王 磊，何 超，郑粉莉,2※，边 锋，覃 超，徐锡蒙

（1.西北农林科技大学水土保持研究所，黄土高原 土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室，杨凌 712100；2.中国科学院水利部水土保持研究所，杨凌 712100；3.西北农林科技大学资源环境学院，杨凌 712100）

0 引 言 1

近半个世纪以来黑土层的厚度已经下降了30～40 cm[1]。黑土流失严重影响着国家的粮食安全[2-3]，而不合理的耕作方式是影响坡耕地黑土流失的重要原因之一[4-7]。垄作是东北地区最常见的耕作方式，而横坡垄作是当前推广的农地坡面水土保持措施之一，一般在＜6°的农耕地上适宜采用横坡垄作以减少坡面侵蚀[8]。目前，横坡垄作已经在世界范围内得到了广泛的应用，已有研究表明，与传统的顺坡垄作相比，横坡垄作通过改变地表微地形，增加地表糙率以减少径流，垄丘可以有效降低径流流速，进而减少泥沙剥离和搬运[9-12]，并且为降雨的入渗提供更多的时间[13-14]。同时，横坡垄作在保持土壤温度、降低养分流失、增加根系深度、降低除草剂使用等方面也有其独特优势[15-17]。

东北黑土区夏秋季节降雨集中，且往往发生暴雨，容易形成集中径流引发土壤侵蚀[18-19]，横坡垄作可以有效推迟坡面产流时间，进而控制径流冲刷所引发的土壤侵蚀[14]。然而，横坡垄不同于梯田土埂，垄丘稳定性较差，所以在

遭遇强降雨时容易被径流冲垮发生断垄，此外，由于微地形的差异，横坡垄作难以严格地按照等高线进行修建，水流在较低处汇集仍会引起垄丘的垮塌[20-21]，进而造成更严重的耕层土壤流失[16,22-23]，因此明晰横坡垄作坡面的土壤侵蚀过程，根据不同耕作区的气候、地形、土壤性质等的差异，制定横坡垄作标准以最大发挥横坡垄作的水土保持效益是非常有必要的。为此，本文基于人工模拟降雨试验，以无垄作坡面为对照，研究不同降雨强度下东北典型黑土区横坡垄作下的坡面土壤侵蚀特征，分析横坡垄作坡面防治侵蚀效应，以期为东北黑土区农地土壤侵蚀防治和横坡垄作标准制定提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试土壤为东北黑土区吉林省榆树市刘家镇（44°43'17"N, 126°11'13"E）坡耕地表层 20cm典型耕作黑土。土壤颗粒组成黏粒（＜ 2 μm）、粉粒（2～50 μm）与砂粒（50～2000 μm）质量分数分别占20.3%、76.4%和3.3%，土壤有机质质量分数为24.18 g/kg（重铬酸钾氧化—外加热法），pH值为6.39（水浸提法，水土比2.5:1）。试验在黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室人工模拟降雨大厅进行。降雨设备为侧喷式人工降雨装置，降雨高度16m，降雨均匀度大于80%。试验土槽为8 m（长）×3 m（宽）×0.6 m（深）的固定式液压可升降钢槽，中间用PVC板隔成2个1.5 m 宽的试验土槽（图1）。

图1 试验土槽示意图Fig. 1 An illustration of soil box

1.2 试验设计

根据野外调查结果和相关文献资料[24-25]，本试验设计犁底层土壤容重1.3 g/cm3，耕层土壤容重1.2 g/cm3，垄层土壤容重控制在1.1 g/cm3；设计横垄垄高为15 cm，垄间距为65 cm；基于当地顺坡垄作改为横坡垄作的临界坡度[26]，设计试验坡度为5°（图2）。以无垄作坡面（平坡裸地）作为对照，共设计3组试验，每组试验2个处理，每个试验处理2个重复，每场次试验降雨历时为45 min。结合东北黑土区侵蚀性降雨标准[27]，设计 3个降雨强度（50、75和100 mm/h，即0.83、1.25和1.67 mm/min）。具体试验设计见表1。

