秸稈覆蓋對崩積體坡面產流產沙影響的模擬試驗①

朱高立，王雪琪，李發(fā)志 ，黃炎和，鄒 偉，林金石，蔣芳市

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秸稈覆蓋對崩積體坡面產流產沙影響的模擬試驗①

朱高立1,2，王雪琪2，李發(fā)志2，黃炎和1*，鄒 偉2，林金石1，蔣芳市1

(1 福建農林大學資源與環(huán)境學院，福州 350000；2 南京農業(yè)大學公共管理學院，南京 210095)

通過室內模擬降雨試驗，研究60 mm/h雨強條件下，不同秸稈覆蓋度(0、25%、50%、75%、100%)和坡度(25°，30°和35°)組合崩積體坡面的侵蝕狀況。結果表明：①不同條件下崩積體坡面初始產流時間在49 ~ 913 s；同一坡度條件下，崩積體坡面初始產流時間隨著覆蓋度的增加而延長；同一覆蓋度條件下，初始產流時間35°>25°>30°；坡面產流時間與秸稈覆蓋度呈線性正相關關系。②崩積體坡面徑流量的變化過程具有如下幾個特征：第一，在降雨初期，坡面徑流率在短時間內迅速增加，之后趨于平緩；第二，坡面徑流量的起伏變化幅度隨著坡度的增加而增大；第三，同一覆蓋度條件下，30°坡面的徑流率大于25°和35°坡面。③崩積體坡面產沙量存在臨界覆蓋度，值為50%。

人工降雨；秸稈覆蓋；崩積體；產流；產沙

坡面產流產沙受到降雨、土壤、地形和植被等因素的共同影響[1]。近來來，國內外學者對坡面產流產沙的影響因素、侵蝕過程及動力學機制等方面進行了大量研究，并取得了不少成果。在坡面產流產沙的影響因素研究方面，Valentin等[2]認為地形、土壤性質、土地利用變更和氣候變化是影響坡面侵蝕的主要因素；袁久芹等[3]通過從微區(qū)尺度研究籬帶范圍內多種植物籬的產流產沙效益，發(fā)現(xiàn)各植物籬模式可以不同程度地改善土壤理化性質，減少水土流失量；米宏星等[4]的研究表明同一條件下，流速隨坡度的增大而增加；余新曉等[5]發(fā)現(xiàn)產流、產沙量與降雨量和降雨強度有較好的相關性。在坡面侵蝕過程的研究方面，楊明義[6]以黃土丘陵溝壑區(qū)為研究對象，發(fā)現(xiàn)小流域泥沙主要來自溝谷地，約占整個流域產沙量的70%；肖培青等[7]研究認為在坡面侵蝕發(fā)育的初期、中期和后期，溝蝕分別占坡面總侵蝕產沙量的28.7%、70.4% 和37.1%；盧慧中等[8]采用野外測量等方法對礦堆的水土流失類型及其強烈程度進行研究后發(fā)現(xiàn)，在降雨過程中，隨著距離侵蝕溝出口距離的增加，侵蝕溝內的水土流失狀態(tài)由侵蝕轉為堆積；郭偉等[9]通過室內人工模擬降雨方法，研究了濕潤速率對坡面徑流和侵蝕的影響以及泥沙特性，得出坡面侵蝕量隨著濕潤速率的增大而增加；鄭良勇等[10]認為在降雨初期，坡面主要發(fā)生的是面蝕，當細溝出現(xiàn)后，坡面侵蝕加劇，細溝侵蝕深度隨之迅速增加。在坡面侵蝕的動力學機制研究方面，蔣芳市[11]認為可首選單位水流功率、單寬能耗及斷面單位能量作為崩積體降雨輸沙的動力學參數(shù)；馬美景等[12]分析上方來水流量對紅壤坡面徑流侵蝕過程中泥沙的遷移規(guī)律及土壤溶質運移特征的影響后發(fā)現(xiàn)，上方來水流量越大，薄層徑流沖刷作用越強烈，徑流含沙量隨時間的變化波動越劇烈；吳淑芳等[13]認為，對于裸地和調控措施坡面，輸沙率與徑流剪切力、徑流功率之間均呈現(xiàn)良好線性關系，與水流動能之間呈現(xiàn)良好對數(shù)關系。張寬地[14]通過理論推導與阻力試驗相結合的方法，發(fā)現(xiàn)坡面水流平均流速、平均水深、弗洛德數(shù)和阻力系數(shù)均與單寬流量、坡度、粗糙度呈冪函數(shù)形式變化，并給出了各水力要素的經驗計算公式。

