水土保持措施對黑土坡耕地產流產沙的影響

侯淑艷，劉緒軍，劉建新，楊亞娟，張 凱，劉 剛

(1.黑龍江省水利科學研究院，150070，哈爾濱；2.黑龍江省水土保持重點實驗室，150070，哈爾濱)

中國東北擁有珍貴的黑土資源，是世界僅有的四大黑土區(qū)之一。東北黑土區(qū)因為其獨特的地形地貌、坡耕地緩坡長坡等特點，加之東北春夏之交期間，植被覆蓋率低，降雨集中且多為暴雨，因此黑土區(qū)坡耕地成為東北黑土區(qū)水土流失的主要策源地[1-2]。降雨徑流帶走了坡耕地表層土壤，使黑土理化性狀降低，土地生產力下降。據(jù)統(tǒng)計，黑土區(qū)坡耕地水土流失導致的糧食減產總量高達108億kg[3-4]。坡面降雨侵蝕的發(fā)生與降雨、地形、下墊面條件等因素密切相關。降雨強度、歷時、雨型、降雨量等參數(shù)都是造成坡面侵蝕產生的主要因素；坡長、坡向、坡度、坡型等地形因子是決定徑流產生、流速大小、破壞土壤穩(wěn)定性的外營力重要參數(shù)；下墊面條件是影響土壤流失量的重要因素。因此，改變地面條件，有效阻控坡面產流產沙是保持水土的重要措施。東北黑土區(qū)的水土保持措施類型根據(jù)坡度不同，所采取的治理措施也不同，坡面主要有等高耕作、地埂植物帶、水平梯田、坡式梯田等。植被蓋度、增加地面覆蓋等都具有較好的保持水土效果。相關的水土保持措施在近幾年國家大力治理黑土地的水土保持重點治理工程中得以應用，并取得了良好的效果。因此，因地制宜布設水土保持措施，分析水土保持措施減沙減水效益，科學認識水土保持措施，對于流域水沙變化及生態(tài)環(huán)境的改善具有重要意義[5]。

1 研究區(qū)概況

試驗地為黑龍江省水利科學研究院克山水土保持試驗站糧食溝觀測場，位于黑龍江省克山縣古北鄉(xiāng)境內，距克山縣城5 km，克北公路西側，地理坐標為E 125°49′19″、N 48°03′20″。多年平均降雨量為479.4 mm、多年平均徑流深51 mm、年均溫度1.1 ℃、≥10 ℃積溫2 380 ℃、無霜期122 d。地貌類型為丘陵漫崗、波狀起伏。植被類型為針葉闊葉林，主要農作物玉米(Zeamays)、大豆(Glycinemax)、高粱(Sorghumbicolor)，土壤類型為黑土。

2 材料與方法

2.1 試驗設計

本實驗根據(jù)東北黑土區(qū)典型坡度設置，分別設置3°、5°、8°坡度徑流小區(qū)，每個坡度分別設置不同水土保持措施及對照。3°坡下設置等高耕作、順坡壟作、裸地小區(qū)3種類型，每個類型2次重復；5°坡下設置地埂植物帶、順坡壟作、裸地小區(qū)3種類型，每個類型2次重復；8°坡下設置水平梯田小區(qū)、順坡壟作、裸地小區(qū)，每個類型2次重復。所有順坡壟作小區(qū)平地起壟，種植作物，裸地小區(qū)不耕種，生長雜草人工拔除。其余小區(qū)種植植物為大豆。小區(qū)設置見表1。

2019年4月對試驗小區(qū)整地，壟距70 cm，采取一次性施肥措施，與當?shù)剞r耕施肥一致，施肥純量為180 kg/hm2。5月9日分別對整地的12個小區(qū)種植大豆，種植密度為9.5萬株/hm2，株行距為15 cm×70 cm。6月13進行1次中耕，9月23日收獲，測糧食和秸稈產量。

2.2 樣品采集與指標測定

2.2.1 樣品采集 使用米尺垂直放入桶中至桶底，分4次在不同點測量水位高度，填入記錄表中，計算徑流量；用木棍攪動分(集)流桶的泥水使之混合均勻，隨后迅速采集水樣，盛滿采樣杯，倒入小塑料桶內。再繼續(xù)攪勻水樣，盛滿采樣杯，重復3次。再將小塑料桶內的水樣攪勻，迅速用采樣杯取500 mL水樣裝入對應的采樣瓶，蓋緊瓶蓋，室內過濾、烘干、稱量，計算含沙量。

表1 試驗小區(qū)基本情況Tab.1 Basic information of experimental plot

2.2.2 樣品指標測定 采用SL-2型虹吸式雨量器用以記錄降雨量；徑流量及土壤流失量的測定詳見文獻[6]。

試驗數(shù)據(jù)采用Excel進行整理分析。

3 結果與分析

3.1 不同水土保持措施對黑土坡耕地土壤流失量的影響

選擇18個小區(qū)全部產流的13次降雨，分析不同降雨情況下，不同水土保持措施對黑土坡耕地土壤流失量的影響，詳見表2。13次降雨總量為450.6 mm，達到全年總降雨量的64.3%，因此也是土壤流失產生的主要時期。通過表2可以明顯看出，不同降雨場次中，3°、5°和8°坡度下土壤流失量規(guī)律基本為A1

