基于人工模擬降雨試驗的壟作區田水土保持效益的變化研究

劉雨鑫, 謝 云, 辛 艷, 王文婷, 張珊珊

(北京師范大學 地表過程與資源生態國家重點實驗室 地理學與遙感科學學院, 北京 100875)

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基于人工模擬降雨試驗的壟作區田水土保持效益的變化研究

劉雨鑫, 謝 云, 辛 艷, 王文婷, 張珊珊

(北京師范大學 地表過程與資源生態國家重點實驗室 地理學與遙感科學學院, 北京 100875)

[目的] 研究壟作區田在不同降雨條件下發生溢流和損毀的情況和水土保持效益的變化，為實施壟作區田的適宜條件評價和水土保持效益的評價提供依據。 [方法] 對壟作區田和順壟耕作實施不同雨強的人工模擬降雨實驗，分析二者的產流產沙過程和水土保持效益變化。 [結果] 雨強大于60 mm/h時，區田有溢流產生，但土檔不會損毀，水土保持效益略有降低；雨強大于60 mm/h時，區田土檔在溢流后很快損毀，水土保持效益有明顯的下降。區田未損毀情況下的蓄水效益為87.5%，保土效益為88.2%；區田損毀后的蓄水效益降至34.1%，保土效益降至21.0%。 [結論] 壟作區田在60 mm/h雨強下具有良好的水土保持效益，超過60 mm/h時，由于土檔在溢流后容易損毀，從而使其水土保持效益顯著下降，喪失了攔蓄徑流和泥沙的能力。

壟作區田; 人工模擬降雨; 水土保持耕作措施; 水土保持效益

文獻參數： 劉雨鑫, 謝云, 辛艷, 等.基于人工模擬降雨試驗的壟作區田水土保持效益的變化研究[J].水土保持通報，2016,36(4)：227-231.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2016.04.040

壟作區田(簡稱“區田”)是指在坡耕地上犁出的溝壟內每隔一定距離修筑一個略低于壟臺的橫土檔，將壟溝隔成一個個土坑，通過改變微地形起到攔截降水、蓄水留肥的水土保持作用，是一種重要的水土保持耕作措施[1]。由于區田的橫檔起著攔截徑流的作用，要想充分發揮其水土保持效果，修建時需要考慮如降雨、坡度、區田規格、配套耕作措施等諸多因素。蔣德麒[1]研究認為區田適用15°以下坡，坡度愈緩愈好。楊愛民[2]和沈昌蒲[3]認為實施坡度一般應小于8°，給出了0.5～15°內區田的實施規格和最佳檔距，并檢驗了天然降雨和模擬降雨條件下檔距的可靠性，也有人研究了區田對水分入滲的影響[4]，與配套措施實施的增產效果[5-8]等。《黑土區水土流失綜合防治技術》指出壟向區田適用于小于5°的坡，并規定了筑檔規格，但未考慮降雨條件[9]。有學者[10-11]提出區田在大雨條件下會因為土檔損毀產生更嚴重的侵蝕，很多學者[5-8]在研究區田產流產沙特征及其保水帶來的增產效益時，沒有考慮降雨的損毀影響。在進行區田人工模擬降雨試驗也是主要檢驗區田淺穴的承雨性，僅觀測到溢流為止[2-3,12-13]，缺少損毀研究。基于此，本試驗通過人工模擬降雨試驗研究降雨強度的變化對區田的溢流與損毀的影響，及其造成的水土保持效益的變化，期望為進行壟作區田的適宜條件評價和降雨導致的區田效益變化評價提供參考。

