模擬溝灌條件下遼西褐土產(chǎn)流起始時間的影響因素

武 敏, 范昊明, 楊曉珍, 周麗麗, 賈燕鋒, 王鐵良

(沈陽農(nóng)業(yè)大學 水利學院, 遼寧 沈陽 110866)

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模擬溝灌條件下遼西褐土產(chǎn)流起始時間的影響因素

武 敏, 范昊明, 楊曉珍, 周麗麗, 賈燕鋒, 王鐵良

(沈陽農(nóng)業(yè)大學 水利學院, 遼寧 沈陽 110866)

摘要：[目的] 明確不同坡度、容重、含水率、灌水量對遼西褐土溝灌侵蝕產(chǎn)流起始時間的影響，以減少褐土溝灌侵蝕，指導農(nóng)田灌溉。 [方法] 采用正交設計進行了室內(nèi)模擬壟溝沖刷試驗, 采用4因素3水平的響應曲面分析法建立產(chǎn)流起始時間、侵蝕量的二次多項式數(shù)學模型。 [結(jié)果] 產(chǎn)流時間都在20.05 s之內(nèi),最小的為3.03 s;產(chǎn)流起始時間、侵蝕量的二次多項式數(shù)學模型決定系數(shù)R2分別為0.998 9和0.999 2。 [結(jié)論] 坡度、灌水量、土壤容重、土壤含水率與產(chǎn)流時間呈負相關關系,對產(chǎn)流時間有著顯著影響,且灌水量>坡度>土壤含水率>土壤容重;試驗中建立的二次多項式數(shù)學模型擬合效果良好。通過數(shù)值計算，提出不同坡度下滿足侵蝕量最小時的灌溉模式。

關鍵詞：模擬溝灌; 產(chǎn)流起始時間; 褐土; 響應曲面法

中國及世界上廣泛存在的土壤侵蝕、非點源污染、水質(zhì)惡化等問題都與灌溉侵蝕有著密切的關系[1-2]。Berg和Carter[3]在美國Idaho州南部進行的溝灌研究表明，每年由灌溉引起的侵蝕量為98～15 483 t/km2。Koluvek等[4]在美國Washington州的研究表明，每季節(jié)由灌溉引起的侵蝕量為49～12 288 t/km2，在Wyoming州的研究表明，單次灌溉引起的侵蝕量為246～5 407 t/km2。國內(nèi)外眾多學者圍繞坡面降雨入滲、產(chǎn)流機理、降雨—入滲—產(chǎn)流過程的影響因素做了大量研究[5-12]。產(chǎn)流時間的影響因素有地表糙度、礫石覆蓋、降雨強度、坡度、坡長、土壤初始含水量、作物覆蓋等。郭建華等[13]指出地表糙度越大，產(chǎn)流時間越靠后；王小燕等[14]提出不同降雨強度下，壤中流產(chǎn)流時間與礫石覆蓋度呈負相關關系；衛(wèi)喜國等[15]研究發(fā)現(xiàn)坡面產(chǎn)流歷時與降雨強度呈指數(shù)函數(shù)關系，與坡度呈對數(shù)函數(shù)關系；辛偉等[16]指出地表徑流初始產(chǎn)流時間隨著雨強和坡度的增加而加快；張赫斯等[17]研究表明，隨坡度的增大，產(chǎn)流時刻提前，泥沙起動和產(chǎn)沙突增的雨強臨界減小；陳俊杰等[18]利用人工降雨試驗研究指出產(chǎn)流時間隨坡度的變化并沒有顯著的規(guī)律性，坡長增長對產(chǎn)流時間的提前有促進作用；王曉燕等[19]指出產(chǎn)流時間主要受土壤含水量的影響，并與土壤含水量呈正相關；吳發(fā)啟等[20]發(fā)現(xiàn)坡面產(chǎn)流歷時與土壤容重、初始含水率、坡度、降雨強度、耕作管理措施呈負相關；王莢文等[21]研究了谷子地不同留茬高度及不同坡度的水土保持效應，指出谷子地5,10及15 cm留茬高度對產(chǎn)流時間沒有顯著影響，坡度的變化對產(chǎn)流時間無顯著影響。關于降雨產(chǎn)流時間與上述影響因素之間的函數(shù)關系，不同研究者所得結(jié)論不盡相同。

