玉米生长期坡耕地地表径流及侵蚀产沙特征

2014-09-06郑子成李廷轩孔祥东

水土保持研究 2014年3期

罗键，郑子成，秦凤，李廷轩，孔祥东

（1.四川农业大学资源环境学院，成都611130；2.四川省水土保持局，成都610041）

紫色丘陵区是中国典型农业区，人地矛盾尤为突出，逐年增加大量零散坡耕地，由于受其发育母质的影响，土层浅薄，质地较轻，土壤保水能力较差，加上不合理的耕作管理，水土流失较为严重。目前，国内外关于土地利用方式、施肥管理对坡耕地水土流失影响的研究较多［1－6］，关于耕作方式的研究大都基于流域或坡面大尺度范围［7－11］，作物的研究大多立足于不同作物覆盖度或季节变化条件下土壤流失情况［12－16］，而对于玉米全生育期及零散坡耕地的研究甚少。因此，本文通过微小区与野外人工模拟降雨相结合的方法，系统研究玉米不同生育期坡耕地径流及侵蚀产沙的特征，有助于全面掌握紫色土区零散坡耕地水土流失规律，以期服务于紫色土区坡耕地水土流失的治理及区域农业可持续利用。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

本试验在农业部资阳长江上游农业资源与生态环境重点野外科学观测试验站进行，该区域位于长江上游沱江水系花椒沟小支流的响水滩上端，处于104°34′12″—104°35′19″E和30°05′12″—30°06′44″N，属四川省资阳市雁江区松涛镇的响水村，平均海拔395m，该区属亚热带季风气候，年平均气温17℃，一年中降水分配极不均匀，年均降雨量965.8mm，暴雨主要发生在6—10月。年日照时数1 300h，年均无霜期长达300d。研究区坡耕地以玉米种植为主，辅以种植白菜、芋头、海椒等，玉米按照当地实际情况，每666.7m2栽培约2 700株。土壤为遂宁组母质发育的红棕紫泥，质地较轻，pH值为8.1，有机质含量为11.6g／kg，全氮和碱解氮分别为0.73g／kg和40.1mg／kg，有效磷14.08mg／kg，速效钾为86.6 mg／kg，土壤肥力中等。

1.2 供试材料

供试玉米品种为当地主栽的川单13，于2012年4月上旬播种，行距80cm，株距30cm。播种前分别施氮肥（N）和磷肥（P2O5）250kg／hm2和125kg／hm2，拔节前期追施氮肥150kg／hm2，氮肥为尿素（含N 46.3%），磷肥为过磷酸钙（含P2O512%），其他管理措施均按当地农耕习惯进行。

1.3 研究方法

本试验采用野外人工模拟降雨的方法。微小区用来模拟零散坡耕地，其面积设计为2m×1m，坡度设置为15°。按照当地农民习惯，在每一试验区内布设平作、横坡垄作和顺坡垄作3种措施，以裸地作为对照。横坡垄作和顺坡垄作分别沿水平方向和顺坡方向开沟起垄，垄高15cm，垄距30cm，垄宽40cm，平作对地表进行松土和平整。根据研究区多年水文资料记录的降雨频率及特点，本研究设计降雨强度为1.0mm／min，1.5mm／min，2.0mm／min，对应降雨历时分别为60，40，30min。所有试验重复3次，共计36个小区。试验分别在玉米播种期、苗期—拔节期、拔节期—抽雄期和抽雄期—成熟期进行。

在降雨过程中收集地表径流。开始产流后，每3 min收集一次径流泥沙样，采用量筒法测定径流量，采用烘干法测定泥沙量。

2 结果与分析

2.1 玉米季不同耕作措施坡面产流特征

2.1.1 径流总量变化特征由图1可知，随着雨强的增加，不同耕作措施坡面径流量均呈增加的变化趋势。在雨强1.0mm／min条件下，对照坡面玉米不同生育期径流量均高于实施措施坡面，表明实施措施下玉米不同生育期坡面对径流具有一定的调控作用。不同措施在各生育期存在一定差异，横坡垄作和平作坡面在各生育期径流量均较小，其中平作坡面在种植前径流量最小，主要由于松耕等作业方式，增加土壤入渗能力；而横坡垄作坡面在拔节期—抽雄期坡面径流量最小，因为这一时期，玉米叶片支撑角度对降雨的截留作用较大［17］，加上地表微地形的起伏，导致坡面径流量较小。

