黃土丘陵溝壑區(qū)降雨條件下徑流小區(qū)對(duì)土壤侵蝕的影響

黃土丘陵溝壑區(qū)降雨條件下徑流小區(qū)對(duì)土壤侵蝕的影響

0坡耕地土壤侵蝕根據(jù)第二次全國(guó)土壤調(diào)查數(shù)據(jù)，我國(guó)耕地水土流失面積約0.45億h2m，占耕地面積的34.3%，主要分布在廣大山區(qū)的山區(qū)。因此，山坡上的農(nóng)業(yè)是水土流失的重要對(duì)策。在黃土高原有50%~60%的泥沙來自坡耕地,長(zhǎng)江等河流也有60%~70%泥沙源于坡耕地。土壤侵蝕嚴(yán)重地破壞了土壤耕層,造成了土壤養(yǎng)分的流失,進(jìn)而影響農(nóng)作物的生長(zhǎng),同時(shí)它也引起了水土環(huán)境的惡化。坡耕地土壤侵蝕包括雨滴濺蝕、坡面侵蝕等過程。坡地土壤侵蝕過程中土粒的運(yùn)移不僅導(dǎo)致了土壤顆粒的流失、淤積水庫(kù)渠道、抬高河床,而且在土壤顆粒流失的過程中導(dǎo)致土壤養(yǎng)分的流失,降低土地生產(chǎn)力,使有限的耕地又面臨著土地退化這一嚴(yán)重問題。據(jù)水利部資料,目前全國(guó)水土流失面積367萬km2,占國(guó)土面積的38.2%,其中坡耕地占很大比例。因此研究坡耕地上的降雨及坡度與產(chǎn)流產(chǎn)沙、養(yǎng)分流失的關(guān)系具有重要意義。土壤養(yǎng)分流失過程是表層土壤養(yǎng)分與降雨、徑流相互作用的過程。在水土流失過程中,隨著降雨侵蝕的發(fā)生,土壤養(yǎng)分也隨泥沙及地表徑流流失,不僅造成土壤退化,而且降雨導(dǎo)致的產(chǎn)流產(chǎn)沙中所攜帶的土壤養(yǎng)分隨著泥沙進(jìn)入江河、湖庫(kù),成為非點(diǎn)源的主要來源。開展黃土坡地降雨的產(chǎn)流產(chǎn)沙過程及相應(yīng)影響的研究具有重要理論與實(shí)踐意義,此研究可為該區(qū)水土保持與生態(tài)建設(shè)、土地利用規(guī)劃、土壤資源永續(xù)利用及黃河泥沙災(zāi)害治理等提供科學(xué)依據(jù);為坡耕地水土保持治理提供理論基礎(chǔ);本文主要探討黃土高原坡耕地降雨和坡度對(duì)產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響,從而進(jìn)一步得出降雨和坡度對(duì)土壤養(yǎng)分流失的影響。1蘇集山東下海區(qū)8e試驗(yàn)地選在渭北旱原東部的合陽縣甘井鎮(zhèn)。該區(qū)海拔910m,處于35°17′~35°22′N,110°03′~110°08′E,地勢(shì)西北高東南低,呈傾斜狀。該區(qū)多年平均降雨量613.58mm,主要集中在7、8、9月,降雨年際間分配不均,降水變率為0.779~1.464;氣候干旱,蒸發(fā)量1832.8mm,屬半濕潤(rùn)易旱區(qū)。土壤為塿土,是在石灰性褐土上經(jīng)過耕種熟化形成的土壤,中性偏堿(pH8.4),土層厚,蓄水保肥能力強(qiáng),缺P、N,但K、Ca豐富,有機(jī)質(zhì)含量低。2內(nèi)容和方法的研究2.1產(chǎn)徑流沙、養(yǎng)分流失追蹤2007-2009年期間,降雨條件下,對(duì)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地徑流小區(qū)中不同坡度裸露耕地的各產(chǎn)流產(chǎn)沙以及養(yǎng)分元素流失進(jìn)行追蹤研究,觀測(cè)水土流失量和土壤養(yǎng)分流失量,從而探討降雨對(duì)產(chǎn)流產(chǎn)沙、養(yǎng)分流失的影響,從而進(jìn)一步揭示出坡度與產(chǎn)流產(chǎn)沙、養(yǎng)分流失之間的規(guī)律。