黑土区垄作方式对坡耕地土壤侵蚀的调控效果

牟廷森, 沈海鸥,2, 贺云锋, 李春丽,2, 郭 聃,2, 刘殿民

(1.吉林农业大学 资源与环境学院， 吉林 长春 130118; 2.吉林省商品粮基地土壤资源可持续利用重点实验室， 吉林 长春 130118)

东北黑土区是中国重要的粮食产区及商品粮基地，然而由于气候、地形及人为等因素的影响，导致黑土资源流失严重，黑土层变薄、变瘦、变硬，严重影响中国粮食安全与农业可持续发展[1]。东北黑土区年平均气温较低，为提高坡耕地土温和增加作物产量，普遍采用垄作耕作方式[2-3]，不同垄作方式及垄体形状通过改变坡耕地地表微地形，进而影响其径流及土壤侵蚀特征[4]。由于东北黑土区地形多为漫川漫岗，坡耕地地块长度较长，顺坡垄作及斜坡垄作促进径流形成，导致土壤侵蚀加剧。王磊等[5]通过野外观测得出，东北黑土区顺坡大垄比常规垄的防治坡面土壤侵蚀效果好。桑琦明等[6]通过对比斜坡垄作与顺坡垄作土壤侵蚀特征发现，斜坡垄作在断垄前土壤侵蚀速率均低于顺坡垄作，但其在断垄后的一定时间内，土壤侵蚀速率高于顺坡垄作。此外，牛晓乐等[7]研究发现，相同降雨强度下，横坡垄作、顺坡垄作+垄向区田、横坡垄作+垄向区田与顺坡垄作相比，均有一定程度的径流和侵蚀调控作用，横坡垄作+垄向区田的调控效果最为明显。由此可见，现有研究主要集中在两种或相似几种垄作措施之间的对比，而不同垄作方式对坡耕地径流和侵蚀的调控效果缺少系统研究，且对于垄作+排水沟方面研究也缺少报道。因此，本研究通过野外原位模拟降雨试验，分析横坡垄作、垄向区田、顺垄+底部横垄、横垄+排水沟等不同垄作方式对坡耕地土壤侵蚀的调控效果，以期为黑土区土壤侵蚀防治提供科学指导。

1 材料与方法

1.1 研究区概况与试验小区

试验于2018年在吉林省商品粮基地土壤资源可持续利用重点实验室的水土保持科研基地(东经125°21′，北纬43°52′)开展。研究区属于温带大陆性季风气候，地势平坦开阔，年均降水量617 mm，年均气温4.8 ℃[8]。主要种植作物为玉米和大豆，供试土壤为黑土，其颗粒组成为：砂粒(>50 μm)质量分数30.4%，粉粒(2～50 μm)质量分数48.3%，黏粒(<2 μm)质量分数21.3%，有机质含量为25.9 g/kg。

野外模拟降雨试验采用的径流小区修筑在原位坡耕地上，耕作层平均土壤容重为1.20 g/cm3。径流小区规格为5 m(水平投影长度)×2 m(宽度)。径流小区边壁材料选用聚丙烯板，将其埋入地下30 cm，用于防止水分入渗的影响；地表留出20 cm，用于防止雨滴击溅以及地表径流溢出，从而保证形成相对完整独立的径流小区。小区底部设有圆柱状集流桶，用于收集试验过程中的径流泥沙样品。降雨设备采用侧喷式单喷头降雨装置[9]，降雨高度为6 m[10]，降雨均匀度大于85%，降雨强度主要通过调节压力阀和喷头孔径(5～12 mm)来控制，降雨强度可调节范围为30～165 mm/h[11]。

