時 宏
(北票市臺吉水利服務(wù)站,遼寧 朝陽 122122)
坡度是影響土壤侵蝕和坡面徑流的關(guān)鍵地形因子之一,降雨相同情況下不同坡度產(chǎn)生的坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙量往往具有較大差異[1]。近年來,中國許多學(xué)者探索了坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙量與坡度間的關(guān)系,如張興奇等[2]通過現(xiàn)場實測黔西北地區(qū)徑流小區(qū)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),隨坡度增加坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙量呈現(xiàn)出先增加后減少再增加的變化特征,但坡面徑流量的增加幅度相對較??;和繼軍等[3]結(jié)合現(xiàn)場實測徑流小區(qū)產(chǎn)流產(chǎn)沙量,探討了不同場次降雨下隨坡度增加坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙量的變化特征??紤]到坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙受坡度的影響比較復(fù)雜,不同研究對象、方法所得到的結(jié)論具有明顯差異,故進一步研究坡面土壤侵蝕受坡度因子的影響特征,對準確預(yù)測當?shù)厮亮魇Чぷ骶哂兄匾饬x[4]。本研究通過設(shè)置不同坡度的徑流小區(qū),探討分析坡面產(chǎn)流、土壤侵蝕受不同坡度因子的影響規(guī)律,旨在為北票市水土保持綜合治理以及水土流失監(jiān)測等提供科學(xué)依據(jù)。
北票市水土保持局在大巴溝小流域設(shè)立有監(jiān)測點,該小流域?qū)俅罅韬又Я髅晒艩I河中游,低山丘陵地貌,總面積14.85km2,海拔高程420~680m。氣候類型為大陸性季風氣候,日照充足,雨熱同期,溫差較大,年均氣溫8.8℃,均降水量474mm/a,平均徑流深110mm/a,降水量年內(nèi)分配不均勻,年季間變化較大,多集中于7-9月。土壤類型以褐土為主,亞類中淋溶褐土分布廣泛,土層厚度20~110cm之間,肥力中等偏下,土壤抗沖蝕性弱,腐殖質(zhì)薄,通透性差,固土保水能力和復(fù)種指數(shù)低,土壤侵蝕嚴重。由于長期的人為干擾,流域內(nèi)原始植被破壞殆盡,現(xiàn)狀植被以人工林木和天然次生林為主,植被類型主要有灌叢、真闊混交林、針葉林,主要樹種有山杏、油松、側(cè)柏、國槐、刺槐等,農(nóng)作物以谷子、玉米為主,草種有蒲公英、披堿草、狗尾草、沙大旺等,林草植被覆蓋率34.15%。
在大巴溝小流域設(shè)置5°、10°、15°、20°、25°五種不同坡度的標準徑流小區(qū),各小區(qū)的投影面積為長20m×寬5m。然后將長5m×寬1.5m×高1.5m的集流池設(shè)置在各徑流小區(qū)的底部,預(yù)留出水口連接集水池與徑流小區(qū),集水桶放置于集水池出水口處,主要作用是承接降雨沖刷出的泥沙和徑流量,集水桶容積250L。
每次降雨后及每月1日、15日,定期監(jiān)測各徑流小區(qū)植被覆蓋度、土壤含水量和水土流失量,具體如下:
1)植被覆蓋度及土壤含水量監(jiān)測。將各徑流小區(qū)合理劃分成9個地塊,遵循從下到上、自西向東的原則依次測量記錄,確保監(jiān)測數(shù)據(jù)的可參考性和對比性。文章選用TDR檢測儀測量土壤含水量,通過垂直于坡面拍攝的方式測定植被覆蓋度,維持拍攝高度1.5m不變。
2)水土流失監(jiān)測。首先,準確測量集水桶及集水池內(nèi)的泥沙量、水量,在均勻攪拌泥沙和水后取出500mL水樣,實驗室監(jiān)測含沙量;然后將桶內(nèi)泥沙和水倒出,打開閥門清洗集水池,為下次測量做好準備。
3)試驗方法。為形成人工坡面與草灌結(jié)合的徑流小區(qū),開始先播種高羊茅、狗牙根、白車軸草、黑麥草等禾本科草籽,待草本植被覆蓋穩(wěn)定后模擬天然坡面灌木植被分布和平均密度,然后將胡枝子、荊條等低矮灌木種植于各徑流小區(qū)內(nèi),完成分階段演替式坡面處理。
將獲取的泥沙和徑流數(shù)據(jù)利用SPSS 20.0、Excel 2019等軟件進行統(tǒng)計分析,主要包括擬合處理、相關(guān)性分析和基本數(shù)據(jù)統(tǒng)計量等,并考慮實際需要繪制圖表。
