人工降雨條件下耕翻面積對水土流失的影響

李 龍, 郝明德,2, 王 安, 董曉兵, 曹靜靜, 武東波, 肖慶紅

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院, 陜西 楊凌 712100；2.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100, 3.寧夏農(nóng)業(yè)綜合開發(fā)辦公室, 寧夏 銀川 750011)

人工降雨條件下耕翻面積對水土流失的影響

李 龍1, 郝明德1,2, 王 安1, 董曉兵1, 曹靜靜3, 武東波3, 肖慶紅3

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院, 陜西 楊凌 712100；2.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100, 3.寧夏農(nóng)業(yè)綜合開發(fā)辦公室, 寧夏 銀川 750011)

[目的] 探討耕翻面積對水土流失的影響，為黃土高原地區(qū)農(nóng)田水土流失防治提供依據(jù)。[方法] 通過人工模擬降雨試驗，研究了3種坡度下不同耕翻面積的產(chǎn)流和產(chǎn)沙特性。[結(jié)果] 耕地的產(chǎn)流和產(chǎn)沙特征除了與坡度、雨強(qiáng)以及土壤前期含水量等因素有關(guān)外，還與耕翻面積有密切關(guān)系。坡度相同時，隨耕翻面積的增加初始產(chǎn)流逐漸延后；耕翻面積相同時，隨著坡度的增大徑流量有增大的趨勢，在坡度15°的情況下，耕翻50%時徑流量最大。相同坡度下，隨耕翻面積的增加，產(chǎn)沙量呈持續(xù)上升趨勢；坡度為10°時，耕翻面積對產(chǎn)沙量的影響表現(xiàn)最為明顯，翻耕的產(chǎn)沙量平均為不耕翻的8.66倍。15°坡度下徑流量對累積產(chǎn)沙量的影響最顯著。不同耕翻面積下的產(chǎn)流率在產(chǎn)流開始后10 min左右趨于穩(wěn)定。在不同坡度下全耕的產(chǎn)沙率均最大，不耕翻的最小。[結(jié)論] 隨著耕翻面積逐漸增大，初始產(chǎn)流時間逐漸延后，徑流量逐漸減小，產(chǎn)沙量逐漸增大。

耕翻面積; 水土流失; 人工降雨

免耕是保護(hù)性耕作的重要組成部分，它減少了土壤的人為擾動和機(jī)械壓實，有利于土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)步發(fā)育，使土壤具有良好的物理結(jié)構(gòu)及適宜的土壤團(tuán)聚度，且能夠較好地貯藏和釋放養(yǎng)分，從而提高土壤的保水保土性能[1-5]。但是也有報道表明連年免耕會造成土壤緊實化[6-8]，不利于根系發(fā)育，同時造成雜草和病蟲害的加劇[9]，給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來負(fù)面影響，甚至造成減產(chǎn)[10-12]，另外Dalal等[13]研究表明，免耕3～5 a導(dǎo)致表層酸化，影響作物正常生長。耕翻整地可加深活土層，疏通空氣，提高了抗旱、抗倒伏能力；土壤上松下實，容納較多的雨水，起到蓄水保墑的作用[14-16]。土壤水蝕主要包括土粒分離和遷移，在裸露的地表，雨滴的動能將土壤顆粒分離，在飛濺的水滴和地表徑流作用下，土壤顆粒便隨徑流遷移流失[17]。水蝕的程度除受降雨強(qiáng)度、坡度、土壤質(zhì)地及土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性等因素影響以外，還受到土壤表面粗糙度的影響，耕翻面積不同會使表面粗糙度產(chǎn)生很大的差異，進(jìn)而導(dǎo)致坡面產(chǎn)沙量的不同[18-20]?？梢娒糠N耕作措施都有其特有的功能，常年免耕對于農(nóng)業(yè)發(fā)展具有一定的局限性，可持續(xù)農(nóng)業(yè)的發(fā)展需要綜合考慮耕作措施的生態(tài)和生產(chǎn)效益。本文比較了不同耕翻面積的產(chǎn)流產(chǎn)沙情況，擬在探討耕翻面積對水土流失的影響，以期為黃土高原地區(qū)農(nóng)田水土流失防治提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

本研究在中國科學(xué)院水利部水土保持研究所黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點實驗室土壤侵蝕模擬試驗大廳進(jìn)行，采用組合側(cè)噴式自動模擬降雨系統(tǒng)，噴頭高16 m，雨滴降落終速可達(dá)到自然雨滴降落速度的98%以上，降雨均勻度大于80%。該降雨系統(tǒng)的降雨強(qiáng)度可調(diào)范圍為20～200 mm/h，通過調(diào)節(jié)回水壓力和4個閥門可以產(chǎn)生14種組合[21]。

