種植大豆條件下土壤結(jié)皮對(duì)坡耕地徑流和侵蝕產(chǎn)沙的影響

馬波， 由政， 吳發(fā)啟?， 李占斌

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，712100，陜西楊凌；2.西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，712100，陜西楊凌)

種植大豆條件下土壤結(jié)皮對(duì)坡耕地徑流和侵蝕產(chǎn)沙的影響

馬波1,2， 由政2， 吳發(fā)啟2?， 李占斌1

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，712100，陜西楊凌；2.西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，712100，陜西楊凌)

研究作物生長(zhǎng)覆蓋條件下土壤結(jié)皮對(duì)坡耕地徑流和侵蝕產(chǎn)沙的影響，可為坡耕地水土流失防治和水土資源合理利用提供科學(xué)依據(jù)。以種植大豆的坡耕地土壤結(jié)皮為研究對(duì)象，利用人工模擬降雨方法，觀測(cè)前期土壤結(jié)皮和不同結(jié)皮厚度、覆蓋度下的產(chǎn)流產(chǎn)沙，分析前期土壤結(jié)皮的存在和土壤結(jié)皮厚度、覆蓋度對(duì)坡耕地土壤侵蝕的影響。結(jié)果表明：1)前期土壤結(jié)皮的存在對(duì)坡面的產(chǎn)流產(chǎn)沙量產(chǎn)生較大影響，使坡面徑流量高于非結(jié)皮坡面，而坡面的土壤流失量又遠(yuǎn)低于非結(jié)皮坡面。2)裸地前期有土壤結(jié)皮的坡面徑流量較非結(jié)皮坡面高5.27%，產(chǎn)沙量則較其降低了27.66%；種植大豆條件下，前期地表有土壤結(jié)皮坡面的徑流量較非結(jié)皮坡面平均增加了24.81%，產(chǎn)沙量較非結(jié)皮坡面平均降低了14.26%。3)大豆作物的存在加大了土壤結(jié)皮與非結(jié)皮坡面之間徑流量的差距，縮小了二者間產(chǎn)沙量的差異；坡耕地坡面土壤結(jié)皮厚度及其覆蓋度的變化對(duì)坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響卻不顯著。

作物； 土壤結(jié)皮； 土壤侵蝕； 坡耕地； 黃土高原

我國(guó)水土流失問(wèn)題較為嚴(yán)重，其大部分地區(qū)坡耕地水土流失量占該地總流失量的比例均高于60%[1]；因此，坡耕地的水土流失防治是我國(guó)生態(tài)環(huán)境建設(shè)和實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要問(wèn)題之一，也是現(xiàn)代土壤侵蝕最為突出的問(wèn)題[2]。作物由于生長(zhǎng)周期短且受人為干擾較大，其對(duì)坡面徑流侵蝕泥沙的影響與林草植被存在較大差異。研究[3]表明，農(nóng)田的徑流量遠(yuǎn)大于林草植被類(lèi)型，產(chǎn)沙量是林地的2～4倍，是天然荒坡的4～7倍，且變化幅度較大。由此可見(jiàn)，農(nóng)田的防蝕能力較差；但是與裸地相比，具有一定覆蓋度的農(nóng)田，其產(chǎn)流量較少，產(chǎn)流時(shí)間也會(huì)相對(duì)延遲[4]。孫飛達(dá)等[5]通過(guò)對(duì)小麥(TriticumaestivumL.)的研究認(rèn)為，小麥地可以將坡面徑流量降低約22%，而裸地與小麥地侵蝕模數(shù)之比最大可達(dá)25倍。 R. K. Singh等[6]通過(guò)對(duì)陡坡耕地上種植大豆(GlycinemaxL.)和花生(ArachishypogaeaLinn.)研究認(rèn)為，種植作物可將徑流量和泥沙量分別降低29.6%和27.7%。王健等[7]研究認(rèn)為玉米(ZeamaysL.)坡面年徑流量平均較裸地降低了19%，年產(chǎn)沙量平均較裸地降低了30%；苜蓿(MedicagosativaLinn.)坡面年徑流量平均較裸地降低了76%，年產(chǎn)沙量平均較裸地降低了86%。可見(jiàn)不同種類(lèi)的作物對(duì)坡面的防蝕能力相對(duì)較弱且差距較大。

