不同立地条件下坡面水土流失的差异性试验研究*

杨春霞,姚文艺,肖培青,王玲玲,申震洲

(黄河水利科学研究院水利部黄河泥沙重点实验室,郑州450003)

人类活动对坡面水土流失的影响有正反两个方面的作用,对地表植被破坏性的如开发建设活动、毁林开荒和超载过牧等对坡面具有破坏性的影响[1-4],而良好的农作物和植被覆盖则对坡面水土流失有明显的抑制作用[5-7]。根据对陕西省延安县大砭沟营造的5～6 a生的刺槐、榆树混交林的测定,其林地较自然荒坡减少径流61.7%～79.6%,减少泥沙流失量83.1%～89.5%。20°的苜蓿坡地较 2°坡耕地减少径流88.4%,减少泥沙流失量97.4%[8]。植被覆盖和农作物覆盖对水土保持有积极作用,但在植被建设初期和坡地耕作过程中遇降雨则可能产生严重的水土流失。本文结合人工降雨试验的观测和数据分析,发现了这一明显现象。

本文所指的灌木是刚栽植2周的20°坡面小区,所指的草地指撒播生长2个月的紫花苜蓿草地,所指裸地指拍实的裸坡,农地指近地表30 cm较松的坡地。

1 试验简介

1.1 模拟系统

试验各条件均由人工模拟组成,包括坡面、植被和降雨系统等。

坡面土槽采用钢板焊制而成,模拟坡度为20°,坡面长×宽×深分别为3 m×5 m×0.8 m,用PVC板平均隔成3个小区,小区尺寸为1 m×5 m,钢槽内分层填土,土料为郑州邙山边坡表层黄土,填土厚度大于0.6 m。钢板底部钻有渗水孔并铺垫约2 cm厚粗颗粒大沙,以降低底部边界条件的影响。

降雨系统采用中国科学院水利部水土保持研究所研制的便携式侧喷降雨器,试验模拟坡面为裸坡、翻松的农地、苜蓿草地和新栽植的灌木林地,各坡面基本情况见表1。

表1 模拟坡面立地条件基本情况

1.2 观测及数据处理方法

试验前先洒水,消除坡面含水量差异,从坡面开始产流时计时,降雨历时为60 min,试验过程中每隔2 min接一次泥沙样,通过比重法计算产沙量,具体换算方法见下式:

式中:W总——径流泥沙样总重(g);V总——径流泥沙样总体积(ml)——泥沙重(g)——泥沙体积(ml)。

试验过程中记录坡面侵蚀发育过程,并用数码相机或录像获取试验过程影像资料,试验结束后分断面两侧侵蚀形态并拍照。结合坡面侵蚀沟观测数据和数码照片,并运用CAD进行坡面侵蚀形态辅助分析。

2 结果与分析

2.1 立地条件对坡面水土流失的影响

在坡度一定(20°)、降雨强度和历时一定(90 mm/h、历时1 h)的情况下其坡面产沙总量、径流量各地类坡面有明显差异,见图1和表2。从图1和表2可知:

(1)在4种地类中,草地的产沙量径流量最少,且随着覆盖度的增加,径流量和产沙量明显减少,这一现象说明草地的减水减沙作用高于裸地、农地和新栽植的灌木林地,且其减水减沙作用随覆盖度的增加而增强。

(2)灌木林地通过栽植小叶女贞进行模拟,栽植时存在窝根现象,灌幅基本没有修剪,栽植2周后开始降雨试验,由试验观测和数据分析可见,新栽植的灌木林地不但起不到控制水土流失的作用,反而加剧了水土流失,且覆盖度大的坡面其水土流失越严重。结合观测情况,坡面水土流失多始发于灌木根部,而高覆盖坡面是通过密植实现的,在栽植过程中其坡面扰动更严重一些,同时灌幅的拦截作用,使降雨顺灌木枝干形成集中的干流,导致对坡面相对松散的根部行成集中的冲刷,在根部尚未起到固土作用的情况下,极易造成水土流失和灌木倒伏。

(3)以 90 mm/h雨强为例,覆盖度分别为20%、40%、60%、80%草地(C20,C40,C60,C80)的草地较裸地减少产沙量97.24%～99.63%、减少径流量62.04%～80.46%。农地较裸地减少产沙量13.78%、减少径流量7.99%;新栽植的灌木林地40%(灌木C40)的覆盖度比 80%的覆盖度(灌木C80)减水减沙效益要好,其中40%灌木比裸地减少产沙量5.34%、减少径流量1.65%,80%的灌木地比裸地增加产沙14.33%、增加径流6.49%。

图1 不同立地条件下坡面产沙、径流总量比较(雨强90 mm/h)

对于裸坡和农地,在雨强为90 mm/h时,裸地产沙量和径流量均大于农地,结合雨强为45 mm/h、130 mm/h雨强下的试验观测结果,原因可能是雨强较小(包括90 mm/h的雨强时),农地较裸地降雨入渗性较好,从而导致径流和产沙较少的原因,此不作为本论文重点。

表2 坡面径流泥沙增减情况比较(雨强为90 mm/h)

2.2 立地条件对坡面侵蚀发展的影响

根据对试验过程中坡面侵蚀过程监测,在模拟的4种立地条件下,农地坡面产生跌坎和细沟时间最早,且在试验开始后的1 625 s达到全坡面贯通;裸地产生跌坎和细沟的时间第二,坡面侵蚀沟最长发育到4.5 m;第三为灌木林地,坡面侵蚀沟基本贯通,长达4.9 m,且侵蚀沟宽而深,坡面新栽植的小叶女贞灌木根部裸露,90%出现倒伏,这些不仅与其新栽植起不到水土保持作用有关,也与不科学的栽植行为有关,如栽植时出现窝根,新栽植时没有剪枝等,导致降雨时因“头重脚轻”而加剧坡面土壤侵蚀现象;坡面产生跌坎和细沟最晚的是草地,近试验降雨中期才出现跌坎和细沟,且坡面没有出现全断面贯通的现象,仅在坡面下部断面局部出现跌坎和较短的细沟,说明生长了2个月的紫花苜蓿草地的水土保持作用比较突出。

各立地条件下坡面侵蚀形态对比见表3和图2。

表3 坡面侵蚀沟监测情况比较(雨强为90 mm/h)

图2 不同立地条件下坡面侵蚀形态示意图

(2)良好的植被对坡面水土流失有明显的抑制作用,而在植被建设初期,遇降雨容易造成水土流失,如若栽植不科学的话,其加剧水土流失的副作用更明显,因此无论是耕作活动或是植被建设,做好人为破坏初期的防护十分关键。

3 结论

(1)不同立地条件在90 mm/h雨强条件下,坡面径流量和侵蚀产沙量存在明显差异,正常情况下,草地的减水减沙作用最明显,与裸地相比,减少产沙量97.24%～99.63%、减少径流量62.04%～80.46%;刚栽植的灌木林地没有水土保持作用,受栽植活动扰动影响,反而加剧了坡面水土流失,且覆盖度较大者对坡面扰动越厉害,其水土流失表现越明显。

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[8] 水土保持林草措施[OL].http://www.100zsk.com/citiao/sort0262/6553895159189.html.