姜義亮,鄭粉莉,2,*,溫磊磊,沈海鷗,易 祎

1 西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所,黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,楊凌 712100 2 中國科學(xué)院 水利部水土保持研究所,楊凌 712100 3 西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院,楊凌 712100

據(jù)《中國水土流失防治與生態(tài)安全》調(diào)查顯示,土壤侵蝕造成表層黑土每年以0.3—1.0 cm的速度遞減,平均土層厚度已由20世紀(jì)50年代的60—70 cm下降至目前的20—30 cm[1-2]。黑土區(qū)坡面土壤侵蝕導(dǎo)致土壤嚴(yán)重退化,從而使土地生產(chǎn)力降低,制約了黑土資源的可持續(xù)利用,影響了國家的糧食安全[3]。

由于土壤抗蝕性的差異和坡面匯流作用的影響,導(dǎo)致不同環(huán)境條件下雨滴打擊和徑流搬運(yùn)作用對坡面土壤侵蝕的影響有所不同[4]。Walker等發(fā)現(xiàn),降雨侵蝕下坡面的產(chǎn)沙速率是同等徑流大小下坡面產(chǎn)沙速率的5倍左右[5],鄭粉莉等基于雙試驗(yàn)的模擬降雨試驗(yàn)對比研究了降雨侵蝕和徑流侵蝕作用,發(fā)現(xiàn)在相同的坡度和徑流量條件下,降雨侵蝕的產(chǎn)沙量大于供水徑流侵蝕的產(chǎn)沙量[6-7]。還有學(xué)者發(fā)現(xiàn)降雨和徑流在侵蝕過程中是相互輔佐或相互制約的[8-9]。Guy等發(fā)現(xiàn)擾動(dòng)水流的泥沙輸移能力中雨滴打擊作用的貢獻(xiàn)為85%,而徑流貢獻(xiàn)僅為15%[10]；Palmer等發(fā)現(xiàn)當(dāng)徑流水深大于雨滴直徑3倍以上時(shí),雨滴擊濺對土壤侵蝕的作用明顯減少[11-13]。盡管降雨和徑流對坡面侵蝕的影響及其貢獻(xiàn)研究取得了一定的進(jìn)展,但由于試驗(yàn)條件和侵蝕過程的復(fù)雜性,目前仍很難區(qū)分降雨和徑流對坡面侵蝕過程的作用。

在我國東北黑土區(qū),由于長緩坡的地形特點(diǎn),決定了在降雨量和降雨強(qiáng)度較大時(shí)易形成較大的坡面匯流,且其對坡面土壤進(jìn)行集中沖刷[14-17],造成坡面侵蝕嚴(yán)重；而目前有關(guān)黑土區(qū)降雨和徑流在坡面侵蝕的作用研究仍鮮見報(bào)導(dǎo)。因此,迫切需要開展降雨和匯流共同作用對黑土坡面土壤侵蝕的影響,以期為坡面侵蝕防治提供理論指導(dǎo)。為此,本研究基于模擬降雨和上方匯流試驗(yàn),設(shè)計(jì)了不同降雨強(qiáng)度和匯流速率以及二者組合的試驗(yàn)處理,研究降雨和匯流對黑土坡面土壤侵蝕的影響,并分析降雨和匯流對坡面侵蝕的貢獻(xiàn),以期為黑土區(qū)農(nóng)田土壤侵蝕防治措施的布設(shè)提供理論支持和科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)土壤采自吉林省榆樹市劉家鎮(zhèn)合心村南城子屯(44°43′28″N,126°11′47″E)的0—20 cm耕層土壤,耕層土壤容重(環(huán)刀法)在1.15 g/cm3左右。吉林省榆樹市屬于典型黑土區(qū),土壤為研究區(qū)內(nèi)典型黑土,具有較好的代表性。試驗(yàn)土壤顆粒分級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)采用美國農(nóng)業(yè)部制,土壤質(zhì)地屬于粉壤土,粘粒(小于0.002 mm)含量20.3%,粉粒(0.002—0.05 mm)含量76.4%,砂粒(0.05 mm及以上)含量3.3%,有機(jī)質(zhì)含量(重鉻酸鉀氧化—外加熱法)約23.8 g/kg,pH值(水浸提法,水土比2.5∶1)為5.9左右。

