黃土丘陵溝壑區(qū)耕地微地形空間分布及其水土保持效應(yīng)

黃土丘陵溝壑區(qū)耕地微地形空間分布及其水土保持效應(yīng)

眾所周知，洛杉磯高原是中國(guó)乃至世界上最嚴(yán)重的水土流失地區(qū)之一。該地區(qū)坡耕地的土壤侵蝕占流域總侵蝕的50%-60%。雖該地區(qū)造成水土流失的因素眾多,但人為土地管理方式是主要原因之一。這些管理往往在地表形成土粒級(jí)和土塊級(jí)的高低起伏,直接影響到產(chǎn)流、匯流和泥沙運(yùn)動(dòng)。因此,研究不同耕作方式下黃土坡耕地微地形分布特征及水土保持效應(yīng)對(duì)于配置該區(qū)水土保持措施具有重要意義。已有的研究[7,8,9,10,11,12,13]表明,耕作管理由于改變地表微地形條件,削弱了降雨對(duì)地表的侵蝕作用,是有效的水土保持措施。吳發(fā)啟等的研究也證實(shí)了這一結(jié)論,并得出耕作方式具有增加土壤入滲,減小水土流失的作用。但就研究?jī)?nèi)容來(lái)看,針對(duì)我國(guó)黃土坡耕地中常用的人工掏挖、人工鋤耕和等高耕作等耕作方式的研究較少;因此,對(duì)降雨條件下不同耕作方式的水土保持效應(yīng)研究有待進(jìn)一步深入,以期為黃土區(qū)土壤侵蝕過程與調(diào)控機(jī)制研究提供科學(xué)依據(jù)。1試驗(yàn)層0201.1供試土樣選擇陜西省楊凌區(qū)坡耕地表層(0~20cm)土為試驗(yàn)用土。土壤顆粒以粉沙為主,粉沙粒占總量的70%左右,黏粒占25%左右,密度約1.3g/cm3。1.2耕作方式及整地過程的模擬以黃土區(qū)耕作中普遍采用的人工掏挖、人工鋤耕和等高耕作等耕作方式對(duì)地表進(jìn)行處理,并以直線坡面(CK)作為對(duì)照措施。試驗(yàn)在黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室降雨大廳進(jìn)行。試驗(yàn)小區(qū)規(guī)格為2.0m×1.0m×0.5m的侵蝕槽,試驗(yàn)坡度為5°、10°、15°、20°和25°。模擬耕作方式的主要過程:1)土樣準(zhǔn)備,將土樣過篩(篩孔0.5cm),分8層填裝在土槽中(土壤密度1.3g/cm3,含水量10%左右)。2)在不同坡度的坡面模擬不同的耕作方式,①等高耕作,在坡面上垂直于坡面走向進(jìn)行橫向耕作,形成溝和壟,壟高7~10cm,壟距為14cm;②人工掏挖,采用镢頭掏挖地表,深度5~8cm,間距20~25cm;③人工鋤耕,沿地表以傳統(tǒng)方式鋤耕,深度4~5cm;④直線坡面(CK),坡面不進(jìn)行耕作處理。試驗(yàn)降雨強(qiáng)度為60mm/h,降雨歷時(shí)為90min。從地表產(chǎn)流開始時(shí)記錄產(chǎn)流時(shí)間,并以2min間隔采集全部產(chǎn)流泥沙樣。對(duì)采集的泥沙樣采用稱量法測(cè)定產(chǎn)流量,烘干法測(cè)定產(chǎn)沙量,薄膜法測(cè)定地表填洼量。采用自制激光掃描儀(垂直精度±0.003mm)采集地表相對(duì)高程,用SPSS16.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析,利用ArcGIS9.3軟件建立坡耕地微地形模型。2地表微地形空間分布特征2.1坡耕地微地形特征分析2.1.1耕作方式對(duì)地表微地形的影響不同耕作方式下地表微地形的空間分布特征見圖1(雨前),可以看出,與直線坡面(CK)相比,人工鋤耕和人工掏挖方式下地表微地形表現(xiàn)為凹凸相間的小丘和洼地,且分布比較隨機(jī);等高耕作為溝壟相間的特征,具有明顯的幾何特征。這些特征明顯的增大了地表表面積,一方面可以增大地表填洼量;另一方面又延長(zhǎng)了地表徑流路徑,對(duì)地表徑流的演變產(chǎn)生阻礙作用,導(dǎo)致不同耕作方式下的地表呈現(xiàn)不同的侵蝕特征。