黃土丘陵溝壑區(qū)坡耕地土壤入滲規(guī)律及治理措施研究

黃土丘陵溝壑區(qū)坡耕地土壤入滲規(guī)律及治理措施研究

通過研究傾斜耕地中的土壤侵蝕規(guī)律，可以減少傾斜耕地的排水，提高水資源的利用率，充分發(fā)揮土壤的生產(chǎn)潛力，改善生態(tài)環(huán)境。因此,本文以地處黃土高原溝壑區(qū)的陜西淳化泥河溝流域坡耕地為例,來對(duì)土壤入滲性能及其影響因素進(jìn)行試驗(yàn)研究。1太陽年最大降水淳化泥河溝流域,面積為9.48km2,流域北高南低,呈長條狀。坡塬占59.2%,平均坡度在5°以上,溝壑占40.8%,坡度多在25°以上,流域多年平均氣溫9.8℃,一月均溫4.3℃,7月均溫23.1℃,無霜期183d,≥10℃活動(dòng)積溫3281℃,太陽年輻射總量504.35KJ/cm2。多年平均降水量600.6mm,最多878.9mm(1983),最少為409.5mm(1977),干糙度為1.1～1.3,7～9月降水量占50%以上,暴雨頻率高,強(qiáng)度大,產(chǎn)生強(qiáng)烈的水土流失,侵蝕模數(shù)為4000t/km2.a～5000t/km2.a。土壤為黃土母質(zhì)上發(fā)育的幼年侵蝕土壤黃土,地帶性黑壚土,呈點(diǎn)狀分布,自然植被存在于溝坡,多為草本、灌木,塬面基本為人工植被。2整地等高耕作與整地整地采用有壓給水針頭式模擬人工降雨裝置來進(jìn)行土壤入滲試驗(yàn)。降雨量的觀測(cè)、徑流和泥沙的收集均按《水土保持技術(shù)規(guī)范》要求進(jìn)行;土壤含水量和容重采用烘干法進(jìn)行測(cè)定。坡度參數(shù)設(shè)計(jì)為5°、10°、15°、20°和25°;降雨強(qiáng)度設(shè)計(jì)為0.5mm/min、1.0mm/min、1.5mm/min、2.0mm/min、2.5mm/min;按照當(dāng)?shù)剞r(nóng)耕習(xí)慣,設(shè)計(jì)等高耕作、人工掏挖和人工鋤耕等常見耕作措施,措施地具體設(shè)計(jì)為,等高耕作是在坡面上沿等高線,垂直于坡面走向,進(jìn)行橫向耕作,形成溝和壟,壟高10cm,壟距33cm;人工掏挖是在選定的樣地上,用镢頭挖地,并使地面保持掏挖后的原始狀態(tài);人工鋤耕,用鋤頭以常規(guī)方式對(duì)坡耕地進(jìn)行鋤挖。試驗(yàn)中,均以耙平的直線坡地為對(duì)照。各種試驗(yàn)均設(shè)有1次重復(fù)。3結(jié)果與分析3.1岸田土壤入滲性能分析根據(jù)泥河溝流域坡耕地的實(shí)際情況,選擇試驗(yàn)過程中實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)重復(fù)性較好的16組資料,用以下3種入滲公式對(duì)其進(jìn)行回歸分析(見表1)。(1)kostickov入滲公式ft=mt-n式中:f(t)—土壤入滲速率(mm/min);t-入滲時(shí)間(min);m、n-參數(shù)。(2)入口方程式ft=ic+e-kt式中ic-穩(wěn)滲速率(mm/min);io、k-參數(shù),其余符號(hào)意義同前。(3)入滲速率的日變化f(t)=it<tpf(t)=f0+B(t-ta)-nt>tp式中:i-降雨強(qiáng)度(mm/min);tp-坡面產(chǎn)流歷時(shí)(min);f0-穩(wěn)滲速率(mm/min);ta、B、n-參數(shù),其余符號(hào)意義同前。由表1可知,Kostiakov入滲公式參數(shù)m變化范圍在0.189～0.576之間,最小值出現(xiàn)在直線坡上,最大值出現(xiàn)在等高耕作上;n變化在0.102～0.536之間,n值越大,入滲速率隨時(shí)間減小越快,可以看出,直線坡上的入滲速率減小最快,等高耕作減小最慢。在Horton入滲公式中,ic變化在0.227～0.547之間,其最小值出現(xiàn)在直線坡上,最大值出現(xiàn)在等高耕作上;k值變化在0.038～0.392之間,等高耕作最小,其入滲速率減小最慢。在Smith-Parlange入滲公式中,f0值變化在0.187～0.637之間,n值變化在0.358～0.731之間。通過回歸分析發(fā)現(xiàn),Kostiakov入滲公式和Horton入滲公式與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)擬合效果都不太理想,超過1/3以上的場(chǎng)次相關(guān)系數(shù)R在0.01水平上不顯著,不能反映坡耕地土壤入滲的實(shí)際情況。對(duì)Smith-Parlange入滲公式進(jìn)行實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)下的回歸分析發(fā)現(xiàn),其相關(guān)系數(shù)R均在0.01水平上顯著,說明該公式能較好的模擬坡耕地土壤入滲規(guī)律。3.2影響土壤滲透的因素分析3.2.1坡面的入滲速率為分析坡度對(duì)土壤入滲的影響,以降雨強(qiáng)度為1.5mm/min的直線坡為例,將不同坡度情況下的土壤穩(wěn)滲速率和坡面產(chǎn)流歷時(shí)點(diǎn)繪成圖1,從中可知,隨著地面坡度的增大,產(chǎn)流歷時(shí)提前,穩(wěn)滲速率降低。