黃土區(qū)不同生長期大豆坡耕地的入滲特征

王林華,馬波,吳發(fā)啟

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所,712100,陜西楊凌；2.中國科學(xué)院水利部水土保持研究所,712100,陜西楊凌；3.西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院,712100,陜西楊凌)

黃土區(qū)不同生長期大豆坡耕地的入滲特征

王林華1,馬波2,吳發(fā)啟3?

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所,712100,陜西楊凌；2.中國科學(xué)院水利部水土保持研究所,712100,陜西楊凌；3.西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院,712100,陜西楊凌)

坡耕地水土流失是土壤侵蝕最為突出的問題。為了研究坡耕地在作物不同生長期內(nèi)降水土壤水分入滲性能,選取大豆(Glycine max L.)的初花期(R1)、末花期(R2)、結(jié)莢期(R4)、始粒期(R5)的坡耕地為研究對象,并以裸坡為對照(CK),通過人工模擬降雨實驗方法,分析其入滲過程及特征,并用Horton和Kostiakov入滲模型對入滲過程模擬。結(jié)果表明:不同降雨強度和坡度條件下,大豆各生長期的坡地與裸坡的初始入滲率、穩(wěn)定入滲率、累計入滲量和入滲補給系數(shù)總體呈現(xiàn)出R5＞R4＞R2＞R1＞CK的變化趨勢；采用的Horton和Kostiakov 2個入滲模型擬合效果較好,且能反映大豆坡耕地在不同生長期的降水入滲過程及其特征,二者的擬合優(yōu)度都比較高,其中Horton模型的擬合效果優(yōu)于Kostiakov模型。

生長期；入滲特征；坡耕地；黃土高原

黃土高原地區(qū)是我國坡耕地的主要分布區(qū)之一,其面積占到總耕地面積的50%左右,在水土流失嚴(yán)重的黃土丘陵區(qū)可達到70%～90%；因此,坡耕地是該區(qū)水土流失的主要策源地。一般情況下,其土壤侵蝕量占總侵蝕量的50%～60%[1-2]。 綜觀其流失特征可知,在其他條件一致的情況下,土壤入滲量的大小是影響侵蝕強弱變化的主要因素之一,因為在坡耕地水土流失過程中,入滲是降水進入土壤的過程,產(chǎn)流是降水轉(zhuǎn)化為徑流的過程[3-5]；而坡耕地的入滲性能決定了降水過程中徑流的產(chǎn)生與量的多寡。為此,坡耕地降水入滲特征研究受到了普遍重視。

眾多研究成果表明土壤水分入滲過程受到土壤初始含水量、土壤質(zhì)地、土壤結(jié)構(gòu)、坡度和降雨強度等因素的影響[6-13]。當(dāng)坡耕地上栽培作物等植被時,隨著生長季節(jié)的變化,這一過程會變得更加復(fù)雜。坡耕地作為水土流失主要來源的特殊侵蝕單元,體現(xiàn)在坡耕地上的農(nóng)作物較天然林、草、灌等植被相比有明顯的差異,如農(nóng)作物生長期更迭導(dǎo)致坡面作物覆蓋度不同、空間覆被結(jié)構(gòu)單一(不存在枯枝落葉層,根系差異),以及人為耕作活動等。這些差異性特征導(dǎo)致了農(nóng)地的侵蝕強度、泥沙運輸能力等是草地的5.7倍,是林地的27.5倍[14-16]。 在坡耕地入滲方面,K.P.Barley等[17]研究表明坡耕地在玉米(Zea mays L.)根系分解后的入滲能力相比裸地有所提高。T.J.Gish等[18]和 B.D.Meek等[19]分別通過分析小麥(Triticum aestivum L.)和苜蓿(Medicago sativa L.)作用后也得出類似于K.P. Barley等[17]的結(jié)論。目前多采用雙環(huán)實驗、人工模擬降雨實驗對林地、草地等植被覆蓋條件下土壤入滲能力的變化[20-23]進行研究,一方面農(nóng)作物也是黃土高原地區(qū)植被覆蓋種類之一且面積較大,另一方面由于農(nóng)業(yè)耕作的季節(jié)性致使坡耕地的水分入滲能力也隨之發(fā)生變化,因此有必要對作物不同生長期的坡耕地土壤水分入滲過程進行研究。因此,筆者以徑流小區(qū)上大豆(Glycine max L.)不同生長期(初花期、末花期、結(jié)莢期、始粒期)的坡耕地為研究對象,并以裸坡為對照,通過人工模擬降雨實驗方法,對種植有大豆的坡耕地在不同生長期的入滲過程及特征進行分析,并模擬降水入滲過程,旨在探尋坡耕地在作物不同生長期內(nèi)降水入滲性能,用以闡明坡耕地種植作物的防蝕機制,為提高坡耕地水土流失治理、水分利用與管理提供依據(jù)。

