紫色土坡耕地径流过程监测与分析

紫色土坡耕地径流过程监测与分析

紫土是长江上游最重要的文化特色之一，集中在四川盆地。四川省紫色土面积约16万km2,紫色土耕地面积约占四川耕地的68%。紫色土由紫色页岩发育而成,具有土层浅薄、孔隙度大、入渗能力高等特点,土壤水分垂向运动剧烈,持续降雨时,水分极易下渗至土壤-岩石界面,而紫色泥页岩渗透性弱,水分难以垂直入渗而沿坡向汇集成壤中流。壤中流发育是紫色土坡耕地最显著的特征之一。另一方面,紫色土坡耕地侵蚀严重,已成为长江上游水土流失的主要场所和江河水库泥沙的主要来源。因此,研究紫色土坡耕地产流规律对于深入认识紫色土坡耕地水文过程,指导长江上游水土保持建设和农业面源污染控制均有重要意义。国内学者已经对紫色土坡耕地产流机制、过程等进行了大量研究。例如,刘刚才等利用简易的壤中流观测系统研究了紫色土坡耕地不同降雨产流过程,发现小雨时只有地表径流产生,暴雨和大暴雨时,表面径流和壤中流都有发生;王先拓等通过人工模拟降雨试验研究了坡度对四川盆地紫色土坡耕地地表径流产流的影响;徐佩等利用人工模拟降雨研究了紫色土坡耕地壤中流产流特征,认为紫色坡耕地土层较浅是导致壤中流增大的主导因素,缓坡有利于壤中流的产生。但大多数研究侧重于单一径流过程,而且主要依靠人工降雨模拟试验进行,系统研究坡耕地地表径流和壤中流过程及径流分配特征的研究不多,尤其缺乏野外长期试验研究。本文通过野外径流小区试验,结合人工降雨模拟试验,系统研究紫色土坡耕地产流过程、径流分配特征及影响因素,旨在为紫色土坡耕地可持续利用生态系统的构建及长江上游水土保持方略的制定提供科学依据。1测试方法1.1站的自然概况野外试验与观测依托中国科学院盐亭紫色土农业生态试验站(105°27′E,31°16′N)。该站位于四川盆地中北部的盐亭县林山乡,地处涪江支流弥江、湍江的分水岭上。属中亚热带湿润季风气候,年均气温17.3℃,极端最高气温40℃,极端最低气温-5.1℃;多年平均降雨量826mm,分布不均,春季占5.9%,夏季65.5%,秋季19.7%,冬季8.9%,无霜期294d。1.2高水土壤肥力型社区低碳管理策略自行设计建造坡度为7°(紫色土丘陵区缓坡地常见坡度)的可测壤中流的径流观测小区,径流小区面积32m2,小区土层厚度为60cm。为保障小区水系独立,防止附近水流侧渗影响,同时模拟土壤-岩石不透水界面,小区四周及底部浇筑混凝土。坡底设置反滤层和汇流沟,并将整个小区的渗漏水导入到径流收集桶。供试土壤为蓬莱镇组石灰性紫色土,质地中壤,粘粒含量<20%,粉粒为32.1%～41.8%,pH值为8.83,容重在1.30～1.50g/cm3之间,饱和含水量36.1%,田间持水量27.3%。按紫色土丘陵区常规施肥量(N150kg/hm2,P2O590kg/hm2,K2O36kg/hm2)施肥,设3个重复。氮肥品种为碳酸氢铵,磷肥为过磷酸钙,钾肥为氯化钾。施肥方式为穴施,底肥一次施用,施后覆土。小区种植制度为紫色土丘陵区典型的玉米-小麦轮作制,其中小麦每年10月24日左右播种,5月14日左右收获,玉米每年5月23日左右播种,9月14日左右收获。作物种植期间不再灌溉与追肥,大田管理与当地农民习惯一致。1.3模拟试验土槽设计试验使用的人工降雨模拟机为美国引进的槽式下喷降雨机,其主要原理是通过实现多个喷头同时摆动来模拟降雨,并通过调节水压和喷头摆动频率来调节降雨强度。利用可变坡移动式土槽来模拟不同坡度的坡耕地。土槽尺寸为:长×宽×高=4.5m×1.5m×0.8m。土槽出口处利用径流桶收集地表径流和壤中流。模拟试验进行中用帆布挡风,供试水为自来水,供试土壤为蓬莱镇组石灰性紫色土。填土前,土样先过5cm筛以除去大颗粒石砾,然后按当地田间土层结构填土,土层厚度60cm。土槽中种植玉米,施肥与播种方式与野外径流小区试验相同。试验采用5种雨强:19.62mm/h,37.42mm/h,53.95mm/h,74.02mm/h,111.69mm/h,3种坡度:5°,10°,15°。