降雨对黄土区主要管理措施坡耕地水沙动态过程的影响

JournalofSoilandWaterConservationVol.24No.2Apr.,2010　

降雨对黄土区主要管理措施坡耕地水沙动态过程的影响

何淑勤1,郑子成2,3,4,吴发启4,赵万君1

(1.四川农业大学林学院,四川雅安625014;2.四川农业大学资源环境学院,四川雅安625014;

3

3.中国科学院山地灾害与地表过程重点实验室,成都610041;4.西北农林科技大学资源环境学院,陕西杨凌712100)

摘要:通过室内人工模拟降雨的方法,分析了降雨对管理措施坡耕地水沙动态过程的影响。研究结果表明:在降雨条件下,实施管理措施坡耕地初始产流时间有所不同。耙耱地措施和人工锄耕,不同雨强条件下的径流强度过程线从开始产流都呈现出先波动上升、后下降的变化趋势。人工掏挖,在雨强1.50mm/min条件下径流强度过程线从开始产流呈现出先上升、后下降的变化趋势,波动性较大;而雨强0.68mm/min条件下径流强度过程线从开始产流却一直呈增加的变化趋势。等高耕作,在雨强1.50mm/min条件下径流强度过程线从开始产流呈现出一直增加的变化趋势,起始波动性较大;而雨强0.68mm/min条件下径流强度过程线从开始产流却呈先增加、后降低的变化趋势。降雨强度对实施管理措施坡面累积产流产沙过程影响较大,随雨强的增大,累积产流产沙也随之增加,但各管理措施对水沙动态过程影响程度不同。这为揭示人为管理措施的水保效应提供了一定的理论依据,同时也可服务于黄土区坡耕地水土流失的治理。关键词:径流量;产沙量;管理措施;降雨强度;黄土区

中图分类号:S157.1　　　文献标识码:A　　　文章编号:100922242(2010)0220019206

EffectofDifferentRainfallConditionsonRunoffandSedimentProcessto

thePrimaryManagementMeasuresinLoessPlateauRegions

HEShu2qin1,ZHENGZi2cheng2,3,4,WUFa2qi4,ZHAOWan2jun1

(1.CollegeofForestry,SichuanAgriculturalUniversity,Ya’an,Sichuan625014;

2.CollegeofResourcesandEnvironment,SichuanAgriculturalUniversity,Ya’an,Sichuan625014;3.KeyLaboratoryofMountainHazardsandSurfaceProcess,ChineseAcademyofSciences,Chengdu610041;

4.CollegeofResourcesandEnvironment,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100)

Abstract:Onthebaseofartificialrainfallexperiments,theresultsofeffectdifferentrainfallconditionsonrunoffandsedimentprocesstotheprimarymanagementmeasureswereobtained.Theresultsshowedthattheinitialtimeofrunoffwasdifferenttoallthemanagementmeasuresunderthedifferentrainfallconditions.Underthedifferentrainfallintensity,runoffintensityprocesseswerefromthefirstrisinginvolatilitytode2cliningtrendsontheslopewithrakeandslopewithhoe.Ontheconditionofrainfallintensityof1.50mm/min,therunoffintensityprocesswasfromtheincreasingtodecliningtrendsontheslopewithdig.Howev2er,ontheconditionofrainfallintensityof0.68mm/min,therunoffintensityprocesswastheincreasingfromthebeginningontheslopewithdig.Ontheconditionofrainfallintensityof1.50mm/min,therunoffintensityprocesswastheincreasingfromthebeginningtrendswiththevolatileontheslopewithcontour.However,ontheconditionofrainfallintensityof0.68mm/min,therunoffintensityprocesswasfromtheincreasingtodecliningtrendsontheslopewithcontour.Rainfallintensityhadgreaterimpacttothecumula2tiverunoffandsedimentyield,andcumulativerunoffandsedimentyieldincreasedwiththeincreasingrainfallintensityontheslopeofthevariousmanagementmeasures.However,theeffectsmanagementmeasuresonthedynamicprocessofthewaterandsedimentweredifferent.Theresultswouldprovidetheorybasisforharnessingsoilandwaterloessandreclaimingforestandgrassfromfarmlandinloessplateau.

