黑土區(qū)壟作方式對坡耕地土壤侵蝕的調(diào)控效果

牟廷森, 沈海鷗,2, 賀云鋒, 李春麗,2, 郭 聃,2, 劉殿民

(1.吉林農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院， 吉林 長春 130118; 2.吉林省商品糧基地土壤資源可持續(xù)利用重點實驗室， 吉林 長春 130118)

東北黑土區(qū)是中國重要的糧食產(chǎn)區(qū)及商品糧基地，然而由于氣候、地形及人為等因素的影響，導(dǎo)致黑土資源流失嚴重，黑土層變薄、變瘦、變硬，嚴重影響中國糧食安全與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展[1]。東北黑土區(qū)年平均氣溫較低，為提高坡耕地土溫和增加作物產(chǎn)量，普遍采用壟作耕作方式[2-3]，不同壟作方式及壟體形狀通過改變坡耕地地表微地形，進而影響其徑流及土壤侵蝕特征[4]。由于東北黑土區(qū)地形多為漫川漫崗，坡耕地地塊長度較長，順坡壟作及斜坡壟作促進徑流形成，導(dǎo)致土壤侵蝕加劇。王磊等[5]通過野外觀測得出，東北黑土區(qū)順坡大壟比常規(guī)壟的防治坡面土壤侵蝕效果好。桑琦明等[6]通過對比斜坡壟作與順坡壟作土壤侵蝕特征發(fā)現(xiàn)，斜坡壟作在斷壟前土壤侵蝕速率均低于順坡壟作，但其在斷壟后的一定時間內(nèi)，土壤侵蝕速率高于順坡壟作。此外，牛曉樂等[7]研究發(fā)現(xiàn)，相同降雨強度下，橫坡壟作、順坡壟作+壟向區(qū)田、橫坡壟作+壟向區(qū)田與順坡壟作相比，均有一定程度的徑流和侵蝕調(diào)控作用，橫坡壟作+壟向區(qū)田的調(diào)控效果最為明顯。由此可見，現(xiàn)有研究主要集中在兩種或相似幾種壟作措施之間的對比，而不同壟作方式對坡耕地徑流和侵蝕的調(diào)控效果缺少系統(tǒng)研究，且對于壟作+排水溝方面研究也缺少報道。因此，本研究通過野外原位模擬降雨試驗，分析橫坡壟作、壟向區(qū)田、順壟+底部橫壟、橫壟+排水溝等不同壟作方式對坡耕地土壤侵蝕的調(diào)控效果，以期為黑土區(qū)土壤侵蝕防治提供科學(xué)指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況與試驗小區(qū)

試驗于2018年在吉林省商品糧基地土壤資源可持續(xù)利用重點實驗室的水土保持科研基地(東經(jīng)125°21′，北緯43°52′)開展。研究區(qū)屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候，地勢平坦開闊，年均降水量617 mm，年均氣溫4.8 ℃[8]。主要種植作物為玉米和大豆，供試土壤為黑土，其顆粒組成為：砂粒(>50 μm)質(zhì)量分數(shù)30.4%，粉粒(2～50 μm)質(zhì)量分數(shù)48.3%，黏粒(<2 μm)質(zhì)量分數(shù)21.3%，有機質(zhì)含量為25.9 g/kg。

野外模擬降雨試驗采用的徑流小區(qū)修筑在原位坡耕地上，耕作層平均土壤容重為1.20 g/cm3。徑流小區(qū)規(guī)格為5 m(水平投影長度)×2 m(寬度)。徑流小區(qū)邊壁材料選用聚丙烯板，將其埋入地下30 cm，用于防止水分入滲的影響；地表留出20 cm，用于防止雨滴擊濺以及地表徑流溢出，從而保證形成相對完整獨立的徑流小區(qū)。小區(qū)底部設(shè)有圓柱狀集流桶，用于收集試驗過程中的徑流泥沙樣品。降雨設(shè)備采用側(cè)噴式單噴頭降雨裝置[9]，降雨高度為6 m[10]，降雨均勻度大于85%，降雨強度主要通過調(diào)節(jié)壓力閥和噴頭孔徑(5～12 mm)來控制，降雨強度可調(diào)節(jié)范圍為30～165 mm/h[11]。