坡耕地土壤結(jié)皮是土壤表面普遍存在的致密層，厚約數(shù)毫米至幾厘米，其表面強(qiáng)度較大，孔隙較細(xì)，且導(dǎo)水性較差[8-11]，是在雨滴沖濺和土壤黏粒理化分散作用下，土表孔隙被堵塞后形成，或挾沙水流流經(jīng)土表時(shí)細(xì)小顆粒沉積而形成的一層很薄的土表硬殼[12]。眾多學(xué)者就土壤結(jié)皮的發(fā)育機(jī)制、形成過(guò)程及其影響因素進(jìn)行了大量研究，認(rèn)為其主要具有減少入滲，促進(jìn)地表徑流，影響坡面產(chǎn)沙過(guò)程和降低作物生物量及產(chǎn)量等作用[13-19]。目前學(xué)界對(duì)土壤結(jié)皮促進(jìn)地表徑流持一致觀點(diǎn)，但是對(duì)其是否促進(jìn)坡面產(chǎn)沙量還存在較大的爭(zhēng)議。蔡強(qiáng)國(guó)等[20]研究指出，坡耕地前期有土壤結(jié)皮時(shí)，地表更容易形成徑流，更易發(fā)生侵蝕產(chǎn)沙；在相同情況下，前期有土壤結(jié)皮的坡面徑流系數(shù)、累積徑流量、侵蝕模數(shù)以及累積產(chǎn)沙量比非結(jié)皮坡面高出數(shù)倍甚至數(shù)十倍；前期土壤結(jié)皮密實(shí)程度的增加，其對(duì)坡面徑流量和產(chǎn)沙量影響更大。吳發(fā)啟等[21]研究認(rèn)為前期有土壤結(jié)皮的坡面初始產(chǎn)流時(shí)間、徑流過(guò)程峰值均早于非結(jié)皮土壤，坡面徑流量增加但是產(chǎn)沙量卻是降低的。王輝等[22]認(rèn)為若地表土壤嚴(yán)重結(jié)皮，則其具有降低徑流和抑制產(chǎn)流產(chǎn)沙的作用。而卜崇峰等[23]指出黃土土壤結(jié)皮減少入滲，增加徑流，對(duì)坡面抗蝕性作用微弱，但是結(jié)皮效應(yīng)隨降雨進(jìn)行會(huì)逐漸消失?？梢?jiàn)，土壤結(jié)皮作為一種特殊的土壤下墊面，對(duì)坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙過(guò)程產(chǎn)生了深刻的影響，但是還存在較大的分歧和爭(zhēng)議。綜上所述，種植作物與土壤結(jié)皮均對(duì)坡耕地土壤侵蝕產(chǎn)生較大影響。種植作物是坡耕地上最重要的活動(dòng)，它的存在對(duì)土壤結(jié)皮的形成和作用可能會(huì)產(chǎn)生一定的影響；因此，筆者以種植作物大豆的坡耕地土壤結(jié)皮為對(duì)象，研究作物生長(zhǎng)覆蓋條件下土壤結(jié)皮對(duì)坡耕地徑流及侵蝕產(chǎn)沙的影響，以期為坡耕地水土流失防治和水土資源合理利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于陜西省楊凌農(nóng)業(yè)高新產(chǎn)業(yè)示范區(qū)，地處黃土高原南緣地帶，為三級(jí)階地地形。該區(qū)為大陸性季風(fēng)型半濕潤(rùn)氣候，年降雨量635～646 mm，年均蒸發(fā)量993 mm，區(qū)內(nèi)60%降雨集中于7—10月，且多大到暴雨。常年平均氣溫12.9 ℃，月平均氣溫7月份為26.1 ℃，1月份為-1.2 ℃。植被主要以溫帶濕潤(rùn)半濕潤(rùn)森林為主，但分布較少，為農(nóng)田所取代。該區(qū)土壤主要以土墊旱耕人為土(塿土)為主，是當(dāng)?shù)亻L(zhǎng)期農(nóng)業(yè)耕作和施加土肥積累形成的一種土壤，廣泛分布于黃土地區(qū)盛產(chǎn)棉麥的地帶，其中尤以陜西關(guān)中為主，是關(guān)中地區(qū)的主要農(nóng)業(yè)土壤[24-26]。

1.2 研究方法

本研究在西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持工程實(shí)驗(yàn)室徑流小區(qū)和徑流沖刷槽上進(jìn)行，采用人工模擬降雨方法分階段進(jìn)行觀測(cè)。

1.2.1 室外徑流小區(qū)觀測(cè)實(shí)驗(yàn) 徑流小區(qū)長(zhǎng)4 m寬1 m，依據(jù)該區(qū)地形起伏較緩陡坡較少，將坡度設(shè)計(jì)為10°，下設(shè)4個(gè)徑流小區(qū)。在其中2個(gè)徑流小區(qū)上按行距40 cm，株距20 cm種植大豆，并設(shè)相同條件裸坡對(duì)照2個(gè)。供試大豆品種為中黃13，于2010年6月30日種植于徑流小區(qū)，并在同一時(shí)間種植于實(shí)驗(yàn)大田，以供大豆葉面積指數(shù)觀測(cè)之需。在每一觀測(cè)階段，采用土鉆法(φ=5 cm)對(duì)徑流小區(qū)表層土壤含水量進(jìn)行測(cè)量，將每場(chǎng)降雨實(shí)驗(yàn)前的土壤含水率控制在18%左右。對(duì)其中一個(gè)作物小區(qū)和裸地小區(qū)地表進(jìn)行細(xì)微鋤耕破壞土壤結(jié)皮并耙平平整，另外一個(gè)小區(qū)和裸地小區(qū)在整個(gè)生長(zhǎng)過(guò)程中始終保留土壤結(jié)皮不鋤耕。降雨前測(cè)量保留土壤結(jié)皮小區(qū)土壤結(jié)皮的厚度，然后利用降雨機(jī)對(duì)徑流小區(qū)進(jìn)行模擬降雨。待小區(qū)產(chǎn)流開(kāi)始時(shí)，利用塑料小桶收集徑流泥沙樣1 min，后每隔2 min采集徑流泥沙樣本1 min，直至產(chǎn)流結(jié)束。采集徑流泥沙樣帶至室內(nèi)測(cè)量其總體積(測(cè)量精度為0.1 mL)，然后澄清24 h后倒掉上清液將沉淀泥沙在105 ℃下烘干后稱(chēng)量得泥沙質(zhì)量(測(cè)量精度為0.01 g)。根據(jù)當(dāng)?shù)叵那?季多大到暴雨的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)降雨強(qiáng)度為80 mm/h，每場(chǎng)降雨歷時(shí)為60 min。大豆的種植與管理按當(dāng)?shù)剞r(nóng)作習(xí)慣進(jìn)行，并依據(jù)大豆生長(zhǎng)、葉片數(shù)量及面積將大豆生育期劃分為幼苗期、始花期、盛花期、結(jié)莢期和始粒期5個(gè)生長(zhǎng)階段分別進(jìn)行人工降雨試驗(yàn)，每次觀測(cè)前還需測(cè)量當(dāng)前階段大豆的葉面積指數(shù)。

