水平沟种植对坡面产流、产沙过程影响的试验研究石生新（山西省水利科学研究所）文摘水平沟种植 是集耕作措施和生物措施一起的水土保持综合措施。本文采用人工降雨方法，在不同的降雨强度下 ，定量地研究了水平沟耕作及以水平沟耕作方式种植的植被对坡面产流、产沙过程的影响。研究结 果表明：（１）水平沟耕作延缓地面产流时间的作用显著，如降雨强度为０．７ｍｍ／ｍｉｎ时， 休闲地地面起始产流时间为１３ｍｉｎ，而水平沟耕作地的地面起始产流时间为４４ｍｉｎ；（２ ）对于同一降雨历时，水平沟耕作的减流作用随降雨强度的增大而减小，如当降雨历时为６０ｍｉ ｎ时，对于降雨强度为０．７ｍｍ／ｍｉｎ，水平沟耕作减流９４％，而对于降雨强度为１．０３ ｍｍ／ｍｉｎ，水平沟耕作减流５４％；（３）随着降雨历时的延续，在不同降雨强度下的水平沟 耕作强化降雨入渗速率趋于同一常数；（４）水平沟耕作的减沙效益显著，在降雨强度为０．７ｍ ｍ／ｍｉｎ和１．０３ｉｎｍ／ｍｉｎ时。降雨历时９０ｍｉｎ的水平沟耕作减沙效益均大于４６ ％；（５）水平沟耕作的减沙效益随降雨历时的延续，存在着临界值，本试验其值介于６４．７～ ６７．６ｍｉｎ；（６）植被的减流、减沙效果显著，如降雨强度为１．０３ｍｍ／ｍｉｎ，降雨 历时９０ｍｉｎ时，谷子平均减流２３％、平均减沙３８％，而沙打旺平均减流５８％，平均减沙 ４３％。主题词水土保持措施，综合治理措施，水土保持试验，人工降雨，产流，水力输沙自由词 水平沟种植，产沙１前言在坡耕地上推行水平沟种植，是黄土高原尽快解决“三缺”，提高土地生 产力，减少水土流失的行之有效的方法。究其原因是由于水平沟种植具有创造地面微地形，截短径 流流线，增加植被覆盖度，强化降雨入渗，减少坡面产流的作用。因此，深入研究水平沟种植的坡 面产流、产沙过程，对黄土高原坡面径流、侵蚀的预报及其综合治理，具有重要的指导意义。鉴于 试验条件的限制，过去各地水土保持试验站建立的径流场，多偏重水平沟种植在蓄水拦泥总体效益 方面的研究［１］［２］，缺乏过程的分析，基本仍属定性研究的范畴。本试验通过对休闲地、水 平沟耕作地、水平沟种植植被地试验区的降雨入渗，坡面产沙过程的分析，定量地研究了水平沟耕 作、植被的强化降雨入渗、减少坡面产沙的作用。试验区采用人工降雨方法，试验地点选择在陕北 安塞县纸坊沟和坊塌沟，属黄土高原丘陵沟壑区第刀副区，试验区土壤为黄绵土，土壤的机械组成 如表１所示，土壤容重约为１３．ｏｋＮ／ｍ’，土壤前期含水量在１０％左右。表１试验区０～ ５０ｃｍ的上场机械组成２试验布设简介２·１试验设施喷洒器为单向折射式，出水口为不同直径 活动孔板，可更换。用４马力柴油机配喷灌机组取水加压，通过闸阀和更换出水孔板控制雨强。试 验小区面积为ｌｉｎＸ３ｍ，边墙用铁皮围护，小区下端安放径流集水器，定时观测径流水位，并 取样观测泥沙。整个降雨区内架设风障，防止雨滴飘拂。喷洒器降雨特性如表２。；表２喷洒器降 雨特性。表示孔板直径均为７ｍｍ的双喷头喷洒器２·２试验设计在坡度为２５“，坡向正东的坡 耕地上布设绝对休闲地（对照）、水平沟耕作地、水平沟种植谷子地、水平沟种植草（沙打旺）地 的试验小区，且每个小区布设一个重复。