長江中游低丘黃壤坡面地表產流產沙規律初探*

劉艷,劉學全,崔鴻俠,周金星,何丙輝

(1.西南大學 資源環境學院,重慶400716;2.湖北省林業科學研究院,武漢430079;3.中國林業科學 研究院,北京100091)

我國長江中下游地區低山丘陵分布廣,面積占該區域國土面積的60%左右。低山丘陵區基本上都處于農林業結合的邊緣地帶,立地條件復雜多樣,人口密度大,易發生水力侵蝕,土壤侵蝕不可避免地導致了土壤退化和面源污染,是長江水系泥沙淤積、江河污染的重要來源及長江中下游水土流失的主要源地。通過科學試驗掌握該區黃壤坡面地表水土流失的基本規律,是提出長江中游低丘區水土流失綜合治理模式的關鍵前提。

土壤侵蝕規律研究、水土保持措施效益分析與評價、土壤侵蝕預報模型的建立等都依賴于大量科學數據的觀測、積累和分析,室內模擬和徑流小區為上述數據的獲取提供了技術平臺。然而,依靠天然降雨收集相關數據具有很大的局限性,試驗設置的產流小區類型也比較單一,嚴重影響了數據的實用性,制約著水土保持科研的快速發展[1]。利用人工模擬降雨,可以進行各種下墊面土壤侵蝕規律研究,亦可解決設站觀測幾十年一遇的大暴雨問題,從而大大縮短了試驗研究周期[2],已成為室內與野外試驗的重要技術手段,可加速土壤侵蝕、降雨產流及入滲等試驗,避免自然因素的影響,在既定時間內迅速獲得試驗所需數據,順利完成研究目標[3]。

目前國內外相關研究領域較多涉及到黃土高原丘陵溝壑區的黃土坡面侵蝕特征,南方紫色土、紅壤丘陵區的水土流失機理及預測預報模型等,而對于長江流域低丘黃壤坡地的水土流失,相關研究多限于治理對策、綜合治理模式探討等方面,通過野外典型樣地試驗,尤其是坡地與梯地人工模擬降雨對比探索其水土流失規律的研究還比較少見。本研究選擇項目區典型樣地進行野外人工模擬降雨試驗,研究長江中游低丘黃壤坡面的地表產流產沙過程特征,探討降雨侵蝕引起的水土流失規律,為今后提出適宜推廣的綜合治理模式及植被恢復措施奠定基礎。

1 試驗區概況

試驗區位于湖北省東部的浠水縣清泉鎮象鼻嘴村小流域,在地理上屬于浠水、蘄春兩縣交界的界嶺低山丘陵區,即低山與丘陵過渡地帶。氣候屬亞熱帶濕潤區之東部夏熱冬暖亞區,陽光充足,四季分明,雨量充沛。年平均氣溫16.9℃,大于10℃活動積溫為5 059～5 398℃。年平均日照時數1 919 h,無霜期平均為250 d左右。年降雨量為 1 200～1 300 mm,主要集中在4-8月,雨熱同季。土壤類型主要是黃壤,具有易侵蝕性,若遇強度大且時段集中的降雨會導致大量水土流失。植被屬于中亞熱帶常綠闊葉林地帶之青岡櫟、落葉櫟類,馬尾松林。優勢樹種主要是馬尾松、杉木、毛竹、樟、白櫟、青岡櫟等。主要經濟樹種為板栗、桃、李、梨、桔、毛竹。2006年底,象鼻嘴村總人口達240戶,890人,耕地面積69.67 hm2,農業產值 94萬元,人均純收入1 711元。流域內除天然林地、水田及少量較緩坡地外,其余人工林地及坡地均已實行坡改梯,這種情況在長江中游低丘黃壤區也具有普遍代表性。

