黄土丘陵区旱作枣园坡面径流与泥沙调控措施试验研究

王 娟，黄 俊，赵西宁，吴普特(1.扬州大学 水利与能源动力工程学院，江苏 扬州 225009；2.西北农林科技大学 水利与建筑工程学院，陕西 杨凌 712100；.珠江水利委员会珠江水利科学研究院，广州 510611；4.中国科学院水利部水土保持研究所，陕西 杨凌 712100)

0 引 言

众所周知，黄土高原地形破碎、植被覆盖稀少，降雨少而集中，土壤类型单一、黄绵土、风沙土抗侵蚀能力较低，以及不适宜的农业耕作措施等共同导致了严重的水土流失。长期以来，水土流失已成为困扰该区农业经济可持续发展的主要问题，且带来了一系列的生态环境问题[1,2]。随着退耕还林草工程的实施，黄土丘陵区红枣的面积有了突飞猛进的增长，加之矮化密植及微喷灌技术的应用，该地红枣经济林产业效益颇丰。然而，当地枣园多采用清耕(除去地表所有覆盖物，包括杂草等)管理制度，使地表完全裸露，从而增加了高强度暴雨对坡面表土的冲击。且该区降雨多集中在7-9月份，多以大到暴雨的形式出现(图1)，由此更加剧了水土流失等自然灾害的发生，成为制约该区经济发展的瓶颈因子之一[3]。此外，该区有限的水资源不能保证灌溉枣园的持续发展，因此需要提高对降雨资源潜力的开发利用，发展旱作枣园，提高红枣经济林生产力。基于此，如何有效地控制水土流失并高效地利用降雨，实现该区生态及经济协同发展是亟待解决的科学问题。

图1 黄土丘陵区多年平均降雨量

地面覆盖是指采用不同的覆盖物质减少地表裸露面积，以保护表层土壤不受降雨、风等外力影响，并调节土壤水分及温度状况，防治土壤盐渍化发生等的一种田间管理措施。地表覆盖物能增加降雨截留量，减少降雨过程中雨滴对地面的直接打击，有效地提高土地生产潜力，是提高农业系统生产力极为有效的农业技术措施[4]。目前，覆盖技术以秸秆覆盖、地膜覆盖和生草覆盖研究居多，且研究对象多为农作物，对于果园及经济林中树枝覆盖的应用研究还处于起步阶段。前人研究结果表明，采用木屑和松树皮在苹果园中进行地表覆盖，或进行生物植被覆盖(生草覆盖)能非常有效地推迟径流产流时间，减少次降雨条件下的地表径流量以及泥沙流失量[5-7]。此外，地表覆盖物可以拦蓄更多的自然降水，增加土壤中的水分含量[8,9]，保护土壤表层免受太阳直射，从而抑制土壤表层温度，阻挡水汽的上升，有效减少表土的无效蒸发[10,11]。本文的研究目的在于，探讨不同覆盖措施下坡面产流产沙特征，并对径流、泥沙与坡面盖度进行定性及定量分析，选择较优的覆盖措施，以期为黄土丘陵区红枣经济林最适宜管理模式的探讨提供理论依据，保障该区红枣经济林健康持续的发展。

1 试验材料、方法与试验布设

试验于2011年3月至2012年11月在西北农林科技大学中国旱区节水农业研究院开展。试验用土来自陕北清涧县，过10 mm筛后自然风干至质量含水率为6%左右。以7×10 cm的方式填装于土槽。

考虑到枣树及牧草的根系多分布在0～60 cm[12]，所制定的土槽尺寸200 cm × 80 cm × 80 cm。土槽底部设有小孔，利于水分的自由下渗排出，且在土槽底部装有4个万向轮，以利于土槽的移动。

降雨装置为室内针头式降雨器[13]。该降雨器长6 m宽3 m，降雨均匀度高于85%。人工降雨的年降雨总量约为500 mm，主要分布在6-10月份。每场降雨结束后，小车移至室外遮雨棚中，以避开自然降雨。降雨过程中土槽的坡度选定为15°，采用动力为380 V三相异步电动机带动连杆驱动装置和摆线减速机来实现坡度自由调节(0～25°)。

