黑土坡面細(xì)溝形態(tài)及剖面特征試驗(yàn)研究

車曉翠, 趙文婷, 沈海鷗, 牟廷森

(吉林農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院, 吉林 長春 130118)

細(xì)溝在坡耕地上分布廣泛，其在坡面上的分叉、合并及連通能夠促進(jìn)細(xì)溝侵蝕的發(fā)展；細(xì)溝侵蝕可造成耕地面積減少，土地退化以及糧食產(chǎn)量降低等危害[1]。由細(xì)溝發(fā)育形成的侵蝕形態(tài)具有明顯的時(shí)空演變特征，并且反過來影響細(xì)溝侵蝕過程[2]。侵蝕性降雨或融雪產(chǎn)生的地表徑流對(duì)坡面細(xì)溝的產(chǎn)生有重要影響，徑流侵蝕力是細(xì)溝發(fā)育的直接動(dòng)力[3]。細(xì)溝產(chǎn)生后，徑流搬運(yùn)能力進(jìn)一步增強(qiáng)，坡面侵蝕量也隨之顯著增加，從而塑造出不同的細(xì)溝形態(tài)[4]。坡度也是影響坡面細(xì)溝侵蝕及其形態(tài)特征的重要因子，土壤抗蝕能力一般會(huì)隨著坡度的增大而減小[5]，從而導(dǎo)致坡度越大，細(xì)溝侵蝕越嚴(yán)重，細(xì)溝形態(tài)越復(fù)雜[6-7]。在黃土坡面，通過描述細(xì)溝平均寬度、深度以及細(xì)溝剖面變化等分析細(xì)溝形態(tài)特征[8]；在細(xì)溝流量一定的條件下，伴隨著細(xì)溝發(fā)育，細(xì)溝剖面形態(tài)呈現(xiàn)由“寬淺型”向“窄深型”的變化特征[9]。在紅壤坡面，通過選用細(xì)溝寬深比作為指標(biāo)，研究細(xì)溝剖面形態(tài)變化特征[10]。可見，目前關(guān)于細(xì)溝形態(tài)及其剖面特征的研究主要集中在黃土和紅壤土區(qū)域，且研究方法主要是基于試驗(yàn)土槽開展的室內(nèi)模擬試驗(yàn)。但是，由于空間區(qū)域不同導(dǎo)致土壤侵蝕特性不同[10-11]，使得黑土與其他土壤在坡耕地上的細(xì)溝形態(tài)特征之間存在一定差異。

東北黑土區(qū)獨(dú)特的自然環(huán)境條件和人類生產(chǎn)活動(dòng)方式，導(dǎo)致該區(qū)土壤侵蝕危害嚴(yán)重[12]。坡耕地是黑土區(qū)土壤侵蝕的主要策源地，其中，細(xì)溝侵蝕在坡面土壤侵蝕中占據(jù)重要比重，因此，關(guān)于黑土區(qū)坡耕地細(xì)溝侵蝕的相關(guān)研究逐漸受到更多學(xué)者的關(guān)注[13]。但是，目前關(guān)于黑土區(qū)坡耕地細(xì)溝形態(tài)及其剖面特征的研究較少，且缺少對(duì)細(xì)溝溝壁坡度的分析。鑒于此，本研究基于野外徑流小區(qū)，采用匯流沖刷試驗(yàn)方法，對(duì)比分析不同坡度條件下黑土坡面細(xì)溝寬度、深度、寬深比及細(xì)溝剖面形態(tài)和溝壁坡度的特征，旨在為東北黑土區(qū)坡耕地細(xì)溝侵蝕防治提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)于2017年8月在吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)青溝坡面徑流觀測場(125°21′E，43°52′N)進(jìn)行。該觀測場所在地區(qū)四季分明，雨熱同季，春季干燥多風(fēng)，夏季高溫多雨，冬季寒冷漫長，屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年日照時(shí)數(shù)為2 688 h，年平均氣溫4.8 ℃[13]。該地區(qū)屬于典型黑土區(qū)，成土母質(zhì)由黏土和亞黏土組成，其顆粒組成為砂粒(>50 μm)質(zhì)量分?jǐn)?shù)10.2%，粉粒(2～50 μm)質(zhì)量分?jǐn)?shù)80.2%，黏粒(<2 μm)質(zhì)量分?jǐn)?shù)9.6%，有機(jī)質(zhì)含量為25.6 g/kg。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及方法