2 試驗方法

2.1 野外植被調查

于2009年7月在試驗區內根據實地踏查情況及試驗需要,選擇具有地帶性特征的調查點進行植被調查。由于本試驗中成片板栗林地及花生農地的面積均達不到設置標準樣方的規模,故先設置水平投影面積為10 m×10 m的樣方,按常規野外調查方法分別對每個樣方進行喬、灌木調查,再在每個樣方中設置3～5個1 m×1 m的小樣方對草本層進行調查。調查的基本內容包括：樣方的地理狀況,如海拔、坡度等;喬木的名稱、高度、枝下高、胸徑、冠幅等;灌草的名稱、平均高度、蓋度、株(叢)數、地徑等。密度和蓋度調查均用估測法,叢生植物按叢數計算其個體數量,蓋度用估測法測定其投影蓋度。

2.2 野外人工模擬降雨試驗

2.2.1 人工降雨模擬裝置 本試驗采用中國科學院水利部水土保持研究所研制的組合側噴式野外人工模擬降雨裝置,兩側座架之間距離為7 m,即噴頭立桿坐標(距軸線)3.5 m,噴頭高6 m,出水高度1.5 m,降雨雨滴終點速度近似達到天然降雨的速度。供水壓力由立桿底部的進水閥門及汽油抽水泵的油門控制,降雨強度通過擋水板孔徑來調節。

2.2.2 降雨樣地選擇 根據試驗需要,在小流域內選擇2個5 a生板栗林地(均為梯地)和2個當季花生農地(梯地、坡地各一個)用于人工模擬降雨。4個樣地均分布于同一坡向(西南向,半陰坡)、坡位(中坡位)、坡度(梯地指原地面坡度)為 30°～ 33°的臨近地塊。土壤類型都屬黃壤,用JL-19土壤水分速測儀測得各樣地的前期土壤濕度均在5.2%左右。各梯地規格也相差不大,梯面寬2～2.5 m,梯坎高1 m左右,均為土坎。樣地選擇基本保證了水熱狀況、土壤、小地形變化等條件的一致性,使試驗數據基本具備了可比性。根據野外植被群落調查情況,花生農地(分梯地、坡地)的調查結果一致;板栗梯地1的植被蓋度、豐富度指數、多樣性指數、均勻度指數等各項指標均大于板栗梯地2;板栗林地表均無枯落物覆蓋,但其各項指標均大于花生農地。同時本試驗需水量較大,選樣地時要考慮盡量離水源近的地方,便于引水,試驗下方60 m左右有一個小型水庫剛好被利用上。

2.2.3 徑流小區的設置 由于野外試驗受環境的影響較大,降雨不能全部覆蓋人工模擬降雨機的室內降雨范圍,根據實際情況,在選定樣地內設置水平面積為2 m×4 m的矩形徑流小區,內部植被及下墊面狀況盡量保持原狀,小區兩邊及上端用薄鐵皮板圍成,鐵皮板埋入土中15 cm,高出地面20 cm,小區下端設置可嵌入地表的三角形鐵皮集流槽,以保證小區內的地表徑流全部匯入放置于出水口處的收集桶中。在徑流小區周圍按規定間距及要求架起降雨器,并安裝好水泵、引水管等,做好準備工作。

2.2.4 降雨器率定 為保證徑流小區內雨滴降落的均勻性,在開始降雨前用塑料布覆蓋住整個小區,小區周圍設置4～6個自制雨量筒作為測點,根據降雨器壓力表調節進水閥門及水泵油門,保證各樣地雨強的一致性,進行5～10 min的降雨率定。率定后根據各測點的降雨量,采用均勻性公式計算雨滴降落的均勻性,公式如下：