1.2 試驗設(shè)計

徑流小區(qū)坡面處理包括7組，其中，5°坡面4組(順坡壟作，橫坡壟作，壟向區(qū)田，順壟+底部橫壟)，10°坡面3組(順坡壟作，橫坡壟作，橫壟+排水溝)。具體處理為： ①順坡壟作和橫坡壟作。按照野外坡耕地壟規(guī)格實測資料和相關(guān)研究成果[12-13]，將常規(guī)壟規(guī)格設(shè)計為壟間距65 cm，壟丘頂寬20 cm，壟高15 cm；順壟長度為5 m，橫壟長度為2 m。 ②壟向區(qū)田。在壟溝中隔一定距離修筑小土垱，以研究區(qū)10 a一遇極端降雨強度為依據(jù)，將土檔間距設(shè)計為65 cm，高度略低于壟高，設(shè)計為10 cm，土檔底寬度為20 cm。 ③順壟+底部橫壟。小區(qū)頂部修筑常規(guī)順壟，順壟長度為3.7 m；底部修筑兩條常規(guī)橫壟。 ④橫壟+排水溝。自徑流小區(qū)頂部至出水口，緊貼徑流小區(qū)一側(cè)邊壁，修一條長5 m，寬15～20 cm的排水溝，并用耕作工具將其壓實，使排水溝與橫壟壟溝底保持水平。壟向區(qū)田、順壟+底部橫壟、橫壟+排水溝處理的壟規(guī)格與順坡壟作和橫坡壟作處理的壟規(guī)格相同。

根據(jù)文獻[14]中關(guān)于東北地區(qū)暴雨的研究，將降雨強度設(shè)計為50和100 mm/h[14]，為保證降雨總量(50 mm)相同，降雨歷時分別設(shè)計為60，30 min(表1)。由于典型黑土區(qū)嚴重侵蝕坡耕地坡度為3°～8°[15]，據(jù)此將試驗徑流小區(qū)坡度設(shè)計為5°和10°，每個試驗處理重復(fù)2次，第1次試驗與起壟時間間隔1周，第2次試驗與第1次試驗間隔2周。具體試驗設(shè)計詳見表1。

表1 野外模擬降雨試驗和徑流小區(qū)設(shè)計

1.3 試驗方法

采用30 mm/h降雨強度進行預(yù)降雨，至徑流小區(qū)坡面剛開始積水即停止，主要目的是保證試驗前期徑流小區(qū)土壤水分條件的一致性[16]。各試驗處理前期土壤質(zhì)量含水率為(21.7±1.0)%。預(yù)降雨結(jié)束后，為防止徑流小區(qū)土壤水分蒸發(fā)和減緩結(jié)皮的形成，采用塑料布對徑流小區(qū)表面進行覆蓋，靜置24 h待開展正式模擬降雨試驗。模擬降雨試驗開始前，為確保試驗的準(zhǔn)確性，對降雨強度進行率定，當(dāng)實測降雨強度與目標(biāo)降雨強度的差值小于5%，降雨均勻度大于85%時方可揭開塑料布進行正式模擬降雨。徑流小區(qū)開始產(chǎn)流后，接取徑流泥沙樣品并記錄初始產(chǎn)流時間，取樣間隔為1～4 min，具體取樣時間視徑流泥沙樣品量而定。模擬降雨試驗結(jié)束后，稱取各徑流泥沙樣品的總質(zhì)量，并將其靜置6～8 h，倒掉其上清液后轉(zhuǎn)移到已知質(zhì)量的鋁盒中，將其放入設(shè)置恒溫為105 ℃的烘箱中烘干至恒重后稱量，用以計算產(chǎn)流率、土壤侵蝕速率、徑流量和土壤侵蝕量等[17]。

1.4 數(shù)據(jù)處理分析

使用Excel 2010和SPSS 19.1進行數(shù)據(jù)處理與分析：采用Excel 2010計算徑流量、土壤侵蝕量，繪制產(chǎn)流率和土壤侵蝕速率隨降雨歷時的變化過程圖；采用SPSS 19.1中方差分析、多重比較(LSD)和獨立樣本t檢驗，進行不同壟作方式，50及100 mm/h降雨強度下徑流量和土壤侵蝕量顯著性水平檢驗(p<0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同壟作方式對坡耕地徑流和侵蝕的調(diào)控效果分析

