆蓋度對土壤侵蝕的研究，有利于更好地認識區(qū)域土壤侵蝕作物植被的防蝕機理，加強對坡耕地的土壤侵蝕防治，便于區(qū)域土壤侵蝕的調(diào)查與預測。

4 結(jié) 論

(1)種植密度是作物覆蓋度的直接影響因素，隨著種植密度的增加作物覆蓋度也在增加，但當種植密度大于某一值時，由于生長狀況不良而導致作物覆蓋度反而下降。發(fā)育期時，種植密度150萬株/hm的土壤侵蝕是種植密度350萬株/hm時的2.1倍。覆蓋度也同時隨著種植時間的遞進而發(fā)生變化，在不同生長期，作物對減少地表徑流和土壤侵蝕的作用也不同，表現(xiàn)為發(fā)育期>成熟期>殘茬期。

(2)作物覆蓋明顯減少地表徑流和土壤侵蝕，當作物覆蓋度為70%時，減少地表徑流和土壤侵蝕分別高達63%和77%。地表徑流和土壤侵蝕與作物覆蓋度均呈極顯著的負指數(shù)函數(shù)關(guān)系(<0.01)，即隨著覆蓋度的增加，地表徑流和土壤侵蝕逐漸減少，反之則增加。

(3)土壤侵蝕與徑流量之間呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系(<0.01)，=38.10e0.08，即隨著徑流量的增加，侵蝕量也顯著增加。