苜蓿對坡面產流產沙及土壤水分的影響

李智勇, 張夢杰, 陳明玉, 楊 析, 甘 淼, 李同川,3

(1.西北農林科技大學 資源環境學院, 陜西 楊凌 712100; 2.湖南省水利水電科學研究院, 長沙 410007; 3.中國科學院 水利部 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100)

黃土高原位于我國中北部，是世界上黃土覆蓋面積最大的高原，也是生態環境最為脆弱的地區之一[1-2]。黃土高原地區水土流失嚴重，限制了該地區的經濟發展[3-4]。為此，國家實施了一系列治理措施(如退耕還林還草工程)，并取得了顯著成效，黃土高原植被覆蓋度由1999年的31.6%上升到2013年的59.6%[5]，使黃土區生態環境得到較大程度的改善[6]。植被在黃土高原水土流失治理過程中發揮著重要作用[7-8]，植被能通過攔截吸收雨水并增加水分入滲來減少徑流量[9-10]，通過降低徑流速度、降低雨滴打擊動能來減少產沙量[11-12]，草地植被也能通過冠層直接攔截泥沙[13]。

苜蓿具有高產、優質、耐寒、抗旱等特點，在世界范圍內有著廣泛的種植面積，被稱為“牧草之王”[8]。苜蓿根系發達、莖葉生長茂盛、植被覆蓋度高[14]，并且適應西北地區干旱少雨、土壤貧瘠的環境[15]，具有一定的水土保持作用[14,16]，成為該地區退耕還草的首選草種[17-18]。關于苜蓿的水土保持作用，國內外已有一些相關研究。肖培青等[19]采用人工模擬降雨試驗，分析了苜蓿坡面在不同降雨強度下的產流產沙過程和相關水動力學參數，結果表明苜蓿具有良好的水土保持作用，并且發現這種水土保持作用與土壤入滲特性有關。王升等[9]通過對野外條件下不同苜蓿覆蓋度(0%，33.5%，43.2%和68.8%)的黃土坡面產流產沙的研究，發現不同的覆蓋度下苜蓿均能在一定程度上降低坡面徑流量和產沙量。Wu等[10]研究發現，與裸地坡面相比，苜蓿覆蓋提高了黃土坡面土壤入滲1.77倍，使徑流速率和產沙速率分別降低了28.3%和78.4%。上述這些研究從不同降雨強度、不同苜蓿覆蓋度及水動力學等方面探討了苜蓿的水土保持效益，并對產流產沙過程和水動力學原理進行了分析。目前國內也有許多類似的研究，但是將苜蓿覆蓋條件下坡面產流產沙過程和剖面土壤水分變化相結合進行研究的報道并不多見。

本試驗定量分析不同苜蓿覆蓋度(低覆蓋度和高覆蓋度)、不同坡度(5°，10°，15°)下苜蓿坡面產流產沙過程和降雨前后不同深度土層土壤水分變化，進一步揭示苜蓿對坡面產流產沙及土壤水分的影響，為黃土高原退耕還林還草工程的實施和黃土區生態環境的保護提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 模擬降雨設備

模擬降雨試驗在陜西省楊凌區土壤侵蝕與旱地農業國家重點實驗室進行。采用側噴模擬降雨系統[20]，該降雨模擬系統可以通過調整噴嘴尺寸和水壓設置降雨強度，降雨強度范圍為30～150 mm/h[21]，降雨高度16 m。并且，該降雨模擬系統可以真實的模擬自然雨滴的大小、分布和最終速度[22]。本試驗采用的降雨強度為80 mm/ h，降雨持續時間為60 min。

1.2 試驗土槽

試驗用土來源及處理：試驗土壤采集地點為陜西省楊凌區西卜村(北緯34°20′、東經108°24′)。該地區年平均氣溫為12.9℃，年平均降雨量為637 mm，年平均蒸發量為1400 mm，屬于溫帶半濕潤區[22]。在該地區裸地0—50 cm土層采集土壤樣品，采集后的土壤進行風干處理并過2 mm的篩子除去小石塊和雜草，之后分析土壤樣品土壤有機質(重鉻酸鉀氧化—外加熱法)和土壤粒徑(激光衍射法，Mastersizar 2000)。根據土壤有機質含量和粒徑分布(表1)，試驗土壤為黏壤土，分類為婁土。

