不同农田植被条件下黑土坡耕地产流和产沙特征

吴 限, 魏永霞,2, 王 敏,2, 王 龙

(1.东北农业大学 水利与建筑学院, 哈尔滨 黑龙江 150030; 2.黑龙江省高校节水农业重点实验室, 哈尔滨 黑龙江 150030)



不同农田植被条件下黑土坡耕地产流和产沙特征

吴 限1, 魏永霞1,2, 王 敏1,2, 王 龙1

(1.东北农业大学 水利与建筑学院, 哈尔滨 黑龙江 150030; 2.黑龙江省高校节水农业重点实验室, 哈尔滨 黑龙江 150030)

摘要：[目的] 研究不同农田植被条件下的水土侵蚀特征，为该区作物种类选择提供参考。[方法] 2013年在位于东北典型黑土带上的黑龙江省红星农场径流小区内,开展了玉米、大豆、大豆—玉米间作3种农田植被条件下的地表径流和土壤侵蚀特征研究。[结果] 玉米的径流拦蓄和土壤侵蚀控制的效果最好,间作次之,大豆位居最后;玉米和间作模式的地表径流分别较大豆减少了15.8%和10.7%,土壤侵蚀量亦分别减少了10.47%和5.35%。[结论] 在较低降雨强度下玉米和间作的减流减沙效果差别不甚明显，在较高强度下玉米和间作减流减沙效果明显好于大豆。

关键词：天然降雨; 黑土区; 坡耕地; 叶面积指数; 农田植被; 产流; 产沙

土壤侵蚀是地球地质演变中的必然的物质运动过程，但是随着生物的出现，特别是受人类活动的影响，原有地质土壤侵蚀的过程受到了一定的影响，侵蚀速度加快，并且侵蚀性质也开始发生变化，成为了制约农业经济发展的主要因素之一。松嫩平原自然条件优越，农业生产水平较高，是全国大豆玉米等农作物的主产区，其黑土素有“土中之王”的美称。黑土区坡耕地面积大，雨期集中，降雨强度大，极易造成水土流失。据黑龙江省环境保护厅调查，截止2000年黑龙江全省水土流失面积为1.12×107hm2导致黑土肥力锐减，作物产量下降，不仅影响了当地社会经济的可持续发展，也对国家的粮食安全造成了隐患。针对坡耕地水土流失问题，国内外学者进行了一些作物植被的防蚀作用研究[1-2]，主要包括：作物植被对降雨的拦截[3-4]，再分配作用，冠下降雨对土壤物质的打击、剥离等作用[5-6]，作物对降雨入渗过程的改变等[7]。本文利用玉米、大豆、大豆—玉米间作(以下简称“间作”)3种模式，研究不同模式的产流产沙特征，以期为该地区坡耕地作物种类的选择提供参考。

1材料和方法

1.1　试验区概况

试验区选择位于东北典型黑土带上的黑龙江省北安市红星农场，地处小兴安岭南麓向松嫩平原的过渡地带，为丘陵漫岗地带，属中温带湿润大陆性季风气候。该地区多年平均降水量为553 mm，主要集中在7，8，9月份,占全年降雨量的70%左右，其中暴雨降水量占7—9月份的35%。年平均蒸发量1 100～1 200 mm，不小于10 ℃的有效积温2 254.5 ℃，无霜期110～115 d。土壤主要以黑土为主，质地黏重，入渗困难。2013年红星农场总耕地面积2.73×104hm2，其中大豆种植区9 600 hm2，玉米1.64×104hm2。农场土地一半为丘陵漫岗区，土壤侵蚀模数为1 375 t/(km2·a)。

1.2　试验设计

试验在红星农场坡耕地上的径流小区内进行，按照作物种类及其种植模式不同，设置3个农田植被处理，分别是大豆、玉米和间作，2次重复。各径流小区纵向平均坡度均为3°，长20 m，宽5 m，其边界均设置深入地下1 m的隔板；尽量保持各个径流小区除植被条件以外的其他自然条件基本相同。径流小区供试作种类为大豆黑河三号，玉米为德美亚1号。间作小区中央3垄植玉米，余4垄植大豆。