1.2 試驗(yàn)裝置與設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2014年4月在黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室人工模擬降雨大廳進(jìn)行。試驗(yàn)所用的降雨設(shè)備為側(cè)噴式自動(dòng)模擬降雨系統(tǒng)[18],降雨高度為16 m,模擬降雨強(qiáng)度變化范圍為20—300 mm/h,降雨特性與天然降雨特性相似,降雨均勻度大于90%。

試驗(yàn)土槽規(guī)格為8 m(長)× 3 m(寬)× 0.6 m(深),試驗(yàn)時(shí)中間用PVC板分隔為兩個(gè)8 m×1.5 m的試驗(yàn)土槽用于重復(fù)試驗(yàn)。試驗(yàn)土槽底部每隔0.2 m(長)和0.5 m(寬)設(shè)置直徑為5 cm的排水口以保證試驗(yàn)土槽在試驗(yàn)過程排水良好。試驗(yàn)土槽填土?xí)r,用紗布填充排水口后,在土槽底部鋪設(shè)10 cm的細(xì)沙保證試驗(yàn)土槽透水良好。為了模擬農(nóng)耕地田間條件(耕層和犁底層)和保證填土的均勻性,在試驗(yàn)土槽填土?xí)r,細(xì)沙之上采用分層(每層5 cm)填土填充試驗(yàn)土槽,其中,細(xì)沙層以上按容重為1.35 g/cm3填充10 cm的粘黃土和10 cm的黑土模擬農(nóng)耕地犁底層,其上按容重為1.20 g/cm3填充20 cm的黑土模擬農(nóng)耕地耕層。另外,每層土填充結(jié)束后,用2 cm深的土耙將表面耙磨形成一定的粗糙度使上層和下層形成很好的粘接。

圖1 試驗(yàn)裝置Fig.1 Experimental devices

上方匯流試驗(yàn)裝置是由供水管、恒壓箱和穩(wěn)流槽三部分組成。首先通過供水系統(tǒng)使水流進(jìn)入恒壓箱以保持穩(wěn)定的供水水壓,多余的供水量通過溢流管再回到供水系統(tǒng)；其次通過供水閥調(diào)節(jié)所設(shè)計(jì)的匯水流量并將其匯入到試驗(yàn)土槽頂部的穩(wěn)流槽內(nèi)；最后通過穩(wěn)流槽使供水量變?yōu)橄鄬鶆虻乃髁飨蚱旅?以此模擬坡面上方匯流對坡面下方土壤侵蝕的影響。上方匯流試驗(yàn)裝置的供水流量范圍為0—30 L/min,其大小可通過供水閥門進(jìn)行調(diào)節(jié)(圖1)。

經(jīng)過調(diào)查發(fā)現(xiàn),在我國東北黑土區(qū),主要降雨類型為短歷時(shí)高強(qiáng)度降雨,其降雨歷時(shí)大多小于1 h[2,19],頻次較高的瞬時(shí)雨強(qiáng)為0.71 mm/min[20]；另外,該區(qū)地形特點(diǎn)是長緩坡,坡度變化于3°—10°[21]。為此,本試驗(yàn)設(shè)計(jì)50 mm/h和100 mm/h(分別為0.83 mm/min和1.67 mm/min)兩個(gè)降雨強(qiáng)度[22],坡度為10°,降雨和匯流試驗(yàn)歷時(shí)均為100 min。本研究試驗(yàn)處理重復(fù)2次,為保證重復(fù)試驗(yàn)條件的一致性,被分隔為2個(gè)試驗(yàn)土槽則是一次降雨(匯流、降雨和匯流)試驗(yàn)處理下的2次重復(fù)。同時(shí),為了比較同等強(qiáng)度下降雨和匯流對黑土坡面土壤侵蝕的影響,基于兩個(gè)降雨強(qiáng)度的設(shè)計(jì)對應(yīng)設(shè)計(jì)了兩個(gè)上方匯流速率,即50 mm/h和100 mm h的匯流速率(10 L/min和20 L/min)。根據(jù)降雨強(qiáng)度和匯流速率的不同組合,設(shè)計(jì)了4種不同降雨和匯流組合的試驗(yàn)條件。具體的試驗(yàn)設(shè)計(jì)見表1。

