华北土石山区土壤溅蚀影响因素分析

相莹敏,张洪江†,程金花,钟莉,郭春梅,刘银山

(1.北京林业大学水土保持学院,100083,北京;2.北京市水土保持工作总站,100036,北京; 3.延庆县水土保持工作站,102100,北京)

华北土石山区土壤溅蚀影响因素分析

相莹敏1,张洪江1†,程金花1,钟莉2,郭春梅3,刘银山3

(1.北京林业大学水土保持学院,100083,北京;2.北京市水土保持工作总站,100036,北京; 3.延庆县水土保持工作站,102100,北京)

土壤侵蚀会破坏土地吞食农田,降低土壤肥力,直接影响水土资源的利用和保护。雨滴击溅作用下,地表土壤颗粒会发生位移,引起表层土壤颗粒的分离。以华北土石山区作为研究对象,通过野外人工模拟降雨试验,采用改良后的摩根溅蚀盘和雨滴发生器,利用色斑法结合叶面积系数法测定不同条件下的土壤溅蚀量。结果表明:1)溅蚀量随土壤前期含水量增大而增大、与雨滴动能呈正相关(R2＞0.96,P＜0.05);2)溅蚀量和植被覆盖度呈非线性负相关(R2＞0.99,P＜0.05)——植被覆盖度越大,土壤溅蚀量随降雨强度增大的幅度越小;3)植被主要通过叶面积改变雨滴直径,通过株高改变降雨高度,对降雨进行再分配,进而改变雨滴动能。叶面积系数越小、株高越低,植被对溅蚀的阻挡作用越强。

溅蚀;含水量;叶面积;雨滴动能;株高;植被覆盖度;降雨强度;华北土石山区

我国是土壤侵蚀最严重的国家之一,土壤侵蚀降低土壤肥力,破坏农田,加剧洪涝灾害,影响土地开发利用,直接影响水土资源的利用和保护。溅蚀即在雨滴击溅作用下使地表土壤颗粒发生位移,使土体颗粒破碎、分散、飞溅,是坡面侵蚀的一个重要影响因素[1-3]。

迄今为止国内外关于土壤溅蚀过程已做了大量研究[4]。美国学者W.D.Ellison[5]在1947年首次提出土壤溅蚀概念。国内外学者分别选取了不同的影响因素对溅蚀进行研究:国内学者认为在黄土高原地区,土壤前期含水量大,表层土壤疏松,遇水极易分解,容易发生击溅侵蚀[6];张科利等[7]得出溅蚀量随着坡度的增加而线性增加;蔡强国等[8]得出溅蚀量与降雨强度成正相关关系;C.W.Rose[9]研究发现溅蚀量与雨滴动能呈正相关关系。传统测定土壤溅蚀量的实验方法是在室内、室外通过天然降雨以及人工模拟降雨的方式利用溅蚀杯[10]、溅蚀盘[11]和溅蚀板对土壤溅蚀进行定量研究。

研究坡面土壤侵蚀因素对定量预测土壤流失具有重要价值[1]。由于溅蚀的过程较短、机制复杂、研究困难,学者们通常将溅蚀与面蚀看成一个连续的侵蚀过程同时进行研究,对于雨滴击溅侵蚀的深入与细化研究较难开展[9-10]。单个雨滴对溅蚀的作用微小,单雨滴直径测量比较困难,对其进行定量研究较为复杂[11-12];而且对于土壤击溅侵蚀室内研究较多,缺乏将理论在野外实际的推广与运用。笔者通过野外试验的方法,利用改良后的摩根溅蚀盘、人工降雨器和雨滴发生装置测定单雨滴对溅蚀的影响,进一步揭示植被覆盖度对土壤溅蚀的影响机理,为今后水土保持工作提供参考。