3收稿日期:2009212221

基金项目:国家自然科学基金(40871133,40901138);国家重点基础研究发展计划(2007CB407201);中国科学院山地灾害与地表过程重点

实验室开放研究基金;四川省教育厅重点项目(07ZA059);地表过程与资源生态国家重点实验室开放基金(2008-KF-05);四川省科技厅应用基础项目(2008JY0022)

作者简介:何淑勤(1978-),女,讲师,主要从事水土保持研究。E2mail:angelhsq@163.com通讯作者:郑子成(1976-),男,博士,副教授,主要从事水土保持与生态环境建设研究。

20水土保持学报　　　　　第24卷

Keywords:runoff;sedimentproduction;managementmeasures;rainfallintensity;loessplateauregions

降雨是土壤侵蚀发生的动力,除直接打击土壤,形成击溅侵蚀,还形成地表径流,冲刷土体,并参与形成土壤内的一些特征,以一种综合的效应影响侵蚀。降雨因素和坡耕地管理措施所引起的地表格局的变化往往是影响坡耕地水沙关系的主导因素[1]。王万忠等研究表明黄土地区降雨因素与土壤侵蚀关系极为密切[224]。此外,坡耕地实施的人为管理措施,必然会对地表微地形产生较为重要的影响,同时也将导致土壤侵蚀的变化[527]。黄土高原现有耕地1910万hm2,其中73.6%属坡耕地,大量资料表明,坡耕地不仅是江河泥沙的主要来源,而且严重的水土流失使山区、丘陵地区耕地土层变薄,养分流失,造成坡耕地生产力低下,严重阻碍当地农业可持续发展。因此,本文利用室内人工模拟降雨试验,对不同雨强条件下黄土区主要管理措施的坡耕地产流产沙过程进行了研究,探讨了黄土区实施管理措施坡耕地的产流产沙过程,以期为黄土区土壤侵蚀规律研究和提高坡耕地土壤抗蚀能力提供科学依据。

1　材料与方法

1.1　供试土壤

供试土样采自杨凌耕层土壤(0-20cm)。土壤风干后,过10mm筛分层装入侵蚀槽内,所用侵蚀槽均为2.0m×1.0m×0.5m的铁质侵蚀槽。在填土过程中,为了使填土均一且容重接近自然坡面,采用容重随机实

测法,使平均容重保持在1.08g/cm3左右,土壤基本性质见表1。

表1　试验土壤机械组成

土壤粒级百分含量/%

>0.25mm0.12

0.25～0.05mm

2.70

0.05～0.01mm0.01～0.005mm0.005～0.001mm

41.13

6.88

12.89

<0.001mm36.28

　　由于研究区农耕地的经营主要以人为管理为主,故在此按照当地农耕习惯,在相应的侵蚀槽内,布设耙耱地、人工锄耕、人工掏挖和等高耕作4种管理措施。对于耙耱地坡面,人工翻挖整地,用耙进行平整;人工锄耕,使用锄头,沿坡面以常规方式锄耕,深度约为5cm掏挖,使用锄头,沿坡面进行“品”字形布设,深度约为7cm;等高耕作,垄高10cm,垄距为33cm。1.2　试验方法

实验采用室内人工模拟降雨的方法于2006年8月进行。所用人工降雨设备采用中科院水保所研制的下喷式降雨机进行,降雨高度2.7m,有效降雨面积约20m2。实验前,进行了不同降雨强度的率定,降雨均匀度可达0.93以上。采用5点法布设雨量筒,取其平均值,求算其降雨的降雨强度和雨量。

次降雨的降雨强度分别设计为0.68mm/min和1.50mm/min,降雨历时视坡面侵蚀发展到细沟阶段出现而停止。设计地表坡度为15°,每一试验均设3次重复。1.3　测定项目

实验中准确记录降雨历时、产流开始时间、降雨结束时间以及测定流速(染色剂法),收集每次降雨的径流量及泥沙样总样及过程样,其中过程样每隔3min采集一次,样品经过静沉、过滤后,用烘干法测定泥沙量。

