李陶陶，吳發(fā)啟

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水土保持研究所，陜西 楊凌 712100；2.西北農(nóng)林科技大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，陜西 楊凌 712100)

?

黃土坡耕地不同地表糙度下坡面填洼與入滲的關(guān)系研究

李陶陶1，吳發(fā)啟2

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水土保持研究所，陜西 楊凌 712100；2.西北農(nóng)林科技大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，陜西 楊凌 712100)

地表糙度；填洼量；入滲量；黃土高原

以黃土坡耕地為研究對象，以平整坡作為對照，采用等高條播、人工鋤耕和等高犁耕3種耕作措施產(chǎn)生不同的地表糙度，分析了不同降雨強(qiáng)度條件下地表最大填洼量和實(shí)際填洼量的特征、入滲量的影響因素、填洼量與入滲量的關(guān)系。結(jié)果表明：3種不同耕作措施的地表糙度大小為等高條播>人工鋤耕>等高犁耕，最大填洼量、實(shí)際填洼量和入滲量隨著地表糙度的增大而增大；入滲量也隨著最大填洼量和實(shí)際填洼量的增大而增大，且與最大填洼量和實(shí)際填洼量均呈線性正相關(guān)關(guān)系，但實(shí)際填洼量對入滲量的影響程度要大于最大填洼量。

地表糙度是指由人類活動(dòng)和自然因素作用引起的地表高低起伏、凸凹不平的程度。其作為地表主要物理性狀指標(biāo)，既反映了地表微地貌形態(tài)，又是影響降雨過程中地表水分轉(zhuǎn)化與水力學(xué)特性的重要參數(shù)，還影響著滲透速率、地表徑流、地表填洼量及徑流對地表土粒的沖蝕過程[1]，是影響土壤侵蝕的重要因素。

水土保持耕作措施使地表形成系列洼地[2]，地表坑洼蓄水具有強(qiáng)化入滲、提高雨水轉(zhuǎn)化為土壤水比率的效應(yīng)[3]；Darboux等[4-5]研究表明，在降雨過程中地表填洼直接影響徑流的產(chǎn)生和流向，是一個(gè)重要的徑流特征參數(shù)；Singh等[6]研究表明地表坑洼產(chǎn)生的水流阻力對坡面徑流及泥沙輸移有一定的影響，而影響的大小與地表起伏程度有關(guān)。地表坑洼攔蓄地表徑流，能大大延緩產(chǎn)流時(shí)間，地表形成的積水又能有效增加土壤入滲，減少徑流量并消減徑流能量。Bjarne Hansen等研究坡耕地填洼量特征時(shí)提出了MUD(mean upslope depression，平均上坡凹陷量)指標(biāo)，實(shí)質(zhì)就是地表負(fù)地形的平均深度[7]。填洼量獲取最直接的方法是采取措施降低地表透水性，如覆膜、噴灑阻水劑等，直接在坡面澆水計(jì)算填洼量，也可以通過采集地表高程數(shù)據(jù)建立DEM，與未處理坡面采集的地表高程數(shù)據(jù)建立的DEM相減即得到地表填洼量[8]。此外還有多種多樣的地表填洼量模型，有線性模型[9]、非線性模型[10-12]，這類模型通常是將地表粗糙度與坡度結(jié)合起來一起估算地表填洼量。

雖然對填洼量和入滲量的研究已經(jīng)有了很多成果[13-15]，但缺少將二者結(jié)合分析的研究，尤其是在不同地表糙度的條件下分析填洼量與入滲量的關(guān)系。因此，本研究以黃土坡耕地常用的3種耕作措施(等高條播、人工鋤耕和等高犁耕)為研究對象，研究在不同地表糙度條件下最大填洼量、實(shí)際填洼量與入滲量隨地表糙度的變化特征，以及填洼量與入滲量間的相關(guān)關(guān)系，并比較最大填洼量、實(shí)際填洼量對入滲量的影響程度。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與設(shè)計(jì)

