不同降雨等级下耕作措施对坡地产流产沙的影响

郑江坤，杨 帆，王文武，郎登潇，马 星，廖 峰，陈旭立

耕作措施作为水土保持的3大措施之一，在治理水土流失和发展农业方面具有重要作用。现代耕作措施主要包括横坡耕作、横坡沟垄耕作、垄作区田、套犁沟播、等高带状间作、水平沟、少耕免耕。国内很多学者对耕作措施的水土保持效益进行了大量研究。闫建梅等［1］、陈晓安等［2］和齐智娟等［3］分别对重庆紫色土区、赣北第四纪红壤区和黑龙江黑土区进行了研究，提出横坡耕作较顺坡耕作产流量分别减少25.9%、62.7%和92%，产沙量分别减少20.5%、82.9%和90%。谢颂华等［4］提出南方红壤坡地横坡耕作的累积消流减蚀效应优于顺坡耕作，且套种作物增加果园覆盖能有效控制防治幼龄果园水土流失。说明除耕作措施外，地表覆盖和间作、套种和混播等方式也能有效减少产流产沙量。陈伟等［5］通过东北农区的研究发现，鼠洞+暗管 +垄向区田相结合的综合技术模式的减流减沙效果最好。李静苑等［6］提出在川北丘陵区，耕作措施和植物措施结合能有效减少该区的产流产沙量。张翼夫等［7］提出保持30% ～60%的玉米秸秆覆盖既能有效减少产流产沙量，又不影响机械播种的质量;梁洪儒等［8］提出坡面产流时间和总产流量随砾石覆盖度的增加分别延迟和线性减小，土壤侵蚀量则随砾石覆盖度的增加呈指数减少趋势。李建华等［9］比较了花生和各种草本植物间作对沂蒙山坡耕地的产流产沙的作用;魏霞等［10］提出了玉米茎秆汁液可作为土壤改良剂用于土壤侵蚀防治。坡面土壤侵蚀量和径流强度与土壤团聚体稳定性存在显著负相关关系，湿筛团聚体平均质量直径和＞0.25 mm水稳性团聚体含量与侵蚀量和径流强度相关程度最高［11］。综合来看，现有耕作措施，凡是改变微地形(或小地形)，增加地面糙度，如横坡耕作、横坡沟垄耕作、区田、水平防冲沟等，或增加地面覆盖度，如倒茬、间作、套种和混播等，以及改善土壤物理性状，均可达到水土保持的目的［12］。同时免耕休闲可以有效减轻坡地水土流失、遏制坡地土壤质量退化的态势［13］，但当土壤水分达到饱和后聚土免耕耕作制较常规种植方式的产沙强度差异较小［14］。

川西丘陵区降雨集中，地形破碎，土层薄，加之人类不合理利用土地的影响，水土流失严重。黄俊等［15］指出，土壤侵蚀率随径流系数呈幂函数增加趋势，径流中泥沙浓度随径流系数、降雨侵蚀力呈对数函数增加趋势。土壤流失量随降雨侵蚀力及次降雨径流深均呈线性递增趋势。以往的相关研究多集中在川中丘陵区，对川西丘陵区不同坡度和耕作措施下产流产沙随降雨等级的变化规律的定量研究较少，本研究基于浦江县4年小区观测数据和降雨记录，对比分析10°和20°下顺坡垄作和横坡垄作对坡耕地产流产沙的影响，以期为川西丘陵区沙壤土坡耕地的水土流失治理提供科学依据。

1 研究区概况

朝阳水土保持试验点地处川西丘陵区的浦江县，位于县城南13 km处的朝阳水库库区内，平均海拔为580 m。属亚热带季风气候区，年降雨量1 200～1 700 mm，年均气温14～15℃。全县年均侵蚀总量210万t，平均侵蚀模数3 616 t/(km2·a)，为中度侵蚀区，其中坡耕地水土流失量较大。试验区设在三面环水的坡耕地上，土壤由白垩系灌口组泥岩粉砂岩风化发育而成的沙壤土，土层厚度60～80 cm，因川西丘陵区处于岷江流域，河流纵横，沙壤土分布较广，具有一定的代表性和典型性。