降雨機(jī)采用側(cè)噴式降雨機(jī)，由中國(guó)科學(xué)院水利部水土保持研究所研制，將降雨機(jī)置于徑流小區(qū)兩側(cè)實(shí)行對(duì)噴。降雨裝置包括降雨系統(tǒng)和供水系統(tǒng)2部分。降雨系統(tǒng)由2個(gè)單一降雨支架組成，降雨支架主要包括側(cè)式噴頭、噴頭支架和壓力控制部分。降雨噴頭由噴頭體、碎流擋板、出流孔板等部分組成。噴頭安裝在由三角架固定的降雨支架上，噴頭高6 m，噴頭出水高度約1.5 m，有效降雨面積5 m×7 m，降雨雨滴終點(diǎn)速度近似天然降雨速度，降雨均勻度高于80%。供水壓力由壓力表控制，降雨強(qiáng)度主要通過(guò)孔板的孔徑來(lái)調(diào)節(jié)，孔徑3～10 mm，可控制降雨強(qiáng)度范圍為30～140 mm/h。

1.2.2 室內(nèi)沖刷槽觀測(cè)實(shí)驗(yàn) 與室外徑流小區(qū)相同時(shí)間，在3個(gè)徑流沖刷槽上分別種植大豆，并在大豆生長(zhǎng)旺盛期時(shí)于降雨前分別測(cè)定土壤結(jié)皮厚度，然后進(jìn)行人工模擬降雨觀測(cè)徑流量和產(chǎn)沙量，方法與室外實(shí)驗(yàn)相同。

室內(nèi)模擬降雨實(shí)驗(yàn)采用下噴式降雨機(jī)，由中國(guó)科學(xué)院水利部水土保持研究所生產(chǎn)，降雨高度為4 m，有效降雨面積為3 m×3 m，降雨動(dòng)能約為天然降雨的75%，降雨均勻度高于80%。通過(guò)不同的噴頭- 閥門(mén)開(kāi)關(guān)組合來(lái)實(shí)現(xiàn)供水壓力的調(diào)節(jié)，從而達(dá)到調(diào)節(jié)降雨強(qiáng)度的目的。經(jīng)測(cè)試，調(diào)節(jié)至任一噴頭和壓強(qiáng)組合下的降雨都是穩(wěn)定的，可以被實(shí)驗(yàn)采用。

1.2.3 土壤結(jié)皮觀測(cè) 利用數(shù)碼照相機(jī)對(duì)保留土壤結(jié)皮的小區(qū)坡面進(jìn)行垂直拍照，并利用電腦計(jì)算土壤結(jié)皮覆蓋度。在保留土壤結(jié)皮的小區(qū)分別在上、中、下坡位采集土壤結(jié)皮樣本，帶回室內(nèi)利用刀片和軟刷去掉結(jié)皮下方的土壤，再利用游標(biāo)卡尺測(cè)量土壤結(jié)皮厚度(測(cè)量精度為0.01 mm)，每個(gè)小區(qū)的土壤結(jié)皮樣本測(cè)量15次并取其平均值。

1.2.4 葉面積指數(shù)測(cè)量 將大豆葉片掃描至電腦，利用Image J對(duì)葉面積進(jìn)行測(cè)量(測(cè)量精度達(dá)到0.01 pixel)。在葉面積測(cè)定的基礎(chǔ)上，按單位土地面積上的總?cè)~面積占土地面積的比計(jì)算葉面積指數(shù)[27]。

1.3 數(shù)據(jù)分析

本研究的數(shù)據(jù)計(jì)算和分析分別采用Excel和SPSS完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 前期土壤結(jié)皮的存在對(duì)坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響

種植大豆條件下，坡面前期土壤結(jié)皮的存在對(duì)坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響如表1所示，可知，前期土壤結(jié)皮的存在，使產(chǎn)流開(kāi)始時(shí)間較早。隨著大豆的生長(zhǎng)，非結(jié)皮坡面的產(chǎn)流開(kāi)始時(shí)間向后推遲的幅度較大。裸地前期有土壤結(jié)皮的坡面，徑流量較非結(jié)皮坡面高5.27%，而產(chǎn)沙量則較其降低了27.66%，其徑流含沙量也相應(yīng)較非結(jié)皮降低了25.42%。這說(shuō)明土

