東北漫崗黑土區(qū)坡耕地淺溝侵蝕的分布特征

東北漫崗黑土區(qū)坡耕地淺溝侵蝕的分布特征

淺溝是指由集中水流造成的小溝渠。通常每年都出現(xiàn)在同一個地方，每年都會被耕地清除。為了區(qū)分淺溝和細(xì)溝,Hauge認(rèn)為淺溝的橫截面積最小為1ft2=929cm2,本文采用這個標(biāo)準(zhǔn)作為判斷淺溝的下限。淺溝的形成會導(dǎo)致土地生產(chǎn)力下降和不利于耕作,研究表明淺溝侵蝕對總土壤流失的貢獻(xiàn)率在10%~83%間。中高緯度地區(qū)的土壤侵蝕一般有季節(jié)上的變化,通常在深秋和融雪時期發(fā)生嚴(yán)重的土壤侵蝕。東北黑土區(qū)具有與我國其他地區(qū)不同的侵蝕過程,除了夏季發(fā)生暴雨侵蝕外,春季融雪侵蝕比較典型。該區(qū)春季凍融時期流域尺度上的淺溝侵蝕研究還較少,獲得該時段淺溝侵蝕的資料非常重要。作為我國重要的商品糧基地,黑土區(qū)由于人類不合理的開發(fā),土壤強(qiáng)烈退化,厚度變薄,已由開墾初期的70~100cm,下降到不足50cm。觀測資料表明,坡耕地年土壤流失厚度0.6~1.0cm,土壤侵蝕嚴(yán)重。野外調(diào)查時也看到,暴雨過后,坡耕地上形成大量的淺溝和細(xì)溝。因此,對淺溝侵蝕的規(guī)律和分布特征進(jìn)行研究,有利于研究黑土區(qū)坡耕地土壤侵蝕機(jī)理,對制定流域的水土保持措施也有重要意義。本文以黑龍江省嫩江縣境內(nèi)農(nóng)墾九三分局鶴山農(nóng)場六隊附近的兩個小流域?yàn)槔?通過春季凍融時期淺溝侵蝕勘測,對淺溝的分布特征和春季降水及凍融對淺溝侵蝕的影響作了探討。1土壤侵蝕和淺溝測量研究區(qū)位于黑龍江省嫩江縣境內(nèi)農(nóng)墾九三分局鶴山農(nóng)場(125°16′E,48°58′N),地處小興安嶺西南麓丘陵漫崗地帶,地形起伏和緩,坡長較長,一般達(dá)300~500m。土壤以黑土為主,黑土層厚度在30~50cm,犁底層深度在30cm左右。春季坡耕地表層土壤容重在1.1g/cm3左右。該區(qū)年平均降水量在500mm左右,降雨年際變化大,集中于夏季。冬季凍土層深度達(dá)2m左右,春季4~5月凍融期,發(fā)生融雪和季節(jié)凍土融化,而此時土壤又易于侵蝕,導(dǎo)致凍融侵蝕是該區(qū)土壤侵蝕的一大特色。樣區(qū)選在鶴山農(nóng)場六隊附近鶴北流域內(nèi)的兩個小流域,根據(jù)鶴北流域的情況,將它們分別命名為2號和8號小流域(圖1、圖2),流域面積分別為3.6km2和2.8km2,土地利用方式主要是耕地,分別占90%和85%,每年冬季至第二年春季4月,耕地處于休閑狀態(tài),地表完全裸露。野外調(diào)查時看到,每年春季4~5月該區(qū)坡耕地上淺溝侵蝕相當(dāng)嚴(yán)重。2005年-04-22~25對2號和8號兩流域的淺溝侵蝕進(jìn)行了勘測。野外對淺溝的形態(tài)參數(shù)進(jìn)行了測量。對每條淺溝,用GPS定位,根據(jù)其形態(tài)情況每隔10~30m測量斷面,每個斷面測量一個寬度、三個深度(如圖3所示)。斷面面積按矩形計算。直線型淺溝斷面間距大些,彎曲型淺溝在轉(zhuǎn)彎處增加測量斷面。根據(jù)淺溝長度,測量的斷面?zhèn)€數(shù)在4~20間。