華北土石山區(qū)土壤濺蝕影響因素分析

相瑩敏,張洪江?,程金花,鐘莉,郭春梅,劉銀山

(1.北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院,100083,北京;2.北京市水土保持工作總站,100036,北京; 3.延慶縣水土保持工作站,102100,北京)

華北土石山區(qū)土壤濺蝕影響因素分析

相瑩敏1,張洪江1?,程金花1,鐘莉2,郭春梅3,劉銀山3

(1.北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院,100083,北京;2.北京市水土保持工作總站,100036,北京; 3.延慶縣水土保持工作站,102100,北京)

土壤侵蝕會破壞土地吞食農(nóng)田,降低土壤肥力,直接影響水土資源的利用和保護(hù)。雨滴擊濺作用下,地表土壤顆粒會發(fā)生位移,引起表層土壤顆粒的分離。以華北土石山區(qū)作為研究對象,通過野外人工模擬降雨試驗(yàn),采用改良后的摩根濺蝕盤和雨滴發(fā)生器,利用色斑法結(jié)合葉面積系數(shù)法測定不同條件下的土壤濺蝕量。結(jié)果表明:1)濺蝕量隨土壤前期含水量增大而增大、與雨滴動能呈正相關(guān)(R2＞0.96,P＜0.05);2)濺蝕量和植被覆蓋度呈非線性負(fù)相關(guān)(R2＞0.99,P＜0.05)——植被覆蓋度越大,土壤濺蝕量隨降雨強(qiáng)度增大的幅度越小;3)植被主要通過葉面積改變雨滴直徑,通過株高改變降雨高度,對降雨進(jìn)行再分配,進(jìn)而改變雨滴動能。葉面積系數(shù)越小、株高越低,植被對濺蝕的阻擋作用越強(qiáng)。

濺蝕;含水量;葉面積;雨滴動能;株高;植被覆蓋度;降雨強(qiáng)度;華北土石山區(qū)

我國是土壤侵蝕最嚴(yán)重的國家之一,土壤侵蝕降低土壤肥力,破壞農(nóng)田,加劇洪澇災(zāi)害,影響土地開發(fā)利用,直接影響水土資源的利用和保護(hù)。濺蝕即在雨滴擊濺作用下使地表土壤顆粒發(fā)生位移,使土體顆粒破碎、分散、飛濺,是坡面侵蝕的一個重要影響因素[1-3]。

迄今為止國內(nèi)外關(guān)于土壤濺蝕過程已做了大量研究[4]。美國學(xué)者W.D.Ellison[5]在1947年首次提出土壤濺蝕概念。國內(nèi)外學(xué)者分別選取了不同的影響因素對濺蝕進(jìn)行研究:國內(nèi)學(xué)者認(rèn)為在黃土高原地區(qū),土壤前期含水量大,表層土壤疏松,遇水極易分解,容易發(fā)生擊濺侵蝕[6];張科利等[7]得出濺蝕量隨著坡度的增加而線性增加;蔡強(qiáng)國等[8]得出濺蝕量與降雨強(qiáng)度成正相關(guān)關(guān)系;C.W.Rose[9]研究發(fā)現(xiàn)濺蝕量與雨滴動能呈正相關(guān)關(guān)系。傳統(tǒng)測定土壤濺蝕量的實(shí)驗(yàn)方法是在室內(nèi)、室外通過天然降雨以及人工模擬降雨的方式利用濺蝕杯[10]、濺蝕盤[11]和濺蝕板對土壤濺蝕進(jìn)行定量研究。

