晉西黃土區坡耕地不同下墊面水土流失對侵蝕性降雨的響應

周 晗, 嚴俊霞, 李洪建, 王小云

(1.山西大學 黃土高原研究所, 太原 030006; 2.山西省水土保持科學研究所, 太原 030045)

黃土高原是我國坡耕地的主要分布區之一，坡耕地造成的水土流失導致了黃土高原地區生態環境惡化，同時土壤水分不足也制約著該地區植被與生態恢復[1-2]。如何有效攔蓄徑流、促進降雨入滲，降低土壤侵蝕是坡耕地水土流失治理的核心。因此研究次降雨對坡耕地不同下墊面產流、產沙及入滲的影響，對于揭示黃土高原坡地徑流過程、水量轉化特點、坡面水土流失機理具有重要的意義。

關于降雨因子對坡面產流產沙的影響，學者們進行了大量的研究，主要通過對天然降雨或者模擬降雨條件下徑流泥沙的監測，揭示坡面水土流失的機理。目前對不同下墊面產流產沙、入滲規律的研究多集中在人工林草植被、農作物方面，申震洲等[3]認為相同降雨條件下，灌木地減流減沙、增加入滲的效果優于荒草地、裸地。趙鵬宇[4]認為灌木地土壤水分入滲率隨雨強增大呈增大趨勢，翻耕草灌地則反之。以作物為對象的水土流失規律研究多在模擬降雨條件下進行，馬波等[5]通過人工模擬降雨對大豆產流產沙進行了研究，結果表明與裸地相比，大豆全生育期內可減少徑流量31.43%，減少土壤流失量54.84%。劉志明[6]對生育期馬鈴薯坡面進行研究表明，坡面產流產沙與降雨強度呈正相關，能有效削弱暴雨下坡面土壤侵蝕過程。吳佳等[7]對秋作物(玉米、大豆、谷子)坡地、裸地在模擬降雨條件下的入滲特征參數研究表明，降雨強度與入滲性能存在顯著正相關。關于棄耕地的研究多集中在水土流失特點、土壤抗蝕性方面。張旭昇等[8]研究了天然降雨下人為擾動和自然恢復撂荒地產流產沙的特點，結果表明徑流量與徑流含沙量、產沙量與15 min雨強有相同的增減趨勢，呈三次曲線關系。羅利芳等[9]通過野外不同流量放水沖刷試驗，認為土壤抗沖性、透水性隨撂荒年限的延長而增強，撂荒5 a后，水土流失得到很大控制。李華林[10]、李瑞等[11]認為喀斯特地區撂荒地徑流量、泥沙量均顯著低于林地和坡耕地。

上述研究沒有明確不同時段雨強對棄耕地及不同作物種類水土流失及入滲的影響程度。本研究在山西省靜樂縣娑婆小流域進行，通過小區實地監測，在兼顧作物種類、下墊面變化的基礎上，研究降雨因子對坡面土壤侵蝕的影響，以期為坡耕地水土流失綜合治理、土地利用規劃提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

該試驗在汾河流域上游的靜樂縣娑婆鄉娑婆村娑婆小流域徑流觀測場進行。該區屬汾河支流東碾河小流域，區內屬溫帶季風氣候，年均溫3.5～6.8℃，年降雨量380～500 mm，降水多集中在7—9月。流域內溝壑相間、地形破碎，坡耕地分布廣泛，土壤侵蝕主要為水力侵蝕，平均土壤侵蝕模數約為5 800 t/(km2·a)。該區土壤為砂質黃壤土，有機質含量0.15%～1%，土壤容重1～1.3 g/cm3，土壤孔隙率45%～60%，田間持水量17%～25%。喬木主要為油松(Pinustabulaeformis)、白楊(Populusalba)和垂柳(Salixbabylonica)，灌木主要以沙棘(Hippophaerhamnoides)、黃刺玫(Rosaxanthina)、毛榛(Corylusmandshurica)為主，草本主要為狗尾草(Setariaviridis)、白草(Pennisetumcentrasiaticum)等，主要種植作物有玉米(Zeamays)、馬鈴薯(Solanumtuberosum)。