大量研究認為秸稈覆蓋可以有效減輕坡面侵蝕。在產流時間延緩方面，朱高立等[15]研究了大雨強條件下崩崗崩積體坡面的侵蝕狀況，發(fā)現(xiàn)秸稈覆蓋能夠有效延長坡面產流時間，且產流時間隨著覆蓋度的增加而延長；王青杵等[16]認為植物籬地比裸地產流時間延緩 5 ~ 25 min。在防治坡面侵蝕方面，閔俊杰[17]研究認為植被覆蓋度由60% 升至80% 時，產流量(產沙量)減幅最大；王莢文[18]利用人工模擬降雨方法，定量研究了秸稈覆蓋對黃綿土產流產沙的影響，發(fā)現(xiàn)秸稈覆蓋在玉米整個生長期可以減少產沙總量的55.26% ~ 72.63%；徐錫蒙等[19]認為秸稈覆蓋主要通過改變坡面徑流與侵蝕產沙量的關系而非減少徑流量來減少坡面侵蝕量；王浩[20]研究表明在同坡度同流量條件下植物路較土質路輸沙量減少率為48.35% ~ 85.31%。在坡面覆蓋度取值研究方面，張翼夫等[21]研究認為30% ~ 60%(1 400 ~ 3 100 kg/hm2)的玉米秸稈覆蓋度可以達到較好的水土保持效果；黃俊等[22]認為穩(wěn)定入滲率隨植被覆蓋度增加的速率是非恒定的，存在著增速變化的臨界植被覆蓋度；叢月等[23]通過野外人工模擬降雨試驗，研究植被覆蓋度對雨滴動能和土壤濺蝕量的影響，結果表明濺蝕量隨植被覆蓋度的增大而減小，在植被覆蓋度為40% 前十分顯著，可認為40% 植被覆蓋度是一個臨界值。這些研究從不同角度分析了秸稈覆蓋與坡面侵蝕的關系，然而以崩崗崩積體為對象，研究秸稈覆蓋對崩積體坡面侵蝕影響的文章還較少。為了揭示秸稈覆蓋條件下崩積土體的侵蝕變化規(guī)律，本研究通過室內模擬降雨試驗，分析秸稈覆蓋條件下崩積體坡面的侵蝕變化特征，以為崩崗崩積體的治理提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與裝置

采樣地位于福建省安溪縣洋坑村(118°03′E，24°57′N)。洋坑村為河谷小盆地，丘陵地帶，屬南亞熱帶氣候，氣候溫和，年平均溫度18℃，年平均降雨量1 800 mm，全年總日照時數(shù)2 030 h。試驗土壤的理化性質為：pH 5.2；有機質含量較低，為1.70 g/kg；砂粒含量高，可達到546.7 g/kg，黏粒含量低；礫石∶粗砂∶細砂∶粗粉∶細粉∶黏粒=19.78∶46.06∶8.61∶8.18∶14.55∶2.81；土壤質地疏松，結構性差。試驗所用覆蓋材料為秸稈，秸稈長度控制在30 ~ 40 cm。模擬降雨試驗于2014年7—11月在福建農林大學金山水土保持科教園人工降雨大廳內進行，采用西安清遠測控技術有限公司生產的QYJY-501型模擬降雨控制器，降雨高度為12 m，雨滴降落到地表的終速可以達到自然降雨終速；模擬降雨器降雨面積3 m × 6 m，降雨強度變化范圍為15 ~ 200 mm/h，降雨均勻度大于0.85。試驗土槽為固定式可變坡鋼槽，坡度調節(jié)范圍為0 ~ 40°，土槽長×寬×高=5 m × 2 m × 1 m，土槽按寬1 m平均分成2個槽。