式中 ：k — —均勻系數 ;xi— —測點雨量;ˉx — —各測點平均雨量;n——測點數。

經計算若k≥0.8則可開始進行模擬降雨,k＜0.8則要對降雨器進行再調試,并避開風等不利因素再次率定,直到均勻度達到要求。

2.2.5 模擬降雨及樣品采集處理 本試驗以長江中游地區常見暴雨雨強100 mm/h(1.67 mm/min)作為降雨雨強,即選擇孔徑為12 mm的擋水板,于2009年7月20-22日無風或稍有微風晴好天氣的晨間及傍晚,在設置好的徑流小區進行模擬降雨試驗,模擬整個降雨產流、產沙直至穩定并呈一定規律性的過程。記錄降雨的開始、停止時間及產流的開始、結束時間,為了比較精確地反映整個降雨產流過程,每場雨開始產流后以5 min為時間間隔對小區地表徑流和泥沙混合樣進行全部收集,每個時段更換一次收集桶,帶回靜置12 h后濾出泥沙,測量徑流體積,泥沙干后稱重。整個降雨產流過程完成后測量雨量筒中的雨量,用于計算降雨量、雨強、均勻度系數等。

3 結果與分析

3.1 初損雨量與初損歷時特征分析

從降雨開始到產流這一時段內的降雨量稱為初損雨量,這段時間稱為初損歷時[4]。徑流的產生不僅必須滿足降雨強度大于土壤滲透速率的基本條件,且降雨量必須大于林冠草及其枯落物的截留量,坡度和前期含水量也對徑流產生的時間有一定的影響[5],一般情況下坡度接近的林草地的初損雨量要明顯高于農地,但也有例外情況,翻耕后的農地,由于土壤疏松,土壤孔隙大,致使初損雨量可能會超過林草地。表1顯示的是同等雨強下4個樣地徑流小區的初損雨量和初損歷時試驗結果。從表中可以發現,結果表現為板栗梯地1＞板栗梯地2＞花生梯地＞花生坡地。可見在水熱狀況、土壤、小地形變化等條件較一致的前提下,林地下方雖無枯落物覆蓋,但由于植被蓋度等指標值均大于農地,其群落結構在延緩徑流產生上要優于純草本群落單層結構的農地,所以初損雨量、歷時明顯大于農地。而在同等降雨條件下的花生農地,梯地的初損雨量、歷時明顯大于坡地,這是由于坡改梯延緩了徑流產生,更多地被梯地土層逐級入滲吸收,從而減少了地表水土流失,山丘區實行坡改梯措施的水土保持效果是顯而易見的。

表1 同等雨強下不同徑流小區的初損雨量和初損歷時

3.2 產流產沙特征分析

3.2.1 產流過程特征分析 徑流是養分流失的主要動力之一,也是泥沙流失的主要載體[6]。坡面徑流可以挾帶泥沙造成土壤侵蝕,尤其是在降雨強度較大的情況下,產流增大,攜帶的泥沙也逐漸增大,所以坡面徑流的研究是坡面植被減沙效益研究的前提。圖1,2分別是同等雨強下各徑流小區的產流強度過程線和產流累計過程線。圖1顯示,花生農地的產流強度峰值出現在降雨后的37 min左右,板栗梯地的峰值則出現在降雨后45 min左右,各徑流小區的產流強度達到峰值之后均趨于較平穩狀態。板栗梯地1的產流強度變化較板栗梯地2平緩,但二者的總體變化趨勢較一致(梯地2少一個降雨時段),各時段產流強度均低于花生農地?；ㄉ莸嘏c坡地在開始產流至降雨后約15 min時段內的產流強度較接近,此后坡地的產流強度增加曲線較梯地更陡,降雨后15～25 min時段變化表現最為劇烈。圖2顯示,各徑流小區產流強度變化的差別反映在累計產流上,表現也比較一致。

3.2.2 產沙過程特征分析 圖3,4分別是同等雨強下各徑流小區的產沙強度過程線和產沙累計過程線,可以看出,產沙過程所表現出的規律比起產流過程稍顯復雜,產沙強度出現峰值的時段與產流強度一致,不過板栗梯地1,2的產沙強度、累計產沙量變化更平緩,也更接近,而花生農地的產沙強度、累計產沙量變化表現更為劇烈,較之板栗梯地差距更大。另外,花生梯地與坡地從產流開始后產流強度差距明顯,變化趨勢不太一致。

