不同農(nóng)田植被條件下黑土坡耕地產(chǎn)流和產(chǎn)沙特征

吳 限, 魏永霞,2, 王 敏,2, 王 龍

(1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與建筑學(xué)院, 哈爾濱 黑龍江 150030; 2.黑龍江省高校節(jié)水農(nóng)業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 哈爾濱 黑龍江 150030)

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不同農(nóng)田植被條件下黑土坡耕地產(chǎn)流和產(chǎn)沙特征

吳 限1, 魏永霞1,2, 王 敏1,2, 王 龍1

(1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與建筑學(xué)院, 哈爾濱 黑龍江 150030; 2.黑龍江省高校節(jié)水農(nóng)業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 哈爾濱 黑龍江 150030)

摘要：[目的] 研究不同農(nóng)田植被條件下的水土侵蝕特征，為該區(qū)作物種類(lèi)選擇提供參考。[方法] 2013年在位于東北典型黑土帶上的黑龍江省紅星農(nóng)場(chǎng)徑流小區(qū)內(nèi),開(kāi)展了玉米、大豆、大豆—玉米間作3種農(nóng)田植被條件下的地表徑流和土壤侵蝕特征研究。[結(jié)果] 玉米的徑流攔蓄和土壤侵蝕控制的效果最好,間作次之,大豆位居最后;玉米和間作模式的地表徑流分別較大豆減少了15.8%和10.7%,土壤侵蝕量亦分別減少了10.47%和5.35%。[結(jié)論] 在較低降雨強(qiáng)度下玉米和間作的減流減沙效果差別不甚明顯，在較高強(qiáng)度下玉米和間作減流減沙效果明顯好于大豆。

關(guān)鍵詞：天然降雨; 黑土區(qū); 坡耕地; 葉面積指數(shù); 農(nóng)田植被; 產(chǎn)流; 產(chǎn)沙

土壤侵蝕是地球地質(zhì)演變中的必然的物質(zhì)運(yùn)動(dòng)過(guò)程，但是隨著生物的出現(xiàn)，特別是受人類(lèi)活動(dòng)的影響，原有地質(zhì)土壤侵蝕的過(guò)程受到了一定的影響，侵蝕速度加快，并且侵蝕性質(zhì)也開(kāi)始發(fā)生變化，成為了制約農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要因素之一。松嫩平原自然條件優(yōu)越，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平較高，是全國(guó)大豆玉米等農(nóng)作物的主產(chǎn)區(qū)，其黑土素有“土中之王”的美稱(chēng)。黑土區(qū)坡耕地面積大，雨期集中，降雨強(qiáng)度大，極易造成水土流失。據(jù)黑龍江省環(huán)境保護(hù)廳調(diào)查，截止2000年黑龍江全省水土流失面積為1.12×107hm2導(dǎo)致黑土肥力銳減，作物產(chǎn)量下降，不僅影響了當(dāng)?shù)厣鐣?huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，也對(duì)國(guó)家的糧食安全造成了隱患。針對(duì)坡耕地水土流失問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了一些作物植被的防蝕作用研究[1-2]，主要包括：作物植被對(duì)降雨的攔截[3-4]，再分配作用，冠下降雨對(duì)土壤物質(zhì)的打擊、剝離等作用[5-6]，作物對(duì)降雨入滲過(guò)程的改變等[7]。本文利用玉米、大豆、大豆—玉米間作(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“間作”)3種模式，研究不同模式的產(chǎn)流產(chǎn)沙特征，以期為該地區(qū)坡耕地作物種類(lèi)的選擇提供參考。

