東北黑土區(qū)不同壟作坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙過程

溫云浩, 王立新, 劉鐵軍

(1.內(nèi)蒙古大學(xué) 生態(tài)與環(huán)境學(xué)院, 呼和浩特 010021; 2.水利部 牧區(qū)水利科學(xué)研究所, 呼和浩特 010020)

我國黑土區(qū)總面積約103萬km2[1-2]，其中典型黑土面積達(dá)32.76萬km2[3]。東北黑土區(qū)是我國最大的商品糧基地。地貌類型漫川漫崗[4]，是大自然賦予人類的獨(dú)特財(cái)富。黑土是一種品質(zhì)優(yōu)良、肥力高的土壤，非常適合植物生長[5]。因此東北黑土區(qū)被譽(yù)為“谷物糧倉”。坡耕地是東北黑土區(qū)的主要耕地資源，占總耕地的60%，大部分分布在3°～15°的坡面上[6]。內(nèi)蒙古自治區(qū)幅員遼闊，呼倫貝爾市東部、興安盟和通遼市北部，共38個市(盟、州)163個縣(市、旗)，也均有黑土區(qū)域分布，總面積約25.1 km2，典型黑土區(qū)10.4萬km2。然而近半個世紀(jì)，黑土層厚度下降30—40 cm[7]。且約有10%的農(nóng)田黑土層流失，出現(xiàn)“破皮黃”現(xiàn)象。不合理的耕作方式是影響坡耕地黑土流失的重要因素之一[3，8-9]。為此，近年來耕作方式對土壤侵蝕的影響研究越來越受到重視[10]。順坡壟作作為一種耕作方式，由于壟作的匯流效應(yīng)，導(dǎo)致坡面土壤侵蝕嚴(yán)重[11-13]，且順坡壟作條件下，徑流和侵蝕的變異系數(shù)較大。如長期順坡壟作會導(dǎo)致坡耕地更嚴(yán)重的土壤侵蝕[14-15]。已有研究表明，與傳統(tǒng)的順坡壟作相比，橫坡壟作可以通過改變地表微地形、增加地表糙率來減少徑流，壟臺還可以有效地降低徑流流速、增加入滲，從而減少泥沙的剝離和輸移[16-17]，但橫坡壟作不同于梯田土埂，壟臺穩(wěn)定性較差，因此在有暴雨時易發(fā)生斷壟涌流，另外，由于微地形的影響，橫坡壟作難以嚴(yán)格按照等高線進(jìn)行修建，水流在下墊面低處匯集仍會造成壟臺更嚴(yán)重的失穩(wěn)、塌陷[18]，引起更劇烈的水土流失[19]。斜坡壟耕作是不規(guī)則地形上沿順坡和橫坡壟作的一種特殊壟作方式[20]。當(dāng)坡面走向與等高線成一定角度時，順坡壟作和橫坡壟作便表現(xiàn)為斜坡壟作。比較順坡壟作，斜坡壟作可以增加降雨對坡面的入滲，在一定程度上保留地表徑流，從而達(dá)到治理水土流失的目的。

綜上所述：現(xiàn)有的研究主要對單一耕作坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙過程較多，缺乏對比性[21]。目前，較多試驗(yàn)集中在10～20 m坡長徑流小區(qū)的數(shù)據(jù)分析，長坡長的試驗(yàn)研究較少，且對于黑土區(qū)土壤侵蝕現(xiàn)有研究大多停留在野外徑流小區(qū)定位監(jiān)測、室內(nèi)模擬降雨試驗(yàn)等方法，野外原位試驗(yàn)較少。為此，本文基于野外天然坡面，對30 m坡長小區(qū)進(jìn)行放水沖刷試驗(yàn)，以深翻后無壟作為對照，研究變沖刷流量下東北黑土區(qū)不同壟作措施產(chǎn)流、產(chǎn)沙特征。辨析順坡壟作對黑土區(qū)坡面侵蝕特征的影響以及橫坡壟作和斜坡壟作對坡面上方來水的防蝕效應(yīng)，為東北黑土區(qū)土壤侵蝕的防治提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

