黄土区土壤结皮和垄高对坡面产流产沙的影响

谢亚茹，程金花，李语晨，李鹏飞，马铭泽

（北京林业大学水土保持学院，北京 100083）

黄土区土壤结皮和垄高对坡面产流产沙的影响

谢亚茹，程金花，李语晨，李鹏飞，马铭泽

（北京林业大学水土保持学院，北京 100083）

通过室内人工模拟降雨方法，研究不同坡面处理（有结皮、无结皮）和垄高（7、10和13 cm）产流产沙情况，为黄土区等高耕作水土流失治理提供理论依据。结果表明，同一垄高下，土壤结皮使坡面初始产流时间提前，径流强度增大，径流总量增加；同一坡面处理下，随垄高增加，坡面径流总量和泥沙总量减少。垄高通过蓄积雨水能力影响土壤结皮对坡面泥沙总量作用。垄高7 cm时，蓄积雨水能力较小，坡面径流量较大，土壤结皮增大坡面产沙量，相比无结皮坡面增加38.70%；垄高为10 cm和13 cm时，蓄积雨水能力较强，坡面径流量较小，土壤结皮减少坡面产沙量，相比无结皮坡面分别减少21.10%和65.70%。坡面土壤侵蚀过程中，土壤结皮首先抑制坡面产沙，但随着降雨历时增加，土壤结皮促进坡面产沙。因此，在黄土区等高耕作中，应合理设置垄高，抑制结皮，以降低土壤侵蚀程度。

土壤结皮；垄高；产流；产沙

土壤结皮是坡面存在的一种特殊下垫面，一般分为物理土壤结皮和生物土壤结皮[1]。物理土壤结皮是在雨滴击溅和土壤粘粒理化分散作用下，因土表孔隙堵塞或挟沙水流中细小颗粒沉积形成[2]。生物土壤结皮是由生长在土壤表面及其下微小生物与土壤相互作用形成[3]。本文所涉土壤结皮均指物理土壤结皮。

土壤结皮可改变表层土壤强度、孔隙度、导水率等性质，影响坡面水分运动，造成坡耕地土壤侵蚀[4-5]。研究认为土壤结皮可减少水分入渗、促进地表径流[6-7]。蔡强国等研究表明，土壤结皮可使入渗率降低，径流量增加，引发坡面强烈冲刷，使土壤结皮坡面径流量和泥沙量增加几倍甚至几十倍[8]。程琴娟等认为土壤结皮坡面径流侵蚀力增加大于土壤抗蚀力增加，因此土壤结皮坡面产沙量增加[9]。吴发启等研究发现土壤结皮坡面初始产流时间和径流峰值出现时间均早于土壤无结皮坡面，但产沙量小于土壤无结皮坡面[10]。Bradford等发现坡面冲刷侵蚀量和击溅侵蚀量随土壤结皮产生而减少，土壤结皮使整体土壤流失 量减少2.66～11.36 g · min-1[11]。Moore等指出在土壤侵蚀稳定阶段，土壤结皮形成有助于减小坡面侵蚀[12]。土壤结皮是否引起产沙量增加成为研究热点。

保护性耕作措施可有效减少坡耕地农田水土流失，改善生态环境[13-14]。Stevens等认为等高耕作是保护性耕作常见方式之一，其几何状分布特征增大地表填洼量，延长径流路径，削弱坡面侵蚀[15-16]。赵西宁等发现等高耕作可增加土壤水分入渗，尤其是在中小坡度和中小雨量条件下，可减少坡面水土流失[17]。张慧荟等通过模拟不同耕作措施侵蚀产沙，发现等高耕作水土保持效应更佳[18]。垄高是等高耕作关键因子之一，决定垄间汇集雨水量，显著影响坡面土壤侵蚀[19]。RUSLE2模型认为垄高与坡面产流产沙量负相关，垄高越高，汇水能力和入渗能力越大，坡面产流产沙量越小[19]。因此，研究垄高对坡面土壤侵蚀作用十分必要。

土壤结皮和垄高对坡耕地土壤侵蚀均影响显著，而目前等高耕作条件下土壤结皮和垄高对坡面土壤侵蚀作用鲜有研究。因此，本文以黄土区土壤为试验材料，采用人工模拟降雨方法，通过不同垄高条件下，前期有无发育土壤结皮对比试验，探讨土壤结皮和垄高对等高耕作土壤侵蚀影响，以期为黄土区等高耕作水土流失治理提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 供试土样

