地形因子對紫色土坡耕地產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響

地形因子對紫色土坡耕地產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響

在土壤侵蝕的研究中，地形因素通常分為梯度因子（s）和梯度因子（l）。采用自然降水與人工模擬降水相結(jié)合的研究方法，對地形因子的侵蝕機(jī)制和對坡面侵蝕產(chǎn)沙砂的影響進(jìn)行了大量研究。魏天興、江忠善等開展了坡長變化對侵蝕產(chǎn)沙量影響的研究,薛亞洲、申震洲、王寧等采用REE示蹤元素對坡面侵蝕分異規(guī)律、侵蝕泥沙來源進(jìn)行了研究,黃炎和、徐學(xué)選、潘成忠等開展了坡度對侵蝕產(chǎn)沙量的影響研究,蔡國強(qiáng)、孔亞平等開展了坡長作用下徑流退化現(xiàn)象的研究,鄭良勇、王占禮、廖義善、李鵬、張會茹等開展了侵蝕坡度臨界值的研究,這些研究分別從定性和定量兩個(gè)方面揭示了地形因子作用下坡面侵蝕發(fā)生機(jī)制和對侵蝕產(chǎn)沙的影響。隨著USLE/RUSLE模型深入而廣泛的應(yīng)用,也開展了基于該模型的地形因子(LS)計(jì)算方法的研究。重慶市三峽庫區(qū)以中低山丘陵為主,紫色土坡耕地大量分布于該區(qū)的中低山丘陵坡面上,坡耕地具有坡度陡、坡長短、水土流失嚴(yán)重的特點(diǎn),本文采用人工模擬降雨方法,對不同坡長和坡度組合條件下紫色土坡耕地產(chǎn)流產(chǎn)沙過程進(jìn)行研究,以分析地形因子在紫色土坡耕地土壤侵蝕過程中的作用機(jī)制,研究結(jié)論可為重慶市三峽庫區(qū)坡耕地水土流失量監(jiān)測和預(yù)報(bào)、水土流失防治提供理論依據(jù)。1研究領(lǐng)域的總結(jié)和研究方法1.1低山丘陵區(qū)土壤理化性質(zhì)研究區(qū)位于重慶市萬盛區(qū)的重慶市水土保持科技示范園區(qū)南桐河小流域內(nèi),地理位置東經(jīng)106°53′10″,北緯28°58′35″,土地總面積3.83km2,東西寬1.19km,南北長3.27km,屬低山丘陵區(qū)。園區(qū)多年平均年降雨量為1315mm,所在河流孝子河屬長江水系三級支流,年徑流量8297.15萬m3,多年平均輸沙量4.78萬t。園區(qū)土壤主要為盆邊低山黃壤土和紫色泥頁巖風(fēng)化而成的紫色土,該土樣平均容重為1.20g/cm3,土壤平均質(zhì)量含水率為20.56%。土地利用類型主要為種植紅苕、玉米、菜地的坡耕地和種植香樟、桂花樹的水土保持林地。1.2降雨特征和采樣方法試驗(yàn)于2009年7月至8月期間區(qū)進(jìn)行,試驗(yàn)采用野外便攜式人工模擬降雨器,降雨高度達(dá)7~7.5m,絕大多數(shù)雨滴能夠達(dá)到終點(diǎn)速度,降雨均勻系數(shù)在80%以上。人工模擬降雨的控制標(biāo)準(zhǔn)為:模擬降雨最大5min雨強(qiáng)與萬盛區(qū)近10年(1997-2007年)分析的最大5min雨強(qiáng)(1.86mm/min)相近,平均雨強(qiáng)、次降雨量與研究區(qū)多年平均值相近,一次降雨歷時(shí)不超過2h,使人工降雨能較好模擬研究區(qū)的天然降雨,試驗(yàn)雨強(qiáng)控制為時(shí)變雨強(qiáng)。小區(qū)布設(shè)在坡耕地原地面,分別用長200cm、寬50cm的薄壁鋼板向下埋入30cm圍成小區(qū),邊界采用高強(qiáng)度膠布粘合以防漏水。小區(qū)坡長為2m,4m兩種,在兩種坡長上分別布置10°,15°,20°和25°四種坡度,寬都為1m,具體的布設(shè)規(guī)格如表1所示。小區(qū)紫色土采自園區(qū)內(nèi)種植紅苕的坡耕地上,原紅苕地地表覆蓋大于70%。