坡度對(duì)紫色土坡耕地產(chǎn)流產(chǎn)沙特征的影響

奚 宏，唐繼斗，史東梅，冉文建，楊 軍

(1.重慶市水土保持監(jiān)測(cè)總站，401147，重慶；2.西南大學(xué)，400700，重慶；3.重慶市萬(wàn)州區(qū)水利局，404020，重慶)

水土流失是當(dāng)今世界最嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題之一。紫色土丘陵區(qū)作為長(zhǎng)江上游最為重要的農(nóng)業(yè)耕作區(qū)域之一。該區(qū)水土流失類型以水力侵蝕為主，坡耕地是其主要發(fā)生地[1]。據(jù)第1次全國(guó)水利普查數(shù)據(jù), 該區(qū)水土流失面積16.2萬(wàn)km2, 占幅員面積的31.76%, 中度及以上水土流失面積占水土流失總面積的64.10%[2]。降雨是坡耕地產(chǎn)流產(chǎn)沙的先決條件, 徑流量和產(chǎn)沙量的大小不僅取決于降雨強(qiáng)度和降雨量, 還主要受坡度[3-11]的影響。韓旭等[12]研究發(fā)現(xiàn)土壤侵蝕程度隨坡度增加而增大，坡度超過(guò)20°后土壤侵蝕嚴(yán)重加劇。產(chǎn)沙量隨降雨強(qiáng)度的增加而增大，而植被蓋度的增加明顯降低產(chǎn)流產(chǎn)沙量[13]。Dai等[14]研究發(fā)現(xiàn)在細(xì)溝填筑的前提下，產(chǎn)沙量隨坡度的增大而顯著增加，且細(xì)溝填筑與坡度之間存在耦合關(guān)系。對(duì)降雨強(qiáng)度和坡度對(duì)溝壟作土壤和產(chǎn)流的影響研究表明，隨著降雨強(qiáng)度和坡度的增加，土壤表面將會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的細(xì)溝侵蝕，產(chǎn)流產(chǎn)沙量迅速增加[15]。在一個(gè)比較長(zhǎng)的系列中，徑流小區(qū)產(chǎn)流產(chǎn)沙量的年際變化趨勢(shì)大致相同，年際起伏的變化趨勢(shì)也具有一致性[16]。侯寧等[17]通過(guò)耕作侵蝕對(duì)不同坡度下紫色土侵蝕產(chǎn)沙的影響研究表明，耕作侵蝕導(dǎo)致坡面在降雨條件下侵蝕產(chǎn)沙量顯著增大(P<0.05)，并且隨坡度增大呈先增加后減小的趨勢(shì)，在15°達(dá)到峰值。目前有關(guān)降雨條件下紫色土坡耕地產(chǎn)流產(chǎn)沙的研究多以人工降雨為主，自然降雨條件下的研究較少。因此，筆者選擇重慶萬(wàn)州塘坊紫色土坡耕地徑流小區(qū)為研究對(duì)象，分析不同坡度徑流小區(qū)的年際產(chǎn)流產(chǎn)沙、典型次降雨條件下產(chǎn)流產(chǎn)沙變化特征，以及坡度對(duì)坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響，揭示坡度和降雨特征對(duì)紫色土坡耕地水土流失的響應(yīng)特征，以期為紫色土坡耕地水土保持監(jiān)管重點(diǎn)、耕作管理措施布設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

本試驗(yàn)小區(qū)位于重慶市萬(wàn)州區(qū)塘坊坡面徑流觀測(cè)場(chǎng)，當(dāng)?shù)刂饕N植方式為玉米(Zeamays)和油菜(Brassicanapus)。小區(qū)水平投影坡長(zhǎng)20 m、寬度5 m、面積100 m2，分別設(shè)置5°、10°、15°、20°和25°共5個(gè)坡度級(jí)的小區(qū)(表1)。小區(qū)土壤均為紫色土，土壤深度為40 cm。每個(gè)小區(qū)下建設(shè)分流池(橫截面面積1.766 3 m2)+集流池(橫截面面積1.130 4 m2)，集流池、分流池均為圓柱形，一級(jí)分流，采用七孔分流(圖1)。小區(qū)耕作制度為間作、套種以及輪作。根據(jù)2011—2018年小區(qū)降雨觀測(cè)結(jié)果，暴雨頻率一般年均2～3次, 并且降雨集中于夏季，降雨量可占全年的70%～90%，5個(gè)小區(qū)產(chǎn)流產(chǎn)沙同樣集中在6—8月。鑒于此，選取2014—2017年中每年的6、7和8月小區(qū)產(chǎn)流產(chǎn)沙數(shù)據(jù)，分析不同坡度條件下產(chǎn)流產(chǎn)沙差異，揭示不同坡度對(duì)紫色土坡耕地水土流失的響應(yīng)特征。

