不同土地利用類型土壤物理性質(zhì)及水土保持效益

作者簡介：郭玲梅（1987—），女，云南宣威人,西南林業(yè)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院碩士研究生。

On Characteristics of Rainfall and Runoffof Quanfuzhuang Watershed

Inwater Source Area of Yuanyang Terrace

Li Yan1,Peng Yonggang2,Zhu Xingyao2

（1.Environmental Science and Engineering Academy of Southwest Forestry University,

Kunming 650224,China;2.Honghe Prefecture Water Conservancy Bureau of Yunnan

Province,Mengzi 661000,China）

Abstract:Through the experiment of located observation on Quanfuzhuang watershed in Yuanyang Terrace,this article collects the rainfall data and the runoff data of many years,uses statistical estimation,and analyzes the characteristics of the precipitation and the runoff of this area.The results show that the distribution of annual precipitation in Quanfuzhuang watershed is variable,rainfall is mainly produced from May to September,and most of them are light rain,59.12% of the total number of rainfall;the runoff depth of the study area is 1429.58mm,the distribution of annual runoff is not obvious,and it is perennial draingage throughout the year in this watershed;the rainfall is the main factor for generating runoff but not the only one.Based on the comparison of rainfall and runoff inwatershed,the forest vegetation of Quanfuzhuang watershed has good regulating function on runoff.

Key words:terrace;small watershed;rainfall;runoff城區(qū)東南部,距玉溪市中心城區(qū)10km,東與江川縣九溪鎮(zhèn)相連,西蒞臨玉溪壩子,流域南發(fā)源于紅塔區(qū)高倉鎮(zhèn)龍樹村,由南向北直接匯入東風(fēng)水庫,屬東風(fēng)水庫三大徑流區(qū)之一,是玉溪市重要供水水源地東風(fēng)水庫徑流區(qū)。該區(qū)地理位置為E102°34′5.7″,N24°17′15.3″,海拔1675~2100m。流域總面積18.629km2,主溝道長度為15.5km。

二龍?zhí)缎×饔驅(qū)俦眮啛釒О霛駶櫪涠咴撅L(fēng)氣候,地貌屬波狀起伏線切割中山區(qū),多年平均降雨量909.1mm,雨季為5月下旬至10月下旬,降雨量占全年總降水量的85%。最大年降雨量1413.7mm,最小年降雨量591.5mm,多年平均暴雨天數(shù)為15d/年,年均蒸發(fā)量為1624.9mm。流域土壤主要是紅壤,有少量黃紅壤、紫沙土分布。流域內(nèi)植被覆蓋率為63.71%,樹種以云南松分布最為廣泛,農(nóng)作物以種植烤煙和玉米為主。

2.1徑流小區(qū)和雨量計(jì)的布設(shè)

根據(jù)小流域地形條件,選擇荒草地和經(jīng)果林地2種不同土地利用類型,在小流域典型地段布設(shè)了水平投影面積為5m×20m的標(biāo)準(zhǔn)徑流小區(qū),觀測(cè)地表徑流和土壤侵蝕量。在2個(gè)小區(qū)的附近布設(shè)了一個(gè)重慶水文儀器廠制造的JDZ-1型數(shù)字自記雨量計(jì)測(cè)定每場(chǎng)降雨的降雨量、降雨歷時(shí)?；牟莸睾徒?jīng)果林徑流小區(qū)區(qū)域特征見表1。

表1荒草地和經(jīng)果林徑流小區(qū)區(qū)域特征

小區(qū)海拔/m坡向坡位坡度/(°)土壤類型主要植物種植被蓋度/%土壤pH值經(jīng)果林1847東西向坡中下部15紅壤藍(lán)莓30~405.41荒草地1886東西向坡中下部15紅壤扭黃茅、鬼針草等0~1004.92

2.2取樣與測(cè)定方法

降雨過程使用數(shù)字自記雨量計(jì)測(cè)定并計(jì)算每次的降雨量和降雨強(qiáng)度。徑流泥沙的測(cè)定基于標(biāo)準(zhǔn)徑流小區(qū),每次降雨產(chǎn)流后測(cè)量2個(gè)徑流場(chǎng)的徑流量和泥沙量。徑流量在集流桶中用體積法求得,徑流泥沙觀測(cè)在每次產(chǎn)流后進(jìn)行取樣。取樣方法是把集流桶中的水充分?jǐn)嚢杈鶆?取泥沙和水的混合樣于3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)取樣容器,再利用置換法求泥沙含量［7］。