1.2 试验设计

径流小区坡面处理包括7组，其中，5°坡面4组(顺坡垄作，横坡垄作，垄向区田，顺垄+底部横垄)，10°坡面3组(顺坡垄作，横坡垄作，横垄+排水沟)。具体处理为： ①顺坡垄作和横坡垄作。按照野外坡耕地垄规格实测资料和相关研究成果[12-13]，将常规垄规格设计为垄间距65 cm，垄丘顶宽20 cm，垄高15 cm；顺垄长度为5 m，横垄长度为2 m。 ②垄向区田。在垄沟中隔一定距离修筑小土垱，以研究区10 a一遇极端降雨强度为依据，将土档间距设计为65 cm，高度略低于垄高，设计为10 cm，土档底宽度为20 cm。 ③顺垄+底部横垄。小区顶部修筑常规顺垄，顺垄长度为3.7 m；底部修筑两条常规横垄。 ④横垄+排水沟。自径流小区顶部至出水口，紧贴径流小区一侧边壁，修一条长5 m，宽15～20 cm的排水沟，并用耕作工具将其压实，使排水沟与横垄垄沟底保持水平。垄向区田、顺垄+底部横垄、横垄+排水沟处理的垄规格与顺坡垄作和横坡垄作处理的垄规格相同。

根据文献[14]中关于东北地区暴雨的研究，将降雨强度设计为50和100 mm/h[14]，为保证降雨总量(50 mm)相同，降雨历时分别设计为60，30 min(表1)。由于典型黑土区严重侵蚀坡耕地坡度为3°～8°[15]，据此将试验径流小区坡度设计为5°和10°，每个试验处理重复2次，第1次试验与起垄时间间隔1周，第2次试验与第1次试验间隔2周。具体试验设计详见表1。

表1 野外模拟降雨试验和径流小区设计

1.3 试验方法

采用30 mm/h降雨强度进行预降雨，至径流小区坡面刚开始积水即停止，主要目的是保证试验前期径流小区土壤水分条件的一致性[16]。各试验处理前期土壤质量含水率为(21.7±1.0)%。预降雨结束后，为防止径流小区土壤水分蒸发和减缓结皮的形成，采用塑料布对径流小区表面进行覆盖，静置24 h待开展正式模拟降雨试验。模拟降雨试验开始前，为确保试验的准确性，对降雨强度进行率定，当实测降雨强度与目标降雨强度的差值小于5%，降雨均匀度大于85%时方可揭开塑料布进行正式模拟降雨。径流小区开始产流后，接取径流泥沙样品并记录初始产流时间，取样间隔为1～4 min，具体取样时间视径流泥沙样品量而定。模拟降雨试验结束后，称取各径流泥沙样品的总质量，并将其静置6～8 h，倒掉其上清液后转移到已知质量的铝盒中，将其放入设置恒温为105 ℃的烘箱中烘干至恒重后称量，用以计算产流率、土壤侵蚀速率、径流量和土壤侵蚀量等[17]。

1.4 数据处理分析

使用Excel 2010和SPSS 19.1进行数据处理与分析：采用Excel 2010计算径流量、土壤侵蚀量，绘制产流率和土壤侵蚀速率随降雨历时的变化过程图；采用SPSS 19.1中方差分析、多重比较(LSD)和独立样本t检验，进行不同垄作方式，50及100 mm/h降雨强度下径流量和土壤侵蚀量显著性水平检验(p<0.05)。

