王林不同水土保持措施对坡面径流含沙量的影响.doc

福建农林大学本科毕业论文 论文题目： 不同水土保持措施对 坡面径流含沙量的影响 学 院：林 学 院 专业年级： 2004级水土保持与荒漠化防治 学 号：040407052 姓名： 王林 指导教师、职称 陈清山 副教授 2008年 6月 3日1福建农林大学本科毕业论文FUJIAN AGRICULTURE AND FORESTRY UNIVERSITYThesis for UndergraduateSubject: The impact on Slope runoff sediment of different soil and water conservation measures College： Forestry College Specialty and Grade：Water and Soil Conservation Desertification Control Specialty，2004Number： 040407052 Name： Wang lin Advisor： Associate Professor Chen-qingshan Submitted time: June 3，2008 11 目录引言11 调查地区概况22.研究方法22.1实验模型22.2实验方法22.3数据整理33.结果与分析33.1降雨强度与径流含沙量相关性分析33.2不同水土保持措施作用下土壤有机质含量差异分析43.3不同水土保持措施作用下径流含沙量的差异分析63.3.1梯台处理坡面径流含沙量的差异分析73.3.2顺坡处理坡面径流含沙量的差异分析73.3.3相同植被处理下两种坡面处理模式的差异比较84结论8参考文献9致谢13摘要：针对福建三明山地丘陵区坡面水土流失现象愈发严重的事实，利用福建省农科院红壤果园径流实验场有效观测数据，采用相关性分析的方法，得到降雨强度与径流含沙量的相关性曲线，并采用方差分析的方法处理坡面径流含沙量数据，以探讨坡面不同水土保持措施对径流含沙量的影响。研究结果表明：平台+果+平托花生处理能有效降低坡面径流能量，降低坡面径流冲刷，减少径流含沙量。顺坡+果+平托花生处理可显著提高土壤有机质含量，改善土壤的抗蚀性，减少坡面径流的产生几率及径流含沙量。关键词：降雨强度 有机质含量 径流含沙量 百喜草Abstract：Aiming the fact of increasingly serious soil erosion in mountain slope hilly region of Fujian Sanming, using experimental effective observation data of red soil fruit garden runoff field and the method of correlation analysis ,then gets the correlation curve of rainfall intensity and runoff sediment. Through variance analysis of slope runoff sediment，researching the influence of different soil and water conservation measures towards runoff sediment. Results show that: The treatment of level platform &fruit& Pinto peanut can reduce the energy and the scour of slop runoff effectively and the runoff sediment .And the treatment of along the slope& fruit& Pinto peanut can obviously increase organic matter content and anti-erosion function of soil, reduce the possibility and sediment of slop runoff.Key words: rainfall intensity organic matter content runoff sediment Bahiagrass引言红壤是具有高岭化和富铝化特征的土壤，在中国主要分布于长江以南广阔的低山丘陵地区。