王 瑩，鄭子成?，李廷軒，何淑勤

(1.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)資源學(xué)院，611130，成都；2.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，611130，成都)

地表糙度是描述微尺度地表輪廓起伏和不規(guī)則變化的指標(biāo)，也是影響坡面土壤侵蝕主要因素之一。研究表明，水蝕過程中地表糙度對土壤侵蝕存在著增加和降低雙重作用，并在水蝕過程中相互轉(zhuǎn)化[1-2]；同時(shí)，泥沙搬運(yùn)和沉積也會影響地表糙度：因此，研究水蝕過程中地表糙度和侵蝕量關(guān)系對于深入揭示紫色土坡面水蝕機(jī)理具有重要意義。

降雨作為坡面土壤侵蝕主要動力之一，直接影響地表糙度和侵蝕量變化。降雨和徑流對土壤顆粒的剝蝕、搬運(yùn)和堆積導(dǎo)致地表輪廓起伏[3]，加劇土壤侵蝕[4]。植被覆蓋能有效削弱降雨和徑流對地表糙度和土壤侵蝕影響[5]。同時(shí)，地表糙度不僅受隨機(jī)性因素影響，還受到自身結(jié)構(gòu)性因素影響。研究表明，初始地表糙度越大坡面，降雨后地表糙度降幅越明顯[6]，合理耕作措施能有效降低坡面土壤侵蝕[7]。橫坡壟作作為有效的侵蝕防治措施在川中丘陵區(qū)已普遍推廣，其對土壤侵蝕的影響因水蝕階段不同，存在抑制和增強(qiáng)雙重作用[8]?？梢?，水蝕過程中地表糙度和土壤侵蝕受耕作措施，降雨強(qiáng)度和植被覆蓋等因素影響，交互影響更為復(fù)雜。而目前，對不同耕作措施、降雨強(qiáng)度和植被覆蓋條件下地表糙度變化特征研究較多，且多集中于黃土和紅壤丘陵區(qū)[9]，缺乏從下墊面角度探討水蝕過程中玉米全生育期土壤侵蝕效應(yīng)。紫色土作為一種侵蝕性高生產(chǎn)力巖性土，土體較薄，集中分布于川中丘陵區(qū)，土壤侵蝕嚴(yán)重[10]，玉米(Zeamays)作為該區(qū)主要的糧食作物之一，其生長階段與研究區(qū)雨季同期[11]。因此，筆者以川中丘陵區(qū)紫色土坡耕地為研究對象，開展橫壟坡面玉米全生育期水蝕過程中地表糙度和侵蝕量變化特征研究，闡明地表糙度、地表糙度變幅和降雨強(qiáng)度與侵蝕量的關(guān)系，以期為揭示紫色土區(qū)坡耕地水蝕機(jī)理與區(qū)域水土流失的有效防控提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)在農(nóng)業(yè)部長江上游農(nóng)業(yè)資源與生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)野外科學(xué)試驗(yàn)站(E 104°34′12″, N 30°05′12″)進(jìn)行，位于四川省資陽市雁江區(qū)松濤鎮(zhèn)響水村，平均海拔為395 m，屬亞熱帶季風(fēng)氣候，年均溫為16.8 ℃，年平均降雨量為965.8 mm，全年降雨量的80%集中于5—9月份，以暴雨為主，水土流失嚴(yán)重。玉米為該區(qū)主栽農(nóng)作物之一，種植密度約4萬株/hm2。土壤為遂寧組母質(zhì)發(fā)育的紅棕紫泥，質(zhì)地較輕，黏粒、粉粒和砂粒含量分別為22%、29%和49%，質(zhì)地較輕，土壤密度為1.21 g/cm3。

2 材料與方法

2.1 小區(qū)布設(shè)與降雨試驗(yàn)