徑流小區(qū)長度20 m(水平投影)，寬度5 m，坡面為翻耕裸露處理，翻耕深度20 cm，土壤容重為1.20 g/cm3，試驗(yàn)前期未對(duì)徑流小區(qū)內(nèi)土壤進(jìn)行飽和處理，實(shí)測土壤含水量為26.7%～27.7%。依據(jù)東北黑土區(qū)坡耕地典型坡度特點(diǎn)[14-15]，將坡度設(shè)計(jì)為5°和10°。匯流沖刷對(duì)細(xì)溝侵蝕的發(fā)生和發(fā)展有重要影響，故采用匯流沖刷試驗(yàn)方法。由于長春地區(qū)20 a一遇的最大降雨強(qiáng)度接近60 mm/h[16]，經(jīng)換算后采用1 L/(min·m2)的匯流流量進(jìn)行沖刷，沖刷歷時(shí)為60 min。試驗(yàn)處理重復(fù)2次。沖刷試驗(yàn)結(jié)束后，采用測尺從坡上部開始每隔20～50 cm測定坡面細(xì)溝寬度及深度；此外，自坡頂以5 m為間隔選取3個(gè)典型細(xì)溝剖面，分別代表坡上、坡中、坡下位置，并采用直尺詳細(xì)量取其所在位置斷面的細(xì)溝頂部寬度和底部寬度，并以一側(cè)溝沿為起點(diǎn)，每隔1 cm縱向測量其斷面深度，從而獲取詳細(xì)的細(xì)溝剖面形態(tài)數(shù)據(jù)。

1.3 參數(shù)描述

(1) 細(xì)溝溝壁坡度是指細(xì)溝溝壁上所有的相鄰兩個(gè)測點(diǎn)連線與水平線之間的夾角進(jìn)行加權(quán)求和，權(quán)重是按相鄰測點(diǎn)之間的長度占總細(xì)溝溝壁長度的百分比進(jìn)行計(jì)算。具體又可劃分為細(xì)溝左側(cè)溝壁坡度和細(xì)溝右側(cè)溝壁坡度。公式表達(dá)形式為：

(1)

式中：α為細(xì)溝溝壁坡度(°);αi為第i點(diǎn)與第i+1點(diǎn)之間的線段與水平面之間的夾角(°);Xi為第i點(diǎn)與第i+1點(diǎn)之間的線段長度(cm)。

(2) 細(xì)溝寬深比是指細(xì)溝寬度與對(duì)應(yīng)深度的比值，為一無量綱參數(shù)[17-18]。公式表達(dá)形式為：

(2)

式中：RWD為細(xì)溝寬深比;Wi為第i個(gè)測點(diǎn)處的細(xì)溝寬度(cm);Di為第i個(gè)測點(diǎn)處的細(xì)溝深度(cm);n為坡面上的測點(diǎn)總數(shù)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

使用Excel 2016對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行收集整理及制作圖表，使用Photoshop CS 6軟件測量細(xì)溝溝壁坡度，使用SPSS 19.1中方差分析和多重比較(LSD)進(jìn)行顯著性水平檢驗(yàn)(p<0.05)。由于坡耕地上產(chǎn)生的細(xì)溝寬度一般小于30 cm，最大為50 cm[19]，為了方便比較不同位置的斷面特征，假設(shè)其中軸線為25 cm，以X軸最右側(cè)數(shù)值與最左側(cè)數(shù)值的差值為細(xì)溝寬度，Y軸方向?yàn)榧?xì)溝深度建立坐標(biāo)系，繪制該位置的細(xì)溝剖面圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 細(xì)溝基本形態(tài)特征分析

