冲刷条件下不同下垫面对坡耕地的阻滞水土特征分析

赵成一

(中煤科工集团沈阳设计研究院有限公司，辽宁 沈阳 110066)

坡耕地的水土流失防治是我国生态环境建设和实现可持续发展的重要问题之一[1]。与林地相比，坡耕地人为扰动频率较大，加之不科学耕作方式的影响，使得坡耕地的径流量远大于林地，产沙量是林地的2～4倍，是天然荒坡的4～7倍，且变化幅度较大[2-4]。保护农田土壤结构的完整性以及科学的管理模式，对优化农业生产以及坡面水土流失的防治等方面具有重要意义[5-8]。

在北方地区，对水土流失的研究主要集中在林地和草地上[9,10]。针对作物在不同下垫面产流产沙影响作用的研究相对较少[11-15]。因此，作物对坡耕地产流产沙的调控需要进一步研究，以阐明不同下垫面条件下作物抑制坡耕地产流产沙的机理与程度。潘成忠等[16]在室内模拟降雨试验基础上得出植被覆盖坡阻力系数f和曼宁糙率系数n均高于裸坡，且与植被盖度呈正相关关系。王瑄等[17]研究天然降雨条件下裸坡产沙量，结果表明，产沙率都随着瞬时雨强的增大而增加，高坡度坡面产沙率总体高于低坡度坡面。盛世博等[18]在天然降雨条件下利用相关分析法探究对坡面产沙量的影响因子，结果表明，降雨强度对坡面产沙量影响最大，降雨动能次之。此外，作物的抗冲刷能力与作物的本身有关，张贺等[19]研究表明，马铃薯成熟期对坡面开始产流时间的推迟效果影响较大，是幼苗期推迟时间的7.35倍。王健等[20]研究表明，玉米坡面年产沙量较裸地降低了30%，年径流量平均较裸地降低19%。因此，研究冲刷条件下坡耕地不同下垫面的阻滞水土效益具有重要意义。目前，已有的试验关于坡耕地径流和泥沙作用研究大多是以地形、植被和气象等作为其影响因子展开的，而以不同下垫面以及作物的不同生育期作为其主要影响因子开展的相关研究则较为少见。因此，本文将以大豆不同生育期为研究对象，基于横垄耕作(ZT)、免耕留株(PT)、免耕覆盖(CT)和裸地(BT)4种下垫面条件下进行放水冲刷试验，研究坡面产流产沙的特征，为北方地区坡耕地的下垫面合理选用和坡耕地水土流失的防治提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验于2020年4月18日在沈阳市沈河区沈阳农业大学水利学院综合试验场进行。试验区土壤类型为棕壤，有机质3.68%，假比重1.26%，萎蔫系数8%。试验区土壤颗粒组成见表1。

1.2 试验设计

本试验径流小区共计7个，坡面朝向一致，坡度均为3°。每个小区长20m，宽5m。在小区顶端设置稳流槽，用于稳定水流，使水流稳定均匀流入坡面，小区底端设置集流槽，采集坡面径流和泥沙。根据北方土石低山地区土壤性质的特点，试验选择大豆品种为“辽豆15号”，其抗病、抗倒伏性较好，生育期为152d左右。大豆种植的行间距为20cm，列间距为60cm，每穴播种1～2株，每小区种植30行。试验期间，大豆每年播种日期为4月18—20日，收获日期为9月10—15日，出苗前与出苗后30d，分别进行1次化学除草。每个生育期在坡耕地上进行1次放水冲刷试验，采用横垄耕作(ZT)、免耕留株(PT)、免耕覆盖(CT)和裸地(BT)4种下垫面，1个流量(0.95L·s-1)，共计5个生育期，幼苗期(A1)、花芽分化期(A2)、开花结荚期(A3)、鼓粒期(A4)、成熟期(A5)，5组试验，每组试验重复2次。试验小区耕作下垫面的布设方案及代码如表2所示。

