生物炭及植被對(duì)黃土坡面徑流泥沙的影響關(guān)系分析

張立靖,魚海霞,劉 楠

(定西市水土保持科學(xué)研究所,甘肅 定西 743000)

坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙是水土流失重點(diǎn)監(jiān)測的指標(biāo)[1］。定西市地處黃土高原內(nèi)陸,區(qū)域植被稀疏,土壤抗蝕性較差,新型水土保持措施體系布設(shè)理論指導(dǎo)性較弱,因此利用生物炭土壤改良劑,針對(duì)不同處理?xiàng)l件下的坡面,進(jìn)行上方有來水的紊流槽沖刷試驗(yàn),可以明確生物炭及植被措施對(duì)坡面產(chǎn)流、產(chǎn)沙特征及減流減沙效應(yīng)的影響。本試驗(yàn)選擇在典型的隴中黃土高原區(qū)域的定西市安家溝小流域進(jìn)行模擬研究,通過試驗(yàn)了解黃土高原區(qū)域坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙特征,以及生物炭及植被措施對(duì)坡面徑流泥沙的影響機(jī)制等,以期為黃土高原水土流失較為嚴(yán)重坡面的水土保持措施體系布設(shè)提供理論基礎(chǔ)。

1 研究區(qū)概況

安家溝小流域位于甘肅省定西市安定區(qū)城區(qū)東郊,地理位置為104°38′13″～104°40′25″E、35°33′02″～35°35′29″N,屬溫帶半干旱大陸性氣候區(qū),多年平均降水量427 mm,降水年內(nèi)分布不均,60%以上的降水集中在5—9月。該流域?qū)冱S河流域祖厲河水系,是黃河支流祖厲河的一級(jí)支流關(guān)川河上游東河右岸的一條支溝,屬于隴中黃土丘陵溝壑區(qū)。區(qū)內(nèi)土壤主要為黃綿土和溝道鹽漬土,土層厚40～60 m。植被屬森林草原帶干草原區(qū),人工喬木樹種主要有油松、側(cè)柏、楊樹、榆樹、山杏等,灌木樹種有沙棘、檸條、紅柳等,草種以紫花苜蓿為主。主要農(nóng)作物有馬鈴薯、春小麥、玉米、胡麻及豌豆等。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)條件

本試驗(yàn)在安家溝小流域布設(shè)4個(gè)坡度為10°的典型小區(qū)進(jìn)行觀測,規(guī)格為10 m×10 m。4個(gè)小區(qū)分別布設(shè)為裸露坡面、施加生物炭裸露坡面、紫花苜蓿坡面、生物炭與紫花苜?；旌细脖黄旅?種處理,分別稱為裸坡小區(qū)、生物炭小區(qū)、植被小區(qū)、植被+生物炭小區(qū)。施加生物炭在春季耕種前后進(jìn)行,按照農(nóng)田生物改良劑施加量(750 kg/hm2)進(jìn)行施加。試驗(yàn)在春季進(jìn)行,經(jīng)樣方調(diào)查,紫花苜蓿小區(qū)植被覆蓋度為28%。試驗(yàn)區(qū)土壤密度經(jīng)測定為1.09～1.36 g/cm3。

2.2 試驗(yàn)過程

本試驗(yàn)按照安家溝小流域2022年降雨平均流量6.0 L/s的沖刷力度進(jìn)行沖刷。在坡面上端布設(shè)紊流槽,將標(biāo)定好流量的水源置于紊流槽內(nèi)[2］,待紊流槽水滿溢出產(chǎn)流后進(jìn)行觀測。利用計(jì)時(shí)秒表,觀測坡面產(chǎn)流時(shí)間,待徑流至集流槽并出水后按20 s的時(shí)間間隔進(jìn)行徑流樣接取,并用量筒依次測量其體積,分別計(jì)算不同時(shí)間段的產(chǎn)流率[單位時(shí)間單位面積內(nèi)產(chǎn)生的徑流體積,單位L/(m2·s)];之后將徑流樣靜置24 h,倒出上層清水,將底層泥沙用沖洗瓶沖入鋁盒后在105 ℃下烘干24 h,再利用電子天平稱量,得到連續(xù)測定的多次泥沙質(zhì)量[3］,計(jì)算不同時(shí)間段的產(chǎn)沙率[單位時(shí)間單位面積內(nèi)產(chǎn)生的泥沙質(zhì)量,單位g/(m2·s)],以及不同時(shí)間段的單次徑流泥沙含量,將所有單次徑流泥沙含量進(jìn)行平均,得到不同處理坡面的平均徑流泥沙含量(單位g/L)。本試驗(yàn)采用計(jì)算均值的方式表示坡面的徑流泥沙含量,相對(duì)傳統(tǒng)的整體試驗(yàn)、單次抽樣數(shù)據(jù)更為準(zhǔn)確。