不同坡度下各徑流小區(qū)2019、2020年坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙量統(tǒng)計數(shù)據(jù),不同坡度的產(chǎn)沙量、產(chǎn)流量見表1。由表1可知,降雨相同情況下,坡度從5°逐漸提高到20°時坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙量均不斷增加;坡度繼續(xù)從20°提高到25°時,2020年產(chǎn)沙量及2019、2020年產(chǎn)流量有所減小,但2019年產(chǎn)沙量依然增加。究其原因,雖然各徑流小區(qū)的投影面積相同,但25°>20°徑流小區(qū)的坡長,更長的徑流途徑使得降雨更易入滲,相應(yīng)的產(chǎn)流量較少;此外,隨著坡度的不斷增加,25°坡面的植被生長狀況和植被覆蓋度不如20°,因此具有較高的降雨滲透性和較小的坡面產(chǎn)流量。而2019年植物根系還不發(fā)達,坡面植被覆蓋度較小,土壤灌溉后形成物理結(jié)皮且多處于裸露狀態(tài),從而使得土壤侵蝕量較高,產(chǎn)沙量明顯增大。
表1 不同坡度的產(chǎn)沙量、產(chǎn)流量
根據(jù)實際監(jiān)測數(shù)據(jù),2019年在20°坡面上發(fā)生5次最大侵蝕量,而25°坡面僅出現(xiàn)2次最大侵蝕量,2020年所有最大侵蝕量都發(fā)生于20°坡面上。因此,研究認為臨界坡度為20°,即20°坡面的土壤侵蝕量達到最高。
現(xiàn)有研究表明,最大30min雨強I30與坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙量的關(guān)聯(lián)性較強,故將雨強劃分成I30≥50mm/h、I30<50mm/h兩個等級[5-6],通過整理分析2019、2020年10場次侵蝕性降雨數(shù)據(jù)繪制出不同雨強下坡度與坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙量的關(guān)系線,不同雨強下坡度與產(chǎn)流量的關(guān)系,見圖1。
圖1 不同雨強下坡度與產(chǎn)流量的關(guān)系
從圖1可以看出,雨強相同情況下,在5°~20°范圍時坡度與坡面產(chǎn)流量之間存在正相關(guān)性,隨坡度增加產(chǎn)流量逐漸增大;在20°~25°范圍時坡度與坡面產(chǎn)流量之間存在負相關(guān)性,隨坡度增加產(chǎn)流量逐漸減小。雨強不同情況下,I30≥50mm/h整體高于I30<50mm/h的產(chǎn)流量。此外,2020年各坡度平均產(chǎn)流量均小于同坡度2019年數(shù)據(jù),這是由于2020年的植物生長狀況更好,根系更加發(fā)達且植被覆蓋度更高,從而增強了坡面的降雨蓄滲作用。
考慮到2019年剛建立的徑流小區(qū)土壤條件穩(wěn)定性較差,產(chǎn)沙量較多并且與2020年相差較大,所以選擇2019、2020年產(chǎn)沙量平均值來分析,不同雨強下坡度與產(chǎn)沙量的關(guān)系,見圖2。從圖2可以看出,在I30≥50mm/h、I30<50mm/h雨強情況下,坡度從20°逐漸提高到25°時,坡面產(chǎn)沙量增長率從96.04%、105.30%減小到27.29%、1.63%。隨坡度增加雨滴擊打地表所形成的垂直于表土的分量越小,相應(yīng)的激濺侵蝕力和土壤侵蝕量減小,特別是20°坡度時的臨界效應(yīng)增加顯著。
圖2 不同雨強下坡度與產(chǎn)沙量的關(guān)系
結(jié)合相關(guān)文獻資料[7-8],植被根系、枯枝落葉層、覆蓋度和植被類型是影響土壤侵蝕的主要因素。通過計算各徑流小區(qū)平均植被覆蓋度,發(fā)現(xiàn)2019、2020年不同坡度徑流小區(qū)的植被覆蓋度為35.26%、66.75%。不同植被覆蓋度下坡度與坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙關(guān)系曲線,不同植被覆蓋下坡度與產(chǎn)流量的關(guān)系,見圖3; 不同植被覆蓋下坡度與產(chǎn)沙量的關(guān)系,見圖4。
圖3 不同植被覆蓋下坡度與產(chǎn)流量的關(guān)系
圖4 不同植被覆蓋下坡度與產(chǎn)沙量的關(guān)系