采用人工模擬降雨和微小區(qū)相結(jié)合的方法，基于前期實(shí)地調(diào)查，徑流小區(qū)設(shè)計(jì)為4 m×2 m，每個小區(qū)由4個2 m×1 m的微小區(qū)組成，其中3個微小區(qū)為試驗(yàn)重復(fù)，1個為空白對照。小區(qū)下墊面用混凝土固化防滲，并鋪設(shè)10 cm厚石英砂作透水層，透水層上填土60 cm。各小區(qū)底部由水泥砌成箱形集水槽，且與PVC管連接，收集徑流泥沙。設(shè)計(jì)坡度為15°(圖1)。橫壟坡面的設(shè)置按照當(dāng)?shù)剞r(nóng)耕習(xí)慣，壟高、壟寬和壟距分別為25、40和90 cm。根據(jù)試驗(yàn)區(qū)域多年降雨和水文資料，設(shè)計(jì)降雨強(qiáng)度為1.0、1.5和2.0 mm/min，采用分階段連續(xù)降雨方法，總降雨時(shí)間為120 min，分別于玉米苗期、拔節(jié)期、抽雄期和成熟期進(jìn)行降雨，重復(fù)3次，共計(jì)36場。

供試玉米品種為正紅6號，于2015年4月壟上單行直播，行距90 cm，株距25 cm，苗期、拔節(jié)期、抽雄期和成熟期株高分別為0.26、1.64、2.45和2.19 m；葉面積指數(shù)分別為0.108、2.236、2.770和1.356。

降雨裝置為SR型移動式人工模擬降雨器，噴頭系統(tǒng)為美國V-80100，2臺降雨器分別位于小區(qū)兩側(cè)對噴降雨，有效降雨高度為6 m，降雨面積為35 m2，降雨均勻系數(shù)可超過85%。

圖1 紫色土坡耕地徑流小區(qū)設(shè)計(jì)示意圖Fig.1 Schematic illustration of runoff plot structure on sloping cropland of purple soil

2.2 數(shù)據(jù)處理與分析

試驗(yàn)過程中，濺蝕量收集采用濺蝕板法[12]，片蝕和細(xì)溝侵蝕階段產(chǎn)流量和產(chǎn)沙量的每隔3 min收集1次，分別用體積法和烘干法測定。

采用Saleh鏈條法[13]對順坡和橫坡方向地表糙度進(jìn)行測定，根據(jù)前期研究結(jié)果，每次測量間隔20 cm效果最優(yōu)，并求算平均糙度作為試驗(yàn)小區(qū)地表糙度，計(jì)算式為：

(1)

(2)

式中：R為任意方向上的地表糙度；l1為鏈條實(shí)際長度，cm；l2為鏈條放置于地表長度，cm；Rr為地表糙度變幅；R1為雨前地表糙度；R2為雨后地表糙度。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析采用DPS 11.0軟件，多重比較選擇LSD(least significant difference)法，方程擬合采用SPSS 17.0軟件完成，圖表制作采用Origin 9.0和Excel 2013。

3 結(jié)果與分析

3.1 水蝕過程中玉米各生育期地表糙度變化特征

如圖2所示，不同降雨強(qiáng)度條件下，玉米各生育期地表糙度變幅在細(xì)溝侵蝕階段最大。

苗期除1.0 mm/min降雨強(qiáng)度外，其他降雨強(qiáng)度條件下地表糙度變幅隨水蝕階段推進(jìn)分別降低43.36%和58.87%；1.0 mm/min降雨強(qiáng)度條件下，地表糙度變幅在片蝕階段呈增加趨勢，濺蝕和細(xì)溝侵蝕階段與之相反。拔節(jié)期1.0和1.5 mm/min降雨強(qiáng)度條件下，片蝕階段地表糙度增幅最大，細(xì)溝侵蝕階段降低幅度最大；2.0 mm/min降雨強(qiáng)度條件下，片蝕和細(xì)溝侵蝕階段地表糙度變幅呈增加趨勢，濺蝕階段與之相反。抽雄期1.5 mm/min降雨強(qiáng)度條件下，細(xì)溝侵蝕階段地表糙度增加幅度顯著高于濺蝕和片蝕階段，分別為濺蝕和片蝕階段的1.35倍和1.77倍；1.0和2.0 mm/min降雨強(qiáng)度條件下濺蝕階段地表糙度變幅逐漸降低，片蝕和細(xì)溝侵蝕階段與之相反。成熟期1.0和2.0 mm/min降雨強(qiáng)度條件下地表糙度變幅在濺蝕和片蝕階段有所降低，細(xì)溝侵蝕階段呈增加趨勢，1.5 mm/min 降雨強(qiáng)度條件下與之相反。