试验用枣树采用3年生梨枣树(初始高度24.5±4.4 cm)，于2009年11月20日移自清涧县，于2010年5月1日移栽至土槽。生草覆盖选用种植普遍的优质牧草白三叶，于2011年3月5日种植。考虑到土壤初始养分贫瘠，为保证枣树初期的正常生长，在2012年6月对每个小车施尿素(urea)55 g/m2。覆盖处理中所用到的树枝就地取材，枣树剪枝后进行简单碎断，枣树枝长度为5～8 cm，覆盖厚度5 cm左右。

本研究共设置5个试验处理：枣树枝全园覆盖(WJBM)，白三叶全园生草(WCC)，白三叶行间生草(SWC)，枣树枝半覆盖+白三叶行间生草(JBM+SWC)，清耕处理作为对照(CC)。具体试验布设图如图2所示。观测坡面径流的发生发展过程，并将集流槽口有连续水流产生的时刻记录为坡面产流时间。间隔一定时间(径流达到量筒体积的2/3)用标准刻度量筒(1 000 mL)收集径流一次，量取清水体积即为相应时段的坡面径流量；径流沉淀后，自然风干后的沉淀物质量记为该时段内的泥沙含量。

图2 各处理试验布置示意图

2 结果与分析

2.1 各处理条件下起流时间、总径流量及总泥沙量

表1中给出了各处理在2012年次降雨条件下的坡面起流时间、总径流量及总泥沙量。

表1 各处理坡面起流时间、总径流量及总泥沙量

注：“-”表示数据缺失。

由表1中可看出，与清耕处理相比，枣树枝覆盖、白三叶全园生草及二者组合处理明显推迟了坡面径流的发生(P<0.05)，且坡面覆盖条件下总径流量及泥沙量显著低于清耕处理(P<0.05)。这是因为坡面的树枝或生草覆盖物对降雨的截留，减少了坡面土壤获得的净降雨量。此外，坡面表层覆盖物，增加了坡面的糙度，间接影响了坡面产汇流过程，从而减缓径流[14-17]。白三叶牧草由于其自身的蒸发蒸腾以及根系生长对土壤结构的影响，能间接地提高土壤储水能力，对降雨拦蓄入渗起到了积极作用，从而有效控制坡面径流及泥沙的产生，这与前人的研究结果是一致的[18]。白三叶全园生草处理产流时间显著晚于其他所有处理(P<0.05)，最长起流时间达36.5 min，出现在2012年5月的一次降雨中。该次降雨为该年度第一场降雨，坡面表层土壤普遍较干，此外，5月正值白三叶牧草生长旺季，地表糙度大幅增加，有效地延缓了径流的发生发展。各处理泥沙量总体呈现下降趋势，覆盖处理下的泥沙量在经历了前几场降雨中的大幅下降后保持水平，清耕处理则表现为持续性的下降。这可能是因为随着降雨的多次发生，坡面表层易移动土壤颗粒已随前期降雨径流移除，剩余土体较稳定，且在雨滴对表层土壤的打击下，坡面形成了稳定的结皮层，使得泥沙量趋于稳定[19,20]。此外，在降雨过程中，清耕处理的泥沙量输出并未达到其稳定值，也侧面反映了裸地抗侵蚀能力差。

2.2 径流量及泥沙量与坡面盖度的关系

坡面径流量及泥沙量受降雨特征的影响(降雨强度、降雨历时)，且因下垫面条件的差异而不同，会受地表覆盖物状况，植被生长特征及生长阶段的影响[21-23]。图3中绘制了各处理坡面盖度随时间的变化，以及同时期径流和泥沙变化量。随着时间的推移，坡面盖度随着试验期推移逐渐增大，尤其是白三叶全园生草处理，牧草生长非常茂盛，短期内几乎近100%覆盖了地表，且高于其他处理约30%。需要指出的是，清耕处理因其地表裸露，其覆盖度主要取决于枣树的繁茂程度，而在9月末至10月初正处枣树落叶期，因此该处理下坡面覆盖度大幅下降。

图3 坡面覆盖度、总径流量及泥沙量随时间的变化趋势

总体来看，随着坡面覆盖度的提高，径流泥沙均有不同程度的下降，并最终趋于稳定(除清耕处理外)，这与前人的研究结果是一致的[24]。在最后2场降雨中，个别处理径流量仍有小幅度增加趋势，这有可能是因为后几场降雨间隔较短，且试验后期土壤蒸发量较小，土壤前期含水量较大所致[25]。泥沙量随坡面盖度的变化趋势与径流量趋势大致相同，都表现出逐渐减小并稳定的趋势。在整个试验阶段清耕处理条件下径流及泥沙量变异都比较大，并未出现其他处理下的稳定状态。

