摘要 ［目的］深入理解不同水土保持措施地表粗糙度變化的機理，以便于指導(dǎo)該地區(qū)土壤侵蝕的預(yù)防工作。［方法］以遼西低山丘陵區(qū)二道嶺小流域坡面徑流觀測場為對象，通過定位觀測法，研究不同水土保持措施影響地表粗糙度及其變化的影響因子。［結(jié)果］各類措施間的地表粗糙度存在差異，各大類措施的地表粗糙度經(jīng)過4場降雨過后大小順序為CK＞耕作措施＞工程措施＞林草措施。各類措施間地表粗糙度變化率存在差異，各大類措施的地表粗糙度變化率從大到小依次為耕作措施＞CK＞工程措施＞林草措施。各措施地表粗糙度變化率均與土壤黏粒含量呈極顯著負相關(guān)（P＜0.01），CK和工程措施地表粗糙度變化率與土壤容重均呈極顯著負相關(guān)（P＜0.01），林草措施地表粗糙度變化率與土壤含水率呈顯著正相關(guān)（P＜0.05），林草措施中的林地措施地表粗糙度變化率與土壤有機質(zhì)含量呈顯著正相關(guān)（P＜0.05）。［結(jié)論］植被覆蓋率、營建措施過程中形成的初始地表粗糙度、土壤理化性質(zhì)是影響不同水土保持措施地表粗糙度及其變化率的重要因子。

關(guān)鍵詞 水土保持措施；地表粗糙度；自然降雨；土壤機械組成

中圖分類號 TD824.7" 文獻標識碼 A" 文章編號 0517-6611（2025）03-0077-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2025.03.015

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標識碼（OSID）：

Effects of Different Soil and Water Conservation Measures on Land Surface Roughness and Its Changes

WANG Yun ze，ZHOU Feng yan，HAN Yan gang et al

（College of Environmental Science and Engineering， Liaoning Technical University， Fuxin， Liaoning 123000）

Abstract ［Objective］To understand the mechanism of surface roughness change under different soil and water conservation measures， so as to guide the prevention of soil erosion in this area.［Method］Taking the slope runoff observation field of Erdaoling small watershed in the low hilly area of western Liaoning Province as the object， the influence factors of different soil and water conservation measures on surface roughness and its change were studied by using the positioning observation method.［Result］There were differences in surface roughness among various measures.After four rain events， the order of surface roughness of various measures remained CKgt;cultivation measuresgt;engineering measuresgt;forestry measures.There were differences in surface roughness change rate among various measures，the surface roughness change rate of various measures was cultivation measuresgt;CKgt;engineering measuresgt;forestry measures.The surface roughness change rate of various measures was significantly negatively correlated with soil clay content （Plt;0.01）， the surface roughness change rate of CK and engineering measures was significantly negatively correlated with soil bulk density （Plt;0.01）， the surface roughness change rate of forestry measures was significantly positively correlated with soil moisture content （Plt;0.05）， and the surface roughness change rate of forestland measures was significantly positively correlated with soil organic matter content （Plt;0.05）.［Conclusion］The vegetation coverage， the initial surface roughness formed during the construction process， and the soil physical and chemical properties were important factors affecting the surface roughness and its change rate under different soil and water conservation measures.

Key words Soil and water conservation measures;Surface roughness;Natural rainfall;Soil mechanical composition

基金項目

遼寧省教育廳基本科研項目面上項目（JYTMS20230808）；遼寧省教育廳大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項目（S202310147038）。

作者簡介 王云澤（1996—），男，遼寧沈陽人，碩士研究生，研究方向：水土保持與荒漠化防治。*通信作者，教授，碩士生導(dǎo)師，從事固沙林經(jīng)營、水土保持與荒漠化防治方面的研究。

收稿日期 2024-04-02

地表粗糙度通常是指地表在比降梯度最大方向上凹凸不平的形態(tài)或起伏狀況^［1］。有研究表明，地表粗糙度會影響坡面產(chǎn)流和匯流過程，從而影響土壤侵蝕過程，而土壤侵蝕發(fā)生后又會改變坡面地表粗糙度，改變的地表粗糙度又會進一步影響坡面土壤侵蝕過程^［2-6］。因此，地表粗糙度是影響土壤侵蝕的重要因子。研究表明坡耕地的作物種類、土壤性質(zhì)、植被覆蓋、地表結(jié)皮等下墊面因子也共同影響地表粗糙度的變化^［7-9］。

