黃土區(qū)坡耕地無植被條件下的濺蝕作用與變化特征

黃土區(qū)坡耕地無植被條件下的濺蝕作用與變化特征

0建立了單一的雨洪累累體對土壤的長期防護作用,主要通過外施雨滴侵蝕是降水對地表土壤的最初處理方法，也是土壤侵蝕過程中最重要的侵蝕方法之一。在降雨過程中,濺蝕作用破壞了表層土壤結(jié)構(gòu),增加表層土壤的密閉性,從而使土壤入滲能力顯著降低;在產(chǎn)流過程中,濺蝕作用還可以增大坡面徑流紊動性,增強徑流分散與搬運能力的作用。這是由于雨滴的擊濺能使地表土壤顆粒分散、遷移,一方面為徑流侵蝕提供了源源不斷的補給;另一方面又堵塞土壤本身的孔隙,抑制了雨水的入滲,從而增強了徑流的侵蝕作用[7,8,12,13,14,15,16,17,18]。長期以來,關(guān)于雨滴濺蝕的研究一直受到人們的極大關(guān)注。有研究表明,濺蝕作用的大小與降雨特性、土壤類型、植被覆蓋等因素有直接關(guān)系。多數(shù)研究將濺蝕量與這些因素中的一個指標聯(lián)系起來,以尋找衡量土壤濺蝕性的定量指標;也有一些模型將多個因素納入統(tǒng)一模型中對濺蝕進行了定量分析,但也是在將濺蝕量與一個指標聯(lián)系定量分析的基礎(chǔ)上歸納而成。盡管如此,由于雨滴擊濺機理很復雜,目前的研究結(jié)果缺乏代表性,這是對濺蝕作用的認識不夠造成的。據(jù)觀察,在降雨過程中,受雨滴的打擊作用,地表產(chǎn)生密集的魚鱗坑狀微地形,空間尺度在0.5~4cm之間。這些微起伏特征既反映了濺蝕對地表土壤的作用結(jié)果,同時又對濺蝕過程產(chǎn)生影響,因此,對濺蝕過程中微地形的變化特征研究是非常必要的,這將為濺蝕及其作用機理的理解提供幫助。在過去由于受技術(shù)條件的限制,研究人員不能對微地形進行高精度監(jiān)測,隨著三維激光掃描技術(shù)的發(fā)展和廣泛應(yīng)用,快速、高精度測量微地形已經(jīng)非常方便,這為濺蝕機理的研究提供新的途徑和方向。鑒于以上分析,本文通過模擬坡耕地不同耕作管理措施下的微地形,包括鋤耕措施、掏挖措施和等高耕作措施,在人工模擬降雨條件下,以探討雨滴擊濺作用與微地形變化特征,為深入研究濺蝕過程與機理奠定基礎(chǔ)。1材料和方法1.1溫度和土壤水分選取陜西省楊凌區(qū)坡耕地表土(0~20cm)為試驗用土,采土時間為2008年5月1-5日。天氣狀況:連續(xù)數(shù)日晴天,氣溫在13~31℃之間,土壤含水率10%左右。楊凌區(qū)位于黃土高原南緣,E108.72°,N34.36°,屬于溫帶半濕潤大陸性季風氣候,年降雨量約為637.6mm,該區(qū)土壤為塿土,灰棕色,土體較疏松,有粒狀或團塊狀結(jié)構(gòu),機械組成見表1。1.2微生物的含量與微地形采用人工模擬的試驗方法,試驗用土槽的大小為1m×0.5m×0.5m(長×寬×高)。以黃土區(qū)坡耕地農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中普遍采用的鋤耕措施、掏挖措施和等高耕作措施下形成的微地形(或稱地表糙度)作為研究對象。根據(jù)Ellison和陳一兵對測定濺蝕方法的研究,本研究中濺蝕量采用壁掛式濺蝕板進行測定,濺蝕板的大小為0.5m×0.5m×0.3m(長×寬×高)。試驗降雨強度為60,90和120mm/h。用濺蝕板測定濺蝕量。用激光掃描儀(徠佧,垂直誤差±0.5mm)測定微地形,并結(jié)合GIS技術(shù)構(gòu)建大比例DEM。試驗坡面坡度為10°。每個耕作措施設(shè)計2次重復。由于微地形具有延緩坡面產(chǎn)流時間的作用,這說明具有微地形的坡面產(chǎn)流時間較平整坡面晚。因此,為了避免產(chǎn)流對微地形變化的影響,突出濺蝕作用效果,降雨試驗中一旦有產(chǎn)流,立即停止降雨。