1.3　测定项目和方法

(1) 降雨量及其过程。采用美国ONSET公司HOBO自记雨量计自动记录。

(2) 地表径流及其过程。采用河北飞梦科技有限公司的FL-JY磁感记录仪径流自记系统自动记录。

(3) 降雨产沙量及其过程：不同措施的降雨产沙量及其产沙过程与径流过程同步人工观测，在开始产流后，每5 min取一翻斗沙样，将沙样静置24 h，漂去上层清水，余下的用滤纸滤除泥沙，烘干6 h称重。

(4) 叶面积系数。不同生育期选取有代表性的大豆和玉米植株，分别测定每个叶片的长、宽(量取叶片的最长、最宽部位)，用下面公式求得单株叶面积：

式中：L——叶长； B——叶宽； K——校正系数。通过求积仪实测面积，再与量取的叶面积相比求得。

(5) 植被覆盖度。数码相机采集图像(大豆小区自上而下以黑土地为背景拍摄，玉米小区自下而上以蓝天为背景拍摄)后，用图像分析法测定各小区的植被覆盖度。

2结果与分析

2.1　一次降雨条件下不同农田植被的地表径流特征

选取1次典型天然降雨进行分析(2010730)，其降雨量为45mm，降雨历时85min，最大降雨强度79.2mm/h,不同作物的地表径流过程如图1所示。

图1　2013年7月30日不同小区的地表径流过程

从2013年7月30日降雨径流过程可以看出，大豆和玉米以及间作对径流调节作用有较大差异。在降雨初期的前15min，各小区并未产生明显径流；在之后15min的中等强度降雨中，降雨已经逐步浸润表层，土壤表层入渗率减少；在20min时随着雨强陡增，地面开始形成明显的径流。其中在15～45min之间大豆小区产生的径流明显小于玉米小区，大豆冠层低矮，枝叶茂密。拥有相对较高的叶面积指数、枝干数量。并且大豆复杂的植株形态有着较高的冠层截留[4,8]，将部分降雨截留在了冠层中。而该年生育期的大风天气和雨滴动能使部分大豆倒伏，枝叶压低一定程度上阻挡减缓了径流的产生。在35min后由于较高的降雨强度，大豆相对软弱的枝叶无法承受雨滴动能以及风压，植被覆盖率暂时降低，大豆枝叶相比玉米较为软弱，相比玉米宽大的叶片，高强度降雨中大豆叶片对降雨阻挡作用较弱，大豆小区径流增加较快[9]，而玉米小区径流增加速度相对较小。在较高降雨强度下，玉米调节径流的效果明显强于大豆。大豆小区叶面积指数(LAI)为5.33，植被覆盖率97%(由于部分植株倒伏，并未达到100%)，均大于玉米小区的4.2，植被覆盖率84%。虽然玉米的叶面积指数和覆盖率略低与大豆，但是玉米强韧的枝叶可以有效的抵御降雨，极大的减少高动能的冠下穿透雨。较大的茎杆流也可以使径流趋于稳定，有效的增加入渗[10]，减少径流。

与大豆相比，玉米控制径流的效果较好，减少径流最高可达17.72%。玉米和大豆小区产流时间基本相同，玉米小区径流变化过程较平坦，大豆小区在产流后随着降雨强度增加，径流强度变化较大。降雨初期大豆复杂的冠层空间结构阻碍了径流的形成，随着雨强增大，冠层结构对拦蓄减缓径流的形成控制作用减弱，大豆倒伏的枝条和枯叶不能继续起到有效的拦蓄作用。大豆和玉米对降雨的转化分配差异性开始体现，大豆倾向于将拦截的降雨集中于冠层边缘，而处于生长旺盛期的玉米则倾向于将雨水集中在叶下区[5]，且玉米的茎杆流占很大比例。这样的差异性导致了玉米对于降雨的分配相对大豆更加均匀，径流的形成过程得以减缓。该次降雨大豆、玉米、间作小区径流量为10，8.37和8.9mm。间作小区在径流量和产流特性上介于两者之间。15～45min间作、玉米小区产流相比大豆小区产流增加11.29%,40.31%，在降雨前期和大豆小区产流特征较相似。45min后间作、玉米小区相比大豆小区产流分别减少38.15%和19.22%，高强度降雨条件下其产流特征和间作小区相似度较高。