1.2 試驗設計

徑流場修建于2013年，位于娑婆小流域下游，場內共布設有12個徑流小區，主要用于對坡耕地降雨、徑流、泥沙進行定點監測。各小區投影面積為30 m2(3 m×10 m)，坡向南，位于坡面中上部，坡度為12°。12個小區之間由1.0 m管理道路分為東、中、西三組，每組的4個小區分別為玉米小區、馬鈴薯小區、裸地小區、棄耕地小區，每組均有3個重復小區。2016年春季在對應小區分別穴狀種植由山西省農科院選育的玉米(中地88號)、馬鈴薯(晉薯17號)，根據當地種植制度進行澆水、除草及病蟲害防治等農事活動。裸地應及時清除地表植被覆蓋物，保持坡面無任何植被覆蓋；棄耕地自2013年起沒有進行種植，截至2016年春耕季為棄耕三年。各小區具體參數詳見表1。

表1 徑流小區參數

注：地表植被覆蓋度為觀測期內6次測定值的平均值。

1.3 研究方法

1.3.1 數據測定 試驗于2016年雨季7—9月進行。次降雨量采用翻斗式自記雨量計(JQR-1，濰坊金水華禹信息科技有限公司)測定。根據雨量計記錄數據分別統計出每隔10 min，30 min等時間間隔的降雨量，換算成相應時間段的雨強，選擇出單場降雨中最大的時段雨強。徑流量通過集流桶收集后采用容積法測量。首先通過人力將泥沙和徑流充分混勻，然后取1 L混合水樣，經沉淀、烘干、稱重(精確到g)求得泥沙含量，根據泥沙量計算各小區的產沙量。入滲率通過降雨量和徑流量的差值計算得到[12-13]。地表植被覆蓋度參照《徑流小區和小流域水土保持監測手冊》采用目估法和照相法推算。

1.3.2 數據分析 參與統計分析的數據，如徑流量、泥沙量等均為3個重復小區的平均值。用Excel 2010進行計算和作圖，用SPSS 13.0的單因素方差分析對4種下墊面小區的產流、產沙、入滲率的均值差異進行統計檢驗；降雨因子與徑流深、泥沙流失量、入滲率的相關性采用Pearson相關分析。

2 結果與分析

2.1 試驗期降雨特征

選取試驗地2016年7月15日—2016年9月17日具有代表性的6場侵蝕性降雨，降雨量(P)介于28.63～41.82 mm之間。根據氣象學中降雨強度劃分標準，6場降雨均屬于大雨范疇。依次統計出單場降雨的最大10 min雨強(I10)、最大30 min雨強(I30)和平均雨強(I平)(表2)。分段雨強能反映出降雨過程集中程度的差異性，平均雨強能體現出單次降雨的總特征[14]。由表2，表3可知，降雨量大，時段雨強不一定大。時段雨強I平與I10，I30沒有顯著相關性，而I10與I30有顯著的相關性。

表2 場次降雨特征

表3 場次降雨特征相關性分析

2.2 不同下墊面徑流小區產流、產沙及入滲特征

不同下墊面次降雨徑流深、泥沙流失量、入滲率變化情況如圖1所示。單場降雨不同下墊面徑流深、泥沙流失量、入滲率差異顯著(p<0.05)。總體來看，在研究期間，不同下墊面徑流深、泥沙流失量從小到大依次表現為玉米地<馬鈴薯地<棄耕地<裸地，而入滲率則反之。與玉米地相比，馬鈴薯地、棄耕地和裸地的徑流深顯著增加了58.95%，146.85%，261.48%；泥沙流失量顯著增加了50.45%，94.98%，240.06%；入滲率顯著下降了5.68%，14.25%，25.36%。

