不同水土保持措施对地表粗糙度及其变化的影响

摘要 ［目的］深入理解不同水土保持措施地表粗糙度变化的机理，以便于指导该地区土壤侵蚀的预防工作。［方法］以辽西低山丘陵区二道岭小流域坡面径流观测场为对象，通过定位观测法，研究不同水土保持措施影响地表粗糙度及其变化的影响因子。［结果］各类措施间的地表粗糙度存在差异，各大类措施的地表粗糙度经过4场降雨过后大小顺序为CK＞耕作措施＞工程措施＞林草措施。各类措施间地表粗糙度变化率存在差异，各大类措施的地表粗糙度变化率从大到小依次为耕作措施＞CK＞工程措施＞林草措施。各措施地表粗糙度变化率均与土壤黏粒含量呈极显著负相关（P＜0.01），CK和工程措施地表粗糙度变化率与土壤容重均呈极显著负相关（P＜0.01），林草措施地表粗糙度变化率与土壤含水率呈显著正相关（P＜0.05），林草措施中的林地措施地表粗糙度变化率与土壤有机质含量呈显著正相关（P＜0.05）。［结论］植被覆盖率、营建措施过程中形成的初始地表粗糙度、土壤理化性质是影响不同水土保持措施地表粗糙度及其变化率的重要因子。

关键词 水土保持措施；地表粗糙度；自然降雨；土壤机械组成

中图分类号 TD824.7  文献标识码 A  文章编号 0517-6611（2025）03-0077-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2025.03.015

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Effects of Different Soil and Water Conservation Measures on Land Surface Roughness and Its Changes

WANG Yun ze，ZHOU Feng yan，HAN Yan gang et al

（College of Environmental Science and Engineering， Liaoning Technical University， Fuxin， Liaoning 123000）

Abstract ［Objective］To understand the mechanism of surface roughness change under different soil and water conservation measures， so as to guide the prevention of soil erosion in this area.［Method］Taking the slope runoff observation field of Erdaoling small watershed in the low hilly area of western Liaoning Province as the object， the influence factors of different soil and water conservation measures on surface roughness and its change were studied by using the positioning observation method.［Result］There were differences in surface roughness among various measures.After four rain events， the order of surface roughness of various measures remained CK>cultivation measures>engineering measures>forestry measures.There were differences in surface roughness change rate among various measures，the surface roughness change rate of various measures was cultivation measures>CK>engineering measures>forestry measures.The surface roughness change rate of various measures was significantly negatively correlated with soil clay content （P<0.01）， the surface roughness change rate of CK and engineering measures was significantly negatively correlated with soil bulk density （P<0.01）， the surface roughness change rate of forestry measures was significantly positively correlated with soil moisture content （P<0.05）， and the surface roughness change rate of forestland measures was significantly positively correlated with soil organic matter content （P<0.05）.［Conclusion］The vegetation coverage， the initial surface roughness formed during the construction process， and the soil physical and chemical properties were important factors affecting the surface roughness and its change rate under different soil and water conservation measures.

Key words Soil and water conservation measures;Surface roughness;Natural rainfall;Soil mechanical composition

基金项目

辽宁省教育厅基本科研项目面上项目（JYTMS20230808）；辽宁省教育厅大学生创新训练项目（S202310147038）。

作者简介 王云泽（1996—），男，辽宁沈阳人，硕士研究生，研究方向：水土保持与荒漠化防治。*通信作者，教授，硕士生导师，从事固沙林经营、水土保持与荒漠化防治方面的研究。

收稿日期 2024-04-02

地表粗糙度通常是指地表在比降梯度最大方向上凹凸不平的形态或起伏状况^［1］。有研究表明，地表粗糙度会影响坡面产流和汇流过程，从而影响土壤侵蚀过程，而土壤侵蚀发生后又会改变坡面地表粗糙度，改变的地表粗糙度又会进一步影响坡面土壤侵蚀过程^［2-6］。因此，地表粗糙度是影响土壤侵蚀的重要因子。研究表明坡耕地的作物种类、土壤性质、植被覆盖、地表结皮等下垫面因子也共同影响地表粗糙度的变化^［7-9］。

