不同雨強下各生育期玉米坡耕地的侵蝕產沙研究

趙婭君, 吳發啟, 徐 寧, 曹博召

(1.西北農林科技大學 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100; 2.西北農林科技大學 資源環境學院, 陜西 楊凌 712100)

黃土高原地區土壤侵蝕嚴重，大面積坡耕地產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濟效益的受益對象。有研究[2]表明坡耕地農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流產沙的主要來源，Kang等[3]得出噴灌條件下冬小麥冠層截留量受葉面積指數和株高等影響，全生育期截留量占總噴灌量1.3%，多數為穿透雨。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流產沙量，王豐等[6]對三峽庫區冬小麥、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。紅薯和花生的產流產沙和養分流失均小于裸地，紅薯效果優于花生[7]。這說明作物可以抑制坡面侵蝕產沙過程，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，尤其是降雨多發的季節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流產沙的抑制機理，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，維持耕地生產力，改善農業生產發展現狀，為黃土高原坡面水土流失防治提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

該研究區域位于西北農林科技大學水土保持工程實驗室種植園，地處陜西省楊凌農業高新技術產業示范區(107°59′—108°08′E，34°14′—34°20′N)。該區平均海拔468 m，總面積為135 km2。屬大陸性季風半濕潤氣候，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，主要為農田。土壤類型主要是塿土，由褐土經長期耕作和施用土肥形成的一種特殊土壤。有機質含量較高，疏松多孔，一般為灰棕色團粒、團塊狀結構。土壤有機質含量為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 徑流小區布設

徑流小區長3 m，寬1 m，四周用PVC板隔開，采用我國的標準小區坡度，坡度均為10°。小區做玉米作物和裸地對照兩種處理，重復兩組。小區內土壤為周邊農耕地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。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，按行距60 cm，株距25 cm播種，每穴兩粒，每個小區24株。小區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當地農作習慣。

1.3 人工模擬降雨試驗

產流產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噴式降雨機，降雨時降雨機放置于徑流小區兩側對噴，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。根據黃土高原降雨多暴雨的特點，設計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，測定當前葉面積指數并采用土鉆法(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。記錄降雨產流的起止時間，產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，直至產流結束。測量徑流泥沙樣品的總質量，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、拔節初期、拔節中期、拔節后、抽雄期5個階段，在各生長階段均以裸地小區做對照開展相應的人工模擬降雨試驗。其中徑流系數(%)是由徑流深(mm)和同時段降雨量(mm)之比的百分數所得；含沙率(g/L)即產沙量(g/m2)與徑流量(L/m2)之比。

1.4 葉面積指數測定

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，根據長寬比例法測算總葉面積[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;k表示修正系數(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(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;n表示玉米株數;ALi表示第i株玉米總葉面積(cm2);I表示株距(cm);L表示行距(cm)。

根據以上數據計算坡面產流產沙量，并繪制圖表，分析玉米作物對坡面產流產沙的影響。本次試驗圖表通過Excel軟件和SPSS軟件完成。

2 研究結果與分析

2.1 不同生育期玉米坡面產流產沙量

相比于裸地，玉米在各生育期都能有效抑制產流量，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。同時可看出在拔節中期產流量較拔節初期顯著降低，較裸地平均減小27.3%徑流量。表明裸地小區由于無植被保護，降雨過程中受雨滴的擊濺后土壤結構易發生破壞，剝離地表的土粒易被徑流沖刷帶走，導致土壤侵蝕嚴重。到拔節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沙量同產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)。相比于裸坡產沙量，40 mm/h雨強下玉米幼苗期坡面產沙量減少12.03%，抽雄期減少73.83%。當雨強增大到80 mm/h，幼苗期產沙量比裸坡減少9.26%，抽雄期減少70.50%。與產流情況對比，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改良作用使土壤侵蝕量降低。但葉片凹向莖稈的特殊形態又將攔截的降雨轉化成莖稈流，研究表明玉米可將40%～50%降雨轉化為莖稈流[11]，部分莖稈流又匯聚成為徑流，導致玉米減流效果沒有減沙明顯。

注：徑流量和產沙量均取三組重復的平均值。

2.2 不同雨強下玉米坡面產流產沙過程

由圖2可得，產流過程大致可分為快速產流階段和穩定產流階段。相比于裸地，玉米的生長首先改變初始產流時間，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定產流階段產流量是不斷波動的，但呈現隨著玉米生長而減小的規律。

這些均說明玉米作物對徑流具有較好的調控作用。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：為使結果簡明，僅挑選玉米拔節初期和拔節后期與裸地進行比較。下同。

