沖刷條件下不同下墊面對坡耕地的阻滯水土特征分析

趙成一

(中煤科工集團沈陽設(shè)計研究院有限公司，遼寧 沈陽 110066)

坡耕地的水土流失防治是我國生態(tài)環(huán)境建設(shè)和實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要問題之一[1]。與林地相比，坡耕地人為擾動頻率較大，加之不科學(xué)耕作方式的影響，使得坡耕地的徑流量遠大于林地，產(chǎn)沙量是林地的2～4倍，是天然荒坡的4～7倍，且變化幅度較大[2-4]。保護農(nóng)田土壤結(jié)構(gòu)的完整性以及科學(xué)的管理模式，對優(yōu)化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及坡面水土流失的防治等方面具有重要意義[5-8]。

在北方地區(qū)，對水土流失的研究主要集中在林地和草地上[9,10]。針對作物在不同下墊面產(chǎn)流產(chǎn)沙影響作用的研究相對較少[11-15]。因此，作物對坡耕地產(chǎn)流產(chǎn)沙的調(diào)控需要進一步研究，以闡明不同下墊面條件下作物抑制坡耕地產(chǎn)流產(chǎn)沙的機理與程度。潘成忠等[16]在室內(nèi)模擬降雨試驗基礎(chǔ)上得出植被覆蓋坡阻力系數(shù)f和曼寧糙率系數(shù)n均高于裸坡，且與植被蓋度呈正相關(guān)關(guān)系。王瑄等[17]研究天然降雨條件下裸坡產(chǎn)沙量，結(jié)果表明，產(chǎn)沙率都隨著瞬時雨強的增大而增加，高坡度坡面產(chǎn)沙率總體高于低坡度坡面。盛世博等[18]在天然降雨條件下利用相關(guān)分析法探究對坡面產(chǎn)沙量的影響因子，結(jié)果表明，降雨強度對坡面產(chǎn)沙量影響最大，降雨動能次之。此外，作物的抗沖刷能力與作物的本身有關(guān)，張賀等[19]研究表明，馬鈴薯成熟期對坡面開始產(chǎn)流時間的推遲效果影響較大，是幼苗期推遲時間的7.35倍。王健等[20]研究表明，玉米坡面年產(chǎn)沙量較裸地降低了30%，年徑流量平均較裸地降低19%。因此，研究沖刷條件下坡耕地不同下墊面的阻滯水土效益具有重要意義。目前，已有的試驗關(guān)于坡耕地徑流和泥沙作用研究大多是以地形、植被和氣象等作為其影響因子展開的，而以不同下墊面以及作物的不同生育期作為其主要影響因子開展的相關(guān)研究則較為少見。因此，本文將以大豆不同生育期為研究對象，基于橫壟耕作(ZT)、免耕留株(PT)、免耕覆蓋(CT)和裸地(BT)4種下墊面條件下進行放水沖刷試驗，研究坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙的特征，為北方地區(qū)坡耕地的下墊面合理選用和坡耕地水土流失的防治提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗于2020年4月18日在沈陽市沈河區(qū)沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)水利學(xué)院綜合試驗場進行。試驗區(qū)土壤類型為棕壤，有機質(zhì)3.68%，假比重1.26%，萎蔫系數(shù)8%。試驗區(qū)土壤顆粒組成見表1。

1.2 試驗設(shè)計

本試驗徑流小區(qū)共計7個，坡面朝向一致，坡度均為3°。每個小區(qū)長20m，寬5m。在小區(qū)頂端設(shè)置穩(wěn)流槽，用于穩(wěn)定水流，使水流穩(wěn)定均勻流入坡面，小區(qū)底端設(shè)置集流槽，采集坡面徑流和泥沙。根據(jù)北方土石低山地區(qū)土壤性質(zhì)的特點，試驗選擇大豆品種為“遼豆15號”，其抗病、抗倒伏性較好，生育期為152d左右。大豆種植的行間距為20cm，列間距為60cm，每穴播種1～2株，每小區(qū)種植30行。試驗期間，大豆每年播種日期為4月18—20日，收獲日期為9月10—15日，出苗前與出苗后30d，分別進行1次化學(xué)除草。每個生育期在坡耕地上進行1次放水沖刷試驗，采用橫壟耕作(ZT)、免耕留株(PT)、免耕覆蓋(CT)和裸地(BT)4種下墊面，1個流量(0.95L·s-1)，共計5個生育期，幼苗期(A1)、花芽分化期(A2)、開花結(jié)莢期(A3)、鼓粒期(A4)、成熟期(A5)，5組試驗，每組試驗重復(fù)2次。試驗小區(qū)耕作下墊面的布設(shè)方案及代碼如表2所示。