1 試驗區(qū)特征

試驗是在位于陜西省楊凌高新農(nóng)業(yè)示范區(qū)的西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院水土保持工程實驗室徑流小區(qū)上進行的。該區(qū)屬暖溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候,夏熱多暴雨,秋涼多連陰雨。年日照時間2 163.8 h,日照百分率49%。年平均氣溫12.9℃,最冷月(1月)平均氣溫-1.2℃,最熱月(7月)平均氣溫26.1℃。平均早霜始于11月2日,晚霜終于3月26日,無霜期220 d。年平均降水量637.6 mm,年降水量的60%集中于7—10月,且多大到暴雨,多年平均蒸發(fā)量884.0 mm。土壤類型為塿土,經(jīng)過人為耕作活動熟化,形成了一種有機質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高、肥沃的農(nóng)耕土壤。

2 試驗內(nèi)容與方法

徑流小區(qū)建于2008年,長3.0 m,寬1.0 m,坡度為5°、10°和15°,分3組12個小區(qū)。土壤為當(dāng)?shù)氐?～20 cm耕層土壤。選取的作物為大豆,品種為中黃13。在種植大豆前對小區(qū)進行翻耕整地,并用磷酸二銨((NH4)2HPO4)按900～1 000 kg/hm2作為基肥播撒；在開花期、結(jié)莢期進行追施300～600 kg/ hm2。人工播種,種植株行距為20 cm×40 cm,其余的耕作管理跟當(dāng)?shù)剞r(nóng)田管理一致。為了消除土壤初始含水量的影響,每次試驗前一天用小降雨強度的模擬降雨,在坡面即將產(chǎn)流前停止降雨。為了研究不同生長期坡面入滲特征,根據(jù)W.R.Fehr等[24]提出的大豆生育期的鑒定方法,選取了4個大豆生長期,即初花期(R1)、末花期(R2)、結(jié)莢期(R4)和始粒期(R5),分別進行徑流小區(qū)人工模擬降雨實驗。同時采用葉面積指數(shù)(Leaf Area Index,ILA)來表征大豆生長期的變化,在每個生長期試驗前測定葉面積指數(shù)。降雨時間選在一天中風(fēng)力較少的早晨或傍晚。

試驗采用人工模擬降雨的方法進行。根據(jù)楊凌區(qū)志得出試驗區(qū)夏秋兩季多大到暴雨的特點,其降雨強度范圍為20～120 mm/h,故本試驗設(shè)計降雨強度為40和80 mm/h[25]。降雨裝置為中國科學(xué)院水利部水土保持研究所生產(chǎn)的側(cè)噴式降雨機,降雨高度為7.5 m,有效降雨面積為5.0 m×7.0 m。降雨均勻度80%以上。在降雨試驗前需對降雨機進行率定。降雨實驗開始前分別在徑流小區(qū)兩側(cè)擺置降雨機,呈對噴形式。通過控制不同噴頭規(guī)格的進水閥門壓力表獲得不同降雨強度。本試驗設(shè)計目標(biāo)降雨強度為40和80 mm/h。降雨歷時均為60 min,在每個小區(qū)的上、中、下部各放置1個雨量筒測定降雨強度。待坡面產(chǎn)流開始后用小塑料桶收集產(chǎn)流量,每隔2 min收集1 min的產(chǎn)流量。在降雨試驗后測定雨量筒水量,以計算每場降雨的實際降雨強度,并將收集到的徑流桶稱量用以推求降雨中坡面的入滲過程。

