降雨和汇流对黑土区坡面土壤侵蚀的影响试验研究

姜义亮,郑粉莉,2,*,温磊磊,沈海鸥,易 祎

1 西北农林科技大学水土保持研究所,黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室,杨凌 712100 2 中国科学院 水利部水土保持研究所,杨凌 712100 3 西北农林科技大学资源环境学院,杨凌 712100

据《中国水土流失防治与生态安全》调查显示,土壤侵蚀造成表层黑土每年以0.3—1.0 cm的速度递减,平均土层厚度已由20世纪50年代的60—70 cm下降至目前的20—30 cm[1-2]。黑土区坡面土壤侵蚀导致土壤严重退化,从而使土地生产力降低,制约了黑土资源的可持续利用,影响了国家的粮食安全[3]。

由于土壤抗蚀性的差异和坡面汇流作用的影响,导致不同环境条件下雨滴打击和径流搬运作用对坡面土壤侵蚀的影响有所不同[4]。Walker等发现,降雨侵蚀下坡面的产沙速率是同等径流大小下坡面产沙速率的5倍左右[5],郑粉莉等基于双试验的模拟降雨试验对比研究了降雨侵蚀和径流侵蚀作用,发现在相同的坡度和径流量条件下,降雨侵蚀的产沙量大于供水径流侵蚀的产沙量[6-7]。还有学者发现降雨和径流在侵蚀过程中是相互辅佐或相互制约的[8-9]。Guy等发现扰动水流的泥沙输移能力中雨滴打击作用的贡献为85%,而径流贡献仅为15%[10]；Palmer等发现当径流水深大于雨滴直径3倍以上时,雨滴击溅对土壤侵蚀的作用明显减少[11-13]。尽管降雨和径流对坡面侵蚀的影响及其贡献研究取得了一定的进展,但由于试验条件和侵蚀过程的复杂性,目前仍很难区分降雨和径流对坡面侵蚀过程的作用。

在我国东北黑土区,由于长缓坡的地形特点,决定了在降雨量和降雨强度较大时易形成较大的坡面汇流,且其对坡面土壤进行集中冲刷[14-17],造成坡面侵蚀严重；而目前有关黑土区降雨和径流在坡面侵蚀的作用研究仍鲜见报导。因此,迫切需要开展降雨和汇流共同作用对黑土坡面土壤侵蚀的影响,以期为坡面侵蚀防治提供理论指导。为此,本研究基于模拟降雨和上方汇流试验,设计了不同降雨强度和汇流速率以及二者组合的试验处理,研究降雨和汇流对黑土坡面土壤侵蚀的影响,并分析降雨和汇流对坡面侵蚀的贡献,以期为黑土区农田土壤侵蚀防治措施的布设提供理论支持和科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验土壤采自吉林省榆树市刘家镇合心村南城子屯(44°43′28″N,126°11′47″E)的0—20 cm耕层土壤,耕层土壤容重(环刀法)在1.15 g/cm3左右。吉林省榆树市属于典型黑土区,土壤为研究区内典型黑土,具有较好的代表性。试验土壤颗粒分级划分标准采用美国农业部制,土壤质地属于粉壤土,粘粒(小于0.002 mm)含量20.3%,粉粒(0.002—0.05 mm)含量76.4%,砂粒(0.05 mm及以上)含量3.3%,有机质含量(重铬酸钾氧化—外加热法)约23.8 g/kg,pH值(水浸提法,水土比2.5∶1)为5.9左右。

1.2 试验装置与设计

试验于2014年4月在黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室人工模拟降雨大厅进行。试验所用的降雨设备为侧喷式自动模拟降雨系统[18],降雨高度为16 m,模拟降雨强度变化范围为20—300 mm/h,降雨特性与天然降雨特性相似,降雨均匀度大于90%。

