東北黑土區(qū)橫壟坡耕地的產流產沙過程

溫云浩， 劉鐵軍, 馬林芊， 王立新， 殷 哲， 武 鑫， 石 偉

(1.內蒙古大學 生態(tài)與環(huán)境學院, 內蒙古 呼和浩特 010021;2.水利部 牧區(qū)水利科學研究所, 內蒙古 呼和浩特 010020； 3.中國水利水電科學研究院， 北京 100020)

東北黑土區(qū)是中國重要的糧食產區(qū)和商品糧基地，對穩(wěn)定糧食市場、保障國家糧食安全具有重要作用。因缺乏保護和無限開墾造成了嚴重的水土流失[1]。長緩坡下壟作方式引起的侵蝕已成為國內外共同關注的問題[2]。大量水土流失導致黑土層逐年變薄，保水保肥能力越來越弱，適宜耕作性也越來越差[3]。降雨及其形成的坡面水流是侵蝕發(fā)生發(fā)展的主要驅動力；加之坡長引起坡面水流能量的變化、分布以及影響水沙運移規(guī)律和侵蝕形態(tài)的演變過程，都是導致坡面侵蝕的重要因素之一[4]。國內學者[5]自20世紀50年代就開始研究坡長對坡面侵蝕產沙的影響，發(fā)現(xiàn)在降雨強度較小時，產沙量隨坡長的增加而緩慢增加；隨降雨強度增加，坡面產沙量隨坡長明顯增多。模擬降雨研究發(fā)現(xiàn)，當坡面以切溝侵蝕為主時，匯水坡長對坡面侵蝕產沙的作用最大[6]；也有研究指出產沙量雖然隨坡長的增加而增加，但當坡長大于臨界坡長時，坡面侵蝕產沙量隨坡長的增加反而減少[7]。廖義善等[8]研究也認為在坡面上徑流的侵蝕產沙、輸沙能力隨著坡面長度的變化呈強弱交替變化。李桂芳等[9]通過對5 m和10 m坡長模擬降雨試驗發(fā)現(xiàn)，坡面徑流主要受降雨強度、坡長以及降雨強度與坡長相互作用的影響，坡面侵蝕量主要受降雨強度、坡度和坡長三者的共同作用。齊星圓等[10]通過變坡長條件下工程堆積體平臺模擬徑流沖刷試驗發(fā)現(xiàn)，坡長越長，細溝溯源侵蝕、沿程侵蝕和下切侵蝕越劇烈。長緩坡作為黑土區(qū)最主要的地形特征，匯水坡長引起的坡面加大對黑土區(qū)土壤侵蝕垂直分帶的寬度和排列均有影響[11]。根據(jù)田間坡地徑流小區(qū)觀測結果與分析，黑土區(qū)土壤侵蝕率沿坡長呈交替分布，侵蝕帶的分布與坡長和降雨的組合有關[12-13]。

坡長與產流產沙的研究取得的成果主要集中在黃土高原區(qū)，對壟作黑土地的研究較少，且東北黑土區(qū)對土壤侵蝕研究大多集中在30 m以內的短坡林地、草地、地埂等具有水保措施的黑土坡面上；室內模擬降雨試驗和天然降雨觀測試驗較多，野外放水沖刷試驗較少，尤其是針對東北黑土區(qū)超長坡、壟作條件下的坡面侵蝕過程的試驗研究鮮見報道。為此，本研究選擇東北黑土區(qū)橫坡壟作坡耕地進行徑流小區(qū)沖刷試驗，通過模擬不同降雨強度下坡面徑流量設置沖刷流量，研究匯水坡長對產流、產沙的相應，為黑土地壟作長緩坡減蝕預報模型提供科學支持。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

該研究區(qū)位于內蒙古扎蘭屯市境內，屬溫帶大陸性半溫潤氣候區(qū)，年平均氣溫3.2 ℃，年降水量為450～550 mm，多年平均徑流深100 mm。地處大興安嶺隆起和松嫩平原下沉的結合地帶，地貌以低山丘陵為主，地形特點為西北高、東南低，海拔高度在250～272 m之間。土壤主要類型為黑土，其次為暗棕壤和草甸土，黑土面積占65.4%，主要分布于平緩坡地，絕大部分已開墾為農田；試驗區(qū)地理位置123°07′72″E，48°01′40″N，土壤為黑土，黑土層平均厚度45 cm，表層0—20 cm土壤有機質含量為24.18 g/kg，土壤顆粒組成為黏粒(<2 μm)占20.3%、粉粒(2～50 μm)占76.4%和砂粒(50～2 000 μm)占3.3%，土壤pH值為6.39，田間持水量45.10%～50.02%。流域內土壤侵蝕主要類型以水力侵蝕為主，多年平均侵蝕模數(shù)2 520 t/(km2·a)。

