黃土丘陵區旱作棗園坡面徑流與泥沙調控措施試驗研究

王 娟，黃 俊，趙西寧，吳普特(1.揚州大學 水利與能源動力工程學院，江蘇 揚州 225009；2.西北農林科技大學 水利與建筑工程學院，陜西 楊凌 712100；.珠江水利委員會珠江水利科學研究院，廣州 510611；4.中國科學院水利部水土保持研究所，陜西 楊凌 712100)

0 引 言

眾所周知，黃土高原地形破碎、植被覆蓋稀少，降雨少而集中，土壤類型單一、黃綿土、風沙土抗侵蝕能力較低，以及不適宜的農業耕作措施等共同導致了嚴重的水土流失。長期以來，水土流失已成為困擾該區農業經濟可持續發展的主要問題，且帶來了一系列的生態環境問題[1,2]。隨著退耕還林草工程的實施，黃土丘陵區紅棗的面積有了突飛猛進的增長，加之矮化密植及微噴灌技術的應用，該地紅棗經濟林產業效益頗豐。然而，當地棗園多采用清耕(除去地表所有覆蓋物，包括雜草等)管理制度，使地表完全裸露，從而增加了高強度暴雨對坡面表土的沖擊。且該區降雨多集中在7-9月份，多以大到暴雨的形式出現(圖1)，由此更加劇了水土流失等自然災害的發生，成為制約該區經濟發展的瓶頸因子之一[3]。此外，該區有限的水資源不能保證灌溉棗園的持續發展，因此需要提高對降雨資源潛力的開發利用，發展旱作棗園，提高紅棗經濟林生產力。基于此，如何有效地控制水土流失并高效地利用降雨，實現該區生態及經濟協同發展是亟待解決的科學問題。

圖1 黃土丘陵區多年平均降雨量

地面覆蓋是指采用不同的覆蓋物質減少地表裸露面積，以保護表層土壤不受降雨、風等外力影響，并調節土壤水分及溫度狀況，防治土壤鹽漬化發生等的一種田間管理措施。地表覆蓋物能增加降雨截留量，減少降雨過程中雨滴對地面的直接打擊，有效地提高土地生產潛力，是提高農業系統生產力極為有效的農業技術措施[4]。目前，覆蓋技術以秸稈覆蓋、地膜覆蓋和生草覆蓋研究居多，且研究對象多為農作物，對于果園及經濟林中樹枝覆蓋的應用研究還處于起步階段。前人研究結果表明，采用木屑和松樹皮在蘋果園中進行地表覆蓋，或進行生物植被覆蓋(生草覆蓋)能非常有效地推遲徑流產流時間，減少次降雨條件下的地表徑流量以及泥沙流失量[5-7]。此外，地表覆蓋物可以攔蓄更多的自然降水，增加土壤中的水分含量[8,9]，保護土壤表層免受太陽直射，從而抑制土壤表層溫度，阻擋水汽的上升，有效減少表土的無效蒸發[10,11]。本文的研究目的在于，探討不同覆蓋措施下坡面產流產沙特征，并對徑流、泥沙與坡面蓋度進行定性及定量分析，選擇較優的覆蓋措施，以期為黃土丘陵區紅棗經濟林最適宜管理模式的探討提供理論依據，保障該區紅棗經濟林健康持續的發展。

1 試驗材料、方法與試驗布設

試驗于2011年3月至2012年11月在西北農林科技大學中國旱區節水農業研究院開展。試驗用土來自陜北清澗縣，過10 mm篩后自然風干至質量含水率為6%左右。以7×10 cm的方式填裝于土槽。

考慮到棗樹及牧草的根系多分布在0～60 cm[12]，所制定的土槽尺寸200 cm × 80 cm × 80 cm。土槽底部設有小孔，利于水分的自由下滲排出，且在土槽底部裝有4個萬向輪，以利于土槽的移動。

降雨裝置為室內針頭式降雨器[13]。該降雨器長6 m寬3 m，降雨均勻度高于85%。人工降雨的年降雨總量約為500 mm，主要分布在6-10月份。每場降雨結束后，小車移至室外遮雨棚中，以避開自然降雨。降雨過程中土槽的坡度選定為15°，采用動力為380 V三相異步電動機帶動連桿驅動裝置和擺線減速機來實現坡度自由調節(0～25°)。

