玉米生長期坡耕地地表徑流及侵蝕產沙特征

羅 鍵，鄭子成，秦 鳳，李廷軒，孔祥東

（1.四川農業大學 資源環境學院，成都611130；2.四川省水土保持局，成都610041）

紫色丘陵區是中國典型農業區，人地矛盾尤為突出，逐年增加大量零散坡耕地，由于受其發育母質的影響，土層淺薄，質地較輕，土壤保水能力較差，加上不合理的耕作管理，水土流失較為嚴重。目前，國內外關于土地利用方式、施肥管理對坡耕地水土流失影響的研究較多［1－6］，關于耕作方式的研究大都基于流域或坡面大尺度范圍［7－11］，作物的研究大多立足于不同作物覆蓋度或季節變化條件下土壤流失情況［12－16］，而對于玉米全生育期及零散坡耕地的研究甚少。因此，本文通過微小區與野外人工模擬降雨相結合的方法，系統研究玉米不同生育期坡耕地徑流及侵蝕產沙的特征，有助于全面掌握紫色土區零散坡耕地水土流失規律，以期服務于紫色土區坡耕地水土流失的治理及區域農業可持續利用。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

本試驗在農業部資陽長江上游農業資源與生態環境重點野外科學觀測試驗站進行，該區域位于長江上游沱江水系花椒溝小支流的響水灘上端，處于104°34′12″—104°35′19″E和30°05′12″—30°06′44″N，屬四川省資陽市雁江區松濤鎮的響水村，平均海拔395m，該區屬亞熱帶季風氣候，年平均氣溫17℃，一年中降水分配極不均勻，年均降雨量965.8mm，暴雨主要發生在6—10月。年日照時數1 300h，年均無霜期長達300d。研究區坡耕地以玉米種植為主，輔以種植白菜、芋頭、海椒等，玉米按照當地實際情況，每666.7m2栽培約2 700株。土壤為遂寧組母質發育的紅棕紫泥，質地較輕，pH值為8.1，有機質含量為11.6g／kg，全氮和堿解氮分別為0.73g／kg和40.1mg／kg，有效磷14.08mg／kg，速效鉀為86.6 mg／kg，土壤肥力中等。

1.2 供試材料

供試玉米品種為當地主栽的川單13，于2012年4月上旬播種，行距80cm，株距30cm。播種前分別施氮肥（N）和磷肥（P2O5）250kg／hm2和125kg／hm2，拔節前期追施氮肥150kg／hm2，氮肥為尿素（含N 46.3%），磷肥為過磷酸鈣（含P2O512%），其他管理措施均按當地農耕習慣進行。

1.3 研究方法

本試驗采用野外人工模擬降雨的方法。微小區用來模擬零散坡耕地，其面積設計為2m×1m，坡度設置為15°。按照當地農民習慣，在每一試驗區內布設平作、橫坡壟作和順坡壟作3種措施，以裸地作為對照。橫坡壟作和順坡壟作分別沿水平方向和順坡方向開溝起壟，壟高15cm，壟距30cm，壟寬40cm，平作對地表進行松土和平整。根據研究區多年水文資料記錄的降雨頻率及特點，本研究設計降雨強度為1.0mm／min，1.5mm／min，2.0mm／min，對應降雨歷時分別為60，40，30min。所有試驗重復3次，共計36個小區。試驗分別在玉米播種期、苗期—拔節期、拔節期—抽雄期和抽雄期—成熟期進行。