表1 試驗區(qū)0～50cm土層土壤顆粒組成

表2 試驗設(shè)計

本試驗沖刷用水為當(dāng)?shù)鼐?，水溫?～4℃。沖刷過程由水泵向供水箱供水，為保證水壓穩(wěn)定，水箱一直處于蓄滿狀態(tài)。試驗開始前，用環(huán)刀法測定徑流小區(qū)的表層土壤含水率。通過預(yù)噴水或晾曬等方式來保證每次徑流沖刷試驗前期含水率大致相同后進行試驗，根據(jù)以往野外沖刷試驗資料和實測土壤含水率值，將本次試驗的前期含水率控制在20%～25%，每次徑流沖刷試驗從產(chǎn)流開始到結(jié)束持續(xù)時間為12min，試驗盡可能安排在無風(fēng)條件下進行。試驗開始后，自產(chǎn)流開始，每隔1min用集流桶收集1個徑流泥沙樣品，用于試驗后對產(chǎn)流產(chǎn)沙量的測算。用量筒測定各個水沙樣品的體積并編號，然后靜置混合樣24h，使水沙完全分離后倒掉上部清水將泥沙樣用105℃烘干箱烘干12h，測定各個樣品的泥沙量，進行數(shù)據(jù)處理分析。試驗所用秒表精度為0.001，電子天平實際分度值為0.01g。本試驗將坡耕地不同下墊面阻滯水土的作用分為2部分，減少產(chǎn)流與產(chǎn)沙。采用徑流量(VR，L·m-2)、產(chǎn)流時間(RT，min)、產(chǎn)沙量(SY，g)、阻水效益(RRB，%)、阻沙效益(SRB，%)這5個指標(biāo)進行綜合分析。RT表示穩(wěn)流槽中開始溢流到坡面產(chǎn)生徑流的時間，RRB表示作物地與裸地相比減少的徑流量百分比，SRB表示作物地與裸地相比減少的泥沙量百分比，其中，RRB、SRB的計算公式：

(1)

(2)

式中，RB和RU分別為裸地和不同耕作下墊面的徑流量；SB和SU分別為裸地和不同耕作下墊面的產(chǎn)沙量。

1.3 數(shù)據(jù)分析

應(yīng)用IBM SPSS Statistics 21和Excel軟件進行試驗數(shù)據(jù)處理，利用Origin 9.1軟件繪圖，取代表性生育期、下墊面等因子及其交互作用對小區(qū)產(chǎn)流產(chǎn)沙影響的顯著性進行對比研究。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同下墊面阻水效益分析

2.1.1 不同下墊面條件下徑流量及產(chǎn)流時間隨大豆生育期的變化特征

在放水沖刷條件下，不同下墊面產(chǎn)生的徑流量(VR)隨大豆生育期的變化特征基本相似。從圖1可知，大豆幼苗期對ZT下墊面產(chǎn)流影響較弱，與裸地相比VR減少5.2%，雖然大豆在幼苗期抗倒伏能力差、豆莖嬌弱，但依然對不同種類的下墊面的產(chǎn)流起明顯抑制作用。對比幼苗期(A1)4種下墊面VR值的大小，發(fā)現(xiàn)只有PT下墊面與CT下墊面的VR值大致相似，均顯著低于BT與ZT下墊面，而在其它4個生育期(A2、A3、A4、A5)，ZT、PT、CT 3種下墊面的VR值才均顯著低于裸地(BT)，這說明免耕覆蓋(CT)與免耕留株(PT)的下墊面在大豆幼苗期要比橫壟耕作(ZT)起到的蓄水截流能力強，使土壤含水率提升，對幼苗的發(fā)育起到顯著的帶動作用。