3.2 不同水土保持措施對黑土坡耕地產流產沙減少率的影響

等高耕作、地埂植物帶、梯田等水土保持耕作措施一直以來都是干旱、半干旱地區(qū)廣泛應用的保護性耕作措施之一，能夠顯著增加降雨入滲，攔蓄徑流，有效減少坡面水土流失[7]。從表3中可以明顯看出A1、A2、A3不同措施的3個小區(qū)中，徑流量與土壤流失量變化差異顯著，等高耕作的A1小區(qū)全年徑流量僅為10.42 mm，土壤流失量184.70 kg/hm2，與A2、A3相比徑流量減少率分別為95.34%和96.35%，土壤流失量分別減少95.49%和97.42%。B1、B2、B3不同措施的3個小區(qū)中，徑流量與土壤流失量同樣變化差異顯著，地埂植物帶的B1小區(qū)全年徑流量僅為18.22 mm，土壤流失量323.60 kg/hm2，與B2、B3相比徑流量減少率分別為86.74%和89.49%，土壤流失量分別減少93.04%和96.34%。C1、C2、C3不同措施的3個小區(qū)中，水平梯田的C1小區(qū)全年徑流量為43.83 mm，土壤流失量1 668 kg/hm2，與C2、C3相比徑流量減少率分別為55.63%和72.57%；土壤流失量分別減少47.71%和85.00%。3°、5°、8°坡度順坡壟作小區(qū)與裸地小區(qū)相比徑流量減少率分別為18.3%、21.7%、38.2%，土壤流失量減少率分別為42.9%、47.5%、63.9%。通過以上分析可以明顯看出，等高耕作、地埂植物帶、水平梯田顯著減少了坡耕地產流產沙量。白怡婧等[8]的研究表明與順坡平作相比，橫坡壟作、秸稈還田、等高植物籬等保護性耕作能有效降低坡耕地地表徑流。等高耕作與直線坡相比，徑流量和產沙量分別減少38.2%和65.6%[9]。不同降雨量下，保護性耕作各處理小區(qū)徑流量和產沙量均少于對照[10]。耕作方式能夠消減坡面徑流量及產沙量，但等高耕作的消減作用最大[11]，這與本文的研究結果一致。

表2 不同水土保持措施下平均土壤流失量Tab.2 Average soil loss under different soil and water conservation measures

表3 不同水土保持措施對徑流阻控率的影響Tab.3 Influence of different soil and water conservation measures on runoff resistance control rate

3.3 不同水土保持措施對黑土坡耕地產流產沙的影響

大豆生長的觀測期內(5月9日—9月23日)，共有87次降雨，降雨總量701.3 mm。最大日降水量為71.2 mm，最大月降水量為8月，降水量為264.1 mm，占全年降水總量的38%。87次降雨中，有26次坡面小區(qū)有不同程度的產流，其中13次18個小區(qū)全產流。同一坡度不同水土保持措施產沙產流量與降雨量關系見圖1～6；圖1、3和5中，3°坡試驗小區(qū)只A2小區(qū)26次降雨產流，A1等高耕作小區(qū)8月中旬后期由于降雨量減少，幾乎沒產流。對于徑流量與降雨量進行線性擬合，A1、A2、A3擬合方程中R2分別為0.195 3、0.716 2、0.667 8。5°坡試驗小區(qū)順坡壟作及裸地小區(qū)均在26次產流降雨中產流，B1小區(qū)徑流產流特征與A1小區(qū)相似，8月中后期幾乎沒有徑流產生。5°坡試驗小區(qū)B1、B2和B3徑流量與降雨量擬合方程R2分別為0.544 4、0.568 6和0.637 3。8°坡試驗小區(qū)中，全年26次產流降雨中，C1產流17次，C3小區(qū)26次降雨全產流。C1、C2和C3徑流量與降雨擬合方程中R2分別為0.535 7、0.815 6和0.480 6。通過以上分析表明：3個不同坡度小區(qū)徑流量與降雨量呈顯著的線性關系，說明降雨量是坡面徑流量產生的主要因素，但由于等高耕作、地埂植物帶及水平梯田水土保持措施的布設，致使3小區(qū)產流次數(shù)少，徑流量小，說明水土保持措施對于降雨徑流具有攔阻作用。李建明等[12]綜合分析了試驗小區(qū)2年的徑流量，結果顯示，植物措施與工程措施的減流率均大于90%，耕作措施的減流率大于76%。

圖1 3°坡不同水土保持措施徑流量與降雨量的關系Fig.1 Relationship between runoff and rainfall on 3° slope under different soil and water conservation measures

圖2 3°坡不同水土保持措施土壤流失量與 降雨量的關系Fig.2 Relationship between soil loss amount and rainfall on 3° slope under different soil and water conservation measures

圖3 5°坡不同水土保持措施徑流量與降雨量的關系Fig.3 Relationship between runoff and rainfall on 5° slope under different soil and water conservation measures