3 結(jié)果與分析

3.1 坡面沖刷產(chǎn)沙特征

不同處理小區(qū)產(chǎn)沙率變化趨勢見圖1。由圖1可知,整體來看,不同處理小區(qū)的產(chǎn)沙率均隨沖刷時(shí)間的增加而逐漸增大,整體趨勢較為平緩,在沖刷3 min后坡面產(chǎn)沙率出現(xiàn)輕微波動(dòng)式增長,主要是因?yàn)檫@一時(shí)期坡面侵蝕溝內(nèi)可蝕泥沙量較小,溝道邊緣產(chǎn)生新的侵蝕,從而使坡面產(chǎn)沙率隨徑流寬增加而產(chǎn)生波動(dòng)性變化。在徑流沖刷下,不同處理小區(qū)產(chǎn)沙率大小為:植被+生物炭小區(qū)<植被小區(qū)<生物炭小區(qū)<裸坡小區(qū)。這說明,在已有基本植被覆蓋的坡面布設(shè)生物炭措施,能通過其改良土壤理化性質(zhì),促進(jìn)植被生長,增強(qiáng)植被根系固土能力,提高土壤抗蝕性[4］,有效減少泥沙流失;植被小區(qū)與生物炭小區(qū)相比,植被能更加有效地降低產(chǎn)沙率,生物炭減沙效應(yīng)相對(duì)較弱,這是因?yàn)橹脖桓导扒o稈能通過物理阻擋攔截部分泥沙,削弱外力影響下的坡面產(chǎn)沙量,同時(shí)減小徑流沖刷力,減弱地表徑流攜沙能力,且本試驗(yàn)試驗(yàn)周期僅為1 a,而正常的土壤活動(dòng)周期較長,生物炭在短時(shí)間內(nèi)對(duì)土壤的改良效果較弱,對(duì)減弱徑流泥沙作用較小[5］;生物炭小區(qū)相較于裸坡小區(qū)能有效降低產(chǎn)沙率,在坡面上布設(shè)生物炭,在一定時(shí)間維度內(nèi)能改善土壤結(jié)構(gòu)、增強(qiáng)土壤肥力、減弱坡面土壤可蝕性[6］。綜上所述,生物炭措施可作為土壤調(diào)控劑在有植被覆蓋的坡面發(fā)揮減沙效應(yīng),在一個(gè)植物生長周期內(nèi),其單一措施發(fā)揮減沙效益不明顯,但生物炭作為土壤調(diào)控劑,在大面積大區(qū)域內(nèi)可適量施加,在較長時(shí)間維度內(nèi)可有效改良土壤,提升土壤抗蝕性。