2.1.1 徑流調(diào)控效果 試驗條件下，順坡壟作(對照)處理的徑流量顯著高于其他壟作方式(表2)。對于5°坡耕地，在50 mm/h降雨強度下，順坡壟作處理的徑流量是橫坡壟作、壟向區(qū)田和順壟+底部橫壟處理的13.0，2.0和2.3倍；在100 mm/h降雨強度下，順坡壟作處理的徑流量是橫坡壟作、壟向區(qū)田和順壟+底部橫壟處理的6.2，1.7和1.7倍。橫坡壟作處理的徑流調(diào)控效果最好，在50，100 mm/h降雨強度下，與順坡壟作處理相比，橫坡壟作處理分別減少徑流92.3%和83.9%；而壟向區(qū)田和順壟+底部橫壟處理的徑流調(diào)控效果比較相近，其分別減少徑流49.6%～55.5%和40.8%～41.3%。對于10°坡耕地，順坡壟作和橫坡壟作處理的徑流量與5°坡耕地相比均有不同程度的增加，其中順坡壟作處理的增幅相對較小，增幅為17.0～24.6 L，橫坡壟作處理的增幅較大，增幅為76.2～187.2 L。但是，隨著坡度的增加，橫坡壟作處理的徑流調(diào)控效果有所降低，在50，100 mm/h降雨強度下，與順坡壟作處理相比，橫坡壟作處理分別減少徑流75.7%和38.1%。10°坡耕地條件下，50 mm/h降雨強度時順坡壟作、橫坡壟作和橫壟+排水溝3者間徑流量均有顯著性差異，而100 mm/h降雨強度時橫坡壟作和橫壟+排水溝處理的徑流量無顯著性差異。此外，50，100 mm/h降雨強度下，橫壟+排水溝處理的徑流調(diào)控效果相差不大，與順坡壟作處理相比，分別減少徑流47.8%和40.6%。隨著降雨強度和坡度的增大，不同壟作方式的徑流量有不同程度的增加，其徑流調(diào)控效果相應(yīng)減小(表2)。分析其原因可能是由于順坡壟作處理能夠有效導(dǎo)水排水，從產(chǎn)流開始即形成較大的徑流，而橫坡壟作、壟向區(qū)田、順壟+底部橫壟和橫壟+排水溝處理具有橫垱措施，在降雨前期能夠不同程度地攔蓄降水，增加雨水在壟溝的滯留時間，從而增加土壤水分入滲量，減少徑流量；但是，部分壟作處理的壟丘在坡度增大或降雨強度增強后易發(fā)生細溝侵蝕，甚至垮塌，不但沒有起到較好的蓄水效果，反而易造成較大的徑流沖刷作用[18]。有研究表明坡度增加后，徑流流速相對增大，從而減少了徑流在坡面滯留的時間和入滲量，導(dǎo)致坡面徑流量迅速增加[19]。綜上所述，當(dāng)坡度較緩(5°)，降雨強度較小(50 mm/h)時，橫坡壟作方式具有很好的徑流調(diào)控效果，而坡度較大(10°)，降雨強度較大(100 mm/h)時，橫坡壟作方式的徑流調(diào)控效果降低；壟向區(qū)田、順壟+底部橫壟和橫壟+排水溝方式的徑流調(diào)控效果較低且較為穩(wěn)定。