试验土槽规格为8 m(长)× 3 m(宽)× 0.6 m(深),试验时中间用PVC板分隔为两个8 m×1.5 m的试验土槽用于重复试验。试验土槽底部每隔0.2 m(长)和0.5 m(宽)设置直径为5 cm的排水口以保证试验土槽在试验过程排水良好。试验土槽填土时,用纱布填充排水口后,在土槽底部铺设10 cm的细沙保证试验土槽透水良好。为了模拟农耕地田间条件(耕层和犁底层)和保证填土的均匀性,在试验土槽填土时,细沙之上采用分层(每层5 cm)填土填充试验土槽,其中,细沙层以上按容重为1.35 g/cm3填充10 cm的粘黄土和10 cm的黑土模拟农耕地犁底层,其上按容重为1.20 g/cm3填充20 cm的黑土模拟农耕地耕层。另外,每层土填充结束后,用2 cm深的土耙将表面耙磨形成一定的粗糙度使上层和下层形成很好的粘接。

图1 试验装置Fig.1 Experimental devices

上方汇流试验装置是由供水管、恒压箱和稳流槽三部分组成。首先通过供水系统使水流进入恒压箱以保持稳定的供水水压,多余的供水量通过溢流管再回到供水系统；其次通过供水阀调节所设计的汇水流量并将其汇入到试验土槽顶部的稳流槽内；最后通过稳流槽使供水量变为相对均匀的水流流向坡面,以此模拟坡面上方汇流对坡面下方土壤侵蚀的影响。上方汇流试验装置的供水流量范围为0—30 L/min,其大小可通过供水阀门进行调节(图1)。

经过调查发现,在我国东北黑土区,主要降雨类型为短历时高强度降雨,其降雨历时大多小于1 h[2,19],频次较高的瞬时雨强为0.71 mm/min[20]；另外,该区地形特点是长缓坡,坡度变化于3°—10°[21]。为此,本试验设计50 mm/h和100 mm/h(分别为0.83 mm/min和1.67 mm/min)两个降雨强度[22],坡度为10°,降雨和汇流试验历时均为100 min。本研究试验处理重复2次,为保证重复试验条件的一致性,被分隔为2个试验土槽则是一次降雨(汇流、降雨和汇流)试验处理下的2次重复。同时,为了比较同等强度下降雨和汇流对黑土坡面土壤侵蚀的影响,基于两个降雨强度的设计对应设计了两个上方汇流速率,即50 mm/h和100 mm h的汇流速率(10 L/min和20 L/min)。根据降雨强度和汇流速率的不同组合,设计了4种不同降雨和汇流组合的试验条件。具体的试验设计见表1。

1.3 试验步骤

试验开始前,为保持下垫面前期土壤含水量一致,采用25 mm/h降雨强度进行预降雨,直至坡面出现径流流路且集流口有连续水流出现。预降雨结束后,用塑料布将试验土槽遮盖好,静置24 h,使水分自由下渗接近自然状态的土壤水分分布状况,以保证每次降雨试验时试验土槽的土壤水分状况一致。试验所测定的土壤水分数据也表明,各次试验前土槽0—20 cm表层的土壤含水量基本一致,其变化在28.6%—29.7%。为确保降雨强度和汇流速率的准确度,每次正式试验前对设计的降雨强度和汇流速率进行率定,当实测降雨强度或汇流速率与设计的目标降雨强度或汇流速率的差值小于5.0%时,方可进行试验。试验过程中,当坡面产流后,在试验土槽集流口处用15 L塑料桶每隔2 min采集径流泥沙样,并用染色剂法测定试验土槽坡面流速。试验结束后,将所采集的全部径流样称重、静置24 h、倒掉上层清液,然后转移到1000 mL铝盒中,放入105℃烘箱烘干称重并计算泥沙量。