在降雨過程中收集地表徑流。開始產流后，每3 min收集一次徑流泥沙樣，采用量筒法測定徑流量，采用烘干法測定泥沙量。

2 結果與分析

2.1 玉米季不同耕作措施坡面產流特征

2.1.1 徑流總量變化特征 由圖1可知，隨著雨強的增加，不同耕作措施坡面徑流量均呈增加的變化趨勢。在雨強1.0mm／min條件下，對照坡面玉米不同生育期徑流量均高于實施措施坡面，表明實施措施下玉米不同生育期坡面對徑流具有一定的調控作用。不同措施在各生育期存在一定差異，橫坡壟作和平作坡面在各生育期徑流量均較小，其中平作坡面在種植前徑流量最小，主要由于松耕等作業方式，增加土壤入滲能力；而橫坡壟作坡面在拔節期—抽雄期坡面徑流量最小，因為這一時期，玉米葉片支撐角度對降雨的截留作用較大［17］，加上地表微地形的起伏，導致坡面徑流量較小。

圖1 玉米季各耕作措施坡面徑流總量的變化特征

在雨強1.5mm／min條件下，除苗期—拔節期外，其他生育期對照坡面的徑流量均高于實施措施的坡面。玉米種植后，橫坡壟作坡面在玉米拔節期—抽雄期徑流量最小。在雨強2.0mm／min條件下，除苗期—拔節期外，其他生育期對照坡面的徑流量均高于實施措施的坡面。對照及順坡壟作坡面的徑流量均隨著玉米生育期推進，坡面徑流量呈增加的變化趨勢，橫坡壟作坡面在玉米苗期—拔節期坡面徑流量最小。產生此現象的原因是隨著玉米生長期的推進，玉米葉片逐漸向下傾斜［18］，植株覆蓋度下降，對地表的保護能力逐漸降低，故導致坡面徑流量呈升高的趨勢。

2.1.2 地表產流過程 由圖2可知，不同雨強條件下，玉米生長期各耕作措施坡面徑流量總體表現為隨著降雨歷時的延長呈逐漸上升的趨勢，在降雨后期逐漸趨于不同程度的下降，不同雨強條件下對照坡面徑流量總體高于實施措施的坡面。

玉米種植前，對照坡面徑流量隨著降雨強度的增加，坡面產流有所提前，徑流量呈增加的變化趨勢，且高于實施措施坡面，各措施坡面徑流過程的產流量總體表現為順坡＞平作＞橫坡。苗期—拔節期，各坡面徑流量均有不同程度增加。在雨強1.0mm／min條件下，順坡壟作坡面徑流量在降雨開始后2～30min內逐漸上升，39min達到峰值，降雨后期出現陡降，產流平均值為3.69L；對照坡面徑流量降雨期間波動起伏較大，至42min達到峰值，徑流量平均值為2.43L；平作和橫坡壟作坡面在降雨前期徑流量穩定在0.60L左右，隨著降雨歷時的延長，徑流量有所增加。在雨強1.5mm／min條件下，順坡壟作坡面的產流最早，至30min到達峰值，其徑流量平均值為9.26 L；對照和橫坡壟作坡面的徑流量隨降雨的延續總體上呈先增加后降低的變化趨勢，27min達到峰值；平作坡面徑流量在降雨開始后6～30min內不斷增加，至30min到達峰值，徑流量平均值為4.92L。在雨強2.0mm／min條件下，不同耕作措施坡面均在3 min左右開始產流，徑流量在降雨開始后3～6min內迅速增加，之后增幅較小；對照坡面在12min到達峰值，之后略有上升，徑流量平均值為10.40L；順坡壟作坡面在21min到達峰值，徑流量平均值為7.53 L。不同雨強條件下，拔節期—抽雄期各坡面徑流量均表現為先增加后趨于下降的變化趨勢；與對照坡面相比，各措施坡面產流時間均有所滯后，且各坡面徑流過程的產流量總體低于苗期—拔節期。在雨強1.0 mm／min條件下，抽雄—成熟期不同耕作措施坡面的徑流量在降雨后1～3min內迅速增加，57min之后迅速下降；隨著玉米生育期的推進，不同耕作措施的產流時間逐漸延緩且徑流變化逐漸趨于基本一致。在雨強1.5mm／min條件下，各耕作措施坡面均在3min左右開始產流，在3～24min內徑流量逐漸上升，對照和平作坡面于24min到達峰值，之后逐漸下降，而順坡和橫坡壟作坡面至30min到達峰值。在雨強2.0mm／min條件下，順坡壟作和對照坡面均在1min左右產流，徑流量在降雨開始后2～3min內迅速增加，而順坡壟作坡面徑流量隨著降雨歷時的增加逐漸減少；橫坡壟作和平作坡面均在3min左右開始產流，隨著降雨歷時的延長，橫坡壟作坡面的徑流量在降雨開始后6～15min內穩定在4.20L左右，之后逐漸上升，至21min到達峰值；平作坡面隨降雨的延續，徑流量呈先增大后減小的趨勢，至18min到達峰值。