1.2.1水平坡面為微地形的耕作措施微地形模擬的主要過程:1)土樣處理:土樣自然風干,過篩(篩孔0.5cm),并分層填滿試驗土槽(土壤體積質(zhì)量保持在1.30g/cm3左右,含水率在10%左右),并整平;2)通過在坡面上實施不同的耕作措施以模擬微地形,包括:(1)鋤耕措施:沿地表以傳統(tǒng)方式鋤耕,深度4~5cm;(2)掏挖措施:采用镢頭掏挖地表,深度5~8cm,間距20~25cm;(3)等高耕作:在坡面上垂直于坡面方向進行橫向犁耕,形成溝和壟,壟高7~10cm,壟距為30cm;(4)平整坡面:坡面不實施耕作措施,保持平整狀態(tài),以作為對照措施。由于受坡度和耕作措施的影響,地表形成的壟溝和坑洼在空間不具有對稱性。同時,在試驗過程中為了使布設(shè)的耕作措施更接近自然狀況,試驗中聘請長期從事相同耕作措施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的農(nóng)民進行操作。1.2.2降雨強度及降水均勻度人工模擬降雨試驗在中國科學院黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點實驗室降雨大廳進行。降雨系統(tǒng)為側(cè)噴式噴頭,噴頭高度16m,降雨強度變化范圍為40~260mm/h,降雨均勻度均大于80%。為了保證降雨都達到試驗要求,每次降雨前均率定雨強,率定方法為在選定的擬降雨區(qū)域均勻放置5個雨量筒,待實施降雨10min后計算其平均值,該值與擬降雨強度之間的差值不大于1mm/h即可。降雨過程中地表開始產(chǎn)流便停止降雨,以防止徑流對收集的濺蝕量產(chǎn)生影響,并記錄降雨時間。1.2.3坡面水質(zhì)掃蝕量濺蝕板的設(shè)計如下圖1所示。試驗中將濺蝕板垂直于地平面方向安裝在土槽的中心,且使集沙槽口與地表相平。板的兩面正對土槽的上坡和下坡,降雨過程中通過引流管收集同坡面上坡和下坡的濺蝕量。降雨結(jié)束后,將采集樣注入鋁制樣品盒后立即用天平稱其質(zhì)量,以免因氣溫高蒸發(fā)損失。待樣品靜置24h,再過濾出泥沙,隨后將盛泥沙盒放入烘箱,在110℃溫度下烘干至恒質(zhì)量(約8h),取出放至常溫稱質(zhì)量。濺蝕量計算公式如下:式中,Tsp為坡面總濺蝕量,g/m2,Dsp為向下坡濺蝕量,g/m2,UPsp為向上坡濺蝕量,g/m2,SPin為濺蝕強度,g/(m2·s1),t為降雨時間,s。如果Tsp>0,表示坡面上向下坡濺蝕量大于向上坡濺蝕量;反之,呈相反的趨勢。1.2.4dem分類方法在降雨前后,用三維激光掃描儀對每個坡面各測1次,用ArcGIS9.3(ESRI公司)構(gòu)建不同微地形下的大比例DEM,結(jié)果見圖2。在建立DEM的基礎(chǔ)上,提取坡面微坡度和微坡向,并對其進行重分類,其中,微坡度依次劃分為0°~5°、5°~10°、10°~15°、15°~20°、20°~25°、25°~30°、30°~35°、35°~40°和>40°等9個類型;微坡向按北、東北、東、東南、南、西南、西和西北等分為8個方向,進而分別統(tǒng)計9個坡度類型和8個坡向所對應(yīng)的柵格數(shù)作為反應(yīng)微地形特征變化的指標。2結(jié)果與分析2.1個雨強下坡面的比較表2列出了試驗條件下降雨強度不同時雨滴對坡面的濺蝕作用時間。可以看出,3個雨強下較早產(chǎn)流的坡面均為平整坡面。60mm/h雨強下的濺蝕作用時間最長為5.36min,120mm/h雨強下的濺蝕作用時間最短,為1.95min。這說明隨著降雨強度的增大,濺蝕作用持續(xù)的時間明顯減小。2.2坡面水質(zhì)分析濺蝕量是研究坡面濺蝕的重要指標。圖3為不同微地形條件下,向上坡和向下坡面濺蝕量、坡面總濺蝕量和濺蝕強度的特征?？梢钥闯?不同微地形和降雨條件下坡面濺蝕特征明顯不同,與平整坡面相比較,有微地形存在的坡面,濺蝕量及濺蝕強度的變化較為復雜。從濺蝕量的分布來看,隨著降雨強度的增大,坡面濺蝕量呈增大的趨勢。對于平整坡面而言,向下坡濺蝕量始終大于向上坡濺蝕量,即總濺蝕量大于0,且隨雨強的增大而增大。