1　材料與方法

人工模擬降雨試驗在北京師范大學地表過程與生態資源國家重點實驗室房山試驗基地的人工降雨大廳進行，采用槽式下噴型人工降雨機[14]。該降雨機每單機配備5個噴頭，間距1.1 m，單機有效降雨寬度為4.4 m,每兩臺降雨機的間距為1.5 m，可多個降雨單機組合使用形成4.4 m寬、長度可變的不同有效降雨面積：(n-1)×1.5×4.4 m2(n為同時使用的降雨機個數)。噴頭為美國制的Spray V-jet型降雨噴頭，水壓0.04 MPa，可模擬20～200 mm/h內共10個檔的雨強。試驗對象為變坡土槽，長2 m，寬1 m，深0.5 m，坡度可在0～40°間調整，本試驗選取2°。一次同時對2個土槽進行人工降雨，分別是作為對照的順壟和壟作區田，結合土槽規格和降雨機有效降雨面積確定3個單機組合使用。采用順壟為區田水土保持效益對照主要基于以下考慮：土壤侵蝕模型中定量評價水土保持耕作措施效益時，采用傳統的順坡耕作為對照，由于區田的蓄水保土效益是在起壟基礎上增加橫檔的作用所致，因此采用順坡起壟進行對照以消除起壟的影響。試驗所用土壤為北京市延慶縣上辛莊表層0—20 cm的普通褐土，黃土母質。土壤有機質含量為0.4%，機械組成為砂粒39.2%，粉粒43.7%，黏粒17.1%。槽內先填土30 cm深，容重控制在1.3 g/cm3，在此基礎上對每個土槽修筑順壟和區田，修筑規格參照了《黑土區水土流失綜合防治技術標準》中關于壟向區田的相關規定。順壟修筑方式如下：水槽橫斷面中心挖成V形壟溝，上口寬30 cm，底部與水槽出水口持平，兩側為平整壟臺，寬度均為35 cm，較壟溝底部高出15 cm，與水槽擋板相接。區田則首先起壟，規格與順壟相同，在壟溝中設立4個橫檔形成3個區田，橫檔在土槽中的位置從下坡至上坡方向依次為：出水口沿坡面向上0—40 cm為下橫檔，60—100 cm為中橫檔，120—160 cm為上橫檔，180～200再設半個橫檔與土槽頂部擋板相接。區田的檔距為60 cm，橫檔上寬10 cm，下寬40 cm，較壟溝底部高10 cm(較壟臺低5 cm)，與壟臺自然相接。

人工模擬降雨強度設計4個水平：30，60，90和120 mm/h，降雨歷時均為1 h，每個雨強共進行3次重復。降雨過程中記錄降雨開始和產流開始時間，產流后立刻開始取樣。考慮到產流過程中含沙量會有變化，全部采樣測量含沙量又導致烘干數量和時間大大增加,可操作性差，因此采用5 min等間隔取樣，即用塑料桶取5 min間隔內的徑流樣，如果該間隔內的徑流量超過塑料桶體積，則記錄桶滿時的時間，不再采集多余的徑流樣，待下一個5 min開始時重新放置塑料桶采樣，如此循環直至降雨結束。為了測量每個5 min間隔內的含沙量，在每次5 min間隔采樣開始時，先用兩個塑料瓶采集用來測量含沙量的樣本，代表5 min間隔的平均含沙量。降雨過程中記錄區田發生溢流、開始損毀和被沖毀的時間。溢流是指開始有徑流漫過區田橫檔，直至橫檔出現損毀；損毀是指區田橫檔上出現明顯的細溝侵蝕，直至沖毀；沖毀是指橫檔被徑流完全沖開，直至產流結束。降雨結束后，用量筒分別測定兩個塑料瓶及塑料桶內徑流樣的體積，然后用烘干法測定兩個塑料瓶內徑流樣的含沙量。根據測量到的塑料瓶和塑料桶的體積或記錄桶接滿的時間，即可求出每個時間間隔的徑流量，累加得到該次降雨的總徑流量。根據測定的每一時間間隔的含沙量乘以對應間隔的徑流量，得到每一時間間隔的產沙量，再累加得到該次降雨的總產沙量。最后根據水槽面積計算徑流深和土壤侵蝕模數。區田的蓄水保土效益計算為：

蓄水或保土效益=(1-區田徑流深或土壤侵蝕模數/

順壟徑流深或土壤侵蝕模數)×100%。

2　結果與討論

2.1區田的溢流、損毀和沖毀及其產流產沙過程的變化

表1為區田在4個雨強下的溢流、損毀和沖毀情況。由表1可以看出，當雨強在30 mm/h時，區田既無溢流也無損毀；60 mm/h時，區田在降雨39 min開始溢流，對應雨量39 mm，但無損毀；90 mm/h時，降雨24 min開始溢流，對應雨量36 mm，33 min出現損毀，對應雨量50 mm；120 mm/h時，降雨15 min開始溢流，對應雨量30 mm，23 min出現損毀，對應雨量46 mm。楊愛民[2]研究認為雨強216 mm/h時，降雨7.4～15.8 min開始溢流。沈昌蒲[13]認為雨強174 mm/h時，降雨15.8 min開始溢流，與本研究結果類似。

綜合來看，雨強30 mm/h時既無溢流也無損毀；雨強60 mm/h時，只有溢流而無損毀，雨強大于90 mm/h以后，會發生損毀，且隨著雨強增大，溢流和損毀時間縮短，說明區田損毀需要沖刷土檔的徑流達到一定動能才行，并非僅是雨量的累計。