图2 横坡垄作断面示意图Fig.2 An illustration of cross-sectional profiles of ridges

表1 试验设计Table 1 Experimental design

1.3 试验步骤

1）装填土前在试验土槽底部均匀打排水孔，用纱布填充试验土槽底部的排水孔，随后填入5 cm厚的细沙作为透水层以保证土槽良好的透水性。根据野外测定的犁底层，耕作层和垄层的土壤容重分别装填试验土槽。沙层之上填装15 cm厚，土壤容重为1.3 g/cm3的犁底层和20 cm厚，土壤容重为1.2 g/cm3的耕作层，采用分层填土法，每5 cm为一层。同时填土时还要将试验土槽四周边界压实，减少边界效应的影响。在耕作层之上按照垄高15 cm，垄间距65 cm，土壤容重为1.1 g/cm3修建横坡垄。

2）在试验前一天，用纱网覆盖试验土槽，用30 mm/h降雨强度进行预降雨直至坡面产流为止，以保证试验前期土壤条件的一致性。预降雨结束后，为防止试验土槽土壤水分蒸发和减缓结皮形成，用塑料布覆盖试验土槽，静置12 h后开始正式降雨。

3）正式降雨试验开始后，仔细观察坡面产流和侵蚀情况，尤其是断垄后坡面侵蚀状态，并记录初始产流时间并接取第一个径流泥沙样，待产流稳定后每隔2～3 min采集径流样。降雨过程中用高锰酸钾染色法测量垄坡和垄沟的地表径流表层流速。降雨结束后，去除径流样的上层清液，然后放入设置恒温为105℃的烘箱，烘干后测得泥沙质量。

1.4 数据处理

1.4.1 蓄渗量

根据人工模拟降雨试验的坡面水量平衡原理可推算出坡面蓄渗量[28]，本次试验次降雨过程中坡面水量平衡方程为：

式中 P 为坡面降雨量，mm；Rf为试验土槽产生的径流量，mm；Rs为垄沟的拦蓄水量，mm；I 为土壤入渗量，mm；E 为蒸发量，mm；T 为蒸腾量，mm。

由于降雨时间较短（45min），次降雨过程中空气湿度达到 90%以上，所以蒸发量可以忽略不计；由于试验土槽的地表处理为裸裸裸裸（无植物），因而蒸腾量为0。因此，次降雨过程中的垄沟拦蓄水量与土壤入渗量之和为坡面蓄渗量：

式中WQ为坡面蓄渗量，mm。无垄作坡面仅有下渗量，则垄沟拦蓄水量Rs为0。

1.4.2 蓄渗率

蓄渗率是指坡面蓄渗量占降雨量的比例，公式为：

式中Wr为坡面蓄渗率，%。

2 结果与分析

2.1 不同降雨强度下横坡垄作的减水减沙效应

不同降雨强度下横坡垄作减水减沙效应有较大差异。为了更好地区分横坡垄断垄前后的减水减沙效应，在75和100 mm/h降雨强度下以断垄时间节点为界，将横坡垄作土壤侵蚀过程分为断垄前和断垄后两部分（表2）。当降雨强度为50 mm/h时，横坡垄作坡面基本将降雨就地入渗或者拦蓄在垄沟内，与无垄作坡面对比，坡面径流总量和侵蚀总量分别减少97.7%和99.8%。

当降雨强度为75 mm/h时，横坡垄作坡面出现断垄（表2），断垄后横坡垄作坡面径流量和侵蚀量急剧增加，分别为断垄前的25.9倍和171.5倍；与无垄作试验处理相比，断垄前横坡垄作可有效减少坡面径流量和侵蚀量97.8%和99.1%，这与50 mm/h降雨强度下的减水减沙效应相近；断垄后横坡垄作坡面径流量减少44.4%，但同时侵蚀量增加63.7%，这是由于断垄后使得瞬时水流流速急剧增加而导致水流挟沙量增大，从而造成侵蚀量的急剧增加，而受未断垄部分坡面拦蓄作用和前期垄沟积水下渗的影响，径流总量仍小于无垄作坡面。

当降雨强度增加到100 mm/h时，断垄后横坡垄作坡面径流量和侵蚀量分别为断垄前的23.3倍和136.8倍；与无垄作坡面相比，断垄前横坡垄作坡面径流量和侵蚀量分别减少97.7%和99.1%，而断垄后坡面径流量减少45.0%，但坡面侵蚀量增加35.8%。横坡垄作和无垄作坡面的径流总量和侵蚀总量均随着降雨强度的增大而增大，横坡垄作坡面在75和100 mm/h降雨强度下的径流总量虽然小于无垄作坡面，但侵蚀总量却高于无垄作坡面，这是由于断垄后坡面侵蚀方式从断垄前的片蚀演变为沟蚀所造成的。

