紅壤區(qū)坡面徑流小區(qū)全剖面采樣方法探討

陳 瑛，陳曉安

（1.中鐵水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，江西 南昌，330029；2.江西省水利科學(xué)院，江西 南昌，330029）

0 引言

水土流失監(jiān)測是水土保持工作開展的基礎(chǔ)，對合理利用水土資源及學(xué)科發(fā)展有重要意義[1]。徑流小區(qū)監(jiān)測是水土流失監(jiān)測的重要方法，是測量小流域徑流與泥沙的主要手段[2]，徑流小區(qū)由圍梗、集流槽、徑流桶、導(dǎo)流管、分流桶五部分組成[3，4]。

水土流失量觀測是徑流小區(qū)進(jìn)行土壤侵蝕測算的基礎(chǔ)[5]。當(dāng)前人工攪拌采樣法仍為各地區(qū)徑流桶泥沙觀測的主要方法，但人工攪拌法因其方法的局限性極易受到外因的干擾導(dǎo)致采樣誤差偏大[6]。葉芝菡[7]等人根據(jù)北方土石山區(qū)侵蝕泥沙以粗顆粒為主特點(diǎn)研制了全剖面采樣器，主要包括采樣管、拖柄、固定環(huán)、底盤4部分，其通過采樣器采集徑流桶中從桶底到水面的渾水水柱，再取樣測量水柱中的泥沙含量，進(jìn)而得到徑流桶的徑流含沙量。路炳軍[8]等根據(jù)北京地區(qū)全剖面采樣器的實(shí)際使用情況，提出了較為完備的操作流程及儀器使用注意事項(xiàng)。與傳統(tǒng)的人工攪拌取樣法相比，全剖面取樣器采樣法的測量精度得到很大提高[7]。

南方紅壤地區(qū)作為我國水土流失最為嚴(yán)重的區(qū)域之一，行業(yè)監(jiān)管部門和科研院所設(shè)置了大量的水土流失監(jiān)測站點(diǎn)，以坡面徑流小區(qū)為主，主要監(jiān)測不同土壤母質(zhì)發(fā)育紅壤、不同下墊面情況下的坡面水土流失情況。坡面徑流小區(qū)仍然采用徑流桶收集徑流泥沙，再測量徑流桶中泥沙含量，計(jì)算水土流失量。全剖面采樣法操作簡單易行，但其在南方紅壤區(qū)徑流含沙量測量精度如何尚未明確。鑒于此，本文以紅壤為對象，通過徑流桶不同含沙量、水深下全剖面法測量精度研究，為全剖面取樣器采樣法在紅壤區(qū)推行提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于鄱陽湖水系德安縣燕溝小流域江西水土保持生態(tài)科技園（東經(jīng) 115°42′38″～115°43′06″，北緯29°16′37″～29°17′40″），總面積 80hm2。該園區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，多年平均降雨量1 449mm，多年平均氣溫16.7℃，多年平均無霜期249d，年日照時(shí)數(shù)1 700h～2 100h；地帶植被為亞熱帶常綠闊葉林；地貌為丘陵崗地。

項(xiàng)目區(qū)土壤為第四紀(jì)紅黏土，采集坡耕地試驗(yàn)區(qū)徑流小區(qū)內(nèi)地表0～20cm深土壤樣品，經(jīng)過自然風(fēng)干后，過5mm篩去掉雜物，測定相關(guān)指標(biāo)。土壤黏粒含沙量為32.24%，粉粒含量為57.83%，砂粒含量為9.94%，堿解氮含量為24.95mg/kg，有機(jī)質(zhì)含量為6.40g/kg，速效磷含量為 1.89mg/kg[9]。

1.2 采樣方法及采樣器

實(shí)驗(yàn)選用的全剖面取樣器如圖1所示，由拖柄、采樣管、固定環(huán)、底盤組成，其管長100 cm，圓管內(nèi)徑為5 cm，外徑為5.4 cm。

圖1 全剖面采樣器

降雨結(jié)束后，待徑流桶中含沙渾水靜置24h后使用全剖面采樣器對其進(jìn)行采樣。采樣時(shí)，先將采樣管取出，手持拖柄將取樣器斜插入水中，讓底座斜切入桶底泥沙中。拖動(dòng)拖柄使底座在桶底滑動(dòng)，將取樣器慢慢扶正，使其垂直于桶底。將采樣管通過固定環(huán)插入到底，并用力旋轉(zhuǎn)幾次，保證底座與采樣管接觸緊密。用手將采樣管上口密封，同時(shí)拖動(dòng)拖柄將采樣器從徑流桶中取出，將管中樣品置入取樣桶中，完成第一次采樣后，再在桶內(nèi)均勻的隨機(jī)取4個(gè)點(diǎn)位水樣，將5管水倒入取樣桶中。

在取樣桶中用取樣勺將桶內(nèi)泥沙攪拌均勻后取800mL渾水樣品于鋁盒中，每次采樣設(shè)置3個(gè)重復(fù)。完成采樣后將樣品沉淀24h，倒掉上層清液，放入烘箱烘干稱重，含沙量測量結(jié)果取3個(gè)重復(fù)樣本的平均值。

