不同植被措施下坡耕地產(chǎn)流規(guī)律研究

吳 迪

(昌圖縣水利水電工程移民局，遼寧 鐵嶺 112500)

水土流失現(xiàn)象是我國發(fā)展歷程中面臨的重要安全問題，防止水土流失，保護(hù)生態(tài)環(huán)境，是我國目前最為關(guān)鍵的任務(wù)。對(duì)于水土保持坡耕地產(chǎn)流的研究可為我國干旱半干旱地區(qū)的水土資源合理配置以及水土流失問題提供科學(xué)的治理措施，并依據(jù)坡耕地產(chǎn)流各項(xiàng)指標(biāo)對(duì)治理措施進(jìn)行合理化和適宜化改進(jìn)。目前，眾多學(xué)者針對(duì)坡耕地產(chǎn)流進(jìn)行了一定的研究，研究成果較為豐富，但是在不同植物措施情況下，流域具有區(qū)域復(fù)雜性和水土流失嚴(yán)重性時(shí)，如何建立一個(gè)較為科學(xué)、合理的坡耕地產(chǎn)流研究仍是一個(gè)難題。為此，筆者與沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)水利學(xué)院合作對(duì)不同植物措施下坡耕地產(chǎn)流規(guī)律進(jìn)行了研究。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)在沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)水利學(xué)院綜合試驗(yàn)基地的水土保持室外徑流小區(qū)進(jìn)行。試驗(yàn)區(qū)位于遼寧省沈陽市東陵區(qū)(東經(jīng)123°27′，北緯41°44′)，海拔44.7m，屬于溫帶半濕潤大陸性氣候，全年平均氣溫8.8℃，年平均降水量780mm。土壤類型為棕壤土，原土采集后去除石塊、落葉等雜質(zhì)，過5mm的篩子。采用分層填土并用腳踩實(shí)，土壤嚴(yán)格容重控制在1.2g/cm3。將布設(shè)好的試驗(yàn)小區(qū)靜置一段時(shí)間，使土層結(jié)合緊密以接近原土體狀態(tài)。

1.2 試驗(yàn)方法

室外徑流小區(qū)水平投影長8m，寬1m，小區(qū)四周邊埂采用磚砌，水泥砂漿抹面，徑流小區(qū)底端設(shè)置簸箕型集水槽，便于接樣桶采集坡面徑流。徑流小區(qū)坡面坡度布設(shè)10°和15°兩種，在沖刷試驗(yàn)開始前，對(duì)土壤進(jìn)行翻耕處理，形成橫壟，以模擬坡耕地翻耕后的狀況。為確保出水流量的穩(wěn)定均勻，自制一個(gè)放水沖刷裝置包括水箱、穩(wěn)流槽、急流槽等，在放水口處安裝水表，以便于準(zhǔn)確調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)流量。徑流沖刷前，計(jì)算各坡含水率，使用噴壺將小區(qū)表層土壤(≤20cm)潤濕至飽和，以消除各坡之間前期含水量的差異，最后靜置24h。小區(qū)布置完畢之后，盡量避免人為擾動(dòng)。實(shí)驗(yàn)在布設(shè)植被之后，1～4號(hào)為10°坡，分別設(shè)置為地瓜、花生、大豆、裸坡。5～8號(hào)為15°坡，布設(shè)的植被與10°形成對(duì)照，順序?yàn)槁闫?、大豆、花生、地瓜。采用分段法，在每個(gè)坡面的集流口處接取徑流分別置于集水池下方的集流桶中，進(jìn)行觀測(cè)。沖刷開始后，用秒表記錄產(chǎn)流時(shí)間，每分鐘換一個(gè)急流桶，待30min后，桶內(nèi)泥沙量明顯減少，結(jié)束實(shí)驗(yàn)，同樣方法，將每個(gè)坡面做完。接好樣本的集流桶蓋上桶蓋并放置約24h，待泥沙完全沉淀后，將集流桶內(nèi)上層清水倒進(jìn)容器內(nèi)，然后用量筒量取容器內(nèi)徑流體積并進(jìn)行記錄。

1.3 數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)采用Excel 2007整理數(shù)據(jù)和繪制圖表。其中，計(jì)算4個(gè)不同農(nóng)作物處理下的減流量的參數(shù)為減流效益(RRB，%)計(jì)算公式如下：

RRB=(Rb-Rv)/Rb×100%

(1)

式中，Rb和Rv—裸地土壤和植被土壤的產(chǎn)流量,mL。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同坡度對(duì)坡耕地產(chǎn)流的影響

坡面徑流小區(qū)不同坡度下不同產(chǎn)流量結(jié)果，如圖1所示。

從圖1可以看出，除花生外，其他各個(gè)處理隨著坡度的增加，坡耕地的產(chǎn)流量增加。這可能是因?yàn)殡S著坡度的增加，徑流重力在斜坡方向上的分力增大從而加快了徑流的速度，使擊濺雨滴沿坡面向下落得更遠(yuǎn)，有利于增加徑流[1]，在外力作用下發(fā)生下移的可能性變大。坡度對(duì)產(chǎn)流的影響是一個(gè)復(fù)雜的過程，一方面產(chǎn)流量隨著坡度的增大而增加，另一方面在投影面積一定的情況下，隨著坡度的增大，單位面積徑流量及沖刷量相應(yīng)變小。而花生的產(chǎn)流量隨著坡度增加而減少，這可能是與花生的覆蓋度和花生根系有關(guān)[2]。