表2 不同降雨强度下横坡垄作和无垄作坡面的径流量和侵蚀量Table 2 Runoff and soil loss of contour ridge tillage and flat tillage under different rainfall intensities

2.2 横坡垄作与无垄作处理的土壤蓄渗量对比

横坡垄作坡面在50、75和100 mm/h降雨强度下的坡面产流时间比无垄作坡面分别推迟了 19.8、15.2和 3.5 min，在75和100 mm/h降雨强度下，分别在降雨开始后26.3和22.9 min发生断垄。在50 mm/h降雨强度下，横坡垄作在垄沟的蓄水作用下可使98.9%的降雨入渗或拦蓄在垄沟内，而无垄作面的蓄渗率仅为横坡垄作的1/2，这表明在此降雨强度下，横坡垄作的抗侵蚀效应明显（表3）。然而随着降雨强度的增大，横坡垄作和无垄作处理的蓄渗率分别下降至50%和10%以下。

表3 不同降雨强度下横坡垄作与无垄作坡面蓄渗率对比Table 3 Comparison of water storage rates of each tillage slope under different rainfall intensities

选取15、25 、35和45 min为时间步长，用于对比分析不同降雨历时横坡垄作和无垄作试验处理下的蓄渗量。图3表明，降雨历时15 min横坡垄作坡面未发生断垄，3个降雨强度下的横坡垄作坡面将降雨基本全部拦蓄，其蓄渗率分别为99.8%、98.3%和95.9%；而无垄作坡面的蓄渗率分别为75.3%、26.4%和12.2%（图3 a）。在降雨历时25 min时，横坡垄作坡面在50和75 mm/h降雨强度下的坡面蓄渗率变幅较小，而100 mm/h降雨强度下由于22.9 min断垄，坡面蓄渗率陡然下降至66.1%；无垄作坡面在3个降雨强度下坡面蓄渗率均有所降低（图3 b）。当降雨历时到达35 min时，50 mm/h降雨强度下横坡垄作坡面蓄渗率无明显变化，而75 和100 mm/h降雨强度下坡面蓄渗率分别下降至62.6%和53.7%；无垄作坡面蓄渗率分别下降至56.3%、11.1%和6.4%（图3 c）。降雨历时45 min时，50 mm/h降雨强度下横坡垄作坡面蓄渗率仍稳定保持在98%以上，而75和100 mm/h降雨强度下坡面断垄水路基本形成，蓄渗率急剧降低至39.7%和47.7%；对于无垄作坡面，土壤入渗率达到稳定状态，坡面蓄渗量无明显变化（图3 d）。

图3 不同降雨历时坡面蓄渗率对比Fig.3 Comparison of hillslope water storage capacity at different time periods

2.3 不同降雨强度下横坡垄作对坡面侵蚀过程的影响

2.3.1 横坡垄作和无垄作坡面径流和侵蚀过程对比

横坡垄作和无垄作坡面径流强度随降雨强度的变化存在明显差异，在75和100 mm/h降雨强度下横坡垄作存在以断垄时间为界的突变（图 4）。当降雨强度为 50 mm/h时，横坡垄作坡面径流强度在1.0 mm/h上下范围内无明显波动；无垄作坡面的径流强度自坡面产流后随时间推移呈现出缓慢上升趋势，降雨25 min后逐渐趋于稳定。当降雨强度为75 mm/h时，横坡垄作坡面在26.3 min发生断垄，断垄前径流强度为0.3 mm/h，断垄后径流强度逐渐增大，在30 、34 和40 min连续出现了3个峰值；当降雨40 min时径流强度最大峰值达到350.1 mm/h，随后陡然降低；而无垄作坡面径流强度在缓慢上升至15 min后逐渐趋于稳定。当降雨强度增加到100 mm/h时，横坡垄作坡面产流时间和断垄时间均有所提前，其中断垄时间比75 mm/h降雨强度提前了3.4 min，断垄前径流强度相对较小且无明显波动，平均值为5.6 mm/h，而断垄后径流强度陡然增加，在 24 min时出现最大峰值 661.9 mm/h，随后迅速降低，第二次较小峰值出现在32 min，之后趋于稳定；而无垄作坡面径流强度介于 77.2～99.8 mm/h之间，与横坡垄作坡面相比，随着降雨历时的增加无明显的变化。