圖1 大豆不同生育期在不同下墊面的條件下徑流量(VR)對比

圖2 大豆不同生育期在不同下墊面的條件下產(chǎn)流時間(RT)對比

縱觀大豆的全生育期可以發(fā)現(xiàn)一些變化特征，就大豆不同生育期及不同下墊面的產(chǎn)流時間(RT)而言，如圖2所示，大豆地的RT值比裸地(BT)更久，成熟期(A5)的4種下墊面的產(chǎn)流時間，均表現(xiàn)為顯著高于裸地(BT)，并且也同時顯著高于A1、A2、A3、A4 4個生育期(P<0.05)，這是因為處于成熟期的大豆，自然降雨較少、空氣濕度下降、豆粒脫水，造成植株變干、土壤含水率大大降低，再加之植株葉片受黃脫落使抑制水流的作用增大，增加水分下滲，從而形成超滲產(chǎn)流的時間要高于大豆的其它4個生育期。

除A5生育期，其余4個生育期裸地的RT值均無顯著差異(P>0.05)，從A1、A2、A3、A4這4個生育期來分析，可以看出大豆的RT值，均表現(xiàn)為A4>A3>A2>A1。但是，A1生育期ZT下墊面與BT下墊面的RT值無顯著差異(P>0.05)，與PT下墊面存在顯著性差異(P<0.05)，而在其余4個生育期(A2、A3、A4、A5)反而ZT下墊面與BT下墊面的RT值存在顯著性差異(P<0.05)，與PT下墊面無顯著性差異(P>0.05)。這說明大豆在幼苗期(A1)橫壟耕作(ZT)的幼苗對水流的攔截效果弱于免耕留株(PT)，主要是因為免耕留株的一年生的豆莖要比幼苗時期的橫壟耕作的幼苗粗壯，雖然PT下墊面的豆莖已經(jīng)干枯死亡，但仍能對水流起到一定的阻擋作用，這一點要優(yōu)于此時期的ZT下墊面。而隨著大豆生長，作物冠層逐漸厚實茂盛，對地表的保護作用增強，削弱其對徑流的擾動力，同時也降低了徑流的挾沙力，而此時幼苗逐漸粗壯，蓄水保土能力也逐漸增強，PT下墊面干枯的豆莖相比于幼苗期的阻水作用隨大豆的生長而慢慢減弱，如圖2中A2、A3、A4、A5的RT值表現(xiàn)出CT>PT≈ZT>BT，可見，隨著大豆不斷發(fā)育，A2、A3、A4、A5這4個生育期的PT與ZT下墊面的產(chǎn)流時間關(guān)系無顯著差異(P>0.05)。

2.1.2 不同下墊面條件下坡面產(chǎn)出流量隨時間的變化特征

大豆在不同生育期條件下，坡面產(chǎn)出流量均會隨沖刷歷時的增加而明顯增長。由圖3可知，BT下墊面產(chǎn)出流量最高，ZT下墊面與PT下墊面的產(chǎn)出流量在幼苗期差異明顯。

隨著時間的推移，大豆幼苗逐漸成熟，在花芽分化期、開花結(jié)莢期和鼓粒期，ZT與PT下墊面對水流的阻擋效果幾乎一致，2條曲線也趨于重合，并且在成熟期BT、ZT、PT、CT下墊面的曲線斜率迅速下降，伴隨著產(chǎn)流量的減少，通過比較大豆不同生育期可知，隨著大豆的生長，ZT、PT、CT下墊面產(chǎn)出流量緩慢減少。并且大豆不同生育期在不同下墊面的產(chǎn)出流量與沖刷歷時的關(guān)系能夠用冪函數(shù)方程較好的擬合，每個生育期4種下墊面(BT、ZT、PT、CT)所擬合經(jīng)驗方程的系數(shù)值，均表現(xiàn)為BT>ZT>PT>CT。