表1 试验设计

R50：降雨强度50 mm/h,Rainfall intensity 50 mm/h； R100：降雨强度100 mm/h, Rainfall intensity 100 mm/h； I50：汇流速率50 mm/h,inflow rate 50 mm/h； I100：汇流速率100 mm/h,inflow rate 100 mm/h；R50I50：降雨强度50 mm/h+ 汇流速率50 mm/h,rainfall intensity 50 mm/h +inflow rate 50 mm/h；R50I100：降雨强度50 mm/h+ 汇流速率100 mm/h,rainfall intensity 50 mm/h +inflow rate 100 mm/h；R50I50：降雨强度100 mm/h+ 汇流速率50 mm/h,rainfall intensity 100 mm/h +inflow rate 50 mm/h；R100I100：降雨强度100 mm/h+ 汇流速率100 mm/h,rainfall intensity 100 mm/h +inflow rate 100 mm/h

1.4 数据分析

应用Excel 2003和SPSS 13.0进行数据处理与分析,并绘制图表。采用Duncan法进行多重比较。

2 结果与讨论

2.1 降雨和汇流对黑土区坡面土壤侵蚀的影响

2.1.1 降雨和汇流对黑土区坡面侵蚀产沙量的对比

表2表明,当降雨强度和坡面上方汇流速率均为50 mm/h时(50 mm/h的汇流速率即为10 L/min),二者坡面产生的径流量差异不显著,而坡面侵蚀量和径流含沙浓度则表现出显著差异,其中汇流试验条件下坡面侵蚀量和径流含沙浓度仅分别是对应降雨强度试验下的1.9%和2.6%；当降雨强度和坡面上方汇流速率均为100 mm/h时(100 mm/h的汇流速率即为20 L/min),二者坡面产生的径流量、侵蚀量和径流含沙浓度也表现出显著性差异,其中汇流试验条件下的径流量、侵蚀量和径流含沙浓度分别为降雨试验条件下的80.1%、0.6%和0.9%。当降雨强度和坡面上方汇流速率由50 mm/h增加至100 mm/h时,降雨试验处理的侵蚀量增加6.1倍,汇流试验处理的侵蚀量增加3.2倍。此结论说明降雨对坡面土壤侵蚀产沙的影响显著大于汇流作用。其主要原因为本文试验土壤为富含有机质的东北黑土,由于黑土土壤团聚含量和粘粒含量较高[23],所以汇流对黑土土壤团粒结构的破坏和搬运能力较弱[24],远小于汇流对黄土坡面土壤侵蚀的影响[25]。而在降雨过程中,雨滴打击土壤时的快速湿润(气爆作用)不仅破坏土壤的团粒结构,同时还增加径流紊动性,使径流分散和搬运土壤的能力增强[26]。安娟等研究表明通过纱网覆盖消除雨滴打击后,黑土区坡面侵蚀量能够减少75%以上[27],同样说明了降雨是引起黑土区坡耕地土壤侵蚀的主要动力,且消除雨滴打击后的径流对黑土坡耕地土壤侵蚀的影响降低。因此,为了有效地防治降雨对黑土坡耕地的土壤侵蚀,可通过秸秆覆盖等方式来减少雨滴打击力,防止坡面土壤侵蚀[28]。