圖1 不同處理小區(qū)產(chǎn)沙率變化趨勢

3.2 坡面沖刷產(chǎn)流特征

不同處理小區(qū)產(chǎn)流率變化趨勢見圖2。由圖2可以看出,坡面產(chǎn)流率整體變化趨勢是隨著沖刷時(shí)間的增加而上升的,其上升趨勢為:前100 s快速上升,之后稍有回落,在220 s之后又緩慢上升。不同處理小區(qū)產(chǎn)流率大小為:植被+生物炭小區(qū)<生物炭小區(qū)<植被小區(qū)<裸坡小區(qū)。由此可知,布設(shè)生物炭措施的植被坡面,對(duì)坡面徑流的阻截作用較大,生物炭作為土壤改良劑,能優(yōu)化植被生長環(huán)境,提高植被生長效應(yīng)[7］,增加植被根系固土能力,有效減少徑流的產(chǎn)生;生物炭措施單一施加,在一個(gè)植被生長周期內(nèi),其徑流產(chǎn)流率明顯小于植被坡面,這與本試驗(yàn)選用的植被為紫花苜蓿有關(guān),黃土高原區(qū)域自然坡面生長的紫花苜蓿生長量及植被覆蓋度均較低,單一的植被措施對(duì)土壤改良程度較弱,而生物炭在短期內(nèi)雖然對(duì)土壤結(jié)構(gòu)改造程度較弱,但其布設(shè)時(shí)的耕作深翻使坡面土壤松散系數(shù)增大、孔隙度增加,從而使坡面徑流入滲率增加、徑流減少[8］;植被坡面相較于裸坡,能通過植物措施的截流作用,減少坡面徑流沖刷,攔截部分徑流,增加入滲,從而降低植被坡面產(chǎn)流率。綜上所述,生物炭措施與植被措施結(jié)合利用,能改良植被生長的土壤環(huán)境,增強(qiáng)植被措施的減流效應(yīng),且植被根系的生長反過來又能有效提升生物炭對(duì)土壤的改良力度,因此在植被生長與生物炭措施交互影響作用下,避免了大量徑流沖刷造成坡面溝道侵蝕嚴(yán)重等問題[9］。

圖2 不同處理小區(qū)產(chǎn)流率變化趨勢

3.3 坡面徑流泥沙含量分析

徑流泥沙含量是水土流失監(jiān)測的主要指標(biāo)之一,用于闡述坡面沖刷的水沙關(guān)系。由圖3可知,不同處理小區(qū)徑流泥沙含量均值大小為裸坡小區(qū)>生物炭小區(qū)>植被小區(qū)>植被+生物炭小區(qū),且不同處理數(shù)據(jù)系列綜合性標(biāo)準(zhǔn)誤差值相對(duì)較小,說明試驗(yàn)過程中,坡面徑流泥沙變化規(guī)律性較為明顯[10］;同時(shí),單一措施處理的小區(qū)與裸坡小區(qū)的徑流泥沙含量相差不大,而植被+生物炭小區(qū)的坡面徑流泥沙含量明顯較低。因此,在水土保持措施設(shè)計(jì)時(shí),將植被措施與生物炭結(jié)合布設(shè),能有效減少坡面徑流泥沙含量,為水土流失治理助力。

圖3 不同處理小區(qū)徑流泥沙含量

4 結(jié)論

1)不同處理?xiàng)l件下,坡面沖刷產(chǎn)沙率大小為:植被+生物炭小區(qū)<植被小區(qū)<生物炭小區(qū)<裸坡小區(qū)。由此可見,在坡面處理相對(duì)復(fù)雜的條件下,坡面產(chǎn)沙量較少,生物炭單一措施對(duì)坡面產(chǎn)沙率影響較小,可作為植被坡面輔助措施進(jìn)行布設(shè),能有效提高植被效應(yīng)和改善土壤結(jié)構(gòu)。

2)不同處理?xiàng)l件下,坡面沖刷產(chǎn)流率大小為:植被+生物炭小區(qū)<生物炭小區(qū)<植被小區(qū)<裸坡小區(qū)。由此可見,生物炭在一個(gè)植被生長周期內(nèi)對(duì)坡面產(chǎn)流的影響相對(duì)植被措施要高。生物炭對(duì)土壤結(jié)構(gòu)的改良能有效增加土壤入滲率,其布設(shè)時(shí)的人為耕作深翻也能疏松土壤,使徑流入滲率增加,大量徑流入滲后產(chǎn)流率相應(yīng)減小,從而減少了地表徑流沖刷。

3)整體來說,不同處理小區(qū)的坡面徑流泥沙含量大小為裸坡小區(qū)>生物炭小區(qū)>植被小區(qū)>植被+生物炭小區(qū),且單一措施處理的坡面與裸坡之間的徑流含沙量相差不大,而植被措施與生物炭措施結(jié)合的處理坡面徑流泥沙含量值明顯較低。因此,復(fù)雜性坡面處理的減沙減流效應(yīng)相對(duì)高于單一措施處理坡面,單一措施處理坡面減流減沙效應(yīng)均較弱。