降雨強度對農業耕作措施水土保持作用的影響

方 乾，趙龍山，吳發啟

(1. 貴州大學林學院，貴州 貴陽 550025；2. 西北農林科技大學資源環境學院，陜西 楊凌 712100)

坡耕地是人類從事農業生產的主要場所，因其受人為活動影響較大，已是水土流失的主要策源地[1]。在坡耕地上，嚴重的水土流失造成耕作層土壤和養分流失，降低了土地生產力，對區域農業生產與經濟發展產生不利影響[2-6]。長期以來，為防治坡耕地水土流失，改善土地生產力，形成了以耕作措施為基礎的水土保持耕作技術[7]。通過耕作措施，可以改變地表微地形，增大地表糙度，使耕地自身蓄水保水能力增強[8]，起到水土保持作用。吳發啟等[9-10]的研究表明，地表糙度的增加，將增大地表填洼量，延緩產流，強化降雨入滲。

其次，坡耕地實施水土保持耕作措施后，受地表微地形影響，地表產匯流過程發生變化，改變了徑流對泥沙的侵蝕、搬運和沉積機制，地表徑流攔蓄量和泥沙沉積量增加，潛在流失量降低， 從而達到降低坡面總徑流量和總產沙量的作用[11]。但是，由于耕作形成的地表微地形具有明顯的空間異質性，在不同的外界條件下，其水土保持作用具有一定差異，甚至有可能加劇土壤侵蝕發生[12-13]。

降雨是誘發土壤侵蝕的主要因素，李桂芳等[14]通過室內人工模擬降雨試驗研究了降雨強度對黑土坡面土壤侵蝕的影響，研究表明，隨著降雨強度的增大，土壤流失量隨之增大；田風霞等[15]的結果表明降雨強度對黃土坡面土壤侵蝕的影響呈冪函數變化；霍云梅等[16]的研究指出降雨強度與黏土坡面土壤侵蝕存在極顯著的正相關關系；張會茹等[17]的研究結果也與此相一致。但是，這些研究均以平整坡面為研究對象，而對耕作坡地地表條件缺乏考慮。因此，對農業耕作坡耕地上降雨強度與土壤侵蝕的關系還有待進一步研究。

鑒于此，本研究選擇人工掏挖、人工鋤耕和等高耕作為研究對象，以平整坡面為對照，通過人工模擬降雨試驗對不同降雨強度下農業耕作措施水土保持作用進行研究，以期為坡耕地水流失防治和治理提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于陜西省楊凌區，地處黃土高原南緣，關中腹地，其地理坐標為北緯34°17′，東經108°04′，總土地面積135 km2，地勢北高南低，西高東低，氣候為溫帶半濕潤大陸性季風氣候，年平均氣溫13℃，年均降雨量約640 mm，夏季高溫多雨，冬季嚴寒干燥。

1.2 研究方法

采用人工模擬降雨方法進行試驗，試驗地點在西北農林科技大學水土保持工程實驗室。降雨機采用中科院水土保持研究所研發的側噴式降雨機。試驗土槽規格長、寬和深度分別為2、1、0.5 m；試驗降雨強度分別為60、90、120 mm·h-1；坡度分別為5°和15°；降雨歷時90 min，以使坡地產流侵蝕過程達到穩定狀態。

試驗土槽填裝土壤時，采用分層填裝法，將土槽分為8層，每層填土5 cm，填土容重控制在1.3 g·cm-3，接近自然水平。裝土完成后，將地表整平，并將土壤坡度調整到試驗坡度，然后在試驗土槽中布設人工掏挖、人工鋤耕和等高耕作措施，以模擬不同的耕作地表條件。耕作措施布設后，立刻采用10 mm·h-1降雨對地表進行預降雨，降雨歷時30 min，以恢復土壤結構。預降雨結束后，將試驗土槽在室內靜置24 h后再開始正式降雨試驗。本研究中，對于每個耕作措施，均采用具有相同坡度的平整坡地作為對照措施。

正式降雨試驗開始后，當試驗土槽底部集流口有徑流產生時記錄產流開始時間。此后，每間隔2 min連續采集全部徑流泥沙樣。降雨試驗結束后，采用稱重法測量產流量，采用烘干法(105℃、12 h)測定產沙量。

1.3 數據分析

本研究包括3個降雨強度和2個試驗坡度，各農業耕作措施包括6組降雨試驗，徑流泥沙數據采用如下公式計算：

(1)不同降雨強度下各農業耕作措施平均產流量：

(1)

