论文部分内容阅读
摘要：为确定径流条件下坡耕地的侵蚀规律，采用不同流量对10°及15°坡的坡耕地进行径流冲刷试验。试验结果表明：坡面土壤的产流量、产沙量随流量、坡度的增大而增加，但增加幅度不同，流量及坡度越小，坡面的减流减沙效应越显著；相同流量、相同坡度下，产流量呈先增加后趋于平稳的趋势，产沙量呈先增加后减少最后趋于稳定的趋势。
关键词：径流冲刷；产沙量；产流量
中图分类号：S151 .1 文献标识码：A 文章编号：1674-1161（2015）01-0033-04
2005年辽宁省第四次的土壤侵蚀遥感普查结果显示，全省土壤侵蚀面积422.95万hm2，占全省土地总面积的28.9%。其中，水力侵蚀面积40 409.1 km2，占侵蚀总面积的87.2%。坡耕地作为我国主要的农业资源，是水土流失的多发部位，因此很多学者对坡耕地的水土流失进行了大量研究。相关研究大多人工模拟坡面，采用冲刷试验探讨土壤侵蚀的产流产沙机理，操作简便易行但与天然坡差距较大，导致试验结果存在一定偏差。为此，在接近天然坡耕地的室外小区进行冲刷试验，探讨辽宁地区坡耕地坡面的产流产沙效应，旨在为今后该领域的研究工作提供借鉴。
1 材料与方法
1.1 研究区概况
研究区位于沈阳农业大学综合实验基地，地处辽宁省沈阳市东陵区，位于北纬41°44′、东经123°27′，海拔44.7 m。受季风影响的半湿润温带大陆性气候，四季分明、日照充足、降雨集中。年平均气温80.0 ℃，最热时平均气温达到24.6 ℃，最冷时平均气温为-11.8 ℃。无霜期150 d。年平均降水量为722 mm，降水量最多的集中在7月，平均降水量183 mm，最少的集中在1月，平均降水量7 mm。
1.2 试验方法
试验时间设在汛期到达之前的4月份，以避免降雨对试验结果产生影响。试验小区为水平投影长8 m、宽1 m的坡耕地，分别设4个10°坡和4个15°坡，各坡之间有隔离带划分，长年的翻耕与种植使其趋于天然坡耕地。各个坡面底端均设有簸箕型集水槽，便于试验接样。
试验用土为辽宁地区常见的棕壤土。由于原土的土块比较大，且含有大量枯枝落叶、石块等杂质，因此用5 mm×5 mm的筛子去除杂质，使土壤中的颗粒比重相似。然后，采用分层称重法将各坡面的土壤容重控制在1.2 g/cm3。最后，对土壤进行翻耕处理，形成横垄，用来模拟坡耕地翻耕后的状况，并使用大喷壶将小区表层土壤（≤20 cm）润湿至饱和，以消除各坡前期含水量的差异。
在已有条件下，自制一个放水冲刷装置（包括水箱、稳流槽、急流槽等），并确保出水流量稳定均匀。另外，在放水口处安装水表，以准确调节设计流量。径流冲刷前，润湿各坡面土壤并静置12 h。保证各坡面初始含水率相同后，分别用3，6，9，12 L/min的流量冲刷各坡面，待坡面径流产生时，每隔1 min接一次样，试验时间为30 min。其中，流量设定根据文献及辽宁地区降雨特点确定。
试验所得数据均采用Excel 2003软件进行分析处理。
2 结果与分析
2.1 流量对坡面产流产沙的影响
分析不同流量冲刷各坡所得的产流量和产沙量，得到坡耕地产流量的变化（图1和图2）和产沙量的变化（图3和图4）规律。
通过图1和图2可以看出：在相同坡度的条件下，流量越大，坡面产流量越多，且均为开始时简短而急促地增加，然后平稳变化；无论增加还是平稳变化，坡面产流量均会出现小范围波动。分析其原因，可能是冲刷过程使坡面土壤不断被破坏并形成沟蚀，水和沙的混合物对侵蚀沟的不断冲击导致坡面形态发生变化，最终导致流量不平稳。