2.2两次降雨条件下不同农田植被对土壤侵蚀量的影响

从图2可看出，产沙过程随径流过程的变化表现比较相似的波动变化趋势，但产沙过程随降雨强度的变化更为明显，产沙量峰值与降雨强度峰值较为接近。玉米小区的土壤侵蚀量平均为3.13 kg，大豆小区的平均土壤侵蚀量为3.62 kg，间作小区为3.42 kg。不同作物及种植模式对土壤侵蚀的控制作用按大小排序，依次为：玉米>间作>大豆，与径流分析结果相同。

图2　2013年7月30日降雨不同作物的侵蚀产沙过程

与大豆相比，在降雨早期，玉米和大豆的产沙量并没有和产流量一样有着明显的差距。玉米叶片向斜上方伸展且成凹形，其叶面积较大，所以玉米在降雨的分配上，茎杆流起主导作用，茎杆流消耗了大量的雨滴动能。虽然茎杆流也对土壤有着一定的侵蚀作用，但是相对于其他方式，其侵蚀能力可以忽略不计[11]。在降雨中后期，玉米小区产沙量和径流量一样均小于大豆小区。虽然大豆冠层稠密，冠层垂直投影结构复杂，对降雨有多次的拦截消能机会[8]，但相对于玉米高大的冠层高度，从冠层落下的雨滴动能相对玉米较小。然而由于玉米巨大的茎杆流，玉米对土壤侵蚀的控制作用仍强于大豆。间作模式产沙量和产流量表现一致，占大豆的94%，介于两者之间。

2.3次降雨条件下不同农田植被的径流强度和产沙强度的关系

径流强度和产沙强度大致成二次抛物线关系，如图3在低强度降雨中，大豆、玉米、间作小区产流和产沙关系波动并不强烈，高强度降雨中，径流强度达到10 mm以上时，产沙强度开始出现明显波动，从相关系数可以看出，玉米小区径流强度与土壤侵蚀量相关系数：R2=0.953 8，产沙和径流关系最为稳定，间作次之，大豆较差。大豆在高强度降雨中抗蚀能力衰减严重。原因在上文有所描述，这里不再赘述。

图3　次降雨径流强度与产沙强度的关系

2.4　不同农田植被的年降雨径流及土壤侵蚀特征

2.4.1年径流量及土壤侵蚀量2013年试验区降雨量较大，仅生育期内降雨就达到570.8 mm，但次降雨除7月30日降雨强度较大外均较小，土壤长期处于水分充沛状态。不同作物对年径流量的影响因种类而异。大豆、玉米、间作小区年径流深及土壤侵蚀量见表1。

可见，大豆小区的拦蓄效果最弱，其次为间作，径流深和土壤侵蚀量分别占大豆小区的89.02%和94.65%，玉米小区最佳，径流量和土壤侵蚀量为大豆小区的83.61%和89.53%。不同作物对土壤侵蚀的控制作用按大小排序依次为：玉米、间作、大豆。与对径流的分析相似。全年大多数降雨强度不高，玉米与间作对土壤侵蚀的控制作用差异不明显，说明玉米和大豆的间作模式对两种作物的特性形成了良好的互补。

表1　3种处理下小区的年径流及土壤侵蚀量

2.4.2土壤侵蚀量的年内分布2013年全年降雨量主要集中在5—8月份，其降雨量分别为41.2，80.6，218.3和182.5 mm。表2为不同处理5—8月份的土壤侵蚀量。与大豆小区相比，玉米小区土壤侵蚀量稍小。间作小区和大豆小区的土壤侵蚀量相比并没有明显差别。这是由于在生育期早期，大豆冠层结构发育简单，玉米没有出苗，叶面积系数较低，植被对土壤侵蚀量的影响力有限。6月份降雨量相比5月份明显提高，降雨侵蚀力也有所增加，随着作物冠层发育和叶面积指数的增加，虽然6月份降雨量有所提高，但是土壤侵蚀量没有明显提高。在控制侵蚀方面，玉米对于大豆优势有所发挥，而间作模式相较其他两者的差异性并不显著。7月份降雨量达到最大值，各小区的土壤侵蚀量也相应明显增加，达到最大值。7月份降雨侵蚀力相比降雨量提高更加显著，而植被发育程度也趋于成熟，叶面积系数剧增。在该年度高强度大风天气中，大豆小区部分植株出现倒伏、损伤，玉米小区植株有所损伤。间作小区由于玉米高大粗壮茎叶对大豆起到了保护作用，降低了风压和高动能降雨对大豆冠层的冲击，大豆整体完好，倒伏不明显，植被冠层发育受影响不大。玉米小区和间作小区的土壤侵蚀量分别为大豆小区的90%和94%，间作模体现了较好抗侵蚀能力。8月份相比7月份径流及径流含沙量较少。