由圖3可得產流過程與產沙過程相似，但產沙曲線波動大。相比于產流過程，不同生長階段的產沙量差異顯著。隨著玉米的生長初始產沙時間延遲，同時初始產沙量也有所減小，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，這在產流中并未出現。降雨初期徑流量增大的同時產沙量增加，達到峰值后產沙量穩定波動或下降波動。穩定產沙階段曲線呈現多峰多谷的的特點，峰谷差異顯著，這說明坡面剝離和搬運泥沙過程不穩定，波動大。不同雨強下產流產沙情況進行對比可得，雨強從40 mm/h增加到80 mm/h，裸地小區平均產流量增加150%，平均產沙量增加165%。玉米全生育期的坡地產流量增加141%，產沙量增加135%。各個時期產流量在高雨強下比低雨強增加107%～171%，產沙量增加100%～174%。說明玉米作物小區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產流產沙量仍顯著增加。

圖3 不同雨強下生育期玉米和裸地的產沙過程

高雨強下初始產流和初始產沙時間提前，初始產流產沙量也有所提高，相比于低雨強的產流產沙量大且波動明顯。由表1可得隨著玉米生長徑流系數和產沙量逐漸減小，但同時期80 mm/h下的徑流系數和含沙量總是大于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。由于農作物年內地表冠層變化劇烈，計算C值首先劃分生育期，計算各生育期的土壤流失比率，根據降雨侵蝕力的分布情況加權平均求平均C值。

表1 不同雨強下生育期玉米和裸地的產流產沙量

本研究根據葉面積指數將玉米生育期劃分為苗期、拔節初期、拔節中期、拔節后期、抽雄期。農作物土壤流失比率(SLR)可根據小區內降雨觀測結果求得，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，本次試驗的基準條件統一為以下3點： ①采取人工模擬降雨，可控制雨強和土壤前期含水量，統一降雨條件； ②小區長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，葉面積指數與土壤流失比率呈指數相關關系。對關系式進行方差分析，顯著性概率均小于0.01，可看出玉米葉面積指數與土壤流失比率有極好的相關性。隨著葉面積指數的增加，小區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，應在玉米幼苗期、拔節初期采取相應的水土保持措施控制土壤流失。

圖4 葉面積指數與土壤流失比率相關關系

3 討 論

3.1 不同生育期玉米坡面對產流產沙的影響

本文主要研究不同生育期玉米對坡耕地產流產沙的影響，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流產沙量減小較少，這是因為幼苗期和拔節初期作物覆蓋度較小，行間隙大，作物的攔蓄作用并不穩定。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。隨著玉米的生長發育趨于成熟，作物在拔節后期和抽雄期的減流減沙能力持續且穩定地增強，到抽雄期可減少48.45%徑流量和71.18%產沙量，研究結果均大于馬波[15]所得。且玉米作物在不同生育期的減沙效果優于減流效果，這與鄭子成、王豐等人[16-17]研究結果一致。玉米攔截泥沙的能力優于對徑流的攔蓄，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作用減少泥沙侵蝕量。裸地和玉米各生育期的產流產沙過程是不斷波動的，且產沙過程相比產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論。植被覆蓋度低和雨強增加使得坡面侵蝕產沙過程更加劇烈。本試驗結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 雨強對坡面產流產沙的影響

降雨強度是影響產流的主要因素之一。徑流的形成本質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。試驗結果得裸地和各生育期玉米坡面產流產沙量均隨著雨強的增大而增加，與張會茹[19]研究結果相似。雨強增加使相同時間內降雨量增加，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均大于低雨強，同時提前初始產流產沙時間。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據，常采用作物不同生長階段植被覆蓋度指標估算C值，但這種方法容易導致評價結果出現偏差。孫佳佳等[21]指出用葉面積指數(LAI)表示土壤侵蝕模數可穩定可靠地評價植被水土保持效益。葉面積指數能較好地表征植被群落的覆蓋狀況和垂直結構特征。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，結果可行。本研究結果表明葉面積指數與土壤流失比率具有良好的指數相關關系，這與大豆的葉面積指數與土壤流失比率關系相似[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估算出一定基準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構層次單一的缺點，為估算作物年C值提供基礎。本方程雖然為估算土壤流失比率提供新方法，但此數據是特定基準條件下單次試驗所得，方程的準確性還需在標準小區進行長期重復的野外試驗驗證，進一步增加中國C因子資料數據庫。此外本試驗僅測算玉米不同生長階段的土壤流失比率，缺乏當地降雨侵蝕力數據估算最終的年作物C值，應在此后深入研究。

4 結 論

(1) 隨著作物生長玉米對坡面產流產沙的抵御作用增強，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%產沙量。玉米全生育期平均徑流量減少28.1%，產沙量減少43.9%。不同生長階段玉米作物的減沙效果均優于減流效果。

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

(3) 葉面積指數與相應階段土壤流失比率有較好的指數相關關系。使用葉面積指數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值產生的誤差，為估算年C值奠定基礎。