2 材料與方法

2.1 降雨量

在徑流場(chǎng)內(nèi)設(shè)置精度0.5 mm的遙測(cè)雨量計(jì)(EL- RS)、集雨桶，全天候?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)日降雨量、次降雨量及降雨過(guò)程，數(shù)據(jù)采集時(shí)間間隔設(shè)定為5 min。主要監(jiān)測(cè)指標(biāo)：降雨起止時(shí)間、降雨歷時(shí)、降雨量、降雨強(qiáng)度等。

表1 徑流小區(qū)基本特征Tab.1 Basic information of runoff plots

圖1 徑流小區(qū)現(xiàn)狀Fig.1 Current situation of runoff plots

2.2 產(chǎn)流量

在降雨產(chǎn)流后，在沒(méi)有分流的情況下，通過(guò)測(cè)量一級(jí)分流的水位高度，用水位高度乘以一級(jí)分流池內(nèi)徑面積計(jì)算得到徑流量；產(chǎn)生分流時(shí)，用一級(jí)分流池的徑流量+集流桶徑流量×分流孔數(shù)7計(jì)算得出總的徑流量。年徑流量為一年中次徑流量的和。主要監(jiān)測(cè)指標(biāo)為徑流量。

(1)

式中：R為徑流深，mm；Q為時(shí)段t內(nèi)的平均流量，m3/s；F為流域面積，km2。

(2)

式中：α為徑流系數(shù)；P′為降雨量，mm。

2.3 產(chǎn)沙量

在徑流量測(cè)定結(jié)束后，采集每個(gè)小區(qū)分流池和集流池泥沙樣品，產(chǎn)生徑流后需要取樣2～5瓶，每瓶1 000 mL,待樣品沉降水泥分開(kāi)后，倒入濾紙過(guò)濾至干，放入烘箱烤至110 ℃，取出放入干燥器冷卻，用電子天平稱量得到樣品含沙量，然后用平均含沙量乘以徑流量就得到此次徑流產(chǎn)生的產(chǎn)沙量。年產(chǎn)沙量為1年中產(chǎn)沙量的和。主要監(jiān)測(cè)指標(biāo)有含沙量和產(chǎn)沙量。

3 結(jié)果與分析

3.1 次降雨產(chǎn)流特征

在坡耕地關(guān)于產(chǎn)流的研究中，不同坡度小區(qū)在歷次自然降雨產(chǎn)流過(guò)程中降雨量、田間管理方式、植被蓋度等條件基本一致，因此，坡度是導(dǎo)致不同小區(qū)徑流量差異的主要因素。由圖2可知，2014—2017年12次降雨產(chǎn)流中，徑流深最大值8 次出現(xiàn)在20°小區(qū)，3 次出現(xiàn)在25°小區(qū)，1次出現(xiàn)在15°小區(qū)；徑流深最小值有1次出現(xiàn)在10°小區(qū)，11 次出現(xiàn)在5°小區(qū)。由此可知，徑流深與坡度總體呈正相關(guān)關(guān)系。坡度從5°增大到10°，徑流深增幅為66.56%～1 327.27%，增加速率較高；坡度從10°增大到20°，徑流深增幅為2.55%～300.00%，增加速率逐漸減緩。由2014—2017年的12次降雨產(chǎn)流分析可知，最大產(chǎn)流坡度為20°，最小產(chǎn)流坡度為5°。

圖2 不同坡度坡耕地產(chǎn)流變化特征Fig.2 Variation characteristics of runoff in sloping farmland with different slopes