红壤淋洗作用严重，有机质及土壤养分容易流失，表层土壤易酸化，加上气候条件高温及强降雨，造成土壤冲蚀严重。土壤透水性差，表层易结壳，渗透率低，以及高温使有机质分解快，致使土壤结构差，团粒化难，盐基饱和度低，养分少而易流失。再加上地形起伏大，每逢大雨，造成严重水土流失，且因土壤保水力差，易造成干旱。增加坡面植被覆盖度，可以提高土壤有机质含量，改良土壤质地，改善作物生长环境。本研究在参考国内罗涛，于家旺在不同垦殖方式对红壤果园生态系统的影响；张贤明，董文达、李德荣、对江西红壤坡地果园水土保持措施效益研究基础上1-5，针对国内外红壤山区坡面水土流失较为严重的现状，以坡面不同水土保持措施作用下径流实验场为研究对象，分析不同坡面水土保持措施作用与径流含沙量的关系，以期为福建省山区缓坡坡面的耕种方式进行有效指导。 1 调查地区概况实验在福建省尤溪县玉池小流域的福建省农科院红壤果园径流实验场进行。地理位置为北纬2625东经l1757，山地坡度15，坡向东南偏南。属亚热带季风性温润气候，夏无酷暑，冬无严寒，年平均气温18.9，年平均降雨量1 6001 800mm，全年无霜期312d以上。径流场1995年冬筹建，1996年春建成。径流场每种水土保持措施作用下的径流小区各做二个重复共设 10个小区，径流场面积1 800m2，每个径流小区宽4m，长25m，投影面积100m2。各小区下方建有两个1.5m3的沉沙贮水池，以收集流失的泥沙和径流。2.研究方法2.1实验模型表1 试验处理及内容Table 1 test processing and content代 号处理名称内容T1平台+果+ 平托花生小区25m长的坡上划分8个平台、每个平台前埂后沟，前埂15cm，后沟宽深各15cm，埂上种百喜草和南非马唐，台面种上豆科牧草平托花生。每个平台中间开挖直径80cm、深80cm的坑，种一株果树。T2平台+果+园叶决明梯埂种香根草，台面种园叶决明。余同T1T3平台+果对照T1，台面及提梗都不植草。T4顺坡+果+平托花生 顺坡开垦不修台，25m长的坡上，划分8个等分，每一等分种一棵果树，上下树间种50cm宽的百喜草和南非马唐草带，其余坡面种平托花生。T5 顺坡+果对照T4，全坡面不植草。注：径流试验场19962001年种柰李，2002年改种白凤水蜜桃2.2实验方法将径流池中收集的浑水样搅匀后, 边搅动边用取样瓶进行浑水取样(约3 000ml) , 取回的浑水样在实验室内用过滤法测定含沙量。即取500 ml 的浑水样用滤纸过滤, 然后将附有泥沙的滤纸置于烘箱内在105恒温条件下烘24h 后, 测量滤纸和泥沙的重量, 减去滤纸的烘干重量即为泥沙干重, 除以水样体积(500ml) , 则得到水样含沙量。再做一个重复浑水样。取二者含沙量的平均值为平均含沙量，转化成质量含沙量作为输出数据单位6-10。实验用重铬酸钾容量法，测定土壤有机质含量。在170180条件下，用过量的标准重铬酸钾的硫酸溶液氧化土壤有机质(碳)，剩余的重铬酸钾以硫酸亚铁溶液滴定，从所消耗的重铬酸钾量计算有机质含量。测定过程的化学反应式如下： 2K2Cr207+3C+8H2S04 2K2S04+2Cr2(SO4)3+3CO2+8H20 K2Cr207+6FeSO4+7H2S04 K2S04+Cr2(SO4)3+3Fe2(SO4)3+7H20利用统计学软件Origin，Windows软件Excel处理汇总整理后的数据。2.3数据整理实验所选择降雨时间虽分布于一年中的不同月份，但考虑到坡面有做植被处理的径流小区，所栽种的植被在这段时期基本都处于正常生长期，因此各径流实验小区可以做静态稳定的因素处理。各坡面水土保持措施作用下果园降雨后径流含沙量记录：见附表1。各坡面水土保持措施作用下果园土壤土样的有机质含量原始数据如附表2所示。3.结果与分析3.1降雨强度与径流含沙量相关性分析坡面径流的形成是降水与下垫面因素相互作用的结果，降水是产生径流的前提条件，降水量，降水强度，降水历时，降水面积等对径流的形成产生较大影响。