基于人工模擬降雨試驗(yàn)的壟作區(qū)田水土保持效益的變化研究

劉雨鑫, 謝 云, 辛 艷, 王文婷, 張珊珊

(北京師范大學(xué) 地表過(guò)程與資源生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 地理學(xué)與遙感科學(xué)學(xué)院, 北京 100875)

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基于人工模擬降雨試驗(yàn)的壟作區(qū)田水土保持效益的變化研究

劉雨鑫, 謝 云, 辛 艷, 王文婷, 張珊珊

(北京師范大學(xué) 地表過(guò)程與資源生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 地理學(xué)與遙感科學(xué)學(xué)院, 北京 100875)

[目的] 研究壟作區(qū)田在不同降雨條件下發(fā)生溢流和損毀的情況和水土保持效益的變化，為實(shí)施壟作區(qū)田的適宜條件評(píng)價(jià)和水土保持效益的評(píng)價(jià)提供依據(jù)。 [方法] 對(duì)壟作區(qū)田和順壟耕作實(shí)施不同雨強(qiáng)的人工模擬降雨實(shí)驗(yàn)，分析二者的產(chǎn)流產(chǎn)沙過(guò)程和水土保持效益變化。 [結(jié)果] 雨強(qiáng)大于60 mm/h時(shí)，區(qū)田有溢流產(chǎn)生，但土檔不會(huì)損毀，水土保持效益略有降低；雨強(qiáng)大于60 mm/h時(shí)，區(qū)田土檔在溢流后很快損毀，水土保持效益有明顯的下降。區(qū)田未損毀情況下的蓄水效益為87.5%，保土效益為88.2%；區(qū)田損毀后的蓄水效益降至34.1%，保土效益降至21.0%。 [結(jié)論] 壟作區(qū)田在60 mm/h雨強(qiáng)下具有良好的水土保持效益，超過(guò)60 mm/h時(shí)，由于土檔在溢流后容易損毀，從而使其水土保持效益顯著下降，喪失了攔蓄徑流和泥沙的能力。

壟作區(qū)田; 人工模擬降雨; 水土保持耕作措施; 水土保持效益

文獻(xiàn)參數(shù)： 劉雨鑫, 謝云, 辛艷, 等.基于人工模擬降雨試驗(yàn)的壟作區(qū)田水土保持效益的變化研究[J].水土保持通報(bào)，2016,36(4)：227-231.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2016.04.040

壟作區(qū)田(簡(jiǎn)稱“區(qū)田”)是指在坡耕地上犁出的溝壟內(nèi)每隔一定距離修筑一個(gè)略低于壟臺(tái)的橫土檔，將壟溝隔成一個(gè)個(gè)土坑，通過(guò)改變微地形起到攔截降水、蓄水留肥的水土保持作用，是一種重要的水土保持耕作措施[1]。由于區(qū)田的橫檔起著攔截徑流的作用，要想充分發(fā)揮其水土保持效果，修建時(shí)需要考慮如降雨、坡度、區(qū)田規(guī)格、配套耕作措施等諸多因素。蔣德麒[1]研究認(rèn)為區(qū)田適用15°以下坡，坡度愈緩愈好。楊愛(ài)民[2]和沈昌蒲[3]認(rèn)為實(shí)施坡度一般應(yīng)小于8°，給出了0.5～15°內(nèi)區(qū)田的實(shí)施規(guī)格和最佳檔距，并檢驗(yàn)了天然降雨和模擬降雨條件下檔距的可靠性，也有人研究了區(qū)田對(duì)水分入滲的影響[4]，與配套措施實(shí)施的增產(chǎn)效果[5-8]等?！逗谕羺^(qū)水土流失綜合防治技術(shù)》指出壟向區(qū)田適用于小于5°的坡，并規(guī)定了筑檔規(guī)格，但未考慮降雨條件[9]。有學(xué)者[10-11]提出區(qū)田在大雨條件下會(huì)因?yàn)橥翙n損毀產(chǎn)生更嚴(yán)重的侵蝕，很多學(xué)者[5-8]在研究區(qū)田產(chǎn)流產(chǎn)沙特征及其保水帶來(lái)的增產(chǎn)效益時(shí)，沒(méi)有考慮降雨的損毀影響。在進(jìn)行區(qū)田人工模擬降雨試驗(yàn)也是主要檢驗(yàn)區(qū)田淺穴的承雨性，僅觀測(cè)到溢流為止[2-3,12-13]，缺少損毀研究?；诖?，本試驗(yàn)通過(guò)人工模擬降雨試驗(yàn)研究降雨強(qiáng)度的變化對(duì)區(qū)田的溢流與損毀的影響，及其造成的水土保持效益的變化，期望為進(jìn)行壟作區(qū)田的適宜條件評(píng)價(jià)和降雨導(dǎo)致的區(qū)田效益變化評(píng)價(jià)提供參考。

