不同雨型下遼西丘陵區(qū)坡耕地侵蝕特征試驗研究

谷 強

(遼寧潤中供水有限責任公司，遼寧 沈陽 110000)

1 研究背景

土壤資源是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)最基本的物質(zhì)條件，同時也是人類賴以生存和發(fā)展的重要物質(zhì)基礎[1]。長期以來，由于人類對土地資源的掠奪性開發(fā)，造成了十分嚴重的土壤退化。在當前引起土壤退化的諸因素中，土壤侵蝕是最普遍和最重要的因素之一，目前已經(jīng)成為威脅人類生存發(fā)展的重要環(huán)境問題，對區(qū)域生態(tài)建設和經(jīng)濟發(fā)展產(chǎn)生了嚴重的制約[2]。造成土壤侵蝕的因素很多，除了土壤自身的理化性質(zhì)和地貌形態(tài)等內(nèi)在因素之外，氣候環(huán)境和侵蝕動力等外部因素同樣重要[3]。遼西地區(qū)屬于典型的生態(tài)脆弱區(qū)，由于長期實行資源消耗為導向的粗放式經(jīng)濟發(fā)展模式，導致地表植被破壞、水土流失嚴重，已經(jīng)成為制約當?shù)亟?jīng)濟可持續(xù)發(fā)展和社會主義新農(nóng)村建設的重要瓶頸因素。受寒溫帶大陸性季風氣候的影響，當?shù)氐耐寥狼治g以水蝕為主[4]。此外，該地區(qū)以低山丘陵為主，耕地多為坡耕地，土層薄且粗骨質(zhì)的含量大，土壤下方為透水性差的巖石，加之夏季多短時強降雨，因此成為全國比較嚴重的土壤侵蝕區(qū)[5]。基于此，本次研究通過室內(nèi)試驗的方式，對不同雨型下的坡面侵蝕特征進行研究，力求為當?shù)氐耐寥狼治g防治和生態(tài)環(huán)境建設提供科學依據(jù)。

2 材料與方法

2.1 研究材料

本次研究所使用的土樣均采自遼西朝陽地區(qū)坡耕地的表層，屬于典型的石灰性褐土和黃土性褐土，均為遼西丘陵坡耕地的典型粉砂質(zhì)壤土。將采集的土壤樣品在自然條件下風干，然后利用10 mm方孔篩進行篩分，除去土壤樣品中的石塊、草根等雜物[6]。取部分土壤樣品進行物理性質(zhì)測定，土壤樣本的容重為1.25～1.28 g/cm3。

本次試驗所使用的試驗裝置主要有10.0 m×3.0 m×0.6 m(長×寬×高)的鐵質(zhì)土槽；利用定水頭針管式降雨器作為降雨侵蝕試驗中的模擬降雨裝置，其主要結(jié)構(gòu)包括針管式降雨器、恒壓給水裝置、供水管路以及流量調(diào)節(jié)閥[7]。其中，給水裝置與試驗水槽的距離為12.0 m，通過可調(diào)式流量表和調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)雨強和穩(wěn)定水流。

2.2 試驗方案

為了研究不同雨型下的土壤坡面侵蝕特征，結(jié)合當?shù)氐慕涤晏卣餮芯恐性O計了三種不同的降雨雨型[8]，分別為增強型、減弱型和均衡型，每個雨型劃分為起始、中間和結(jié)束三個階段，總降雨強度為60 mm。其中，增強型雨型三個階段的降雨強度分別為20 mm/h、40 mm/h和60 mm/h；減弱型雨型三個階段的降雨強度分別為60 mm/h、40 mm/h和20 mm/h；均衡型雨型三個階段的降雨強度均為40 mm/h；各階段的持續(xù)時長均為30 min。結(jié)合研究區(qū)的實際情況，土壤類型設計了黃土性褐土和石灰性褐土兩種土壤類型，設計5°和10°兩種不同的坡度。

試驗中為了保證土槽中土壤的透水性，預先在土槽的底部鋪上厚度為10 cm的細砂，在砂層之上再裝厚度為50 cm的試驗土樣。為了保證裝土的均勻性，采用分層裝土的方式。具體做法是將砂層上50 cm厚的土體按照10 cm一層，分5層裝填。在填土過程中要邊填充邊壓實，以減小土槽邊壁對試驗結(jié)果的影響。在每次正式降雨試驗之前，先采用30 mm/h的雨強進程前期降雨，到坡面產(chǎn)流為止，以減少試驗土槽的空間變異性。