2 材料与方法

2.1 试验区布设

设置径流小区4个，小区水平投影面积均为100 m2(长20 m，宽5 m)，上部和两侧边缘均用石板浆砌成高0.25 m、宽0.07 m、埋深0.25 m的隔水墙，顶部为单面刀口形，小区下部边缘为集流槽，直接与矩形集流池相通，并用水泥砂浆抹面，池壁设标尺便于观测水位，池底设半径0.1 m圆形放水孔以便于清池。其中Ⅰ小区和Ⅲ小区坡度分别为20°和10°，均为顺坡垄作，6沟7垄，沟深38 cm，沟宽20 cm，沟垄距83 cm;Ⅱ小区和Ⅳ小区坡度为20°和10°，均为横坡垄作，24沟25垄，沟深、沟宽和沟垄距同上;种植模式均为小春休闲、大春玉米套种红苕(垄上种植玉米，垄间种植红苕)。种植密度和管理方式均按照当地农耕习惯进行，至今仍在沿用。

2.2 降雨等级划分和观测方法

根据国家气象局颁布的降雨等级划分标准，详见表1。

观测内容包括降雨量、降雨历时、降雨场次、径流量和产沙量等。降雨采用虹吸式雨量计进行观测，每次降雨过程结束后，记录各小区集流池内水位，计算出次降雨产生的径流量，并计算出径流深和径流系数。将截流池中水搅拌均匀，在池的不同位置量取浑浊水样3～5瓶，过滤、烘干、称量，结合径流量推算出悬浊水中泥沙干质量;然后放水并测得淤泥体积，定量量取淤泥样品，烘干称量推算出淤泥中泥沙干质量，最后核算出土壤侵蚀总量，结合径流量计算出含沙量(g/L)。采用浦江县朝阳水土保持试验观测站1984—1987年的试验观测数据，利用SPSS 20.0进行相关统计分析。

3 结果与分析

3.1 降雨及侵蚀性降雨特征分析

降雨是水土流失的源动力，与坡面产流产沙密切相关。由图1可知，该区1984—1987年年平均降雨量为1 359 mm，5—9月的降雨最大，占年降雨量的79%;逐月降雨量呈单峰变化，峰值集中在7—8月，占总降雨量的45%。而降雨时间分布差异不明显，大致呈双峰结构，峰值分别出现在3月和9月，平均降雨日数分别为14.3日和17.0日。4月至9月期间，降雨量差异较大，变化区间为［53.0，324.4］，而降雨时间变化幅度不大，变化区间为［13.3，17.0］，可见7月和8月的降雨强度最大，可能造成的水土流失最为严重。从10月至翌年3月，降雨量和降雨时间均呈谷状分布，降雨量均低于66 mm，降雨时间也相应减少，但最低值为12月的8.3日，和4—9月相比减少的幅度不大，说明10月至翌年3月期间，降雨强度较小，降雨可能以中小雨为主，水土流失现象不明显。

表1 降雨等级划分标准Tab．1 Classification of rainfall levels mm

图1 降雨量和降雨时间年内分布图Fig．1 Distribution of rainfall and days of rainfall within the year

本文中的侵蚀性降雨指径流小区中能明显观测到泥沙的次降雨。由图2可知，1984—1987年期间，该区侵蚀性降雨共计36次，累计降雨量2 076 mm，包括大雨(12次)、暴雨(17次)、大暴雨(5次)、特大暴雨(2次)。且侵蚀性降雨主要发生在7—8月份，2个月累计侵蚀性降雨量为1 614 mm，约占总值的78%;侵蚀性降雨次数为26次，包括7次大雨、13次暴雨、4次大暴雨和2次特大暴雨，共占总次数的72%。说明该区小雨和中雨基本不形成侵蚀产沙，大雨和暴雨为侵蚀性降雨的主要表现，故针对大雨和暴雨的降雨特征，应于7—8月加强相应的水土保持措施布置。

图2 累计侵蚀性降雨量和侵蚀性降雨次数月份分布图Fig．2 Monthly distribution of cumulative erosive rainfall and erosive rainfall events