1.2 試驗設計

通過野外調查可知，安溪縣崩崗崩積體的坡度主要集中在25° ~ 35°，所以試驗坡度設置為25°，30°，35°。通過分析安溪縣常年降雨數(shù)據(jù)，根據(jù)安溪縣大雨暴雨降雨強度特征，將試驗雨強設定為60 mm/h。坡面采用5種處理，均勻覆蓋秸稈，秸稈覆蓋量分別為0、1 500、3 000、4 500、6 000 kg/hm2，折合覆蓋率約為0、25%、50%、75%、100%。

1.3 試驗步驟

試驗用土自然風干后過10 mm篩以清除土樣中的雜物。填土前，先在土槽底部填入60 cm厚沙石，上鋪設棉紗布，使試驗過程中土壤水分能自由下滲。之后采用分層填土，每層土厚10 cm的方式向土槽中填入30 cm厚的土樣并壓實，土壤體積質量(容重)控制在1.25 ~ 1.40 g/cm3，與野外崩積體的土壤體積質量相似。降雨開始前在坡面上均勻覆蓋秸稈，以不破壞坡面表層土壤物理性狀為前提，用30 mm/h小雨強降雨濕潤供試土壤，直到坡面出現(xiàn)產流為止，目的是保證每次試驗土壤地表狀況均一，然后用塑料布覆蓋坡面，使水分充分運動滲透，放置18 h后開始試驗。每次降雨時間為1 h，兩次降雨試驗間隔時間為48 h。試驗過程中，坡面產流開始后記錄下產流時間，每隔2 min收集1次徑流和泥沙。將土槽坡面等距離分為5份，用染色劑法(KMnO4)分別沿土槽縱斷面測定5個坡段內的平均流速，每5 min測定1次。用量筒測定徑流樣體積。用烘干法(105℃)測定泥沙量，試驗重復2次以減少系統(tǒng)誤差提高數(shù)據(jù)的準確值。

1.4 數(shù)據(jù)分析與處理

試驗數(shù)據(jù)采用Excel 2013和SPSS 18.0進行分析。通過Excel 2013進行數(shù)據(jù)處理、相關性分析和繪圖等。利用SPSS 18.0進行逐步回歸分析和方差分析等。

2 結果與分析

2.1 覆蓋條件下坡面的產流時間

初始產流時間是指從降雨開始到薄層徑流匯集到小區(qū)出口所需的時間[24]，它是影響降雨徑流過程及其大小的主要因素[25]。由圖1可以可知，坡面初始產流時間在49 ~ 913 s，不同條件下的初始產流時間差別較大。具體來看，同一坡度條件下，坡面初始產流時間隨著覆蓋度的增加而延長。以25° 坡面為例，100% 覆蓋度坡面的產流時間比0、25%、50%、75% 覆蓋度坡面分別延長423、312、99、36 s。

張會茹和鄭粉莉[26]通過研究紅壤坡地土壤侵蝕過程指出，小雨強條件下，坡度對產流時間有一定的影響。由表1可以看出，同一覆蓋度條件下，初始產流時間35° 坡面大于25° 和30° 坡面。以覆蓋度為50%的坡面為例，35° 坡面的初始產流時間較25° 坡面長311 s，較30° 坡面長492 s。具體分析，35° 坡面的初始產流時間最長，主要原因是較大的坡度意味著較小的有效降雨面積，有效降雨面積的減少使得坡面接收到的降雨量降低，坡面徑流量也隨之減少，進而會延緩坡面產流時間。此時，雖然35° 坡面的坡面流流速大于25° 和30° 坡面，但從坡面產流機制上來說，流速與初始產流時間并沒有直接關系，而有效降雨面積的減少會延緩初始產流時間，此時有效降雨面積成為延長初始產流時間的主導因素。