2　结果与分析

2.1　次降雨条件对初始产流时间的影响

降雨开始后,地表受到雨滴击溅作用,由于分散土粒或使土粒间固有的黏结力降低,产生土粒松散、溅起,同时地表土壤逐渐变的密实,下渗能力减弱,导致坡面开始产流。在雨强0.68mm/min条件下,各管理措施坡耕地产流时间依次为:耙耱地<人工锄耕<人工掏挖<等高耕作。在雨强1.50mm/min条件下,各管理措施坡耕地初始产流时间明显缩短,呈明显的负相关,初始产流时间依次为人工锄耕〈人工掏挖〈耙耱地〈等高耕作。上述结果的出现,由于不同管理措施的地表微地形起伏不同,致使其在降雨初始时期,入渗能力存在着一定的差异,对大、小雨强条件下降雨的接纳能力不同。

随着坡面的径流的产生,不同管理措施坡面,地表微地形变化表现出不一致性[5]。通过观测发现:在微地形较小的地表,不久形成了薄层水流,随着雨滴的击溅作用,水流紊动性变大,上部出现流道弯曲,成树枝状分叉的细毛沟,此时的股流与薄层水流共生,接着出现了细沟;下部逐渐交汇细沟中,形成较大的股流,加强对地表的冲刷力度。对于微地形较大的地表,由于地表起伏度较大,临时性蓄水能力较强,出现细沟所需时间较长,且发展缓慢,一直到凹处的蓄水冲垮因地表糙度而产生的突起阻挡时,细沟才迅速发展。

第2期　　　　　何淑勤等:降雨对黄土区主要管理措施坡耕地水沙动态过程的影响21

2.2　降雨对各管理措施坡耕地产流产沙过程的影响2.2.1　耙耱地坡面的

产流产沙过程　由图1

可知,耙耱地措施,两组雨强的径流强度过程线从开始产流都呈现出先波动上升、后下降的变化趋势,但随着降雨强度的增加,产流强度表现出明显的差异,其变

图1　耙耱地措施下产流强度和产沙强度化幅度的大小与降雨强度密切相关。产流强度峰值出现在中后期,在雨强1.50mm/min条件下,径流强度明

显加快,波动较为强烈,在产流初期,在21～24min之内产流强度达到第一个峰值,达最大径流强度的79.77%,是雨强0.68mm/min条件下产流强度的3.12倍。产沙过程较产流过程变化更为复杂,呈现出更多的波动。各雨强的产沙过程与其产流过程无较好的相关性。总体而言,随产流开始,产沙较快到达第一个峰值。由于降雨强度的差异,峰值差异极为明显,降雨强度1.50mm/min条件下的产沙强度是雨强0.68mm/min条件下的7.49倍。在两种雨强条件下,产沙强度分别

达到峰值后,均有所下降。当雨强1.50mm/min条件下,产沙强度峰值出现较早,出现在9min左右,而雨强0.68mm/min条件下,产沙强度出现在18min左右。此外,各雨强的产流强度过程线较产沙强度过程线,存在一定的滞后现象。　　从两种雨强累积产流产沙过程线可以看出,降雨强度对其影响的差异较为明显,雨强1.50mm/min条件下的曲线较为陡直,斜率大;而雨强0.68mm/min条件下,累积产沙过程线较为平缓(图2)。在18～21min时段内,两雨强条件下产流量差异明显,大小雨强产流量相差3.27倍。两种雨强条件下,在各自产流时间内,累积径流量平均增长率之比为1∶2.27,

累积产沙量平均增长率

图3　人工锄耕措施下产流强度和产沙强度之比为1∶7.39。说明

在上述两种雨强条件下平均产流增长率比值差异相对较小的情况下,平均产沙率比值差异却较大,表明雨强因素对耙耱地措施产沙过程的影响大于其产流过程,且在小雨强条件下,耙耱地措施的减沙作用较延阻坡面径流作用更为明显。

2.2.2　人工锄耕坡面的产流产沙过程　由图3可知,就人工锄耕而言,两组雨强的径流强度过程线从开始产

图2　耙耱地措施下累积产流产沙过程线

流都呈现出先上升、后下降的变化趋势,但随着降雨强度的增加,产流强度表现出明显的差异,其变化幅度的大小与降雨强度密切相关。产流强度峰值出现在中后期,在雨强1.50mm/min条件下,产流峰值出现在42min,在产流初期,在9min左右产流强度达到第一个峰值,达最大径流强度的74.19%,是雨强0.68mm/min条件下产流强度的20.48倍;在雨强0.68mm/min条件下,产流峰值出现在78min,在产流初期,在54min左右产流强度达到第一个峰值,达最大径流强度的89.04%,但仅为雨强1.50mm/min条件下产流强度的0.26倍。

