2. 遂宁水土保持试验站, 629006, 四川遂宁
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项目名称
- 国家自然科学基金"华北土石山区典型林分坡地径流形成机制研究"(41601028);中国博士后科学基金面上项目"四川紫色土壤有机碳流失机理及对碳储量的影响"(2012M511938);水利部公益性行业科研专项"水土保持生态效应监测与评价技术研究"(201501045)
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第一作者简介
- 任雨之(1996-), 女, 本科生。主要研究方向:土壤侵蚀与水土保持。E-mail:373632768@qq.com
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通信作者简介
- 郑江坤(1982-), 男, 博士, 副教授。主要研究方向:生态水文和水土保持。E-mail:jiangkunzheng@126.com
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文章历史
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收稿日期:2019-01-14
修回日期:2019-10-16
2. 遂宁水土保持试验站, 629006, 四川遂宁
2. Soil and Water Conservation Experiment Station of Suining, 629006, Suining, Sichuan, China
川中丘陵区紫色土分布集中,坡耕地比例大,降雨时空分布不均,土壤侵蚀十分严重。降雨是侵蚀发生的动力,降雨量、降雨强度、历时等降雨特征显著影响坡面土壤侵蚀[1-2]。有学者通过划分天然降雨为不同降雨类型,深入探讨降雨类型与土壤侵蚀的关系[3]。侵蚀性降雨是坡面土壤侵蚀的主要原因, 通过合理布置耕作、工程和生物措施,能减轻水土流失。沟垄耕作可改变小地形,分散拦蓄地表径流,减少冲刷,其中横坡垄作在小雨强下具有较强防治侵蚀效应[4]。植被在减弱降雨动能、固土和阻缓径流等方面作用明显,与植被类型、盖度等密切相关[5]。小雨强下草本对泥沙的拦截率高于灌木,而中、大雨强下规律不明显[6]。依据降雨侵蚀规律布设植物篱可控制细沟发育,减少土壤侵蚀量,是治理紫色土坡耕地水土流失良好的生态措施[7]。目前对川中丘陵区不同降雨等级下水土流失规律的定量研究较少,探索水土保持效果较优的耕种模式,可为川中丘陵区紫色土水土流失防治和评价提供科学依据。
1 研究区概况遂宁水土保持试验站(E 105°28′51″,N 30°21′51″)位于川中丘陵区,属涪江一级支流琼江流域,海拔288~331 m。亚热带湿润季风气候,年均温18.2 ℃,年均降水量902 mm,年均蒸发量897.2 mm,年均无霜期296 d。土壤为红棕紫色土,呈中性到微碱性,由侏罗系遂宁组砂、页、泥岩风化形成,土壤松散、结构性差,土壤抗冲和抗蚀能力均弱[7]。坡耕地种植植物有玉米(Zea mays)、红苕(Ipomoea batatas)、小麦(Triticum aestivum)、胡豆(Vicia faba)、黄花(Hemerocallis citrina Baroni)、油桃(Amygdalus persica)等。
2 材料与方法 2.1 试验区布设试验站内设置6个标准径流小区(水平投影长20 m,宽5 m),正南坡向,小区四边均砌水泥围墙。其中10°小区4个、15°小区2个,小区下端设集流槽和径流观测池。