图1 玉米季各耕作措施坡面径流总量的变化特征

在雨强1.5mm／min条件下，除苗期—拔节期外，其他生育期对照坡面的径流量均高于实施措施的坡面。玉米种植后，横坡垄作坡面在玉米拔节期—抽雄期径流量最小。在雨强2.0mm／min条件下，除苗期—拔节期外，其他生育期对照坡面的径流量均高于实施措施的坡面。对照及顺坡垄作坡面的径流量均随着玉米生育期推进，坡面径流量呈增加的变化趋势，横坡垄作坡面在玉米苗期—拔节期坡面径流量最小。产生此现象的原因是随着玉米生长期的推进，玉米叶片逐渐向下倾斜［18］，植株覆盖度下降，对地表的保护能力逐渐降低，故导致坡面径流量呈升高的趋势。

2.1.2 地表产流过程由图2可知，不同雨强条件下，玉米生长期各耕作措施坡面径流量总体表现为随着降雨历时的延长呈逐渐上升的趋势，在降雨后期逐渐趋于不同程度的下降，不同雨强条件下对照坡面径流量总体高于实施措施的坡面。

玉米种植前，对照坡面径流量随着降雨强度的增加，坡面产流有所提前，径流量呈增加的变化趋势，且高于实施措施坡面，各措施坡面径流过程的产流量总体表现为顺坡＞平作＞横坡。苗期—拔节期，各坡面径流量均有不同程度增加。在雨强1.0mm／min条件下，顺坡垄作坡面径流量在降雨开始后2～30min内逐渐上升，39min达到峰值，降雨后期出现陡降，产流平均值为3.69L；对照坡面径流量降雨期间波动起伏较大，至42min达到峰值，径流量平均值为2.43L；平作和横坡垄作坡面在降雨前期径流量稳定在0.60L左右，随着降雨历时的延长，径流量有所增加。在雨强1.5mm／min条件下，顺坡垄作坡面的产流最早，至30min到达峰值，其径流量平均值为9.26 L；对照和横坡垄作坡面的径流量随降雨的延续总体上呈先增加后降低的变化趋势，27min达到峰值；平作坡面径流量在降雨开始后6～30min内不断增加，至30min到达峰值，径流量平均值为4.92L。在雨强2.0mm／min条件下，不同耕作措施坡面均在3 min左右开始产流，径流量在降雨开始后3～6min内迅速增加，之后增幅较小；对照坡面在12min到达峰值，之后略有上升，径流量平均值为10.40L；顺坡垄作坡面在21min到达峰值，径流量平均值为7.53 L。不同雨强条件下，拔节期—抽雄期各坡面径流量均表现为先增加后趋于下降的变化趋势；与对照坡面相比，各措施坡面产流时间均有所滞后，且各坡面径流过程的产流量总体低于苗期—拔节期。在雨强1.0 mm／min条件下，抽雄—成熟期不同耕作措施坡面的径流量在降雨后1～3min内迅速增加，57min之后迅速下降；随着玉米生育期的推进，不同耕作措施的产流时间逐渐延缓且径流变化逐渐趋于基本一致。在雨强1.5mm／min条件下，各耕作措施坡面均在3min左右开始产流，在3～24min内径流量逐渐上升，对照和平作坡面于24min到达峰值，之后逐渐下降，而顺坡和横坡垄作坡面至30min到达峰值。在雨强2.0mm／min条件下，顺坡垄作和对照坡面均在1min左右产流，径流量在降雨开始后2～3min内迅速增加，而顺坡垄作坡面径流量随着降雨历时的增加逐渐减少；横坡垄作和平作坡面均在3min左右开始产流，随着降雨历时的延长，横坡垄作坡面的径流量在降雨开始后6～15min内稳定在4.20L左右，之后逐渐上升，至21min到达峰值；平作坡面随降雨的延续，径流量呈先增大后减小的趋势，至18min到达峰值。

图2 不同雨强条件下玉米各生育期坡面产流过程

2.2 玉米季不同耕作措施侵蚀产沙特征

2.2.1 侵蚀产沙量变化特征由图3可知，不同雨强条件下，种植前坡面侵蚀产沙量均低于其他生育期坡面。随着雨强的增加，平作、顺坡垄作及对照坡面侵蚀产沙量呈先增加后降低的变化趋势，横坡垄作坡面侵蚀产沙量变化较为稳定，且最小。在雨强1.0 mm／min条件下，随着玉米生育期的推进，各措施坡面侵蚀产沙量均呈增加的变化趋势，且对照坡面和顺坡垄作坡面侵蚀产沙量均高于其他措施坡面。在雨强1.5mm／min条件下，随着玉米生育期推进，顺坡垄作坡面苗期—拔节期和抽雄期—成熟期侵蚀产沙量较大，而对照坡面的侵蚀量却呈一直增加的变化趋势。在拔节期—抽雄期，实施措施坡面的侵蚀产沙量最小。在雨强2.0mm／min条件下，随着玉米生育期推进，顺坡垄作坡面侵蚀产沙量较高且持续稳定，而对照坡面侵蚀量却呈一直增加的变化趋势。这主要因为种植前实施耕作措施坡面，增加地表粗糙度［19］，有利于雨水的下渗，从而有效地减少了地表径流，导致携带的泥沙较少。生长后期，由于前期降雨在地表形成一些分散细沟和浅沟，有利于雨水的汇集，再加上植株后期对地表的保护作用减小，使得雨水对地表的侵蚀加剧，故侵蚀量有所增加。顺坡垄作坡面的侵蚀产沙量最大，产生这一现象的原因是顺坡沟垄平行于坡面，有利于径流在坡面的汇集，加剧了对地表的冲刷。随着降雨强度的增加，侵蚀量呈先增加后降低的变化趋势。这是因为降雨强度与实施耕作措施后地表糙度间的互动作用所致。

