馬鈴薯對(duì)坡耕地水土流失的影響

張 賀，段喜明，劉志明

（山西農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，山西太谷030801）

水土流失是導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境惡化和土地生產(chǎn)力下降的主要原因[1]。坡耕地是黃土高原水土流失的主要策源地[2-3]，坡耕地水土流失防治已成為我國(guó)水土流失治理工作的重點(diǎn)[4-5]。黃土高原一直以農(nóng)作物種植業(yè)為主，馬鈴薯在這一地區(qū)占有十分重要的地位[6-7]。已有的試驗(yàn)多為研究馬鈴薯作物種植方式對(duì)坡耕地產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響[8-9]，但是作物生長(zhǎng)周期內(nèi)冠層的劇烈變化，且其生長(zhǎng)季多處于降雨豐沛的夏、秋季節(jié)，因此，還須進(jìn)一步研究馬鈴薯不同生長(zhǎng)階段對(duì)坡面水土保持的影響，以期闡明作物對(duì)坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙的抑制程度[10-11]。

本試驗(yàn)以種植馬鈴薯的坡耕地為對(duì)象，研究馬鈴薯不同生長(zhǎng)階段對(duì)坡耕地產(chǎn)流產(chǎn)沙及其過程的影響，旨在為坡耕地水土流失防治和農(nóng)田水分合理利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)在山西省呂梁市方山縣沙溝水土保持監(jiān)測(cè)站進(jìn)行。試驗(yàn)區(qū)屬溫帶半干旱季風(fēng)氣候區(qū)，年均氣溫4～9℃，無霜期110～150 d，多年平均降水量563 mm，年平均蒸發(fā)量1 208 mm，6—8月降水量占全年的63%。試驗(yàn)田土壤為灰褐土。

1.2 試驗(yàn)材料

供試馬鈴薯品種為晉薯7號(hào)，從山西康農(nóng)薯業(yè)有限公司購買。

有機(jī)無機(jī)復(fù)合肥（N∶P∶K＝17∶5∶5，有機(jī)質(zhì)≥25%），從太谷縣東海市場(chǎng)內(nèi)購買。

1.3 試驗(yàn)方法

依據(jù)當(dāng)?shù)厣降仄露群徒涤晏卣?，在降雨?qiáng)度為1.0 mm/min 條件下，采用 3 種坡度（5°，10°和 15°）進(jìn)行試驗(yàn)。每種坡度設(shè)置2個(gè)徑流小區(qū)，徑流小區(qū)長(zhǎng)5 m、寬3 m、坡向?yàn)镋90°，用PVC板圍砌小區(qū)，小區(qū)下部板留有出口（用來收集小區(qū)的全部產(chǎn)流和產(chǎn)沙）。

徑流小區(qū)的試驗(yàn)處理設(shè)置為：種植馬鈴薯和設(shè)相同條件下裸坡為對(duì)照。試驗(yàn)于2017年5月13日撒施肥料，將其作為基肥一次性施入。供試馬鈴薯于5月16日按行距50 cm、株距20 cm統(tǒng)一播種。采用人工模擬降雨方法，在馬鈴薯不同生育期（幼苗期、始花期、盛花期、成熟期）進(jìn)行4次試驗(yàn)。每一次試驗(yàn)開始前，對(duì)馬鈴薯各生育期進(jìn)行冠層覆蓋度測(cè)量[12]，后利用TSJY-081型全自動(dòng)便攜式人工模擬降雨器進(jìn)行降雨。待小區(qū)產(chǎn)流開始后，降雨持續(xù)27 min，每間隔3 min收集一次產(chǎn)流，直至產(chǎn)流結(jié)束，并記錄產(chǎn)流量。泥沙量用烘干法測(cè)定。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用 Excel，SPSS 22.0 和 AutoCAD軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算和分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 馬鈴薯對(duì)坡面開始產(chǎn)流時(shí)間的影響

由表1可知，在坡度一定時(shí)，馬鈴薯不同生育期的坡面開始產(chǎn)流時(shí)間均比裸地有所延遲。以10°坡為例，馬鈴薯不同生育期對(duì)坡面開始產(chǎn)流時(shí)間的先后順序?yàn)槌墒炱冢臼⒒ㄆ冢臼蓟ㄆ冢居酌缙?，其中，幼苗期?duì)坡面開始產(chǎn)流時(shí)間的推遲效果影響較弱，較裸地推遲了0.89 min；馬鈴薯成熟期對(duì)坡面開始產(chǎn)流時(shí)間的推遲效果影響較大，較裸地推遲了6.54 min，是幼苗期推遲時(shí)間的 7.35 倍。

表1 不同坡度下，馬鈴薯不同生育期對(duì)坡面產(chǎn)流時(shí)間和產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響

