土壤侵蚀是人类共同关心的环境问题。我国是土壤侵蚀最严重国家之一,金沙江流域是长江流域泥沙主要来源,而金沙江干热河谷区,坡耕地分布广、坡度陡,是金沙江流域水土流失主要策源地。另外,金沙江干热河谷气候干热,蒸发量大,降水少而集中,干湿季分明,水资源极其缺乏,加上长期人类活动使该区植被破坏严重,水土流失加剧,造成了土壤质量和生态系统严重退化,已成为长江上游生态环境最脆弱的地区之一[1]。在金沙江干热河谷区,坡耕地耕作历史久远,长期以来,农民通常会采用顺坡耕作以节省劳力。水蚀和耕作侵蚀是该区坡耕地土壤侵蚀的2种重要的形式,并且两者同时存在,相互作用。大量的研究[2,3,4,5,6]表明,长期的顺坡耕作会导致坡耕地土壤再分配,具体过程为顺坡耕作会导致坡耕地上坡位置的土壤被搬运到下坡位置,导致上坡位置土层不断变薄,而下坡位置土层逐渐变厚。在希腊雅典地区的耕作试验[7]表明,侵蚀部位土层变薄,土壤贮水能力变小,增加了水蚀。Zhang等[6]在2004年通过一系列的模拟耕作试验得出,在正常的耕作情况下,短期耕作(5年)就会使坡顶位置的土层变浅薄,甚至完全裸露。并且长期耕作导致的上坡位置土层的裸露情况会随着坡度的增加而加剧[8,9]。在疏松和翻转整个耕层的过程中,耕作不仅导致土壤向下坡移动,也改变了土壤耕层理化性质,降低了土壤抗蚀性,间接促进了水蚀的发展[10,11]。在紫色土区,长期顺坡耕作导致土壤在坡面上坡位置变薄,增大坡面产流,增强坡面产沙,从而加速坡面土壤侵蚀[12]。

土壤侵蚀严重的地区,部分农民也意识到长期顺坡耕作会加剧坡面水蚀作用,因此他们会连续采用逆坡耕作以减少上坡位置的土壤向下坡位置移动[13]。一定坡度范围内逆坡耕作既会导致土壤发生顺坡位移,也会导致土壤逆坡位移。而总体来说,连续逆坡耕作会引起下坡位置土壤向上坡运动,发生逆坡位移[14]。本研究以金沙江干热河谷区坡耕地为对象,通过野外冲刷试验,探讨不同逆坡耕作强度导致的下坡位置的土壤位移情况和坡度对坡面产流产沙的影响,以期为揭示人类活动对干热河谷区坡面土壤侵蚀的影响机制提供依据。

1、材料与方法

1.1研究区概况

研究区位于云南省元谋县黄瓜园镇(25°23′—26°06′N,101°35′—102°06′E),该区域属于深切河谷低山丘陵地貌,海拔1300m左右,气候干热,全年无霜,最高温为35.3～42℃,最低温-5.3～3.6℃,年均气温21.9℃;干湿季分明,降雨集中在5—10月,约占总降水量的90%,10月至翌年4月为旱季,多年平均降水量615mm,年均蒸发量为3911mm,蒸发量约为降水量的6.4倍。该区位于金沙江流域内,坡耕地分布广泛,研究区的坡度大(最大耕作坡度达37°)。

1.2试验土样采集

试验土样采集于元谋县黄瓜园镇的中科院元谋沟蚀崩塌观测试验站,属于抗蒸发能力弱,有效养分缺失,抗蚀能力差的燥红土。土壤容重为1.50g/cm3,水分含量为12.85%,有机质含量为13.15g/kg。土壤中砂粒(2～0.02mm)、粉粒(0.02～0.002mm)和黏粒(<0.002mm)含量分别为28.59%,13.25%,55.76%,按照国际土壤质地分级标准,属于黏土,该土壤结构差,土质黏性重[15]。

