不同農田植被條件下黑土坡耕地產流和產沙特征

吳 限, 魏永霞,2, 王 敏,2, 王 龍

(1.東北農業大學 水利與建筑學院, 哈爾濱 黑龍江 150030; 2.黑龍江省高校節水農業重點實驗室, 哈爾濱 黑龍江 150030)

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不同農田植被條件下黑土坡耕地產流和產沙特征

吳 限1, 魏永霞1,2, 王 敏1,2, 王 龍1

(1.東北農業大學 水利與建筑學院, 哈爾濱 黑龍江 150030; 2.黑龍江省高校節水農業重點實驗室, 哈爾濱 黑龍江 150030)

摘要：[目的] 研究不同農田植被條件下的水土侵蝕特征，為該區作物種類選擇提供參考。[方法] 2013年在位于東北典型黑土帶上的黑龍江省紅星農場徑流小區內,開展了玉米、大豆、大豆—玉米間作3種農田植被條件下的地表徑流和土壤侵蝕特征研究。[結果] 玉米的徑流攔蓄和土壤侵蝕控制的效果最好,間作次之,大豆位居最后;玉米和間作模式的地表徑流分別較大豆減少了15.8%和10.7%,土壤侵蝕量亦分別減少了10.47%和5.35%。[結論] 在較低降雨強度下玉米和間作的減流減沙效果差別不甚明顯，在較高強度下玉米和間作減流減沙效果明顯好于大豆。

關鍵詞：天然降雨; 黑土區; 坡耕地; 葉面積指數; 農田植被; 產流; 產沙

土壤侵蝕是地球地質演變中的必然的物質運動過程，但是隨著生物的出現，特別是受人類活動的影響，原有地質土壤侵蝕的過程受到了一定的影響，侵蝕速度加快，并且侵蝕性質也開始發生變化，成為了制約農業經濟發展的主要因素之一。松嫩平原自然條件優越，農業生產水平較高，是全國大豆玉米等農作物的主產區，其黑土素有“土中之王”的美稱。黑土區坡耕地面積大，雨期集中，降雨強度大，極易造成水土流失。據黑龍江省環境保護廳調查，截止2000年黑龍江全省水土流失面積為1.12×107hm2導致黑土肥力銳減，作物產量下降，不僅影響了當地社會經濟的可持續發展，也對國家的糧食安全造成了隱患。針對坡耕地水土流失問題，國內外學者進行了一些作物植被的防蝕作用研究[1-2]，主要包括：作物植被對降雨的攔截[3-4]，再分配作用，冠下降雨對土壤物質的打擊、剝離等作用[5-6]，作物對降雨入滲過程的改變等[7]。本文利用玉米、大豆、大豆—玉米間作(以下簡稱“間作”)3種模式，研究不同模式的產流產沙特征，以期為該地區坡耕地作物種類的選擇提供參考。

1材料和方法

1.1　試驗區概況

試驗區選擇位于東北典型黑土帶上的黑龍江省北安市紅星農場，地處小興安嶺南麓向松嫩平原的過渡地帶，為丘陵漫崗地帶，屬中溫帶濕潤大陸性季風氣候。該地區多年平均降水量為553 mm，主要集中在7，8，9月份,占全年降雨量的70%左右，其中暴雨降水量占7—9月份的35%。年平均蒸發量1 100～1 200 mm，不小于10 ℃的有效積溫2 254.5 ℃，無霜期110～115 d。土壤主要以黑土為主，質地黏重，入滲困難。2013年紅星農場總耕地面積2.73×104hm2，其中大豆種植區9 600 hm2，玉米1.64×104hm2。農場土地一半為丘陵漫崗區，土壤侵蝕模數為1 375 t/(km2·a)。

1.2　試驗設計

試驗在紅星農場坡耕地上的徑流小區內進行，按照作物種類及其種植模式不同，設置3個農田植被處理，分別是大豆、玉米和間作，2次重復。各徑流小區縱向平均坡度均為3°，長20 m，寬5 m，其邊界均設置深入地下1 m的隔板；盡量保持各個徑流小區除植被條件以外的其他自然條件基本相同。徑流小區供試作種類為大豆黑河三號，玉米為德美亞1號。間作小區中央3壟植玉米，余4壟植大豆。