采回的土樣搗碎、混合均勻后分層填入小區(qū),擠壓平整后,開啟降雨器均勻降雨0.5~1h(不產(chǎn)流),經(jīng)自然沉降后使小區(qū)土壤容重(1.20g/cm3)和水分(質(zhì)量含水率20.56%)保持在夏季(6-8月份)坡耕地正常標(biāo)準(zhǔn)。降雨觀測采用自記雨量計(jì),并用色斑法對雨滴直徑和終點(diǎn)速度進(jìn)行測定,容重采用環(huán)刀法測定,水分測試采用TSR水分測定儀。降雨開始后每間隔2min采集水樣一次,記錄產(chǎn)流量,并采集500ml水樣立即帶回實(shí)驗(yàn)室烘干稱重,計(jì)算含沙率。每種坡長坡度組合進(jìn)行人工降雨試驗(yàn)4~6場,共進(jìn)行36場人工模擬降雨。2結(jié)果與分析2.1徑流輸沙率變化規(guī)律降雨對土壤侵蝕的作用主要表現(xiàn)在降雨雨滴擊濺和徑流的沖刷上,在降雨過程中,由于雨滴落到地表對土壤的濺蝕作用以及坡面土壤在潤濕過程中,土壤團(tuán)聚結(jié)構(gòu)分散破壞,影響地表徑流的產(chǎn)沙過程。對WS-17(4m,25°,中降雨歷時(shí))、WS-27(2m,15°,長降雨歷時(shí))、WS-31(2m,20°,中降雨歷時(shí))和WS-32(2m,20°,長降雨歷時(shí))4次典型模擬降雨過程(a)、(b)、(c)、(d),采用徑流輸沙率變化來反映坡面產(chǎn)流產(chǎn)生綜合效應(yīng)(圖1)。從圖1中可看出,降雨開始后2min內(nèi)小區(qū)開始產(chǎn)流,且隨著降雨進(jìn)行,徑流輸沙率都有一明顯增大過程;隨著雨強(qiáng)變化,徑流輸沙率出現(xiàn)不規(guī)則波動過程。從兩條曲線的變化趨勢發(fā)現(xiàn),在排除輸沙率過程曲線的細(xì)部波動下,盡管這種隨著降雨強(qiáng)度變化而發(fā)生的徑流輸沙率變化表現(xiàn)出很大的波動和不規(guī)則性,但從圖中可看出,兩條曲線變化趨勢表現(xiàn)出一定的動態(tài)響應(yīng)趨勢,即隨著雨強(qiáng)的增大,徑流輸沙率也表現(xiàn)出增大趨勢,而當(dāng)雨強(qiáng)減弱時(shí),徑流輸沙率也相應(yīng)的有一個(gè)降低過程,并且隨著降雨進(jìn)行,這樣的過程一直持續(xù)下去,直到降雨結(jié)束,這正說明紫色土坡耕地土壤侵蝕與雨強(qiáng)的動態(tài)響應(yīng)過程存在明顯的相關(guān)性和一致性。2.2地形因素對紫土邊坡耕地的產(chǎn)流過程影響2.2.1不同坡長紫色土坡面產(chǎn)流特征表2為相同降雨和坡度下不同坡長模擬降雨產(chǎn)流情況。由表2不同坡長小區(qū)產(chǎn)流情況可看出,隨著坡長從2m增加到4m,徑流量成倍增長,但這種增長效應(yīng)在不同雨強(qiáng)和坡度下表現(xiàn)不一致;降雨歷時(shí)為60min、平均降雨強(qiáng)度為1.5mm/min、坡度為15°的模擬降雨條下,隨著坡長從2m增加到4m產(chǎn)流量由59.30L增長到了214.96L,產(chǎn)流量增加了3.6倍;降雨歷時(shí)為60min、平均降雨強(qiáng)度為1.5mm/min、坡度為20°時(shí),坡長增加過程中產(chǎn)流量由101.62L增加到了171.60L,產(chǎn)流量增加了1.7倍。兩組數(shù)據(jù)對比發(fā)現(xiàn),其他條件一致時(shí)一個(gè)明顯的趨勢是隨著坡長增大,產(chǎn)流量增加很快;試驗(yàn)前小區(qū)平均土壤容重控制在1.20g/cm3,幾次降雨后平均容重達(dá)到1.40g/cm3,這說明典型耕作紫色土經(jīng)歷幾次降雨打擊后土壤出現(xiàn)板結(jié),導(dǎo)致土壤容重增大,入滲能力急劇下降,產(chǎn)流能力增強(qiáng)。在本次試驗(yàn)條件下,2m和4m坡長的試驗(yàn)小區(qū)寬都為1m,從承雨面積來看,在相同雨強(qiáng)和降雨歷時(shí)下4m小區(qū)承接降雨量為2m小區(qū)的2倍,而經(jīng)過降雨產(chǎn)流后4m小區(qū)徑流量達(dá)到2m小區(qū)的2.7倍。