雨水被土壤吸收，然后再通过下渗，进入土壤和岩石的孔隙中，形成地下水。随着植物截流和填洼过程的结束，水分主要入渗土壤，而土壤入渗率随时间延续而逐渐减弱，当降水强度超过土壤入渗率时，地表即开始形成地表径流8-11。地表径流的多少，除与降雨量，降雨强度关系密切外，它还与土壤的入渗能力，植被，地形等许多自然因素有关 12-14。利用采集的径流含沙量数据整理得到表2。表2 降雨分析Table 2 Rainfall analysis降雨日期（年月日）雨量(mm)降雨历时(h)平均雨强(mm/h)各坡面处理单次径流含沙量总和(kg/kg)2008.5.1 46.3315.430.3452008.4.l5 74.7418.670.3982008.4.7 103.2520.640.4632008.3.225.438.460.2282008.03.l3 30.42.512.160.2912007.1.12 22654.520.056利用Origin软件对平均雨强与所有坡面单次降雨径流含沙量总和进行相关性分析15-16，Y代表径流含沙量，X代表平均雨强。A，B，为线性方程系数，为无量纲。Origin软件处理结果如下所示：其中Y = A + B * XParameterValueErrorA0.007360.03419B0.022850.00237RSDNP0.979210.032546 6.43775E-4相关系数R为0.97921，显著性水平0.000643，标准偏差0.032546，说明这两个因素显著线性相关，相关性方程为Y=0.0228X-0.00736。利用Origin软件处理平均雨强与所有坡面单次降雨径流含沙量总和所得图像如图1其中水平X轴代表平均雨强，垂直Y轴代表径流含沙量。 图1 降雨强度与径流含沙量线性相关曲线 Figure 1 rainfall intensity and sediment runoff linear curve由图1，可见降雨强度与径流含沙量呈现出显著的线性相关性,随降雨强度的增大，所有坡面径流含沙量总和也相应增大。在此，我们得出降雨强度与径流含沙量线性相关，从而为以下将要分析的不同水土保持措施对径流含沙量的影响排除了一个外在主导因素。3.2不同水土保持措施作用下土壤有机质含量差异分析各坡面水土保持措施作用下果园土壤土样的有机质含量百分数如表3所示表3 不同坡面处理的土壤有机质含量Table 3 different slope with soil organic matter content处理编号有机质含量(g/kg)0-15cm土层15-30cm土层T1 25.722.5T2 24.019.0T3 17.919.4T4 28.219.9T5 21.720.2 表4 双样本方差分析Table 4 pairs of sample analysis of varianceF-检验 双样本方差分析0-15cm土层15-30cm土层平均 2.352.02方差0.156330.018747观测值55df44F8.339173P(F=f) 单尾 0.03194F 单尾临界6.388233表4中，由P值小于0.05知道，两土层样本方差存在显著性差异，既对于同一坡面处理模式0-15cm层土壤有机质含量与15-30cm层土壤有机质含量差异显著。从表3，可以看出，对于表层0-15cm土壤，T4的有机质最高，其次就是T1，含量最低的是T3。于表层土壤不同，各个坡面15-30cm层土除T1 有机质含量较高外，其他四个坡面有机质含量差异不是很显著，基本处于同一档次。特别是T3 ，坡面有机质含量在两个土层中变化不大，而T4 在两个土层中有机质含量变化显著，0-15cm层含量远高于15-30cm层。另外，基本上各坡面0-15cm层土壤较15-30cm层土壤有机质含量略高。分析中，我们推测各坡面种植牧草状况可能是导致土壤0-15cm层有机质含量有出现显著差异的一个主要原因。对于T1，T2台面及台埂种植牧草的不同导致土壤有机质含量出现差异。同样对于T4，T5在0-15cm土层土壤有机质含量出现了显著差异，这与百喜草和南非马塘草带的种植有关。