郭宏忠, 汪三樹, 于亞莉, 蔣光毅, 史東梅

(1.重慶市水土保持生態(tài)環(huán)境監(jiān)測總站, 重慶400015; 2.重慶市水利電力建筑勘測設(shè)計(jì)研究院,重慶400020; 3.西南大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院 水土保持生態(tài)環(huán)境研究所, 重慶400715)

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紫色丘陵區(qū)坡耕地生物埂土壤抗沖性研究

郭宏忠1,3, 汪三樹2,3, 于亞莉2, 蔣光毅1, 史東梅3

(1.重慶市水土保持生態(tài)環(huán)境監(jiān)測總站, 重慶400015; 2.重慶市水利電力建筑勘測設(shè)計(jì)研究院,重慶400020; 3.西南大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院 水土保持生態(tài)環(huán)境研究所, 重慶400715)

本文以紫色丘陵區(qū)坡耕地4種典型生物埂為研究對象，采用原狀土沖刷水槽法系統(tǒng)分析各種生物埂的土壤抗沖性。結(jié)果表明：(1) 各種生物埂徑流含沙量隨著沖刷時(shí)間的繼續(xù)出現(xiàn)“先急劇減小后平穩(wěn)減小直至穩(wěn)定”的變化趨勢。在沖刷0～3 min，各生物埂土壤的徑流含沙量均較大，隨后徑流含沙量平穩(wěn)變化并趨于穩(wěn)定。(2) 生物埂抗沖刷過程可劃分為快速?zèng)_刷階段(0～3 min)、慢速?zèng)_刷階段(3～20 min)和平穩(wěn)沖刷階段(20～28 min)3個(gè)階段。生物埂土壤抗沖性隨著沖刷時(shí)間的增長而不斷增強(qiáng)，兩者之間可用冪函數(shù)表示，其R2值在0.848 7～0.989 9。(3) 各種生物埂土壤抗沖性隨著坡度的增大而降低，兩者關(guān)系達(dá)到極顯著水平(R2=0.790 7，N=12，p<0.001)，可用冪函數(shù)表示。研究結(jié)果可為紫色丘陵區(qū)坡耕地生物埂措施合理布置及其穩(wěn)定性評價(jià)提供科學(xué)依據(jù)。

生物埂; 土壤抗沖性; 坡耕地; 坡度; 紫色丘陵區(qū)

土壤抗沖性是由朱顯謨院士在20世紀(jì)50年代提出的，被定義為土壤抵抗水的分散和懸浮的能力[1]，它與土粒間和為結(jié)構(gòu)間膠結(jié)力和土壤結(jié)構(gòu)體間抵抗離散的能力關(guān)系密切，實(shí)際上反映了土壤抵抗徑流水力破壞作用和搬運(yùn)的能力[2]。國外對土壤抗侵蝕能力的研究主要集中在抗濺蝕和抗沖刷能力兩個(gè)方面。國內(nèi)對抗沖性的研究多集中在黃土丘陵區(qū)[3-4]和紫色丘陵區(qū)[5]等。蔣定生[3]對黃土區(qū)不同利用類型土壤的抗沖性進(jìn)行了研究，對流量和坡度兩個(gè)因子進(jìn)行了系統(tǒng)分析。周正朝等[6]研究了黃土高原地區(qū)不同植被演替階段的土壤抗沖性。陳晏等[5]對紫色丘陵區(qū)不同土地利用類型的土壤抗沖性進(jìn)行了研究，分析了根系對土壤抗沖性的增強(qiáng)效應(yīng)。生物埂作為坡耕地一種復(fù)合農(nóng)林業(yè)措施，不僅能增加土坎資源利用率，提高經(jīng)濟(jì)效益[7-8]，同時(shí)還可以有效防治坡耕地水土流失[9]，改善梯地土壤，提高土壤抗侵蝕性[10-12]，減少坡耕地埂坎崩塌、垮塌的發(fā)生。目前，已有學(xué)者研究了生物埂土壤抗蝕抗沖性[13]，生物埂的根系及固土特征[14]，而從土壤抗沖性角度分析生物埂固土效應(yīng)的研究則相對較少。因此，本文以紫色丘陵區(qū)坡耕地生物埂為研究對象，分析不同生物埂的土壤抗沖性和坡度對土壤抗沖性的影響，研究不同生物埂模式的固土效應(yīng)，研究結(jié)果可為紫色丘陵區(qū)坡耕地生物埂建設(shè)模式和穩(wěn)定性評價(jià)提供科學(xué)依據(jù)。