1材料和方法

1.1　試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)選擇位于東北典型黑土帶上的黑龍江省北安市紅星農(nóng)場(chǎng)，地處小興安嶺南麓向松嫩平原的過(guò)渡地帶，為丘陵漫崗地帶，屬中溫帶濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候。該地區(qū)多年平均降水量為553 mm，主要集中在7，8，9月份,占全年降雨量的70%左右，其中暴雨降水量占7—9月份的35%。年平均蒸發(fā)量1 100～1 200 mm，不小于10 ℃的有效積溫2 254.5 ℃，無(wú)霜期110～115 d。土壤主要以黑土為主，質(zhì)地黏重，入滲困難。2013年紅星農(nóng)場(chǎng)總耕地面積2.73×104hm2，其中大豆種植區(qū)9 600 hm2，玉米1.64×104hm2。農(nóng)場(chǎng)土地一半為丘陵漫崗區(qū)，土壤侵蝕模數(shù)為1 375 t/(km2·a)。

1.2　試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)在紅星農(nóng)場(chǎng)坡耕地上的徑流小區(qū)內(nèi)進(jìn)行，按照作物種類(lèi)及其種植模式不同，設(shè)置3個(gè)農(nóng)田植被處理，分別是大豆、玉米和間作，2次重復(fù)。各徑流小區(qū)縱向平均坡度均為3°，長(zhǎng)20 m，寬5 m，其邊界均設(shè)置深入地下1 m的隔板；盡量保持各個(gè)徑流小區(qū)除植被條件以外的其他自然條件基本相同。徑流小區(qū)供試作種類(lèi)為大豆黑河三號(hào)，玉米為德美亞1號(hào)。間作小區(qū)中央3壟植玉米，余4壟植大豆。

1.3　測(cè)定項(xiàng)目和方法

(1) 降雨量及其過(guò)程。采用美國(guó)ONSET公司HOBO自記雨量計(jì)自動(dòng)記錄。

(2) 地表徑流及其過(guò)程。采用河北飛夢(mèng)科技有限公司的FL-JY磁感記錄儀徑流自記系統(tǒng)自動(dòng)記錄。

(3) 降雨產(chǎn)沙量及其過(guò)程：不同措施的降雨產(chǎn)沙量及其產(chǎn)沙過(guò)程與徑流過(guò)程同步人工觀測(cè)，在開(kāi)始產(chǎn)流后，每5 min取一翻斗沙樣，將沙樣靜置24 h，漂去上層清水，余下的用濾紙濾除泥沙，烘干6 h稱(chēng)重。

(4) 葉面積系數(shù)。不同生育期選取有代表性的大豆和玉米植株，分別測(cè)定每個(gè)葉片的長(zhǎng)、寬(量取葉片的最長(zhǎng)、最寬部位)，用下面公式求得單株葉面積：

式中：L——葉長(zhǎng)； B——葉寬； K——校正系數(shù)。通過(guò)求積儀實(shí)測(cè)面積，再與量取的葉面積相比求得。

(5) 植被覆蓋度。數(shù)碼相機(jī)采集圖像(大豆小區(qū)自上而下以黑土地為背景拍攝，玉米小區(qū)自下而上以藍(lán)天為背景拍攝)后，用圖像分析法測(cè)定各小區(qū)的植被覆蓋度。

2結(jié)果與分析

2.1　一次降雨條件下不同農(nóng)田植被的地表徑流特征

選取1次典型天然降雨進(jìn)行分析(2010730)，其降雨量為45mm，降雨歷時(shí)85min，最大降雨強(qiáng)度79.2mm/h,不同作物的地表徑流過(guò)程如圖1所示。

