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)計研究院,重慶400020; 3.西南大學 資源環(huán)境學院 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)計研究院,重慶400020; 3.西南大學 資源環(huán)境學院 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沖刷階段(0~3 min)、慢速沖刷階段(3~20 min)和平穩(wěn)沖刷階段(20~28 min)3個階段。生物埂土壤抗沖性隨著沖刷時間的增長而不斷增強,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)定性評價提供科學依據(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,實際上反映了土壤抵抗徑流水力破壞作用和搬運的能力[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行了研究,對流量和坡度兩個因子進行了系統(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行了研究,分析了根系對土壤抗沖性的增強效應。生物埂作為坡耕地一種復合農(nóng)林業(yè)措施,不僅能增加土坎資源利用率,提高經(jīng)濟效益[7-8],同時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,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)定性評價提供科學依據(jù)。
1.1研究區(qū)概況
研究于2012年10月在重慶市西南大學紫色丘陵區(qū)坡耕地水土流失監(jiān)測基地進行,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試驗設(shè)計
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、覆蓋度達到65%以上,紫花苜蓿高35~50 cm,覆蓋度達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試驗方法
土壤抗沖性采用改進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,每個生物埂采集6個抗沖樣品,原狀土采回后,在水中浸泡12 h左右后進行沖刷試驗。根據(jù)坡耕地生物埂田面特征,選擇5°,8°,15°三個坡度進行沖刷試驗。通過恒壓水箱調(diào)整供水流量,設(shè)計水平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,用水桶收集試驗產(chǎn)生的全部水流,靜止沉降后烘干并稱重。
試驗測定指標主要有沖刷水流量(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(min);WLDS——沖失干土重(g)。
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械沖刷破壞作用和搬運的能力,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間變化特征見圖1。
圖1 不同類型生物埂土壤抗沖性隨時間變化特征
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)耕作活動后導致表層桑樹根系減少,使土壤在浸泡一定時間后被分散。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,當坡度為5°,8°和15°時其含沙量分別為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態(tài)變化特征
根據(jù)各種生物埂土壤徑流含沙量隨時間的變化規(guī)律,可將生物埂抗沖刷過程分為三個階段:(1) 快速沖刷階段(0~3 min),在該階段各類生物埂土壤極易被沖刷搬運,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) 慢速沖刷階段(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間的回歸方程
坡耕地生物埂土壤抗沖性隨著沖刷時間的增長而不斷增強,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間的相關(guān)性均達到極顯著相關(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土所需要的時間,表現(xiàn)為抗沖指數(shù)越高,土壤的抗沖性能越強。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,這是因為坡度越大,徑流的沖刷動能越大,其破壞和搬運能力越強,容易形成大量的泥沙。當坡度較小時(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)逐漸減小;當坡度為15°時,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減少,剛開始減少速度較快,但當坡度增大到一定范圍時,土壤抗沖性會出現(xiàn)一個平穩(wěn)變化階段,這主要受到生物埂根系影響,當坡度增大到一定范圍時,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。
圖2不同類型生物埂土壤抗沖性與坡度的關(guān)系
(1) 各種生物埂徑流含沙量隨著沖刷時間的繼續(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)其徑流含沙量隨時間的變化規(guī)律可劃分為快速沖刷階段(0~3 min)、慢速沖刷階段(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達到0.790 7。
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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目“紫色丘陵區(qū)面源污染防治措施效應評價(2013)”;重慶市水利局科技項目“重慶市坡耕地水土保持型生物埂—經(jīng)果林技術(shù)應用及示范”
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