通過對(duì)比5°和10°坡面細(xì)溝寬度的變化，發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)條件下，細(xì)溝寬度的最大值均超過40.0 cm，最小值為6.0～9.0 cm，平均值均小于20.0 cm(見表1)。隨著坡度的增加，細(xì)溝寬度的最大值無顯著變化，而最小值和平均值分別減少33.3%和27.0%。可見，本研究中細(xì)溝寬度隨著坡度的增加總體表現(xiàn)為減小的趨勢。分析原因是，地面坡度越大，其徑流匯集時(shí)間越短，導(dǎo)致形成的細(xì)溝股流的沖刷能力增強(qiáng)[18]；此外，由于2個(gè)坡度下匯流沖刷流量相同，細(xì)溝股流集中沖刷細(xì)溝底部的能力增強(qiáng)，就會(huì)造成其對(duì)細(xì)溝溝壁崩塌侵蝕的影響減弱，因此，細(xì)溝寬度的變化隨著坡度的增加而減小。

表1 5°和10°坡面細(xì)溝形態(tài)特征指標(biāo)對(duì)比

5°和10°坡面細(xì)溝深度的最大值均小于20.0 cm，最小值均為2.0 cm，平均值均小于10.0 cm(見表1)。當(dāng)坡度由5°增加為10°，細(xì)溝深度最小值無顯著變化，而最大值和平均值分別增加50.0%和66.7%?？梢?，試驗(yàn)條件下，細(xì)溝深度隨著坡度的增加而明顯增大。這是由于坡面處理為翻耕裸露處理，翻耕深度為20 cm，且已有研究表明，細(xì)溝深度一般不超過20 cm[19]，這就保證了細(xì)溝下切侵蝕的發(fā)育；此外，坡度越大，徑流沖刷侵蝕能力越強(qiáng)，其徑流能量主要用于細(xì)溝下切侵蝕[9]。因此，細(xì)溝深度的變化隨著坡度的增加而增加。

進(jìn)一步分析細(xì)溝寬深比的變化，發(fā)現(xiàn)最大值可達(dá)到或超過10.0，最小值均為1.0左右，平均值變化于2.3～4.9，均小于5.0(見表1)。隨著坡度由5°增加為10°，細(xì)溝寬深比最大值和最小值均無顯著變化，而平均值明顯減小53.1%?？梢?，試驗(yàn)條件下，細(xì)溝寬深比隨著坡度的增加總體表現(xiàn)為減小的趨勢。這也與細(xì)溝寬度和深度隨坡度的變化趨勢有關(guān)。

綜上可見，細(xì)溝平均寬度，深度，寬深比分別變化于13.5～18.5 cm，4.2～7.0 cm，2.3～4.9；隨著坡度的增加，細(xì)溝下切侵蝕作用增強(qiáng)幅度明顯超過細(xì)溝溝壁崩塌侵蝕作用，造成細(xì)溝寬度減小、細(xì)溝深度增加，進(jìn)而導(dǎo)致細(xì)溝寬深比減小。

2.2 細(xì)溝剖面形態(tài)特征分析

為了進(jìn)一步分析細(xì)溝基本形態(tài)特征，分別繪制了5°和10°坡面不同坡位典型細(xì)溝剖面圖(見圖1)。由圖1可知，黑土坡面細(xì)溝剖面形態(tài)主要表現(xiàn)為“U”型。而在黃土[9]、黑壚土[8]以及紅壤土[10]地區(qū)，“V”型剖面屬于典型細(xì)溝剖面之一，在黑土坡面上，該“V”型剖面形態(tài)則較少。造成這種結(jié)果的原因主要與黑土的抗沖蝕能力相關(guān)，由于黑土腐殖質(zhì)層的有機(jī)質(zhì)含量較高，土壤表層結(jié)構(gòu)疏松，造成黑土的抗蝕能力較差[20]；其土壤本身性質(zhì)能夠影響細(xì)溝侵蝕形態(tài)特征[10,15]。且已有相關(guān)研究[21]表明，黑土的抗沖蝕能力在一定條件下甚至弱于黃土、紅壤土以及紫色土。此外，黑土層較薄，匯流沖刷極易到達(dá)犁底層，犁底層的土壤為黏黃土，其土壤質(zhì)地黏重，水分下滲能力弱[14]，導(dǎo)致徑流匯集，向細(xì)溝兩側(cè)蔓延，在不斷下切侵蝕過程中，修飾細(xì)溝溝壁，形成“U”型細(xì)溝剖面形態(tài)。