試驗(yàn)是在西北農(nóng)林科技大學(xué)水工實(shí)驗(yàn)室內(nèi)4 m×1 m的徑流小區(qū)上進(jìn)行的，坡度分別為3°、5°、10°、15°、20°，每個(gè)坡度設(shè)4個(gè)小區(qū)。每次試驗(yàn)采用人拉鏵犁、人拉耬、鋤頭等農(nóng)具，分別布設(shè)對照組、等高犁耕、等高條播和人工鋤耕4種耕作措施，其中對照組處理是在等高犁耕的基礎(chǔ)上再人工耙平。小區(qū)土壤為陜西省楊凌區(qū)坡耕地地表土(0～20 cm)。采用人工模擬降雨的方法，降雨設(shè)備為中科院水土保持研究所研制的側(cè)噴式降雨機(jī)，降雨方式是采用兩個(gè)降雨機(jī)對噴，降雨高度為7.5 m，降雨均勻度為85%。為保證每輪降雨過程中總的降雨量相同，雨強(qiáng)設(shè)計(jì)為60、90、120 mm/h，對應(yīng)的降雨時(shí)間分別為60、40、30 min。降雨過程中不間斷地接取徑流泥沙樣，降雨過程中水平放置雨量筒測定實(shí)際的降雨強(qiáng)度。

1.2 參數(shù)的計(jì)算

1.2.1 地表糙度指標(biāo)

地表糙度指標(biāo)選用Linden與Van Doren提出的平均絕對高差法[11]。他們認(rèn)為地表糙度應(yīng)該是平均絕對高差變化的結(jié)果，可用LD指數(shù)和LS指數(shù)2個(gè)地表參數(shù)進(jìn)行描述。LD指數(shù)反映微地表起伏變化，是水平間隔接近無窮大時(shí)相對高程間的差異；LS指數(shù)是水平間隔接近0時(shí)相對高程與水平間隔的比值，反映微地形起伏結(jié)構(gòu)的變化。將LD指數(shù)和LS指數(shù)結(jié)合在一起，即R=(LD×LS)1/2，就可以兼顧微地表起伏變化與微地形起伏結(jié)構(gòu)的變化，具體計(jì)算過程借助自編VB程序完成。計(jì)算公式為

(1)

式中：ΔZh為絕對高差，cm；Zi為i點(diǎn)的高程，cm；Zi+h為i+h點(diǎn)的高程，cm；n為樣本數(shù)。

在此基礎(chǔ)上，研究發(fā)現(xiàn)絕對高差與水平距離間存在下列關(guān)系

(2)

式中：a、b為待定參數(shù)；ΔXh為水平距離(≤20 cm)。

這時(shí)就可定義

(3)

1.2.2 最大填洼量的計(jì)算

通過薄膜法測定最大填洼量。將檢查完好的地膜(厚度為0.005 mm)布設(shè)在各種處理的坡面上，并使其與地表充分貼實(shí)后，在試驗(yàn)小區(qū)頂部用噴壺灑水，直到小區(qū)出水口產(chǎn)流為止，然后記錄注水量和出水量。最大填洼量計(jì)算公式為

(4)

式中：Umax為最大填洼量，cm；Q出、Q入為出水量和注水量，cm。

1.2.3 實(shí)際填洼量的計(jì)算

以降雨產(chǎn)流開始之前的填洼量作為實(shí)際填洼量Ut。以等高條播為例，平整坡的產(chǎn)流時(shí)間為t0，等高條播的產(chǎn)流時(shí)間為t，在t時(shí)段內(nèi)平整坡的產(chǎn)流量Q0可直接測定，而在t時(shí)段內(nèi)平整坡的降雨量P0轉(zhuǎn)化為入滲量f0、產(chǎn)流量Q0和填洼量U0(近似為0)，即可得出f0=P0-Q0。雨前土壤含水量很低，產(chǎn)流時(shí)間很短，本試驗(yàn)各種處理對應(yīng)的水分初始入滲率都很大且相差不大，即等高條播產(chǎn)流入滲量f≈f0。用公式(5)可計(jì)算得出t時(shí)間等高條播的填洼量[16]，即

(5)

式中：Ut為產(chǎn)流前的實(shí)際填洼量，cm；Umax為最大填洼量，cm；Pt為t時(shí)間的降雨量，cm；f為t時(shí)間的入滲量，cm。

