馬鈴薯對坡耕地水土流失的影響

張 賀，段喜明，劉志明

（山西農業大學林學院，山西太谷030801）

水土流失是導致生態環境惡化和土地生產力下降的主要原因[1]。坡耕地是黃土高原水土流失的主要策源地[2-3]，坡耕地水土流失防治已成為我國水土流失治理工作的重點[4-5]。黃土高原一直以農作物種植業為主，馬鈴薯在這一地區占有十分重要的地位[6-7]。已有的試驗多為研究馬鈴薯作物種植方式對坡耕地產流產沙的影響[8-9]，但是作物生長周期內冠層的劇烈變化，且其生長季多處于降雨豐沛的夏、秋季節，因此，還須進一步研究馬鈴薯不同生長階段對坡面水土保持的影響，以期闡明作物對坡面產流產沙的抑制程度[10-11]。

本試驗以種植馬鈴薯的坡耕地為對象，研究馬鈴薯不同生長階段對坡耕地產流產沙及其過程的影響，旨在為坡耕地水土流失防治和農田水分合理利用提供科學依據。

1 材料和方法

1.1 試驗地概況

試驗在山西省呂梁市方山縣沙溝水土保持監測站進行。試驗區屬溫帶半干旱季風氣候區，年均氣溫4～9℃，無霜期110～150 d，多年平均降水量563 mm，年平均蒸發量1 208 mm，6—8月降水量占全年的63%。試驗田土壤為灰褐土。

1.2 試驗材料

供試馬鈴薯品種為晉薯7號，從山西康農薯業有限公司購買。

有機無機復合肥（N∶P∶K＝17∶5∶5，有機質≥25%），從太谷縣東海市場內購買。

1.3 試驗方法

依據當地山地坡度和降雨特征，在降雨強度為1.0 mm/min 條件下，采用 3 種坡度（5°，10°和 15°）進行試驗。每種坡度設置2個徑流小區，徑流小區長5 m、寬3 m、坡向為E90°，用PVC板圍砌小區，小區下部板留有出口（用來收集小區的全部產流和產沙）。

徑流小區的試驗處理設置為：種植馬鈴薯和設相同條件下裸坡為對照。試驗于2017年5月13日撒施肥料，將其作為基肥一次性施入。供試馬鈴薯于5月16日按行距50 cm、株距20 cm統一播種。采用人工模擬降雨方法，在馬鈴薯不同生育期（幼苗期、始花期、盛花期、成熟期）進行4次試驗。每一次試驗開始前，對馬鈴薯各生育期進行冠層覆蓋度測量[12]，后利用TSJY-081型全自動便攜式人工模擬降雨器進行降雨。待小區產流開始后，降雨持續27 min，每間隔3 min收集一次產流，直至產流結束，并記錄產流量。泥沙量用烘干法測定。

1.4 數據分析

采用 Excel，SPSS 22.0 和 AutoCAD軟件進行數據計算和分析。

2 結果與分析

2.1 馬鈴薯對坡面開始產流時間的影響

由表1可知，在坡度一定時，馬鈴薯不同生育期的坡面開始產流時間均比裸地有所延遲。以10°坡為例，馬鈴薯不同生育期對坡面開始產流時間的先后順序為成熟期＞盛花期＞始花期＞幼苗期，其中，幼苗期對坡面開始產流時間的推遲效果影響較弱，較裸地推遲了0.89 min；馬鈴薯成熟期對坡面開始產流時間的推遲效果影響較大，較裸地推遲了6.54 min，是幼苗期推遲時間的 7.35 倍。

表1 不同坡度下，馬鈴薯不同生育期對坡面產流時間和產流產沙的影響

采用回歸方程定量分析坡面產流時間（t）和馬鈴薯不同生育期冠層覆蓋度（C）的關系，結果如表2所示。從表2可以看出，坡面開始產流時間與冠層覆蓋度呈線性正相關關系。說明隨著馬鈴薯在生長階段冠層覆蓋度的增加，產流時間推遲，且推遲效果明顯。主要是因為馬鈴薯冠層低矮，枝葉茂盛繁多，在降雨過程中，密實的冠層和茂盛的枝葉對降水起到了攔截作用，減少了到達地面的降雨量，從而延遲地表填洼時間[13]；同時馬鈴薯的冠層可以有效保護其覆蓋的土壤，防止土壤產生結皮，從而增加土壤入滲，推遲了坡面產流時間[14]。