表1 试验区0～50cm土层土壤颗粒组成

表2 试验设计

本试验冲刷用水为当地井水，水温在0～4℃。冲刷过程由水泵向供水箱供水，为保证水压稳定，水箱一直处于蓄满状态。试验开始前，用环刀法测定径流小区的表层土壤含水率。通过预喷水或晾晒等方式来保证每次径流冲刷试验前期含水率大致相同后进行试验，根据以往野外冲刷试验资料和实测土壤含水率值，将本次试验的前期含水率控制在20%～25%，每次径流冲刷试验从产流开始到结束持续时间为12min，试验尽可能安排在无风条件下进行。试验开始后，自产流开始，每隔1min用集流桶收集1个径流泥沙样品，用于试验后对产流产沙量的测算。用量筒测定各个水沙样品的体积并编号，然后静置混合样24h，使水沙完全分离后倒掉上部清水将泥沙样用105℃烘干箱烘干12h，测定各个样品的泥沙量，进行数据处理分析。试验所用秒表精度为0.001，电子天平实际分度值为0.01g。本试验将坡耕地不同下垫面阻滞水土的作用分为2部分，减少产流与产沙。采用径流量(VR，L·m-2)、产流时间(RT，min)、产沙量(SY，g)、阻水效益(RRB，%)、阻沙效益(SRB，%)这5个指标进行综合分析。RT表示稳流槽中开始溢流到坡面产生径流的时间，RRB表示作物地与裸地相比减少的径流量百分比，SRB表示作物地与裸地相比减少的泥沙量百分比，其中，RRB、SRB的计算公式：

(1)

(2)

式中，RB和RU分别为裸地和不同耕作下垫面的径流量；SB和SU分别为裸地和不同耕作下垫面的产沙量。

1.3 数据分析

应用IBM SPSS Statistics 21和Excel软件进行试验数据处理，利用Origin 9.1软件绘图，取代表性生育期、下垫面等因子及其交互作用对小区产流产沙影响的显著性进行对比研究。

2 结果与分析

2.1 不同下垫面阻水效益分析

2.1.1 不同下垫面条件下径流量及产流时间随大豆生育期的变化特征

在放水冲刷条件下，不同下垫面产生的径流量(VR)随大豆生育期的变化特征基本相似。从图1可知，大豆幼苗期对ZT下垫面产流影响较弱，与裸地相比VR减少5.2%，虽然大豆在幼苗期抗倒伏能力差、豆茎娇弱，但依然对不同种类的下垫面的产流起明显抑制作用。对比幼苗期(A1)4种下垫面VR值的大小，发现只有PT下垫面与CT下垫面的VR值大致相似，均显著低于BT与ZT下垫面，而在其它4个生育期(A2、A3、A4、A5)，ZT、PT、CT 3种下垫面的VR值才均显著低于裸地(BT)，这说明免耕覆盖(CT)与免耕留株(PT)的下垫面在大豆幼苗期要比横垄耕作(ZT)起到的蓄水截流能力强，使土壤含水率提升，对幼苗的发育起到显著的带动作用。

图1 大豆不同生育期在不同下垫面的条件下径流量(VR)对比

图2 大豆不同生育期在不同下垫面的条件下产流时间(RT)对比

纵观大豆的全生育期可以发现一些变化特征，就大豆不同生育期及不同下垫面的产流时间(RT)而言，如图2所示，大豆地的RT值比裸地(BT)更久，成熟期(A5)的4种下垫面的产流时间，均表现为显著高于裸地(BT)，并且也同时显著高于A1、A2、A3、A4 4个生育期(P<0.05)，这是因为处于成熟期的大豆，自然降雨较少、空气湿度下降、豆粒脱水，造成植株变干、土壤含水率大大降低，再加之植株叶片受黄脱落使抑制水流的作用增大，增加水分下渗，从而形成超渗产流的时间要高于大豆的其它4个生育期。

除A5生育期，其余4个生育期裸地的RT值均无显著差异(P>0.05)，从A1、A2、A3、A4这4个生育期来分析，可以看出大豆的RT值，均表现为A4>A3>A2>A1。但是，A1生育期ZT下垫面与BT下垫面的RT值无显著差异(P>0.05)，与PT下垫面存在显著性差异(P<0.05)，而在其余4个生育期(A2、A3、A4、A5)反而ZT下垫面与BT下垫面的RT值存在显著性差异(P<0.05)，与PT下垫面无显著性差异(P>0.05)。这说明大豆在幼苗期(A1)横垄耕作(ZT)的幼苗对水流的拦截效果弱于免耕留株(PT)，主要是因为免耕留株的一年生的豆茎要比幼苗时期的横垄耕作的幼苗粗壮，虽然PT下垫面的豆茎已经干枯死亡，但仍能对水流起到一定的阻挡作用，这一点要优于此时期的ZT下垫面。而随着大豆生长，作物冠层逐渐厚实茂盛，对地表的保护作用增强，削弱其对径流的扰动力，同时也降低了径流的挟沙力，而此时幼苗逐渐粗壮，蓄水保土能力也逐渐增强，PT下垫面干枯的豆茎相比于幼苗期的阻水作用随大豆的生长而慢慢减弱，如图2中A2、A3、A4、A5的RT值表现出CT>PT≈ZT>BT，可见，随着大豆不断发育，A2、A3、A4、A5这4个生育期的PT与ZT下垫面的产流时间关系无显著差异(P>0.05)。