表2 不同降雨和汇流试验条件下坡面径流量、侵蚀量和径流含沙浓度

总降雨历时为100 min,表中“ ±”后的数字为标准偏差,同一列中的不同字母表示P<0.05的差异性显著,n=8

2.1.2 降雨对黑土区坡面土壤侵蚀过程的影响

在降雨强度为50 mm/h和100 mm/h时,坡面产流时间分别在22 min和12 min左右(图2),坡面径流产生后,100 mm/h降雨强度下的侵蚀速率明显大于50 mm/h降雨强度下的侵蚀速率,两种降雨强度下的侵蚀速率随降雨历时的变化均先迅速增加后趋于稳定,最后呈波状起伏。造成这种现象的主要原因是侵蚀方式发生了变化。在降雨初期,雨滴击溅作用产生大量分散土粒并随降雨形成的薄层水流搬运,形成坡面侵蚀的第一个高峰(50 mm/h降雨强度出现在27 min左右；100 mm/h降雨强度出现在14 min左右),随后由于坡面临时性结皮形成,使薄层水流的侵蚀能力减弱,导致此时坡面侵蚀速率下降并趋于稳定；此时,坡面侵蚀方式主要为片蚀。随着降雨历时增加,坡面因雨滴打击变得凹凸不平,坡面薄层水流逐步汇聚形成集中的股流,使坡面多处形成细沟下切沟头,坡面侵蚀出现第二个高峰(50 mm/h降雨强度出现在43 min左右；100 mm/h降雨强度出现在37 min左右)。细沟侵蚀发展的快慢影响着侵蚀速率的增加和降低,侵蚀速率随时间呈波状起伏变化,此时坡面由片蚀进入到细沟侵蚀为主阶段。黑土区坡面侵蚀的过程与郑粉莉对黄土坡面侵蚀过程的研究结果一致[29]。

2.1.3 汇流对黑土区坡面土壤侵蚀过程的影响

在汇流速率为50 mm/h和100 mm/h的条件下,坡面产流时间分别在24 min和17 min左右(图3)。坡面产流后,侵蚀速率随汇流历时的增加均呈迅速减小后趋于稳定,随后趋于稳定和变化于1—4 g m-2h-1之间。其原因是在汇流初期,由于土壤表面疏松,汇流对土壤进行分散、分离及输移的作用,侵蚀速率达到最大。此后,随着汇流试验的进行,土壤表面的破碎物质堵塞土壤孔隙,形成临时性的土壤结皮,使汇流作用的侵蚀能力减弱,所以坡面侵蚀速率维持在较低的范围内并逐渐趋于稳定,且坡面侵蚀方式以片蚀为主[30]。

图2 50 mm/h和100 mm/h降雨强度下侵蚀速率随降雨历时的变化过程Fig.2 Erosion rate versus rainfall duration at rainfall intensities of 50 mm/h and 100 mm/h

图3 50 mm/h和100 mm/h汇流速率下侵蚀速率随汇流历时的变化过程Fig.3 Erosion rate versus inflow duration at inflow rate of 50 mm/h and 100 mm/h

2.2 降雨和汇流共同作用对黑土区坡面土壤侵蚀的影响

2.2.1 不同降雨强度和汇流速率组合试验下的坡面侵蚀产沙量

通过对比R50I50和R100I100可知(表3)：当降雨强度和坡面上方汇流速率分别由50 mm/h增加至100 mm/h时,坡面径流量仅增加1.5倍,而坡面侵蚀量和径流含沙浓度分别增加44.5倍和17.0倍,说明在雨滴打击作用和汇流冲刷作用共同影响下,坡面侵蚀量明显增加。通过比较相同总供水强度(降雨强度+汇流速率)而降雨强度和汇流速率不同的处理下的侵蚀产沙量,来探究雨滴打击作用和汇流冲刷作用对黑土区坡面土壤侵蚀的影响大小。在坡面总供水强度(降雨强度+汇流速率)均为150 mm/h的两组试验处理R50I100和R100I50中,发现二者坡面径流量、侵蚀量和含沙浓度均表现出显著性差异,其中R50I100试验处理下的径流量、侵蚀量和含沙浓度分别是R100I50试验处理条件下的81.2%、12.6%和16.2%。对于坡面总供水强度为均为100 mm/h(R50I50、R100和I100)的3组试验处理(表2和表3),发现R50I50和R100的两组试验处理的坡面径流量基本相同,但二者大于I100试验处理下的径流量；而3组试验处理的坡面侵蚀量差异明显,其中,R50I50、R100试验处理的坡面侵蚀量是I100试验处理的40.0倍和181.7倍,含沙浓度是其28.3倍和132.2倍。说明坡面上方汇流也对黑土区坡面土壤侵蚀有影响,但其和雨滴打击共同作用时,坡面上方汇流作用小于雨滴打击作用。

