玉米生長期坡耕地地表徑流及侵蝕產(chǎn)沙特征

羅 鍵，鄭子成，秦 鳳，李廷軒，孔祥東

（1.四川農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，成都611130；2.四川省水土保持局，成都610041）

紫色丘陵區(qū)是中國典型農(nóng)業(yè)區(qū)，人地矛盾尤為突出，逐年增加大量零散坡耕地，由于受其發(fā)育母質(zhì)的影響，土層淺薄，質(zhì)地較輕，土壤保水能力較差，加上不合理的耕作管理，水土流失較為嚴(yán)重。目前，國內(nèi)外關(guān)于土地利用方式、施肥管理對(duì)坡耕地水土流失影響的研究較多［1－6］，關(guān)于耕作方式的研究大都基于流域或坡面大尺度范圍［7－11］，作物的研究大多立足于不同作物覆蓋度或季節(jié)變化條件下土壤流失情況［12－16］，而對(duì)于玉米全生育期及零散坡耕地的研究甚少。因此，本文通過微小區(qū)與野外人工模擬降雨相結(jié)合的方法，系統(tǒng)研究玉米不同生育期坡耕地徑流及侵蝕產(chǎn)沙的特征，有助于全面掌握紫色土區(qū)零散坡耕地水土流失規(guī)律，以期服務(wù)于紫色土區(qū)坡耕地水土流失的治理及區(qū)域農(nóng)業(yè)可持續(xù)利用。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

本試驗(yàn)在農(nóng)業(yè)部資陽長江上游農(nóng)業(yè)資源與生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)野外科學(xué)觀測試驗(yàn)站進(jìn)行，該區(qū)域位于長江上游沱江水系花椒溝小支流的響水灘上端，處于104°34′12″—104°35′19″E和30°05′12″—30°06′44″N，屬四川省資陽市雁江區(qū)松濤鎮(zhèn)的響水村，平均海拔395m，該區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)氣候，年平均氣溫17℃，一年中降水分配極不均勻，年均降雨量965.8mm，暴雨主要發(fā)生在6—10月。年日照時(shí)數(shù)1 300h，年均無霜期長達(dá)300d。研究區(qū)坡耕地以玉米種植為主，輔以種植白菜、芋頭、海椒等，玉米按照當(dāng)?shù)貙?shí)際情況，每666.7m2栽培約2 700株。土壤為遂寧組母質(zhì)發(fā)育的紅棕紫泥，質(zhì)地較輕，pH值為8.1，有機(jī)質(zhì)含量為11.6g／kg，全氮和堿解氮分別為0.73g／kg和40.1mg／kg，有效磷14.08mg／kg，速效鉀為86.6 mg／kg，土壤肥力中等。

1.2 供試材料

供試玉米品種為當(dāng)?shù)刂髟缘拇▎?3，于2012年4月上旬播種，行距80cm，株距30cm。播種前分別施氮肥（N）和磷肥（P2O5）250kg／hm2和125kg／hm2，拔節(jié)前期追施氮肥150kg／hm2，氮肥為尿素（含N 46.3%），磷肥為過磷酸鈣（含P2O512%），其他管理措施均按當(dāng)?shù)剞r(nóng)耕習(xí)慣進(jìn)行。

1.3 研究方法

本試驗(yàn)采用野外人工模擬降雨的方法。微小區(qū)用來模擬零散坡耕地，其面積設(shè)計(jì)為2m×1m，坡度設(shè)置為15°。按照當(dāng)?shù)剞r(nóng)民習(xí)慣，在每一試驗(yàn)區(qū)內(nèi)布設(shè)平作、橫坡壟作和順坡壟作3種措施，以裸地作為對(duì)照。橫坡壟作和順坡壟作分別沿水平方向和順坡方向開溝起壟，壟高15cm，壟距30cm，壟寬40cm，平作對(duì)地表進(jìn)行松土和平整。根據(jù)研究區(qū)多年水文資料記錄的降雨頻率及特點(diǎn)，本研究設(shè)計(jì)降雨強(qiáng)度為1.0mm／min，1.5mm／min，2.0mm／min，對(duì)應(yīng)降雨歷時(shí)分別為60，40，30min。所有試驗(yàn)重復(fù)3次，共計(jì)36個(gè)小區(qū)。試驗(yàn)分別在玉米播種期、苗期—拔節(jié)期、拔節(jié)期—抽雄期和抽雄期—成熟期進(jìn)行。

