不同擾動帶設(shè)置對坡耕地產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響

郭志鵬，段喜明，裴 崢

（山西農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，山西太谷030801）

黃土高原是世界上土壤侵蝕最嚴重的區(qū)域之一[1]，也是我國主要的旱作農(nóng)業(yè)區(qū)，農(nóng)業(yè)活動的主體是坡耕地。但坡耕地又極易產(chǎn)生水土流失，據(jù)統(tǒng)計，坡耕地每年的土壤流失量約為1.5×109t，占全國水土流失總量的1/3[2]。因此，控制和減少坡耕地的水土流失，對改善耕地質(zhì)量和提高糧食產(chǎn)量都具有重要意義。坡度是影響坡耕地水土流失的一個重要因素，當坡度大于15°時，水土流失嚴重且土壤侵蝕量隨坡度上升而增加較大，因此，坡耕地的坡度盡量不超過15°[3-6]。擾動地表、改變微地形，可以增加地表糙度，進而影響水土流失。現(xiàn)有研究表明，產(chǎn)流產(chǎn)沙量隨地表糙度的變化并不是單一的遞增或遞減。一種觀點認為，擾動地表，增加地表糙度，使土壤疏松，更易受到?jīng)_刷，加劇了土壤侵蝕；另一種觀點認為，增加地表糙度可增加入滲，減輕水土流失[7-11]。作為常用的水土保持耕作措施，秸稈覆蓋也受到越來越多的關(guān)注。秸稈覆蓋可以削弱雨滴動能，使土壤免受雨滴擊濺，減少土壤顆粒的分離與擴散，同時還可以截留泥沙，減少土壤侵蝕[12-16]。

為尋找減少坡耕地水土流失的方法，本試驗在徑流小區(qū)內(nèi)沿等高線選一長條形區(qū)域進行翻耕處理，形成擾動帶；通過翻耕擾動，疏松土壤，增加入滲，減小徑流量，并在擾動區(qū)域覆蓋秸稈，以減輕擾動地表造成的土壤流失；通過改變擾動帶的位置和坡度，結(jié)合秸稈覆蓋，研究不同的擾動帶設(shè)置對坡耕地產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響。

1 材料和方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗在山西省方山縣沙溝水土流失綜合觀測場進行，地理位置東經(jīng) 111°17′34″，北緯 37°44′25″。觀測場所在流域控制面積1.78 km2，屬溫帶大陸性氣候，降雨集中且多暴雨，土壤類型為草甸土及褐土，水土流失類型以水力侵蝕為主。

1.2 試驗設(shè)計

觀測場內(nèi)有一系列徑流小區(qū)，小區(qū)用PVC板圍砌，投影面積為3 m×1 m，下部有出流口，用于收集小區(qū)的產(chǎn)流與產(chǎn)沙。本試驗在3種坡度（5°，10°，15°）的徑流小區(qū)內(nèi)沿等高線選一投影寬度為30 cm的長條形區(qū)域，翻耕表層10 cm土壤作為擾動帶，改變擾動帶的位置（上方或下方，即小區(qū)上1/3處或下1/3處）、坡度（原坡或水平）和覆蓋條件（有覆蓋或無覆蓋）對小區(qū)處理，并與CK（未設(shè)置擾動帶的小區(qū)）比較。每個坡度9種設(shè)置，共27個處理，試驗重復(fù)3次。擾動帶位置及坡度如圖1所示，水平擾動帶與上方坡段有5 cm寬的過渡段，擾動帶設(shè)置如表1所示。覆蓋物為風(fēng)干的玉米秸稈，切成10 cm小段，覆蓋量為0.4 kg/m2[4]。試驗采用TSJY-081型全自動便攜式人工模擬降雨器進行降雨，結(jié)合當?shù)貙嶋H降雨情況，雨強選擇1.2 mm/min。試驗前測得土壤容重為1.3g/cm3，土壤初始平均含水量為10%。從降雨開始進行計時，記錄開始產(chǎn)流時間，開始產(chǎn)流后每隔3 min收集一次徑流試樣（約300 mL），產(chǎn)流30 min后結(jié)束降雨。泥沙量用烘干法測定。

