趙婭君, 吳發(fā)啟, 徐 寧, 曹博召

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100; 2.西北農(nóng)林科技大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院, 陜西 楊凌 712100)

黃土高原地區(qū)土壤侵蝕嚴(yán)重，大面積坡耕地產(chǎn)生的侵蝕量占黃土高原侵蝕量的50%以上，坡耕地仍是造成土壤侵蝕的重要區(qū)域[1]。耕地表面作物成為影響坡耕地侵蝕的主要因素，同時也是治理坡耕地水土流失提高經(jīng)濟效益的受益對象。有研究[2]表明坡耕地農(nóng)作物水土保持作用小于林草，但是相比于裸坡地，坡耕地作物仍有不同程度的抗侵蝕作用。穿透雨是作物耕地產(chǎn)流產(chǎn)沙的主要來源，Kang等[3]得出噴灌條件下冬小麥冠層截留量受葉面積指數(shù)和株高等影響，全生育期截留量占總噴灌量1.3%，多數(shù)為穿透雨。但玉米冠層的截留率為11.6%，棵間水量和莖稈流占總灌水量的45.4%和43.0%，可見玉米作物冠層在降雨分配中有重要作用[4]。玉米葉片匯集形成的大雨滴增加穿透雨的降雨侵蝕力，同時將一半降雨轉(zhuǎn)化為莖稈流的能力減小了降雨侵蝕力[5]。作物通過地上地下的共同作用能減小坡耕地的產(chǎn)流產(chǎn)沙量，王豐等[6]對三峽庫區(qū)冬小麥、油菜、春玉米3種作物研究得出，種植作物坡耕地侵蝕產(chǎn)沙量均小于裸地，春玉米的水土保持功能最好。紅薯和花生的產(chǎn)流產(chǎn)沙和養(yǎng)分流失均小于裸地，紅薯效果優(yōu)于花生[7]。這說明作物可以抑制坡面侵蝕產(chǎn)沙過程，但作物防蝕作用有限，雨強和坡度等侵蝕因子同樣對坡耕地侵蝕產(chǎn)沙造成影響。王健等[8]認為玉米苜蓿間作可有效控制地表徑流，但隨著坡度的增加，控制效果減弱。安曈昕等[9]將玉米、辣椒以及混播草帶組成不同的間作方式，認為作物間作的水土流失量小于作物單作，隨著降雨強度增加，作物坡耕地的水土流失量都增加。

作物覆蓋對減少土壤侵蝕有一定作用，尤其是降雨多發(fā)的季節(jié)恰好為作物生長高峰期，能有效的控制土壤侵蝕。但是作物不同生長期冠幅變化大，防蝕能力有差異。大多研究著眼于作物在成熟期的蓄水減沙效果，對不同生長階段作物的侵蝕產(chǎn)沙影響缺乏深入的了解。本試驗探究在人工模擬降雨條件下玉米作物不同生長階段對坡面土壤侵蝕的影響，深入了解作物對坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙的抑制機理，明確種植作物條件下坡耕地的侵蝕過程，以便在侵蝕嚴(yán)重的作物生長期采取輔助的水土保持措施，減少水土流失，維持耕地生產(chǎn)力，改善農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展現(xiàn)狀，為黃土高原坡面水土流失防治提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

該研究區(qū)域位于西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持工程實驗室種植園，地處陜西省楊凌農(nóng)業(yè)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)示范區(qū)(107°59′—108°08′E，34°14′—34°20′N)。該區(qū)平均海拔468 m，總面積為135 km2。屬大陸性季風(fēng)半濕潤氣候，年均氣溫12.9 ℃，年均降水量635～663.9 mm，降水集中在7—10月，且降雨有多暴雨、短促的特征。植被類型主要為溫帶濕潤半濕潤森林，但分布較少，主要為農(nóng)田。土壤類型主要是塿土，由褐土經(jīng)長期耕作和施用土肥形成的一種特殊土壤。有機質(zhì)含量較高，疏松多孔，一般為灰棕色團粒、團塊狀結(jié)構(gòu)。土壤有機質(zhì)含量為1.33%，土壤顆粒組成為黏粒(<2 μm)占26.35%、粉粒(2～50 μm)占43.68%和砂粒(50～2000 μm)占29.97%，pH值為8.22。

1.2 徑流小區(qū)布設(shè)

