降雨強(qiáng)度對(duì)農(nóng)業(yè)耕作措施水土保持作用的影響

方 乾，趙龍山，吳發(fā)啟

(1. 貴州大學(xué)林學(xué)院，貴州 貴陽 550025；2. 西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，陜西 楊凌 712100)

坡耕地是人類從事農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要場(chǎng)所，因其受人為活動(dòng)影響較大，已是水土流失的主要策源地[1]。在坡耕地上，嚴(yán)重的水土流失造成耕作層土壤和養(yǎng)分流失，降低了土地生產(chǎn)力，對(duì)區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展產(chǎn)生不利影響[2-6]。長(zhǎng)期以來，為防治坡耕地水土流失，改善土地生產(chǎn)力，形成了以耕作措施為基礎(chǔ)的水土保持耕作技術(shù)[7]。通過耕作措施，可以改變地表微地形，增大地表糙度，使耕地自身蓄水保水能力增強(qiáng)[8]，起到水土保持作用。吳發(fā)啟等[9-10]的研究表明，地表糙度的增加，將增大地表填洼量，延緩產(chǎn)流，強(qiáng)化降雨入滲。

其次，坡耕地實(shí)施水土保持耕作措施后，受地表微地形影響，地表產(chǎn)匯流過程發(fā)生變化，改變了徑流對(duì)泥沙的侵蝕、搬運(yùn)和沉積機(jī)制，地表徑流攔蓄量和泥沙沉積量增加，潛在流失量降低， 從而達(dá)到降低坡面總徑流量和總產(chǎn)沙量的作用[11]。但是，由于耕作形成的地表微地形具有明顯的空間異質(zhì)性，在不同的外界條件下，其水土保持作用具有一定差異，甚至有可能加劇土壤侵蝕發(fā)生[12-13]。

降雨是誘發(fā)土壤侵蝕的主要因素，李桂芳等[14]通過室內(nèi)人工模擬降雨試驗(yàn)研究了降雨強(qiáng)度對(duì)黑土坡面土壤侵蝕的影響，研究表明，隨著降雨強(qiáng)度的增大，土壤流失量隨之增大；田風(fēng)霞等[15]的結(jié)果表明降雨強(qiáng)度對(duì)黃土坡面土壤侵蝕的影響呈冪函數(shù)變化；霍云梅等[16]的研究指出降雨強(qiáng)度與黏土坡面土壤侵蝕存在極顯著的正相關(guān)關(guān)系；張會(huì)茹等[17]的研究結(jié)果也與此相一致。但是，這些研究均以平整坡面為研究對(duì)象，而對(duì)耕作坡地地表?xiàng)l件缺乏考慮。因此，對(duì)農(nóng)業(yè)耕作坡耕地上降雨強(qiáng)度與土壤侵蝕的關(guān)系還有待進(jìn)一步研究。

鑒于此，本研究選擇人工掏挖、人工鋤耕和等高耕作為研究對(duì)象，以平整坡面為對(duì)照，通過人工模擬降雨試驗(yàn)對(duì)不同降雨強(qiáng)度下農(nóng)業(yè)耕作措施水土保持作用進(jìn)行研究，以期為坡耕地水流失防治和治理提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于陜西省楊凌區(qū)，地處黃土高原南緣，關(guān)中腹地，其地理坐標(biāo)為北緯34°17′，東經(jīng)108°04′，總土地面積135 km2，地勢(shì)北高南低，西高東低，氣候?yàn)闇貛О霛駶?rùn)大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫13℃，年均降雨量約640 mm，夏季高溫多雨，冬季嚴(yán)寒干燥。

1.2 研究方法

采用人工模擬降雨方法進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)地點(diǎn)在西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持工程實(shí)驗(yàn)室。降雨機(jī)采用中科院水土保持研究所研發(fā)的側(cè)噴式降雨機(jī)。試驗(yàn)土槽規(guī)格長(zhǎng)、寬和深度分別為2、1、0.5 m；試驗(yàn)降雨強(qiáng)度分別為60、90、120 mm·h-1；坡度分別為5°和15°；降雨歷時(shí)90 min，以使坡地產(chǎn)流侵蝕過程達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

