渭北臺(tái)塬區(qū)新增坡耕地土壤侵蝕產(chǎn)沙模擬試驗(yàn)研究

董起廣, 韓霽昌, 張 揚(yáng), 張衛(wèi)華, 高紅貝, 雷 娜

(陜西地建土地工程技術(shù)研究院 國土資源部退化及未利用土地工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 西安 710075)

渭北臺(tái)塬區(qū)新增坡耕地土壤侵蝕產(chǎn)沙模擬試驗(yàn)研究

董起廣, 韓霽昌, 張 揚(yáng), 張衛(wèi)華, 高紅貝, 雷 娜

(陜西地建土地工程技術(shù)研究院 國土資源部退化及未利用土地工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 西安 710075)

[目的] 研究不同放水流量條件下坡面土壤的侵蝕產(chǎn)沙規(guī)律，揭示渭北臺(tái)塬區(qū)新增坡耕地坡度及土壤容重對侵蝕程度的影響，為該區(qū)坡耕地開發(fā)利用提供理論支持和實(shí)踐指導(dǎo)。 [方法] 通過室內(nèi)模擬試驗(yàn)開展研究。 [結(jié)果] 土壤入滲率隨放水流量的增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，且存在明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，并隨容重的增大而減小，徑流量隨容重和放水量的增大而增大；土壤容重越大，產(chǎn)沙量也越大，容重 1.6 g/cm3較1.2 g/cm3，1.4 g/cm3的坡耕地產(chǎn)沙量明顯增大；坡度越大，土壤侵蝕越劇烈，在5°坡時(shí)，產(chǎn)沙量存在臨界值；放水流量越大，產(chǎn)沙量越大，當(dāng)放水量超過6 L/min時(shí)，增加趨勢更加明顯。 [結(jié)論] 渭北臺(tái)塬區(qū)新增坡耕地的易侵蝕程度與土壤容重和坡度密切相關(guān)，為減少侵蝕，應(yīng)控制容重在1.4 g/cm3左右，坡度不宜超過15°。

渭北臺(tái)塬區(qū)； 坡耕地； 土壤侵蝕； 產(chǎn)沙量

隨著中國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和城市化進(jìn)程的加快，耕地資源日趨緊張[1-2]。而坡耕地在中國耕地面積中占有很大比例，是重要的農(nóng)業(yè)資源[3-4]。由于地形條件的限制，坡耕地在耕作過程中面臨著諸多問題，其中，水土流失現(xiàn)象在該類耕地中最為普遍[3,5-6]。近年來，在陜西省渭北臺(tái)塬地區(qū)便有大量新增的坡耕地，由于土體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差，土層厚薄不均勻，自然坡降變化較大，使得土壤表層受到嚴(yán)重侵蝕[7-8]。已有研究[9-12]表明，坡面徑流是造成水土流失的主導(dǎo)因子,同時(shí)坡面徑流的沖刷力是土壤侵蝕的主要?jiǎng)恿?。為此，本研究通過徑流沖刷模擬試驗(yàn)，研究不同放水流量條件下坡面土壤的侵蝕產(chǎn)沙規(guī)律，揭示該地區(qū)新增坡耕地坡度及土壤容重對侵蝕程度的影響，為渭北臺(tái)塬區(qū)坡耕地的開發(fā)利用提供理論支持和實(shí)踐指導(dǎo)。

1 材料與方法

試驗(yàn)在坡度可控的沖刷土槽(1 m×0.5 m×0.3 m)內(nèi)進(jìn)行。為保證坡面水流均勻流下，在坡面上部設(shè)置一坡面穩(wěn)流槽，并通過放水箱閘閥控制流量。試驗(yàn)土壤采用渭北臺(tái)塬地帶的黃綿土。沖刷流量參考當(dāng)?shù)亟邓?、灌溉情況及前人對于降雨侵蝕的研究，結(jié)合沖刷槽的尺寸，設(shè)計(jì)放水流量分別為2，4，6，8和10 L/min，坡度和容重分別設(shè)計(jì)3組，坡度分別為5°,10°,15°，容重分別為1.2，1.4，1.6 g/cm3，每種處理設(shè)置3個(gè)重復(fù)。裝土前，在槽底鋪一層厚度為5 cm、大小均勻的天然沙，以模擬新增耕地耕層土壤的水氣通透狀況。將采集的土壤經(jīng)過1 cm孔徑的篩子，然后根據(jù)其含水量和不同容重要求，計(jì)算裝填土質(zhì)量，稱取所需的填入土量并開始填裝，每種處理均采用分層裝填，各層之間進(jìn)行打毛處理。為了保證每次試驗(yàn)的初始條件基本一致，并消除坡面表面處理的差異性，試驗(yàn)開始前先用撒水器均勻地在試驗(yàn)土表面撒水，撒水量控制在土壤表面達(dá)到充分飽和但又沒有發(fā)生產(chǎn)流的程度。放水結(jié)束后，取徑流泥沙樣采用烘干法測定泥沙量。