采用回歸方法定量分析坡面產流時間()與秸稈覆蓋度()的關系。由表1可知，坡面產流時間與秸稈覆蓋度呈線性正相關關系。這表明秸稈覆蓋可以有效延長坡面產流時間，覆蓋度越高，其對坡面產流時間的延緩作用越明顯，主要原因：一是秸稈對坡面徑流具有阻蓄作用，進而會降低徑流速度，延遲產流；二是坡面秸稈對徑流的阻蓄有利于徑流的下滲，進而增加入滲率，降低坡面徑流量，延緩產流時間；三是秸稈的存在降低了雨滴對坡面的擊濺力，保護了坡面土體，使得降雨具有有序下滲的條件，縮短了產流時間?；|文和溫仲明[27]通過野外人工降雨試驗研究了自然恢復草地、人工林地和人工刺槐林地下的坡面產流時間，結果發(fā)現(xiàn)枯枝落葉層不僅能攔蓄降雨，增加土壤入滲率，還能增加地表粗糙度，降低坡面徑流速度，從而延緩徑流時間，與本試驗的研究結果吻合。

表1 坡面產流時間與秸稈覆蓋度的相關性分析

2.2 覆蓋條件下坡面的產流特征

2.2.1 坡面產流過程 圖2為各條件下坡面徑流量隨時間的變化過程。由圖2可以看出，崩積體坡面的徑流量變化過程具有如下幾個特征：第一，在降雨初期，坡面徑流率在短時間內迅速增加，之后趨于平緩。主要原因是降雨開始后，由于坡面土體水分未達到飽和，因此會吸收大量降水，從而使得坡面徑流量較低，徑流在短時間內無法形成規(guī)模。當坡面土體吸水飽和后，降雨下滲較少且穩(wěn)定，使得徑流率在降雨后期保持相對穩(wěn)定；第二，坡面徑流量的起伏變化幅度隨著坡度的增加而增大，主要原因是坡度的增加一方面會使坡面土體的穩(wěn)定性降低，造成細溝侵蝕和下切侵蝕的加劇[28]，另一方面也會導致坡面流流速增加，流速增加帶來的較高動能作用于不太穩(wěn)定的坡面土體之上，使得坡面徑流率出現(xiàn)絮亂；第三，同一覆蓋度條件下，在降雨過程中，30° 坡面的徑流率大于25° 和35° 坡面。

2.2.2 覆蓋對徑流量的影響 圖3表示不同覆蓋度和坡度條件下的徑流總量。由圖3可以看出，同一坡度條件下，坡面徑流總量隨覆蓋度的增加變化不大，說明覆蓋度對坡面徑流的影響不大。同一覆蓋度條件下，坡面徑流總量30°＞25°＞35°。25° 坡面徑流量小于30° 坡面，原因可能是雖然30° 坡面的有效降雨面積較小，但其坡度大于25° 坡面，較大的坡度可以提高坡面徑流速度，降低坡面水流的下滲能力，坡面多出的降水可以轉化為地表徑流，此時流速增加導致的徑流量的增多可以抵消有效降雨面積的減小導致的徑流量的減小，使得30° 坡面徑流量大于25° 坡面。25° 坡面徑流量大于35° 坡面，主要原因為：一是25° 坡面的有效降雨面積較大，較大的降雨面積意味著接收的降雨量較多；二是較低坡度情況下，較大的雨滴加速度使得雨滴動能較大，此時雨滴的打擊使得坡面結皮厚度和硬度發(fā)育更加完全，降雨的下滲較慢，更容易產生徑流。

