黑土穩(wěn)定邊坡下徑流和泥沙量對(duì)次降雨的響應(yīng)

李志飛，楊慶楠，徐金忠，郝燕芳

(1.黑龍江省水利科學(xué)研究院，黑龍江 哈爾濱 150080；2.黑龍江省水土保持重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150070)

近年來(lái)，政府逐步開(kāi)展了侵蝕溝的專(zhuān)項(xiàng)治理工程，現(xiàn)有治理體系主要包括溝頭跌水、溝谷底坊以及邊坡的削坡造林。侵蝕溝治理效益的科學(xué)評(píng)價(jià)，侵蝕溝治理技術(shù)水平的持續(xù)提高是防治水土流失、保護(hù)黑土地的研究重點(diǎn)[1-4]。

邊坡的不穩(wěn)定是造成溝岸坍塌、擴(kuò)張的主要影響因素，工程設(shè)計(jì)中，表現(xiàn)為把不穩(wěn)定的、較陡的侵蝕溝邊坡削坡至35°或1∶1.5(33.69°)，使其接近土壤安息角，從而達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。邊坡的穩(wěn)定可以有效遏制溝岸的坍塌擴(kuò)張，但是實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)穩(wěn)定的邊坡仍然會(huì)存在水土流失問(wèn)題；探索地表徑流、輸沙過(guò)程對(duì)降雨的響應(yīng)規(guī)律，才能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)水土流失，評(píng)價(jià)土壤侵蝕[5-8]。為準(zhǔn)確掌握黑土穩(wěn)定邊坡下的水土流失情況，本文運(yùn)用徑流小區(qū)實(shí)地觀測(cè)的方法，研究次降雨過(guò)程中穩(wěn)定邊坡下的徑流量和泥沙量，為黑土區(qū)侵蝕溝治理工程中邊坡防護(hù)問(wèn)題提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于黑龍江省賓縣水土保持科技示范園內(nèi)，地理坐標(biāo)127°24′47″E，45°44′57″N，地貌類(lèi)型屬丘陵漫崗，主要土壤類(lèi)型有黑土、草甸土。氣候類(lèi)型屬中溫帶半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候，多年平均降雨量550 mm，主要集中在6—9月份，多年平均徑流量170 mm，年均溫度3.2 ℃，年均日照時(shí)數(shù)為2732 h，≥10℃積溫2400 ℃，年均風(fēng)速3.1 m/s，無(wú)霜期128 d。

1.2 試驗(yàn)設(shè)置

整修1∶1.5 (33.69°)邊坡，在邊坡上設(shè)置長(zhǎng)、寬為2 m×1 m的2個(gè)微型徑流小區(qū)，小區(qū)邊界由鐵板構(gòu)成(地上部分20 cm，地下埋深20 cm)，下設(shè)集流桶(上口直徑28.5 cm，下口直徑25.5 cm，高34.0 cm)。處理方式為裸坡和植草護(hù)坡(無(wú)芒雀麥+紫花苜蓿+早熟禾)。草種按照50 g/m2混播方式，均勻撒播，覆土0.5～1.0 cm后灑水，出苗后無(wú)須管理。

1.3 數(shù)據(jù)采集與處理

2018年6—9月，人工采集次降雨后的徑流量和泥沙量，共采集到24組次降雨的徑流量和泥沙量數(shù)據(jù)。降雨數(shù)據(jù)采用SL-2型虹吸式雨量計(jì)測(cè)量；泥沙樣品采用烘干法測(cè)定。定期對(duì)植草小區(qū)拍照，計(jì)算植被蓋度如表1所示。數(shù)據(jù)采用SPSS、EXCEL等軟件處理分析。

表1 徑流小區(qū)6—9月平均植被蓋度 %

2 結(jié)果與分析

2.1 穩(wěn)定邊坡下徑流量對(duì)次降雨的響應(yīng)

6—9月，研究區(qū)內(nèi)共發(fā)生24次自然降雨事件，總降雨量199.6 mm，按月份依次為14.4 mm、95.8 mm、50.5 mm、38.9 mm。裸坡小區(qū)總徑流量64.85 mm，徑流系數(shù)0.32；植草護(hù)坡小區(qū)總徑流量40.88 mm，徑流系數(shù)0.20。植草護(hù)坡小區(qū)徑流量比裸坡小區(qū)徑流量小，減流比例36.96%，植被覆蓋的減流作用明顯；且隨著植被蓋度的增加，減流作用呈增加趨勢(shì)。見(jiàn)圖1。

