人工降雨条件下耕翻面积对水土流失的影响

李 龙, 郝明德,2, 王 安, 董晓兵, 曹静静, 武东波, 肖庆红

(1.西北农林科技大学 资源环境学院, 陕西 杨凌 712100；2.西北农林科技大学 水土保持研究所, 陕西 杨凌 712100, 3.宁夏农业综合开发办公室, 宁夏 银川 750011)

人工降雨条件下耕翻面积对水土流失的影响

李 龙1, 郝明德1,2, 王 安1, 董晓兵1, 曹静静3, 武东波3, 肖庆红3

(1.西北农林科技大学 资源环境学院, 陕西 杨凌 712100；2.西北农林科技大学 水土保持研究所, 陕西 杨凌 712100, 3.宁夏农业综合开发办公室, 宁夏 银川 750011)

[目的] 探讨耕翻面积对水土流失的影响，为黄土高原地区农田水土流失防治提供依据。[方法] 通过人工模拟降雨试验，研究了3种坡度下不同耕翻面积的产流和产沙特性。[结果] 耕地的产流和产沙特征除了与坡度、雨强以及土壤前期含水量等因素有关外，还与耕翻面积有密切关系。坡度相同时，随耕翻面积的增加初始产流逐渐延后；耕翻面积相同时，随着坡度的增大径流量有增大的趋势，在坡度15°的情况下，耕翻50%时径流量最大。相同坡度下，随耕翻面积的增加，产沙量呈持续上升趋势；坡度为10°时，耕翻面积对产沙量的影响表现最为明显，翻耕的产沙量平均为不耕翻的8.66倍。15°坡度下径流量对累积产沙量的影响最显著。不同耕翻面积下的产流率在产流开始后10 min左右趋于稳定。在不同坡度下全耕的产沙率均最大，不耕翻的最小。[结论] 随着耕翻面积逐渐增大，初始产流时间逐渐延后，径流量逐渐减小，产沙量逐渐增大。

耕翻面积; 水土流失; 人工降雨

免耕是保护性耕作的重要组成部分，它减少了土壤的人为扰动和机械压实，有利于土壤结构的稳步发育，使土壤具有良好的物理结构及适宜的土壤团聚度，且能够较好地贮藏和释放养分，从而提高土壤的保水保土性能[1-5]。但是也有报道表明连年免耕会造成土壤紧实化[6-8]，不利于根系发育，同时造成杂草和病虫害的加剧[9]，给农业生产带来负面影响，甚至造成减产[10-12]，另外Dalal等[13]研究表明，免耕3～5 a导致表层酸化，影响作物正常生长。耕翻整地可加深活土层，疏通空气，提高了抗旱、抗倒伏能力；土壤上松下实，容纳较多的雨水，起到蓄水保墒的作用[14-16]。土壤水蚀主要包括土粒分离和迁移，在裸露的地表，雨滴的动能将土壤颗粒分离，在飞溅的水滴和地表径流作用下，土壤颗粒便随径流迁移流失[17]。水蚀的程度除受降雨强度、坡度、土壤质地及土壤团聚体的稳定性等因素影响以外，还受到土壤表面粗糙度的影响，耕翻面积不同会使表面粗糙度产生很大的差异，进而导致坡面产沙量的不同[18-20]。可见每种耕作措施都有其特有的功能，常年免耕对于农业发展具有一定的局限性，可持续农业的发展需要综合考虑耕作措施的生态和生产效益。本文比较了不同耕翻面积的产流产沙情况，拟在探讨耕翻面积对水土流失的影响，以期为黄土高原地区农田水土流失防治提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

本研究在中国科学院水利部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土壤侵蚀模拟试验大厅进行，采用组合侧喷式自动模拟降雨系统，喷头高16 m，雨滴降落终速可达到自然雨滴降落速度的98%以上，降雨均匀度大于80%。该降雨系统的降雨强度可调范围为20～200 mm/h，通过调节回水压力和4个阀门可以产生14种组合[21]。

供试土壤为取自陕西省延安市的黄绵土，机械组成如表1所示。从野外运回的土壤经过风干后，过10 mm孔径的筛网去除石块等杂质并混合均匀。试验所用土槽为长2 m，宽0.5 m的坡度可调式钢槽，土壤填装厚度30 cm，坡度可调节范围为0°～30°。装土时，先在槽底垫10 cm厚的黄绵土，之后采用分层装土，每次填土深度5 cm，并适当夯实，将土分4次均匀装入土槽，填土厚度共20 cm，加上10 cm厚的底土，土层总厚度达30 cm。控制土壤容重在1.31 g/cm3左右。降雨开始之前使用TDR 300测定土壤含水率，保持土壤含水量在12%左右。