3 結(jié)果與分析

利用雨量筒測出實際降雨強度與徑流資料計算坡面隨降雨歷時變化的坡面入滲率

式中:i為坡面入滲率,mm/min；I為降雨強度,mm/ min；S為坡面垂直投影面積,即受雨面積,mm2；t為接徑流的時間段,min；R為徑流量,mL。表1為大豆不同生長期坡地及裸地對照組坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙及入滲特征情況統(tǒng)計表。

3.1 入滲過程及其影響因素

種植有大豆的坡耕地隨著大豆生長期的變化,下墊面也隨之變化。除了地上冠層部分改變了降雨再分配而影響坡面的入滲外,大豆根系也能改良土壤結(jié)構(gòu),一定程度上提高了坡面入滲能力。

表1 大豆不同生長期坡地及對裸地坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙及入滲特征Tab.1 Runoff,sediment production and infiltration of slope land in all growth periods and bare slope under simulated rainfalls

與一般裸地入滲過程特征相似,大豆坡地的入滲過程曲線也是一條下凹曲線。即降雨前期土壤的初始入滲率很高,入滲量很大；而在降雨后期,入滲量減少,趨于相對穩(wěn)定的狀態(tài)；中期入滲率處于波動狀態(tài),但總體趨于減少。這一特征主要是由于大豆生長階段不同,其根系的穿插空間和枝葉的覆蓋面積不同而造成的。圖1反映的就是大豆初花期、末花期、結(jié)莢期、始粒期4個生長期及裸地在40和80 mm/h降雨強度下的入滲特征,可以看出,在產(chǎn)流前坡面的入滲率等于降雨強度,而產(chǎn)流開始后3 min的入滲率最高,可視為初始入滲率。對比在大豆不同生長期坡面的入滲過程可以發(fā)現(xiàn)各生長期坡面的入滲過程變化趨勢相似。初始入滲率都相對較高,隨著降雨歷時的推進,入滲率波動減少,逐漸降低并慢慢趨于穩(wěn)定入滲狀態(tài)。在降雨過程后6 min的入滲率達到基本穩(wěn)定。由圖1(a)和(b)可知,在不同降雨強度和坡度條件下,各生長期的初始入滲率和穩(wěn)定入滲率總體呈現(xiàn)出R5＞R4＞R2＞R1＞CK的變化趨勢。為研究各生長期坡地降雨入滲的變化規(guī)律,以5°初花期的坡面為例,在40 mm/h小降雨強度條件下,土壤入滲量較大,其初始產(chǎn)流時間為5.82 min,初始入滲率是0.637 mm/min,在經(jīng)過60 min降雨后,入滲速率逐漸下降,入滲率趨于達到穩(wěn)定狀態(tài),穩(wěn)定入滲率為0.320 mm/min,其平均入滲率為0.363 mm/min。而在始粒期,5°的坡面直到降雨起始后19.18 min才開始產(chǎn)流,其產(chǎn)流時間比初花期推遲了13.36 min,其坡面的初始入滲率為0.752 mm/min,之后快速下降,達到穩(wěn)定入滲率為0.482 mm/min,平均入滲率為0.533 mm/min,增幅分別為18.0%、50.6%和46.8%。在80 mm/h的降雨強度下,坡面降雨入滲過程曲線基本與40 mm/h相似,僅僅是產(chǎn)流時間提前,產(chǎn)流后入滲率下降更迅速,達到穩(wěn)定入滲率所需時間更少。這充分反映了坡面大豆生長期的更迭對坡耕地降雨入滲能力的提高有促進影響。

圖1 各生長期坡面及裸地人工模擬降雨條件下土壤入滲曲線Fig.1 Infiltration curves of sloping land in all growth stages and bare slope under simulated rainfalls