試驗(yàn)區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)扎蘭屯市(123°07′72″E，48°01′40″N)當(dāng)?shù)貙儆跍貛Т箨懶詺夂?，年平均氣?.2℃，平均降雨量500 mm左右。地形西高東低，以丘陵為主，四季冷暖干濕分明，雨水分布不均，降雨主要集中在7—9月。土壤以黑土為主，水土流失嚴(yán)重且主要類型為水力侵蝕。坡面坡度約為3.0°。

試驗(yàn)共設(shè)置徑流小區(qū)4個，其中包括對照(無壟作)小區(qū)和(順坡壟作、斜坡壟作、橫坡壟作)3種具有不同水保措施的徑流小區(qū)。各小區(qū)坡度約為3.0°，坡長30 m、寬3 m，其邊界均為埋入地下30 cm、高出地表20 cm的鐵板，小區(qū)建成后，將小區(qū)進(jìn)行深翻，利用人工按當(dāng)?shù)噩F(xiàn)有耕作方式進(jìn)行起壟，分別建設(shè)橫壟、斜壟和順壟，壟寬66 cm，高20 cm,見圖1。

通過分析當(dāng)?shù)亟杲涤陻?shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)雨強(qiáng)大多集中在60 mm/h內(nèi)，為使沖刷試驗(yàn)結(jié)果更接近天然降雨所致的侵蝕狀況，分別設(shè)定20 mm/h，40 mm/h和60 mm/h3種雨強(qiáng)的沖刷，即沖刷流量為30 L/min，60 L/min和90 L/min，沖刷試驗(yàn)從上方放水開始計(jì)時到產(chǎn)流27 min后結(jié)束，每次沖刷結(jié)束，為保證小區(qū)下墊面與初始下墊面相同，采用填土法將水流路徑填平、壓實(shí)。每次沖刷前24 h對坡面進(jìn)行均勻?yàn)⑺敝廉a(chǎn)流，確保每次沖刷前土壤含水率基本保持不變。沖刷開始后，記錄放水時間，待下方產(chǎn)流，每間隔3 min取樣一次，共9次，用時27 min。采集過程中記錄每個時間段的徑流總量。將取好樣品帶回實(shí)驗(yàn)室，烘干、稱重。用以計(jì)算徑流率、含沙量、徑流總量、含沙總量。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 2016和Oingin 2019進(jìn)行分析和作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同措施對坡面產(chǎn)流起始時間的影響

產(chǎn)流起始時間是坡面綜合效果的反映，不同的耕作措施導(dǎo)致產(chǎn)流起始時間具有差異性，不同沖刷流量對相同耕作措施黑土坡面的產(chǎn)流起始時間也有很大的影響[22]。由圖2可知，沖刷流量越大，產(chǎn)流起始時間越短。其主要原因是沖刷流量越大，坡面水流動力強(qiáng)，坡面極易形成固定水流路徑，從而使入滲能力減弱，因此產(chǎn)流起始時間隨沖刷流量增大而減小[23]。然而在3種沖刷流量下，順坡壟作產(chǎn)流起始時間均最短，橫坡壟作產(chǎn)流起始時間最長，不同耕作措施產(chǎn)流起始時間規(guī)律為橫坡壟作>斜坡壟作>無壟作>順坡壟作。無壟作小區(qū)作為對照，地表裸露、無耕作措施引起的微地貌起伏，無法截留上方水流，因此產(chǎn)流起始時間較快。順坡壟作為坡面水流提供固定路徑，從而加速坡面水流流速，與無壟作相比產(chǎn)流起始時間提前。橫坡壟作和斜坡壟作比無壟作產(chǎn)流起始時間晚，主要是因?yàn)閴艤嫌行钏饔?，阻礙坡面水流流速，增加入滲，且壟溝容積、深度較大，需蓄滿所有壟溝后才可產(chǎn)流。此結(jié)論與邊鋒等[10]研究結(jié)果一致。

圖1 徑流小區(qū)布設(shè)