采用回歸方程定量分析坡面產(chǎn)流時(shí)間（t）和馬鈴薯不同生育期冠層覆蓋度（C）的關(guān)系，結(jié)果如表2所示。從表2可以看出，坡面開始產(chǎn)流時(shí)間與冠層覆蓋度呈線性正相關(guān)關(guān)系。說明隨著馬鈴薯在生長(zhǎng)階段冠層覆蓋度的增加，產(chǎn)流時(shí)間推遲，且推遲效果明顯。主要是因?yàn)轳R鈴薯冠層低矮，枝葉茂盛繁多，在降雨過程中，密實(shí)的冠層和茂盛的枝葉對(duì)降水起到了攔截作用，減少了到達(dá)地面的降雨量，從而延遲地表填洼時(shí)間[13]；同時(shí)馬鈴薯的冠層可以有效保護(hù)其覆蓋的土壤，防止土壤產(chǎn)生結(jié)皮，從而增加土壤入滲，推遲了坡面產(chǎn)流時(shí)間[14]。

表2 坡面產(chǎn)流時(shí)間與馬鈴薯冠層覆蓋度的相關(guān)性分析

2.2 馬鈴薯對(duì)坡面產(chǎn)流的影響

2.2.1 馬鈴薯對(duì)坡面產(chǎn)流過程的影響 由圖1可知，在降雨過程中，坡面產(chǎn)流率呈現(xiàn)出先急劇增大后緩慢增長(zhǎng)，最后趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)，即降雨開始后的前10 min內(nèi)，坡面產(chǎn)流率增長(zhǎng)速度較快，隨后緩慢增長(zhǎng)，最后達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)直至降雨結(jié)束。在5°，10°和15°這3種坡度下，馬鈴薯全生育期坡面的穩(wěn)定產(chǎn)流率分別為 205.32～448.25，420.54～680.12和558.56～659.74 mL/（m2·min）。在相同坡度下，與裸坡相比，隨著馬鈴薯在生長(zhǎng)階段冠層覆蓋度的不斷增加，坡面產(chǎn)流率明顯減小。

分析原因可知，在降雨前期，土壤含水量較低，到達(dá)坡面的雨水首先被土層吸收，在這期間土壤含水量快速增大，土壤入滲率迅速減小，使得坡面產(chǎn)流量隨著降雨時(shí)間的延長(zhǎng)迅速增大[15-16]，大約產(chǎn)流10 min后，由于土壤含水量變化減弱，土壤入滲率趨于穩(wěn)定，坡面產(chǎn)流量緩慢增大，坡面產(chǎn)流率最后趨于穩(wěn)定。

在種植馬鈴薯的坡地上，馬鈴薯的冠層能夠防止雨滴直接擊濺地表，截留了部分雨水，同時(shí)也防止因土壤板結(jié)引起的土壤滲透性下降，從而減少徑流的產(chǎn)生；另一方面，馬鈴薯的根系在土壤中延伸、生長(zhǎng)、生死交替，大量的孔隙和根隙被形成，為微生物和動(dòng)物提供了生存環(huán)境[17]，而它們的生長(zhǎng)繁衍又為該地土壤留下了數(shù)量巨大的孔隙和孔洞，從而促進(jìn)了降雨入滲，減少了徑流量。

2.2.2 馬鈴薯對(duì)坡面總產(chǎn)流量的影響 由表1可知，在相同坡度下，馬鈴薯不同生育期的坡面總產(chǎn)流量均低于裸地。在5°，10°和15°這3種坡度下，馬鈴薯全生育期內(nèi)坡面總產(chǎn)流量平均為43.58，59.18，75.64L，較裸地分別減少了 35.43%，33.78%和 32.35%。馬鈴薯不同生長(zhǎng)階段的蓄水作用差異較大。以10°坡為例，幼苗期蓄水作用較弱，與裸地相比，總產(chǎn)流量減少了4.3%；成熟期的蓄水作用最為顯著，與裸地相比，總產(chǎn)流量減少了43.71%，其減少量是幼苗期減少量的10.16倍。

采用回歸方法，分析坡面產(chǎn)流總量（L）與馬鈴薯不同生育期冠層覆蓋度（C）的關(guān)系。由表3可知，產(chǎn)流總量與冠層覆蓋度呈負(fù)指數(shù)相關(guān)關(guān)系，表明馬鈴薯在生長(zhǎng)階段冠層覆蓋度的增加能夠減小地表產(chǎn)流量，覆蓋度越大減小產(chǎn)流的作用越明顯。