表1給出了不同耕作方式下地表相對(duì)高程的統(tǒng)計(jì)特征量,可以看出,在降雨前,任意耕作方式下地表相對(duì)高程的變化范圍和CK存在著一定的差異,且均值都比CK的大,標(biāo)準(zhǔn)差與變異系數(shù)值也較小;另外,不同耕作方式下地表相對(duì)高程的變化范圍不同,這說(shuō)明不同耕作方式下地表微地形具有不同的分布特征。結(jié)合圖1和表1雨前數(shù)據(jù)可以得出,地表微地形起伏呈現(xiàn)等高耕作>人工掏挖>人工鋤耕>CK的變化規(guī)律。2.1.2降雨對(duì)地表微地形的影響降雨過程是雨滴對(duì)地表做功的過程,雨滴擊濺使土粒剝蝕,地表?yè)魧?shí)沉降;而當(dāng)降雨強(qiáng)度大于土壤入滲速率后(或土壤水分達(dá)到飽和后),地表局部產(chǎn)流開始,進(jìn)而形成產(chǎn)沙,隨著降雨時(shí)間的延長(zhǎng),地表產(chǎn)流產(chǎn)沙現(xiàn)象加強(qiáng),這些過程的發(fā)生必然會(huì)造成地表微地形的變化。雨后地表微地形空間分布特征見圖1(雨后)。圖中不同顏色表示不同高程,可以看出,和雨前相比,雨后地表微地形發(fā)生明顯的變化,尤以等高耕作方式下地表出現(xiàn)細(xì)溝最為明顯。對(duì)比表1中降雨前后任意耕作方式下地表相對(duì)高程值的變化得出:人工鋤耕相對(duì)高程變化范圍由雨前的0.178~0.255m變?yōu)橛旰蟮?.176~0.226m,人工掏挖由雨前的0.183~0.278m變?yōu)橛旰蟮?.163~0.248m,等高耕作由雨前的0.190~0.250m變?yōu)橛旰蟮?.148~0.233m,平均變化分別為0.014、0.018和0.015m,這說(shuō)明降雨后地表高程都在減小;同時(shí)人工鋤耕、人工掏挖和等高耕作方式下地表高程的標(biāo)準(zhǔn)差比雨前分別減小了0.003、0.001和0.002m,說(shuō)明降雨使地表微地形降低,局部高程差變小。單就相對(duì)高程的變化而言,CK的變化與人工鋤耕、人工掏挖和等高耕作沒有區(qū)別,但是對(duì)比分析圖1(g)和(h)可以看出,雨后地表出現(xiàn)微小起伏,局部微地形變化明顯。降雨對(duì)地表微地形的影響最直接的體現(xiàn)就是地表填洼量的變化,表2列出了不同耕作方式下地表填洼量降雨前后的變化。分析表2得出,CK的地表填洼量在降雨后明顯增大,其中20°和25°坡度的雨后地表填洼量是雨前的3.89和4.18倍;而人工掏挖、人工鋤耕和等高耕作方式下地表填洼量在降雨后均有不同程度的減小,其中5°坡度下,等高耕作、人工掏挖和人工鋤耕方式下雨后地表填洼量比雨前分別減小了41%、42%和23%,且隨著坡度的增大,降雨后地表填洼量的減小也越大,當(dāng)坡度為20°和25°時(shí),等高耕作、人工掏挖、人工鋤耕方式下雨后地表填洼量比雨前分別減小了41%和47%、40%和50%、20%和57%。這是由于雨水對(duì)地表的沖刷作用,使地表微地形特征發(fā)生變化造成的。2.2地表產(chǎn)沙特征2.2.1坡面產(chǎn)流特征分析在不同耕作方式下地表產(chǎn)流量隨降雨時(shí)間的動(dòng)態(tài)變化情況見圖2,圖中數(shù)據(jù)表示5個(gè)試驗(yàn)坡度下的均值。從圖中可知,CK的產(chǎn)流時(shí)間為5.2min,而人工掏挖、人工鋤耕、等高耕作地表的產(chǎn)流時(shí)間比CK分別延后了2.1、3.5和7.0min。從圖2中可以看出,任意耕作方式下地表產(chǎn)流量依次為等高耕作<人工鋤耕<人工掏挖<CK。