圖1　2013年7月30日不同小區(qū)的地表徑流過(guò)程

從2013年7月30日降雨徑流過(guò)程可以看出，大豆和玉米以及間作對(duì)徑流調(diào)節(jié)作用有較大差異。在降雨初期的前15min，各小區(qū)并未產(chǎn)生明顯徑流；在之后15min的中等強(qiáng)度降雨中，降雨已經(jīng)逐步浸潤(rùn)表層，土壤表層入滲率減少；在20min時(shí)隨著雨強(qiáng)陡增，地面開(kāi)始形成明顯的徑流。其中在15～45min之間大豆小區(qū)產(chǎn)生的徑流明顯小于玉米小區(qū)，大豆冠層低矮，枝葉茂密。擁有相對(duì)較高的葉面積指數(shù)、枝干數(shù)量。并且大豆復(fù)雜的植株形態(tài)有著較高的冠層截留[4,8]，將部分降雨截留在了冠層中。而該年生育期的大風(fēng)天氣和雨滴動(dòng)能使部分大豆倒伏，枝葉壓低一定程度上阻擋減緩了徑流的產(chǎn)生。在35min后由于較高的降雨強(qiáng)度，大豆相對(duì)軟弱的枝葉無(wú)法承受雨滴動(dòng)能以及風(fēng)壓，植被覆蓋率暫時(shí)降低，大豆枝葉相比玉米較為軟弱，相比玉米寬大的葉片，高強(qiáng)度降雨中大豆葉片對(duì)降雨阻擋作用較弱，大豆小區(qū)徑流增加較快[9]，而玉米小區(qū)徑流增加速度相對(duì)較小。在較高降雨強(qiáng)度下，玉米調(diào)節(jié)徑流的效果明顯強(qiáng)于大豆。大豆小區(qū)葉面積指數(shù)(LAI)為5.33，植被覆蓋率97%(由于部分植株倒伏，并未達(dá)到100%)，均大于玉米小區(qū)的4.2，植被覆蓋率84%。雖然玉米的葉面積指數(shù)和覆蓋率略低與大豆，但是玉米強(qiáng)韌的枝葉可以有效的抵御降雨，極大的減少高動(dòng)能的冠下穿透雨。較大的莖桿流也可以使徑流趨于穩(wěn)定，有效的增加入滲[10]，減少?gòu)搅鳌?/p>

與大豆相比，玉米控制徑流的效果較好，減少?gòu)搅髯罡呖蛇_(dá)17.72%。玉米和大豆小區(qū)產(chǎn)流時(shí)間基本相同，玉米小區(qū)徑流變化過(guò)程較平坦，大豆小區(qū)在產(chǎn)流后隨著降雨強(qiáng)度增加，徑流強(qiáng)度變化較大。降雨初期大豆復(fù)雜的冠層空間結(jié)構(gòu)阻礙了徑流的形成，隨著雨強(qiáng)增大，冠層結(jié)構(gòu)對(duì)攔蓄減緩徑流的形成控制作用減弱，大豆倒伏的枝條和枯葉不能繼續(xù)起到有效的攔蓄作用。大豆和玉米對(duì)降雨的轉(zhuǎn)化分配差異性開(kāi)始體現(xiàn)，大豆傾向于將攔截的降雨集中于冠層邊緣，而處于生長(zhǎng)旺盛期的玉米則傾向于將雨水集中在葉下區(qū)[5]，且玉米的莖桿流占很大比例。這樣的差異性導(dǎo)致了玉米對(duì)于降雨的分配相對(duì)大豆更加均勻，徑流的形成過(guò)程得以減緩。該次降雨大豆、玉米、間作小區(qū)徑流量為10，8.37和8.9mm。間作小區(qū)在徑流量和產(chǎn)流特性上介于兩者之間。15～45min間作、玉米小區(qū)產(chǎn)流相比大豆小區(qū)產(chǎn)流增加11.29%,40.31%，在降雨前期和大豆小區(qū)產(chǎn)流特征較相似。45min后間作、玉米小區(qū)相比大豆小區(qū)產(chǎn)流分別減少38.15%和19.22%，高強(qiáng)度降雨條件下其產(chǎn)流特征和間作小區(qū)相似度較高。

