人工降雨試驗(yàn)在普通褐土上的應(yīng)用

人工降雨試驗(yàn)在普通褐土上的應(yīng)用

1土壤侵蝕過程模型的建立和應(yīng)用需要重新審視和解決土地在碎石山區(qū)，土壤表面上有大量礫石（土壤直徑大于2mm）。另外,土壤侵蝕也導(dǎo)致了某些地區(qū)的土壤出現(xiàn)了嚴(yán)重的土地退化和土壤粗化問題,使得土壤含有大量的礫石。土壤中礫石存在不僅會(huì)影響土壤的入滲特性,而且對地表徑流、水力參數(shù)和土壤侵蝕產(chǎn)生影響。因此土壤中礫石的存在會(huì)直接影響到土地退化的程度,對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展水平等產(chǎn)生重要影響。現(xiàn)有的土壤侵蝕過程模型,如水蝕預(yù)報(bào)模型WEPP,歐洲土壤侵蝕模型EUROSEM,Linburg土壤侵蝕模型LISEM以及美國土壤侵蝕經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蚏USLE,都描述了土壤中礫石存在對土壤侵蝕的影響。但是已有的研究表明,礫石覆蓋既可增加徑流和侵蝕,也可減少徑流和侵蝕,這種關(guān)系與土壤質(zhì)地有關(guān)。了解和掌握北京市的水土流失狀況,對于合理開發(fā)和利用北京市的水土資源,建立良好的生態(tài)環(huán)境系統(tǒng),保護(hù)北京市地表飲用水源的水質(zhì),促進(jìn)北京山區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展有著極其重要的指導(dǎo)作用。坡面土壤侵蝕模型是水土流失評估的一個(gè)重要技術(shù)工具。北京石質(zhì)山區(qū)的粗骨褐土中,荒草地土壤表層的礫石含量高達(dá)22%以上,因此土壤侵蝕模型中考慮礫石的存在會(huì)直接提高坡面土壤侵蝕模型的計(jì)算精度。Box提議將礫石覆蓋因子作為一個(gè)單獨(dú)的因子放在土壤通用流失方程中,但目前關(guān)于北京地區(qū)土壤中礫石存在對土壤侵蝕的研究還較少。因此,本文擬用人工降雨試驗(yàn),研究不同坡度下礫石覆蓋對降雨徑流和土壤侵蝕的影響,為土壤侵蝕模型提供參數(shù)服務(wù)。2數(shù)據(jù)和方法2.1不同降雨強(qiáng)度對土壤覆蓋度的影響采用人工降雨裝置來進(jìn)行試驗(yàn)。人工降雨機(jī)采用美國國家土壤試驗(yàn)室研制的諾頓降雨機(jī),降雨機(jī)長5m,每臺(tái)降雨機(jī)有4個(gè)等間距的噴頭,一臺(tái)降雨機(jī)的有效降雨面積為5m×1.5m,試驗(yàn)使用兩臺(tái)降雨機(jī),兩降雨機(jī)之間間距為1.10m。降雨空間分布的均勻性用均勻性系數(shù)進(jìn)行評價(jià),即:Cv=1-s/x,式中x為平均值,s為標(biāo)準(zhǔn)差。根據(jù)試驗(yàn)區(qū)間(1.92m2)60個(gè)采樣瓶的3次重復(fù)取樣結(jié)果,計(jì)算得到Cv=0.88。人工降雨機(jī)的模擬降雨強(qiáng)度范圍為15～130mm/h。本研究選擇了30,67,92mm/h3個(gè)不同的降雨強(qiáng)度來進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)土盤長1.0m、寬0.5m、深0.5m。