晋西黄土区坡耕地不同下垫面水土流失对侵蚀性降雨的响应

周 晗, 严俊霞, 李洪建, 王小云

(1.山西大学 黄土高原研究所, 太原 030006; 2.山西省水土保持科学研究所, 太原 030045)

黄土高原是我国坡耕地的主要分布区之一，坡耕地造成的水土流失导致了黄土高原地区生态环境恶化，同时土壤水分不足也制约着该地区植被与生态恢复[1-2]。如何有效拦蓄径流、促进降雨入渗，降低土壤侵蚀是坡耕地水土流失治理的核心。因此研究次降雨对坡耕地不同下垫面产流、产沙及入渗的影响，对于揭示黄土高原坡地径流过程、水量转化特点、坡面水土流失机理具有重要的意义。

关于降雨因子对坡面产流产沙的影响，学者们进行了大量的研究，主要通过对天然降雨或者模拟降雨条件下径流泥沙的监测，揭示坡面水土流失的机理。目前对不同下垫面产流产沙、入渗规律的研究多集中在人工林草植被、农作物方面，申震洲等[3]认为相同降雨条件下，灌木地减流减沙、增加入渗的效果优于荒草地、裸地。赵鹏宇[4]认为灌木地土壤水分入渗率随雨强增大呈增大趋势，翻耕草灌地则反之。以作物为对象的水土流失规律研究多在模拟降雨条件下进行，马波等[5]通过人工模拟降雨对大豆产流产沙进行了研究，结果表明与裸地相比，大豆全生育期内可减少径流量31.43%，减少土壤流失量54.84%。刘志明[6]对生育期马铃薯坡面进行研究表明，坡面产流产沙与降雨强度呈正相关，能有效削弱暴雨下坡面土壤侵蚀过程。吴佳等[7]对秋作物(玉米、大豆、谷子)坡地、裸地在模拟降雨条件下的入渗特征参数研究表明，降雨强度与入渗性能存在显著正相关。关于弃耕地的研究多集中在水土流失特点、土壤抗蚀性方面。张旭昇等[8]研究了天然降雨下人为扰动和自然恢复撂荒地产流产沙的特点，结果表明径流量与径流含沙量、产沙量与15 min雨强有相同的增减趋势，呈三次曲线关系。罗利芳等[9]通过野外不同流量放水冲刷试验，认为土壤抗冲性、透水性随撂荒年限的延长而增强，撂荒5 a后，水土流失得到很大控制。李华林[10]、李瑞等[11]认为喀斯特地区撂荒地径流量、泥沙量均显著低于林地和坡耕地。

上述研究没有明确不同时段雨强对弃耕地及不同作物种类水土流失及入渗的影响程度。本研究在山西省静乐县娑婆小流域进行，通过小区实地监测，在兼顾作物种类、下垫面变化的基础上，研究降雨因子对坡面土壤侵蚀的影响，以期为坡耕地水土流失综合治理、土地利用规划提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

该试验在汾河流域上游的静乐县娑婆乡娑婆村娑婆小流域径流观测场进行。该区属汾河支流东碾河小流域，区内属温带季风气候，年均温3.5～6.8℃，年降雨量380～500 mm，降水多集中在7—9月。流域内沟壑相间、地形破碎，坡耕地分布广泛，土壤侵蚀主要为水力侵蚀，平均土壤侵蚀模数约为5 800 t/(km2·a)。该区土壤为砂质黄壤土，有机质含量0.15%～1%，土壤容重1～1.3 g/cm3，土壤孔隙率45%～60%，田间持水量17%～25%。乔木主要为油松(Pinustabulaeformis)、白杨(Populusalba)和垂柳(Salixbabylonica)，灌木主要以沙棘(Hippophaerhamnoides)、黄刺玫(Rosaxanthina)、毛榛(Corylusmandshurica)为主，草本主要为狗尾草(Setariaviridis)、白草(Pennisetumcentrasiaticum)等，主要种植作物有玉米(Zeamays)、马铃薯(Solanumtuberosum)。