2.2兩次降雨條件下不同農(nóng)田植被對(duì)土壤侵蝕量的影響

從圖2可看出，產(chǎn)沙過(guò)程隨徑流過(guò)程的變化表現(xiàn)比較相似的波動(dòng)變化趨勢(shì)，但產(chǎn)沙過(guò)程隨降雨強(qiáng)度的變化更為明顯，產(chǎn)沙量峰值與降雨強(qiáng)度峰值較為接近。玉米小區(qū)的土壤侵蝕量平均為3.13 kg，大豆小區(qū)的平均土壤侵蝕量為3.62 kg，間作小區(qū)為3.42 kg。不同作物及種植模式對(duì)土壤侵蝕的控制作用按大小排序，依次為：玉米>間作>大豆，與徑流分析結(jié)果相同。

圖2　2013年7月30日降雨不同作物的侵蝕產(chǎn)沙過(guò)程

與大豆相比，在降雨早期，玉米和大豆的產(chǎn)沙量并沒(méi)有和產(chǎn)流量一樣有著明顯的差距。玉米葉片向斜上方伸展且成凹形，其葉面積較大，所以玉米在降雨的分配上，莖桿流起主導(dǎo)作用，莖桿流消耗了大量的雨滴動(dòng)能。雖然莖桿流也對(duì)土壤有著一定的侵蝕作用，但是相對(duì)于其他方式，其侵蝕能力可以忽略不計(jì)[11]。在降雨中后期，玉米小區(qū)產(chǎn)沙量和徑流量一樣均小于大豆小區(qū)。雖然大豆冠層稠密，冠層垂直投影結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)降雨有多次的攔截消能機(jī)會(huì)[8]，但相對(duì)于玉米高大的冠層高度，從冠層落下的雨滴動(dòng)能相對(duì)玉米較小。然而由于玉米巨大的莖桿流，玉米對(duì)土壤侵蝕的控制作用仍強(qiáng)于大豆。間作模式產(chǎn)沙量和產(chǎn)流量表現(xiàn)一致，占大豆的94%，介于兩者之間。

2.3次降雨條件下不同農(nóng)田植被的徑流強(qiáng)度和產(chǎn)沙強(qiáng)度的關(guān)系

徑流強(qiáng)度和產(chǎn)沙強(qiáng)度大致成二次拋物線(xiàn)關(guān)系，如圖3在低強(qiáng)度降雨中，大豆、玉米、間作小區(qū)產(chǎn)流和產(chǎn)沙關(guān)系波動(dòng)并不強(qiáng)烈，高強(qiáng)度降雨中，徑流強(qiáng)度達(dá)到10 mm以上時(shí)，產(chǎn)沙強(qiáng)度開(kāi)始出現(xiàn)明顯波動(dòng)，從相關(guān)系數(shù)可以看出，玉米小區(qū)徑流強(qiáng)度與土壤侵蝕量相關(guān)系數(shù)：R2=0.953 8，產(chǎn)沙和徑流關(guān)系最為穩(wěn)定，間作次之，大豆較差。大豆在高強(qiáng)度降雨中抗蝕能力衰減嚴(yán)重。原因在上文有所描述，這里不再贅述。

圖3　次降雨徑流強(qiáng)度與產(chǎn)沙強(qiáng)度的關(guān)系

2.4　不同農(nóng)田植被的年降雨徑流及土壤侵蝕特征

2.4.1年徑流量及土壤侵蝕量2013年試驗(yàn)區(qū)降雨量較大，僅生育期內(nèi)降雨就達(dá)到570.8 mm，但次降雨除7月30日降雨強(qiáng)度較大外均較小，土壤長(zhǎng)期處于水分充沛狀態(tài)。不同作物對(duì)年徑流量的影響因種類(lèi)而異。大豆、玉米、間作小區(qū)年徑流深及土壤侵蝕量見(jiàn)表1。

