牟廷森, 沈海鷗,2, 賀云鋒, 李春麗,2, 郭 聃,2, 劉殿民

(1.吉林農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院， 吉林 長(zhǎng)春 130118; 2.吉林省商品糧基地土壤資源可持續(xù)利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 吉林 長(zhǎng)春 130118)

東北黑土區(qū)是中國(guó)重要的糧食產(chǎn)區(qū)及商品糧基地，然而由于氣候、地形及人為等因素的影響，導(dǎo)致黑土資源流失嚴(yán)重，黑土層變薄、變瘦、變硬，嚴(yán)重影響中國(guó)糧食安全與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展[1]。東北黑土區(qū)年平均氣溫較低，為提高坡耕地土溫和增加作物產(chǎn)量，普遍采用壟作耕作方式[2-3]，不同壟作方式及壟體形狀通過(guò)改變坡耕地地表微地形，進(jìn)而影響其徑流及土壤侵蝕特征[4]。由于東北黑土區(qū)地形多為漫川漫崗，坡耕地地塊長(zhǎng)度較長(zhǎng)，順坡壟作及斜坡壟作促進(jìn)徑流形成，導(dǎo)致土壤侵蝕加劇。王磊等[5]通過(guò)野外觀測(cè)得出，東北黑土區(qū)順坡大壟比常規(guī)壟的防治坡面土壤侵蝕效果好。桑琦明等[6]通過(guò)對(duì)比斜坡壟作與順坡壟作土壤侵蝕特征發(fā)現(xiàn)，斜坡壟作在斷壟前土壤侵蝕速率均低于順坡壟作，但其在斷壟后的一定時(shí)間內(nèi)，土壤侵蝕速率高于順坡壟作。此外，牛曉樂(lè)等[7]研究發(fā)現(xiàn)，相同降雨強(qiáng)度下，橫坡壟作、順坡壟作+壟向區(qū)田、橫坡壟作+壟向區(qū)田與順坡壟作相比，均有一定程度的徑流和侵蝕調(diào)控作用，橫坡壟作+壟向區(qū)田的調(diào)控效果最為明顯。由此可見(jiàn)，現(xiàn)有研究主要集中在兩種或相似幾種壟作措施之間的對(duì)比，而不同壟作方式對(duì)坡耕地徑流和侵蝕的調(diào)控效果缺少系統(tǒng)研究，且對(duì)于壟作+排水溝方面研究也缺少報(bào)道。因此，本研究通過(guò)野外原位模擬降雨試驗(yàn)，分析橫坡壟作、壟向區(qū)田、順壟+底部橫壟、橫壟+排水溝等不同壟作方式對(duì)坡耕地土壤侵蝕的調(diào)控效果，以期為黑土區(qū)土壤侵蝕防治提供科學(xué)指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況與試驗(yàn)小區(qū)

試驗(yàn)于2018年在吉林省商品糧基地土壤資源可持續(xù)利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的水土保持科研基地(東經(jīng)125°21′，北緯43°52′)開(kāi)展。研究區(qū)屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候，地勢(shì)平坦開(kāi)闊，年均降水量617 mm，年均氣溫4.8 ℃[8]。主要種植作物為玉米和大豆，供試土壤為黑土，其顆粒組成為：砂粒(>50 μm)質(zhì)量分?jǐn)?shù)30.4%，粉粒(2～50 μm)質(zhì)量分?jǐn)?shù)48.3%，黏粒(<2 μm)質(zhì)量分?jǐn)?shù)21.3%，有機(jī)質(zhì)含量為25.9 g/kg。

野外模擬降雨試驗(yàn)采用的徑流小區(qū)修筑在原位坡耕地上，耕作層平均土壤容重為1.20 g/cm3。徑流小區(qū)規(guī)格為5 m(水平投影長(zhǎng)度)×2 m(寬度)。徑流小區(qū)邊壁材料選用聚丙烯板，將其埋入地下30 cm，用于防止水分入滲的影響；地表留出20 cm，用于防止雨滴擊濺以及地表徑流溢出，從而保證形成相對(duì)完整獨(dú)立的徑流小區(qū)。小區(qū)底部設(shè)有圓柱狀集流桶，用于收集試驗(yàn)過(guò)程中的徑流泥沙樣品。降雨設(shè)備采用側(cè)噴式單噴頭降雨裝置[9]，降雨高度為6 m[10]，降雨均勻度大于85%，降雨強(qiáng)度主要通過(guò)調(diào)節(jié)壓力閥和噴頭孔徑(5～12 mm)來(lái)控制，降雨強(qiáng)度可調(diào)節(jié)范圍為30～165 mm/h[11]。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