圖2 不同雨強條件下玉米各生育期坡面產流過程

2.2 玉米季不同耕作措施侵蝕產沙特征

2.2.1 侵蝕產沙量變化特征 由圖3可知，不同雨強條件下，種植前坡面侵蝕產沙量均低于其他生育期坡面。隨著雨強的增加，平作、順坡壟作及對照坡面侵蝕產沙量呈先增加后降低的變化趨勢，橫坡壟作坡面侵蝕產沙量變化較為穩定，且最小。在雨強1.0 mm／min條件下，隨著玉米生育期的推進，各措施坡面侵蝕產沙量均呈增加的變化趨勢，且對照坡面和順坡壟作坡面侵蝕產沙量均高于其他措施坡面。在雨強1.5mm／min條件下，隨著玉米生育期推進，順坡壟作坡面苗期—拔節期和抽雄期—成熟期侵蝕產沙量較大，而對照坡面的侵蝕量卻呈一直增加的變化趨勢。在拔節期—抽雄期，實施措施坡面的侵蝕產沙量最小。在雨強2.0mm／min條件下，隨著玉米生育期推進，順坡壟作坡面侵蝕產沙量較高且持續穩定，而對照坡面侵蝕量卻呈一直增加的變化趨勢。這主要因為種植前實施耕作措施坡面，增加地表粗糙度［19］，有利于雨水的下滲，從而有效地減少了地表徑流，導致攜帶的泥沙較少。生長后期，由于前期降雨在地表形成一些分散細溝和淺溝，有利于雨水的匯集，再加上植株后期對地表的保護作用減小，使得雨水對地表的侵蝕加劇，故侵蝕量有所增加。順坡壟作坡面的侵蝕產沙量最大，產生這一現象的原因是順坡溝壟平行于坡面，有利于徑流在坡面的匯集，加劇了對地表的沖刷。隨著降雨強度的增加，侵蝕量呈先增加后降低的變化趨勢。這是因為降雨強度與實施耕作措施后地表糙度間的互動作用所致。

2.2.2 地表產流過程 由圖4可知，在不同雨強條件下，隨著玉米生育期的推進，不同耕作措施坡面的侵蝕量呈逐漸增大的趨勢。對照坡面的侵蝕量大且波動起伏明顯，這是由于對照坡面無地表覆蓋及耕作措施的保護，使其易受雨滴的侵蝕和徑流的沖刷，導致地表侵蝕量大且隨機性強。順坡壟作坡面的侵蝕量最大，這與它自身溝壟具有較強的匯水作用有關。