2 结果与分析

2.1 不同垄作方式对坡耕地径流和侵蚀的调控效果分析

2.1.1 径流调控效果 试验条件下，顺坡垄作(对照)处理的径流量显著高于其他垄作方式(表2)。对于5°坡耕地，在50 mm/h降雨强度下，顺坡垄作处理的径流量是横坡垄作、垄向区田和顺垄+底部横垄处理的13.0，2.0和2.3倍；在100 mm/h降雨强度下，顺坡垄作处理的径流量是横坡垄作、垄向区田和顺垄+底部横垄处理的6.2，1.7和1.7倍。横坡垄作处理的径流调控效果最好，在50，100 mm/h降雨强度下，与顺坡垄作处理相比，横坡垄作处理分别减少径流92.3%和83.9%；而垄向区田和顺垄+底部横垄处理的径流调控效果比较相近，其分别减少径流49.6%～55.5%和40.8%～41.3%。对于10°坡耕地，顺坡垄作和横坡垄作处理的径流量与5°坡耕地相比均有不同程度的增加，其中顺坡垄作处理的增幅相对较小，增幅为17.0～24.6 L，横坡垄作处理的增幅较大，增幅为76.2～187.2 L。但是，随着坡度的增加，横坡垄作处理的径流调控效果有所降低，在50，100 mm/h降雨强度下，与顺坡垄作处理相比，横坡垄作处理分别减少径流75.7%和38.1%。10°坡耕地条件下，50 mm/h降雨强度时顺坡垄作、横坡垄作和横垄+排水沟3者间径流量均有显著性差异，而100 mm/h降雨强度时横坡垄作和横垄+排水沟处理的径流量无显著性差异。此外，50，100 mm/h降雨强度下，横垄+排水沟处理的径流调控效果相差不大，与顺坡垄作处理相比，分别减少径流47.8%和40.6%。随着降雨强度和坡度的增大，不同垄作方式的径流量有不同程度的增加，其径流调控效果相应减小(表2)。分析其原因可能是由于顺坡垄作处理能够有效导水排水，从产流开始即形成较大的径流，而横坡垄作、垄向区田、顺垄+底部横垄和横垄+排水沟处理具有横垱措施，在降雨前期能够不同程度地拦蓄降水，增加雨水在垄沟的滞留时间，从而增加土壤水分入渗量，减少径流量；但是，部分垄作处理的垄丘在坡度增大或降雨强度增强后易发生细沟侵蚀，甚至垮塌，不但没有起到较好的蓄水效果，反而易造成较大的径流冲刷作用[18]。有研究表明坡度增加后，径流流速相对增大，从而减少了径流在坡面滞留的时间和入渗量，导致坡面径流量迅速增加[19]。综上所述，当坡度较缓(5°)，降雨强度较小(50 mm/h)时，横坡垄作方式具有很好的径流调控效果，而坡度较大(10°)，降雨强度较大(100 mm/h)时，横坡垄作方式的径流调控效果降低；垄向区田、顺垄+底部横垄和横垄+排水沟方式的径流调控效果较低且较为稳定。

表2 不同垄作方式下坡耕地径流量及其径流调控效果对比

2.1.2 土壤侵蚀调控效果 试验条件下，顺坡垄作(对照)处理的土壤侵蚀量显著高于其他垄作方式(表3)。对于5°坡耕地，在50 mm/h降雨强度下，顺坡垄作处理的土壤侵蚀量分别是横坡垄作、垄向区田和顺垄+底部横垄处理的31.6，10.5和8.6倍；在100 mm/h降雨强度下，顺坡垄作处理的土壤侵蚀量分别是横坡垄作、垄向区田和顺垄+底部横垄处理的18.5，5.0和4.8倍。横坡垄作处理的侵蚀调控效果较高，垄向区田和顺垄+底部横垄处理的侵蚀调控效果相近，在50，100 mm/h降雨强度下，与顺坡垄作处理相比，横坡垄作处理的土壤侵蚀量分别降低96.8%和94.6%；垄向区田和顺垄+底部横垄处理的土壤侵蚀量分别降低88.4%～90.5%和79.2%～79.8%，且随着降雨强度的增加，垄向区田和顺垄+底部横垄2种垄作方式的侵蚀调控效果降低10%左右。对于10°坡耕地，在50 mm/h降雨强度下，顺坡垄作处理的土壤侵蚀量分别是横坡垄作和横垄+排水沟处理的20.2和9.1倍，在100 mm/h降雨强度下，顺坡垄作处理的土壤侵蚀量分别是横坡垄作和横垄+排水沟处理的2.9和7.7倍。随着降雨强度的增加，横坡垄作处理降低的土壤侵蚀量由95.0%减小到65.2%，横垄+排水沟处理降低的土壤侵蚀量由89.0%减小到87.0%。造成上述结果的原因是由于试验坡耕地为翻耕裸露处理，顺坡垄作处理从开始产流便持续地搬运泥沙，直至降雨结束，导致其土壤侵蚀量最大[6]；横坡垄作处理在坡度较缓和降雨强度较低时具有较强的保水拦沙能力，而在坡度较大和降雨强度较大时易发生漫垄现象，其垄体也易发生损坏，短时间内即形成较大径流，产生较多易被搬运的泥沙[18]，因此，横坡垄作处理具有较好的侵蚀调控效果，但是这种效果随着坡度和降雨强度的增加而减小；垄向区田、顺垄+底部横垄和横垄+排水沟处理具有横垱措施，在降雨前期横垱能够有效拦截径流泥沙[20]，因此，与顺坡垄作处理相比，其减少侵蚀比例均可达到或超过80.0%(表3)。综上所述，横坡垄作、垄向区田、顺垄+底部横垄和横垄+排水沟均能利用措施中的横垱在一定程度上蓄水保土，减少土壤侵蚀；不同坡度和降雨强度下其侵蚀调控效果不同，在5°坡耕地，侵蚀调控效果基本表现为：横坡垄作>垄向区田>顺垄+底部横垄>顺坡垄作；在10°坡耕地，降雨强度较小(50 mm/h)时，横坡垄作处理的侵蚀调控效果高于横垄+排水沟处理，而降雨强度较大(100 mm/h)时，横坡垄作处理的侵蚀调控效果低于横垄+排水沟处理。因此，建议根据具体的地形坡度和降雨特征，在东北黑土区坡耕地筛选适宜的垄作方式，从而有效调节径流和防治土壤侵蚀。