對(duì)比分析表2和表3可知，次降雨量、最大30 min降雨強(qiáng)度(I30)和作物覆蓋度是導(dǎo)致同一小區(qū)徑流深差異的重要因素。以整體徑流深最大的20° 徑流小區(qū)為例，由表3可知20°徑流小區(qū)年際徑流深從大到小依次為2017年(228.9 mm)>2014年(127.6 mm)>2016年(100.9 mm)>2015年(25.4 mm)；20° 小區(qū)徑流深與降雨量和I30呈顯著相關(guān)(P<0.05)(相關(guān)系數(shù)分別為0.939和0.972)，即小區(qū)徑流深隨著降雨量和降雨強(qiáng)度的增大總體呈增大趨勢(shì)，分析原因認(rèn)為在次降雨量一定的情況下，I30越大代表單位時(shí)間內(nèi)單位面積土壤降雨量越多，土壤表層結(jié)構(gòu)破壞，使徑流量上升，徑流深增加。以作物覆蓋度變化幅度最大的2016年10° 小區(qū)、15° 小區(qū)和20° 小區(qū)為例，15° 小區(qū)作物覆蓋度較10° 小區(qū)增加55.76%，徑流深增加0.44%，20° 小區(qū)作物覆蓋度較15° 小區(qū)增加0.72%，徑流深增加174.56%，即小區(qū)徑流深隨著作物覆蓋度的增加總體呈減小趨勢(shì)。結(jié)果表明徑流深受次降雨量、I30和作物覆蓋度共同影響。

表2 2014—2017年降雨特征Tab.2 Rainfall characteristics from 2014 to 2017

3.2 次降雨產(chǎn)沙特征

不同坡度紫色土坡耕地土壤產(chǎn)沙量隨坡度增大呈增加趨勢(shì)，但是當(dāng)坡度為15°～20°時(shí),產(chǎn)沙量開(kāi)始減小。由圖3可知?dú)v次產(chǎn)流降雨后的產(chǎn)沙量測(cè)驗(yàn)結(jié)果，在2014—2017年12次降雨產(chǎn)沙中，產(chǎn)沙量最大值4次出現(xiàn)在20°小區(qū)，5次出現(xiàn)在25°小區(qū)，1次出現(xiàn)在15°小區(qū)，2次出現(xiàn)在10°小區(qū)，產(chǎn)沙量最小值均出現(xiàn)在5°小區(qū)。產(chǎn)沙量隨坡度增大總體呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，坡度為15°～20°時(shí)，產(chǎn)沙量減小。分析原因認(rèn)為，產(chǎn)沙量隨坡度、徑流量增大呈增加趨勢(shì)，但坡度增大同時(shí)導(dǎo)致雨滴擊濺侵蝕力的減弱，產(chǎn)沙量隨坡度的增大而減少。在2016年6月29日次降雨過(guò)程中，產(chǎn)沙量隨坡度增大呈直線增加趨勢(shì)，主要是6月24日小區(qū)土壤受田間作物管理活動(dòng)的影響，土壤結(jié)構(gòu)遭到破壞，產(chǎn)沙量隨坡度增大呈直線增加。

圖3 不同坡度坡耕地產(chǎn)沙變化特征Fig.3 Variation characteristics of sediment yield in sloping farmland with different slopes

土壤流失量表現(xiàn)出與徑流深相似變化規(guī)律，與次降雨量及I30呈顯著正相關(guān)，與作物覆蓋度呈負(fù)相關(guān)。以整體土壤流失量最大的20° 徑流小區(qū)為例，20° 徑流小區(qū)土壤流失量與降雨量和I30呈顯著相關(guān)(P<0.05)(相關(guān)系數(shù)分別為0.486和0.792)，即小區(qū)土壤流失量隨降雨量和降雨強(qiáng)度的增加呈增大趨勢(shì)，而土壤流失量與降雨歷時(shí)相關(guān)性不大。分析原因認(rèn)為降雨量和I30的增加不僅意味著坡面地表徑流的增大，同時(shí)加強(qiáng)了徑流運(yùn)移泥沙的能力，進(jìn)而導(dǎo)致土壤流失量的增加。以2016年10° 小區(qū)、15° 小區(qū)和20° 小區(qū)為例，15° 小區(qū)土壤流失量較10° 小區(qū)增加30.99%，20° 小區(qū)土壤流失量較15° 小區(qū)增加131.62%，即小區(qū)土壤流失量隨著作物覆蓋度的增加總體呈減小趨勢(shì)。分析原因認(rèn)為，種植制度通過(guò)加強(qiáng)對(duì)降雨截留、減緩徑流和提高入滲等多種途徑有效降低坡耕地徑流量和土壤流失量。

