马铃薯对坡耕地水土流失的影响

张 贺，段喜明，刘志明

（山西农业大学林学院，山西太谷030801）

水土流失是导致生态环境恶化和土地生产力下降的主要原因[1]。坡耕地是黄土高原水土流失的主要策源地[2-3]，坡耕地水土流失防治已成为我国水土流失治理工作的重点[4-5]。黄土高原一直以农作物种植业为主，马铃薯在这一地区占有十分重要的地位[6-7]。已有的试验多为研究马铃薯作物种植方式对坡耕地产流产沙的影响[8-9]，但是作物生长周期内冠层的剧烈变化，且其生长季多处于降雨丰沛的夏、秋季节，因此，还须进一步研究马铃薯不同生长阶段对坡面水土保持的影响，以期阐明作物对坡面产流产沙的抑制程度[10-11]。

本试验以种植马铃薯的坡耕地为对象，研究马铃薯不同生长阶段对坡耕地产流产沙及其过程的影响，旨在为坡耕地水土流失防治和农田水分合理利用提供科学依据。

1 材料和方法

1.1 试验地概况

试验在山西省吕梁市方山县沙沟水土保持监测站进行。试验区属温带半干旱季风气候区，年均气温4～9℃，无霜期110～150 d，多年平均降水量563 mm，年平均蒸发量1 208 mm，6—8月降水量占全年的63%。试验田土壤为灰褐土。

1.2 试验材料

供试马铃薯品种为晋薯7号，从山西康农薯业有限公司购买。

有机无机复合肥（N∶P∶K＝17∶5∶5，有机质≥25%），从太谷县东海市场内购买。

1.3 试验方法

依据当地山地坡度和降雨特征，在降雨强度为1.0 mm/min 条件下，采用 3 种坡度（5°，10°和 15°）进行试验。每种坡度设置2个径流小区，径流小区长5 m、宽3 m、坡向为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）。

径流小区的试验处理设置为：种植马铃薯和设相同条件下裸坡为对照。试验于2017年5月13日撒施肥料，将其作为基肥一次性施入。供试马铃薯于5月16日按行距50 cm、株距20 cm统一播种。采用人工模拟降雨方法，在马铃薯不同生育期（幼苗期、始花期、盛花期、成熟期）进行4次试验。每一次试验开始前，对马铃薯各生育期进行冠层覆盖度测量[12]，后利用TSJY-081型全自动便携式人工模拟降雨器进行降雨。待小区产流开始后，降雨持续27 min，每间隔3 min收集一次产流，直至产流结束，并记录产流量。泥沙量用烘干法测定。

1.4 数据分析

采用 Excel，SPSS 22.0 和 AutoCAD软件进行数据计算和分析。

2 结果与分析

2.1 马铃薯对坡面开始产流时间的影响

由表1可知，在坡度一定时，马铃薯不同生育期的坡面开始产流时间均比裸地有所延迟。以10°坡为例，马铃薯不同生育期对坡面开始产流时间的先后顺序为成熟期＞盛花期＞始花期＞幼苗期，其中，幼苗期对坡面开始产流时间的推迟效果影响较弱，较裸地推迟了0.89 min；马铃薯成熟期对坡面开始产流时间的推迟效果影响较大，较裸地推迟了6.54 min，是幼苗期推迟时间的 7.35 倍。

表1 不同坡度下，马铃薯不同生育期对坡面产流时间和产流产沙的影响

采用回归方程定量分析坡面产流时间（t）和马铃薯不同生育期冠层覆盖度（C）的关系，结果如表2所示。从表2可以看出，坡面开始产流时间与冠层覆盖度呈线性正相关关系。说明随着马铃薯在生长阶段冠层覆盖度的增加，产流时间推迟，且推迟效果明显。主要是因为马铃薯冠层低矮，枝叶茂盛繁多，在降雨过程中，密实的冠层和茂盛的枝叶对降水起到了拦截作用，减少了到达地面的降雨量，从而延迟地表填洼时间[13]；同时马铃薯的冠层可以有效保护其覆盖的土壤，防止土壤产生结皮，从而增加土壤入渗，推迟了坡面产流时间[14]。

表2 坡面产流时间与马铃薯冠层覆盖度的相关性分析

2.2 马铃薯对坡面产流的影响

2.2.1 马铃薯对坡面产流过程的影响 由图1可知，在降雨过程中，坡面产流率呈现出先急剧增大后缓慢增长，最后趋于稳定的趋势，即降雨开始后的前10 min内，坡面产流率增长速度较快，随后缓慢增长，最后达到一个稳定的状态直至降雨结束。在5°，10°和15°这3种坡度下，马铃薯全生育期坡面的稳定产流率分别为 205.32～448.25，420.54～680.12和558.56～659.74 mL/（m2·min）。在相同坡度下，与裸坡相比，随着马铃薯在生长阶段冠层覆盖度的不断增加，坡面产流率明显减小。

分析原因可知，在降雨前期，土壤含水量较低，到达坡面的雨水首先被土层吸收，在这期间土壤含水量快速增大，土壤入渗率迅速减小，使得坡面产流量随着降雨时间的延长迅速增大[15-16]，大约产流10 min后，由于土壤含水量变化减弱，土壤入渗率趋于稳定，坡面产流量缓慢增大，坡面产流率最后趋于稳定。