降雨試驗采用的是定水頭針管式降雨器，在雨滴降落到地面之前均能夠達到終點速度，雨滴的直徑在0.36～3.11 mm之間，降雨的均勻度可以達到80%以上。在試驗開始前進行雨強的濾定，在降雨開始后，每間隔3 min接樣1次，在降雨結(jié)束后，利用烘干稱重法測量徑流和泥沙重量，然后計算產(chǎn)流和產(chǎn)沙率。在坡面出現(xiàn)細溝侵蝕之后，每間隔一定時間用直尺測量坡面細溝的長度、寬度和深度的變化，并計算出細溝的體積以及侵蝕量。由于本次研究設計了兩種土壤類型、兩種坡面坡度以及三種不同的雨型，因此需要進行12場不同的人工模擬降雨試驗。

在試驗過程中做好相關(guān)數(shù)據(jù)的記錄工作，試驗數(shù)據(jù)利用SPSS和Excel等軟件進行分析處理，圖表利用Excel中的制圖軟件制作。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 總侵蝕量試驗結(jié)果與分析

按照上述的試驗設計進行試驗，根據(jù)試驗中獲取的數(shù)據(jù)，獲得如表1所示的不同雨型下的坡面總侵蝕量。由計算結(jié)果可知，石灰性褐土的侵蝕量小于黃土性褐土的侵蝕量，這說明不同土壤類型對總侵蝕量存在一定的影響。其次，在不同的降雨雨型下，坡面的總侵蝕量之間存在比較顯著的差異，主要表現(xiàn)為較大降雨強度的增強型和減弱型降雨的總侵蝕量明顯偏大。究其原因，可能是在較大的降雨強度下，降雨雨滴對坡面的打擊破壞能力和徑流搬運能力較強，因此造成總侵蝕量較大。增強型雨型和減弱型雨型相比，減弱型雨型的總侵蝕量較大。究其原因，可能是減弱型雨型的起始階段降雨強度大，對坡面產(chǎn)生了更為明顯的破壞作用，表層土壤在打擊作用下分散出更多的細小顆粒。這些細小顆粒對土壤孔隙的堵塞，不僅減弱了坡面入滲，增強了坡面徑流，同時也為坡面侵蝕提供了較多的物質(zhì)來源，因此總侵蝕量更大。總之，不同降雨階段的降雨強度不同，會對坡面造成不同的侵蝕效果，即使下一階段的雨強相同，也會由于土壤類型和降雨過程中的變化產(chǎn)生不同的侵蝕效果。

表1 總侵蝕量試驗結(jié)果 kg

3.2 細溝形態(tài)試驗結(jié)果與分析

在試驗過程中，對不同試驗方案下的細溝侵蝕特征進行測量和統(tǒng)計計算，結(jié)果如表2所示。由表2的結(jié)果可知，不同的降雨雨型相比，細溝侵蝕的各個特征值均為減弱型最大，增強型次之，均衡型最小，這與總侵蝕量的試驗結(jié)果較為一致。究其原因，減弱型降雨的起始階段降雨強度較大，坡面會迅速形成較強的徑流，沖刷能力也較強，因此會迅速形成侵蝕細溝，而細溝一旦形成，坡面的侵蝕作用就會明顯加劇。增強型降雨的前期雨強相對較小，雨滴對坡面的打擊和徑流沖刷能力相對較弱，損失的泥沙量也相對較小，但隨著雨強的逐漸增加，細溝迅速發(fā)育，產(chǎn)沙量也迅速增加。而均衡型降雨由于雨強始終不大，雨滴的打擊和徑流侵蝕作用最弱，因此細溝發(fā)育也最弱。從不同的土壤類型對比來看，其細溝發(fā)育的方式也存在一定的差異。一般來說，溯源侵蝕最終會增加細溝的長度和密度，而細溝溝壁的坍塌會進一步擴張細溝的寬度。與黃土性褐土坡面相比，石灰性褐土坡面細溝的長度、密度和寬度等特征值均明顯偏小。黃土性褐土坡面細溝的寬深比在1.8～4.3之間，明顯大于石灰性褐土坡面，說明溝壁坍塌的作用更為顯著。對于石灰性褐土坡面而言，隨著侵蝕量的增大和細溝逐漸發(fā)育，細溝的長度和密度顯著增加，而細溝的寬度逐漸減小，說明溯源性侵蝕在石灰性褐土坡面細溝發(fā)育中占據(jù)主導地位，溝壁坍塌的影響較小。

表2 坡面細溝侵蝕特征試驗結(jié)果

4 結(jié) 論

(1)含有較大降雨強度的增強型和減弱型降雨的坡面總侵蝕量明顯偏大，而減弱型雨型的總侵蝕量最大。

(2)不同土壤類型對總侵蝕量存在一定的影響，石灰性褐土坡面的侵蝕量小于黃土性褐土坡面的侵蝕量。

(3)不同的降雨雨型相比，細溝侵蝕的各個特征值均為減弱型最大，增強型次之，均衡型最小，與總侵蝕量的試驗結(jié)果較為一致。

(4)黃土性褐土坡面細溝發(fā)育過程中的溝壁坍塌作用更為顯著；溯源性侵蝕在石灰性褐土坡面細溝發(fā)育中占據(jù)主導地位。