表1 供试土壤的机械组成

1.2 试验方法

试验以耕翻面积为研究因子设CK(不耕翻)、耕翻面积为30%，耕翻面积为50%，耕翻面积为70%，全部耕翻5个处理，耕翻深度5 cm，耕翻时均是由土槽中部向两端延伸。设5°,10°，15°这3个坡度，目标雨强120 mm/h，每场降雨持续60 min。降雨前进行率定，以保证统一的雨强和开度。产流开始时即进行观测，试验过程中每隔3 min收集1次土槽出口的径流泥沙样，采用置换法求时段产沙量、含沙量。降雨结束后，用量筒测定径流量，泥沙烘干称重测定产沙量。

2 结果与讨论

2.1 耕翻面积对产流产沙量的影响

2.1.1 耕翻面积对地表径流的影响 相同坡度下地表径流的产生随耕翻面积的增加而减缓，耕翻面积越大，初始产流时间越晚(表2)，CK时初始产流最快。与CK相比，耕翻面积为30%时产流时间平均滞后26%，全耕时平均滞后4.82倍。耕翻面积相同时，随坡度的增大，地表径流的产生逐渐加快，坡度由5°增加到10°时，产流时间平均加快51.62%，由10°增加到15°时，平均加快29.63%。耕翻面积越大，产流时间随着坡度变大的增加速率越慢，当坡度从5°增加到15°时，CK下产流时间加快83.52%，全耕时产流时间加快43.43%。可见耕翻相较于CK能够推迟地表径流的产生，这可能是因为耕翻产生的土块加大了入渗面，在降雨初期雨水的入渗量增加，在地表的汇集成流就相应延后，耕翻面积越大，入渗面越大，产流相应越慢。

耕翻对累积径流量和径流系数的影响相较于初始产流差异不显著，且因坡度的不同而较为复杂。耕翻30%时较CK没有明显变化，耕翻50%时增加显著，当耕翻面积大于50%时，径流量出现下降的趋势，这可能是由于在耕翻50%时，降雨的入渗作用较大，土壤含水量迅速达到饱和，土壤水分饱和后土壤入渗量很小，而耕翻土块对降雨的截流作用有限，所以产流量达到最大；而当耕翻面积大于50%时，土块对降雨的截流作用增大，随之产流量减小；随坡度的增大，耕翻与CK之间累积径流量和径流系数的差异趋于显著，这主要是由于坡度越大，坡面径流的势能越大，土壤的水分入渗逐渐减小。

表2 耕翻面积比对产流时间和径流量的影响

2.1.2 耕翻面积对累积产沙量的影响 相同坡度下，产沙量随耕翻面积的增加而持续增大，CK的产沙量最小，全耕的产沙量最大(表3)，这与Blevins长期试验研究结果一致[22]。不同坡度下随耕翻面积的增加产沙量增加显著，耕翻30%时为CK的1.81倍，全耕时达到7.39倍。可见耕翻相较于CK产沙量增加显著，且耕翻面积越大，增幅越大。随坡度的增加，翻耕产沙量较CK呈先增加后递减趋势，峰值出现在10°坡度下，其为CK的8.66倍，而在5°坡度下增幅最小，说明耕翻和CK之间产沙量的差异在坡度为10°时表现最明显。

耕翻面积相同时，随坡度的增加，产沙量呈上升趋势。坡度由5°增大到10°，CK的产沙量增幅仅为41.62%，但耕翻的产沙量则均有大幅增加，全耕时最大，为CK的7.83倍；坡度由10°增大到15°，CK产沙量的增幅出现明显增加，而耕翻产沙量则出现大幅的下降。说明坡度变化对产沙量的影响在CK时随坡度增大而趋于明显，在耕翻时随坡度增大而趋于减弱，在耕翻面积为70%时坡度变化对产沙量的影响最明显。

表3 耕翻面积比对累积产沙量的影响

2.1.3 不同坡度下耕翻面积和产流量对产沙量的影响比较 从表3可以看出，坡度5°时产沙量最小，坡度15°时产沙量最大。产沙量与耕翻面积、坡度和产流量等因素有关，因此可以对不同坡度下产沙量进行多元回归分析，其结果如表4所示。

表4 累积产沙量回归分析

根据累积产沙量回归分析数据可以建立模型：

S=a+b*v+c*p

式中：S——累积产沙量(g)；v——径流量(mm)；p——耕翻面积比(%)；a，b，c——常数。R2分别为0.993，0.994，0.968，相关性显著，说明拟合方程的可靠性较高。b5°