試驗用棗樹采用3年生梨棗樹(初始高度24.5±4.4 cm)，于2009年11月20日移自清澗縣，于2010年5月1日移栽至土槽。生草覆蓋選用種植普遍的優質牧草白三葉，于2011年3月5日種植。考慮到土壤初始養分貧瘠，為保證棗樹初期的正常生長，在2012年6月對每個小車施尿素(urea)55 g/m2。覆蓋處理中所用到的樹枝就地取材，棗樹剪枝后進行簡單碎斷，棗樹枝長度為5～8 cm，覆蓋厚度5 cm左右。

本研究共設置5個試驗處理：棗樹枝全園覆蓋(WJBM)，白三葉全園生草(WCC)，白三葉行間生草(SWC)，棗樹枝半覆蓋+白三葉行間生草(JBM+SWC)，清耕處理作為對照(CC)。具體試驗布設圖如圖2所示。觀測坡面徑流的發生發展過程，并將集流槽口有連續水流產生的時刻記錄為坡面產流時間。間隔一定時間(徑流達到量筒體積的2/3)用標準刻度量筒(1 000 mL)收集徑流一次，量取清水體積即為相應時段的坡面徑流量；徑流沉淀后，自然風干后的沉淀物質量記為該時段內的泥沙含量。

圖2 各處理試驗布置示意圖

2 結果與分析

2.1 各處理條件下起流時間、總徑流量及總泥沙量

表1中給出了各處理在2012年次降雨條件下的坡面起流時間、總徑流量及總泥沙量。

表1 各處理坡面起流時間、總徑流量及總泥沙量

注：“-”表示數據缺失。

由表1中可看出，與清耕處理相比，棗樹枝覆蓋、白三葉全園生草及二者組合處理明顯推遲了坡面徑流的發生(P<0.05)，且坡面覆蓋條件下總徑流量及泥沙量顯著低于清耕處理(P<0.05)。這是因為坡面的樹枝或生草覆蓋物對降雨的截留，減少了坡面土壤獲得的凈降雨量。此外，坡面表層覆蓋物，增加了坡面的糙度，間接影響了坡面產匯流過程，從而減緩徑流[14-17]。白三葉牧草由于其自身的蒸發蒸騰以及根系生長對土壤結構的影響，能間接地提高土壤儲水能力，對降雨攔蓄入滲起到了積極作用，從而有效控制坡面徑流及泥沙的產生，這與前人的研究結果是一致的[18]。白三葉全園生草處理產流時間顯著晚于其他所有處理(P<0.05)，最長起流時間達36.5 min，出現在2012年5月的一次降雨中。該次降雨為該年度第一場降雨，坡面表層土壤普遍較干，此外，5月正值白三葉牧草生長旺季，地表糙度大幅增加，有效地延緩了徑流的發生發展。各處理泥沙量總體呈現下降趨勢，覆蓋處理下的泥沙量在經歷了前幾場降雨中的大幅下降后保持水平，清耕處理則表現為持續性的下降。這可能是因為隨著降雨的多次發生，坡面表層易移動土壤顆粒已隨前期降雨徑流移除，剩余土體較穩定，且在雨滴對表層土壤的打擊下，坡面形成了穩定的結皮層，使得泥沙量趨于穩定[19,20]。此外，在降雨過程中，清耕處理的泥沙量輸出并未達到其穩定值，也側面反映了裸地抗侵蝕能力差。

2.2 徑流量及泥沙量與坡面蓋度的關系

坡面徑流量及泥沙量受降雨特征的影響(降雨強度、降雨歷時)，且因下墊面條件的差異而不同，會受地表覆蓋物狀況，植被生長特征及生長階段的影響[21-23]。圖3中繪制了各處理坡面蓋度隨時間的變化，以及同時期徑流和泥沙變化量。隨著時間的推移，坡面蓋度隨著試驗期推移逐漸增大，尤其是白三葉全園生草處理，牧草生長非常茂盛，短期內幾乎近100%覆蓋了地表，且高于其他處理約30%。需要指出的是，清耕處理因其地表裸露，其覆蓋度主要取決于棗樹的繁茂程度，而在9月末至10月初正處棗樹落葉期，因此該處理下坡面覆蓋度大幅下降。

圖3 坡面覆蓋度、總徑流量及泥沙量隨時間的變化趨勢

總體來看，隨著坡面覆蓋度的提高，徑流泥沙均有不同程度的下降，并最終趨于穩定(除清耕處理外)，這與前人的研究結果是一致的[24]。在最后2場降雨中，個別處理徑流量仍有小幅度增加趨勢，這有可能是因為后幾場降雨間隔較短，且試驗后期土壤蒸發量較小，土壤前期含水量較大所致[25]。泥沙量隨坡面蓋度的變化趨勢與徑流量趨勢大致相同，都表現出逐漸減小并穩定的趨勢。在整個試驗階段清耕處理條件下徑流及泥沙量變異都比較大，并未出現其他處理下的穩定狀態。