2 結(jié)果與分析

2.1 坡面入滲及產(chǎn)流變化特征

根據(jù)水分平衡公式可知，放水量為徑流量、入滲量與蒸發(fā)量之和，由于水分蒸發(fā)量與徑流量和入滲量相比很小，故此處忽略水分蒸發(fā)量，土壤入滲率i可通過下式計(jì)算：

(1)

式中：i——單位時(shí)間單位面積上土壤水分下滲的深度(mm/min)；Q——放水量(m3)；R——徑流量(m3)；S——小區(qū)面積(m2)；t——放水時(shí)間(min)。

圖1—2反映了坡面入滲及產(chǎn)流的變化特征。從圖1—2可以看出，在同一土壤容重下，土壤入滲率隨放水流量的增加呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，且在放水流量為6 L/min時(shí)，入滲率達(dá)到最大，這主要是由于放水強(qiáng)度超過土壤入滲能力后產(chǎn)生超滲產(chǎn)流；由于蒸發(fā)量可以忽略，故除入滲水量外，其余部分水分以產(chǎn)流的形式沿坡面流出，坡面徑流量隨放水流量的增加而增加，容重越大，徑流量越大。在相同放水流量下，土壤容重越大，其入滲率越小，徑流量越大，容重1.2，1.4，1.6 g/cm3時(shí)，所對應(yīng)的平均入滲率分別為1.5，1.2，0.8 mm/min，徑流量分別為3.8，4.3，4.9 L/min，最小容重下土壤入滲率接近最大容重下土壤入滲率的2倍，徑流量比最大容重下減少了22.4%。說明試驗(yàn)土壤的入滲速率受到下墊面條件的影響較大，容重小的土壤，其結(jié)構(gòu)相對松散，孔隙率大，入滲能力較好，產(chǎn)流量也相對較??；容重大的土壤，雖然其土體結(jié)構(gòu)相對密實(shí)和穩(wěn)定，但因孔隙率小，入滲能力差，更易產(chǎn)生坡面徑流。

圖1 試驗(yàn)小區(qū)不同容重土壤入滲率變化

圖2 試驗(yàn)小區(qū)不同容重土壤徑流量變化

2.2 坡度對產(chǎn)沙量的影響

坡度是影響侵蝕產(chǎn)沙的重要因素之一[13]。從表1可以看出，坡度越大產(chǎn)沙量越大，不同坡度間的產(chǎn)沙量有著明顯的差異，這種差異在大容重和大放水量下表現(xiàn)的更加突出。不同容重、放水量下5°,10°,15°坡的產(chǎn)沙量比值在容重1.2 g/cm3，放水量為2 L/min時(shí)最小，為1.0∶1.0∶1.4；在在容重1.6 g/cm3，放水量為10 L/min時(shí)最大，為1.0∶2.5∶4.2；平均產(chǎn)沙量比值為1.0∶1.5∶2.2?？梢姡谛∪葜?、小放水量條件下，坡度對產(chǎn)沙量的影響相對較小，而隨著容重和放水量的增加，坡度的加大導(dǎo)致產(chǎn)沙量明顯增加。而當(dāng)坡度為5°時(shí)，土壤產(chǎn)沙量會(huì)隨放水流量逐漸趨于平穩(wěn)，達(dá)到一個(gè)相對穩(wěn)定值。

表1 不同坡度下各容重土壤的產(chǎn)沙量 g

2.3 容重對產(chǎn)沙量的影響

土壤容重對產(chǎn)沙量的影響詳見表1和圖3。

圖3 不同坡度各容重土壤的泥沙產(chǎn)量

從圖3可以看出，容重越大，流失的泥沙量越大，特別是在放水量和坡度較大時(shí)，其相關(guān)關(guān)系表現(xiàn)的更加明顯。在放水量較小的情況下，1.4 g /cm3容重的5°,10°,15°坡面產(chǎn)沙量與1.2 g/cm3的產(chǎn)沙量相差不大。當(dāng)放水量達(dá)到8 L/min時(shí)，1.6 g/cm3容重的5°，10°，15°坡面較1.4 g/cm3的分別多162.7，228.0和412.6 g。由此可見，容重增大，產(chǎn)沙量增加，容重由1.2 g/cm3增加到1.4 g/cm3時(shí)，泥沙產(chǎn)量僅呈現(xiàn)出微弱的增加；而當(dāng)容重由1.4 g/cm3增加到1.6 g/cm3時(shí)，產(chǎn)沙量增加約2～3倍，坡度、放水量為15°和10 L/min時(shí)，1.6 g/cm3的坡面比1.2，1.4 g/cm3的坡面產(chǎn)沙量增加約5～6倍左右。容重越大，產(chǎn)沙量隨放水流量的增加速度越快，在10°和15°坡面上1.2，1.4 g/cm3產(chǎn)沙量隨放水流量增加為線性，且斜率接近，而1.6 g/cm3時(shí)呈現(xiàn)指數(shù)性增加。容重越大，土壤越緊實(shí)，在表層土壤浸濕后，其水分向下入滲的能力急劇減小，而使得徑流量增加，侵蝕沖刷力增強(qiáng)，從而導(dǎo)致了產(chǎn)沙量增加。