表1 試驗土壤基本性質

試驗土槽及土槽填充：試驗用土槽(長2 m、寬0.5 m、深1.0 m)采用鋼板制成。土槽放置在帶輪子的鋼架上，并安裝有液壓啟閉裝置用來調節土槽的坡度，本試驗共設置3種坡度(5°，10°和15°)。在土槽底部設置351個孔(直徑0.5 mm)，以便于排水。在罐內填土之前，先鋪兩層醫用紗布，然后在罐底鋪一層5 cm厚的砂作為過濾層，以保證空氣和水的滲透性，同時防止泥土堵塞孔洞。土槽填裝土壤前，測定試驗土壤的含水量，以計算所需的土壤重量，土壤層以10 cm的增量填充，從而更準確地獲得與田間相似的目標土壤容重(1.35 g/ cm3)。填土高度90 cm，填土總量0.9 m3。每個土槽中安裝3根PR2管(長100 cm、直徑2.8 cm)，采用PR2-6土壤剖面水分測定儀(Cambridge，UK，Delta-T Device Ltd)測定10 cm，20 cm，30 cm，50 cm和90 cm深度處的土壤含水量。

土槽填充土壤后，種植苜蓿，行距約15 cm(共12行)，行距方向與槽寬方向一致。苜蓿種植后放置于室外自然生長，適時進行補水，確保苜蓿正常生長。一年以后對苜蓿進行不同刈割處理，將蓋度分別控制為60%左右和90%左右(表2)。刈割一周后進行模擬降雨。本試驗設置3個低苜蓿覆蓋處理(坡度5°，10°和15°)，3個高苜蓿覆蓋處理(坡度5°，10°和15°)，1個裸地坡面空白處理(坡度15°)，共準備7個土槽。

表2 不同坡度下苜蓿覆蓋度

1.3 試驗指標測定

模擬降雨及試驗指標測定于2019年8月份開始進行。在模擬降雨前利用PR2-6探針測定土壤剖面土壤含水率。模擬降雨試驗時，記錄徑流起始時間，產流開始后用5 L的塑料桶收集徑流樣本，每隔2 min收集一次樣品，每個土槽總共采集30個樣品，記錄樣品重量及體積。將采集的樣品在105℃下烘干并稱重，用以計算土壤侵蝕率。模擬降雨后，用塑料薄膜覆蓋土槽，以減少蒸發。降雨24 h后，用PR2-6探針測量土槽內0—90 cm剖面土壤含水量。

1.4 數據處理

土壤侵蝕速率和徑流速率計算公式如下：

式中:Er表示土壤侵蝕速率[g/ (m2·min)];W表示沉積物干重(g);A表示斜坡的投影面積(m2);T表示取樣持續時間(min,本試驗為2 min);R表示徑流速率(mm/min);D表示徑流深度(mm);V表示每個樣品的徑流量(m3)。

土壤儲水量(Soil water storage(SWS)，mm)(0—90 cm)計算公式如下：

SSW=100(θ10+θ20+1.5θ30+3θ50+2.5θ90)

式中:θk表示不同深度土層的土壤體積含水量(cm3/ cm3);k表示不同的土層深度(cm)。

使用Excel 2019進行相關數據的處理和分析，使用Origin 2019進行作圖。

2 結果與分析

2.1 苜蓿對坡面徑流的影響

降雨期間不同苜蓿覆蓋度(低覆蓋度，高覆蓋度)、不同坡度(5°，10°和15°)條件下苜蓿坡面和裸地坡面(15°)的徑流速率見圖1。在坡度15°坡面，裸地、苜蓿低覆蓋度和苜蓿高覆蓋度坡面的平均徑流速率分別為1.34 mm/min，0.77 mm/min，0.29 mm/min。在苜蓿低覆蓋度條件下，坡度5°，10°和15°坡面的平均徑流速率分別為0.92 mm/min，0.76 mm/ min，0.77 mm/min；苜蓿高覆蓋度條件下，各坡度坡面(5°，10°和15°)的平均徑流速率分別為0.32 mm/ min，0.35 mm/ min，0.29 mm/min。在坡度5°，10°和15°下苜蓿低覆蓋度和苜蓿高覆蓋度坡面的初始徑流速率分別為0.05～0.27 mm/min和0.02～0.05 mm/min，而裸地坡面(坡度15°)為1.17 mm/min。