在降雨過程中收集地表徑流。開始產(chǎn)流后，每3 min收集一次徑流泥沙樣，采用量筒法測定徑流量，采用烘干法測定泥沙量。

2 結(jié)果與分析

2.1 玉米季不同耕作措施坡面產(chǎn)流特征

2.1.1 徑流總量變化特征 由圖1可知，隨著雨強(qiáng)的增加，不同耕作措施坡面徑流量均呈增加的變化趨勢。在雨強(qiáng)1.0mm／min條件下，對(duì)照坡面玉米不同生育期徑流量均高于實(shí)施措施坡面，表明實(shí)施措施下玉米不同生育期坡面對(duì)徑流具有一定的調(diào)控作用。不同措施在各生育期存在一定差異，橫坡壟作和平作坡面在各生育期徑流量均較小，其中平作坡面在種植前徑流量最小，主要由于松耕等作業(yè)方式，增加土壤入滲能力；而橫坡壟作坡面在拔節(jié)期—抽雄期坡面徑流量最小，因?yàn)檫@一時(shí)期，玉米葉片支撐角度對(duì)降雨的截留作用較大［17］，加上地表微地形的起伏，導(dǎo)致坡面徑流量較小。

圖1 玉米季各耕作措施坡面徑流總量的變化特征

在雨強(qiáng)1.5mm／min條件下，除苗期—拔節(jié)期外，其他生育期對(duì)照坡面的徑流量均高于實(shí)施措施的坡面。玉米種植后，橫坡壟作坡面在玉米拔節(jié)期—抽雄期徑流量最小。在雨強(qiáng)2.0mm／min條件下，除苗期—拔節(jié)期外，其他生育期對(duì)照坡面的徑流量均高于實(shí)施措施的坡面。對(duì)照及順坡壟作坡面的徑流量均隨著玉米生育期推進(jìn)，坡面徑流量呈增加的變化趨勢，橫坡壟作坡面在玉米苗期—拔節(jié)期坡面徑流量最小。產(chǎn)生此現(xiàn)象的原因是隨著玉米生長期的推進(jìn)，玉米葉片逐漸向下傾斜［18］，植株覆蓋度下降，對(duì)地表的保護(hù)能力逐漸降低，故導(dǎo)致坡面徑流量呈升高的趨勢。

2.1.2 地表產(chǎn)流過程 由圖2可知，不同雨強(qiáng)條件下，玉米生長期各耕作措施坡面徑流量總體表現(xiàn)為隨著降雨歷時(shí)的延長呈逐漸上升的趨勢，在降雨后期逐漸趨于不同程度的下降，不同雨強(qiáng)條件下對(duì)照坡面徑流量總體高于實(shí)施措施的坡面。