1 研究区概况

研究区位于北京市延庆县上辛庄水土保持科技示范园,年降水量为4 74.5mm,主要集中在6—9月,约占全年降水总量的84%,年平均气温8.5℃,土壤类型为褐土,土壤质地为粉砂壤土[13],是典型华北土石山区,多位研究人员在该地区对土壤侵蚀和植被恢复进行了大量研究[14-15],代表性的天然分布植被有荆条(Vitex chinensis)、铁杆蒿(Artemisia sacrorum)、黄花蒿(Artemisia annua)、白草(Pennisetum centrasiaticum)、柴胡(Bupleurum chinense)、灰菜(Chenopodium album)等。试验区表层土壤理化性质具体见表1和表2。

表1　土壤机械组成Tab.1 Soilmechanical composition%

表2　湿筛水稳性团粒质量分数Tab.2 Content ofwater stable aggregate%

2 研究方法

2.1试验仪器

试验分为2部分进行,试验1单雨滴试验采用的是可以调节高度的自制雨滴发生器[16],雨滴发生装置是由一个储水器和棉线组成,将棉线一头系上棉花球,棉花球塞进储水器中,选用5种不同粗细的棉线用来模拟不同直径的雨滴,如图1所示。

图1　试验1雨滴发生装置Fig.1 Raindrops generator

试验2选用中国科学院水利部水土保持研究所研制的侧喷式人工降雨器。采用4组侧喷喷头对中心区域进行降雨,人工降雨器长宽均为2m,降雨高度为4m,可调降雨强度范围为25～160mm/h。为确保降雨强度和降雨均匀度达到实验要求,试验前对降雨强度进行率定,将3个水桶分别置于坡面上、中、下位置,打开降雨器调节至设计强度进行6 min的降雨,收集水桶中水量,计算出实际降雨强度。2次误差都在15%以内。如图2所示,根据摩根溅蚀盘[2]进行改良的环形溅蚀盘,选用直径50 cm的圆形样地,分别选择降雨强度30、110、130 mm/h,每种降雨强度进行10次重复试验。为保证溅蚀量测定精确,避免横风将溅蚀土粒吹散,在试验土样周围用塑料布进行遮挡(图3)。

2.2试验方法及样地处理

试验1于2014年4月在闲置坡面种植高粱(Sorghum bicdor)小苗,野牛草(Buchloe dactyloides),萱草(Hemerocallis fulva(L.)L.)和紫花苜蓿(Medicago sativa),选取10、15、20、25、30和35 cm株高的植物,在研究区选取相应茎高的植株连同表层20 cm的土壤一起采集,放入直径为10 cm、高为20 cm圆柱形容器中,容器上下两端不封闭,试验前测定土壤机械组成和前期含水量,除野牛草后,试验前对坡面进行充分降雨,之后每隔3 h测量1次土壤前期含水量,当坡面前期含水量为8%时进行试验。本试验采用叶面积系数法测量植物叶面积系数

图2　试验2环形溅蚀盘Fig.2 Annular splash plate

图3　遮挡措施Fig.3 Shielding facilities

式中:F为叶面积系数;A为叶面积,cm2;L为叶长, cm;W为叶最大宽,cm。每种植物随机选取15株,在每株植物的顶端、中部、下部分别摘取1片叶子,测量其叶长、叶最大宽和叶面积,叶面积是将叶片附在格子纸上算出叶面积,每种植物都计算45个叶片的叶面积系数,求出4种植物叶面积系数平均值。试验后将溅蚀盘上和塑料布上的土粒用蒸馏水冲洗收集,在105℃烘箱中烘干8 h后称量。实验前用TDR水分传感器测定土壤前期含水量。采用色斑测定法[17]测定准确的雨滴直径,本试验采用沃华杭州造纸厂(原名为杭州新华造纸厂)φ15 cm中速定性滤纸[16],在滤纸上均匀涂上质量比为1∶10的曙红和滑石粉混合粉末,雨滴滴到滤纸上形成不同大小色斑,色斑直径为D,雨滴直径和色斑直径呈幂函数[17]

式中:d为雨滴直径,cm;D为色斑直径,cm;a为系数;n为指数。对此公式系数进行率定:用净水质量除以色斑个数,求出每滴水的平均质量m,按照水滴是圆球体计算出水滴直径

式中:d为雨滴直径,mm;m为水滴平均质量,g;γ为水的密度,g/mL。量出每个色斑直径Di,计算色斑直径的算术平均值Dm,进行回归分析得到水滴直径与色斑直径的关系式为

