黄土坡耕地不同地表糙度下坡面填洼与入渗的关系研究

李陶陶，吴发启

(1.西北农林科技大学 水土保持研究所，陕西 杨凌 712100；2.西北农林科技大学 资源环境学院，陕西 杨凌 712100)



黄土坡耕地不同地表糙度下坡面填洼与入渗的关系研究

李陶陶1，吴发启2

(1.西北农林科技大学 水土保持研究所，陕西 杨凌 712100；2.西北农林科技大学 资源环境学院，陕西 杨凌 712100)

地表糙度；填洼量；入渗量；黄土高原

以黄土坡耕地为研究对象，以平整坡作为对照，采用等高条播、人工锄耕和等高犁耕3种耕作措施产生不同的地表糙度，分析了不同降雨强度条件下地表最大填洼量和实际填洼量的特征、入渗量的影响因素、填洼量与入渗量的关系。结果表明：3种不同耕作措施的地表糙度大小为等高条播>人工锄耕>等高犁耕，最大填洼量、实际填洼量和入渗量随着地表糙度的增大而增大；入渗量也随着最大填洼量和实际填洼量的增大而增大，且与最大填洼量和实际填洼量均呈线性正相关关系，但实际填洼量对入渗量的影响程度要大于最大填洼量。

地表糙度是指由人类活动和自然因素作用引起的地表高低起伏、凸凹不平的程度。其作为地表主要物理性状指标，既反映了地表微地貌形态，又是影响降雨过程中地表水分转化与水力学特性的重要参数，还影响着渗透速率、地表径流、地表填洼量及径流对地表土粒的冲蚀过程[1]，是影响土壤侵蚀的重要因素。

水土保持耕作措施使地表形成系列洼地[2]，地表坑洼蓄水具有强化入渗、提高雨水转化为土壤水比率的效应[3]；Darboux等[4-5]研究表明，在降雨过程中地表填洼直接影响径流的产生和流向，是一个重要的径流特征参数；Singh等[6]研究表明地表坑洼产生的水流阻力对坡面径流及泥沙输移有一定的影响，而影响的大小与地表起伏程度有关。地表坑洼拦蓄地表径流，能大大延缓产流时间，地表形成的积水又能有效增加土壤入渗，减少径流量并消减径流能量。Bjarne Hansen等研究坡耕地填洼量特征时提出了MUD(mean upslope depression，平均上坡凹陷量)指标，实质就是地表负地形的平均深度[7]。填洼量获取最直接的方法是采取措施降低地表透水性，如覆膜、喷洒阻水剂等，直接在坡面浇水计算填洼量，也可以通过采集地表高程数据建立DEM，与未处理坡面采集的地表高程数据建立的DEM相减即得到地表填洼量[8]。此外还有多种多样的地表填洼量模型，有线性模型[9]、非线性模型[10-12]，这类模型通常是将地表粗糙度与坡度结合起来一起估算地表填洼量。

虽然对填洼量和入渗量的研究已经有了很多成果[13-15]，但缺少将二者结合分析的研究，尤其是在不同地表糙度的条件下分析填洼量与入渗量的关系。因此，本研究以黄土坡耕地常用的3种耕作措施(等高条播、人工锄耕和等高犁耕)为研究对象，研究在不同地表糙度条件下最大填洼量、实际填洼量与入渗量随地表糙度的变化特征，以及填洼量与入渗量间的相关关系，并比较最大填洼量、实际填洼量对入渗量的影响程度。

1 材料与方法

1.1 试验材料与设计

试验是在西北农林科技大学水工实验室内4 m×1 m的径流小区上进行的，坡度分别为3°、5°、10°、15°、20°，每个坡度设4个小区。每次试验采用人拉铧犁、人拉耧、锄头等农具，分别布设对照组、等高犁耕、等高条播和人工锄耕4种耕作措施，其中对照组处理是在等高犁耕的基础上再人工耙平。小区土壤为陕西省杨凌区坡耕地地表土(0～20 cm)。采用人工模拟降雨的方法，降雨设备为中科院水土保持研究所研制的侧喷式降雨机，降雨方式是采用两个降雨机对喷，降雨高度为7.5 m，降雨均匀度为85%。为保证每轮降雨过程中总的降雨量相同，雨强设计为60、90、120 mm/h，对应的降雨时间分别为60、40、30 min。降雨过程中不间断地接取径流泥沙样，降雨过程中水平放置雨量筒测定实际的降雨强度。