試驗(yàn)土槽填裝土壤時(shí)，采用分層填裝法，將土槽分為8層，每層填土5 cm，填土容重控制在1.3 g·cm-3，接近自然水平。裝土完成后，將地表整平，并將土壤坡度調(diào)整到試驗(yàn)坡度，然后在試驗(yàn)土槽中布設(shè)人工掏挖、人工鋤耕和等高耕作措施，以模擬不同的耕作地表?xiàng)l件。耕作措施布設(shè)后，立刻采用10 mm·h-1降雨對(duì)地表進(jìn)行預(yù)降雨，降雨歷時(shí)30 min，以恢復(fù)土壤結(jié)構(gòu)。預(yù)降雨結(jié)束后，將試驗(yàn)土槽在室內(nèi)靜置24 h后再開始正式降雨試驗(yàn)。本研究中，對(duì)于每個(gè)耕作措施，均采用具有相同坡度的平整坡地作為對(duì)照措施。

正式降雨試驗(yàn)開始后，當(dāng)試驗(yàn)土槽底部集流口有徑流產(chǎn)生時(shí)記錄產(chǎn)流開始時(shí)間。此后，每間隔2 min連續(xù)采集全部徑流泥沙樣。降雨試驗(yàn)結(jié)束后，采用稱重法測(cè)量產(chǎn)流量，采用烘干法(105℃、12 h)測(cè)定產(chǎn)沙量。

1.3 數(shù)據(jù)分析

本研究包括3個(gè)降雨強(qiáng)度和2個(gè)試驗(yàn)坡度，各農(nóng)業(yè)耕作措施包括6組降雨試驗(yàn)，徑流泥沙數(shù)據(jù)采用如下公式計(jì)算：

(1)不同降雨強(qiáng)度下各農(nóng)業(yè)耕作措施平均產(chǎn)流量：

(1)

(2)不同降雨強(qiáng)度下各農(nóng)業(yè)耕作措施平均產(chǎn)沙量：

(2)

(3)不同降雨強(qiáng)度下各農(nóng)業(yè)耕作措施減流效益：

(3)

式中,ER為減流效益(%)；RY0為平整坡地總產(chǎn)流量(kg)；RYi為耕作坡地的總產(chǎn)流量(kg)。

(4)不同降雨強(qiáng)度下各農(nóng)業(yè)耕作措施減沙效益：

(4)

式中,ES為減沙效益(%)；SY0為平整坡地總產(chǎn)沙量(g)；SYi為耕作坡地的總產(chǎn)沙量(g)。

采用Excel 2007對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理并繪制圖表，采用SPSS 20.0對(duì)不同降雨強(qiáng)度之間的產(chǎn)流量和產(chǎn)沙量進(jìn)行方差分析，判斷降雨強(qiáng)度對(duì)產(chǎn)流量和產(chǎn)沙量影響的差異性(P=0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 降雨強(qiáng)度對(duì)耕作坡地平均產(chǎn)流量和平均產(chǎn)沙量的影響

圖1 不同農(nóng)業(yè)耕作措施下產(chǎn)流量隨降雨強(qiáng)度的變化Fig.1 Variation of runoff yield in agricultural lands under different rainfall intensities and tillage practices

不同降雨強(qiáng)度下，各耕作坡地平均產(chǎn)流量變化見圖1。由圖1可知，當(dāng)降雨強(qiáng)度由60 mm·h-1增加到90 mm·h-1時(shí)，人工掏挖、人工鋤耕和等高耕作坡地平均產(chǎn)流量分別增加了1.51、1.51倍和2.28倍；當(dāng)降雨強(qiáng)度由90 mm·h-1增加到120 mm·h-1時(shí)，人工掏挖、人工鋤耕和等高耕作坡地平均產(chǎn)流量分別增加了1.82、1.67倍和1.99倍。可見，隨著降雨強(qiáng)度的增大，人工掏挖、人工鋤耕和等高耕作坡地平均產(chǎn)流量呈增大趨勢(shì)，增加幅度依次為等高耕作>人工掏挖>人工鋤耕。降雨強(qiáng)度與平均產(chǎn)流量之間的關(guān)系與前人對(duì)平整坡面下產(chǎn)流量與降雨強(qiáng)度關(guān)系的研究結(jié)果一致[18-19]。與平整坡地相比，人工鋤耕、人工掏挖和等高耕作坡地平均產(chǎn)流量降低，說明等高耕作、人工掏挖和人工鋤耕措施具有降低坡地產(chǎn)流的作用。方差分析表明，同一措施不同降雨強(qiáng)度之間的坡地產(chǎn)流量存在極顯著差異(P<0.01)。