1　材料與方法

人工模擬降雨試驗(yàn)在北京師范大學(xué)地表過(guò)程與生態(tài)資源國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室房山試驗(yàn)基地的人工降雨大廳進(jìn)行，采用槽式下噴型人工降雨機(jī)[14]。該降雨機(jī)每單機(jī)配備5個(gè)噴頭，間距1.1 m，單機(jī)有效降雨寬度為4.4 m,每?jī)膳_(tái)降雨機(jī)的間距為1.5 m，可多個(gè)降雨單機(jī)組合使用形成4.4 m寬、長(zhǎng)度可變的不同有效降雨面積：(n-1)×1.5×4.4 m2(n為同時(shí)使用的降雨機(jī)個(gè)數(shù))。噴頭為美國(guó)制的Spray V-jet型降雨噴頭，水壓0.04 MPa，可模擬20～200 mm/h內(nèi)共10個(gè)檔的雨強(qiáng)。試驗(yàn)對(duì)象為變坡土槽，長(zhǎng)2 m，寬1 m，深0.5 m，坡度可在0～40°間調(diào)整，本試驗(yàn)選取2°。一次同時(shí)對(duì)2個(gè)土槽進(jìn)行人工降雨，分別是作為對(duì)照的順壟和壟作區(qū)田，結(jié)合土槽規(guī)格和降雨機(jī)有效降雨面積確定3個(gè)單機(jī)組合使用。采用順壟為區(qū)田水土保持效益對(duì)照主要基于以下考慮：土壤侵蝕模型中定量評(píng)價(jià)水土保持耕作措施效益時(shí)，采用傳統(tǒng)的順坡耕作為對(duì)照，由于區(qū)田的蓄水保土效益是在起壟基礎(chǔ)上增加橫檔的作用所致，因此采用順坡起壟進(jìn)行對(duì)照以消除起壟的影響。試驗(yàn)所用土壤為北京市延慶縣上辛莊表層0—20 cm的普通褐土，黃土母質(zhì)。土壤有機(jī)質(zhì)含量為0.4%，機(jī)械組成為砂粒39.2%，粉粒43.7%，黏粒17.1%。槽內(nèi)先填土30 cm深，容重控制在1.3 g/cm3，在此基礎(chǔ)上對(duì)每個(gè)土槽修筑順壟和區(qū)田，修筑規(guī)格參照了《黑土區(qū)水土流失綜合防治技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》中關(guān)于壟向區(qū)田的相關(guān)規(guī)定。順壟修筑方式如下：水槽橫斷面中心挖成V形壟溝，上口寬30 cm，底部與水槽出水口持平，兩側(cè)為平整壟臺(tái)，寬度均為35 cm，較壟溝底部高出15 cm，與水槽擋板相接。區(qū)田則首先起壟，規(guī)格與順壟相同，在壟溝中設(shè)立4個(gè)橫檔形成3個(gè)區(qū)田，橫檔在土槽中的位置從下坡至上坡方向依次為：出水口沿坡面向上0—40 cm為下橫檔，60—100 cm為中橫檔，120—160 cm為上橫檔，180～200再設(shè)半個(gè)橫檔與土槽頂部擋板相接。區(qū)田的檔距為60 cm，橫檔上寬10 cm，下寬40 cm，較壟溝底部高10 cm(較壟臺(tái)低5 cm)，與壟臺(tái)自然相接。