1　材料與方法

1.1研究區(qū)概況

研究于2012年10月在重慶市西南大學(xué)紫色丘陵區(qū)坡耕地水土流失監(jiān)測基地進(jìn)行，該監(jiān)測基地是2005年開始的。地處于北碚向斜的中部，土壤主要以中生代侏羅系沙溪廟組灰棕紫色沙泥頁巖母質(zhì)上發(fā)育的中性紫色土為主；位于東經(jīng)106°26′，北緯30°26′，海拔高230 m，年平均氣溫為18.3℃，年降雨量1 105.4 mm，以5—9月的降雨量最大，占全年雨量的70%。

1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)

該基地坡耕地生物埂以木本和草本兩種不同類型植物布設(shè)，臺地內(nèi)按照常規(guī)農(nóng)業(yè)配置耕種。生物埂以土質(zhì)梯地的地埂為基礎(chǔ)，在土坎及地埂上布設(shè)對應(yīng)的生物埂模式。本文選擇木本生物埂(桑樹和花椒)和草本生物埂(紫花苜蓿)為研究對象，以自然生草埂作為對照，生物埂寬0.3～0.5 m。2005年，在各地塊埂坎處分別種植桑樹、花椒、紫花苜蓿，其中桑樹和花椒埂種植單行，株間距0.5～0.8 m，土坎上呈“品”字形排列，紫花苜蓿條播草籽，各生物埂植株下不種其它植物，且每年對生物埂定期除雜草，桑樹和花椒埂在每年冬季修剪。至2014年，桑樹和花椒植株高0.5～1 m、覆蓋度達(dá)到65%以上，紫花苜蓿高35～50 cm，覆蓋度達(dá)78.8%，各生物埂基本情況見表1。

表1　紫色丘陵區(qū)坡耕地生物埂布設(shè)基本情況

1.3試驗(yàn)方法

土壤抗沖性采用改進(jìn)的原狀土沖刷水槽法，水槽長1.80 m，寬0.11 m，取樣器尺寸10 cm×20 cm×10 cm。

生物埂植株間沿坡面方向垂直打入抗沖環(huán)刀，待土面與環(huán)刀面齊平后輕輕挖出，每個(gè)生物埂采集6個(gè)抗沖樣品，原狀土采回后，在水中浸泡12 h左右后進(jìn)行沖刷試驗(yàn)。根據(jù)坡耕地生物埂田面特征，選擇5°，8°，15°三個(gè)坡度進(jìn)行沖刷試驗(yàn)。通過恒壓水箱調(diào)整供水流量，設(shè)計(jì)水平2 L/min，在水流穩(wěn)定后，將土壤樣品裝入土樣室，使土樣表面和槽面齊平，然后放水沖刷并采集徑流泥沙過程樣，在沖刷開始后前4 min內(nèi)，每1 min量取一次沖刷水流量，以后每3 min量取一次，用水桶收集試驗(yàn)產(chǎn)生的全部水流，靜止沉降后烘干并稱重。

試驗(yàn)測定指標(biāo)主要有沖刷水流量(L)，含沙量(g/L)，沖失干土重WLDS(g)；土壤抗沖能力用沖失1 g土所需時(shí)間，即抗沖指數(shù)[6,11]來表示:

式中:ANS——單位流量土壤抗沖指數(shù)(min/g)；T——沖刷歷時(shí)(min)；WLDS——沖失干土重(g)。

2　結(jié)果與分析

2.1生物埂土壤沖刷過程分析

土壤抗沖性是指土壤抵抗坡面徑流機(jī)械沖刷破壞作用和搬運(yùn)的能力，與生物埂土粒間和微結(jié)構(gòu)間粘結(jié)力關(guān)系密切，揭示了土壤結(jié)構(gòu)體間抵抗離散的能力。不同類型生物埂土壤抗沖性隨著沖刷時(shí)間變化特征見圖1。