1.2 参数的计算

1.2.1 地表糙度指标

地表糙度指标选用Linden与Van Doren提出的平均绝对高差法[11]。他们认为地表糙度应该是平均绝对高差变化的结果，可用LD指数和LS指数2个地表参数进行描述。LD指数反映微地表起伏变化，是水平间隔接近无穷大时相对高程间的差异；LS指数是水平间隔接近0时相对高程与水平间隔的比值，反映微地形起伏结构的变化。将LD指数和LS指数结合在一起，即R=(LD×LS)1/2，就可以兼顾微地表起伏变化与微地形起伏结构的变化，具体计算过程借助自编VB程序完成。计算公式为

(1)

式中：ΔZh为绝对高差，cm；Zi为i点的高程，cm；Zi+h为i+h点的高程，cm；n为样本数。

在此基础上，研究发现绝对高差与水平距离间存在下列关系

(2)

式中：a、b为待定参数；ΔXh为水平距离(≤20 cm)。

这时就可定义

(3)

1.2.2 最大填洼量的计算

通过薄膜法测定最大填洼量。将检查完好的地膜(厚度为0.005 mm)布设在各种处理的坡面上，并使其与地表充分贴实后，在试验小区顶部用喷壶洒水，直到小区出水口产流为止，然后记录注水量和出水量。最大填洼量计算公式为

(4)

式中：Umax为最大填洼量，cm；Q出、Q入为出水量和注水量，cm。

1.2.3 实际填洼量的计算

以降雨产流开始之前的填洼量作为实际填洼量Ut。以等高条播为例，平整坡的产流时间为t0，等高条播的产流时间为t，在t时段内平整坡的产流量Q0可直接测定，而在t时段内平整坡的降雨量P0转化为入渗量f0、产流量Q0和填洼量U0(近似为0)，即可得出f0=P0-Q0。雨前土壤含水量很低，产流时间很短，本试验各种处理对应的水分初始入渗率都很大且相差不大，即等高条播产流入渗量f≈f0。用公式(5)可计算得出t时间等高条播的填洼量[16]，即

(5)

式中：Ut为产流前的实际填洼量，cm；Umax为最大填洼量，cm；Pt为t时间的降雨量，cm；f为t时间的入渗量，cm。

相应地也可以计算得出等高犁耕和人工锄耕产流前的实际填洼量。

1.2.4 入渗量的计算

入渗量是指整个降雨过程中的总入渗量，即根据水量平衡原理，整个过程中蒸发量可以忽略，降雨量减去径流量即为入渗量。

2 结果与分析

2.1 不同耕作措施下的地表糙度

3种不同的处理产生不同的地表糙度，降雨前耕作措施的地表糙度见表1。由于等高条播沿等高线形成了平行的沟垄，对地表横向纵向的扰动最大，因此其地表糙度最大，人工锄耕次之，等高犁耕的糙度较小[17]。

表1 各耕作措施降雨前地表糙度

2.2 不同地表糙度下最大填洼量的基本特征

地表糙度反映了地表微地形变化，影响入渗与产流，是填洼量变化的重要原因。许多形式的耕作措施都可以增大地表填洼量，降雨过程中填洼量是时刻变化的，因为地表糙度、地表土块数目与地表径流连通性每时每刻都在发生变化[10]，所以本研究测定的是雨前最大填洼量。

降雨试验前不同处理下的最大填洼量随坡度变化的特征见图1。由图1可看出，在同一耕作措施下填洼量随着坡度的增大而减小，随着坡度增大，坡面坑洼深度和面积等特征发生变化，使坡面蓄水能力减小；在同一坡度下不同耕作措施最大填洼量大小为等高条播>人工锄耕>等高犁耕>平整坡(平整坡填洼量为0)。进一步计算得出，随着坡度的增大(5°、10°、15°、20°)，相比坡度3°时，等高条播填洼量分别减少了9.13%、19.13%、25.47%和58.50%，人工锄耕填洼量分别减少了12.66%、14.17%、30.74%和39.43%，等高犁耕填洼量分别减少了17.19%、21.87%、22.21%和40.42%。随着坡度的增大，填洼量的变化越来越明显，填洼量在坡度<10°时的变化率较>10°时的变化率小。在坡度变化较小的范围内坡度对填洼量的影响较小。

图1 不同耕作措施最大填洼量随坡度变化特征

2.3 不同地表糙度下实际填洼量的变化特征

在降雨过程中，不同处理的产流开始时间，等高犁耕最早，之后是人工锄耕和等高条播。产流前实际填洼量大小为等高条播>人工锄耕>等高犁耕，如在90 mm/h雨强10°坡度条件下等高条播、人工锄耕和等高犁耕3种不同处理的产流前实际填洼量分别为0.40、0.20和0.09 cm，雨前最大填洼量分别为0.55、0.31和0.16 cm。这说明不同处理雨前最大填洼量和产流所需要的实际填洼量大小均为等高条播>人工锄耕>等高犁耕，且实际填洼量均小于最大填洼量，说明在降雨过程中并不是降雨填满所有坑洼后才开始产流，而是存在一个填洼的临界值即实际填洼量，当降雨量转换为填洼量达到实际填洼量时即开始产流。例如，当等高条播达到实际填洼量，垄间的蓄水会冲破垄流入下一个坑洼地，从而形成地表径流。