相應(yīng)地也可以計(jì)算得出等高犁耕和人工鋤耕產(chǎn)流前的實(shí)際填洼量。

1.2.4 入滲量的計(jì)算

入滲量是指整個(gè)降雨過程中的總?cè)霛B量，即根據(jù)水量平衡原理，整個(gè)過程中蒸發(fā)量可以忽略，降雨量減去徑流量即為入滲量。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同耕作措施下的地表糙度

3種不同的處理產(chǎn)生不同的地表糙度，降雨前耕作措施的地表糙度見表1。由于等高條播沿等高線形成了平行的溝壟，對地表橫向縱向的擾動(dòng)最大，因此其地表糙度最大，人工鋤耕次之，等高犁耕的糙度較小[17]。

表1 各耕作措施降雨前地表糙度

2.2 不同地表糙度下最大填洼量的基本特征

地表糙度反映了地表微地形變化，影響入滲與產(chǎn)流，是填洼量變化的重要原因。許多形式的耕作措施都可以增大地表填洼量，降雨過程中填洼量是時(shí)刻變化的，因?yàn)榈乇聿诙?、地表土塊數(shù)目與地表徑流連通性每時(shí)每刻都在發(fā)生變化[10]，所以本研究測定的是雨前最大填洼量。

降雨試驗(yàn)前不同處理下的最大填洼量隨坡度變化的特征見圖1。由圖1可看出，在同一耕作措施下填洼量隨著坡度的增大而減小，隨著坡度增大，坡面坑洼深度和面積等特征發(fā)生變化，使坡面蓄水能力減?。辉谕黄露认虏煌鞔胧┳畲筇钔萘看笮榈雀邨l播>人工鋤耕>等高犁耕>平整坡(平整坡填洼量為0)。進(jìn)一步計(jì)算得出，隨著坡度的增大(5°、10°、15°、20°)，相比坡度3°時(shí)，等高條播填洼量分別減少了9.13%、19.13%、25.47%和58.50%，人工鋤耕填洼量分別減少了12.66%、14.17%、30.74%和39.43%，等高犁耕填洼量分別減少了17.19%、21.87%、22.21%和40.42%。隨著坡度的增大，填洼量的變化越來越明顯，填洼量在坡度<10°時(shí)的變化率較>10°時(shí)的變化率小。在坡度變化較小的范圍內(nèi)坡度對填洼量的影響較小。

圖1 不同耕作措施最大填洼量隨坡度變化特征

2.3 不同地表糙度下實(shí)際填洼量的變化特征

在降雨過程中，不同處理的產(chǎn)流開始時(shí)間，等高犁耕最早，之后是人工鋤耕和等高條播。產(chǎn)流前實(shí)際填洼量大小為等高條播>人工鋤耕>等高犁耕，如在90 mm/h雨強(qiáng)10°坡度條件下等高條播、人工鋤耕和等高犁耕3種不同處理的產(chǎn)流前實(shí)際填洼量分別為0.40、0.20和0.09 cm，雨前最大填洼量分別為0.55、0.31和0.16 cm。這說明不同處理雨前最大填洼量和產(chǎn)流所需要的實(shí)際填洼量大小均為等高條播>人工鋤耕>等高犁耕，且實(shí)際填洼量均小于最大填洼量，說明在降雨過程中并不是降雨填滿所有坑洼后才開始產(chǎn)流，而是存在一個(gè)填洼的臨界值即實(shí)際填洼量，當(dāng)降雨量轉(zhuǎn)換為填洼量達(dá)到實(shí)際填洼量時(shí)即開始產(chǎn)流。例如，當(dāng)?shù)雀邨l播達(dá)到實(shí)際填洼量，壟間的蓄水會(huì)沖破壟流入下一個(gè)坑洼地，從而形成地表徑流。