徑流小區(qū)長3 m，寬1 m，四周用PVC板隔開，采用我國的標(biāo)準(zhǔn)小區(qū)坡度，坡度均為10°。小區(qū)做玉米作物和裸地對照兩種處理，重復(fù)兩組。小區(qū)內(nèi)土壤為周邊農(nóng)耕地20 cm表層土，壓實裝土使土壤容重約為1.27 g/cm3，沉降6個月后再次裝滿，以達到自然耕作土狀態(tài)。供試玉米品種為鄭單958，播前分別以50 000和400 kg/hm2的用量施用有機肥(腐熟羊糞)和磷酸二銨。玉米于2018年6月18日種植于徑流小區(qū)，按行距60 cm，株距25 cm播種，每穴兩粒，每個小區(qū)24株。小區(qū)在播種后整理為平直坡面，除取土樣外均不擾動坡面，其余種植和管理依據(jù)當(dāng)?shù)剞r(nóng)作習(xí)慣。

1.3 人工模擬降雨試驗

產(chǎn)流產(chǎn)沙量通過人工模擬降雨試驗測定。降雨裝置是中科院水利部水土保持研究所的組合側(cè)噴式降雨機，降雨時降雨機放置于徑流小區(qū)兩側(cè)對噴，降雨高度7 m，能使雨滴終點速度接近自然降雨終點速度，有效降雨面積為5 m×7 m。根據(jù)黃土高原降雨多暴雨的特點，設(shè)計40和80 mm/h兩個降雨強度，降雨歷時60 min。降雨試驗選在無風(fēng)時段，試驗過程中盡量保持除植被、雨強之外的自然條件一致。每次降雨試驗前，測定當(dāng)前葉面積指數(shù)并采用土鉆法(φ=5 cm)測定表層土壤的土壤含水量。開始降雨初期對降雨強度和均勻度進行校正。記錄降雨產(chǎn)流的起止時間，產(chǎn)流開始后用塑料桶收集徑流量1 min，之后每3 min收集1次1 min的徑流量，直至產(chǎn)流結(jié)束。測量徑流泥沙樣品的總質(zhì)量，靜置后倒掉上層清液，在105 ℃條件下烘干至恒重稱量泥沙。此次試驗中玉米的生育期劃分為幼苗期、拔節(jié)初期、拔節(jié)中期、拔節(jié)后、抽雄期5個階段，在各生長階段均以裸地小區(qū)做對照開展相應(yīng)的人工模擬降雨試驗。其中徑流系數(shù)(%)是由徑流深(mm)和同時段降雨量(mm)之比的百分?jǐn)?shù)所得；含沙率(g/L)即產(chǎn)沙量(g/m2)與徑流量(L/m2)之比。

1.4 葉面積指數(shù)測定

不同生育期選取有代表性的玉米植株，將玉米植株葉片剪下，測量它的最長和最寬處，根據(jù)長寬比例法測算總?cè)~面積[10]。計算公式為：

(1)

式中：AL表示單株玉米葉面積(cm2);n表示玉米葉片數(shù);k表示修正系數(shù)(0.75);Li表示第i片葉的最長長度(cm);Wi表示第i片葉片最寬寬度(cm)。

玉米葉面積指數(shù)(LAI)是植物葉片總面積與土地面積的比值。計算公式為：

(2)

式中：LAI表示葉面積指數(shù);n表示玉米株數(shù);ALi表示第i株玉米總?cè)~面積(cm2);I表示株距(cm);L表示行距(cm)。

根據(jù)以上數(shù)據(jù)計算坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙量，并繪制圖表，分析玉米作物對坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響。本次試驗圖表通過Excel軟件和SPSS軟件完成。

2 研究結(jié)果與分析

2.1 不同生育期玉米坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙量

相比于裸地，玉米在各生育期都能有效抑制產(chǎn)流量，且隨作物的生長抑制作用加強(圖1)。5個輪次裸地平均約51%的降雨入滲，其余形成徑流。不同生育期中，幼苗期減流效果微弱平均減小6.51%徑流量。抽雄期最盛，在兩個雨強下平均可減少48.45%徑流量。同時可看出在拔節(jié)中期產(chǎn)流量較拔節(jié)初期顯著降低，較裸地平均減小27.3%徑流量。表明裸地小區(qū)由于無植被保護，降雨過程中受雨滴的擊濺后土壤結(jié)構(gòu)易發(fā)生破壞，剝離地表的土粒易被徑流沖刷帶走，導(dǎo)致土壤侵蝕嚴(yán)重。到拔節(jié)中期作物覆蓋度提高，行間隙減小，降雨攔截能力增強，抽雄期植株生長最為茂盛時期減流效果最好。