人工模擬降雨強(qiáng)度設(shè)計(jì)4個(gè)水平：30，60，90和120 mm/h，降雨歷時(shí)均為1 h，每個(gè)雨強(qiáng)共進(jìn)行3次重復(fù)。降雨過(guò)程中記錄降雨開(kāi)始和產(chǎn)流開(kāi)始時(shí)間，產(chǎn)流后立刻開(kāi)始取樣?？紤]到產(chǎn)流過(guò)程中含沙量會(huì)有變化，全部采樣測(cè)量含沙量又導(dǎo)致烘干數(shù)量和時(shí)間大大增加,可操作性差，因此采用5 min等間隔取樣，即用塑料桶取5 min間隔內(nèi)的徑流樣，如果該間隔內(nèi)的徑流量超過(guò)塑料桶體積，則記錄桶滿時(shí)的時(shí)間，不再采集多余的徑流樣，待下一個(gè)5 min開(kāi)始時(shí)重新放置塑料桶采樣，如此循環(huán)直至降雨結(jié)束。為了測(cè)量每個(gè)5 min間隔內(nèi)的含沙量，在每次5 min間隔采樣開(kāi)始時(shí)，先用兩個(gè)塑料瓶采集用來(lái)測(cè)量含沙量的樣本，代表5 min間隔的平均含沙量。降雨過(guò)程中記錄區(qū)田發(fā)生溢流、開(kāi)始損毀和被沖毀的時(shí)間。溢流是指開(kāi)始有徑流漫過(guò)區(qū)田橫檔，直至橫檔出現(xiàn)損毀；損毀是指區(qū)田橫檔上出現(xiàn)明顯的細(xì)溝侵蝕，直至沖毀；沖毀是指橫檔被徑流完全沖開(kāi)，直至產(chǎn)流結(jié)束。降雨結(jié)束后，用量筒分別測(cè)定兩個(gè)塑料瓶及塑料桶內(nèi)徑流樣的體積，然后用烘干法測(cè)定兩個(gè)塑料瓶?jī)?nèi)徑流樣的含沙量。根據(jù)測(cè)量到的塑料瓶和塑料桶的體積或記錄桶接滿的時(shí)間，即可求出每個(gè)時(shí)間間隔的徑流量，累加得到該次降雨的總徑流量。根據(jù)測(cè)定的每一時(shí)間間隔的含沙量乘以對(duì)應(yīng)間隔的徑流量，得到每一時(shí)間間隔的產(chǎn)沙量，再累加得到該次降雨的總產(chǎn)沙量。最后根據(jù)水槽面積計(jì)算徑流深和土壤侵蝕模數(shù)。區(qū)田的蓄水保土效益計(jì)算為：

蓄水或保土效益=(1-區(qū)田徑流深或土壤侵蝕模數(shù)/

順壟徑流深或土壤侵蝕模數(shù))×100%。

2　結(jié)果與討論

2.1區(qū)田的溢流、損毀和沖毀及其產(chǎn)流產(chǎn)沙過(guò)程的變化

表1為區(qū)田在4個(gè)雨強(qiáng)下的溢流、損毀和沖毀情況。由表1可以看出，當(dāng)雨強(qiáng)在30 mm/h時(shí)，區(qū)田既無(wú)溢流也無(wú)損毀；60 mm/h時(shí)，區(qū)田在降雨39 min開(kāi)始溢流，對(duì)應(yīng)雨量39 mm，但無(wú)損毀；90 mm/h時(shí)，降雨24 min開(kāi)始溢流，對(duì)應(yīng)雨量36 mm，33 min出現(xiàn)損毀，對(duì)應(yīng)雨量50 mm；120 mm/h時(shí)，降雨15 min開(kāi)始溢流，對(duì)應(yīng)雨量30 mm，23 min出現(xiàn)損毀，對(duì)應(yīng)雨量46 mm。楊愛(ài)民[2]研究認(rèn)為雨強(qiáng)216 mm/h時(shí)，降雨7.4～15.8 min開(kāi)始溢流。沈昌蒲[13]認(rèn)為雨強(qiáng)174 mm/h時(shí)，降雨15.8 min開(kāi)始溢流，與本研究結(jié)果類似。

