坡耕地降雨產(chǎn)流產(chǎn)沙規(guī)律研究

坡耕地降雨產(chǎn)流產(chǎn)沙規(guī)律研究

1徑流場(chǎng)觀測(cè)小區(qū)山坡上的地是四川中山區(qū)水土流失的策源地。為了研究四川中山區(qū)坡耕地不同坡度的水土流失規(guī)律，研究相應(yīng)的防治措施，四川省土壤水保護(hù)廳位于a4128.51，n102151。今年1月，遂寧安居區(qū)設(shè)立了不同坡度的徑向流場(chǎng)。徑向流場(chǎng)分為五個(gè)不同梯度的觀察區(qū)：5、10、15、20和25。社區(qū)斜面位于社區(qū)的南部，安裝了防雨板。每個(gè)社區(qū)的投影面積為66.64平方米，長(zhǎng)9.52米，寬7.00米。小區(qū)土壤為紅棕紫色土,母質(zhì)為泥頁(yè)巖。按原地貌和土層厚度設(shè)置5個(gè)徑流觀測(cè)場(chǎng),分別為5°小區(qū)40~50cm,10°小區(qū)45~50cm,15°小區(qū)35~40cm,20°小區(qū)45~55cm,25°小區(qū)50~65cm。2數(shù)據(jù)選擇2.1降雨次數(shù)及沖刷量此研究中,筆者從遂寧站觀測(cè)數(shù)據(jù)中選取了以下因子:坡度/(°)、降雨/mm、徑流深/mm、沖刷量/(t·km-2),此外還有2個(gè)非數(shù)據(jù)影響因子,即耕作措施和植被種類。5個(gè)徑流小區(qū)相鄰布置,坡度分別為5°、10°、15°、20°和25°;對(duì)于降雨,由1991—2000年的觀測(cè)資料顯示,各徑流小區(qū)同時(shí)產(chǎn)流產(chǎn)沙的降雨次數(shù)共15次,均為暴雨及特大暴雨,降雨量用P表示;徑流深為每次降雨產(chǎn)流的徑流總量與徑流小區(qū)面積之比,即降雨的平均徑流深,取渾水值,按坡度分別以H5、H10、H15、H20、H25表示;沖刷量為各徑流小區(qū)每次降雨產(chǎn)沙量經(jīng)單位換算而來(lái),按坡度分別以W5、W10、W15、W20、W25表示;耕作措施分2種,順坡和等高帶狀橫坡,作物種類主要為牧草類的串葉松香草(Silphiumperfoliatum)與普通農(nóng)作物小麥(Triticumaestivum)、紅薯(Ipomoeabatatas)和玉米(Zeamays)。坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙的相關(guān)數(shù)據(jù)如表1和表2所示。2.2不同立地因子對(duì)產(chǎn)徑流沙的影響因5個(gè)徑流小區(qū)并列布置,小區(qū)外部環(huán)境完全相同,對(duì)影響坡面產(chǎn)流與產(chǎn)沙的坡度、耕作措施及植被3個(gè)因子利用它們不同組合情況下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),分別以地表徑流深和沖刷量點(diǎn)繪不同組合情況下坡面產(chǎn)流、產(chǎn)沙與坡度的關(guān)系曲線,主要通過(guò)基本組合(橫坡耕作與種植農(nóng)作物組合)基礎(chǔ)上5個(gè)小區(qū)耕作措施和植被類型的變更組合引起的曲線突變來(lái)探究不同因子對(duì)產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響,并用灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)法得出各因子共同作用時(shí)對(duì)坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響系數(shù),綜合得出坡面的產(chǎn)流產(chǎn)沙規(guī)律。3觀測(cè)數(shù)據(jù)的結(jié)果和分析3.1流量分析3.1.1不同徑流小區(qū)的徑流生長(zhǎng)特性1)曲線1型:基本組合——橫坡耕作與種植農(nóng)作物。5個(gè)徑流小區(qū)均為橫坡耕作,植被種植均為普通農(nóng)作物,在相同的降雨條件下,各徑流小區(qū)的平均徑流深隨坡度而增大,曲線呈統(tǒng)一的上升趨勢(shì),如圖1所示,即坡面產(chǎn)流量隨坡度遞增而增加。2)曲線2型:耕作措施變更——10°和15°小區(qū)由橫坡改為順坡耕作。10°和15°徑流小區(qū)耕作方式改為順坡耕作,其余5°、20°、25°3個(gè)徑流小區(qū)仍為橫坡耕作,植被種植5個(gè)徑流小區(qū)一致,均為普通農(nóng)作物。