紫色土坡耕地徑流過程監(jiān)測與分析

紫土是長江上游最重要的文化特色之一，集中在四川盆地。四川省紫色土面積約16萬km2,紫色土耕地面積約占四川耕地的68%。紫色土由紫色頁巖發(fā)育而成,具有土層淺薄、孔隙度大、入滲能力高等特點,土壤水分垂向運動劇烈,持續(xù)降雨時,水分極易下滲至土壤-巖石界面,而紫色泥頁巖滲透性弱,水分難以垂直入滲而沿坡向匯集成壤中流。壤中流發(fā)育是紫色土坡耕地最顯著的特征之一。另一方面,紫色土坡耕地侵蝕嚴重,已成為長江上游水土流失的主要場所和江河水庫泥沙的主要來源。因此,研究紫色土坡耕地產(chǎn)流規(guī)律對于深入認識紫色土坡耕地水文過程,指導(dǎo)長江上游水土保持建設(shè)和農(nóng)業(yè)面源污染控制均有重要意義。國內(nèi)學(xué)者已經(jīng)對紫色土坡耕地產(chǎn)流機制、過程等進行了大量研究。例如,劉剛才等利用簡易的壤中流觀測系統(tǒng)研究了紫色土坡耕地不同降雨產(chǎn)流過程,發(fā)現(xiàn)小雨時只有地表徑流產(chǎn)生,暴雨和大暴雨時,表面徑流和壤中流都有發(fā)生;王先拓等通過人工模擬降雨試驗研究了坡度對四川盆地紫色土坡耕地地表徑流產(chǎn)流的影響;徐佩等利用人工模擬降雨研究了紫色土坡耕地壤中流產(chǎn)流特征,認為紫色坡耕地土層較淺是導(dǎo)致壤中流增大的主導(dǎo)因素,緩坡有利于壤中流的產(chǎn)生。但大多數(shù)研究側(cè)重于單一徑流過程,而且主要依靠人工降雨模擬試驗進行,系統(tǒng)研究坡耕地地表徑流和壤中流過程及徑流分配特征的研究不多,尤其缺乏野外長期試驗研究。本文通過野外徑流小區(qū)試驗,結(jié)合人工降雨模擬試驗,系統(tǒng)研究紫色土坡耕地產(chǎn)流過程、徑流分配特征及影響因素,旨在為紫色土坡耕地可持續(xù)利用生態(tài)系統(tǒng)的構(gòu)建及長江上游水土保持方略的制定提供科學(xué)依據(jù)。1測試方法1.1站的自然概況野外試驗與觀測依托中國科學(xué)院鹽亭紫色土農(nóng)業(yè)生態(tài)試驗站(105°27′E,31°16′N)。該站位于四川盆地中北部的鹽亭縣林山鄉(xiāng),地處涪江支流彌江、湍江的分水嶺上。屬中亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候,年均氣溫17.3℃,極端最高氣溫40℃,極端最低氣溫-5.1℃;多年平均降雨量826mm,分布不均,春季占5.9%,夏季65.5%,秋季19.7%,冬季8.9%,無霜期294d。1.2高水土壤肥力型社區(qū)低碳管理策略自行設(shè)計建造坡度為7°(紫色土丘陵區(qū)緩坡地常見坡度)的可測壤中流的徑流觀測小區(qū),徑流小區(qū)面積32m2,小區(qū)土層厚度為60cm。為保障小區(qū)水系獨立,防止附近水流側(cè)滲影響,同時模擬土壤-巖石不透水界面,小區(qū)四周及底部澆筑混凝土。坡底設(shè)置反濾層和匯流溝,并將整個小區(qū)的滲漏水導(dǎo)入到徑流收集桶。供試土壤為蓬萊鎮(zhèn)組石灰性紫色土,質(zhì)地中壤,粘粒含量<20%,粉粒為32.1%～41.8%,pH值為8.83,容重在1.30～1.50g/cm3之間,飽和含水量36.1%,田間持水量27.3%。按紫色土丘陵區(qū)常規(guī)施肥量(N150kg/hm2,P2O590kg/hm2,K2O36kg/hm2)施肥,設(shè)3個重復(fù)。