不同生育期作物的產(chǎn)沙量同產(chǎn)流量有著相同的變化趨勢，但各生育期的減沙量大于減流量(圖1)。相比于裸坡產(chǎn)沙量，40 mm/h雨強下玉米幼苗期坡面產(chǎn)沙量減少12.03%，抽雄期減少73.83%。當(dāng)雨強增大到80 mm/h，幼苗期產(chǎn)沙量比裸坡減少9.26%，抽雄期減少70.50%。與產(chǎn)流情況對比，玉米到抽雄期泥沙量的減少遠大于徑流量的減少，有力的說明了玉米不同生育期的減沙效果優(yōu)于減流效果。同一生長階段泥沙量的減小可能是由于玉米植株較高，葉片窄大且在不同高度層疊，冠層攔截降雨極大地減少了穿透雨對地面土粒的擊打，加之玉米根系對土壤的固結(jié)改良作用使土壤侵蝕量降低。但葉片凹向莖稈的特殊形態(tài)又將攔截的降雨轉(zhuǎn)化成莖稈流，研究表明玉米可將40%～50%降雨轉(zhuǎn)化為莖稈流[11]，部分莖稈流又匯聚成為徑流，導(dǎo)致玉米減流效果沒有減沙明顯。

注：徑流量和產(chǎn)沙量均取三組重復(fù)的平均值。

2.2 不同雨強下玉米坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙過程

由圖2可得，產(chǎn)流過程大致可分為快速產(chǎn)流階段和穩(wěn)定產(chǎn)流階段。相比于裸地，玉米的生長首先改變初始產(chǎn)流時間，40 mm/h雨強下從裸地的6.25 min延長到抽雄期14.5 min，80 mm/h下從裸地的5.0 min延長到抽雄期的13.3 min。不同生長期玉米在穩(wěn)定產(chǎn)流階段產(chǎn)流量是不斷波動的，但呈現(xiàn)隨著玉米生長而減小的規(guī)律。

這些均說明玉米作物對徑流具有較好的調(diào)控作用。正是玉米對徑流的攔截，延緩降雨匯聚地面速度，增加地面入滲，延長了徑流匯聚到出口處時間，減少徑流量。

注：為使結(jié)果簡明，僅挑選玉米拔節(jié)初期和拔節(jié)后期與裸地進行比較。下同。

由圖3可得產(chǎn)流過程與產(chǎn)沙過程相似，但產(chǎn)沙曲線波動大。相比于產(chǎn)流過程，不同生長階段的產(chǎn)沙量差異顯著。隨著玉米的生長初始產(chǎn)沙時間延遲，同時初始產(chǎn)沙量也有所減小，80 mm/h雨強下從裸地的2.48 g/m2減小到抽雄期的0.89 g/m2，這在產(chǎn)流中并未出現(xiàn)。降雨初期徑流量增大的同時產(chǎn)沙量增加，達到峰值后產(chǎn)沙量穩(wěn)定波動或下降波動。穩(wěn)定產(chǎn)沙階段曲線呈現(xiàn)多峰多谷的的特點，峰谷差異顯著，這說明坡面剝離和搬運泥沙過程不穩(wěn)定，波動大。不同雨強下產(chǎn)流產(chǎn)沙情況進行對比可得，雨強從40 mm/h增加到80 mm/h，裸地小區(qū)平均產(chǎn)流量增加150%，平均產(chǎn)沙量增加165%。玉米全生育期的坡地產(chǎn)流量增加141%，產(chǎn)沙量增加135%。各個時期產(chǎn)流量在高雨強下比低雨強增加107%～171%，產(chǎn)沙量增加100%～174%。說明玉米作物小區(qū)在高低雨強條件下徑流和泥沙量均小于裸地，但玉米無法消除雨強的作用，雨強增加時玉米小區(qū)產(chǎn)流產(chǎn)沙量仍顯著增加。

圖3 不同雨強下生育期玉米和裸地的產(chǎn)沙過程

高雨強下初始產(chǎn)流和初始產(chǎn)沙時間提前，初始產(chǎn)流產(chǎn)沙量也有所提高，相比于低雨強的產(chǎn)流產(chǎn)沙量大且波動明顯。由表1可得隨著玉米生長徑流系數(shù)和產(chǎn)沙量逐漸減小，但同時期80 mm/h下的徑流系數(shù)和含沙量總是大于40 mm/h。這意味著高雨強下土壤侵蝕更加嚴(yán)重。