圖2 不同壟作措施的初始產(chǎn)流起始時間

2.2 不同壟作措施對產(chǎn)流、產(chǎn)沙特征影響

2.2.1 不同壟作措施對產(chǎn)流率影響 不同壟作措施下產(chǎn)流率隨時間的變化規(guī)律見圖3，本試驗(yàn)條件，不同處理小區(qū)產(chǎn)流率在徑流初期均有明顯增加趨勢，而后某一刻達(dá)到峰值呈逐漸遞減最終趨于平穩(wěn)，但受沖刷流量強(qiáng)弱影響，各處理措施坡面產(chǎn)流率呈現(xiàn)不同的變化規(guī)律。30 L/min放水沖刷，橫坡壟作和斜坡壟作產(chǎn)流率在6 min前后出現(xiàn)明顯的峰值，之后驟減很快趨于平穩(wěn)。無壟作與順坡壟作在此沖刷條件下均呈緩慢增加趨勢，在12 min達(dá)最大后趨穩(wěn)。沖刷流量60 L/min時，4種壟作產(chǎn)流率均有明顯增加，且增加趨勢相對平緩；而沖刷流量增至90 L/min后，橫坡壟作和斜坡壟作最大產(chǎn)流率提前至3 min，并在12 min趨于平穩(wěn)。此時無壟作與順坡壟作無明顯的波動。順坡壟作與無壟作產(chǎn)流率在產(chǎn)流初期緩慢增加，是因?yàn)楫a(chǎn)流開始后坡面入滲性能逐漸減弱，根據(jù)土壤飽水原理，坡面徑流流量逐步增大，直至坡面入滲穩(wěn)定，徑流在某個小范圍內(nèi)穩(wěn)定波動[24]。橫坡壟作與斜坡壟作徑流率在初期驟增達(dá)峰值后逐漸穩(wěn)定，且上方來水流量越大峰值越提前。主要因?yàn)殡S著時間的繼續(xù)，水流蓄滿壟溝，壟臺產(chǎn)生小跌坎，產(chǎn)生破頂效應(yīng)，此刻產(chǎn)流率達(dá)到最大值，而之后逐步減小并趨于平穩(wěn)。而當(dāng)上方?jīng)_刷流量增大后，水流動力較大，壟臺失穩(wěn)、崩塌會提前，極易形成新的水流路徑，因此大流量沖刷，不但徑流較高，徑流率最大值出現(xiàn)時間以及徑流率達(dá)穩(wěn)定時間也會提前。

2.2.2 不同壟作措施對含沙量影響 含沙量隨沖刷流量的變化主要與土壤剝蝕情況與泥沙運(yùn)移能力有關(guān)[25]。東北黑土區(qū)不同壟作坡面徑流含沙量隨沖刷流量變化見圖4，由圖可知，30 L/min和60 L/min沖刷條件下，橫坡壟作與斜與坡壟作含沙量均從初始2.5 g/L上下分別緩慢下降到0.75 g/L和1.5 g/L，無壟作與順坡壟作含沙量也呈緩慢減小規(guī)律；90 L/min沖刷流量，橫坡壟作與斜坡壟作初始含沙量是無壟作的3倍，隨之兩壟作含沙量由初始9 g/L驟減至2 g/L，而無壟作和順坡壟作含沙量均集中在2.1 g/L左右波動。由此可見，各壟作坡面含沙量基本在起始階段出現(xiàn)最大值，隨后逐漸減小并趨于穩(wěn)定的趨勢。此結(jié)果與其他地區(qū)坡面產(chǎn)沙特征研究結(jié)論相同[26-27]。原因是在放水沖刷前，小區(qū)坡面上含有較多松散的浮土，而試驗(yàn)沖刷流量產(chǎn)生的坡面水流能量恰好能搬運(yùn)這些泥沙，所以此時含沙量高。隨著試驗(yàn)的繼續(xù)，坡面可被搬運(yùn)的泥沙逐步減少。在試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，沖刷后期，水流主要以沖刷細(xì)沙為主，整個坡面形態(tài)不發(fā)生明顯形態(tài)變化下，含沙量逐步趨于穩(wěn)定[28]。