1.2 試驗方法

1.2.1 徑流小區(qū)建設 徑流小區(qū)建設在扎蘭屯境內的大河灣農場黑土橫坡壟作坡耕地上，建于2020年6月。分別設置10，30，50，70 m共4個坡長，寬3 m，坡度3.0°，鐵板圍埂，地下埋深30 cm，地上高度20 cm，小區(qū)下方建有集流池。小區(qū)內起橫壟，壟寬66 cm，壟高20 cm(圖1)，小區(qū)經(jīng)歷一個雨季后，試驗于秋季9月上旬開展[14]。

圖1 研究區(qū)徑流小區(qū)布設情況

1.2.2 沖刷試驗 沖刷試驗于2020年9月8—28日進行?；诋?shù)?016—2018年降雨數(shù)據(jù)分析3 a最大降雨強度大多集中在60 mm/h內，為使沖刷試驗結果更接近天然降雨所致的侵蝕狀況，本文根據(jù)不同雨強所可能產生的徑流量，分別設計20，40和60 mm/h共3種強度的沖刷試驗[15-16]，并根據(jù)雨強和不同坡長折算出單位坡面不同沖刷流量，即沖刷流量分別為0.34，0.67，1.00 L/min[14，17](表1)。試驗前多次利用量筒穩(wěn)定流量，當流量大小和均勻度均達到要求時開始放水沖刷試驗[18]。水箱放水開始后，穩(wěn)流槽水流流出后開始計時。當集流池收集到徑流時，即為產流起始時間。產流前3 min內間隔1 min測量徑流量體積并收集徑流泥沙樣品1個，3 min后間隔3 min測量徑流樣體積并收集泥沙樣品，收集3個樣品后間隔5 min以上述相同方式再收集3個徑流樣。整個樣品采集過程持續(xù)27 min，收集徑流樣9個(1，3，5 min間隔各3個)，采集結束后上方停止放水。采集樣品帶回實驗室烘干、稱重測定泥沙重。沖刷過程采用高錳酸鉀染色法進行坡面水流流速監(jiān)測。

表1 模擬沖刷試驗的條件設計

2 結果與分析

2.1 產流過程

產流起始時間是坡面綜合阻控侵蝕效果的反映，不同的坡長坡面產流起始時間具有差異性，不同沖刷流量對產流起始時間也有較大的影響。4種坡長產流起始時間均表現(xiàn)為：70 m>50 m>30 m>10 m(圖2)，坡長延長坡面面積增大，相同沖刷流量下，徑流越過壟臺逐級儲水，同時垂直入滲土壤中的水量也增加，產流起始時間延遲。隨沖刷流量增加，產流起始時間縮短，除坡面沖刷流量增大外，坡面水流動力增強，坡面極易形成固定水流路徑，加速徑流下行。

圖2 模擬沖刷試驗的徑流率變化過程

產流過程是壟作坡面土壤侵蝕規(guī)律變化的間接反映，不同沖刷流量和坡長條件下產流過程差異明顯。相同坡長，沖刷流量越大，坡面徑流率越高；徑流率變異性隨坡面延長逐漸增大，隨沖刷流量的改變各坡長徑流率起伏規(guī)律也有不同。沖刷流量在0.34 L/min情況下，30，50和70 m坡長徑流率隨時間呈增強—減弱—平穩(wěn)規(guī)律，其中30 m坡長波動性較明顯。10 m坡長上徑流率以平穩(wěn)—遞增趨勢為主；沖刷流量變?yōu)?.67 L/min時，10，30和50 m徑流率均呈現(xiàn)遞增—遞減—平穩(wěn)趨勢，此時70 m坡長徑流率變異性明顯；而沖刷流量増至1.00 L/min后，4種坡長徑流率均有先增強、后減弱、最后趨于平穩(wěn)規(guī)律。由此可見，坡長與沖刷流量的變化均會影響產流過程。其原因是壟作改變坡面微地貌，沖刷水流自上而下流動過程中，水流需填滿上一壟溝方可向下流動，期間必然會引起壟臺失穩(wěn)倒塌(圖3)，此時蓄積在壟溝的水流快速流出，致使坡面水流增大，因此在起始階段徑流率逐漸增加，待上方壟溝內水流漸少，徑流率開始減弱，并逐漸趨于穩(wěn)定。其次由于沖刷流量的增大，致使坡面壟臺倒塌的時間提前以及形成淺溝寬度和深度都擴大，所以沖刷流量增大，徑流率升高。

