徑流條件下坡耕地侵蝕規(guī)律的研究

孫雪彤等

摘要：為確定徑流條件下坡耕地的侵蝕規(guī)律，采用不同流量對(duì)10°及15°坡的坡耕地進(jìn)行徑流沖刷試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：坡面土壤的產(chǎn)流量、產(chǎn)沙量隨流量、坡度的增大而增加，但增加幅度不同，流量及坡度越小，坡面的減流減沙效應(yīng)越顯著；相同流量、相同坡度下，產(chǎn)流量呈先增加后趨于平穩(wěn)的趨勢(shì)，產(chǎn)沙量呈先增加后減少最后趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：徑流沖刷；產(chǎn)沙量；產(chǎn)流量

中圖分類號(hào)：S151+.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-1161（2015）01-0033-04

2005年遼寧省第四次的土壤侵蝕遙感普查結(jié)果顯示，全省土壤侵蝕面積422.95萬(wàn)hm2，占全省土地總面積的28.9%。其中，水力侵蝕面積40 409.1 km2，占侵蝕總面積的87.2%。坡耕地作為我國(guó)主要的農(nóng)業(yè)資源，是水土流失的多發(fā)部位，因此很多學(xué)者對(duì)坡耕地的水土流失進(jìn)行了大量研究。相關(guān)研究大多人工模擬坡面，采用沖刷試驗(yàn)探討土壤侵蝕的產(chǎn)流產(chǎn)沙機(jī)理，操作簡(jiǎn)便易行但與天然坡差距較大，導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果存在一定偏差。為此，在接近天然坡耕地的室外小區(qū)進(jìn)行沖刷試驗(yàn)，探討遼寧地區(qū)坡耕地坡面的產(chǎn)流產(chǎn)沙效應(yīng)，旨在為今后該領(lǐng)域的研究工作提供借鑒。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)基地，地處遼寧省沈陽(yáng)市東陵區(qū)，位于北緯41°44′、東經(jīng)123°27′，海拔44.7 m。受季風(fēng)影響的半濕潤(rùn)溫帶大陸性氣候，四季分明、日照充足、降雨集中。年平均氣溫80.0 ℃，最熱時(shí)平均氣溫達(dá)到24.6 ℃，最冷時(shí)平均氣溫為-11.8 ℃。無(wú)霜期150 d。年平均降水量為722 mm，降水量最多的集中在7月，平均降水量183 mm，最少的集中在1月，平均降水量7 mm。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)時(shí)間設(shè)在汛期到達(dá)之前的4月份，以避免降雨對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響。試驗(yàn)小區(qū)為水平投影長(zhǎng)8 m、寬1 m的坡耕地，分別設(shè)4個(gè)10°坡和4個(gè)15°坡，各坡之間有隔離帶劃分，長(zhǎng)年的翻耕與種植使其趨于天然坡耕地。各個(gè)坡面底端均設(shè)有簸箕型集水槽，便于試驗(yàn)接樣。

試驗(yàn)用土為遼寧地區(qū)常見的棕壤土。由于原土的土塊比較大，且含有大量枯枝落葉、石塊等雜質(zhì)，因此用5 mm×5 mm的篩子去除雜質(zhì)，使土壤中的顆粒比重相似。然后，采用分層稱重法將各坡面的土壤容重控制在1.2 g/cm3。最后，對(duì)土壤進(jìn)行翻耕處理，形成橫壟，用來(lái)模擬坡耕地翻耕后的狀況，并使用大噴壺將小區(qū)表層土壤（≤20 cm）潤(rùn)濕至飽和，以消除各坡前期含水量的差異。

在已有條件下，自制一個(gè)放水沖刷裝置（包括水箱、穩(wěn)流槽、急流槽等），并確保出水流量穩(wěn)定均勻。另外，在放水口處安裝水表，以準(zhǔn)確調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)流量。徑流沖刷前，潤(rùn)濕各坡面土壤并靜置12 h。保證各坡面初始含水率相同后，分別用3，6，9，12 L/min的流量沖刷各坡面，待坡面徑流產(chǎn)生時(shí)，每隔1 min接一次樣，試驗(yàn)時(shí)間為30 min。其中，流量設(shè)定根據(jù)文獻(xiàn)及遼寧地區(qū)降雨特點(diǎn)確定。

試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)均采用Excel 2003軟件進(jìn)行分析處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 流量對(duì)坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響

分析不同流量沖刷各坡所得的產(chǎn)流量和產(chǎn)沙量，得到坡耕地產(chǎn)流量的變化（圖1和圖2）和產(chǎn)沙量的變化（圖3和圖4）規(guī)律。