可見(jiàn)，大豆小區(qū)的攔蓄效果最弱，其次為間作，徑流深和土壤侵蝕量分別占大豆小區(qū)的89.02%和94.65%，玉米小區(qū)最佳，徑流量和土壤侵蝕量為大豆小區(qū)的83.61%和89.53%。不同作物對(duì)土壤侵蝕的控制作用按大小排序依次為：玉米、間作、大豆。與對(duì)徑流的分析相似。全年大多數(shù)降雨強(qiáng)度不高，玉米與間作對(duì)土壤侵蝕的控制作用差異不明顯，說(shuō)明玉米和大豆的間作模式對(duì)兩種作物的特性形成了良好的互補(bǔ)。

表1　3種處理下小區(qū)的年徑流及土壤侵蝕量

2.4.2土壤侵蝕量的年內(nèi)分布2013年全年降雨量主要集中在5—8月份，其降雨量分別為41.2，80.6，218.3和182.5 mm。表2為不同處理5—8月份的土壤侵蝕量。與大豆小區(qū)相比，玉米小區(qū)土壤侵蝕量稍小。間作小區(qū)和大豆小區(qū)的土壤侵蝕量相比并沒(méi)有明顯差別。這是由于在生育期早期，大豆冠層結(jié)構(gòu)發(fā)育簡(jiǎn)單，玉米沒(méi)有出苗，葉面積系數(shù)較低，植被對(duì)土壤侵蝕量的影響力有限。6月份降雨量相比5月份明顯提高，降雨侵蝕力也有所增加，隨著作物冠層發(fā)育和葉面積指數(shù)的增加，雖然6月份降雨量有所提高，但是土壤侵蝕量沒(méi)有明顯提高。在控制侵蝕方面，玉米對(duì)于大豆優(yōu)勢(shì)有所發(fā)揮，而間作模式相較其他兩者的差異性并不顯著。7月份降雨量達(dá)到最大值，各小區(qū)的土壤侵蝕量也相應(yīng)明顯增加，達(dá)到最大值。7月份降雨侵蝕力相比降雨量提高更加顯著，而植被發(fā)育程度也趨于成熟，葉面積系數(shù)劇增。在該年度高強(qiáng)度大風(fēng)天氣中，大豆小區(qū)部分植株出現(xiàn)倒伏、損傷，玉米小區(qū)植株有所損傷。間作小區(qū)由于玉米高大粗壯莖葉對(duì)大豆起到了保護(hù)作用，降低了風(fēng)壓和高動(dòng)能降雨對(duì)大豆冠層的沖擊，大豆整體完好，倒伏不明顯，植被冠層發(fā)育受影響不大。玉米小區(qū)和間作小區(qū)的土壤侵蝕量分別為大豆小區(qū)的90%和94%，間作模體現(xiàn)了較好抗侵蝕能力。8月份相比7月份徑流及徑流含沙量較少。

表2　3種處理下各小區(qū)5-8月土壤侵蝕量及葉面積指數(shù)

3結(jié)論與討論

(1) 種農(nóng)田植被對(duì)坡耕地降雨產(chǎn)流、產(chǎn)沙控制效果不同，總體上玉米對(duì)降雨產(chǎn)流、產(chǎn)沙控制效果最好，間作次之，大豆位居最后。

在降雨初期玉米和間作的產(chǎn)流略高于大豆，大豆較高的冠層截留和倒伏的枝葉部分減緩了產(chǎn)流，但隨著雨強(qiáng)的增加，產(chǎn)流增幅更加明顯。在降雨中后期大豆小區(qū)產(chǎn)流完全超過(guò)了玉米和間作。得益于較大莖桿流，玉米在控制產(chǎn)流中有良好的表現(xiàn)；從產(chǎn)流產(chǎn)沙量看，大豆小區(qū)的年產(chǎn)流量和產(chǎn)沙量分別平均69.59 mm和4.3 t/hm2。玉米小區(qū)平均的年產(chǎn)流量和產(chǎn)沙量占大豆小區(qū)平均的83.61%和89.53%，間作徑流深和產(chǎn)沙量分別占大豆小區(qū)的89.02%和94.65%?？梢?jiàn)玉米和間作比大豆更能有效的減流減沙，雖然玉米的葉面積指數(shù)低于同期大豆，但是玉米的葉片大小、結(jié)構(gòu)、傾角[8]等更能有效的將降雨轉(zhuǎn)化為莖桿流，減少土壤侵蝕量。