通過雙因素方差分析可以發(fā)現(xiàn)，坡度對徑流量的影響達到極顯著水平，而覆蓋度對徑流量的影響不顯著(表2)。

表2 坡度和覆蓋度對徑流量影響的方差分析結果

注：** 表示達到極顯著水平(<0.01)。

2.3 覆蓋條件下坡面的產沙特征

2.3.1 坡面產沙過程 圖4表示不同覆蓋度和坡度條件下崩積體坡面的產沙量變化。由圖4可以看出，當坡面無覆蓋時，25° 坡面在降雨過程中的產沙量維持在低水平，原因可能是較低坡度條件下，坡面土體結構穩(wěn)定，坡面流流速較低，徑流對坡體的沖刷作用較弱。此時，雖然降雨一方面會直接擊濺裸露坡面，但另一方面也可以通過沖擊坡面壓實土體，穩(wěn)定坡體結構，從而起到降低坡面產沙量的效果；較高坡度(30°和35°)坡面的產沙量在降雨前期處于低水平，在降雨中后期開始迅速增加，主要原因是在降雨前期，部分降雨被土體吸收，導致坡面徑流量較少，徑流的沖刷作用較弱，在降雨中后期，長時間的降雨使得坡面土體穩(wěn)定性下降，加上坡面土體水分達到飽和，坡面徑流量增大，使得坡面土體較容易被沖刷侵蝕，導致坡面產沙量升高。當坡面覆蓋秸稈時，可以發(fā)現(xiàn)，不同覆蓋度條件下，25° 和30° 坡面的產沙量隨著降雨的進行無顯著變化，維持在較低水平，說明在較低坡度條件下，秸稈覆蓋可以顯著降低坡面產沙量，且較小的坡度也可以達到很好的減沙效果；高坡度(35°)條件下，當坡面覆蓋度為25% 和50% 時，坡面的產沙量在降雨過程中處于較高值，主要原因是較高的坡度使得坡面土體不穩(wěn)定，加上坡面秸稈吸水使得自身的重力勢能增加，兩者相結合容易造成坡面土體的崩塌，進而增加產沙量；當覆蓋度為75% 和100% 時，高坡度坡面的產沙量在降雨過程中始終處于較低水平，此時雖然坡面秸稈的重力勢能較低覆蓋度坡面更大，但超大重力勢能反過來可以壓實坡面土體，提高土體的穩(wěn)定性，阻止坡面土體發(fā)生崩塌，從而降低坡面產沙量。

2.3.2 覆蓋度對產沙量的影響 圖5表示不同覆蓋度和坡度下的產沙量。由圖5可以看出，當坡度為25°和30° 時，無覆蓋坡面的產沙總量遠遠大于有覆蓋坡面的產沙量，且有覆蓋條件下各覆蓋度坡面的產沙量均處于較低值，這說明秸稈覆蓋可以有效降低坡面產沙量。主要原因為：一是秸稈覆蓋可以減小降雨對坡面的擊濺；二是秸稈覆蓋可以通過機械作用阻擋坡面泥沙，有效降低坡面產沙量；三是秸稈覆蓋可以減緩坡面徑流，降低徑流的攜沙能力。Zhou和Shangg-uan[29]的研究也表明植被覆蓋可以有效降低雨滴動能、增加土壤入滲、減少徑流量與泥沙量。當坡度為35° 時，可以發(fā)現(xiàn)，坡面產沙總量隨著覆蓋度的增大而增加，當覆蓋度為50% 時，坡面產沙量達到最大值，隨后，產沙量隨著覆蓋度的繼續(xù)增大而減少。這說明崩積體坡面產沙量存在臨界覆蓋度，在這個臨界覆蓋度之下，坡面產沙總量隨著覆蓋度的增加而上升，在這個臨界覆蓋度之上，坡面產沙總量隨著覆蓋度的增加而下降，本研究的臨界覆蓋度為50%。產沙總量在50% 覆蓋度條件下達到最大，主要原因是當覆蓋度為50% 時，秸稈覆蓋由于吸收了大量降水，重力勢能迅速增大，加上高坡度(35°)導致的坡面土體結構不穩(wěn)定，使得秸稈重力勢能產生的剪切力超過坡面土體的自穩(wěn)定性，坡面土體容易受到水流的破壞侵蝕，甚至會產生崩塌，進而導致坡面產沙量的增大。當覆蓋度低于50% 時，坡面土體雖然受雨水的擊濺作用較大，但此時坡面秸稈的重力勢能較小，不會引起土體大范圍的破壞與崩塌，產沙量較小。當覆蓋度高于50% 時，坡面秸稈的重力勢能較高，較高的重力勢能對坡面土體有壓實的作用，進而會穩(wěn)定土體結構，使其遭受破壞的程度較小，所以坡面產沙量較低。朱高立等[15]通過研究120 mm/h降雨條件下的崩積體坡面產流產沙特征發(fā)現(xiàn)，崩積體坡面產沙量的臨界植被覆蓋度為75%，與本試驗結果相近。通過雙因素方差分析可知，覆蓋度和坡度對坡面產沙總量的影響不顯著。

