翻耕和覆盖对坡耕地产流产沙的影响

裴峥，段喜明

(山西农业大学 林学院，山西 太谷 030801)



翻耕和覆盖对坡耕地产流产沙的影响

裴峥，段喜明*

(山西农业大学 林学院，山西 太谷 030801)

摘要：为了研究减小坡耕地水土流失的方法，本试验在人工降雨条件下，研究坡度、土壤容重和秸秆覆盖3种因素对产流和产沙的影响。试验结果表明:3个因素中坡度对产沙量影响最大，15°坡以内，随着坡度增大，总产流量增大，总产沙量迅速增大。翻耕可以有效增加降雨入渗，但总产沙量随着容重的减小而增大。小于10°的坡耕地翻耕至容重1.2 g·cm-3时保水效果明显而产沙量增加不大。增加秸秆覆盖可以有效减小总产流量和总产沙量，且坡度越大减沙效果越明显。坡耕地尽量选择缓坡地；小于10°坡耕地翻耕至容重1.2 g·cm-3为宜，大于10°坡耕地免耕；在秸秆覆盖率不超过80%的前提下尽量增加秸秆覆盖。

关键词：人工降雨； 坡耕地； 翻耕； 秸秆覆盖； 产流； 产沙

黄土高原地区土层厚，降水不足且季节分布不均匀，极易造成水土流失[1～3]，独特的环境也决定了降雨转化为土壤水的效率是制约坡耕地发展的主要因素。加强坡耕地的水土保持对黄土高原地区有重要的意义[4]。现有研究结果表明坡耕地的坡度选择对水土保持有重要的意义[5，6]。当坡度大于15°时坡耕地水土流失严重，所以我国的坡耕地在条件允许情况下坡度大多选择在15°以内。不少学者也研究了翻耕改变土壤容重与水土流失及降雨入渗的联系[7～11]。翻耕减小土壤容重有利于提高土壤含水量。近年来秸秆覆盖的应用得到了广泛的认同，秸秆覆盖不仅可以加强降雨的就地入渗，而且对减小水土流失有着显著效果[12～17]。在生产中当秸秆覆盖量超过0.4 kg·m-2(此时覆盖率约80%)时会影响机械作业[12]，故以此覆盖量为上限。为了寻求减小坡耕地水土流失和增加降雨入渗的方法，本试验在人工降雨条件下，在不同坡度上采取翻耕和秸秆覆盖的措施，研究其对产流量和产沙量的影响。本试验的创新点为综合考虑坡度、翻耕与覆盖对产流量和产沙量的作用。

1试验仪器和方法

1.1试验地概况

本试验选在山西省吕梁市方山县沙沟综合观测场进行。沙沟综合观测场流域控制面积为1.78 km2，土壤质地疏松，植被稀少，抗蚀性较差。该站于2012年3月顺利通过了国家水利部的验收，具备了对沟道径流泥沙监测和坡面监测的能力。

1.2试验条件与试验设计

本试验设置投影面积为1 m×3 m的径流小区，坡向均为E90°，用pvc板围砌小区，小区下部板留有出口用来收集小区的全部产流和产沙。原地貌土壤的容重为1.4 g·cm-3，0～20 cm土层的初始平均含水量为10%。本试验采用不同坡度(5°、10°和15°)，不同的容重(1.0 g·cm-3、1.2 g·cm-3和1.4 g·cm-3)和不同秸秆覆盖量(0 kg·m-2、0.2 kg·m-2和0.4 kg·m-2)组合，每种组合重复3次，共81场降雨，试验处理见表1。降雨前3天将需要翻耕的小区翻耕至试验要求的容重。覆盖采用已风干的上年玉米秸秆，用铡刀切为10 cm的小节，秸秆覆盖量0.2 kg·m-2和0.4 kg·m-2对应的秸秆覆盖率分别为40%和80%。用TSJY-081型全自动便携式人工模拟降雨器”进行降雨，参考当地的实际降雨情况，雨强选择1.0 mm·min-1。从降雨开始计时，记录开始产流时间，并收集产流。降雨历时为60 min，泥沙量用烘干法测定，对所得数据用SPSS进行分析。