產(chǎn)流前實(shí)際填洼量取決于坡度、產(chǎn)流前降雨量和地表糙度。分別對產(chǎn)流前實(shí)際填洼量、坡度、產(chǎn)前降雨量和地表糙度進(jìn)行歸一化處理，應(yīng)用SPSS統(tǒng)計(jì)分析軟件對產(chǎn)流前實(shí)際填洼量與坡度、產(chǎn)流前降雨量、地表糙度進(jìn)行多元線性回歸分析，結(jié)果達(dá)到顯著水平，關(guān)系式表述為

Ut=0.034S+0.135Pt+1.387R-0.122，R2=0.828

(6)

式中：Ut為產(chǎn)流前實(shí)際填洼量；S為坡度；Pt為產(chǎn)流前降雨量；R為地表糙度。

2.4 不同地表糙度下的入滲特征

不同雨強(qiáng)、不同耕作措施條件下入滲量隨坡度的變化如圖2所示。從圖中可以看出，各雨強(qiáng)條件下，入滲量均隨著坡度的增大逐漸減小，在同一坡度下不同耕作措施的入滲量大小為等高條播>人工鋤耕>等高犁耕>平整坡，即入滲量隨地表糙度的減小而減小。

2.5 填洼量與入滲量的關(guān)系

2.5.1 最大填洼量與入滲量的關(guān)系

試驗(yàn)結(jié)果表明，最大填洼量越大，入滲量也越大。因?yàn)榈乇砜油莘e水具有強(qiáng)化入滲，提高雨水轉(zhuǎn)化為土壤水比率的效應(yīng)，所以在降雨過程中，地表填洼量可以影響降雨徑流的產(chǎn)生、改變徑流方向，地表坑洼產(chǎn)生的水流阻力對坡面徑流及泥沙輸移有一定的影響。地表坑洼一方面攔蓄了地表徑流，延緩產(chǎn)流時(shí)間；另一方面在地表形成一定積水又增加了土壤入滲，減小坡面徑流，消減徑流能量。在降雨過程中不同耕作措施下等高犁耕最先產(chǎn)流，其次為人工鋤耕、等高條播，由此可以看出填洼量越大，入滲量也隨之變大，產(chǎn)流時(shí)間推遲。由圖3可以看出，3種不同雨強(qiáng)條件下，等高條播、人工鋤耕和等高犁耕3種耕作措施的入滲量與最大填洼量之間都是呈線性正相關(guān)關(guān)系。

圖2 不同雨強(qiáng)條件下入滲量變化過程

圖3 不同雨強(qiáng)條件下最大填洼量與入滲量的關(guān)系

2.5.2 實(shí)際填洼量與入滲量的關(guān)系

從圖4可以看出，入滲量同樣隨著實(shí)際填洼量的增大而增大，實(shí)際填洼量越小說明越容易形成坡面徑流，坡面徑流的形成減少了土壤入滲作用，導(dǎo)致入滲量減少。3種不同雨強(qiáng)條件下，等高條播、人工鋤耕和等高犁耕3種耕作措施的入滲量與實(shí)際填洼量也是呈線性正相關(guān)關(guān)系。

圖4 不同雨強(qiáng)條件下實(shí)際填洼量與入滲量的關(guān)系

2.5.3 最大填洼量、實(shí)際填洼量對入滲量的影響比較

不同雨強(qiáng)(60、90、120 mm/h)條件下最大填洼量與入滲量呈線性相關(guān)關(guān)系，其R2值分別為0.84、0.79、0.83，實(shí)際填洼量與入滲量關(guān)系的R2值分別為0.91、0.83、0.91，均達(dá)到顯著水平，且實(shí)際填洼量與入滲量的擬合效果優(yōu)于最大填洼量與入滲量的擬合效果，即實(shí)際填洼量對入滲量的影響要比最大填洼量大。因此，在降雨過程中計(jì)算實(shí)際填洼量對入滲量的分析更加重要。