表2　3种处理下各小区5-8月土壤侵蚀量及叶面积指数

3结论与讨论

(1) 种农田植被对坡耕地降雨产流、产沙控制效果不同，总体上玉米对降雨产流、产沙控制效果最好，间作次之，大豆位居最后。

在降雨初期玉米和间作的产流略高于大豆，大豆较高的冠层截留和倒伏的枝叶部分减缓了产流，但随着雨强的增加，产流增幅更加明显。在降雨中后期大豆小区产流完全超过了玉米和间作。得益于较大茎杆流，玉米在控制产流中有良好的表现；从产流产沙量看，大豆小区的年产流量和产沙量分别平均69.59 mm和4.3 t/hm2。玉米小区平均的年产流量和产沙量占大豆小区平均的83.61%和89.53%，间作径流深和产沙量分别占大豆小区的89.02%和94.65%。可见玉米和间作比大豆更能有效的减流减沙，虽然玉米的叶面积指数低于同期大豆，但是玉米的叶片大小、结构、倾角[8]等更能有效的将降雨转化为茎杆流，减少土壤侵蚀量。

间作小区中玉米对大豆有一定的物理保护作用，在大风极端天气条件下能有效减少大豆倒伏，减少降雨对地面的直接冲击，对控制产流产沙起积极的作用。

(2) 3种农田植被对坡耕地降雨产流、产沙的调控能力因作物生育阶段的不同而不同。

作物苗期对产流量和产沙量控制能力较弱。随着作物生长，作物对坡面产流、产沙的控制力也随之增强，不同作物控制力的差距也开始体现。作物生长的旺盛期，对坡面产流产沙的控制作用最强，成为控制坡面产流产沙的主要阶段。

以上结论是根据2013年实际情况得出的，而天然降雨具有一定的随机性和不确定性，且研究时间较短。故尚需进一步开展不同年型的试验研究。

[参考文献]

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Characteristics of Runoff and Sediment Yield in Sloping Farmland of Black Soil Region Under Different Farmland Vegetation

WU Xian1, WEI Yongxia1,2, WANG Min1,2, WANG Long1

(1.CollegeofWaterandCivilEngineering,NortheastAgricultureUniversity,Harbin,Heilongjang150030,China;

2.KeyLaboratoryofWater-savingAgricultureofHeilongjiangProvince,Harbin,Heilongjiang150030,China)

Abstract：[Objective] In order to provide references for the selection of suitible crops for black soil areas, to analyze the rill erosion characteristics of different cropland.[Methods] The study of surface runoff and soil erosion characteristics under three different cropland planting of corn, soybean and soybean-corn belt cropping, was carried out in the runoff plot of Hongxing State Farm in Heilongjiang Province located in the northeast typical black soil belt in 2013. [Results] For the performances of runoff retaining and sediment yield control, corn performed the best, while the intercropping of soybean-corn followed it, and soybean took the last. Compared to soybean, the surface runoff decreased 15.8% and 10.7% under the cultivation modes of corn and intercropping of soybean-corn; in corresponding to the soil loss, decreased 10.47% and 5.35%, respectively. [Conclusion] The control of surface runoff and soil loss between corn and soybean-corn belt cropping was not significant under the relatively low-intensity rainfall conditions. Whereas the control of surface runoff and soil loss under soybean-corn belt cropping was much better than that under soybean in the high-intensity rainfall condition.

Keywords:natural rainfall; black soil area; sloping farmland; leaf area index; farmland vegetation; runoff yield; sediment yield

文献标识码：A

文章编号：1000-288X(2015)03-0101-04

中图分类号：S157.2

通信作者：魏永霞(1961—),女(汉族),黑龙江省海伦县人,博士，教授,博士生导师,主要从事农业节水和水土保持理论与技术研究。E-mail: wyx0915@163.com。

收稿日期：2014-03-27修回日期：2014-04-22

资助项目：国家科技支撑计划项目(2014BAD12B01); 东北农业大学博士基金项目(2010RCB65)

第一作者：吴限(1989—),男(汉族),黑龙江省齐齐哈尔市人,硕士研究生,研究方向为农业节水理论与技术。E-mail:wx527748@gmail.com。