1.3 試驗(yàn)步驟

試驗(yàn)開始前,為保持下墊面前期土壤含水量一致,采用25 mm/h降雨強(qiáng)度進(jìn)行預(yù)降雨,直至坡面出現(xiàn)徑流流路且集流口有連續(xù)水流出現(xiàn)。預(yù)降雨結(jié)束后,用塑料布將試驗(yàn)土槽遮蓋好,靜置24 h,使水分自由下滲接近自然狀態(tài)的土壤水分分布狀況,以保證每次降雨試驗(yàn)時(shí)試驗(yàn)土槽的土壤水分狀況一致。試驗(yàn)所測定的土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)也表明,各次試驗(yàn)前土槽0—20 cm表層的土壤含水量基本一致,其變化在28.6%—29.7%。為確保降雨強(qiáng)度和匯流速率的準(zhǔn)確度,每次正式試驗(yàn)前對設(shè)計(jì)的降雨強(qiáng)度和匯流速率進(jìn)行率定,當(dāng)實(shí)測降雨強(qiáng)度或匯流速率與設(shè)計(jì)的目標(biāo)降雨強(qiáng)度或匯流速率的差值小于5.0%時(shí),方可進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)過程中,當(dāng)坡面產(chǎn)流后,在試驗(yàn)土槽集流口處用15 L塑料桶每隔2 min采集徑流泥沙樣,并用染色劑法測定試驗(yàn)土槽坡面流速。試驗(yàn)結(jié)束后,將所采集的全部徑流樣稱重、靜置24 h、倒掉上層清液,然后轉(zhuǎn)移到1000 mL鋁盒中,放入105℃烘箱烘干稱重并計(jì)算泥沙量。

表1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

R50：降雨強(qiáng)度50 mm/h,Rainfall intensity 50 mm/h； R100：降雨強(qiáng)度100 mm/h, Rainfall intensity 100 mm/h； I50：匯流速率50 mm/h,inflow rate 50 mm/h； I100：匯流速率100 mm/h,inflow rate 100 mm/h；R50I50：降雨強(qiáng)度50 mm/h+ 匯流速率50 mm/h,rainfall intensity 50 mm/h +inflow rate 50 mm/h；R50I100：降雨強(qiáng)度50 mm/h+ 匯流速率100 mm/h,rainfall intensity 50 mm/h +inflow rate 100 mm/h；R50I50：降雨強(qiáng)度100 mm/h+ 匯流速率50 mm/h,rainfall intensity 100 mm/h +inflow rate 50 mm/h；R100I100：降雨強(qiáng)度100 mm/h+ 匯流速率100 mm/h,rainfall intensity 100 mm/h +inflow rate 100 mm/h

1.4 數(shù)據(jù)分析

應(yīng)用Excel 2003和SPSS 13.0進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與分析,并繪制圖表。采用Duncan法進(jìn)行多重比較。

2 結(jié)果與討論

2.1 降雨和匯流對黑土區(qū)坡面土壤侵蝕的影響

2.1.1 降雨和匯流對黑土區(qū)坡面侵蝕產(chǎn)沙量的對比

表2表明,當(dāng)降雨強(qiáng)度和坡面上方匯流速率均為50 mm/h時(shí)(50 mm/h的匯流速率即為10 L/min),二者坡面產(chǎn)生的徑流量差異不顯著,而坡面侵蝕量和徑流含沙濃度則表現(xiàn)出顯著差異,其中匯流試驗(yàn)條件下坡面侵蝕量和徑流含沙濃度僅分別是對應(yīng)降雨強(qiáng)度試驗(yàn)下的1.9%和2.6%；當(dāng)降雨強(qiáng)度和坡面上方匯流速率均為100 mm/h時(shí)(100 mm/h的匯流速率即為20 L/min),二者坡面產(chǎn)生的徑流量、侵蝕量和徑流含沙濃度也表現(xiàn)出顯著性差異,其中匯流試驗(yàn)條件下的徑流量、侵蝕量和徑流含沙濃度分別為降雨試驗(yàn)條件下的80.1%、0.6%和0.9%。當(dāng)降雨強(qiáng)度和坡面上方匯流速率由50 mm/h增加至100 mm/h時(shí),降雨試驗(yàn)處理的侵蝕量增加6.1倍,匯流試驗(yàn)處理的侵蝕量增加3.2倍。此結(jié)論說明降雨對坡面土壤侵蝕產(chǎn)沙的影響顯著大于匯流作用。其主要原因?yàn)楸疚脑囼?yàn)土壤為富含有機(jī)質(zhì)的東北黑土,由于黑土土壤團(tuán)聚含量和粘粒含量較高[23],所以匯流對黑土土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的破壞和搬運(yùn)能力較弱[24],遠(yuǎn)小于匯流對黃土坡面土壤侵蝕的影響[25]。而在降雨過程中,雨滴打擊土壤時(shí)的快速濕潤(氣爆作用)不僅破壞土壤的團(tuán)粒結(jié)構(gòu),同時(shí)還增加徑流紊動(dòng)性,使徑流分散和搬運(yùn)土壤的能力增強(qiáng)[26]。安娟等研究表明通過紗網(wǎng)覆蓋消除雨滴打擊后,黑土區(qū)坡面侵蝕量能夠減少75%以上[27],同樣說明了降雨是引起黑土區(qū)坡耕地土壤侵蝕的主要?jiǎng)恿?且消除雨滴打擊后的徑流對黑土坡耕地土壤侵蝕的影響降低。因此,為了有效地防治降雨對黑土坡耕地的土壤侵蝕,可通過秸稈覆蓋等方式來減少雨滴打擊力,防止坡面土壤侵蝕[28]。