徑流小區(qū)坡面處理包括7組，其中，5°坡面4組(順坡壟作，橫坡壟作，壟向區(qū)田，順壟+底部橫壟)，10°坡面3組(順坡壟作，橫坡壟作，橫壟+排水溝)。具體處理為： ①順坡壟作和橫坡壟作。按照野外坡耕地壟規(guī)格實(shí)測(cè)資料和相關(guān)研究成果[12-13]，將常規(guī)壟規(guī)格設(shè)計(jì)為壟間距65 cm，壟丘頂寬20 cm，壟高15 cm；順壟長(zhǎng)度為5 m，橫壟長(zhǎng)度為2 m。 ②壟向區(qū)田。在壟溝中隔一定距離修筑小土垱，以研究區(qū)10 a一遇極端降雨強(qiáng)度為依據(jù)，將土檔間距設(shè)計(jì)為65 cm，高度略低于壟高，設(shè)計(jì)為10 cm，土檔底寬度為20 cm。 ③順壟+底部橫壟。小區(qū)頂部修筑常規(guī)順壟，順壟長(zhǎng)度為3.7 m；底部修筑兩條常規(guī)橫壟。 ④橫壟+排水溝。自徑流小區(qū)頂部至出水口，緊貼徑流小區(qū)一側(cè)邊壁，修一條長(zhǎng)5 m，寬15～20 cm的排水溝，并用耕作工具將其壓實(shí)，使排水溝與橫壟壟溝底保持水平。壟向區(qū)田、順壟+底部橫壟、橫壟+排水溝處理的壟規(guī)格與順坡壟作和橫坡壟作處理的壟規(guī)格相同。

根據(jù)文獻(xiàn)[14]中關(guān)于東北地區(qū)暴雨的研究，將降雨強(qiáng)度設(shè)計(jì)為50和100 mm/h[14]，為保證降雨總量(50 mm)相同，降雨歷時(shí)分別設(shè)計(jì)為60，30 min(表1)。由于典型黑土區(qū)嚴(yán)重侵蝕坡耕地坡度為3°～8°[15]，據(jù)此將試驗(yàn)徑流小區(qū)坡度設(shè)計(jì)為5°和10°，每個(gè)試驗(yàn)處理重復(fù)2次，第1次試驗(yàn)與起壟時(shí)間間隔1周，第2次試驗(yàn)與第1次試驗(yàn)間隔2周。具體試驗(yàn)設(shè)計(jì)詳見(jiàn)表1。

表1 野外模擬降雨試驗(yàn)和徑流小區(qū)設(shè)計(jì)

1.3 試驗(yàn)方法

采用30 mm/h降雨強(qiáng)度進(jìn)行預(yù)降雨，至徑流小區(qū)坡面剛開(kāi)始積水即停止，主要目的是保證試驗(yàn)前期徑流小區(qū)土壤水分條件的一致性[16]。各試驗(yàn)處理前期土壤質(zhì)量含水率為(21.7±1.0)%。預(yù)降雨結(jié)束后，為防止徑流小區(qū)土壤水分蒸發(fā)和減緩結(jié)皮的形成，采用塑料布對(duì)徑流小區(qū)表面進(jìn)行覆蓋，靜置24 h待開(kāi)展正式模擬降雨試驗(yàn)。模擬降雨試驗(yàn)開(kāi)始前，為確保試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，對(duì)降雨強(qiáng)度進(jìn)行率定，當(dāng)實(shí)測(cè)降雨強(qiáng)度與目標(biāo)降雨強(qiáng)度的差值小于5%，降雨均勻度大于85%時(shí)方可揭開(kāi)塑料布進(jìn)行正式模擬降雨。徑流小區(qū)開(kāi)始產(chǎn)流后，接取徑流泥沙樣品并記錄初始產(chǎn)流時(shí)間，取樣間隔為1～4 min，具體取樣時(shí)間視徑流泥沙樣品量而定。模擬降雨試驗(yàn)結(jié)束后，稱取各徑流泥沙樣品的總質(zhì)量，并將其靜置6～8 h，倒掉其上清液后轉(zhuǎn)移到已知質(zhì)量的鋁盒中，將其放入設(shè)置恒溫為105 ℃的烘箱中烘干至恒重后稱量，用以計(jì)算產(chǎn)流率、土壤侵蝕速率、徑流量和土壤侵蝕量等[17]。

1.4 數(shù)據(jù)處理分析

使用Excel 2010和SPSS 19.1進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與分析：采用Excel 2010計(jì)算徑流量、土壤侵蝕量，繪制產(chǎn)流率和土壤侵蝕速率隨降雨歷時(shí)的變化過(guò)程圖；采用SPSS 19.1中方差分析、多重比較(LSD)和獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)，進(jìn)行不同壟作方式，50及100 mm/h降雨強(qiáng)度下徑流量和土壤侵蝕量顯著性水平檢驗(yàn)(p<0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同壟作方式對(duì)坡耕地徑流和侵蝕的調(diào)控效果分析