壤結(jié)皮的存在可以增加坡面徑流，又因其結(jié)構(gòu)致密而使坡面產(chǎn)沙量有所降低。與裸地相比，大豆的存在使前期保留土壤結(jié)皮與非結(jié)皮坡面之間的差異產(chǎn)生了較大變化。種植大豆條件下，前期土壤結(jié)皮坡面的徑流量較非結(jié)皮坡面平均增加了24.81%，產(chǎn)沙量較非結(jié)皮坡面平均降低了14.26%。其中，前期土壤結(jié)皮坡面的徑流量在幼苗期(葉面積指數(shù)ILA=0.61)較非結(jié)皮坡面下增加了15.26%，至始粒期(ILA=6.59)時(shí)其增幅已上升至43.18%；而其產(chǎn)沙量較非結(jié)皮坡面的降幅由幼苗期的15.05%下降至始粒期的8.66%。

大豆的存在使坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙量隨其生長(zhǎng)逐漸減小，坡面土壤結(jié)皮的存在使地表較為光滑，且土壤結(jié)皮結(jié)構(gòu)致密緊實(shí)，因此土壤結(jié)皮的存在可加快徑流的流速，降低降雨和徑流的入滲，使前期土壤結(jié)皮坡面的徑流量處于較高的水平；但正因?yàn)橥寥澜Y(jié)皮特殊的結(jié)構(gòu)和較大的抗蝕強(qiáng)度，使其坡面具有較高的抗蝕性和抗沖性，從而使產(chǎn)沙量降低，加之作物對(duì)產(chǎn)流產(chǎn)沙的阻滯作用，使種植作物前期土壤結(jié)皮的坡面具有更低的土壤侵蝕量。與前期土壤結(jié)皮坡面相比，非結(jié)皮地面地表較為粗糙，對(duì)徑流的阻礙較強(qiáng)，可有效提高降雨和徑流的入滲速率，因此其坡面徑流量低于保留土壤結(jié)皮的坡面。加之作物的影響，使非結(jié)皮的坡面徑流量隨作物生長(zhǎng)逐步降低，且下降幅度較前期土壤結(jié)皮坡面大，因此使2種處理坡面間徑流量的差距逐漸擴(kuò)大。與此同時(shí)，由于非結(jié)皮坡面地表粗糙，地表土粒較為分散，更易被徑流沖刷，產(chǎn)生較強(qiáng)的土壤侵蝕量。在大豆幼苗期(ILA=0.61)時(shí)，由于作物對(duì)地表的保護(hù)作用最弱，使非結(jié)皮坡面的土壤流失量遠(yuǎn)高于前期保留土壤結(jié)皮的坡面。而隨著作物生長(zhǎng)，作物對(duì)徑流的阻滯作用加強(qiáng)，使坡面徑流量逐漸降低，加之大豆冠層對(duì)地表的覆蓋，使地表粗糙的表面可以維持較長(zhǎng)的時(shí)間；因此徑流對(duì)地表的作用力大大減弱，使坡面的產(chǎn)沙量大幅度降低，從而使其與前期保留土壤結(jié)皮坡面的差距逐漸縮小。由此可見(jiàn)，對(duì)于前期保留土壤結(jié)皮的坡面和非結(jié)皮坡面，大豆的存在具有拉大兩者間徑流量差距和降低產(chǎn)沙量差距的傾向。

表1 大豆不同生育期前期土壤結(jié)皮的存在對(duì)產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響

注：以室外10°徑流小區(qū)為例，降雨強(qiáng)度為80 mm/h。 Note: Taking outdoor runoff plot of 10 degrees as an example. The rainfall intensity was 80 mm/h.

土壤結(jié)皮的存在，對(duì)坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙的過(guò)程也產(chǎn)生了較大的影響。為便于分析，將降雨過(guò)程中任一時(shí)刻下單位面積單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的徑流量定義為徑流強(qiáng)度/(mL/(m2·min))；將單位面積單位時(shí)間產(chǎn)生的泥沙量定義為泥沙強(qiáng)度/(g/(m2·min))。種植大豆條件下，前期保留土壤結(jié)皮的坡面和非結(jié)皮坡面的產(chǎn)流產(chǎn)沙過(guò)程存在顯著差異(圖1)。

圖1 土壤結(jié)皮對(duì)大豆坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙過(guò)程的影響(以鼓粒期為例，ILA=6.59)Fig.1 Effects of soil crust on process of runoff and sediment on soybean slope land taking seed filling stage as an example when the leaf area index was 6.59