2.4 放水量對產(chǎn)沙量的影響

一般來說，雨強(qiáng)越大，侵蝕產(chǎn)沙量越大[14]，在較大坡度(≥10°)和較大容重(1.6 g/cm3)時(shí),這種規(guī)律更加明顯，從圖4—5可看出，大容重土壤的放水量為6 L/min是產(chǎn)沙量突變的一個(gè)臨界點(diǎn)。當(dāng)放水量從2 L/min增加到4 L/min，4 L/min增加到6 L/min時(shí)，產(chǎn)沙量增加均在100 g以內(nèi)，而當(dāng)放水量從6 L/min增加到8 L/min時(shí)，產(chǎn)沙量增加值在100～260 g之間。

3 討論與結(jié)論

(1) 土壤入滲率大小影響著坡面產(chǎn)流大小，在渭北臺(tái)塬區(qū)新增坡耕地中，由于植物截留作用微弱，且有天然坡度存在，當(dāng)降雨或灌溉強(qiáng)度超過土壤滲入強(qiáng)度時(shí)，便會(huì)發(fā)生產(chǎn)流，造成土壤侵蝕。通過試驗(yàn)?zāi)M得出，土壤入滲率隨容重增大而減小，兩者呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，且入滲率隨放水流量的增大呈現(xiàn)先增大后減小趨勢，變化的臨界值為6 L/min；坡面徑流量與入滲率相反，隨放水流量、土壤容重的增加而增加。

(2) 土壤容重越大，其入滲率減小，徑流量增加，產(chǎn)沙量也會(huì)增大。主要是由于容重越大，孔隙度越小，水分難以向土壤入滲，導(dǎo)致地表徑流量增加，從而引起產(chǎn)沙量增加。但土壤容重太小，土體結(jié)構(gòu)松散，抗侵蝕能力也會(huì)較差，極易發(fā)生沖毀。本試驗(yàn)中，當(dāng)容重為1.6 g/cm3時(shí)，產(chǎn)沙量可達(dá)到1.2 g/cm3的9倍多，而容重為1.4 g/cm3較1.2 g/cm3的產(chǎn)沙量并沒有明顯增加，可認(rèn)為是最佳容重結(jié)構(gòu)。

(3) 土壤侵蝕受坡長、坡度、植被覆蓋等坡面條件影響很大，其中坡度是影響坡面侵蝕的重要因素之一。有研究表明，在坡面產(chǎn)流過程中存在臨界坡度，但對于泥沙產(chǎn)量是否也存在臨界坡度，在本試驗(yàn)設(shè)定的范圍內(nèi)尚未發(fā)現(xiàn)。試驗(yàn)中，泥沙產(chǎn)量隨坡度的增加而增加，15°坡與5°坡產(chǎn)沙量最大比值可達(dá)到4以上，10°坡與5°坡產(chǎn)沙量比值在1～2.6之間。

(4) 放水量一般與泥沙產(chǎn)量之間呈線性關(guān)系或指數(shù)關(guān)系，放水量越大，泥沙產(chǎn)量也越大。但當(dāng)坡度較小時(shí)，存在一個(gè)臨界值，超過6 L/min以后，產(chǎn)沙量趨于穩(wěn)定。

[1] 趙曉麗,張?jiān)鱿?汪瀟,等.中國近30 a耕地變化時(shí)空特征及其主要原因分析[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2014,30(3)：1-11.

[2] 劉洛,徐新良,劉紀(jì)遠(yuǎn),等.1990—2010年中國耕地變化對糧食生產(chǎn)潛力的影響[J].地理學(xué)報(bào),2014,69(12)：1767-1778.

[3] 傅濤,倪九派,魏朝富,等.坡耕地土壤侵蝕研究進(jìn)展[J]. 水土保持學(xué)報(bào),2001,15(3)：123-128.

[4] 李強(qiáng),許明祥,趙允格,等.黃土高原坡耕地溝蝕土壤質(zhì)量評價(jià)[J].自然資源學(xué)報(bào),2012,27(6)：1001-1012.