表1 擾動帶設(shè)置

2 結(jié)果與分析

2.1 開始產(chǎn)流時間的變化特征

由圖2可知，小區(qū)坡度不同時，產(chǎn)流時間隨坡度增加有提前的趨勢；擾動帶位于小區(qū)上方時，10°和15°坡開始產(chǎn)流時間相差不大。擾動帶位置不同時，與上方的擾動帶相比，下方的擾動帶在5°，10°和15°坡的條件下產(chǎn)流時間分別延遲68.89%～94.44%，106.52%～158.82%和56.25%～103.70%。擾動帶坡度不同時，與原坡擾動帶相比，水平擾動帶在 5°，10°和15°坡的條件下產(chǎn)流時間分別延遲10.14%～21.62%，25%～43.75%和20.97%～37.04%。擾動帶覆蓋條件不同時，與無覆蓋擾動帶相比，有覆蓋的擾動帶在5°，10°和15°坡的條件下產(chǎn)流時間分別延遲為20%～38.16%，7.95%～28.00%和12.73%～29.73%。

綜上所述，擾動帶的位置變化對產(chǎn)流時間的影響最為明顯，設(shè)置于小區(qū)下方的擾動帶延遲產(chǎn)流效果較好。擾動帶位置不同，作用范圍也不同，擾動帶位于小區(qū)下方時，可以攔截更大范圍的水量，充分發(fā)揮作用，延緩徑流的產(chǎn)生。其中，設(shè)置7（下方水平有覆蓋）延遲產(chǎn)流的效果最好，產(chǎn)流時間延遲可6.4～8.1 min。

2.2 擾動帶對產(chǎn)流的影響

2.2.1 對產(chǎn)流過程的影響 由圖3可知，不同處理的產(chǎn)流量均呈先增加后趨于穩(wěn)定的趨勢。產(chǎn)流初期，CK的產(chǎn)流量高于其他處理，且在10°，15°坡上更為明顯；產(chǎn)流6～12 min，無覆蓋的擾動帶產(chǎn)流量迅速增加，24 min后產(chǎn)流達到穩(wěn)定，產(chǎn)流量與CK接近，說明無覆蓋的擾動帶在產(chǎn)流前期可減少產(chǎn)流量，在產(chǎn)流6～12 min后已無減流效果；有覆蓋的擾動帶產(chǎn)流量增加較慢，穩(wěn)定產(chǎn)流量明顯低于CK，說明有覆蓋的擾動帶在整個產(chǎn)流過程中都有減流效果；設(shè)置7（下方水平有覆蓋）減少產(chǎn)流的效果最好，與CK相比，產(chǎn)流量減少42.81%～43.74%。

2.2.2 對總產(chǎn)流量的影響 從表2可以看出，擾動帶設(shè)置相同時，總產(chǎn)流量隨坡度增加而增加。10°坡的總產(chǎn)流量是5°坡的1.22～1.44倍，15°坡的總產(chǎn)流量是5°坡的1.49～1.89倍；坡度相同時，與CK相比，不同擾動帶設(shè)置均可減少產(chǎn)流。5°坡各設(shè)置減少產(chǎn)流5.12%～43.41%，10°坡各設(shè)置減少產(chǎn)流9.76%～42.81%，15°坡各設(shè)置減少產(chǎn)流12.95%～43.74%；同一坡度下，設(shè)置7（下方水平有覆蓋）的產(chǎn)流量最少，減少產(chǎn)流的效果最好，且坡度越大減流效果越好。

表2 不同處理的總產(chǎn)流量L

不同坡度下的產(chǎn)流量變化趨勢相似，以10°坡為例進行分析。擾動帶設(shè)置于下方比設(shè)置于上方產(chǎn)流量減少9.87%～23.04%；水平擾動帶比原坡擾動帶產(chǎn)流量減少3.61%～12.34%；有覆蓋的擾動帶比無覆蓋的擾動帶產(chǎn)流量減少8.35%～21.87%。這是因為擾動帶攔截徑流的作用與其位置有關(guān)，擾動帶越靠近下方，作用范圍越廣，攔截的水量也越多，所以擾動帶位于下方時，產(chǎn)流量也相對較低；水平擾動帶更有利于攔截徑流，但由于擾動帶范圍較小，所以產(chǎn)流量差距不大；秸稈覆蓋可以形成保護層，避免雨滴直接打擊擾動帶，堵塞土壤孔隙，形成土壤結(jié)皮。因此，擾動帶有覆蓋的小區(qū)穩(wěn)定產(chǎn)流量明顯低于擾動帶無覆蓋的小區(qū)。