22水土保持学报　　　　　第24卷

同耙耱地一样,产沙过程较产流过程变化较为复杂,呈现出更多的波动。各雨强的产沙过程与其产流过程无较好的相关性。总体而言,随产流开始,产沙较快到达第一个峰值。由于降雨强度的差异,峰值差异极为明显,降雨强度1.50mm/min条件下的产沙强度是雨强0.68mm/min条件下的8.51倍。在两种雨强条件下,产沙强度分别达到峰值后,均有所下降。当雨强1.50mm/min条件下,产沙强度峰值出现较早,出现在9min左右,而雨强0.68mm/min条件下,产沙强度出现在12min左右。从两种雨强累积产流产沙过程线可以看出(图4),降雨强度对其影响的差异更为明显,雨强1.50mm/min条件下的曲线较为陡直;而雨强0.68mm/min条件下,累积产沙过程线较为平缓。在6～15图4　人工锄耕措施下累积产流产沙过程线

min时段内,两雨强条件下产流量差异明显,大小雨强产流量相差18倍左右,且小雨强条件下较耙耱地措施累

积产流过程线变化较缓。两种雨强条件下,在各自产流时间内,累积径流量平均增长率之比为1∶4.52,累积

产沙量平均增长率之比为1∶16.1。说明在上述两种雨强条件下平均产流增长率比值差异相对较小的情况下,平均产沙率比值差异却较大,表明雨强因素对人工锄耕措施产沙过程的影响大于其产流过程。2.2.3　人工掏挖坡面

的产流产沙过程　由图5可知,就人工掏挖而言,在雨强1.50mm/min条件下径流强度过

程线从开始产流呈现出先上升、后下降的变化趋势,波动性较大,产流峰值出现在66min;而图5　人工掏挖措施下产流强度和产沙强度

雨强0.68mm/min条件下径流强度过程线从开始产流却一直呈增加的变化趋势,产流峰值出现在60min。随着降雨强度的增加,两雨强条件下产流强度差异表现为先增加后减小的变化。在雨强1.50mm/min条件下,产流初期,在15min左右产流强度达到第一个峰值,达最大径流强度的54.95%,是雨强0.68mm/min条件下产流强度的7.5倍。　　在雨强1.50mm/min条件下,产沙过程较产流过程变化较为复杂,呈现出更多的波动,各雨强的产沙过程与其产流过程无较好的相关性。总体而言,随产流开始,产沙较快到达第一个峰值。由于降雨强度的差

图6　人工掏挖措施下累积产流产沙过程线

异,峰值差异较明显,降雨强度1.50mm/min条件下的产沙强度是雨强0.68mm/min条件下的4.33倍。在雨强1.50mm/min条件下,产沙强度分别达到峰值后,有所下降;当雨强0.68mm/min条件下,产沙强度呈先

增加、再降低、最后增加的变化趋势。

从两种雨强累积产流产沙过程线可以看出,降雨强度对其影响的差异更为明显,雨强1.50mm/min条件下的曲线较为陡直;而雨强0.68mm/min条件下,累积产沙过程线较为平缓。在36～42min时段内,两雨强

第2期　　　　　何淑勤等:降雨对黄土区主要管理措施坡耕地水沙动态过程的影响23

条件下产流量差异明显,大小雨强产流量相差9.78倍左右。两种雨强条件下,在各自产流时间内,累积径流量

平均增长率之比为1∶4.35,累积产沙量平均增长率之比为1∶10.96。说明在上述两种雨强条件下平均产流增长率比值差异相对较小的情况下,平均产沙率比值差异却较大,表明雨强因素对人工掏挖措施产沙过程的影响大于其产流过程。2.2.4　等高耕作坡面的产流产沙过程　由图7可知,就等高耕作而言,在雨强1.50mm/min条件下径流强度过程线从开始产流呈现出一直增加的变化趋势,起始波动性较大,产流峰值出现在