2.1.1 徑流調(diào)控效果 試驗(yàn)條件下，順坡壟作(對(duì)照)處理的徑流量顯著高于其他壟作方式(表2)。對(duì)于5°坡耕地，在50 mm/h降雨強(qiáng)度下，順坡壟作處理的徑流量是橫坡壟作、壟向區(qū)田和順壟+底部橫壟處理的13.0，2.0和2.3倍；在100 mm/h降雨強(qiáng)度下，順坡壟作處理的徑流量是橫坡壟作、壟向區(qū)田和順壟+底部橫壟處理的6.2，1.7和1.7倍。橫坡壟作處理的徑流調(diào)控效果最好，在50，100 mm/h降雨強(qiáng)度下，與順坡壟作處理相比，橫坡壟作處理分別減少?gòu)搅?2.3%和83.9%；而壟向區(qū)田和順壟+底部橫壟處理的徑流調(diào)控效果比較相近，其分別減少?gòu)搅?9.6%～55.5%和40.8%～41.3%。對(duì)于10°坡耕地，順坡壟作和橫坡壟作處理的徑流量與5°坡耕地相比均有不同程度的增加，其中順坡壟作處理的增幅相對(duì)較小，增幅為17.0～24.6 L，橫坡壟作處理的增幅較大，增幅為76.2～187.2 L。但是，隨著坡度的增加，橫坡壟作處理的徑流調(diào)控效果有所降低，在50，100 mm/h降雨強(qiáng)度下，與順坡壟作處理相比，橫坡壟作處理分別減少?gòu)搅?5.7%和38.1%。10°坡耕地條件下，50 mm/h降雨強(qiáng)度時(shí)順坡壟作、橫坡壟作和橫壟+排水溝3者間徑流量均有顯著性差異，而100 mm/h降雨強(qiáng)度時(shí)橫坡壟作和橫壟+排水溝處理的徑流量無(wú)顯著性差異。此外，50，100 mm/h降雨強(qiáng)度下，橫壟+排水溝處理的徑流調(diào)控效果相差不大，與順坡壟作處理相比，分別減少?gòu)搅?7.8%和40.6%。隨著降雨強(qiáng)度和坡度的增大，不同壟作方式的徑流量有不同程度的增加，其徑流調(diào)控效果相應(yīng)減小(表2)。分析其原因可能是由于順坡壟作處理能夠有效導(dǎo)水排水，從產(chǎn)流開(kāi)始即形成較大的徑流，而橫坡壟作、壟向區(qū)田、順壟+底部橫壟和橫壟+排水溝處理具有橫垱措施，在降雨前期能夠不同程度地?cái)r蓄降水，增加雨水在壟溝的滯留時(shí)間，從而增加土壤水分入滲量，減少?gòu)搅髁?；但是，部分壟作處理的壟丘在坡度增大或降雨?qiáng)度增強(qiáng)后易發(fā)生細(xì)溝侵蝕，甚至垮塌，不但沒(méi)有起到較好的蓄水效果，反而易造成較大的徑流沖刷作用[18]。有研究表明坡度增加后，徑流流速相對(duì)增大，從而減少了徑流在坡面滯留的時(shí)間和入滲量，導(dǎo)致坡面徑流量迅速增加[19]。綜上所述，當(dāng)坡度較緩(5°)，降雨強(qiáng)度較小(50 mm/h)時(shí)，橫坡壟作方式具有很好的徑流調(diào)控效果，而坡度較大(10°)，降雨強(qiáng)度較大(100 mm/h)時(shí)，橫坡壟作方式的徑流調(diào)控效果降低；壟向區(qū)田、順壟+底部橫壟和橫壟+排水溝方式的徑流調(diào)控效果較低且較為穩(wěn)定。