表3　雨滴直径与色斑直径关系Tab.3 Relations between raindrop diameter and stain diameter

试验2于2014年4月在5个坡面种植野牛草,均匀撒草籽,之后的2个月对不同坡面的野牛草分别进行拔除,形成0、10%、20%、40%、60%和80%植被覆盖度的坡面,利用点测法测量植被覆盖度[18],在样地内使用一定数量的尖锐长针由植被上层垂直放下,记录接触到植物枝叶的针数,并重复进行10次。试验前对坡面进行充分降雨,之后每隔3 h测量一次土壤前期含水量,当坡面前期含水量为8%左右时进行试验。

雨滴降落时因重力作用而逐渐加速,由于空气的阻力产生向上的浮力,二力趋于平衡时,雨滴则以固定速度下降,称为雨滴终点速度,大雨滴达到终点速度需要12m[19],2mm的小雨滴需要5m,本试验雨滴直径为2.65mm,降落高度为4m;因此雨滴不能达到终点速度,需要采用大雨滴降落速度公式[20]获取雨滴终速

式中v为雨滴终速,m/s。

雨滴动能由雨滴质量及雨滴终速决定,雨滴动能

式中:E为雨滴动能,J;v为雨滴终速,m/s;m为雨滴质量,kg。

根据式(5)得出不同降落高度、不同雨滴直径的雨滴动能[15]。

3 结果与分析

3.1溅蚀量与土壤前期含水量及雨滴动能的关系

土壤初始含水量改变土壤孔隙结构,是影响溅蚀的重要因素,研究土壤初始含水量对土壤侵蚀具有重要意义。如图4和表4所示,溅蚀量随土壤前期含水量的增加而增大,二者呈正相关关系,雨滴动能为0.002 3 J时,土壤前期含水量从4.6%增加到7.2%,溅蚀量变化0.075 g,土壤前期含水量由18.7%增加至24.2%的土壤溅蚀量增长幅度最小,为0.03 g,可以看出土壤前期含水量对溅蚀有较大影响。土壤含水量较低的时候,土壤孔隙较大,吸水能力较强,土壤含水量增大,土壤吸水能力变弱,入渗量减小,可蚀性增大,易发生击溅侵蚀。这是由于土壤前期含水量改变土壤孔隙结构,影响土壤团聚体遇水分散的程度,前期含水量的增加降低了土壤团聚体遇水后的分散作用。与刘目兴等[21]对三峡库区林地和草地酸性结晶岩黄壤侵蚀研究的结论相一致,本试验是在北京市褐土区进行研究,研究区土壤理化性质不一样,但得出的结论基本一致。

图4　不同土壤前期含水量条件下溅蚀量与雨滴动能的关系Fig.4 Relations between splash amountand raindrop kinetic energy under different soil water content in the early stage

3.2溅蚀量与雨滴大小、降雨高度及雨滴动能的关系

雨滴从高空落下将势能转化为动能,撞击土壤发生溅蚀。如图5所示,雨滴直径越大、降雨高度越大,雨滴动能就越大,则溅蚀量越大。由于雨滴直径直接影响雨滴动能,因此土壤溅蚀量受雨滴直径影响明显,不同雨滴直径土壤溅蚀量相差很大。如图6所示,溅蚀量和雨滴动能呈正相关关系,研究结果与J.M.Bradford等[10]的结论一致。雨滴动能为0.067×10-3J时,溅蚀量为0.004 4 g,接近于0;雨滴动能为0.14×10-3J时,溅蚀量为0.042 g。和0.004 4 g相差了一个数量级,此时破坏力与土粒间黏结力处于近平衡的临界状态,即存在一个让溅蚀发生的雨滴动能阈值0.067×10-3J。当雨滴动能小于该值时,不足以发生溅蚀,这与赵晓光等[12]的结论——存在一个最小分散作用能量临界值一致。赵晓光等测得该值为0.314×10-3J,而本试验得出值为0.067×10-3J。不一致的原因是试验年代不同:赵晓光等学者于2000年进行试验;本试验于2014年进行,仪器精度有所提升。