2.3 玉米坡耕地的土壤流失比率

植被覆蓋與管理C因子是指一定條件下有作物等植被覆蓋條件下的土壤流失量和同條件下休閑地土壤流失量的比值。由于農(nóng)作物年內(nèi)地表冠層變化劇烈，計算C值首先劃分生育期，計算各生育期的土壤流失比率，根據(jù)降雨侵蝕力的分布情況加權(quán)平均求平均C值。

表1 不同雨強下生育期玉米和裸地的產(chǎn)流產(chǎn)沙量

本研究根據(jù)葉面積指數(shù)將玉米生育期劃分為苗期、拔節(jié)初期、拔節(jié)中期、拔節(jié)后期、抽雄期。農(nóng)作物土壤流失比率(SLR)可根據(jù)小區(qū)內(nèi)降雨觀測結(jié)果求得，即不同生育期玉米作物與對照裸地土壤流失量之比。C因子受眾多因素影響，本次試驗的基準(zhǔn)條件統(tǒng)一為以下3點： ①采取人工模擬降雨，可控制雨強和土壤前期含水量，統(tǒng)一降雨條件； ②小區(qū)長3 m，寬1 m，坡度為10°，坡面均為平直坡面，無耕作措施； ③作物種植方式均為等高橫坡種植。如圖4所示，葉面積指數(shù)與土壤流失比率呈指數(shù)相關(guān)關(guān)系。對關(guān)系式進行方差分析，顯著性概率均小于0.01，可看出玉米葉面積指數(shù)與土壤流失比率有極好的相關(guān)性。隨著葉面積指數(shù)的增加，小區(qū)的土壤流失比率而明顯下降。玉米生長到抽雄期40和80 mm/h的土壤流失比率分別為0.256和0.270，生長最為茂盛時期恰好為黃土高原地區(qū)年降雨最豐沛時期，故可有效的阻擋土壤侵蝕。作物生長前期由于冠層較小，土壤易遭受侵蝕土壤流失比率較高，應(yīng)在玉米幼苗期、拔節(jié)初期采取相應(yīng)的水土保持措施控制土壤流失。

圖4 葉面積指數(shù)與土壤流失比率相關(guān)關(guān)系

3 討 論

3.1 不同生育期玉米坡面對產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響

本文主要研究不同生育期玉米對坡耕地產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響，闡明玉米作物抵御降雨減少土壤侵蝕的形式和機理。玉米生長前期坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙量減小較少，這是因為幼苗期和拔節(jié)初期作物覆蓋度較小，行間隙大，作物的攔蓄作用并不穩(wěn)定。隨著玉米作物的生長，主要通過多方面增加入滲的方式減少侵蝕產(chǎn)沙，作物在外部主要通過攔截降雨和對降雨的再分配延緩降雨在地表滯留時間從而增加入滲，內(nèi)部通過作物根系增加土壤生物大孔隙從而改善土壤性狀促進入滲[12-13]。Prieksat[14]指出玉米植株基部土壤入滲率高于田間其他區(qū)域，且隨著玉米生長基部地表土壤入滲率增加，表明玉米根系對入滲的重要作用。作物生長到拔節(jié)中期其攔蓄入滲作用使得徑流泥沙量迅速下降。隨著玉米的生長發(fā)育趨于成熟，作物在拔節(jié)后期和抽雄期的減流減沙能力持續(xù)且穩(wěn)定地增強，到抽雄期可減少48.45%徑流量和71.18%產(chǎn)沙量，研究結(jié)果均大于馬波[15]所得。且玉米作物在不同生育期的減沙效果優(yōu)于減流效果，這與鄭子成、王豐等人[16-17]研究結(jié)果一致。玉米攔截泥沙的能力優(yōu)于對徑流的攔蓄，推測是由于玉米冠層截留少，大部分徑流以莖稈流的形式重新組成徑流，增加徑流量，但是冠層阻礙降雨對地面的打擊作用，玉米基部阻礙泥沙的流動以及玉米根系對土壤的固結(jié)作用減少泥沙侵蝕量。裸地和玉米各生育期的產(chǎn)流產(chǎn)沙過程是不斷波動的，且產(chǎn)沙過程相比產(chǎn)流過程波動更為劇烈，這在朱智勇等人[18]的研究中得出同樣結(jié)論。植被覆蓋度低和雨強增加使得坡面侵蝕產(chǎn)沙過程更加劇烈。本試驗結(jié)論是在微小尺度進行人工模擬降雨得出玉米防蝕機理，是否適用于野外實踐工作需進一步野外降雨試驗的驗證和修正。