這說明不同坡長紫色土坡耕地坡面產(chǎn)匯流過程存在差異性,坡長增加使降雨入滲、產(chǎn)流過程發(fā)生變化。試驗(yàn)中觀測到2m坡長小區(qū)的產(chǎn)流以片狀漫流為主,此時(shí)徑流流速小,坡面剪切力弱,沿程入滲較大,形成的片狀漫流僅僅是沖走降雨擊濺分散開來的表層土體;當(dāng)坡長增大時(shí),坡面上部徑流匯流到下部,形成集中且流速較大的股流,對坡面的沖刷作用力強(qiáng),在坡面下部形成細(xì)溝侵蝕。從2m和4m坡長模擬實(shí)驗(yàn)來看,紫色土坡面產(chǎn)流量不隨著坡長增加呈線性增長,這主要是坡長的變化改變了坡面降雨徑流的產(chǎn)匯流機(jī)制,最終使產(chǎn)流量發(fā)生非線性變化。2.2.2坡度對降雨方面的影響坡度是影響坡面產(chǎn)匯流的關(guān)鍵因素之一,國內(nèi)研究者對坡度與產(chǎn)流量的研究主要集中在坡面徑流水力學(xué)機(jī)制上。根據(jù)在坡長為2m,坡度分別為10°,15°,20°,25°,降雨歷時(shí)為60min,降雨量接近的模擬降雨研究可分析得出,在20.6°坡度下,隨著小區(qū)坡度增大,產(chǎn)流量以接近直線關(guān)系增長,在20.6°時(shí)產(chǎn)流量增加到最大,而后隨著坡度的增加產(chǎn)流量反而減小,也即在坡度為20.6°時(shí)出現(xiàn)了產(chǎn)流的臨界值。在0~25°的坡度以內(nèi),紫色土坡耕地產(chǎn)流量W(L)與坡度θ(°)之間的關(guān)系可以用下式較好擬合:2.3土地因素對紫土坡耕地的沙特征分析2.3.1不同坡度條件下侵蝕產(chǎn)沙量變化我國研究者對坡長與流失量的研究,主要集中在USLE方程中坡長因子L的計(jì)算上,一般將L因子的計(jì)算式擬合成:L=(λ/a)m,其中,λ代表坡長(m),a為常數(shù),m為坡長指數(shù)。Zingg發(fā)現(xiàn)土壤流失量與坡長成1.6次方關(guān)系。根據(jù)坡長為2,4m,相同坡度條件下降雨試驗(yàn)結(jié)果分析得出,隨著坡長的增加侵蝕產(chǎn)沙量明顯增加,15°坡度下4m坡長小區(qū)侵蝕產(chǎn)沙量比2m坡長小區(qū)增加了78.1%,在20°坡度時(shí),盡管4m小區(qū)侵蝕產(chǎn)沙還是大于2m坡長小區(qū),比2m坡長小區(qū)增加了4.8%,但兩個(gè)坡長小區(qū)侵蝕產(chǎn)沙量已經(jīng)十分接近。在其他條件一致情況下,經(jīng)過平均處理后4m坡長小區(qū)產(chǎn)沙總量大致為2m小區(qū)的1.3倍。綜合本次試驗(yàn)結(jié)果,坡長增加導(dǎo)致的侵蝕量增加存在較大的波動性,但坡長增加后有一明顯趨勢是增大了小區(qū)土壤流失量,同時(shí)隨著坡長的增加,土壤侵蝕增量逐漸減小,直至達(dá)到臨界坡長后產(chǎn)生徑流退化現(xiàn)象。紫色土丘陵區(qū)坡長作用產(chǎn)生的侵蝕特征與不同坡長下產(chǎn)匯流機(jī)制不同有關(guān),即短坡長坡面形成的片流與長坡長坡面形成的股流產(chǎn)生的侵蝕作用效果不同。2.3.2基于不同坡度與流失量間關(guān)系的試驗(yàn)設(shè)計(jì)坡面侵蝕的動力主要來自降雨及其產(chǎn)生的徑流,徑流能量大小取決于水流速度及徑流量大小,而地表坡度越大,產(chǎn)生的水流速也更大,此時(shí)相同坡長下水流用較短的時(shí)間就能流出某一坡面;同時(shí),在土壤入滲率相同情況下,入滲時(shí)間越短入滲量就較小,地表徑流量增加。坡度增加使地表徑流在流速和流量上都得到了加大,侵蝕作用加強(qiáng)。坡度作用下土壤侵蝕機(jī)制的研究主要集中在侵蝕產(chǎn)沙的坡度臨界值、坡度與侵蝕產(chǎn)沙量的關(guān)系方面。