在大豆同一生育期和坡度條件下,通過比較2種降雨強度下坡面初始入滲率和穩(wěn)定入滲率的關(guān)系可明顯看出,隨著降雨強度的增加,坡面初始入滲率和穩(wěn)定入滲率是增大的,而且差異非常顯著。當(dāng)坡度為10°,生長期為結(jié)莢期時,在40 mm/h降雨強度條件下,坡面的初始入滲率、穩(wěn)定入滲率和平均初始入滲率分別為0.70 mm/min、0.37 mm/h和0.41 mm/h；80 mm/h降雨強度條件下,初始入滲率、穩(wěn)定入滲率和平均初始入滲率分別為1.36 mm/min、0.48 mm/h和0.62 mm/h,其初始入滲率、穩(wěn)定入滲率和平均入滲率分別是40 mm/h降雨強度的1.95、1.29、1.51倍。

在本研究中,坡面入滲能力隨著坡度的增大而減少。5°坡面的初始入滲率為0.637～0.752 mm/ min,15°坡面的初始入滲率為0.647～0.755 mm/min,差異不明顯。5°坡面的穩(wěn)定入滲率為0.320～0.482 mm/min,15°坡面的穩(wěn)定入滲率為0.210～0.359 mm/min,減少了26.1%,平均入滲率隨著坡度增加也減少了17.8%。可見,隨著大豆生長期的變化,一方面由于作物冠幅的增大對降雨的截留作用及減少了雨滴機械打擊作用,減少了坡表面形成結(jié)皮的幾率和面積,另一方面由于根系的變化,能改善土壤的物理性狀,增加了土壤入滲能力；因此,農(nóng)作物通過冠幅和根系的作用提高了坡面的水分入滲能力,使降雨前期有較多水分進入土壤,推遲了坡面產(chǎn)流歷時,從而導(dǎo)致不同生長期坡面入滲過程及特征差異明顯。

此外,由于黃土高原地區(qū)的天然降水量少,水資源缺乏,坡耕地降雨入滲是土壤水分的主要來源,直接影響著農(nóng)作物的產(chǎn)量；因此,在降雨過程中累計入滲量(accumulative infiltration amount,F)和入滲補給系數(shù)(recharge coefficient of rainfall infiltration,Rc)反映降水向土壤水分轉(zhuǎn)化的數(shù)量和比例,也是反映土壤入滲能力重要參數(shù)。圖2示出各生長期的坡面累積入滲量的變化趨勢,可以看出隨著葉面積指數(shù)的增大,累積入滲量的變化勢表現(xiàn)為增加趨勢,即R5＞R4＞R2＞R1＞CK。當(dāng)降雨強度為40 mm/h、坡度為5°時,裸地的累積入滲量為18.79 mm,初花期的累計入滲量為22.5 mm,末花期為26.67 mm,結(jié)莢期為30.75 mm,始粒期為35.60 mm/m。相比于裸地,依次增大了 19.75%、41.93%、63.63%和89.47%。在相同降雨強度和坡度下,坡面累積入滲量增大,說明種植有作物的坡地的累積入滲量顯著大于裸地的,隨著作物生長期的變化能對增大土壤入滲有積極作用,且葉面積指數(shù)愈大效果越顯著。統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)累積入滲量隨降雨歷時呈現(xiàn)冪函數(shù)關(guān)系且擬合最優(yōu),相關(guān)系數(shù)均達到極顯著水平(表2)。