1.2 试验设计

径流场修建于2013年，位于娑婆小流域下游，场内共布设有12个径流小区，主要用于对坡耕地降雨、径流、泥沙进行定点监测。各小区投影面积为30 m2(3 m×10 m)，坡向南，位于坡面中上部，坡度为12°。12个小区之间由1.0 m管理道路分为东、中、西三组，每组的4个小区分别为玉米小区、马铃薯小区、裸地小区、弃耕地小区，每组均有3个重复小区。2016年春季在对应小区分别穴状种植由山西省农科院选育的玉米(中地88号)、马铃薯(晋薯17号)，根据当地种植制度进行浇水、除草及病虫害防治等农事活动。裸地应及时清除地表植被覆盖物，保持坡面无任何植被覆盖；弃耕地自2013年起没有进行种植，截至2016年春耕季为弃耕三年。各小区具体参数详见表1。

表1 径流小区参数

注：地表植被覆盖度为观测期内6次测定值的平均值。

1.3 研究方法

1.3.1 数据测定 试验于2016年雨季7—9月进行。次降雨量采用翻斗式自记雨量计(JQR-1，潍坊金水华禹信息科技有限公司)测定。根据雨量计记录数据分别统计出每隔10 min，30 min等时间间隔的降雨量，换算成相应时间段的雨强，选择出单场降雨中最大的时段雨强。径流量通过集流桶收集后采用容积法测量。首先通过人力将泥沙和径流充分混匀，然后取1 L混合水样，经沉淀、烘干、称重(精确到g)求得泥沙含量，根据泥沙量计算各小区的产沙量。入渗率通过降雨量和径流量的差值计算得到[12-13]。地表植被覆盖度参照《径流小区和小流域水土保持监测手册》采用目估法和照相法推算。

1.3.2 数据分析 参与统计分析的数据，如径流量、泥沙量等均为3个重复小区的平均值。用Excel 2010进行计算和作图，用SPSS 13.0的单因素方差分析对4种下垫面小区的产流、产沙、入渗率的均值差异进行统计检验；降雨因子与径流深、泥沙流失量、入渗率的相关性采用Pearson相关分析。

2 结果与分析

2.1 试验期降雨特征

选取试验地2016年7月15日—2016年9月17日具有代表性的6场侵蚀性降雨，降雨量(P)介于28.63～41.82 mm之间。根据气象学中降雨强度划分标准，6场降雨均属于大雨范畴。依次统计出单场降雨的最大10 min雨强(I10)、最大30 min雨强(I30)和平均雨强(I平)(表2)。分段雨强能反映出降雨过程集中程度的差异性，平均雨强能体现出单次降雨的总特征[14]。由表2，表3可知，降雨量大，时段雨强不一定大。时段雨强I平与I10，I30没有显著相关性，而I10与I30有显著的相关性。

表2 场次降雨特征

表3 场次降雨特征相关性分析

2.2 不同下垫面径流小区产流、产沙及入渗特征

不同下垫面次降雨径流深、泥沙流失量、入渗率变化情况如图1所示。单场降雨不同下垫面径流深、泥沙流失量、入渗率差异显著(p<0.05)。总体来看，在研究期间，不同下垫面径流深、泥沙流失量从小到大依次表现为玉米地<马铃薯地<弃耕地<裸地，而入渗率则反之。与玉米地相比，马铃薯地、弃耕地和裸地的径流深显著增加了58.95%，146.85%，261.48%；泥沙流失量显著增加了50.45%，94.98%，240.06%；入渗率显著下降了5.68%，14.25%，25.36%。