[5] 溫磊磊,鄭粉莉,楊青森,等.雨型對東北黑土區(qū)坡耕地土壤侵蝕影響的試驗(yàn)研究[J].水利學(xué)報(bào),2012,43(9)：1084-1091.

[6] 黃少燕,查軒.坡耕地侵蝕過程與土壤理化特性演變[J].山地學(xué)報(bào),2002,20(3)：290-295.

[7] 王健,尹武君,云峰,等.渭北旱塬坡耕地水土和養(yǎng)分流失特征[J].水土保持學(xué)報(bào),2012,26(1)：33-37.

[8] 云峰.渭北黃土高原坡地土壤退化及生產(chǎn)力恢復(fù)研究[D].陜西 楊凌：西北農(nóng)林科技大學(xué),2010.

[9] 馬萍,羅青紅,宋鋒惠,等.伊犁河流域坡面徑流侵蝕試驗(yàn)研究[J].西北林學(xué)院學(xué)報(bào),2010,25(3)：54-58.

[10] 劉小勇,吳普特.硬地面侵蝕產(chǎn)沙模擬試驗(yàn)研究[J].水土保持學(xué)報(bào),2000,14(1)：33-37.

[11] 吳普特,周佩華.黃土坡面薄層水流侵蝕試驗(yàn)研究[J].土壤侵蝕與水土保持學(xué)報(bào),1996,2(1)：40-45.

[12] 丁文峰,李占斌,崔靈周.黃土坡面徑流沖刷侵蝕試驗(yàn)研究[J].水土保持學(xué)報(bào),2001,15(2)：99-101.

[13] 衛(wèi)喜國,嚴(yán)昌榮,魏永霞,等.坡度和降雨強(qiáng)度對坡耕地入滲的影響[J].灌溉排水學(xué)報(bào),2009,28(4)：114-116.

[14] 張科利.黃土坡面侵蝕產(chǎn)沙分配及其與降雨特征關(guān)系的研究[J].泥沙研究[J].1991(4):39-46.

Simulated Study of Soil Erosion and Sediment Yield of Newly Increased Sloping Farmland in Weibei Tableland Area

DONG Qiguang, HAN Jichang, ZHANG Yang, ZHANG Weihua, GAO Hongbei, LEI Na

(InstituteofLandEngineering&Technology,ShaanxiProvincialLandEngineeringConstructionGroup,Co.Ltd.,KeyLaboratoryofDegradedandUnusedLandConsolidationEngineeringtheMinistryofLandandResourcesofChina,Xi’an,Shaanxi710075，China)

[Objective] The infiltration situation of newly increased sloping farmland of Weibei tableland area was researched, and the impacts of soil volume weight, slope degree and flow discharge on sediment yield were analyzed. [Methods] Simulation test was used in door. [Results] Soil infiltration rate firstly increased and then decreased with the increase of flow discharge, an obvious inflection existed midst, and it decreased with the increase of soil bulk density. Runoff increased with the increase of soil bulk density and flow discharge. The greater bulk density was, the more sediment was, i.e., sediment yield of soil with bulk density of 1.6 g/cm3was greater than the ones of 1.2 g/cm3and 1.4 g/cm3. With the increase of slope gradient soil erosion was more heavy. A threshold of slope gradient existed at 5°. The large flow discharge resulted to much sediment yield, this was obvious when the flow discharge was over 6 L/min. [Conclusion] Soil erosion of newly increased sloping farmland in Weibei Tableland area was closely related to soil bulk density and slope gradient. For these reasons, soil bulk density should be small than 1.4 g/cm3, and slope gradient should be less than 15°.

Weibei tableland area; sloping farmland; soil erosion; sediment yield

2016-05-06

2016-05-17

國家科技支撐計(jì)劃課題“山地丘陵區(qū)空心村整治關(guān)鍵技術(shù)集成示范”(2014BAL01B03)

董起廣(1988—)，男(漢族)，河北省邢臺(tái)市人，碩士，助理工程師，主要從事土地工程、水文水資源方面研究。E-mail：dq-guang@163.com。

韓霽昌(1966—)，男(漢族)，陜西省渭南市人，博士，研究員，主要從事土地工程技術(shù)開發(fā)及應(yīng)用研究。E-mail：sxdjhjc@163.com。

10.13961/j.cnki.stbctb.2016.06.011

A

1000-288X(2016)06-0063-04

S157.1

文獻(xiàn)參數(shù)： 董起廣, 韓霽昌, 張揚(yáng), 等.渭北臺(tái)塬區(qū)新增坡耕地土壤侵蝕產(chǎn)沙模擬試驗(yàn)研究[J].水土保持通報(bào)，2016,36(6)：063-066.