3.2 雨強對坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響

降雨強度是影響產(chǎn)流的主要因素之一。徑流的形成本質(zhì)上是降雨量和入滲量之差，降雨強度的增加引起雨量的增加和雨滴動能的增強，從多個方面減小入滲，增大徑流。試驗結(jié)果得裸地和各生育期玉米坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙量均隨著雨強的增大而增加，與張會茹[19]研究結(jié)果相似。雨強增加使相同時間內(nèi)降雨量增加，形成更多徑流；同時地表對降雨的擊打作用增強使地表形成光滑密實的結(jié)皮層，減少降雨入滲增大徑流[20]。因此各時期高雨強下的徑流系數(shù)均大于低雨強，同時提前初始產(chǎn)流產(chǎn)沙時間。含沙量增加一是由于徑流量的增加本身會增強對地表的沖刷力，同時降雨強度的增大導(dǎo)致雨滴動能增大，對地表的破壞力增加所致。

3.3 玉米坡面的土壤流失比率

植被覆蓋與管理因子(C因子)是通用土壤流失方程USLE中最重要的因子之一，可評價作物覆蓋和管理措施等對土壤侵蝕的作用。由于缺乏地面侵蝕實測數(shù)據(jù)，常采用作物不同生長階段植被覆蓋度指標(biāo)估算C值，但這種方法容易導(dǎo)致評價結(jié)果出現(xiàn)偏差。孫佳佳等[21]指出用葉面積指數(shù)(LAI)表示土壤侵蝕模數(shù)可穩(wěn)定可靠地評價植被水土保持效益。葉面積指數(shù)能較好地表征植被群落的覆蓋狀況和垂直結(jié)構(gòu)特征。林杰等[22]選擇多種植被樣地用LAI取代植被覆蓋度作為評價和估算C因子的指標(biāo)，結(jié)果可行。本研究結(jié)果表明葉面積指數(shù)與土壤流失比率具有良好的指數(shù)相關(guān)關(guān)系，這與大豆的葉面積指數(shù)與土壤流失比率關(guān)系相似[23]。這意味著雖然影響土壤流失比率的因素很多，但可以僅通過葉面積指數(shù)估算出一定基準(zhǔn)條件下的土壤流失比率，即各生長階段的C值，一定程度上彌補植被覆蓋度表達結(jié)構(gòu)層次單一的缺點，為估算作物年C值提供基礎(chǔ)。本方程雖然為估算土壤流失比率提供新方法，但此數(shù)據(jù)是特定基準(zhǔn)條件下單次試驗所得，方程的準(zhǔn)確性還需在標(biāo)準(zhǔn)小區(qū)進行長期重復(fù)的野外試驗驗證，進一步增加中國C因子資料數(shù)據(jù)庫。此外本試驗僅測算玉米不同生長階段的土壤流失比率，缺乏當(dāng)?shù)亟涤昵治g力數(shù)據(jù)估算最終的年作物C值，應(yīng)在此后深入研究。

4 結(jié) 論

(1) 隨著作物生長玉米對坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙的抵御作用增強，幼苗期效果微弱，抽雄期最盛，抽雄期相比于裸地可減少48.5%徑流量，減少73.7%產(chǎn)沙量。玉米全生育期平均徑流量減少28.1%，產(chǎn)沙量減少43.9%。不同生長階段玉米作物的減沙效果均優(yōu)于減流效果。

(2) 玉米作物改變侵蝕過程中產(chǎn)流產(chǎn)沙量和時間的分配。種植玉米后初始產(chǎn)流產(chǎn)沙時間延遲，穩(wěn)定產(chǎn)流產(chǎn)沙階段平均產(chǎn)流產(chǎn)沙量下降，隨著玉米生長效果更為顯著。降雨的產(chǎn)流過程和產(chǎn)沙過程呈現(xiàn)不斷波動趨勢。雨強從40 mm/h增加到80 mm/h使產(chǎn)流產(chǎn)沙量增長率大于100%，徑流系數(shù)和含沙量均增加，侵蝕過程更加劇烈。

(3) 葉面積指數(shù)與相應(yīng)階段土壤流失比率有較好的指數(shù)相關(guān)關(guān)系。使用葉面積指數(shù)來估算不同生育期玉米的土壤流失比率，避免了使用植被覆蓋估算C值產(chǎn)生的誤差，為估算年C值奠定基礎(chǔ)。