试验所用土壤为2016年7月14日采自河北省怀来县（115°16'～115°58'E，40°4'N～40°35'N）黄土丘陵区坡耕地耕层土，采样深度为0～20 cm。土壤颗粒组成由激光粒度分析仪（Microtrac S3500）测定，土壤全氮、全磷含量采用全自动化学分析仪（Smartchem 200）测定，有机质含量采用重铬酸钾稀释热法测定。土壤基本性质为砂粒（2～0.02 mm）20.75%，粉粒（0.02～0.002 mm）61.23%，粘粒（＜0.002 mm）18.02%，容重 1.30 g·cm-3，有机质质量分数0.52%，全氮1.382g·kg-1，全磷0.877g·kg-1。按照国际制分类为粉砂质粘壤土。

1.2 试验装置

试验于2016年7月18日在北京林业大学鹫峰人工降雨大厅展开。降雨大厅划分为4个独立降雨区，降雨过程实行计算机全自动控制。人工模拟降雨装置（型号QYJY-503C，西安清远测控技术有限公司生产）采用旋转下喷式和叠加式喷头模拟自然降雨，降落雨滴终点速度近似天然降雨，有效降雨高度12 m，降雨均匀度＞0.85。试验用土槽为小型变坡式钢槽（2.0 m×0.5 m×0.4 m），边槽加高10 cm防止槽内物质溅出。土槽底部均匀布设圆孔模拟自然透水坡面，土槽出流断面安装V形钢槽便于收集坡面径流和侵蚀泥沙。

1.3 试验设计

本试验仅控制垄高变量，其他因素保持一致。参照黄土高原地区和棕壤区等高耕作布设规格[16,19]，设计3种常见垄高，分别为7、10和13 cm；垄距均为30 cm；横垄近似梯形，上垄宽15 cm，下垄宽20 cm。根据采样区地形和气候条件，试验坡度设计为10°，降雨强度设计为60 mm·h-1。设置无结皮坡面为对照，每组试验重复3次。

土壤结皮方法：降雨历时15 min以上或降雨量超过18 mm时形成完整结皮[20]。在土槽填充完成后，人工模拟降雨，降雨强度60 mm·h-1，降雨历时20 min，以形成土壤结皮坡面。

1.4 试验过程

试验前将土壤自然风干后过10 mm筛，去除石子、植物根系及土壤大颗粒影响。由于土槽底部存在圆形孔洞，因此先覆1层纱布。槽底填充10 cm厚天然河沙，确保土壤入渗水顺利排出。沙层上部覆盖纱布后再作土壤填充，每5 cm 1层，共填充4层，填土深度共计20 cm，按照实测土壤容重（1.30 g·cm-3）计算每层应填土量。填土时边填充边压实，使用木板刮擦每层土壤表面，避免土层间发生分离。在土槽中设定水平线，使供试土壤表面与水平线平齐。在坡面上沿垂直坡面方向横向耕作，形成沟和垄[7]。每次试验完成后，将土槽重新装填土壤，保证试验结果准确性。

降雨试验：将土槽调至0°，降雨强度60 mm·h-1，历时20 min人工模拟降雨，其中1个土槽用纱布覆盖形成土壤无结皮坡面（CK）；另外1个土槽无覆盖直接接受雨滴打击，形成土壤结皮坡面。降雨结束后，土槽自然风干48 h。然后将土槽调至10°，第2场人工模拟降雨试验降雨强度60 mm·h-1，历时30 min，研究不同坡面处理和垄高条件下产流产沙变化规律。详细观测降雨全过程，记录坡面初始产流时间，利用塑料桶每隔 2 min收集1次径流泥沙样，直至降雨结束。测量径流泥沙样体积，待混合水样澄清后倒掉上清液，将泥沙105℃烘干后称重。正式试验前先行预降雨，确定降雨强度，保证人工降雨均匀性。