柱上不同字母表示同一降雨強(qiáng)度下，不同水蝕階段在P<0.05水平上差異顯著；不同上標(biāo)字母表示同一水蝕階段，不同降雨強(qiáng)度在P<0.05水平上差異顯著，下同。Different letters on the histograms indicate significant difference between different water erosion stages at P<0.05 level, and different superscript letters indicate significant difference among rainfall intensities at P<0.05 level at the same water erosion stage. The same below.圖2 水蝕過程中玉米各生育期地表糙度變化Fig.2 Change of soil surface roughness at maize growing stages during water erosion process

3.2 水蝕過程中玉米各生育期侵蝕量變化特征

如圖3所示，不同降雨強(qiáng)度條件下，玉米各生育期侵蝕量均在細(xì)溝侵蝕階段最大。2.0 mm/min降雨強(qiáng)度條件下，細(xì)溝侵蝕量顯著高于濺蝕和片蝕階段；1.5 mm/min降雨強(qiáng)度條件下，抽雄期濺蝕量分別是片蝕和細(xì)溝侵蝕量的11.33%和9.2%；1.0 mm/min降雨強(qiáng)度條件下，玉米各生育期片蝕和細(xì)溝侵蝕量顯著高于濺蝕階段。隨著玉米生育期推進(jìn)，片蝕和細(xì)溝侵蝕量在苗期最大，抽雄期最小。除濺蝕階段外，其他水蝕階段玉米各生育期侵蝕量在2.0 mm/min降雨強(qiáng)度條件下最大，顯著高于1.0 mm/min降雨強(qiáng)度條件。濺蝕階段侵蝕量變化較為復(fù)雜，除苗期外，其他生育期侵蝕量在1.0 mm/min降雨強(qiáng)度條件下最大，顯著高于其他降雨強(qiáng)度。苗期2.0 mm/min降雨強(qiáng)度條件下侵蝕量分別為1.0和1.5 mm/min降雨強(qiáng)度條件下的12.88倍和3.24倍。

3.3 水蝕過程中玉米各生育期地表糙度與侵蝕量的關(guān)系

由表1可知：除濺蝕階段成熟期外，其他水蝕階段玉米各生育期初始地表糙度和降雨強(qiáng)度與侵蝕量顯著相關(guān)；水蝕過程中玉米各生育期地表糙度變幅和降雨強(qiáng)度與侵蝕量均顯著相關(guān)(R2>0.67)。細(xì)溝侵蝕階段玉米各生育期初始地表糙度，地表糙度變幅與侵蝕量極顯著相關(guān)；片蝕階段抽雄期初始地表糙度，地表糙度變幅與侵蝕量顯著相關(guān)，其他生育期初始地表糙度、地表糙度變幅與侵蝕量相關(guān)性達(dá)到極顯著水平；濺蝕階段除成熟期外，其他生育期初始地表糙度和降雨強(qiáng)度與侵蝕量顯著相關(guān)，玉米全生育期地表糙度變幅和降雨強(qiáng)度與侵蝕量顯著相關(guān)，且在苗期、拔節(jié)期和抽雄期3者相關(guān)性達(dá)到極顯著水平。