通過對(duì)比5°和10°坡面不同坡位典型細(xì)溝剖面，發(fā)現(xiàn)隨著坡度的增加，黑土坡面更趨向于形成“窄深型”細(xì)溝(見圖1)。分析原因是，隨著坡度的增大，匯流沿坡面向下的分力增大，徑流流速也隨之增大[9,22]，徑流的沖刷能力沿流動(dòng)方向逐漸增強(qiáng)，對(duì)坡面的沖刷更為劇烈，土壤的抗沖蝕能力一般也隨坡度的增大而減小[5]，導(dǎo)致細(xì)溝溝底下切侵蝕增強(qiáng)。因此，10°坡面較5°坡面更易產(chǎn)生“窄深型”的“U”型細(xì)溝。坡度越大，細(xì)溝剖面形態(tài)由“寬淺型”向“窄深型”發(fā)展的現(xiàn)象不止出現(xiàn)在黑土坡面上，同樣存在于黃土坡面[9]?？梢?，坡度對(duì)坡面細(xì)溝剖面形態(tài)的發(fā)育有重要影響。

圖1 5°和10°坡面不同坡位典型細(xì)溝剖面

黑土坡面上、中、下3個(gè)坡位之間的細(xì)溝剖面形態(tài)也存在一定差異(見圖1)。5°坡面坡上，坡中，坡下位置的細(xì)溝寬深比分別為2.4，1.7，8.9，10°坡面坡上，坡中，坡下位置的細(xì)溝寬深比分別為3.1，1.5，1.9(見圖2)。結(jié)果表明，黑土坡面從上到下的細(xì)溝剖面形態(tài)呈現(xiàn)為由“寬淺型”到“窄深型”再到“寬淺型”的變化趨勢。其原因主要包括2個(gè)方面： ①與土壤團(tuán)聚度有關(guān)，有研究指出，坡上和坡下位置的土壤團(tuán)聚度較坡中位置的土壤團(tuán)聚度高，造成坡中位置土壤抗蝕性較其他部位差[22]； ②當(dāng)匯流到達(dá)坡中位置，在沿坡面向下繼續(xù)運(yùn)動(dòng)的過程中，其重力勢能主要轉(zhuǎn)化為水流的動(dòng)能，徑流流速逐漸增加，侵蝕能力加強(qiáng)，其下切侵蝕作用大于溝壁崩塌侵蝕，而徑流流經(jīng)坡上部位和坡中部位后，挾帶大量泥沙至坡下部位并發(fā)生沉積，使坡下部位的細(xì)溝深度變淺，而徑流流路變寬，造成細(xì)溝隨之加寬。因此，相對(duì)于坡上和坡下位置而言，坡中位置更易形成“窄深型”細(xì)溝。