2.2測(cè)定項(xiàng)目及方法本實(shí)驗(yàn)采用徑流場(chǎng)觀測(cè)法,即在20m×80m的均整坡面上設(shè)置3組坡度分別為5°、10°、15°的24個(gè)坡面,各徑流小區(qū)寬規(guī)格均為寬2m、坡長(zhǎng)20m。每年汛期進(jìn)行降雨(量雨筒法)和徑流、泥沙觀測(cè)(收集法)。徑流量及土壤侵蝕量測(cè)定:每次降雨產(chǎn)生徑流后,測(cè)定每個(gè)小區(qū)徑流量和含沙量;根據(jù)水樣中的含沙量和小區(qū)徑流量,換算出每次降雨產(chǎn)流后各小區(qū)的土壤總侵蝕量和總徑流量。養(yǎng)分測(cè)定方法:在汛期前和汛期后(即4月前、10月后),采用“S”形采樣方法,分別對(duì)試驗(yàn)小區(qū)表層0~20cm和20~40cm土樣進(jìn)行采樣(徑流產(chǎn)沙中的養(yǎng)分測(cè)定采用收集徑流池中的泥沙樣),樣品經(jīng)風(fēng)干過篩,測(cè)定不同處理下土壤養(yǎng)分含量。為了減少測(cè)定時(shí)試劑變異造成測(cè)定數(shù)據(jù)波動(dòng),實(shí)驗(yàn)采用同一年土樣一次性處理,減少測(cè)量誤差。土壤養(yǎng)分測(cè)定方法:土樣有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀容量法;全N采樣凱氏定氮法測(cè)定;全P采用高氯酸-硫酸-鉬銻抗比色法;速效P采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法;速效K采用NH4OAC浸提,火焰光度法;銨態(tài)氮(NH+4-N)采用氯化鉀浸提-流動(dòng)分析儀法;硝態(tài)氮(NO-3-N)采用氯化鉀浸提-流動(dòng)分析儀法。3結(jié)果與分析3.1國(guó)內(nèi)黃土區(qū)表現(xiàn)降雨及其產(chǎn)生的徑流引起的侵蝕產(chǎn)沙,是全球性的嚴(yán)重環(huán)境問題之一,在我國(guó)黃土區(qū)表現(xiàn)尤為突出。根據(jù)徑流小區(qū)裸地的實(shí)測(cè)資料,統(tǒng)計(jì)徑流小區(qū)各年的侵蝕模數(shù)和徑流模數(shù),可以得到徑流小區(qū)的產(chǎn)流產(chǎn)沙量,具體數(shù)據(jù)如表1。3.1.1降雨與產(chǎn)流量統(tǒng)計(jì)結(jié)果當(dāng)徑流小區(qū)降雨量為19.80、29.10、33.30、54.50mm,產(chǎn)流量分別為27750.00、34250.00、41250.00、64250.00m3/km2。將降雨量與產(chǎn)流量進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析,可以得出結(jié)論:在產(chǎn)生徑流的降雨過程中,坡面的產(chǎn)流量隨著雨量的增加而增加。降雨是產(chǎn)生徑流的先決條件,降雨量在很大程度上決定了徑流量的大小。相同的坡度下,雨量越大,徑流總能量越大。在降雨過程中,土壤水分達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)將產(chǎn)生徑流即蓄滿產(chǎn)流(北方地區(qū),南方產(chǎn)流方式為超滲產(chǎn)流)。在飽和之后,徑流量隨著降雨的持續(xù)而逐漸增加。3.1.2降雨對(duì)產(chǎn)沙量的影響根據(jù)合陽縣試驗(yàn)地2007-2009年的降雨徑流資料得知,徑流小區(qū)幾次侵蝕性降雨量分別為19.80、29.10、33.30、54.50mm時(shí),對(duì)應(yīng)的產(chǎn)沙量分別為2093.00、2465.30、3350.00、3570.10t/km2。