表3表示的是大豆各生長期及裸地坡面在不同降雨條件下的補給系數(shù),可以看出,種植大豆的坡地補給系數(shù)均大于裸坡的補給系數(shù),且補給系數(shù)隨著生長期葉面積指數(shù)的增加而增大,意味著降雨轉(zhuǎn)化為土壤水分更多。在各降雨強度條件下,種有大豆的坡地其入滲補給系數(shù)最小值均出現(xiàn)在初花期的15°坡面,最大值出現(xiàn)在始粒期的5°坡面。可見入滲補給系數(shù)隨著生長期的變化而增大,隨坡度的增大而減少。當(dāng)降雨強度為40 mm/h時,坡地補給系數(shù)平均值為0.596；降雨強度為80 mm/h的坡地補給系數(shù)平均值則為0.502。另一方面在80 mm/h降雨強度下,同一生長期和同一坡度的坡面補給系數(shù)均少于相同條件下降雨強度為40 mm/h的補給系數(shù)。由于在大降雨強度條件下,雖然降雨來水量大,但同時對坡面的機械作用更強,更易形成結(jié)皮,使坡面的產(chǎn)流歷時縮短,入滲量相對減少,產(chǎn)流強度更大,從而導(dǎo)致補給系數(shù)少于小降雨強度。隨著生長期的變化,40 mm/h降雨強度條件下,裸地的補給系數(shù)為0.363,初花期的補給系數(shù)為0.494,末花期的補給系數(shù)為0.567,而結(jié)莢期的補給系數(shù)則增加到0.637,始粒期的補給系數(shù)增大為0.687?？梢姴煌L期的坡面補給系數(shù)表現(xiàn)為R5＞R4＞R2＞R1＞CK。80 mm/h降雨強度條件下各生長期坡地的補給系數(shù)也同樣表現(xiàn)出相同的變化規(guī)律。

3.2 不同生長期坡耕地入滲模型模擬

目前有很多描述土壤水分入滲過程的模型。主要包括經(jīng)驗性模型(Kostiakov模型、Horton模型、入滲通用經(jīng)驗公式)和數(shù)學(xué)理論模型(Green -Ampt模型、Philip模型)[26-29]。本研究選擇2種入滲經(jīng)驗公式對獲得的入滲實驗數(shù)據(jù)分別進行擬合,探討入滲模型在大豆不用生長期的坡耕地入滲過程中的是否具有適用性。

1)Horton模型:

2)Kostiakov模型:

圖2 各生長期坡面及裸坡人工模擬降雨條件下土壤累積入滲量曲線Fig.2 Cumulative infiltration of sloping land at all growth stages and bare slopes under simulated rainfalls

式中:i為入滲率,mm/min；i0為初始入滲率, mm/min；ic為穩(wěn)定入滲率,mm/min；t為入滲時間, min；k,a,b均為經(jīng)驗常數(shù)。

通過采用以上2個入滲模型對大豆4個生長期,3個坡度的坡耕地在2個降雨強度條件下的入滲實驗數(shù)據(jù)進行模型擬合,利用最小二乘法得出模型的優(yōu)化參數(shù)(表4)。首先用Horton模型擬合時,當(dāng)降雨強度為40 mm/h時,5°小區(qū)大豆不同生長期的初始入滲率分別為1.12、3.20、4.24和4.74 mm/ min；穩(wěn)定入滲率分別為0.32、0.37、0.41和0.48 mm/min,即始粒期最大,結(jié)莢期和末花期次之,初花期最小,這與降雨實測得出結(jié)果相符合。而當(dāng)在40 mm/h降雨強度下,始粒期各坡面的初始入滲率在同一降雨強度和生長期條件下,不同坡度的初始入滲率入滲分別為4.74、3.50和1.81 mm/min,穩(wěn)定入滲率分別為0.48、0.42、0.35和0.48 mm/min,即5°最大,10°次之,15°最小。這與降雨實測得出的結(jié)果相符合,其他條件下也表現(xiàn)出同樣的入滲特征。k值的大小反映的是入滲過程遞減變化狀況,k值越大,入滲速率隨時間減少越慢,反之則快。

