耕作微地形单元对溅蚀的影响

2022-04-08王子轩吴发启陈科兵

水土保持学报 2022年2期

王子轩，吴发启，陈科兵

(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)

溅蚀作为降雨前期的主要侵蚀类型因导致土壤颗粒发生跃迁，压实地表形成结皮，造成土壤入渗能力下降、土壤生产力退化等现象而受到人们的广泛关注。Ellison首次采用溅蚀杯法研究了雨滴溅蚀的特征，后来的研究者发现，土壤溅蚀量大小受到溅蚀杯半径大小的影响，为此先后出现了采用溅蚀板和溅蚀盘来研究溅蚀，其结果证实，溅蚀量随着降雨强度和坡度的增大而增大。可见，地形的形态特征是影响溅蚀量大小的主要因素之一。在长期的生产实践中，人们创造性地构建了农业耕作技术体系，特别是耕作措施形成高低起伏的微地形，实现蓄水、保墒和增产的目标。与此同时，对溅蚀也产生了影响。降雨过程中微地形总是处于一个动态的变化过程，且不同降雨条件下不同管理措施坡面地表微地形表现出一定程度的不规则性。关于微地形对土壤溅蚀影响的研究成果存在较大的差异。郑子成等经过降雨模拟试验后得出，在降雨作用后地表的随机糙度变化呈增加趋势，在降雨强度增加的情况下，随机糙度的变化量也呈增加趋势，并在2 m×1 m的冲刷槽上，采用人工模拟降雨的方法得出顺坡垄作和横坡垄作在大雨强条件下向下坡、上坡及溅蚀总分散量增加；赵龙山等在1 m×0.5 m×0.5 m的土槽中通过对锄耕、掏挖、等高耕作等微地形特征的模拟得出，增大地表的糙度可以减弱溅蚀的作用。这些研究成果均是在冲刷槽中布设相同措施、不同数量的条件下得出的，是多个微地形的综合作用。现有微地形对土壤溅蚀量的研究均从大面积尺度上进行试验分析，对空间上不连续的微地形单元溅蚀量研究仍是一项空白。因此，本文以杨凌塿土为研究对象，通过模拟降雨试验，在25 cm×20 cm×15 cm尺寸装土槽上布设条播和点种耕作措施收集不同方向溅蚀量的方法，深入探究溅蚀的潜在机理，为黄土高原溅蚀发生的机制提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 供试土样

选择陕西省杨凌示范区的坡耕地表层(0—20 cm)土壤为供试土样。土壤为塿土，其理化性质为有机质含量7.4%，黏粒含量30.3%，粉粒含量50.8%，砂粒含量21.5%。

1.2 试验装置

该试验于2019年6—8月在西北农林科技大学水土保持工程实验室进行。采用针头式模拟降雨机(图1)。降雨机由恒压水箱、雨滴发生装置及钢筋框架三部分构成。通过调节水箱中玻璃管内水头高度改变水箱的压强使降雨强度恒定。雨滴发生装置为下喷式，由长方形凹槽和底部的80个针头组成。为解决雨滴始终打击在同一点的问题，在查阅了针头式模拟降雨机相关文献后，在雨滴发生装置的侧方安装了线性震动马达，改变雨滴下落的轨迹。

图1 针头式模拟机降雨机示意

采用长25 cm×宽20 cm×高15 cm尺寸铁盒作为装土槽。收集装置为2块122 cm×244 cm的木工板拼接在一起，在木工板上按照方向的不同标定出北—西北、西北—西、西—西南、西南—南、南—东南、东南—东、东—东北、东北—北8个区域，并将每个区域按照<10，10～30，30～50 cm的距离分为三部分(图2)。进行预试验时发现，在任意雨强和坡度的条件下均未发生超过50 cm的土粒飞溅，故收集装置的距离范围上限为50 cm。在每个网格中放置事先称好的滤纸，降雨结束后将每个区域的滤纸放入事先称好的铝盒中，一并放入烘箱烘干并称重，烘干后将铝盒与滤纸的总重与降雨前铝盒与滤纸的总重作差视为每个区域的溅蚀量。称重时使用万分之一天平。