總體上,徑流小區(qū)植被覆蓋度從35.26%提高到66.75%,增長率達到89.40%,平均坡面產(chǎn)流量從1210.48L下降到903.66L,減少率達到25.35%,平均坡面產(chǎn)沙量從1440.383t/(hm2·a)下降到2.478t/(hm2·a),減少率達到99.8%。研究表明,植被覆蓋度的增加不僅有利于減輕降雨直接沖刷表面土壤的作用,而且植被根系使得土壤的固定作用、抗沖性和抗蝕性明顯增強,有效減小了坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙量。
目前,許多水土流失方程的使用都需要有特定的自然條件,普遍適用性較差,其中應(yīng)用最為廣泛的水蝕模型是通用土壤流失方程(USLE)[9]。文章結(jié)合北票市水文氣象數(shù)據(jù),利用該模型計算徑流小區(qū)土壤侵蝕量,以驗證該模型及其參數(shù)在遼西低山丘陵區(qū)北票市的實用性,其計算公式為:
式中:A為土壤侵蝕速率t/(hm2·a);R、K、L、S、C、P為降雨侵蝕力因子[MJ·mm/(hm2·h·a)]、土壤可蝕性因子[t·hm2·h/(hm2·MJ·mm)]、坡長因子、坡度因子、植被覆蓋或作物管理因子、水保措施因子,L、S、C、P均無量綱,取值區(qū)間0~1。
1)降雨侵蝕力因子R。結(jié)合相關(guān)資料[10],采用簡化算法計算R因子值,其中P、Pi代表年降水量(mm)和月降水量(mm),計算公式為:
2)土壤可蝕性因子K。依據(jù)現(xiàn)有研究成果[11-12],采用有機碳含量和土壤機械組成公式計算K因子值,計算公式:
式中:SAN、SIL為0.050~2.000mm的砂粒質(zhì)量分數(shù)(%)和0.002~0.050mm粉粒的質(zhì)量分數(shù)(%),其中SN1=1-SAN/100,即非砂質(zhì)量分數(shù)(%);C、CLA為土壤有機碳質(zhì)量分數(shù)(%)和<0.002mm黏粒質(zhì)量分數(shù)(%)。
3)坡長、坡度因子LS。根據(jù)相關(guān)文獻[13-14],采用緩坡坡度公式、陡坡坡度公式和經(jīng)典公式計算坡長因子L、坡度因子S值,計算公式為:
式中:n、θ為坡長指數(shù)和坡度,°;λ代表坡長,m。
4)植被覆蓋與管理因子C。采用植物生長期無人機拍攝的四景可見光正射影像圖和ENVI、Arc GIS軟件,利用覆蓋度與C值的關(guān)系以及像元二分法模型求解的植被覆蓋度來計算C因子值,相關(guān)公式:
式中:F為植被覆蓋度,NDVImax、NDVImin為高純度植被像元和裸地的NDVI值(歸一化植被指數(shù));NIR、R為近紅外波長(μm)和紅外波長(μm)
依據(jù)相關(guān)研究成果和大巴溝小流域水土保持實地調(diào)查現(xiàn)狀,設(shè)定2019年P(guān)因子值0.30,R因子值82.315[MJ·mm/(hm2·h·a)],C因子值0.501;2020年P(guān)因子值0.0.35,R因子值24.165[MJ·mm/(hm2·h·a)],C因子值0.842,2019、2020年的K因子值均取0.15。采用USLE方程計算不同坡度下各徑流小區(qū)的土壤侵蝕量,基于USLE方程的坡面產(chǎn)沙量,見表2。
表2 基于USLE方程的坡面產(chǎn)沙量
通過對比分析可知,2019年不同坡度下各徑流小區(qū)坡面產(chǎn)沙量實測數(shù)據(jù)遠高于USLE方程的計算值,這是由于徑流小區(qū)剛建成時的植被覆蓋度較小,土壤未經(jīng)人工填壓比較疏松,在強降雨和大雨沖擊下引起的土壤侵蝕量較高;2020年不同坡度下各徑流小區(qū)坡面產(chǎn)沙量實測數(shù)據(jù)與USLE方程計算值相差不大,所以該模型及其參數(shù)比較適用于遼西低山丘陵區(qū)土壤侵蝕研究。
文章探討了不同坡度下試驗徑流小區(qū)的產(chǎn)流產(chǎn)沙量,揭示了坡度對低山丘陵區(qū)坡面土壤侵蝕的影響特征,主要結(jié)論如下:
1)隨坡度增加坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙量均表現(xiàn)出先增大后減小的變化趨勢,在20°~25°范圍時的產(chǎn)流產(chǎn)沙量最高,通過分析原始記錄數(shù)據(jù)認為臨界坡度取20°與實際情況更加接近。
2)雨強不同情況下,最大30min雨強I30≥50mm/h整體高于I30<50mm/h的產(chǎn)流產(chǎn)沙量,并且產(chǎn)沙量具有明顯差異。隨植被覆蓋度增加坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙量逐漸減小。
3)不同坡度下USLE方程模擬計算的產(chǎn)沙量與實測結(jié)果相差較小,該模型及其參數(shù)比較適用于遼西低山丘陵區(qū)土壤侵蝕研究。