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坡耕地是一种重要的耕地资源,尤其是在山区和丘陵地区,农业生产很大程度上依赖坡耕地。与普通耕地相比,坡耕地通常具有坡度大、土地瘠薄、难以灌溉和管理等缺点,且极易受到土壤侵蚀的威胁。地表状况是影响坡耕地土壤侵蚀发生和发展的重要因素。田间作物种类、有无土壤结皮、地表高低起伏等均属于地表状况的范畴。目前人们对田间作物、土壤结皮、地表糙度等地表状况单因子对土壤侵蚀的影响已经很清楚,但是对地表状况单因子的不同组合(复合因子)对土壤侵蚀的影响还不是很清楚。本研究以黄土高原常见的夏季作物玉米和大豆为研究对象,通过在径流小区进行不同的坡面处理及人工模拟降雨试验,研究了坡度、雨强、地表糙度、土壤结皮、作物(不同生育期)等地表状况单因子及复合因子(单因子的不同组合)对黄土坡耕地土壤侵蚀的影响,并获得以下主要结论:
(1)坡度和雨强的增加会缩短坡面开始产流时间并增加坡面产流量和产沙量。坡度的增加还会减少降雨初损量,但是雨强的增加会增加降雨初损量。坡面开始产流时间、降雨初损量、产流量和产沙量与坡度和雨强之间的关系可以用幂函数表示。雨强的增加还会减小开始产生细沟侵蚀的临界坡度。此外,坡面细沟长度、细沟密度、细沟侵蚀量和细沟侵蚀百分比均随着坡度和雨强的增加而增加。
(2)土壤结皮能够减少坡面开始产流时间和降雨初损量,地表糙度能够增加坡面开始产流时间和降雨初损量。结皮的存在会削弱地表糙度对坡面开始产流时间和降雨初损量的增加作用。土壤结皮在所有测试坡度上均具有增加坡面产流量和产沙量的作用。地表糙度对产流量作用的临界坡度是20°,小于20°时,地表糙度能减少坡面产流量,大于20°时,地表糙度能增加坡面产流量。地表糙度对产沙量作用的临界坡度是15°,小于15°时,地表糙度具有减小坡面产沙量的作用,大于15°时,地表糙度具有增加坡面产沙量的作用。“结皮+糙度”对坡面产流量和产沙量作用的临界坡度在10°~15°之间,小于临界坡度时,具有减少坡面产流量和产沙量的作用,大于临界坡度时,“结皮+糙度”具有增加坡面产流量和产沙量的作用。土壤结皮和地表糙度均能降低开始产生细沟侵蚀的临界坡度。与裸地相比,土壤结皮和地表糙度均能增加坡面细沟长度、细沟密度、细沟侵蚀量和细沟侵蚀百分比。“结皮+糙度”对细沟长度、细沟密度、细沟侵蚀量和细沟侵蚀百分比的增加作用要明显大于土壤结皮和地表糙度。
(3)玉米和大豆均具有延长坡面开始产流时间、增加降雨初损量、减少坡面产流量和产沙量的作用,这些作用会随着玉米和大豆的生长逐渐提升,但坡度和雨强的增加会削弱玉米和大豆的这些作用。与坡度和雨强相比,植被覆盖度是影响玉米和大豆延长坡面开始产流时间并增加降雨初损量、减流和减沙作用的主要因素。玉米和大豆的减流作用均明显的小于它们的减沙作用。大豆对坡面开始产流时间和降雨初损量的增加作用及其对坡面产流量和产沙量的减少作用均明显大于玉米。在80mm/h雨强下玉米在整个生长过程中能够延长或增加109%的坡面开始产流时间和降雨初损量,并减少30%的坡面产流量和49%的坡面产沙量。在80mm/h雨强下大豆在整个生长过程中能够延长或增加176%的坡面开始产流时间和降雨初损量,并减少39%的坡面产流量和57%的坡面产沙量。
(4)结皮的存在会削弱作物对坡面开始产流时间和降雨初损量的增加作用和对坡面产流量和产沙量的减少作用,在作物生长过程中打破结皮措施能够有效消除结皮的负面作用,在打破结皮的基础上增加地表糙度措施能够进一步提升作物对坡面开始产流时间和降雨初损量的增加作用和对坡面产流量和产沙量的减少作用。在3°、5°、10°、15°和20°坡面上,在作物生长过程中打破结皮并增加地表糙度措施均是增加坡面开始产流时间和降雨初损量并减少坡面产流量的最有效的田间管理措施。在3°、5°、10°和15°坡面上,在作物生长过程中打破结皮并增加地表糙度措施也是减少坡面产沙量的最有效的田间管理措施,但在20°坡面上,在作物生长过程中打破结皮措施是减少坡面产沙量的最有效的田间管理措施。