圖4 5°坡不同水土保持措施土壤流失量與 降雨量的關系Fig.4 Relationship between soil loss amount and rainfall on 5° slope under different soil and water conservation measures

圖5 8°坡不同水土保持措施徑流量與降雨量的關系Fig.5 Relationship between runoff and rainfall on 8° slope under different soil and water conservation measures

圖2、4和6中，3個不同坡度小區(qū)的不同降雨量對土壤流失量的影響與徑流量關系總體規(guī)律相近，高降雨量下均有不同土壤流失量的峰值出現(xiàn)，8月中下旬之后流失量隨降雨量變化不大。3個坡度小區(qū)均在降雨量46.8 mm時出現(xiàn)最大流失量峰值，而年度最大降雨量71.2 mm時流失量不高，主要原因可能是6月中下旬對各小區(qū)進行了中耕，主要方法為鋤頭鏟除壟上及壟溝內雜草，動土厚度5～10 cm，重新起壟，導致小區(qū)內表層土壤疏松，破壞地面表層抗蝕力，加大土壤流失。設置水土保持措施的觀測小區(qū)A1、B1、C1土壤流失量隨降雨量變化不大，A2、B2、C2次之，裸地小區(qū)流失量最高，說明水土保持措施顯著降低坡耕地產沙產流。

圖6 8°坡不同水土保持措施土壤流失量與 降雨量的關系Fig.6 Relationship between soil loss amount and rainfall on 8° slope under different soil and water conservation measures

3.4 不同坡度條件相同耕作方式對黑土坡耕地產流產沙的影響

圖7 順坡壟作小區(qū)徑流量與降雨量的關系Fig.7 Relationship between runoff and rainfall in ridged areas along slope

圖7～10發(fā)現(xiàn)，順坡壟作與裸地3小區(qū)徑流量與土壤流失量大小均為A

圖8 順坡壟作小區(qū)土壤流失量與降雨量的關系Fig.8 Relationship between soil loss amount and rainfall in ridged areas along slope

圖9 裸地小區(qū)徑流量與降雨量的關系Fig.9 Relationship between runoff and rainfall in loss and bare land area

圖10 裸地小區(qū)土壤流失量與降雨量的關系Fig.10 Relationship between the soil loss amount and rainfall in bare land area

4 結論

在自然降雨條件下，通過對典型黑土區(qū)徑流小區(qū)的采樣分析表明：3個不同坡度小區(qū)徑流量與降雨量呈顯著的線性關系，等高耕作、地埂植物帶及水平梯田水土保持措施的布設，顯著減少了土壤流失量、產流次數(shù)，降低了徑流量。

3°坡等高耕作措施比順坡壟作、裸地相比徑流量減少率分別為95.34%和96.35%；土壤流失量分別減少95.49%、97.42%；5°坡地埂植物帶措施與順坡壟作、裸地相比徑流量減少率分別為86.74%、89.49%；土壤流失量分別減少93.04%、96.34%。8°坡水平梯田與順坡壟作、裸地相比徑流量減少率分別為55.63%、72.57%；土壤流失量分別減少47.71%、85.00%。3°、5°和8°坡度順坡壟作小區(qū)與裸地小區(qū)相比徑流量減少率分別為18.3%、21.7%和38.2%；土壤流失量減少率分別為42.9%、47.5%和63.9%。

3°、5°、8°小區(qū)順坡壟作與裸地的徑流量與土壤流失量大小均以8°小區(qū)最大。3個坡度下的順坡壟作小區(qū)徑流量與土壤流失量均低于相同坡度下的裸地小區(qū)。

5 討論

黑土區(qū)坡耕地下，水土保持措施能夠顯著減少坡面產流產沙，減少水土流失。有效的水土保持綜合措施可顯著減少地表徑流，減少土壤侵蝕。與耕作措施比較，植物措施與工程措施具有更顯著的減流減沙效果,起到了較好的保水作用[12,17]。秦隆宇[18]研究認為水土保持措施可對降雨徑流發(fā)揮良好的攔蓄作用。與本研究結論一致。李振興[19]對湫水河流域水沙變化研究表明，水土保持項目的實施對于河川徑流量和輸沙量的減沙發(fā)揮了顯著作用。

坡度的大小能夠顯著影響坡耕地水土流失量和徑流量。坡度對坡耕地水土流失的影響主要是在相同的降雨條件下，坡度越大，因其地勢的高差而引起的重力作用越大，從而使相同條件下的徑流加速，土壤流失量加大[20]；相同的降雨因素下，坡面徑流小區(qū)的徑流量、產沙量與坡度大小呈正比[21]，與本研究結果一致。趙龍山等[22]的研究認為產流量在大于15°坡時呈遞增趨勢，產沙量在5°～10°坡之間變化不明顯。這一結論與本研究中關于相同耕作措施下，坡耕地產流產沙量與坡度大小呈正比的結論不一致。降雨產流產沙取決于土壤理化性質、降雨強度、歷時等多方面因素，因此各種條件下產生的產沙量情況還有待于進一步研究探討。