2试验结果与分析

2.1开始产流时间的变化特征

(1)不同坡度条件下，开始产流时间t随着坡度增加而提前，即：t5°>t10°>t15°。以容重1.2 g·cm-3为例，见图1。

(2)不同容重条件下，开始产流时间随着容重的减小而推迟，即：t1.4>t1.2>t1.0。以5°坡为例，见图2。

(3)不同秸秆覆盖量条件下，开始产流时间随着覆盖量的增加而推迟，即：t0.4>t0.2>t0。以10°坡为例，见图3。

(4)显著性分析(表2)得出，容重对开始产流时间影响最显著，开始产流时间随着容重的减小显著推迟。

2.2对产流量的影响

2.2.1总产流量结果

各种组合的总产流量见表3。

(1)在其他条件相同情况下，降雨全过程总产流量随坡度的增加而增加。以原地貌(容重为1.4 g·cm-3)为例，在不覆盖秸秆的条件下，10°与15°的累计产流量比5°坡增加9.10%和35.20%。在其他容重与覆盖量条件下呈现相似规律。

(2)在其他条件相同情况下，降雨全过程总产流量随容重的减小而减小。以5°坡为例，在覆盖0.4 kg·m-2秸秆的条件下，当容重由1.4 g·cm-3减小到1.2 g·cm-3和1.0 g·cm-3时，总产流量减少了47.33%和62.89%。在其他坡度与覆盖量条件下呈现相似规律。

(3)在其他条件相同情况，降雨全过程总产流量随秸秆覆盖量的增加而减小。以10°坡为例，在疏松土壤(容重1.0 g·cm-3)条件下，当覆盖量由0 kg·m-2增加到0.2 kg·m-2和0.4 kg·m-2时，总产流量减少了18.81%和40.27%。在其他坡度与容重条件下呈现相似规律。

2.2.2产流量预测模型

利用SPSS Statistics 22进行数据回归分析，研究人工降雨条件下不同坡度、容重和秸秆覆盖量对径流全过程产流量的综合影响，分析得出在雨强为1.0 mm·min-1、初始土壤含水量为10%的条件下，径流全过程总产流量随坡度、容重、覆盖变化的非线性预测模型为：

VW=0.004 03α2+0.595 78α+81.986 11γ2-151.652 78γ-20.305 56c+82.532 39

R2=0.971

其中：VW为径流全过程总产流量/L；α为径流小区坡度/°；γ为土壤容重/g·cm-3；c为秸秆覆盖量/kg·m-2。

2.2.3产流量分析

降雨就地入渗，增加土壤含水量对农作物生长有着重要的意义。随着坡度增大，径流流速加快，土壤入渗率减小，入渗量减少，总产流量随之增大。在翻耕过程中打破了土壤结皮，增加了孔隙度，有利于降雨的入渗，翻耕对减少产流量和增加土壤含水量都有重要的作用。秸秆覆盖能够有效地阻挡雨水对地表的直接打击，抑制土壤结皮的形成和减少土壤孔隙的堵塞，促进水分下渗，减少地表径流量。

2.3对产沙量的影响

2.3.1总产沙量结果

各种组合的总产沙量见图4。

(1)在其他条件相同情况下，降雨全过程总产沙量随坡度的增加而增加。以原地貌(容重为1.4 g·cm-3)为例，在不覆盖秸秆的情况下，10°坡和15°坡比5°坡的总产沙量增加了5.3倍和16.5倍。在其他容重与覆盖量条件下呈现相似规律。

(2)其他条件相同情况下，降雨全过程总产沙量随容重的减小而增加。以5°坡为例，在覆盖0.4 kg·m-2秸秆的条件下，当容重由1.4 g·cm-3减小为1.2 g·cm-3和1.0 g·cm-3时，总产沙量增加了51.56%和110.9%。在其他坡度与秸秆覆盖量条件下呈现相似规律，且在不同坡度上翻耕导致的产沙量增加呈现：15°>10°>5°。

(3)在其他条件相同情况下，降雨全过程总产沙量随覆盖量的增加而减小。以10°坡为例，在疏松土壤(容重为1.0 g·cm-3)条件下，当覆盖量由0 kg·m-2增加到0.2 kg·m-2和0.4 kg·m-2时，总产沙量减少了16.37%和49.26%。在其他坡度与容重条件下呈现相似规律，且坡度越大秸秆覆盖的减沙效果越明显。

2.3.2产沙量预测模型

利用SPSS Statistics 22进行数据回归分析，研究人工降雨条件下不同坡度、覆盖和容重对径流全过程产沙量的综合影响，分析得出在雨强为1.0 mm·min-1、初始土壤含水量为10%的条件下径流全过程产沙量随坡度、容重、覆盖变化的非线性预测模型为：