玉米種植前，對(duì)照坡面徑流量隨著降雨強(qiáng)度的增加，坡面產(chǎn)流有所提前，徑流量呈增加的變化趨勢，且高于實(shí)施措施坡面，各措施坡面徑流過程的產(chǎn)流量總體表現(xiàn)為順坡＞平作＞橫坡。苗期—拔節(jié)期，各坡面徑流量均有不同程度增加。在雨強(qiáng)1.0mm／min條件下，順坡壟作坡面徑流量在降雨開始后2～30min內(nèi)逐漸上升，39min達(dá)到峰值，降雨后期出現(xiàn)陡降，產(chǎn)流平均值為3.69L；對(duì)照坡面徑流量降雨期間波動(dòng)起伏較大，至42min達(dá)到峰值，徑流量平均值為2.43L；平作和橫坡壟作坡面在降雨前期徑流量穩(wěn)定在0.60L左右，隨著降雨歷時(shí)的延長，徑流量有所增加。在雨強(qiáng)1.5mm／min條件下，順坡壟作坡面的產(chǎn)流最早，至30min到達(dá)峰值，其徑流量平均值為9.26 L；對(duì)照和橫坡壟作坡面的徑流量隨降雨的延續(xù)總體上呈先增加后降低的變化趨勢，27min達(dá)到峰值；平作坡面徑流量在降雨開始后6～30min內(nèi)不斷增加，至30min到達(dá)峰值，徑流量平均值為4.92L。在雨強(qiáng)2.0mm／min條件下，不同耕作措施坡面均在3 min左右開始產(chǎn)流，徑流量在降雨開始后3～6min內(nèi)迅速增加，之后增幅較?。粚?duì)照坡面在12min到達(dá)峰值，之后略有上升，徑流量平均值為10.40L；順坡壟作坡面在21min到達(dá)峰值，徑流量平均值為7.53 L。不同雨強(qiáng)條件下，拔節(jié)期—抽雄期各坡面徑流量均表現(xiàn)為先增加后趨于下降的變化趨勢；與對(duì)照坡面相比，各措施坡面產(chǎn)流時(shí)間均有所滯后，且各坡面徑流過程的產(chǎn)流量總體低于苗期—拔節(jié)期。在雨強(qiáng)1.0 mm／min條件下，抽雄—成熟期不同耕作措施坡面的徑流量在降雨后1～3min內(nèi)迅速增加，57min之后迅速下降；隨著玉米生育期的推進(jìn)，不同耕作措施的產(chǎn)流時(shí)間逐漸延緩且徑流變化逐漸趨于基本一致。在雨強(qiáng)1.5mm／min條件下，各耕作措施坡面均在3min左右開始產(chǎn)流，在3～24min內(nèi)徑流量逐漸上升，對(duì)照和平作坡面于24min到達(dá)峰值，之后逐漸下降，而順坡和橫坡壟作坡面至30min到達(dá)峰值。在雨強(qiáng)2.0mm／min條件下，順坡壟作和對(duì)照坡面均在1min左右產(chǎn)流，徑流量在降雨開始后2～3min內(nèi)迅速增加，而順坡壟作坡面徑流量隨著降雨歷時(shí)的增加逐漸減少；橫坡壟作和平作坡面均在3min左右開始產(chǎn)流，隨著降雨歷時(shí)的延長，橫坡壟作坡面的徑流量在降雨開始后6～15min內(nèi)穩(wěn)定在4.20L左右，之后逐漸上升，至21min到達(dá)峰值；平作坡面隨降雨的延續(xù)，徑流量呈先增大后減小的趨勢，至18min到達(dá)峰值。