氮肥品種為碳酸氫銨,磷肥為過磷酸鈣,鉀肥為氯化鉀。施肥方式為穴施,底肥一次施用,施后覆土。小區(qū)種植制度為紫色土丘陵區(qū)典型的玉米-小麥輪作制,其中小麥每年10月24日左右播種,5月14日左右收獲,玉米每年5月23日左右播種,9月14日左右收獲。作物種植期間不再灌溉與追肥,大田管理與當?shù)剞r(nóng)民習(xí)慣一致。1.3模擬試驗土槽設(shè)計試驗使用的人工降雨模擬機為美國引進的槽式下噴降雨機,其主要原理是通過實現(xiàn)多個噴頭同時擺動來模擬降雨,并通過調(diào)節(jié)水壓和噴頭擺動頻率來調(diào)節(jié)降雨強度。利用可變坡移動式土槽來模擬不同坡度的坡耕地。土槽尺寸為:長×寬×高=4.5m×1.5m×0.8m。土槽出口處利用徑流桶收集地表徑流和壤中流。模擬試驗進行中用帆布擋風(fēng),供試水為自來水,供試土壤為蓬萊鎮(zhèn)組石灰性紫色土。填土前,土樣先過5cm篩以除去大顆粒石礫,然后按當?shù)靥镩g土層結(jié)構(gòu)填土,土層厚度60cm。土槽中種植玉米,施肥與播種方式與野外徑流小區(qū)試驗相同。試驗采用5種雨強:19.62mm/h,37.42mm/h,53.95mm/h,74.02mm/h,111.69mm/h,3種坡度:5°,10°,15°。每場降雨歷時一般2h左右(壤中流出流穩(wěn)定)。1.4地表徑流、壤中流速率測定利用自記雨量計記錄降雨情況。利用時域反射儀測定降雨前表層土壤含水量。2004年開始采集地表徑流和壤中流樣品,連續(xù)觀測3年。每次降雨產(chǎn)流事件結(jié)束后,測定地表徑流、壤中流水位,計算徑流量。降雨過程中地表徑流、壤中流速率依靠人工測定,測定頻率依據(jù)降雨強度、產(chǎn)流歷時長短而定,特別重視產(chǎn)流初期的徑流速率測定。一般產(chǎn)流初期加大測定密度,每1min測定一次;10min后,根據(jù)產(chǎn)流速率,適當增大測定間隔時間,5min測定一次,至產(chǎn)流穩(wěn)定后,30min測定一次,直至產(chǎn)流結(jié)束。試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析利用SPSS軟件包完成。2結(jié)果與分析2.1地表徑流發(fā)生次數(shù)2004-2006年共觀測到地表徑流23次,徑流量在1.28～78.52mm范圍內(nèi)(圖1b),2004,2005,2006年地表徑流平均流量分別為9.73,8.47,24.80mm。2004-2006年共觀測到壤中流17次,徑流量在3.16～81.16mm之間(圖1c),2004,2005,2006年壤中流平均流量分別為28.34,13.99,24.06mm。2004-2006年地表徑流發(fā)生次數(shù)明顯高于壤中流,而且地表徑流發(fā)生時壤中流并不一定發(fā)生,而壤中流發(fā)生時,地表徑流也并不一定發(fā)生(見圖1b,c)。產(chǎn)生這種情況的原因與降雨強度和土壤入滲能力密切相關(guān)。當降雨強度高于土壤入滲速率時,地表徑流很快產(chǎn)生。隨降雨的進行,土壤水分不斷增加,土壤蓄滿后,壤中流出現(xiàn);但如果降雨量少,滲入土壤中的雨水被完全滯留在土壤中,則沒有壤中流發(fā)生。