耕作微地形單元對(duì)濺蝕的影響

王子軒，吳發(fā)啟，陳科兵

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所，陜西 楊凌 712100；2.西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，陜西 楊凌 712100)

濺蝕作為降雨前期的主要侵蝕類(lèi)型因?qū)е峦寥李w粒發(fā)生躍遷，壓實(shí)地表形成結(jié)皮，造成土壤入滲能力下降、土壤生產(chǎn)力退化等現(xiàn)象而受到人們的廣泛關(guān)注。Ellison首次采用濺蝕杯法研究了雨滴濺蝕的特征，后來(lái)的研究者發(fā)現(xiàn)，土壤濺蝕量大小受到濺蝕杯半徑大小的影響，為此先后出現(xiàn)了采用濺蝕板和濺蝕盤(pán)來(lái)研究濺蝕，其結(jié)果證實(shí)，濺蝕量隨著降雨強(qiáng)度和坡度的增大而增大?？梢?jiàn)，地形的形態(tài)特征是影響濺蝕量大小的主要因素之一。在長(zhǎng)期的生產(chǎn)實(shí)踐中，人們創(chuàng)造性地構(gòu)建了農(nóng)業(yè)耕作技術(shù)體系，特別是耕作措施形成高低起伏的微地形，實(shí)現(xiàn)蓄水、保墑和增產(chǎn)的目標(biāo)。與此同時(shí)，對(duì)濺蝕也產(chǎn)生了影響。降雨過(guò)程中微地形總是處于一個(gè)動(dòng)態(tài)的變化過(guò)程，且不同降雨條件下不同管理措施坡面地表微地形表現(xiàn)出一定程度的不規(guī)則性。關(guān)于微地形對(duì)土壤濺蝕影響的研究成果存在較大的差異。鄭子成等經(jīng)過(guò)降雨模擬試驗(yàn)后得出，在降雨作用后地表的隨機(jī)糙度變化呈增加趨勢(shì)，在降雨強(qiáng)度增加的情況下，隨機(jī)糙度的變化量也呈增加趨勢(shì)，并在2 m×1 m的沖刷槽上，采用人工模擬降雨的方法得出順坡壟作和橫坡壟作在大雨強(qiáng)條件下向下坡、上坡及濺蝕總分散量增加；趙龍山等在1 m×0.5 m×0.5 m的土槽中通過(guò)對(duì)鋤耕、掏挖、等高耕作等微地形特征的模擬得出，增大地表的糙度可以減弱濺蝕的作用。這些研究成果均是在沖刷槽中布設(shè)相同措施、不同數(shù)量的條件下得出的，是多個(gè)微地形的綜合作用?，F(xiàn)有微地形對(duì)土壤濺蝕量的研究均從大面積尺度上進(jìn)行試驗(yàn)分析，對(duì)空間上不連續(xù)的微地形單元濺蝕量研究仍是一項(xiàng)空白。因此，本文以楊凌塿土為研究對(duì)象，通過(guò)模擬降雨試驗(yàn)，在25 cm×20 cm×15 cm尺寸裝土槽上布設(shè)條播和點(diǎn)種耕作措施收集不同方向?yàn)R蝕量的方法，深入探究濺蝕的潛在機(jī)理，為黃土高原濺蝕發(fā)生的機(jī)制提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試土樣

選擇陜西省楊凌示范區(qū)的坡耕地表層(0—20 cm)土壤為供試土樣。土壤為塿土，其理化性質(zhì)為有機(jī)質(zhì)含量7.4%，黏粒含量30.3%，粉粒含量50.8%，砂粒含量21.5%。

1.2 試驗(yàn)裝置

該試驗(yàn)于2019年6—8月在西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持工程實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。采用針頭式模擬降雨機(jī)(圖1)。降雨機(jī)由恒壓水箱、雨滴發(fā)生裝置及鋼筋框架三部分構(gòu)成。通過(guò)調(diào)節(jié)水箱中玻璃管內(nèi)水頭高度改變水箱的壓強(qiáng)使降雨強(qiáng)度恒定。雨滴發(fā)生裝置為下噴式，由長(zhǎng)方形凹槽和底部的80個(gè)針頭組成。為解決雨滴始終打擊在同一點(diǎn)的問(wèn)題，在查閱了針頭式模擬降雨機(jī)相關(guān)文獻(xiàn)后，在雨滴發(fā)生裝置的側(cè)方安裝了線性震動(dòng)馬達(dá)，改變雨滴下落的軌跡。