圖1 徑流小區(qū)次降雨產(chǎn)流情況

由表2可以看出，兩個(gè)小區(qū)的徑流量均與降雨量和降雨侵蝕力(EI30)呈極顯著正相關(guān)，且植草護(hù)坡小區(qū)的相關(guān)性系數(shù)略高于裸坡小區(qū)，說(shuō)明徑流量直接受降雨影響，且植被覆蓋情況下對(duì)降雨的響應(yīng)更明顯。徑流量與平均雨強(qiáng)呈正相關(guān)，與降雨歷時(shí)呈負(fù)相關(guān)，且相關(guān)性差。

表2 徑流量與降雨因子相關(guān)性分析(Pearson)

2.2 穩(wěn)定邊坡下泥沙量對(duì)次降雨的響應(yīng)

6—9月，裸坡小區(qū)總泥沙量1520.06 g，植草護(hù)坡小區(qū)總泥沙量624.99 g，植草護(hù)坡小區(qū)泥沙量比裸坡小區(qū)泥沙量小895.07 g，減沙比例58.88%，植被覆蓋的減沙作用明顯；且隨著植被蓋度的增加，減沙作用愈加顯著。經(jīng)轉(zhuǎn)換，裸坡小區(qū)土壤侵蝕模數(shù)為760.03 t/(km2·a)，植草護(hù)坡小區(qū)土壤侵蝕模數(shù)為312.49 t/(km2·a)，按照黑土區(qū)土壤侵蝕強(qiáng)度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，仍然超過(guò)了200 t/(km2·a)的土壤侵蝕容許流失量。

由圖2可知，主要產(chǎn)沙過(guò)程在7月16日和6月20日。其中，7月16日，當(dāng)日降雨量39.1 mm，為年度最大日降雨量，達(dá)到大雨—暴雨級(jí)別，當(dāng)日裸坡小區(qū)泥沙量457.6 g，植草護(hù)坡小區(qū)泥沙量134.4 g，分別占其全年產(chǎn)沙量的30%和22%，大到暴雨是邊坡土壤流失的主要驅(qū)動(dòng)因素。6月20日，降雨量?jī)H為9.0 mm，但因徑流小區(qū)建設(shè)的土壤擾動(dòng)、植被覆蓋度低等因素，泥沙量較大；隨著土壤緊實(shí)度、植被覆蓋度的增加，后期8—9月份，在降雨量基本相同的情況下，泥沙量銳減。

圖2 徑流小區(qū)次降雨產(chǎn)沙情況

由表3可以看出，裸坡小區(qū)的泥沙量與降雨量和降雨侵蝕力(EI30)呈極顯著正相關(guān)；泥沙量與降雨歷時(shí)呈負(fù)相關(guān)，與平均雨強(qiáng)呈正相關(guān)，且相關(guān)性均不大。植草護(hù)坡小區(qū)的泥沙量與降雨量相關(guān)性不顯著，與降雨侵蝕力(EI30)相關(guān)性顯著；泥沙量與降雨歷時(shí)、平均雨強(qiáng)呈負(fù)相關(guān)，且相關(guān)性不大。說(shuō)明，裸坡小區(qū)的泥沙量對(duì)次降雨的響應(yīng)明顯，植草護(hù)坡小區(qū)因有植被覆蓋、根系影響等對(duì)次降雨的響應(yīng)相對(duì)遲緩，從而反映出植被的減沙作用[9]。

表3 泥沙量與降雨因子相關(guān)性分析

3 結(jié) 論

(1)黑土穩(wěn)定邊坡下，徑流量對(duì)次降雨響應(yīng)極顯著；植草護(hù)坡小區(qū)相對(duì)于裸坡小區(qū)，減流作用明顯。裸坡小區(qū)的泥沙量大，對(duì)次降雨響應(yīng)極顯著；植草護(hù)坡小區(qū)的泥沙量小，對(duì)次降雨的響應(yīng)相對(duì)遲緩，減沙作用顯著。大到暴雨是邊坡土壤流失主要驅(qū)動(dòng)因素。

(2)在穩(wěn)定邊坡1∶1.5下，裸坡小區(qū)土壤侵蝕模數(shù)達(dá)到了760.03 t/(km2·a)，植被覆蓋雖然減流減沙作用明顯，但是土壤侵蝕模數(shù)仍然達(dá)到了312.49 t/(km2·a)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了黑土區(qū)土壤侵蝕容許流失量200 t/(km2·a)，邊坡水土流失未得到根治。

(3)在1∶1.5坡度下，受立地條件影響，單一的林草措施無(wú)法根治邊坡水土流失，建議優(yōu)化改進(jìn)現(xiàn)有措施，輔以適當(dāng)?shù)墓こ檀胧行Э刂魄治g溝穩(wěn)定邊坡下的水土流失。