前期保留土壤結(jié)皮坡面的產(chǎn)流產(chǎn)沙自產(chǎn)流開(kāi)始會(huì)在較短的時(shí)間內(nèi)迅速上升并接近穩(wěn)定產(chǎn)流產(chǎn)沙狀態(tài)，直至降雨結(jié)束。而非結(jié)皮坡面，由于地表粗糙對(duì)徑流和泥沙形成阻礙，因此，在產(chǎn)流開(kāi)始后較長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)均處于緩慢上升階段并伴有較大波動(dòng)。與此同時(shí)，由于降雨和徑流的共同作用，使地表松散的土體逐漸密閉并形成土壤結(jié)皮，這一方面使坡面的產(chǎn)流產(chǎn)沙發(fā)生較大的波動(dòng)，一方面使粗糙的地表開(kāi)始趨于平整光滑，在加劇徑流下移的同時(shí)又逐漸使坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙量趨于穩(wěn)定。待坡面上形成一定面積的土壤結(jié)皮后，坡面的產(chǎn)流產(chǎn)沙量便達(dá)到穩(wěn)定產(chǎn)流產(chǎn)沙水平。由此也可表明，種植大豆條件下，前期保留土壤結(jié)皮的坡面因受降雨和徑流的影響較小，使坡面徑流和產(chǎn)沙過(guò)程較為穩(wěn)定；而非結(jié)皮坡面受降雨和徑流影響較大，使地表在降雨過(guò)程中產(chǎn)生一系列變化，導(dǎo)致坡面徑流和產(chǎn)沙過(guò)程波動(dòng)較大。作物在其變化過(guò)程中主要有2方面作用：一方面作物的存在增加了坡面入滲，減少了坡面的徑流量和產(chǎn)沙量；另一方面作物冠層對(duì)地表的覆蓋不僅保護(hù)前期保留土壤結(jié)皮坡面上的土壤結(jié)皮免受降雨和徑流破壞而損失，還使非結(jié)皮坡面的粗糙程度得以較長(zhǎng)時(shí)間維持，減緩了地表土體的密閉過(guò)程，有利于徑流入滲，從而降低徑流的挾沙能力。

2.2 前期土壤結(jié)皮厚度對(duì)坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響

大豆生長(zhǎng)旺盛期時(shí)，地表不同土壤結(jié)皮厚度對(duì)坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙量的影響詳見(jiàn)表2，可以看出，種植大豆條件下，坡面前期土壤結(jié)皮厚度的變化并未使坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙量顯著變化。不同土壤結(jié)皮厚度的坡面徑流量和產(chǎn)沙量雖有差異，但是隨機(jī)性較大，并沒(méi)有因土壤結(jié)皮厚度的增減而規(guī)律變化。與此同時(shí)，土壤結(jié)皮的覆蓋度與坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙量之間亦不存在明確的關(guān)系。這說(shuō)明土壤結(jié)皮厚度的變化并不是影響坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙發(fā)生變化的主要因子。作物的存在以及不同坡面狀況的差異是造成兩者間產(chǎn)流產(chǎn)沙有所差別的主要原因。

種植大豆條件下，不同前期土壤結(jié)皮厚度坡面的產(chǎn)流產(chǎn)沙過(guò)程變化如圖2所示，可以看出，不同土壤結(jié)皮厚度的坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙隨降雨時(shí)間的變化過(guò)程本質(zhì)上并無(wú)差別，均在產(chǎn)流開(kāi)始后較短時(shí)間內(nèi)便接近穩(wěn)定產(chǎn)流產(chǎn)沙狀態(tài)，且過(guò)程曲線均較為平穩(wěn)，波動(dòng)較小。由此也可說(shuō)明，土壤結(jié)皮厚度的變化，對(duì)坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙過(guò)程的影響不顯著，其變化不是坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙過(guò)程變化的主要因子。

表2 不同土壤結(jié)皮厚度下坡面的產(chǎn)流產(chǎn)沙

注：以室內(nèi)10°沖刷槽為例，降雨強(qiáng)度為80 mm/h，降雨歷時(shí)60 min。 Note: Taking indoor runoff plot of 10 degrees as an example. The rainfall intensity was 80 mm/h and the duration of rainfall was 60 min.

Tc為前期土壤結(jié)皮厚度，mm。Tc in figures was soil crust thickness before rain, mm. 圖2 前期土壤結(jié)皮厚度對(duì)大豆坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙過(guò)程的影響Fig.2 Effects of soil crust thickness on process of runoff and sediment on soybean slope land

由以上分析可知，土壤結(jié)皮厚度和覆蓋度對(duì)坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響較小，坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙量的改變受大豆作物自身影響較大。將不同生長(zhǎng)階段室外徑流小區(qū)的前期土壤結(jié)皮坡面相關(guān)土壤結(jié)皮指標(biāo)和產(chǎn)流產(chǎn)沙量進(jìn)行方差分析(表3)，結(jié)果表明葉面積指數(shù)與坡面徑流量、產(chǎn)沙量和含沙量之間均存在極顯著差異(P<0.01)，前期土壤結(jié)皮厚度和覆蓋度與坡面徑流量、產(chǎn)沙量和含沙量之間均不存在顯著性差異(P>0.05)。由此可知，種植大豆條件下，作物植株的生長(zhǎng)發(fā)育對(duì)坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙量有重要的影響，前期土壤結(jié)皮厚度和覆蓋度對(duì)其影響不顯著。而在相同條件下，作物的葉面積指數(shù)仍然是影響坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙量發(fā)生顯著變化的主要原因。

通過(guò)對(duì)室外徑流小區(qū)保留土壤結(jié)皮坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙量的回歸分析，可獲得以下回歸方程，如表4所示?？梢钥闯觯N植大豆的坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙量以及徑流含沙量與大豆冠下前期土壤結(jié)皮厚度、覆蓋度和葉面積指數(shù)呈線性關(guān)系，且相關(guān)性較高，回歸結(jié)果達(dá)到了顯著水平。結(jié)合方差分析結(jié)果可知，土壤結(jié)皮厚度和覆蓋度2個(gè)因子的系數(shù)的正負(fù)性質(zhì)不統(tǒng)一，這說(shuō)明土壤結(jié)皮厚度和覆蓋度對(duì)坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙量的影響作用不明確，其回歸方程的高相關(guān)性主要緣自于作物葉面積指數(shù)。這同時(shí)也證實(shí)了作物的生長(zhǎng)是影響坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙量的主導(dǎo)因素之一。