注：同組不同小寫字母為p<0.05水平下差異顯著。

圖1 不同下墊面徑流小區次降雨徑流深、泥沙流失量、入滲率變化

2.3 次降雨對不同下墊面徑流小區產流的影響

2.3.1 降雨量對徑流深的影響 坡面產流是由降水、截留、填凹、蒸發、入滲等過程綜合作用的結果，其中降水作為僅有的水分來源，是產生地表徑流的必要條件。對觀測期降雨量(P，mm)和徑流深(玉米地Ry；馬鈴薯地Rm；棄耕地Rq；裸地Rl，mm)建立線性和冪函數回歸模型。線性回歸模型(玉米地：Ry=1.30+0.05P，R2=0.55，p=0.09；馬鈴薯地：Rm=1.01+0.11P，R2=0.76，p=0.02；棄耕地：Rq=0.99+0.19P，R2=0.69，p=0.04；裸地：Rl=2.15+0.26P，R2=0.76，p=0.03)。冪函數回歸模型(玉米地：Ry=0.36P0.60，R2=0.56，p=0.09；馬鈴薯地：Rm=0.29P0.79，R2=0.73，p=0.03；棄耕地：Rq=0.34P0.88，R2=0.68，p=0.04；裸地：Rl=0.64P0.80，R2=0.73，p=0.03)。兩種模型中除玉米地之外，線性回歸模型具有較高的相關系數。

2.3.2 雨強對徑流深的影響 雨強越大，單位時間到達地面的降水越多，地表產生的徑流隨之增多。運用SPSS軟件對不同下墊面徑流小區徑流深與分段雨強分別進行相關分析，由表4可知，玉米地、棄耕地、裸地徑流深與I10，I30，P×I10，P×I30呈顯著或極顯著關系。除裸地以外，其他下墊面徑流深與I30相關性大于I10。各小區徑流深與降雨復合因子(P×I10，P×I30)的相關程度大體上高于與單一降雨因子(P，I10，I30)的相關程度，但與平均降雨強度相關性均不顯著。由表5可見，玉米地、馬鈴薯地、裸地徑流深與I10，I30，P×I10，P×I30呈較好的冪函數關系，棄耕地徑流深與I10，I30，P×I10，P×I30呈較好的一次函數關系。

表4 徑流深與降雨因子的相關性分析

注：**表示0.01水平(雙側)上顯著相關，*表示0.05水平(雙側)上顯著相關。

表5 徑流深與降雨因子回歸關系

2.4 次降雨對不同下墊面徑流小區產沙的影響

降雨是影響土壤侵蝕的主要因素之一。P，I平與泥沙流失量均沒有顯著相關性。不同下墊面泥沙流失量與I10，I30，P×I10，P×I30呈顯著或極顯著正相關(玉米地與P×I10，棄耕地與I30除外)。由表6可見，玉米地、馬鈴薯地、裸地泥沙流失量分別與I10，I30，P×I10，P×I30呈較好的冪函數關系，擬合程度從高到底依次是I30>I10，P×I30>P×I10；棄耕地泥沙流失量分別與I10，I30，P×I10，P×I30呈較好的一次函數關系。

表6 泥沙流失量與降雨因子回歸關系

2.5 次降雨對不同下墊面徑流小區入滲的影響

江忠善等[15]按照I30標準劃分雨強類型：I30≤15 mm/h為低雨強；15 mm/h

3 討 論

本試驗研究了次降雨下玉米地、馬鈴薯地、棄耕地、裸地的徑流深、泥沙流失量、入滲率的變化規律。對同一地區而言，在較小的時間尺度上，植被是影響土壤侵蝕的關鍵因子之一[17]。相同降雨條件下，不同下墊面間在產流、產沙及入滲方面存在顯著差異，這可能是由于不同植被的葉形、根形、莖形、株高等形態因子通過改變降雨特征、土壤物理化學特性和地表徑流性質而影響產流產沙以及入滲規律[18-19]。根據已有研究結論[20]可知，植被覆蓋能有效延緩產流、增加入滲、顯著減少產沙量。本研究中馬鈴薯地植被覆蓋度高于玉米地，而玉米地減流減沙、增加土壤入滲效果卻優于馬鈴薯地，這是由于玉米是作物中產生莖稈流能力較強的物種，可以將多達40%～50%的降雨轉化為莖干流[21]；馬鈴薯能將20%～46%的降雨量引流至其莖稈[22]。不同植被類型對土壤的固結作用差異明顯[23]。于國強等[24]認為植被根系對水沙的調控作用大小起著至關重要的作用。馬鈴薯屬淺根性農作物，玉米氣生支柱根發達，根系的纏繞和固結作用能增強土壤抗沖性。試驗期玉米地徑流系數小于0.1，低于盧龍彬等[25]研究的黃土高原北部水蝕風蝕交錯區徑流系數，這表明大部分降雨被玉米截留進入到土壤中。