由表4可以看出:降雨強度為40 mm/h時,k變化范圍為0.14～0.25；降雨強度80 mm/h條件下k變化范圍為0.06～0.15。這表明在大降雨強度條件下土壤入滲遞減速率大于小降雨強度條件?？傊?Horton模型所擬合出的結(jié)果與實測相比較,反映了坡面在大豆不同生長期的入滲過程特征變化及其存在的差異。Kostiakov模型模擬的結(jié)果顯示:當(dāng)40 mm/h時,a值的范圍為0.95～2.01；80 mm/h時, a值的范圍為2.23～4.37。表明在80 mm/h時的初始入滲率大于40 mm/h的初始入滲率。在相同條件下,a值隨著的坡度增大而減少,隨著生長期增加而增大,表明了不同生長期的坡面在不同降雨強度條件下初始入滲率的變化特征。b值反映的是入滲過程遞減變化狀況,b值越大,入滲速率隨時間減少越快,反之則慢。從表中可以看出:當(dāng)40 mm/h時, b值的范圍在0.30～0.47之間；80 mm/h時,b值的范圍在0.34～070之間。說明降雨強度為80 mm/h時相比于40 mm/h的入滲速率遞減較快?？梢奒ostiakov模型也能可以反映坡面在大豆不同生長期的入滲特征。

表2 累計入滲率與降雨歷時回歸方程Tab.2 Regression equations between cumulative infiltration and duration of rainfall events

表3 各生長期坡面及裸坡的補給系數(shù)Tab.3 Recharge coefficient(Rc)of sloping land and bare slope at growth stages

為了進一步明確2種入滲模型對降雨實測速率的擬合情況,分別用Horton模型和Kostiakov模型計算相對應(yīng)的預(yù)測值,并與實測值結(jié)合繪制入滲過程曲線圖,結(jié)果見圖3(由于限于篇幅,本文只列出了始粒期的入滲模擬結(jié)果),從而可以更簡潔直觀表示模型預(yù)測值與降雨實測值在入滲不同階段的偏差。根據(jù)降雨實測土壤入滲過程圖可將其劃分為3個入滲階段:初滲階段(0～15 min)、漸變階段(15～45 min)和穩(wěn)滲階段(45～60 min)。由圖3可知,在40和80 mm/h降雨強度條件下,Horton模型的預(yù)測入滲光滑曲線均能很好與有波動的實測入滲過程曲線較吻合。Kostiakov模型在80 mm/h降雨強度條件下能很好地模擬坡面入滲過程,當(dāng)40 mm/h時,在初滲階段Kostiakov模型預(yù)測值與實測值偏少,在漸變階段則偏大,而在穩(wěn)滲階段偏少且隨降雨歷時延長,偏差越大。

圖3 坡面入滲曲線2種入滲模型擬合結(jié)果(始粒期)Fig.3 Results of Horton and Kostiakov infiltration models of soil infiltration(growth stage:R5)

此外,Horton模型的R2在0.89～0.98之間,平均值為0.96,Kostiakov模型的R2在0.65～0.96之間,平均值為0.95,均達到了極顯著水平。這反映了模型擬合值與之相對應(yīng)的實測值之間的擬合程度,二者的擬合優(yōu)度都比較高且Horton模型的擬合效果優(yōu)于Kostiakov模型。需注意的是Kostiakov模型對不同降雨強度所擬合出的結(jié)果存在差異:當(dāng)為40 mm/h時的 R2在0.65～0.93之間,平均值為0.78；80 mm/h時的R2在0.71～0.96之間,平均值為0.92?？梢奒ostiakov模型在大降雨強度條件下的模擬效果優(yōu)于小降雨強度。另一方面,從表4可以看出各模型的均方根誤差 RMSE(root-meansquare error)變化范圍,是衡量入滲模型模擬值與降雨實驗觀測值之間的偏差。Horton模型RMSE在0.014～0.079之間,平均值為0.034,Kostiakov模型的相關(guān)系數(shù)RMSE在0.032～0.125之間,平均值為0.055。這也體現(xiàn)了Horton模型的擬合效果優(yōu)于Kostiakov模型。

因此,由擬合結(jié)果表明2個入滲模型擬合效果較好且能反映大豆坡耕地在不同生長期的入滲過程及其特征。

表4 Horton模型和Kostiakov模型模擬結(jié)果及均方根誤差Tab.4 Parameters of Horton and Kostiakov infiltration models of different growth stages periods and its RMSE(root-mean-square error)