表4　溅蚀量与雨滴动能的拟合函数Tab.4 Fitted equation of splash amount and raindrop kinetic energy

图5　不同雨滴直径溅蚀量与降雨高度的关系Fig.5 Relations between splash amount and rain height at different raindrop diameter

3.3溅蚀量与植被的关系

图6　溅蚀量与雨点动能的关系Fig.6 Relations between splash amount and kinetic energy of raindrops

3.3.1植被种类的关系 植被通过3方面对降雨进行再分配[22]:截流、透流和干流。透流即雨滴穿过植被直接对土壤击溅,或者在叶片及枝干上聚集后形成较大的雨滴落下击溅土壤,改变雨滴直径,从而改变雨滴动能,不同植被的叶面积不同,再次形成的雨滴大小不同;因此测量每种植被的叶面积是得出不同植物对雨滴再分配的影响作用的前提,验测得高粱小苗叶面积系数为0.75,萱草0.66,野牛草0.63,紫花苜蓿0.71。

如图7所示,野牛草拦截能力最好,其次是紫花苜蓿,之后是萱草和高粱小苗,萱草和高粱小苗差距不太大,4种植被的叶面积系数大小排列和溅蚀量是一致的,叶面积系数越大,溅蚀量越大。降雨经枝叶聚集达到枝叶最大蓄水能力时落到地表,植物叶片面积越大,接受雨滴的面积越大,大叶片对雨滴的承受能力越大,形成的大雨滴越大,对地表击溅能力越强。这与魏翔等[22]的结论雨滴直径主要与降雨强度和叶面积有关相一致。

图7　不同植物种类条件下溅蚀量与植物株高的关系Fig.7 Relations between splash amount and plant stemheight by different plant type

3.3.2与株高的关系 降雨经枝叶聚集达到枝叶最大蓄水能力后,植被株高对溅蚀量的影响最大[23]。植被越高,势能转化动能的能量越大,溅蚀力则越大。如表5所示,溅蚀量与植被株高呈对数正相关关系,溅蚀量随植株高度增大而增大。植被株高度越低,降雨高度则越大,所接收雨滴的动能越大,对叶面的冲击力度越大,导致叶片的形变就越大。同样大小的叶片,形变越大的叶片接受的雨滴量越小,再形成的雨滴越小,对地表的击溅能力越弱,植被所能减少的溅蚀能力越多;因此株高对溅蚀的影响主要体现在对降雨高度的影响上。

表5　不同植被类型溅蚀量与株高的拟合函数Tab.5 Fitted equation of relationship between stem height andsplash amount

3.3.3植被盖度的关系 降雨溅蚀的能量即雨滴降落势能转化为动能,植被通过缓冲作用使雨滴速度减小,动能减小,对土壤颗粒的击溅能力相应减小,使得土壤侵蚀量减少[24]。一定株高以下的植被可以有效地阻挡飞溅土粒,减少溅蚀量。如图8所示,溅蚀量与植被覆盖度呈负相关关系:随着植被覆盖的增大溅蚀量减小;植被覆盖率为0时,降雨强度从30mm/h增大到130 mm/h,溅蚀量从7.120 g增大到11.750 g,变化量为4.630 g;植被覆盖率为80%时,溅蚀量从0.280 g增大到1.040 g,变化量为0.760 g,比覆盖度为0时的变化量小得多。可以看出植被覆盖对坡面有很大的保护作用。植被覆盖度小于40%时的曲线斜率相比覆盖率大于40%的斜率平缓,40%是一个分界点,当植被覆盖度大于40%时,对坡面有较好的保护作用。这与RPC Morgan[1]的观点“土壤溅蚀随着覆盖的变化呈非线性减少”[2]相一致。本试验测得40%是一个分界点,较摩根得出的结论可更具体描述出植被覆盖度对溅蚀的影响。

