小浪底库区坡地不同利用方式入渗规律与产流产沙特征研究

第38卷第2期2007年4月 土　壤　通　报Chinese Journal of Soil Science Vol.38,No.2Ap r.,2007小浪底库区坡地不同利用方式入渗规律与产流产沙特征研究苏子友1,吴文良1,张劲松23,姜广辉1(1.中国农业大学资环学院,北京100094;2.中国林业科学研究院林业研究所,北京,100091) 摘　要:坡耕地水土流失已成为小浪底库区生态环境和农业可持续性发展所面临的一个重大问题。

通过饱和入渗和模拟降雨试验,对不同退耕利用方式(撂荒坡地、造林幼林地、林草间作、农林间作)和传统坡耕地利用方式(坡耕地翻耕休闲、坡耕地翻耕后种植玉米)入渗规律与产流、产沙特征做了研究。

结果表明:(1)退耕后坡面饱和入渗率均高于传统方式,其四种方式平均饱和入渗率是传统利用方式的1.48倍;撂荒坡地的饱和入渗率最高;同一坡面,坡底饱和入渗率高于坡中、上部。

(2)初始产流时间,撂荒坡地、造林幼林地、林草间作、农林间作分别比翻耕种玉米延迟26.16m in、14.89m in、13.48m in、6.01m in,两种传统方式差别不大。

持续产流时间退耕方式也长于传统方式。

(3)传统方式径流总量是上述四种退耕方式的2～5倍,平均产流速率明显高于退耕方式;产沙总量是退耕方式的3～50倍左右,平均产沙速度是其的1.72～9.4倍;产沙、产流总量和与产流降雨历时密切相关。

关　键　词:模拟降雨;坡地利用方式;饱和入渗率;水土流失;小浪底库区中图分类号:S15711 文献标识码:A 文章编号:056423945(2007)022******* 小浪底水库地处黄河中游最后一段峡谷出口,处于承上启下、控制黄河水沙的关键部位。

它是以防洪、减淤为主,兼顾供水、灌溉、发电效益的大型枢纽工程,在治理开发黄河的总体布局中,具有极其重要的战略地位。

但小浪底水库库区四周地形复杂,多为岩石裸露的石质山地和沟壑纵横的黄土丘陵坡地,植被稀少,雨量集中,且多为暴雨;库区均属强度或极强度侵蚀地区,每年库区土壤流失量为108万t,库区四周坡地是泥沙的主要来源[1]。

大量的水土流失不仅使坡地土壤贫瘠,生态环境恶化,而且也威胁着小浪底水库的使用寿命和黄河中下游人民的人生、财产安全。

小浪底库区坡地水土流失严重一个重要的直接原因就在于其坡地不合理的土地利用方式[2]。

为此,近年来在库区四周黄土丘陵坡地开展了大规模退耕还林(草)等生物治理措施[1,2]。

由于坡地下垫面的改变势必影响坡面入渗、产流产沙的变化,使水土流失表现出不同的特征。

国内外众多学者围绕不同土地利用方式入渗规律和产流产沙特征做了大量的相关研究,取得了许多重要的研究成果[3～8]。

但是,上述研究多偏重农田或成林林地上的相关规律的研究,土地利用方式也相对单一,而对退耕后时间不长、多种利用方式并存的坡地研究较少。

为此本研究以小浪底库区周围黄土丘陵坡地为研究对象,探讨不同坡地利用方式下的入渗规律与产流产沙特征,以期为流域水土流失治理和黄土高原退耕还林(草)提供理论依据和实践措施。

1　材料与方法1.1　研究区自然概况试验地设在河南省济源市大奎岭乡(34°58′N, 112°18′E)。

试验区面积14.5km2,属暖温带大陆性季风气候,年均气温14.3℃,年际变化在13.6℃-15.2℃之间。

平均≥5℃的活动积温为5061.0℃,历年平均降雨量641.7mm,但由于受季风气候的影响,年内季节性分布不均匀。

6～9月份多年平均降水量为452.4mm,占全年的70.5%。

试验区土壤为黄土母质上发育的黄绵土,其表层土(0～20c m)颗粒组成为:沙粒(>0.05mm)含量占19.8%,粉粒(0.05～0. 02mm)占67.6%,粘粒(<0.02mm)占13.6%。

表层土(0～20c m)有机质含量5～1115g kg-1,速效氮25.8～75.5mg kg-1,速效磷6.8～14.8mg kg-1,速效钾含量55.8～98.3mg kg-1,pH值6.9～8.5。

>15°坡地面积占60%以上。

实验选取黄土丘陵坡地坡面平整,坡向一致、坡度为18℃的6种土地利用方式,分别为撂荒坡地、林草间作、农林间作、造林幼林地、坡耕地a(小麦/休闲)、坡耕地b(小麦/玉米两茬)。

在每种利用方式的坡面收稿日期:2006203212基金项目:国家自然科学基金资助项目(30371186);科技部社会公益性研究项目(2003D I B4J142)部分内容作者简介:苏子友(1977-),男,四川人,在读博士,主要从事水土保持及农林复合研究。

3通讯作者:zhangjs@f 中下部布置两个3m×10m的径流小区,用于重复试验,坡向朝东。

试验样地状况见表1。

表1　试验样地基本情况Table1Descri p ti on of the sa mp ling sites土地利用方式D ifferentland uses 坡度(°)Sl opedegree容重Buck density(g c m-3)孔隙度(%)Por osity备注Remark撂荒坡地18 1.1954.9多年没有利用的撂荒荒坡,草类以蒿类为主,生长有小灌木,盖度为90%林草间作18 1.2352.82002种植李树和苜蓿,株行距为3m×4m,平均树高1.4m,苜蓿条播,行距为0.2m,平均高度0.25m,盖度为70%农林间作18 1.2750.82002种植国槐,间距2m×2.5m,平均树高1.30m。