1.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)分析

江西省水土保持生態(tài)科技園坡耕地徑流小區(qū)徑流泥沙多年監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，徑流桶含沙量發(fā)生低含沙量（0～10kg/m3）頻率占80%，發(fā)生頻率低的中含沙量（10～50kg/m3）和高含沙量（大于 100kg/m3）占 20%，但其對全年坡面水土流失量貢獻(xiàn)大[9]。當(dāng)前國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)徑流小區(qū)的徑流桶溢流口高度在60cm左右，基本不超過90cm，小降雨事件時(shí)一級徑流桶一般不溢流，30cm水深代表不溢流的徑流桶水深，為此不同水深試驗(yàn)設(shè)置30cm、60cm、90cm 3個(gè)水平。

因此，不同含沙量下全剖面取樣器測量誤差，水深設(shè)置為 60cm，含沙量分別為 1.05kg/m3、5.25kg/m3、10.49kg/m3、52.46kg/m3、104.92kg/m3、524.58kg/m3；不同水深下全剖面法測量誤差，水深設(shè)置為30cm、60cm、90 cm 3個(gè)水平，每個(gè)水深對應(yīng)3個(gè)含沙量10.49kg/m3、104.92kg/m3、524.58kg/m3；30cm 和 60cm 水深試驗(yàn)在規(guī)格為0.3m（徑流桶半徑）×0.8m（高）的徑流桶中進(jìn)行，90cm水深試驗(yàn)則在0.3m（徑流桶半徑）×1.2m（高）徑流桶進(jìn)行。

實(shí)驗(yàn)所得表格數(shù)據(jù)處理計(jì)算在Excel中完成，顯著性分析在SPSS軟件中完成，顯著性分析采用最小顯著性差異法（LSD檢驗(yàn)）。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同含沙量條件下全剖面取樣器采樣法的測量誤差

在60cm水深、不同含沙量條件下全剖面取樣器采樣法測量誤差見表1。

由表1可知，全剖面取樣器采樣法相對測量誤差-35.19%～0.65%，其中含沙量在低含沙量范圍（小于10kg/m3）全剖面法測量誤差有正、有負(fù)，并且相對誤差大，說明其隨機(jī)誤差大；含沙量大于10kg/m3均是負(fù)誤差，中含沙量范圍（約10～50kg/m3）平均相對誤差-13.03%，高含沙量（大于100kg/m3）平均相對誤差-28.77%，相對偏差由11.24%減少到1.22%，說明含沙量大于10kg/m3全剖面法測量值均小于實(shí)際值，且隨著含沙量的增加，相對誤差增大，中含沙量相對測量誤差顯著小于高含沙量范圍。從低含沙量到高含沙量相對誤差的偏差呈減小趨勢，即低含沙量測量值波動(dòng)性大，隨著含沙量增加測量值波動(dòng)性減小，高含沙量測量值波動(dòng)性最小。

表1 全剖面取樣器采樣法不同含沙量下測量誤差

2.2 不同水深條件下全剖面取樣器采樣法的測量誤差

全剖面取樣器采樣法在3個(gè)含沙量等級、不同水深條件下含沙量測量誤差見表2。

由表2可知，不同含沙量條件下平均相對誤差整體上均隨著水深增大而增大。含沙量在10.49kg/m3時(shí)，水深從30cm、60cm、90cm相對誤差相互間均達(dá)到顯著性差異；含沙量104.92kg/m3時(shí)，水深從30cm到60cm相對誤差增加，但是并未達(dá)到顯著性差異，水深從60cm到90cm相對誤差達(dá)到顯著性差異；含沙量在524.58kg/m3時(shí)，水深從30cm、60cm、90cm相對誤差相互間均未有顯著性差異。

表2 全剖面取樣器采樣法不同水深下測量誤差

上述分析說明，全剖面法測量相對誤差整體上隨著水深增加而增加，但是含沙量會影響相對誤差與水深的關(guān)系，低含沙量條件下不同水深間含沙量測量相對誤差差異明顯，隨著含沙量的增大，水深對測量誤差的影響逐漸減弱。

3 結(jié)論

（1）在南方紅壤區(qū)坡面徑流桶在水深60cm時(shí)，全剖面取樣器采樣法的相對誤差范圍在-35.19%～0.65%，對比其他學(xué)者關(guān)于人工攪拌法采樣誤差的研究，其測量精度有明顯增加。

（2）含沙量對全剖面取樣器采樣法的平均相對誤差存在顯著性影響，其平均相對誤差隨含沙量的增大先減小后增大，即中等含沙量（10～50kg/m3）測量誤差最小，低含沙量下有正負(fù)誤差，高含沙量范圍時(shí)只有負(fù)誤差。

（3）水深影響全剖面取樣器采樣法的測量精度，在低、中含沙量水平下影響顯著，相對誤差存在顯著差異；在高含沙量水平下無顯著影響，相對誤差無顯著差異。

（4）在中、高含沙量條件下，全剖面取樣器采樣法，測量誤差波動(dòng)性小，數(shù)據(jù)穩(wěn)定，且全剖面取樣器采樣法操作簡單易行，便于推廣。因此，全剖面取樣器采樣法適合南方紅壤地區(qū)徑流桶含沙量在中、高含沙量條件下采樣。