在相同的降雨條件下,5°、20°、25°3個(gè)徑流小區(qū)的平均徑流深隨坡度而增大,與圖1趨勢(shì)一致,而10°和15°徑流小區(qū)的徑流深出現(xiàn)了突增,如圖2所示,即改為順坡耕作方式后,徑流小區(qū)的產(chǎn)流量劇增,由數(shù)據(jù)可知,大部分雨水通過(guò)坡面徑流轉(zhuǎn)移出去,10°徑流小區(qū)流失了68%,15°徑流小區(qū)流失了77%。3)曲線3型:植被種類變更——5°、20°和25°由種植農(nóng)作物改為植草。5個(gè)徑流小區(qū)均為橫坡耕作,5°、20°、25°3個(gè)徑流小區(qū)種植串葉松香草,10°和15°徑流小區(qū)種植農(nóng)作物,在相同的降雨條件下,5°、20°、25°3個(gè)徑流小區(qū)的平均徑流深隨坡度增大而增大,與圖1趨勢(shì)一致,而10°和15°徑流小區(qū)的徑流深出現(xiàn)了下降,如圖3所示,即相同的橫坡耕作方式下,種植普通農(nóng)作物的坡面,產(chǎn)流較植草坡面少,究其原因,緣于農(nóng)耕措施中的深翻耕種增大了坡面有效涵水土層的深度和土壤孔隙率,而坡面植草時(shí),草本類植物根系向下伸展能力有限,地表以下疏松層厚度較小,相應(yīng)的涵水土層較薄,導(dǎo)致坡面的蓄水能力降低。4)曲線4型:組合變更——10°和15°徑流小區(qū)橫坡耕作改為順坡耕作,其余徑流小區(qū)由種植農(nóng)作物改為植草。在此混合組合里,5°、20°、25°3個(gè)徑流小區(qū)橫坡耕作,種植串葉松香草,10°和15°徑流小區(qū)順坡耕作,種植農(nóng)作物紅薯和小麥。由圖4可見(jiàn),徑流深與坡度的關(guān)系曲線變得比較雜亂,但比較突出的變化趨勢(shì)是,10°和15°徑流小區(qū)的產(chǎn)流量脫離隨坡度遞增的趨勢(shì)出現(xiàn)突增,即當(dāng)坡度、耕作措施和植被3個(gè)因子交叉變化共同作用時(shí),橫坡耕作與牧草種植的組合,產(chǎn)流量小于順坡耕作和農(nóng)作物種植的組合。3.1.2不同坡度、不同植被對(duì)坡面產(chǎn)流的影響采用灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)法,對(duì)影響因子——坡度、耕作措施及植被進(jìn)行綜合分析,坡度以實(shí)際坡度值表示,耕作措施和植被采用分類賦值:橫坡耕作為1,順坡為2,農(nóng)作物種植為1,植草為2。通過(guò)對(duì)不同組合的計(jì)算,得出三者對(duì)坡面產(chǎn)流的影響系數(shù)見(jiàn)表3,平均影響系數(shù)分別為:坡度0.693,耕作措施0.685,植被0.421。由此可見(jiàn),在相同的降雨條件下,坡度對(duì)坡面產(chǎn)流的影響最大,耕作措施次之,而植被的影響相對(duì)最小,這與圖2和圖3反映的趨勢(shì)一致,這也可以在一定程度上揭示各因子交叉作用時(shí)對(duì)坡面產(chǎn)流的影響,即耕作措施與植被的不同組合中,由于耕作措施對(duì)產(chǎn)流的灰色影響系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于植被,因此,最終反映出來(lái)的綜合結(jié)果相似于耕作措施單獨(dú)影響的結(jié)果。3.2產(chǎn)沙分析3.2.1徑流面徑流能量分析1)5個(gè)徑流小區(qū)均為橫坡耕作。當(dāng)5個(gè)徑流小區(qū)均采用橫坡耕作方式時(shí),不論植草或種植農(nóng)作物(被覆率都超過(guò)50%),相同的降雨情況下,坡面的產(chǎn)沙量隨著坡度增加而遞增,關(guān)系曲線呈現(xiàn)統(tǒng)一的上升趨勢(shì),如圖5所示,即相同的降雨強(qiáng)度下,坡面沖刷量隨坡度增加而加劇。從能量角度進(jìn)行分析,依據(jù)坡面徑流能量公式拉爾式,單位坡面上徑流能量為:式中:θ為坡面傾角,(°);Q為單位面積上的徑流量,t/hm2;L為坡長(zhǎng),m。對(duì)于5個(gè)徑流小區(qū)的坡面侵蝕,ρ、g和L取值相同,當(dāng)降雨條件一致且坡面土壤已達(dá)飽和狀態(tài)時(shí),單位面積上的徑流量Q取值相同,隨著坡度增大,即sinθ的逐漸增大,坡面流的能量越大,坡面越容易被侵蝕。2)10°和15°小區(qū)順坡耕作,5°、20°、25°3個(gè)徑流小區(qū)橫坡耕作。相同的降雨情況下,5°、20°、25°3個(gè)徑流小區(qū)橫坡耕作,坡面的產(chǎn)沙量隨著坡度增加而遞增,與圖5所示規(guī)律一致;當(dāng)10°和15°小區(qū)的耕作方式由橫坡變?yōu)轫樒聲r(shí),沖刷量劇增,如圖6所示,即其產(chǎn)沙能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于同等條件下的其他徑流小區(qū),降雨對(duì)坡面的侵蝕加劇,產(chǎn)沙量數(shù)倍增加,土壤物質(zhì)被大量輸出?？