3 結(jié)論與討論

在土壤和降雨等因素的共同作用下，使坡耕地地表普遍存在土壤結(jié)皮，對(duì)坡耕地土壤侵蝕、水分利用和作物生長(zhǎng)均造成較大影響。通過(guò)對(duì)種植大豆條件下前期土壤結(jié)皮對(duì)坡耕地產(chǎn)流產(chǎn)沙的作用分析，結(jié)果表明：前期土壤結(jié)皮的存在對(duì)坡面的產(chǎn)流產(chǎn)沙量產(chǎn)生較大影響，使坡面徑流量高于非結(jié)皮坡面，而坡面的土壤流失量又遠(yuǎn)低于非結(jié)皮坡面。種植大豆條件下，前期土壤結(jié)皮的存在使徑流量較非結(jié)皮坡面平均增加了24.81%，產(chǎn)沙量較非結(jié)皮坡面平均降低了14.26%。大豆作物的存在加大了土壤結(jié)皮與非結(jié)皮坡面之間徑流量的差距，但同時(shí)又縮小了二者間產(chǎn)沙量的差異，且隨著作物的生長(zhǎng)使其對(duì)土壤結(jié)皮與非結(jié)皮坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響逐漸加強(qiáng)。種植大豆條件下，坡面前期土壤結(jié)皮厚度及其覆蓋度的變化對(duì)坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響不顯著，并不是影響坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙的主要因素。

同其他學(xué)者的研究結(jié)果[13-19]類(lèi)似，無(wú)論作物覆蓋與否，前期土壤結(jié)皮可延長(zhǎng)坡面產(chǎn)流開(kāi)始時(shí)間，并增加了坡面的徑流量；但本研究作用塿土條件下，前期土壤結(jié)皮對(duì)坡面產(chǎn)沙量具有減少的作用。這與吳發(fā)啟等[21]在黃墡土條件下所得結(jié)論較為一致，而與蔡強(qiáng)國(guó)等[28]和卜崇峰等[19]在黃土條件下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相反。這一方面可能是由于土壤質(zhì)地的不同導(dǎo)致土壤結(jié)皮的理化性質(zhì)產(chǎn)生較大差異所致；另一方面也可能是由于坡面在降雨過(guò)程中是否產(chǎn)生了細(xì)溝侵蝕所致。土壤結(jié)皮增加徑流量，增強(qiáng)了徑流侵蝕力，利于細(xì)溝的產(chǎn)生，而一旦坡面形成細(xì)溝，會(huì)導(dǎo)致坡面侵蝕量劇烈增加[29]。本研究在作物覆蓋的10°坡度條件下進(jìn)行，實(shí)際觀測(cè)中發(fā)現(xiàn)由于作物覆蓋，使降雨過(guò)程中很少形成細(xì)溝。坡面上大豆作物的覆蓋一方面減緩了降雨的侵蝕力，有利于入滲，減少坡面徑流；另一方面也可減緩坡面徑流對(duì)前期土壤結(jié)皮的沖刷破壞，維持其較高的抗蝕強(qiáng)度：因此，大豆作物覆蓋不僅起到了減少坡面土壤侵蝕量的作用，而且對(duì)土壤結(jié)皮的形成和發(fā)育存在較大的影響。土壤結(jié)皮的存在可以增加地表的徑流量，這無(wú)疑會(huì)減少作物對(duì)水分的有效利用，對(duì)作物的生長(zhǎng)和產(chǎn)量都具有較大的負(fù)面影響。由于研究對(duì)象、觀測(cè)條件不盡相同，對(duì)土壤結(jié)皮是否增加坡面土壤侵蝕目前還沒(méi)有定論。土壤結(jié)皮對(duì)土壤侵蝕的影響因土壤、地形、降雨、植被等因素的影響而產(chǎn)生較大的差異，使問(wèn)題更加復(fù)雜多變。對(duì)土壤結(jié)皮影響土壤侵蝕機(jī)理的研究有助于闡明土壤結(jié)皮的作用過(guò)程，也為在實(shí)際生產(chǎn)中趨利避害為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)服務(wù)。

表3 大豆生育期內(nèi)結(jié)皮對(duì)坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙影響的方差分析

表4 不同作物全生育期內(nèi)土壤結(jié)皮與產(chǎn)流產(chǎn)沙各項(xiàng)回歸關(guān)系

注：以室外10°徑流小區(qū)為例；Mw為徑流量，mm/h；Ms為產(chǎn)沙量，g/(m2·h)；C為含沙量，g/L；ILA為葉面積指數(shù)；Cc為前期土壤結(jié)皮覆蓋度，%；*為0.05顯著水平；**為0.01顯著水平。Note: Taking outdoor runoff plot of 10 degrees as an example.Mwwas runoff amount, mm/h;Mswas sediment yield, g/(m2·h);Cwas sediment concentration, g/L;ILAwas leaf area index;Ccwas soil crust coverage before rain, %;*was significant at 0.05 level; and**was significant at 0.01 level.

