不同扰动带设置对坡耕地产流产沙的影响

郭志鹏，段喜明，裴 峥

（山西农业大学林学院，山西太谷030801）

黄土高原是世界上土壤侵蚀最严重的区域之一[1]，也是我国主要的旱作农业区，农业活动的主体是坡耕地。但坡耕地又极易产生水土流失，据统计，坡耕地每年的土壤流失量约为1.5×109t，占全国水土流失总量的1/3[2]。因此，控制和减少坡耕地的水土流失，对改善耕地质量和提高粮食产量都具有重要意义。坡度是影响坡耕地水土流失的一个重要因素，当坡度大于15°时，水土流失严重且土壤侵蚀量随坡度上升而增加较大，因此，坡耕地的坡度尽量不超过15°[3-6]。扰动地表、改变微地形，可以增加地表糙度，进而影响水土流失。现有研究表明，产流产沙量随地表糙度的变化并不是单一的递增或递减。一种观点认为，扰动地表，增加地表糙度，使土壤疏松，更易受到冲刷，加剧了土壤侵蚀；另一种观点认为，增加地表糙度可增加入渗，减轻水土流失[7-11]。作为常用的水土保持耕作措施，秸秆覆盖也受到越来越多的关注。秸秆覆盖可以削弱雨滴动能，使土壤免受雨滴击溅，减少土壤颗粒的分离与扩散，同时还可以截留泥沙，减少土壤侵蚀[12-16]。

为寻找减少坡耕地水土流失的方法，本试验在径流小区内沿等高线选一长条形区域进行翻耕处理，形成扰动带；通过翻耕扰动，疏松土壤，增加入渗，减小径流量，并在扰动区域覆盖秸秆，以减轻扰动地表造成的土壤流失；通过改变扰动带的位置和坡度，结合秸秆覆盖，研究不同的扰动带设置对坡耕地产流产沙的影响。

1 材料和方法

1.1 试验区概况

试验在山西省方山县沙沟水土流失综合观测场进行，地理位置东经 111°17′34″，北纬 37°44′25″。观测场所在流域控制面积1.78 km2，属温带大陆性气候，降雨集中且多暴雨，土壤类型为草甸土及褐土，水土流失类型以水力侵蚀为主。

1.2 试验设计

观测场内有一系列径流小区，小区用PVC板围砌，投影面积为3 m×1 m，下部有出流口，用于收集小区的产流与产沙。本试验在3种坡度（5°，10°，15°）的径流小区内沿等高线选一投影宽度为30 cm的长条形区域，翻耕表层10 cm土壤作为扰动带，改变扰动带的位置（上方或下方，即小区上1/3处或下1/3处）、坡度（原坡或水平）和覆盖条件（有覆盖或无覆盖）对小区处理，并与CK（未设置扰动带的小区）比较。每个坡度9种设置，共27个处理，试验重复3次。扰动带位置及坡度如图1所示，水平扰动带与上方坡段有5 cm宽的过渡段，扰动带设置如表1所示。覆盖物为风干的玉米秸秆，切成10 cm小段，覆盖量为0.4 kg/m2[4]。试验采用TSJY-081型全自动便携式人工模拟降雨器进行降雨，结合当地实际降雨情况，雨强选择1.2 mm/min。试验前测得土壤容重为1.3g/cm3，土壤初始平均含水量为10%。从降雨开始进行计时，记录开始产流时间，开始产流后每隔3 min收集一次径流试样（约300 mL），产流30 min后结束降雨。泥沙量用烘干法测定。

表1 扰动带设置

2 结果与分析

2.1 开始产流时间的变化特征

由图2可知，小区坡度不同时，产流时间随坡度增加有提前的趋势；扰动带位于小区上方时，10°和15°坡开始产流时间相差不大。扰动带位置不同时，与上方的扰动带相比，下方的扰动带在5°，10°和15°坡的条件下产流时间分别延迟68.89%～94.44%，106.52%～158.82%和56.25%～103.70%。扰动带坡度不同时，与原坡扰动带相比，水平扰动带在 5°，10°和15°坡的条件下产流时间分别延迟10.14%～21.62%，25%～43.75%和20.97%～37.04%。扰动带覆盖条件不同时，与无覆盖扰动带相比，有覆盖的扰动带在5°，10°和15°坡的条件下产流时间分别延迟为20%～38.16%，7.95%～28.00%和12.73%～29.73%。

综上所述，扰动带的位置变化对产流时间的影响最为明显，设置于小区下方的扰动带延迟产流效果较好。扰动带位置不同，作用范围也不同，扰动带位于小区下方时，可以拦截更大范围的水量，充分发挥作用，延缓径流的产生。其中，设置7（下方水平有覆盖）延迟产流的效果最好，产流时间延迟可6.4～8.1 min。

