红壤区坡面径流小区全剖面采样方法探讨

陈 瑛，陈晓安

（1.中铁水利水电规划设计集团有限公司，江西 南昌，330029；2.江西省水利科学院，江西 南昌，330029）

0 引言

水土流失监测是水土保持工作开展的基础，对合理利用水土资源及学科发展有重要意义[1]。径流小区监测是水土流失监测的重要方法，是测量小流域径流与泥沙的主要手段[2]，径流小区由围梗、集流槽、径流桶、导流管、分流桶五部分组成[3，4]。

水土流失量观测是径流小区进行土壤侵蚀测算的基础[5]。当前人工搅拌采样法仍为各地区径流桶泥沙观测的主要方法，但人工搅拌法因其方法的局限性极易受到外因的干扰导致采样误差偏大[6]。叶芝菡[7]等人根据北方土石山区侵蚀泥沙以粗颗粒为主特点研制了全剖面采样器，主要包括采样管、拖柄、固定环、底盘4部分，其通过采样器采集径流桶中从桶底到水面的浑水水柱，再取样测量水柱中的泥沙含量，进而得到径流桶的径流含沙量。路炳军[8]等根据北京地区全剖面采样器的实际使用情况，提出了较为完备的操作流程及仪器使用注意事项。与传统的人工搅拌取样法相比，全剖面取样器采样法的测量精度得到很大提高[7]。

南方红壤地区作为我国水土流失最为严重的区域之一，行业监管部门和科研院所设置了大量的水土流失监测站点，以坡面径流小区为主，主要监测不同土壤母质发育红壤、不同下垫面情况下的坡面水土流失情况。坡面径流小区仍然采用径流桶收集径流泥沙，再测量径流桶中泥沙含量，计算水土流失量。全剖面采样法操作简单易行，但其在南方红壤区径流含沙量测量精度如何尚未明确。鉴于此，本文以红壤为对象，通过径流桶不同含沙量、水深下全剖面法测量精度研究，为全剖面取样器采样法在红壤区推行提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于鄱阳湖水系德安县燕沟小流域江西水土保持生态科技园（东经 115°42′38″～115°43′06″，北纬29°16′37″～29°17′40″），总面积 80hm2。该园区属亚热带季风气候区，多年平均降雨量1 449mm，多年平均气温16.7℃，多年平均无霜期249d，年日照时数1 700h～2 100h；地带植被为亚热带常绿阔叶林；地貌为丘陵岗地。

项目区土壤为第四纪红黏土，采集坡耕地试验区径流小区内地表0～20cm深土壤样品，经过自然风干后，过5mm筛去掉杂物，测定相关指标。土壤黏粒含沙量为32.24%，粉粒含量为57.83%，砂粒含量为9.94%，碱解氮含量为24.95mg/kg，有机质含量为6.40g/kg，速效磷含量为 1.89mg/kg[9]。

1.2 采样方法及采样器

实验选用的全剖面取样器如图1所示，由拖柄、采样管、固定环、底盘组成，其管长100 cm，圆管内径为5 cm，外径为5.4 cm。

图1 全剖面采样器

降雨结束后，待径流桶中含沙浑水静置24h后使用全剖面采样器对其进行采样。采样时，先将采样管取出，手持拖柄将取样器斜插入水中，让底座斜切入桶底泥沙中。拖动拖柄使底座在桶底滑动，将取样器慢慢扶正，使其垂直于桶底。将采样管通过固定环插入到底，并用力旋转几次，保证底座与采样管接触紧密。用手将采样管上口密封，同时拖动拖柄将采样器从径流桶中取出，将管中样品置入取样桶中，完成第一次采样后，再在桶内均匀的随机取4个点位水样，将5管水倒入取样桶中。

在取样桶中用取样勺将桶内泥沙搅拌均匀后取800mL浑水样品于铝盒中，每次采样设置3个重复。完成采样后将样品沉淀24h，倒掉上层清液，放入烘箱烘干称重，含沙量测量结果取3个重复样本的平均值。