[1] 唐克麗. 中國(guó)土壤侵蝕與水土保持學(xué)的特點(diǎn)及展望[J]. 水土保持研究，1999，6(2): 2-7

[2] 唐克麗. 退耕還林還牧與保障食物安全的協(xié)調(diào)發(fā)展問(wèn)題[J]. 中國(guó)水土保持，2000(8): 35-37

[3] 李淼，宋孝玉，沈冰，等. 黃土溝壑區(qū)不同植被對(duì)產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響[J]. 西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2006，34(1): 117-120

[4] 宋孝玉，李永杰，陳洪松，等. 黃土溝壑區(qū)不同下墊面條件農(nóng)田降雨入滲及產(chǎn)流規(guī)律野外試驗(yàn)研究[J]. 干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究， 1998，16(4): 68-75

[5] 孫飛達(dá)，蔣志榮，王立. 不同降雨強(qiáng)度下農(nóng)地的產(chǎn)流產(chǎn)沙研究[J]. 甘肅科學(xué)學(xué)報(bào)，2005，17(1): 53-56

[6] Singh R K, Panda R K, Satapathy K K, et al. Simulation of runoff and sediment yield from a hilly watershed in the eastern Himalaya, India using the WEPP model[J]. Journal of Hydrology，2011, 405(3/4): 261-276

[7] 王健，尹武君，劉旦旦. 玉米苜蓿間作對(duì)黃土坡耕地降雨產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響[J]. 節(jié)水灌溉，2011(8): 43-46

[8] McIntyre D S. Permeability measurements of soil crusts formed by raindrop impact [J]. Soil Science, 1958, 85(4): 185-189

[9] McIntyre D S. Soil splash and the formation of water drops and raindrops [J]. Trans Am Geophys, 1958, 22: 709-721

[10] Onofiok O, Singer M J. Scanning electron microscope studies of surface crusts formed by simulated rainfall [J]. Soil Sci Soc Am J, 1984, 48: 1137-1143

[11] Bradford J M, Ferris J E, Remley P A. Interill soil erosion processes: I. Effect of surface sealing on infiltration, runoff, and soil splash detachment [J]. Soil Science, 1987, 51: 1566-1577

[12] Singer M J. Physical properties of arid region soils∥Skujins J. Semi-arid land sand deserts: soils resource and reclamation [M]. New York: Marcel Dekker, 1991: 81-109

[13] Moore D C, Singer M J. Crust formation effect on soil erosion processes[J]. Soil Science Society of America Journal，1990, 54: 1117-1123

[14] Levy G J, Levin J, Shainberg I. Seal formation and interrill soil erosion[J]. Soil Science Society of America Journal，1994, 58: 203-209

[15] 蔡強(qiáng)國(guó)，陸兆熊. 黃土發(fā)育表土結(jié)皮過(guò)程和微結(jié)構(gòu)分析的試驗(yàn)研究[J]. 應(yīng)用基礎(chǔ)與工程科學(xué)學(xué)報(bào)，1996，4(4): 363-370

[16] 吳發(fā)啟，范文波. 坡耕地土壤結(jié)皮形成的影響因素分析[J]. 水土保持學(xué)報(bào)，2002，16(1): 33-36

[17] 吳發(fā)啟，范文波，鄭子成，等. 坡耕地暴雨結(jié)皮對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育影響的實(shí)驗(yàn)研究[J]. 干旱區(qū)資源與環(huán)境，2003，17(2): 100-105

[18] 胡霞，嚴(yán)平，李順江，等. 人工降雨條件下土壤結(jié)皮的形成以及與土壤濺蝕的關(guān)系[J]. 水土保持學(xué)報(bào)， 2005，19(2): 13-16

[19] 卜崇峰，蔡強(qiáng)國(guó)，程琴娟，等. 紫色土表土結(jié)皮發(fā)育特征的試驗(yàn)研究[J]. 土壤學(xué)報(bào)， 2007，44(3): 385-391

[20] 蔡強(qiáng)國(guó)，王貴平，陳永宗. 黃土高原小流域侵蝕產(chǎn)沙過(guò)程與模擬[M]. 北京: 科學(xué)出版社，1998

[21] 吳發(fā)啟，范文波. 土壤結(jié)皮對(duì)降雨入滲和產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響[J]. 中國(guó)水土保持科學(xué)，2005，3(2): 97-101

[22] 王輝，王全九，邵明安，等. 表土結(jié)皮影響坡地產(chǎn)流產(chǎn)沙及養(yǎng)分流失的試驗(yàn)研究[J]. 水土保持學(xué)報(bào)，2008，22(4): 35-38

[23] 卜崇峰，蔡強(qiáng)國(guó)，張興昌，等. 黃土結(jié)皮的發(fā)育機(jī)理與侵蝕效應(yīng)研究[J]. 土壤學(xué)報(bào)，2009，46(1): 16-23

[24] 潘繼花，張甘霖. 土墊旱耕人為土中磷的分布特征及其土壤發(fā)生學(xué)意義[J]. 第四紀(jì)研究，2008，28(1): 43-49

[25] 龔子同. 中國(guó)土壤系統(tǒng)分類(lèi)：理論 方法 實(shí)踐[M]. 北京: 科學(xué)出版社，1999

[26] 朱顯謨．塿土[M]．北京：農(nóng)業(yè)出版社，1964

[27] 程武學(xué)，潘開(kāi)志，楊存建. 葉面積指數(shù)(LAI)測(cè)定方法研究進(jìn)展[J]. 四川林業(yè)科技，2010, 31(1): 51-54