溝灌侵蝕與自然降雨侵蝕比較而言，在侵蝕水流特征、侵蝕作用時土壤的性質(zhì)、侵蝕作用方式、侵蝕作用時間、空間、侵蝕系統(tǒng)組成等方面都有所不同。國內(nèi)外關于溝灌時灌水量、坡度、土壤容重、土壤含水量等諸多因子對開始產(chǎn)流時間影響的研究報道還很罕見。有研究表明溝灌引起耕地水土流失嚴重[3-4]，故本文以遼西褐土為研究對象，采用模擬灌溉裝置，選擇不同灌水量、坡度、土壤容重、土壤含水量進行4因素3水平正交灌溉試驗，探究溝灌產(chǎn)流起始時間同其他影響因子之間的關系，以期為研究褐土溝灌侵蝕、指導農(nóng)田灌溉提供前提條件。

1材料和方法

1.1　試驗用土

試驗用土于2010年9月取自遼寧省西部朝陽市旱作農(nóng)田表層，深0—20 cm，地理坐標為東經(jīng)120°27′29″，北緯41°32′13″，屬于褐土中的典型褐土亞類、鈣鎂質(zhì)褐土土屬，有黏粒和鈣的積聚，具有明顯的黏化作用和鈣化作用，其成土母質(zhì)為二元基巖風化物，上部為砂巖坡積物，下部為白云質(zhì)灰?guī)r殘積物，適宜農(nóng)作物生長。試驗用土的機械組成和理化性質(zhì)如表1和表2所示。

表1　試驗用土機械組成

注:A表示表土層； B表示黏化層； C表示母質(zhì)層。

表2　試驗用土理化性質(zhì)

1.2　試驗裝置

試驗在沈陽農(nóng)業(yè)大學土工實驗室進行，試驗裝置主要由試驗土槽和供水裝置兩部分構(gòu)成(圖1)。二者通過連接裝置使供水裝置的水輸入到試驗土槽。試驗土槽和連接裝置放置于同一具有調(diào)節(jié)坡度功能的試驗鐵架上。試驗土槽為長1.5 m，寬0.7 m，深0.5 m的矩形防銹鐵板槽，為了模擬野外農(nóng)田灌溉壟溝，在試驗土槽填土時中間留有上底寬0.6 m，下底寬0.3 m，深0.3 m的梯形斷面，與實際農(nóng)田保持一致。供水設備包括供水容器、水泵、1寸PVC水管、壓力表、控制閥。供水容器是容積為2 m3的塑質(zhì)水桶。連接裝置由穩(wěn)流槽和導流槽組成，導流槽斷面為長1 m，上底寬0.6 m，下底寬0.3 m、深0.3 m的梯形斷面，試驗土槽裝土后與導流槽下端齊平，供水通過穩(wěn)流后可平穩(wěn)。

1 試驗土槽; 2 供水容器; 3 水泵; 4 PVC管; 5 壓力表;

試驗時供水容器中的水由水泵傳輸?shù)竭B接裝置，通過穩(wěn)流槽、導流槽傳輸?shù)皆囼炌敛郏_到穩(wěn)流的目的。試驗所需流量通過控制閥控制，同時通過壓力表監(jiān)測流量(試驗前，通過率定所需供水量，記下此時壓力表讀數(shù))。土槽末端連接集流槽，用于收集徑流泥沙樣品。

1.3　試驗設計

根據(jù)灌溉定額和遼西旱田實際情況，試驗選用坡度、含水率(反映土壤干燥程度)、灌水量、容重(反映犁底層不同容重)4個影響因子，每個因子采用3個水平，采用國內(nèi)外廣泛使用的正交科研設計方法，各因素間不考慮交互作用影響，選用不含交互作用的L9(34)正交試驗表位本次試驗設計用表，試驗共做9組溝灌侵蝕模擬試驗，每次試驗灌溉時間為20 min，詳見表3。

表3　產(chǎn)流時間直觀分析結(jié)果

注：MT1—MT3表示產(chǎn)流時間各因素1—3水平的均值； RT表示水平極差。

2結(jié)果與分析

2.1　產(chǎn)流影響因素分析

產(chǎn)流時間直觀分析和方差分析結(jié)果(表3和表4)看出，9次試驗的產(chǎn)流時間都在20.05 s之內(nèi)，最小的為3.03 s，灌水量R值為8.80，F(xiàn)值為378.42，在4個因素中均是最大；其次坡度R值為5.73；F值為153.88，僅次于灌水量；而土壤含水量與土壤容重的R值與F值分別為3.24，2.38，54.67，39.68，與灌水量、坡度相比其值明顯較小，對產(chǎn)流時間的影響不如坡度、灌水量顯著，可見坡度、灌水量、土壤容重、土壤含水率都對產(chǎn)流時間有著顯著影響并且灌水量>坡度>土壤含水率>土壤容重。