土盤底部均勻分布有間距為0.1m、直徑為0.01m的小孔。在土盤底部,先放置一層20cm厚的粒徑較均勻的礫石,在其上層鋪一塊透水性好的厚布,布的上層裝厚20cm的試驗(yàn)土壤。試驗(yàn)土壤為普通褐土(粉壤土),采集于北京延慶縣上辛莊棄耕地0-20cm土壤,土壤機(jī)械組成為砂粒22%、粉粒62%、粘粒16%,試驗(yàn)前將土壤過5mm篩,試驗(yàn)土壤含水量為(5.1±2.3)%,土壤容重為(1.28±0.07)×103kg/m3。礫石采自北京延慶縣上辛莊山上,將礫石過6mm和20mm直徑的方孔篩,其中粒徑為6～20mm的礫石用于試驗(yàn)。礫石長、中、短軸直徑分別為23.4,16.4,11mm(樣本數(shù)為100)。0%,5%,10%,20%,40%和80%共6個(gè)不同的礫石覆蓋度被模擬。礫石覆蓋度與礫石重量之間的關(guān)系通過試驗(yàn)確定,其具體做法是:稱取一定重量的礫石(粒徑為6～20mm),將其均勻、不重疊地鋪在1m×1m的水平小區(qū)上(以綠紙做背景色),用可遙控的奧林巴斯全自動(dòng)光學(xué)相機(jī),固定焦距為28mm,相機(jī)距離地表3m左右,進(jìn)行垂直照相,所得照片用GIS軟件IDRISI分類處理,可計(jì)算出礫石在綠色紙上的覆蓋度,并建立礫石覆蓋度與礫石重量之間的相關(guān)關(guān)系:Rc=11.787RgR2=0.925(1)式中:Rc為礫石覆蓋度(%);Rg為礫石重量(kg/m2)。試驗(yàn)時(shí),根據(jù)試驗(yàn)覆蓋度,稱取相應(yīng)重量的礫石,均勻不重疊地將礫石置于土壤表層。土盤坡度可調(diào)節(jié),試驗(yàn)坡度為20°。試驗(yàn)具體設(shè)計(jì)方案如表1。2.2地表流速和含沙量過程線在降雨過程中,進(jìn)行流量和流速觀測。每隔3～7min用廣口瓶取一次徑流樣,用以測量流量和含沙量,含沙量用烘干法進(jìn)行測定。根據(jù)測定的流量過程線和含沙量過程線,計(jì)算出次降雨的總徑流深度和總土壤侵蝕量。表面流速用染色法進(jìn)行測定,每隔5～10min測一次,流速測定距離為整個(gè)坡長1.0m。因本文主要目的是分析礫石覆蓋對流速的影響,并不關(guān)心平均流速。因此,分析時(shí)沒有對所觀測的表面流速進(jìn)行修正,直接用次降雨過程中所有觀測流速次數(shù)的平均值做為流速分析的基礎(chǔ)。當(dāng)降雨強(qiáng)度為30mm/h和礫石覆蓋度為40%和80%時(shí),流量太小導(dǎo)致觀測的流速誤差太大,在試驗(yàn)分析中沒有考慮。3結(jié)果與分析3.1流量在加大壓力中的分布當(dāng)?shù)[石覆蓋度較小和降雨強(qiáng)度較大時(shí)(92mm/h降雨強(qiáng)度,礫石覆蓋度小于80%時(shí),以及67mm/h降雨強(qiáng)度,礫石覆蓋度小于20%時(shí)),流量隨降雨的繼續(xù)逐漸增加并趨于穩(wěn)定(圖1)。當(dāng)?shù)[石覆蓋度較大(60%和80%)和降雨強(qiáng)度較低(30mm/h降雨強(qiáng)度)時(shí),隨降雨繼續(xù)流量在逐漸增大。