梢?jiàn),順坡耕作為坡面侵蝕提供了地利條件,在破壞原有坡面地貌的同時(shí),為水土資源的流失提供了通道。3.2.2賦值方法對(duì)不同坡度、坡度、平均影響系數(shù)通過(guò)計(jì)算,坡度、耕作措施、植被3個(gè)因子共同作用時(shí),與坡面產(chǎn)沙的灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)如表4(賦值方法與產(chǎn)流相同),平均影響系數(shù)分別為:坡度0.638,耕作措施0.797,植被0.428。由此可見(jiàn),在相同的降雨條件下,耕作措施對(duì)坡面產(chǎn)沙的影響最大,坡度次之,而植被的影響相對(duì)最小。3.3產(chǎn)沙綜合條件3.3.1不同徑流小區(qū)的產(chǎn)流和產(chǎn)沙特性5個(gè)徑流小區(qū)統(tǒng)一采用橫坡耕作,10°和15°徑流小區(qū)種植農(nóng)作物,其余徑流小區(qū)植草。降雨情況、耕作措施相同的前提下,對(duì)5個(gè)徑流小區(qū)的產(chǎn)流和產(chǎn)沙進(jìn)行研究,以1994年7月8日P=102.4mm的樣本為例,圖3和圖7分別為5個(gè)徑流小區(qū)的產(chǎn)流量和產(chǎn)沙量與坡度的關(guān)系曲線可知,橫坡耕作條件下,10°和15°小區(qū)種植農(nóng)作物雖然降低了坡面產(chǎn)流量,卻使坡面產(chǎn)沙量增加,即比植草的坡面,更多地截留了坡面降水,這有賴于種植過(guò)程中土壤的頻繁翻松,但疏松的土壤在另一方面卻助長(zhǎng)了水流的浸潤(rùn)沖刷,加劇了土壤固體顆粒的流失。3.3.2順坡耕作水土資源流失統(tǒng)一種植農(nóng)作物,10°和15°徑流小區(qū)順坡耕作,其余徑流小區(qū)橫坡耕作。降雨情況、植被相同的前提下,對(duì)5個(gè)徑流小區(qū)的產(chǎn)流和產(chǎn)沙進(jìn)行研究,以1996年8月1日P=67.5mm的樣本為例,圖2和圖8分別為5個(gè)徑流小區(qū)的產(chǎn)流量和產(chǎn)沙量與坡度的關(guān)系曲線,可知,順坡耕作方式不論是對(duì)坡面的產(chǎn)流還是產(chǎn)沙,都存在較大幅度的加劇作用,采用順坡耕作的坡面,水土資源都大量流失,以此樣本數(shù)據(jù)為例,順坡耕作條件下,水的流失量較之橫坡耕作約增加5~8倍,土的流失量約增加12~15倍,可見(jiàn),此種耕作措施對(duì)坡耕地有限水土資源的破壞能力和耗費(fèi)速度都相當(dāng)驚人,這應(yīng)該是坡耕地農(nóng)業(yè)地區(qū)產(chǎn)生越墾越窮、越窮越墾惡性循環(huán)的重要原因。4不同其他控制變量對(duì)產(chǎn)沙的影響1)對(duì)于坡耕地,相同的外界環(huán)境(包括降雨情況、溫度、氣候等)條件下,坡度、耕作措施及植被3個(gè)影響因子對(duì)坡面產(chǎn)流及產(chǎn)沙的影響分別為:坡度為正相關(guān),隨坡度增大,坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙量均隨之增加;耕作措施中,橫坡耕作較之順坡耕作能更多地?cái)r蓄坡面水,減少產(chǎn)沙量,有效控制水土流失;對(duì)于坡面植被種類,種植需深翻頻耕的普通農(nóng)作物較之種植牧草類草本植物能更大程度地減少坡面產(chǎn)流量,但是卻會(huì)加劇坡面產(chǎn)沙量。2)由灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)法得出三者對(duì)坡面產(chǎn)流的平均影響系數(shù)排序?yàn)?坡度>耕作措施>植被;對(duì)坡面產(chǎn)沙的平均影響系數(shù)分別為:坡度>耕作措施>植被。當(dāng)坡度、耕作措施及植被3個(gè)因子交叉變化共同作用時(shí),坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙關(guān)系曲線出現(xiàn)突變,各因子對(duì)其影響出現(xiàn)疊加,最終反映出來(lái)的綜合結(jié)果相似于影響系數(shù)較大者單獨(dú)影響的結(jié)果,暫且稱之為“從大效應(yīng)”。如橫坡耕作和植草組合的徑流小區(qū)與順坡耕作和種植農(nóng)作物組合的徑流小區(qū)進(jìn)行比較,對(duì)于產(chǎn)流,橫坡耕作較之順坡耕作攔截坡面水的能力強(qiáng),而植草較之種植農(nóng)作物攔截坡面水的能力弱,2種組合最