表3 不同垄作方式下坡耕地的土壤侵蚀量及其侵蚀调控效果对比

2.2 不同垄作方式对坡耕地径流和侵蚀过程的影响分析

2.2.1 不同垄作方式产流率随降雨历时的变化 对于5°坡耕地，在50 mm/h降雨强度下，顺坡垄作(对照)处理的产流率随降雨历时的变化呈现逐渐增加并趋于稳定的趋势，其值稳定在50.0 mm/h上下；而横坡垄作处理的产流率随降雨历时的变化值和波动幅度最低，其值稳定在8.0 mm/h上下；垄向区田处理的产流率，在降雨历时42 min，降雨量达到36 mm之前，其值明显低于顺坡垄作处理，但是当降雨42 min后，垄向区田处理蓄水能力达到最大值，雨水漫出横垱措施，其产流率开始增加，并呈现小幅波动，最大值为88.5 mm/h，其后产流率开始逐渐减小；顺垄+底部横垄处理的前期产流率变化与横坡垄作处理相近，但是当降雨历时达到48 min时，顺垄+底部横垄处理的底部横垄出现漫垄现象并局部损坏，产流率迅速增加，最大值为317.4 mm/h(图1)。

在100 mm/h降雨强度下，顺坡垄作处理的产流率随降雨历时表现为先逐渐增加后趋于稳定的变化，在17 min时发生转折，此时降雨量约为26 mm，产流率稳定在130.0 mm/h左右；横坡垄作处理的产流率随降雨历时的变化值和波动幅度依然最低，其值稳定在12.0～21.0 mm/h；垄向区田处理的产流率，在降雨11 min，降雨量达到15 mm之前，其值较低，与横坡垄作处理相近，但是当降雨11 min后，垄向区田处理横垱发生漫流，产流率开始增长，并在降雨14 min，降雨量达到22 mm后趋于稳定，其值稳定在80.0 mm/h；顺垄+底部横垄处理的前期产流率亦较低，但是在降雨12 min，降雨量达到18 mm左右时，横垄部分蓄水达到极限，出现漫垄现象，并且横垄局部损坏，产流率迅速增大，从35.0 mm/h左右增长至338.3 mm/h，随后又迅速减小并稳定在40.0 mm/h左右。

由此可知，坡度较缓(5°)时，在降雨前期或降雨量较小时，顺坡垄作处理的产流率最大，横坡垄作处理的产流率最小，垄向区田处理的产流率也明显低于顺坡垄作处理；当降雨时间延长或降雨量较大时，垄向区田和顺垄+底部横垄处理在50 mm/h降雨强度下，降雨历时分别为42，48 min时，在100 mm/h降雨强度下，降雨历时分别为11，12 min时，保水蓄水能力开始减弱，产流率会在短时间内迅速增加，甚至高于顺坡垄作处理，而且随着降雨强度的增加，不同垄作方式之间的产流率随降雨历时变化的差异越大，这种表现越明显(图1)。