圖3 不同壟作措施下產(chǎn)流率變化特征

圖4 不同壟作措施含沙量變化特征

隨著沖刷流量的增強(qiáng)，徑流含沙量也隨之升高且變異系數(shù)變大。主要原因有兩個方面：一是放水沖刷初期坡面松散的浮土為侵蝕提供了充足的沙源；二是足夠大的沖刷流量產(chǎn)生較大坡面侵蝕力，使得壟作坡面出現(xiàn)明顯的細(xì)溝，細(xì)溝下切，并發(fā)生細(xì)溝間侵蝕[29]，導(dǎo)致含沙量增大以及含沙量的變異系數(shù)加大。以上結(jié)果表明坡面沖刷強(qiáng)弱和壟作方式對坡面侵蝕過程影響顯著，我們必須采取合理水保措施(增加壟溝寬度[17]、壓實(shí)耕作壟臺)防止東北黑土區(qū)壟作耕地坡面侵蝕。

2.3 不同壟作措施對累積產(chǎn)流量、累積產(chǎn)沙量影響

不同壟作措施下累積產(chǎn)流量隨沖刷流量的變化關(guān)系如(圖5A)，累積產(chǎn)流量隨沖刷流量增加而增大。在相同沖刷流量下，由于壟作方式引起的坡面糙度變化致使累積產(chǎn)流量發(fā)生改變，相同時間順坡壟作累積產(chǎn)流量相對較大，主要是因?yàn)轫樒聣抛鳛樗魈峁┓€(wěn)定水流通路，上方?jīng)_刷流量相同情形下，坡面水流可沿耕作壟溝流下，減少入滲，產(chǎn)流起始時間短且徑流達(dá)穩(wěn)定時間也短，因此在相同時間的徑流收集里，累積徑流量較大。整個放水沖刷過程無壟作產(chǎn)流量較小主要原因是，坡面水流自上而下流動情況下，由于水流與坡面接觸較大，加之土壤疏松，相同收集時間內(nèi)，雖有徑流收集，但部分水流在下行過程中已經(jīng)產(chǎn)生入滲。30 L/min與60 L/min沖刷條件下，各壟作累積徑流量比較接近，而當(dāng)沖刷流量變?yōu)?0 L/min后，各壟作坡面累積徑流量差異明顯，大小表現(xiàn)為：順坡壟作>橫坡壟作>斜坡壟作>無壟作。其原因是在小流量沖刷條件下，伴隨坡面水流下行過程，雖然壟作方式通過入滲改變了產(chǎn)流起始時間，引起徑流率有不同的變化規(guī)律，但產(chǎn)流后下方徑流主要受沖刷流量影響較大，因此相同時段內(nèi)累積徑流量幾乎一致。當(dāng)沖刷流量增大后，水流動力增強(qiáng)，在坡面水流蓄滿壟溝后短時間內(nèi)極易形成破壟，接續(xù)破壟切口逐漸擴(kuò)大加速水流外泄，所以短時內(nèi)累積徑流量有所增大。

由圖5B可看出，沖刷流量是影響坡面土壤侵蝕的直觀因素，同種壟作措施沖刷流量越大水土流失越嚴(yán)重；然而不同壟作方式受沖刷流量影響，累積產(chǎn)沙量有不同變化規(guī)律。30 L/min和60 L/min兩種沖刷流量下，順坡壟作水土流失相對嚴(yán)重，但各坡面累積產(chǎn)沙量總體相差不大，其原因是兩種沖刷條件產(chǎn)生的坡面水流下行過程中主要以搬運(yùn)松散泥沙為主，弱水流難以對溝壟產(chǎn)生破壞性侵蝕。當(dāng)沖刷流量増至90 L/min后，與30 L/min沖刷相比，橫坡壟作與斜坡壟作的侵蝕分別增加了12.78倍和10.11倍，大小表現(xiàn)為：橫坡壟作>順坡壟作>斜坡壟作>無壟作。

