黃土坡耕地不同地表糙度下坡面填洼與入滲的關系研究

李陶陶，吳發啟

(1.西北農林科技大學 水土保持研究所，陜西 楊凌 712100；2.西北農林科技大學 資源環境學院，陜西 楊凌 712100)

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黃土坡耕地不同地表糙度下坡面填洼與入滲的關系研究

李陶陶1，吳發啟2

(1.西北農林科技大學 水土保持研究所，陜西 楊凌 712100；2.西北農林科技大學 資源環境學院，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種耕作措施產生不同的地表糙度，分析了不同降雨強度條件下地表最大填洼量和實際填洼量的特征、入滲量的影響因素、填洼量與入滲量的關系。結果表明：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際填洼量的增大而增大，且與最大填洼量和實際填洼量均呈線性正相關關系，但實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，既反映了地表微地貌形態，又是影響降雨過程中地表水分轉化與水力學特性的重要參數，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化入滲、提高雨水轉化為土壤水比率的效應[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生和流向，是一個重要的徑流特征參數；Singh等[6]研究表明地表坑洼產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。地表坑洼攔蓄地表徑流，能大大延緩產流時間，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提出了MUD(mean upslope depression，平均上坡凹陷量)指標，實質就是地表負地形的平均深度[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，直接在坡面澆水計算填洼量，也可以通過采集地表高程數據建立DEM，與未處理坡面采集的地表高程數據建立的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有了很多成果[13-15]，但缺少將二者結合分析的研究，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關系，并比較最大填洼量、實際填洼量對入滲量的影響程度。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與設計

試驗是在西北農林科技大學水工實驗室內4 m×1 m的徑流小區上進行的，坡度分別為3°、5°、10°、15°、20°，每個坡度設4個小區。每次試驗采用人拉鏵犁、人拉耬、鋤頭等農具，分別布設對照組、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上再人工耙平。小區土壤為陜西省楊凌區坡耕地地表土(0～20 cm)。采用人工模擬降雨的方法，降雨設備為中科院水土保持研究所研制的側噴式降雨機，降雨方式是采用兩個降雨機對噴，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，雨強設計為60、90、120 mm/h，對應的降雨時間分別為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際的降雨強度。

1.2 參數的計算

1.2.1 地表糙度指標

地表糙度指標選用Linden與Van Doren提出的平均絕對高差法[11]。他們認為地表糙度應該是平均絕對高差變化的結果，可用LD指數和LS指數2個地表參數進行描述。LD指數反映微地表起伏變化，是水平間隔接近無窮大時相對高程間的差異；LS指數是水平間隔接近0時相對高程與水平間隔的比值，反映微地形起伏結構的變化。將LD指數和LS指數結合在一起，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構的變化，具體計算過程借助自編VB程序完成。計算公式為

(1)

式中：ΔZh為絕對高差，cm；Zi為i點的高程，cm；Zi+h為i+h點的高程，cm；n為樣本數。

在此基礎上，研究發現絕對高差與水平距離間存在下列關系

(2)

式中：a、b為待定參數；ΔXh為水平距離(≤20 cm)。

這時就可定義

(3)

1.2.2 最大填洼量的計算

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)布設在各種處理的坡面上，并使其與地表充分貼實后，在試驗小區頂部用噴壺灑水，直到小區出水口產流為止，然后記錄注水量和出水量。最大填洼量計算公式為

(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 實際填洼量的計算

以降雨產流開始之前的填洼量作為實際填洼量Ut。以等高條播為例，平整坡的產流時間為t0，等高條播的產流時間為t，在t時段內平整坡的產流量Q0可直接測定，而在t時段內平整坡的降雨量P0轉化為入滲量f0、產流量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，產流時間很短，本試驗各種處理對應的水分初始入滲率都很大且相差不大，即等高條播產流入滲量f≈f0。用公式(5)可計算得出t時間等高條播的填洼量[16]，即

(5)

式中：Ut為產流前的實際填洼量，cm；Umax為最大填洼量，cm；Pt為t時間的降雨量，cm；f為t時間的入滲量，cm。

相應地也可以計算得出等高犁耕和人工鋤耕產流前的實際填洼量。

1.2.4 入滲量的計算

入滲量是指整個降雨過程中的總入滲量，即根據水量平衡原理，整個過程中蒸發量可以忽略，降雨量減去徑流量即為入滲量。

2 結果與分析

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刻變化的，因為地表糙度、地表土塊數目與地表徑流連通性每時每刻都在發生變化[10]，所以本研究測定的是雨前最大填洼量。

降雨試驗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生變化，使坡面蓄水能力減??；在同一坡度下不同耕作措施最大填洼量大小為等高條播>人工鋤耕>等高犁耕>平整坡(平整坡填洼量為0)。進一步計算得出，隨著坡度的增大(5°、10°、15°、20°)，相比坡度3°時，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°時的變化率較>10°時的變化率小。在坡度變化較小的范圍內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 不同地表糙度下實際填洼量的變化特征

在降雨過程中，不同處理的產流開始時間，等高犁耕最早，之后是人工鋤耕和等高條播。產流前實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種不同處理的產流前實際填洼量分別為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流所需要的實際填洼量大小均為等高條播>人工鋤耕>等高犁耕，且實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流，而是存在一個填洼的臨界值即實際填洼量，當降雨量轉換為填洼量達到實際填洼量時即開始產流。例如，當等高條播達到實際填洼量，壟間的蓄水會沖破壟流入下一個坑洼地，從而形成地表徑流。

產流前實際填洼量取決于坡度、產流前降雨量和地表糙度。分別對產流前實際填洼量、坡度、產前降雨量和地表糙度進行歸一化處理，應用SPSS統計分析軟件對產流前實際填洼量與坡度、產流前降雨量、地表糙度進行多元線性回歸分析，結果達到顯著水平，關系式表述為

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

(6)

式中：Ut為產流前實際填洼量；S為坡度；Pt為產流前降雨量；R為地表糙度。

2.4 不同地表糙度下的入滲特征

不同雨強、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系

2.5.1 最大填洼量與入滲量的關系

試驗結果表明，最大填洼量越大，入滲量也越大。因為地表坑洼積水具有強化入滲，提高雨水轉化為土壤水比率的效應，所以在降雨過程中，地表填洼量可以影響降雨徑流的產生、改變徑流方向，地表坑洼產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，延緩產流時間；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，產流時間推遲。由圖3可以看出，3種不同雨強條件下，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關系。

圖2 不同雨強條件下入滲量變化過程

圖3 不同雨強條件下最大填洼量與入滲量的關系

2.5.2 實際填洼量與入滲量的關系

從圖4可以看出，入滲量同樣隨著實際填洼量的增大而增大，實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，導致入滲量減少。3種不同雨強條件下，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際填洼量也是呈線性正相關關系。

圖4 不同雨強條件下實際填洼量與入滲量的關系

2.5.3 最大填洼量、實際填洼量對入滲量的影響比較

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

3 結 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，產生不同的地表糙度，分析了不同降雨強度條件下地表最大填洼量和實際填洼量的特征、入滲量的影響因素、填洼量與入滲量的關系。結果表明：3種耕作措施下產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??；填洼量可以強化降雨入滲、延緩產流時間，最大填洼量、實際填洼量和入滲量之間均呈線性正相關關系，且實際填洼量對入滲量的影響比最大填洼量大。

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(責任編輯 李楊楊)

國家自然科學基金項目(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；吳發啟(1957—)，男，陜西黃陵縣人，教授，博士生導師，主要從事土壤侵蝕與水土保持方面的研究。

2016-02-04