由图3和图4可以看出：流量为9 L/min和12 L/min时，产沙的变化规律较明显，表现为流量越大坡面产沙量越大，且在增加到一个波峰后逐渐减小，最后趋于平稳；而在3 L/min和6 L/min的流量条件下，产沙量的变化不明显，故将10°坡在流量3 L/min、6 L/min冲刷下的产沙量数据单独用Excel表格处理，结果见图5。
从图5可以看出：产沙量不断增加后，波动范围在20～60 g和60～180 g之间，与9 L/min、12 L/min冲刷下的变化相同，仍属于稳定变化，仅产沙量较小。究其原因，可能是冲刷流量较小使得产流量少，水对土壤的剥蚀能力弱，只能引起表层土的微弱变化。
2.2 坡度对坡面产流产沙的影响
相同流量冲刷下，10°和15°坡产流产沙规律分别见图6—13。
由图6—9可以明显看出，排除个别点的奇异值，在相同流量不同坡度的条件下，15°坡均比10°坡的产流量大。
由图10-13可知，在相同流量下不同坡度坡面的产沙，虽然偶尔会有10°坡比15°度坡产流产沙量多的情况，但由于土壤侵蚀过程复杂，加上各垄稍有差距，因此不影响15°坡比10°坡产流产沙量大的整体趋势。
不同流量冲刷条件下，10°坡和15°坡的产流产沙量效益见表1。
从表1中可以看出：15°坡的减流数值均小于10°坡，且15°坡的减流数值也均小于10°坡，故可得出随着坡度减小坡面减沙减流效益显著的结论；当流量为3 L/min和6 L/min时，10°坡面的减沙效益均达95%以上，比15°坡面的减沙效益显著，说明营造山区梯田、鱼鳞坑及水平阶地可以有效减少水土流失。
3 结论
1） 径流冲刷在横垄耕作的坡耕地条件下，坡面的产流量规律是先增加后平稳；产沙量规律是由先增加后减少，最后趋于稳定。
2） 用不同流量冲刷相同坡度时，坡面的产流产沙量随着流量的增加而增加，且流量越小，对坡面产流产沙的影响越小。
3） 用相同流量冲刷不同坡度时，15°坡的产流产沙量均大于10°坡，且坡度越小，坡面的减流减沙效应越明显，即10°坡比15°坡的减流减沙效应更显著。
关键词：径流冲刷；产沙量；产流量
中图分类号：S151 .1 文献标识码：A 文章编号：1674-1161（2015）01-0033-04
2005年辽宁省第四次的土壤侵蚀遥感普查结果显示，全省土壤侵蚀面积422.95万hm2，占全省土地总面积的28.9%。其中，水力侵蚀面积40 409.1 km2，占侵蚀总面积的87.2%。坡耕地作为我国主要的农业资源，是水土流失的多发部位，因此很多学者对坡耕地的水土流失进行了大量研究。相关研究大多人工模拟坡面，采用冲刷试验探讨土壤侵蚀的产流产沙机理，操作简便易行但与天然坡差距较大，导致试验结果存在一定偏差。为此，在接近天然坡耕地的室外小区进行冲刷试验，探讨辽宁地区坡耕地坡面的产流产沙效应，旨在为今后该领域的研究工作提供借鉴。
1 材料与方法
1.1 研究区概况
研究区位于沈阳农业大学综合实验基地，地处辽宁省沈阳市东陵区，位于北纬41°44′、东经123°27′，海拔44.7 m。受季风影响的半湿润温带大陆性气候，四季分明、日照充足、降雨集中。年平均气温80.0 ℃，最热时平均气温达到24.6 ℃，最冷时平均气温为-11.8 ℃。无霜期150 d。年平均降水量为722 mm，降水量最多的集中在7月，平均降水量183 mm，最少的集中在1月，平均降水量7 mm。
1.2 试验方法
试验时间设在汛期到达之前的4月份，以避免降雨对试验结果产生影响。试验小区为水平投影长8 m、宽1 m的坡耕地，分别设4个10°坡和4个15°坡，各坡之间有隔离带划分，长年的翻耕与种植使其趋于天然坡耕地。各个坡面底端均设有簸箕型集水槽，便于试验接样。
