黄土区坡耕地无植被条件下的溅蚀作用与变化特征

黄土区坡耕地无植被条件下的溅蚀作用与变化特征

0建立了单一的雨洪累累体对土壤的长期防护作用,主要通过外施雨滴侵蚀是降水对地表土壤的最初处理方法，也是土壤侵蚀过程中最重要的侵蚀方法之一。在降雨过程中,溅蚀作用破坏了表层土壤结构,增加表层土壤的密闭性,从而使土壤入渗能力显著降低;在产流过程中,溅蚀作用还可以增大坡面径流紊动性,增强径流分散与搬运能力的作用。这是由于雨滴的击溅能使地表土壤颗粒分散、迁移,一方面为径流侵蚀提供了源源不断的补给;另一方面又堵塞土壤本身的孔隙,抑制了雨水的入渗,从而增强了径流的侵蚀作用[7,8,12,13,14,15,16,17,18]。长期以来,关于雨滴溅蚀的研究一直受到人们的极大关注。有研究表明,溅蚀作用的大小与降雨特性、土壤类型、植被覆盖等因素有直接关系。多数研究将溅蚀量与这些因素中的一个指标联系起来,以寻找衡量土壤溅蚀性的定量指标;也有一些模型将多个因素纳入统一模型中对溅蚀进行了定量分析,但也是在将溅蚀量与一个指标联系定量分析的基础上归纳而成。尽管如此,由于雨滴击溅机理很复杂,目前的研究结果缺乏代表性,这是对溅蚀作用的认识不够造成的。据观察,在降雨过程中,受雨滴的打击作用,地表产生密集的鱼鳞坑状微地形,空间尺度在0.5~4cm之间。这些微起伏特征既反映了溅蚀对地表土壤的作用结果,同时又对溅蚀过程产生影响,因此,对溅蚀过程中微地形的变化特征研究是非常必要的,这将为溅蚀及其作用机理的理解提供帮助。在过去由于受技术条件的限制,研究人员不能对微地形进行高精度监测,随着三维激光扫描技术的发展和广泛应用,快速、高精度测量微地形已经非常方便,这为溅蚀机理的研究提供新的途径和方向。鉴于以上分析,本文通过模拟坡耕地不同耕作管理措施下的微地形,包括锄耕措施、掏挖措施和等高耕作措施,在人工模拟降雨条件下,以探讨雨滴击溅作用与微地形变化特征,为深入研究溅蚀过程与机理奠定基础。1材料和方法1.1温度和土壤水分选取陕西省杨凌区坡耕地表土(0~20cm)为试验用土,采土时间为2008年5月1-5日。天气状况:连续数日晴天,气温在13~31℃之间,土壤含水率10%左右。杨凌区位于黄土高原南缘,E108.72°,N34.36°,属于温带半湿润大陆性季风气候,年降雨量约为637.6mm,该区土壤为塿土,灰棕色,土体较疏松,有粒状或团块状结构,机械组成见表1。1.2微生物的含量与微地形采用人工模拟的试验方法,试验用土槽的大小为1m×0.5m×0.5m(长×宽×高)。以黄土区坡耕地农业生产中普遍采用的锄耕措施、掏挖措施和等高耕作措施下形成的微地形(或称地表糙度)作为研究对象。根据Ellison和陈一兵对测定溅蚀方法的研究,本研究中溅蚀量采用壁挂式溅蚀板进行测定,溅蚀板的大小为0.5m×0.5m×0.3m(长×宽×高)。试验降雨强度为60,90和120mm/h。用溅蚀板测定溅蚀量。用激光扫描仪(徕佧,垂直误差±0.5mm)测定微地形,并结合GIS技术构建大比例DEM。试验坡面坡度为10°。每个耕作措施设计2次重复。由于微地形具有延缓坡面产流时间的作用,这说明具有微地形的坡面产流时间较平整坡面晚。因此,为了避免产流对微地形变化的影响,突出溅蚀作用效果,降雨试验中一旦有产流,立即停止降雨。