1.3　測定項目和方法

(1) 降雨量及其過程。采用美國ONSET公司HOBO自記雨量計自動記錄。

(2) 地表徑流及其過程。采用河北飛夢科技有限公司的FL-JY磁感記錄儀徑流自記系統自動記錄。

(3) 降雨產沙量及其過程：不同措施的降雨產沙量及其產沙過程與徑流過程同步人工觀測，在開始產流后，每5 min取一翻斗沙樣，將沙樣靜置24 h，漂去上層清水，余下的用濾紙濾除泥沙，烘干6 h稱重。

(4) 葉面積系數。不同生育期選取有代表性的大豆和玉米植株，分別測定每個葉片的長、寬(量取葉片的最長、最寬部位)，用下面公式求得單株葉面積：

式中：L——葉長； B——葉寬； K——校正系數。通過求積儀實測面積，再與量取的葉面積相比求得。

(5) 植被覆蓋度。數碼相機采集圖像(大豆小區自上而下以黑土地為背景拍攝，玉米小區自下而上以藍天為背景拍攝)后，用圖像分析法測定各小區的植被覆蓋度。

2結果與分析

2.1　一次降雨條件下不同農田植被的地表徑流特征

選取1次典型天然降雨進行分析(2010730)，其降雨量為45mm，降雨歷時85min，最大降雨強度79.2mm/h,不同作物的地表徑流過程如圖1所示。

圖1　2013年7月30日不同小區的地表徑流過程

從2013年7月30日降雨徑流過程可以看出，大豆和玉米以及間作對徑流調節作用有較大差異。在降雨初期的前15min，各小區并未產生明顯徑流；在之后15min的中等強度降雨中，降雨已經逐步浸潤表層，土壤表層入滲率減少；在20min時隨著雨強陡增，地面開始形成明顯的徑流。其中在15～45min之間大豆小區產生的徑流明顯小于玉米小區，大豆冠層低矮，枝葉茂密。擁有相對較高的葉面積指數、枝干數量。并且大豆復雜的植株形態有著較高的冠層截留[4,8]，將部分降雨截留在了冠層中。而該年生育期的大風天氣和雨滴動能使部分大豆倒伏，枝葉壓低一定程度上阻擋減緩了徑流的產生。在35min后由于較高的降雨強度，大豆相對軟弱的枝葉無法承受雨滴動能以及風壓，植被覆蓋率暫時降低，大豆枝葉相比玉米較為軟弱，相比玉米寬大的葉片，高強度降雨中大豆葉片對降雨阻擋作用較弱，大豆小區徑流增加較快[9]，而玉米小區徑流增加速度相對較小。在較高降雨強度下，玉米調節徑流的效果明顯強于大豆。大豆小區葉面積指數(LAI)為5.33，植被覆蓋率97%(由于部分植株倒伏，并未達到100%)，均大于玉米小區的4.2，植被覆蓋率84%。雖然玉米的葉面積指數和覆蓋率略低與大豆，但是玉米強韌的枝葉可以有效的抵御降雨，極大的減少高動能的冠下穿透雨。較大的莖桿流也可以使徑流趨于穩定，有效的增加入滲[10]，減少徑流。

與大豆相比，玉米控制徑流的效果較好，減少徑流最高可達17.72%。玉米和大豆小區產流時間基本相同，玉米小區徑流變化過程較平坦，大豆小區在產流后隨著降雨強度增加，徑流強度變化較大。降雨初期大豆復雜的冠層空間結構阻礙了徑流的形成，隨著雨強增大，冠層結構對攔蓄減緩徑流的形成控制作用減弱，大豆倒伏的枝條和枯葉不能繼續起到有效的攔蓄作用。大豆和玉米對降雨的轉化分配差異性開始體現，大豆傾向于將攔截的降雨集中于冠層邊緣，而處于生長旺盛期的玉米則傾向于將雨水集中在葉下區[5]，且玉米的莖桿流占很大比例。這樣的差異性導致了玉米對于降雨的分配相對大豆更加均勻，徑流的形成過程得以減緩。該次降雨大豆、玉米、間作小區徑流量為10，8.37和8.9mm。間作小區在徑流量和產流特性上介于兩者之間。15～45min間作、玉米小區產流相比大豆小區產流增加11.29%,40.31%，在降雨前期和大豆小區產流特征較相似。45min后間作、玉米小區相比大豆小區產流分別減少38.15%和19.22%，高強度降雨條件下其產流特征和間作小區相似度較高。