綜合來(lái)看，雨強(qiáng)30 mm/h時(shí)既無(wú)溢流也無(wú)損毀；雨強(qiáng)60 mm/h時(shí)，只有溢流而無(wú)損毀，雨強(qiáng)大于90 mm/h以后，會(huì)發(fā)生損毀，且隨著雨強(qiáng)增大，溢流和損毀時(shí)間縮短，說(shuō)明區(qū)田損毀需要沖刷土檔的徑流達(dá)到一定動(dòng)能才行，并非僅是雨量的累計(jì)。

表1　區(qū)田橫檔在不同雨強(qiáng)下的溢流、損毀和沖毀情況

雨強(qiáng)大于90 mm/h后，區(qū)田狀況變化可分為4個(gè)階段：溢流前，溢流至損毀前，損毀至沖毀前以及沖毀后。溢流前區(qū)田產(chǎn)流產(chǎn)沙很小，大部分降水匯入?yún)^(qū)田橫檔之間的淺穴內(nèi)。溢流至損毀前淺穴已蓄滿徑流并漫過(guò)橫檔，但橫檔尚未出現(xiàn)細(xì)溝，此時(shí)產(chǎn)流產(chǎn)沙略有增加。損毀至沖毀前橫檔出現(xiàn)細(xì)溝侵蝕，徑流在細(xì)溝處匯集并繼續(xù)下切土檔，直到橫檔被完全沖垮，形成連接兩個(gè)淺穴的通道。該階段產(chǎn)流產(chǎn)沙量急劇增加(圖1)。如90 mm/h雨強(qiáng)下產(chǎn)流和產(chǎn)沙速率分別較前一階段增加1.7和2.7倍。120 mm/h雨強(qiáng)下產(chǎn)流產(chǎn)沙速率分別較前一階段增加1.9倍和3.8倍。沖毀后淺穴開(kāi)始被堆積，細(xì)溝侵蝕停止，產(chǎn)流變化不大且趨于平穩(wěn)，產(chǎn)沙則由于淺穴的沉積作用而明顯減少，如90和120 mm/h雨強(qiáng)產(chǎn)流速率分別較沖毀前僅下降0.1和0.2 L/(m2·min)，而產(chǎn)沙速率與沖毀前相比分別下降10.8和27.2 g/(m2·min)。4個(gè)階段平均產(chǎn)流量分別占總量的2%，17%，39%和42%，產(chǎn)沙量分別占總量的2%，12%，55%和31%。與區(qū)田相比，順壟的產(chǎn)流產(chǎn)沙速率在降雨初期呈持續(xù)上升，然后趨于平穩(wěn)(圖2)。降雨強(qiáng)度在30～60 mm/h時(shí)順壟的產(chǎn)流速率最大值分別是區(qū)田的7和1.8倍，產(chǎn)沙速率最大值分別是區(qū)田的2.3和1.5倍；而90～120 mm/h時(shí)順壟的產(chǎn)流速率最大值分別為區(qū)田的99%和97%，產(chǎn)沙速率最大值分別為區(qū)田的79%和61%。

圖1　不同降雨條件下區(qū)田的產(chǎn)流產(chǎn)沙過(guò)程曲線

從徑流深和土壤侵蝕模數(shù)來(lái)看，30～120 mm/h雨強(qiáng)下，區(qū)田的徑流深分別為0.2，5.3，31.6，50.1 mm，順壟分別為4.6，15.2，42.5，61.6 mm。區(qū)田的土壤流失量分別為0.1，0.6，5.8，14.7 t/hm2，順壟分別為0.3，1.2，8.0，15.5 t/hm2。由此可見(jiàn)，區(qū)田在橫檔損毀前因?yàn)橐恢庇袦\穴攔蓄降水和徑流，產(chǎn)流產(chǎn)沙速率都小于順壟，且產(chǎn)流產(chǎn)沙量只占總量的19%和14%。但損毀后產(chǎn)流速率與順壟持平，產(chǎn)沙速率在大雨強(qiáng)下甚至大于順壟，產(chǎn)流產(chǎn)沙量占總量的81%和86%。

