作物植被对坡耕地土壤侵蚀的影响研究

土壤侵蚀已成为全球性的严重环境问题,而坡耕地是土壤侵蚀发生的主要策源地。农作物作为坡耕地的主要覆盖物,对坡耕地土壤侵蚀的发生和发展有着重要影响。因此,深入研究作物植被对土壤侵蚀的作用,对经济有效地防治侵蚀、完善土壤侵蚀理论有重要的意义。本文以黄土高原主要种植作物玉米、大豆、谷子和小麦为对象,采用室内外人工模拟降雨、田间入渗测定、土壤化学分析等手段,研究了作物植被对降雨再分配、溅蚀、降雨入渗、坡面产流产沙、坡面土壤养分流失等方面的作用,得到了以下主要结论: （1）作物冠层可将降雨大致分配为冠下穿透雨、茎秆流和冠层截留三部分。随玉米、大豆和谷子的生长,穿透雨量占总降雨量比例分别在约94%36%、95%73%,以及85%55%之间逐渐降低;小麦的冠下穿透雨量所占比例随小麦生长（从返青起身到抽穗后）变化趋势不明显,在约76%82%之间变化。玉米、大豆和谷子冠下穿透雨量的空间分布很不均匀,局部地点降雨强度可达初始降雨的2～3倍,小麦冠下穿透雨量分布相对均匀。茎秆流量占总降雨比例随玉米、大豆和谷子的生长,分别在约5%68%、2%22%,以及7%32%之间逐渐增加;小麦植株群体不适用茎秆流概念,顺植株流下的水量被定义为小麦行内水量,在总降雨量中约占18%24%。本研究还提出了物理意义相对明确的单株玉米茎秆流模型。玉米、大豆、谷子和小麦的冠层截留量（换算为作物所占地面上的水深）在作物生长过程中分别在约0.02 mm0.4 mm、0.05 mm1 mm、0.05 mm0.35 mm,以及0.5 mm1.5 mm之间变化,作物冠层截留量不是降雨再分配的主要部分。 （2）在生长过程中,玉米、大豆、谷子和小麦冠下的平均溅蚀速率与裸地溅蚀速率的比值分别在约40%80%、25%60%、45%89%,以及3%12%之间变化。大豆冠下平均溅蚀速率随冠层生长逐渐降低,其它三种作物冠下平均溅蚀速率则在作物生长过程中无规律波动。三种禾本科作物冠下的溅蚀速率在80 mm/h雨强下与裸地对照值相比的降低幅度大于在40 mm/h雨强下的降低幅度,大豆在这方面的规律不明显。作物冠下的溅蚀往往集中到少数几个地点发生,溅蚀速率空间变异极大。 （3）在一个生长季内,作物没有对土壤的入渗能力产生显著影响,但是随着作物的生长,降雨在坡面的入渗显著增加。玉米、大豆、谷子和小麦在生长过程中,分别能将降雨在坡面的入渗量相对裸地提高15%51%、8%45%、5%58%,以及110%120%以上。作物对降雨入渗的促进作用主要不是通过提高土壤入渗能力,而是通过阻滞降雨和径流在坡面的运动,延长径流在一定尺度坡面上的停留时间来实现的。 （4）玉米、大豆、谷子在生长过程中,分别能将产流量相对裸地降低约11%42%、7%38%,以及2%43%;将产沙量分别降低约27%76%、21%78%,以及24%84%。小麦在春季返青期,就能将产流量和产沙量分别降低至裸地的11%左右和1.15%左右,在抽穗后,则进一步降低至裸地的约2.36%和约0.25%,在收割后,产流量和产沙量仍然维持在与收割前相近的极低水平上。本研究以通用土壤流失方程USLE中的覆盖管理因子C为理论指导,计算了作物植被影响下的土壤流失比率（作物覆盖条件下土地的土壤流失量与裸地土壤流失量的比值）,并拟合了玉米、大豆和谷子三种作物覆盖下,土壤流失比率与冠层叶面积指数之间的关系式,在种植上述三种作物的条件下,坡面土壤流失比率的变化与叶面积指数之间分别呈现出幂函数、线性函数和对数函数关系。 （5）在本研究中,种植玉米条件下,侵蚀泥沙中养分浓度和养分富集率与裸地的侵蚀泥沙无显著差异,在种植大豆和谷子条件下,侵蚀泥沙中养分浓度和养分富集率高于裸地的侵蚀泥沙,有统计意义上的显著差异。坡面表层土壤浓度在一个作物生长季内降低趋势不明显。不同覆盖条件、降雨强度以及坡度等因素对坡面养分流失的影响主要不是通过改变泥沙养分浓度,而是通过改变泥沙流失总量来实现的,坡面养分流失总量的变化与泥沙流失量的变化趋势相同。