供試土壤為取自陜西省延安市的黃綿土，機(jī)械組成如表1所示。從野外運(yùn)回的土壤經(jīng)過風(fēng)干后，過10 mm孔徑的篩網(wǎng)去除石塊等雜質(zhì)并混合均勻。試驗所用土槽為長2 m，寬0.5 m的坡度可調(diào)式鋼槽，土壤填裝厚度30 cm，坡度可調(diào)節(jié)范圍為0°～30°。裝土?xí)r，先在槽底墊10 cm厚的黃綿土，之后采用分層裝土，每次填土深度5 cm，并適當(dāng)夯實，將土分4次均勻裝入土槽，填土厚度共20 cm，加上10 cm厚的底土，土層總厚度達(dá)30 cm?？刂仆寥廊葜卦?.31 g/cm3左右。降雨開始之前使用TDR 300測定土壤含水率，保持土壤含水量在12%左右。

表1 供試土壤的機(jī)械組成

1.2 試驗方法

試驗以耕翻面積為研究因子設(shè)CK(不耕翻)、耕翻面積為30%，耕翻面積為50%，耕翻面積為70%，全部耕翻5個處理，耕翻深度5 cm，耕翻時均是由土槽中部向兩端延伸。設(shè)5°,10°，15°這3個坡度，目標(biāo)雨強(qiáng)120 mm/h，每場降雨持續(xù)60 min。降雨前進(jìn)行率定，以保證統(tǒng)一的雨強(qiáng)和開度。產(chǎn)流開始時即進(jìn)行觀測，試驗過程中每隔3 min收集1次土槽出口的徑流泥沙樣，采用置換法求時段產(chǎn)沙量、含沙量。降雨結(jié)束后，用量筒測定徑流量，泥沙烘干稱重測定產(chǎn)沙量。

2 結(jié)果與討論

2.1 耕翻面積對產(chǎn)流產(chǎn)沙量的影響

2.1.1 耕翻面積對地表徑流的影響 相同坡度下地表徑流的產(chǎn)生隨耕翻面積的增加而減緩，耕翻面積越大，初始產(chǎn)流時間越晚(表2)，CK時初始產(chǎn)流最快。與CK相比，耕翻面積為30%時產(chǎn)流時間平均滯后26%，全耕時平均滯后4.82倍。耕翻面積相同時，隨坡度的增大，地表徑流的產(chǎn)生逐漸加快，坡度由5°增加到10°時，產(chǎn)流時間平均加快51.62%，由10°增加到15°時，平均加快29.63%。耕翻面積越大，產(chǎn)流時間隨著坡度變大的增加速率越慢，當(dāng)坡度從5°增加到15°時，CK下產(chǎn)流時間加快83.52%，全耕時產(chǎn)流時間加快43.43%?？梢姼噍^于CK能夠推遲地表徑流的產(chǎn)生，這可能是因為耕翻產(chǎn)生的土塊加大了入滲面，在降雨初期雨水的入滲量增加，在地表的匯集成流就相應(yīng)延后，耕翻面積越大，入滲面越大，產(chǎn)流相應(yīng)越慢。

耕翻對累積徑流量和徑流系數(shù)的影響相較于初始產(chǎn)流差異不顯著，且因坡度的不同而較為復(fù)雜。耕翻30%時較CK沒有明顯變化，耕翻50%時增加顯著，當(dāng)耕翻面積大于50%時，徑流量出現(xiàn)下降的趨勢，這可能是由于在耕翻50%時，降雨的入滲作用較大，土壤含水量迅速達(dá)到飽和，土壤水分飽和后土壤入滲量很小，而耕翻土塊對降雨的截流作用有限，所以產(chǎn)流量達(dá)到最大；而當(dāng)耕翻面積大于50%時，土塊對降雨的截流作用增大，隨之產(chǎn)流量減小；隨坡度的增大，耕翻與CK之間累積徑流量和徑流系數(shù)的差異趨于顯著，這主要是由于坡度越大，坡面徑流的勢能越大，土壤的水分入滲逐漸減小。