耕翻面积比的系数c5°>c10°，说明当坡度小于10°时，随着坡度的增加，耕翻面积对产沙量的影响逐渐减小。c15°为正值，其符号与c5°和c10°相反，可见当坡度为15°时，耕翻面积比对产沙量的影响机制与坡度为5°和10°时不一样。

当坡度较小时，雨滴到达地表时受到平行于坡面向上的力较小，雨滴对坡面的击打作用不容易形成局部结皮而使地表粗糙度发生变化，因此耕翻面积对产沙量的影响比较大；当坡度逐渐变大时，结皮作用逐渐显著，因而耕翻面积对产沙量的影响逐渐变小；当坡度到达一个临界坡度时，结皮量达到最大，径流的冲刷作用使土层表面的粗糙度发生变化，不同耕翻面积下的冲刷力影响作用不同，因而造成耕翻面积比的系数发生了很大变化。

2.2 耕翻面积对产流产沙过程的影响

2.2.1 耕翻面积对产流过程的影响 5°坡度下CK、耕翻30%和耕翻50%的产流趋势较为一致，产流率均持续10 min左右后趋于稳定，耕翻70%和全耕产流率趋于稳定的时间则为15 min左右；坡度10°和15°时，不同耕翻面积下产流率均在初始产流开始后持续上升10 min后趋于稳定(图1)。影响降雨稳定径流率的主要因素是坡度和地表粗糙度，坡度越小，雨滴对土壤表面的径流冲刷力越小，土层表面不易形成结皮，耕翻面积越小，地表粗糙度越小，土层表面的结构越难破坏，难以形成土壤结皮，因而径流量会持续增加。由此可见，坡度越小，耕翻面积越小，稳定产流需要的时间越长。CK和耕翻30%的稳定产流率无显著差异，不同坡度下耕翻30%的稳定产流率均低于CK。可见，耕翻30%相较于CK对径流强度有一定的减弱；耕翻面积大于30%时，耕翻的稳定产流率较CK有显著增加，且坡度越大差异越显著。耕翻50%，耕翻70%和全耕的稳定产流率较为接近，在坡度为5°时没有明显差异，在坡度为10°和15°时耕翻70%的稳定产流率略低于耕翻50%和全耕，且在坡度为15°时三者稳定产流率的差异最为明显。

图1 120 mm/h雨强下不同坡度产流率随耕翻面积变化趋势

2.2.2 耕翻面积对产沙过程的影响 5°坡度下不同耕翻面积产沙率均呈先上升后下降的趋势(图2)，其中CK和全耕产沙率的上升历时5 min左右，耕翻30%，耕翻50%和耕翻70%历时10 min左右；CK产沙率的上升幅度最小，但其下降趋势则较耕翻30%和耕翻50%明显，全耕和耕翻70%的上升趋势最明显，下降的幅度也最大，耕翻30%和耕翻50%的上升趋势较为一致。耕翻30%和耕翻50%的产沙率在整个降雨过程中均较为接近，二者与CK之间的差距则随着降雨过程的推进有略微增加；耕翻70%和全耕的产沙率在降雨中期较为接近，其后全耕的产沙率出现急剧上升，二者之间差距显著增加，在降雨的最后阶段又趋于减小。

当坡度为10°时，耕翻的产沙率均明显大于CK处理。CK，耕翻30%和耕翻50%的产沙率在降雨初期均持续上升10 min左右，耕翻70%和全耕则持续上升5 min左右，上升幅度随耕翻面积的增加而增大(图2)。

随着降雨过程的推进，CK，耕翻30%，耕翻70%和全耕的产沙率在经历持续上升后表现出较为平稳的态势，总体略微下降；耕翻50%的产沙率在经历持续上升后下降略为明显，但在降雨中后期又呈小幅上升趋势。降雨中期耕翻30%和耕翻50%的产沙率基本相同，但与耕翻70%的差距显著；降雨后期，耕翻50%与耕翻30%的之间产沙率差距增大，与耕翻70%之间的差距逐渐缩小。

图2 120 mm/h雨强下不同坡度产沙率随耕翻面积变化趋势

坡度为15°时，耕翻30%与CK的产沙趋势在降雨初期几乎一致，在降雨后期CK的产沙率呈略微下降趋势，二者的差距逐渐加大(图2)。耕翻50%和70%的产沙率均持续上升30 min左右，但上升趋势较为平缓，30 min后，耕翻50%的产沙率明显回落，耕翻70%的产沙率基本不变；全耕产沙率的持续上升过程历时15 min左右，上升趋势极为明显，15 min后，其产沙率均明显下降。耕翻50%，耕翻70%和全耕的产沙率均明显大于CK和耕翻30%，耕翻70%和全耕的产沙率在降雨中后期较为接近，耕翻50%的产沙率在降雨中期也与二者相差不大，但在降雨后期较二者有明显降低。