圖2　不同降雨條件下順壟的產(chǎn)流產(chǎn)沙過(guò)程曲線

2.2雨強(qiáng)與區(qū)田的蓄水保土效益的關(guān)系

區(qū)田橫檔損毀前后的蓄水保土效益有顯著差異(表2)，30～120 mm/h降雨強(qiáng)度下，區(qū)田未損毀時(shí)的平均蓄水效益為87.5%，平均保土效益為88.2%，且各降雨強(qiáng)度下的蓄水保土效益相差不大。該結(jié)果與前人的研究類似：蔣德麒[1]對(duì)壟作區(qū)田在天然降雨下的觀測(cè)數(shù)據(jù)得出區(qū)田可以減少?gòu)搅?0%～92%，減少?zèng)_刷84%～97%，楊愛(ài)民[2]對(duì)區(qū)田在天然降雨和人工降雨下的觀測(cè)得出區(qū)田與不設(shè)檔的對(duì)照相比減少?gòu)搅?5%～100%，減少?zèng)_刷90%～100%，郭乾坤[15]在整理分析大量已有文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上指出區(qū)田的T值為0.161，即減少了84%的土壤流失。在橫檔損毀后，區(qū)田的蓄水保土效益明顯降低，90 mm/h時(shí)的蓄水效益為37.0%，比損毀前降低47.2%；保土效益27.6%，比損毀前降低58.6%。120 mm/h時(shí)的蓄水效益為31.2%，比損毀前降低50.9%；保土效益14.3%，比損毀前降低66.9%。損毀后區(qū)田的平均蓄水效益是34.1%，平均保土效益是21.0%。

表2　不同雨強(qiáng)條件下，區(qū)田在損毀前后的水土保持效益

綜上所述，雨強(qiáng)的變化導(dǎo)致區(qū)田由溢流到損毀直至沖毀，而無(wú)損毀和有損毀相比，區(qū)田的產(chǎn)流量和產(chǎn)沙量顯著增加，對(duì)應(yīng)的水土保持效益也相應(yīng)減少(表2)。將區(qū)田的蓄水保土效益分為無(wú)損毀時(shí)的效益、有損毀時(shí)的效益和平均效益(無(wú)損毀效益與有損毀效益的平均值)，對(duì)三者進(jìn)行單因素方差分析。結(jié)果表明，3種效益差異顯著(F=86.38，sig.=0.000)。評(píng)估實(shí)際降雨條件下的區(qū)田蓄水保土效益時(shí)，應(yīng)考慮區(qū)田是否遭受了損毀。進(jìn)一步對(duì)蓄水保土效益與雨強(qiáng)進(jìn)行回歸分析表明，蓄水保土效益與雨強(qiáng)呈顯著線性相關(guān)(圖3)。從蓄水效益看，未損毀時(shí)回歸方程R2=0.73，效益隨雨強(qiáng)的降低速率為0.17%/(mm·h),有損毀時(shí)回歸方程R2=0.99，效益隨雨強(qiáng)的降低速率增大至0.84%/(mm·h)。從保土效益看，未損毀時(shí)回歸方程R2=0.68，效益隨雨強(qiáng)的降低速率是0.18%/(mm·h)，有損毀時(shí)回歸方程R2=0.99，效益隨雨強(qiáng)的降低速率增大至1.04%/(mm·h)。平均蓄水效益的回歸方程R2=0.91，效益隨雨強(qiáng)的降低速率為0.56%/(mm·h)，平均保土效益的回歸方程R2=0.93，效益隨雨強(qiáng)的降低速率為0.68%/(mm·h)。