表4　產(chǎn)流時間方差分析結(jié)果

注：①R2=0.993(調(diào)整R2=0.987)。

以上分析試驗中灌水量對產(chǎn)流時間影響最顯著，通過回歸分析可知不同影響因素與產(chǎn)流時間呈冪函數(shù)關系(y=axb，其中a，b為常數(shù))，其回歸參數(shù)見表5。從表5可以看出，灌水量與產(chǎn)流時間呈負相關關系；即灌水量越大，產(chǎn)流時間越短。這是因為當坡度、容重、含水率一定時，灌水量的大小將影響土壤達到飽和的時間，灌水量越大，土壤達到飽和的時間就越快，因此產(chǎn)流時間就越短。從表2中可以看到，當流量為0.3 l/s時，產(chǎn)流時間為13.18 s；而當流量增到1.5 l/s時，產(chǎn)流時間僅為4.38 s，流量的增大使溝灌侵蝕過程中產(chǎn)流時間明顯縮短。

坡度是影響溝灌侵蝕過程中產(chǎn)流時間的另一重要因素，從表5中可以看出，坡度與產(chǎn)流時間也呈現(xiàn)負相關的關系；即隨著坡度的增加產(chǎn)流時間縮短。表2中不同坡度下，產(chǎn)流時間變化明顯；當壟溝坡度在1°時，產(chǎn)流時間為11.16 s；而當坡度增加到5°時，產(chǎn)流時間縮短到4.66 s。這是因為當土壤容重、含水率、灌水量一致時，坡度的增大會使水流的流速增大，產(chǎn)流時間縮短。因此，隨著坡面的增大，產(chǎn)流時間呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢。

而土壤含水率與土壤容重雖對產(chǎn)流時間的影響不如坡度、灌水量大，但也對產(chǎn)流時間有一定的影響，從表5中可以看出含水率、容重與產(chǎn)流時間均呈負相關關系。當土壤含水率為8%時，產(chǎn)流時間9.97 s；土壤含水率增大到18%時，產(chǎn)流時間縮短到7.07 s；當含水率增大到28%時，產(chǎn)流時間為6.73 s。可以看出隨著含水率的增大，產(chǎn)流時間的變化不是很大。含水率的增大使水流的入滲減少，因而徑流的產(chǎn)生時間隨之縮短；而土壤容重影響土壤的入滲速率，容重越大，土壤的入滲越小，因此也使徑流的產(chǎn)生時間減小。從表3中可看到當容重為1.2 g/cm3時產(chǎn)流時間為9.51 s，容重增大到1.3 g/cm3產(chǎn)流時間縮小至到7.13 s，隨著容重的增大，產(chǎn)流時間逐漸減小。

以上分析可知坡度、灌水量、容重、含水率都不同程度的影響著溝灌侵蝕的產(chǎn)流時間，各因素與產(chǎn)流時間均呈現(xiàn)負相關的關系。

表5　不同影響因素與產(chǎn)流時間回歸參數(shù)

2.2　響應曲面設計分析

根據(jù)試驗4因素3水平正交設計，利用SAS軟件進行響應曲面分析[22]，獲得坡度、灌水量、土壤容重、土壤含水率對產(chǎn)流時間、侵蝕量的二次多項式回歸方程分別為：T=902.38+21.28S-1 362.01D+0.88M-16.21G+0.28S2-13.37 DS+519.33D2-0.39 MS

(R2=0.998 9)

E=-122.75+41.12S+105.50D-0.53M-0.069G-0.039 674S2-29.59DS-3.49D2-0.01MS

(R2=0.999 2)

式中：T——產(chǎn)流時間(s)；S——坡度(%)；D——容重(g/cm3)；M——含水率(%)；G——灌水量(l/s)。回歸方程的方差分析、各項的方差分析和參數(shù)估計及顯著性分析的結(jié)果如表6所示。

表6　二次項響應面的回歸分析及決定系數(shù)

從表6可以看出產(chǎn)流時間的二次回歸模型的F值為1 984.55，P<0.000 1，且一次項、二次項及交叉項p值均小于0.000 1，說明該模型擬合效果很好。模型的校正決定系數(shù)R2=0.998 9，表明模型能解釋褐土溝灌產(chǎn)流起始時間響應值的變化，因而該模型與實際情況擬合很好。