3.3 產(chǎn)流產(chǎn)沙年際變化特征

年際徑流深隨坡度增大總體呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，并且增幅減緩。除2015年外，同一年內(nèi)小區(qū)徑流深在20°時(shí)達(dá)到最大值。從表3可看出，2014—2017年降雨量為1 044.00～1 680.20 mm，除2015年徑流深較小外，其余年份各小區(qū)徑流深隨年降雨量的增加總體呈現(xiàn)增加趨勢(shì)。坡度對(duì)坡面產(chǎn)流量的影響很大程度上受降雨量的制約，即相同坡度條件下，年內(nèi)降雨量越大，徑流深越大；相同次降雨條件下，隨著坡度的增大，徑流深總體呈上升趨勢(shì)。2015年降雨量均大于2014和2016年，而其整體徑流深都低于2014和2016年，分析原因認(rèn)為2015年各小區(qū)徑流深差異相對(duì)較小，與該年度耕作活動(dòng)較其他年度少，從而地表擾動(dòng)減少，削弱了坡度對(duì)小區(qū)徑流深的影響有關(guān)。

表3 不同坡度坡耕地年際產(chǎn)流產(chǎn)沙特征Tab.3 Interannual runoff and sediment yield of sloping farmland with different slopes

產(chǎn)沙量受坡度和降雨量共同影響，隨坡度增大總體呈增大趨勢(shì)，并且增幅隨坡度增大而減緩，表現(xiàn)出與徑流深相似的變化規(guī)律。2014—2017年產(chǎn)沙量分布在0.13～96.05 t/hm2之間，除2015年產(chǎn)沙量較小外，其余年份各徑流小區(qū)產(chǎn)沙量隨年降雨量和坡度的增大總體呈增大趨勢(shì)(表3)。2015年降雨量均大于2014年和2016年，而其產(chǎn)沙量低于2014年、2016年，分析原因認(rèn)為2015年小區(qū)耕種較少，地表擾動(dòng)較少，從而減少了產(chǎn)沙量。

4 結(jié)論與討論

1)紫色土坡耕地次降雨徑流深與坡度總體呈正相關(guān)關(guān)系。坡度從5°增加到10°，徑流深增加速率較高；從10°增加到20°，徑流深增加速率逐漸減緩；由2014—2017年的12次降雨產(chǎn)流結(jié)果表明最大產(chǎn)流坡度主要為20°，最小產(chǎn)流坡度主要為5°，與魏小燕等[5]研究結(jié)果一致。

2)紫色土坡耕地產(chǎn)沙量隨坡度增大總體呈先增大后減小趨勢(shì)，最小產(chǎn)沙坡度主要為5°，最大產(chǎn)沙坡度主要為20°，當(dāng)坡度達(dá)到20°時(shí)，產(chǎn)沙量開(kāi)始減小，與溫永福等[7]研究結(jié)果不一致。分析原因認(rèn)為，產(chǎn)沙量隨坡度、徑流量增大呈增加趨勢(shì)，但坡度超過(guò)20°時(shí)，坡度增大同時(shí)導(dǎo)致雨滴擊濺侵蝕力的減弱，產(chǎn)沙量隨坡度的增大而減少。

3)紫色土坡耕地年際徑流深隨坡度增加總體呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，徑流深增加速率隨坡度的增加而減緩。除2015年各小區(qū)徑流深差異相對(duì)較小，與該年度耕作活動(dòng)較年少，地表擾動(dòng)減少，從而徑流深和土壤流失量均較小外，其余年份各小區(qū)徑流深和土壤流失量隨年降雨量的增大總體呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，與鄭江坤等[10]研究結(jié)果一致。

4)作物覆蓋度是影響紫色土坡耕地產(chǎn)流產(chǎn)沙量的主要因素。合理的種植制度可提高坡耕地作物覆蓋度、增強(qiáng)農(nóng)作物根系固土能力，通過(guò)加強(qiáng)對(duì)降雨截留、減緩徑流和提高入滲等多種途徑有效降低坡耕地徑流量和產(chǎn)沙量。

本研究在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中未設(shè)置重復(fù)對(duì)照組和未設(shè)置相同坡度下不同種植制度的徑流小區(qū)以研究種植制度對(duì)紫色土坡耕地產(chǎn)流產(chǎn)沙過(guò)程的影響，擬在后續(xù)研究中解決。研究結(jié)果可為紫色土坡耕地水土保持效應(yīng)評(píng)價(jià)、耕作管理措施布設(shè)，小流域水土保持提供科學(xué)參考。