3.2 径流系数和含沙量随降雨等级的变化特征

径流系数能够表征降雨中转化成径流的比例。通过统计不同降雨等级多场次降雨的径流系数均值可知，顺坡垄作(Ⅰ小区和Ⅲ小区)的径流系数明显高于横坡垄作(Ⅱ小区和Ⅳ小区)，径流系数随降雨等级的增加而增大，且顺坡垄作小区增加的幅度较大(图3)。说明顺坡垄作能够显著增加降雨转化为地表径流的比率，随着降雨等级的增加，转化的比率呈增加趋势。在横坡垄作小区中，20°小区略高于10°小区，从大雨到大暴雨，径流系数值分布于0.05～0.1之间，且呈缓慢增加趋势;而从大暴雨到特大暴雨之间，径流系数增加幅度较大，约增加了1倍多，分析说明特大暴雨下，耕作垄容易被冲毁，横坡垄作的水土保持作用下降，降雨转化为地表径流的比率上升。顺坡垄作作为川西丘陵区传统的耕作措施，径流系数为对应横坡垄作小区的1.33～3.81倍;倍数随降雨等级呈先增加后减少变化，在暴雨下的倍数最大，特大暴雨下最小(图3)。说明横坡垄作对暴雨的拦截作用最为明显，对特大暴雨的拦截作用不明显，降雨等级较小时，降雨经过植物截留、填洼、入渗等消耗后，转化为地表径流部分较小，这时横垄和顺垄之间的差异不大;随着降雨历时增加，地面逐渐产生积水，因横垄对地表径流有阻滞和蓄存作用，增加了地表雨水的下渗时间，和顺垄相比对降雨量的消耗较大，故而在一般暴雨情况下，顺垄和横垄间径流系数的差距最大;但随着降雨强度和历时继续增加，顺垄小区和横垄小区均达到水分饱和，降雨转化为地表径流的比例趋于一致，故而特大暴雨时，顺垄和横垄之间径流系数的差异较小。通过图3和图4可知，20°小区和对应的10°小区之间径流系数的比值在0.62～1.14之间，顺坡垄作措施下，20°小区的径流系数反而小于10°小区，这可能和土壤生物结皮有关，在玉米植株的遮阴下，沙质土壤表层容易产生生物结皮，生物结皮能够防止水分下渗，增加地表径流，相对于10°小区，20°小区地表径流速度较大，能够破坏生物结皮的结构，从而增加降雨的入渗量，故而降低了该小区的径流系数，故而相比于耕作措施，坡度对径流系数的作用不明显。

图3 不同降雨等级下径流系数的变化特征Fig．3 Variation characteristics of runoff coefficient under different rainfall levels

含沙量指单位体积浑水中所含泥沙的干质量，能够表征径流携沙能力，在水土保持效益评价中常被引用。由图4可知，含沙量随降雨等级呈先增加后减少趋势，在大暴雨时含沙量达到最大，且20°小区(Ⅰ小区和Ⅱ小区)的含沙量大于对应的10°小区(Ⅲ小区和Ⅳ小区)。这和秦伟等［16］提出土壤侵蚀与雨量整体同步增大的结论不太一致，可能因为侵蚀量尽管与雨量关系密切，但也和降雨频次、历时、降雨强度等密切相关。

图4 不同降雨等级下含沙量的变化特征Fig．4 Variation characteristics of sediment concentration under different rainfall levels

在10°小区中，顺坡垄作的含沙量均大于横坡垄作，且在暴雨时差距最大，说明横坡垄作在暴雨时的保土作用明显;而在20°小区中，横坡垄作和顺坡垄作小区的含沙量随降雨等级呈交替变化趋势，在特大暴雨时趋于一致(图4)。分析认为，横垄通过拦截和减缓地表径流速度的方式降低径流的携沙能力，但在坡度陡、降雨强度大的情况下，雨水蓄满垄沟时，径流沿横垄上侧翻过并冲刷垄肩，产生层状侵蚀，继而产生细沟侵蚀，当径流能量集聚到一定程度，垄壁的薄弱部位就被冲垮，造成大量土壤流失，故而在大暴雨时，横坡垄作反而增加水土流失量［17］。顺垄作为传统的耕作措施，随着降雨等级增加，分散性的水流逐渐转变为暂时性线状水流，侵蚀方式也由片蚀转变为细沟侵蚀，细沟侵蚀逐渐发展为沟蚀，随着径流的冲刷，地表容易形成深浅不一的切沟。