(2)不同降雨強度下各農業耕作措施平均產沙量：

(2)

(3)不同降雨強度下各農業耕作措施減流效益：

(3)

式中,ER為減流效益(%)；RY0為平整坡地總產流量(kg)；RYi為耕作坡地的總產流量(kg)。

(4)不同降雨強度下各農業耕作措施減沙效益：

(4)

式中,ES為減沙效益(%)；SY0為平整坡地總產沙量(g)；SYi為耕作坡地的總產沙量(g)。

采用Excel 2007對數據進行整理并繪制圖表，采用SPSS 20.0對不同降雨強度之間的產流量和產沙量進行方差分析，判斷降雨強度對產流量和產沙量影響的差異性(P=0.05)。

2 結果與分析

2.1 降雨強度對耕作坡地平均產流量和平均產沙量的影響

圖1 不同農業耕作措施下產流量隨降雨強度的變化Fig.1 Variation of runoff yield in agricultural lands under different rainfall intensities and tillage practices

不同降雨強度下，各耕作坡地平均產流量變化見圖1。由圖1可知，當降雨強度由60 mm·h-1增加到90 mm·h-1時，人工掏挖、人工鋤耕和等高耕作坡地平均產流量分別增加了1.51、1.51倍和2.28倍；當降雨強度由90 mm·h-1增加到120 mm·h-1時，人工掏挖、人工鋤耕和等高耕作坡地平均產流量分別增加了1.82、1.67倍和1.99倍?？梢?，隨著降雨強度的增大，人工掏挖、人工鋤耕和等高耕作坡地平均產流量呈增大趨勢，增加幅度依次為等高耕作>人工掏挖>人工鋤耕。降雨強度與平均產流量之間的關系與前人對平整坡面下產流量與降雨強度關系的研究結果一致[18-19]。與平整坡地相比，人工鋤耕、人工掏挖和等高耕作坡地平均產流量降低，說明等高耕作、人工掏挖和人工鋤耕措施具有降低坡地產流的作用。方差分析表明，同一措施不同降雨強度之間的坡地產流量存在極顯著差異(P<0.01)。

對坡地產沙量分析可知，與平均產流量隨降雨強度的變化相似，耕作坡地平均產沙量隨降雨強度增大也呈增加趨勢，但是在不同降雨強度下，平均產沙量增幅略有不同。從圖2(a)可以看出，就人工鋤耕坡地而言，在3個降雨強度下的產沙量變化均很明顯，當降雨強度由60 mm·h-1增大到90 mm·h-1并繼續增大到120 mm·h-1時，其平均產沙量分別增加了1.75倍和1.81倍。其余措施產沙量變化此處不再贅述。從圖2(b)可以看出，在降雨強度從60 mm·h-1增加到90 mm·h-1時，各耕作坡地平均產沙量變化不大；但是當降雨強度從90 mm·h-1增加到120 mm·h-1時，各耕作坡地下的平均產沙量增加極為明顯，人工掏挖、人工鋤耕和等高耕作坡地在120 mm·h-1的產沙量相較90 mm·h-1的產沙量分別增加了9.61、8.58倍和17.05倍。此外，在坡度較大的情況下，降雨強度為120 mm·h-1時，耕作坡地的平均產沙量顯著大于平整坡地。由方差分析可知，在坡度為5°時，人工鋤耕在3個降雨強度下的產沙量存在極顯著差異(P<0.01)；等高耕作和人工掏挖在60 mm·h-1和90 mm·h-1時的產沙量差異不顯著(P>0.05)，其余降雨強度下的產沙量之間差異極顯著(P<0.01)；在坡度15°時，各耕作措施坡地在60 mm·h-1和90 mm·h-1時的產沙量差異不顯著(P>0.05)，其余降雨強度之間的坡地產沙量存在極顯著差異(P<0.01)。

2.2 降雨強度對農業耕作措施坡面減流減沙效益的影響

從圖3可知，在3個降雨強度下，相較平整坡地，等高耕作均具有較高的減流效益且隨降雨強度的增大呈降低趨勢，但減流量均在15%以上；人工掏挖和人工鋤耕減流效益隨降雨強度的變化呈現出不同的特征，在降雨強度90 mm·h-1和120 mm·h-1時，均具有明顯的減流效益，而在降雨強度60 mm·h-1時，減流效益無明顯規律。總體來看，等高耕作在3個降雨強度下的減流效益最高。

圖2 不同農業耕作措施下產沙量隨降雨強度的變化Fig.2 Variation of sediment yield in agricultural lands under different rainfall intensities and tillage practices