圖1 針頭式模擬機(jī)降雨機(jī)示意

采用長(zhǎng)25 cm×寬20 cm×高15 cm尺寸鐵盒作為裝土槽。收集裝置為2塊122 cm×244 cm的木工板拼接在一起，在木工板上按照方向的不同標(biāo)定出北—西北、西北—西、西—西南、西南—南、南—東南、東南—東、東—東北、東北—北8個(gè)區(qū)域，并將每個(gè)區(qū)域按照<10，10～30，30～50 cm的距離分為三部分(圖2)。進(jìn)行預(yù)試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，在任意雨強(qiáng)和坡度的條件下均未發(fā)生超過(guò)50 cm的土粒飛濺，故收集裝置的距離范圍上限為50 cm。在每個(gè)網(wǎng)格中放置事先稱(chēng)好的濾紙，降雨結(jié)束后將每個(gè)區(qū)域的濾紙放入事先稱(chēng)好的鋁盒中，一并放入烘箱烘干并稱(chēng)重，烘干后將鋁盒與濾紙的總重與降雨前鋁盒與濾紙的總重作差視為每個(gè)區(qū)域的濺蝕量。稱(chēng)重時(shí)使用萬(wàn)分之一天平。

圖2 濺蝕收集盤(pán)示意

1.3 試驗(yàn)處理

該試驗(yàn)主要模擬平地上點(diǎn)種與條播(分為橫向條播和縱向條播)對(duì)濺蝕的影響。以無(wú)耕作措施的平整地為對(duì)照，3種措施分別通過(guò)掏挖和填土來(lái)實(shí)現(xiàn)。處理前將采集的土壤過(guò)1 cm篩，裝槽填土?xí)r使容重保持在1.20 g/cm左右。降雨強(qiáng)度設(shè)定為20，40，60，80，100，120 mm/h 6個(gè)處理，降雨歷時(shí)為10 min。具體處理為：(1)對(duì)照，將土體壓實(shí)裝入土盒內(nèi)，并將表面剮平，壓碎大顆粒土塊；(2)點(diǎn)種，在槽子的后方用撅頭挖1個(gè)直徑為20 cm、深度為10 cm的小坑，挖出來(lái)的土就地堆放于槽子表面的正前方；(3)條播，在裝土的同時(shí)沿槽子長(zhǎng)邊起土堆成三角形的土壟，壟的底寬20 cm，長(zhǎng)25 cm，壟高分別為1.0，1.7，2.3，3.6，4.9 cm。試驗(yàn)時(shí)，首先將條播槽子放成東西向(定義為橫向條播)，下一輪將試驗(yàn)又將其放成南北向(定義為縱向條播)，以模擬微地形傾向?qū)R蝕的影響(圖3)。采用Origin 2017軟件進(jìn)行不同雨強(qiáng)條件下耕作微地形特征與濺蝕量關(guān)系圖的繪制，SPSS 20軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的相關(guān)性檢驗(yàn)。

圖3 不同耕作微地形單元示意

2 結(jié)果與分析

2.1 不同耕作微地形濺蝕數(shù)量特征

表1為3種耕作措施的濺蝕總分散量特征。平地與點(diǎn)種的最大值是降雨強(qiáng)度為120 mm/h時(shí)造成的濺蝕總分散量，最小值是降雨強(qiáng)度為20 mm/h時(shí)造成的濺蝕總分散量。橫向條播和縱向條播的最大值是降雨強(qiáng)度為120 mm/h且壟高為4.9 cm時(shí)造成的濺蝕總分散量，最小值是降雨強(qiáng)度為20 mm/h且壟高為1 cm時(shí)造成的濺蝕總分散量。由表2可知，相較于平整地，點(diǎn)種微地形單元的濺蝕總分散量的最大值和最小值分別減少12%和19.1%，平均值減少4.6%。橫向條播微地形單元的濺蝕總分散量的最大值和最小值分別增加47.7%和1.6%，平均值增加14.9%?？v向條播的濺蝕總分散量的最大值和最小值分別增加44.8%和2.3%，平均值增加14.1%。說(shuō)明不同降雨強(qiáng)度、不同微地形特征條件下的濺蝕總量差異明顯。

表1 不同耕作微地形濺蝕總分散量特征 單位：g

2.2 坡度和降雨強(qiáng)度對(duì)濺蝕量的影響

不同坡度和降雨強(qiáng)度對(duì)濺蝕總分散量的影響存在顯著差異。為研究坡度對(duì)濺蝕量的影響，將水平條播的隆起坡度設(shè)置為0，6°，10°，13°，20°，26°，將向前方濺蝕量定義為向下坡濺蝕量。從圖4可以看出，向下坡濺蝕量隨著坡度的增大顯著增加。20，40 mm/h降雨條件下向下坡濺蝕量隨著坡度的增大分別增加53.6%～176.5%和56.6%～190.1%；60，80 mm/h降雨條件下向下坡濺蝕量隨著坡度的增大分別增加55.1%～242.9%和65.1%～260.5%；100，120 mm/h降雨條件下向下坡濺蝕量隨著坡度的增大分別增加69.3%～282.3%和69.1%～310.4%。