表2 不同壟作方式下坡耕地徑流量及其徑流調(diào)控效果對(duì)比

2.1.2 土壤侵蝕調(diào)控效果 試驗(yàn)條件下，順坡壟作(對(duì)照)處理的土壤侵蝕量顯著高于其他壟作方式(表3)。對(duì)于5°坡耕地，在50 mm/h降雨強(qiáng)度下，順坡壟作處理的土壤侵蝕量分別是橫坡壟作、壟向區(qū)田和順壟+底部橫壟處理的31.6，10.5和8.6倍；在100 mm/h降雨強(qiáng)度下，順坡壟作處理的土壤侵蝕量分別是橫坡壟作、壟向區(qū)田和順壟+底部橫壟處理的18.5，5.0和4.8倍。橫坡壟作處理的侵蝕調(diào)控效果較高，壟向區(qū)田和順壟+底部橫壟處理的侵蝕調(diào)控效果相近，在50，100 mm/h降雨強(qiáng)度下，與順坡壟作處理相比，橫坡壟作處理的土壤侵蝕量分別降低96.8%和94.6%；壟向區(qū)田和順壟+底部橫壟處理的土壤侵蝕量分別降低88.4%～90.5%和79.2%～79.8%，且隨著降雨強(qiáng)度的增加，壟向區(qū)田和順壟+底部橫壟2種壟作方式的侵蝕調(diào)控效果降低10%左右。對(duì)于10°坡耕地，在50 mm/h降雨強(qiáng)度下，順坡壟作處理的土壤侵蝕量分別是橫坡壟作和橫壟+排水溝處理的20.2和9.1倍，在100 mm/h降雨強(qiáng)度下，順坡壟作處理的土壤侵蝕量分別是橫坡壟作和橫壟+排水溝處理的2.9和7.7倍。隨著降雨強(qiáng)度的增加，橫坡壟作處理降低的土壤侵蝕量由95.0%減小到65.2%，橫壟+排水溝處理降低的土壤侵蝕量由89.0%減小到87.0%。造成上述結(jié)果的原因是由于試驗(yàn)坡耕地為翻耕裸露處理，順坡壟作處理從開(kāi)始產(chǎn)流便持續(xù)地搬運(yùn)泥沙，直至降雨結(jié)束，導(dǎo)致其土壤侵蝕量最大[6]；橫坡壟作處理在坡度較緩和降雨強(qiáng)度較低時(shí)具有較強(qiáng)的保水?dāng)r沙能力，而在坡度較大和降雨強(qiáng)度較大時(shí)易發(fā)生漫壟現(xiàn)象，其壟體也易發(fā)生損壞，短時(shí)間內(nèi)即形成較大徑流，產(chǎn)生較多易被搬運(yùn)的泥沙[18]，因此，橫坡壟作處理具有較好的侵蝕調(diào)控效果，但是這種效果隨著坡度和降雨強(qiáng)度的增加而減小；壟向區(qū)田、順壟+底部橫壟和橫壟+排水溝處理具有橫垱措施，在降雨前期橫垱能夠有效攔截徑流泥沙[20]，因此，與順坡壟作處理相比，其減少侵蝕比例均可達(dá)到或超過(guò)80.0%(表3)。綜上所述，橫坡壟作、壟向區(qū)田、順壟+底部橫壟和橫壟+排水溝均能利用措施中的橫垱在一定程度上蓄水保土，減少土壤侵蝕；不同坡度和降雨強(qiáng)度下其侵蝕調(diào)控效果不同，在5°坡耕地，侵蝕調(diào)控效果基本表現(xiàn)為：橫坡壟作>壟向區(qū)田>順壟+底部橫壟>順坡壟作；在10°坡耕地，降雨強(qiáng)度較小(50 mm/h)時(shí)，橫坡壟作處理的侵蝕調(diào)控效果高于橫壟+排水溝處理，而降雨強(qiáng)度較大(100 mm/h)時(shí)，橫坡壟作處理的侵蝕調(diào)控效果低于橫壟+排水溝處理。因此，建議根據(jù)具體的地形坡度和降雨特征，在東北黑土區(qū)坡耕地篩選適宜的壟作方式，從而有效調(diào)節(jié)徑流和防治土壤侵蝕。

表3 不同壟作方式下坡耕地的土壤侵蝕量及其侵蝕調(diào)控效果對(duì)比

2.2 不同壟作方式對(duì)坡耕地徑流和侵蝕過(guò)程的影響分析

2.2.1 不同壟作方式產(chǎn)流率隨降雨歷時(shí)的變化 對(duì)于5°坡耕地，在50 mm/h降雨強(qiáng)度下，順坡壟作(對(duì)照)處理的產(chǎn)流率隨降雨歷時(shí)的變化呈現(xiàn)逐漸增加并趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)，其值穩(wěn)定在50.0 mm/h上下；而橫坡壟作處理的產(chǎn)流率隨降雨歷時(shí)的變化值和波動(dòng)幅度最低，其值穩(wěn)定在8.0 mm/h上下；壟向區(qū)田處理的產(chǎn)流率，在降雨歷時(shí)42 min，降雨量達(dá)到36 mm之前，其值明顯低于順坡壟作處理，但是當(dāng)降雨42 min后，壟向區(qū)田處理蓄水能力達(dá)到最大值，雨水漫出橫垱措施，其產(chǎn)流率開(kāi)始增加，并呈現(xiàn)小幅波動(dòng)，最大值為88.5 mm/h，其后產(chǎn)流率開(kāi)始逐漸減??；順壟+底部橫壟處理的前期產(chǎn)流率變化與橫坡壟作處理相近，但是當(dāng)降雨歷時(shí)達(dá)到48 min時(shí)，順壟+底部橫壟處理的底部橫壟出現(xiàn)漫壟現(xiàn)象并局部損壞，產(chǎn)流率迅速增加，最大值為317.4 mm/h(圖1)。