[28] 蔡強(qiáng)國(guó)，陳浩，陸兆雄. 表土結(jié)皮在濺蝕和坡面侵蝕過(guò)程中的作用∥陳永宗. 黃河粗泥沙來(lái)源及侵蝕產(chǎn)沙機(jī)理研究[C]. 1985: 57-64

[29] 程琴娟，蔡強(qiáng)國(guó)，李家永. 表土結(jié)皮發(fā)育過(guò)程及其侵蝕響應(yīng)研究進(jìn)展[J]. 地理科學(xué)進(jìn)展，2005, 24(4): 114-121

(責(zé)任編輯：程 云)

Effects of soil crust onslope runoff and sediment yield under soybean cover

Ma Bo1, 2, You Zheng2, Wu Faqi2, Li Zhanbin1

(1.State Key Laboratory of Soil Erosion and Dryland Farming on Loess Plateau, Institute of Soil and Water Conservation, Northwest A&F University,712100, Yangling, Shaanxi, China； 2.College of Resources and Environment, Northwest A&F University, 712100, Yangling, Shaanxi, China)

The soil crust on slope farmland is a sort of compact slab structure formed by rainfall on the soil surface, and it has the characteristics of being smooth, compact, and easy to become ramous. Previous researchers have done a multitude of experiments regarding development mechanism, process of formation and factors affecting them, and their findings indicated that the soil crust has effects in decreasing infiltration, improving soil surface runoff amount, influencing the process of sediment yield, and reducing the biomass and yield of crop and so forth. Protecting slope farmland against soil and water loss has become an important issue of constructing bio-environment and realizing sustainable development in China. It is evident that the soil crust is a special underlying surface and it has significant effect on runoff amount and sediment yield on the slope. Planting is the main activity on slope farmland, and it has certain influence on the soil crust. The objectives of this study were to investigate the effects of soil crust on runoff and sediment yield under soybean cover and to provide theoretical basis for soil and water conservation and rational utilization of slope lands. Our study was carried out in the southern fringe of the Loess Plateau in 2010. Soil in the study area is Eum-Orthic Anthrosols. The intensity of the precipitation in this research was 80 mm/h, with each rainfall lasting for 60 min. We took slopes planted with soybean as object, and by using simulated rainfalls we investigated the existence of soil crust before rain and influences of its thickness and coverage on runoff and sediment yield. Soil crust before rain had considerable effects on runoff and sediment yield. Analysis of the effects of soil crust on runoff and sediment yield on slope land under soybean cover showed that, the volume of runoff was higher on soil crusted slopes and amount of soil loss was much lower compared to that on slopes without soil crust. The soil crust made the beginning time of runoff yield earlier. With the growth of the soybean, the beginning time of runoff yield on the slope without crust was postponed much. The runoff and sediment yield became lower on slope land with soybean growing, and the soil crust on slope made the surface smoother. Besides, the structure of the soil crust is compact, which speeds up the runoff, lower the infiltration of rainfall and runoff, and keeps the runoff amount on slope with prophase soil crust at a relatively high level. On bare soil, the runoff and sediment yield on soil crusted slopes was 5.27% higher and 27.66% lower than that on slopes without soil crust, respectively. On slopes with soybean cover, the runoff and sediment yield on soil crusted slopes was 24.81% higher and 14.26% lower than that on slopes without soil crust, respectively. The crust has great influence on the processes of the runoff and sediment yield, which have significant difference between the slope with prophase soil crust and without soil crust. On the whole, the fluctuation of the process of runoff and sediment yield was smooth on slope with prophase soil crust, while the volatility of slope without soil crust fluctuates greatly. The presence of soybean cover increased the difference in runoff yield between slopes with and without soil crust, but reduced the difference in sediment yield. The effect of soybean on the differences of runoff and sediment yield between slopes with and without soil crust became stronger with the growth of soybean plants. Effects of thickness and coverage of soil crust on runoff and sediment yield were not significant. The influence of soil crust on the soil erosion varied greatly due to different soil types, terrain, rainfall, crops and other factors, which makes the problem become more complex. The research on the principle of the influence of soil crust on soil erosion is helpful for illustrating the progress of such effects, which provides reference for agricultural sectors to weigh the pros and cons in the real production.

soybean; soil crust; soil erosion; slope farmland; Loess Plateau

2014-06-14

2015-03-24

項(xiàng)目名稱(chēng)： 國(guó)家“973”重點(diǎn)基礎(chǔ)研究項(xiàng)目“中國(guó)主要水蝕區(qū)土壤侵蝕過(guò)程調(diào)控研究”(2007CB407201- 5)；國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目“黃土高原生態(tài)建設(shè)的生態(tài)- 水文過(guò)程響應(yīng)機(jī)理研究”(41330858)

馬波(1982—)，男，博士。主要研究方向：黃土區(qū)坡耕地土壤侵蝕。E-mail:soilcrop@163.com

?通信作者簡(jiǎn)介： 吳發(fā)啟(1957—)，男，博士，教授。主要研究方向：水土保持與流域管理。E-mail:wufaqi@263.net

S157.1

A

1672-3007(2015)03-0016-08