图4 不同降雨强度下横坡垄作和无垄作坡面径流强度的变化过程Fig.4 Variation of runoff intensities of contour ridge tillage and flat tillage under different rainfall intensities

横坡垄作和无垄作坡面侵蚀速率的变化特征与径流强度呈现出较好的一致性（图5）。当降雨强度为50 mm/h时，横坡垄作的侵蚀速率介于 1.8×10-3～3.3×10-3kg/m2·h 之间，平均值为 2.7×10-3kg/m2·h；无垄作坡面在坡面产流后侵蚀速率呈现出先增大后减小的变化趋势。

当降雨强度为75 mm/h时，横坡垄作坡面断垄前侵蚀速率介于0～1.0 kg/m2·h，断垄后侵蚀速率出现2个峰值，在降雨历时40 min时侵蚀速率达到65.6 kg/m2·h与径流强度呈现出良好的对应关系；无垄作坡面在降雨历时15 min时峰值侵蚀速率为6.4 kg/m2·h，之后逐渐下降并趋于平稳。当降雨强度增加到100 mm/h时，横坡垄作坡面断垄前侵蚀速率介于0～1.0 kg/m2·h，而断垄后侵蚀速率陡然增加到62.0 kg/m2·h，之后迅速波动减小，在32 min出现第2个峰值后缓慢减小并逐渐趋于稳定。

这是由于横坡垄在断垄后由于积蓄在垄沟内的雨水瞬间倾泻导致横坡垄被冲垮，断垄后的垄丘土体是横坡垄作坡面泥沙的主要来源。

图5 不同降雨强度下横坡垄作和无垄作坡面侵蚀速率的变化Fig.5 Variation of erosion rate of contour ridge tillage and flat tillage under different rainfall intensities

2.3.2 横坡垄作和无垄作坡面的水沙关系

一般认为，坡面侵蚀量随着径流量的增大而增大[29-30]。本研究结果表明横坡垄作和无垄坡面的径流量与侵蚀量存在线性关系，并且具有显著相关性（P＜0.01）。在降雨强度为50、75和100 mm/h时，横坡垄作坡面断垄前径流量和侵蚀量较少（均小于1个径流和侵蚀单位），降雨几乎全部就地入渗或拦蓄在垄沟内，坡面基本不发生土壤侵蚀（图6a）；然而随着75和100 mm/h降雨强度下断垄的出现，坡面侵蚀量随着径流量的增加急剧增大，并且侵蚀量与径流量呈现出良好的线性关系（图6b）。无垄作坡面水沙关系的斜率随着降雨强度的增大呈现出递增趋势，但递增幅度远小于横坡垄作坡面（图6c）。

拟合方程的斜率大小反映侵蚀量随径流量的增大幅度，在瞬时径流量一定的情况下，横坡垄作坡面在75和100 mm/h降雨强度下的侵蚀量可以达到无垄作坡面的2.7～3.6倍，这表明横坡垄作在断垄后，随着降雨强度的增大侵蚀量出现短历时的突变式增加，这与断垄后径流含沙量瞬间增大密切相关，而无垄作坡面在从片蚀到细沟侵蚀过程中径流含沙量相对较稳定。

图6 横坡垄作和无垄作坡面的水沙关系Fig.6 Relationships between runoff and sediment on slopes of contour ridge tillage and flat tillage

3 讨论

横坡垄作的防治侵蚀效应主要取决于径流量的大小和垄丘的拦蓄能力。在50 mm/h降雨强度下，横坡垄作可以有效减少坡面径流量和侵蚀量[22,31]。但遇到≥75 mm/h的强降雨时，垄内积水漫出垄丘以较高的流速泄出发生断垄，其水土保持效益急剧降低，这与前人的研究结果一致[11,31]。本试验在45 min的降雨历时中，75和100 mm/h降雨强度下横坡垄作坡面的产流产沙过程可以明显分为断垄前和断垄后2个阶段。断垄前横坡垄作坡面基本能完全将径流拦蓄在垄沟内。然而随着积水不断增多漫出垄沟，垄丘下坡在上方来水的冲刷和渗流作用下形成细沟沟头（图7 a），由于水流掏涮在沟头下方产生水涮窝并促使沟头不断溯源，当垄丘剩余土体土壤颗粒间的粘结力小于土体自身重力和径流剪切力时，即出现断垄[32]（图7 b, c），断垄的出现使水流流速由断垄前的0～3.2 cm/s增加到断垄后的6.7～19.3 cm/s，加速了垄沟内积水的外泄及径流的冲刷动力（图7 d）。断垄前横坡垄作坡面以片蚀为主，断垄后原本汇集在横坡垄沟内的积水汇集形成股流便开始了细沟侵蚀过程（图7 e）。试验过程表明断垄与降雨强度和降雨历时以及垄丘的稳定性有关[33]，根据野外调查，东北黑土区机械犁耕下垄丘的土壤容重仅为0.9～1.1 g/cm3，孔隙度高、透水性好，稳定性相对较差，当降雨强度较大或降雨历时较长时，垄沟内迅速积蓄大量雨水，积水一方面在重力作用下对下方垄丘产生压力，另一方面由于垄丘土质疏松，积水穿过垄丘形成渗流，在坡度的影响下加快垄丘土体的崩解，最终断垄导致大量的水土流失。