圖1　不同類型生物埂土壤抗沖性隨時(shí)間變化特征

由圖1可知，各種生物埂徑流含沙量隨著沖刷時(shí)間的繼續(xù)呈現(xiàn)“先急劇減小后平穩(wěn)減小直至穩(wěn)定”的變化趨勢。在沖刷前3 min內(nèi)，各生物埂土壤的徑流含沙量均較大，呈明顯的遞減趨勢，桑埂農(nóng)地含沙量最大可達(dá)到7.67 g/L，直接遞減到0.33 g/L，這主要是由于抗沖環(huán)刀采樣過程中，表層有大量松散土壤，在徑流沖刷作用下極易被破壞，從而使前幾分鐘含沙量出現(xiàn)急劇降低的現(xiàn)象；在沖刷10 min后，各生物埂徑流含沙量出現(xiàn)平穩(wěn)變化，在15～20 min含沙量呈現(xiàn)先增大后平穩(wěn)的趨勢，這主要由于農(nóng)業(yè)耕作活動(dòng)后導(dǎo)致表層桑樹根系減少，使土壤在浸泡一定時(shí)間后被分散。各種生物埂徑流含沙量隨坡度增加而增大，其中花椒埂徑流含沙量隨坡度的增加量最大，當(dāng)坡度為5°，8°和15°時(shí)其含沙量分別為0.17，0.82，1.85 g/L，而紫花苜蓿埂最小，其分別為0.25，0.75和0.85 g/L。

2.2生物埂土壤抗沖性動(dòng)態(tài)變化特征

根據(jù)各種生物埂土壤徑流含沙量隨時(shí)間的變化規(guī)律，可將生物埂抗沖刷過程分為三個(gè)階段：(1) 快速?zèng)_刷階段(0～3 min)，在該階段各類生物埂土壤極易被沖刷搬運(yùn)，形成較高的含沙量，但由于生物埂根系的固結(jié)作用，使其含沙量出現(xiàn)急速降低的過程；(2) 慢速?zèng)_刷階段(3～20 min)，表層松散土壤被沖刷后，生物埂根系發(fā)揮了固結(jié)土壤的作用，使徑流含沙量出現(xiàn)慢慢降低的過程；其中部分生物埂由于根系分布較少，含沙量會(huì)出現(xiàn)一定增加現(xiàn)象；(3) 平穩(wěn)沖刷階段(20～28 min)，大部分易崩解松散土壤全部被徑流沖刷帶走，含沙量極低，最低只有0.01 g/L，出現(xiàn)平穩(wěn)的趨勢。

表2　生物埂土壤沖刷量與沖刷時(shí)間的回歸方程

坡耕地生物埂土壤抗沖性隨著沖刷時(shí)間的增長而不斷增強(qiáng)，這種關(guān)系不受生物埂類型和坡耕地坡度的影響，可以看出各種生物埂類型在不同坡度的放水沖刷下，其變化趨勢都是相似的。經(jīng)過回歸分析可知(表2)，4種不同類型生物埂而言，土壤抗沖性與沖刷時(shí)間關(guān)系可以用冪函數(shù)得到很好的擬合，冪指數(shù)在-0.4286～-1.872之間，不同生物埂的冪指數(shù)隨坡度的變化程度不同，表明坡度對抗沖性具有一定的影響。3種坡度下各種生物埂土壤抗沖性與沖刷時(shí)間的相關(guān)性均達(dá)到極顯著相關(guān)，決定系數(shù)R2值在0.848 7～0.989 9，F(xiàn)值均大于7，Sig.小于0.05。

2.3生物埂土壤抗沖性與坡度的關(guān)系

土壤抗沖性指數(shù)(ANS)表示沖蝕1 g土所需要的時(shí)間，表現(xiàn)為抗沖指數(shù)越高，土壤的抗沖性能越強(qiáng)。由不同類型生物埂土壤抗沖性與坡度的關(guān)系(圖2)可知，各種生物埂土壤抗沖性隨著坡度的增大而降低，各種生物埂中，以桑樹埂變化程度最小，自然生草埂最大，這是因?yàn)槠露仍酱?，徑流的沖刷動(dòng)能越大，其破壞和搬運(yùn)能力越強(qiáng)，容易形成大量的泥沙。當(dāng)坡度較小時(shí)(5°)，桑樹埂和自然生草埂之間的土壤抗沖性指數(shù)分別為2.45,6.59 min/g，兩者相差1.69倍；隨著坡度的不斷增加，兩者之間的土壤抗沖性指數(shù)逐漸減??；當(dāng)坡度為15°時(shí)，桑樹埂和自然生草埂之間的土壤抗沖性指數(shù)分別為1.14,0.52 min/g。