試驗觀察發(fā)現(xiàn)，當坡面壟臺產生細小跌坎(圖3)，在水流沖刷下，開始發(fā)生溯源侵蝕，并在小區(qū)中部逐漸形成貫通坡面且平行于水流方向的細溝。伴隨細溝繼續(xù)發(fā)育，導致溝壁失穩(wěn)坍塌，水流又接觸新土壤繼續(xù)入滲延緩水流下行。上述過程是引起徑流率波動的主要原因。對于同坡長小區(qū)由于沖刷流量的不同，導致細溝發(fā)育速度、豎直侵蝕力不同，徑流率也隨之變化。

圖3 模擬沖刷試驗坡面沖刷細溝侵蝕

2.2 產沙過程

坡面水流自上而下流動過程中，對土壤產生剪切沖刷力，造成水土流失。沖刷水流強弱作為侵蝕產沙主要的驅動力，對侵蝕過程有著非常重要的影響[16]。通過分析含沙量隨時間的變化規(guī)律，有助于進一步了解不同坡長條件下黑土坡耕地的土壤侵蝕過程。不同試驗條件下坡耕地徑流含沙量的變化情況如圖4所示。

由圖4總體來看，不論坡長及沖刷流量如何變化，含沙量均隨著徑流時間的延長逐漸減少，即徑流開始發(fā)生時含沙量較高，主要是因為地表松散泥沙易被沖蝕并隨徑流向坡下運移。含沙量逐漸降低主要因為地表可沖刷泥沙逐漸減少，其次因坡面水流逐漸穩(wěn)定，對地表形成保護膜，沖刷水流難以繼續(xù)剝蝕。10，50，70 m坡長徑流小區(qū)的含沙量基本在產流3 min后減小逐漸趨于穩(wěn)定，但是30 m坡長徑流小區(qū)有所不同，沖刷流量為1.00 L/min條件下初始含沙量最高，17 min后減小逐漸趨于穩(wěn)定，可見30 m坡長小區(qū)在大流量沖刷情況下發(fā)生的侵蝕最為嚴重。說明坡長對產沙過程存在一定程度的影響，主要原因是隨著坡長的增加，泥沙會產生沉積—運移—在沉積的反復過程，此過程必然會引起含沙量的波動。

圖4 模擬沖刷試驗含沙量隨時間的變化過程

2.3 產流、產沙總量

徑流量是指在一場沖刷試驗里坡面累積產流總量(圖5)。由圖5可知，相同坡長中累積產流量均隨沖刷流量增大而增加。在坡長為50和70 m情況下，0.34 L/min沖刷流量的累積產流量較0.67和1.00 L/min的累積產流量低很多，可能是由于沖刷水流小，坡面水流弱，加之坡長延長與起壟耕作增加水流的入滲量的緣故。沖刷流量為0.34 L/min時，30 m坡長累積產流量最大，但沖刷流量控制在0.67和1.00 L/min狀況下，累積產流量均隨坡長增加而增加。50和70 m長坡中，當沖刷流量增大后，壟作坡面水流動力增強，極易使壟臺倒塌，快速形成新水流路徑，相同時段收集徑流量增大。小沖刷流量試驗下卻在30 m坡長出現(xiàn)最大徑流量，主要是與其他壟作坡長相比，30 m壟作坡面即保證了水流發(fā)揮動能的長度，快速導致壟臺失穩(wěn)、崩塌形成坡面徑流通路，此時收集的徑流總量最大，當坡長繼續(xù)延長反而削弱了水流動能，因此相同試驗條件下，坡長增加后累積徑流量反而減少。