每场降雨历时一般2h左右(壤中流出流稳定)。1.4地表径流、壤中流速率测定利用自记雨量计记录降雨情况。利用时域反射仪测定降雨前表层土壤含水量。2004年开始采集地表径流和壤中流样品,连续观测3年。每次降雨产流事件结束后,测定地表径流、壤中流水位,计算径流量。降雨过程中地表径流、壤中流速率依靠人工测定,测定频率依据降雨强度、产流历时长短而定,特别重视产流初期的径流速率测定。一般产流初期加大测定密度,每1min测定一次;10min后,根据产流速率,适当增大测定间隔时间,5min测定一次,至产流稳定后,30min测定一次,直至产流结束。试验数据统计分析利用SPSS软件包完成。2结果与分析2.1地表径流发生次数2004-2006年共观测到地表径流23次,径流量在1.28～78.52mm范围内(图1b),2004,2005,2006年地表径流平均流量分别为9.73,8.47,24.80mm。2004-2006年共观测到壤中流17次,径流量在3.16～81.16mm之间(图1c),2004,2005,2006年壤中流平均流量分别为28.34,13.99,24.06mm。2004-2006年地表径流发生次数明显高于壤中流,而且地表径流发生时壤中流并不一定发生,而壤中流发生时,地表径流也并不一定发生(见图1b,c)。产生这种情况的原因与降雨强度和土壤入渗能力密切相关。当降雨强度高于土壤入渗速率时,地表径流很快产生。随降雨的进行,土壤水分不断增加,土壤蓄满后,壤中流出现;但如果降雨量少,渗入土壤中的雨水被完全滞留在土壤中,则没有壤中流发生。而当降雨强度小于土壤入渗速率时,降雨以入渗为主,地表径流难以产生,土壤蓄满后,由于壤中流的产生,如果土壤入渗速率小于壤中流径流速率,地表径流则不会发生。徐佩等通过人工降雨模拟研究也得出类似的结果。2.2地表径流和土壤中流紫色土丘陵区旱季降雨较少,一般不产流;雨季降雨较多,产流丰富。秋收作物玉米不同生长期坡耕地径流量分配见表1。灌浆成熟-收割期径流量最大,地表径流量65.06mm,壤中流径流量86.36mm,分别占地表径流总量和壤中流总量的67.92%,79.82%;拔节初期-拔节末期地表径流量16.89mm,壤中流径流量13.60mm,分别占地表径流总量和壤中流总量的17.63%,12.57%。拔节末期-抽雄期地表径流量13.00mm,壤中流径流量8.24mm,分别占地表径流总量和壤中流总量的13.57%,7.62%。播种-拔节初期无壤中流产生,地表径流量仅为0.83mm,占地表径流总量的0.87%。播种-拔节初期地表径流量低,且没有壤中流产生。产生这种情况的原因与前期降雨量及土壤初始含水量有关。由于前期降雨较少,播种-拔节初期土壤初始水分含量低,土壤入渗容量大,地表径流减少,而播种-拔节期降雨量小,下渗水量小于土壤饱和水容量,致使壤中流无法产生。灌浆成熟-收割期降雨频繁,土壤初始含水量高,壤中流流量也相对较高。2.3地表径流特征图2所示为2006年7月3日典型暴雨中地表径流和壤中流产流过程。该次降雨历时3h,平均雨强24.2mm/h,降雨量72.7mm,土壤前期含水量26.6%。降雨初期雨强较小,4min后雨强开始增大,至30min时雨强达到最大值,66min后逐渐降低直至降雨结束(图2)。降雨开始20min时地表径流产生,其径流速率随降雨过程出现明显的峰值变化。产流初期,地表径流速率随时间迅速上升,到第23min时径流速率达到第一次峰值(25.3mm/h),第28min时出现第2次峰值(14.4mm/h),第44min时出现第3次峰值(32.6mm/h),第65min时出现本次径流过程最大峰值(50.1mm/h),而后逐渐降低,第80min后又开始增加,直至降雨结束。与地表径流相比,壤中流产流过程差异明显(图2)。