圖2 不同雨強(qiáng)條件下玉米各生育期坡面產(chǎn)流過程

2.2 玉米季不同耕作措施侵蝕產(chǎn)沙特征

2.2.1 侵蝕產(chǎn)沙量變化特征 由圖3可知，不同雨強(qiáng)條件下，種植前坡面侵蝕產(chǎn)沙量均低于其他生育期坡面。隨著雨強(qiáng)的增加，平作、順坡壟作及對(duì)照坡面侵蝕產(chǎn)沙量呈先增加后降低的變化趨勢，橫坡壟作坡面侵蝕產(chǎn)沙量變化較為穩(wěn)定，且最小。在雨強(qiáng)1.0 mm／min條件下，隨著玉米生育期的推進(jìn)，各措施坡面侵蝕產(chǎn)沙量均呈增加的變化趨勢，且對(duì)照坡面和順坡壟作坡面侵蝕產(chǎn)沙量均高于其他措施坡面。在雨強(qiáng)1.5mm／min條件下，隨著玉米生育期推進(jìn)，順坡壟作坡面苗期—拔節(jié)期和抽雄期—成熟期侵蝕產(chǎn)沙量較大，而對(duì)照坡面的侵蝕量卻呈一直增加的變化趨勢。在拔節(jié)期—抽雄期，實(shí)施措施坡面的侵蝕產(chǎn)沙量最小。在雨強(qiáng)2.0mm／min條件下，隨著玉米生育期推進(jìn)，順坡壟作坡面侵蝕產(chǎn)沙量較高且持續(xù)穩(wěn)定，而對(duì)照坡面侵蝕量卻呈一直增加的變化趨勢。這主要因?yàn)榉N植前實(shí)施耕作措施坡面，增加地表粗糙度［19］，有利于雨水的下滲，從而有效地減少了地表徑流，導(dǎo)致攜帶的泥沙較少。生長后期，由于前期降雨在地表形成一些分散細(xì)溝和淺溝，有利于雨水的匯集，再加上植株后期對(duì)地表的保護(hù)作用減小，使得雨水對(duì)地表的侵蝕加劇，故侵蝕量有所增加。順坡壟作坡面的侵蝕產(chǎn)沙量最大，產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因是順坡溝壟平行于坡面，有利于徑流在坡面的匯集，加劇了對(duì)地表的沖刷。隨著降雨強(qiáng)度的增加，侵蝕量呈先增加后降低的變化趨勢。這是因?yàn)榻涤陱?qiáng)度與實(shí)施耕作措施后地表糙度間的互動(dòng)作用所致。

2.2.2 地表產(chǎn)流過程 由圖4可知，在不同雨強(qiáng)條件下，隨著玉米生育期的推進(jìn)，不同耕作措施坡面的侵蝕量呈逐漸增大的趨勢。對(duì)照坡面的侵蝕量大且波動(dòng)起伏明顯，這是由于對(duì)照坡面無地表覆蓋及耕作措施的保護(hù)，使其易受雨滴的侵蝕和徑流的沖刷，導(dǎo)致地表侵蝕量大且隨機(jī)性強(qiáng)。順坡壟作坡面的侵蝕量最大，這與它自身溝壟具有較強(qiáng)的匯水作用有關(guān)。

圖3 玉米季各耕作措施坡面侵蝕產(chǎn)沙量變化特征

圖4 不同雨強(qiáng)條件下玉米各生育期坡面產(chǎn)沙特征

玉米種植前，在雨強(qiáng)為1.0mm／min條件下，順坡壟作坡面侵蝕量在產(chǎn)沙初期波動(dòng)較為明顯，隨著降雨歷時(shí)的延長，逐漸趨于平穩(wěn)。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是由于降雨初期，坡面松散土粒隨地表徑流遷移，隨著降雨的延續(xù)，前期坡面松散土粒被搬運(yùn)后，且雨強(qiáng)較小，坡面侵蝕仍以片蝕為主，侵蝕量減小并趨于平穩(wěn)。在雨強(qiáng)為1.5mm／min條件下，平作和橫坡壟作坡面的侵蝕量在種植前較??；順坡溝壟與坡面方向平行，易于侵蝕的產(chǎn)生。在雨強(qiáng)為2.0mm／min條件下，橫坡壟作侵蝕量最大且波動(dòng)起伏明顯，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是橫坡的壟溝與坡向垂直，由于降雨強(qiáng)度較大，雨水對(duì)溝壟的沖刷能力較強(qiáng)，表層松散的土粒較易被搬運(yùn)；對(duì)照坡面侵蝕量隨著降雨的延續(xù)呈先上升后下降的趨勢；順坡壟作坡面侵蝕量隨降雨歷時(shí)的延長呈逐漸增加的變化趨勢，平作坡面侵蝕量在降雨過程中變化較為穩(wěn)定。在苗期—拔節(jié)期，雨強(qiáng)為1.0 mm／min條件下，平作、橫坡壟作和對(duì)照坡面侵蝕量在降雨過程中變化較為平緩，而順坡壟作坡面侵蝕量在降雨后期迅速上升，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是由于隨著降雨歷時(shí)的增加，雨滴對(duì)順坡壟作坡面侵蝕加劇，逐漸由片蝕轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)溝侵蝕，侵蝕量迅速增加。