4 討論

水蝕過程中玉米各生育期地表糙度變幅存在差異。本研究中，苗期葉面積指數(shù) (LAI (leaf area index) 0.108和株高0.258 m相對較小，穿透雨量大[14]，地表形成大小不一的坑洼；加之雨滴的壓實(shí)作用，地表糙度有所降低[15]。片蝕和細(xì)溝侵蝕階段徑流的剝蝕搬運(yùn)作用增強(qiáng)，壟上土壤顆粒沉積在壟溝內(nèi)，地表糙度降低。1.0 mm/min降雨強(qiáng)度條件下片蝕階段地表糙度增大，這可能是由于局部微地形重組所致。拔節(jié)期片蝕階段地表徑流以紊流為主[16]，且拔節(jié)期LAI為2.236和株高1.660 m有所增加，穿透雨量和雨滴動能增強(qiáng)，壟上土壤顆粒受雨滴擊打遷移至壟溝，濺蝕階段地表糙度降低[12]。抽雄期濺蝕階段地表糙度變幅最小，片蝕和細(xì)溝侵蝕階段有所增大，這可能是由于抽雄期LAI最大(2.770)，株高為2.454 m，葉片分流作用導(dǎo)致濺蝕的隨機(jī)性和不確定性增強(qiáng)[12]；同時(shí)，降雨經(jīng)莖稈匯流后直接破壞玉米根部土壤，攜帶泥沙從根系處流出壟溝，形成細(xì)溝侵蝕，地表糙度隨之增大。成熟期葉片枯萎，葉尖向下，平鋪于土壤表面，削弱徑流對土壤表面破壞作用[5]。筆者研究中片蝕和細(xì)溝侵蝕階段玉米各生育期侵蝕量隨降雨強(qiáng)度增大而增大，細(xì)溝侵蝕量顯著高于片蝕和濺蝕階段。這可能是由于片蝕和細(xì)溝侵蝕階段地表徑流為坡面侵蝕主要動力，地表徑流量隨降雨強(qiáng)度增大而增大，同時(shí)雨滴擊打會增強(qiáng)徑流紊動性，加劇土壤侵蝕[16]。拔節(jié)期、抽雄期和成熟期濺蝕階段侵蝕量隨降雨強(qiáng)度增加而降低，苗期與之相反，2.0 mm/min降雨強(qiáng)度下侵蝕量最大。降雨強(qiáng)度增加，雨滴對表土擊打和破壞作用增強(qiáng)，但濺蝕受玉米葉片和莖稈匯流影響，侵蝕量降低[17]。玉米各生育期土壤侵蝕量在苗期最大，抽雄期最低，且抽雄期侵蝕量在降雨強(qiáng)度間差異不顯著。這主要是由于抽雄期植被覆蓋度大，冠層截留和莖稈匯流作用增強(qiáng)，同時(shí)玉米根系生長增強(qiáng)地表土壤抗侵蝕能力，徑流剝蝕和搬運(yùn)泥沙量減少[18]。

圖3 水蝕過程中玉米各生育期侵蝕量變化Fig.3 Change of soil erosion amount at maize growing stages during water erosion process