圖3　雨強(qiáng)與區(qū)田蓄水保土效益的關(guān)系

3　結(jié) 論

基于人工模擬降雨試驗(yàn)，分析了區(qū)田在不同降雨強(qiáng)度下的產(chǎn)流產(chǎn)沙過(guò)程，發(fā)生溢流、損毀和沖毀的情況，及由此帶來(lái)的水土保持效益變化。結(jié)果表明，降雨強(qiáng)度小于30 mm/h時(shí)，不會(huì)導(dǎo)致溢流；60 mm/h時(shí)，雖有溢流但不會(huì)損毀區(qū)田，蓄水保土效益略有降低；90 mm/h以后，區(qū)田經(jīng)歷了溢流、損毀和最終沖毀的過(guò)程，產(chǎn)流產(chǎn)沙發(fā)生明顯變化，蓄水保土效益明顯下降。區(qū)田在未損毀的情況下，蓄水效益為87.5%，保土效益為88.2%；區(qū)田損毀后的蓄水效益降至34.1%，保土效益降至21.0%。區(qū)田蓄水和保土效益隨雨強(qiáng)增大呈降低趨勢(shì)，無(wú)損毀情況下的蓄水效益降低速率為0.17%/(mm·h),有損毀情況下為0.84%/(mm·h)。無(wú)損毀情況下的保土效益降低速率為0.18%/(mm·h)，有損毀情況下為1.04%/(mm·h)。如果不區(qū)分損毀前后的差異，平均蓄水效益隨雨強(qiáng)的降低速率為0.56%/(mm·h)，平均保土效益隨雨強(qiáng)的降低速率為0.68%/(mm·h)。研究結(jié)果揭示了降雨強(qiáng)度對(duì)壟作區(qū)田的水土保持效益變化的影響，可為其實(shí)施的適宜條件評(píng)價(jià)和水土保持效益評(píng)價(jià)提供依據(jù)。

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Variations of Soil and Water Conservation Efficiency for Basin Tillage Measurement Studied by Rainfall Simulation

LIU Yuxin, XIE Yun, XIN Yan, WANG Wenting, ZHANG Shanshan

(SchoolofGeography，StateKeyLaboratoryofEarthProcessandResourceEcology，BeijingNormalUniversity,Beijing100875，China)

[Objective] The effects of rainfall intensity on the happening of overflowing and breaking on basin tillage and the relevant variations of basin tillage’s soil and water conservation efficiency were explored to provide

of suitable requirements for the application of basin tillage and for the evaluation of its soil and water conservation efficiency. [Methods] Simulated rainfall was applied on two tillage patterns of basin tillage and compared conventional tillage, and to analyze their processes of soil and water production and the variations of soil and water conservation efficiency. [Results] When rainfall intensity was under 60 mm/h, there was ridge overflowing occurrence but no damage or breaking for basin tillage, and the efficiency decreased slightly. When rainfall intensity was over 60 mm/h, damage and breaking occurred as soon as overflowing happened, whereafter the efficiency decreased remarkably. Average runoff conservation efficiency was 87.5% and the soil conservation efficiency was 88.2%. When basin tillage was damaged, the above two items decreased to 34.1% and 21.0%, respectively. [Conclusions] Basin tillage would remain good efforts on soil and water conservation when rainfall intensity under 60 mm/h. When it is over 60 mm/h, because dams of basin tillage might be broken down easily after overtopping, it would lost its ability of blocking water and soil, and hence relevant conservation efficiency decreased remarkably as well.

basin tillage; rainfall simulation; agricultural measures for soil and water conservation; soil and water conservation efficiency

2015-01-25

2015-03-16

國(guó)家自然科學(xué)基金創(chuàng)新研究群體項(xiàng)目“地表過(guò)程模型與模擬”(41321001)； 水利部公益性行業(yè)科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目“典型黑土區(qū)坡耕地土壤侵蝕危險(xiǎn)程度研究”(201501012)； 水利部全國(guó)水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與公告項(xiàng)目(1261421610273)

劉雨鑫(1989—),男(漢族),遼寧省鞍山市人,碩士研究生,研究方向?yàn)橥寥狼治g與土地生產(chǎn)力等。E-mail:1050434631@qq.com。

謝云(1964—),女(回族),遼寧省大連市人,博士,教授,主要從事土地生產(chǎn)力、土壤侵蝕、氣候影響評(píng)價(jià)研究。E-mail:xieyun@bnu.edu.cn。

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1000-288X(2016)04-0227-05

S157.1