产流前实际填洼量取决于坡度、产流前降雨量和地表糙度。分别对产流前实际填洼量、坡度、产前降雨量和地表糙度进行归一化处理，应用SPSS统计分析软件对产流前实际填洼量与坡度、产流前降雨量、地表糙度进行多元线性回归分析，结果达到显著水平，关系式表述为

Ut=0.034S+0.135Pt+1.387R-0.122，R2=0.828

(6)

式中：Ut为产流前实际填洼量；S为坡度；Pt为产流前降雨量；R为地表糙度。

2.4 不同地表糙度下的入渗特征

不同雨强、不同耕作措施条件下入渗量随坡度的变化如图2所示。从图中可以看出，各雨强条件下，入渗量均随着坡度的增大逐渐减小，在同一坡度下不同耕作措施的入渗量大小为等高条播>人工锄耕>等高犁耕>平整坡，即入渗量随地表糙度的减小而减小。

2.5 填洼量与入渗量的关系

2.5.1 最大填洼量与入渗量的关系

试验结果表明，最大填洼量越大，入渗量也越大。因为地表坑洼积水具有强化入渗，提高雨水转化为土壤水比率的效应，所以在降雨过程中，地表填洼量可以影响降雨径流的产生、改变径流方向，地表坑洼产生的水流阻力对坡面径流及泥沙输移有一定的影响。地表坑洼一方面拦蓄了地表径流，延缓产流时间；另一方面在地表形成一定积水又增加了土壤入渗，减小坡面径流，消减径流能量。在降雨过程中不同耕作措施下等高犁耕最先产流，其次为人工锄耕、等高条播，由此可以看出填洼量越大，入渗量也随之变大，产流时间推迟。由图3可以看出，3种不同雨强条件下，等高条播、人工锄耕和等高犁耕3种耕作措施的入渗量与最大填洼量之间都是呈线性正相关关系。

图2 不同雨强条件下入渗量变化过程

图3 不同雨强条件下最大填洼量与入渗量的关系

2.5.2 实际填洼量与入渗量的关系

从图4可以看出，入渗量同样随着实际填洼量的增大而增大，实际填洼量越小说明越容易形成坡面径流，坡面径流的形成减少了土壤入渗作用，导致入渗量减少。3种不同雨强条件下，等高条播、人工锄耕和等高犁耕3种耕作措施的入渗量与实际填洼量也是呈线性正相关关系。

图4 不同雨强条件下实际填洼量与入渗量的关系

2.5.3 最大填洼量、实际填洼量对入渗量的影响比较

不同雨强(60、90、120 mm/h)条件下最大填洼量与入渗量呈线性相关关系，其R2值分别为0.84、0.79、0.83，实际填洼量与入渗量关系的R2值分别为0.91、0.83、0.91，均达到显著水平，且实际填洼量与入渗量的拟合效果优于最大填洼量与入渗量的拟合效果，即实际填洼量对入渗量的影响要比最大填洼量大。因此，在降雨过程中计算实际填洼量对入渗量的分析更加重要。

3 结 论

以黄土坡耕地为研究对象，以平整坡作为对照，采用等高条播、人工锄耕和等高犁耕3种耕作措施，产生不同的地表糙度，分析了不同降雨强度条件下地表最大填洼量和实际填洼量的特征、入渗量的影响因素、填洼量与入渗量的关系。结果表明：3种耕作措施下产生的地表糙度大小为等高条播>人工锄耕>等高犁耕；在同一坡度下，最大填洼量和实际填洼量均随着地表糙度的增大而增大，入渗量也随着地表糙度的增大而增大；在同一耕作措施下，最大填洼量和实际填洼量随着坡度的增大而减小，入渗量也随着坡度的增大而减小；填洼量可以强化降雨入渗、延缓产流时间，最大填洼量、实际填洼量和入渗量之间均呈线性正相关关系，且实际填洼量对入渗量的影响比最大填洼量大。

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(责任编辑 李杨杨)

国家自然科学基金项目(K305021201)

S157

A

1000-0941(2016)11-0060-05

李陶陶(1990—)，男，安徽合肥市人，硕士研究生，主要从事土壤侵蚀方面的研究；吴发启(1957—)，男，陕西黄陵县人，教授，博士生导师，主要从事土壤侵蚀与水土保持方面的研究。

2016-02-04