2.2兩次降雨條件下不同農田植被對土壤侵蝕量的影響

從圖2可看出，產沙過程隨徑流過程的變化表現比較相似的波動變化趨勢，但產沙過程隨降雨強度的變化更為明顯，產沙量峰值與降雨強度峰值較為接近。玉米小區的土壤侵蝕量平均為3.13 kg，大豆小區的平均土壤侵蝕量為3.62 kg，間作小區為3.42 kg。不同作物及種植模式對土壤侵蝕的控制作用按大小排序，依次為：玉米>間作>大豆，與徑流分析結果相同。

圖2　2013年7月30日降雨不同作物的侵蝕產沙過程

與大豆相比，在降雨早期，玉米和大豆的產沙量并沒有和產流量一樣有著明顯的差距。玉米葉片向斜上方伸展且成凹形，其葉面積較大，所以玉米在降雨的分配上，莖桿流起主導作用，莖桿流消耗了大量的雨滴動能。雖然莖桿流也對土壤有著一定的侵蝕作用，但是相對于其他方式，其侵蝕能力可以忽略不計[11]。在降雨中后期，玉米小區產沙量和徑流量一樣均小于大豆小區。雖然大豆冠層稠密，冠層垂直投影結構復雜，對降雨有多次的攔截消能機會[8]，但相對于玉米高大的冠層高度，從冠層落下的雨滴動能相對玉米較小。然而由于玉米巨大的莖桿流，玉米對土壤侵蝕的控制作用仍強于大豆。間作模式產沙量和產流量表現一致，占大豆的94%，介于兩者之間。

2.3次降雨條件下不同農田植被的徑流強度和產沙強度的關系

徑流強度和產沙強度大致成二次拋物線關系，如圖3在低強度降雨中，大豆、玉米、間作小區產流和產沙關系波動并不強烈，高強度降雨中，徑流強度達到10 mm以上時，產沙強度開始出現明顯波動，從相關系數可以看出，玉米小區徑流強度與土壤侵蝕量相關系數：R2=0.953 8，產沙和徑流關系最為穩定，間作次之，大豆較差。大豆在高強度降雨中抗蝕能力衰減嚴重。原因在上文有所描述，這里不再贅述。

圖3　次降雨徑流強度與產沙強度的關系

2.4　不同農田植被的年降雨徑流及土壤侵蝕特征

2.4.1年徑流量及土壤侵蝕量2013年試驗區降雨量較大，僅生育期內降雨就達到570.8 mm，但次降雨除7月30日降雨強度較大外均較小，土壤長期處于水分充沛狀態。不同作物對年徑流量的影響因種類而異。大豆、玉米、間作小區年徑流深及土壤侵蝕量見表1。

可見，大豆小區的攔蓄效果最弱，其次為間作，徑流深和土壤侵蝕量分別占大豆小區的89.02%和94.65%，玉米小區最佳，徑流量和土壤侵蝕量為大豆小區的83.61%和89.53%。不同作物對土壤侵蝕的控制作用按大小排序依次為：玉米、間作、大豆。與對徑流的分析相似。全年大多數降雨強度不高，玉米與間作對土壤侵蝕的控制作用差異不明顯，說明玉米和大豆的間作模式對兩種作物的特性形成了良好的互補。

表1　3種處理下小區的年徑流及土壤侵蝕量

2.4.2土壤侵蝕量的年內分布2013年全年降雨量主要集中在5—8月份，其降雨量分別為41.2，80.6，218.3和182.5 mm。表2為不同處理5—8月份的土壤侵蝕量。與大豆小區相比，玉米小區土壤侵蝕量稍小。間作小區和大豆小區的土壤侵蝕量相比并沒有明顯差別。這是由于在生育期早期，大豆冠層結構發育簡單，玉米沒有出苗，葉面積系數較低，植被對土壤侵蝕量的影響力有限。6月份降雨量相比5月份明顯提高，降雨侵蝕力也有所增加，隨著作物冠層發育和葉面積指數的增加，雖然6月份降雨量有所提高，但是土壤侵蝕量沒有明顯提高。在控制侵蝕方面，玉米對于大豆優勢有所發揮，而間作模式相較其他兩者的差異性并不顯著。7月份降雨量達到最大值，各小區的土壤侵蝕量也相應明顯增加，達到最大值。7月份降雨侵蝕力相比降雨量提高更加顯著，而植被發育程度也趨于成熟，葉面積系數劇增。在該年度高強度大風天氣中，大豆小區部分植株出現倒伏、損傷，玉米小區植株有所損傷。間作小區由于玉米高大粗壯莖葉對大豆起到了保護作用，降低了風壓和高動能降雨對大豆冠層的沖擊，大豆整體完好，倒伏不明顯，植被冠層發育受影響不大。玉米小區和間作小區的土壤侵蝕量分別為大豆小區的90%和94%，間作模體現了較好抗侵蝕能力。8月份相比7月份徑流及徑流含沙量較少。