注：同组不同小写字母为p<0.05水平下差异显著。

图1 不同下垫面径流小区次降雨径流深、泥沙流失量、入渗率变化

2.3 次降雨对不同下垫面径流小区产流的影响

2.3.1 降雨量对径流深的影响 坡面产流是由降水、截留、填凹、蒸发、入渗等过程综合作用的结果，其中降水作为仅有的水分来源，是产生地表径流的必要条件。对观测期降雨量(P，mm)和径流深(玉米地Ry；马铃薯地Rm；弃耕地Rq；裸地Rl，mm)建立线性和幂函数回归模型。线性回归模型(玉米地：Ry=1.30+0.05P，R2=0.55，p=0.09；马铃薯地：Rm=1.01+0.11P，R2=0.76，p=0.02；弃耕地：Rq=0.99+0.19P，R2=0.69，p=0.04；裸地：Rl=2.15+0.26P，R2=0.76，p=0.03)。幂函数回归模型(玉米地：Ry=0.36P0.60，R2=0.56，p=0.09；马铃薯地：Rm=0.29P0.79，R2=0.73，p=0.03；弃耕地：Rq=0.34P0.88，R2=0.68，p=0.04；裸地：Rl=0.64P0.80，R2=0.73，p=0.03)。两种模型中除玉米地之外，线性回归模型具有较高的相关系数。

2.3.2 雨强对径流深的影响 雨强越大，单位时间到达地面的降水越多，地表产生的径流随之增多。运用SPSS软件对不同下垫面径流小区径流深与分段雨强分别进行相关分析，由表4可知，玉米地、弃耕地、裸地径流深与I10，I30，P×I10，P×I30呈显著或极显著关系。除裸地以外，其他下垫面径流深与I30相关性大于I10。各小区径流深与降雨复合因子(P×I10，P×I30)的相关程度大体上高于与单一降雨因子(P，I10，I30)的相关程度，但与平均降雨强度相关性均不显著。由表5可见，玉米地、马铃薯地、裸地径流深与I10，I30，P×I10，P×I30呈较好的幂函数关系，弃耕地径流深与I10，I30，P×I10，P×I30呈较好的一次函数关系。

表4 径流深与降雨因子的相关性分析

注：**表示0.01水平(双侧)上显著相关，*表示0.05水平(双侧)上显著相关。

表5 径流深与降雨因子回归关系

2.4 次降雨对不同下垫面径流小区产沙的影响

降雨是影响土壤侵蚀的主要因素之一。P，I平与泥沙流失量均没有显著相关性。不同下垫面泥沙流失量与I10，I30，P×I10，P×I30呈显著或极显著正相关(玉米地与P×I10，弃耕地与I30除外)。由表6可见，玉米地、马铃薯地、裸地泥沙流失量分别与I10，I30，P×I10，P×I30呈较好的幂函数关系，拟合程度从高到底依次是I30>I10，P×I30>P×I10；弃耕地泥沙流失量分别与I10，I30，P×I10，P×I30呈较好的一次函数关系。

表6 泥沙流失量与降雨因子回归关系

2.5 次降雨对不同下垫面径流小区入渗的影响

江忠善等[15]按照I30标准划分雨强类型：I30≤15 mm/h为低雨强；15 mm/h

3 讨 论

本试验研究了次降雨下玉米地、马铃薯地、弃耕地、裸地的径流深、泥沙流失量、入渗率的变化规律。对同一地区而言，在较小的时间尺度上，植被是影响土壤侵蚀的关键因子之一[17]。相同降雨条件下，不同下垫面间在产流、产沙及入渗方面存在显著差异，这可能是由于不同植被的叶形、根形、茎形、株高等形态因子通过改变降雨特征、土壤物理化学特性和地表径流性质而影响产流产沙以及入渗规律[18-19]。根据已有研究结论[20]可知，植被覆盖能有效延缓产流、增加入渗、显著减少产沙量。本研究中马铃薯地植被覆盖度高于玉米地，而玉米地减流减沙、增加土壤入渗效果却优于马铃薯地，这是由于玉米是作物中产生茎秆流能力较强的物种，可以将多达40%～50%的降雨转化为茎干流[21]；马铃薯能将20%～46%的降雨量引流至其茎秆[22]。不同植被类型对土壤的固结作用差异明显[23]。于国强等[24]认为植被根系对水沙的调控作用大小起着至关重要的作用。马铃薯属浅根性农作物，玉米气生支柱根发达，根系的缠绕和固结作用能增强土壤抗冲性。试验期玉米地径流系数小于0.1，低于卢龙彬等[25]研究的黄土高原北部水蚀风蚀交错区径流系数，这表明大部分降雨被玉米截留进入到土壤中。