對(duì)坡地產(chǎn)沙量分析可知，與平均產(chǎn)流量隨降雨強(qiáng)度的變化相似，耕作坡地平均產(chǎn)沙量隨降雨強(qiáng)度增大也呈增加趨勢(shì)，但是在不同降雨強(qiáng)度下，平均產(chǎn)沙量增幅略有不同。從圖2(a)可以看出，就人工鋤耕坡地而言，在3個(gè)降雨強(qiáng)度下的產(chǎn)沙量變化均很明顯，當(dāng)降雨強(qiáng)度由60 mm·h-1增大到90 mm·h-1并繼續(xù)增大到120 mm·h-1時(shí)，其平均產(chǎn)沙量分別增加了1.75倍和1.81倍。其余措施產(chǎn)沙量變化此處不再贅述。從圖2(b)可以看出，在降雨強(qiáng)度從60 mm·h-1增加到90 mm·h-1時(shí)，各耕作坡地平均產(chǎn)沙量變化不大；但是當(dāng)降雨強(qiáng)度從90 mm·h-1增加到120 mm·h-1時(shí)，各耕作坡地下的平均產(chǎn)沙量增加極為明顯，人工掏挖、人工鋤耕和等高耕作坡地在120 mm·h-1的產(chǎn)沙量相較90 mm·h-1的產(chǎn)沙量分別增加了9.61、8.58倍和17.05倍。此外，在坡度較大的情況下，降雨強(qiáng)度為120 mm·h-1時(shí)，耕作坡地的平均產(chǎn)沙量顯著大于平整坡地。由方差分析可知，在坡度為5°時(shí)，人工鋤耕在3個(gè)降雨強(qiáng)度下的產(chǎn)沙量存在極顯著差異(P<0.01)；等高耕作和人工掏挖在60 mm·h-1和90 mm·h-1時(shí)的產(chǎn)沙量差異不顯著(P>0.05)，其余降雨強(qiáng)度下的產(chǎn)沙量之間差異極顯著(P<0.01)；在坡度15°時(shí)，各耕作措施坡地在60 mm·h-1和90 mm·h-1時(shí)的產(chǎn)沙量差異不顯著(P>0.05)，其余降雨強(qiáng)度之間的坡地產(chǎn)沙量存在極顯著差異(P<0.01)。

2.2 降雨強(qiáng)度對(duì)農(nóng)業(yè)耕作措施坡面減流減沙效益的影響

從圖3可知，在3個(gè)降雨強(qiáng)度下，相較平整坡地，等高耕作均具有較高的減流效益且隨降雨強(qiáng)度的增大呈降低趨勢(shì)，但減流量均在15%以上；人工掏挖和人工鋤耕減流效益隨降雨強(qiáng)度的變化呈現(xiàn)出不同的特征，在降雨強(qiáng)度90 mm·h-1和120 mm·h-1時(shí)，均具有明顯的減流效益，而在降雨強(qiáng)度60 mm·h-1時(shí)，減流效益無明顯規(guī)律。總體來看，等高耕作在3個(gè)降雨強(qiáng)度下的減流效益最高。

圖2 不同農(nóng)業(yè)耕作措施下產(chǎn)沙量隨降雨強(qiáng)度的變化Fig.2 Variation of sediment yield in agricultural lands under different rainfall intensities and tillage practices

圖3 不同降雨強(qiáng)度下農(nóng)業(yè)耕作措施的減流效益Fig.3 Runoff reduction benefits of tillage practice in agricultural lands under different rainfall intensities

不同降雨強(qiáng)度下的減沙效益見圖4。由圖4可知，在坡度為5°時(shí)，相較平整坡地，人工掏挖和等高耕作坡地在3個(gè)降雨強(qiáng)度下均具有明顯的減沙效益，且兩個(gè)耕作措施的減沙效益均在25%以上，但隨降雨強(qiáng)度的增大呈現(xiàn)出不同特征，人工掏挖坡地減沙量隨降雨強(qiáng)度的增大呈增大趨勢(shì)，等高耕作坡地減沙效益受降雨強(qiáng)度影響不大；而人工鋤耕坡地在3個(gè)降雨強(qiáng)度下的減沙效益不明顯且無明顯變化規(guī)律；在坡度15°時(shí)，當(dāng)降雨強(qiáng)度為60 mm·h-1和90 mm·h-1時(shí)，相較平整坡地，等高耕作具有明顯的減沙效益，人工鋤耕和人工掏挖減沙效益無明確規(guī)律；當(dāng)降雨強(qiáng)度為120 mm·h-1時(shí)，3個(gè)耕作措施都不能有效降低坡面產(chǎn)沙量，反而使其增大。