3 結(jié) 論

以黃土坡耕地為研究對象，以平整坡作為對照，采用等高條播、人工鋤耕和等高犁耕3種耕作措施，產(chǎn)生不同的地表糙度，分析了不同降雨強(qiáng)度條件下地表最大填洼量和實(shí)際填洼量的特征、入滲量的影響因素、填洼量與入滲量的關(guān)系。結(jié)果表明：3種耕作措施下產(chǎn)生的地表糙度大小為等高條播>人工鋤耕>等高犁耕；在同一坡度下，最大填洼量和實(shí)際填洼量均隨著地表糙度的增大而增大，入滲量也隨著地表糙度的增大而增大；在同一耕作措施下，最大填洼量和實(shí)際填洼量隨著坡度的增大而減小，入滲量也隨著坡度的增大而減?。惶钔萘靠梢詮?qiáng)化降雨入滲、延緩產(chǎn)流時(shí)間，最大填洼量、實(shí)際填洼量和入滲量之間均呈線性正相關(guān)關(guān)系，且實(shí)際填洼量對入滲量的影響比最大填洼量大。

[1] 呂悅來,李廣毅.地表粗糙度與土壤風(fēng)蝕[J].土壤學(xué)進(jìn)展,1992,20(6):38-42.

[2] 芮孝芳.水文學(xué)原理[M].北京:中國水利水電出版社, 2004:131-132.

[3] 吳發(fā)啟,趙西寧,崔衛(wèi)芳.坡耕地耕作管理措施對降雨入滲的影響[J].水土保持學(xué)報(bào)，2003,17(3):115-117.

[4] Darboux F,Davy P,Gascuel-Odoux C.Effect of depression storage capacity on overland flow generation for rough horizontal surfaces:water transfer distance and scaling[J].Earth Surface Processes and Landforms,2002,27(2):177-191.

[5] Darboux F,Gascuel-Odoux C,Davy P.Effects of surface water storage by soil roughness on overland-flow generation[J].Earth Surface Processes and Landforms,2002,27(3):223-233.

[6] Singh V P,Liu Q Q.Effect of microtopography,slope length and gradient,and vegetative cover on overland flow through simulation[J].Journal of Hydrologic Engineering,2004,9(5):375-382.

[7] Hansen B,Schjonning P,Sibbesen E.Roughness indices for estimation of depression storage[J].Soil and Tillage Research,1999,52(1-2):103-111.

[8] Ullha W,Dickinson W T.Quantitative description of depression storage using a digital surface model:Ⅰ. Determination of depression storage[J].Journal of Hydrology,1979,42(1)：63-75.

[9] Kamphorst E C,Jetten V,Guerif J,et al.Predicting depressional storage from soil surface roughness[J]. Soil Science Society of America Journal,2000,64(5):1749-1758.

[10] Onstad C A.Depressional storage on tilled soil surface[J].Transactions of the ASAE,1984,27(3):729-732.

[11] Linden D R,Van Doren D M Jr. Parameter for characterizing tillage-induced soil surface roughness[J].Soil Science Society of America Journal,1986,50(6):1561-1565.

[12] Mitchell J K,Jones B A.Micro-relief surface depression storage: analysis of models to describe the depth-storage function[J].Jawra Journal of the American Water Resources Association,1976,12(6):1205-1222.

[13] Gomez J A,Nearing M A.Runoff and sediment losses from rough and smooth soil surfaces in a laboratory experiment[J].Catena,2005,59(3):253-266.

[14] Borselli L,Torri D.Soil roughness,slope and surface storage relationship for impervious areas[J].Journal of Hydrology,2010,393(3-4):389-400.

[15] Guzha A C.Effects of tillage on soil microrelief, surface depression storage and soil water storage[J]. Soil & Tillage Research,2004,76 (2):105-114.

[16] 繆韌.水文學(xué)原理[M].北京:中國水利水電出版社,2007:45-47.

[17] 梁心藍(lán),趙龍山,吳佳,等.模擬條件下不同耕作措施和雨強(qiáng)對地表糙度的影響[J].中國農(nóng)業(yè)科學(xué),2014,47(24):4840-4849.

(責(zé)任編輯 李楊楊)

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(K305021201)

S157

A

1000-0941(2016)11-0060-05

李陶陶(1990—)，男，安徽合肥市人，碩士研究生，主要從事土壤侵蝕方面的研究；吳發(fā)啟(1957—)，男，陜西黃陵縣人，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事土壤侵蝕與水土保持方面的研究。

2016-02-04