泥沙量是表征坡面土壤流失輕重的最直觀數(shù)值，不同沖刷流量與不同坡長累積產沙量變化如(圖5)所示。相同坡長，沖刷流量越大侵蝕越嚴重，說明沖刷水流強弱是導致土壤侵蝕的主控因素。沖刷流量相同情況下，坡長變化卻引起了不同程度的侵蝕，30 m坡長小區(qū)累積產沙量最大即侵蝕強度最大。尤其沖刷流量為1.00 L/min情況下，30 m坡長小區(qū)的侵蝕量是10 m坡長的4.2倍。不同坡長累積產沙量有以下規(guī)律：0.34 L/min沖刷流量侵蝕量表現(xiàn)為：30 m>10 m>70 m>50 m；沖刷流量為0.67 L/min及1.00 L/min侵蝕量大小順序為：30 m>50 m>70 m>10 m。本試驗結果顯示30 m坡長是橫坡壟作坡耕地侵蝕強弱的臨界坡長，其主要原因是坡面侵蝕過程中坡長足夠長的話侵蝕泥沙會表現(xiàn)出侵蝕—沉積—侵蝕—再沉積的反復過程，這一過程中30 m的坡長恰好完成第一個侵蝕過程，此時收集的泥沙量最大。坡長繼續(xù)增加會出現(xiàn)侵蝕之后的再沉積，反而使收集的泥沙總量減少，而同沖刷強度，短坡水流動力弱，難以對泥沙進行剝蝕運移。相同坡長條件下，10，50和70 m坡長泥沙量隨沖刷流量增強而增加，但增幅差異較小，而30 m坡長泥沙量增幅較大，其主要原因是在30 m的坡面上水流能快速剝蝕泥沙，且用以泥沙的搬運，所以在沖刷流量增加后，產沙量增幅明顯，其他坡長累積產沙量增幅小是因為小坡長坡面水流弱難以對泥沙進行剝蝕運移，大坡長坡面水流雖強，但泥沙伴隨水流下行過程中在坡面的沉積現(xiàn)象較嚴重，因此增幅較低。

圖5 不同沖刷流量下的產流和產沙量

2.4 淺溝侵蝕形態(tài)發(fā)育特征

長緩坡壟作坡面上進行放水沖刷試驗，觀察發(fā)現(xiàn)，小流量沖刷下，壟臺上會形成密集的細溝，隨著放水沖刷的持續(xù)，壟臺上的細溝逐步發(fā)生下切侵蝕與溯源侵蝕，且細溝逐步清晰，在徑流小區(qū)整個坡面上逐漸貫通為一條線。沖刷流量增大后，細溝迅速貫穿整個坡面，且溝道下切明顯，形成較多跌坎，因此沖刷流量增大后，各壟作坡長侵蝕明顯增加，在淺溝侵蝕情況下，坡面下方侵蝕量大于上方，坡長越長越明顯。其原因是坡面上放來水勢能轉化為動能，增加了對下坡面淺溝的沖刷能力。

2.5 坡長、沖刷流量對產流產沙關系的影響

通過分析0.34，0.67，1.00 L/min這3個沖刷流量在10，30，50和70 m這4個坡長的坡面徑流率和含沙量相關性(表2)，得出沖刷流量為0.34 L/min時，10，30，50和70 m這4種坡長的徑流率和含沙量都在置信度為0.01的相關性水平上顯著相關，即徑流率和含沙量極強相關。70 m坡長，0.67 L/min沖刷流量，徑流率和含沙量在置信度為0.01的相關性水平上顯著相關，沖刷流量0.67 L/min和1.00 L/min在其他各坡面徑流率和含沙量表現(xiàn)為弱相關或不相關。當沖刷流量較小時，坡面水流動力弱，產生細溝分支少，水流流路較穩(wěn)定，徑流攜帶的泥沙量隨產流時間的增加波動性小。而當沖刷流量較大時，坡面水流動力強，坡面細溝分支多，水流走向較不穩(wěn)定，且細溝下切嚴重，徑流量和產沙量的變化波動性更強。坡長影響著水流的入滲和流動方式。較長坡的徑流率和含沙量間的相關性相對短坡更強。因此在長坡壟作坡面上，要通過減緩坡長進行分級。

表2 不同坡長下徑流率與含沙量的相關性分析

2.6 累積產流量與累積產沙量間的關系

分別擬合10，30，50，70 m坡長累積產流量與累積產沙量隨坡長變化存在良好的線性關系(表3)，累積產沙量隨累積流量的增加而增加，坡長越短，累積產沙量隨產流量的增加明顯，且線性關系越強。