以上分析表明，人工掏挖、人工鋤耕和等高耕作坡地平均產(chǎn)流量和平均產(chǎn)沙量隨著降雨強(qiáng)度的增大呈增大趨勢(shì)，但不同耕作措施的平均產(chǎn)流量和平均產(chǎn)沙量對(duì)降雨強(qiáng)度的響應(yīng)特征不盡相同。林超文等[20]、鄭江坤等[21]和王鵬飛等[22]采用人工模擬降雨和徑流小區(qū)觀測(cè)得出的結(jié)果也與此相一致。梁心藍(lán)等[23]的研究表明不同耕作措施產(chǎn)生的地表糙度不同且地表糙度越大坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙量越低。鄭子成等[24]的研究也表明地表糙度的增加可以降低地表徑流量。可見，不同耕作措施對(duì)地表微地形的影響不同，導(dǎo)致地表攔蓄降水和泥沙沉積的作用存在差異。

圖4 不同降雨強(qiáng)度下農(nóng)業(yè)耕作措施的減沙效益Fig.4 Sediment reduction benefits of tillage practice in agricultural lands under different rainfall intensities

農(nóng)業(yè)耕作措施在降雨強(qiáng)度和坡度較小時(shí)具有保水保土的作用，但在坡度和降雨強(qiáng)度較大時(shí)不具有水土保持作用。趙龍山等[25]對(duì)裸露陡坡地的研究表明，耕作措施在降雨強(qiáng)度較小時(shí)具有延緩產(chǎn)流的作用，在大降雨強(qiáng)度時(shí)反而增大坡面產(chǎn)沙。而王治國(guó)等[26]的研究表明實(shí)施耕作措施的坡面將加劇細(xì)溝侵蝕，產(chǎn)沙量將明顯增大。實(shí)施農(nóng)業(yè)耕作措施將改變地表形態(tài)，在坡面形成洼地，在降雨強(qiáng)度較小時(shí)，洼地具有攔蓄降水增加土壤入滲的作用，而隨著降雨強(qiáng)度的增大，耕作措施攔蓄降水和沉積泥沙的作用不斷減小[27]，且在大降雨強(qiáng)度下，單位面積土壤承雨量變大，雨滴擊打和徑流沖刷力逐步增加[28-29]，尤其是在大坡度條件下，坡度強(qiáng)化了徑流沖刷力和降低了土壤的穩(wěn)定性，地表微地形逐漸垮塌，使耕作措施形成的地表坑洼與細(xì)溝侵蝕發(fā)育前期的跌坎相類似而不斷連通，形成斷續(xù)細(xì)溝，在地表產(chǎn)生細(xì)溝侵蝕，導(dǎo)致耕作坡地產(chǎn)沙量增加[30-31]。因此，耕作措施坡面減沙效益隨降雨強(qiáng)度的變化呈現(xiàn)出不同特征。

3 結(jié) 論

1)降雨強(qiáng)度對(duì)農(nóng)業(yè)耕作措施水土保持作用的影響較大，人工鋤耕、人工掏挖和等高耕作坡地平均產(chǎn)流量和平均產(chǎn)沙量隨降雨強(qiáng)度的增大而增大，平均產(chǎn)流量增加幅度依次為等高耕作>人工掏挖>人工鋤耕；產(chǎn)沙量在60 mm·h-1和90 mm·h-1時(shí)變化不明顯，在90 mm·h-1和120 mm·h-1時(shí)平均產(chǎn)沙量明顯增大。

2)降雨強(qiáng)度對(duì)不同農(nóng)業(yè)耕作措施減流效益的影響存在差異。等高耕作具有較高的減流效益且隨降雨強(qiáng)度的增大呈現(xiàn)減小趨勢(shì)；人工鋤耕和人工掏挖在90 mm·h-1和120 mm·h-1時(shí)具有較高的減流效益，而在60 mm·h-1時(shí)減流效益無明顯特征。

3)農(nóng)業(yè)耕作措施減沙效益在不同降雨強(qiáng)度下表現(xiàn)出不同特征。在坡度5°時(shí)，人工掏挖和等高耕作在3個(gè)降雨強(qiáng)度下均具有較高的減沙效益，均在25%以上；人工鋤耕并無明顯變化規(guī)律；在坡度15°時(shí)，除等高耕作在60 mm·h-1和90 mm·h-1具有明顯降低坡面產(chǎn)沙的作用外，人工鋤耕和人工掏挖措施都無明顯降低坡面產(chǎn)沙的作用；在降雨強(qiáng)度120 mm·h-1，耕作措施反而使坡地產(chǎn)沙量明顯增大。