3.2　退化草地水蚀特征分析

3.2.1　试验设计

3.2.1.1　锡林河流域水蚀坡面试验

本试验通过野外模拟人工降雨,以及对室内的数据分析,理论结合实际,开展不同坡度(5°、10°、15°)、雨强(20mm/h、40mm/h、60mm/h)、下垫面[对照(围封10年)、轻度退化、中度退化、重度退化]条件下天然草地径流产沙规律的研究,通过试验得出不同坡度、雨强和下垫面条件下的径流量和产沙量,为当地的水土保持监测提供数据依据。同时通过设置不同退化程度、不同坡度(5°、10°)的标准径流小区,实地观测次降雨过程中地表水沙变化,分析不同退化程度草地的年土壤侵蚀量。

3.2.1.2　降雨模拟观测

(1)植被观测:所有降雨模拟实验完成后,对模拟降雨小区坡面上部、中部、下部的植被进行调查,采用小网格法调查植被的盖度,样方面积为1m×1m,对样方内的物种数、高度、盖度、地上生物量、地下生物量(0～40cm)等进行调查。

(2)土壤含水量测定:每次模拟降雨前后,在每个模拟小区的上部、中部、下部,用土钻(D=2cm)分层次取土,层次为0～5cm、5～10cm、10～20cm、20～30cm、30～40cm,每层次重复三次,然后现场用电子秤测定湿土加盒重,带回实验室在105℃下烘烤12h,测定其土壤含水量。

(3)雨强的率定:为确定降雨模拟器的均匀度和校准自记雨量筒,人工降雨开始前,将9个雨量筒均匀放置在模拟小区地面承接降雨,作为试验雨量进行校准设计,降雨停止后,将雨量筒中的雨水倒在量杯中,确定次降雨的降雨量和均匀度,并检测喷头的通透性。

(4)径流量和产沙量的测定:从模拟降雨器开始降雨后,记录径流起始时间,定时采集径流过程样品,用已经编号的200m L的塑料容器瓶收集泥沙样品,产流后前20min内每2min取样一次,20min后每隔4min取样一次,直到最后关闭降雨器后停止取产流的过程样。同时在每次收集泥沙样后,及时量取集流桶内的径流深度,在径流产生初期当流量较小时用1L的量杯量取径流量,同时为保证径流深度的准确性,在径流桶内放置HOBO小型自记水位监测仪(测量精度2mm,每分钟记录一次数据)。

(5)降雨泥沙与径流:降雨完成后,根据桶内的集流深度,计算出径流小区内的径流总体积;将取样进行静置,然后用滤纸对其进行过滤处理,将过滤后的泥沙样品放置烘箱中烘干,利用称重法测定径流泥沙的含量。

(6)降雨模拟器:降雨模拟器为南京南林电子科技公司制作的NLJY-10-02型大型便携式人工模拟降雨系统,有效降雨面积为18m2,降雨高度4.0～4.5m,雨强连续变化范围20～150mm/h,降雨均匀度系数0.87～0.93,雨滴大小调控范围1.7～2.8mm,降雨测量精度0.01mm/h,降雨调节精度7mm/h,降雨历时为任意。

(7)径流小区设计:每个径流小区坡面面积10m2,即倾斜坡长5m、宽2m,每个径流小区两侧及上边用彩钢板加钢骨架围起,用锤子夯实,黏土镏缝,其中埋入地下20cm,外露20cm,下部设不锈钢楔形集流槽,槽口的出口下挖一个放置集流桶的坑,径流由集流槽流到小区外的集流桶中,用于测定径流量的大小。

(8)降雨前处理:降雨开始前,仔细检查确保喷头没有堵塞,水管和集流槽中没有泥沙和杂草,试验前将径流小区用塑料布覆盖,先进行模拟降雨量的调试,达到设计的稳定降雨量时,将径流小区的塑料布掀开,并记录开始降雨的时间,降雨历时为50min。

3.2.1.3　野外原位监测

1.径流小区设计

在选定的不同退化程度的不同坡度上布设径流小区,每个径流小区坡面面积100m2,即倾斜坡长20m、宽5m,每个径流小区两侧及上边用彩钢板加钢骨架围起,用锤子夯实,黏土镏缝,其中埋入地下30cm,外露25cm,集流槽下端挡墙采用混凝土浇筑,埋入地下部分30cm,地上部分高40cm,在墙体前设置导流槽(两边高,中间低),将水流汇集于墙体中间的导流孔,根据以往最大降雨量在径流小区的底部设计径流采集池,径流池长×宽×高=2.0m×1.5m×1.0m,砖混结构,用防水胶抹面,将次降雨过程中携带的泥沙流全部收集入径流池。