分析原因是，顺坡垄作处理的垄沟有利于雨水汇集形成径流；而横坡垄作处理可将雨水存蓄于垄沟中，延长雨水在垄沟内的滞留时间，导致降雨入渗增强[21]，从而显著减小径流；垄向区田处理的垄沟有较多横向土垱，能够拦截贮存雨水，提高土壤水分入渗率，较好地平衡了径流和土壤水分入渗的矛盾[22]，但随着降雨的持续，土壤水分入渗率降低，雨水蓄积，土垱易损坏并发生细沟侵蚀，土垱防治能力减弱，导致产生较大径流；顺垄+底部横垄处理因底部设有横垄，可有效拦截顶部顺垄垄沟汇集形成的径流，雨水在横垄垄沟处滞留[23]，导致其前期产流率与横坡垄作处理的产流率相近，然而随着降雨历时的不断增大，加之上部顺垄垄沟内蓄积的雨水不断增多，导致底部横垄逐渐损坏，演变为细沟侵蚀，进而形成大量径流，且降雨强度或降雨量越大，顺垄+底部横垄处理的断垄现象越显著[24]。

因此，对于5°坡耕地，顺坡垄作处理的垄沟能够较好地排水导水，横坡垄作处理能够很好地保水，垄向区田和顺垄+底部横垄处理在短时间和降雨前期也能较好地保水，但降雨时间过长或降雨量较大时则易发生损坏，短时间内形成较大径流。

图1 5°坡耕地50，100 mm/h降雨强度下不同垄作方式产流率随降雨历时的变化

对于10°坡耕地，在50 mm/h降雨强度下，顺坡垄作(对照)处理的产流率随降雨历时的变化呈现逐渐增加并趋于稳定的趋势，其值亦稳定在50.0 mm/h上下；而横坡垄作处理的产流率，在降雨32 min，降雨量达到26 mm之前，其值明显低于顺坡垄作与横垄+排水沟处理，在降雨32 min后，出现漫垄现象，产流率显著增加并趋于相对稳定，其产流率甚至高于顺坡垄作与横垄+排水沟处理；横垄+排水沟处理的产流率随降雨历时的变化也呈现逐渐增加并趋于稳定的趋势，在降雨前期，其值明显低于顺坡垄作处理，而高于横坡垄作处理，但是随着降雨历时的增加，其值与顺坡垄作和横坡垄作处理的稳定产流率相近(图2)。在100 mm/h降雨强度下，不用垄作方式的产流率均呈先快速增长后趋于稳定或减小的趋势，其中顺坡垄作处理的产流率增长最为迅速，从产流开始到降雨14 min时达到相对稳定，稳定值为130.0 mm/h左右；横坡垄作处理在降雨15 min时，出现漫垄现象，产流率增长速度加快，到降雨24 min时垄体出现局部损坏，产流率短时间瞬间增大，其值高达200.2 mm/h，是50 mm/h降雨强度下横坡垄作处理最大产流率的3.0倍，其后产流率又逐渐减小，在降雨结束时产流率降至95.6 mm/h；横垄+排水沟处理的产流率低于顺坡垄作处理，而高于横坡垄作处理，从产流开始直到降雨24 min左右，横坡垄作处理的产流率一直呈现增长趋势，其后稳定在105.0 mm/h左右。

坡度较大(10°)时，在50，100 mm/h降雨强度下，不同垄作方式的产流率均随降雨历时的增加而逐渐增大，在降雨后期，不同垄作方式的稳定产流率相近(图2)。分析原因主要是，顺坡垄作处理在坡度较大时，其汇流作用更加显著，形成较大的产流率；横坡垄作处理的产流率在漫垄和断垄现象发生前较小，在漫垄和断垄后土壤侵蚀方式演变为细沟侵蚀[25]，且随着降雨强度的增加，雨滴动能增强，导致横垄垄丘多处出现细沟，最终发生垄丘垮塌，导致产流率迅速达到极值；横垄+排水沟处理在降雨前期大部分雨水滞留于垄沟，导致降雨前期坡面产流率低于顺坡垄作处理[26]，随着降雨历时或降雨量的增大，土壤含水量趋于饱和状态，横垄垄沟蓄水作用减弱，土壤水分入渗率也逐渐减小，垄沟内雨水逐渐涌向排水沟流出，导致坡面产流率逐渐增大，最后趋于相对稳定[27]。可见，顺坡垄作方式的排水疏水能力最强，产流率较大；横坡垄作方式在降雨前期具有较好的保水蓄水作用，但在降雨后期垄体易损坏，造成短时间内形成强径流；横垄+排水沟方式在降雨前期能够蓄水保水，在降雨后期能够较好地排水。