表2 耕翻面積比對產(chǎn)流時間和徑流量的影響

2.1.2 耕翻面積對累積產(chǎn)沙量的影響 相同坡度下，產(chǎn)沙量隨耕翻面積的增加而持續(xù)增大，CK的產(chǎn)沙量最小，全耕的產(chǎn)沙量最大(表3)，這與Blevins長期試驗研究結(jié)果一致[22]。不同坡度下隨耕翻面積的增加產(chǎn)沙量增加顯著，耕翻30%時為CK的1.81倍，全耕時達(dá)到7.39倍。可見耕翻相較于CK產(chǎn)沙量增加顯著，且耕翻面積越大，增幅越大。隨坡度的增加，翻耕產(chǎn)沙量較CK呈先增加后遞減趨勢，峰值出現(xiàn)在10°坡度下，其為CK的8.66倍，而在5°坡度下增幅最小，說明耕翻和CK之間產(chǎn)沙量的差異在坡度為10°時表現(xiàn)最明顯。

耕翻面積相同時，隨坡度的增加，產(chǎn)沙量呈上升趨勢。坡度由5°增大到10°，CK的產(chǎn)沙量增幅僅為41.62%，但耕翻的產(chǎn)沙量則均有大幅增加，全耕時最大，為CK的7.83倍；坡度由10°增大到15°，CK產(chǎn)沙量的增幅出現(xiàn)明顯增加，而耕翻產(chǎn)沙量則出現(xiàn)大幅的下降。說明坡度變化對產(chǎn)沙量的影響在CK時隨坡度增大而趨于明顯，在耕翻時隨坡度增大而趨于減弱，在耕翻面積為70%時坡度變化對產(chǎn)沙量的影響最明顯。

表3 耕翻面積比對累積產(chǎn)沙量的影響

2.1.3 不同坡度下耕翻面積和產(chǎn)流量對產(chǎn)沙量的影響比較 從表3可以看出，坡度5°時產(chǎn)沙量最小，坡度15°時產(chǎn)沙量最大。產(chǎn)沙量與耕翻面積、坡度和產(chǎn)流量等因素有關(guān)，因此可以對不同坡度下產(chǎn)沙量進(jìn)行多元回歸分析，其結(jié)果如表4所示。

表4 累積產(chǎn)沙量回歸分析

根據(jù)累積產(chǎn)沙量回歸分析數(shù)據(jù)可以建立模型：

S=a+b*v+c*p

式中：S——累積產(chǎn)沙量(g)；v——徑流量(mm)；p——耕翻面積比(%)；a，b，c——常數(shù)。R2分別為0.993，0.994，0.968，相關(guān)性顯著，說明擬合方程的可靠性較高。b5°

耕翻面積比的系數(shù)c5°>c10°，說明當(dāng)坡度小于10°時，隨著坡度的增加，耕翻面積對產(chǎn)沙量的影響逐漸減小。c15°為正值，其符號與c5°和c10°相反，可見當(dāng)坡度為15°時，耕翻面積比對產(chǎn)沙量的影響機(jī)制與坡度為5°和10°時不一樣。

當(dāng)坡度較小時，雨滴到達(dá)地表時受到平行于坡面向上的力較小，雨滴對坡面的擊打作用不容易形成局部結(jié)皮而使地表粗糙度發(fā)生變化，因此耕翻面積對產(chǎn)沙量的影響比較大；當(dāng)坡度逐漸變大時，結(jié)皮作用逐漸顯著，因而耕翻面積對產(chǎn)沙量的影響逐漸變??；當(dāng)坡度到達(dá)一個臨界坡度時，結(jié)皮量達(dá)到最大，徑流的沖刷作用使土層表面的粗糙度發(fā)生變化，不同耕翻面積下的沖刷力影響作用不同，因而造成耕翻面積比的系數(shù)發(fā)生了很大變化。

2.2 耕翻面積對產(chǎn)流產(chǎn)沙過程的影響

2.2.1 耕翻面積對產(chǎn)流過程的影響 5°坡度下CK、耕翻30%和耕翻50%的產(chǎn)流趨勢較為一致，產(chǎn)流率均持續(xù)10 min左右后趨于穩(wěn)定，耕翻70%和全耕產(chǎn)流率趨于穩(wěn)定的時間則為15 min左右；坡度10°和15°時，不同耕翻面積下產(chǎn)流率均在初始產(chǎn)流開始后持續(xù)上升10 min后趨于穩(wěn)定(圖1)。影響降雨穩(wěn)定徑流率的主要因素是坡度和地表粗糙度，坡度越小，雨滴對土壤表面的徑流沖刷力越小，土層表面不易形成結(jié)皮，耕翻面積越小，地表粗糙度越小，土層表面的結(jié)構(gòu)越難破壞，難以形成土壤結(jié)皮，因而徑流量會持續(xù)增加。由此可見，坡度越小，耕翻面積越小，穩(wěn)定產(chǎn)流需要的時間越長。CK和耕翻30%的穩(wěn)定產(chǎn)流率無顯著差異，不同坡度下耕翻30%的穩(wěn)定產(chǎn)流率均低于CK?？梢?，耕翻30%相較于CK對徑流強(qiáng)度有一定的減弱；耕翻面積大于30%時，耕翻的穩(wěn)定產(chǎn)流率較CK有顯著增加，且坡度越大差異越顯著。耕翻50%，耕翻70%和全耕的穩(wěn)定產(chǎn)流率較為接近，在坡度為5°時沒有明顯差異，在坡度為10°和15°時耕翻70%的穩(wěn)定產(chǎn)流率略低于耕翻50%和全耕，且在坡度為15°時三者穩(wěn)定產(chǎn)流率的差異最為明顯。