圖3 玉米季各耕作措施坡面侵蝕產沙量變化特征

圖4 不同雨強條件下玉米各生育期坡面產沙特征

玉米種植前，在雨強為1.0mm／min條件下，順坡壟作坡面侵蝕量在產沙初期波動較為明顯，隨著降雨歷時的延長，逐漸趨于平穩。產生這種現象的原因是由于降雨初期，坡面松散土粒隨地表徑流遷移，隨著降雨的延續，前期坡面松散土粒被搬運后，且雨強較小，坡面侵蝕仍以片蝕為主，侵蝕量減小并趨于平穩。在雨強為1.5mm／min條件下，平作和橫坡壟作坡面的侵蝕量在種植前較小；順坡溝壟與坡面方向平行，易于侵蝕的產生。在雨強為2.0mm／min條件下，橫坡壟作侵蝕量最大且波動起伏明顯，產生這種現象的原因是橫坡的壟溝與坡向垂直，由于降雨強度較大，雨水對溝壟的沖刷能力較強，表層松散的土粒較易被搬運；對照坡面侵蝕量隨著降雨的延續呈先上升后下降的趨勢；順坡壟作坡面侵蝕量隨降雨歷時的延長呈逐漸增加的變化趨勢，平作坡面侵蝕量在降雨過程中變化較為穩定。在苗期—拔節期，雨強為1.0 mm／min條件下，平作、橫坡壟作和對照坡面侵蝕量在降雨過程中變化較為平緩，而順坡壟作坡面侵蝕量在降雨后期迅速上升，產生這種現象的原因是由于隨著降雨歷時的增加，雨滴對順坡壟作坡面侵蝕加劇，逐漸由片蝕轉變為細溝侵蝕，侵蝕量迅速增加。

在雨強為1.5mm／min條件下，順坡壟作侵蝕量在降雨開始6～30min內迅速上升，侵蝕產沙量平均值為198.3g，產生這種現象的原因是由于部分坡面侵蝕方式由片蝕演化為細溝侵蝕，侵蝕量有所增加；對照和橫坡壟作坡面侵蝕量隨著降雨歷時的增加呈先增加后降低的變化趨勢，侵蝕產沙量平均值分別為10.4g和34.5g。在雨強為2.0mm／min條件下，順坡壟作坡面侵蝕量在降雨開始1～3min內上升至21.0g左右，在3～12min侵蝕量基本保持不變，之后侵蝕量又逐漸升高。在拔節期—抽雄期，由于植株覆蓋度較大，對地表的保護作用較強［20］，對照坡面與玉米種植坡面的侵蝕量差異較大。在抽雄期—成熟期，雨強為1.0mm／min條件下，橫坡壟作坡面侵蝕量呈先增加后降低的變化趨勢，主要是由于雨水的不斷沖刷，溝壟可能出現部分破壞，故導致侵蝕量的增加。在雨強為1.5mm／min條件下，順坡壟作坡面侵蝕量在降雨開始后3～15min內迅速增加，之后趨于平穩；橫坡壟作侵蝕量隨降雨歷時的延長呈逐漸增加變化趨勢。在雨強為2.0mm／min條件下，平作和橫坡壟作坡面的產沙量在降雨過程中穩定在5.5g和1.0g左右；順坡壟作坡面侵蝕量在降雨前期穩定在25.0g左右，在18min之后出現陡升，產沙平均值為148.3g，這與其冠層截留及徑流作用的大小密切相關。

3 結論

（1）在雨強1.0mm／min條件下，其中平作坡面在種植前徑流量最小，橫坡壟作坡面在拔節期—抽雄期坡面徑流量最小。隨著玉米生育期的推進，各措施坡面侵蝕產沙量均呈增加的變化趨勢，且對照坡面和順坡壟作坡面侵蝕產沙量均高于其他措施坡面。

（2）在雨強1.5mm／min條件下，除苗期—拔節期外，其他生育期對照坡面的徑流量均高于實施措施的坡面，橫坡壟作坡面在玉米拔節期—抽雄期徑流量最小。隨著玉米生育期推進，順坡壟作坡面苗期—拔節期和抽雄期—成熟期侵蝕產沙量較大，而在拔節期—抽雄期，實施措施坡面的侵蝕產沙量最小。

（3）在雨強2.0mm／min條件下，對照及順坡壟作坡面的徑流量均隨著玉米生育期推進，坡面徑流量呈增加的變化趨勢，橫坡壟作坡面在玉米苗期—拔節期坡面徑流量最小。隨著玉米生育期推進，順坡壟作坡面侵蝕產沙量較高且持續穩定，而對照坡面侵蝕量卻呈一直增加的變化趨勢。

可見，不同降雨條件下，各措施坡面在玉米不同生育期存在臨界侵蝕條件。因此，在坡耕地水土流失防護過程中，不僅要選擇合理的耕作措施，而且還應考慮種植作物的各生育期水土流失特征，這樣才能夠有效地阻控坡耕地水土流失。

［1］ 楊玉梅，鄭子成，李廷軒.不同土地利用方式下土壤抗沖性動態變化特征及其影響因素［J］.水土保持學報，2010，24（4）：64－68.