表2 不同壟作方式下坡耕地徑流量及其徑流調(diào)控效果對比

2.1.2 土壤侵蝕調(diào)控效果 試驗條件下，順坡壟作(對照)處理的土壤侵蝕量顯著高于其他壟作方式(表3)。對于5°坡耕地，在50 mm/h降雨強度下，順坡壟作處理的土壤侵蝕量分別是橫坡壟作、壟向區(qū)田和順壟+底部橫壟處理的31.6，10.5和8.6倍；在100 mm/h降雨強度下，順坡壟作處理的土壤侵蝕量分別是橫坡壟作、壟向區(qū)田和順壟+底部橫壟處理的18.5，5.0和4.8倍。橫坡壟作處理的侵蝕調(diào)控效果較高，壟向區(qū)田和順壟+底部橫壟處理的侵蝕調(diào)控效果相近，在50，100 mm/h降雨強度下，與順坡壟作處理相比，橫坡壟作處理的土壤侵蝕量分別降低96.8%和94.6%；壟向區(qū)田和順壟+底部橫壟處理的土壤侵蝕量分別降低88.4%～90.5%和79.2%～79.8%，且隨著降雨強度的增加，壟向區(qū)田和順壟+底部橫壟2種壟作方式的侵蝕調(diào)控效果降低10%左右。對于10°坡耕地，在50 mm/h降雨強度下，順坡壟作處理的土壤侵蝕量分別是橫坡壟作和橫壟+排水溝處理的20.2和9.1倍，在100 mm/h降雨強度下，順坡壟作處理的土壤侵蝕量分別是橫坡壟作和橫壟+排水溝處理的2.9和7.7倍。隨著降雨強度的增加，橫坡壟作處理降低的土壤侵蝕量由95.0%減小到65.2%，橫壟+排水溝處理降低的土壤侵蝕量由89.0%減小到87.0%。造成上述結(jié)果的原因是由于試驗坡耕地為翻耕裸露處理，順坡壟作處理從開始產(chǎn)流便持續(xù)地搬運泥沙，直至降雨結(jié)束，導(dǎo)致其土壤侵蝕量最大[6]；橫坡壟作處理在坡度較緩和降雨強度較低時具有較強的保水?dāng)r沙能力，而在坡度較大和降雨強度較大時易發(fā)生漫壟現(xiàn)象，其壟體也易發(fā)生損壞，短時間內(nèi)即形成較大徑流，產(chǎn)生較多易被搬運的泥沙[18]，因此，橫坡壟作處理具有較好的侵蝕調(diào)控效果，但是這種效果隨著坡度和降雨強度的增加而減??；壟向區(qū)田、順壟+底部橫壟和橫壟+排水溝處理具有橫垱措施，在降雨前期橫垱能夠有效攔截徑流泥沙[20]，因此，與順坡壟作處理相比，其減少侵蝕比例均可達到或超過80.0%(表3)。綜上所述，橫坡壟作、壟向區(qū)田、順壟+底部橫壟和橫壟+排水溝均能利用措施中的橫垱在一定程度上蓄水保土，減少土壤侵蝕；不同坡度和降雨強度下其侵蝕調(diào)控效果不同，在5°坡耕地，侵蝕調(diào)控效果基本表現(xiàn)為：橫坡壟作>壟向區(qū)田>順壟+底部橫壟>順坡壟作；在10°坡耕地，降雨強度較小(50 mm/h)時，橫坡壟作處理的侵蝕調(diào)控效果高于橫壟+排水溝處理，而降雨強度較大(100 mm/h)時，橫坡壟作處理的侵蝕調(diào)控效果低于橫壟+排水溝處理。因此，建議根據(jù)具體的地形坡度和降雨特征，在東北黑土區(qū)坡耕地篩選適宜的壟作方式，從而有效調(diào)節(jié)徑流和防治土壤侵蝕。

表3 不同壟作方式下坡耕地的土壤侵蝕量及其侵蝕調(diào)控效果對比

2.2 不同壟作方式對坡耕地徑流和侵蝕過程的影響分析

2.2.1 不同壟作方式產(chǎn)流率隨降雨歷時的變化 對于5°坡耕地，在50 mm/h降雨強度下，順坡壟作(對照)處理的產(chǎn)流率隨降雨歷時的變化呈現(xiàn)逐漸增加并趨于穩(wěn)定的趨勢，其值穩(wěn)定在50.0 mm/h上下；而橫坡壟作處理的產(chǎn)流率隨降雨歷時的變化值和波動幅度最低，其值穩(wěn)定在8.0 mm/h上下；壟向區(qū)田處理的產(chǎn)流率，在降雨歷時42 min，降雨量達到36 mm之前，其值明顯低于順坡壟作處理，但是當(dāng)降雨42 min后，壟向區(qū)田處理蓄水能力達到最大值，雨水漫出橫垱措施，其產(chǎn)流率開始增加，并呈現(xiàn)小幅波動，最大值為88.5 mm/h，其后產(chǎn)流率開始逐漸減??；順壟+底部橫壟處理的前期產(chǎn)流率變化與橫坡壟作處理相近，但是當(dāng)降雨歷時達到48 min時，順壟+底部橫壟處理的底部橫壟出現(xiàn)漫壟現(xiàn)象并局部損壞，產(chǎn)流率迅速增加，最大值為317.4 mm/h(圖1)。