間作小區(qū)中玉米對(duì)大豆有一定的物理保護(hù)作用，在大風(fēng)極端天氣條件下能有效減少大豆倒伏，減少降雨對(duì)地面的直接沖擊，對(duì)控制產(chǎn)流產(chǎn)沙起積極的作用。

(2) 3種農(nóng)田植被對(duì)坡耕地降雨產(chǎn)流、產(chǎn)沙的調(diào)控能力因作物生育階段的不同而不同。

作物苗期對(duì)產(chǎn)流量和產(chǎn)沙量控制能力較弱。隨著作物生長(zhǎng)，作物對(duì)坡面產(chǎn)流、產(chǎn)沙的控制力也隨之增強(qiáng)，不同作物控制力的差距也開(kāi)始體現(xiàn)。作物生長(zhǎng)的旺盛期，對(duì)坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙的控制作用最強(qiáng)，成為控制坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙的主要階段。

以上結(jié)論是根據(jù)2013年實(shí)際情況得出的，而天然降雨具有一定的隨機(jī)性和不確定性，且研究時(shí)間較短。故尚需進(jìn)一步開(kāi)展不同年型的試驗(yàn)研究。

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Characteristics of Runoff and Sediment Yield in Sloping Farmland of Black Soil Region Under Different Farmland Vegetation

WU Xian1, WEI Yongxia1,2, WANG Min1,2, WANG Long1

(1.CollegeofWaterandCivilEngineering,NortheastAgricultureUniversity,Harbin,Heilongjang150030,China;

2.KeyLaboratoryofWater-savingAgricultureofHeilongjiangProvince,Harbin,Heilongjiang150030,China)

Abstract：[Objective] In order to provide references for the selection of suitible crops for black soil areas, to analyze the rill erosion characteristics of different cropland.[Methods] The study of surface runoff and soil erosion characteristics under three different cropland planting of corn, soybean and soybean-corn belt cropping, was carried out in the runoff plot of Hongxing State Farm in Heilongjiang Province located in the northeast typical black soil belt in 2013. [Results] For the performances of runoff retaining and sediment yield control, corn performed the best, while the intercropping of soybean-corn followed it, and soybean took the last. Compared to soybean, the surface runoff decreased 15.8% and 10.7% under the cultivation modes of corn and intercropping of soybean-corn; in corresponding to the soil loss, decreased 10.47% and 5.35%, respectively. [Conclusion] The control of surface runoff and soil loss between corn and soybean-corn belt cropping was not significant under the relatively low-intensity rainfall conditions. Whereas the control of surface runoff and soil loss under soybean-corn belt cropping was much better than that under soybean in the high-intensity rainfall condition.

Keywords:natural rainfall; black soil area; sloping farmland; leaf area index; farmland vegetation; runoff yield; sediment yield

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1000-288X(2015)03-0101-04

中圖分類(lèi)號(hào)：S157.2

通信作者：魏永霞(1961—),女(漢族),黑龍江省海倫縣人,博士，教授,博士生導(dǎo)師,主要從事農(nóng)業(yè)節(jié)水和水土保持理論與技術(shù)研究。E-mail: wyx0915@163.com。

收稿日期：2014-03-27修回日期：2014-04-22

資助項(xiàng)目：國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2014BAD12B01); 東北農(nóng)業(yè)大學(xué)博士基金項(xiàng)目(2010RCB65)

第一作者：吳限(1989—),男(漢族),黑龍江省齊齊哈爾市人,碩士研究生,研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)節(jié)水理論與技術(shù)。E-mail:wx527748@gmail.com。