圖3 不同降雨強度下農業耕作措施的減流效益Fig.3 Runoff reduction benefits of tillage practice in agricultural lands under different rainfall intensities

不同降雨強度下的減沙效益見圖4。由圖4可知，在坡度為5°時，相較平整坡地，人工掏挖和等高耕作坡地在3個降雨強度下均具有明顯的減沙效益，且兩個耕作措施的減沙效益均在25%以上，但隨降雨強度的增大呈現出不同特征，人工掏挖坡地減沙量隨降雨強度的增大呈增大趨勢，等高耕作坡地減沙效益受降雨強度影響不大；而人工鋤耕坡地在3個降雨強度下的減沙效益不明顯且無明顯變化規律；在坡度15°時，當降雨強度為60 mm·h-1和90 mm·h-1時，相較平整坡地，等高耕作具有明顯的減沙效益，人工鋤耕和人工掏挖減沙效益無明確規律；當降雨強度為120 mm·h-1時，3個耕作措施都不能有效降低坡面產沙量，反而使其增大。

以上分析表明，人工掏挖、人工鋤耕和等高耕作坡地平均產流量和平均產沙量隨著降雨強度的增大呈增大趨勢，但不同耕作措施的平均產流量和平均產沙量對降雨強度的響應特征不盡相同。林超文等[20]、鄭江坤等[21]和王鵬飛等[22]采用人工模擬降雨和徑流小區觀測得出的結果也與此相一致。梁心藍等[23]的研究表明不同耕作措施產生的地表糙度不同且地表糙度越大坡面產流產沙量越低。鄭子成等[24]的研究也表明地表糙度的增加可以降低地表徑流量?？梢?，不同耕作措施對地表微地形的影響不同，導致地表攔蓄降水和泥沙沉積的作用存在差異。

圖4 不同降雨強度下農業耕作措施的減沙效益Fig.4 Sediment reduction benefits of tillage practice in agricultural lands under different rainfall intensities

農業耕作措施在降雨強度和坡度較小時具有保水保土的作用，但在坡度和降雨強度較大時不具有水土保持作用。趙龍山等[25]對裸露陡坡地的研究表明，耕作措施在降雨強度較小時具有延緩產流的作用，在大降雨強度時反而增大坡面產沙。而王治國等[26]的研究表明實施耕作措施的坡面將加劇細溝侵蝕，產沙量將明顯增大。實施農業耕作措施將改變地表形態，在坡面形成洼地，在降雨強度較小時，洼地具有攔蓄降水增加土壤入滲的作用，而隨著降雨強度的增大，耕作措施攔蓄降水和沉積泥沙的作用不斷減小[27]，且在大降雨強度下，單位面積土壤承雨量變大，雨滴擊打和徑流沖刷力逐步增加[28-29]，尤其是在大坡度條件下，坡度強化了徑流沖刷力和降低了土壤的穩定性，地表微地形逐漸垮塌，使耕作措施形成的地表坑洼與細溝侵蝕發育前期的跌坎相類似而不斷連通，形成斷續細溝，在地表產生細溝侵蝕，導致耕作坡地產沙量增加[30-31]。因此，耕作措施坡面減沙效益隨降雨強度的變化呈現出不同特征。

3 結 論

1)降雨強度對農業耕作措施水土保持作用的影響較大，人工鋤耕、人工掏挖和等高耕作坡地平均產流量和平均產沙量隨降雨強度的增大而增大，平均產流量增加幅度依次為等高耕作>人工掏挖>人工鋤耕；產沙量在60 mm·h-1和90 mm·h-1時變化不明顯，在90 mm·h-1和120 mm·h-1時平均產沙量明顯增大。

2)降雨強度對不同農業耕作措施減流效益的影響存在差異。等高耕作具有較高的減流效益且隨降雨強度的增大呈現減小趨勢；人工鋤耕和人工掏挖在90 mm·h-1和120 mm·h-1時具有較高的減流效益，而在60 mm·h-1時減流效益無明顯特征。

3)農業耕作措施減沙效益在不同降雨強度下表現出不同特征。在坡度5°時，人工掏挖和等高耕作在3個降雨強度下均具有較高的減沙效益，均在25%以上；人工鋤耕并無明顯變化規律；在坡度15°時，除等高耕作在60 mm·h-1和90 mm·h-1具有明顯降低坡面產沙的作用外，人工鋤耕和人工掏挖措施都無明顯降低坡面產沙的作用；在降雨強度120 mm·h-1，耕作措施反而使坡地產沙量明顯增大。