圖1 不同苜蓿覆蓋度、不同坡度下各坡面徑流速率

在低苜蓿覆蓋度條件下，降雨初期(0—10 min)各坡度下苜蓿坡面徑流速率均急劇上升；而在降雨中后期(10—60 min)各坡度下苜蓿坡面產流速率相對穩定且上升緩慢。這可能是因為坡面徑流的形成與土壤入滲速率有關[9-10]，在低苜蓿覆蓋度條件下，降雨初期土壤入滲能力較強，隨著土壤含水量逐漸飽和，土壤入滲能力逐漸降低至穩定，坡面徑流呈現出先急劇升高后逐漸穩定的趨勢。在高苜蓿覆蓋度下，整個降雨期間(0—60 min)徑流速率沒有出現急劇升高的情況，降雨初期(0—10 min)各坡度下苜蓿坡面徑流速率緩慢升高，降雨中后期(10—60 min)穩定在較低水平。對于裸地坡面(坡度15°)，在整個降雨期間(0—60 min)徑流速率較高且相對穩定，只有在降雨開始時徑流速率有小幅度升高。

本試驗中，不同苜蓿覆蓋度下各坡面(15°)平均徑流速率的大小順序為裸地>低苜蓿覆蓋度>高苜蓿覆蓋度。與裸地坡面相比，低覆蓋度和高覆蓋度坡面的平均徑流速率分別降低了43%和78%，說明苜蓿覆蓋有明顯減緩坡面徑流的作用[9-10]，且苜蓿覆蓋度高的情況下減緩徑流的效果更明顯[11]。苜蓿能減緩坡面徑流，主要是因為苜蓿的存在阻礙了水流向下流動，延長了降雨在坡面上停留的時間，增加了水分入滲[18]；另外由于苜蓿根系在土壤中的密布纏繞，使土壤對水分的滲透能力增強[11,23]，水分入滲增加，坡面徑流減小。隨著苜蓿覆蓋度的增加，提高了坡面地表粗糙度[24]，苜蓿對水流運動的阻礙增強，入滲增加，進而減小徑流。

而在相同的苜蓿覆蓋度(低或高)下，不同坡度(5°，10°和15°)坡面徑流速率并沒有顯著(p>0.05)差異。這可能是因為在5°～15°坡度范圍內坡度對徑流的影響較小，苜蓿對徑流的影響掩蓋了坡度對徑流的影響，植被的存在可在一定程度上削弱坡度對徑流的影響[11]，張夢等[25]研究也表明坡面徑流量隨坡度(0°～20°)的增加沒有明顯變化。值得注意的是，在低苜蓿覆蓋度下坡度5°苜蓿坡面徑流速率高于坡度10°和坡度15°，這可能是因為坡面苜蓿覆蓋度不完全相同，低覆蓋度下坡度5°坡面的苜蓿覆蓋度略低與其他坡面(10°和15°)(表2)，從而引起相同覆蓋度下徑流量較大[7]。

2.2 苜蓿對坡面產沙的影響

不同苜蓿覆蓋度(低覆蓋度，高覆蓋度)、不同坡度(5°，10°和15°)下苜蓿坡面和裸地坡面(15°)的產沙速率見圖2。在坡度15°條件下，裸地、低苜蓿覆蓋度和高苜蓿覆蓋度坡面的平均產沙速率分別為23.50 g/(m2·min)，2.72 g/ (m2·min)和1.71 g/(m2·min)。整個降雨期間(60 min)，在低苜蓿覆蓋度下，坡度5°，10°和15°坡面的平均產沙速率分別為1.73 g/(m2·min)，4.27 g/(m2·min)和2.72 g/(m2·min)；高苜蓿覆蓋度下，各坡度(5°，10°和15°)坡面的平均產沙速率分別為0.21 g/(m2·min)，0.73 g/(m2·min)和1.71 g/(m2·min))。坡度15°下，裸地坡面的平均產沙速率最高，分別是低苜蓿覆蓋度和高苜蓿覆蓋度坡面的8.6倍和13.7倍。在裸地坡面上雨滴直接打擊地表土壤，對土壤破壞較大，且降雨后迅速產生徑流，攜帶大量泥沙[16]，因此，裸地坡面的產沙速率顯著(p<0.01)大于苜蓿坡面。

圖2 不同苜蓿覆蓋度、不同坡度下各坡面產沙速率

在低苜蓿覆蓋度下，坡度5°和10°苜蓿坡面在降雨初期(0—10 min)產沙速率急劇升高后又急劇下降，在降雨中后期(10—60 min)產沙速率相對穩定且緩慢下降；而坡度15°苜蓿坡面在整個降雨過程中(0—60 min)產沙速率穩定在同一水平。這是因為低覆蓋度下坡面上有松散分散的土壤顆粒，降雨初期產流后隨徑流沖刷下來，產沙速率急劇升高，松散分散的顆粒被沖刷后產沙速率逐漸穩定[10]。在高苜蓿覆蓋度下，坡度5°和10°苜蓿坡面在降雨期間(0—60 min)產沙速率穩定在同一水平；而坡度15°苜蓿坡面在降雨前期(0—20 min)產沙速率先下降后升高呈現“V型”變化，后緩慢下降至穩定。對于裸地坡面(坡度15°)，降雨初期(0—10 min)產沙速率急劇下降，降雨中后期(10—60 min)產沙速率緩慢降低至穩定。