地表径流过程呈多峰,峰值径流强度63.00mm/h,而壤中流过程呈明显的单峰变化,峰值径流强度28.13mm/h,明显低于地表径流最大峰值。降雨第24min壤中流产生,明显滞后于地表径流。这主要与土壤初始水分含量有关,降雨前土壤初始水分含量较小,只有当土壤-岩石界面自由水含量足够高时壤中流才可能产生。地表径流过程与降雨过程有较好的相应性,降雨结束地表径流立即结束,但壤中流过程持续的时间非常长,甚至超过600min。这主要是因为地表径流随瞬时雨强变化,而壤中流主要与土壤导水性质有关。前期降雨强度较大,地表径流迅速产生,一旦土壤水分蓄满,壤中流产生,随着降雨强度变小甚至降雨停止,地表径流结束,而壤中流持续。2.4地表径流分布通过对紫色土坡耕地地表径流和壤中流径流量的长期观测,得到2004-2006年的地表径流流量在75.74～123.99mm之间,平均为95.78mm,占总径流量的46.96%;壤中流流量在85.02～121.42mm之间,平均为108.19mm,占总径流量的53.05%。2006年降雨量低于2004,2005年,但地表径流量却显著高于前两年(表2),这主要是因为2006年9月4日发生一次特大暴雨,降雨量超过220mm,且降雨强度较大,从而造成该次降雨地表径流量达到78.52mm,占当年总地表径流量的63.32%。在2005年,壤中流竟占到当年径流总量的61.58%。产生这种情况的原因与2005年降雨强度有关,当年降雨产流事件平均降雨强度在1.51～6.72mm/h之间,平均为3.70mm/h。降雨强度较小的情况下,坡耕地以蓄满产流为主,而紫色土入渗能力大,从而导致地表径流减少,壤中流增加。2.5紫色土坡耕地降水产流的影响因素2.5.1地表径流、壤中流径流与雨强的关系在土壤性质、地表覆盖、坡度相似的条件下,地表径流量、壤中流流量受降雨的影响特别大。历次降雨产流事件降雨量在19.9～229.9mm之间(图1a),降雨强度在1.51～32.8mm/h之间。统计分析表明,降雨量与地表径流量呈显著线性相关,径流量与降雨量的回归方程为y=2.5972x+18.129(R2=0.938**,N=23;y为径流量,x为降雨量)。降雨量与壤中流径流量呈显著指数相关,径流量与降雨量的回归方程为y=30.700e0.0208x(R2=0.717**,N=17;y为径流深,x为降雨量)。但是,地表径流、壤中流流量与平均雨强的相关性不显著(图1)。尽管如此,通过人工降雨模拟试验,发现紫色土坡耕地地表径流系数随雨强的增大而增大,而壤中流径流系数随雨强的增大而降低(表3)。降雨强度是影响坡耕地径流产流时间及产流是否发生的重要因素。由此可见,径流量受降雨量与降雨强度的综合影响,而降雨量是径流量的主控因子。壤中流流量与平均雨强相关性不显著的原因,可能是强降雨的雨滴溅蚀导致泥沙颗粒堵塞表土孔隙,有利于地表径流的产生,阻止降雨入渗,不利于壤中流产流。2.5.2坡向和坡向表现对地表径流系数的影响通过人工降雨模拟试验,得到不同坡度条件下坡耕地径流系数(表3)。5种雨强条件下,地表径流系数均随坡度的增加而增加,而壤中流径流系数均随坡度的增加而明显降低。以雨强为19.62mm/h的降雨为例,5°时地表径流系数小于10°,15°,但5°时壤中流径流系数最大,为0.48,高于10°条件下的0.38及15°时的0.18(表3)。对于坡度小于30°,坡度对入渗率的影响是可忽略的。但坡度显著影响坡面水流速率,这可能与坡向势能有关。坡向势能是土壤水顺坡向下运动的主要动力。一般情况下,坡度越大,坡向势能也越大。故地表径流系数随坡度的增加呈上升趋势。但是,在坡度较大的情况下,坡面地表径流量增大,而壤中流产流受到限制,这可能是本研究中壤中流径流系数均随坡度的增加而明显降低的主要原因。3结论(1)径流、壤中流径流分布玉米灌浆成熟-收割期径流量明显高于其它生育期,地表径流、壤中流径流量分别为(65.06±5.94)mm,(86.36±3.27)