表3 不同降雨和汇流组合试验条件下总径流量、总侵蚀量和含沙浓度的对比

2.2.2 降雨和汇流共同作用对黑土区坡面土壤侵蚀过程的影响

降雨和汇流组合R50I50和R50I100试验处理的产流时间分别在16 min和13 min左右(图4)。坡面产流后,坡面侵蚀速率随降雨历时增加均呈迅速减小后趋于稳定,其中R50I100的侵蚀速率明显大于R50I50试验处理。与图2降雨强度为50 mm/h的侵蚀速率变化相比,上方汇流加入后,坡面主要以片蚀方式为主,其侵蚀过程与图3相似。通过比较试验处理R50I100与图3中汇流速率为100 mm/h的侵蚀速率变化过程,发现雨滴打击作用,使坡面汇流的紊动性增强,从而增大了汇流对土壤剥蚀能力,导致R50I100的侵蚀速率明显大于I100汇流试验的侵蚀速率。

图4 不同降雨和汇流组合试验条件下侵蚀速率随降雨历时的变化过程Fig.4 Erosion rate versus rainfall duration by different rainfall and inflow treatments

R100I50和R100I100试验处理下的产流时间分别在9 min和6 min左右(图4)。坡面产流后,两个试验处理的侵蚀速率随降雨历时的增加均呈波状起伏变化。与图2中降雨强度为100 mm/h的侵蚀速率变化过程相比较,坡上方汇流的加入,导致坡面侵蚀方式以细沟侵蚀主,说明在该试验条件下,坡面不仅受到雨滴击溅分散土壤颗粒的作用,还受到汇流对分散土壤的输移作用,从而使坡面侵蚀速率急剧增加。试验处理R100I50与R100I100相比,汇流速率的增加还会加速细沟侵蚀发展[31]。

以上分析表明,雨滴打击作用和坡面汇流冲刷作用对坡面土壤侵蚀的影响相互作用,有必要剖析二者对坡面土壤侵蚀的作用贡献。

2.3 降雨和汇流对黑土区坡面土壤侵蚀影响的贡献分析

降雨强度增加对黑土区坡面径流和侵蚀的贡献率可用下式计算：

(1)

式中,RRI为增加的降雨强度对坡面径流量的贡献率,RR1和RR2分别为汇流速率相同而降雨强度分别为0、50、100 mm/h时的坡面径流量。

(2)

式中,ERI为增加的降雨强度对坡面侵蚀量的贡献率,SR1和SR2分别为汇流速率相同而降雨强度分别为0 mm/h、50 mm/h和100 mm/h时的坡面侵蚀量。

汇流强度增加对黑土区坡面径流和侵蚀的贡献率可用下式计算：

(3)

式中,RIW为增加的汇流速率对坡面径流量的贡献率,RI1和RI2分别为降雨量相同而汇流速率分别为0 mm/h、50 mm/h和100 mm/h时的坡面径流量。

(4)