图2 不同下垫面径流小区入渗率随I30变化

本试验中玉米地、马铃薯地泥沙流失量高于弃耕地，这与一些研究结果[10-11]不一致。这是因为试验期为7—9月，玉米和马铃薯处于生殖生长阶段，依照当地的种植制度，在此期间不进行除草等农事活动，因此人为活动引起的水土流失较低。撂荒1～5 a土壤坚实度、植被生长状况有一定差异，波动性较大[9]。试验地弃耕地恢复年限为3 a，地表植被分布不均匀，试验期降雨较集中，降雨初期溅蚀作用较大，降雨中后期极易发生细沟和浅沟侵蚀，因此泥沙流失量相对较高。而玉米地和马铃薯地由于上层植被对雨滴动能的缓冲作用和根系对土壤的固结作用，不易发生细沟和浅沟侵蚀。

马铃薯地、裸地、弃耕地径流深与次降雨量呈显著线性相关，这与寇馨月等[13]研究结果一致。但玉米地径流深与次降雨量关系不显著，这是由于玉米特有的植株形态通过对降雨进行再分配进而影响地表径流的形成。降雨量与不同下垫面泥沙流失量正相关关系不显著，主要原因是坡面产沙不同于产流，产流量主要与土壤含水量有关，而土壤含水量与降雨量密切相关；产沙量则主要取决于地表径流侵蚀力的大小，因此与降雨强度的关系更密切[26]。不同下垫面径流深、泥沙流失量与平均雨强均无显著相关性，这是由于平均雨强仅仅反映的是某次降雨的总体特征，不能反映出降雨集中程度的差异[27]。不同时段雨强分别与径流、泥沙流失量的回归关系一致，这是因为径流是泥沙输出的载体。

不同下垫面降雨因子与入渗率没有显著相关性。这是由于天然降雨过程中雨强变化不恒定，导致土壤入渗率随之改变，雨强降低时，入渗率有所增加；雨强增大时，入渗率小幅增加后，增加速率减慢[28]。不同下垫面入渗率随降雨量增加而增加，随雨强增加而减小，这是由于降雨量大时雨强不一定大，当降雨量增加时，地表水深增加，地表水层静水压力相应增大，一定程度上增加了土壤入渗性能[29]。在中高型雨强下，雨滴具有较强的动能，对地表的击溅作用会堵塞土壤毛细孔管，阻碍水分正常入渗。

本研究也存在一些问题，缺少不同农作物间作模式的径流小区，缺乏作物根系对产流产沙及入渗的研究，今后的研究中可加入此部分内容，进而全面揭示坡地作物对水土流失的影响机理。对于弃耕地随弃耕年限增加的水土流失变化特点仍需在结合植被演替、土壤理化性质规律的基础上深入研究。

4 结 论

(1) 不同下垫面径流深、泥沙流失量、入渗率差异显著，相同降雨量条件下，各下垫面径流深、泥沙流失量大小关系为：玉米地<马铃薯地<弃耕地<裸地，入渗率则反之。

(2) 不同下垫面径流小区降雨量、平均雨强分别与泥沙流失量、入渗率没有显著相关性；径流深随降雨量的增加而显著增加，I30对不同下垫面径流深、泥沙流失量影响整体高于I10，降雨复合因子对径流深的影响高于单因子。不同下垫面径流深、泥沙流失量与雨强因子呈幂函数或一次函数关系。

(3) 玉米具有较好的水土保持性能，可作为黄土丘陵区坡耕地农作物首选品种进行种植。