玉米生長期Maize growing stage濺蝕Splash erosion片蝕Sheet erosion細(xì)溝侵蝕Rill erosion初始地表糙度 苗期Seedling stageS=3.46I-0.64R0+1.74R2=0.88**S=36.40I-4.45R0+33.56R2=0.96**S=79.63I-23.65R0-196.32R2= 0.94**Initial soil surface roughness拔節(jié)期Jointing stageS=-1.11I-0.37R0+5.48R2 = 0.91**S=23.60I-6.44R0+43.60R2= 0.90**S=75.04I+1.24R0-70.03R2= 0.99**抽雄期Tasseling stageS=-2.16I-0.64R0+9.48R2=0.72*S=16.40I+3.70R0-28.69R2=0.69*S=37.04I-5.12R0-1.54R2=0.98**成熟期Maturing stageS=-0.45I-0.16R0+3.11R2=0.59S=41.46I+11.2R0-101.19R2=0.91**S=61.91I-27.98R0+90.97R2= 0.93**地表糙度變幅苗期Seedling stageS=4.17I+14.41Rr-3.37R2=0.86*S=47.35I+55.93Rr+18.93R2=0.97**S=144.08I+759.29Rr-30.13R2=0.93**Changerange of soil surface roughness/%拔節(jié)期Jointing stageS=0.19I+16.93Rr+2.56R2=0.95**S=36.41I-44.41Rr-13.66R2=0.89**S=80.3I+10.19Rr-54.38R2=0.99**抽雄期Tasseling stageS=-1.57I+0.001Rr+4.42R2=0.79**S=1.35I+203.58Rr+3.26R2=0.67*S=54.88I-256.21Rr-28.76R2=0.98**成熟期Maturing stageS=-0.54I-1.16Rr+2.147R2=0.67*S=52.97I-77.15Rr-46.38R2=0.95**S=76.39I+122.37Rr-79.46R2=0.99**

注：S為侵蝕量，Rr為地表糙度變幅，I為降雨強(qiáng)度，R0為初始地表糙度，*表示P<0.05顯著水平，** 表示P<0.01極顯著水平。Notes:Sis soil erosion amount,Rris change range of soil surface roughness,Iis rainfall intensity, andR0is initial soil surface roughness. * indicates significant level atP<0.05, and ** indicates significantly level atP<0.01.

細(xì)溝侵蝕階段坡面侵蝕量與初始地表糙度、地表糙度變幅和降雨強(qiáng)度極顯著相關(guān)，徑流作為細(xì)溝侵蝕階段主要動力，徑流對溝底剝蝕、沖刷導(dǎo)致侵蝕量和地表糙度增大[19]，尤以橫壟坡面斷壟后效果最為明顯[20]。片蝕階段抽雄期侵蝕量與初始地表糙度和地表糙度變幅相關(guān)性達(dá)到顯著水平，其他生育期初始地表糙度、地表糙度變幅與侵蝕量極顯著相關(guān)。這主要是由于抽雄期LAI為2.770，雨滴對表面土壤擊濺作用降低，同時(shí)泥沙在壟溝內(nèi)堆積，地表糙度和侵蝕量減小[21]。濺蝕階段玉米全生育期地表糙度變幅與侵蝕量顯著相關(guān)，除成熟期外，其他生育期初始地表糙度與侵蝕量顯著相關(guān)。這主要是由于成熟期葉片枯萎，葉尖向下，濺蝕和徑流作用減弱[5]，同時(shí)，水蝕過程中初始地表糙度受到玉米生育期、耕作措施和降雨強(qiáng)度等因素影響[19]。

5 結(jié)論

1)玉米各生育期地表糙度在細(xì)溝侵蝕階段變幅最大，抽雄期地表糙度變幅最小，片蝕和細(xì)溝侵蝕階段地表糙度呈增加趨勢，2.0 mm/min降雨強(qiáng)度條件下地表糙度變幅最大。應(yīng)加強(qiáng)苗期橫壟坡面修復(fù)工作，防止水土流失加劇。

2)細(xì)溝侵蝕階段為橫壟坡面土壤侵蝕的主要階段，濺蝕階段侵蝕量在苗期隨降雨強(qiáng)度增加而降低，其他生育期與之相反；玉米各生育期片蝕和細(xì)溝侵蝕階段侵蝕量在2.0 mm/min降雨強(qiáng)度條件下最大，玉米抽雄期侵蝕量最低。

3)片蝕和細(xì)溝侵蝕階段侵蝕量與初始地表糙度和地表糙度變幅顯著相關(guān)，濺蝕階段初始地表糙度、地表糙度變幅與侵蝕量關(guān)系受玉米生育期影響較大，且地表糙度變幅對侵蝕量預(yù)測效果較優(yōu)。