图2 溅蚀收集盘示意

1.3 试验处理

该试验主要模拟平地上点种与条播(分为横向条播和纵向条播)对溅蚀的影响。以无耕作措施的平整地为对照，3种措施分别通过掏挖和填土来实现。处理前将采集的土壤过1 cm筛，装槽填土时使容重保持在1.20 g/cm左右。降雨强度设定为20，40，60，80，100，120 mm/h 6个处理，降雨历时为10 min。具体处理为：(1)对照，将土体压实装入土盒内，并将表面剐平，压碎大颗粒土块；(2)点种，在槽子的后方用撅头挖1个直径为20 cm、深度为10 cm的小坑，挖出来的土就地堆放于槽子表面的正前方；(3)条播，在装土的同时沿槽子长边起土堆成三角形的土垄，垄的底宽20 cm，长25 cm，垄高分别为1.0，1.7，2.3，3.6，4.9 cm。试验时，首先将条播槽子放成东西向(定义为横向条播)，下一轮将试验又将其放成南北向(定义为纵向条播)，以模拟微地形倾向对溅蚀的影响(图3)。采用Origin 2017软件进行不同雨强条件下耕作微地形特征与溅蚀量关系图的绘制，SPSS 20软件进行数据的相关性检验。

图3 不同耕作微地形单元示意

2 结果与分析

2.1 不同耕作微地形溅蚀数量特征

表1为3种耕作措施的溅蚀总分散量特征。平地与点种的最大值是降雨强度为120 mm/h时造成的溅蚀总分散量，最小值是降雨强度为20 mm/h时造成的溅蚀总分散量。横向条播和纵向条播的最大值是降雨强度为120 mm/h且垄高为4.9 cm时造成的溅蚀总分散量，最小值是降雨强度为20 mm/h且垄高为1 cm时造成的溅蚀总分散量。由表2可知，相较于平整地，点种微地形单元的溅蚀总分散量的最大值和最小值分别减少12%和19.1%，平均值减少4.6%。横向条播微地形单元的溅蚀总分散量的最大值和最小值分别增加47.7%和1.6%，平均值增加14.9%。纵向条播的溅蚀总分散量的最大值和最小值分别增加44.8%和2.3%，平均值增加14.1%。说明不同降雨强度、不同微地形特征条件下的溅蚀总量差异明显。

表1 不同耕作微地形溅蚀总分散量特征单位：g

2.2 坡度和降雨强度对溅蚀量的影响

不同坡度和降雨强度对溅蚀总分散量的影响存在显著差异。为研究坡度对溅蚀量的影响，将水平条播的隆起坡度设置为0，6°，10°，13°，20°，26°，将向前方溅蚀量定义为向下坡溅蚀量。从图4可以看出，向下坡溅蚀量随着坡度的增大显著增加。20，40 mm/h降雨条件下向下坡溅蚀量随着坡度的增大分别增加53.6%～176.5%和56.6%～190.1%；60，80 mm/h降雨条件下向下坡溅蚀量随着坡度的增大分别增加55.1%～242.9%和65.1%～260.5%；100，120 mm/h降雨条件下向下坡溅蚀量随着坡度的增大分别增加69.3%～282.3%和69.1%～310.4%。

图4 微坡度与向下坡溅蚀量的关系

从图5可以看出，溅蚀总分散量随着降雨强度的增加呈增加趋势。平整地(坡度为0)和6°坡面溅蚀总分散量随着降雨强度的增大分别增加4.7%～44.9%和6.8%～59.6%。10°和13°坡面的溅蚀总分散量随着降雨强度的增大分别增加6.6%～122.8%和14.5%～136.2%。20°和26°坡面的溅蚀总分散量随着降雨强度的增大分别增加4.7%～87.3%和9.9%～115.1%。

图5 降雨强度与溅蚀总量的关系

通过对溅蚀向下坡溅蚀量和降雨强度及坡度进行多元回归分析，得到方程为：

=0.142+0.053-0.0373，=0.905，=36

(1)

式中：为向下坡溅蚀量(g)；为降雨强度(mm·h)；为坡度(°)；为样本数。

由回归方程可知，向下坡溅蚀量与降雨强度和坡度呈二元一次函数关系。向下坡溅蚀量与二者均呈现正相关关系。因为降雨强度和坡度的幂指数均为1，说明在该试验条件下，降雨强度对向下坡溅蚀量的影响程度与坡度对向下坡溅蚀量的影响程度相近。