表2 坡面產流時間與馬鈴薯冠層覆蓋度的相關性分析

2.2 馬鈴薯對坡面產流的影響

2.2.1 馬鈴薯對坡面產流過程的影響 由圖1可知，在降雨過程中，坡面產流率呈現出先急劇增大后緩慢增長，最后趨于穩定的趨勢，即降雨開始后的前10 min內，坡面產流率增長速度較快，隨后緩慢增長，最后達到一個穩定的狀態直至降雨結束。在5°，10°和15°這3種坡度下，馬鈴薯全生育期坡面的穩定產流率分別為 205.32～448.25，420.54～680.12和558.56～659.74 mL/（m2·min）。在相同坡度下，與裸坡相比，隨著馬鈴薯在生長階段冠層覆蓋度的不斷增加，坡面產流率明顯減小。

分析原因可知，在降雨前期，土壤含水量較低，到達坡面的雨水首先被土層吸收，在這期間土壤含水量快速增大，土壤入滲率迅速減小，使得坡面產流量隨著降雨時間的延長迅速增大[15-16]，大約產流10 min后，由于土壤含水量變化減弱，土壤入滲率趨于穩定，坡面產流量緩慢增大，坡面產流率最后趨于穩定。

在種植馬鈴薯的坡地上，馬鈴薯的冠層能夠防止雨滴直接擊濺地表，截留了部分雨水，同時也防止因土壤板結引起的土壤滲透性下降，從而減少徑流的產生；另一方面，馬鈴薯的根系在土壤中延伸、生長、生死交替，大量的孔隙和根隙被形成，為微生物和動物提供了生存環境[17]，而它們的生長繁衍又為該地土壤留下了數量巨大的孔隙和孔洞，從而促進了降雨入滲，減少了徑流量。

2.2.2 馬鈴薯對坡面總產流量的影響 由表1可知，在相同坡度下，馬鈴薯不同生育期的坡面總產流量均低于裸地。在5°，10°和15°這3種坡度下，馬鈴薯全生育期內坡面總產流量平均為43.58，59.18，75.64L，較裸地分別減少了 35.43%，33.78%和 32.35%。馬鈴薯不同生長階段的蓄水作用差異較大。以10°坡為例，幼苗期蓄水作用較弱，與裸地相比，總產流量減少了4.3%；成熟期的蓄水作用最為顯著，與裸地相比，總產流量減少了43.71%，其減少量是幼苗期減少量的10.16倍。

采用回歸方法，分析坡面產流總量（L）與馬鈴薯不同生育期冠層覆蓋度（C）的關系。由表3可知，產流總量與冠層覆蓋度呈負指數相關關系，表明馬鈴薯在生長階段冠層覆蓋度的增加能夠減小地表產流量，覆蓋度越大減小產流的作用越明顯。

表3 坡面產流總量與馬鈴薯冠層覆蓋度的相關性分析

2.3 馬鈴薯對坡面產沙的影響

2.3.1 馬鈴薯對坡面產沙過程的影響 從圖2可以看出，馬鈴薯全生育期產沙過程的波動性均遠低于裸地。以5°坡為例，裸地產沙起點值相對較高，同時具有較大的產沙曲線波動，在產流9 min后達到第1個峰值，隨后產沙過程依然具有較大的波動。與裸地相比，馬鈴薯不同生育期坡面產沙起點值均較小，且具有較小的產沙曲線波動。

分析原因可知，土壤侵蝕主要由雨滴濺蝕引起[18]。在裸坡上，由于土壤表面沒有任何覆蓋物的保護，雨滴直接擊打在土壤表層，造成了土壤顆粒的分離與擴散，增強了地表薄層徑流的紊動強度，從而增加了坡面產沙量[19]。而在種植馬鈴薯的坡面上，馬鈴薯密集的冠層對雨滴的動能有明顯的削弱作用，在坡面形成的徑流具有較低的動能和紊亂性，使其具有較低的挾沙能力；另一方面，種植馬鈴薯增加了地表的粗糙度和土壤的入滲率[20]，從而降低了地表徑流的流速，減弱了對土壤的沖刷作用。

2.3.2 馬鈴薯對坡面總產沙量的影響 從表1可以看出，在相同坡度下，馬鈴薯不同生長階段的坡面總產沙量均低于裸地。在5°，10°和15°這3種坡度下，馬鈴薯全生育期內坡面總產沙量平均為1.62，2.34，3.04 kg，較裸地分別減少了 55.41%，54.14%和50.94%。馬鈴薯不同生長階段的攔沙能力差異較大。以15°坡為例，幼苗期對坡面產沙影響較弱，與裸地相比，總產沙量減少了21.63%；成熟期的減沙效果最為顯著，與裸地相比，其總產沙量減少了73.42%，其減少量是幼苗期減少量的3.39倍。由此可見，隨著馬鈴薯的不斷生長，對坡面泥沙的調控作用不斷加強。

采用回歸方法，分析坡面總產沙量（S）與馬鈴薯不同生育期冠層覆蓋度（C）的關系。由表4可知，產沙總量與冠層覆蓋度呈負指數相關關系，表明馬鈴薯在生長階段冠層覆蓋度的增加能夠減小土壤流失量，冠層覆蓋度越大減小土壤流失量的作用越明顯。