圖2 不同下墊面徑流小區入滲率隨I30變化

本試驗中玉米地、馬鈴薯地泥沙流失量高于棄耕地，這與一些研究結果[10-11]不一致。這是因為試驗期為7—9月，玉米和馬鈴薯處于生殖生長階段，依照當地的種植制度，在此期間不進行除草等農事活動，因此人為活動引起的水土流失較低。撂荒1～5 a土壤堅實度、植被生長狀況有一定差異，波動性較大[9]。試驗地棄耕地恢復年限為3 a，地表植被分布不均勻，試驗期降雨較集中，降雨初期濺蝕作用較大，降雨中后期極易發生細溝和淺溝侵蝕，因此泥沙流失量相對較高。而玉米地和馬鈴薯地由于上層植被對雨滴動能的緩沖作用和根系對土壤的固結作用，不易發生細溝和淺溝侵蝕。

馬鈴薯地、裸地、棄耕地徑流深與次降雨量呈顯著線性相關，這與寇馨月等[13]研究結果一致。但玉米地徑流深與次降雨量關系不顯著，這是由于玉米特有的植株形態通過對降雨進行再分配進而影響地表徑流的形成。降雨量與不同下墊面泥沙流失量正相關關系不顯著，主要原因是坡面產沙不同于產流，產流量主要與土壤含水量有關，而土壤含水量與降雨量密切相關；產沙量則主要取決于地表徑流侵蝕力的大小，因此與降雨強度的關系更密切[26]。不同下墊面徑流深、泥沙流失量與平均雨強均無顯著相關性，這是由于平均雨強僅僅反映的是某次降雨的總體特征，不能反映出降雨集中程度的差異[27]。不同時段雨強分別與徑流、泥沙流失量的回歸關系一致，這是因為徑流是泥沙輸出的載體。

不同下墊面降雨因子與入滲率沒有顯著相關性。這是由于天然降雨過程中雨強變化不恒定，導致土壤入滲率隨之改變，雨強降低時，入滲率有所增加；雨強增大時，入滲率小幅增加后，增加速率減慢[28]。不同下墊面入滲率隨降雨量增加而增加，隨雨強增加而減小，這是由于降雨量大時雨強不一定大，當降雨量增加時，地表水深增加，地表水層靜水壓力相應增大，一定程度上增加了土壤入滲性能[29]。在中高型雨強下，雨滴具有較強的動能，對地表的擊濺作用會堵塞土壤毛細孔管，阻礙水分正常入滲。

本研究也存在一些問題，缺少不同農作物間作模式的徑流小區，缺乏作物根系對產流產沙及入滲的研究，今后的研究中可加入此部分內容，進而全面揭示坡地作物對水土流失的影響機理。對于棄耕地隨棄耕年限增加的水土流失變化特點仍需在結合植被演替、土壤理化性質規律的基礎上深入研究。

4 結 論

(1) 不同下墊面徑流深、泥沙流失量、入滲率差異顯著，相同降雨量條件下，各下墊面徑流深、泥沙流失量大小關系為：玉米地<馬鈴薯地<棄耕地<裸地，入滲率則反之。

(2) 不同下墊面徑流小區降雨量、平均雨強分別與泥沙流失量、入滲率沒有顯著相關性；徑流深隨降雨量的增加而顯著增加，I30對不同下墊面徑流深、泥沙流失量影響整體高于I10，降雨復合因子對徑流深的影響高于單因子。不同下墊面徑流深、泥沙流失量與雨強因子呈冪函數或一次函數關系。

(3) 玉米具有較好的水土保持性能，可作為黃土丘陵區坡耕地農作物首選品種進行種植。