本試驗(yàn)設(shè)置10°,15°,20°和25°四個(gè)人工模擬降雨坡度小區(qū)來研究重慶市三峽庫區(qū)不同坡度紫色土坡耕地產(chǎn)沙特征(表3),點(diǎn)繪坡度與流失量關(guān)系(圖2),經(jīng)回歸分析后得到不同坡長下坡度θ(°)與流失量A(g)間的二次關(guān)系為:坡長為2m時(shí):A=-6.9657θ2+310.55θ-2274.5(R2=0.975)(2)坡長為4m時(shí):A=-17.965θ2+715.09θ-6243(R2=1)(3)該結(jié)果與國內(nèi)研究人員得到的坡度與流失量成二次方關(guān)系類似。坡度增大,土壤侵蝕量一般也增大,但是當(dāng)坡度增加到一定值后侵蝕量不再增大,此時(shí)隨著坡度的增大,侵蝕量反而減小。鄭良勇等試驗(yàn)得出的臨界坡度值在21°~24°之間,坡面徑流平均含沙率隨坡度的增加呈拋物線形式變化。王占禮等研究得出不同雨強(qiáng)下,坡度對土壤侵蝕的影響相近,且可用拋物線相關(guān)方程進(jìn)行描述,侵蝕臨界坡度在25°~30°之間。李鵬等研究表明坡面徑流平均含沙率隨流量的增加波動幅度加強(qiáng),隨坡度的增加而呈拋物線形式變化,臨界坡度值出現(xiàn)在21°~24°之間。由圖2可看出,從小坡度試驗(yàn)開始,隨著坡度增大侵蝕量也進(jìn)一步有明顯的增大,當(dāng)坡度增大到22°左右時(shí),隨著坡度增加,小區(qū)流失量開始減少,即紫色土坡耕地土壤侵蝕的臨界值應(yīng)該在22°左右,該結(jié)論與鄭良勇、李鵬等的研究接近。2.4侵蝕產(chǎn)沙動力學(xué)機(jī)制不考慮人工模擬降雨小區(qū)產(chǎn)流和產(chǎn)沙的隨機(jī)波動性,根據(jù)徑流含沙量與侵蝕產(chǎn)沙量、產(chǎn)流量間的關(guān)系,并結(jié)合上文本研究試驗(yàn)分析得到的4m和2m坡長對應(yīng)產(chǎn)流、產(chǎn)沙關(guān)系,可得如下推導(dǎo)關(guān)系:式中:W4,W2———分別表示4m和2m坡長時(shí)的產(chǎn)流量;A4,A2———分別表示4m和2m坡長時(shí)的侵蝕產(chǎn)沙量;ρ4,ρ2———分別表示4m和2m坡長時(shí)的徑流輸沙率。上述推導(dǎo)表明4m和2m坡長下平均徑流輸沙率間存在一定的定量關(guān)系,即4m坡長時(shí)徑流輸沙率為2m坡長的0.48倍;由于上述推導(dǎo)是在不考慮侵蝕產(chǎn)沙存在波動性條件得出的平均定量關(guān)系,在實(shí)際試驗(yàn)過程中也會存在一定的波動性,但可以預(yù)測,在滿足上面坡長條件下,4m坡長小區(qū)徑流輸沙率會在以0.48ρ2為平均值的范圍內(nèi)波動。侵蝕產(chǎn)沙動力學(xué)機(jī)制是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)過程,受到降雨、地形、土壤、植被、人類活動等諸多要素的綜合制約。上述推導(dǎo)與分析是在相同降雨、坡度和地表裸露條件下對4m和2m坡長小區(qū)地形因子作用侵蝕動力學(xué)機(jī)制的初步探討,該探討為地形因子作用侵蝕模型化研究,特別是為侵蝕過程徑流輸沙率和產(chǎn)沙量預(yù)測提供參數(shù)支持。3產(chǎn)沙量與坡度及侵蝕的性質(zhì)應(yīng)綜合確定,其符合以下情況(1)徑流輸沙率過程與雨強(qiáng)變化表現(xiàn)為具有一定相關(guān)性和一致性的動態(tài)響應(yīng)過程;隨著坡長增加,產(chǎn)流量增加很快,4m坡長的產(chǎn)流量約為2m坡長的2.7倍;在20.6°坡度以下時(shí),坡耕地小區(qū)產(chǎn)流量以接近直線關(guān)系增長,在20.6°時(shí)產(chǎn)流量增加到最大,之后隨著坡度的增加產(chǎn)流量反而減小,在0~25°的坡度