2.3 径流量及泥沙量与坡面盖度的定量关系

径流量及泥沙量与坡覆盖度紧密相关，为了进一步探究二者的关系，对径流量-坡面覆盖度及泥沙量-坡面覆盖度分别进行了散点分析和定量方程拟合，如图4中所示。由于在清耕处理下，盖度与径流量及泥沙量关系与其他处理有较大差异，因此在拟合过程中，利用SPSS等统计分析软件，剔除了清耕处理下的个别坏点。前人的研究中采用幂函数、对数函数拟合二者关系，效果较好。在此基础上，本文中采用形如y=a(1+x)b的变形指数函数分别对径流量和泥沙量与坡面盖度间的关系散点进行了拟合。统计结果显示拟合效果较好，尤其是径流与坡面盖度间的关系，拟合方程R2>0.8。由此可见，随坡面盖度的增大，径流量经历一个迅速下降后逐渐趋于平稳，而泥沙量的减少则较缓慢，这也验证了该尺度坡面泥沙流失过程很难达到稳定状态。此外，侧面反映出坡面盖度状况对径流过程较泥沙流失过程的影响更大。然而，Rocha 等的研究则指出地表覆盖或耕作措施在减少泥沙方面更有效[26]。这种不一致是因为此处只单独考虑了坡面覆盖度因素；另外，与研究尺度也有一定关系。在小区尺度上，植被在影响径流过程的同时还对径流-泥沙过程有很大影响，但在流域尺度泥沙量主要以冲沟侵蚀和大体积水土流失为主，此时植被对大体积的泥沙固持作用很微弱，且很难改变冲沟内水流对土体的冲刷[27]。

图4 径流量、泥沙量与坡面覆盖度散点图及关系拟合曲线

2.4 坡面径流量与泥沙量定量关系

本文探讨了不同覆盖耕作系统下的总径流量与总泥沙量，其关系散点图及拟合方程如图5所示。

图5 径流量与泥沙量散点图及关系拟合曲线

由图5中可明显看出，所有处理条件下泥沙总量与径流总量均呈显著线性正相关关系(P<0.05)，这与之前的研究结果一致[17,28]。由于清耕处理下径流、泥沙与覆盖条件下的差别很大，故将数据散点图分为2组：①清耕，②其他覆盖处理。拟合线①较拟合线②更陡(拟合线斜率2.18)，说明在径流增加量相同的条件下，清耕处理泥沙流失增量会大于其余覆盖处理。这是由于同等降雨条件下清耕处理径流含沙量(单位径流所携带泥沙量)远远大于其他覆盖耕作处理[29]。从拟合效果来看，拟合线方程均达到显著水平(P<0.05)，拟合优度分别为0.634和0.865，很好地表达了径流量与泥沙量的相关关系。

3 结 论

相对于传统的枣园清耕管理制，枣树枝覆盖、生草覆盖及其组合处理均显著地推迟了坡面径流产生的时间，且对坡面径流量及泥沙量有显著调控效应，水沙调控效果以白三叶全园生草最好。

枣树及牧草生长期内，坡面盖度随时间逐渐增大，白三叶全园覆盖坡面盖度增长最快。各处理径流量与泥沙量随着坡面覆盖度的增加逐渐减小，径流总量逐渐趋于平稳。采用变形指数函数对总径流量与坡面盖度和总泥沙量与坡面盖度的散点进行拟合，方程均达到显著水平，拟合优度分别为0.812和0.614。

对径流量与泥沙量散点进行拟合，发现二者呈极显著的线性关系。与其他覆盖处理相比较，清耕处理下泥沙量随径流量增大增加的更快。

综上所述，白三叶全园生草覆盖体现了较好的径流泥沙调控效果，为该尺度下最优的旱作枣园径流、泥沙调控措施。然而，考虑白三叶自身生长对土壤水分的消耗，是否会对枣树的生长产生威胁。此外，白三叶属豆科作物，其自身固氮作用在补充土壤N素的同时，是否会增加雨季N素淋溶的潜在风险，这都将成为后续论文研究的重点。

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致谢：特别感谢扬州大学水利与能源动力工程学院冯绍元教授在此论文撰写过程中的指导。感谢西北农林科技大学农学院陈小莉老师以及李洪兵、景子龙同志在试验开展中给予的帮助。

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