在100 mm/h降雨強(qiáng)度下，順坡壟作處理的產(chǎn)流率隨降雨歷時(shí)表現(xiàn)為先逐漸增加后趨于穩(wěn)定的變化，在17 min時(shí)發(fā)生轉(zhuǎn)折，此時(shí)降雨量約為26 mm，產(chǎn)流率穩(wěn)定在130.0 mm/h左右；橫坡壟作處理的產(chǎn)流率隨降雨歷時(shí)的變化值和波動(dòng)幅度依然最低，其值穩(wěn)定在12.0～21.0 mm/h；壟向區(qū)田處理的產(chǎn)流率，在降雨11 min，降雨量達(dá)到15 mm之前，其值較低，與橫坡壟作處理相近，但是當(dāng)降雨11 min后，壟向區(qū)田處理橫垱發(fā)生漫流，產(chǎn)流率開(kāi)始增長(zhǎng)，并在降雨14 min，降雨量達(dá)到22 mm后趨于穩(wěn)定，其值穩(wěn)定在80.0 mm/h；順壟+底部橫壟處理的前期產(chǎn)流率亦較低，但是在降雨12 min，降雨量達(dá)到18 mm左右時(shí)，橫壟部分蓄水達(dá)到極限，出現(xiàn)漫壟現(xiàn)象，并且橫壟局部損壞，產(chǎn)流率迅速增大，從35.0 mm/h左右增長(zhǎng)至338.3 mm/h，隨后又迅速減小并穩(wěn)定在40.0 mm/h左右。

由此可知，坡度較緩(5°)時(shí)，在降雨前期或降雨量較小時(shí)，順坡壟作處理的產(chǎn)流率最大，橫坡壟作處理的產(chǎn)流率最小，壟向區(qū)田處理的產(chǎn)流率也明顯低于順坡壟作處理；當(dāng)降雨時(shí)間延長(zhǎng)或降雨量較大時(shí)，壟向區(qū)田和順壟+底部橫壟處理在50 mm/h降雨強(qiáng)度下，降雨歷時(shí)分別為42，48 min時(shí)，在100 mm/h降雨強(qiáng)度下，降雨歷時(shí)分別為11，12 min時(shí)，保水蓄水能力開(kāi)始減弱，產(chǎn)流率會(huì)在短時(shí)間內(nèi)迅速增加，甚至高于順坡壟作處理，而且隨著降雨強(qiáng)度的增加，不同壟作方式之間的產(chǎn)流率隨降雨歷時(shí)變化的差異越大，這種表現(xiàn)越明顯(圖1)。

分析原因是，順坡壟作處理的壟溝有利于雨水匯集形成徑流；而橫坡壟作處理可將雨水存蓄于壟溝中，延長(zhǎng)雨水在壟溝內(nèi)的滯留時(shí)間，導(dǎo)致降雨入滲增強(qiáng)[21]，從而顯著減小徑流；壟向區(qū)田處理的壟溝有較多橫向土垱，能夠攔截貯存雨水，提高土壤水分入滲率，較好地平衡了徑流和土壤水分入滲的矛盾[22]，但隨著降雨的持續(xù)，土壤水分入滲率降低，雨水蓄積，土垱易損壞并發(fā)生細(xì)溝侵蝕，土垱防治能力減弱，導(dǎo)致產(chǎn)生較大徑流；順壟+底部橫壟處理因底部設(shè)有橫壟，可有效攔截頂部順壟壟溝匯集形成的徑流，雨水在橫壟壟溝處滯留[23]，導(dǎo)致其前期產(chǎn)流率與橫坡壟作處理的產(chǎn)流率相近，然而隨著降雨歷時(shí)的不斷增大，加之上部順壟壟溝內(nèi)蓄積的雨水不斷增多，導(dǎo)致底部橫壟逐漸損壞，演變?yōu)榧?xì)溝侵蝕，進(jìn)而形成大量徑流，且降雨強(qiáng)度或降雨量越大，順壟+底部橫壟處理的斷壟現(xiàn)象越顯著[24]。

因此，對(duì)于5°坡耕地，順坡壟作處理的壟溝能夠較好地排水導(dǎo)水，橫坡壟作處理能夠很好地保水，壟向區(qū)田和順壟+底部橫壟處理在短時(shí)間和降雨前期也能較好地保水，但降雨時(shí)間過(guò)長(zhǎng)或降雨量較大時(shí)則易發(fā)生損壞，短時(shí)間內(nèi)形成較大徑流。