在雨強(qiáng)為1.5mm／min條件下，順坡壟作侵蝕量在降雨開始6～30min內(nèi)迅速上升，侵蝕產(chǎn)沙量平均值為198.3g，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是由于部分坡面侵蝕方式由片蝕演化為細(xì)溝侵蝕，侵蝕量有所增加；對(duì)照和橫坡壟作坡面侵蝕量隨著降雨歷時(shí)的增加呈先增加后降低的變化趨勢，侵蝕產(chǎn)沙量平均值分別為10.4g和34.5g。在雨強(qiáng)為2.0mm／min條件下，順坡壟作坡面侵蝕量在降雨開始1～3min內(nèi)上升至21.0g左右，在3～12min侵蝕量基本保持不變，之后侵蝕量又逐漸升高。在拔節(jié)期—抽雄期，由于植株覆蓋度較大，對(duì)地表的保護(hù)作用較強(qiáng)［20］，對(duì)照坡面與玉米種植坡面的侵蝕量差異較大。在抽雄期—成熟期，雨強(qiáng)為1.0mm／min條件下，橫坡壟作坡面侵蝕量呈先增加后降低的變化趨勢，主要是由于雨水的不斷沖刷，溝壟可能出現(xiàn)部分破壞，故導(dǎo)致侵蝕量的增加。在雨強(qiáng)為1.5mm／min條件下，順坡壟作坡面侵蝕量在降雨開始后3～15min內(nèi)迅速增加，之后趨于平穩(wěn)；橫坡壟作侵蝕量隨降雨歷時(shí)的延長呈逐漸增加變化趨勢。在雨強(qiáng)為2.0mm／min條件下，平作和橫坡壟作坡面的產(chǎn)沙量在降雨過程中穩(wěn)定在5.5g和1.0g左右；順坡壟作坡面侵蝕量在降雨前期穩(wěn)定在25.0g左右，在18min之后出現(xiàn)陡升，產(chǎn)沙平均值為148.3g，這與其冠層截留及徑流作用的大小密切相關(guān)。

3 結(jié)論

（1）在雨強(qiáng)1.0mm／min條件下，其中平作坡面在種植前徑流量最小，橫坡壟作坡面在拔節(jié)期—抽雄期坡面徑流量最小。隨著玉米生育期的推進(jìn)，各措施坡面侵蝕產(chǎn)沙量均呈增加的變化趨勢，且對(duì)照坡面和順坡壟作坡面侵蝕產(chǎn)沙量均高于其他措施坡面。

（2）在雨強(qiáng)1.5mm／min條件下，除苗期—拔節(jié)期外，其他生育期對(duì)照坡面的徑流量均高于實(shí)施措施的坡面，橫坡壟作坡面在玉米拔節(jié)期—抽雄期徑流量最小。隨著玉米生育期推進(jìn)，順坡壟作坡面苗期—拔節(jié)期和抽雄期—成熟期侵蝕產(chǎn)沙量較大，而在拔節(jié)期—抽雄期，實(shí)施措施坡面的侵蝕產(chǎn)沙量最小。

（3）在雨強(qiáng)2.0mm／min條件下，對(duì)照及順坡壟作坡面的徑流量均隨著玉米生育期推進(jìn)，坡面徑流量呈增加的變化趨勢，橫坡壟作坡面在玉米苗期—拔節(jié)期坡面徑流量最小。隨著玉米生育期推進(jìn)，順坡壟作坡面侵蝕產(chǎn)沙量較高且持續(xù)穩(wěn)定，而對(duì)照坡面侵蝕量卻呈一直增加的變化趨勢。

可見，不同降雨條件下，各措施坡面在玉米不同生育期存在臨界侵蝕條件。因此，在坡耕地水土流失防護(hù)過程中，不僅要選擇合理的耕作措施，而且還應(yīng)考慮種植作物的各生育期水土流失特征，這樣才能夠有效地阻控坡耕地水土流失。

［1］ 楊玉梅，鄭子成，李廷軒.不同土地利用方式下土壤抗沖性動(dòng)態(tài)變化特征及其影響因素［J］.水土保持學(xué)報(bào)，2010，24（4）：64－68.