圖1 各徑流小區產流強度過程線

圖2 各徑流小區產流累計過程線

從以上分析來看,總體來說板栗梯地的產流、產沙強度隨降雨時段的變化均比農地更平緩,其累計產流、產沙量均明顯小于花生農地,可見林地在攔蓄徑流、降低土壤可蝕性、增加入滲方面要明顯優于農地。同等條件下梯地的水土保持效果明顯優于坡地,而植被蓋度、物種多樣性等指標也影響著各模式的地表徑流流失,隨之影響泥沙、養分的流失。

圖3 各徑流小區產沙強度過程線

圖4 各徑流小區產沙累計過程線

3.2.3 累計產流產沙過程相關方程 對各徑流小區在同等暴雨雨強下的產流產沙過程試驗結果進行回歸分析,擬合出各模式累計產流、產沙量與降雨歷時之間的相關方程,便于探討該區地表徑流、泥沙的流失規律?；貧w分析結果發現各徑流小區累計產流、產沙量與降雨歷時之間符合Y=a x2+b x+c(a,b,c為常數)的多項式相關方程,具體情況詳見表2-3。

表2 同等雨強下各徑流小區累計產流過程相關方程

表3 同等雨強下各徑流小區累計產沙過程相關方程

4 討論

(1)本試驗采用野外人工模擬降雨方法,可以控制各項降雨特征,在短時間內獲得徑流小區產流產沙過程的試驗數據來揭示土壤侵蝕規律,以彌補天然降雨觀測周期長、降雨特征難以控制等不足。人工模擬降雨是人們進行坡面產流產沙研究時應用的主要方法之一,主要分為室內和室外模擬降雨兩種。室內模擬降雨雖然具有容易控制、操作方便等諸多優點,但野外模擬降雨卻更能接近真實情況,所以也更具有說服力。

(2)本試驗4場模擬降雨的率定時間為5～6 min,雨滴均勻度系數均達到0.8以上,模擬降雨時間為40～60 min,雨滴均勻度系數均達到0.9以上,這與降雨時排除了刮風等不利因素的影響有關,野外試驗受外界因素的影響較大。另外,在無風或少風的良好試驗條件下,降雨持續時間越長,則雨滴降落的均勻度系數越高。試想,在風雨交加的自然狀態下,由于降雨范圍大,刮風使得一片雨滴偏離了它們原定的降落區域,但又會帶來另一片雨滴補充到這塊區域,而小范圍的模擬降雨,只有在排除了刮風等不利因素影響后得出的結果,才能減小誤差,從而更接近自然狀態。

(3)通過模擬降雨試驗結果分析發現,在水熱狀況、土壤、小地形、植被狀況等條件都較一致的前提下,梯地的水土保持效果要明顯優于坡地,坡地的水沙流失過程更為復雜。而在水熱狀況、土壤、小地形等條件較一致的前提下,林地在攔蓄徑流、降低土壤可蝕性、增加入滲方面要明顯優于農地。同時植被蓋度、物種多樣性等指標對地表產流產沙過程變化也有較大影響,具體影響程度還有待于進一步研究。

(4)本文中各徑流小區累計產流產沙過程相關方程,是在同等暴雨雨強條件下通過較短歷時、較小范圍內的模擬降雨試驗數據得出的,雖然在一定程度上揭示了研究區黃壤坡面地表產流產沙過程規律,但是研究還不夠透徹。水土流失包括水的損失和土壤侵蝕兩部分。此外,由于徑流和土壤侵蝕中攜帶著大量的養分流失,因此具體來講應包含土壤侵蝕、徑流流失和養分流失三部分[7-8]。本試驗由于受野外條件的諸多限制,并未涉及養分流失方面的特征分析,希望在以后不斷改進試驗條件的同時更多地涉足其中,使試驗數據更具說服力與實用性,更全面地研究長江中游低丘黃壤區的坡面水土流失規律。

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