3.3 降雨等级对坡面产流产沙量的影响

横坡垄作和顺坡垄作为川西坡耕地的主要耕作措施，评价其水土保持效应有助于指导当地农业生产工作。由表2可知，4个小区的地表径流深均随大雨、暴雨、大暴雨、特大暴雨依次递增，其中，Ⅲ小区的产流量最大，其次为Ⅰ小区、Ⅱ小区、Ⅳ小区。就Ⅲ小区分析可知，大雨的平均径流深约为2.3 mm，而暴雨的径流深增加到11.3 mm，约增加了4倍;大暴雨的径流深约为23.4 mm，较暴雨约增加了1倍;特大暴雨的径流深为45.8 mm，较大暴雨约增加1倍;其中大雨和暴雨之间没有显著性差异(P＞0.05)，而与大暴雨和特大暴雨之间差异显著(P＜0.05);同时，Ⅲ小区在大雨、暴雨、大暴雨和特大暴雨的变异系数分别为1.1、1.0、0.6和0.2。Ⅰ小区和Ⅱ小区的径流深从大雨、暴雨、大暴雨到特大暴雨，逐次分别增加约2倍，大雨和暴雨情况径流深差异不显著(P＞0.05)，变异系数约为1;而大暴雨和特大暴雨与前者差异显著(P＜0.05)，变异系数分别约为0.7和0.05。Ⅳ小区的径流深随雨强逐次分别增加约1倍、2倍和3倍，而变异系数呈先增加后减少趋势，变化区间为［0.3，1.5］，仅特大暴雨和其他降雨强度间的差异显著(P＜0.05)。由此可知，随着降雨等级的增加，地表径流深明显增加，而变异系数则逐渐减小，地表径流和降雨紧密相关，当降雨等级较小时，地表径流深离散程度较大，随着降雨等级的增加，地表径流深的离散程度逐渐变小。这一方面和各降雨等级的降雨场次不同有关，大暴雨和特大暴雨分别为5次和2次，而大雨和暴雨分别达12次和17次，不同的降雨场次直接影响均值和标准差的值，进而影响到变异系数;另一方面，对于大雨和暴雨来说，其产生的地表径流和土壤前期含水量关系较大，这也增加了产流的不确定性，故而大雨和暴雨情况下产流量的变异系数较大，大暴雨和特大暴雨在一定程度上削弱了土壤前期含水量的影响，故而产流量的变异系数反而较小。

表2 不同降雨等级下坡耕地产流特征Tab．2 Runoff characteristics of farmland under different rainfall levels mm

大雨和特大暴雨情况下，各小区间径流深差异不显著(P＞0.05)，暴雨和大暴雨情况下，10°小区间差异显著(P＜0.05)，而20°小区间差异不显著(P＞0.05)，分析说明大雨和特大暴雨时耕作措施和坡度对径流量的影响不明显，降雨为其主要控制因子。在暴雨和大暴雨时，坡度的影响较为明显，同时耕作措施也起到一定的作用。在降雨等级相同情况下，顺坡垄作小区(Ⅰ和Ⅲ)明显大于横坡垄作小区(Ⅱ和Ⅳ)，相同耕作措施不同坡度下小区间的差异不显著(P＞0.05)。

对比评价横坡垄作和顺坡垄作的保土作用对当地农业生产具有重要的指导意义。由表3可知，在各降雨等级下，顺坡垄作小区(Ⅰ和Ⅲ)的产沙量均大于同坡度的横坡垄作小区(Ⅱ和Ⅳ)，但均未达到显著水平(P＞0.05)，同时变异系数约为1，均达到显著变异程度，说明尽管雨强类型相同，但次降雨间的产沙量的差异较大，这和刘坤等［18］在紫色土的研究结论相吻合。4个小区的产沙量均随大雨、暴雨、大暴雨、特大暴雨呈先增加后减少趋势，且在大暴雨时达到最大。其中暴雨、特大暴雨和大雨之间没有显著性差异(P＞0.05)，而与大暴雨之间差异显著(P＜0.05);Ⅱ小区和Ⅲ小区在大暴雨和特大暴雨间的差异不显著(P＞0.05)。大雨时，各小区间的产沙量差距不明显，均在2.0 kg左右;暴雨时，顺坡垄作小区(Ⅰ和Ⅲ)间差异较小，但20°小区的变异系数明显大于10°小区，说明20°小区的侵蚀产沙所受影响因素多，随机性较大;横坡垄作小区中，20°小区的产沙量约为10°小区的3倍，但差异不显著，说明坡度能够增加地表径流的速度，从而增加水流冲刷能量，故侵蚀产沙量较大。大暴雨时，耕作措施和坡度均有明显的水土保持作用，产沙量从大到小依次为Ⅰ小区(157.1 kg)、Ⅲ小区(120.3 kg)、Ⅱ小区(87.9 kg)和Ⅳ小区(67.9 kg)。顺垄小区的产沙量约为相应横垄小区的2倍，而20°小区的产沙量约为相应的10°小区的1.3倍，说明大暴雨时耕作措施较坡度的减沙效果更加明显。特大暴雨时，Ⅲ小区产沙量最大为71.9 kg，其次为Ⅰ小区(53.1 kg)和Ⅱ小区(43.5 kg)，Ⅳ小区的产沙量最小，仅为11.1 kg;Ⅲ小区作为10°顺坡垄作小区，产沙量明显高于20°顺坡垄作小区，这和常理相悖，坡度增加后产沙量反而减少，这可能因为坡度变大后，径流流速增大，极易形成细沟侵蚀，但该区土壤为沙质土，土壤颗粒较大，较难被侵蚀。大暴雨时产沙量明显大于特大暴雨，这和其他相关研究也存在较大差异，一方面和各降雨等级的降雨次数差异较大有关，特大暴雨仅为2次，这就增加了统计的不确定性;另一方面，当降雨特别大时，在地表积累厚厚的雨水，从而减少后续降雨和径流对土壤的击溅和冲蚀作用，故产沙量反而较大暴雨时小。