［2］ 徐泰平，朱波，況福虹，等.四川紫色土坡耕地磷素滲漏遷移初探［J］.農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2006，25（2）：464－466.

［3］ 何曉玲，鄭子成，李廷軒.玉米種植下紫色坡耕地徑流中磷素流失特征研究［J］.農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2012，31（12）：2441－2450.

［4］ 徐泰平，朱波，況福虹，等.平衡施肥對(duì)紫色土坡耕地磷素徑流流失的影響［J］.農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2006，25（4）：1055－1059.

［5］ 劉紀(jì)根，李蓉.紫色土區(qū)土地利用類型與降水變化對(duì)水土流失的影響［J］.長江科學(xué)院院報(bào)，2009，26（8）：10－19.

［6］ 何曉玲，鄭子成，李廷軒.不同耕作方式對(duì)紫色土侵蝕及磷素流失的影響［J］.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)，2013，46（12）：2492－2500.

［7］ 鄭子成，林代杰，李廷軒，等.不同耕作措施下成熟期玉米對(duì)徑流及侵蝕產(chǎn)沙的影響［J］.水土保持學(xué)報(bào)，2012，26（2）：24－28.

［8］ 聶小軍，蘇艷艷.川中丘陵區(qū)紫色土坡耕地土壤侵蝕特征［J］.生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào)，2012，21（4）：682－686.

［9］ 謝頌華，曾建玲，楊潔.南方紅壤坡地不同耕作措施的水土保持效應(yīng)［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2010，26（9）：81－85.

［10］ 蔡強(qiáng)國，馬紹嘉，王毅，等.橫廂耕作措施對(duì)紅壤坡耕地水土流失影響的試驗(yàn)研究［J］.水土保持通報(bào)，1994，14（1）：49－55.

［11］ 左長清，馬良.紅壤坡地果園不同耕作措施的水土保持效應(yīng)研究［J］.水土保持學(xué)報(bào)，2004，18（3）：12－15.

［12］ 林代杰，鄭子成，張錫洲，等.玉米植株對(duì)降雨再分配過程的影響［J］.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)，2011，44（12）：2608－2615.

［13］ 夏立忠，楊林章，李運(yùn)東.生草覆蓋與植物籬技術(shù)防治紫色土坡地土壤侵蝕與養(yǎng)分流失的初步研究［J］.水土保持學(xué)報(bào)，2007，21（2）：28－31.

［14］ 徐憲立，馬克明，傅伯杰，等.植被與水土流失關(guān)系研究進(jìn)展［J］.生態(tài)學(xué)報(bào)2006，26（9）：3137－3143.

［15］ 李正國，王仰麟，吳健生，等.不同土地利用方式對(duì)黃土高原植被覆蓋季節(jié)變化的影響：以陜北延河流域?yàn)槔跩］.第四紀(jì)研究，2005，25（6）：762－769.

［16］ 鐘壬琳，張平倉.紫色土坡面徑流與侵蝕特征模擬試驗(yàn)研究［J］.長江科學(xué)院院報(bào)，2011，28（11）：22－27.

［17］ 鄭子成，李廷軒，張錫洲，等.玉米植株冠層截留分異特征及其影響因素研究［J］.水土保持學(xué)報(bào)，2012，26（4）：208－211，215.

［18］ 姚運(yùn)生，羅新蘭，王秉昆，等.玉米植株形態(tài)生長的模擬［J］.玉米科學(xué)，2000，8（增刊）：30－32.

［19］ 秦鳳，鄭子成，李廷軒，等.玉米季坡耕地地表糙度的變化特征及其對(duì)土壤侵蝕的影響［J］.水土保持學(xué)報(bào)，2013，27（3）：18－22，27.

［20］ 鄭子成，李廷軒，張錫洲，等.降雨條件下玉米植株對(duì)水量分配的影響［J］.水土保持研究，2012，19（4）：72－76.