水土资源作为人类生存发展中最重要的自然资源,其安全已成为当今最受关注的环境问题之一。近年来,随着人类社会的快速发展,不合理的人类活动导致一些区域水土流失加剧,进一步威胁水土资源安全^[1]。水土流失不仅阻碍人类发展、加剧江河湖库淤积和洪涝灾害,也是面源污染发生的重要形式和运输载体,是生态环境进一步恶化的主要助推力^[2]。水土流失的产生与自然环境及不合理的人类活动有紧密的关系,其中水土流失的自然驱动因素如降雨强度、坡度坡长、植被覆盖等与区域水土流失间的关系已经引起了相关研究者的广泛关注^[3-4]。例如基于模拟降雨试验,研究者发现区域水土流失产生频率与降雨强度呈正相关关系^[5-6]; 张珊珊等^[7]通过遥感影像定量分析了不同坡度等级下石漠化与水土流失之间的相关性; 丛鑫等^[6]基于济南市人工径流小区试验数据,证明水土流失量与当地坡度呈正相关关系; 戴金梅等^[8]研究发现植被覆盖度的增加能有效降低土壤侵蚀量。而现有的研究中对于土地利用方式、种植模式变化等人为因素与区域水土流失影响机制的研究开展较少,尤其是在我国水土流失较为典型的黄土高原地区相关研究较为匮乏。

黄土高原是我国重要的农业区^[9],其疏松易蚀的土壤特征^[10]、夏季集中的降水类型以及土地过度耕种和植被退化等原因导致区域水土流失面积居全国首位^[11]。近年来,水土流失的加剧使得黄土高原大量可耕作土壤水分及养分流失^[12],生产力下降,人地矛盾日益尖锐,水土流失问题已经成为制约黄土高原经济社会发展的最严峻的生态问题。丘陵沟壑区作为黄土高原重要的农业活动区,肩负着区域粮食生产的重任,而近年来在盲目的经济价值的追求下,土地过度开垦、种植模式落后、作物品种单一导致区域水土流失加剧、生态环境不断恶化。严峻的区域水土流失引起了相关研究者的关注,并对不同植被覆被下的黄土高原产流产沙特性开展了相应的研究。然而以往的研究多采用人工冲刷模拟试验^[13-14]对不同植被类型的水土保持效应进行研究,也有研究者探索了自然降雨下农作物的水土保持效应,但大都集中于单一作物^[15-17]或单一作物不同坡度^[18-19]及不同耕作模式下^[20-22]的水土保持效应分析,其研究结果为当地坡耕地水土保持工作提供了一定的科学指导,但对于不同降雨类型下多种农作物的产流产沙特征及水土保持效应的认知依旧较少。

本研究选取水利部乡宁县冯家沟水土保持监测站作为观测点,基于2014—2016年的实测降雨数据及人工径流场5种不同农作物措施的产流产沙量数据,分析不同农作物在不同雨型下的产流产沙特性,探索黄土丘陵沟壑区不同农作物的水土保持效应,以期为研究区坡耕地水土保持工作提供重要的参考信息。

乡宁县冯家沟水土保持监测站(110°48'—110°47'E,36°58'12″—35°58'N)位于乡宁县冯家沟村上游,为黄土残垣沟壑区,属黄河一级支流鄂河一级支沟。监测点涉及流域总面积0.86 km²。该区域属典型的黄土残垣沟壑区地貌,地势西北高东南低,冲沟发育。气候属于暖温带半干旱大陆性季风气候,年平均气温9.9℃,极端最高气温36℃,最低气温-18℃; 流域内最大年降水量732.7 mm,最小年降水量312 mm,多年平均降水量514 mm,年内分布极不均匀。研究区土壤以黄绵土为主,抗冲蚀性差; 研究区内植被以芦草、苍耳、狗尾、苋菜、蒿草等为主。

本研究基于多年自然降雨条件下分析了侵蚀性降雨特征值即I₃₀、降雨历时、降雨量与不同作物措施的相关性,结果表明:5种作物产流产沙量均与I₃₀及次降雨量有显著或极显著相关关系,这一结果与马星^[25],王丰^[27],黄志霖^[18]等的研究结果一致。几种作物中谷子覆盖下的径流小区土壤流失量及径流深与I₃₀相关系数最大,即受雨强影响较大; 土豆措施覆盖下的径流小区土壤流失量及径流深与降雨量呈极显著相关且相关系数最大,即受降雨量影响较大,各径流小区产流产沙量与降雨历时无显著的相关关系。不同的作物由于其植株形态、株高、叶面积、根系发育等具有差异导致其对不同类型侵蚀性降水响应不同^[28],其产流产沙特性亦不尽相同。在3种不同的降雨类型条件下红薯措施的产流产沙量最小,这可能与红薯植株属于藤蔓植物,植株较低、叶面积较大、地表覆盖率较高有关,红薯的这些生理特性能有效降低雨滴下降的速度及降水对表层土壤的溅蚀,从而阻止土壤随侵蚀性降水的流失。类似的现象在我国华中地区^[29]和湘江流域^[30]的相关研究中也得到进一步证实。

(1)不同场次降雨中,玉米措施产流量及土壤流失量较大,红薯措施与谷子措施最小。土豆措施与大豆措施差别不大。

(2)不同作物小区产沙量、产流量均与最大30分钟降雨强度I₃₀及降雨量有显著和极显著相关关系,与降雨历时相关性不大。谷子措施下的径流小区产流产沙与I₃₀显著相关且相关系数最大; 土豆措施下的径流小区产流产沙量与降雨量显著相关且相关系数最大。

(3)5种作物在不同雨型下产流产沙特性不同,且在雨强较大的Ⅲ雨型下各作物措施径流深最深,土壤流失量最大; 红薯措施在不同雨型下产流量及土壤流失量较少,玉米措施在不同雨型下产流量及土壤流失量较大。

综上,红薯作为一种经济作物,是黄土高原丘陵沟壑区坡耕地水土流失防治的优选作物,而玉米由于植株特性及耕种方式的特点,不适于研究区内坡耕地的推广选种。