1.5 数据处理与制图

本研究采用SPSS 20.0软件作数据处理和配对T检验，Excel 2016统计数据和制图。

2 结果与分析

2.1 不同垄高下坡面初始产流时间、径流总量及泥沙总量比较

2.1.1 不同垄高下坡面初始产流时间

黄土区土壤水分入渗类型为超渗产流，土壤水分入渗速率随降雨逐渐减小，当降雨强度大于土壤水分入渗速率时，雨滴降落至坡面不能及时入渗，变为坡面径流[7]。

由图1可知，土壤结皮坡面初始产流时间明显早于无结皮坡面（p＜0.05）。说明土壤结皮可减缓降雨入渗，使坡面初始产流时间提前。当坡面处理相同时，随垄高增加，坡面初始产流时间推迟，土壤水分入渗能力增大，坡面初始产流时间推迟。

图1 不同垄高下坡面初始产流时间Fig.1 Initial runoff time under different soil surface and ridge height

2.1.2 不同垄高下坡面径流总量

由图2可知，在相同垄高下，土壤结皮坡面径流总量明显高于土壤无结皮坡面（p＜0.05）。土壤结皮坡面径流总量为无结皮坡面1.31～1.38倍，表明土壤结皮可增大坡面径流量。此外，在相同坡面条件下，不同垄高径流总量顺序均为：垄高7 cm＞10 cm＞13 cm。垄高与坡面径流量呈反比关系，垄高越小坡面径流量越大。在等高耕作中，较高横垄蓄积雨水量较大，坡面径流量较少。

2.1.3 不同垄高下坡面泥沙总量

由图3可知，土壤结皮坡面与无结皮坡面泥沙总量差异显著（p＜0.05），不同垄高下，土壤结皮对坡面侵蚀作用不同。

垄高10和13 cm条件下，土壤结皮坡面泥沙总量较无结皮坡面分别减少21.10%、65.70%，土壤结皮削弱坡面侵蚀。当垄高为7 cm时，土壤结皮坡面泥沙总量较无结皮坡面增加38.70%，土壤结皮增强坡面侵蚀。垄高7 cm条件下，等高耕作横垄蓄水能力较弱，土壤结皮坡面产流量较大，土壤结皮坡面径流侵蚀力增加大于土壤抗蚀力增加[9]。在相同坡面条件下，各垄高产沙量均表现为垄高7 cm＞10 cm＞13 cm，垄高越大坡面产沙量越小。因较高横垄坡面产流量较少，泥沙流动能力较弱，坡面侵蚀产沙量较少。

图2 不同垄高下坡面径流总量Fig.2 Total slop runoff under different soil surface and ridge height

图3 不同垄高下坡面泥沙总量Fig.3 Total sediment yield under different soil surface and ridge height

2.2 不同垄高下坡面产流过程

由图4可知，等高耕作垄高不同，坡面径流强度不同；在降雨过程中，土壤结皮坡面和无结皮坡面产流过程总体变化趋势基本一致。土壤结皮坡面径流强度始终高于无结皮坡面，说明土壤结皮可促进坡面产流。

垄高7 cm时，土壤结皮坡面与无结皮坡面径流强度在降雨开始前18 min接近，均小于0.15 L·m-2·min-1；18 min后径流强度均快速增加。垄高10 cm时，土壤结皮坡面与无结皮坡面径流强度从降雨0～24 min接近，均小于0.18 L·m-2·min-1；24 min后径流强度均快速增加。垄高13 cm时，土壤结皮坡面与无结皮坡面径流强度无较大波动，过程相对稳定，小于0.2 L·m-2·min-1。由此可见，土壤结皮虽促进坡面产流，但作用不显著。原因是降雨开始后雨水被拦截在横垄内，使土壤结皮坡面与无结皮坡面径流强度降低且接近，这种现象持续时间随垄高增大而延长。

图4 不同垄高下坡面径流强度变化曲线Fig.4 Changing curves of runoff intensity under different soil surface and ridge height