每个水平沟小区内挖水平沟９个，形状似倒置三棱柱形， 沟宽２５ｃｍ，中心深１５ｃｍ，小区内谷子密度２９０Ｏ株／亩，试验时株高１２Ｏｃｍ，覆盖 度约为”％；而草（沙打旺）株高约５５Ｃｍ，覆盖度约为８０％一，２·３试验观测项目在降雨 强度为１．０３ｍｍ／ｍｉｎ，０．７ｍｍ／ｍｉｎ下，分别观测上述各试验小区开始产流时间， 以及不同时刻的产流、产沙量。３试验结果分析３·ｌ试验数据处理本文为了更好地研究水平沟耕 作、植被强化降雨入渗、减少坡面产沙的作用，粗略地认为：Ｄ；＝ＲＩ—ＲＺ，Ｄｓ＝ＳＩ—Ｓ ＺＰ；＝Ｒ３一ＲＺ，Ｐ。＝３３一ｂＺ式中：Ｄ；——水平沟耕作强化降水入渗率，ｍｍ／ｍｉ ｎ；Ｒ；——休闲地的产流率，ｍｍ／ｍｉｎ；Ｒ。——水平沟耕作地的产流率，ｍｒｎ／ｍｉｎ ；Ｄｓ——水平沟耕作的减沙量，ｇ；Ｓ；——休闲地的产沙量，ｇ；Ｓ。——水平沟耕作地的产 沙量，ｇ；Ｐ；——植物（谷子或沙打旺）强化降水入渗率，ｍｍ／ｍｉｎ；Ｒ。—一水平沟种植 谷子（沙打旺）地的产流率，ｍｍ／ｒｕｉｎ；Ｐｓ——植物（谷子或沙打旺）的减沙量，ｇ；Ｓ 。——水平沟种植谷子（沙打旺）地的产沙量，ｇ。３．２水平沟耕作对降雨入渗的影响图１是在 不同降雨强度下，坡耕地上休闲地处理小区和水平沟耕作处理小区的起始产流时间直方图。可以看 出：（１）随着降雨强度增加，起始产流时间明显提前，这是由于降雨强度愈大，水平沟愈易被冲 毁；（２）在同一降雨强度下，水平为耕作延缓地面产流时间的作用十分显著。表３的结果表明： （１）在同一降雨强度下，水平沟的减流效果显著。这不仅提高了土壤水分含量，寓抗旱于水土保 持之中，而且产流量的减少，径流对土壤的冲刷力减弱，从而导致降雨对土壤的冲刷力减少；（２ ）随着降雨历时的延续，水平沟的减流作用减弱。这是由于随着降雨历时的延续，水平沟被泥沙填 充或被径流冲毁所致，因此在每次降雨后，特别是每场暴雨后，要结合锄地等农事活动进行水平沟 的国１休闲地水平沟耕作地起始产流时间直方图实线为ｉ—０．７ｍｍ／ｍｉｎ，虚线为ｉ—ｌ． ０３ｍｍ／ｍｉｎ维修，使之保持有较大的拦蓄能力；（３）降雨强度愈小，在同一时刻，水平沟 的减流作用愈大。表３水平沟耕作对坡面产流量的影响图２是水平沟耕作减少径流率，即强化降雨 入渗率随降雨历时的变化过程。可以看出；（ｌ）同一降雨强度下，随着降雨历时的延续，水平沟 耕作强化降雨入渗率减少；（２）在同一降雨时刻，降雨强度越大，水平沟耕作强化降雨入渗速率 越小；（３）随着降雨历时的延续，不同降雨强度下的水平沟耕作的强化降雨人渗速率趋于同一常 数。图２中水平沟强化降雨入渗速率的变化规律，采用函数ｙ—ａｅ‘”的形式来描述，相关性较 好，相关系数大于０．９（见表４）。表４水平沟耕作强化降雨人渗率Ｄ；与降雨历时ｔ的关系３ ．３水平沟耕作对坡面产沙过程的影响图２水平沟强化降雨人渗率Ｄ；随降雨历时ｔ的变化曲线水 平为耕作对坡面产沙量的影响表５的结果表明：（ｌ）水平沟耕作的减沙效果显著，两种降雨强度 下，其９０ｍｉｎ平均减沙效益均大于４６％；（２）平均减沙效益随时间的变化存在着临界值， 本试验中其值介于６４．７～６７．６ｍｉｎ。即当降雨历时小于临界值时，水平沟耕作的减沙效 益随降雨历时的延续而增大，当降雨历时大于临界值时，水平沟耕作的减沙效益随降雨历时的延续 而减小。