圖1 5°坡耕地50，100 mm/h降雨強(qiáng)度下不同壟作方式產(chǎn)流率隨降雨歷時(shí)的變化

對(duì)于10°坡耕地，在50 mm/h降雨強(qiáng)度下，順坡壟作(對(duì)照)處理的產(chǎn)流率隨降雨歷時(shí)的變化呈現(xiàn)逐漸增加并趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)，其值亦穩(wěn)定在50.0 mm/h上下；而橫坡壟作處理的產(chǎn)流率，在降雨32 min，降雨量達(dá)到26 mm之前，其值明顯低于順坡壟作與橫壟+排水溝處理，在降雨32 min后，出現(xiàn)漫壟現(xiàn)象，產(chǎn)流率顯著增加并趨于相對(duì)穩(wěn)定，其產(chǎn)流率甚至高于順坡壟作與橫壟+排水溝處理；橫壟+排水溝處理的產(chǎn)流率隨降雨歷時(shí)的變化也呈現(xiàn)逐漸增加并趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)，在降雨前期，其值明顯低于順坡壟作處理，而高于橫坡壟作處理，但是隨著降雨歷時(shí)的增加，其值與順坡壟作和橫坡壟作處理的穩(wěn)定產(chǎn)流率相近(圖2)。在100 mm/h降雨強(qiáng)度下，不用壟作方式的產(chǎn)流率均呈先快速增長(zhǎng)后趨于穩(wěn)定或減小的趨勢(shì)，其中順坡壟作處理的產(chǎn)流率增長(zhǎng)最為迅速，從產(chǎn)流開(kāi)始到降雨14 min時(shí)達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定，穩(wěn)定值為130.0 mm/h左右；橫坡壟作處理在降雨15 min時(shí)，出現(xiàn)漫壟現(xiàn)象，產(chǎn)流率增長(zhǎng)速度加快，到降雨24 min時(shí)壟體出現(xiàn)局部損壞，產(chǎn)流率短時(shí)間瞬間增大，其值高達(dá)200.2 mm/h，是50 mm/h降雨強(qiáng)度下橫坡壟作處理最大產(chǎn)流率的3.0倍，其后產(chǎn)流率又逐漸減小，在降雨結(jié)束時(shí)產(chǎn)流率降至95.6 mm/h；橫壟+排水溝處理的產(chǎn)流率低于順坡壟作處理，而高于橫坡壟作處理，從產(chǎn)流開(kāi)始直到降雨24 min左右，橫坡壟作處理的產(chǎn)流率一直呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)，其后穩(wěn)定在105.0 mm/h左右。

坡度較大(10°)時(shí)，在50，100 mm/h降雨強(qiáng)度下，不同壟作方式的產(chǎn)流率均隨降雨歷時(shí)的增加而逐漸增大，在降雨后期，不同壟作方式的穩(wěn)定產(chǎn)流率相近(圖2)。分析原因主要是，順坡壟作處理在坡度較大時(shí)，其匯流作用更加顯著，形成較大的產(chǎn)流率；橫坡壟作處理的產(chǎn)流率在漫壟和斷壟現(xiàn)象發(fā)生前較小，在漫壟和斷壟后土壤侵蝕方式演變?yōu)榧?xì)溝侵蝕[25]，且隨著降雨強(qiáng)度的增加，雨滴動(dòng)能增強(qiáng)，導(dǎo)致橫壟壟丘多處出現(xiàn)細(xì)溝，最終發(fā)生壟丘垮塌，導(dǎo)致產(chǎn)流率迅速達(dá)到極值；橫壟+排水溝處理在降雨前期大部分雨水滯留于壟溝，導(dǎo)致降雨前期坡面產(chǎn)流率低于順坡壟作處理[26]，隨著降雨歷時(shí)或降雨量的增大，土壤含水量趨于飽和狀態(tài)，橫壟壟溝蓄水作用減弱，土壤水分入滲率也逐漸減小，壟溝內(nèi)雨水逐漸涌向排水溝流出，導(dǎo)致坡面產(chǎn)流率逐漸增大，最后趨于相對(duì)穩(wěn)定[27]?？梢?jiàn)，順坡壟作方式的排水疏水能力最強(qiáng)，產(chǎn)流率較大；橫坡壟作方式在降雨前期具有較好的保水蓄水作用，但在降雨后期壟體易損壞，造成短時(shí)間內(nèi)形成強(qiáng)徑流；橫壟+排水溝方式在降雨前期能夠蓄水保水，在降雨后期能夠較好地排水。