同時，為了探究不同下墊面對坡面產(chǎn)流的調(diào)控機理，選擇阻水效益作為指標(biāo)，通過與完全裸露的徑流小區(qū)形成對照，將大豆不同生育期及下墊面條件下徑流小區(qū)采集的數(shù)據(jù)，根據(jù)式(1)與對照小區(qū)進行計算處理，繪制成圖4。

圖3 大豆不同生育期在不同下墊面的條件下產(chǎn)出流量的變化過程

圖4 不同下墊面阻水效益分析對比 注：圖中各數(shù)值均為2次重復(fù)數(shù)據(jù)平均值。

由圖4可知，隨著大豆的生長，大豆的阻水效益(RRB)均顯著增加，其中橫壟耕作下墊面在A1生育期的阻水效益不明顯，為5.2%，但隨著植被覆蓋度的增大，其值也逐漸增大，最終能與免耕留株基本持平，ZT、PT、CT 3種下墊面阻水效益的最大值出現(xiàn)在A5生育期，分別為23.57%、23.8%、31.6%。說明此時期的阻水效果最強，與A1期相比，效果差值最大達20.69%，這充分反映了坡面植被對徑流的調(diào)控作用。此外，在A1、A2、A3、A4、A5生育期內(nèi)，CT下墊面的阻水效益值均保持最大，分別為10.92%、17.22%、24%、30.4%、31.61%。

可見，在沖刷強度條件一定時，免耕覆蓋下墊面(CT)對徑流的攔蓄徑流的效果最為明顯。

2.2 不同下墊面阻沙效益分析

2.2.1 不同下墊面條件下產(chǎn)沙量隨沖刷歷時的變化特征

大豆花芽分化期、開花結(jié)莢期、鼓粒期、成熟期產(chǎn)沙過程的波動性均遠低于幼苗期，由圖5可知，隨著大豆的生長，3種下墊面(ZT、PT、CT)的坡面產(chǎn)沙過程線也逐漸降低。

縱觀大豆3種下墊面的產(chǎn)沙過程不難發(fā)現(xiàn)，大豆幼苗期的產(chǎn)沙起點值普遍較高，并伴隨較大的產(chǎn)沙曲線波動。以免耕留株(PT)下墊面為例，可以看出，幼苗期產(chǎn)沙過程線均高于其它4個生育期，并于產(chǎn)流6min后進入第1個峰值，隨后產(chǎn)沙曲線相對平滑，但隨著大豆的生長，每個生育期產(chǎn)沙首峰的形成時間均比上一個生育期提前，并伴隨著產(chǎn)沙量的降低，其峰值也降低，之后的產(chǎn)沙過程變化起伏明顯減弱。

分析原因可知，幼苗期的大豆，由于枝葉尚未成熟，土壤表面覆蓋物面積較小，徑流直接沖擊地表土壤，造成了土壤顆粒的分離與擴散，從而增加了坡面的產(chǎn)沙量。而在其它4個生育期，3種種植模式的下墊面相對于幼苗期的大豆來說，均會增加地表的粗糙度與土壤的入滲率；此外，大豆縱橫交錯的根系與密集的莖干以及冠層，對徑流的沖擊力有明顯的削弱作用，同時坡面水流紊亂性也隨之降低，使單位水體中，水流能夠輸移的泥沙量大幅減少，從而減弱了徑流對土壤的沖刷作用。