研究坡面土壤侵蝕因素對定量預(yù)測土壤流失具有重要價(jià)值[1]。由于濺蝕的過程較短、機(jī)制復(fù)雜、研究困難,學(xué)者們通常將濺蝕與面蝕看成一個連續(xù)的侵蝕過程同時(shí)進(jìn)行研究,對于雨滴擊濺侵蝕的深入與細(xì)化研究較難開展[9-10]。單個雨滴對濺蝕的作用微小,單雨滴直徑測量比較困難,對其進(jìn)行定量研究較為復(fù)雜[11-12];而且對于土壤擊濺侵蝕室內(nèi)研究較多,缺乏將理論在野外實(shí)際的推廣與運(yùn)用。筆者通過野外試驗(yàn)的方法,利用改良后的摩根濺蝕盤、人工降雨器和雨滴發(fā)生裝置測定單雨滴對濺蝕的影響,進(jìn)一步揭示植被覆蓋度對土壤濺蝕的影響機(jī)理,為今后水土保持工作提供參考。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于北京市延慶縣上辛莊水土保持科技示范園,年降水量為4 74.5mm,主要集中在6—9月,約占全年降水總量的84%,年平均氣溫8.5℃,土壤類型為褐土,土壤質(zhì)地為粉砂壤土[13],是典型華北土石山區(qū),多位研究人員在該地區(qū)對土壤侵蝕和植被恢復(fù)進(jìn)行了大量研究[14-15],代表性的天然分布植被有荊條(Vitex chinensis)、鐵桿蒿(Artemisia sacrorum)、黃花蒿(Artemisia annua)、白草(Pennisetum centrasiaticum)、柴胡(Bupleurum chinense)、灰菜(Chenopodium album)等。試驗(yàn)區(qū)表層土壤理化性質(zhì)具體見表1和表2。

表1　土壤機(jī)械組成Tab.1 Soilmechanical composition%

表2　濕篩水穩(wěn)性團(tuán)粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)Tab.2 Content ofwater stable aggregate%

2 研究方法

2.1試驗(yàn)儀器

試驗(yàn)分為2部分進(jìn)行,試驗(yàn)1單雨滴試驗(yàn)采用的是可以調(diào)節(jié)高度的自制雨滴發(fā)生器[16],雨滴發(fā)生裝置是由一個儲水器和棉線組成,將棉線一頭系上棉花球,棉花球塞進(jìn)儲水器中,選用5種不同粗細(xì)的棉線用來模擬不同直徑的雨滴,如圖1所示。

圖1　試驗(yàn)1雨滴發(fā)生裝置Fig.1 Raindrops generator

試驗(yàn)2選用中國科學(xué)院水利部水土保持研究所研制的側(cè)噴式人工降雨器。采用4組側(cè)噴噴頭對中心區(qū)域進(jìn)行降雨,人工降雨器長寬均為2m,降雨高度為4m,可調(diào)降雨強(qiáng)度范圍為25～160mm/h。為確保降雨強(qiáng)度和降雨均勻度達(dá)到實(shí)驗(yàn)要求,試驗(yàn)前對降雨強(qiáng)度進(jìn)行率定,將3個水桶分別置于坡面上、中、下位置,打開降雨器調(diào)節(jié)至設(shè)計(jì)強(qiáng)度進(jìn)行6 min的降雨,收集水桶中水量,計(jì)算出實(shí)際降雨強(qiáng)度。2次誤差都在15%以內(nèi)。如圖2所示,根據(jù)摩根濺蝕盤[2]進(jìn)行改良的環(huán)形濺蝕盤,選用直徑50 cm的圓形樣地,分別選擇降雨強(qiáng)度30、110、130 mm/h,每種降雨強(qiáng)度進(jìn)行10次重復(fù)試驗(yàn)。為保證濺蝕量測定精確,避免橫風(fēng)將濺蝕土粒吹散,在試驗(yàn)土樣周圍用塑料布進(jìn)行遮擋(圖3)。

2.2試驗(yàn)方法及樣地處理

試驗(yàn)1于2014年4月在閑置坡面種植高粱(Sorghum bicdor)小苗,野牛草(Buchloe dactyloides),萱草(Hemerocallis fulva(L.)L.)和紫花苜蓿(Medicago sativa),選取10、15、20、25、30和35 cm株高的植物,在研究區(qū)選取相應(yīng)莖高的植株連同表層20 cm的土壤一起采集,放入直徑為10 cm、高為20 cm圓柱形容器中,容器上下兩端不封閉,試驗(yàn)前測定土壤機(jī)械組成和前期含水量,除野牛草后,試驗(yàn)前對坡面進(jìn)行充分降雨,之后每隔3 h測量1次土壤前期含水量,當(dāng)坡面前期含水量為8%時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)。本試驗(yàn)采用葉面積系數(shù)法測量植物葉面積系數(shù)