(5)现有的作物C因子计算模型中缺少能够体现地表糙度和土壤结皮状况的参数,因此无法对地表糙度和土壤结皮变化作出响应。在C因子计算模型中引入地表糙度和土壤结皮参数,对于提高C因子计算模型的预测精度具有重要意义。植被覆盖度、植株高度、糙度指数和结皮厚度与C因子具有显著相关关系。依据C因子与植被覆盖度、植株高度、糙度指数和结皮厚度之间的线性或非线性函数关系,我们构建了4种类型的C因子计算模型:线性函数模型、对数函数模型、指数函数模型和“幂函数+指数函数”模型。其中,指数函数模型的拟合效果和预报精度最好。
(1)坡度和雨强的增加会缩短坡面开始产流时间并增加坡面产流量和产沙量。坡度的增加还会减少降雨初损量,但是雨强的增加会增加降雨初损量。坡面开始产流时间、降雨初损量、产流量和产沙量与坡度和雨强之间的关系可以用幂函数表示。雨强的增加还会减小开始产生细沟侵蚀的临界坡度。此外,坡面细沟长度、细沟密度、细沟侵蚀量和细沟侵蚀百分比均随着坡度和雨强的增加而增加。
(2)土壤结皮能够减少坡面开始产流时间和降雨初损量,地表糙度能够增加坡面开始产流时间和降雨初损量。结皮的存在会削弱地表糙度对坡面开始产流时间和降雨初损量的增加作用。土壤结皮在所有测试坡度上均具有增加坡面产流量和产沙量的作用。地表糙度对产流量作用的临界坡度是20°,小于20°时,地表糙度能减少坡面产流量,大于20°时,地表糙度能增加坡面产流量。地表糙度对产沙量作用的临界坡度是15°,小于15°时,地表糙度具有减小坡面产沙量的作用,大于15°时,地表糙度具有增加坡面产沙量的作用。“结皮+糙度”对坡面产流量和产沙量作用的临界坡度在10°~15°之间,小于临界坡度时,具有减少坡面产流量和产沙量的作用,大于临界坡度时,“结皮+糙度”具有增加坡面产流量和产沙量的作用。土壤结皮和地表糙度均能降低开始产生细沟侵蚀的临界坡度。与裸地相比,土壤结皮和地表糙度均能增加坡面细沟长度、细沟密度、细沟侵蚀量和细沟侵蚀百分比。“结皮+糙度”对细沟长度、细沟密度、细沟侵蚀量和细沟侵蚀百分比的增加作用要明显大于土壤结皮和地表糙度。
(3)玉米和大豆均具有延长坡面开始产流时间、增加降雨初损量、减少坡面产流量和产沙量的作用,这些作用会随着玉米和大豆的生长逐渐提升,但坡度和雨强的增加会削弱玉米和大豆的这些作用。与坡度和雨强相比,植被覆盖度是影响玉米和大豆延长坡面开始产流时间并增加降雨初损量、减流和减沙作用的主要因素。玉米和大豆的减流作用均明显的小于它们的减沙作用。大豆对坡面开始产流时间和降雨初损量的增加作用及其对坡面产流量和产沙量的减少作用均明显大于玉米。在80mm/h雨强下玉米在整个生长过程中能够延长或增加109%的坡面开始产流时间和降雨初损量,并减少30%的坡面产流量和49%的坡面产沙量。在80mm/h雨强下大豆在整个生长过程中能够延长或增加176%的坡面开始产流时间和降雨初损量,并减少39%的坡面产流量和57%的坡面产沙量。
(4)结皮的存在会削弱作物对坡面开始产流时间和降雨初损量的增加作用和对坡面产流量和产沙量的减少作用,在作物生长过程中打破结皮措施能够有效消除结皮的负面作用,在打破结皮的基础上增加地表糙度措施能够进一步提升作物对坡面开始产流时间和降雨初损量的增加作用和对坡面产流量和产沙量的减少作用。在3°、5°、10°、15°和20°坡面上,在作物生长过程中打破结皮并增加地表糙度措施均是增加坡面开始产流时间和降雨初损量并减少坡面产流量的最有效的田间管理措施。在3°、5°、10°和15°坡面上,在作物生长过程中打破结皮并增加地表糙度措施也是减少坡面产沙量的最有效的田间管理措施,但在20°坡面上,在作物生长过程中打破结皮措施是减少坡面产沙量的最有效的田间管理措施。
(5)现有的作物C因子计算模型中缺少能够体现地表糙度和土壤结皮状况的参数,因此无法对地表糙度和土壤结皮变化作出响应。在C因子计算模型中引入地表糙度和土壤结皮参数,对于提高C因子计算模型的预测精度具有重要意义。植被覆盖度、植株高度、糙度指数和结皮厚度与C因子具有显著相关关系。依据C因子与植被覆盖度、植株高度、糙度指数和结皮厚度之间的线性或非线性函数关系,我们构建了4种类型的C因子计算模型:线性函数模型、对数函数模型、指数函数模型和“幂函数+指数函数”模型。其中,指数函数模型的拟合效果和预报精度最好。