1.2.1水平坡面为微地形的耕作措施微地形模拟的主要过程:1)土样处理:土样自然风干,过筛(筛孔0.5cm),并分层填满试验土槽(土壤体积质量保持在1.30g/cm3左右,含水率在10%左右),并整平;2)通过在坡面上实施不同的耕作措施以模拟微地形,包括:(1)锄耕措施:沿地表以传统方式锄耕,深度4~5cm;(2)掏挖措施:采用镢头掏挖地表,深度5~8cm,间距20~25cm;(3)等高耕作:在坡面上垂直于坡面方向进行横向犁耕,形成沟和垄,垄高7~10cm,垄距为30cm;(4)平整坡面:坡面不实施耕作措施,保持平整状态,以作为对照措施。由于受坡度和耕作措施的影响,地表形成的垄沟和坑洼在空间不具有对称性。同时,在试验过程中为了使布设的耕作措施更接近自然状况,试验中聘请长期从事相同耕作措施农业生产的农民进行操作。1.2.2降雨强度及降水均匀度人工模拟降雨试验在中国科学院黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室降雨大厅进行。降雨系统为侧喷式喷头,喷头高度16m,降雨强度变化范围为40~260mm/h,降雨均匀度均大于80%。为了保证降雨都达到试验要求,每次降雨前均率定雨强,率定方法为在选定的拟降雨区域均匀放置5个雨量筒,待实施降雨10min后计算其平均值,该值与拟降雨强度之间的差值不大于1mm/h即可。降雨过程中地表开始产流便停止降雨,以防止径流对收集的溅蚀量产生影响,并记录降雨时间。1.2.3坡面水质扫蚀量溅蚀板的设计如下图1所示。试验中将溅蚀板垂直于地平面方向安装在土槽的中心,且使集沙槽口与地表相平。板的两面正对土槽的上坡和下坡,降雨过程中通过引流管收集同坡面上坡和下坡的溅蚀量。降雨结束后,将采集样注入铝制样品盒后立即用天平称其质量,以免因气温高蒸发损失。待样品静置24h,再过滤出泥沙,随后将盛泥沙盒放入烘箱,在110℃温度下烘干至恒质量(约8h),取出放至常温称质量。溅蚀量计算公式如下:式中,Tsp为坡面总溅蚀量,g/m2,Dsp为向下坡溅蚀量,g/m2,UPsp为向上坡溅蚀量,g/m2,SPin为溅蚀强度,g/(m2·s1),t为降雨时间,s。如果Tsp>0,表示坡面上向下坡溅蚀量大于向上坡溅蚀量;反之,呈相反的趋势。1.2.4dem分类方法在降雨前后,用三维激光扫描仪对每个坡面各测1次,用ArcGIS9.3(ESRI公司)构建不同微地形下的大比例DEM,结果见图2。在建立DEM的基础上,提取坡面微坡度和微坡向,并对其进行重分类,其中,微坡度依次划分为0°~5°、5°~10°、10°~15°、15°~20°、20°~25°、25°~30°、30°~35°、35°~40°和>40°等9个类型;微坡向按北、东北、东、东南、南、西南、西和西北等分为8个方向,进而分别统计9个坡度类型和8个坡向所对应的栅格数作为反应微地形特征变化的指标。2结果与分析2.1个雨强下坡面的比较表2列出了试验条件下降雨强度不同时雨滴对坡面的溅蚀作用时间。可以看出,3个雨强下较早产流的坡面均为平整坡面。60mm/h雨强下的溅蚀作用时间最长为5.36min,120mm/h雨强下的溅蚀作用时间最短,为1.95min。这说明随着降雨强度的增大,溅蚀作用持续的时间明显减小。2.2坡面水质分析溅蚀量是研究坡面溅蚀的重要指标。图3为不同微地形条件下,向上坡和向下坡面溅蚀量、坡面总溅蚀量和溅蚀强度的特征。可以看出,不同微地形和降雨条件下坡面溅蚀特征明显不同,与平整坡面相比较,有微地形存在的坡面,溅蚀量及溅蚀强度的变化较为复杂。从溅蚀量的分布来看,随着降雨强度的增大,坡面溅蚀量呈增大的趋势。对于平整坡面而言,向下坡溅蚀量始终大于向上坡溅蚀量,即总溅蚀量大于0,且随雨强的增大而增大。相反,对于锄耕和掏挖措施坡面,在雨强为60和90mm/h的情况下,向下坡溅蚀量小于向上坡溅蚀量,即总溅蚀量小于0。