2.2.2 不同下墊面條件下坡面產(chǎn)出沙量變化特征

圖5 大豆不同生育期在不同下墊面的條件下產(chǎn)沙量的變化過程 注：圖中各數(shù)值均為2次重復(fù)數(shù)據(jù)平均值。

由圖6可知，在相同沖刷流量條件下，無論是何種耕作模式，大豆不同生長階段坡面總產(chǎn)沙量均低于裸地。呈現(xiàn)出產(chǎn)沙量的變化特征為裸地>幼苗期>花芽分化期>開花結(jié)莢期>鼓粒期>成熟期；但是，大豆在不同生育期對坡耕地攔蓄泥沙的效果不盡相同，由圖7可知，幼苗期的阻沙效益較弱，3種下墊面(ZT、PT、CT)的阻沙效益分別為5.68%、10.49%、15.13%；成熟期的阻沙效益最為顯著，ZT、PT、CT下墊面的阻沙效益分別為43.36%、53.84%、56.96%；分析原因可知，幼苗期較小的植被覆蓋度使徑流對地表的直接作用加強，ZT下墊面的產(chǎn)沙量最為突出，是因為此耕種模式的下墊面在植被幼苗期的攔蓄泥沙效果相對較弱，與PT和CT下墊面在同時期的產(chǎn)沙量形成了鮮明的對比。而隨著大豆的生長，作物冠層及根系更加茂盛繁雜，使徑流沖刷對地表的直接作用大幅下降，從而降低了徑流挾沙能力，這就間接決定了大豆生長旺盛期(鼓粒期與成熟期)坡面出現(xiàn)的產(chǎn)沙量較少。

采用回歸分析方法，分析大豆不同生育期與下墊面產(chǎn)出沙量隨植被覆蓋度的關(guān)系，如表3所示。

圖6 大豆不同生育期在不同下墊面條件下的產(chǎn)沙總量百分比

圖7 不同下墊面阻沙效益分析對比

表3 大豆不同下墊面條件下產(chǎn)出沙量隨不同生育期植被覆蓋度經(jīng)驗方程擬合

從表3可知，大豆不同生育期在0.95L·s-1沖刷流量下不同下墊面的產(chǎn)出沙量與植被覆蓋度的關(guān)系均可用一次函數(shù)方程較好的擬合，顯著性水平均為0.01，決定系數(shù)在0.941～0.993。此外還可以發(fā)現(xiàn)，在沖刷強度條件一定時，每種下墊面(ZT、PT、CT)和5個生育期所擬合經(jīng)驗方程的系數(shù)值與常數(shù)項，均表現(xiàn)為ZT>PT>CT。在植被覆蓋度相同的條件下，CT下墊面的產(chǎn)出沙量的最少，表明CT下墊面的攔沙效果要優(yōu)于其它2種下墊面。同時，由表3可知，產(chǎn)出沙量與植被覆蓋度呈負線性相關(guān)關(guān)系，說明大豆在生長過程中，土壤流失量隨著植被覆蓋度的增加而減小，植被覆蓋度越大，減小土壤流失量的作用越明顯。

3 結(jié)論

大豆不同生育期的坡面產(chǎn)流時間普遍比裸地更久，并且大豆坡面的產(chǎn)流時間均會隨著作物的生長而延長。在花芽分化期、開花結(jié)莢期、鼓粒期及成熟期，產(chǎn)流時間的長短為CT>PT≈ZT>BT。

在A1、A2、A3、A4、A5生育期內(nèi)，CT下墊面的阻水效益值均保持最大，分別為10.92%、17.22%、24%、30.4%、31.61%；BT下墊面產(chǎn)出流量最高，隨著大豆的生長，ZT、PT、CT下墊面產(chǎn)出流量緩慢減少，并且CT下墊面產(chǎn)出流量在大豆全生育期內(nèi)始終為最低。

在相同沖刷強度條件下，大豆田3種下墊面不同生育階段產(chǎn)沙量的總體變化特征，呈現(xiàn)出先快速增加，隨后緩慢增加，最后坡面產(chǎn)沙量趨于穩(wěn)定。與阻水效益(RRB)相比，大豆全生育期的阻沙效益(SRB)更有效。說明大豆阻沙性要優(yōu)于阻水性。

幼苗期大豆的產(chǎn)沙起點值高，并伴隨較大的產(chǎn)沙曲線波動。同時隨著大豆的不斷生長發(fā)育，ZT、PT、CT 3種下墊面的坡面產(chǎn)沙過程線也逐漸降低。在相同沖刷強度條件下，大豆不同生育期的產(chǎn)出沙量與植被覆蓋度可用一次函數(shù)方程擬合，二者的線性關(guān)系較好，并且在植被覆蓋度相同的條件下，CT下墊面的產(chǎn)出沙量最少，表明CT下墊面的攔沙效果較好。

因此，所選4種下墊面中以免耕覆蓋(CT)下墊面種植大豆對坡耕地蓄水?dāng)r沙的效果最好。本研究結(jié)論為防治坡耕地水土流失提供理論參考。