表1　區田橫檔在不同雨強下的溢流、損毀和沖毀情況

雨強大于90 mm/h后，區田狀況變化可分為4個階段：溢流前，溢流至損毀前，損毀至沖毀前以及沖毀后。溢流前區田產流產沙很小，大部分降水匯入區田橫檔之間的淺穴內。溢流至損毀前淺穴已蓄滿徑流并漫過橫檔，但橫檔尚未出現細溝，此時產流產沙略有增加。損毀至沖毀前橫檔出現細溝侵蝕，徑流在細溝處匯集并繼續下切土檔，直到橫檔被完全沖垮，形成連接兩個淺穴的通道。該階段產流產沙量急劇增加(圖1)。如90 mm/h雨強下產流和產沙速率分別較前一階段增加1.7和2.7倍。120 mm/h雨強下產流產沙速率分別較前一階段增加1.9倍和3.8倍。沖毀后淺穴開始被堆積，細溝侵蝕停止，產流變化不大且趨于平穩，產沙則由于淺穴的沉積作用而明顯減少，如90和120 mm/h雨強產流速率分別較沖毀前僅下降0.1和0.2 L/(m2·min)，而產沙速率與沖毀前相比分別下降10.8和27.2 g/(m2·min)。4個階段平均產流量分別占總量的2%，17%，39%和42%，產沙量分別占總量的2%，12%，55%和31%。與區田相比，順壟的產流產沙速率在降雨初期呈持續上升，然后趨于平穩(圖2)。降雨強度在30～60 mm/h時順壟的產流速率最大值分別是區田的7和1.8倍，產沙速率最大值分別是區田的2.3和1.5倍；而90～120 mm/h時順壟的產流速率最大值分別為區田的99%和97%，產沙速率最大值分別為區田的79%和61%。

圖1　不同降雨條件下區田的產流產沙過程曲線

從徑流深和土壤侵蝕模數來看，30～120 mm/h雨強下，區田的徑流深分別為0.2，5.3，31.6，50.1 mm，順壟分別為4.6，15.2，42.5，61.6 mm。區田的土壤流失量分別為0.1，0.6，5.8，14.7 t/hm2，順壟分別為0.3，1.2，8.0，15.5 t/hm2。由此可見，區田在橫檔損毀前因為一直有淺穴攔蓄降水和徑流，產流產沙速率都小于順壟，且產流產沙量只占總量的19%和14%。但損毀后產流速率與順壟持平，產沙速率在大雨強下甚至大于順壟，產流產沙量占總量的81%和86%。

圖2　不同降雨條件下順壟的產流產沙過程曲線

2.2雨強與區田的蓄水保土效益的關系

區田橫檔損毀前后的蓄水保土效益有顯著差異(表2)，30～120 mm/h降雨強度下，區田未損毀時的平均蓄水效益為87.5%，平均保土效益為88.2%，且各降雨強度下的蓄水保土效益相差不大。該結果與前人的研究類似：蔣德麒[1]對壟作區田在天然降雨下的觀測數據得出區田可以減少徑流70%～92%，減少沖刷84%～97%，楊愛民[2]對區田在天然降雨和人工降雨下的觀測得出區田與不設檔的對照相比減少徑流85%～100%，減少沖刷90%～100%，郭乾坤[15]在整理分析大量已有文獻的基礎上指出區田的T值為0.161，即減少了84%的土壤流失。在橫檔損毀后，區田的蓄水保土效益明顯降低，90 mm/h時的蓄水效益為37.0%，比損毀前降低47.2%；保土效益27.6%，比損毀前降低58.6%。120 mm/h時的蓄水效益為31.2%，比損毀前降低50.9%；保土效益14.3%，比損毀前降低66.9%。損毀后區田的平均蓄水效益是34.1%，平均保土效益是21.0%。