4 結(jié)論

與裸坡相比,隨著大豆生長期更迭,各生長期的初始入滲率、穩(wěn)定入滲率和累計入滲量總體呈現(xiàn)出R5＞R4＞R2＞R1＞CK變化趨勢。坡面入滲能力與坡度呈負相關(guān)關(guān)系,而與降雨強度則成正相關(guān)關(guān)系。此外,入滲補給系數(shù)隨著生長期變化而增加,處于同一生長期的不同坡面隨著坡度的增大而減少。在大降雨強度條件下,同一生長期和同一坡度的坡面補給系數(shù)少于相同條件下小降雨強度的補給系數(shù)。采用Horton和Kostiakov模型對降雨實測入滲數(shù)據(jù)進行擬合結(jié)果表明:二者的擬合優(yōu)度都比較高。其中Horton模型的擬合效果優(yōu)于Kostiakov模型,相關(guān)系數(shù)高且均方根誤差較少,Kostiakov模型在大降雨強度條件下的模擬效果優(yōu)于小降雨強度。總之,2個入滲模型能反映大豆坡耕地在不同生長期的入滲過程及其特征。

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(責(zé)任編輯:程 云)

Infiltration characteristics in sloping farmland at different growth stages of soybean(Glycine max L.)in loess area

Wang Linhua1,Ma Bo2,Wu Faqi3
(1.Institute of Soil and Water Conservation,Northwest A&F University,712100,Yangling,Shaanxi,China；2.Institute of Soil and Water Conservation,Chinese Academy of Science,Ministry of Water Resources,712100,Yangling,Shaanxi,China；3.College of Resources and Environments,Northwest A&F University,712100,Yangling,Shaanxi,China)

Soil erosion in sloping farmland is a key ecological and environmental issue that threats the sustainable agricultural development on the Loess Plateau of China.Knowledge of infiltration process is crucial for understanding and managing hydrological processes and soil erosion in sloping farmland.The objective of this study was to clarify the infiltration characteristics in sloping farmland at different stages of crop growth.The soybean(Glycine max L.)was selected as our research object and its growth was divided into four stages:initial flowering stage(R1),late flowering stage(R2),pod bearing stage (R4),and maturity starting stage(R5).The bare sloping farmland was set as control(CK).Runoff from experimental plots was collected under the simulated rainfall condition,the infiltration processes and characteristics were analyzed,and the infiltration processes were simulated with the Horton and Kostiakov infiltration models.The following results were obtained.For the four growth stages of soybean, parameters such as initial infiltration rate,stable infiltration rate,cumulative infiltration amount and infiltration recharge coefficient presented generally the order as R5＞R4＞R2＞R1＞CK at different rainfall intensities and slope gradients.The recharge coefficient increased with growth stages butdecreased with slope gradient.The crop coverage was the important factor for determining the recharge coefficient.Simulated infiltration processes with Horton and Kostiakov models showed that two models fit well with the infiltration and could reflect the infiltration characteristics while the fitting effect of Horton was better than Kostiakov.The results of our study are helpful for better understanding of the infiltration processes and characteristics in sloping farmland during the crop growth stages.

growth stages；infiltration characteristics；sloping farmland；Loess Plateau

S157

A

1672-3007(2015)04-0015-10

2014- 10- 13

2015- 04- 07

項目名稱:國家自然科學(xué)基金“黃土坡耕地地表糙度對產(chǎn)匯流的影響研究”(41271288)；國家自然科學(xué)青年基金“秸稈覆蓋對坡耕地細溝侵蝕過程阻控機制研究”(41401309)

王林華(1987—),男,博士研究生。主要研究方向:土壤侵蝕過程。E-mail:wlhsoilwater@nwsuaf.edu.cn

?通信作者簡介:吳發(fā)啟(1957—),男,博士,教授。主要研究方向:土壤侵蝕與水土保持。E-mail:wufaqi@263.net