荒草地和經(jīng)果林地徑流小區(qū)(0~20cm、20~40cm、40~60cm)的三個(gè)層次的土壤容重采用環(huán)刀法測(cè)定;土壤含水量用烘箱法測(cè)定;用圭爾夫滲透儀測(cè)定土壤導(dǎo)水率以及雙環(huán)入滲法測(cè)定土壤入滲率。

相關(guān)計(jì)算及數(shù)據(jù)分析:本研究采用Excel 2003數(shù)據(jù)處理系統(tǒng),進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和圖表處理。

3研究結(jié)果與分析

3.1降雨特征

2013年二龍?zhí)缎×饔蚬灿?1場(chǎng)降雨,降雨量共計(jì)7889mm,其中月降雨量最大的月份是6月,降雨量為1512mm,日降雨量最大的是6月2日,降雨量為618mm,降雨歷時(shí)8h9min,降雨強(qiáng)度為77mm/h。每月降雨量見表2。從表2中可以看出,降雨主要集中在5~10月,這6個(gè)月的降雨量分別占了的89%,旱季僅占11%。由于年內(nèi)降雨量分配不均,夏季降雨過分集中易形成大雨或暴雨,導(dǎo)致容易產(chǎn)生大的地表徑流并沖刷地表,造成水土的流失［8］。

表2試驗(yàn)區(qū)2013年降雨特征

月份1月2月3月4月5月6月7月8月9月10月11月12月降雨量/mm24.6020.819.3135.0151.261.2148.476.6112.216.423.2

3.2土地利用對(duì)土壤含水量和容重的影響

土壤含水量是土壤中所含水分的數(shù)量,一般是指土壤絕對(duì)含水量,即100g烘干土中含有若干克水分,也稱土壤含水率,它是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中一個(gè)重要的參數(shù)。由荒草地和經(jīng)果林地土壤含水量、容重表(表3)可知:荒草地土壤含水量,坡的上部、中部、下部從0~20cm、20~40cm到40~60cm逐漸增加;荒草地表層(0~20cm)的平均土壤含水量為1694%,中等深度(20~40cm)的平均土壤含水量為1997%,深層(40~60cm)的平均土壤含水量為2237%;表層土壤含水量最低,分別比中等深度、深層低1517%、2427%。而經(jīng)果林的土壤水量也表現(xiàn)出隨著土層深度的增加土壤含水量逐漸增加;其土壤表層(0~20cm)的平均土壤含水量為1568%,中等厚度(20~40cm)的平均土壤含水量為1851%,深層(40~60cm)的平均土壤含水量為1893%;深層土壤含水量最高,分別比表層和中等厚度高出2073%,227%。而荒草地的土壤含水量均高于經(jīng)果林地的土壤含水量。

土壤容重是指土壤在未破壞自然結(jié)構(gòu)的情況下,單位原狀土壤體積內(nèi)干土的重量。它是土壤的一個(gè)最基本的物理性質(zhì),對(duì)土壤的透氣性、入滲性能、持水能力、植物生長、溶質(zhì)遷移特征以及土壤的侵蝕能力有較大的影響。荒草地上部的土壤容重隨土層深度的增加而逐漸增大,是因?yàn)樯喜康耐寥篮苌偈苋僳`踏出現(xiàn)板結(jié)現(xiàn)象,所以坡上部表層土的容重低于深層土;而在荒草地的中部和下部,0~20cm、20~40cm到40~60cm土壤容重的變化情況為:先減小后增加;0~20cm＞40~60cm＞20~40cm。主要是因?yàn)槭苋藶楦蓴_較嚴(yán)重,人畜踐踏頻繁,從而使表層土壤板結(jié),最終就使得表層土壤容重較大。而經(jīng)果林土壤各層次容重的變化情況也大致和荒草地一致:先減小后增加;0~20cm＞40~60cm＞20~40cm。而總體上,荒草地各層次土壤的容重均低于經(jīng)果林。

表3荒草地和經(jīng)果林土壤含水量、容重

土地類型取樣點(diǎn)取樣深度/cm土壤含水量/%土壤容重/(g/cm3)荒草地坡上0~2016.450.89坡上20~4019.141.02坡上40~6021.961.17坡中0~2017.281.11坡中20~4020.180.97坡中40~6022.481.03坡下0~2017.081.11坡下20~4020.600.87坡下40~6022.681.06經(jīng)果林坡上0~2015.671.10坡上20~4020.160.87坡上40~6019.481.01坡中0~2015.481.34坡中20~4017.701.27坡中40~6018.881.33坡下0~2015.881.33坡下20~4017.681.41坡下40~6018.441.33