圖2　試驗(yàn)2環(huán)形濺蝕盤Fig.2 Annular splash plate

圖3　遮擋措施Fig.3 Shielding facilities

式中:F為葉面積系數(shù);A為葉面積,cm2;L為葉長, cm;W為葉最大寬,cm。每種植物隨機(jī)選取15株,在每株植物的頂端、中部、下部分別摘取1片葉子,測量其葉長、葉最大寬和葉面積,葉面積是將葉片附在格子紙上算出葉面積,每種植物都計(jì)算45個葉片的葉面積系數(shù),求出4種植物葉面積系數(shù)平均值。試驗(yàn)后將濺蝕盤上和塑料布上的土粒用蒸餾水沖洗收集,在105℃烘箱中烘干8 h后稱量。實(shí)驗(yàn)前用TDR水分傳感器測定土壤前期含水量。采用色斑測定法[17]測定準(zhǔn)確的雨滴直徑,本試驗(yàn)采用沃華杭州造紙廠(原名為杭州新華造紙廠)φ15 cm中速定性濾紙[16],在濾紙上均勻涂上質(zhì)量比為1∶10的曙紅和滑石粉混合粉末,雨滴滴到濾紙上形成不同大小色斑,色斑直徑為D,雨滴直徑和色斑直徑呈冪函數(shù)[17]

式中:d為雨滴直徑,cm;D為色斑直徑,cm;a為系數(shù);n為指數(shù)。對此公式系數(shù)進(jìn)行率定:用凈水質(zhì)量除以色斑個數(shù),求出每滴水的平均質(zhì)量m,按照水滴是圓球體計(jì)算出水滴直徑

式中:d為雨滴直徑,mm;m為水滴平均質(zhì)量,g;γ為水的密度,g/mL。量出每個色斑直徑Di,計(jì)算色斑直徑的算術(shù)平均值Dm,進(jìn)行回歸分析得到水滴直徑與色斑直徑的關(guān)系式為

表3　雨滴直徑與色斑直徑關(guān)系Tab.3 Relations between raindrop diameter and stain diameter

試驗(yàn)2于2014年4月在5個坡面種植野牛草,均勻撒草籽,之后的2個月對不同坡面的野牛草分別進(jìn)行拔除,形成0、10%、20%、40%、60%和80%植被覆蓋度的坡面,利用點(diǎn)測法測量植被覆蓋度[18],在樣地內(nèi)使用一定數(shù)量的尖銳長針由植被上層垂直放下,記錄接觸到植物枝葉的針數(shù),并重復(fù)進(jìn)行10次。試驗(yàn)前對坡面進(jìn)行充分降雨,之后每隔3 h測量一次土壤前期含水量,當(dāng)坡面前期含水量為8%左右時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)。

雨滴降落時(shí)因重力作用而逐漸加速,由于空氣的阻力產(chǎn)生向上的浮力,二力趨于平衡時(shí),雨滴則以固定速度下降,稱為雨滴終點(diǎn)速度,大雨滴達(dá)到終點(diǎn)速度需要12m[19],2mm的小雨滴需要5m,本試驗(yàn)雨滴直徑為2.65mm,降落高度為4m;因此雨滴不能達(dá)到終點(diǎn)速度,需要采用大雨滴降落速度公式[20]獲取雨滴終速