圖2 10°坡耕地50，100 mm/h降雨強(qiáng)度下不同壟作方式產(chǎn)流率隨降雨歷時(shí)的變化

2.2.2 不同壟作方式土壤侵蝕速率隨降雨歷時(shí)的變化 對(duì)于5°坡耕地，順坡壟作(對(duì)照)處理土壤侵蝕速率隨降雨歷時(shí)的變化呈現(xiàn)先快速增加后減小并逐漸趨于相對(duì)穩(wěn)定的趨勢(shì)，在50，100 mm/h降雨強(qiáng)度下，順坡壟作處理的平均土壤侵蝕速率分別為0.88，1.85 kg/(m2·h)(圖3)。而另外3種壟作處理的土壤侵蝕速率均明顯低于順坡壟作處理，其大小整體表現(xiàn)為：順坡壟作>順壟+底部橫壟>壟向區(qū)田>橫坡壟作。隨著降雨強(qiáng)度的增加，相同壟作方式的土壤侵蝕速率逐漸增大，且不同壟作方式的土壤侵蝕速率差異也逐漸增大。在2個(gè)降雨強(qiáng)度下，順壟+底部橫壟處理在降雨過(guò)程中土壤侵蝕速率有短時(shí)間內(nèi)的迅速波動(dòng)，其中，50 mm/h降雨強(qiáng)度下的波動(dòng)發(fā)生在降雨50～57 min，降雨量為40～47 mm間，降雨50 min時(shí)雨水漫過(guò)底部橫壟，壟體局部損壞時(shí)，土壤侵蝕速率開(kāi)始迅速增長(zhǎng)，到降雨52 min時(shí)達(dá)到最大值2.1 kg/(m2·h)，降雨57 min時(shí)恢復(fù)相對(duì)穩(wěn)定；100 mm/h降雨強(qiáng)度下的波動(dòng)發(fā)生在降雨12～21 min，降雨量為18～33 mm間，波動(dòng)時(shí)間提前，且波動(dòng)幅度增大，最大土壤侵蝕速率為5.6 kg/(m2·h)。分析原因是，試驗(yàn)坡耕地均為翻耕裸露處理，降雨初期其坡面含有大量松散碎屑物質(zhì)，順坡壟作處理的徑流匯流較快，搬運(yùn)能力較強(qiáng)，導(dǎo)致土壤侵蝕速率迅速增加并達(dá)到峰值[28]，其后，隨著降雨的持續(xù)進(jìn)行，坡耕地可供搬運(yùn)的物質(zhì)逐漸減少，導(dǎo)致其土壤侵蝕速率逐漸減小并趨向于相對(duì)穩(wěn)定[29]；而橫坡壟作處理對(duì)降雨和徑流有最好的消減和調(diào)節(jié)作用，導(dǎo)致土壤侵蝕速率最低；壟向區(qū)田處理因蓄水能力弱于橫坡壟作，且降雨量過(guò)大時(shí)壟溝間土垱易被損壞，致徑流攜沙流出，土壤侵蝕速率有一定變化；順壟+底部橫壟處理上部順壟壟溝匯流較快，底部橫壟在出現(xiàn)漫壟時(shí)易發(fā)生細(xì)溝侵蝕而損壞，在短時(shí)間內(nèi)大量徑流從損壞處流出，所以其挾沙能力相對(duì)較強(qiáng)[30]。

此外，隨著降雨強(qiáng)度的增大，雨滴打擊和徑流搬運(yùn)能力增強(qiáng)，導(dǎo)致了土壤侵蝕速率的增加[31]。因此，橫坡壟作、壟向區(qū)田和順壟+底部橫壟處理在調(diào)節(jié)坡面徑流過(guò)程的同時(shí)，也能有效調(diào)控坡面土壤侵蝕過(guò)程、降低土壤侵蝕速率。

圖3 5°坡耕地50，100 mm/h降雨強(qiáng)度下不同壟作方式土壤侵蝕速率隨降雨歷時(shí)的變化

對(duì)于10°坡耕地，在50 mm/h降雨強(qiáng)度下，不同壟作方式土壤侵蝕速率隨降雨歷時(shí)的變化與5°坡耕地相近，其中，順坡壟作處理的土壤侵蝕速率隨降雨歷時(shí)的變化呈先增大再減小最后趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)；橫坡壟作和橫壟+排水溝處理下土壤侵蝕速率均小于順坡壟作處理，一直穩(wěn)定在0.4 kg/(m2·h)以下，其平均土壤侵蝕速率大小表現(xiàn)為：順坡壟作>橫壟+排水溝>橫坡壟作(圖4)。