隨礫石覆蓋度的增加,流量有減小的趨勢,但不同降雨強(qiáng)度下,影響的程度不同。在降雨強(qiáng)度為30mm/h時(shí),礫石覆蓋度對流量的影響最明顯。而降雨強(qiáng)度為92mm/h時(shí),除80%覆蓋度的徑流量明顯低于其他礫石覆蓋度外,其余幾個(gè)礫石覆蓋度間的流量差異不如其他降雨強(qiáng)度那么明顯。隨著礫石覆蓋度的增加,徑流深有減小趨勢(圖2)。當(dāng)降雨強(qiáng)度分別為92,30mm/h時(shí),礫石覆蓋度為80%時(shí)的徑流深度分別比無礫石覆蓋時(shí)的徑流深減小了80%和90%,即降雨強(qiáng)度較小時(shí),礫石覆蓋度的減流效益更明顯。為了消除降雨強(qiáng)度和降雨量的影響,將同一降雨強(qiáng)度、不同礫石覆蓋度下產(chǎn)生的徑流深與無礫石覆蓋時(shí)產(chǎn)生的徑流深的比值即相對徑流深作為分析的基礎(chǔ)。相對徑流深隨礫石覆蓋度的增加而減少,二者有較好的線性關(guān)系:R=-0.0093Cv+0.9742R2=0.7407(2)式中:R——相對徑流深;Cv——礫石覆蓋度(%)。F檢驗(yàn)表明公式在0.05水平是顯著的。3.2不同降雨強(qiáng)度下的土壤侵蝕量變化規(guī)律一次降雨過程存在最大輸沙率,但最大輸沙率出現(xiàn)的時(shí)間卻因降雨強(qiáng)度和礫石覆蓋度的不同而有所差別(圖3)。高降雨強(qiáng)度(92mm/h)的最大輸沙率主要出現(xiàn)在剛產(chǎn)流的時(shí)候。低降雨強(qiáng)度(67,30mm/h)最大輸沙率則出現(xiàn)在產(chǎn)流后的一段時(shí)間里。67mm/h降雨強(qiáng)度的最大輸沙率出現(xiàn)在產(chǎn)流后的12～20min;30mm/h降雨強(qiáng)度的最大輸沙率出現(xiàn)在產(chǎn)流后15～40min。在相同礫石覆蓋度下,最大輸沙率出現(xiàn)的時(shí)候隨降雨強(qiáng)度的減小而延長。在同一降雨強(qiáng)度下,隨礫石覆蓋度的增加,輸沙率有減小的趨勢。這種差異在峰值時(shí)最明顯,隨降雨的繼續(xù),差異變小。降雨強(qiáng)度為92,67,30mm/h時(shí),地表無礫石覆蓋時(shí)的最大輸沙率分別為40%覆蓋度最大輸沙率的3.8,2.4,2.7倍。在降雨結(jié)束時(shí),67,92mm/h降雨強(qiáng)度下地表無礫石覆蓋時(shí)的輸沙率都為40%覆蓋度輸沙率的1.7倍。而對于30mm/h降雨強(qiáng)度,降雨結(jié)束時(shí)地表無礫石覆蓋時(shí)的輸沙率小于40%覆蓋度的輸沙率。降雨強(qiáng)度對侵蝕總量有影響。高降雨強(qiáng)度由于大的降雨侵蝕力而產(chǎn)生較大的土壤侵蝕量(圖4),但降雨強(qiáng)度并不影響礫石覆蓋度對土壤侵蝕量的影響趨勢。同一降雨強(qiáng)度下,土壤侵蝕總量隨礫石覆蓋度的增加有減小趨勢。因此,為了定量分析礫石覆蓋度對土壤侵蝕量的影響,將同一降雨強(qiáng)度下、不同礫石覆蓋度產(chǎn)生的土壤侵蝕量與無礫石覆蓋時(shí)產(chǎn)生的土壤侵蝕量的比值即相對侵蝕量作為定量分析的基礎(chǔ)。圖5點(diǎn)繪了不同降雨強(qiáng)度、不同礫石覆蓋度下的相對侵蝕量。隨礫石覆蓋度的增加,相對土壤侵蝕量減小。