水土保持措施受最初修建過程的影響，造成地表粗糙度的差異，不同水土保持措施通過改善土壤理化性質(zhì)，從而影響地表粗糙度。研究表明，在同等條件下等高耕作、人工掏挖、人工鋤耕、直型坡4種不同的耕作措施會使地表粗糙度初始產(chǎn)生差異，而每種耕作措施地表粗糙度產(chǎn)生的變化也互不相同^［10］。以往關(guān)于措施對地表粗糙度影響的研究多集中在黃土高原地區(qū)^{［7，10-11］}，而對遼西地區(qū)的研究則相對缺乏，因此，筆者以遼西低山丘陵地區(qū)的二道嶺徑流小區(qū)的6種不同水土保持措施為研究對象，在自然降雨條件下測定不同水土保持措施降雨前后的地表粗糙度、土壤理化性質(zhì)及徑流系數(shù)，統(tǒng)計分析不同水土保持措施下土壤理化性質(zhì)、徑流系數(shù)對地表粗糙度的影響，揭示該地區(qū)自然降雨條件下不同水土保持措施地表粗糙度的變化及其影響因子，為該地區(qū)土壤侵蝕防治提供科學(xué)依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況 二道嶺小流域坡面徑流觀測場位于遼寧省阜新蒙古族自治縣國華鄉(xiāng)西部（41°49′N，121°42′E），土壤類型為薄腐酸性巖棕壤性土，氣候為溫和半干旱季風(fēng)大陸性氣候，多年平均降雨量約480 mm，雨季為6—9月，其降雨量占全年總量的75%以上。該徑流觀測場始建于2004年，共布設(shè)了7個徑流小區(qū)，各徑流小區(qū)按水利部徑流小區(qū)要求設(shè)置，東南坡向，徑流小區(qū)土地利用類型依次為裸地、橫坡壟作、順坡壟作、地埂植物帶、水平梯田、果樹臺田、林地，7種土地利用類型為遼西低山丘陵區(qū)的7種典型土地利用類型。裸地小區(qū)常年保持地表裸露休閑狀態(tài)。橫坡壟作小區(qū)的壟向與等高線基本保持平行，壟距為0.50 m，該小區(qū)共60條壟。順坡壟作小區(qū)的壟向與等高線垂直，壟距0.60 m。地埂植物帶小區(qū)平行于等高線的方向建造土埂，以積存雨水，共有5個壟，壟間距為6.00 m，并將檸條（Caragana korshinskii）種植在田埂的頂端。水平梯田小區(qū)的土臺上種植作物，設(shè)水平田面6個，均寬5.00 m，田坎高度為0.90 m。果樹臺田小區(qū)栽植品種為當(dāng)?shù)爻Ｒ姽麡淦贩N李子（Prunus salicina），整個小區(qū)共布設(shè)10個臺面，寬3.00 m，每臺布設(shè)果樹2棵，果樹距離3.00 m，挖坑深度0.80 m，直徑0.70 m。林地小區(qū)栽植油松（Pinus tabulaeformis），林分形成后有少量灌木及雜草自然侵入，林地?zé)o人為擾動。各耕作小區(qū)均種植當(dāng)?shù)刂饕魑镉衩?，按傳統(tǒng)方法進行耕作、管理。2022年6—9月在該小區(qū)分上、中、下3個位置測定降雨前后的粗糙度及土壤性質(zhì)，該小區(qū)基本情況與樣本數(shù)見表1。

1.2 研究方法 于2022年6—9月，在該徑流場測定4場有效自然降雨下的雨前及雨后地表粗糙度，計算每次降雨后的徑流系數(shù)，取樣測定了降雨前后各措施下坡上、坡中、坡下的土壤容重、土壤機械組成、土壤含水率。4場自然降雨的相關(guān)數(shù)據(jù)如表2所示。

1.2.1 地表粗糙度測定。采用鏈條法^［6］對地表粗糙度進行測定。在7個徑流小區(qū)按相互間隔1 cm的距離進行地表輪廓線測定60組地表粗糙度，并將地點標記，保證4次測定均為同一地點，7個徑流小區(qū)每次共計測定280組輪廓線，共計測定4次。

