不同擾動帶設置對坡耕地產流產沙的影響

郭志鵬，段喜明，裴 崢

（山西農業大學林學院，山西太谷030801）

黃土高原是世界上土壤侵蝕最嚴重的區域之一[1]，也是我國主要的旱作農業區，農業活動的主體是坡耕地。但坡耕地又極易產生水土流失，據統計，坡耕地每年的土壤流失量約為1.5×109t，占全國水土流失總量的1/3[2]。因此，控制和減少坡耕地的水土流失，對改善耕地質量和提高糧食產量都具有重要意義。坡度是影響坡耕地水土流失的一個重要因素，當坡度大于15°時，水土流失嚴重且土壤侵蝕量隨坡度上升而增加較大，因此，坡耕地的坡度盡量不超過15°[3-6]。擾動地表、改變微地形，可以增加地表糙度，進而影響水土流失。現有研究表明，產流產沙量隨地表糙度的變化并不是單一的遞增或遞減。一種觀點認為，擾動地表，增加地表糙度，使土壤疏松，更易受到沖刷，加劇了土壤侵蝕；另一種觀點認為，增加地表糙度可增加入滲，減輕水土流失[7-11]。作為常用的水土保持耕作措施，秸稈覆蓋也受到越來越多的關注。秸稈覆蓋可以削弱雨滴動能，使土壤免受雨滴擊濺，減少土壤顆粒的分離與擴散，同時還可以截留泥沙，減少土壤侵蝕[12-16]。

為尋找減少坡耕地水土流失的方法，本試驗在徑流小區內沿等高線選一長條形區域進行翻耕處理，形成擾動帶；通過翻耕擾動，疏松土壤，增加入滲，減小徑流量，并在擾動區域覆蓋秸稈，以減輕擾動地表造成的土壤流失；通過改變擾動帶的位置和坡度，結合秸稈覆蓋，研究不同的擾動帶設置對坡耕地產流產沙的影響。

1 材料和方法

1.1 試驗區概況

試驗在山西省方山縣沙溝水土流失綜合觀測場進行，地理位置東經 111°17′34″，北緯 37°44′25″。觀測場所在流域控制面積1.78 km2，屬溫帶大陸性氣候，降雨集中且多暴雨，土壤類型為草甸土及褐土，水土流失類型以水力侵蝕為主。

1.2 試驗設計

觀測場內有一系列徑流小區，小區用PVC板圍砌，投影面積為3 m×1 m，下部有出流口，用于收集小區的產流與產沙。本試驗在3種坡度（5°，10°，15°）的徑流小區內沿等高線選一投影寬度為30 cm的長條形區域，翻耕表層10 cm土壤作為擾動帶，改變擾動帶的位置（上方或下方，即小區上1/3處或下1/3處）、坡度（原坡或水平）和覆蓋條件（有覆蓋或無覆蓋）對小區處理，并與CK（未設置擾動帶的小區）比較。每個坡度9種設置，共27個處理，試驗重復3次。擾動帶位置及坡度如圖1所示，水平擾動帶與上方坡段有5 cm寬的過渡段，擾動帶設置如表1所示。覆蓋物為風干的玉米秸稈，切成10 cm小段，覆蓋量為0.4 kg/m2[4]。試驗采用TSJY-081型全自動便攜式人工模擬降雨器進行降雨，結合當地實際降雨情況，雨強選擇1.2 mm/min。試驗前測得土壤容重為1.3g/cm3，土壤初始平均含水量為10%。從降雨開始進行計時，記錄開始產流時間，開始產流后每隔3 min收集一次徑流試樣（約300 mL），產流30 min后結束降雨。泥沙量用烘干法測定。

表1 擾動帶設置

2 結果與分析

2.1 開始產流時間的變化特征

由圖2可知，小區坡度不同時，產流時間隨坡度增加有提前的趨勢；擾動帶位于小區上方時，10°和15°坡開始產流時間相差不大。擾動帶位置不同時，與上方的擾動帶相比，下方的擾動帶在5°，10°和15°坡的條件下產流時間分別延遲68.89%～94.44%，106.52%～158.82%和56.25%～103.70%。擾動帶坡度不同時，與原坡擾動帶相比，水平擾動帶在 5°，10°和15°坡的條件下產流時間分別延遲10.14%～21.62%，25%～43.75%和20.97%～37.04%。擾動帶覆蓋條件不同時，與無覆蓋擾動帶相比，有覆蓋的擾動帶在5°，10°和15°坡的條件下產流時間分別延遲為20%～38.16%，7.95%～28.00%和12.73%～29.73%。

綜上所述，擾動帶的位置變化對產流時間的影響最為明顯，設置于小區下方的擾動帶延遲產流效果較好。擾動帶位置不同，作用范圍也不同，擾動帶位于小區下方時，可以攔截更大范圍的水量，充分發揮作用，延緩徑流的產生。其中，設置7（下方水平有覆蓋）延遲產流的效果最好，產流時間延遲可6.4～8.1 min。