式中v為雨滴終速,m/s。

雨滴動能由雨滴質(zhì)量及雨滴終速決定,雨滴動能

式中:E為雨滴動能,J;v為雨滴終速,m/s;m為雨滴質(zhì)量,kg。

根據(jù)式(5)得出不同降落高度、不同雨滴直徑的雨滴動能[15]。

3 結(jié)果與分析

3.1濺蝕量與土壤前期含水量及雨滴動能的關(guān)系

土壤初始含水量改變土壤孔隙結(jié)構(gòu),是影響濺蝕的重要因素,研究土壤初始含水量對土壤侵蝕具有重要意義。如圖4和表4所示,濺蝕量隨土壤前期含水量的增加而增大,二者呈正相關(guān)關(guān)系,雨滴動能為0.002 3 J時(shí),土壤前期含水量從4.6%增加到7.2%,濺蝕量變化0.075 g,土壤前期含水量由18.7%增加至24.2%的土壤濺蝕量增長幅度最小,為0.03 g,可以看出土壤前期含水量對濺蝕有較大影響。土壤含水量較低的時(shí)候,土壤孔隙較大,吸水能力較強(qiáng),土壤含水量增大,土壤吸水能力變?nèi)?入滲量減小,可蝕性增大,易發(fā)生擊濺侵蝕。這是由于土壤前期含水量改變土壤孔隙結(jié)構(gòu),影響土壤團(tuán)聚體遇水分散的程度,前期含水量的增加降低了土壤團(tuán)聚體遇水后的分散作用。與劉目興等[21]對三峽庫區(qū)林地和草地酸性結(jié)晶巖黃壤侵蝕研究的結(jié)論相一致,本試驗(yàn)是在北京市褐土區(qū)進(jìn)行研究,研究區(qū)土壤理化性質(zhì)不一樣,但得出的結(jié)論基本一致。

圖4　不同土壤前期含水量條件下濺蝕量與雨滴動能的關(guān)系Fig.4 Relations between splash amountand raindrop kinetic energy under different soil water content in the early stage

3.2濺蝕量與雨滴大小、降雨高度及雨滴動能的關(guān)系

雨滴從高空落下將勢能轉(zhuǎn)化為動能,撞擊土壤發(fā)生濺蝕。如圖5所示,雨滴直徑越大、降雨高度越大,雨滴動能就越大,則濺蝕量越大。由于雨滴直徑直接影響雨滴動能,因此土壤濺蝕量受雨滴直徑影響明顯,不同雨滴直徑土壤濺蝕量相差很大。如圖6所示,濺蝕量和雨滴動能呈正相關(guān)關(guān)系,研究結(jié)果與J.M.Bradford等[10]的結(jié)論一致。雨滴動能為0.067×10-3J時(shí),濺蝕量為0.004 4 g,接近于0;雨滴動能為0.14×10-3J時(shí),濺蝕量為0.042 g。和0.004 4 g相差了一個數(shù)量級,此時(shí)破壞力與土粒間黏結(jié)力處于近平衡的臨界狀態(tài),即存在一個讓濺蝕發(fā)生的雨滴動能閾值0.067×10-3J。當(dāng)雨滴動能小于該值時(shí),不足以發(fā)生濺蝕,這與趙曉光等[12]的結(jié)論——存在一個最小分散作用能量臨界值一致。趙曉光等測得該值為0.314×10-3J,而本試驗(yàn)得出值為0.067×10-3J。不一致的原因是試驗(yàn)?zāi)甏煌?趙曉光等學(xué)者于2000年進(jìn)行試驗(yàn);本試驗(yàn)于2014年進(jìn)行,儀器精度有所提升。

表4　濺蝕量與雨滴動能的擬合函數(shù)Tab.4 Fitted equation of splash amount and raindrop kinetic energy

圖5　不同雨滴直徑濺蝕量與降雨高度的關(guān)系Fig.5 Relations between splash amount and rain height at different raindrop diameter

3.3濺蝕量與植被的關(guān)系

圖6　濺蝕量與雨點(diǎn)動能的關(guān)系Fig.6 Relations between splash amount and kinetic energy of raindrops

3.3.1植被種類的關(guān)系 植被通過3方面對降雨進(jìn)行再分配[22]:截流、透流和干流。透流即雨滴穿過植被直接對土壤擊濺,或者在葉片及枝干上聚集后形成較大的雨滴落下?lián)魹R土壤,改變雨滴直徑,從而改變雨滴動能,不同植被的葉面積不同,再次形成的雨滴大小不同;因此測量每種植被的葉面積是得出不同植物對雨滴再分配的影響作用的前提,驗(yàn)測得高粱小苗葉面積系數(shù)為0.75,萱草0.66,野牛草0.63,紫花苜蓿0.71。