在100 mm/h降雨強(qiáng)度下，順坡壟作處理的土壤侵蝕速率增長(zhǎng)迅速，且增幅較大，在降雨11 min，降雨量為18 mm時(shí)達(dá)到最大值4.4 kg/(m2·h)，隨后逐漸降低，在降雨20 min左右趨于相對(duì)穩(wěn)定；橫坡壟作處理的土壤侵蝕速率在降雨19 min，降雨量為30 mm時(shí)開(kāi)始快速增長(zhǎng)，在降雨25 min，降雨量達(dá)到42 mm時(shí)到達(dá)最大值5.4 kg/(m2·h)，隨后迅速下降；橫壟+排水溝處理的土壤侵蝕速率在降雨16 min之前一直緩慢增長(zhǎng)，降雨16 min、降雨量達(dá)到25 mm之后達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)。3種壟作方式平均土壤侵蝕速率大小主要表現(xiàn)為：順坡壟作>橫坡壟作>橫壟+排水溝。造成上述結(jié)果的主要原因是，降雨初期坡耕地表面存在大量可供濺蝕和徑流搬運(yùn)的松散物質(zhì)，隨著降雨時(shí)間的推移，雨滴分散作用產(chǎn)生的微團(tuán)聚體被徑流優(yōu)先搬運(yùn)，此時(shí)坡面團(tuán)聚體粒級(jí)較大，搬運(yùn)難度增大，造成降雨后期雨滴打擊作用和徑流的搬運(yùn)能力達(dá)到一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)[32]。橫坡壟作處理的壟丘在損壞前能很好地?cái)r蓄徑流泥沙，在降雨強(qiáng)度相對(duì)較小(50 mm/h)時(shí)，壟丘不易損壞；但是在降雨強(qiáng)度相對(duì)較大(100 mm/h)時(shí)，土壤水分入滲受到限制，加快了對(duì)壟體的侵蝕，壟丘更易損壞，損壞后侵蝕方式以細(xì)溝侵蝕為主，前期蓄積的雨水順勢(shì)流出，土壤侵蝕強(qiáng)度在短時(shí)間內(nèi)迅速增大[6]，因此，在100 mm/h降雨強(qiáng)度下，橫坡壟作處理平均土壤侵蝕速率高于橫壟+排水溝處理(圖4)?？梢?jiàn)，橫坡壟作和橫壟+排水溝能夠降低土壤侵蝕速率，較好地?cái)r截徑流泥沙，但橫坡壟作在降雨強(qiáng)度和坡度較大時(shí)，不能及時(shí)排出蓄水，容易損壞壟體，短時(shí)間內(nèi)形成較高的土壤侵蝕速率，而橫壟+排水溝既有一定的蓄水保土能力，又有較好的排水能力。

圖4 10°坡耕地50，100 mm/h降雨強(qiáng)度下不同壟作方式土壤侵蝕速率隨降雨歷時(shí)的變化

3 結(jié) 論

(1) 試驗(yàn)條件下，對(duì)于5°坡耕地，與順坡壟作處理相比，橫坡壟作處理徑流和侵蝕調(diào)控效果較好，壟向區(qū)田和順壟+底部橫壟處理的徑流和侵蝕調(diào)控效果相近。橫坡壟作處理徑流量和土壤侵蝕量分別減少83.9%～92.3%和94.6%～96.8%，壟向區(qū)田和順壟+底部橫壟處理徑流量減少40.8%～55.5%，土壤侵蝕量減少79.2%～90.5%。對(duì)于10°坡耕地，與順坡壟作處理相比，在50 mm/h降雨強(qiáng)度下，橫坡壟作處理的徑流和侵蝕調(diào)控效果較好，其徑流量和土壤侵蝕量分別減少75.7%和95.0%，在100 mm/h降雨強(qiáng)度下，橫坡壟作處理的徑流和侵蝕調(diào)控效果顯著降低，其徑流量和土壤侵蝕量分別減少38.1%和65.2%；橫壟+排水溝處理的徑流調(diào)控效果較低，而侵蝕調(diào)控效果較好，徑流量和土壤侵蝕量分別減少40.6%～47.8%和87.0%～89.0%。

(2) 對(duì)于5°坡耕地，在50，100 mm/h降雨強(qiáng)度下，橫坡壟作處理均不會(huì)發(fā)生漫壟和斷壟現(xiàn)象；壟向區(qū)田和順壟+底部橫壟處理在50 mm/h降雨強(qiáng)度下，分別在降雨42，48 min時(shí)發(fā)生漫壟；在100 mm/h降雨強(qiáng)度下，分別在降雨11，12 min時(shí)發(fā)生漫壟。對(duì)于10°坡耕地，在50 mm/h降雨強(qiáng)度下，至降雨32 min左右發(fā)生漫壟，在100 mm/h降雨強(qiáng)度下，至降雨15 min發(fā)生漫壟。在發(fā)生漫壟現(xiàn)象后，不同壟作方式的徑流和侵蝕調(diào)控效果減弱。

綜上所述，橫坡壟作、壟向區(qū)田、順壟+底部橫壟和橫壟+排水溝均能夠在一定程度上蓄水保土，減少土壤侵蝕；不同坡度和降雨強(qiáng)度下其徑流調(diào)控效果和侵蝕調(diào)控效果均不同。因此，建議根據(jù)具體地形坡度和降雨特征，在東北黑土區(qū)坡耕地篩選適宜的壟作方式，從而有效調(diào)節(jié)徑流、防治土壤侵蝕。