1.3试验设计

为了测定不同逆坡耕作强度下坡面产流产沙特征,在中科院元谋沟蚀崩塌观测站内选择坡耕地原位修建了5°,10°,15°3个坡度的径流小区,小区尺寸为2m×10m(宽×长),各径流小区之间距离在50m以内,并且各径流小区之间土壤性质无显著差异。试验于2018年1—2月进行,试验前采集径流小区土壤样品,以测定土壤理化性质。采取放水冲刷试验,在径流小区顶部修建了稳流槽,同时在稳流槽上铺设了薄膜,以获得比较稳定的坡面流;在小区上部外侧同时修建了储水池以提供稳定水源,保证流量稳定。为了收集泥沙,在小区下部修建了泥沙收集池。根据试验需要,将小区分为上坡位置(0～5m)和下坡位置(5～10m)2个部分(图1)。根据小区建立的气象站,发生频率最大的降雨强度约为60mm/h,换算成单宽流量为0.6m2/h。因此,本试验采用的单宽流量为0.6m2/h。放水冲刷试验之前将坡面整理平整以确保在坡面形成漫流。

1.4试验处理

本课题组以往的研究[14]表明,逆坡耕作导致的净顺坡土壤位移与坡度之间的关系可用线性函数表示,方程的表达形式为:

Dd=0.4122S-0.1888(1)

式中:Dd为净顺坡土壤位移(m);S为坡度(m/m)。

由公式(1)可以计算得出,在坡度0～24°范围内,逆坡耕作会导致土壤发生逆坡位移,即土壤从下坡位置位移到上坡位置。而当坡度>24°时,由于重力在顺坡方向的分力大于锄头向上的拉力,会导致土壤沿顺坡方向发生位移。为研究不同逆坡耕作强度对坡面水蚀的影响,本研究选择10°坡面为典型坡面小区,在下坡设置不同土层厚度以模拟不同逆坡耕作强度导致下坡位置土层损失情况。通过结合土壤容重和耕作深度,可计算得出10°坡耕地上土壤沿逆坡方向的耕作传输速率为32.73mg/hm2[14],根据下坡位置损失的土层深度可换算成耕作年限(表1)。小区原始土层深度0.40m,以下为不透水的母岩层。在试验时,将不做任何处理的坡面作为对照地(CK)。在冲刷试验前,冲刷流量均矫正为1000cm3/min,每种处理均进行等高耕作1次,以尽量保证土壤松紧度一致,同时保证土壤水分含量基本一致。根据试验设计的要求,在径流小区下坡位置(5～10m),分别挖出0.05,0.10,0.20m深的土层,然后铺设不透水的塑料薄膜代表不透水的母岩层,再将挖出的土壤回填,踩实,并保持坡度一致。为研究相同逆坡耕作强度下坡度对坡面水蚀的影响,本研究在3个坡度(5°,10°,15°)径流小区的下坡位置分别设置了0.10m土层厚度,以模拟连续逆坡耕作69年下坡度对坡面水蚀的影响。

图1冲刷试验小区示意

1.5数据获取及计算

每次冲刷试验均大于30min,记录开始产流时间,直到坡面产流产沙保持稳定为止。在坡面出水口初始产流后,每间隔2min用500mL采样瓶收集水沙样。水沙样沉淀分离后,泥沙样经105℃恒温烘箱中烘干后称重,最后用干泥沙重和产流体积可计算产沙率。利用Origin8.5与SPSS18.0软件进行数据处理与分析及绘图处理。

表1不同耕作年限对应的下坡土层深度

2、结果与分析

2.1不同耕作强度下产流产沙特征

由表2可知,在10°坡面,不同耕作年限下坡面产流起始时间变化趋势为:46年(38.53min)>69年(33.08min)>80年(22.47min)>对照(14.83min),表明随着耕作年限增加,产流起始时间越短,即产流越快。由图2(a)可知,产流率先急剧增大,后逐渐达到稳定产流状态。由表2可知,平均产流率总体表现出随耕作年限的增加而增大,耕作80年的平均产流率显著大于耕作69年(P<0.05),而耕作69年的平均产流率显著大于耕作46年(P<0.05)。另外,累计产流量也表现出随耕作强度增加而增大趋势,即对照(343.99L)<46年(393.25L)<69年(521.17L)<80年(657.44L)(图2c)。