圖4 微坡度與向下坡濺蝕量的關(guān)系

從圖5可以看出，濺蝕總分散量隨著降雨強(qiáng)度的增加呈增加趨勢(shì)。平整地(坡度為0)和6°坡面濺蝕總分散量隨著降雨強(qiáng)度的增大分別增加4.7%～44.9%和6.8%～59.6%。10°和13°坡面的濺蝕總分散量隨著降雨強(qiáng)度的增大分別增加6.6%～122.8%和14.5%～136.2%。20°和26°坡面的濺蝕總分散量隨著降雨強(qiáng)度的增大分別增加4.7%～87.3%和9.9%～115.1%。

圖5 降雨強(qiáng)度與濺蝕總量的關(guān)系

通過(guò)對(duì)濺蝕向下坡濺蝕量和降雨強(qiáng)度及坡度進(jìn)行多元回歸分析，得到方程為：

=0.142+0.053-0.0373，=0.905，=36

(1)

式中：為向下坡濺蝕量(g)；為降雨強(qiáng)度(mm·h)；為坡度(°)；為樣本數(shù)。

由回歸方程可知，向下坡濺蝕量與降雨強(qiáng)度和坡度呈二元一次函數(shù)關(guān)系。向下坡濺蝕量與二者均呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系。因?yàn)榻涤陱?qiáng)度和坡度的冪指數(shù)均為1，說(shuō)明在該試驗(yàn)條件下，降雨強(qiáng)度對(duì)向下坡濺蝕量的影響程度與坡度對(duì)向下坡濺蝕量的影響程度相近。

2.3 微坡向?qū)R蝕量的影響

從圖6可以看出，微坡向?qū)Ω鞣较驗(yàn)R蝕量的影響明顯。相較于平整地，點(diǎn)種微地形單元的向北方向?yàn)R蝕量增加68.8%～227.0%，向南方向?yàn)R蝕量減少57.5%～90.8%。向東方向?yàn)R蝕量和向西方向?yàn)R蝕量分別減少24.1%～58.8%和30.2%～57.7%。相較于平整地，縱向條播微地形單元的向東方向?yàn)R蝕量和向西方向?yàn)R蝕量分別增加8.6%～197.1%和18.9%～124.0%，向北方向?yàn)R蝕量和向南方向?yàn)R蝕量分別減少40.1%～87.0%和13.0%～58.9%。相較于平整地，水平條播微地形單元的向東方向?yàn)R蝕量和向西方向?yàn)R蝕量分別減少27.2%～76.9%和32.0%～73.0%。當(dāng)降雨強(qiáng)度為20 mm/h時(shí)，水平條播微地形單元的向北方向?yàn)R蝕量和向南方向?yàn)R蝕量分別減少26.4%和10.8%。當(dāng)降雨強(qiáng)度>20 mm/h時(shí)，向北方濺蝕量和向南方向?yàn)R蝕量分別增加59.6%～183.0%和97.9%～217.1%。相較于平整地，點(diǎn)種微地形單元的向北方向?yàn)R蝕量占濺蝕總分散量的百分比增加82.9%～189.6%，向南方向?yàn)R蝕量占濺蝕總分散量的百分比減少55.2%～87.6%。向東方向?yàn)R蝕量和向西方向?yàn)R蝕量占濺蝕總分散量的百分比分別減少27.2%～47.9%和26.4%～51.9%。相較于平整地，水平條播微地形單元的向北方向?yàn)R蝕量和向南方向?yàn)R蝕量占濺蝕總分散量的百分比分別增加35.9%～81.6%和55.5%～95.0%，向東方向?yàn)R蝕量和向西方向?yàn)R蝕量占濺蝕總分散量的百分比減少49%～70.5%。相較于平整坡，縱向條播微地形單元的向北方向?yàn)R蝕量和向南方向?yàn)R蝕量占濺蝕總分散量的百分比分別減少62.1%～86.1%和41.1%～54.2%，向東方向?yàn)R蝕量和向西方向?yàn)R蝕量占濺蝕總分散量的百分比分別增加41.2%～79.4%和28.9%～96.6%。說(shuō)明微坡向在微地形單元內(nèi)改變?yōu)R蝕的方向和分布情況。