如圖7所示,野牛草攔截能力最好,其次是紫花苜蓿,之后是萱草和高粱小苗,萱草和高粱小苗差距不太大,4種植被的葉面積系數(shù)大小排列和濺蝕量是一致的,葉面積系數(shù)越大,濺蝕量越大。降雨經(jīng)枝葉聚集達(dá)到枝葉最大蓄水能力時(shí)落到地表,植物葉片面積越大,接受雨滴的面積越大,大葉片對雨滴的承受能力越大,形成的大雨滴越大,對地表擊濺能力越強(qiáng)。這與魏翔等[22]的結(jié)論雨滴直徑主要與降雨強(qiáng)度和葉面積有關(guān)相一致。

圖7　不同植物種類條件下濺蝕量與植物株高的關(guān)系Fig.7 Relations between splash amount and plant stemheight by different plant type

3.3.2與株高的關(guān)系 降雨經(jīng)枝葉聚集達(dá)到枝葉最大蓄水能力后,植被株高對濺蝕量的影響最大[23]。植被越高,勢能轉(zhuǎn)化動能的能量越大,濺蝕力則越大。如表5所示,濺蝕量與植被株高呈對數(shù)正相關(guān)關(guān)系,濺蝕量隨植株高度增大而增大。植被株高度越低,降雨高度則越大,所接收雨滴的動能越大,對葉面的沖擊力度越大,導(dǎo)致葉片的形變就越大。同樣大小的葉片,形變越大的葉片接受的雨滴量越小,再形成的雨滴越小,對地表的擊濺能力越弱,植被所能減少的濺蝕能力越多;因此株高對濺蝕的影響主要體現(xiàn)在對降雨高度的影響上。

表5　不同植被類型濺蝕量與株高的擬合函數(shù)Tab.5 Fitted equation of relationship between stem height andsplash amount

3.3.3植被蓋度的關(guān)系 降雨濺蝕的能量即雨滴降落勢能轉(zhuǎn)化為動能,植被通過緩沖作用使雨滴速度減小,動能減小,對土壤顆粒的擊濺能力相應(yīng)減小,使得土壤侵蝕量減少[24]。一定株高以下的植被可以有效地阻擋飛濺土粒,減少濺蝕量。如圖8所示,濺蝕量與植被覆蓋度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系:隨著植被覆蓋的增大濺蝕量減小;植被覆蓋率為0時(shí),降雨強(qiáng)度從30mm/h增大到130 mm/h,濺蝕量從7.120 g增大到11.750 g,變化量為4.630 g;植被覆蓋率為80%時(shí),濺蝕量從0.280 g增大到1.040 g,變化量為0.760 g,比覆蓋度為0時(shí)的變化量小得多?？梢钥闯鲋脖桓采w對坡面有很大的保護(hù)作用。植被覆蓋度小于40%時(shí)的曲線斜率相比覆蓋率大于40%的斜率平緩,40%是一個分界點(diǎn),當(dāng)植被覆蓋度大于40%時(shí),對坡面有較好的保護(hù)作用。這與RPC Morgan[1]的觀點(diǎn)“土壤濺蝕隨著覆蓋的變化呈非線性減少”[2]相一致。本試驗(yàn)測得40%是一個分界點(diǎn),較摩根得出的結(jié)論可更具體描述出植被覆蓋度對濺蝕的影響。

圖8　濺蝕量與植被覆蓋度的關(guān)系Fig.8 Relations between splash amount and vegetation coverage