相反,對于鋤耕和掏挖措施坡面,在雨強為60和90mm/h的情況下,向下坡濺蝕量小于向上坡濺蝕量,即總濺蝕量小于0。而對于等高耕作而言,上下坡面濺蝕量的變化與平整坡面較為相似,但是在不同的雨強下,坡面總濺蝕量相差不大。對于濺蝕強度,同一種措施下,隨雨強的增大呈增大的趨勢。特別是對于鋤耕和掏挖措施下變化更明顯,但是等高耕作坡面的差異減小。以上分析表明微地形可以明顯減小濺蝕量。降雨強度相同時,平整坡面的濺蝕量總是大于鋤耕、掏挖和等高耕作措施坡面的濺蝕量。2.3微地形變化特征以120mm/h雨強下,上、下坡面微坡度和微坡向空間特征的變化為例。2.3.1坡面微坡度柵格分析圖4顯示了平整坡面、鋤耕措施、掏挖措施和等高措施下上坡面和下坡面微坡度的變化特征。可以看出,與平整坡面比較,鋤耕措施、掏挖措施和等高措施下坡面微坡度的分布特征明顯不同。對于平整坡面而言,上坡面微坡度主要集中在0°~10°之間,占坡面柵格總數(shù)的83.6%,10°以后柵格數(shù)逐漸減小,20°以后達到穩(wěn)定;下坡面微坡度主要集中在5°~15°之間,占坡面柵格總數(shù)的77.4%,15°以后柵格數(shù)逐漸減小,25°以后達到穩(wěn)定。上下坡面微坡度柵格數(shù)分布曲線在濺蝕前后幾乎重合,這反映出平整坡面微坡度受雨滴濺蝕的變化較小。相反,對于鋤耕措施、掏挖措施和等高耕作措施下的坡面,微坡度柵格數(shù)在濺蝕后的變化較為明顯。其中,鋤耕措施下小于15°的微坡度數(shù)量增大,而大于15°的微坡度數(shù)量減小;同樣的,掏挖措施下濺蝕后微坡度小于20°時,柵格數(shù)有所減小,占柵格數(shù)的10.3%,大于20°時增加,占柵格數(shù)的9.3%;等高耕作措施下坡面微坡度在濺蝕后變化較劇烈,其中,微坡度大于40°時的柵格數(shù)變化最大,占總柵格數(shù)的66.5%,其次為25°~30°之間,占總柵格數(shù)的21.8%。另外,從圖中還可以看出,濺蝕后坡面微坡度柵格曲線峰值發(fā)生了位移,這說明較濺蝕前相比,坡面微坡度有明顯變緩的趨勢。特別是等高耕作措施下坡面微坡度的變化最大,濺蝕前,微坡度大于40°的柵格數(shù)占總柵格數(shù)的80%以上,而濺蝕后微坡度主要集中在15°~30°之間,占總柵格數(shù)的72.1%。2.3.2地表微地形特征不同耕作措施下微坡向的變化特征見圖5?？梢钥闯?平整坡面、鋤耕措施和掏挖措施條件下微坡向的空間分布特征較為相似,基本上呈現(xiàn)南坡>南西>南東>西>東>北>北西>北東的變化趨勢。而對于等高耕作措施下坡面微地形向北和向南的柵格數(shù)所占比例較大,呈現(xiàn)趨勢為南坡>北>南西>南東>北東>北西>西>東。另外,從圖中也可以看出,雨后坡面微坡向柵格數(shù)的空間變化趨勢線與雨前的基本重合,這一特征說明,盡管降雨對地表微地形特征具有影響,但是其對微坡向的影響不大。因此,可以說明微坡向?qū)R蝕作用不敏感。3微地形與坡面土壤侵蝕的關(guān)系在裸地上,雨滴濺蝕能造成地表微地形的變化,其中,微坡度隨濺蝕的變化比較明顯,微坡向?qū)R蝕的反映不敏感。對比平整坡面的濺蝕特征,即總濺蝕量大于0,可以發(fā)現(xiàn),在雨強為60和90mm/h時,鋤耕和掏挖措施下坡面總濺蝕量小于0,說明在一定的條件下,微地形具有降低濺蝕量的作用。如果沒有徑流產(chǎn)生,單純的通過濺蝕不一定能造成土壤的流失,反而會使坡下的土壤向坡上遷移,這與Planchon等的研究結(jié)論相似。究其原因可能是在降雨過程中,伴隨著地表土壤的分散、遷移,地表微地形總是處于一個動態(tài)變化的過程中,這一動態(tài)變化特征又隨著耕作措施的不同具有一定的差異。平整坡面地形平坦,承接雨滴的面相對均勻,濺散的土粒在重力作用的影響下逐漸向下坡方向躍遷,因此,在平整坡面上總是下坡濺蝕量大于向上坡的濺蝕量。對于具有耕作措施的坡面,地形具有明顯起伏,從而使承接雨滴的面不均勻,具有