將降雨量與產(chǎn)沙量進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析,降雨與坡面的產(chǎn)沙量的關(guān)系,則呈現(xiàn)出產(chǎn)沙量隨著降雨量的增加而增加。降雨及其產(chǎn)生的徑流是造成土壤侵蝕的動(dòng)力,產(chǎn)沙量隨著徑流量的增加而增加。在一次降雨過程中,通過以下3個(gè)途徑導(dǎo)致隨著降雨量的增加產(chǎn)沙量增加。①破壞土壤結(jié)構(gòu),分散土體成土粒,造成土壤表層空隙減少或阻塞,形成板結(jié),導(dǎo)致土壤滲透性下降,利于地表徑流形成和流動(dòng);②直接打擊地表,產(chǎn)生土粒飛濺和沿坡面遷移;③雨滴打擊增強(qiáng)地表薄層徑流的紊動(dòng)強(qiáng)度,導(dǎo)致了侵蝕和輸沙能力增大。產(chǎn)沙量與降雨量呈正相關(guān),即降雨量增大,產(chǎn)生的徑流量增加,其攜帶的泥沙量也將增加。3.2降雨對(duì)土壤養(yǎng)分的影響試驗(yàn)區(qū)觀測(cè)期內(nèi):試驗(yàn)區(qū)2007年侵蝕性降雨為3次,總降雨量為95.1mm;2008年侵蝕性降雨為4次,總降雨量為136.7mm;2009年侵蝕性降雨為2次,總降雨量為54.6mm。土壤養(yǎng)分流失一般是指土壤中(尤其表層)的養(yǎng)分隨地表徑流和土粒移動(dòng),遷出耕地,進(jìn)入河流水網(wǎng)的自然輸出。徑流通過對(duì)泥沙的攜帶從而促使了土壤養(yǎng)分的流失,是土壤養(yǎng)分流失的載體,徑流不僅能夠懸浮有機(jī)質(zhì),而且還能溶解礦化的土壤養(yǎng)分。而降雨是產(chǎn)生徑流的充分條件,因此,降雨在很大程度上影響著土壤的養(yǎng)分流失。根據(jù)實(shí)驗(yàn)地的觀測(cè)數(shù)據(jù)顯示,耕地坡度為5°時(shí),觀測(cè)期內(nèi)的年侵蝕性降雨量為54.6、95.1、136.7mm時(shí),坡耕地中全氮流失量分別為24.6、331.9、403.8kg/km2·a。即隨著雨量的增加,全氮的流失量也相應(yīng)隨著增加。耕地坡度為10°時(shí),觀測(cè)期內(nèi)的年侵蝕性降雨量為54.6、95.1、136.7時(shí),坡耕地中全氮流失量分別為199.5、1217.3、1840.6kg/km2·a,即全氮的流失量也隨著降雨量的增加而增加。坡度15°時(shí)全氮流失量也呈現(xiàn)相同的趨勢(shì)。由此可知,全磷、有機(jī)質(zhì)、速效鉀、速效磷、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮均隨著降雨量的增加而流失量增加。降雨條件下,土壤養(yǎng)分隨徑流的遷移主要有2種方式:一是土壤內(nèi)部的可溶性物質(zhì)隨入滲的水分沿垂直方向遷移;另一種方式則是土壤入滲量小于降雨量時(shí),產(chǎn)生地表徑流,可溶性物質(zhì)隨地表徑流遷移。因此,降雨量越大則產(chǎn)生的徑流越多,隨著徑流遷移的土壤養(yǎng)分也就越多,即土壤養(yǎng)分的流失隨著降雨量的增加而增加。3.3坡度對(duì)地表徑流的影響根據(jù)實(shí)測(cè)資料,分析4-10月份的總降雨量在不同坡度的徑流小區(qū)所產(chǎn)生的土壤流失率(如圖1所示)發(fā)現(xiàn)坡耕地的土壤流失率隨著坡度的增加而增加。當(dāng)流量相同時(shí),坡度越陡,產(chǎn)生的徑流總能量越大。即隨著坡度的增大,土壤持水能力由于在不同坡度條件下的重力及水流速度的原因逐漸降低,使得更多的徑流產(chǎn)生。一方面,徑流量隨著坡度的增大,使其對(duì)地表坡面的侵蝕能力增加從而對(duì)地表的沖刷力加大,這使地表的產(chǎn)沙量隨之增加。