而當降雨強度小于土壤入滲速率時,降雨以入滲為主,地表徑流難以產(chǎn)生,土壤蓄滿后,由于壤中流的產(chǎn)生,如果土壤入滲速率小于壤中流徑流速率,地表徑流則不會發(fā)生。徐佩等通過人工降雨模擬研究也得出類似的結(jié)果。2.2地表徑流和土壤中流紫色土丘陵區(qū)旱季降雨較少,一般不產(chǎn)流;雨季降雨較多,產(chǎn)流豐富。秋收作物玉米不同生長期坡耕地徑流量分配見表1。灌漿成熟-收割期徑流量最大,地表徑流量65.06mm,壤中流徑流量86.36mm,分別占地表徑流總量和壤中流總量的67.92%,79.82%;拔節(jié)初期-拔節(jié)末期地表徑流量16.89mm,壤中流徑流量13.60mm,分別占地表徑流總量和壤中流總量的17.63%,12.57%。拔節(jié)末期-抽雄期地表徑流量13.00mm,壤中流徑流量8.24mm,分別占地表徑流總量和壤中流總量的13.57%,7.62%。播種-拔節(jié)初期無壤中流產(chǎn)生,地表徑流量僅為0.83mm,占地表徑流總量的0.87%。播種-拔節(jié)初期地表徑流量低,且沒有壤中流產(chǎn)生。產(chǎn)生這種情況的原因與前期降雨量及土壤初始含水量有關(guān)。由于前期降雨較少,播種-拔節(jié)初期土壤初始水分含量低,土壤入滲容量大,地表徑流減少,而播種-拔節(jié)期降雨量小,下滲水量小于土壤飽和水容量,致使壤中流無法產(chǎn)生。灌漿成熟-收割期降雨頻繁,土壤初始含水量高,壤中流流量也相對較高。2.3地表徑流特征圖2所示為2006年7月3日典型暴雨中地表徑流和壤中流產(chǎn)流過程。該次降雨歷時3h,平均雨強24.2mm/h,降雨量72.7mm,土壤前期含水量26.6%。降雨初期雨強較小,4min后雨強開始增大,至30min時雨強達到最大值,66min后逐漸降低直至降雨結(jié)束(圖2)。降雨開始20min時地表徑流產(chǎn)生,其徑流速率隨降雨過程出現(xiàn)明顯的峰值變化。產(chǎn)流初期,地表徑流速率隨時間迅速上升,到第23min時徑流速率達到第一次峰值(25.3mm/h),第28min時出現(xiàn)第2次峰值(14.4mm/h),第44min時出現(xiàn)第3次峰值(32.6mm/h),第65min時出現(xiàn)本次徑流過程最大峰值(50.1mm/h),而后逐漸降低,第80min后又開始增加,直至降雨結(jié)束。與地表徑流相比,壤中流產(chǎn)流過程差異明顯(圖2)。地表徑流過程呈多峰,峰值徑流強度63.00mm/h,而壤中流過程呈明顯的單峰變化,峰值徑流強度28.13mm/h,明顯低于地表徑流最大峰值。降雨第24min壤中流產(chǎn)生,明顯滯后于地表徑流。這主要與土壤初始水分含量有關(guān),降雨前土壤初始水分含量較小,只有當土壤-巖石界面自由水含量足夠高時壤中流才可能產(chǎn)生。地表徑流過程與降雨過程有較好的相應(yīng)性,降雨結(jié)束地表徑流立即結(jié)束,但壤中流過程持續(xù)的時間非常長,甚至超過600min。這主要是因為地表徑流隨瞬時雨強變化,而壤中流主要與土壤導(dǎo)水性質(zhì)有關(guān)。前期降雨強度較大,地表徑流迅速產(chǎn)生,一旦土壤水分蓄滿,壤中流產(chǎn)生,隨著降雨強度變小甚至降雨停止,地表徑流結(jié)束,而壤中流持續(xù)。2.4地表徑流分布通過對紫色土坡耕地地表徑流和壤中流徑流量的長期觀測,得到2004-2006年的地表徑流流量在75.74～123.99mm之間,平均為95.78mm,占總徑流量的46.96%;壤中流流量在85.02～121.42mm之間,平均為108.19mm,占總徑流量的53.05%。