不同立地條件下坡面水土流失的差異性試驗研究*

楊春霞,姚文藝,肖培青,王玲玲,申震洲

(黃河水利科學研究院水利部黃河泥沙重點實驗室,鄭州450003)

人類活動對坡面水土流失的影響有正反兩個方面的作用,對地表植被破壞性的如開發(fā)建設活動、毀林開荒和超載過牧等對坡面具有破壞性的影響[1-4],而良好的農(nóng)作物和植被覆蓋則對坡面水土流失有明顯的抑制作用[5-7]。根據(jù)對陜西省延安縣大砭溝營造的5～6 a生的刺槐、榆樹混交林的測定,其林地較自然荒坡減少徑流61.7%～79.6%,減少泥沙流失量83.1%～89.5%。20°的苜蓿坡地較 2°坡耕地減少徑流88.4%,減少泥沙流失量97.4%[8]。植被覆蓋和農(nóng)作物覆蓋對水土保持有積極作用,但在植被建設初期和坡地耕作過程中遇降雨則可能產(chǎn)生嚴重的水土流失。本文結(jié)合人工降雨試驗的觀測和數(shù)據(jù)分析,發(fā)現(xiàn)了這一明顯現(xiàn)象。

本文所指的灌木是剛栽植2周的20°坡面小區(qū),所指的草地指撒播生長2個月的紫花苜蓿草地,所指裸地指拍實的裸坡,農(nóng)地指近地表30 cm較松的坡地。

1 試驗簡介

1.1 模擬系統(tǒng)

試驗各條件均由人工模擬組成,包括坡面、植被和降雨系統(tǒng)等。

坡面土槽采用鋼板焊制而成,模擬坡度為20°,坡面長×寬×深分別為3 m×5 m×0.8 m,用PVC板平均隔成3個小區(qū),小區(qū)尺寸為1 m×5 m,鋼槽內(nèi)分層填土,土料為鄭州邙山邊坡表層黃土,填土厚度大于0.6 m。鋼板底部鉆有滲水孔并鋪墊約2 cm厚粗顆粒大沙,以降低底部邊界條件的影響。

降雨系統(tǒng)采用中國科學院水利部水土保持研究所研制的便攜式側(cè)噴降雨器,試驗模擬坡面為裸坡、翻松的農(nóng)地、苜蓿草地和新栽植的灌木林地,各坡面基本情況見表1。

表1 模擬坡面立地條件基本情況

1.2 觀測及數(shù)據(jù)處理方法

試驗前先灑水,消除坡面含水量差異,從坡面開始產(chǎn)流時計時,降雨歷時為60 min,試驗過程中每隔2 min接一次泥沙樣,通過比重法計算產(chǎn)沙量,具體換算方法見下式:

式中:W總——徑流泥沙樣總重(g);V總——徑流泥沙樣總體積(ml)——泥沙重(g)——泥沙體積(ml)。

試驗過程中記錄坡面侵蝕發(fā)育過程,并用數(shù)碼相機或錄像獲取試驗過程影像資料,試驗結(jié)束后分斷面兩側(cè)侵蝕形態(tài)并拍照。結(jié)合坡面侵蝕溝觀測數(shù)據(jù)和數(shù)碼照片,并運用CAD進行坡面侵蝕形態(tài)輔助分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 立地條件對坡面水土流失的影響

在坡度一定(20°)、降雨強度和歷時一定(90 mm/h、歷時1 h)的情況下其坡面產(chǎn)沙總量、徑流量各地類坡面有明顯差異,見圖1和表2。從圖1和表2可知:

(1)在4種地類中,草地的產(chǎn)沙量徑流量最少,且隨著覆蓋度的增加,徑流量和產(chǎn)沙量明顯減少,這一現(xiàn)象說明草地的減水減沙作用高于裸地、農(nóng)地和新栽植的灌木林地,且其減水減沙作用隨覆蓋度的增加而增強。