地表粗糙度的計算公式如下；

Cr=1-L2L1×100

式中：Cr為某方向地表粗糙度；L1為鏈條長度（100 cm）；L2為放置在地表后鏈條兩端的長度（cm）。

地表粗糙度變化率的計算公式如下：

Rr=｜R2R1-1×100%｜

式中：Rr為地表粗糙度變化率，作為衡量地表粗糙度相對變化的指標；R1為雨前地表粗糙度；R2為雨后的地表粗糙度。

1.2.2 土壤理化性質(zhì)指標測定。土壤含水率采用烘干法測定。土壤容重采用環(huán)刀法測定。土壤機械組成采用mastersizer 2000激光粒度儀進行分析。

1.2.3 降雨指標測定。采用自動監(jiān)測設(shè)備對降雨量、降雨歷時等指標進行測定。

1.2.4 徑流系數(shù)指標測定。實測了6種不同措施及對照組的徑流量，在自然降雨過程中，以五點法布設(shè)了雨量筒，并實施觀測，當(dāng)雨量筒將要溢滿時，馬上將其換下，并記錄。5個雨量筒最終取其平均值為徑流量Q1，自動設(shè)備測定的降雨量為Q2，則徑流系數(shù)（R）為R=Q1/Q2。

1.3 統(tǒng)計分析 運用SPSS 20.0和Excel 2021進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計處理與作圖。對7塊不同水土保持措施的地表粗糙度采用單因素方差分析法進行差異性分析，運用LSD法進行多重比較分析，檢驗不同水土保持措施的地表粗糙度的差異，判斷其是否顯著。對地表粗糙度、地表粗糙度變化率與各水土保持措施土壤機械組成的數(shù)據(jù)進行線性逐步回歸分析，滿足允許水平P＜0.05的變量入選。試驗數(shù)據(jù)均為平均值±標準差。

53卷3期""" 王云澤等 不同水土保持措施對地表粗糙度及其變化的影響

2 結(jié)果與分析

2.1 不同水土保持措施下地表粗糙度特征 由表3可知，整地后的初始地表粗糙度從高到低依次為順坡壟作＞地埂植物帶=橫坡壟作＞水平梯田＞裸地＞果樹臺田＞林地，單因素方差分析發(fā)現(xiàn)，除橫坡壟作與地埂植物帶之間差異不顯著（P＞0.05），果樹臺田與裸地、水平梯田之間差異不顯著（P＞0.05）外，其他措施之間均差異顯著（P＜0.05）。經(jīng)歷4場降雨后，除對照組裸地外，各措施地表粗糙度均有減小，單因素方差分析發(fā)現(xiàn)，除裸地與耕作措施、工程措施與林草措施差異不顯著（P＞0.05）外，其他措施之間均差異顯著（P＜0.05）。以上結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，對照組及三大類措施的地表粗糙度從高到低依次為CK＞耕作措施＞工程措施＞林草措施，各大類措施內(nèi)的水土保持措施無論如何變化其大小順序始終不變。

2.2 不同水土保持措施下地表粗糙度變化率特征 由圖1可知，各大類措施之間地表粗糙度變化率除林草措施的果樹臺田與工程措施、耕作措施的橫坡壟作與順坡壟作無顯著差異（P＞0.05）外，其他措施均差異顯著（P＜0.05）。各水土保持措施地表粗糙度變化率由高到低依次為順坡壟作＞橫坡壟作＞裸地＞地埂植物帶＞水平梯田＞果樹臺田＞林地?？傮w來說，地表粗糙度變化率由高到低依次為耕作措施＞CK＞工程措施＞林草措施。

2.3 不同水土保持措施地表粗糙度變化率與土壤理化指標的關(guān)系 從表4可以看出，不同水土保持措施地表粗糙度變化率與土壤理化指標之間關(guān)系緊密。對照組裸地的土壤容重與地表粗糙度變化率呈極顯著負相關(guān)（P＜0.01）；耕作措施的土壤黏粒含量與地表粗糙度變化率呈極顯著負相關(guān)（P＜0.01）；工程措施的土壤容重、土壤黏粒含量與地表粗糙度變化率呈極顯著負相關(guān)（P＜0.01）；林草措施中果樹臺田的土壤含水率與地表粗糙度變化率呈顯著正相關(guān)（P＜0.05），土壤黏粒含量與地表粗糙度變化率呈極顯著負相關(guān)（P＜0.01）；林草措施中林地的土壤含水率和土壤有機質(zhì)含量與地表粗糙度變化率呈顯著正相關(guān)（P＜0.05），土壤黏粒含量與地表粗糙度變化率呈極顯著負相關(guān)（P＜0.01）。由此可見，除CK外，土壤黏粒含量是影響耕作措施、工程措施和林草措施地表粗糙度變化率的主要影響因子，均呈極顯著負相關(guān)（P＜0.01）。