圖6 微坡向與濺蝕量關(guān)系

相關(guān)分析(表2)表明，點(diǎn)種耕作微地形單元的降雨強(qiáng)度與北方向?yàn)R蝕量存在0.1水平上的顯著相關(guān)，與東西方向?yàn)R蝕量存在0.05水平上顯著相關(guān)。條播耕作微地形單元的降雨強(qiáng)度與每個(gè)方向的濺蝕量均存在0.1水平上的顯著相關(guān)。

表2 降雨強(qiáng)度與不同坡向相關(guān)性

3 討 論

由結(jié)果分析可知，向下坡濺蝕量隨著坡度和降雨強(qiáng)度的增加呈二元一次線性關(guān)系(>0.9)，濺蝕總分散量隨著降雨強(qiáng)度的增加呈線性增加(>0.93)。這與鄭子成等對(duì)地表糙度對(duì)濺蝕量影響試驗(yàn)研究的結(jié)果相似。坡度的增加導(dǎo)致土體表面產(chǎn)生沿著土體表面向下方向的剪切力，促使土粒更易向前方發(fā)生躍遷，雨滴與土粒撞擊時(shí)垂直于斜面的分力變小使其對(duì)地面的壓實(shí)效果變?nèi)?，且沿斜面向下的分力增大，因此?dǎo)致向下坡濺蝕量的增加。坡度的增加使土壤含水量和土粒自身的黏結(jié)力下降，導(dǎo)致土粒本身更容易向下坡發(fā)生濺蝕。降雨強(qiáng)度的增大使雨滴動(dòng)能增大，導(dǎo)致雨滴與土粒發(fā)生撞擊后作為土粒發(fā)生躍遷的直接動(dòng)能增大。同時(shí)降雨強(qiáng)度的增大后雨滴擊打的頻率更加密集，導(dǎo)致發(fā)生躍遷土粒數(shù)量的增加。坡度的增加導(dǎo)致土壤黏結(jié)力減弱，坡面穩(wěn)定性下降，同時(shí)雨滴側(cè)向剪切力的增大，使關(guān)系式(1)中回歸系數(shù)的值增大。宏觀表現(xiàn)為隨著坡度的增加，降雨強(qiáng)度對(duì)向下坡濺蝕量的影響更加明顯。微坡向在微地形單元內(nèi)改變?yōu)R蝕的方向和分布情況。由于微坡度的存在將平行于坡面的剪切力分為向上坡方向、向下坡方向和側(cè)坡方向，相較于平整地，微坡度使剪切力沿向下坡方向的分力增加，向上坡的分力減小，造成土粒更易向下坡的方向發(fā)生躍遷。宏觀表現(xiàn)為濺蝕朝著微坡向的方發(fā)生的百分比增加。點(diǎn)種措施的后半部分存在土坑，使部分土粒無(wú)法躍遷出土坑，同時(shí)前半部分的土堆微坡度存在差異，導(dǎo)致降雨強(qiáng)度與東西方向?yàn)R蝕量顯著性降低，南方向相關(guān)性不顯著。

前人的結(jié)論多基于野外徑流觀測(cè)和小區(qū)試驗(yàn)，本研究結(jié)論基于單位面積室內(nèi)試驗(yàn)。由于耕作微地形單元影響濺蝕量的主要因素——土粒的重力和雨滴剪切力的大小均未發(fā)生變化，因此得出的結(jié)論可以進(jìn)行對(duì)比。大面積尺度的濺蝕試驗(yàn)中，存在土槽內(nèi)部土粒發(fā)生躍遷無(wú)法收集且向下坡濺蝕和向上坡濺蝕相互抵消的現(xiàn)象。因此與鄭子成等2 m×1 m的沖刷槽試驗(yàn)和趙龍山等1 m×0.5 m的土槽模擬降雨試驗(yàn)相比，本試驗(yàn)的單位面積濺蝕量同面積比例放大后顯著高于前兩者。因此，進(jìn)行耕作微地形單元濺蝕量的研究十分必要。

4 結(jié) 論

(1)在雨滴剪切力和土粒重力的共同作用下，單位面積微地形單元的向下方濺蝕量在不同降雨強(qiáng)度條件下隨著坡度的增大而增加53.6%～310.4%。

(2)不同坡度條件下單位面積微地形單元的濺蝕量隨著雨強(qiáng)的增大而增加4.7%～136.2%，隨著坡度的增大，濺蝕總量隨著雨強(qiáng)的增大趨勢(shì)更明顯。

(3)微坡向在微地形單元內(nèi)影響濺蝕方向和分布情況，沿微坡面方向的濺蝕量顯著增加。