產(chǎn)流開始時(shí)產(chǎn)流量變化迅速,大約持續(xù)12~18min后,產(chǎn)流量的變化基本趨于平緩,這是由于降雨開始時(shí)土壤以入滲為主,隨著降雨時(shí)間的延長(zhǎng),受土壤含水量和土壤孔隙度大小的影響,到12~18min后,土壤入滲率基本趨于穩(wěn)定,因此,產(chǎn)流量的變化也就趨于平穩(wěn)。產(chǎn)流趨于穩(wěn)定后人工掏挖、人工鋤耕、等高耕作方式下地表的穩(wěn)定產(chǎn)流量分別為79.2、71.7、53.1L/(hm2·s),比CK分別減少了9.43%、17.88%、38.17%。2.2.2坡面產(chǎn)沙特征分析產(chǎn)沙過程是伴隨著地表產(chǎn)流過程發(fā)生的,同時(shí)產(chǎn)沙過程的發(fā)展又會(huì)促進(jìn)地表產(chǎn)流過程的發(fā)展。圖3為降雨過程中不同地表微地形條件下地表產(chǎn)沙量的動(dòng)態(tài)變化,圖中數(shù)據(jù)表示5個(gè)試驗(yàn)坡度下的均值。從圖中可以看出,在相同的降雨條件下,由于人工鋤耕、人工掏挖和等高耕作地表的地表微地形不同,地表侵蝕產(chǎn)沙量的變化與CK存在一定的差異,尤其是等高耕作地表在整個(gè)降雨過程中地表產(chǎn)沙特征較平緩;但總的來(lái)看,其變化為先迅速增大,后減小并逐漸趨于穩(wěn)定的過程。在產(chǎn)流后的10~18min內(nèi),產(chǎn)沙量達(dá)到最大值,之后隨著降雨歷時(shí)的增加而降低,到降雨66min后,產(chǎn)沙量基本趨于穩(wěn)定。降雨條件和坡度相同的條件下,地表起伏較大地表的產(chǎn)沙量變化明顯低于地表起伏較小的地表,且變化較平穩(wěn),其中等高耕作、人工鋤耕、人工掏挖地表平均產(chǎn)沙量分別為0.16、0.30、0.34kg/(hm2·s),比CK分別減小了65.6%、36.3%、23.4%;總的變化規(guī)律為:等高耕作<人工鋤耕<人工掏挖<CK。2.3坡度對(duì)地表產(chǎn)流的影響2.3.1對(duì)產(chǎn)流的影響坡度對(duì)產(chǎn)流量影響見圖4。在降雨和耕作方式相同的條件下,坡度越大,產(chǎn)流時(shí)間越早。從圖中可以看出,任意耕作方式下地表產(chǎn)流量隨降雨時(shí)間的變化呈現(xiàn)先迅速增大,后平緩增加的趨勢(shì)。與CK相比人工鋤耕和人工掏挖方式在不同坡度間產(chǎn)流量差異較小,等高耕作方式在不同坡度地表產(chǎn)流量具有明顯的差異。15°坡度時(shí),等高耕作地表產(chǎn)流時(shí)間相對(duì)于5°時(shí)提前了5.0min;20°地表比10°又提前了9.3min;當(dāng)坡度為5°和10°時(shí),產(chǎn)流時(shí)間差別很小分別為16.5和17.0min。對(duì)人工掏挖地表,坡度15°時(shí)的產(chǎn)流時(shí)間比5°時(shí)提前約1.2min;坡度25°時(shí)比15°提前約2.5min。對(duì)于人工鋤耕地表產(chǎn)流時(shí)間隨坡度的變化也具有相似的趨勢(shì),即坡度越大,產(chǎn)流時(shí)間越早;而CK坡度在5°~25°變化時(shí),產(chǎn)流時(shí)間在5.2~6.2min的范圍內(nèi)變化,坡度對(duì)產(chǎn)流時(shí)間的影響不大。分析得出,坡度不僅對(duì)產(chǎn)流時(shí)間有影響,而且對(duì)產(chǎn)流量的大小也具有影響。在開始產(chǎn)流后的6~24min內(nèi)所有地表產(chǎn)流量的變化最大,而對(duì)于CK產(chǎn)流后10min內(nèi)產(chǎn)流量迅速增大,之后變化平穩(wěn),而等高耕作因坡度不同在產(chǎn)流后18~24min內(nèi)變化劇烈,對(duì)于人工鋤耕與人工掏挖的變化較為相似。