2.1.2 不同下垫面条件下坡面产出流量随时间的变化特征

大豆在不同生育期条件下，坡面产出流量均会随冲刷历时的增加而明显增长。由图3可知，BT下垫面产出流量最高，ZT下垫面与PT下垫面的产出流量在幼苗期差异明显。

随着时间的推移，大豆幼苗逐渐成熟，在花芽分化期、开花结荚期和鼓粒期，ZT与PT下垫面对水流的阻挡效果几乎一致，2条曲线也趋于重合，并且在成熟期BT、ZT、PT、CT下垫面的曲线斜率迅速下降，伴随着产流量的减少，通过比较大豆不同生育期可知，随着大豆的生长，ZT、PT、CT下垫面产出流量缓慢减少。并且大豆不同生育期在不同下垫面的产出流量与冲刷历时的关系能够用幂函数方程较好的拟合，每个生育期4种下垫面(BT、ZT、PT、CT)所拟合经验方程的系数值，均表现为BT>ZT>PT>CT。

同时，为了探究不同下垫面对坡面产流的调控机理，选择阻水效益作为指标，通过与完全裸露的径流小区形成对照，将大豆不同生育期及下垫面条件下径流小区采集的数据，根据式(1)与对照小区进行计算处理，绘制成图4。

图3 大豆不同生育期在不同下垫面的条件下产出流量的变化过程

图4 不同下垫面阻水效益分析对比 注：图中各数值均为2次重复数据平均值。

由图4可知，随着大豆的生长，大豆的阻水效益(RRB)均显著增加，其中横垄耕作下垫面在A1生育期的阻水效益不明显，为5.2%，但随着植被覆盖度的增大，其值也逐渐增大，最终能与免耕留株基本持平，ZT、PT、CT 3种下垫面阻水效益的最大值出现在A5生育期，分别为23.57%、23.8%、31.6%。说明此时期的阻水效果最强，与A1期相比，效果差值最大达20.69%，这充分反映了坡面植被对径流的调控作用。此外，在A1、A2、A3、A4、A5生育期内，CT下垫面的阻水效益值均保持最大，分别为10.92%、17.22%、24%、30.4%、31.61%。

可见，在冲刷强度条件一定时，免耕覆盖下垫面(CT)对径流的拦蓄径流的效果最为明显。

2.2 不同下垫面阻沙效益分析

2.2.1 不同下垫面条件下产沙量随冲刷历时的变化特征

大豆花芽分化期、开花结荚期、鼓粒期、成熟期产沙过程的波动性均远低于幼苗期，由图5可知，随着大豆的生长，3种下垫面(ZT、PT、CT)的坡面产沙过程线也逐渐降低。

纵观大豆3种下垫面的产沙过程不难发现，大豆幼苗期的产沙起点值普遍较高，并伴随较大的产沙曲线波动。以免耕留株(PT)下垫面为例，可以看出，幼苗期产沙过程线均高于其它4个生育期，并于产流6min后进入第1个峰值，随后产沙曲线相对平滑，但随着大豆的生长，每个生育期产沙首峰的形成时间均比上一个生育期提前，并伴随着产沙量的降低，其峰值也降低，之后的产沙过程变化起伏明显减弱。

分析原因可知，幼苗期的大豆，由于枝叶尚未成熟，土壤表面覆盖物面积较小，径流直接冲击地表土壤，造成了土壤颗粒的分离与扩散，从而增加了坡面的产沙量。而在其它4个生育期，3种种植模式的下垫面相对于幼苗期的大豆来说，均会增加地表的粗糙度与土壤的入渗率；此外，大豆纵横交错的根系与密集的茎干以及冠层，对径流的冲击力有明显的削弱作用，同时坡面水流紊乱性也随之降低，使单位水体中，水流能够输移的泥沙量大幅减少，从而减弱了径流对土壤的冲刷作用。