本試驗中不同苜蓿覆蓋度下各坡面(15°)平均產沙速率的大小順序為裸地>低苜蓿覆蓋度>高苜蓿覆蓋度，隨著坡面苜蓿覆蓋度的增加苜蓿攔截泥沙的效果顯著(p<0.01)增強。一方面苜蓿覆蓋度增加，使苜蓿減緩坡面徑流速率的能力增強，徑流對土壤沖刷作用減弱，攜帶泥沙減少[10,16]；另一方面苜蓿的存在可以減小雨滴最終速度，降低雨滴對土壤的直接打擊動能，減少產沙量[24]。此外，苜蓿種植一年后土壤表面會產生一定的生物結皮以及枯落物堆積，對土壤具有保護作用[24]。高苜蓿覆蓋度下會產生更多的生物結皮和枯落物，增強了對土壤的保護作用，侵蝕產沙量減少。

而在相同苜蓿覆蓋度(低覆蓋度或高覆蓋度)下，不同坡度坡面產沙速率存在顯著(p<0.01)差異，低覆蓋度下苜蓿坡面產沙速率：10°>15°>5°；高覆蓋度下苜蓿坡面產沙速率：15°>10°>5°。在高苜蓿覆蓋度下，隨著坡度增加坡面產沙速率也逐漸增加，這和多數相關研究得出的結果一致[25-26]，即在一定坡度范圍內坡度增加會使坡面產沙增加。土壤坡面侵蝕增加可能是因為坡度增加，坡面徑流速率增加，徑流侵蝕、攜帶泥沙能力增強[21]，引起侵蝕產沙增加；或者是因為坡度的增加，提高了土壤不穩定性，導致侵蝕產沙量上升[26]。本試驗中徑流速率隨坡度變化不大，因此在高苜蓿覆蓋度下，產沙速率隨坡度的變化可能是因為土壤受力的變化引起土壤穩定性降低，導致坡面侵蝕產沙增加。而在低苜蓿覆蓋度下，坡度10°坡面(覆蓋度67.5%)產沙速率高于坡度15°(覆蓋度58.1%)，這可能是因為覆蓋度不同引起土壤表面生物結皮和枯落物數量不同(表2)，導致10°坡面產沙速率大于15°坡面產沙速率。

2.3 累計產流產沙量

不同處理的累計徑流量和累計產沙量總體上隨降雨時間逐漸增加(圖3)。裸地坡面(坡度15°)累計徑流量和累計產沙量均顯著(p<0.01)高于苜蓿坡面(低苜蓿覆蓋度和高苜蓿覆蓋度)。較裸地坡面(總徑流量77.62 L，總產沙量1 361.80 g)，低苜蓿覆蓋度下，不同坡度(5°，10°，15°)坡面總徑流量降低29%～42%，總產沙量降低81%～94%；在高苜蓿覆蓋度下，不同坡度(5°，10°，15°)坡面總徑流量和總產沙量分別降低74%～78%和93%～99%。結果顯示，在高苜蓿覆蓋度下，坡面總徑流量相比低苜蓿覆蓋度有大幅度下降，而總產沙量相比低苜蓿覆蓋度下降幅度較小。這可能是因為試驗中采用刈割的方法控制苜蓿覆蓋度，刈割只對苜蓿地上部分進行了處理，而苜蓿根系仍存在于土壤中。苜蓿由低覆蓋度到高覆蓋度，地上部分蓋度增加，苜蓿對徑流的減緩作用增強，總徑流量大幅度下降[18,24]；而低或高苜蓿覆蓋度坡面土壤中均有較多根系分布，由于根系對土壤的固定作用，土壤抗侵蝕能力整體較強[9,11]，總產沙量下降幅度較小。總體上看，不同苜蓿覆蓋度下(低或高)，苜蓿減少坡面產沙的作用(減少81%～99%)均大于減緩坡面徑流的作用(減少21%～78%)，減沙效益高于減流效益。有研究結果顯示，與徑流量相比，植被覆蓋與產沙量的關系更密切[11]，并且草地植被具有直接攔截泥沙的作用[27]。