2.2 不同農(nóng)作物對(duì)坡耕地產(chǎn)流的影響

蔣榮[3]認(rèn)為坡面不同植被的減流作用主要集中在植被類型、植被覆蓋度、植被枯枝落葉層和植被根系。袁希平[4]研究表明：成林林地如刺槐、檸條、沙打旺等保土、保水效益最高，平均減水效益平均高達(dá)82%；其次為草灌類型如草(草木樨、紅豆草、紫花苜蓿)灌(檸條)間作，平均減水效益為58%；農(nóng)作物如谷子、糜子、豆類、玉米、小麥等的保土保水作用最低，平均減水效益為29%。當(dāng)坡度增加到5°時(shí)，坡耕地(農(nóng)作物)土壤侵蝕量大幅度增加，超過裸地[5]。與裸地相比，當(dāng)坡度為10°時(shí)，坡耕地農(nóng)作物產(chǎn)流量呈下降趨勢(shì)，下降的順序?yàn)槁愕?大豆>花生>地瓜，下降的比例分別為11.3%、22.5%和60.3%。當(dāng)坡度為15°時(shí)，與裸地相比，除大豆外，坡耕地農(nóng)作物產(chǎn)流量呈下降趨勢(shì)，下降的順序?yàn)槁愕?地瓜>花生，下降的比例分別為5.1%和47.4%，大豆升高了19.%，這與上述袁希平關(guān)于農(nóng)作物(大豆)的減水效益較高是一致的。

2.3 不同作物對(duì)坡耕地減流效益的影響

為了進(jìn)一步研究不同作物對(duì)坡耕地減流效益的影響，分析了大豆、花生、地瓜6個(gè)徑流小區(qū)的減流效益(RRB)，見表1。

表1 不同農(nóng)作物在10°和15°坡的減流效益 單位：%

從表1可以看出，坡度為10°的坡耕地，其減流效益由11.29%升高到60.29%，且表現(xiàn)為種植地瓜的坡耕地減流效益最大，花生的減流效益略小，大豆的減流效益最小，這一變化規(guī)律與10°坡不同作物的產(chǎn)流量的研究結(jié)果是一致的。坡度為15°的坡耕地，其減流效益由-19.20%升高到47.43%，表現(xiàn)為種植花生的坡耕地減流效益最大，地瓜的減流效益略小，大豆的減流效益呈現(xiàn)負(fù)值，說明了15°坡時(shí)，種植大豆并未減少坡面徑流量，反而加速了坡面徑流的產(chǎn)生，這一變化規(guī)律與15°坡不同作物的產(chǎn)流量的研究結(jié)果是一致的。

2.4 不同作物覆蓋度對(duì)15°坡耕地產(chǎn)流作用的影響

同一場(chǎng)降雨下，地表產(chǎn)流主要受地表覆蓋不同的影響。覆蓋度的大小在一定程度上決定著坡耕地產(chǎn)流的大小和水土流失的程度，這里的覆蓋度是指除了植被覆蓋外還包括植物殘?bào)w以及作物枯落物對(duì)地表的覆蓋，眾多研究表明覆蓋度大的作物配置坡耕地侵蝕量較小[6- 9]。不同作物覆蓋度對(duì)15°坡耕地產(chǎn)流量的影響，如圖2所示。由圖2可知，隨著覆蓋度的增加，不同作物的產(chǎn)流量明顯降低，但各作物在同一覆蓋度下，產(chǎn)流量基本相同，說明農(nóng)作物的種類并未引起土壤產(chǎn)流量的改變。

圖2 不同覆蓋度下與不同作物的產(chǎn)流量之間的關(guān)系

2.5 不同沖刷流量對(duì)15°坡耕地產(chǎn)流量增減效益的影響

為了進(jìn)一步研究不同作物對(duì)坡耕地減流效益的影響，我們采用3L/min、6L/min、9L/min及12L/min四個(gè)流量進(jìn)行徑流沖刷實(shí)驗(yàn)。種植大豆的坡耕地的減流效益見表2。

表2 不同沖刷流量條件下種植大豆作物坡耕地的產(chǎn)流量增減效益

從表2可以看出，在15°坡上種植大豆后，坡耕地的產(chǎn)流量隨著沖刷流量的增加而增加，同時(shí)通過計(jì)算增、減效益，我們發(fā)現(xiàn)，與12L/min的沖刷量產(chǎn)生的坡耕地產(chǎn)流量相比，其他各沖刷量的坡耕地呈現(xiàn)減流作用[10]，且減流作用表現(xiàn)為：3L/min>6L/min>9L/min，坡耕地的減流效益由84.84%降低到22.82%。