图7 横坡垄的断垄过程（100 mm·h-1）Fig. 7 Process of contour ridges failure (100 mm·h-1)

有研究认为适当的加高垄丘可以降低横坡垄断垄的风险[11,23]，然而垄丘高度的增大有可能会引起稳定性的降低，进而加剧土壤侵蚀。20世纪90年代东北黑土区开始初步探索坡耕地垄作区田的耕作模式，有研究结果表明在横坡垄作、坡式梯田等措施的配合下，按最佳土挡间距修筑垄作区田可以显著提高水土保持效益和作物产量，但该研究在3.6 mm/min降雨强度，历时20 min模拟降雨条件下并未发生断垄，坡面径流量和侵蚀量均减少27%以上，与本研究结果有差异[34]，分析可能是由于垄作区田与横坡垄作相结合的耕作方式其防治坡面侵蚀效应高于单一采用横坡垄作的耕作方式。但也有研究表明，当坡度增大时等高植物带或横坡垄作等水土保持措施下的坡面侵蚀量反而大于传统耕作[35-36]；此外，雨型的变化也会导致断垄，从而引起的横坡垄作坡面侵蚀过程由细沟间侵蚀转变为细沟侵蚀[37]，这与本研究结果类似。综上所述，横坡垄作的防治侵蚀效应主要受降雨强度、雨型、坡度（包括地面坡度和垄向坡度）及垄丘的稳定性等因素的影响，目前宽垄耕作模式（图8）在东北地区已得到广泛应用，通过加宽垄丘宽度，可以提高垄丘的稳定性以及作物水分生产效率和产量[38]，对防治强降雨下断垄所造成的土壤侵蚀具有一定优势，这为解决横坡垄作在强降雨下防治侵蚀效应降低提供了思路。

图8 宽垄断面示意图Fig.8 An illustration of cross-sectional profiles of wide ridges

4 结论

本文以无垄作坡面为对照，初步探究了横坡垄作在不同降雨强度下的土壤侵蚀过程及防治侵蚀效应，研究表明：

1）横坡垄作坡面的防治侵蚀效应与降雨强度的大小有关。在50 mm/h降雨强度下横坡垄作坡面径流量和侵蚀量较无垄作坡面分别减少97.7%和99.8%，坡面基本不发生土壤侵蚀；在75和100 mm/h降雨强度下，横坡垄作坡面径流量分别较无垄作坡面减少44.4%和45.0%，但侵蚀量增加63.7%和35.8%。

2）在75和100 mm/h降雨强度下，横坡垄作坡面的径流和侵蚀过程均明显存在以断垄时间为界的突变。与无垄作坡面对比，横坡垄作试验处理在断垄前的径流强度和侵蚀速率分别为无垄作坡面的 0.01～0.06倍和0.01～0.02倍，而断垄后的径流强度和侵蚀速率分别为无垄作坡面的4.5～6.7倍和8.9～10.3倍。

3）横坡垄作具有较强的蓄水能力，在50 mm/h降雨强度下，横坡垄作可使 98.9%的降雨入渗或拦蓄在垄沟内，而无垄作面的蓄渗率仅为横坡垄作坡面的1/2。当降雨强度为75和100 mm/h时，横坡垄作和无垄作坡面的蓄渗率分别下降至50%和10%以下。

4）横坡垄作和无垄坡面的水沙关系表明，受断垄影响的横坡垄作坡面侵蚀量随径流量的增大幅度远大于无垄作坡面，在75和100 mm/h降雨强度下，当径流量相同时横坡垄作坡面的侵蚀量可达无垄作坡面的2.7～3.6倍。