图2 10°坡耕地50，100 mm/h降雨强度下不同垄作方式产流率随降雨历时的变化

2.2.2 不同垄作方式土壤侵蚀速率随降雨历时的变化 对于5°坡耕地，顺坡垄作(对照)处理土壤侵蚀速率随降雨历时的变化呈现先快速增加后减小并逐渐趋于相对稳定的趋势，在50，100 mm/h降雨强度下，顺坡垄作处理的平均土壤侵蚀速率分别为0.88，1.85 kg/(m2·h)(图3)。而另外3种垄作处理的土壤侵蚀速率均明显低于顺坡垄作处理，其大小整体表现为：顺坡垄作>顺垄+底部横垄>垄向区田>横坡垄作。随着降雨强度的增加，相同垄作方式的土壤侵蚀速率逐渐增大，且不同垄作方式的土壤侵蚀速率差异也逐渐增大。在2个降雨强度下，顺垄+底部横垄处理在降雨过程中土壤侵蚀速率有短时间内的迅速波动，其中，50 mm/h降雨强度下的波动发生在降雨50～57 min，降雨量为40～47 mm间，降雨50 min时雨水漫过底部横垄，垄体局部损坏时，土壤侵蚀速率开始迅速增长，到降雨52 min时达到最大值2.1 kg/(m2·h)，降雨57 min时恢复相对稳定；100 mm/h降雨强度下的波动发生在降雨12～21 min，降雨量为18～33 mm间，波动时间提前，且波动幅度增大，最大土壤侵蚀速率为5.6 kg/(m2·h)。分析原因是，试验坡耕地均为翻耕裸露处理，降雨初期其坡面含有大量松散碎屑物质，顺坡垄作处理的径流汇流较快，搬运能力较强，导致土壤侵蚀速率迅速增加并达到峰值[28]，其后，随着降雨的持续进行，坡耕地可供搬运的物质逐渐减少，导致其土壤侵蚀速率逐渐减小并趋向于相对稳定[29]；而横坡垄作处理对降雨和径流有最好的消减和调节作用，导致土壤侵蚀速率最低；垄向区田处理因蓄水能力弱于横坡垄作，且降雨量过大时垄沟间土垱易被损坏，致径流携沙流出，土壤侵蚀速率有一定变化；顺垄+底部横垄处理上部顺垄垄沟汇流较快，底部横垄在出现漫垄时易发生细沟侵蚀而损坏，在短时间内大量径流从损坏处流出，所以其挟沙能力相对较强[30]。

此外，随着降雨强度的增大，雨滴打击和径流搬运能力增强，导致了土壤侵蚀速率的增加[31]。因此，横坡垄作、垄向区田和顺垄+底部横垄处理在调节坡面径流过程的同时，也能有效调控坡面土壤侵蚀过程、降低土壤侵蚀速率。

图3 5°坡耕地50，100 mm/h降雨强度下不同垄作方式土壤侵蚀速率随降雨历时的变化

对于10°坡耕地，在50 mm/h降雨强度下，不同垄作方式土壤侵蚀速率随降雨历时的变化与5°坡耕地相近，其中，顺坡垄作处理的土壤侵蚀速率随降雨历时的变化呈先增大再减小最后趋于稳定的趋势；横坡垄作和横垄+排水沟处理下土壤侵蚀速率均小于顺坡垄作处理，一直稳定在0.4 kg/(m2·h)以下，其平均土壤侵蚀速率大小表现为：顺坡垄作>横垄+排水沟>横坡垄作(图4)。