2.3 徑流量及泥沙量與坡面蓋度的定量關系

徑流量及泥沙量與坡覆蓋度緊密相關，為了進一步探究二者的關系，對徑流量-坡面覆蓋度及泥沙量-坡面覆蓋度分別進行了散點分析和定量方程擬合，如圖4中所示。由于在清耕處理下，蓋度與徑流量及泥沙量關系與其他處理有較大差異，因此在擬合過程中，利用SPSS等統計分析軟件，剔除了清耕處理下的個別壞點。前人的研究中采用冪函數、對數函數擬合二者關系，效果較好。在此基礎上，本文中采用形如y=a(1+x)b的變形指數函數分別對徑流量和泥沙量與坡面蓋度間的關系散點進行了擬合。統計結果顯示擬合效果較好，尤其是徑流與坡面蓋度間的關系，擬合方程R2>0.8。由此可見，隨坡面蓋度的增大，徑流量經歷一個迅速下降后逐漸趨于平穩，而泥沙量的減少則較緩慢，這也驗證了該尺度坡面泥沙流失過程很難達到穩定狀態。此外，側面反映出坡面蓋度狀況對徑流過程較泥沙流失過程的影響更大。然而，Rocha 等的研究則指出地表覆蓋或耕作措施在減少泥沙方面更有效[26]。這種不一致是因為此處只單獨考慮了坡面覆蓋度因素；另外，與研究尺度也有一定關系。在小區尺度上，植被在影響徑流過程的同時還對徑流-泥沙過程有很大影響，但在流域尺度泥沙量主要以沖溝侵蝕和大體積水土流失為主，此時植被對大體積的泥沙固持作用很微弱，且很難改變沖溝內水流對土體的沖刷[27]。

圖4 徑流量、泥沙量與坡面覆蓋度散點圖及關系擬合曲線

2.4 坡面徑流量與泥沙量定量關系

本文探討了不同覆蓋耕作系統下的總徑流量與總泥沙量，其關系散點圖及擬合方程如圖5所示。

圖5 徑流量與泥沙量散點圖及關系擬合曲線

由圖5中可明顯看出，所有處理條件下泥沙總量與徑流總量均呈顯著線性正相關關系(P<0.05)，這與之前的研究結果一致[17,28]。由于清耕處理下徑流、泥沙與覆蓋條件下的差別很大，故將數據散點圖分為2組：①清耕，②其他覆蓋處理。擬合線①較擬合線②更陡(擬合線斜率2.18)，說明在徑流增加量相同的條件下，清耕處理泥沙流失增量會大于其余覆蓋處理。這是由于同等降雨條件下清耕處理徑流含沙量(單位徑流所攜帶泥沙量)遠遠大于其他覆蓋耕作處理[29]。從擬合效果來看，擬合線方程均達到顯著水平(P<0.05)，擬合優度分別為0.634和0.865，很好地表達了徑流量與泥沙量的相關關系。

3 結 論

相對于傳統的棗園清耕管理制，棗樹枝覆蓋、生草覆蓋及其組合處理均顯著地推遲了坡面徑流產生的時間，且對坡面徑流量及泥沙量有顯著調控效應，水沙調控效果以白三葉全園生草最好。

棗樹及牧草生長期內，坡面蓋度隨時間逐漸增大，白三葉全園覆蓋坡面蓋度增長最快。各處理徑流量與泥沙量隨著坡面覆蓋度的增加逐漸減小，徑流總量逐漸趨于平穩。采用變形指數函數對總徑流量與坡面蓋度和總泥沙量與坡面蓋度的散點進行擬合，方程均達到顯著水平，擬合優度分別為0.812和0.614。

對徑流量與泥沙量散點進行擬合，發現二者呈極顯著的線性關系。與其他覆蓋處理相比較，清耕處理下泥沙量隨徑流量增大增加的更快。

綜上所述，白三葉全園生草覆蓋體現了較好的徑流泥沙調控效果，為該尺度下最優的旱作棗園徑流、泥沙調控措施。然而，考慮白三葉自身生長對土壤水分的消耗，是否會對棗樹的生長產生威脅。此外，白三葉屬豆科作物，其自身固氮作用在補充土壤N素的同時，是否會增加雨季N素淋溶的潛在風險，這都將成為后續論文研究的重點。

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致謝：特別感謝揚州大學水利與能源動力工程學院馮紹元教授在此論文撰寫過程中的指導。感謝西北農林科技大學農學院陳小莉老師以及李洪兵、景子龍同志在試驗開展中給予的幫助。

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