2.2 扰动带对产流的影响

2.2.1 对产流过程的影响 由图3可知，不同处理的产流量均呈先增加后趋于稳定的趋势。产流初期，CK的产流量高于其他处理，且在10°，15°坡上更为明显；产流6～12 min，无覆盖的扰动带产流量迅速增加，24 min后产流达到稳定，产流量与CK接近，说明无覆盖的扰动带在产流前期可减少产流量，在产流6～12 min后已无减流效果；有覆盖的扰动带产流量增加较慢，稳定产流量明显低于CK，说明有覆盖的扰动带在整个产流过程中都有减流效果；设置7（下方水平有覆盖）减少产流的效果最好，与CK相比，产流量减少42.81%～43.74%。

2.2.2 对总产流量的影响 从表2可以看出，扰动带设置相同时，总产流量随坡度增加而增加。10°坡的总产流量是5°坡的1.22～1.44倍，15°坡的总产流量是5°坡的1.49～1.89倍；坡度相同时，与CK相比，不同扰动带设置均可减少产流。5°坡各设置减少产流5.12%～43.41%，10°坡各设置减少产流9.76%～42.81%，15°坡各设置减少产流12.95%～43.74%；同一坡度下，设置7（下方水平有覆盖）的产流量最少，减少产流的效果最好，且坡度越大减流效果越好。

表2 不同处理的总产流量L

不同坡度下的产流量变化趋势相似，以10°坡为例进行分析。扰动带设置于下方比设置于上方产流量减少9.87%～23.04%；水平扰动带比原坡扰动带产流量减少3.61%～12.34%；有覆盖的扰动带比无覆盖的扰动带产流量减少8.35%～21.87%。这是因为扰动带拦截径流的作用与其位置有关，扰动带越靠近下方，作用范围越广，拦截的水量也越多，所以扰动带位于下方时，产流量也相对较低；水平扰动带更有利于拦截径流，但由于扰动带范围较小，所以产流量差距不大；秸秆覆盖可以形成保护层，避免雨滴直接打击扰动带，堵塞土壤孔隙，形成土壤结皮。因此，扰动带有覆盖的小区稳定产流量明显低于扰动带无覆盖的小区。

2.3 扰动带对产沙的影响

2.3.1 对产沙过程的影响 由图4可知，开始产流后，产沙量先缓慢增加，6 min以后迅速增加，然后波动减小，24 min后趋于稳定。扰动带无覆盖的小区产沙量波动较大，峰值较高；扰动带有覆盖的小区产沙量波动较小，峰值较低。这是因为翻耕扰动地表，会产生大量松散颗粒，容易造成土壤损失，秸秆覆盖会形成保护层，不仅可以削弱雨滴溅蚀，还可减缓径流流速，从而减少产沙量。

2.3.2 对总产沙量的影响 从图5可以看出，在扰动带设置相同的条件下，不同处理的总产沙量随坡度变化为 15°＞10°＞5°。10°坡的总产沙量是 5°坡的 1.79～2.54 倍，15°坡是 5°坡的 3.34～4.25 倍。小区坡度相同时，不同扰动带设置对小区的总产沙量影响不同，设置7（下方水平有覆盖）的总产沙量最少，减沙效果最好；5°和15°坡的设置2（上方原坡无覆盖）、设置6（下方原坡无覆盖）和设置8（下方水平无覆盖），10°坡的设置2（上方原坡无覆盖）反而使总产沙量增加，因为这几个小区的扰动带均未覆盖，本试验的扰动带是通过翻耕扰动地表形成的。因此，扰动带的土壤疏松，土粒易于分散，在降雨过程中，溅蚀严重，产流以后，松散的土壤更易受到冲刷，造成产沙量的增加。不同处理的减沙效果列于表3。

表3 不同处理的减沙效果%

3 结论与讨论

通过人工降雨试验，在雨强1.2 mm/min、土壤容重1.3 g/cm3、土壤初始平均含水量10%的条件下，分析不同扰动带设置对坡耕地产流产沙的影响，结果表明，设置扰动带可延迟产流时间，扰动带的位置变化对产流时间的影响最明显。其中，设置7（下方水平有覆盖）延迟产流效果最好，产流时间延迟6.4～8.1 min。设置扰动带可以减少产流量。设置7（下方水平有覆盖）具有最优的减流效果，与CK相比，总产流量减少42.81%～43.74%；覆盖条件对扰动带持续发挥作用具有重要意义。在产流6～12min后，无覆盖的扰动带已基本无减流效果，有覆盖的扰动带在整个试验过程中都在发挥减流效果。扰动带的减沙作用与覆盖条件有关。有覆盖的扰动带均可减少产沙，无覆盖的扰动带减沙效果不明显，部分处理反而使产沙量增加，设置2（上方原坡无覆盖）在3个坡度上均不能减少产沙。设置7（下方水平有覆盖）减少产沙的效果最好，与CK相比，产沙量减少32.47%～44.14%。不同的扰动带设置对产流产沙的影响不同，有覆盖的扰动带减流减沙效果较好，设置7（下方水平有覆盖）效果最佳，且操作简便，容易推广。