在100 mm/h降雨強度下，順坡壟作處理的產(chǎn)流率隨降雨歷時表現(xiàn)為先逐漸增加后趨于穩(wěn)定的變化，在17 min時發(fā)生轉(zhuǎn)折，此時降雨量約為26 mm，產(chǎn)流率穩(wěn)定在130.0 mm/h左右；橫坡壟作處理的產(chǎn)流率隨降雨歷時的變化值和波動幅度依然最低，其值穩(wěn)定在12.0～21.0 mm/h；壟向區(qū)田處理的產(chǎn)流率，在降雨11 min，降雨量達到15 mm之前，其值較低，與橫坡壟作處理相近，但是當(dāng)降雨11 min后，壟向區(qū)田處理橫垱發(fā)生漫流，產(chǎn)流率開始增長，并在降雨14 min，降雨量達到22 mm后趨于穩(wěn)定，其值穩(wěn)定在80.0 mm/h；順壟+底部橫壟處理的前期產(chǎn)流率亦較低，但是在降雨12 min，降雨量達到18 mm左右時，橫壟部分蓄水達到極限，出現(xiàn)漫壟現(xiàn)象，并且橫壟局部損壞，產(chǎn)流率迅速增大，從35.0 mm/h左右增長至338.3 mm/h，隨后又迅速減小并穩(wěn)定在40.0 mm/h左右。

由此可知，坡度較緩(5°)時，在降雨前期或降雨量較小時，順坡壟作處理的產(chǎn)流率最大，橫坡壟作處理的產(chǎn)流率最小，壟向區(qū)田處理的產(chǎn)流率也明顯低于順坡壟作處理；當(dāng)降雨時間延長或降雨量較大時，壟向區(qū)田和順壟+底部橫壟處理在50 mm/h降雨強度下，降雨歷時分別為42，48 min時，在100 mm/h降雨強度下，降雨歷時分別為11，12 min時，保水蓄水能力開始減弱，產(chǎn)流率會在短時間內(nèi)迅速增加，甚至高于順坡壟作處理，而且隨著降雨強度的增加，不同壟作方式之間的產(chǎn)流率隨降雨歷時變化的差異越大，這種表現(xiàn)越明顯(圖1)。

分析原因是，順坡壟作處理的壟溝有利于雨水匯集形成徑流；而橫坡壟作處理可將雨水存蓄于壟溝中，延長雨水在壟溝內(nèi)的滯留時間，導(dǎo)致降雨入滲增強[21]，從而顯著減小徑流；壟向區(qū)田處理的壟溝有較多橫向土垱，能夠攔截貯存雨水，提高土壤水分入滲率，較好地平衡了徑流和土壤水分入滲的矛盾[22]，但隨著降雨的持續(xù)，土壤水分入滲率降低，雨水蓄積，土垱易損壞并發(fā)生細溝侵蝕，土垱防治能力減弱，導(dǎo)致產(chǎn)生較大徑流；順壟+底部橫壟處理因底部設(shè)有橫壟，可有效攔截頂部順壟壟溝匯集形成的徑流，雨水在橫壟壟溝處滯留[23]，導(dǎo)致其前期產(chǎn)流率與橫坡壟作處理的產(chǎn)流率相近，然而隨著降雨歷時的不斷增大，加之上部順壟壟溝內(nèi)蓄積的雨水不斷增多，導(dǎo)致底部橫壟逐漸損壞，演變?yōu)榧殰锨治g，進而形成大量徑流，且降雨強度或降雨量越大，順壟+底部橫壟處理的斷壟現(xiàn)象越顯著[24]。

因此，對于5°坡耕地，順坡壟作處理的壟溝能夠較好地排水導(dǎo)水，橫坡壟作處理能夠很好地保水，壟向區(qū)田和順壟+底部橫壟處理在短時間和降雨前期也能較好地保水，但降雨時間過長或降雨量較大時則易發(fā)生損壞，短時間內(nèi)形成較大徑流。