由回歸方程各項的方差分析表明，各因素對產(chǎn)流起始時間線性效應皆顯著；且其對產(chǎn)流起始時間的曲面效應也顯著；S與D，M的交互作用顯著，而剩余的交互影響不顯著。

同理，侵蝕量模型擬合很好。通過已建立的侵蝕量、產(chǎn)流時間回歸模型數(shù)值計算求得不同坡度下侵蝕量最小時的灌溉模式分別為：坡度為1%，容重為1.2 g/cm3，含水率為8%，灌水量為0.3 l/s，此時侵蝕量最小為0.010 kg，產(chǎn)流時間為20.37 s；坡度為3%，容重為1.3 g/cm3，含水率為28%，灌水量為0.3 l/s，此時侵蝕量最小為0.027 kg，產(chǎn)流時間為10.69 s；坡度為5%，容重為1.3 g/cm3，含水率為28%，灌水量為0.3 l/s，此時侵蝕量最小為3.951 kg，產(chǎn)流時間為1.11 s。

3討論與結(jié)論

(1) 溝灌侵蝕過程不同影響影響因素條件下產(chǎn)流時間的直觀分析與方差結(jié)果均顯示，坡度、灌水量、土壤容重、土壤含水率都對產(chǎn)流時間有著顯著影響。

(2) 坡度、灌水量、土壤容重、土壤含水率與產(chǎn)流時間均呈負相關關系，灌水量是對產(chǎn)流時間影響最顯著的因素，其次為坡度；土壤含水率與土壤容重雖對產(chǎn)流時間的影響不如坡度、灌水量大，但也對產(chǎn)流時間有一定的影響。

(3) 運用響應曲面法分別建立坡度、灌水量、土壤容重、土壤含水率與產(chǎn)流時間、侵蝕量二次多項式數(shù)學模型，決定系數(shù)R2分別為0.998 9和0.999 2，模型擬合效果很好；通過數(shù)值計算分別求得試驗條件下不同坡度土壤流失量最小時的灌溉模式。

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Factors Affecting Initial Time of Runoff Under Simulated Furrow Irrigation in Western Liaoning Cinnamon Soil

WU Min, FAN Haoming, YANG Xiaozhen, ZHOU Lili, JIA Yanfeng, WANG Tieliang

(CollegeofWaterConservancy,ShenyangAgricultureUniversity,Shenyang,Liaoning110866,China)

Abstract：[Objective] To analyze the influence of different slope, soil bulk density, soil moisture content, and irrigation water amount on initial time of runoff during furrow irrigation erosion of cinnamon soil in Western Liaoning Province, in order to reduce the furrow irrigation erosion and guide the irrigation further. [Methods] The scouring experiment was conducted by orthogonal design. The method of response surface analysis with 4 factors and 3 levels was adopted to build a quadratic equation for initial time of runoff and soil erosion amount. [Results] The initial time of runoff was within 20.05 s and the smallest was 3.03 s. The determination coefficient of the quadratic equation was 0.998 9 and 0.999 2, respectively. [Conclusion] Slope, irrigation amount, soil bulk density and soil moisture content were negatively correlated with initial time of runoff, and had a significant effect on it. The influence order was as following: irrigation amount>slope>soil bulk density>soil moisture content. The quadratic equation build in the experiment was well fitted. Irrigation mode of minimal erosion amount under different slope was obtained by numerical calculation.

Keywords:simulated furrow irrigation; initial time of runoff; cinnamon soil; response surface methodology

文獻標識碼：A

文章編號：1000-288X(2015)03-0034-05

中圖分類號：S152.3

通信作者：王鐵良(1965—),男(漢族),遼寧省黑山縣人,博士,教授,主要從事農(nóng)業(yè)水土環(huán)境、設施環(huán)境與結(jié)構(gòu)研究。E-mail:tieliangwang@126.com。

收稿日期：2014-01-20修回日期：2014-02-28

資助項目：國家自然科學基金項目“東北黑土低山丘陵區(qū)融雪侵蝕機理與過程研究”(41371272); 國家自然科學基金項目“遼西褐土旱作農(nóng)田區(qū)溝灌侵蝕機理與侵蝕過程研究”(41071183)

第一作者：武敏(1977—),男(漢族),山西省大同市人,碩士,講師,主要從事土壤侵蝕過程與水土環(huán)境效應評價研究。E-mail:wumin7711@163.com。