水土保持措施受最初修建过程的影响，造成地表粗糙度的差异，不同水土保持措施通过改善土壤理化性质，从而影响地表粗糙度。研究表明，在同等条件下等高耕作、人工掏挖、人工锄耕、直型坡4种不同的耕作措施会使地表粗糙度初始产生差异，而每种耕作措施地表粗糙度产生的变化也互不相同^［10］。以往关于措施对地表粗糙度影响的研究多集中在黄土高原地区^{［7，10-11］}，而对辽西地区的研究则相对缺乏，因此，笔者以辽西低山丘陵地区的二道岭径流小区的6种不同水土保持措施为研究对象，在自然降雨条件下测定不同水土保持措施降雨前后的地表粗糙度、土壤理化性质及径流系数，统计分析不同水土保持措施下土壤理化性质、径流系数对地表粗糙度的影响，揭示该地区自然降雨条件下不同水土保持措施地表粗糙度的变化及其影响因子，为该地区土壤侵蚀防治提供科学依据。

1 资料与方法

1.1 研究区概况 二道岭小流域坡面径流观测场位于辽宁省阜新蒙古族自治县国华乡西部（41°49′N，121°42′E），土壤类型为薄腐酸性岩棕壤性土，气候为温和半干旱季风大陆性气候，多年平均降雨量约480 mm，雨季为6—9月，其降雨量占全年总量的75%以上。该径流观测场始建于2004年，共布设了7个径流小区，各径流小区按水利部径流小区要求设置，东南坡向，径流小区土地利用类型依次为裸地、横坡垄作、顺坡垄作、地埂植物带、水平梯田、果树台田、林地，7种土地利用类型为辽西低山丘陵区的7种典型土地利用类型。裸地小区常年保持地表裸露休闲状态。横坡垄作小区的垄向与等高线基本保持平行，垄距为0.50 m，该小区共60条垄。顺坡垄作小区的垄向与等高线垂直，垄距0.60 m。地埂植物带小区平行于等高线的方向建造土埂，以积存雨水，共有5个垄，垄间距为6.00 m，并将柠条（Caragana korshinskii）种植在田埂的顶端。水平梯田小区的土台上种植作物，设水平田面6个，均宽5.00 m，田坎高度为0.90 m。果树台田小区栽植品种为当地常见果树品种李子（Prunus salicina），整个小区共布设10个台面，宽3.00 m，每台布设果树2棵，果树距离3.00 m，挖坑深度0.80 m，直径0.70 m。林地小区栽植油松（Pinus tabulaeformis），林分形成后有少量灌木及杂草自然侵入，林地无人为扰动。各耕作小区均种植当地主要作物玉米，按传统方法进行耕作、管理。2022年6—9月在该小区分上、中、下3个位置测定降雨前后的粗糙度及土壤性质，该小区基本情况与样本数见表1。

1.2 研究方法 于2022年6—9月，在该径流场测定4场有效自然降雨下的雨前及雨后地表粗糙度，计算每次降雨后的径流系数，取样测定了降雨前后各措施下坡上、坡中、坡下的土壤容重、土壤机械组成、土壤含水率。4场自然降雨的相关数据如表2所示。

1.2.1 地表粗糙度测定。采用链条法^［6］对地表粗糙度进行测定。在7个径流小区按相互间隔1 cm的距离进行地表轮廓线测定60组地表粗糙度，并将地点标记，保证4次测定均为同一地点，7个径流小区每次共计测定280组轮廓线，共计测定4次。

地表粗糙度的计算公式如下；

Cr=1-L2L1×100

式中：Cr为某方向地表粗糙度；L1为链条长度（100 cm）；L2为放置在地表后链条两端的长度（cm）。

地表粗糙度变化率的计算公式如下：

Rr=｜R2R1-1×100%｜

式中：Rr为地表粗糙度变化率，作为衡量地表粗糙度相对变化的指标；R1为雨前地表粗糙度；R2为雨后的地表粗糙度。

1.2.2 土壤理化性质指标测定。土壤含水率采用烘干法测定。土壤容重采用环刀法测定。土壤机械组成采用mastersizer 2000激光粒度仪进行分析。

1.2.3 降雨指标测定。采用自动监测设备对降雨量、降雨历时等指标进行测定。

1.2.4 径流系数指标测定。实测了6种不同措施及对照组的径流量，在自然降雨过程中，以五点法布设了雨量筒，并实施观测，当雨量筒将要溢满时，马上将其换下，并记录。5个雨量筒最终取其平均值为径流量Q1，自动设备测定的降雨量为Q2，则径流系数（R）为R=Q1/Q2。