圖1 5°坡耕地50，100 mm/h降雨強度下不同壟作方式產(chǎn)流率隨降雨歷時的變化

對于10°坡耕地，在50 mm/h降雨強度下，順坡壟作(對照)處理的產(chǎn)流率隨降雨歷時的變化呈現(xiàn)逐漸增加并趨于穩(wěn)定的趨勢，其值亦穩(wěn)定在50.0 mm/h上下；而橫坡壟作處理的產(chǎn)流率，在降雨32 min，降雨量達到26 mm之前，其值明顯低于順坡壟作與橫壟+排水溝處理，在降雨32 min后，出現(xiàn)漫壟現(xiàn)象，產(chǎn)流率顯著增加并趨于相對穩(wěn)定，其產(chǎn)流率甚至高于順坡壟作與橫壟+排水溝處理；橫壟+排水溝處理的產(chǎn)流率隨降雨歷時的變化也呈現(xiàn)逐漸增加并趨于穩(wěn)定的趨勢，在降雨前期，其值明顯低于順坡壟作處理，而高于橫坡壟作處理，但是隨著降雨歷時的增加，其值與順坡壟作和橫坡壟作處理的穩(wěn)定產(chǎn)流率相近(圖2)。在100 mm/h降雨強度下，不用壟作方式的產(chǎn)流率均呈先快速增長后趨于穩(wěn)定或減小的趨勢，其中順坡壟作處理的產(chǎn)流率增長最為迅速，從產(chǎn)流開始到降雨14 min時達到相對穩(wěn)定，穩(wěn)定值為130.0 mm/h左右；橫坡壟作處理在降雨15 min時，出現(xiàn)漫壟現(xiàn)象，產(chǎn)流率增長速度加快，到降雨24 min時壟體出現(xiàn)局部損壞，產(chǎn)流率短時間瞬間增大，其值高達200.2 mm/h，是50 mm/h降雨強度下橫坡壟作處理最大產(chǎn)流率的3.0倍，其后產(chǎn)流率又逐漸減小，在降雨結(jié)束時產(chǎn)流率降至95.6 mm/h；橫壟+排水溝處理的產(chǎn)流率低于順坡壟作處理，而高于橫坡壟作處理，從產(chǎn)流開始直到降雨24 min左右，橫坡壟作處理的產(chǎn)流率一直呈現(xiàn)增長趨勢，其后穩(wěn)定在105.0 mm/h左右。

坡度較大(10°)時，在50，100 mm/h降雨強度下，不同壟作方式的產(chǎn)流率均隨降雨歷時的增加而逐漸增大，在降雨后期，不同壟作方式的穩(wěn)定產(chǎn)流率相近(圖2)。分析原因主要是，順坡壟作處理在坡度較大時，其匯流作用更加顯著，形成較大的產(chǎn)流率；橫坡壟作處理的產(chǎn)流率在漫壟和斷壟現(xiàn)象發(fā)生前較小，在漫壟和斷壟后土壤侵蝕方式演變?yōu)榧殰锨治g[25]，且隨著降雨強度的增加，雨滴動能增強，導(dǎo)致橫壟壟丘多處出現(xiàn)細溝，最終發(fā)生壟丘垮塌，導(dǎo)致產(chǎn)流率迅速達到極值；橫壟+排水溝處理在降雨前期大部分雨水滯留于壟溝，導(dǎo)致降雨前期坡面產(chǎn)流率低于順坡壟作處理[26]，隨著降雨歷時或降雨量的增大，土壤含水量趨于飽和狀態(tài)，橫壟壟溝蓄水作用減弱，土壤水分入滲率也逐漸減小，壟溝內(nèi)雨水逐漸涌向排水溝流出，導(dǎo)致坡面產(chǎn)流率逐漸增大，最后趨于相對穩(wěn)定[27]?？梢?，順坡壟作方式的排水疏水能力最強，產(chǎn)流率較大；橫坡壟作方式在降雨前期具有較好的保水蓄水作用，但在降雨后期壟體易損壞，造成短時間內(nèi)形成強徑流；橫壟+排水溝方式在降雨前期能夠蓄水保水，在降雨后期能夠較好地排水。