图7　等高耕作措施不同雨强条件下产流强度和产沙强度24min;而雨强0.68mm/min条件下径流强度过程线从开始产流却呈先增加、后降低的变化趋势,产流峰值出

现在21min。随着降雨强度的增加,两雨强条件下产流强度差异表现为先减小后增加的变化。在雨强1.50mm/min条件下,产流初期,在15min左右产流强度达到第一个峰值,达最大径流强度的84.74%,是雨强0.68mm/min条件下产流强度的1.04倍。

在雨强1.50mm/

min条件下,产沙过程较产流过程变化较为复杂,各雨强的产沙过程与其产流过程不存在较明显的相关性。总体而言,随产流开始,产沙量表现为先减小、后增加、再减小的变化趋势,且在15min

图8　等高耕作措施不同雨强条件下累积产流产沙过程线

达到峰值。而在雨强0.68mm/min条件下,在21min产沙才达到峰值,降雨强度1.50mm/min条件下的产沙强度是雨强0.68mm/min条件下的3.70倍。

从两种雨强累积产流过程线可以看出,降雨强度对这一措施影响的差异并不明显,变化规律基本一致。两雨强累积产沙过程线虽均呈一直增加的变化趋势,但差异较大,降雨强度1.50mm/min条件下,在9min时累积产沙量突增;而雨强0.68mm/min条件下的累积产沙量却在15min时陡增。两种雨强条件下,在各自产流时间内,累积产沙量平均增长率之比为1∶2.62。说明在上述两种雨强条件下平均产流增长率比值差异相对较小的情况下,平均产沙率比值差异也较小,表明雨强因素对等高耕作措施产沙过程的影响虽大于其产流过程,但变化幅度较小。

不同管理措施坡面径流和侵蚀产沙的变化,可能与地表微地形的演化与径流冲刷的强度有关。在降雨初期,由于各管理措施坡面,地表微地形起伏差异较大,进而导致接纳雨滴击打作用不同,在不同管理措施坡面上溅蚀量存在一定差异[8]。同时,在这一过程中,各措施坡面由于地表糙度的演化与降雨侵蚀间的相互作用,使坡面入渗能力、径流冲刷、侵蚀能力表现出不同。降雨强度越大,这一作用表现的越强烈。可见,实施不同人为管理措施,可引起凹凸不平坡面土壤抗蚀能力的空间差异及对径流的再分配作用,使坡面的侵蚀产沙和径流出现相应的分异规律。

3　结论与讨论

(1)通过对实施管理措施坡耕地初始产流时间分析表明,在雨强0.68mm/min条件下,各管理措施坡耕地

产流时间依次为:耙耱地<人工锄耕<人工掏挖〈等高耕作;在雨强1.50mm/min条件下,各管理措施坡耕地初始产流时间较小雨强下明显缩短,初始产流时间依次为人工锄耕<人工掏挖<耙耱地<等高耕作,说明雨强是影响不同管理措施下初始产流时间的重要因子。

(2)在不同降雨条件下,各管理措施坡面产流、产沙过程线均表现出一定的波动趋势,产沙过程较产流过程

24水土保持学报　　　　　第24卷

更为强烈,其中累积产沙量的增加幅度大于累积产流量。

(3)雨强对各管理措施产流产沙过程影响较大,随雨强的增大,管理措施坡面产流产沙也随之增加。其中耙耱地影响最大,其次为人工锄耕和人工掏挖措施,等高耕作措施坡面影响最弱。

不同管理措施坡面,在不同降雨条件下坡面径流及侵蚀产沙量差异较大。可见,降雨是影响径流和产沙的主要动力因素之一。由于各管理措施具有不同的蓄水保土作用,导致对径流与侵蚀的影响存在一定的差异。这一作用的体现,取决于降雨和地表状况。就微地表起伏而言,从耙耱地、人工锄耕、人工掏挖到等高耕作,依次增大,在不同雨强条件下,不同微地形起伏对雨滴的击溅、降雨入渗和水流的滞蓄作用不同。这一作用,随着降雨的延续,径流和侵蚀产沙表现出上述特点。因此,合理管理措施的实施,在作物耕作、种植及生长初期,是黄土区坡耕地防治水土流失的主要措施之一。

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