2.3 不同垄高下坡面产沙过程比较

由图5可知，等高耕作不同垄高条件下土壤结皮坡面和无结皮坡面侵蚀产沙总体趋势基本一致，即坡面产沙强度随降雨历时延长逐渐增大。垄高7 cm时，降雨0～19 min时，土壤结皮坡面产沙强度均低于土壤无结皮坡面，说明土壤结皮抑制坡面产沙，此时土壤结皮坡面产沙量较无结皮坡面减少31.34%；19 min后，土壤结皮坡面产沙强度高于无结皮坡面，说明土壤结皮促进坡面产沙，产沙量较无结皮坡面增加51.76%。垄高10 cm时，降雨0～27 min，土壤结皮坡面产沙强度均低于无结皮坡面，土壤结皮抑制坡面产沙，产沙量较无结皮坡面减少43.41%；27 min后，土壤结皮坡面产沙强度高于无结皮坡面，其产沙量较无结皮坡面增加26.09%。垄高13 cm时，从降雨开始至结束，土壤结皮坡面产沙强度均低于无结皮坡面，相比土壤无结皮坡面减少65.70%。以上结果表明，在坡面侵蚀过程中，土壤结皮仅在一定程度上抑制坡面产沙，垄高越大，产流量增速越慢，土壤结皮抑制坡面产沙持续时间越长。在水蚀过程中，土壤抗蚀力与侵蚀力决定坡面侵蚀发生和程度变化，其中侵蚀力主要为径流冲刷力，受其自身理化性质和表面特征影响。在降雨初期，雨水汇集在垄内，土壤结皮坡面产流量较少，抗蚀能力较强，地表松散物质较少，抑制坡面产沙；随降雨增加，土壤结皮坡面产流量增大，径流侵蚀力增强，抗蚀能力减弱，促进坡面产沙。

图5 不同垄高下坡面产沙强度变化曲线Fig.5 Changing curves of sediment yield intensity under different soil surface and ridge height

3 讨 论

黄土区气候条件以半干旱为主，坡耕地土质疏松，有机质含量较低，粉砂含量较高，在降雨冲击和径流冲刷下，土壤表面极易形成结皮。土壤结皮形成后显著影响土壤理化性质，对径流入渗、土壤侵蚀等过程产生重要影响[4-5]。本研究结果表明，相比土壤无结皮坡面，结皮坡面初始产流时间提前，与程琴娟等研究结果一致[9,21]。因土壤结皮可使表层土壤孔隙度变小，导水性降低，土壤水分入渗率降低[7]。相比土壤无结皮坡面，结皮坡面径流强度增大，径流总量显著增加（p＜0.05），与程琴娟等研究结果一致[21]。土壤结皮使土壤表面光滑，坡面阻力系数减小，坡面径流强度增大[22-23]。随垄高增加，坡面径流量和泥沙量逐渐减小，可通过增大垄高增强等高耕作水土保持能力。刘前进在棕壤横垄土壤侵蚀研究中指出，增大垄高可以延缓横垄崩塌，削弱土壤侵蚀[19]。随垄高增加，等高耕作横垄蓄水能力增大，坡面径流量减小，径流侵蚀力减弱，泥沙流动能力减弱，坡面土壤侵蚀量减少。

土壤结皮从两方面影响坡面土壤侵蚀过程：一方面土壤结皮可有效提高表层土壤抗蚀力，另一方面土壤结皮影响坡面径流形态及水动力学特性，而径流冲刷力是坡面主要侵蚀动力。因此表层土壤抗蚀力与径流侵蚀力间平衡关系对坡面土壤侵蚀过程发生发展具有重要作用[22]。本研究结果表明，垄高7 cm条件下，相比土壤无结皮坡面，结皮坡面泥沙总量增加。因为垄高7cm横垄蓄水能力较弱，坡面产流量较大，径流侵蚀力大于土壤结皮抗蚀力。垄高10和13 cm条件下，相比土壤无结皮坡面，土壤结皮坡面泥沙总量减少，与吴发启等研究结果一致[10]。因为垄高10和13 cm横垄蓄水能力较强，坡面产流量较小，径流侵蚀力小于土壤结皮抗蚀力。因此，垄高通过蓄积雨水能力影响土壤结皮对坡面土壤侵蚀作用。在垄高7和10 cm等高耕作土壤侵蚀过程中，土壤结皮仅在一定程度上减弱坡面土壤侵蚀，与卜崇峰等和蒋芳市研究结果一致[24-25]。因在降雨前期，坡面径流量较少，径流侵蚀力较弱，结皮增强土壤抗蚀性，减少地表松散物质，土壤结皮表现为抑制坡面产沙；随着降雨历时延长，坡面径流量增大，径流侵蚀力增强，土壤结皮被破坏，抗蚀能力减弱，小于径流侵蚀力，土壤结皮表现为促进坡面产沙。