［2］ 徐泰平，朱波，況福虹，等.四川紫色土坡耕地磷素滲漏遷移初探［J］.農業環境科學學報，2006，25（2）：464－466.

［3］ 何曉玲，鄭子成，李廷軒.玉米種植下紫色坡耕地徑流中磷素流失特征研究［J］.農業環境科學學報，2012，31（12）：2441－2450.

［4］ 徐泰平，朱波，況福虹，等.平衡施肥對紫色土坡耕地磷素徑流流失的影響［J］.農業環境科學學報，2006，25（4）：1055－1059.

［5］ 劉紀根，李蓉.紫色土區土地利用類型與降水變化對水土流失的影響［J］.長江科學院院報，2009，26（8）：10－19.

［6］ 何曉玲，鄭子成，李廷軒.不同耕作方式對紫色土侵蝕及磷素流失的影響［J］.中國農業科學，2013，46（12）：2492－2500.

［7］ 鄭子成，林代杰，李廷軒，等.不同耕作措施下成熟期玉米對徑流及侵蝕產沙的影響［J］.水土保持學報，2012，26（2）：24－28.

［8］ 聶小軍，蘇艷艷.川中丘陵區紫色土坡耕地土壤侵蝕特征［J］.生態環境學報，2012，21（4）：682－686.

［9］ 謝頌華，曾建玲，楊潔.南方紅壤坡地不同耕作措施的水土保持效應［J］.農業工程學報，2010，26（9）：81－85.

［10］ 蔡強國，馬紹嘉，王毅，等.橫廂耕作措施對紅壤坡耕地水土流失影響的試驗研究［J］.水土保持通報，1994，14（1）：49－55.

［11］ 左長清，馬良.紅壤坡地果園不同耕作措施的水土保持效應研究［J］.水土保持學報，2004，18（3）：12－15.

［12］ 林代杰，鄭子成，張錫洲，等.玉米植株對降雨再分配過程的影響［J］.中國農業科學，2011，44（12）：2608－2615.

［13］ 夏立忠，楊林章，李運東.生草覆蓋與植物籬技術防治紫色土坡地土壤侵蝕與養分流失的初步研究［J］.水土保持學報，2007，21（2）：28－31.

［14］ 徐憲立，馬克明，傅伯杰，等.植被與水土流失關系研究進展［J］.生態學報2006，26（9）：3137－3143.

［15］ 李正國，王仰麟，吳健生，等.不同土地利用方式對黃土高原植被覆蓋季節變化的影響：以陜北延河流域為例［J］.第四紀研究，2005，25（6）：762－769.

［16］ 鐘壬琳，張平倉.紫色土坡面徑流與侵蝕特征模擬試驗研究［J］.長江科學院院報，2011，28（11）：22－27.

［17］ 鄭子成，李廷軒，張錫洲，等.玉米植株冠層截留分異特征及其影響因素研究［J］.水土保持學報，2012，26（4）：208－211，215.

［18］ 姚運生，羅新蘭，王秉昆，等.玉米植株形態生長的模擬［J］.玉米科學，2000，8（增刊）：30－32.

［19］ 秦鳳，鄭子成，李廷軒，等.玉米季坡耕地地表糙度的變化特征及其對土壤侵蝕的影響［J］.水土保持學報，2013，27（3）：18－22，27.

［20］ 鄭子成，李廷軒，張錫洲，等.降雨條件下玉米植株對水量分配的影響［J］.水土保持研究，2012，19（4）：72－76.