对于T3平台+果，T5顺坡+果，由于两坡面都无牧草种植，故两者在两个土层的有机质含量差异不大。生长的植物，以其具有的覆盖地面，防止雨滴溅蚀，枯枝落叶及其形成的有机物质改变坡面土壤的条件和性质，能改变砂土的分散无结构状态和黏土的坚韧大块结构，使土壤透气性，蓄水性有所改善，导致水的入渗速率加快17-19。土壤动物依靠有机质作为食料，促进土壤团粒结构的形成26-27。所以，土壤有机体含量增加，土壤团聚体增多，相应的土壤孔隙率增大，相应的土壤入渗能力也增强，促进下渗水分的增加，并以其根系直接固持土体等作用，与风，水，所具有的夷平作用相制约，抵抗平衡的结果，就形成了相对稳定的坡地20-21。土壤有机质作为影响径流含沙量的一个因素，通过影响坡面径流的形成发展，减少了被径流冲刷带走的土壤数量。土壤有机质是坡面种植与坡面处理的综合结果，它依赖于坡面种植物种，并反过来长期影响着坡面果树的生长状况和坡面水土流失状况22-23。在此，我们得出T4处理在0-15cm土层的有机质含量最高。而其余坡面在相同土层有机质含量差异不大，0-15cm层土壤有机质含量较15-30cm层高,且坡面不作植草处理的坡面两个土层中有机质含量差异较小。考虑到坡面植草的生长状况，我们可以看出顺坡+果+平托花生处理是最有效提高土壤有机质含量的水土保持措施。3.3不同水土保持措施作用下径流含沙量的差异分析由原始数据得到各种水土保持措施作用下的降雨与径流含沙量的关系如表5。表5 不同降雨条件下各坡面径流含沙量（kg/kg）Table 5 Different conditions of the slope rainfall runoff sediment (kg / kg)坡面处理模式降雨记录T1 0.0120.018 0.0260.00400T20.0250.0380.0520.0120.0180T3 0.1240.1320.1470.0880.1050.021T4 0.0080.0140.026000T5 0.1760.1960.2120.1240.1680.035表6 方差分析表 Table 6 variance analysis table差异源SSdfMSFP-valueF crit坡面处理模式0.10052440.02513137.868794.58E-092.866081降雨0.02058850.0041186.204530.0012562.710890误差0.013273200.000664总计0.13438529表6中，P-value=4.58E-090.01，说明对于坡面处理模式，方差分析显示该因素在0.01水平对径流含沙量之影响显著 。由表5，对于T5和T3处理来说较为强烈的降雨过程，两者都会产生强烈的径流，并且伴随强烈的坡面泥沙流失。但梯台处理坡面由于前梗和后沟的拦截径流沉积泥沙的作用，及自身跌水结构的沉积作用使坡面径流含沙量得到一定降低，从而较顺破不做植草坡面具有更好的防治土壤流失作用。对于梯台坡面植草及顺坡植草来说，降雨强度的增大，并不伴随径流含沙量的同步增大，在一般强度的降雨中，两种坡面可以有效防止坡面径流的形成，尤其对于顺坡植草坡面，其对径流形成的抗拒能力尤为强大。3.3.1梯台处理坡面径流含沙量的差异分析表7 梯台处理坡面径流含沙量（kg/kg）Table 7 staircase deal with Taiwan sediment runoff slope ( kg / kg)坡面处理模式降雨记录 T10.0120.0180.0260.00400T20.0250.0380.0520.0120.0180T30.1240.1320.1470.0880.1050.021从表7可见在2008年4月15日连续降雨8小时降雨74.7mm，2008年5月 l日连续降雨3小时降雨46.3mm以及2008.4.7连续5小时降雨103.2mm这三次降雨过程，T1处理产生了轻微的坡面径流冲刷，导致径流含沙量随三次降雨强度的变化同步增大。而从另外三次降雨过程，T1坡面起到了显著作用，且坡面泥沙侵蚀只出现一次；而T2在这三次中的径流冲刷出现两次，而且当这两个坡面都有坡面径流出现的情况下，后者的径流含沙量远大于前者,这与台梗植草对梯台壁面的保护能力和台面植草的生物学性状有关。