2.2 降雨等级划分与观测方法结合每次降雨历时和降雨量,依据国家气象局颁布的降雨等级标准,划分为小雨(light rain,LR),中雨(moderate rain,MR),大雨(heavy rain,HR),暴雨(rainstorm,RS),大暴雨(large rainstorm,LRS),特大暴雨(extraordinary rainstorm,ERS)[2]。
按《水土保持试验规程》(SL 419—2007)观测降雨量、径流量等数据[8]。并计算径流深(mm)、径流系数、产沙量(t/km2)、含沙量(kg/m3)[9]。数据用Excel和SPSS 20.0软件分析。
2.3 不同耕作种植模式划分1989—2016年,为保证耕种措施在时段内的一致性,确保各小区之间的可比性,选取4个时段进行研究(表 1)。2006—2008年,新银合欢(Leucaena leucocephala)植物篱于2006年3月栽植,篱带间距9 m,每带2行,行距0.4 m,株距0.2 m,株高0.7 m,每年春季修剪。2013—2016年,新银合欢和香根草(Vetiveria zizanioides)植物篱于2010年4月移栽,篱带间距6.5 m,每带2行,行距0.4 m或0.5 m,株距0.2 m,株高0.8 m。
如表 2所示,4个时段的侵蚀性降雨累计72场。1991—1993年集中于6—8月,约占总降雨量的90%;其中大雨居多,占总次数的64%。2004—2005年则集中于7—8月,占总降雨量的63%;且以暴雨、大雨居多,占总次数的88%。2006—2008年集中于6月和8月,约占总降雨量的52%;并以暴雨为主,占总次数的64%。2013—2016年集中于6—7月,约占总降雨量的60%;以大、暴雨为主。10月仅出现1次侵蚀性降雨,小雨和中雨几乎不产流产沙,大、暴雨为侵蚀性降雨主要表现,故应针对大、暴雨加强6—8月水土保持工作。
由表 3可知,该时段有5种降雨等级,中、大暴雨均为1场,不进行方差分析。各小区的径流深在特大暴雨与大、暴雨间均差异显著(P < 0.05)。径流系数在R1、R2、R5小区特大暴雨与大、暴雨均存在显著差异;在R4、R6小区特大暴雨与大雨间差异显著。产沙量在所有小区中,特大暴雨与大、暴雨间均差异显著。含沙量在除R2外的其余小区中,特大暴雨与大、暴雨均差异显著,R2小区各降雨等级无显著差异(P>0.05)。
10°小区,同降雨等级下,径流深、径流系数、产沙量均为:R2>R3>R4>R1,含沙量在特大暴雨:R4>R3>R2>R1。径流深、径流系数在大雨下R1与R2、R3差异显著。产沙量在大雨、大暴雨下R1与R2、R3也差异显著。在15°对照小区、相同措施不同坡度对照小区,所有指标在同降雨等级下均差异不显著。
3.3 降雨等级对横坡垄作的产流产沙影响由表 4可知,各小区径流深、产沙量、含沙量均表现为大暴雨>暴雨>大雨;而径流系数在T1小区:暴雨>大暴雨>大雨,T3~T6小区:暴雨>大雨>大暴雨,可能与前期土壤含水量有关。径流深、径流系数在同小区各降雨等级间均差异不显著。产沙量在所有小区中大暴雨与大、暴雨差异显著,大暴雨下T2~T6小区平均产沙量为暴雨的4.2~22.2倍,为大雨的20.5~126.8倍。含沙量在所有小区中大暴雨与大雨差异显著,除T3小区外大暴雨与暴雨间差异显著。
10°小区,同降雨等级下,各指标整体表现为顺垄>横垄,而黄花小区在大暴雨、暴雨表现为横垄>顺垄。T3与T4小区的径流系数和产沙量分别在大暴雨和暴雨下差异显著。T4小区含沙量是T3的3.9~21.3倍,且差异显著。同降雨等级下T2小区产沙量和含沙量显著小于T4小区。T5与T6小区径流系数和产沙量分别在大暴雨和大、暴雨下差异显著;含沙量在各降雨等级下均差异显著。