2.2.2 地表产流过程由图4可知，在不同雨强条件下，随着玉米生育期的推进，不同耕作措施坡面的侵蚀量呈逐渐增大的趋势。对照坡面的侵蚀量大且波动起伏明显，这是由于对照坡面无地表覆盖及耕作措施的保护，使其易受雨滴的侵蚀和径流的冲刷，导致地表侵蚀量大且随机性强。顺坡垄作坡面的侵蚀量最大，这与它自身沟垄具有较强的汇水作用有关。

图3 玉米季各耕作措施坡面侵蚀产沙量变化特征

图4 不同雨强条件下玉米各生育期坡面产沙特征

玉米种植前，在雨强为1.0mm／min条件下，顺坡垄作坡面侵蚀量在产沙初期波动较为明显，随着降雨历时的延长，逐渐趋于平稳。产生这种现象的原因是由于降雨初期，坡面松散土粒随地表径流迁移，随着降雨的延续，前期坡面松散土粒被搬运后，且雨强较小，坡面侵蚀仍以片蚀为主，侵蚀量减小并趋于平稳。在雨强为1.5mm／min条件下，平作和横坡垄作坡面的侵蚀量在种植前较小；顺坡沟垄与坡面方向平行，易于侵蚀的产生。在雨强为2.0mm／min条件下，横坡垄作侵蚀量最大且波动起伏明显，产生这种现象的原因是横坡的垄沟与坡向垂直，由于降雨强度较大，雨水对沟垄的冲刷能力较强，表层松散的土粒较易被搬运；对照坡面侵蚀量随着降雨的延续呈先上升后下降的趋势；顺坡垄作坡面侵蚀量随降雨历时的延长呈逐渐增加的变化趋势，平作坡面侵蚀量在降雨过程中变化较为稳定。在苗期—拔节期，雨强为1.0 mm／min条件下，平作、横坡垄作和对照坡面侵蚀量在降雨过程中变化较为平缓，而顺坡垄作坡面侵蚀量在降雨后期迅速上升，产生这种现象的原因是由于随着降雨历时的增加，雨滴对顺坡垄作坡面侵蚀加剧，逐渐由片蚀转变为细沟侵蚀，侵蚀量迅速增加。

在雨强为1.5mm／min条件下，顺坡垄作侵蚀量在降雨开始6～30min内迅速上升，侵蚀产沙量平均值为198.3g，产生这种现象的原因是由于部分坡面侵蚀方式由片蚀演化为细沟侵蚀，侵蚀量有所增加；对照和横坡垄作坡面侵蚀量随着降雨历时的增加呈先增加后降低的变化趋势，侵蚀产沙量平均值分别为10.4g和34.5g。在雨强为2.0mm／min条件下，顺坡垄作坡面侵蚀量在降雨开始1～3min内上升至21.0g左右，在3～12min侵蚀量基本保持不变，之后侵蚀量又逐渐升高。在拔节期—抽雄期，由于植株覆盖度较大，对地表的保护作用较强［20］，对照坡面与玉米种植坡面的侵蚀量差异较大。在抽雄期—成熟期，雨强为1.0mm／min条件下，横坡垄作坡面侵蚀量呈先增加后降低的变化趋势，主要是由于雨水的不断冲刷，沟垄可能出现部分破坏，故导致侵蚀量的增加。在雨强为1.5mm／min条件下，顺坡垄作坡面侵蚀量在降雨开始后3～15min内迅速增加，之后趋于平稳；横坡垄作侵蚀量随降雨历时的延长呈逐渐增加变化趋势。在雨强为2.0mm／min条件下，平作和横坡垄作坡面的产沙量在降雨过程中稳定在5.5g和1.0g左右；顺坡垄作坡面侵蚀量在降雨前期稳定在25.0g左右，在18min之后出现陡升，产沙平均值为148.3g，这与其冠层截留及径流作用的大小密切相关。