表2 不同降雨和匯流試驗(yàn)條件下坡面徑流量、侵蝕量和徑流含沙濃度

總降雨歷時(shí)為100 min,表中“ ±”后的數(shù)字為標(biāo)準(zhǔn)偏差,同一列中的不同字母表示P<0.05的差異性顯著,n=8

2.1.2 降雨對黑土區(qū)坡面土壤侵蝕過程的影響

在降雨強(qiáng)度為50 mm/h和100 mm/h時(shí),坡面產(chǎn)流時(shí)間分別在22 min和12 min左右(圖2),坡面徑流產(chǎn)生后,100 mm/h降雨強(qiáng)度下的侵蝕速率明顯大于50 mm/h降雨強(qiáng)度下的侵蝕速率,兩種降雨強(qiáng)度下的侵蝕速率隨降雨歷時(shí)的變化均先迅速增加后趨于穩(wěn)定,最后呈波狀起伏。造成這種現(xiàn)象的主要原因是侵蝕方式發(fā)生了變化。在降雨初期,雨滴擊濺作用產(chǎn)生大量分散土粒并隨降雨形成的薄層水流搬運(yùn),形成坡面侵蝕的第一個(gè)高峰(50 mm/h降雨強(qiáng)度出現(xiàn)在27 min左右；100 mm/h降雨強(qiáng)度出現(xiàn)在14 min左右),隨后由于坡面臨時(shí)性結(jié)皮形成,使薄層水流的侵蝕能力減弱,導(dǎo)致此時(shí)坡面侵蝕速率下降并趨于穩(wěn)定；此時(shí),坡面侵蝕方式主要為片蝕。隨著降雨歷時(shí)增加,坡面因雨滴打擊變得凹凸不平,坡面薄層水流逐步匯聚形成集中的股流,使坡面多處形成細(xì)溝下切溝頭,坡面侵蝕出現(xiàn)第二個(gè)高峰(50 mm/h降雨強(qiáng)度出現(xiàn)在43 min左右；100 mm/h降雨強(qiáng)度出現(xiàn)在37 min左右)。細(xì)溝侵蝕發(fā)展的快慢影響著侵蝕速率的增加和降低,侵蝕速率隨時(shí)間呈波狀起伏變化,此時(shí)坡面由片蝕進(jìn)入到細(xì)溝侵蝕為主階段。黑土區(qū)坡面侵蝕的過程與鄭粉莉?qū)S土坡面侵蝕過程的研究結(jié)果一致[29]。

2.1.3 匯流對黑土區(qū)坡面土壤侵蝕過程的影響

在匯流速率為50 mm/h和100 mm/h的條件下,坡面產(chǎn)流時(shí)間分別在24 min和17 min左右(圖3)。坡面產(chǎn)流后,侵蝕速率隨匯流歷時(shí)的增加均呈迅速減小后趨于穩(wěn)定,隨后趨于穩(wěn)定和變化于1—4 g m-2h-1之間。其原因是在匯流初期,由于土壤表面疏松,匯流對土壤進(jìn)行分散、分離及輸移的作用,侵蝕速率達(dá)到最大。此后,隨著匯流試驗(yàn)的進(jìn)行,土壤表面的破碎物質(zhì)堵塞土壤孔隙,形成臨時(shí)性的土壤結(jié)皮,使匯流作用的侵蝕能力減弱,所以坡面侵蝕速率維持在較低的范圍內(nèi)并逐漸趨于穩(wěn)定,且坡面侵蝕方式以片蝕為主[30]。