表2　3種處理下各小區5-8月土壤侵蝕量及葉面積指數

3結論與討論

(1) 種農田植被對坡耕地降雨產流、產沙控制效果不同，總體上玉米對降雨產流、產沙控制效果最好，間作次之，大豆位居最后。

在降雨初期玉米和間作的產流略高于大豆，大豆較高的冠層截留和倒伏的枝葉部分減緩了產流，但隨著雨強的增加，產流增幅更加明顯。在降雨中后期大豆小區產流完全超過了玉米和間作。得益于較大莖桿流，玉米在控制產流中有良好的表現；從產流產沙量看，大豆小區的年產流量和產沙量分別平均69.59 mm和4.3 t/hm2。玉米小區平均的年產流量和產沙量占大豆小區平均的83.61%和89.53%，間作徑流深和產沙量分別占大豆小區的89.02%和94.65%。可見玉米和間作比大豆更能有效的減流減沙，雖然玉米的葉面積指數低于同期大豆，但是玉米的葉片大小、結構、傾角[8]等更能有效的將降雨轉化為莖桿流，減少土壤侵蝕量。

間作小區中玉米對大豆有一定的物理保護作用，在大風極端天氣條件下能有效減少大豆倒伏，減少降雨對地面的直接沖擊，對控制產流產沙起積極的作用。

(2) 3種農田植被對坡耕地降雨產流、產沙的調控能力因作物生育階段的不同而不同。

作物苗期對產流量和產沙量控制能力較弱。隨著作物生長，作物對坡面產流、產沙的控制力也隨之增強，不同作物控制力的差距也開始體現。作物生長的旺盛期，對坡面產流產沙的控制作用最強，成為控制坡面產流產沙的主要階段。

以上結論是根據2013年實際情況得出的，而天然降雨具有一定的隨機性和不確定性，且研究時間較短。故尚需進一步開展不同年型的試驗研究。

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Characteristics of Runoff and Sediment Yield in Sloping Farmland of Black Soil Region Under Different Farmland Vegetation

WU Xian1, WEI Yongxia1,2, WANG Min1,2, WANG Long1

(1.CollegeofWaterandCivilEngineering,NortheastAgricultureUniversity,Harbin,Heilongjang150030,China;

2.KeyLaboratoryofWater-savingAgricultureofHeilongjiangProvince,Harbin,Heilongjiang150030,China)

Abstract：[Objective] In order to provide references for the selection of suitible crops for black soil areas, to analyze the rill erosion characteristics of different cropland.[Methods] The study of surface runoff and soil erosion characteristics under three different cropland planting of corn, soybean and soybean-corn belt cropping, was carried out in the runoff plot of Hongxing State Farm in Heilongjiang Province located in the northeast typical black soil belt in 2013. [Results] For the performances of runoff retaining and sediment yield control, corn performed the best, while the intercropping of soybean-corn followed it, and soybean took the last. Compared to soybean, the surface runoff decreased 15.8% and 10.7% under the cultivation modes of corn and intercropping of soybean-corn; in corresponding to the soil loss, decreased 10.47% and 5.35%, respectively. [Conclusion] The control of surface runoff and soil loss between corn and soybean-corn belt cropping was not significant under the relatively low-intensity rainfall conditions. Whereas the control of surface runoff and soil loss under soybean-corn belt cropping was much better than that under soybean in the high-intensity rainfall condition.

Keywords:natural rainfall; black soil area; sloping farmland; leaf area index; farmland vegetation; runoff yield; sediment yield

文獻標識碼：A

文章編號：1000-288X(2015)03-0101-04

中圖分類號：S157.2

通信作者：魏永霞(1961—),女(漢族),黑龍江省海倫縣人,博士，教授,博士生導師,主要從事農業節水和水土保持理論與技術研究。E-mail: wyx0915@163.com。

收稿日期：2014-03-27修回日期：2014-04-22

資助項目：國家科技支撐計劃項目(2014BAD12B01); 東北農業大學博士基金項目(2010RCB65)

第一作者：吳限(1989—),男(漢族),黑龍江省齊齊哈爾市人,碩士研究生,研究方向為農業節水理論與技術。E-mail:wx527748@gmail.com。