圖2 5°和10°坡面不同坡位細(xì)溝寬深比

2.3 細(xì)溝溝壁坡度的變化特征

由圖1可知，黑土坡面細(xì)溝溝壁較陡。應(yīng)用Photoshop CS6軟件進(jìn)行測量，得出黑土坡面細(xì)溝溝壁坡度主要分布于37.7°～85.2°之間；其中，細(xì)溝左側(cè)溝壁坡度和右側(cè)溝壁坡度的平均值分別為75.2°和70.6°(見表2)。對(duì)比不同坡度條件細(xì)溝溝壁坡度可知，5°和10°坡面細(xì)溝左側(cè)溝壁坡度平均值分別為70.0°和80.5°，細(xì)溝右側(cè)溝壁坡度平均值分別為60.2°和81.1°?？梢姡?xì)溝溝壁坡度隨著地面坡度的增加而增大，即細(xì)溝溝壁邊坡逐漸變陡。分析原因是，坡度作為影響坡面土壤侵蝕的主要因子，坡面徑流的位能、沖刷能力和挾沙能力均隨坡度的增加而明顯增強(qiáng)[23]，入滲量則隨之減小[5]，細(xì)溝侵蝕量增大，從而造成細(xì)溝溝壁被侵蝕得更加陡峭。由此可見，東北黑土區(qū)陡坡耕地，特別是在無植被生長或處于植被生長幼苗期的裸露休閑地上發(fā)育的細(xì)溝溝壁坡度較大，對(duì)應(yīng)的細(xì)溝侵蝕防治也更加困難。

表2 5°和10°坡面各坡位細(xì)溝溝壁坡度

對(duì)比黑土坡面上、中、下3個(gè)坡位細(xì)溝溝壁坡度，可知5°坡面坡上，坡中，坡下位置的細(xì)溝溝壁坡度分別為70.4°，77.5°，47.4°；10°坡面坡上，坡中，坡下位置的細(xì)溝溝壁坡度分別為78.0°，82.1°，82.3°(見表2)。結(jié)果表明，細(xì)溝溝壁坡度與其所處坡段位置存在一定關(guān)系，即坡中位置細(xì)溝溝壁坡度一般大于坡上和坡下位置，尤其在坡度較為平緩的條件下；但是，隨著坡度的增加，坡中位置細(xì)溝溝壁坡度的變化趨勢明顯減弱。分析原因是，徑流在坡面上部形成之后，便逐漸匯集，導(dǎo)致徑流流速增大，其對(duì)應(yīng)的徑流沖刷能力也隨坡面位置的變化而增強(qiáng)，使得細(xì)溝溝壁呈現(xiàn)逐漸變陡的變化趨勢；但是，在徑流沖刷能力增強(qiáng)到一定程度后，由于徑流挾帶的泥沙逐漸增多，導(dǎo)致泥沙在坡面下部發(fā)生臨時(shí)性沉積，使得細(xì)溝溝壁坡度變緩；此外，已有相關(guān)研究指出東北黑土區(qū)坡耕地坡中位置的土壤侵蝕強(qiáng)度較其他坡位更大[22]。因此，黑土坡面坡中位置的細(xì)溝溝壁邊坡更為陡峭，應(yīng)作為黑土坡面細(xì)溝侵蝕防治的重點(diǎn)部位。

3 結(jié) 論

(1) 試驗(yàn)條件下，細(xì)溝平均寬度，深度，寬深比分別變化于13.5～18.5 cm，4.2～7.0 cm，2.3～4.9；黑土坡面更易形成“U”型細(xì)溝剖面形態(tài)。隨著坡度的增加，細(xì)溝下切侵蝕作用增強(qiáng)幅度明顯超過細(xì)溝溝壁崩塌侵蝕作用，造成細(xì)溝剖面形態(tài)由“寬淺型”向著“窄深型”發(fā)育。黑土坡面從上到下的細(xì)溝剖面形態(tài)呈現(xiàn)為由“寬淺型”到“窄深型”再到“寬淺型”的變化。因此，相對(duì)于坡上和坡下位置而言，坡中位置更易形成“窄深型”細(xì)溝。

(2) 黑土坡面細(xì)溝溝壁坡度主要介于37.7°～85.2°，其值隨著地面坡度的增加而增大；此外，細(xì)溝溝壁坡度與其所處坡段位置存在一定關(guān)系，即坡中位置的細(xì)溝溝壁坡度普遍大于坡上和坡下位置。綜上所述，東北黑土區(qū)陡坡耕地，特別是無植被生長或處于植被生長幼苗期的裸露休閑地坡中位置發(fā)育的細(xì)溝溝壁邊坡更為陡峭，對(duì)應(yīng)的細(xì)溝侵蝕防治尤為關(guān)鍵。