圖1 120 mm/h雨強(qiáng)下不同坡度產(chǎn)流率隨耕翻面積變化趨勢

2.2.2 耕翻面積對產(chǎn)沙過程的影響 5°坡度下不同耕翻面積產(chǎn)沙率均呈先上升后下降的趨勢(圖2)，其中CK和全耕產(chǎn)沙率的上升歷時5 min左右，耕翻30%，耕翻50%和耕翻70%歷時10 min左右；CK產(chǎn)沙率的上升幅度最小，但其下降趨勢則較耕翻30%和耕翻50%明顯，全耕和耕翻70%的上升趨勢最明顯，下降的幅度也最大，耕翻30%和耕翻50%的上升趨勢較為一致。耕翻30%和耕翻50%的產(chǎn)沙率在整個降雨過程中均較為接近，二者與CK之間的差距則隨著降雨過程的推進(jìn)有略微增加；耕翻70%和全耕的產(chǎn)沙率在降雨中期較為接近，其后全耕的產(chǎn)沙率出現(xiàn)急劇上升，二者之間差距顯著增加，在降雨的最后階段又趨于減小。

當(dāng)坡度為10°時，耕翻的產(chǎn)沙率均明顯大于CK處理。CK，耕翻30%和耕翻50%的產(chǎn)沙率在降雨初期均持續(xù)上升10 min左右，耕翻70%和全耕則持續(xù)上升5 min左右，上升幅度隨耕翻面積的增加而增大(圖2)。

隨著降雨過程的推進(jìn)，CK，耕翻30%，耕翻70%和全耕的產(chǎn)沙率在經(jīng)歷持續(xù)上升后表現(xiàn)出較為平穩(wěn)的態(tài)勢，總體略微下降；耕翻50%的產(chǎn)沙率在經(jīng)歷持續(xù)上升后下降略為明顯，但在降雨中后期又呈小幅上升趨勢。降雨中期耕翻30%和耕翻50%的產(chǎn)沙率基本相同，但與耕翻70%的差距顯著；降雨后期，耕翻50%與耕翻30%的之間產(chǎn)沙率差距增大，與耕翻70%之間的差距逐漸縮小。

圖2 120 mm/h雨強(qiáng)下不同坡度產(chǎn)沙率隨耕翻面積變化趨勢

坡度為15°時，耕翻30%與CK的產(chǎn)沙趨勢在降雨初期幾乎一致，在降雨后期CK的產(chǎn)沙率呈略微下降趨勢，二者的差距逐漸加大(圖2)。耕翻50%和70%的產(chǎn)沙率均持續(xù)上升30 min左右，但上升趨勢較為平緩，30 min后，耕翻50%的產(chǎn)沙率明顯回落，耕翻70%的產(chǎn)沙率基本不變；全耕產(chǎn)沙率的持續(xù)上升過程歷時15 min左右，上升趨勢極為明顯，15 min后，其產(chǎn)沙率均明顯下降。耕翻50%，耕翻70%和全耕的產(chǎn)沙率均明顯大于CK和耕翻30%，耕翻70%和全耕的產(chǎn)沙率在降雨中后期較為接近，耕翻50%的產(chǎn)沙率在降雨中期也與二者相差不大，但在降雨后期較二者有明顯降低。

地表粗糙度是影響坡面產(chǎn)沙過程的重要因素，在CK和耕翻30%時，地表的粗糙度比較小，其坡面上徑流分布較均勻，加之間或結(jié)皮的存在，因此減小了徑流集中度，使得徑流流速相對較小，一定程度上削減了徑流的部分能量，減小了徑流對地表土壤沖刷和遷移能力，導(dǎo)致侵蝕產(chǎn)沙變化不大；當(dāng)耕翻面積大于30%時，地表徑流變得集中化，增大了流速，進(jìn)而產(chǎn)生了較大的徑流能量，導(dǎo)致大的土壤流失量，故使得侵蝕量變化明顯。