圖3 不同苜蓿覆蓋度、不同坡度下各坡面累計徑流量和累計產沙量

2.4 苜蓿對剖面土壤水分的影響

在80 mm/ h降雨強度下(降雨持續60 min)，測定了雨前、雨后(24 h)不同苜蓿覆蓋度(低覆蓋度和高覆蓋度)、不同坡度(5°，10°和15°)坡面0—90 cm深度范圍內土壤剖面水分，見圖4。

圖4 雨前、雨后(24 h)不同苜蓿覆蓋、不同坡度下坡面土壤含水量

降雨24 h后，裸地坡面 0—20 cm深度土層土壤含水量有小幅度增加，而20—90 cm深度土層土壤含水量基本不變。這是因為在裸地坡面上沒有植被覆蓋，坡面徑流速率較大，土壤水分入滲量少、入滲深度較淺，因此降雨只能影響土壤表層含水量，對深層的土壤水分幾乎沒有影響[9,19]。低苜蓿覆蓋度下，降雨24 h后，0—30 cm深度土層土壤含水量有所提高；而高苜蓿覆蓋度下，降雨24 h后，0—50 cm深度土層土壤含水量明顯增加。隨著苜蓿覆蓋度的增加，坡面地表粗糙度增加[24]，苜蓿對徑流的阻礙作用增強，延長了徑流在坡面的停留時間，水分能入滲到更深的土層[16,18]。

在15°坡面，低苜蓿覆蓋度坡面0—90 cm深度土層內土壤儲水量增量平均值為20.5 mm，而高苜蓿覆蓋度下為36.5 mm，均顯著(p<0.01)高于裸地坡面(6.4 mm)，低覆蓋度和高覆蓋度苜蓿坡面的土壤儲水量增量分別是裸地坡面的3.2倍和5.7倍。在相同坡度下(15°)隨著苜蓿覆蓋度的增加，徑流量、產沙量均減小；而在相同坡度下(15°)，不同苜蓿覆蓋度坡面土壤儲水量增量平均值的大小順序為：高苜蓿覆蓋度>低苜蓿覆蓋度>裸地。與低苜蓿覆蓋度坡面相比，高苜蓿覆蓋度下5°，10°和15°坡面土壤儲水量增量平均值分別增加了34%，143%和78%。苜蓿在降雨過程中能減緩坡面徑流，增加水分入滲，提高土壤儲水量[16]，隨著苜蓿覆蓋度的增加，坡面土壤儲水量呈現不斷增大的趨勢。原因有兩方面，一方面是種植苜蓿使土壤水分入滲性能得到改善，增加了土壤儲水量[10]；另一方面是苜蓿的存在減緩了坡面徑流速率，使徑流在坡面停留時間增加，增加了水分向土壤入滲，進而增加了土壤儲水量[15,18]。

在相同覆蓋度條件下，不同坡度苜蓿坡面土壤儲水量增量平均值的大小順序為：5°>15°>10°(低苜蓿覆蓋度)；高苜蓿覆蓋度則相反：10°>15°>5°。相同苜蓿覆蓋度，不同坡度坡面的土壤儲水量存在差異，但差異并不顯著(p>0.05)。這與試驗中坡度對徑流的影響類似[11]，坡度變化(5°～15°)對土壤儲水量影響較小，植被(苜蓿)覆蓋對水分入滲的影響掩蓋了坡度對水分入滲的影響。

3 結 論

苜蓿可以起到減少坡面徑流和侵蝕產沙的作用，與裸地坡面相比，種植苜蓿可以顯著(p<0.01)降低坡面徑流速率和產沙速率，不同苜蓿覆蓋度降低坡面徑流和侵蝕產沙作用大小順序均為：高苜蓿覆蓋度>低苜蓿覆蓋度>裸地。在相同苜蓿覆蓋度下，不同坡度坡面苜蓿攔截泥沙效果不同，低覆蓋度下苜蓿攔截泥沙作用大小：5°>15°>10°；高覆蓋度下苜蓿攔截泥沙作用大小：5°>10°>15°。而坡度對苜蓿坡面徑流速率無顯著(p>0.05)影響。相比之下，苜蓿減少坡面產沙的作用(減少81%～99%)大于減緩坡面徑流的作用(減少21%～78%)。與低苜蓿覆蓋度坡面相比，高苜蓿覆蓋度下不同坡度(5°，10°和15°)坡面土壤儲水量增量平均值(雨前、雨后)分別增加了34%，143%和78%。而相同覆蓋度下，不同坡度坡面的0—90 cm土壤儲水量差異不顯著(p>0.05)。