對(duì)等高耕作,產(chǎn)流量隨坡度的增大變化最明顯,坡度為25°時(shí)平均產(chǎn)流量相對(duì)于20°時(shí)增大了20.6%,比15°增大了42.0%,在降雨的前60min內(nèi),坡度為5°的比10°大5.6%,之后的30min內(nèi)10°地表產(chǎn)流量逐漸增大;對(duì)人工鋤耕和人工掏挖地表產(chǎn)流量變化曲線基本相似,坡度為5°時(shí)最小,20°時(shí)最大,二者相差均大于25%,而其余坡度差異較小。與CK相比,對(duì)于等高耕作地表,坡度越大產(chǎn)流量也越大,而人工掏挖和人工鋤耕變化趨勢(shì)相似,坡度對(duì)產(chǎn)流量的影響相對(duì)較小(圖4);因此,坡度對(duì)產(chǎn)流量的影響因地表微地形不同而具有一定的差異。為了進(jìn)一步理解坡度對(duì)產(chǎn)流的影響,對(duì)產(chǎn)流量隨降雨時(shí)間的變化進(jìn)行回歸分析,發(fā)現(xiàn)二者呈對(duì)數(shù)關(guān)系(表3),通式為S=alnt+b,R2>0.50式中:a,b為回歸系數(shù);S為產(chǎn)流量,L/(hm2·s);t為降雨歷時(shí),min。2.3.2對(duì)產(chǎn)沙的影響圖5是不同耕作方式下產(chǎn)沙量隨降雨時(shí)間的動(dòng)態(tài)變化圖。從圖中可以看出,坡度對(duì)侵蝕產(chǎn)沙特征變化的影響與CK地表存在明顯的差異;但總體上呈先增大,后減小并趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)。人工鋤耕、人工掏挖、等高耕作在坡度為5°和10°時(shí)產(chǎn)沙量分別為0.26和0.22、0.19和0.26、0.04和0.10kg/(hm2·s),明顯小于CK的0.27和0.49kg/(hm2·s);而當(dāng)坡度為15°和20°時(shí),人工鋤耕和人工掏挖方式下產(chǎn)沙量比CK的大,等高耕作方式下地表產(chǎn)沙量仍較CK的小;到坡度為25°時(shí),人工鋤耕、人工掏挖和等高耕作方式下地表產(chǎn)沙量均大于CK的產(chǎn)沙量。在相同的降雨條件和耕作方式下,坡度越大,地表產(chǎn)沙量也越大。當(dāng)坡度<15°時(shí),地表產(chǎn)沙量隨降雨時(shí)間的變化較平緩;當(dāng)坡度為20°和25°時(shí),坡度對(duì)產(chǎn)沙量變化特征的影響顯著,尤以人工掏挖和等高耕作方式下的地表更為突出(圖5)。3耕作方式對(duì)地表微地形空間特征的影響1)與直線坡面相比,耕作活動(dòng)是造成地表微地形空間起伏的主要原因,不同的耕作方式下地表微地形空間差異明顯,人工鋤耕與人工掏挖地表以隨機(jī)分布的凹凸相間的坑洼為主,等高耕作為溝壟相間的特征,具有明顯的幾何形狀。耕作后,地表微地形起伏呈現(xiàn)等高耕作>人工掏挖>人工鋤耕>直線坡面。2)在試驗(yàn)降雨強(qiáng)度為60mm/h,降雨歷時(shí)為90min的條件下,直線坡面、人工鋤耕、人工掏挖和等高耕作方式下地表相對(duì)高程平均分別降低0.015、0.014、0.018和0.015m。3)耕作后,地表填洼量大小依次為等高耕作>人工掏挖>人工鋤耕>直線坡面。降雨后,等高耕作、人工掏挖和人工鋤耕耕作方式雨后地表填洼量均減小,而直線坡面的填洼量反而增大。這說(shuō)明耕作活動(dòng)和降雨都對(duì)地表微地形空間特征產(chǎn)生影響。4)與直線坡面相比,等高耕作、人工鋤耕和人工掏挖的產(chǎn)流量分別減小38.17%、17.88%和9.43%;產(chǎn)沙量分別減少65.6%、36.3%和23.4%。在降雨過程中產(chǎn)流量的變化為先增大,后趨于平緩的過程,與降雨時(shí)間呈對(duì)數(shù)關(guān)系;產(chǎn)沙量的變化為先增大,后減小并逐漸保持穩(wěn)定的過