收割小麦后,顺坡直线翻耕20c m,不耙磨。

9月25-10月5日之间,翻地20c m,并结合施用肥料,接着耙磨整地,播种,盖度为20%造林幼林地18 1.2552.32002坡地退耕后按照“品”种植侧柏,株行距为2m×1m,地上植被以荩草、节节草、小飞蓬为主,盖度为80%坡耕地a18 1.2950.2小麦收割后,顺坡直线翻耕20c m,耙磨整地种植玉米,采用化学药剂除杂草,株行距0.40m×0.5cm,高度0.30m,盖度30%,玉米收获后,9月25日～10月5日之间,翻地20cm,并结合施用肥料,耙磨整地,播种坡耕地b18 1.3049.6小麦收割后,顺坡直线翻耕20c m,不耙磨整地,采用化学药剂除杂草,盖度0%。

9月25日～10月5日之间,翻地20c m,并结合施用肥料,接着耙磨整地,播种1.2　试验装置实验降雨装置采用比利时Gnet大学设计制造的旋转变水头喷嘴式模拟降雨器,降雨量、和降雨强度可以通过调节供水压力和喷头个数来实现,喷头离地面高度可以下面的三角支架调节,离地面高度≤2.5米[9]。

土壤渗透仪是由加拿大D.E.Elrick教授研制的圭尔夫渗透仪(Guel ph,Per mea meter,GP),型号为2800 -011,它可以直接在田间测定土壤入渗率,它由供水量测系统、入渗部件、支架等部分组成,入渗部件采用压力入渗仪,土壤饱和入渗率根据下面公式计算: Kfs=0.0041×X×V2-0.0054×X×V1(1)式中Kfs为土壤饱和入渗率(c m sec-1),X为外管截面积(c m2),V2和V1分别代表10c m和5c m水头的外管水的下降速度(c m sec-1)[10]。

1.3　试验方法试验观测期间(2005年6月11日～6月23日) (注:6月13日降雨0.3mm,6月18日降雨0.1mm,降雨两天后继续试验)。

试验共设两组喷头交叉排列,喷头离地面高度2m,试验时降雨强度设定120.0 mm h-1,重复两次。

模拟降雨试验前用烘干法测定土壤表层(0～20c m)含水量,用环刀法测定土壤容重(0～20c m)。

利用圭尔夫渗透仪(Guel ph per mea meter, GP),采用双水头法对坡地表层(0～20c m)土壤不同坡位(坡上、坡中、坡下)的饱和入渗率进行测定。

在试验小区内沿铅垂方向均匀放置16个小塑料桶,降雨结束后用专用雨量筒读取16个小塑料桶收集的降雨量,根据下面的公式来求得降雨均匀系数。

K=∑ni|pi-p|np(2)式中:K为降雨均匀系数;p为平均降雨量(mm);Pi为第i个测点降雨量(mm);n为测点数。

降雨历时从雨滴落地时开始计时到停止降雨时为止的时间。

降雨产流后,纪录产流时间;产流60m in后停止降雨,并选取0m in,2.5m in,5m in,7.5m in,10m in,15m in, 20m in,30m in,40m in,50m in,60m in共12个时段径流样,测定产流速度和测定径流样中的泥沙含量;雨停后,记录径流持续时间。

对所有采集的径流样总量进行统计,并过滤、风干、称重。

2　结果与分析2.1　不同土地利用方式对土壤饱和导水率的影响土壤渗透性是土壤极为重要的物理特征参数之一,其渗透性能的好坏直接关系到降雨入渗量的大小,对土壤侵蚀的影响较大。

坡地退耕后不同利用方式导致土壤理化性质的差异,其渗透性能也必然发生变化。

本次试验采用圭尔夫入渗仪的双水头法测定土壤饱和入渗率,克服了过去野外模拟降雨试验测定饱和入渗率要克服植被截留和雨期蒸发等假定条件[6,11],测定结果也更能说明不同利用方式土壤饱和入渗率的变化。

坡地退耕和坡地传统利用方式对土壤饱和入渗率影响很大。

坡地退耕后四种利用方式的平均饱和入渗率是是坡地传统耕作方式的1.48倍,这与退耕几种方9132期 苏子友等:小浪底库区坡地不同利用方式入渗规律与产流产沙特征研究式下植被根系的穿插作用和对土壤的扰动减少,土壤结构逐渐恢复,土壤容重降低,土壤空隙度增加,使土壤透水性和通气性增强有着密切的联系(见表1),其它人的研究也有类似的结果[6,12,13]。

撂荒坡地由于多年没有对土地进行耕作,随着植被的逐步恢复,其地上部分的生物量增加较多,每年归还到土壤中的有机质数量也相应比其它方式增加得多,其对土壤的改善能力在几种利用方式中最强,因此,其土壤饱和率在几种退耕方式是最高的,其值是小麦/休闲方式的1.67倍;林草间作和造林幼林地的退耕时间较短,加之人为活动的一些破坏,造成其饱和入渗率次之;其值分别是小麦/休闲方式的1.60,1.53倍;农林间作由于在林间种植小麦,小麦收割后对土壤进行了翻耕,植被覆盖地也较低,但由于树木根系的穿插改土作用,其相应的饱和入渗率也比坡地传统利用方式高,其值是小麦/休闲方式的1.40倍。

四种退耕方式的饱和入渗率的大小顺序为:撂荒坡地>造林幼林地>林草间作>农林间作。

坡耕地小麦/休闲和小麦/玉米两茬方式年年对土壤翻耕,整地。