式中,EIW为增加的汇流速率对坡面侵蚀量的贡献率,SI1和SI2为汇流速率相同而降雨强度分别为0 mm/h、50 mm/h和100 mm/h时的坡面侵蚀流量。

2.3.1 降雨对黑土区坡面侵蚀产沙的贡献分析

比较表4中编号为1—4的4组试验处理可发现在汇流速率保持不变时,增加50 mm h-1的降雨强度后,降雨对坡面径流量和侵蚀量的贡献率分别在41.44%—58.65%和89.58%—99.50%；同理,比较5—6两组试验处理,在汇流速率保持不变时,增加100 mm/h的降雨强度后,降雨对坡面径流量和侵蚀量的贡献率分别平均为73.90%和99.9%；说明降雨强度的增加对坡面侵蚀量的贡献显著。这主要是因为在增加降雨强度后,雨滴动能增加,其对土壤颗粒的分散与输移作用增强。除了雨滴击溅的作用之外,降雨强度的增加使坡面薄层径流的紊动性增强,从而加大了汇流对土壤颗粒间的扰动与摩擦,进而使分散的土壤颗粒更容易被汇流冲刷流失,最后致其对侵蚀量贡献率明显；更重要的是降雨强度的增加使坡面侵蚀方式由片蚀为主演变为细沟侵蚀为主,从而使坡面侵蚀量显著增加。试验中测定的坡面流速数据表明,增加50 mm/h降雨强度后,坡面水流流速增加了46.94%—48.13%；增加100 mm/h降雨强度后,坡面水流流速增加了72.40%左右。由泥沙动力学理论知,径流的挟沙能力与流速的立方成正比,因而增加降雨强度后坡面水流流速增大,导致坡面径流冲刷力增强,坡面侵蚀产沙量增加。

2.3.2 汇流对黑土区坡面土壤侵蚀的贡献分析

比较表5中编号为1—4的4组试验处理可发现,在降雨强度保持不变时,增加50 mm/h的汇流速率后,汇流对坡面径流量和侵蚀量的贡献率分别在28.64%—58.81%和17.24%—78.74%；同理,比较5—6两组试验处理,在降雨强度保持不变时,增加100 mm/h的汇流速率后,汇流对坡面径流量和侵蚀量的贡献率分别在61.28%—72.12%和46.90%—89.94%；说明汇流速率的增加对侵蚀量的贡献也比较明显。这是因为上坡汇流是坡面不同侵蚀部位之间水流能量传递的媒介,其大小不仅对下坡的入渗和径流速率产生影响,也使坡面侵蚀方式由片蚀为主演变为以细沟侵蚀为主,从而使坡面径流侵蚀和搬运能力增加,导致坡面侵蚀量明显增加。试验中测定的坡面水流流速表明,增加50 mm/h汇流速率后,坡面水流流速增加了10.55%—19.84%；增加100 mm/h汇流速率后,坡面水流流速增加了28.21%左右。与降雨对土壤侵蚀贡献一样,增加汇流速率后,坡面水流流速增大,导致坡面径流冲刷力增强,坡面侵蚀产沙量增加。

表4 降雨对黑土坡面径流和侵蚀的贡献率

表5 汇流对黑土坡面径流和侵蚀的贡献率

3 结论

本研究基于模拟降雨试验和上方汇流试验,设计了不同降雨强度和汇流速率以及二者组合的试验处理,研究了降雨和汇流对黑土坡面土壤侵蚀的影响,分析了降雨和汇流对坡面侵蚀的作用贡献,主要结论如下：

(1)在降雨和汇流独立试验中,当降雨强度由50 mm/h增加至100 mm/h时,坡面径流量和侵蚀量分别增加了1.4和6.1倍；当汇流速率由50 mm/h增加至100 mm/h时,坡面径流量和侵蚀量分别增加了1.1和3.2倍。说明降雨对坡面土壤侵蚀产沙的影响显著大于汇流作用。

(2)在降雨和汇流组合试验中,总供水强度(降雨强度+汇流速率)均为150 mm/h时,降雨强度为100 mm/h和汇流速率为50 mm/h组合试验的坡面径流量和侵蚀量分别是降雨强度为50 mm/h和汇流速率为100 mm/h组合试验1.2和7.9倍,前者试验处理的坡面主要以细沟侵蚀方式为主,后者试验处理的坡面主要以片蚀为主。

(3)在相同汇流条件下,降雨强度增加50 mm/h后,其对坡面侵蚀量的贡献率为89.6%—99.5%；而在相同降雨条件下,汇流速率增加50 mm/h后,其对坡面侵蚀量的贡献率为17.2%—78.7%,说明在东北黑土区防治坡面汇流对坡面土壤侵蚀影响也尤为重要。

(4)降雨和汇流之间的相互影响作用对坡面土壤侵蚀的特征有待深入研究。

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