黄土区坡耕地干旱少雨，增大坡面水分入渗量可减小水土流失，为作物生长提供充足水分。黄土区土壤结皮限制水分入渗，增大坡面径流量，当径流侵蚀力大于土壤结皮抗蚀能力时，土壤结皮加速坡面土壤侵蚀。因此，每次降雨后，应尽可能破坏土壤结皮，增加水分入渗，减少坡面土壤侵蚀。

4 结论

a.在等高耕作中，当垄高相同时，土壤结皮降低土壤入渗率，使坡面初始产流时间提前，显著增加坡面径流总量（p＜0.05）。当坡面处理相同时，随垄高增加，坡面初始产流时间推迟，径流量和泥沙量减小。垄高通过蓄积雨水能力影响土壤结皮对坡面侵蚀作用，垄高7 cm横垄蓄水能力较弱，坡面径流量较大，径流侵蚀能力较强，土壤结皮增大坡面产沙量，产沙量较无结皮坡面增加38.70%；垄高10 cm和垄高13 cm横垄蓄水能力较大，坡面产流量较小，径流侵蚀力较弱，土壤结皮减小坡面产沙量，产沙量较无结皮坡面分别减少21.10%，65.70%。

b.等高耕作横垄蓄水能力有限，当横垄内蓄水量低于横垄蓄积能力时，土壤结皮坡面和无结皮坡面径流强度较小；当横垄内蓄水量超过横垄蓄积能力后，坡面径流强度增加。

c.土壤结皮在不同侵蚀过程中对坡面产沙作用存在差异：降雨前期，由于土壤结皮增强土壤抗侵蚀能力，坡面产流量较小，径流侵蚀力小于土壤抗蚀能力，土壤结皮抑制坡面产沙；随着降雨历时延长，坡面产流量增大，径流侵蚀力大于土壤抗蚀能力，土壤结皮促进坡面产沙。

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Effect of soil crust and ridge height on runoff producting and sediment yield in loess area/

XIE Yaru,CHENG Jinhua,LI Yuchen,LI Pengfei,MA Mingze
(School of Soil and Water Conservation,Beijing Forestry University,Beijing 100083,China)

Indoor simulated rainfall experiments were conducted to study the effects of two slope treatments(soil crust and non-crust)and three ridge heights(7,10and 13 cm）on slop runoff and sediment yield and provide a theoretical basis for soil and water loss control of contour tillage in loess area.Results showed that for the same ridge height,the initial slope runoff producting time was brought forward,slope runoff producting intensity and the total slope runoff producting increased under soil crust treatment.For the same slope treatment,the total slop runoff producting and sediment yield decreased with the increase of ridge height.Ridge height influenced the effect of soil crust on the total sediment yield by rainwater storage capacity.At the ridge height of 7 cm,the total sediment yield of soil crust increased by 38.70%compared to non-crust,because its rainwater storage capacity was smaller and slop runoff producting was bigger.At the ridge height of 10 and 13 cm,the total sediment yieldof soil crust decreased by 21.10%and 65.70%,respectively compared to non-crust,because its rainwater storage capacity was bigger and slop runoff producting was smaller.During soil erosion process,soil crust first inhibited slope sediment yield and thenpromoted slope sediment yield as rainfall time.Therefore,ridge height would be set up reasonably and soil crust would be destroyed to decrease soil erosion in contour tillage in loess area.

soil crust;ridge height;runoff producting;sediment yield

S157

A

1005-9369（2017）10-0042-08

谢亚茹,程金花,李语晨,等.黄土区土壤结皮和垄高对坡面产流产沙的影响[J].东北农业大学学报,2017,48(10)：42-49.

Xie Yaru,Cheng Jinhua,Li Yuchen,et al.Effect of soil crust and ridge height on runoff producting and sediment yield in loess area[J].Journal of Northeast Agricultural University,2017,48(10)：42-49.(in Chinese with English abstract)

2017-08-24

国家科技支撑计划项目（2015BAD07B040304）；国家林业局林业公益性项目（201404209）

谢亚茹（1993-），女，硕士研究生，研究方向为水土保持。E-mail：2455276337@qq.com

程金花，教授，博士生导师，研究方向为土壤侵蚀与植被恢复。E-mail：jinhua_cheng@126.com