表3 不同降雨等级下坡面产沙特征Tab．3 Characteristics of sediment yield under different rainfall levels kg

3.4 降雨量和降雨历时与产流产沙的回归分析

本研究基于各小区36次侵蚀性降雨的产流产沙资料，以产流和产沙量做为因变量，降雨量和降雨历时做为自变量，回归模拟了产流产沙和降水因子之间的关系。由表4可知，4个小区回归方程的相关系数均达到0.72以上，说明方程能够较好的模拟它们之间的关系。降雨历时越长，降雨强度越小，降雨则主要转化为入渗，地表径流深就越小;反之，降雨历时短时，往往伴随着较大的降雨强度，能够形成超渗产流，从而增加了地表径流深。采用标准系数，相比于降雨量，降雨历时对径流深的影响较小，说明降雨量是影响径流深的主要因子，降雨量越大，能够产生径流的水量就越大，进而产生的径流量也就越大。通过建立回归方程，能较准确地预测未来降水变化下地表径流的变化特征。

表4 各径流小区径流深与次降雨量和降雨历时的回归方程Tab．4 Regression equation between runoff depth of each runoff plot and individual rainfall and rainfall duration

结合非标准化系数和标准系数2种方法回归拟合了产沙量与降雨量和降雨历时之间的关系，结果显示，Ⅰ小区、Ⅱ小区和Ⅲ小区的产沙量与降雨量和降雨历时之间均呈正相关关系，且相关系数约为0.6，低于径流深回归方程的相关系数，说明坡面侵蚀产沙的影响机制较径流复杂，除和降雨等动力指标相关外，受土壤性质、耕作措施、覆盖措施等的影响也较大，但从相关系数来看，模拟效果仍较佳。但对于Ⅳ小区，相关系数仅为0.255，说明降雨量和降雨历时不能较好的模拟产沙量的变化，这主要因为10°横坡垄作小区对径流产沙的拦截作用较大，侵蚀产沙在降雨等级小时，产沙量极少，等降雨等级达到一定的程度时，产沙量就会呈非线性显著增加，故而该方程的拟合效果较差(表5)。由此可知，采用降雨量和降雨历时拟合径流深效果较好，能够作为径流预测模拟的依据，但模拟产沙量的效果欠佳，特别对于坡度较小，水土保持措施较完善的小区，模拟的误差大，需要采用其他模拟方程进行模拟。这和何杨洋等［19］在密云水库石匣子流域坡耕地条件下的研究结论基本一致。

表5 不同耕作措施径流小区产沙量与次降雨量和降雨历时的回归方程Tab．5 Regression equation of sediment yield and secondary rainfall and rainfall duration in runoff plots of different tillage measures

4 结论

发生频次较高的侵蚀性降雨类型为大雨和暴雨，且7—8月的侵蚀性降雨量和降雨次数约占年值的78%和72%。故应针对大雨和暴雨的降雨特征，于7—8月加强相应的水土保持措施布置。相比于耕作措施，坡度对径流系数的作用不明显，而含沙量随降雨等级呈先增加后减少趋势，在大暴雨时含沙量达到最大，坡度的作用较明显。随着降雨等级增加，地表径流明显增加，而变异系数则逐渐减小。坡面产流产沙强度与降雨强度呈正相关关系，降雨强度愈大，相应的产流、产沙强度也就愈大;在相同坡度和降雨强度条件下，草地的产流、产沙强度小于裸地，与裸地相比，草地具有很好的削减地表降雨径流和泥沙的作用［20］。

分析说明大雨和特大暴雨时耕作措施和坡度对径流量的影响不明显，降雨为其主要控制因子。而在暴雨和大暴雨时，坡度的影响较为明显，同时耕作措施也起到一定的作用。采用降雨量和降雨历时拟合径流深效果较好，能够做为径流预测模拟的依据，但模拟产沙量的效果欠佳，特别对于坡度较小，耕作措施较完善的小区，模拟的误差大，需要采用其他模拟方法进行模拟。

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