由圖2可知，各水土保持措施的土壤機械組成含量均不同；土壤黏粒含量從大到小依次為林地＞果樹臺田＞地埂植物帶＞橫坡壟作＞裸地＞順坡壟作＞水平梯田，土壤粉粒含量從大到小依次為水平梯田＞裸地＞順坡壟作＞橫坡壟作＞地埂植物帶＞果樹臺田＞林地，土壤砂粒含量從大到小依次為順坡壟作＞水平梯田＞地埂植物帶＞橫坡壟作＞裸地＞果樹臺田＞林地。由圖3可知，各水土保持措施的徑流系數(shù)不同，整體上看從大到小依次為裸地＞耕作措施＞工程措施＞林草措施。

3 討論

3.1 不同水土保持措施地表粗糙度特征 該研究中，4次降雨后不同水土保持措施的地表粗糙度整體上依次為CK＞耕作措施＞工程措施＞林草措施，不同措施間差異明顯，這主要是因為營建過程中對地表的擾動導(dǎo)致不同水土保持措施地表粗糙度的差異^{［7，10，12］}。CK由于沒有建設(shè)壟溝、地梗等工程，因此其地表粗糙度相較于耕作措施、工程措施較小，同時，由于其地表缺乏植被覆蓋，降雨時受到雨滴的直接打擊，降雨的打擊擊碎了土壤，導(dǎo)致其地表粗糙度不穩(wěn)定且相較于林草措施較大，這與錢秋穎等^［11］的研究結(jié)果一致。耕作措施地表粗糙度相較于工程措施、林草措施較大，這主要是由于順坡壟作、橫坡壟作在營建過程中形成了垂直、平行于等高線方向平行的溝壟，對地表橫向縱向的擾動均較大，這與梁心藍等^［10］的研究結(jié)果相似；而在耕作措施中順坡壟作地表粗糙度總體大于橫坡壟作，這主要是因為橫坡壟作土壤黏粒含量相對于順隴較高，土壤抗侵蝕能力也相對較強^［10］。工程措施與林草措施相比地表粗糙度較高，這主要是由于工程措施在營建過程中修建了地埂和人工掏挖方坑工程，導(dǎo)致其初始地表起伏較大，同時，林草措施的土壤黏粒含量較高，其土壤的抗侵蝕能力相對較強，導(dǎo)致其在相同降雨情況的影響下地表粗糙度相較于林草措施偏大；經(jīng)歷了4場降雨后，工程措施中水平梯田地表粗糙度與地埂植物帶相比較大，這主要是由于水平梯田由于土壤黏粒含量低，抗侵蝕能力相對較弱，降雨擊濺起土粒從而在一定程度上增大了地表粗糙度。林草措施中，果樹臺田地表粗糙度相較于林地較大，這主要是因為林地修整時并未修建任何工程，較為平整，初始地表起伏小，但果樹臺田在營建過程中修建了土臺，因此其初始地表起伏較大。綜上所述，營建過程中對地表的擾動導(dǎo)致不同水土保持措施地表粗糙度的差異，同時，土壤黏粒含量也會有效影響其地表粗糙度。

3.2 不同水土保持措施下地表粗糙度的影響因子 該研究中，各大類措施地表粗糙度變化率差異顯著，這主要是由于水土保持措施不同，初始地表粗糙度、植被覆蓋率、土壤理化指標也不同，最終造成不同措施的地表粗糙度變化率差異顯著^［12-14］。