圖2 50 mm/h和100 mm/h降雨強(qiáng)度下侵蝕速率隨降雨歷時(shí)的變化過程Fig.2 Erosion rate versus rainfall duration at rainfall intensities of 50 mm/h and 100 mm/h

圖3 50 mm/h和100 mm/h匯流速率下侵蝕速率隨匯流歷時(shí)的變化過程Fig.3 Erosion rate versus inflow duration at inflow rate of 50 mm/h and 100 mm/h

2.2 降雨和匯流共同作用對黑土區(qū)坡面土壤侵蝕的影響

2.2.1 不同降雨強(qiáng)度和匯流速率組合試驗(yàn)下的坡面侵蝕產(chǎn)沙量

通過對比R50I50和R100I100可知(表3)：當(dāng)降雨強(qiáng)度和坡面上方匯流速率分別由50 mm/h增加至100 mm/h時(shí),坡面徑流量僅增加1.5倍,而坡面侵蝕量和徑流含沙濃度分別增加44.5倍和17.0倍,說明在雨滴打擊作用和匯流沖刷作用共同影響下,坡面侵蝕量明顯增加。通過比較相同總供水強(qiáng)度(降雨強(qiáng)度+匯流速率)而降雨強(qiáng)度和匯流速率不同的處理下的侵蝕產(chǎn)沙量,來探究雨滴打擊作用和匯流沖刷作用對黑土區(qū)坡面土壤侵蝕的影響大小。在坡面總供水強(qiáng)度(降雨強(qiáng)度+匯流速率)均為150 mm/h的兩組試驗(yàn)處理R50I100和R100I50中,發(fā)現(xiàn)二者坡面徑流量、侵蝕量和含沙濃度均表現(xiàn)出顯著性差異,其中R50I100試驗(yàn)處理下的徑流量、侵蝕量和含沙濃度分別是R100I50試驗(yàn)處理?xiàng)l件下的81.2%、12.6%和16.2%。對于坡面總供水強(qiáng)度為均為100 mm/h(R50I50、R100和I100)的3組試驗(yàn)處理(表2和表3),發(fā)現(xiàn)R50I50和R100的兩組試驗(yàn)處理的坡面徑流量基本相同,但二者大于I100試驗(yàn)處理下的徑流量；而3組試驗(yàn)處理的坡面侵蝕量差異明顯,其中,R50I50、R100試驗(yàn)處理的坡面侵蝕量是I100試驗(yàn)處理的40.0倍和181.7倍,含沙濃度是其28.3倍和132.2倍。說明坡面上方匯流也對黑土區(qū)坡面土壤侵蝕有影響,但其和雨滴打擊共同作用時(shí),坡面上方匯流作用小于雨滴打擊作用。

表3 不同降雨和匯流組合試驗(yàn)條件下總徑流量、總侵蝕量和含沙濃度的對比

2.2.2 降雨和匯流共同作用對黑土區(qū)坡面土壤侵蝕過程的影響

降雨和匯流組合R50I50和R50I100試驗(yàn)處理的產(chǎn)流時(shí)間分別在16 min和13 min左右(圖4)。坡面產(chǎn)流后,坡面侵蝕速率隨降雨歷時(shí)增加均呈迅速減小后趨于穩(wěn)定,其中R50I100的侵蝕速率明顯大于R50I50試驗(yàn)處理。與圖2降雨強(qiáng)度為50 mm/h的侵蝕速率變化相比,上方匯流加入后,坡面主要以片蝕方式為主,其侵蝕過程與圖3相似。通過比較試驗(yàn)處理R50I100與圖3中匯流速率為100 mm/h的侵蝕速率變化過程,發(fā)現(xiàn)雨滴打擊作用,使坡面匯流的紊動(dòng)性增強(qiáng),從而增大了匯流對土壤剝蝕能力,導(dǎo)致R50I100的侵蝕速率明顯大于I100匯流試驗(yàn)的侵蝕速率。

圖4 不同降雨和匯流組合試驗(yàn)條件下侵蝕速率隨降雨歷時(shí)的變化過程Fig.4 Erosion rate versus rainfall duration by different rainfall and inflow treatments