1.3 实验设计与数据分析

江西省水土保持生态科技园坡耕地径流小区径流泥沙多年监测数据显示，径流桶含沙量发生低含沙量（0～10kg/m3）频率占80%，发生频率低的中含沙量（10～50kg/m3）和高含沙量（大于 100kg/m3）占 20%，但其对全年坡面水土流失量贡献大[9]。当前国内标准径流小区的径流桶溢流口高度在60cm左右，基本不超过90cm，小降雨事件时一级径流桶一般不溢流，30cm水深代表不溢流的径流桶水深，为此不同水深试验设置30cm、60cm、90cm 3个水平。

因此，不同含沙量下全剖面取样器测量误差，水深设置为 60cm，含沙量分别为 1.05kg/m3、5.25kg/m3、10.49kg/m3、52.46kg/m3、104.92kg/m3、524.58kg/m3；不同水深下全剖面法测量误差，水深设置为30cm、60cm、90 cm 3个水平，每个水深对应3个含沙量10.49kg/m3、104.92kg/m3、524.58kg/m3；30cm 和 60cm 水深试验在规格为0.3m（径流桶半径）×0.8m（高）的径流桶中进行，90cm水深试验则在0.3m（径流桶半径）×1.2m（高）径流桶进行。

实验所得表格数据处理计算在Excel中完成，显著性分析在SPSS软件中完成，显著性分析采用最小显著性差异法（LSD检验）。

2 结果与分析

2.1 不同含沙量条件下全剖面取样器采样法的测量误差

在60cm水深、不同含沙量条件下全剖面取样器采样法测量误差见表1。

由表1可知，全剖面取样器采样法相对测量误差-35.19%～0.65%，其中含沙量在低含沙量范围（小于10kg/m3）全剖面法测量误差有正、有负，并且相对误差大，说明其随机误差大；含沙量大于10kg/m3均是负误差，中含沙量范围（约10～50kg/m3）平均相对误差-13.03%，高含沙量（大于100kg/m3）平均相对误差-28.77%，相对偏差由11.24%减少到1.22%，说明含沙量大于10kg/m3全剖面法测量值均小于实际值，且随着含沙量的增加，相对误差增大，中含沙量相对测量误差显著小于高含沙量范围。从低含沙量到高含沙量相对误差的偏差呈减小趋势，即低含沙量测量值波动性大，随着含沙量增加测量值波动性减小，高含沙量测量值波动性最小。

表1 全剖面取样器采样法不同含沙量下测量误差

2.2 不同水深条件下全剖面取样器采样法的测量误差

全剖面取样器采样法在3个含沙量等级、不同水深条件下含沙量测量误差见表2。

由表2可知，不同含沙量条件下平均相对误差整体上均随着水深增大而增大。含沙量在10.49kg/m3时，水深从30cm、60cm、90cm相对误差相互间均达到显著性差异；含沙量104.92kg/m3时，水深从30cm到60cm相对误差增加，但是并未达到显著性差异，水深从60cm到90cm相对误差达到显著性差异；含沙量在524.58kg/m3时，水深从30cm、60cm、90cm相对误差相互间均未有显著性差异。

表2 全剖面取样器采样法不同水深下测量误差

上述分析说明，全剖面法测量相对误差整体上随着水深增加而增加，但是含沙量会影响相对误差与水深的关系，低含沙量条件下不同水深间含沙量测量相对误差差异明显，随着含沙量的增大，水深对测量误差的影响逐渐减弱。

3 结论

（1）在南方红壤区坡面径流桶在水深60cm时，全剖面取样器采样法的相对误差范围在-35.19%～0.65%，对比其他学者关于人工搅拌法采样误差的研究，其测量精度有明显增加。

（2）含沙量对全剖面取样器采样法的平均相对误差存在显著性影响，其平均相对误差随含沙量的增大先减小后增大，即中等含沙量（10～50kg/m3）测量误差最小，低含沙量下有正负误差，高含沙量范围时只有负误差。

（3）水深影响全剖面取样器采样法的测量精度，在低、中含沙量水平下影响显著，相对误差存在显著差异；在高含沙量水平下无显著影响，相对误差无显著差异。

（4）在中、高含沙量条件下，全剖面取样器采样法，测量误差波动性小，数据稳定，且全剖面取样器采样法操作简单易行，便于推广。因此，全剖面取样器采样法适合南方红壤地区径流桶含沙量在中、高含沙量条件下采样。