不考慮生物埂之間的差異，對所有生物埂進(jìn)行回歸分析可知，生物埂土壤抗沖性指數(shù)與坡度呈顯著冪函數(shù)關(guān)系。由圖可知土壤抗沖性與坡度回歸方程達(dá)到了極顯著水平(R2=0.790 7，N=12，p<0.001)，關(guān)系式可用y=53.036x-1.5386表示，說明坡度與土壤抗沖性關(guān)系密切，隨著坡度的增加土壤抗沖性會(huì)減少，剛開始減少速度較快，但當(dāng)坡度增大到一定范圍時(shí)，土壤抗沖性會(huì)出現(xiàn)一個(gè)平穩(wěn)變化階段，這主要受到生物埂根系影響，當(dāng)坡度增大到一定范圍時(shí)，生物埂土壤表層松散土壤全部被沖刷，下層土壤在植被根系的固結(jié)作用下難以被沖刷搬運(yùn)。

圖2不同類型生物埂土壤抗沖性與坡度的關(guān)系

3　結(jié) 論

(1) 各種生物埂徑流含沙量隨著沖刷時(shí)間的繼續(xù)呈現(xiàn)“先急劇減小后平穩(wěn)減小直至穩(wěn)定”的變化趨勢。在沖刷前3 min內(nèi)，桑樹埂徑流含沙量由7.677 g/L降低到0.33 g/L；3～10 min內(nèi)徑流含沙量逐漸減小，10 min后趨于穩(wěn)定。

(2) 生物埂抗沖刷過程根據(jù)其徑流含沙量隨時(shí)間的變化規(guī)律可劃分為快速?zèng)_刷階段(0～3 min)、慢速?zèng)_刷階段(3～20 min)和平穩(wěn)沖刷階段(20～28 min)。土壤抗沖性與沖刷時(shí)間關(guān)系可以用冪函數(shù)得到很好的擬合，3種坡度下相關(guān)性均達(dá)到極顯著相關(guān)，R2值均在0.85以上。

(3) 各種生物埂土壤抗沖性隨著坡度的增大而降低，其中以桑樹埂變化程度最小，自然生草埂最大。土壤抗沖性與坡度回歸方程達(dá)到了極顯著水平(p<0.001)，關(guān)系式可用冪函數(shù)表示，決定系數(shù)R2達(dá)到0.790 7。

[1]朱顯謨.甘肅中部土壤侵蝕調(diào)查報(bào)告[J].土壤專報(bào),1958,32:53-109.

[2]朱顯謨.黃土高原植被因素對水土流失的影響[J].土壤學(xué)報(bào),1960,8(2):121-134.

[3]蔣定生.黃土區(qū)不同利用類型土壤抗沖刷能力的研究[J].土壤通報(bào),1979,4(2):20-23.

[4]劉國彬.黃土高原土壤抗沖性研究及有關(guān)問題[J].水土保持研究,1997,4(5):91-101.

[5]陳晏,史東梅,文卓立,等.紫色土丘陵區(qū)不同土地利用類型土壤抗沖性特征研究[J].水土保持學(xué)報(bào),2007,21(2):24-27.

[6]周正朝,上官周平.子午嶺次生林植被演替過程的土壤抗沖性[J].生態(tài)學(xué)報(bào),2006,26(10):3270-3275.

[7]周興魁,蔡強(qiáng)國.黃土丘陵區(qū)的地埂植物籬—紫穗槐[J].山西水土保持科技,1997(2):32-34.

[8]Oyedele D J, Awotoye O O, Popoola S E. Soil physical and chemical properties under continuous maize cultivation as influenced by hedgerow trees species on an alfisol in South Western Nigeria[J]. African Journal of Agricultural Research, 2009,4(8):736-739.