表4 坡面產沙總量與馬鈴薯冠層覆蓋度的相關性分析

3 結論

本研究通過人工模擬降雨試驗，在不同坡度下，分析馬鈴薯全生育期對坡耕地產流和產沙的影響得出，在坡度相同的情況下，馬鈴薯不同生育期的坡面開始產流時間均比裸地有所延遲，且隨著馬鈴薯冠層覆蓋度的增加，坡面開始產流時間推遲，且二者的線性關系較好。

馬鈴薯不同生育期坡面產流率呈先急劇增大后緩慢增長，最后趨于穩定的趨勢。在相同坡度下，與裸地相比，隨著馬鈴薯在全生育期冠層覆蓋度的不斷增加，坡面產流率明顯減小。馬鈴薯全生育期產沙過程的波動性均遠低于裸地。裸地產沙起點值相對較高，產沙曲線波動也較大。與裸地相比，馬鈴薯不同生育期坡面產沙曲線具有較小的波動性，產沙起點值均小于裸地。

坡面總產流量和產沙量隨馬鈴薯冠層覆蓋度的增大呈負指數減小，與裸地相比，5°，10°和 15°這3種坡度下，馬鈴薯在其全生育期分別可減少總產流量的 35.43%，33.78%和 32.35%；分別可減少總產沙量的 55.41%，54.14%和 50.94%。因此，選擇在坡度較緩的位置種植馬鈴薯對坡耕地蓄水攔沙的效果較好，但由于馬鈴薯幼苗期土壤抗侵蝕能力較弱，應注意此時的土壤侵蝕防控。

參考文獻：

［1］田衛堂，胡維銀，李軍，等.我國水土流失現狀和防治對策分析[J].水土保持研究，2008，15（4）：204-209.

［2］王曄立，何啟明，王小鵬，等.黃土高原水土流失的因素分析[J].安徽農學通報，2014（20）：25-26.

［3］夏岑嶺，史志剛，歐巖鋒，等.坡耕地水土保持主要耕作措施研究 [J].合肥工業大學學報 （自然科學版），2000，23（Z1）：769-772.

［4］孟令欽，王念忠.坡耕地水土流失防治技術[M].北京：中國水利水電出版社，2012.

［5］張士華.山西省坡耕地水土流失綜合治理成效與經驗 [J].山西水土保持科技，2015（1）：4-6.

［6］高積善.加強坡耕地治理 防治水土流失 [J].甘肅農業科技，1983（10）：97-99.

［7］李海.馬鈴薯種植新技術[J].北京農業，2014（18）：156-157.

［8］張勇.不同作物種植方式對坡耕地產流產沙的影響 [J].中國西部科技，2014（1）：47-48.

［9］楊相昆，田海燕，魏建軍，等.不同播種方式及種植密度對馬鈴薯種薯生產的影響[J].西南農業學報，2009，22（4）：910-912.

［10］李強，李占斌，尤洋，等.植被格局對坡面產流產沙影響的試驗研究[J].水資源與水工程學報，2007，18（5）：31-34.

［11］梁洪儒，余新曉，樊登星，等.礫石覆蓋對坡面產流產沙的影響[J].水土保持學報，2014，28（3）：57-61.

［12］楊明君，樊民夫.旱作馬鈴薯根系拉力與冠層覆蓋度對塊莖膨大及產量的影響[J].華北農學報，1995，10（1）：76-81.

［13］曹群根.毛竹林冠層對降水的截留作用 [J].森林與環境學報，1991（1）：37-43.

［14］趙夢杰，姚文藝，王金花，等.植被覆蓋度對黃土高原地區土壤入滲及產流影響的試驗研究 [J].中國水土保持，2015（6）：41-43.

［15］穆文彬，李義豪，李傳哲，等.不同坡度和前期土壤含水率條件下裸地降雨產流試驗研究 [J].南水北調與水利科技，2016，14（6）：6-11.

［16］王輝，王全九，邵明安.前期土壤含水量對坡面產流產沙特性影響的模擬試驗[J].農業工程學報，2008，24（5）：65-68.

［17］譚雪蓮.輪作模式下馬鈴薯土壤微生物多樣性、酶活性及根系分泌物的研究[D].蘭州：甘肅農業大學，2016.

［18］唐澤軍，雷廷武，張晴雯，等.雨滴濺蝕和結皮效應對土壤侵蝕影響的試驗研究[J].土壤學報，2004（4）：632-635.

［19］韓學坤，吳伯志，安瞳昕，等.濺蝕研究進展[J].水土保持研究，2010，17（4）：46-51.

［20］王林華.黃土坡耕地地表粗糙度對入滲、產流及養分流失的影響研究[D].楊凌：西北農林科技大學，2017.