降水?dāng)?shù)據(jù)取自于離兩個小流域約500m的徑流小區(qū)觀測資料。根據(jù)調(diào)查次序,兩個小流域的淺溝命名如圖3、4和表1所示。淺溝的體積利用下面的公式計算式中A1、A2、……是斷面面積;L1、L2、……是斷面間距。2結(jié)果2.1兩流域淺溝形態(tài)特征調(diào)查顯示,2005年春季研究區(qū)淺溝侵蝕嚴(yán)重,2號和8號流域分別形成淺溝14和16條(圖1、圖2)。2號流域的淺溝總長度為3269m,淺溝密度為908m/km2,侵蝕總體積為595m3,相當(dāng)于該流域被侵蝕掉的厚度0.17mm,總土壤流失量達(dá)654.5kg,侵蝕模數(shù)為181.8t/km2。8號流域的淺溝總長度為2146m,淺溝密度為766m/km2,侵蝕總體積為442m3,流域的侵蝕深度達(dá)0.16mm,總土壤流失量達(dá)486.2kg,侵蝕模數(shù)為173.6t/km2。必須指出的是,如此高的土壤流失量僅是指由淺溝引起的,雖然沒有測量坡面上的細(xì)溝,但在野外觀察到細(xì)溝侵蝕相當(dāng)嚴(yán)重,有的一個坡面上每隔幾十厘米就會有一條細(xì)溝,總數(shù)可達(dá)幾十條。因此,考慮到細(xì)溝侵蝕,土壤流失量更大。表1是兩流域淺溝的形態(tài)參數(shù),2號流域的淺溝長度在42~480m間,平均為233.5m;8號流域的淺溝長度在36~410m之間,平均134.0m。兩流域的淺溝寬度在0.41~1.52m間,平均0.88m;淺溝平均深度分別為0.21m、0.22m,但大多數(shù)淺溝的最大深度都超過0.30m。分析表明,淺溝最大深度和坡長沒有明顯的關(guān)系。淺溝深度隨長度(從溝頭到溝尾的距離)的變化具有上部和溝尾小、中部大的特點(diǎn),最大深度一般出現(xiàn)在中下部(如圖2所示)。淺溝平均斷面面積在0.04~0.39m2之間,中部斷面面積較大,而在上部和下部較小。淺溝上部及下部的深度和斷面面積小是由于上部徑流速率小進(jìn)而徑流侵蝕力弱,在下部則是由于徑流含沙量處于飽和使得攜沙能力降低,導(dǎo)致在溝尾處發(fā)生淤積所致。2.2淺溝侵蝕規(guī)律野外看到,一些淺溝具有間斷性的特征(如圖1、2所示),一般在林帶處斷開。這類淺溝較長,2號流域有間斷性淺溝6條,長度在223~480m間;8號流域有間斷性淺溝2條,長度分別為217m、410m。間斷性淺溝通常穿過林帶,在林帶上方發(fā)生淤積,林帶下方形成跌坎。這表明林帶處的植被起到了減弱徑流沖刷力的作用。同時,這類淺溝具有多個跌坎的特征,在溝道中每隔幾十米就會出現(xiàn)一個跌坎。研究區(qū)大多數(shù)淺溝發(fā)育在瓦背狀坡面的集流水路上,2號和8號流域分別有12條和9條淺溝形成于瓦背狀坡面的洼地中,原因在于低洼處匯集了兩側(cè)坡面上的水流使得徑流侵蝕力增強(qiáng)。這類淺溝每年都會在同一地方再現(xiàn)。與2004年相比,2號和8號流域各有12條、8條淺溝重現(xiàn),這也與淺溝的定義一致。淺溝一般分布于坡面的中下部(如圖3、4所示),從坡頂來算,溝頭在坡面的1/2或2/3處形成。淺溝的分布形式隨坡型不同有平行狀和輻合狀兩種(如圖1、2所示)。淺溝的分布規(guī)律也表現(xiàn)在分布間距上,從2號流域的淺溝分布來看(圖1),分布間距由80m至720m,平均為250m。