2.1 苜蓿对坡面径流的影响
降雨期间不同苜蓿覆盖度(低覆盖度,高覆盖度)、不同坡度(5°,10°和15°)条件下苜蓿坡面和裸地坡面(15°)的径流速率见图1。在坡度15°坡面,裸地、苜蓿低覆盖度和苜蓿高覆盖度坡面的平均径流速率分别为1.34 mm/min,0.77 mm/min,0.29 mm/min。在苜蓿低覆盖度条件下,坡度5°,10°和15°坡面的平均径流速率分别为0.92 mm/min,0.76 mm/ min,0.77 mm/min; 苜蓿高覆盖度条件下,各坡度坡面(5°,10°和15°)的平均径流速率分别为0.32 mm/ min,0.35 mm/ min,0.29 mm/min。在坡度5°,10°和15°下苜蓿低覆盖度和苜蓿高覆盖度坡面的初始径流速率分别为0.05～0.27 mm/min和0.02～0.05 mm/min,而裸地坡面(坡度15°)为1.17 mm/min。
在低苜蓿覆盖度条件下,降雨初期(0—10 min)各坡度下苜蓿坡面径流速率均急剧上升; 而在降雨中后期(10—60 min)各坡度下苜蓿坡面产流速率相对稳定且上升缓慢。这可能是因为坡面径流的形成与土壤入渗速率有关[9-10],在低苜蓿覆盖度条件下,降雨初期土壤入渗能力较强,随着土壤含水量逐渐饱和,土壤入渗能力逐渐降低至稳定,坡面径流呈现出先急剧升高后逐渐稳定的趋势。在高苜蓿覆盖度下,整个降雨期间(0—60 min)径流速率没有出现急剧升高的情况,降雨初期(0—10 min)各坡度下苜蓿坡面径流速率缓慢升高,降雨中后期(10—60 min)稳定在较低水平。对于裸地坡面(坡度15°),在整个降雨期间(0—60 min)径流速率较高且相对稳定,只有在降雨开始时径流速率有小幅度升高。
本试验中,不同苜蓿覆盖度下各坡面(15°)平均径流速率的大小顺序为裸地>低苜蓿覆盖度>高苜蓿覆盖度。与裸地坡面相比,低覆盖度和高覆盖度坡面的平均径流速率分别降低了43%和78%,说明苜蓿覆盖有明显减缓坡面径流的作用[9-10],且苜蓿覆盖度高的情况下减缓径流的效果更明显[11]。苜蓿能减缓坡面径流,主要是因为苜蓿的存在阻碍了水流向下流动,延长了降雨在坡面上停留的时间,增加了水分入渗[18]; 另外由于苜蓿根系在土壤中的密布缠绕,使土壤对水分的渗透能力增强[11,23],水分入渗增加,坡面径流减小。随着苜蓿覆盖度的增加,提高了坡面地表粗糙度[24],苜蓿对水流运动的阻碍增强,入渗增加,进而减小径流。
而在相同的苜蓿覆盖度(低或高)下,不同坡度(5°,10°和15°)坡面径流速率并没有显著(p>0.05)差异。这可能是因为在5°～15°坡度范围内坡度对径流的影响较小,苜蓿对径流的影响掩盖了坡度对径流的影响,植被的存在可在一定程度上削弱坡度对径流的影响[11],张梦等[25]研究也表明坡面径流量随坡度(0°～20°)的增加没有明显变化。值得注意的是,在低苜蓿覆盖度下坡度5°苜蓿坡面径流速率高于坡度10°和坡度15°,这可能是因为坡面苜蓿覆盖度不完全相同,低覆盖度下坡度5°坡面的苜蓿覆盖度略低与其他坡面(10°和15°)(表2),从而引起相同覆盖度下径流量较大[7]。
2.2 苜蓿对坡面产沙的影响