(2)灌木林地通過栽植小葉女貞進行模擬,栽植時存在窩根現(xiàn)象,灌幅基本沒有修剪,栽植2周后開始降雨試驗,由試驗觀測和數(shù)據(jù)分析可見,新栽植的灌木林地不但起不到控制水土流失的作用,反而加劇了水土流失,且覆蓋度大的坡面其水土流失越嚴重。結(jié)合觀測情況,坡面水土流失多始發(fā)于灌木根部,而高覆蓋坡面是通過密植實現(xiàn)的,在栽植過程中其坡面擾動更嚴重一些,同時灌幅的攔截作用,使降雨順灌木枝干形成集中的干流,導致對坡面相對松散的根部行成集中的沖刷,在根部尚未起到固土作用的情況下,極易造成水土流失和灌木倒伏。

(3)以 90 mm/h雨強為例,覆蓋度分別為20%、40%、60%、80%草地(C20,C40,C60,C80)的草地較裸地減少產(chǎn)沙量97.24%～99.63%、減少徑流量62.04%～80.46%。農(nóng)地較裸地減少產(chǎn)沙量13.78%、減少徑流量7.99%;新栽植的灌木林地40%(灌木C40)的覆蓋度比 80%的覆蓋度(灌木C80)減水減沙效益要好,其中40%灌木比裸地減少產(chǎn)沙量5.34%、減少徑流量1.65%,80%的灌木地比裸地增加產(chǎn)沙14.33%、增加徑流6.49%。

圖1 不同立地條件下坡面產(chǎn)沙、徑流總量比較(雨強90 mm/h)

對于裸坡和農(nóng)地,在雨強為90 mm/h時,裸地產(chǎn)沙量和徑流量均大于農(nóng)地,結(jié)合雨強為45 mm/h、130 mm/h雨強下的試驗觀測結(jié)果,原因可能是雨強較小(包括90 mm/h的雨強時),農(nóng)地較裸地降雨入滲性較好,從而導致徑流和產(chǎn)沙較少的原因,此不作為本論文重點。

表2 坡面徑流泥沙增減情況比較(雨強為90 mm/h)

2.2 立地條件對坡面侵蝕發(fā)展的影響

根據(jù)對試驗過程中坡面侵蝕過程監(jiān)測,在模擬的4種立地條件下,農(nóng)地坡面產(chǎn)生跌坎和細溝時間最早,且在試驗開始后的1 625 s達到全坡面貫通;裸地產(chǎn)生跌坎和細溝的時間第二,坡面侵蝕溝最長發(fā)育到4.5 m;第三為灌木林地,坡面侵蝕溝基本貫通,長達4.9 m,且侵蝕溝寬而深,坡面新栽植的小葉女貞灌木根部裸露,90%出現(xiàn)倒伏,這些不僅與其新栽植起不到水土保持作用有關,也與不科學的栽植行為有關,如栽植時出現(xiàn)窩根,新栽植時沒有剪枝等,導致降雨時因“頭重腳輕”而加劇坡面土壤侵蝕現(xiàn)象;坡面產(chǎn)生跌坎和細溝最晚的是草地,近試驗降雨中期才出現(xiàn)跌坎和細溝,且坡面沒有出現(xiàn)全斷面貫通的現(xiàn)象,僅在坡面下部斷面局部出現(xiàn)跌坎和較短的細溝,說明生長了2個月的紫花苜蓿草地的水土保持作用比較突出。

各立地條件下坡面侵蝕形態(tài)對比見表3和圖2。

表3 坡面侵蝕溝監(jiān)測情況比較(雨強為90 mm/h)

圖2 不同立地條件下坡面侵蝕形態(tài)示意圖

(2)良好的植被對坡面水土流失有明顯的抑制作用,而在植被建設初期,遇降雨容易造成水土流失,如若栽植不科學的話,其加劇水土流失的副作用更明顯,因此無論是耕作活動或是植被建設,做好人為破壞初期的防護十分關鍵。

3 結(jié)論

(1)不同立地條件在90 mm/h雨強條件下,坡面徑流量和侵蝕產(chǎn)沙量存在明顯差異,正常情況下,草地的減水減沙作用最明顯,與裸地相比,減少產(chǎn)沙量97.24%～99.63%、減少徑流量62.04%～80.46%;剛栽植的灌木林地沒有水土保持作用,受栽植活動擾動影響,反而加劇了坡面水土流失,且覆蓋度較大者對坡面擾動越厲害,其水土流失表現(xiàn)越明顯。

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