相對土壤侵蝕量(S1)與礫石覆蓋度(Cv)之間存在負(fù)指數(shù)相關(guān)關(guān)系:Sl=ae-bCv(3)式中:a為系數(shù),b為指數(shù),它們反映了礫石覆蓋度對土壤侵蝕量的影響程度。對本試驗(yàn)土壤來說,b值取0.03,這與Box,Collinet,Weltz等以及Poesen等的研究結(jié)果都比較接近。4礫石覆蓋度對降雨過程的影響本研究的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,地表礫石的存在,對礫石下土壤起到了保護(hù)作用。隨著礫石覆蓋度的增加,對其下土壤的保護(hù)作用相應(yīng)增強(qiáng)。在降雨過程中直接表現(xiàn)在地表礫石覆蓋減小了雨滴對土壤表層的直接打擊,減緩了土壤結(jié)皮的形成。因此隨礫石覆蓋度增加,徑流量減小,直接導(dǎo)致了水流流速的降低?；貧w結(jié)果表明,水流流速與徑流深度之間有很好的相關(guān)關(guān)系:Vs=0.0013R0.9104R2=0.91(4)式中:Vs——水流流速(m/s);R——徑流深(mm)。上述公式表明隨徑流深度減小,水流流速也隨之降低。此外,隨地表礫石覆蓋度增加,增加了地表阻力,也導(dǎo)致了水流流速減小(圖6)。相對水流流速是為了消除降雨強(qiáng)度的影響,不同礫石覆蓋度下產(chǎn)生的水流流速與無礫石覆蓋時(shí)產(chǎn)生的水流流速的比值。相對水流流速隨礫石覆蓋度增大呈指數(shù)遞減,其公式為:V=1.039e-0.016CvR2=0.76(5)式中:V——相對水流流速(m/s);Cv——礫石覆蓋度(%)。公式(5)在顯著水平為0.05時(shí),通過了F檢驗(yàn),表明其是顯著的。因此隨著礫石覆蓋度的增加,水流流速降低,導(dǎo)致相應(yīng)的水流挾沙力降低,同時(shí)水流可攜帶的松散沙量也隨礫石覆蓋度增加而減小。這兩方面共同作用,使得土壤侵蝕量隨礫石覆蓋度的增加而減小。在礫石覆蓋度為60%或80%時(shí),輸沙率較小,且在整個(gè)降雨過程中幾乎保持不變(圖3),但流量卻是隨著降雨的繼續(xù)而逐漸增大(圖1)。這可能是由于水流挾沙力太小,不足以攜帶較多的泥沙;另一個(gè)可能的原因是地表過多的礫石覆蓋,使水流可攜帶的松散泥沙較少。降雨強(qiáng)度對徑流量和土壤侵蝕量與礫石覆蓋度之間的關(guān)系不存在影響,但對流量過程和輸沙率過程卻有明顯的影響。當(dāng)降雨強(qiáng)度較大時(shí),較高的降雨動(dòng)能打擊地表,可以促進(jìn)地表結(jié)皮的形成,因此,較低礫石覆蓋度下的流量在降雨過程中都逐漸趨于穩(wěn)定,而輸沙率也是產(chǎn)流剛開始時(shí)最大,而后逐漸減小并趨于穩(wěn)定。但是在降雨強(qiáng)度較小時(shí),尤其是30mm/h時(shí),降雨動(dòng)能比較小,對地表土壤顆粒的分散能力較弱,因此可延緩地表結(jié)皮的形成,有助于雨水入滲。因此,在30mm/h降雨強(qiáng)度下,即使降雨歷時(shí)達(dá)到90min時(shí),流量也沒有達(dá)到穩(wěn)定。受流量過程和地表松散泥沙量的共同影響,小降雨強(qiáng)度的最大輸沙率出現(xiàn)在產(chǎn)流發(fā)生后的一段時(shí)間里。5地表礫石覆