2.2 擾動帶對產流的影響

2.2.1 對產流過程的影響 由圖3可知，不同處理的產流量均呈先增加后趨于穩定的趨勢。產流初期，CK的產流量高于其他處理，且在10°，15°坡上更為明顯；產流6～12 min，無覆蓋的擾動帶產流量迅速增加，24 min后產流達到穩定，產流量與CK接近，說明無覆蓋的擾動帶在產流前期可減少產流量，在產流6～12 min后已無減流效果；有覆蓋的擾動帶產流量增加較慢，穩定產流量明顯低于CK，說明有覆蓋的擾動帶在整個產流過程中都有減流效果；設置7（下方水平有覆蓋）減少產流的效果最好，與CK相比，產流量減少42.81%～43.74%。

2.2.2 對總產流量的影響 從表2可以看出，擾動帶設置相同時，總產流量隨坡度增加而增加。10°坡的總產流量是5°坡的1.22～1.44倍，15°坡的總產流量是5°坡的1.49～1.89倍；坡度相同時，與CK相比，不同擾動帶設置均可減少產流。5°坡各設置減少產流5.12%～43.41%，10°坡各設置減少產流9.76%～42.81%，15°坡各設置減少產流12.95%～43.74%；同一坡度下，設置7（下方水平有覆蓋）的產流量最少，減少產流的效果最好，且坡度越大減流效果越好。

表2 不同處理的總產流量L

不同坡度下的產流量變化趨勢相似，以10°坡為例進行分析。擾動帶設置于下方比設置于上方產流量減少9.87%～23.04%；水平擾動帶比原坡擾動帶產流量減少3.61%～12.34%；有覆蓋的擾動帶比無覆蓋的擾動帶產流量減少8.35%～21.87%。這是因為擾動帶攔截徑流的作用與其位置有關，擾動帶越靠近下方，作用范圍越廣，攔截的水量也越多，所以擾動帶位于下方時，產流量也相對較低；水平擾動帶更有利于攔截徑流，但由于擾動帶范圍較小，所以產流量差距不大；秸稈覆蓋可以形成保護層，避免雨滴直接打擊擾動帶，堵塞土壤孔隙，形成土壤結皮。因此，擾動帶有覆蓋的小區穩定產流量明顯低于擾動帶無覆蓋的小區。

2.3 擾動帶對產沙的影響

2.3.1 對產沙過程的影響 由圖4可知，開始產流后，產沙量先緩慢增加，6 min以后迅速增加，然后波動減小，24 min后趨于穩定。擾動帶無覆蓋的小區產沙量波動較大，峰值較高；擾動帶有覆蓋的小區產沙量波動較小，峰值較低。這是因為翻耕擾動地表，會產生大量松散顆粒，容易造成土壤損失，秸稈覆蓋會形成保護層，不僅可以削弱雨滴濺蝕，還可減緩徑流流速，從而減少產沙量。

2.3.2 對總產沙量的影響 從圖5可以看出，在擾動帶設置相同的條件下，不同處理的總產沙量隨坡度變化為 15°＞10°＞5°。10°坡的總產沙量是 5°坡的 1.79～2.54 倍，15°坡是 5°坡的 3.34～4.25 倍。小區坡度相同時，不同擾動帶設置對小區的總產沙量影響不同，設置7（下方水平有覆蓋）的總產沙量最少，減沙效果最好；5°和15°坡的設置2（上方原坡無覆蓋）、設置6（下方原坡無覆蓋）和設置8（下方水平無覆蓋），10°坡的設置2（上方原坡無覆蓋）反而使總產沙量增加，因為這幾個小區的擾動帶均未覆蓋，本試驗的擾動帶是通過翻耕擾動地表形成的。因此，擾動帶的土壤疏松，土粒易于分散，在降雨過程中，濺蝕嚴重，產流以后，松散的土壤更易受到沖刷，造成產沙量的增加。不同處理的減沙效果列于表3。

表3 不同處理的減沙效果%

3 結論與討論

通過人工降雨試驗，在雨強1.2 mm/min、土壤容重1.3 g/cm3、土壤初始平均含水量10%的條件下，分析不同擾動帶設置對坡耕地產流產沙的影響，結果表明，設置擾動帶可延遲產流時間，擾動帶的位置變化對產流時間的影響最明顯。其中，設置7（下方水平有覆蓋）延遲產流效果最好，產流時間延遲6.4～8.1 min。設置擾動帶可以減少產流量。設置7（下方水平有覆蓋）具有最優的減流效果，與CK相比，總產流量減少42.81%～43.74%；覆蓋條件對擾動帶持續發揮作用具有重要意義。在產流6～12min后，無覆蓋的擾動帶已基本無減流效果，有覆蓋的擾動帶在整個試驗過程中都在發揮減流效果。擾動帶的減沙作用與覆蓋條件有關。有覆蓋的擾動帶均可減少產沙，無覆蓋的擾動帶減沙效果不明顯，部分處理反而使產沙量增加，設置2（上方原坡無覆蓋）在3個坡度上均不能減少產沙。設置7（下方水平有覆蓋）減少產沙的效果最好，與CK相比，產沙量減少32.47%～44.14%。不同的擾動帶設置對產流產沙的影響不同，有覆蓋的擾動帶減流減沙效果較好，設置7（下方水平有覆蓋）效果最佳，且操作簡便，容易推廣。