[9]蔡強(qiáng)國. 冀西北黃土丘陵區(qū)復(fù)合農(nóng)林業(yè)與水土保持綜合技術(shù)研究[M].北京: 中國環(huán)境科學(xué)出版社, 1998.

[10]王喜龍,蔡強(qiáng)國,王忠科,等.冀西北黃土丘陵溝壑區(qū)梯田地埂植物籬的固埂作用與效益分析[J].自然資源學(xué)報(bào),2000,15(1):74-79.

[11]王喜龍,王忠科.不同生物埂生態(tài)效益的模糊對比分析與評價(jià)[J].土壤侵蝕與水土保持學(xué)報(bào),1999,5(3):27-32.

[12]Everson C S, Everson T M, Van Niekerk W. Soil water competition in a temperate hedgerow agroforestry system in South Africa[J]. Agroforestry Systems, 2009,75(3):211-221.

[13]王忠林,李會(huì)科.渭北旱塬花椒地埂林土壤抗蝕抗沖性研究[J].水土保持研究,2000,7(1):33-37.

[14]朱鐘麟,卿明福,劉定輝,等.蓑草根系特征及蓑草經(jīng)濟(jì)植物埂的水土保持功能[J].土壤學(xué)報(bào),2006,43(1):164-167.

Study on the Soil Anti-scouribility of Bio-embankment on Slope Farmland in the Purple Hilly Area

GUO Hongzhong1,3, WANG Sanshu2,3, YU Yali2, JIANG Guangyi1, SHI Dongmei3

(1.Chongqing Ecoenvironment Monitoring Station of Soil and Water Conservation,Chongqing400015,China; 2.ChongqingSurveyingandDesignInstituteofWaterResources,ElectricPowerandArchitecture,Chongqing400020,China; 3.CollegeofResourcesandEnvironment,InstituteofSoilandWaterConservationandEcoenvironment,SouthwestUniversity,Chongqing400715,China)

Taking 4 types of bio-embankment on slope farmland in Purple Hilly area as the research sites, we thoroughly studied the soil anti-scouribility of bio-embankments with the method of undisturbed-soil trough scouring. The results showed that: (1) the runoff sediment concentrations for all bio-embankments presented the trend in which they first decreased rapidly and then decreased stably until stable state. The runoff sediment concentrations for bio-embankments were greater in 0～3 min of scouring time, and then varied smoothly and stabilized; (2) soil scouring process for bio-embankments could be divided into rapid erosion (0～3 min), slow erosion (3～20 min) and steady erosion (20～28 min). The soil anti-scouribility of bio-embankments enhanced with the increase of scouring time and followed the power function of scouring time, their determination coefficients(R2) varied from 0.848 7 to 0.989 9; (3) the soil anti-scouribility of bio-embankments reduced with the increase of the slope gradients, meanwhile, there was a mighty prominent positive correlation (R2=0.687 7，N=21，p<0.001) between them and could be described by a power equation. The research results could provide scientific basis for arrangement of the bio-embankment measures and the stability evaluation of bio-embankments on slope farmland in the Purple Hilly area.

bio-embankment; soil anti-scouribility; slope farmland; slope; Purple Hilly area

2014-06-10

2014-09-29

重慶市水利局科技項(xiàng)目“紫色丘陵區(qū)面源污染防治措施效應(yīng)評價(jià)(2013)”;重慶市水利局科技項(xiàng)目“重慶市坡耕地水土保持型生物埂—經(jīng)果林技術(shù)應(yīng)用及示范”

郭宏忠(1979—),男,山西省鄉(xiāng)寧縣人,碩士,高級工程師,從事水土保持生態(tài)環(huán)境監(jiān)測、規(guī)劃與管理工作。E-mail:guohongzhong@126.com

史東梅(1970—),女,甘肅靈臺人,博士,教授,博士生導(dǎo)師,主要從事水土生態(tài)工程、土壤侵蝕與流域治理、生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目土壤侵蝕與水土保持研究。E-mail:shidm_1970@126.com

S157.1

A

1005-3409(2015)04-0206-04