3.4 降雨等级对植物篱定植初期的产流产沙影响由表 5可知,小区各指标整体趋势:大暴雨>暴雨>大雨。P1、P3、P5小区的径流深和径流系数在大暴雨与大雨间差异显著;产沙量和含沙量在P3、P4小区下大暴雨与大雨间差异显著,P4小区大暴雨与暴雨间也存在显著差异。
同降雨等级下各指标小区间表现为:P1 < P2,P3>P4,P5 < P6;在大雨下,P1和P2小区的径流深和径流系数差异显著;产沙量和含沙量在P3和P4小区差异不显著,而大、暴雨下P1与P2小区差异显著。15°小区各指标在大雨下均显著差异。相同措施不同坡度,P2与P6小区在大雨下的径流深和径流系数存在显著差异。
3.5 降雨等级对定植3年后植物篱的产流产沙影响由表 6可知,该时段有4种降雨等级,特大暴雨仅1场,不进行方差分析。各小区在大暴雨下径流深是暴雨的3.0~3.6倍,是大雨的4.9~6.6倍;大暴雨下径流系数是暴雨的1.4~1.7倍,是大雨的1.4~2.0倍;大暴雨下产沙量为暴雨的8.8~36.9倍,为大雨的44.9~113.5倍;大暴雨含沙量为暴雨的2.4~7.5倍,为大雨的4.0~15.3倍。所有小区大暴雨下各指标与暴雨、大雨差异显著。
10°小区,径流深和径流系数呈现:H3>H1>H2>H4;产沙量和含沙量呈现:H1>H3>H2>H4。径流深和径流系数在同降雨等级下H2和H4差异不显著,植物篱与无植物篱小区也差异不显著。产沙量和含沙量分别在大、暴雨和暴雨下,植物篱与无植物篱小区间差异显著。15°小区,在大暴雨、大雨下H6的径流系数是H5的1.5和1.4倍,在大雨下H6的产沙量和含沙量分别是H5的2.8和9倍,均达显著性水平。
4 讨论坡耕地产流产沙与降雨等级和耕种措施密切相关[2]。4类耕种模式中,等高沟垄加档在大雨下水土保持效应最明显。横坡垄作在大暴雨和暴雨下分别能有效减少径流系数和产沙量。由于垄沟内形成的细沟侵蚀及可能的瞬时坍塌使侵蚀动态变化过程波动性大于径流的波动性。随着降雨强度和水流强度增加,水层增厚,溅蚀动能减少,泥沙颗粒无附加
外力破坏黏聚力,仅靠剪切力,挟沙减小[10]。黄花能有效减少水土流失,仅降雨等级较小时明显,降雨等级较大时植株、根系易受破坏。定植初期植物篱植株尚未长成,盖度小,未形成闭合带,篱墙密集度低,根系不发达,加上种植时翻动扰动大,短时间内未能发挥减流减沙作用,这与马星等[9]研究基本一致,与杨帅等[11]研究有一定差异;油桃小区林冠高大,根系发达,持水能力强,在各降雨等级下均具有较好的水土保持功能[12]。植物篱经3~5年生长,其固土保水功能逐步体现,且在暴雨、大雨时效果最为突出,香根草为草本植物,根茎发达,丛数越多减流减沙作用越明显。
植物措施通过根系的生长与固持作用,以及植株对泥沙阻碍,使土壤大颗粒在篱带或植株前沉积[7],且更大的粗糙度可使黏土含量、沉积物分形维数发生改变,更好地控制其侵蚀力[5]。垄作使径流汇集,快速入渗达到岩土界面形成蓄满产流;降雨击溅致使土壤结皮,使降雨后期土壤抗侵蚀能力增强,产沙正效应减弱,使垄沟机械阻拦更为有效[10]。各类耕种模式通过对植被、土体、降雨因素综合调整,达到调水固土效果。采用国家气象局颁布的降雨等级,研究不同耕种措施的水土保持作用,更具实践性,对该区水土保持措施布置具有重要的现实指导价值。
5 结论1) 侵蚀性降雨集中于6—8月,大、暴雨为主要降雨等级,坡耕地产流产沙量随降雨等级增大而增加。
2) 等高沟垄两端加档、横垄、油桃小区+植物篱、香根草植物篱在4个时段内减流减沙效果最佳,且减沙效应优于减流。
3) 种植黄花及植物篱措施在大雨下减沙效果最佳,而耕作措施在暴雨下的效果明显,不同措施在防治水土流失中存在降雨临界值。
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