與研究區(qū)的淺溝分布間距相比,黃土高原的淺溝分布間距要小得多,僅由數(shù)米到30m,其中以15~20m居多,平均為16.2m。淺溝侵蝕規(guī)律除體現(xiàn)在發(fā)育部位和分布形式外,還反映在臨界坡長、坡度和匯水面積等特征值的變化上。臨界坡長是指淺溝溝頭到流域分水嶺的距離。對分布在瓦背狀坡面洼地上的淺溝進(jìn)行分析表明,研究區(qū)淺溝的臨界坡長在170~900m間,平均390m左右,2號流域的淺溝中有12條的臨界坡長在300m;8號流域淺溝的臨界坡長也都在>150m,長的達(dá)600m。坡度和匯水面積也是淺溝侵蝕發(fā)育的主要特征值。由于該區(qū)坡耕地坡度變化不大,淺溝發(fā)生的坡度變化也很小,在3~6°間,平均3.5°。淺溝發(fā)生的匯水面積變化范圍較大,在1.26~44.24hm2間,平均7.25hm2。與研究區(qū)相比,黃土高原坡面出現(xiàn)淺溝的臨界坡長在20~70m間,平均40m,要遠(yuǎn)小于漫崗黑土區(qū)的值;而淺溝侵蝕發(fā)生的臨界坡度則大于研究區(qū)的值,介于14.0°~21.3°間,更多的集中在15.0°~20.0°間,平均值為18.2°。在規(guī)模上,研究區(qū)單條淺溝的長度和體積要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于黃土高原坡面淺溝的長度和體積。3討論3.1融雪和土壤解凍研究區(qū)2004年冬季至2005年秋季的降水量如圖5所示。2004年冬季降雪較少,2004-11~2005-03間的降水總量僅為16.2mm,融雪小區(qū)的觀測顯示2005-04前沒有產(chǎn)流發(fā)生。因此,這次淺溝侵蝕主要是由04-08~25的降水引起,期間發(fā)生9次降水,4月8日、10日和15日為降雪,降水量分別為6.2mm、4.4mm和24.6mm,其中15日的降雪起主要作用,據(jù)農(nóng)場氣象站資料,這樣的大雪最近也只在20世紀(jì)90年代初發(fā)生過。伴隨著融雪和土壤解凍,在4月19~22日又發(fā)生了4次降雨,4d降雨總量為20.3mm。總的來看,4月降水總量>62.5mm,比該月多年平均值多40.0mm。此時段的土壤特征和地表狀況也有利于侵蝕發(fā)生。季節(jié)性凍結(jié)常引起土壤水分在表層的聚積,同時該區(qū)春季土壤解凍是在融雪后進(jìn)行的,并以由上向下的融解方式占優(yōu)勢,而且融解的時間較長,當(dāng)表層融解而深處尚未溶解的情況下,未融解部分就形成了不透水層。在春季解凍時的2~3d到一個月甚至更長的時間內(nèi),凍融作用是影響土壤可蝕性因子的主要因素。凍融作用會改變土壤性質(zhì)如土壤結(jié)構(gòu)、土壤導(dǎo)水性、容重、團(tuán)聚體水穩(wěn)性以及土壤強(qiáng)度等,進(jìn)而影響土壤可蝕性因子。一般而言,凍融作用反復(fù)進(jìn)行的結(jié)果,會使土壤容重減小。低容重和高含水條件會使土壤表面更易遭受分散和輸移。土壤粘結(jié)力減小,土壤分散力增大,使得土壤更利于侵蝕。在發(fā)生解凍階段,土壤對融雪和降雨侵蝕都十分敏感,土壤流失也主要發(fā)生在這一階段,此時發(fā)生徑流事件,侵蝕會大大增加。