这是由于在降雨产流初期，径流量较小，水平沟未被破坏或破坏程度较小，这时径流携带 的泥沙被水平沟拦截，沉积的相对量较大，随着降雨历时的延续，渐增的径流冲毁或沉积的泥沙淤 满水平沟后，水平沟拦截沉积泥沙的相对量减少。表５中水平沟耕作减沙效益随降雨历时的变化过 程可以采用二次抛物线方程ｙ—ａ。＋ａ；ｘ＋ａ。ｘ’来拟合，拟合结果见表６。．Ｆ只．表６ 水平沟耕作减沙效益Ｂ与降雨压时ｔ的关系３．４植被对坡面产流过程的影响表７的结果表明：（ ｌ）植被具有延缓地面产流时间的作用，如降雨强度为１．０３ｍｍ／ｍｉｎ时，谷子推迟产流１ ０ｍｉｎ，草（沙打旺）推迟产流１８ｍｉｎ；（２）植被类型、覆盖度不同，推迟地面产流的作 用不同。本试验中，沙打旺人工草地推迟产流的作用大于谷子地。表７植被对坡面降雨起始产流时 间的影响表８的结果表明：（１）植被的减流效果显著，在降雨强度１．０３ｍｍ／ｍｉｎ时，与 休闲地上的产流量相比，谷子９０ｍｉｎ平均减流２３％，草（沙打旺）９０ｍｉｎ平均减流５８ ％；（２）随着降雨历时的延续，植被的减流效果减弱。表８植被对坡面产流量的影响（ｉ—１． ０３ｍｍ／ｍｉｎ）图３是植被强化降雨入渗速率随降雨历时的变化过程。可以看出：（Ｉ）随着 降雨历时的延续，植被强化降雨人渗的作用变小，并趋于稳定，本试验中谷子稳定的强化降雨入渗 速率为０．０２ｍｍ／ｍｉｎ；沙打旺草稳定的强化降雨入渗速率为０．０７ｍｍ／ｍｉｎ；（２ ）植被类型、覆盖度不同，其强化降雨入渗的作用不同。如本试验中，在同一降雨时刻，沙打旺草 的强化降雨入渗速率明显大于谷子的强化降水入渗速率。图３中植被强化降雨入渗速率随降雨历时 的变化过程，可以采用ｙ—ａｅ‘”的形式来描述，其相关性较好，相关系数均为一０．９６（见 表９）。表９植被强化降雨人修的速率Ｐｉ与降雨压时ｔ的学系Ｇ一１．０３＿＿／＿ｈ）表１０ 植被对坡面产沙量的影响（ｉ—１．０３ｍｍ／ｍｉｎ）３．５植被对坡面产沙过程的影响植被对 地面起着保护作用，降落的雨滴首先打在植被上，雨滴的动能被消耗，土壤表面结皮形成的机会减 少，增加了降雨入渗量，从而延长了地面开始产流的时间，使地面产流量减小，降雨侵蚀能力减小 。表１０的结果表明：（ｌ）随着降雨历时的延续，植被的减沙效益减小，并趋于稳定；（２）植 被类型、覆盖度不同，其减沙效益也不同，本试验中，在降雨强度为１．０３ｍｍ／ｍｉｎ时，草 （沙打旺）地９０ｍｉｎ平均减沙效益为４３％，谷子９０ｍｉｎ平均减沙效益为３８％。表１０ 中植被的减沙效益随降雨历时的变化过程，可采用函数ｙ—ａｅ‘”的形式来描述，其相关性较好 ，相关系数大于０．８６（见表１１）。表１１植被减沙效益Ｂ与产流历时ｔ的关系（ｉ—１．０ ３ｍｍ／ｍｉｎ）图３植被减流率Ｐｉ随降雨历时ｔ的变化曲线４结论（１）’水平沟耕作延缓地 面产流时间的作用显著，如降雨强度为０．７ｍｍ／ｒｕｉｎ时，休闲地地面起始产流时间为１３ｍｉｎ，而水平沟耕作地的地面产流时间为４４ｍｉｎ。（２）对于同一降雨历时，水平沟耕作的减流作用随降雨强度的增大而减小，如当降雨历时为６０ｍｉｎ时，对于降’雨强度为０．７ｍｍ／ｍｉｎ，水平沟耕作减流９４％，而对于降雨强度为１．０３ｍｍ／ｍｉｎ，水平沟耕作减流５
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