當(dāng)坡度從5°增加到25°時(shí),坡面產(chǎn)流歷時(shí)從16min減少到4min;穩(wěn)滲速率從0.297mm/min降低到0.204mm/min,這主要與坡面上水層的受壓情況有關(guān),坡面上的水分入滲主要受大氣壓力和水層壓力的共同作用,隨著坡度的增大,水層沿著坡面方向的力將增大,而垂直坡面的壓力將減小,導(dǎo)致土壤入滲速率的減小。在黃土高原溝壑區(qū)坡耕地上,坡度各不相同,導(dǎo)致天然降水在坡面上分布規(guī)律的差異,因此,在進(jìn)行坡面土地利用時(shí),應(yīng)該考慮這一特點(diǎn),積極創(chuàng)造微地形,改變地表糙度,以盡可能的平緩坡面,來減少坡面徑流,增加土壤水分入滲。3.2.2土壤穩(wěn)滲速率和坡面產(chǎn)流的實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)于同一坡度相同耕作措施的土壤來說,初始含水率對(duì)入滲的影響起著控制作用。以坡度為10o的直線坡地為研究對(duì)象,在降雨強(qiáng)度為1.5mm/min的情況下,進(jìn)行不同初始含水率的人工降雨試驗(yàn)。將所測(cè)定的土壤穩(wěn)滲速率和坡面產(chǎn)流歷時(shí)實(shí)測(cè)結(jié)果點(diǎn)繪成圖2?？梢钥闯?隨著初始含水率的增加,坡面產(chǎn)流歷時(shí)明顯提前,穩(wěn)滲速率減小。當(dāng)初始含水率為9.98%時(shí),降雨15min坡面開始產(chǎn)流,穩(wěn)滲速率為0.324mm/min,當(dāng)初始含水率增加到20.19%時(shí),降雨7min開始產(chǎn)流,穩(wěn)滲速率為0.237mm/min。其原因可能是入滲水體進(jìn)入土壤以后,土壤中的空氣由水體所替代,導(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)的破壞,土壤越干燥,這種破壞作用表現(xiàn)越強(qiáng)烈,從而使土壤顆粒比表面增大,吸水能力增強(qiáng),導(dǎo)致下滲能力增加,最后形成土壤初始含水率低者,其穩(wěn)滲速率高,初始含水率高者,其穩(wěn)滲速率低的結(jié)果。3.2.3坡面產(chǎn)流天數(shù)降雨強(qiáng)度是影響土壤入滲性能的主要因子之一,不少學(xué)者對(duì)此已作過研究,但結(jié)果不太一致。以坡度為10o的直線坡地為例,將不同降雨強(qiáng)度下的土壤穩(wěn)滲速率和坡面產(chǎn)流歷時(shí)實(shí)測(cè)結(jié)果點(diǎn)繪成圖3,從中可知,隨著降雨強(qiáng)度的增加,坡面產(chǎn)流歷時(shí)減小,穩(wěn)滲速率增加。當(dāng)降雨強(qiáng)度從0.5mm/min增大到2.5mm/min時(shí),土壤穩(wěn)滲速率從0.184mm/min增加到0.249mm/min,坡面產(chǎn)流歷時(shí)由14min減小到5min。分析其原因,這可能與水體自重力的增加和雨滴打擊對(duì)水體所產(chǎn)生的沖力有關(guān),它不僅可以加速入滲水流的速率,也可以使部分靜止的毛管水加入到入滲水流中,導(dǎo)致土壤穩(wěn)滲速率的增加。3.2.4等高耕作土壤穩(wěn)滲速率和坡面產(chǎn)流基本面的情況耕作措施改變坡面微地形,增加地面糙度,使土壤水分入滲性能發(fā)生變化。以10°的坡耕地為例,將不同耕作措施下土壤穩(wěn)滲速率和坡面產(chǎn)流歷時(shí)實(shí)測(cè)結(jié)果列成表2?？煽闯?在相同降雨強(qiáng)度下,等高耕作土壤穩(wěn)滲速率和坡面產(chǎn)流歷時(shí)>人工掏挖>人工鋤耕>直線坡地。對(duì)土壤穩(wěn)滲速率和產(chǎn)流歷時(shí)實(shí)測(cè)結(jié)果求算術(shù)平均值得出,與直線坡相比,等高耕作、人工掏挖和人工鋤耕可分別提高入滲71%、44%和32%,可分別延緩產(chǎn)流約為13min、5min和2min。這主要是等高耕作、人工掏挖和人工鋤耕較直線坡地耕作要精細(xì),土壤結(jié)構(gòu)疏松,容重較小,地面糙度較大的緣故。因此在黃土坡耕地上,因地制宜的實(shí)施不同類別的耕作措施,可有效的提高土壤水分入滲速率,延緩坡面產(chǎn)流,是控制水土流失的有效措施。4坡耕地等高耕作出液管入滲試驗(yàn)結(jié)果分析(1)利用Kostiakov入滲公式、Horton入滲公式和Smith-Parlange入滲公式對(duì)坡耕地實(shí)測(cè)入滲資料進(jìn)行回歸分析得出,Kostiakov入滲公式和Horton入滲公式擬合效果較差,Smith-Parlange入滲公式擬合效果較好,可以模擬坡耕地土壤水分入滲過程。(2)試驗(yàn)結(jié)果表明,隨地面坡度、土壤初始含水率增大,土壤穩(wěn)滲速率和坡面產(chǎn)流歷時(shí)減小;隨降雨強(qiáng)度增加,土壤穩(wěn)滲速率增加,坡面產(chǎn)流