另一方面,坡度越大,土壤沿坡面方向的重力分力越大,土粒穩(wěn)定性越差,則沿著坡面方向產(chǎn)沙量越大。坡面徑流的輸沙量隨流量的增加總體呈增加趨勢(shì)。從圖1可以看出,在相同的降雨條件下,5°~10°的坡度變化范圍中,土壤流失率急劇增加,而10°~15°土壤流失率變化則較為平緩。這是因?yàn)?在5°~10°變化范圍中,相同徑流量時(shí)坡面徑流能耗相差很大,坡度的穩(wěn)定性急劇降低,導(dǎo)致5°~10°內(nèi)流失率急劇增加。而在10°~15°內(nèi)由于產(chǎn)生侵蝕所需要的能量沒有太明顯的變化,則流失率并沒有隨著坡度顯著增加。3.4坡度對(duì)土壤養(yǎng)分元素的影響根據(jù)2007-2009年的實(shí)測(cè)資料,并對(duì)徑流小區(qū)3a數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析,可以得出各養(yǎng)分元素流失率變化的一般規(guī)律,即在相同的降雨條件下,養(yǎng)分流失量隨著坡度的增大而增加。坡地土壤養(yǎng)分一般通過2種方式流失,其一,溶解于徑流中的養(yǎng)分隨徑流流失,這一部分的養(yǎng)分主要是速效養(yǎng)分;其二,吸附于泥沙顆粒表面以無機(jī)態(tài)和以有機(jī)質(zhì)形式存在的養(yǎng)分,這一部分養(yǎng)分多為可礦化的養(yǎng)分。降雨和徑流是土壤養(yǎng)分元素流失的動(dòng)力,在雨滴擊濺作用下,各養(yǎng)分元素隨著徑流和泥沙遷移出地表,隨坡度增大,徑流量和泥沙流失量增加,土壤侵蝕加劇,從而也導(dǎo)致土壤養(yǎng)分流失加劇,從而進(jìn)一步造成土地退化。圖2分別描述了在相同降雨條件下5°、10°、15°3個(gè)坡度中各養(yǎng)分元素隨著坡度的變化趨勢(shì)。從圖中可以看出各養(yǎng)分均隨著坡度的增加而增加。其中坡度對(duì)磷元素流失的影響并不明顯。當(dāng)坡度為5°時(shí)由于降雨對(duì)土壤的侵蝕較弱使其產(chǎn)生的養(yǎng)分流失也較小,但是隨著坡度的增大,徑流量和產(chǎn)生量逐漸增大,導(dǎo)致養(yǎng)分流失急劇增加。而且從10°~15°變化過程中土壤養(yǎng)分流失率(除硝態(tài)氮)均大于5°~10°變化過程中的土壤養(yǎng)分流失率。這是由于表層大量硝態(tài)氮在降雨初期被迅速淋洗到深層,表層土壤硝態(tài)氮含量很低,因此,坡度的增大對(duì)硝態(tài)氮的流失影響并不顯著。坡度為5°、10°時(shí),土壤養(yǎng)分流失率還較平緩,而坡度15°土壤養(yǎng)分流失率卻明顯增加。這是由于15°坡度產(chǎn)生的徑流流速大,對(duì)表層土壤沖刷劇烈,容易發(fā)生面蝕,甚至細(xì)溝侵蝕,導(dǎo)致表層土壤剝落,下層土壤溶質(zhì)被不斷浸提,進(jìn)入徑流中從而造成更大的養(yǎng)分流失。4地形地貌及坡度對(duì)于土地養(yǎng)分流失影響(1)相同降雨條件下對(duì)于一定坡度的徑流小區(qū),產(chǎn)流產(chǎn)沙量隨著降雨量的增加而持續(xù)增加。在實(shí)際工作中為了有效的攔截地表的產(chǎn)流產(chǎn)沙,可以通過增加地表覆蓋度以及增加土壤入滲能力以更好有效的攔截水分和泥沙,使有限的降水資源得到充分的利用并能防止土壤退化的發(fā)生。(2)降雨量越大則產(chǎn)生的徑流越多,隨著徑流遷移的土壤養(yǎng)分也就越多,即土壤養(yǎng)分的流失隨著降雨量的增加而增加。但是一般而言,養(yǎng)分的流失是隨著泥沙的而流失的,因此在水土保持工作中,建立有效的泥沙攔截措施,并將攔截的泥沙再進(jìn)行循環(huán)利用,則將有效地遏制土地退化問題。(3)坡度在很大程度上影響著坡地的水土流失,坡度越大降雨對(duì)坡面的擊濺