3 結論

1) 不同條件下崩積體坡面初始產流時間在49 ~ 913 s；同一坡度條件下，崩積體坡面初始產流時間隨著覆蓋度的增加而延長，說明秸稈覆蓋對坡面初始產流時間具有延緩作用；同一覆蓋度條件下，初始產流時間35°＞25°＞30°，主要原因是35° 坡面較25° 和30° 坡面具有較小的有效降雨面積，而25° 坡面較30° 坡面具有較低的坡面流流速；坡面產流時間與秸稈覆蓋度之間呈線性正相關關系。

2) 崩積體坡面的徑流量變化過程具有如下特征：第一，在降雨初期，坡面徑流率在短時間內迅速增加，之后趨于平緩；第二，坡面徑流量的起伏變化幅度隨著坡度的增加而增大；第三，同一覆蓋度條件下，30°坡面的徑流率大于25° 和35° 坡面。

3) 同一覆蓋度條件下，崩積體坡面徑流總量30°＞25°＞35°；當坡度為35° 時，崩積體坡面產沙量存在臨界覆蓋度，值為50%；坡度對徑流量的影響達到極顯著水平，而覆蓋度對徑流量的影響不顯著。

4) 當崩積體坡面無覆蓋時，25° 坡面在降雨過程中的產沙量維持在低水平，較高坡度(30° 和35°)坡面的產沙量在降雨前期處于低水平，在降雨中后期開始迅速增加。當坡面有秸稈覆蓋時，25° 和30° 坡面的產沙量隨著降雨的進行維持在較低水平；高坡度(35°)條件下，當覆蓋度為25% 和50% 時，坡面產沙量在降雨過程中處于較高值，當覆蓋度為75% 和100% 時，坡面的產沙量在降雨過程中始終處于較低水平。

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Simulation of Straw Mulch on Colluvial Soil Erosion and Yield of Runoff and Sediment

ZHU Gaoli1,2, WANG Xueqi2, LI Fazhi2, HUANG Yanhe1*, ZHOU Wei2, LIN Jinshi1, JIANG Fangshi1

(1 College of Resources and Environment, Fujian Agriculture and Forestry University, Fuzhou 350000, China; 2 College of Public Administration, Nanjing Agricultural University, Nanjing 210095, China)

Through simulation of rainfall in laboratory, the impacts of different straw coverages (0, 25%, 50%, 75%, 100%) and different slope gradients(25°, 30°, 35°) on the slope erosion of colluvial deposits were disclosed under the condition of 60 mm/h rainfall rate. The main results showed that: 1) The initial time of runoff under different conditions changed from 49 s to 913 s. The initial time of runoff would be putted off with the increase of straw coverage under the same slope gradient. The initial time of runoff was longest at 35° but shortest at 30°. The initial time of runoff was positively correlated with straw coverage. 2) At the beginning of raining, the runoff ratios increased rapidly in a short time, then slowed down gradually. The range of runoff increased with the increasing slope. 3)The runoff ratio was higher at 30° than at 25° and 35° under the same straw coverage. The critical straw coverage of sediment yield was 50%.

Simulated rainfall; Straw mulch; Colluvial soil; Runoff; Sediment

10.13758/j.cnki.tr.2017.03.025

S157.1；S157.2

A

國家自然科學基金項目(41571272,41001169)和國家科技支撐計劃項目(2014BAD15B0303)資助。

(yanhehuang@163.com)

朱高立(1989—)，男，江蘇徐州人，博士研究生，主要從事土地經濟與管理研究。E-mail: zhugaoli1989@126.com