地表粗糙度是影响坡面产沙过程的重要因素，在CK和耕翻30%时，地表的粗糙度比较小，其坡面上径流分布较均匀，加之间或结皮的存在，因此减小了径流集中度，使得径流流速相对较小，一定程度上削减了径流的部分能量，减小了径流对地表土壤冲刷和迁移能力，导致侵蚀产沙变化不大；当耕翻面积大于30%时，地表径流变得集中化，增大了流速，进而产生了较大的径流能量，导致大的土壤流失量，故使得侵蚀量变化明显。

3 结 论

(1) 模拟降雨条件下，相同坡度时，随耕翻面积的增加初始产流逐渐延后。耕翻面积低于70%时，耕翻对初始产流的影响相对较小，全耕时耕翻对地表径流的影响强度最大，坡度越大表现越明显。坡度较小时，随着耕翻面积的增加，径流量出现下降趋势，坡度大于10°时，径流量开始增加。

(2) 相同坡度下，随耕翻面积的增加，产沙量呈持续上升趋势。坡度为10°时，不同耕翻面积相较于不耕翻产沙量的增幅平均为8.66倍，增幅明显大于坡度为5°和15°时。在耕翻面积小于50%时，耕翻的产沙量较不耕翻的增加趋势相对较缓，耕翻面积超过50%时，耕翻对产沙量的影响显著增加。

(3) 不同耕翻面积在不同坡度下的产流率在产流开始后10 min左右趋于稳定。当耕翻面积小于30%时，稳定产流率比较接近，大于30%时，稳定产流率明显增加。不耕翻在不同坡度下产沙率均最低。耕翻的产沙趋势在降雨初期经历5～15 min的持续上升后出现不同程度的回落，产沙率多在持续上升10 min后趋于稳定，降雨中后期产沙率随耕翻面积的增大而增大。全耕的产沙率在不同坡度下均最大，耕翻30%的产沙率与不耕翻差距相对较小。

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Effects of Ploughing Area on Soil and Water Loss Under Stimulated Rainfall Conditions

LI Long1， HAO Mingde1,2， WANG An1，DONG Xiaobing1， CAO Jingjing3， WU Dongpo3， XIAO Qinghong3

(1.CollegeofNaturalResourceandEnvironment,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China; 2.InstituteofSoilandWaterConservation,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shannxi712100,China; 3.NingxiaComprehensiveAgriculturalDevelopmentOffice,Yinchuan,Ningxia750011,China)

[Objective] The aim of this study is to investigate the effects of ploughing area on soil and water loss, in order to provide basis for soil and water loss in Loess Plateau. [Methods] By artificial rainfall experiments, we studied runoff and sediment yield characteristics at three different slopes with different ploughing area. [Results] The runoff and sediment yield characteristics of cultivated land were not only related to the slope, rainfall intensity and soil moisture content, but also closely related to ploughing area. Under the same slope gradient, the initial runoff occurring time was delayed and the sediment yield was increased with the increase of ploughing area. Under the same ploughing area, runoff and sediment yield rate showed an increasing trend with the increase of slope gradient. And runoff reached to the maximum when the slope was 15° and the ploughing area was 50%. Under the same gradient, the sediment yield showed an increasing trend with the increase of ploughing area. When the slope gradient was 10°, ploughing area had the greatest influence on sediment yield, and the average sediment yield of ploughing treatment was 8.66 times of no-till treatment. The runoff had the most significant influence on the cumulative sediment yield when the slope gradient was 15°. Runoff rate under different ploughing area became stable approximately 10 min after the initial runoff occurring. Under different slope gradient, sediment production rate of full-tillage was the largest in whole-ploughing, while the smallest in no-till.[Conclusion] With the increasing of ploughing area, the initial runoff occurring time is delayed, runoff decreased, and the sediment yield increased.

ploughing area; soil and water loss; artificial rainfall

2014-07-24

2014-08-07

国家科技支撑计划重大项目“农田水土保持关键技术研究与示范农田水土保持工程与耕作关键技术研究”(2011BAD31 B01); 宁夏农业综合开发科技推广项目(NTKJ-2013-03-1)

李龙(1989—),男(汉族),陕西省咸阳市人,硕士研究生,研究方向为农田水土保持。 E-mail:lilong8580@163.com。

郝明德(1957—),男(汉族),陕西省华县人,学士,研究员,博士生导师,主要从事农田生态系统生产力研究。 E-mail:mdhao@ms.iswc.ac.cn。

A

1000-288X(2015)05-0034-05

S157.4