R100I50和R100I100試驗(yàn)處理下的產(chǎn)流時(shí)間分別在9 min和6 min左右(圖4)。坡面產(chǎn)流后,兩個(gè)試驗(yàn)處理的侵蝕速率隨降雨歷時(shí)的增加均呈波狀起伏變化。與圖2中降雨強(qiáng)度為100 mm/h的侵蝕速率變化過程相比較,坡上方匯流的加入,導(dǎo)致坡面侵蝕方式以細(xì)溝侵蝕主,說明在該試驗(yàn)條件下,坡面不僅受到雨滴擊濺分散土壤顆粒的作用,還受到匯流對分散土壤的輸移作用,從而使坡面侵蝕速率急劇增加。試驗(yàn)處理R100I50與R100I100相比,匯流速率的增加還會(huì)加速細(xì)溝侵蝕發(fā)展[31]。

以上分析表明,雨滴打擊作用和坡面匯流沖刷作用對坡面土壤侵蝕的影響相互作用,有必要剖析二者對坡面土壤侵蝕的作用貢獻(xiàn)。

2.3 降雨和匯流對黑土區(qū)坡面土壤侵蝕影響的貢獻(xiàn)分析

降雨強(qiáng)度增加對黑土區(qū)坡面徑流和侵蝕的貢獻(xiàn)率可用下式計(jì)算：

(1)

式中,RRI為增加的降雨強(qiáng)度對坡面徑流量的貢獻(xiàn)率,RR1和RR2分別為匯流速率相同而降雨強(qiáng)度分別為0、50、100 mm/h時(shí)的坡面徑流量。

(2)

式中,ERI為增加的降雨強(qiáng)度對坡面侵蝕量的貢獻(xiàn)率,SR1和SR2分別為匯流速率相同而降雨強(qiáng)度分別為0 mm/h、50 mm/h和100 mm/h時(shí)的坡面侵蝕量。

匯流強(qiáng)度增加對黑土區(qū)坡面徑流和侵蝕的貢獻(xiàn)率可用下式計(jì)算：

(3)

式中,RIW為增加的匯流速率對坡面徑流量的貢獻(xiàn)率,RI1和RI2分別為降雨量相同而匯流速率分別為0 mm/h、50 mm/h和100 mm/h時(shí)的坡面徑流量。

(4)

式中,EIW為增加的匯流速率對坡面侵蝕量的貢獻(xiàn)率,SI1和SI2為匯流速率相同而降雨強(qiáng)度分別為0 mm/h、50 mm/h和100 mm/h時(shí)的坡面侵蝕流量。

2.3.1 降雨對黑土區(qū)坡面侵蝕產(chǎn)沙的貢獻(xiàn)分析

比較表4中編號(hào)為1—4的4組試驗(yàn)處理可發(fā)現(xiàn)在匯流速率保持不變時(shí),增加50 mm h-1的降雨強(qiáng)度后,降雨對坡面徑流量和侵蝕量的貢獻(xiàn)率分別在41.44%—58.65%和89.58%—99.50%；同理,比較5—6兩組試驗(yàn)處理,在匯流速率保持不變時(shí),增加100 mm/h的降雨強(qiáng)度后,降雨對坡面徑流量和侵蝕量的貢獻(xiàn)率分別平均為73.90%和99.9%；說明降雨強(qiáng)度的增加對坡面侵蝕量的貢獻(xiàn)顯著。這主要是因?yàn)樵谠黾咏涤陱?qiáng)度后,雨滴動(dòng)能增加,其對土壤顆粒的分散與輸移作用增強(qiáng)。除了雨滴擊濺的作用之外,降雨強(qiáng)度的增加使坡面薄層徑流的紊動(dòng)性增強(qiáng),從而加大了匯流對土壤顆粒間的擾動(dòng)與摩擦,進(jìn)而使分散的土壤顆粒更容易被匯流沖刷流失,最后致其對侵蝕量貢獻(xiàn)率明顯；更重要的是降雨強(qiáng)度的增加使坡面侵蝕方式由片蝕為主演變?yōu)榧?xì)溝侵蝕為主,從而使坡面侵蝕量顯著增加。試驗(yàn)中測定的坡面流速數(shù)據(jù)表明,增加50 mm/h降雨強(qiáng)度后,坡面水流流速增加了46.94%—48.13%；增加100 mm/h降雨強(qiáng)度后,坡面水流流速增加了72.40%左右。由泥沙動(dòng)力學(xué)理論知,徑流的挾沙能力與流速的立方成正比,因而增加降雨強(qiáng)度后坡面水流流速增大,導(dǎo)致坡面徑流沖刷力增強(qiáng),坡面侵蝕產(chǎn)沙量增加。