表3 坡面產(chǎn)流總量與馬鈴薯冠層覆蓋度的相關(guān)性分析

2.3 馬鈴薯對(duì)坡面產(chǎn)沙的影響

2.3.1 馬鈴薯對(duì)坡面產(chǎn)沙過程的影響 從圖2可以看出，馬鈴薯全生育期產(chǎn)沙過程的波動(dòng)性均遠(yuǎn)低于裸地。以5°坡為例，裸地產(chǎn)沙起點(diǎn)值相對(duì)較高，同時(shí)具有較大的產(chǎn)沙曲線波動(dòng)，在產(chǎn)流9 min后達(dá)到第1個(gè)峰值，隨后產(chǎn)沙過程依然具有較大的波動(dòng)。與裸地相比，馬鈴薯不同生育期坡面產(chǎn)沙起點(diǎn)值均較小，且具有較小的產(chǎn)沙曲線波動(dòng)。

分析原因可知，土壤侵蝕主要由雨滴濺蝕引起[18]。在裸坡上，由于土壤表面沒有任何覆蓋物的保護(hù)，雨滴直接擊打在土壤表層，造成了土壤顆粒的分離與擴(kuò)散，增強(qiáng)了地表薄層徑流的紊動(dòng)強(qiáng)度，從而增加了坡面產(chǎn)沙量[19]。而在種植馬鈴薯的坡面上，馬鈴薯密集的冠層對(duì)雨滴的動(dòng)能有明顯的削弱作用，在坡面形成的徑流具有較低的動(dòng)能和紊亂性，使其具有較低的挾沙能力；另一方面，種植馬鈴薯增加了地表的粗糙度和土壤的入滲率[20]，從而降低了地表徑流的流速，減弱了對(duì)土壤的沖刷作用。

2.3.2 馬鈴薯對(duì)坡面總產(chǎn)沙量的影響 從表1可以看出，在相同坡度下，馬鈴薯不同生長(zhǎng)階段的坡面總產(chǎn)沙量均低于裸地。在5°，10°和15°這3種坡度下，馬鈴薯全生育期內(nèi)坡面總產(chǎn)沙量平均為1.62，2.34，3.04 kg，較裸地分別減少了 55.41%，54.14%和50.94%。馬鈴薯不同生長(zhǎng)階段的攔沙能力差異較大。以15°坡為例，幼苗期對(duì)坡面產(chǎn)沙影響較弱，與裸地相比，總產(chǎn)沙量減少了21.63%；成熟期的減沙效果最為顯著，與裸地相比，其總產(chǎn)沙量減少了73.42%，其減少量是幼苗期減少量的3.39倍。由此可見，隨著馬鈴薯的不斷生長(zhǎng)，對(duì)坡面泥沙的調(diào)控作用不斷加強(qiáng)。

采用回歸方法，分析坡面總產(chǎn)沙量（S）與馬鈴薯不同生育期冠層覆蓋度（C）的關(guān)系。由表4可知，產(chǎn)沙總量與冠層覆蓋度呈負(fù)指數(shù)相關(guān)關(guān)系，表明馬鈴薯在生長(zhǎng)階段冠層覆蓋度的增加能夠減小土壤流失量，冠層覆蓋度越大減小土壤流失量的作用越明顯。

表4 坡面產(chǎn)沙總量與馬鈴薯冠層覆蓋度的相關(guān)性分析

3 結(jié)論

本研究通過人工模擬降雨試驗(yàn)，在不同坡度下，分析馬鈴薯全生育期對(duì)坡耕地產(chǎn)流和產(chǎn)沙的影響得出，在坡度相同的情況下，馬鈴薯不同生育期的坡面開始產(chǎn)流時(shí)間均比裸地有所延遲，且隨著馬鈴薯冠層覆蓋度的增加，坡面開始產(chǎn)流時(shí)間推遲，且二者的線性關(guān)系較好。

馬鈴薯不同生育期坡面產(chǎn)流率呈先急劇增大后緩慢增長(zhǎng)，最后趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)。在相同坡度下，與裸地相比，隨著馬鈴薯在全生育期冠層覆蓋度的不斷增加，坡面產(chǎn)流率明顯減小。馬鈴薯全生育期產(chǎn)沙過程的波動(dòng)性均遠(yuǎn)低于裸地。裸地產(chǎn)沙起點(diǎn)值相對(duì)較高，產(chǎn)沙曲線波動(dòng)也較大。與裸地相比，馬鈴薯不同生育期坡面產(chǎn)沙曲線具有較小的波動(dòng)性，產(chǎn)沙起點(diǎn)值均小于裸地。

坡面總產(chǎn)流量和產(chǎn)沙量隨馬鈴薯冠層覆蓋度的增大呈負(fù)指數(shù)減小，與裸地相比，5°，10°和 15°這3種坡度下，馬鈴薯在其全生育期分別可減少總產(chǎn)流量的 35.43%，33.78%和 32.35%；分別可減少總產(chǎn)沙量的 55.41%，54.14%和 50.94%。因此，選擇在坡度較緩的位置種植馬鈴薯對(duì)坡耕地蓄水?dāng)r沙的效果較好，但由于馬鈴薯幼苗期土壤抗侵蝕能力較弱，應(yīng)注意此時(shí)的土壤侵蝕防控。

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