我們采用3L/min、6L/min、9L/min及12L/min四個(gè)流量對(duì)種植花生的徑流小區(qū)進(jìn)行徑流沖刷實(shí)驗(yàn)，種植花生的坡耕地減流效益見表3。

表3 不同流量條件下15°花生作物種植坡面產(chǎn)流量增減效益

從表3可以看出，在15°坡上種植花生后，坡耕地的產(chǎn)流量隨著沖刷流量的增加而增加，同時(shí)通過計(jì)算增、減效益，我們發(fā)現(xiàn)，與12L/min的沖刷量產(chǎn)生的坡耕地產(chǎn)流量相比，其他各沖刷量的坡耕地呈現(xiàn)減流作用，且減流作用表現(xiàn)為：3L/min>6L/min>9L/min，坡耕地的減流效益由77.55%降低到21.07%。

我們采用3L/min、6L/min、9L/min及12L/min四個(gè)流量對(duì)種植地瓜的徑流小區(qū)進(jìn)行徑流沖刷實(shí)驗(yàn)，種植地瓜的坡耕地減流效益見表4。

表4 不同流量條件下15°地瓜作物種植坡面產(chǎn)流量產(chǎn)沙量增減效益

從表4可以看出，在15°坡上種植地瓜后，坡耕地的產(chǎn)流量隨著沖刷流量的增加而增加，同時(shí)通過計(jì)算增、減效益[11]，我們發(fā)現(xiàn)，與12L/min的沖刷量產(chǎn)生的坡耕地產(chǎn)流量相比，其他各沖刷量的坡耕地呈現(xiàn)減流作用，且減流作用表現(xiàn)為：3L/min>6L/min>9L/min，坡耕地的減流效益由97.75%降低到34.93%。

3 結(jié)論

(1)除花生外，其他各個(gè)處理隨著坡度的增加，坡耕地的產(chǎn)流量增加。

(2)當(dāng)坡度為10°時(shí)，與裸地相比，坡耕地農(nóng)作物產(chǎn)流量呈下降趨勢(shì)，下降的順序?yàn)槁愕?大豆>花生>地瓜；當(dāng)坡度為15°時(shí)，與裸地相比，除大豆外，坡耕地農(nóng)作物產(chǎn)流量呈下降趨勢(shì)，下降的順序?yàn)槁愕?地瓜>花生。

(3)隨著覆蓋度的增加，不同作物的產(chǎn)流量降低；不同作物的徑流小區(qū)在相同覆蓋度下，坡耕地的產(chǎn)流量不具有明顯差異。

(4)不同沖刷流量對(duì)農(nóng)作物具有明顯的減流作用，且3L/min的減流效益最大，9L/min最小。綜合以上分析可知，不同作物的減流作用與坡度、作物種類、覆蓋度和徑流沖刷量均有關(guān)。

[1] 張會(huì)茹, 鄭粉莉, 耿曉東. 地面坡度對(duì)紅壤坡面土壤侵蝕過程的影響研究[J]. 水土保持研究, 2009, 16(04): 52- 59.

[2] 唐克麗. 中國土壤侵蝕與水土保持學(xué)的特點(diǎn)及展望[J]. 水土保持研究, 1999, 6(02): 2- 7.

[3] 蔣榮, 張興奇, 張科利, 等. 喀斯特地區(qū)不同林草植被的減流減沙作用[J]. 水土保持通報(bào), 2013, 33(01): 19- 22.

[4] 亢偉. 大理河流域坡面水土保持措施減沙作用及其變化過程研究[D]. 西安理工大學(xué), 2008.

[5] 袁希平, 雷廷武. 水土保持措施及其減水減沙效益分析[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2004, 20(02): 296- 300.

[6] 陳明華, 周伏建, 黃炎和, 等. 土壤可蝕性因子的研究[J]. 水土保持學(xué)報(bào), 1995, 9(01): 19- 24.

[7] 陳恩鳳, 周禮愷, 武冠云. 微團(tuán)聚體的保肥供肥性能及其組成比例在評(píng)斷土壤肥力水平中的意義[J]. 土壤學(xué)報(bào), 1994, 31(01): 18- 25.

[8] 師江瀾, 劉建忠, 吳發(fā)啟. 保護(hù)性耕作研究進(jìn)展與評(píng)述[J]. 干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究, 2006, 24(01).

[9] 林超文, 龐良玉, 陳一兵, 等. 不同耕作方式和雨強(qiáng)對(duì)紫色土坡耕地降雨有效性的影響[J]. 生態(tài)環(huán)境, 2008, 17(03): 1257- 1261.

[10] 李俠. 某小流域綜合治理工程設(shè)計(jì)分析[J]. 水利規(guī)劃與設(shè)計(jì), 2015(12): 57- 60.

[11] 王黎萍. 水利工程水土保持應(yīng)對(duì)措施淺析[J]. 水利技術(shù)監(jiān)督, 2013(04): 29- 30, 36.