在这六次降雨过程中，T3都有径流侵蚀出现，而且当这三个坡面都有径流侵蚀出现时，T3的径流含沙量远大于前面两个坡面处理，在强烈降雨过程中，由于地表缺乏植被保护，土壤经雨水渗透饱和之后，形成强烈的地表径流，致使坡面土壤遭受强烈侵蚀。从图中可见，历次强降雨过程都致使坡面出现了地表径流，并且伴随严重的径流侵蚀。梯台处理坡面具有较大的蓄水能力，对中、小降雨产生的径流可以全部拦蓄。据多年观测，水平梯田在24 h降水100 mm情况下可全部拦蓄而下渗；其年拦蓄径流量每公顷为150 m3 225 m3 ，年拦沙量每公顷为6 t9 t24-25 。可见，平台+果+平托花生坡面极大的减弱了坡面径流冲刷，从而保护坡面免受径流冲刷带来的坡面水土流失。3.3.2顺坡处理坡面径流含沙量的差异分析 表8 顺坡处理坡面径流含沙量（kg/kg）Table 8 Slopes deal with sediment runoff slope (kg / kg)坡面处理模式降雨记录T4 0.0080.0140.026000T5 0.1760.1960.2120.1240.1680.035从表8可见，T5坡面的径流含沙量远远大于T4坡面的径流含沙量，而且T5处理在历次降雨过程都出现了极为严重的径流侵蚀。处理只是在三次强降雨过程中出现了径流，而较弱的另外三次降雨过程中则没有。两者相较，我们可以发现坡面植草在防止坡面径流侵蚀中所起的巨大作用及T4顺坡+果+平托花生坡面在防止径流形成方面的强大优势。3.3.3相同植被处理下两种坡面处理模式的差异比较表9 相同植被处理下坡面径流含沙量（kg/kg）Table 9 the same vegetation sediment runoff with the next slope ( kg / kg)坡面处理模式降雨记录T1 0.0120.018 0.0260.00400T3 0.1240.1320.1470.0880.1050.021T4 0.0080.0140.026000T5 0.1760.1960.2120.1240.1680.035由表9，比较 T4顺坡+果+平托花生与T1平台+果+平托花生径流侵蚀状况的差异，我们推测T4坡面与T1 坡面相比有坡面过流面积小的优势，而后者具有优良的梯台结构，在同次降雨过程中出现坡面径流的情况下，径流含沙量后者比前者略大。这可能是因为梯台坡面台埂植草生长状况不是很理想，无法充分覆盖梯台壁面，导致壁面裸露，提供了径流的过流侵蚀表面。而对于较小的降雨，T4处理坡面减少径流的优势一览无遗，甚至没有径流产生，可见顺坡+果+平托花生处理是减少坡面径流的有效措施。T3，T5在历次降雨中都有径流侵蚀现象，相形之下， T5顺坡+果坡面径流含沙量更大。4结论从以上分析中，我们可以发现，本次研究中影响径流含沙量的因素主要有三个：一是降雨强度，二是坡面有机质含量，三是坡面处理措施。降雨强度直接影响坡面径流量和径流侵蚀能量，从而影响径流含沙量，降雨强度越打径流含沙量越大，两者呈线性相关关系。土壤有机质含量作为影响径流含沙量的一个因素，通过影响坡面径流的形成发展，减少了被径流冲刷带走的土壤数量26-28。牧草是保护水土资源的一项成效迅速显著的措施。在坡面植草处理的条件下，坡面土壤有机质含量得到极大改善。在土壤水分入渗的过程中，有机质含量高的土壤中，腐殖物质也越多，相应地土壤的持水率增大，导致土壤入渗能力的增大29-30。顺坡套种平托花生在所有处理中是最有效的减少坡面径流的处理，它具有紧凑的植被结构、相对较小的坡面面积和明显较高的土壤有机质含量，而梯台套种平托花生处理，往往由于壁面植草的糟糕生长状况，无法对全坡面进行有效保护，降低了其防止水土流失的作用。在对坡面的实际改造利用中，因地制宜，依地形条件，将其做梯台处理，利用果树套种平托花生，保证壁面面植草的良好生长，利用台面结构有效截留坡面土壤；如条件不允许，直接在坡面种植果树并套种平托花生，增加坡面土壤有机质含量，改善土壤质地和结构，提高土壤的入渗能力，在有效减少坡面径流的同时减少径流含沙量。参考文献1罗涛,于家旺.不同垦殖方式对果园生态系统的影响J.中国生态农业学报,2003 ,3(11) 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