圖5 不同壟作措施下累積產(chǎn)流量、累積產(chǎn)沙量

以上分析數(shù)據(jù)表明，在不同壟作措施的黑土緩坡耕地上，累積產(chǎn)沙規(guī)律存在一定差異性，筆者認(rèn)為形成差異主要受黑土區(qū)坡耕地產(chǎn)流機(jī)制和壟作方式所改變產(chǎn)流過程所影響?，F(xiàn)有研究結(jié)果[30]表明，耕作使坡面表層土壤重新分布，形成具有一定空間結(jié)構(gòu)的微地形。由于不同耕作措施對表層土壤的擾動方式不同，致使坡面微地形存在差異。在60 L/min和30 L/min流量沖刷下，橫坡壟作和斜坡壟作形成壟溝交錯的微地貌，壟溝的蓄水和壟臺的攔截相結(jié)合，上方來水只能蓄滿壟溝后溢過壟臺方可繼續(xù)下行，產(chǎn)生侵蝕。在緩坡耕地上，坡面水流弱，壟不易崩塌，侵蝕溝較難形成，水流主要以搬運(yùn)松散泥沙為主，所以累積產(chǎn)沙量低。但沖刷流量增至90 L/min后，強(qiáng)水流極易使壟臺發(fā)生斷坎、崩塌，加之強(qiáng)水流的下切作用，使坡面細(xì)溝侵蝕不斷完整，兩種耕作措施反而侵蝕更嚴(yán)重。

2.4 不同壟作措施下產(chǎn)流產(chǎn)沙之間的關(guān)系

2.4.1 產(chǎn)流、含沙的相關(guān)性分析 通過分析30 L/min，60 L/min和90 L/min3種沖刷流量下橫坡壟作、斜坡壟作、無壟作與順坡壟作4種壟作措施坡面含沙量、產(chǎn)流率、泥沙量、徑流量、產(chǎn)流起始時間、沖刷流量之間的線性關(guān)，結(jié)果表明，不同沖刷條件下，大部分指標(biāo)呈正相關(guān)關(guān)系，15種相關(guān)關(guān)系中12種為正相關(guān)，2種負(fù)相關(guān)，1種不相關(guān)。斜坡壟作沖刷條件下，15種相關(guān)關(guān)系中11種為正相關(guān)，3種負(fù)相關(guān)，1種不相關(guān)，無壟作狀況下，10種正相關(guān)，4種負(fù)相關(guān)，1種不相關(guān)，順坡壟作條件下，13種正相關(guān)，1種負(fù)相關(guān)，1種不相關(guān)。對比發(fā)現(xiàn)，4種處理措施狀況下，產(chǎn)流起始時間與沖刷流量均不相關(guān)，含沙量與徑流時間均呈負(fù)相關(guān)。其他試驗(yàn)條件下，因沖刷流量和壟作措施的差異導(dǎo)致出現(xiàn)不同相關(guān)性。當(dāng)沖刷流量較小時，各坡面水流路徑穩(wěn)定，坡面細(xì)溝分支較少，因此徑流含沙量波動性小。上方?jīng)_刷水流增大后，坡面水流路徑不穩(wěn)定，細(xì)溝分支多，徑流攜帶泥沙量隨時間波動性大。壟作方式嚴(yán)重影響著坡面水流通路以及重力勢能，順坡壟作和無壟作含沙量與產(chǎn)流率相關(guān)性更強(qiáng)。因此東北現(xiàn)存大面積橫坡壟作狀況下應(yīng)適當(dāng)調(diào)控壟作方式來調(diào)控極強(qiáng)暴雨引起的侵蝕，提高坡面保水減蝕性能。

2.4.2 累積產(chǎn)流量與累積產(chǎn)沙量間的關(guān)系 分別擬合橫坡壟作、斜坡壟作、無壟作、順坡壟作4種處理措施下累積產(chǎn)流量與累積產(chǎn)沙量隨沖刷流量變化的關(guān)系(表1)。由表1可知，累積徑流量與泥沙之間存在良好的線性關(guān)系。從方程中可以看出，累積產(chǎn)沙量隨累積產(chǎn)流量的增加而增加。線性關(guān)系強(qiáng)弱表現(xiàn)為：順坡壟作>無壟作>橫坡壟作>斜坡壟作。