2.2.2 不同下垫面条件下坡面产出沙量变化特征

图5 大豆不同生育期在不同下垫面的条件下产沙量的变化过程 注：图中各数值均为2次重复数据平均值。

由图6可知，在相同冲刷流量条件下，无论是何种耕作模式，大豆不同生长阶段坡面总产沙量均低于裸地。呈现出产沙量的变化特征为裸地>幼苗期>花芽分化期>开花结荚期>鼓粒期>成熟期；但是，大豆在不同生育期对坡耕地拦蓄泥沙的效果不尽相同，由图7可知，幼苗期的阻沙效益较弱，3种下垫面(ZT、PT、CT)的阻沙效益分别为5.68%、10.49%、15.13%；成熟期的阻沙效益最为显著，ZT、PT、CT下垫面的阻沙效益分别为43.36%、53.84%、56.96%；分析原因可知，幼苗期较小的植被覆盖度使径流对地表的直接作用加强，ZT下垫面的产沙量最为突出，是因为此耕种模式的下垫面在植被幼苗期的拦蓄泥沙效果相对较弱，与PT和CT下垫面在同时期的产沙量形成了鲜明的对比。而随着大豆的生长，作物冠层及根系更加茂盛繁杂，使径流冲刷对地表的直接作用大幅下降，从而降低了径流挟沙能力，这就间接决定了大豆生长旺盛期(鼓粒期与成熟期)坡面出现的产沙量较少。

采用回归分析方法，分析大豆不同生育期与下垫面产出沙量随植被覆盖度的关系，如表3所示。

图6 大豆不同生育期在不同下垫面条件下的产沙总量百分比

图7 不同下垫面阻沙效益分析对比

表3 大豆不同下垫面条件下产出沙量随不同生育期植被覆盖度经验方程拟合

从表3可知，大豆不同生育期在0.95L·s-1冲刷流量下不同下垫面的产出沙量与植被覆盖度的关系均可用一次函数方程较好的拟合，显著性水平均为0.01，决定系数在0.941～0.993。此外还可以发现，在冲刷强度条件一定时，每种下垫面(ZT、PT、CT)和5个生育期所拟合经验方程的系数值与常数项，均表现为ZT>PT>CT。在植被覆盖度相同的条件下，CT下垫面的产出沙量的最少，表明CT下垫面的拦沙效果要优于其它2种下垫面。同时，由表3可知，产出沙量与植被覆盖度呈负线性相关关系，说明大豆在生长过程中，土壤流失量随着植被覆盖度的增加而减小，植被覆盖度越大，减小土壤流失量的作用越明显。

3 结论

大豆不同生育期的坡面产流时间普遍比裸地更久，并且大豆坡面的产流时间均会随着作物的生长而延长。在花芽分化期、开花结荚期、鼓粒期及成熟期，产流时间的长短为CT>PT≈ZT>BT。

在A1、A2、A3、A4、A5生育期内，CT下垫面的阻水效益值均保持最大，分别为10.92%、17.22%、24%、30.4%、31.61%；BT下垫面产出流量最高，随着大豆的生长，ZT、PT、CT下垫面产出流量缓慢减少，并且CT下垫面产出流量在大豆全生育期内始终为最低。

在相同冲刷强度条件下，大豆田3种下垫面不同生育阶段产沙量的总体变化特征，呈现出先快速增加，随后缓慢增加，最后坡面产沙量趋于稳定。与阻水效益(RRB)相比，大豆全生育期的阻沙效益(SRB)更有效。说明大豆阻沙性要优于阻水性。

幼苗期大豆的产沙起点值高，并伴随较大的产沙曲线波动。同时随着大豆的不断生长发育，ZT、PT、CT 3种下垫面的坡面产沙过程线也逐渐降低。在相同冲刷强度条件下，大豆不同生育期的产出沙量与植被覆盖度可用一次函数方程拟合，二者的线性关系较好，并且在植被覆盖度相同的条件下，CT下垫面的产出沙量最少，表明CT下垫面的拦沙效果较好。

因此，所选4种下垫面中以免耕覆盖(CT)下垫面种植大豆对坡耕地蓄水拦沙的效果最好。本研究结论为防治坡耕地水土流失提供理论参考。