2006年降雨量低于2004,2005年,但地表徑流量卻顯著高于前兩年(表2),這主要是因為2006年9月4日發(fā)生一次特大暴雨,降雨量超過220mm,且降雨強度較大,從而造成該次降雨地表徑流量達到78.52mm,占當年總地表徑流量的63.32%。在2005年,壤中流竟占到當年徑流總量的61.58%。產(chǎn)生這種情況的原因與2005年降雨強度有關(guān),當年降雨產(chǎn)流事件平均降雨強度在1.51～6.72mm/h之間,平均為3.70mm/h。降雨強度較小的情況下,坡耕地以蓄滿產(chǎn)流為主,而紫色土入滲能力大,從而導(dǎo)致地表徑流減少,壤中流增加。2.5紫色土坡耕地降水產(chǎn)流的影響因素2.5.1地表徑流、壤中流徑流與雨強的關(guān)系在土壤性質(zhì)、地表覆蓋、坡度相似的條件下,地表徑流量、壤中流流量受降雨的影響特別大。歷次降雨產(chǎn)流事件降雨量在19.9～229.9mm之間(圖1a),降雨強度在1.51～32.8mm/h之間。統(tǒng)計分析表明,降雨量與地表徑流量呈顯著線性相關(guān),徑流量與降雨量的回歸方程為y=2.5972x+18.129(R2=0.938**,N=23;y為徑流量,x為降雨量)。降雨量與壤中流徑流量呈顯著指數(shù)相關(guān),徑流量與降雨量的回歸方程為y=30.700e0.0208x(R2=0.717**,N=17;y為徑流深,x為降雨量)。但是,地表徑流、壤中流流量與平均雨強的相關(guān)性不顯著(圖1)。盡管如此,通過人工降雨模擬試驗,發(fā)現(xiàn)紫色土坡耕地地表徑流系數(shù)隨雨強的增大而增大,而壤中流徑流系數(shù)隨雨強的增大而降低(表3)。降雨強度是影響坡耕地徑流產(chǎn)流時間及產(chǎn)流是否發(fā)生的重要因素。由此可見,徑流量受降雨量與降雨強度的綜合影響,而降雨量是徑流量的主控因子。壤中流流量與平均雨強相關(guān)性不顯著的原因,可能是強降雨的雨滴濺蝕導(dǎo)致泥沙顆粒堵塞表土孔隙,有利于地表徑流的產(chǎn)生,阻止降雨入滲,不利于壤中流產(chǎn)流。2.5.2坡向和坡向表現(xiàn)對地表徑流系數(shù)的影響通過人工降雨模擬試驗,得到不同坡度條件下坡耕地徑流系數(shù)(表3)。5種雨強條件下,地表徑流系數(shù)均隨坡度的增加而增加,而壤中流徑流系數(shù)均隨坡度的增加而明顯降低。以雨強為19.62mm/h的降雨為例,5°時地表徑流系數(shù)小于10°,15°,但5°時壤中流徑流系數(shù)最大,為0.48,高于10°條件下的0.38及15°時的0.18(表3)。對于坡度小于30°,坡度對入滲率的影響是可忽略的。但坡度顯著影響坡面水流速率,這可能與坡向勢能有關(guān)。坡向勢能是土壤水順坡向下運動的主要動力。一般情況下,坡度越大,坡向勢能也越大。故地表徑流系數(shù)隨坡度的增加呈上升趨勢。但是,在坡度較大的情況下,坡面地表徑流量增大,而壤中流產(chǎn)流受到限制,這可能是本研究中壤中流徑流系數(shù)均隨坡度的增加而明顯降低的主要原因。3結(jié)論(1)徑流、壤中流徑流分布玉米灌漿成熟-收割期徑流量明顯高于其它生育期,地表徑流、壤中流徑流量分別為(65.06±5.94)mm,(86.36±3.27)