2.3 微坡向对溅蚀量的影响

从图6可以看出，微坡向对各方向溅蚀量的影响明显。相较于平整地，点种微地形单元的向北方向溅蚀量增加68.8%～227.0%，向南方向溅蚀量减少57.5%～90.8%。向东方向溅蚀量和向西方向溅蚀量分别减少24.1%～58.8%和30.2%～57.7%。相较于平整地，纵向条播微地形单元的向东方向溅蚀量和向西方向溅蚀量分别增加8.6%～197.1%和18.9%～124.0%，向北方向溅蚀量和向南方向溅蚀量分别减少40.1%～87.0%和13.0%～58.9%。相较于平整地，水平条播微地形单元的向东方向溅蚀量和向西方向溅蚀量分别减少27.2%～76.9%和32.0%～73.0%。当降雨强度为20 mm/h时，水平条播微地形单元的向北方向溅蚀量和向南方向溅蚀量分别减少26.4%和10.8%。当降雨强度>20 mm/h时，向北方溅蚀量和向南方向溅蚀量分别增加59.6%～183.0%和97.9%～217.1%。相较于平整地，点种微地形单元的向北方向溅蚀量占溅蚀总分散量的百分比增加82.9%～189.6%，向南方向溅蚀量占溅蚀总分散量的百分比减少55.2%～87.6%。向东方向溅蚀量和向西方向溅蚀量占溅蚀总分散量的百分比分别减少27.2%～47.9%和26.4%～51.9%。相较于平整地，水平条播微地形单元的向北方向溅蚀量和向南方向溅蚀量占溅蚀总分散量的百分比分别增加35.9%～81.6%和55.5%～95.0%，向东方向溅蚀量和向西方向溅蚀量占溅蚀总分散量的百分比减少49%～70.5%。相较于平整坡，纵向条播微地形单元的向北方向溅蚀量和向南方向溅蚀量占溅蚀总分散量的百分比分别减少62.1%～86.1%和41.1%～54.2%，向东方向溅蚀量和向西方向溅蚀量占溅蚀总分散量的百分比分别增加41.2%～79.4%和28.9%～96.6%。说明微坡向在微地形单元内改变溅蚀的方向和分布情况。

图6 微坡向与溅蚀量关系

相关分析(表2)表明，点种耕作微地形单元的降雨强度与北方向溅蚀量存在0.1水平上的显著相关，与东西方向溅蚀量存在0.05水平上显著相关。条播耕作微地形单元的降雨强度与每个方向的溅蚀量均存在0.1水平上的显著相关。

表2 降雨强度与不同坡向相关性

3 讨论

由结果分析可知，向下坡溅蚀量随着坡度和降雨强度的增加呈二元一次线性关系(>0.9)，溅蚀总分散量随着降雨强度的增加呈线性增加(>0.93)。这与郑子成等对地表糙度对溅蚀量影响试验研究的结果相似。坡度的增加导致土体表面产生沿着土体表面向下方向的剪切力，促使土粒更易向前方发生跃迁，雨滴与土粒撞击时垂直于斜面的分力变小使其对地面的压实效果变弱，且沿斜面向下的分力增大，因此导致向下坡溅蚀量的增加。坡度的增加使土壤含水量和土粒自身的黏结力下降，导致土粒本身更容易向下坡发生溅蚀。降雨强度的增大使雨滴动能增大，导致雨滴与土粒发生撞击后作为土粒发生跃迁的直接动能增大。同时降雨强度的增大后雨滴击打的频率更加密集，导致发生跃迁土粒数量的增加。坡度的增加导致土壤黏结力减弱，坡面稳定性下降，同时雨滴侧向剪切力的增大，使关系式(1)中回归系数的值增大。宏观表现为随着坡度的增加，降雨强度对向下坡溅蚀量的影响更加明显。微坡向在微地形单元内改变溅蚀的方向和分布情况。由于微坡度的存在将平行于坡面的剪切力分为向上坡方向、向下坡方向和侧坡方向，相较于平整地，微坡度使剪切力沿向下坡方向的分力增加，向上坡的分力减小，造成土粒更易向下坡的方向发生跃迁。宏观表现为溅蚀朝着微坡向的方发生的百分比增加。点种措施的后半部分存在土坑，使部分土粒无法跃迁出土坑，同时前半部分的土堆微坡度存在差异，导致降雨强度与东西方向溅蚀量显著性降低，南方向相关性不显著。

前人的结论多基于野外径流观测和小区试验，本研究结论基于单位面积室内试验。由于耕作微地形单元影响溅蚀量的主要因素——土粒的重力和雨滴剪切力的大小均未发生变化，因此得出的结论可以进行对比。大面积尺度的溅蚀试验中，存在土槽内部土粒发生跃迁无法收集且向下坡溅蚀和向上坡溅蚀相互抵消的现象。因此与郑子成等2 m×1 m的冲刷槽试验和赵龙山等1 m×0.5 m的土槽模拟降雨试验相比，本试验的单位面积溅蚀量同面积比例放大后显著高于前两者。因此，进行耕作微地形单元溅蚀量的研究十分必要。