试验用土为辽宁地区常见的棕壤土。由于原土的土块比较大，且含有大量枯枝落叶、石块等杂质，因此用5 mm×5 mm的筛子去除杂质，使土壤中的颗粒比重相似。然后，采用分层称重法将各坡面的土壤容重控制在1.2 g/cm3。最后，对土壤进行翻耕处理，形成横垄，用来模拟坡耕地翻耕后的状况，并使用大喷壶将小区表层土壤（≤20 cm）润湿至饱和，以消除各坡前期含水量的差异。
在已有条件下，自制一个放水冲刷装置（包括水箱、稳流槽、急流槽等），并确保出水流量稳定均匀。另外，在放水口处安装水表，以准确调节设计流量。径流冲刷前，润湿各坡面土壤并静置12 h。保证各坡面初始含水率相同后，分别用3，6，9，12 L/min的流量冲刷各坡面，待坡面径流产生时，每隔1 min接一次样，试验时间为30 min。其中，流量设定根据文献及辽宁地区降雨特点确定。
试验所得数据均采用Excel 2003软件进行分析处理。
2 结果与分析
2.1 流量对坡面产流产沙的影响
分析不同流量冲刷各坡所得的产流量和产沙量，得到坡耕地产流量的变化（图1和图2）和产沙量的变化（图3和图4）规律。
通过图1和图2可以看出：在相同坡度的条件下，流量越大，坡面产流量越多，且均为开始时简短而急促地增加，然后平稳变化；无论增加还是平稳变化，坡面产流量均会出现小范围波动。分析其原因，可能是冲刷过程使坡面土壤不断被破坏并形成沟蚀，水和沙的混合物对侵蚀沟的不断冲击导致坡面形态发生变化，最终导致流量不平稳。
由图3和图4可以看出：流量为9 L/min和12 L/min时，产沙的变化规律较明显，表现为流量越大坡面产沙量越大，且在增加到一个波峰后逐渐减小，最后趋于平稳；而在3 L/min和6 L/min的流量条件下，产沙量的变化不明显，故将10°坡在流量3 L/min、6 L/min冲刷下的产沙量数据单独用Excel表格处理，结果见图5。
从图5可以看出：产沙量不断增加后，波动范围在20～60 g和60～180 g之间，与9 L/min、12 L/min冲刷下的变化相同，仍属于稳定变化，仅产沙量较小。究其原因，可能是冲刷流量较小使得产流量少，水对土壤的剥蚀能力弱，只能引起表层土的微弱变化。
2.2 坡度对坡面产流产沙的影响
相同流量冲刷下，10°和15°坡产流产沙规律分别见图6—13。
由图6—9可以明显看出，排除个别点的奇异值，在相同流量不同坡度的条件下，15°坡均比10°坡的产流量大。
由图10-13可知，在相同流量下不同坡度坡面的产沙，虽然偶尔会有10°坡比15°度坡产流产沙量多的情况，但由于土壤侵蚀过程复杂，加上各垄稍有差距，因此不影响15°坡比10°坡产流产沙量大的整体趋势。
不同流量冲刷条件下，10°坡和15°坡的产流产沙量效益见表1。
从表1中可以看出：15°坡的减流数值均小于10°坡，且15°坡的减流数值也均小于10°坡，故可得出随着坡度减小坡面减沙减流效益显著的结论；当流量为3 L/min和6 L/min时，10°坡面的减沙效益均达95%以上，比15°坡面的减沙效益显著，说明营造山区梯田、鱼鳞坑及水平阶地可以有效减少水土流失。
3 结论
1） 径流冲刷在横垄耕作的坡耕地条件下，坡面的产流量规律是先增加后平稳；产沙量规律是由先增加后减少，最后趋于稳定。
2） 用不同流量冲刷相同坡度时，坡面的产流产沙量随着流量的增加而增加，且流量越小，对坡面产流产沙的影响越小。
3） 用相同流量冲刷不同坡度时，15°坡的产流产沙量均大于10°坡，且坡度越小，坡面的减流减沙效应越明显，即10°坡比15°坡的减流减沙效应更显著。