在种植马铃薯的坡地上，马铃薯的冠层能够防止雨滴直接击溅地表，截留了部分雨水，同时也防止因土壤板结引起的土壤渗透性下降，从而减少径流的产生；另一方面，马铃薯的根系在土壤中延伸、生长、生死交替，大量的孔隙和根隙被形成，为微生物和动物提供了生存环境[17]，而它们的生长繁衍又为该地土壤留下了数量巨大的孔隙和孔洞，从而促进了降雨入渗，减少了径流量。

2.2.2 马铃薯对坡面总产流量的影响 由表1可知，在相同坡度下，马铃薯不同生育期的坡面总产流量均低于裸地。在5°，10°和15°这3种坡度下，马铃薯全生育期内坡面总产流量平均为43.58，59.18，75.64L，较裸地分别减少了 35.43%，33.78%和 32.35%。马铃薯不同生长阶段的蓄水作用差异较大。以10°坡为例，幼苗期蓄水作用较弱，与裸地相比，总产流量减少了4.3%；成熟期的蓄水作用最为显著，与裸地相比，总产流量减少了43.71%，其减少量是幼苗期减少量的10.16倍。

采用回归方法，分析坡面产流总量（L）与马铃薯不同生育期冠层覆盖度（C）的关系。由表3可知，产流总量与冠层覆盖度呈负指数相关关系，表明马铃薯在生长阶段冠层覆盖度的增加能够减小地表产流量，覆盖度越大减小产流的作用越明显。

表3 坡面产流总量与马铃薯冠层覆盖度的相关性分析

2.3 马铃薯对坡面产沙的影响

2.3.1 马铃薯对坡面产沙过程的影响 从图2可以看出，马铃薯全生育期产沙过程的波动性均远低于裸地。以5°坡为例，裸地产沙起点值相对较高，同时具有较大的产沙曲线波动，在产流9 min后达到第1个峰值，随后产沙过程依然具有较大的波动。与裸地相比，马铃薯不同生育期坡面产沙起点值均较小，且具有较小的产沙曲线波动。

分析原因可知，土壤侵蚀主要由雨滴溅蚀引起[18]。在裸坡上，由于土壤表面没有任何覆盖物的保护，雨滴直接击打在土壤表层，造成了土壤颗粒的分离与扩散，增强了地表薄层径流的紊动强度，从而增加了坡面产沙量[19]。而在种植马铃薯的坡面上，马铃薯密集的冠层对雨滴的动能有明显的削弱作用，在坡面形成的径流具有较低的动能和紊乱性，使其具有较低的挟沙能力；另一方面，种植马铃薯增加了地表的粗糙度和土壤的入渗率[20]，从而降低了地表径流的流速，减弱了对土壤的冲刷作用。

2.3.2 马铃薯对坡面总产沙量的影响 从表1可以看出，在相同坡度下，马铃薯不同生长阶段的坡面总产沙量均低于裸地。在5°，10°和15°这3种坡度下，马铃薯全生育期内坡面总产沙量平均为1.62，2.34，3.04 kg，较裸地分别减少了 55.41%，54.14%和50.94%。马铃薯不同生长阶段的拦沙能力差异较大。以15°坡为例，幼苗期对坡面产沙影响较弱，与裸地相比，总产沙量减少了21.63%；成熟期的减沙效果最为显著，与裸地相比，其总产沙量减少了73.42%，其减少量是幼苗期减少量的3.39倍。由此可见，随着马铃薯的不断生长，对坡面泥沙的调控作用不断加强。

采用回归方法，分析坡面总产沙量（S）与马铃薯不同生育期冠层覆盖度（C）的关系。由表4可知，产沙总量与冠层覆盖度呈负指数相关关系，表明马铃薯在生长阶段冠层覆盖度的增加能够减小土壤流失量，冠层覆盖度越大减小土壤流失量的作用越明显。

表4 坡面产沙总量与马铃薯冠层覆盖度的相关性分析

3 结论

本研究通过人工模拟降雨试验，在不同坡度下，分析马铃薯全生育期对坡耕地产流和产沙的影响得出，在坡度相同的情况下，马铃薯不同生育期的坡面开始产流时间均比裸地有所延迟，且随着马铃薯冠层覆盖度的增加，坡面开始产流时间推迟，且二者的线性关系较好。

马铃薯不同生育期坡面产流率呈先急剧增大后缓慢增长，最后趋于稳定的趋势。在相同坡度下，与裸地相比，随着马铃薯在全生育期冠层覆盖度的不断增加，坡面产流率明显减小。马铃薯全生育期产沙过程的波动性均远低于裸地。裸地产沙起点值相对较高，产沙曲线波动也较大。与裸地相比，马铃薯不同生育期坡面产沙曲线具有较小的波动性，产沙起点值均小于裸地。

坡面总产流量和产沙量随马铃薯冠层覆盖度的增大呈负指数减小，与裸地相比，5°，10°和 15°这3种坡度下，马铃薯在其全生育期分别可减少总产流量的 35.43%，33.78%和 32.35%；分别可减少总产沙量的 55.41%，54.14%和 50.94%。因此，选择在坡度较缓的位置种植马铃薯对坡耕地蓄水拦沙的效果较好，但由于马铃薯幼苗期土壤抗侵蚀能力较弱，应注意此时的土壤侵蚀防控。

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