2.3 擾動帶對產(chǎn)沙的影響

2.3.1 對產(chǎn)沙過程的影響 由圖4可知，開始產(chǎn)流后，產(chǎn)沙量先緩慢增加，6 min以后迅速增加，然后波動減小，24 min后趨于穩(wěn)定。擾動帶無覆蓋的小區(qū)產(chǎn)沙量波動較大，峰值較高；擾動帶有覆蓋的小區(qū)產(chǎn)沙量波動較小，峰值較低。這是因為翻耕擾動地表，會產(chǎn)生大量松散顆粒，容易造成土壤損失，秸稈覆蓋會形成保護層，不僅可以削弱雨滴濺蝕，還可減緩徑流流速，從而減少產(chǎn)沙量。

2.3.2 對總產(chǎn)沙量的影響 從圖5可以看出，在擾動帶設(shè)置相同的條件下，不同處理的總產(chǎn)沙量隨坡度變化為 15°＞10°＞5°。10°坡的總產(chǎn)沙量是 5°坡的 1.79～2.54 倍，15°坡是 5°坡的 3.34～4.25 倍。小區(qū)坡度相同時，不同擾動帶設(shè)置對小區(qū)的總產(chǎn)沙量影響不同，設(shè)置7（下方水平有覆蓋）的總產(chǎn)沙量最少，減沙效果最好；5°和15°坡的設(shè)置2（上方原坡無覆蓋）、設(shè)置6（下方原坡無覆蓋）和設(shè)置8（下方水平無覆蓋），10°坡的設(shè)置2（上方原坡無覆蓋）反而使總產(chǎn)沙量增加，因為這幾個小區(qū)的擾動帶均未覆蓋，本試驗的擾動帶是通過翻耕擾動地表形成的。因此，擾動帶的土壤疏松，土粒易于分散，在降雨過程中，濺蝕嚴重，產(chǎn)流以后，松散的土壤更易受到?jīng)_刷，造成產(chǎn)沙量的增加。不同處理的減沙效果列于表3。

表3 不同處理的減沙效果%

3 結(jié)論與討論

通過人工降雨試驗，在雨強1.2 mm/min、土壤容重1.3 g/cm3、土壤初始平均含水量10%的條件下，分析不同擾動帶設(shè)置對坡耕地產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響，結(jié)果表明，設(shè)置擾動帶可延遲產(chǎn)流時間，擾動帶的位置變化對產(chǎn)流時間的影響最明顯。其中，設(shè)置7（下方水平有覆蓋）延遲產(chǎn)流效果最好，產(chǎn)流時間延遲6.4～8.1 min。設(shè)置擾動帶可以減少產(chǎn)流量。設(shè)置7（下方水平有覆蓋）具有最優(yōu)的減流效果，與CK相比，總產(chǎn)流量減少42.81%～43.74%；覆蓋條件對擾動帶持續(xù)發(fā)揮作用具有重要意義。在產(chǎn)流6～12min后，無覆蓋的擾動帶已基本無減流效果，有覆蓋的擾動帶在整個試驗過程中都在發(fā)揮減流效果。擾動帶的減沙作用與覆蓋條件有關(guān)。有覆蓋的擾動帶均可減少產(chǎn)沙，無覆蓋的擾動帶減沙效果不明顯，部分處理反而使產(chǎn)沙量增加，設(shè)置2（上方原坡無覆蓋）在3個坡度上均不能減少產(chǎn)沙。設(shè)置7（下方水平有覆蓋）減少產(chǎn)沙的效果最好，與CK相比，產(chǎn)沙量減少32.47%～44.14%。不同的擾動帶設(shè)置對產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響不同，有覆蓋的擾動帶減流減沙效果較好，設(shè)置7（下方水平有覆蓋）效果最佳，且操作簡便，容易推廣。