圖2 10°坡耕地50，100 mm/h降雨強度下不同壟作方式產(chǎn)流率隨降雨歷時的變化

2.2.2 不同壟作方式土壤侵蝕速率隨降雨歷時的變化 對于5°坡耕地，順坡壟作(對照)處理土壤侵蝕速率隨降雨歷時的變化呈現(xiàn)先快速增加后減小并逐漸趨于相對穩(wěn)定的趨勢，在50，100 mm/h降雨強度下，順坡壟作處理的平均土壤侵蝕速率分別為0.88，1.85 kg/(m2·h)(圖3)。而另外3種壟作處理的土壤侵蝕速率均明顯低于順坡壟作處理，其大小整體表現(xiàn)為：順坡壟作>順壟+底部橫壟>壟向區(qū)田>橫坡壟作。隨著降雨強度的增加，相同壟作方式的土壤侵蝕速率逐漸增大，且不同壟作方式的土壤侵蝕速率差異也逐漸增大。在2個降雨強度下，順壟+底部橫壟處理在降雨過程中土壤侵蝕速率有短時間內(nèi)的迅速波動，其中，50 mm/h降雨強度下的波動發(fā)生在降雨50～57 min，降雨量為40～47 mm間，降雨50 min時雨水漫過底部橫壟，壟體局部損壞時，土壤侵蝕速率開始迅速增長，到降雨52 min時達到最大值2.1 kg/(m2·h)，降雨57 min時恢復(fù)相對穩(wěn)定；100 mm/h降雨強度下的波動發(fā)生在降雨12～21 min，降雨量為18～33 mm間，波動時間提前，且波動幅度增大，最大土壤侵蝕速率為5.6 kg/(m2·h)。分析原因是，試驗坡耕地均為翻耕裸露處理，降雨初期其坡面含有大量松散碎屑物質(zhì)，順坡壟作處理的徑流匯流較快，搬運能力較強，導(dǎo)致土壤侵蝕速率迅速增加并達到峰值[28]，其后，隨著降雨的持續(xù)進行，坡耕地可供搬運的物質(zhì)逐漸減少，導(dǎo)致其土壤侵蝕速率逐漸減小并趨向于相對穩(wěn)定[29]；而橫坡壟作處理對降雨和徑流有最好的消減和調(diào)節(jié)作用，導(dǎo)致土壤侵蝕速率最低；壟向區(qū)田處理因蓄水能力弱于橫坡壟作，且降雨量過大時壟溝間土垱易被損壞，致徑流攜沙流出，土壤侵蝕速率有一定變化；順壟+底部橫壟處理上部順壟壟溝匯流較快，底部橫壟在出現(xiàn)漫壟時易發(fā)生細溝侵蝕而損壞，在短時間內(nèi)大量徑流從損壞處流出，所以其挾沙能力相對較強[30]。

此外，隨著降雨強度的增大，雨滴打擊和徑流搬運能力增強，導(dǎo)致了土壤侵蝕速率的增加[31]。因此，橫坡壟作、壟向區(qū)田和順壟+底部橫壟處理在調(diào)節(jié)坡面徑流過程的同時，也能有效調(diào)控坡面土壤侵蝕過程、降低土壤侵蝕速率。

圖3 5°坡耕地50，100 mm/h降雨強度下不同壟作方式土壤侵蝕速率隨降雨歷時的變化

對于10°坡耕地，在50 mm/h降雨強度下，不同壟作方式土壤侵蝕速率隨降雨歷時的變化與5°坡耕地相近，其中，順坡壟作處理的土壤侵蝕速率隨降雨歷時的變化呈先增大再減小最后趨于穩(wěn)定的趨勢；橫坡壟作和橫壟+排水溝處理下土壤侵蝕速率均小于順坡壟作處理，一直穩(wěn)定在0.4 kg/(m2·h)以下，其平均土壤侵蝕速率大小表現(xiàn)為：順坡壟作>橫壟+排水溝>橫坡壟作(圖4)。