表3 累積產沙量與累積產流量之間的關系

3 討 論

坡長是作為黑土區(qū)重要的地形因素，加之壟作方式對天然坡面的改變，致使黑土區(qū)土壤侵蝕更具有復雜性。坡長所引起的坡面擴大增加水流的匯流面積，同時起壟耕作延長了水流與坡面的接觸時間。伴隨沖刷流量的改變，不同壟作坡長產流產沙過程均有不同規(guī)律。本研究表明，同坡長沖刷流量大產流量則大，放水沖刷開始水流要先蓄滿壟溝，然后再向下流動，可見橫壟耕作有較好的蓄水作用[19]，壟溝通過儲蓄水流，延長坡面水流下行，從而增加入滲。坡長增加之后，由于坡面面積增大上方?jīng)_刷流量增加，導致徑流率增加，這與魏霞等[20]的研究結果一致。Fu Suhua等[21]研究也發(fā)現(xiàn)徑流率隨坡長延長逐漸增加。但是郭軍權等[22]通過恒定沖刷流量，探究不同坡長產流產沙規(guī)律中發(fā)現(xiàn)，隨著坡長的增加，水流與土壤的接觸面積增大，入滲量增加，如果沖刷流量恒定，坡長延長后徑流率必然減少?？梢娔M降雨沖刷試驗與等流量沖刷試驗的結果完全不同。壟作長緩坡產沙過程較為復雜。沖刷強弱是引起長緩坡水土流失的主要因素，相同坡長沖刷流量越大，坡面侵蝕越嚴重。而沖刷流量維持恒定時，最大侵蝕量均出現(xiàn)在30 m坡長，可見坡長對黑土區(qū)壟作坡面侵蝕產沙過程具有較大影響[23]，在一定坡長范圍下坡耕地侵蝕—沉積交替出現(xiàn)?？梢詫?0 m左右長度視為黑土坡耕地侵蝕產沙的臨界坡長，此結果與汪驍勇和姚璟等在黃土區(qū)的研究[24-25]一致。雖然壟作可減緩土壤侵蝕[26]，且起壟耕作作為東北黑土區(qū)長緩坡現(xiàn)階段主要耕作方式[27-28]，但仍建議在現(xiàn)有耕作方式基礎上，每隔30～40 m內建設地埂或植物帶，更有效減緩長坡引起的土壤侵蝕。

4 結 論

(1) 沖刷流量影響徑流量。沖刷流量0.34 L/min情況下最大徑流量出現(xiàn)在30 m坡長，0.67 L/min和1.00 L/min沖刷流量的徑流量均隨坡長增加而增加。沖刷流量越大徑流率越高，各坡面徑流率隨沖刷歷時呈先增加后減小最終趨于穩(wěn)定。

(2) 土壤流失量受坡長影響，且存在閾值。10 m壟作短坡中侵蝕含沙量隨沖刷歷時的增加呈先增大后減小的趨勢，且變化較劇烈。長坡(30，50，70 m)壟作耕地含沙量的變化相對平緩，呈遞減趨勢，且坡長越長遞減速率越明顯。在3種沖刷流量的試驗中，侵蝕最嚴重均出現(xiàn)在30 m坡長，侵蝕強度變化規(guī)律如下：沖刷流量為0.34 L/min侵蝕量表現(xiàn)為：30 m>10 m>70 m>50 m；0.67 L/min和1.00 L/min沖刷侵蝕量順序為:30 m>50 m>70 m>10 m。沖刷流量為1.00 L/min情況下，30 m坡長侵蝕量是10 m坡長的4.2倍。

(3) 徑流系數(shù)與徑流中泥沙含量存在顯著相關關系。沖刷流量為0.34 L/min時，10，30，50，70 m這4種坡長的徑流系數(shù)和徑流中含沙量相關性顯著，徑流率和含沙量間的相關性表現(xiàn)為：長坡>短坡。累積產沙量隨累積流量的增加而增加。坡長越短，累積產沙量隨產流量的增加越明顯，且線性關系越強。

本試驗通過對黑土地壟作長緩坡進行徑流小區(qū)沖刷試驗得出一些研究結論，為壟作長緩坡土壤侵蝕的預測和水土保持措施的布置提供了科學依據(jù)，但由于本試驗是在野外天然坡面進行模擬不同降雨強度的放水沖刷，與天然降雨以及農作物生長下的下墊面仍有不同，雖然試驗期間天氣變化不大，但依舊有一定的影響，據(jù)此本試驗研究主要分析了過程的變化，下一步需深入開展驅動機制研究。