而对于等高耕作而言,上下坡面溅蚀量的变化与平整坡面较为相似,但是在不同的雨强下,坡面总溅蚀量相差不大。对于溅蚀强度,同一种措施下,随雨强的增大呈增大的趋势。特别是对于锄耕和掏挖措施下变化更明显,但是等高耕作坡面的差异减小。以上分析表明微地形可以明显减小溅蚀量。降雨强度相同时,平整坡面的溅蚀量总是大于锄耕、掏挖和等高耕作措施坡面的溅蚀量。2.3微地形变化特征以120mm/h雨强下,上、下坡面微坡度和微坡向空间特征的变化为例。2.3.1坡面微坡度栅格分析图4显示了平整坡面、锄耕措施、掏挖措施和等高措施下上坡面和下坡面微坡度的变化特征。可以看出,与平整坡面比较,锄耕措施、掏挖措施和等高措施下坡面微坡度的分布特征明显不同。对于平整坡面而言,上坡面微坡度主要集中在0°~10°之间,占坡面栅格总数的83.6%,10°以后栅格数逐渐减小,20°以后达到稳定;下坡面微坡度主要集中在5°~15°之间,占坡面栅格总数的77.4%,15°以后栅格数逐渐减小,25°以后达到稳定。上下坡面微坡度栅格数分布曲线在溅蚀前后几乎重合,这反映出平整坡面微坡度受雨滴溅蚀的变化较小。相反,对于锄耕措施、掏挖措施和等高耕作措施下的坡面,微坡度栅格数在溅蚀后的变化较为明显。其中,锄耕措施下小于15°的微坡度数量增大,而大于15°的微坡度数量减小;同样的,掏挖措施下溅蚀后微坡度小于20°时,栅格数有所减小,占栅格数的10.3%,大于20°时增加,占栅格数的9.3%;等高耕作措施下坡面微坡度在溅蚀后变化较剧烈,其中,微坡度大于40°时的栅格数变化最大,占总栅格数的66.5%,其次为25°~30°之间,占总栅格数的21.8%。另外,从图中还可以看出,溅蚀后坡面微坡度栅格曲线峰值发生了位移,这说明较溅蚀前相比,坡面微坡度有明显变缓的趋势。特别是等高耕作措施下坡面微坡度的变化最大,溅蚀前,微坡度大于40°的栅格数占总栅格数的80%以上,而溅蚀后微坡度主要集中在15°~30°之间,占总栅格数的72.1%。2.3.2地表微地形特征不同耕作措施下微坡向的变化特征见图5。可以看出,平整坡面、锄耕措施和掏挖措施条件下微坡向的空间分布特征较为相似,基本上呈现南坡>南西>南东>西>东>北>北西>北东的变化趋势。而对于等高耕作措施下坡面微地形向北和向南的栅格数所占比例较大,呈现趋势为南坡>北>南西>南东>北东>北西>西>东。另外,从图中也可以看出,雨后坡面微坡向栅格数的空间变化趋势线与雨前的基本重合,这一特征说明,尽管降雨对地表微地形特征具有影响,但是其对微坡向的影响不大。因此,可以说明微坡向对溅蚀作用不敏感。3微地形与坡面土壤侵蚀的关系在裸地上,雨滴溅蚀能造成地表微地形的变化,其中,微坡度随溅蚀的变化比较明显,微坡向对溅蚀的反映不敏感。对比平整坡面的溅蚀特征,即总溅蚀量大于0,可以发现,在雨强为60和90mm/h时,锄耕和掏挖措施下坡面总溅蚀量小于0,说明在一定的条件下,微地形具有降低溅蚀量的作用。如果没有径流产生,单纯的通过溅蚀不一定能造成土壤的流失,反而会使坡下的土壤向坡上迁移,这与Planchon等的研究结论相似。究其原因可能是在降雨过程中,伴随着地表土壤的分散、迁移,地表微地形总是处于一个动态变化的过程中,这一动态变化特征又随着耕作措施的不同具有一定的差异。平整坡面地形平坦,承接雨滴的面相对均匀,溅散的土粒在重力作用的影响下逐渐向下坡方向跃迁,因此,在平整坡面上总是下坡溅蚀量大于向上坡的溅蚀量。对于具有耕作措施的坡面,地形具有明显起伏,从而使承接雨滴的面不均匀,具有