在100 mm/h降雨強度下，順坡壟作處理的土壤侵蝕速率增長迅速，且增幅較大，在降雨11 min，降雨量為18 mm時達到最大值4.4 kg/(m2·h)，隨后逐漸降低，在降雨20 min左右趨于相對穩(wěn)定；橫坡壟作處理的土壤侵蝕速率在降雨19 min，降雨量為30 mm時開始快速增長，在降雨25 min，降雨量達到42 mm時到達最大值5.4 kg/(m2·h)，隨后迅速下降；橫壟+排水溝處理的土壤侵蝕速率在降雨16 min之前一直緩慢增長，降雨16 min、降雨量達到25 mm之后達到相對穩(wěn)定狀態(tài)。3種壟作方式平均土壤侵蝕速率大小主要表現(xiàn)為：順坡壟作>橫坡壟作>橫壟+排水溝。造成上述結(jié)果的主要原因是，降雨初期坡耕地表面存在大量可供濺蝕和徑流搬運的松散物質(zhì)，隨著降雨時間的推移，雨滴分散作用產(chǎn)生的微團聚體被徑流優(yōu)先搬運，此時坡面團聚體粒級較大，搬運難度增大，造成降雨后期雨滴打擊作用和徑流的搬運能力達到一個相對穩(wěn)定狀態(tài)[32]。橫坡壟作處理的壟丘在損壞前能很好地攔蓄徑流泥沙，在降雨強度相對較小(50 mm/h)時，壟丘不易損壞；但是在降雨強度相對較大(100 mm/h)時，土壤水分入滲受到限制，加快了對壟體的侵蝕，壟丘更易損壞，損壞后侵蝕方式以細溝侵蝕為主，前期蓄積的雨水順勢流出，土壤侵蝕強度在短時間內(nèi)迅速增大[6]，因此，在100 mm/h降雨強度下，橫坡壟作處理平均土壤侵蝕速率高于橫壟+排水溝處理(圖4)?？梢?，橫坡壟作和橫壟+排水溝能夠降低土壤侵蝕速率，較好地攔截徑流泥沙，但橫坡壟作在降雨強度和坡度較大時，不能及時排出蓄水，容易損壞壟體，短時間內(nèi)形成較高的土壤侵蝕速率，而橫壟+排水溝既有一定的蓄水保土能力，又有較好的排水能力。

圖4 10°坡耕地50，100 mm/h降雨強度下不同壟作方式土壤侵蝕速率隨降雨歷時的變化

3 結(jié) 論

(1) 試驗條件下，對于5°坡耕地，與順坡壟作處理相比，橫坡壟作處理徑流和侵蝕調(diào)控效果較好，壟向區(qū)田和順壟+底部橫壟處理的徑流和侵蝕調(diào)控效果相近。橫坡壟作處理徑流量和土壤侵蝕量分別減少83.9%～92.3%和94.6%～96.8%，壟向區(qū)田和順壟+底部橫壟處理徑流量減少40.8%～55.5%，土壤侵蝕量減少79.2%～90.5%。對于10°坡耕地，與順坡壟作處理相比，在50 mm/h降雨強度下，橫坡壟作處理的徑流和侵蝕調(diào)控效果較好，其徑流量和土壤侵蝕量分別減少75.7%和95.0%，在100 mm/h降雨強度下，橫坡壟作處理的徑流和侵蝕調(diào)控效果顯著降低，其徑流量和土壤侵蝕量分別減少38.1%和65.2%；橫壟+排水溝處理的徑流調(diào)控效果較低，而侵蝕調(diào)控效果較好，徑流量和土壤侵蝕量分別減少40.6%～47.8%和87.0%～89.0%。

(2) 對于5°坡耕地，在50，100 mm/h降雨強度下，橫坡壟作處理均不會發(fā)生漫壟和斷壟現(xiàn)象；壟向區(qū)田和順壟+底部橫壟處理在50 mm/h降雨強度下，分別在降雨42，48 min時發(fā)生漫壟；在100 mm/h降雨強度下，分別在降雨11，12 min時發(fā)生漫壟。對于10°坡耕地，在50 mm/h降雨強度下，至降雨32 min左右發(fā)生漫壟，在100 mm/h降雨強度下，至降雨15 min發(fā)生漫壟。在發(fā)生漫壟現(xiàn)象后，不同壟作方式的徑流和侵蝕調(diào)控效果減弱。

綜上所述，橫坡壟作、壟向區(qū)田、順壟+底部橫壟和橫壟+排水溝均能夠在一定程度上蓄水保土，減少土壤侵蝕；不同坡度和降雨強度下其徑流調(diào)控效果和侵蝕調(diào)控效果均不同。因此，建議根據(jù)具體地形坡度和降雨特征，在東北黑土區(qū)坡耕地篩選適宜的壟作方式，從而有效調(diào)節(jié)徑流、防治土壤侵蝕。