通過(guò)圖1和圖2可以看出：在相同坡度的條件下，流量越大，坡面產(chǎn)流量越多，且均為開始時(shí)簡(jiǎn)短而急促地增加，然后平穩(wěn)變化；無(wú)論增加還是平穩(wěn)變化，坡面產(chǎn)流量均會(huì)出現(xiàn)小范圍波動(dòng)。分析其原因，可能是沖刷過(guò)程使坡面土壤不斷被破壞并形成溝蝕，水和沙的混合物對(duì)侵蝕溝的不斷沖擊導(dǎo)致坡面形態(tài)發(fā)生變化，最終導(dǎo)致流量不平穩(wěn)。

由圖3和圖4可以看出：流量為9 L/min和12 L/min時(shí)，產(chǎn)沙的變化規(guī)律較明顯，表現(xiàn)為流量越大坡面產(chǎn)沙量越大，且在增加到一個(gè)波峰后逐漸減小，最后趨于平穩(wěn)；而在3 L/min和6 L/min的流量條件下，產(chǎn)沙量的變化不明顯，故將10°坡在流量3 L/min、6 L/min沖刷下的產(chǎn)沙量數(shù)據(jù)單獨(dú)用Excel表格處理，結(jié)果見圖5。

從圖5可以看出：產(chǎn)沙量不斷增加后，波動(dòng)范圍在20～60 g和60～180 g之間，與9 L/min、12 L/min沖刷下的變化相同，仍屬于穩(wěn)定變化，僅產(chǎn)沙量較小。究其原因，可能是沖刷流量較小使得產(chǎn)流量少，水對(duì)土壤的剝蝕能力弱，只能引起表層土的微弱變化。

2.2 坡度對(duì)坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響

相同流量沖刷下，10°和15°坡產(chǎn)流產(chǎn)沙規(guī)律分別見圖6—13。

由圖6—9可以明顯看出，排除個(gè)別點(diǎn)的奇異值，在相同流量不同坡度的條件下，15°坡均比10°坡的產(chǎn)流量大。

由圖10-13可知，在相同流量下不同坡度坡面的產(chǎn)沙，雖然偶爾會(huì)有10°坡比15°度坡產(chǎn)流產(chǎn)沙量多的情況，但由于土壤侵蝕過(guò)程復(fù)雜，加上各壟稍有差距，因此不影響15°坡比10°坡產(chǎn)流產(chǎn)沙量大的整體趨勢(shì)。

不同流量沖刷條件下，10°坡和15°坡的產(chǎn)流產(chǎn)沙量效益見表1。

從表1中可以看出：15°坡的減流數(shù)值均小于10°坡，且15°坡的減流數(shù)值也均小于10°坡，故可得出隨著坡度減小坡面減沙減流效益顯著的結(jié)論；當(dāng)流量為3 L/min和6 L/min時(shí)，10°坡面的減沙效益均達(dá)95%以上，比15°坡面的減沙效益顯著，說(shuō)明營(yíng)造山區(qū)梯田、魚鱗坑及水平階地可以有效減少水土流失。

3 結(jié)論

1） 徑流沖刷在橫壟耕作的坡耕地條件下，坡面的產(chǎn)流量規(guī)律是先增加后平穩(wěn)；產(chǎn)沙量規(guī)律是由先增加后減少，最后趨于穩(wěn)定。

2） 用不同流量沖刷相同坡度時(shí)，坡面的產(chǎn)流產(chǎn)沙量隨著流量的增加而增加，且流量越小，對(duì)坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響越小。

3） 用相同流量沖刷不同坡度時(shí)，15°坡的產(chǎn)流產(chǎn)沙量均大于10°坡，且坡度越小，坡面的減流減沙效應(yīng)越明顯，即10°坡比15°坡的減流減沙效應(yīng)更顯著。

4） 試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，流量設(shè)定在3 L/min和6 L/min時(shí)，無(wú)論是10°坡還是15°坡，沖刷對(duì)坡耕地土壤的產(chǎn)流產(chǎn)沙效應(yīng)均不顯著，故東北地區(qū)強(qiáng)度較小的降雨對(duì)大部分含有棕壤土且坡度較低的坡耕危害性極小。

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Abstract：In order to explore the erosion regularity of downhill farmland in the condition of runoff， it took different flow rate for 10 ° and 15 ° slope of cropland for runoff scouring experiment， to analyze the amount of runoff and sediment from each slope， the conclusion shows： Slope soil runoff and sediment yield were increased with the flow and slope， but the increments are different. Smaller flow and slope reduced the runoff and sediment of the slope more obvious. Under the same flow and slope， runoff， as time changes， was increased first， then leveled off， and the sediment yield was increased first， reduced later， then leveled off in the end.

Key words： runoff scouring； sediment yield； runoff yield