图2(b)为不同耕作年限下坡面土壤产沙率随时间变化趋势。不同耕作年限下,其产沙率均表现先增大后减小趋势,当达到最大值后减小。表3表明,平均产沙率随耕作年限增加而呈增大趋势,即对照(38.73g/(min·m2))<46年(72.96g/(min·m2)<69年(204.93g/(min·m2)<80年(248.81g/(min·m2),耕作80年的平均产流率明显大于耕作46年(P<0.05),而耕作69年的平均产流率明显大于耕作46年(P<0.05)。另外,累计产沙量也随耕作年限的增大而增大,即对照(1239.29g)<46年(2334.65g)<69年(6557.85g)<80年(7961.85g)(图2d)。总体来说,逆坡耕作下随着耕作年限的增加,其产流率和产流量明显增大,产沙率和产沙量也相应明显增大,表明逆坡耕作下随着耕作强度增大,坡面土壤侵蚀强度也随之增大。

2.2不同坡度坡面产流产沙特征

在5°,10°,15°径流小区内,模拟坡耕地耕作69年(0.10m土层),采用冲刷试验,观测不同坡度下产流和产沙变化特征。由表3结果可知,不同坡度坡面产流起始时间变化趋势为:5°(40.60min)>10°(33.08min)>15°(21.73min),表明耕作69年后,坡度越大开始产流时间越短,即产流越快。由图3a可知,3种坡度产流均出现先急剧增大,随后逐步趋于稳定状态,而坡面单宽产流量趋于稳定为1000cm3/min,即接近于冲刷流量,说明入渗趋于饱和,属于超渗产流。而不同坡度的平均产流率总体表现出随坡度增大而增加的趋势,5°产流率明显小于15°(P<0.05),而5°与10°没有明显差异(P>0.05);累计产流量也表现出随坡度增大而增大趋势,即5°(475.28L)<10°(521.17L)<15°(563.21L)(表3)。表明随着坡度增大,产流率和产流量相应增大。

表2不同耕作强度下坡面产流率和产沙率变化

图2不同耕作年限坡面产流和产沙变化下载原图

图3b为不同坡度下坡面土壤产沙率随时间变化趋势。由图3(b)可知,不同坡度下,其产沙率均表现先增大后减小趋势,10°和15°产沙率最大值分别为341.58,351.70g/(min·m2),均比5°产沙率最大值139.34g/(min·m2)大。表3显示平均产沙率随坡度增大而增大,即5°(84.80g/(min·m2))<10°(204.93g/(min·m2))<15°(244.61g/(min·m2)),5°的平均产沙率明显小于10°和15°(P<0.05),而10°与15°没有明显差异(P>0.05)。在试验坡度范围,累计产沙量也表现出随坡度增加而增大趋势,即5°(2713.69g)<10°(6557.89g)<15°(7827.49g)(图3d,表3)。总之,逆坡耕作69年后,在测定坡度范围,坡度增加明显增大了坡面径流量,同时也增大了坡面产沙率和产沙量,说明相同逆坡耕作强度下坡度的增加会加剧坡面水蚀。

2.3坡面产沙率与产流率关系

已有研究[16]表明,坡面产沙率和产流率之间存在一定相关关系,并且这种相关关系可以判定坡面土壤可蚀性。由表4可知,在10°坡面上,耕作80,69,46年的产流率和产沙率之间均存明显指数函数关系(P<0.05),并且R2随耕作强度增强而增加,即拟合度随之增加。说明耕作强度越大,产沙率随产流率指数增长越剧烈,即耕作侵蚀越强,产流对土壤产沙作用越明显。

5°小区坡面产沙率随产流率增加而增大,呈显著的指数相关关系(P<0.01):Y=7.58e0.15X;10°小区的坡面产沙率也随产流率增大而增大,呈现显著的指数函数相关关系(P<0.05):Y=60.39e0.07X。但是,15°小区坡面产沙率随产流率无明显的函数变化关系。表明对于逆坡耕作69年土层坡面来说,缓坡坡面的产沙率随产流率的增大而增大,并呈现一定函数关系,陡坡坡面产沙率没有表现出随产流率的增大趋势,即坡度的增大弱化了产沙率与产流率的相关性。