各措施的地表粗糙度變化率從大到小依次為耕作措施＞CK＞工程措施＞林草措施。耕作措施的地表粗糙度變化率最大，這是由于兩方面原因，一方面，耕作措施植被覆蓋度相對較小，在降雨時，降雨直接作用于地表；另一方面，耕作措施的土壤黏粒含量相對較小，抗侵蝕能力較弱。而在耕作措施中的橫坡壟作與順坡壟作相比地表粗糙度變化較小，這主要是由于兩方面原因，一方面，橫坡壟作修筑平行于等高線方向的壟溝攔截了部分降雨，其溝壟會通過影響坡面的產(chǎn)流和匯流過程影響土壤侵蝕過程，土壤侵蝕的發(fā)生又會改變地表粗糙度，因此這些溝受到降雨時形成的徑流沖刷，會加劇侵蝕溝內(nèi)水土^［15-16］，同時，橫坡壟作還能間接地延長坡長，從而改變徑流路徑，截取徑流減小了徑流流速^［13］，降低了徑流對地表粗糙度變化率的影響；另一方面，該研究中，影響耕作措施地表粗糙度變化率的主要因子是土壤黏粒含量，橫坡壟作的土壤黏粒含量相對于順坡壟作較高，土壤抗侵蝕能力也相對較強，從而降低了降雨和徑流對地表粗糙度的影響，因此，其地表粗糙度變化率相較于順坡壟作小，這與梁心藍等^［10］的研究結(jié)果相似。CK的地表粗糙度變化率較大，造成這個結(jié)果的原因主要是兩方面，一方面，在該研究中，影響裸地地表粗糙度變化的主要因子是土壤容重，且呈極顯著負相關(guān)，隨地表容重的減小，其土壤抗剪強度減小，土體內(nèi)聚力變大，導(dǎo)致降雨對土粒的分散、遷移能力增強，從而使地表糙度變化率增大；另一方面，由于裸地植被覆蓋率低，缺乏植被攔截降雨，且缺乏耕作措施及工程措施的壟溝、地埂等措施攔截，因此其地表粗糙度變化率較大，這與何淑勤等^［3］的研究結(jié)果相似。與耕作措施相比，工程措施的地表粗糙度變化率相對較小，分析其原因是地埂植物帶及水平梯田的地埂和人工掏挖方坑能夠攔截徑流，延緩徑流流速^［10］；同時，其植被覆蓋率相對較高，在其上生長的玉米稈與葉能夠攔截降雨，降低雨滴動能，減少雨滴的擊打侵蝕^［12］；工程措施土壤黏粒含量大于耕作措施，土壤抗侵蝕能力相對于耕作措施較強；此外，工程措施產(chǎn)生的徑流相較于耕作措施較小，其徑流對于地表粗糙度的影響相對較小，因此與耕作措施相比，工程措施的地表粗糙度變化率相對較小。林草措施的地表粗糙度變化率最小，這主要是由于以下兩方面原因，一方面，林草措施與工程措施和耕作措施相比，具有更高的植被覆蓋率，林地的林冠層能夠攔截降雨，削減雨滴動能，減少降雨對表層土壤的擊打侵蝕，同時改變土壤理化性質(zhì)，增加土壤黏粒含量、土壤有機質(zhì)含量，阻滯徑流的產(chǎn)生^［16-18］；另一方面，該研究中，林草措施的土壤含水率與地表粗糙度變化率呈顯著正相關(guān)（P＜0.05），這是因為水對土粒間起黏結(jié)作用的膠結(jié)物具有溶解作用，從而導(dǎo)致凹凸地表的土粒膠結(jié)強度降低，進而使土粒更易分散、遷移。在降雨和重力的作用下，最終改變了地表粗糙度^［12］。此外，該研究中，林草措施中林地的地表粗糙度變化率小于果樹臺田，這主要是因為與林地相比，果樹臺田的土壤黏粒含量相對較少且植被覆蓋率小于林地。綜上所述，提高地表植被覆蓋度能夠有效改變土壤理化性質(zhì)，增加土壤黏粒含量，提高土壤抗侵蝕能力，降低地表粗糙度變化率，這與鄭子成^［12］的研究結(jié)果相似。

4 結(jié)論

不同水土保持措施的地表粗糙度存在差異。同時，水土保持措施決定地表粗糙度的大小，各措施雨前地表粗糙度從大到小依次為耕作措施＞工程措施＞林草措施，在4次降雨過后地表粗糙度從大到小依次也為耕作措施＞工程措施＞林草措施，其特征不因降雨作用而改變。因此，耕作措施、工程措施、林草措施對地表粗糙度的影響大于降雨對地表粗糙度的影響。不同水土保持措施的地表粗糙度變化率存在差異。各類措施的地表粗糙度變化率從大到小依次為耕作措施＞CK＞工程措施＞林草措施，造成這個結(jié)果的原因主要是植被覆蓋率、營建措施過程中形成的初始地表粗糙度、土壤理化性質(zhì)的不同導(dǎo)致的。

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