表2　不同雨強條件下，區田在損毀前后的水土保持效益

綜上所述，雨強的變化導致區田由溢流到損毀直至沖毀，而無損毀和有損毀相比，區田的產流量和產沙量顯著增加，對應的水土保持效益也相應減少(表2)。將區田的蓄水保土效益分為無損毀時的效益、有損毀時的效益和平均效益(無損毀效益與有損毀效益的平均值)，對三者進行單因素方差分析。結果表明，3種效益差異顯著(F=86.38，sig.=0.000)。評估實際降雨條件下的區田蓄水保土效益時，應考慮區田是否遭受了損毀。進一步對蓄水保土效益與雨強進行回歸分析表明，蓄水保土效益與雨強呈顯著線性相關(圖3)。從蓄水效益看，未損毀時回歸方程R2=0.73，效益隨雨強的降低速率為0.17%/(mm·h),有損毀時回歸方程R2=0.99，效益隨雨強的降低速率增大至0.84%/(mm·h)。從保土效益看，未損毀時回歸方程R2=0.68，效益隨雨強的降低速率是0.18%/(mm·h)，有損毀時回歸方程R2=0.99，效益隨雨強的降低速率增大至1.04%/(mm·h)。平均蓄水效益的回歸方程R2=0.91，效益隨雨強的降低速率為0.56%/(mm·h)，平均保土效益的回歸方程R2=0.93，效益隨雨強的降低速率為0.68%/(mm·h)。

圖3　雨強與區田蓄水保土效益的關系

3　結 論

基于人工模擬降雨試驗，分析了區田在不同降雨強度下的產流產沙過程，發生溢流、損毀和沖毀的情況，及由此帶來的水土保持效益變化。結果表明，降雨強度小于30 mm/h時，不會導致溢流；60 mm/h時，雖有溢流但不會損毀區田，蓄水保土效益略有降低；90 mm/h以后，區田經歷了溢流、損毀和最終沖毀的過程，產流產沙發生明顯變化，蓄水保土效益明顯下降。區田在未損毀的情況下，蓄水效益為87.5%，保土效益為88.2%；區田損毀后的蓄水效益降至34.1%，保土效益降至21.0%。區田蓄水和保土效益隨雨強增大呈降低趨勢，無損毀情況下的蓄水效益降低速率為0.17%/(mm·h),有損毀情況下為0.84%/(mm·h)。無損毀情況下的保土效益降低速率為0.18%/(mm·h)，有損毀情況下為1.04%/(mm·h)。如果不區分損毀前后的差異，平均蓄水效益隨雨強的降低速率為0.56%/(mm·h)，平均保土效益隨雨強的降低速率為0.68%/(mm·h)。研究結果揭示了降雨強度對壟作區田的水土保持效益變化的影響，可為其實施的適宜條件評價和水土保持效益評價提供依據。

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Variations of Soil and Water Conservation Efficiency for Basin Tillage Measurement Studied by Rainfall Simulation

LIU Yuxin, XIE Yun, XIN Yan, WANG Wenting, ZHANG Shanshan

(SchoolofGeography，StateKeyLaboratoryofEarthProcessandResourceEcology，BeijingNormalUniversity,Beijing100875，China)

[Objective] The effects of rainfall intensity on the happening of overflowing and breaking on basin tillage and the relevant variations of basin tillage’s soil and water conservation efficiency were explored to provide

of suitable requirements for the application of basin tillage and for the evaluation of its soil and water conservation efficiency. [Methods] Simulated rainfall was applied on two tillage patterns of basin tillage and compared conventional tillage, and to analyze their processes of soil and water production and the variations of soil and water conservation efficiency. [Results] When rainfall intensity was under 60 mm/h, there was ridge overflowing occurrence but no damage or breaking for basin tillage, and the efficiency decreased slightly. When rainfall intensity was over 60 mm/h, damage and breaking occurred as soon as overflowing happened, whereafter the efficiency decreased remarkably. Average runoff conservation efficiency was 87.5% and the soil conservation efficiency was 88.2%. When basin tillage was damaged, the above two items decreased to 34.1% and 21.0%, respectively. [Conclusions] Basin tillage would remain good efforts on soil and water conservation when rainfall intensity under 60 mm/h. When it is over 60 mm/h, because dams of basin tillage might be broken down easily after overtopping, it would lost its ability of blocking water and soil, and hence relevant conservation efficiency decreased remarkably as well.

basin tillage; rainfall simulation; agricultural measures for soil and water conservation; soil and water conservation efficiency

2015-01-25

2015-03-16

國家自然科學基金創新研究群體項目“地表過程模型與模擬”(41321001)； 水利部公益性行業科研專項經費項目“典型黑土區坡耕地土壤侵蝕危險程度研究”(201501012)； 水利部全國水土流失動態監測與公告項目(1261421610273)

劉雨鑫(1989—),男(漢族),遼寧省鞍山市人,碩士研究生,研究方向為土壤侵蝕與土地生產力等。E-mail:1050434631@qq.com。

謝云(1964—),女(回族),遼寧省大連市人,博士,教授,主要從事土地生產力、土壤侵蝕、氣候影響評價研究。E-mail:xieyun@bnu.edu.cn。

A

1000-288X(2016)04-0227-05

S157.1