在100 mm/h降雨强度下，顺坡垄作处理的土壤侵蚀速率增长迅速，且增幅较大，在降雨11 min，降雨量为18 mm时达到最大值4.4 kg/(m2·h)，随后逐渐降低，在降雨20 min左右趋于相对稳定；横坡垄作处理的土壤侵蚀速率在降雨19 min，降雨量为30 mm时开始快速增长，在降雨25 min，降雨量达到42 mm时到达最大值5.4 kg/(m2·h)，随后迅速下降；横垄+排水沟处理的土壤侵蚀速率在降雨16 min之前一直缓慢增长，降雨16 min、降雨量达到25 mm之后达到相对稳定状态。3种垄作方式平均土壤侵蚀速率大小主要表现为：顺坡垄作>横坡垄作>横垄+排水沟。造成上述结果的主要原因是，降雨初期坡耕地表面存在大量可供溅蚀和径流搬运的松散物质，随着降雨时间的推移，雨滴分散作用产生的微团聚体被径流优先搬运，此时坡面团聚体粒级较大，搬运难度增大，造成降雨后期雨滴打击作用和径流的搬运能力达到一个相对稳定状态[32]。横坡垄作处理的垄丘在损坏前能很好地拦蓄径流泥沙，在降雨强度相对较小(50 mm/h)时，垄丘不易损坏；但是在降雨强度相对较大(100 mm/h)时，土壤水分入渗受到限制，加快了对垄体的侵蚀，垄丘更易损坏，损坏后侵蚀方式以细沟侵蚀为主，前期蓄积的雨水顺势流出，土壤侵蚀强度在短时间内迅速增大[6]，因此，在100 mm/h降雨强度下，横坡垄作处理平均土壤侵蚀速率高于横垄+排水沟处理(图4)。可见，横坡垄作和横垄+排水沟能够降低土壤侵蚀速率，较好地拦截径流泥沙，但横坡垄作在降雨强度和坡度较大时，不能及时排出蓄水，容易损坏垄体，短时间内形成较高的土壤侵蚀速率，而横垄+排水沟既有一定的蓄水保土能力，又有较好的排水能力。

图4 10°坡耕地50，100 mm/h降雨强度下不同垄作方式土壤侵蚀速率随降雨历时的变化

3 结 论

(1) 试验条件下，对于5°坡耕地，与顺坡垄作处理相比，横坡垄作处理径流和侵蚀调控效果较好，垄向区田和顺垄+底部横垄处理的径流和侵蚀调控效果相近。横坡垄作处理径流量和土壤侵蚀量分别减少83.9%～92.3%和94.6%～96.8%，垄向区田和顺垄+底部横垄处理径流量减少40.8%～55.5%，土壤侵蚀量减少79.2%～90.5%。对于10°坡耕地，与顺坡垄作处理相比，在50 mm/h降雨强度下，横坡垄作处理的径流和侵蚀调控效果较好，其径流量和土壤侵蚀量分别减少75.7%和95.0%，在100 mm/h降雨强度下，横坡垄作处理的径流和侵蚀调控效果显著降低，其径流量和土壤侵蚀量分别减少38.1%和65.2%；横垄+排水沟处理的径流调控效果较低，而侵蚀调控效果较好，径流量和土壤侵蚀量分别减少40.6%～47.8%和87.0%～89.0%。

(2) 对于5°坡耕地，在50，100 mm/h降雨强度下，横坡垄作处理均不会发生漫垄和断垄现象；垄向区田和顺垄+底部横垄处理在50 mm/h降雨强度下，分别在降雨42，48 min时发生漫垄；在100 mm/h降雨强度下，分别在降雨11，12 min时发生漫垄。对于10°坡耕地，在50 mm/h降雨强度下，至降雨32 min左右发生漫垄，在100 mm/h降雨强度下，至降雨15 min发生漫垄。在发生漫垄现象后，不同垄作方式的径流和侵蚀调控效果减弱。

综上所述，横坡垄作、垄向区田、顺垄+底部横垄和横垄+排水沟均能够在一定程度上蓄水保土，减少土壤侵蚀；不同坡度和降雨强度下其径流调控效果和侵蚀调控效果均不同。因此，建议根据具体地形坡度和降雨特征，在东北黑土区坡耕地筛选适宜的垄作方式，从而有效调节径流、防治土壤侵蚀。