VS=14.667 2α2-117.072 676α-86.638 89γ2-864.355 5γ-1 692.963 89c+1 861.850 9

R2=0.895

其中：VS为径流全过程总产沙量/g；α为径流小区坡度/°；γ为土壤容重/g·cm-3；c为秸秆覆盖量/kg·m-2。

2.3.3产沙量分析

土壤流失主要动力来自于降雨打击以及降雨产生的地表径流，径流流量增大，产沙量也会随之增大。随着坡度增大，开始产流时间提前，总产流量加大，总产沙量随之增大。翻耕后的地表松软，土粒间的作用力小，易被冲刷，产生地表径流后土壤流失加大。秸秆覆盖不但减小了径流量，而且可以有效拦截已产生的径流以及其挟带的泥沙，所以秸秆覆盖可以有效减小水土流失。

2.4总产流量和总产沙量相关性

通过人工降雨试验得出了各种条件下的总产流量和总产沙量，利用SPSS Statistics 22进行数据相关性分析，得出表4。

坡面径流量与产沙量相关性显著且呈正相关，径流量越大，土壤侵蚀量越大，产沙量越大。因此，坡面土壤侵蚀产沙量与坡面产流量紧密相关。

注：*.在置信度(双测)为0.05时，相关性是显著的。

Note：Different capital letters show significant difference when confidence (double) is 0.05.

3讨论与结论

通过人工降雨试验，在1.0 mm·min-1雨强下，分析坡度、土壤容重和秸秆覆盖量对坡耕地产流和产沙的影响，得出了如下主要结论：

(1)减小坡度、减小土壤容重与增加秸秆覆盖量都可以延迟产流时间，其中减小容重效果最显著。

(2)3个因素中改变土壤容重(翻耕)对总产流量的影响最大，总产流量随土壤容重的减小而减小。翻耕可以加强降雨的就地入渗，提高土壤含水量，但土壤过分疏松会加大土壤流失，而且坡度越大土壤流失越严重。小于10°的坡耕地翻耕至容重1.2 g·cm-3时，总产流量减小明显，总产沙量增加不大，所以建议翻耕至容重1.2 g·cm-3为宜。大于10°的坡耕地翻耕后产沙量增加明显，建议采取免耕措施。

(3)相比土壤容重和秸秆覆盖，坡度对总产沙量的影响最大，总产沙量随着坡度增大迅速增大，在生产中选择坡耕地时应严格控制坡度，尽量选择坡度小的坡耕地进行耕种。试验结果表明，覆盖秸秆后，坡度越大减沙效果越好，说明覆盖是减小陡坡地土壤流失的重要措施。

(4)秸秆覆盖对减少产流和产沙均有较好的效果，随着秸秆覆盖量的增加，总产流量和总产沙量都明显减少。在10°坡和容重1.0 g·cm-3条件下，当覆盖量由0 kg·m-2增加到0.2 kg·m-2和0.4 kg·m-2时，总产流量减少了18.81%和40.27%，总产沙量减少了16.37%和49.26%。在生产中应提高秸秆的利用率，运用秸秆覆盖减少水土流失。建议在覆盖量不超过0.4 kg·m-2(覆盖率80%)的情况下尽量增加秸秆覆盖。

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(编辑：梁文俊)

Effect of tilling and mulching on runoff yield and sediment yield in slope farmland

Pei Zheng, Duan Ximing*

(CollegeofForestry,ShanxiAgriculturalUniversity,Taigu030801，China)

Key words:Artificial rainfall； Cultivated slope land； Tilling； Straw mulch； Runoff yield； Sediment yield

Abstract:A field rainfall simulation experiment was carried out to seek a way of reducing soil and water loss in sloped lands. The effects of slope, soil bulk density and residue cover on runoff yield and sediment yield were also studied. The results showed that the effect of slope on sediment yield was greatest in the 3 factors. Runoff yield and Sediment yield increased with slope increasing within 15°. The rainfall infiltration could be effectively increased, but the total sediment yield increased with the decrease of bulk density. When soil bulk density was 1.2 g·cm-3, runoff reduced markedly with a little sediment yield increase. Residue cover could effectively decrease runoff yield and sediment yield, and the effect of sediment yield was more significant. Slope should choose small slope. Soil bulk density should choose 1.2 g·cm-3 when slope less than 10°.Slope land should choose no-tillage when slope more than 10°. We should increase the straw mulching. But the straw mulching rate should not exceed 80%.

收稿日期：2016-01-20 修回日期：2016-03-02

作者简介：裴峥(1991-)，男(汉)，山西平遥人，硕士研究生，研究方向：农业水土资源的高效利用 *通讯作者：段喜明，教授，硕士生导师。Tel:13935452320; E-mail:duanximing0208@sina.com

中图分类号：S157

文献标识码：A

文章编号：1671-8151(2016)06-0412-05