表3不同坡度坡面产流率和产沙率变化

图3不同坡度坡面产流和产沙变化

表4坡面产流率和产沙率相关关系

3、讨论

本研究表明,长期逆坡耕作导致下坡土层变薄,土层越薄,坡面产流越早,主要是由于下坡土层变薄减小了坡面水分入渗,加快了坡面径流的产生,耕作强度越强,产流越快。分析也发现,坡面产流产沙率和累计产沙量随耕作年限的增大而增大,强烈逆坡耕作导致的下坡土层变薄明显增大了坡面产流产沙,即长期逆坡耕作加速了坡面水蚀的作用。这主要是由2个方面原因造成的:一方面,长期的耕作扰动作用破坏了土壤的团聚体结构,降低了土壤有机质含量,从而增加了土壤的可蚀性[17];另一方面,长期逆坡耕作导致下坡位置土层变薄,土壤蓄水能力降低。当降雨发生时,更容易产生坡面径流,从而进一步加剧土壤侵蚀。已有研究[12]表明,逆坡耕作不仅导致顺坡位移,也导致逆坡位移,在坡度0～25°范围内,随坡度增大其土壤逆坡位移越小。在本试验中,10°坡面长期耕作导致土壤发生逆坡位移,下坡土层变薄。试验结果显示,当坡面流发生时,下坡土层变薄,会大大减小径流的入渗,在上坡来水量一定的情况下,会增大坡面径流。已有研究[18,19,20]表明,坡面径流增大相应增大径流侵蚀力,最终增大坡面产沙率。因此,长期逆坡耕作通过减小下坡土层深度而增大坡面产流和径流侵蚀力,促进坡面产沙,加剧了坡面水蚀,这个结论与王勇等[10]在紫色土坡耕地的研究结果一致,即顺坡耕作导致上坡土层变薄,促进坡面土壤侵蚀。说明坡耕地上无论顺坡耕作还是逆坡耕作,导致坡面土壤发生位移形成的坡面土层变薄,均会加剧坡面水蚀。

不同坡度产流产沙结果分析表明,坡度增大,相应减小了坡面开始产流时间,增大了坡面产流率和产流量,而产沙率和累计产沙量均明显表现出随坡度增大而增大的趋势。大量研究表明,坡度增大会增强坡面侵蚀力,降低土壤稳定性,从而增大土壤侵蚀量。在本试验坡度范围,坡度的增大显著增大了坡面产沙率和累计产沙量,与已有的坡面研究[21,22,23]结果一致,即在一定坡度范围内,土壤侵蚀产沙随坡度的增大而增大。已有研究[24,25]表明,坡面侵蚀产沙与产流间呈现一定的线性相关关系。在10°坡面,随着耕作年限的降低,产流率和产沙率之间拟合关系的拟合度逐渐降低。长期逆坡耕作导致下坡土层较薄,入渗减少,产流增大,加大了携沙能力。下坡土层薄,导致汇入下坡的径流在下坡较少入渗,很快产生径流并形成侵蚀力而产沙,因此,逆坡耕作强度越强,在产流开始阶段径流的携沙能力越强。由不同坡度的产沙率和产流率关系发现,缓坡(5°和10°)的水沙均表现出指数增长关系,而陡坡(15°)则无相关关系,主要是由于坡度增大,加大了径流量和径流剪切力,初始产沙增大,随着细沟的发育,细沟两侧的土壤塌陷,改变了水沙关系。由于本试验是野外试验,受风力、水源等较多条件因素限制,还存在着一定的局限性,希望在以后的研究和试验中能得到改进。

4、结论

(1)由于逆坡耕作导致下坡土层变薄,减小下坡水分入渗,增大径流量。随着逆坡耕作强度的增加,坡面产流越快,产流率和产沙率也越大,累计产流量和产沙量也随之增大。

(2)在相同的逆坡耕作强度下,随坡度增加,坡面产流时间提前;产流率、产沙率、累计产流量和产沙量均随坡度增加而增大,即在试验坡度范围内,坡度的增大增强了逆坡耕作对坡面水蚀的加剧作用。

(3)随着逆坡耕作强度的增强,坡面水沙关系指数增长关系越明显;在5°和10°坡面,坡面水沙关系呈现良好的指数关系,在15°坡面则无明显的函数关系。表明逆坡耕作强度的增加强化了坡面产沙率随产流变化的相关关系,而坡度的增大弱化了产沙率与产流率的相关性。

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基金:西华师范大学博士科研启动项目(412567).