不同苜蓿覆盖度(低覆盖度,高覆盖度)、不同坡度(5°,10°和15°)下苜蓿坡面和裸地坡面(15°)的产沙速率见图2。在坡度15°条件下,裸地、低苜蓿覆盖度和高苜蓿覆盖度坡面的平均产沙速率分别为23.50 g/(m2·min),2.72 g/(m2·min)和1.71 g/(m2·min)。整个降雨期间(60 min),在低苜蓿覆盖度下,坡度5°,10°和15°坡面的平均产沙速率分别为1.73 g/(m2·min),4.27 g/(m2·min)和2.72 g/(m2·min); 高苜蓿覆盖度下,各坡度(5°,10°和15°)坡面的平均产沙速率分别为0.21 g/(m2·min),0.73 g/(m2·min)和1.71 g/(m2·min))。坡度15°下,裸地坡面的平均产沙速率最高,分别是低苜蓿覆盖度和高苜蓿覆盖度坡面的8.6倍和13.7倍。在裸地坡面上雨滴直接打击地表土壤,对土壤破坏较大,且降雨后迅速产生径流,携带大量泥沙[16],因此,裸地坡面的产沙速率显著(p<0.01)大于苜蓿坡面。
在低苜蓿覆盖度下,坡度5°和10°苜蓿坡面在降雨初期(0—10 min)产沙速率急剧升高后又急剧下降,在降雨中后期(10—60 min)产沙速率相对稳定且缓慢下降; 而坡度15°苜蓿坡面在整个降雨过程中(0—60 min)产沙速率稳定在同一水平。这是因为低覆盖度下坡面上有松散分散的土壤颗粒,降雨初期产流后随径流冲刷下来,产沙速率急剧升高,松散分散的颗粒被冲刷后产沙速率逐渐稳定[10]。在高苜蓿覆盖度下,坡度5°和10°苜蓿坡面在降雨期间(0—60 min)产沙速率稳定在同一水平; 而坡度15°苜蓿坡面在降雨前期(0—20 min)产沙速率先下降后升高呈现“V型”变化,后缓慢下降至稳定。对于裸地坡面(坡度15°),降雨初期(0—10 min)产沙速率急剧下降,降雨中后期(10—60 min)产沙速率缓慢降低至稳定。
本试验中不同苜蓿覆盖度下各坡面(15°)平均产沙速率的大小顺序为裸地>低苜蓿覆盖度>高苜蓿覆盖度,随着坡面苜蓿覆盖度的增加苜蓿拦截泥沙的效果显著(p<0.01)增强。一方面苜蓿覆盖度增加,使苜蓿减缓坡面径流速率的能力增强,径流对土壤冲刷作用减弱,携带泥沙减少[10,16]; 另一方面苜蓿的存在可以减小雨滴最终速度,降低雨滴对土壤的直接打击动能,减少产沙量[24]。此外,苜蓿种植一年后土壤表面会产生一定的生物结皮以及枯落物堆积,对土壤具有保护作用[24]。高苜蓿覆盖度下会产生更多的生物结皮和枯落物,增强了对土壤的保护作用,侵蚀产沙量减少。
而在相同苜蓿覆盖度(低覆盖度或高覆盖度)下,不同坡度坡面产沙速率存在显著(p<0.01)差异,低覆盖度下苜蓿坡面产沙速率:10°>15°>5°; 高覆盖度下苜蓿坡面产沙速率:15°>10°>5°。在高苜蓿覆盖度下,随着坡度增加坡面产沙速率也逐渐增加,这和多数相关研究得出的结果一致[25-26],即在一定坡度范围内坡度增加会使坡面产沙增加。土壤坡面侵蚀增加可能是因为坡度增加,坡面径流速率增加,径流侵蚀、携带泥沙能力增强[21],引起侵蚀产沙增加; 或者是因为坡度的增加,提高了土壤不稳定性,导致侵蚀产沙量上升[26]。本试验中径流速率随坡度变化不大,因此在高苜蓿覆盖度下,产沙速率随坡度的变化可能是因为土壤受力的变化引起土壤稳定性降低,导致坡面侵蚀产沙增加。而在低苜蓿覆盖度下,坡度10°坡面(覆盖度67.5%)产沙速率高于坡度15°(覆盖度58.1%),这可能是因为覆盖度不同引起土壤表面生物结皮和枯落物数量不同(表2),导致10°坡面产沙速率大于15°坡面产沙速率。
2.3 累计产流产沙量