侵蝕過程不僅受表層土壤特征的影響,而且受整個土壤剖面的影響。在解凍階段,雖然土壤表層已經(jīng)融化,但其下部仍有冰晶存在,這種結(jié)構(gòu)必然會阻礙入滲和土壤水分運(yùn)動。當(dāng)水分入滲受到下層凍土阻擋時,易于發(fā)生表層流進(jìn)而更有利于淺溝發(fā)展。2005年春季,研究區(qū)融雪時的降雨過程又加速了積雪融化,再加上表層土壤解凍、裸露地表和下層凍土層的存在導(dǎo)致了更大的地表徑流和壤中流。兩流域出口的量水堰觀測顯示,徑流持續(xù)了6d,2號和8號流域的徑流深分別達(dá)6.8mm和7.7mm。3.2坡耕地的水保措施耕作措施對淺溝的形成和發(fā)展也有重要影響。當(dāng)?shù)赜星锓睾痛悍貎煞N耕作習(xí)慣,秋翻地是在秋季莊稼收割以后進(jìn)行,春翻地是在春季播種前進(jìn)行。調(diào)查時兩流域以秋翻地為主,只有3塊耕地秋季沒有深翻,壟溝保存完好,還有一塊玉米地實(shí)施了留茬免耕。春翻地中形成的淺溝深度較淺,平均深度在12.5~14.0cm間,這些淺溝的形成與壟溝有一定關(guān)系。為了保墑,當(dāng)?shù)卦诜N植大豆時進(jìn)行壟作種植,但并不是等高壟作,而是壟溝和等高線按一定角度斜交,這樣壟溝內(nèi)的徑流匯集到一定程度就會在某些地方?jīng)_破壟溝向低洼處集中形成淺溝。2號流域的EG9和8號流域的EG10就屬于這種情況,在野外能明顯地觀察到集中水流先在壟溝里匯集,然后沖破壟溝向坡下流動形成淺溝。秋翻地中的淺溝深度明顯較大,而且與2004年夏季相比,兩流域在秋翻地中新形成了5條淺溝,分別為2號流域的EG10和8號流域的EG1、EG2、EG3和EG16,總長度達(dá)520m,侵蝕體積達(dá)106m3,土壤流失量達(dá)118.8kg。這5條淺溝的形成與一些線性要素如車轍、林帶和耕地邊的排水溝有關(guān)。另外,留茬免耕可以減少淺溝侵蝕,8號流域淺溝EG4所處的地塊實(shí)施了留茬免耕,該地塊中2004年夏季有兩條淺溝,2005年春季只形成了1條淺溝,而且其溝形不明顯,長度雖然達(dá)255m,平均深度卻只有12.5cm,侵蝕體積也僅為12m3。因此,在制定坡耕地水保措施時應(yīng)考慮耕作措施對淺溝侵蝕的影響。從以上分析可以看出,該區(qū)春季凍融時期淺溝侵蝕相當(dāng)嚴(yán)重。因此加強(qiáng)該區(qū)坡耕地的水土保持刻不容緩。由于留茬免耕能有效地減少淺溝侵蝕,在當(dāng)前的社會經(jīng)濟(jì)條件下,實(shí)施留茬免耕不失為一項既經(jīng)濟(jì)又有效的水保措施。4淺溝侵蝕的自然因素根據(jù)觀測結(jié)果及其分析討論,得出以下幾點(diǎn)結(jié)論:研究區(qū)春季凍融時期的淺溝侵蝕導(dǎo)致的土壤流失量相當(dāng)大。2號和8號流域分別形成了淺溝14條、16條,淺溝總長度分別達(dá)3269m、2146m,淺溝密度分別為908m/km2、766m/km2,侵蝕深度分別為0.17mm、0.16mm,侵蝕模數(shù)分別達(dá)181.8t/km2、173.6t/km2。2005-04的強(qiáng)降水是導(dǎo)致發(fā)生如此大土壤流失量的主要原因,而此季節(jié)的表層土壤解凍、下層凍土層和裸露地表使得地表徑流和表層流的持續(xù)時間更長,