3.3土地利用對(duì)土壤入滲和滲透性能的影響

土壤水分入滲是指水分進(jìn)入土壤形成土壤水的過程,它是降雨、地面水、土壤水和地下水相互轉(zhuǎn)化的一個(gè)重要環(huán)節(jié)［9,10］。土壤入滲特性是評(píng)價(jià)土壤涵養(yǎng)水源和抗侵蝕能力的重要指標(biāo),也是模擬坡面水文及土壤侵蝕過程的基本輸入變量?；牟莸睾徒?jīng)果林地的土壤入滲狀況(圖1、圖2),可知:荒草地和經(jīng)果林地的初始入滲率都相差不大,分別為:9cm/min,8cm/min,但最后到達(dá)穩(wěn)定入滲時(shí)的導(dǎo)水率均小于1cm/min,并且經(jīng)果林和荒草地到達(dá)穩(wěn)定入滲所需的時(shí)間也不相等,所需時(shí)間分別為1h,2h左右。因?yàn)榻?jīng)果林土質(zhì)疏松,能吸收大量的水,從而使降雨徑流量減少,這也是經(jīng)果林產(chǎn)流產(chǎn)沙一般都較少的原因之一。而荒草地因人畜踐踏嚴(yán)重,使土壤板結(jié),從而使產(chǎn)流產(chǎn)沙量大,水土流失嚴(yán)重。

圖1荒草地土壤入滲圖

3.4不同土地利用對(duì)產(chǎn)流量和產(chǎn)沙量的影響

通過對(duì)二龍?zhí)缎×饔蚧牟莸睾徒?jīng)果林地2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)徑流小區(qū)2013年5月1日~10月31日的降雨產(chǎn)流進(jìn)行觀測(cè),統(tǒng)計(jì)產(chǎn)流降雨共16場(chǎng),降雨產(chǎn)流特征值和產(chǎn)沙特征值見表4。

觀測(cè)結(jié)果顯示,降雨產(chǎn)流次數(shù)為16次,其中荒草地產(chǎn)流15次,而經(jīng)果林地產(chǎn)流14次,比荒草地少1次。當(dāng)降雨量較大,為618mm時(shí),荒草地具有較大的徑流量為950000m3/km2,而經(jīng)果林徑流量較小,為260000m3/km2;此時(shí),荒草地的徑流量是經(jīng)果林的365倍;而荒草地的土壤侵蝕量為3794t/km2,經(jīng)果林的土壤侵蝕量為138t/km2,荒草地土壤侵蝕量是經(jīng)果林的2749倍。當(dāng)降雨量較少,為120mm時(shí),荒草地徑流量,為30000m3/km2,土壤侵蝕量為067t/km2,而經(jīng)果林并沒有產(chǎn)流。其他5月23日,6月9日,7月16日,7月27日,8月4日,8月10日,8月16日,8月25日,10月6日,10月19日,共計(jì)10次降雨產(chǎn)流均表現(xiàn)為:荒草地的徑流量均大于經(jīng)果林。其中5月23日,6月9日,7月16日,10月6日,10月19日5次降雨產(chǎn)流均表現(xiàn)為:荒草地的徑流量和土壤侵蝕量均大于經(jīng)果林。從總量看,荒草地徑流總量是1880000m3/km2,經(jīng)果林徑流總量為810000m3/km2,荒草地徑流總量比經(jīng)果林的徑流總量多132%;荒草地的土壤侵蝕總量為6592t/km2,經(jīng)果林的土壤侵蝕總量為1198t/km2,荒草地的土壤侵蝕總量是經(jīng)果林的55倍。

2014年5月綠色科技第5期圖2經(jīng)果林土壤入滲圖

從荒草地和經(jīng)果林的小區(qū)產(chǎn)流產(chǎn)沙觀測(cè)結(jié)果可知:荒草地的產(chǎn)流產(chǎn)沙量較大,水土流失較嚴(yán)重;而經(jīng)果林產(chǎn)流產(chǎn)沙都相對(duì)少許多,蓄水保土效果明顯。不同土地利用方式因植被種類不同,導(dǎo)致水土流失狀況也不同,植被對(duì)地表徑流及土壤侵蝕的影響是由林冠層、枯枝落葉層和土壤層的綜合效能決定的。林木的林冠對(duì)降雨有良好的阻隔作用,林冠截留降水,地面覆蓋枯枝落葉或草被,可以降低雨滴動(dòng)能,防止雨滴直接濺蝕土壤,有效降低土壤侵蝕量。雖然荒草地的植被覆蓋程度大于經(jīng)果林地,但經(jīng)果林因種植藍(lán)莓,最終導(dǎo)致經(jīng)果林地產(chǎn)流產(chǎn)沙量較荒草地少,水土保持效果明顯。