不同处理的累计径流量和累计产沙量总体上随降雨时间逐渐增加(图3)。裸地坡面(坡度15°)累计径流量和累计产沙量均显著(p<0.01)高于苜蓿坡面(低苜蓿覆盖度和高苜蓿覆盖度)。较裸地坡面(总径流量77.62 L,总产沙量1 361.80 g),低苜蓿覆盖度下,不同坡度(5°,10°,15°)坡面总径流量降低29%～42%,总产沙量降低81%～94%; 在高苜蓿覆盖度下,不同坡度(5°,10°,15°)坡面总径流量和总产沙量分别降低74%～78%和93%～99%。结果显示,在高苜蓿覆盖度下,坡面总径流量相比低苜蓿覆盖度有大幅度下降,而总产沙量相比低苜蓿覆盖度下降幅度较小。这可能是因为试验中采用刈割的方法控制苜蓿覆盖度,刈割只对苜蓿地上部分进行了处理,而苜蓿根系仍存在于土壤中。苜蓿由低覆盖度到高覆盖度,地上部分盖度增加,苜蓿对径流的减缓作用增强,总径流量大幅度下降[18,24]; 而低或高苜蓿覆盖度坡面土壤中均有较多根系分布,由于根系对土壤的固定作用,土壤抗侵蚀能力整体较强[9,11],总产沙量下降幅度较小。总体上看,不同苜蓿覆盖度下(低或高),苜蓿减少坡面产沙的作用(减少81%～99%)均大于减缓坡面径流的作用(减少21%～78%),减沙效益高于减流效益。有研究结果显示,与径流量相比,植被覆盖与产沙量的关系更密切[11],并且草地植被具有直接拦截泥沙的作用[27]。
图3 不同苜蓿覆盖度、不同坡度下各坡面累计径流量和累计产沙量
2.4 苜蓿对剖面土壤水分的影响
在80 mm/ h降雨强度下(降雨持续60 min),测定了雨前、雨后(24 h)不同苜蓿覆盖度(低覆盖度和高覆盖度)、不同坡度(5°,10°和15°)坡面0—90 cm深度范围内土壤剖面水分,见图4。
降雨24 h后,裸地坡面 0—20 cm深度土层土壤含水量有小幅度增加,而20—90 cm深度土层土壤含水量基本不变。这是因为在裸地坡面上没有植被覆盖,坡面径流速率较大,土壤水分入渗量少、入渗深度较浅,因此降雨只能影响土壤表层含水量,对深层的土壤水分几乎没有影响[9,19]。低苜蓿覆盖度下,降雨24 h后,0—30 cm深度土层土壤含水量有所提高; 而高苜蓿覆盖度下,降雨24 h后,0—50 cm深度土层土壤含水量明显增加。随着苜蓿覆盖度的增加,坡面地表粗糙度增加[24],苜蓿对径流的阻碍作用增强,延长了径流在坡面的停留时间,水分能入渗到更深的土层[16,18]。
在15°坡面,低苜蓿覆盖度坡面0—90 cm深度土层内土壤储水量增量平均值为20.5 mm,而高苜蓿覆盖度下为36.5 mm,均显著(p<0.01)高于裸地坡面(6.4 mm),低覆盖度和高覆盖度苜蓿坡面的土壤储水量增量分别是裸地坡面的3.2倍和5.7倍。在相同坡度下(15°)随着苜蓿覆盖度的增加,径流量、产沙量均减小; 而在相同坡度下(15°),不同苜蓿覆盖度坡面土壤储水量增量平均值的大小顺序为:高苜蓿覆盖度>低苜蓿覆盖度>裸地。与低苜蓿覆盖度坡面相比,高苜蓿覆盖度下5°,10°和15°坡面土壤储水量增量平均值分别增加了34%,143%和78%。苜蓿在降雨过程中能减缓坡面径流,增加水分入渗,提高土壤储水量[16],随着苜蓿覆盖度的增加,坡面土壤储水量呈现不断增大的趋势。原因有两方面,一方面是种植苜蓿使土壤水分入渗性能得到改善,增加了土壤储水量[10]; 另一方面是苜蓿的存在减缓了坡面径流速率,使径流在坡面停留时间增加,增加了水分向土壤入渗,进而增加了土壤储水量[15,18]。
图4 雨前、雨后(24 h)不同苜蓿覆盖、不同坡度下坡面土壤含水量
在相同覆盖度条件下,不同坡度苜蓿坡面土壤储水量增量平均值的大小顺序为:5°>15°>10°(低苜蓿覆盖度); 高苜蓿覆盖度则相反:10°>15°>5°。相同苜蓿覆盖度,不同坡度坡面的土壤储水量存在差异,但差异并不显著(p>0.05)。这与试验中坡度对径流的影响类似[11],坡度变化(5°～15°)对土壤储水量影响较小,植被(苜蓿)覆盖对水分入渗的影响掩盖了坡度对水分入渗的影响。