2.3.2 匯流對黑土區(qū)坡面土壤侵蝕的貢獻(xiàn)分析

比較表5中編號(hào)為1—4的4組試驗(yàn)處理可發(fā)現(xiàn),在降雨強(qiáng)度保持不變時(shí),增加50 mm/h的匯流速率后,匯流對坡面徑流量和侵蝕量的貢獻(xiàn)率分別在28.64%—58.81%和17.24%—78.74%；同理,比較5—6兩組試驗(yàn)處理,在降雨強(qiáng)度保持不變時(shí),增加100 mm/h的匯流速率后,匯流對坡面徑流量和侵蝕量的貢獻(xiàn)率分別在61.28%—72.12%和46.90%—89.94%；說明匯流速率的增加對侵蝕量的貢獻(xiàn)也比較明顯。這是因?yàn)樯掀聟R流是坡面不同侵蝕部位之間水流能量傳遞的媒介,其大小不僅對下坡的入滲和徑流速率產(chǎn)生影響,也使坡面侵蝕方式由片蝕為主演變?yōu)橐约?xì)溝侵蝕為主,從而使坡面徑流侵蝕和搬運(yùn)能力增加,導(dǎo)致坡面侵蝕量明顯增加。試驗(yàn)中測定的坡面水流流速表明,增加50 mm/h匯流速率后,坡面水流流速增加了10.55%—19.84%；增加100 mm/h匯流速率后,坡面水流流速增加了28.21%左右。與降雨對土壤侵蝕貢獻(xiàn)一樣,增加匯流速率后,坡面水流流速增大,導(dǎo)致坡面徑流沖刷力增強(qiáng),坡面侵蝕產(chǎn)沙量增加。

表4 降雨對黑土坡面徑流和侵蝕的貢獻(xiàn)率

表5 匯流對黑土坡面徑流和侵蝕的貢獻(xiàn)率

3 結(jié)論

本研究基于模擬降雨試驗(yàn)和上方匯流試驗(yàn),設(shè)計(jì)了不同降雨強(qiáng)度和匯流速率以及二者組合的試驗(yàn)處理,研究了降雨和匯流對黑土坡面土壤侵蝕的影響,分析了降雨和匯流對坡面侵蝕的作用貢獻(xiàn),主要結(jié)論如下：

(1)在降雨和匯流獨(dú)立試驗(yàn)中,當(dāng)降雨強(qiáng)度由50 mm/h增加至100 mm/h時(shí),坡面徑流量和侵蝕量分別增加了1.4和6.1倍；當(dāng)匯流速率由50 mm/h增加至100 mm/h時(shí),坡面徑流量和侵蝕量分別增加了1.1和3.2倍。說明降雨對坡面土壤侵蝕產(chǎn)沙的影響顯著大于匯流作用。

(2)在降雨和匯流組合試驗(yàn)中,總供水強(qiáng)度(降雨強(qiáng)度+匯流速率)均為150 mm/h時(shí),降雨強(qiáng)度為100 mm/h和匯流速率為50 mm/h組合試驗(yàn)的坡面徑流量和侵蝕量分別是降雨強(qiáng)度為50 mm/h和匯流速率為100 mm/h組合試驗(yàn)1.2和7.9倍,前者試驗(yàn)處理的坡面主要以細(xì)溝侵蝕方式為主,后者試驗(yàn)處理的坡面主要以片蝕為主。

(3)在相同匯流條件下,降雨強(qiáng)度增加50 mm/h后,其對坡面侵蝕量的貢獻(xiàn)率為89.6%—99.5%；而在相同降雨條件下,匯流速率增加50 mm/h后,其對坡面侵蝕量的貢獻(xiàn)率為17.2%—78.7%,說明在東北黑土區(qū)防治坡面匯流對坡面土壤侵蝕影響也尤為重要。

(4)降雨和匯流之間的相互影響作用對坡面土壤侵蝕的特征有待深入研究。

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