4結(jié)果與討論

水土流失受植被覆蓋度、坡度、土地利用類型、土壤結(jié)構(gòu)、水文氣象、土地空間利用、人為干擾等因素的影響［11,12］。由于所選荒草地和經(jīng)果林地坡度、坡位、坡向、海拔、土壤類型等相似,因此土地利用類型成為影響地表徑流和產(chǎn)沙的主要因素。研究表明,不同植被類型對(duì)減流減沙的影響程度不一［13］。本研究對(duì)比了荒草地和經(jīng)果林地,結(jié)果發(fā)現(xiàn),經(jīng)果林減流減沙效果比荒草地好,一方面是因?yàn)榛牟莸匾蛉诵筵`踏嚴(yán)重,使土壤板結(jié),而經(jīng)果林地土質(zhì)疏松,能吸收大量的水,從而減少了地表徑流;另一方面是由于植被種類不同,導(dǎo)致水土流失狀況也不同,植被對(duì)地表徑流及土壤侵蝕的影響是由林冠層、枯枝落葉層和土壤層的綜合效能決定的。林木的林冠對(duì)降雨有良好的阻隔作用,林冠截留降水,可以降低雨滴動(dòng)能,有效降低土壤侵蝕量,最終導(dǎo)致經(jīng)果林地產(chǎn)流產(chǎn)沙量較荒草地少,水土保持效果明顯。

表42013年荒草地和經(jīng)果林的產(chǎn)流產(chǎn)沙特征表

序號(hào)日期降雨量

/mm徑流深/mm產(chǎn)沙量/(t/km2)徑流量/(m3/km2)荒草地經(jīng)果林荒草地經(jīng)果林荒草地經(jīng)果林12013/5/2132.60.300.000.370.00300.000.0022013/5/2352.62.500.701.800.462500.00700.0032013/6/261.89.502.6037.941.389500.002600.0042013/6/912.22.700.5014.191.112700.00500.0052013/6/2112.00.300.000.670.00300.000.0062013/6/2838.00.500.501.251.31500.00500.0072013/7/169.60.200.200.420.18200.00200.0082013/7/277.40.200.300.400.28200.00300.0092013/8/418.60.200.600.670.04200.00600.00102013/8/718.20.300.601.301.82300.00600.00112013/8/1027.20.200.301.400.50200.00300.00122013/8/1624.20.700.602.211.57700.00600.00132013/8/2525.20.200.301.370.81200.00300.00142013/9/428.00.200.300.341.05200.00300.00152013/10/627.40.300.301.060.94300.00300.00162013/10/1912.20.500.300.530.53500.00300.00合計(jì)18.808.1065.9211.9818800.008100.00

(1)荒草地和經(jīng)果林的土壤含水量均隨著土層深度的增加而增加;荒草地的土壤含水量均高于經(jīng)果林地的土壤含水量;荒草地各層次土壤的容重均低于經(jīng)果林,且因受人畜踐踏,荒草地和經(jīng)果林地土壤容重均表現(xiàn)出:0~20cm＞40~60cm＞20~40cm。

(2)荒草地和經(jīng)果林地的初始入滲率都相差不大,分別為:9cm/min,8cm/min,但最后到達(dá)穩(wěn)定入滲時(shí)的導(dǎo)水率均小于1cm/min,并且荒草地和經(jīng)果林地到達(dá)穩(wěn)定入滲所需的時(shí)間也不相等,分別為1h,2h左右。因?yàn)榛牟莸匾蛉诵筵`踏嚴(yán)重,使土壤板結(jié),而經(jīng)果林土質(zhì)疏松,能吸收大量的水,從而使的經(jīng)果林地降雨徑流量減少,這也是經(jīng)果林產(chǎn)流產(chǎn)沙一般較荒草地少的原因之一。

(3)2013年流域內(nèi)徑流小區(qū)降雨產(chǎn)流次數(shù)為16次,其中荒草地產(chǎn)流15次,經(jīng)果林地產(chǎn)流14次。荒草地降雨產(chǎn)流量和土壤侵蝕量均較大,分別為1880000m3/km2,6592t/km2;而經(jīng)果林徑流總量為810000m3/km2,土壤侵蝕總量為1198t/km2,比荒草地徑流總量少5691%,比荒草地土壤侵蝕量少8183%,每平方公里比荒草地的土壤侵蝕量少5394t。因此,經(jīng)果林具有較好的蓄水保土效應(yīng),不僅對(duì)減緩該流域內(nèi)的水土流失狀況具有較顯著的作用,而且能增加農(nóng)戶收入,改善農(nóng)民生活條件。

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東川區(qū)小江河砂治理措施初探