3 結(jié) 論

(1) 模擬降雨條件下，相同坡度時，隨耕翻面積的增加初始產(chǎn)流逐漸延后。耕翻面積低于70%時，耕翻對初始產(chǎn)流的影響相對較小，全耕時耕翻對地表徑流的影響強(qiáng)度最大，坡度越大表現(xiàn)越明顯。坡度較小時，隨著耕翻面積的增加，徑流量出現(xiàn)下降趨勢，坡度大于10°時，徑流量開始增加。

(2) 相同坡度下，隨耕翻面積的增加，產(chǎn)沙量呈持續(xù)上升趨勢。坡度為10°時，不同耕翻面積相較于不耕翻產(chǎn)沙量的增幅平均為8.66倍，增幅明顯大于坡度為5°和15°時。在耕翻面積小于50%時，耕翻的產(chǎn)沙量較不耕翻的增加趨勢相對較緩，耕翻面積超過50%時，耕翻對產(chǎn)沙量的影響顯著增加。

(3) 不同耕翻面積在不同坡度下的產(chǎn)流率在產(chǎn)流開始后10 min左右趨于穩(wěn)定。當(dāng)耕翻面積小于30%時，穩(wěn)定產(chǎn)流率比較接近，大于30%時，穩(wěn)定產(chǎn)流率明顯增加。不耕翻在不同坡度下產(chǎn)沙率均最低。耕翻的產(chǎn)沙趨勢在降雨初期經(jīng)歷5～15 min的持續(xù)上升后出現(xiàn)不同程度的回落，產(chǎn)沙率多在持續(xù)上升10 min后趨于穩(wěn)定，降雨中后期產(chǎn)沙率隨耕翻面積的增大而增大。全耕的產(chǎn)沙率在不同坡度下均最大，耕翻30%的產(chǎn)沙率與不耕翻差距相對較小。

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Effects of Ploughing Area on Soil and Water Loss Under Stimulated Rainfall Conditions

LI Long1， HAO Mingde1,2， WANG An1，DONG Xiaobing1， CAO Jingjing3， WU Dongpo3， XIAO Qinghong3

(1.CollegeofNaturalResourceandEnvironment,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China; 2.InstituteofSoilandWaterConservation,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shannxi712100,China; 3.NingxiaComprehensiveAgriculturalDevelopmentOffice,Yinchuan,Ningxia750011,China)

[Objective] The aim of this study is to investigate the effects of ploughing area on soil and water loss, in order to provide basis for soil and water loss in Loess Plateau. [Methods] By artificial rainfall experiments, we studied runoff and sediment yield characteristics at three different slopes with different ploughing area. [Results] The runoff and sediment yield characteristics of cultivated land were not only related to the slope, rainfall intensity and soil moisture content, but also closely related to ploughing area. Under the same slope gradient, the initial runoff occurring time was delayed and the sediment yield was increased with the increase of ploughing area. Under the same ploughing area, runoff and sediment yield rate showed an increasing trend with the increase of slope gradient. And runoff reached to the maximum when the slope was 15° and the ploughing area was 50%. Under the same gradient, the sediment yield showed an increasing trend with the increase of ploughing area. When the slope gradient was 10°, ploughing area had the greatest influence on sediment yield, and the average sediment yield of ploughing treatment was 8.66 times of no-till treatment. The runoff had the most significant influence on the cumulative sediment yield when the slope gradient was 15°. Runoff rate under different ploughing area became stable approximately 10 min after the initial runoff occurring. Under different slope gradient, sediment production rate of full-tillage was the largest in whole-ploughing, while the smallest in no-till.[Conclusion] With the increasing of ploughing area, the initial runoff occurring time is delayed, runoff decreased, and the sediment yield increased.

ploughing area; soil and water loss; artificial rainfall

2014-07-24

2014-08-07

國家科技支撐計劃重大項目“農(nóng)田水土保持關(guān)鍵技術(shù)研究與示范農(nóng)田水土保持工程與耕作關(guān)鍵技術(shù)研究”(2011BAD31 B01); 寧夏農(nóng)業(yè)綜合開發(fā)科技推廣項目(NTKJ-2013-03-1)

李龍(1989—),男(漢族),陜西省咸陽市人,碩士研究生,研究方向為農(nóng)田水土保持。 E-mail:lilong8580@163.com。

郝明德(1957—),男(漢族),陜西省華縣人,學(xué)士,研究員,博士生導(dǎo)師,主要從事農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力研究。 E-mail:mdhao@ms.iswc.ac.cn。

A

1000-288X(2015)05-0034-05

S157.4