4 結(jié)論

1)濺蝕量隨土壤前期含水量增大而增大,土壤前期含水量增大,土壤吸水能力變?nèi)?入滲量減小,可蝕性增大,易發(fā)生擊濺侵蝕。

2)濺蝕量與雨滴動能呈對數(shù)正相關(guān)關(guān)系(R2＞0.96,P＜0.05)。雨滴動能由降雨高度和雨滴大小決定,植被對降雨的再分配作用主要通過透流作用改變雨滴大小和降雨高度進(jìn)而改變雨滴動能,不同植被葉面積、株高不同,葉面積系數(shù)越小,株高越矮,植被對濺蝕的阻擋作用越強(qiáng)。

3)濺蝕量和植被覆蓋度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,土壤濺蝕隨著覆蓋的變化呈非線性減少,植被覆蓋度越大,土壤濺蝕量隨降雨強(qiáng)度增大而增大的幅度越小。

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Factors influencing soil splash erosion in rocky mountain area of northern China

Xiang Yingmin1,Zhang Hongjiang1,Cheng Jinhua1,Zhong Li2,Guo Chunmei3,Liu Yinshan3
(1.School of Soil and Water Conservation,Beijing Forestry University,100083,Beijing,China;2.Station of Soil and Water Conservation Station in Beijing,100036,Beijing,China;3.Soil and Water Conservation Station of Yanqing,102100,Beijing,China)

[Background]China is one of the countries with most serious soil erosion in the world.In geomorphology and geology,soil erosion is the action of exogenic processes(such aswater flow orwind) which remove soil and rock from one location on the earth’s crust,then transport them to another location where they are deposited.Eroded sedimentmay be transported just a few millimeters,or thousands of kilometers.Soil erosion destroys the farmland,decreases agricultural productivity,descends the land fertility,leads to flood disaster and renders bad influence on the soil protection and land development,all because of loss of the nutrient-rich upper soil layers.The soil sediment on the upper soil layers will displace from the surface under the effect of rainfall splashing to other places.The soil sedimentwill also crush,disperse,and splash,which becomes one of the most important factors formountain erosion.It occurs globally and becomes one of the most significant environmental problems.[M ethods]In this study,taking the rocky mountain area of northern China as the research object,we conducted field experiment of artificial rainfall,used improved Morgan spattering plate and raindrop generator,and employed the stainmethod in combination with leaf area index tomeasure soil erosion rate under different conditions.[Results]1)Splash erosion rate increased with the soilmoisture content in the early stage and had a positive correlation with the kinetic energy of raindrops(R2＞0.96,P＜0.05).2)The amountof splash erosion had no linearly negative correlation with the vegetation coverage(R2＞0.99,P＜0.05). There was lower splash erosion rate in the condition of higher intensity rainfall with higher vegetation coverage rate.3)Leaf area changed the diameter of contacting raindrops and plant height changed the rainfall height.Then,plants redistributed the rainfall and changed the kinetic energy of raindrops.The smaller the leaf area index and height were,the stronger the blocking effect of splash erosion was. [Conclusions]It is valuable to study mountain soil erosion factors for estimating soil erosion quantitatively.The process of rain splashing is short and it is complex to elucidate the singlemechanism. Scientists take splashing and surface erosion as a sequential process,while it is not easy to advance the study deeper and more detailed.One raindrop has very little effect on soil erosion,and is difficult to measure the diameter of it;therefore,it is difficult to carry out quantitative research on it.Meanwhile, there aremore indoor researches of slash erosion,compared with the outdoor utilization.And the theory of outdoor soil erosion needs to be popularized and applied in the field.

splash erosion;moisture content;leaf area;raindrop kinetic energy;stem height;vegetation coverage;rainfall intensity;the rockymountain area of northern China

S157.1

A

1672-3007(2016)02-0120-07

10.16843/j.sswc.2016.02.016

2015-04-08

2015-12-26

項(xiàng)目名稱:中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)基金“典型水土流失類型區(qū)土壤可蝕性研究”(TD2011-2)

相瑩敏(1991—),女,碩士研究生。主要研究方向:土壤侵蝕。E-mail:815078469@qq.com

簡介:張洪江(1955—),男,教授,博士生導(dǎo)師。主要研究方向:土壤侵蝕與流域管理。E-mail:zhanghj@bjfu.edu.cn