图8　溅蚀量与植被覆盖度的关系Fig.8 Relations between splash amount and vegetation coverage

4 结论

1)溅蚀量随土壤前期含水量增大而增大,土壤前期含水量增大,土壤吸水能力变弱,入渗量减小,可蚀性增大,易发生击溅侵蚀。

2)溅蚀量与雨滴动能呈对数正相关关系(R2＞0.96,P＜0.05)。雨滴动能由降雨高度和雨滴大小决定,植被对降雨的再分配作用主要通过透流作用改变雨滴大小和降雨高度进而改变雨滴动能,不同植被叶面积、株高不同,叶面积系数越小,株高越矮,植被对溅蚀的阻挡作用越强。

3)溅蚀量和植被覆盖度呈负相关关系,土壤溅蚀随着覆盖的变化呈非线性减少,植被覆盖度越大,土壤溅蚀量随降雨强度增大而增大的幅度越小。

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Factors influencing soil splash erosion in rocky mountain area of northern China

Xiang Yingmin1,Zhang Hongjiang1,Cheng Jinhua1,Zhong Li2,Guo Chunmei3,Liu Yinshan3
(1.School of Soil and Water Conservation,Beijing Forestry University,100083,Beijing,China;2.Station of Soil and Water Conservation Station in Beijing,100036,Beijing,China;3.Soil and Water Conservation Station of Yanqing,102100,Beijing,China)

[Background]China is one of the countries with most serious soil erosion in the world.In geomorphology and geology,soil erosion is the action of exogenic processes(such aswater flow orwind) which remove soil and rock from one location on the earth’s crust,then transport them to another location where they are deposited.Eroded sedimentmay be transported just a few millimeters,or thousands of kilometers.Soil erosion destroys the farmland,decreases agricultural productivity,descends the land fertility,leads to flood disaster and renders bad influence on the soil protection and land development,all because of loss of the nutrient-rich upper soil layers.The soil sediment on the upper soil layers will displace from the surface under the effect of rainfall splashing to other places.The soil sedimentwill also crush,disperse,and splash,which becomes one of the most important factors formountain erosion.It occurs globally and becomes one of the most significant environmental problems.[M ethods]In this study,taking the rocky mountain area of northern China as the research object,we conducted field experiment of artificial rainfall,used improved Morgan spattering plate and raindrop generator,and employed the stainmethod in combination with leaf area index tomeasure soil erosion rate under different conditions.[Results]1)Splash erosion rate increased with the soilmoisture content in the early stage and had a positive correlation with the kinetic energy of raindrops(R2＞0.96,P＜0.05).2)The amountof splash erosion had no linearly negative correlation with the vegetation coverage(R2＞0.99,P＜0.05). There was lower splash erosion rate in the condition of higher intensity rainfall with higher vegetation coverage rate.3)Leaf area changed the diameter of contacting raindrops and plant height changed the rainfall height.Then,plants redistributed the rainfall and changed the kinetic energy of raindrops.The smaller the leaf area index and height were,the stronger the blocking effect of splash erosion was. [Conclusions]It is valuable to study mountain soil erosion factors for estimating soil erosion quantitatively.The process of rain splashing is short and it is complex to elucidate the singlemechanism. Scientists take splashing and surface erosion as a sequential process,while it is not easy to advance the study deeper and more detailed.One raindrop has very little effect on soil erosion,and is difficult to measure the diameter of it;therefore,it is difficult to carry out quantitative research on it.Meanwhile, there aremore indoor researches of slash erosion,compared with the outdoor utilization.And the theory of outdoor soil erosion needs to be popularized and applied in the field.

splash erosion;moisture content;leaf area;raindrop kinetic energy;stem height;vegetation coverage;rainfall intensity;the rockymountain area of northern China

S157.1

A

1672-3007(2016)02-0120-07

10.16843/j.sswc.2016.02.016

2015-04-08

2015-12-26

项目名称:中央高校基本科研业务费专项基金“典型水土流失类型区土壤可蚀性研究”(TD2011-2)

相莹敏(1991—),女,硕士研究生。主要研究方向:土壤侵蚀。E-mail:815078469@qq.com

简介:张洪江(1955—),男,教授,博士生导师。主要研究方向:土壤侵蚀与流域管理。E-mail:zhanghj@bjfu.edu.cn