表1 累積產(chǎn)流量與累積產(chǎn)沙量間的關(guān)系

3 結(jié) 論

(1) 相同壟作措施下，沖刷流量越大，產(chǎn)流起始時間越短；沖刷流量恒定，4種耕作措施產(chǎn)流起始時間長短表現(xiàn)為橫坡壟作>斜坡壟作>無壟作>順坡壟作。

(2) 累積產(chǎn)流量隨沖刷流量增加而增大；不同處理小區(qū)產(chǎn)流率在產(chǎn)流初期均有明顯的增加趨勢，而后某一刻達(dá)到峰值逐漸遞減最終趨于平穩(wěn)，但受沖刷流量強(qiáng)弱影響，各處理措施坡面產(chǎn)流率有不同的變化規(guī)律。

(3) 30 L/min和60 L/min沖刷條件下土壤侵蝕表現(xiàn)為：順坡壟作>無壟作>斜坡壟作>橫坡壟作；沖刷流量90 L/min時，侵蝕強(qiáng)弱變?yōu)椋簷M坡壟作>斜坡壟作>順坡壟作>無壟作。這是因?yàn)樵谛×髁繘_刷條件下，坡面水流動能弱，不易攜泥沙下行；加之橫坡壟作和斜坡壟作改變下墊面，水流沿坡面向下流動會先進(jìn)行壟溝橫向流通，減小了水流對坡面的剝蝕，從而土壤流失量減少。當(dāng)沖刷流量增大后，橫坡與斜坡壟作極易斷壟，坡面形成細(xì)溝，并產(chǎn)生細(xì)溝間侵蝕，所以此時較順坡壟作與無壟作相比累積產(chǎn)沙量增幅明顯，此時壟臺倒塌土體是橫坡與斜坡壟作侵蝕泥沙的主要來源。壟作方式作為影響黑土區(qū)水土流失的重要因子，也是土壤侵蝕的主要來源，此結(jié)果與較多學(xué)者研究結(jié)論一致[17，32-33]。順坡壟作加劇侵蝕主要原因是：順坡壟作溝內(nèi)易使坡面水流匯集，匯集水流的沖刷使壟溝內(nèi)形成明顯的細(xì)溝下切，伴隨細(xì)溝不斷溯源，坡面侵蝕逐步加劇，這與邊鋒等[10]研究結(jié)果一致。

(4) 4種壟作措施狀況下，產(chǎn)流起始時間與沖刷流量均不相關(guān)，含沙量與徑流時間均呈負(fù)相關(guān)。其他試驗(yàn)條件下，因沖刷流量和壟作措施的差異導(dǎo)致出現(xiàn)不同相關(guān)性。4種措施下累積產(chǎn)沙量均隨沖刷流量增大依次遞增，此結(jié)論與不同壟作措施下紫色土壤坡耕地產(chǎn)流產(chǎn)沙過程相同[34]。坡面水流作為水土流失的原動力，土壤侵蝕與地表徑流有密切聯(lián)系。本研究發(fā)現(xiàn)，4種壟作措施產(chǎn)沙量與產(chǎn)流量呈良好的線性關(guān)系，且擬合系數(shù)R2均在0.80以上。這與吳淑芳等[35]已有研究成果相似。

根據(jù)降雨強(qiáng)度調(diào)控沖刷流量進(jìn)行放水沖刷試驗(yàn)，為東北黑土區(qū)不同壟作措施土壤侵蝕特征提供了一些理論依據(jù)。但放水沖刷試驗(yàn)并不能完全代表天然降雨的坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙過程；且徑流小區(qū)大小不能代表真實(shí)的田間條件，徑流被迫集聚在犁溝內(nèi)，由于徑流小區(qū)的側(cè)壁，徑流無法橫向排除，因此超過犁溝存儲量，就會出現(xiàn)坡頂現(xiàn)象。