2.测定内容与方法

(1)降雨过程观测。利用2台反斗式自记雨量筒记录逐次降雨的起始时间,每1min记录一次降雨量,降雨量精确至0.1mm,降雨强度单位mm/min。

(2)径流量观测。每次降雨停止后立即进行径流量观测。根据集流池内水位标尺读数,用校正后的率定水位—容积关系线推算出一次降雨的径流总量。在进行集水池水位观测时,如果集水槽内有淤滞泥沙,先将泥沙刮入池内,再进行水位读数观测。

(3)泥沙量观测。测定径流后,然后将池水充分搅浑,用铝盒取水样,每次取60m L左右,三次重复,现场测定浑水重量,记录浑水体积,静置3h,过滤掉清水,在105℃下烤箱内烘烤12h,测定铝盒加干土重量,算出干土重,再换算成整个径流场的冲刷量和径流量,取三次平均值。

(4)植被观测。每次降雨后对坡面上部、中部、下部的植被进行调查,采用小网格法调查植被的盖度,样方面积为1m×1m,对样方内的物种数、高度、盖度、生物量进行调查。

(5)土壤含水量测定。每次降雨后,在每个径流场的上部、中部、下部,用土钻分层次取土,层次为0～5cm、5～10cm、10～20cm、20～30cm、30～40cm,每层次重复三次,然后现场用电子秤测定湿土加盒重,带回实验室在105℃下烘烤12h,测定其土壤含水量。

(6)降雨入渗率。降雨入渗率f由土壤性质、降雨特性及植被截留量决定,根据水量平衡原理,降雨入渗率f的公式为

满开言等人在研究坡面植被对坡面径流和入渗影响试验中,系统地测定了干生物量和鲜生物量的截留水量,结果表明:单位面积的草重量D与截留水量S之间为线性关系,S =0.7D,该研究结果也被认可。因此,本书引用该结果,根据不同草地盖度的地上部分生物量计算植被的雨水截留量。

3.2.2　锡林河流域水蚀坡面研究

3.2.2.1　不同退化程度草地降雨模拟产沙量分析

降雨过程中,随着入渗速率的逐渐减小,坡面汇流,直至产生径流,径流的产生伴随着对地表土壤的剥离和冲刷,泥沙量逐渐增加。外加雨滴的击溅,破坏了土壤自身的性质,使其随着径流发生转移。本试验不考虑雨滴溅蚀的径流冲刷,没有雨滴溅蚀作用及薄层漫流冲刷搬运泥沙,试验小区径流流程固定,故径流输沙率与水流挟沙能力相关。不同下垫面随雨强、坡度产沙变化总体特征见表3-12。

由表3-12数据分析可见,在3种雨强、3种坡度条件下对照样地的土壤产沙量均为最小。5°坡时,随降雨强度的增加,不同退化程度下的产沙量变化明显增加,20mm/h雨强时重度退化的产沙量是对照的2.64倍,当雨强为60mm/h时重度退化的产沙量是对照的4.28倍,说明在坡度较小时,对照样地的相对保土能力随雨强的增加而明显增强。雨强相同时,随坡度的增加,降雨对于地表的冲刷越来越大,致使产沙量明显增多,且随着退化程度的加重,产沙量明显增加,如雨强为20mm/h雨强时,15°坡的重度退化、中度退化、轻度退化、对照样地的产沙量分别为5°坡的10.75倍、9.01倍、7.13倍和5.88倍。总体上,相同雨强和坡度条件下,下垫面的郁闭度越大及放牧践踏破坏越小,产沙量就越小。

3.2.2.2　不同退化程度草地原位监测产沙量分析

1.坡面产流过程中的次降雨变化

降雨强度大小、降雨历时长短是地表产流产沙的主导因素,根据全国气象防灾减灾标准化技术委员会编制的《降水量等级》(GB/T 28592—2012)国家标准规定:24h内的降雨量称之为日降雨量,凡是日雨量在10mm以下称为小雨,10.0～24.9mm为中雨,25.0～49.9mm为大雨,暴雨为50.0～99.9mm,大暴雨为100.0～250.0mm,超过250.0mm的称为特大暴雨。径流场产流过程次降雨统计表见表3-13。表3-13的统计结果表明,研究区产生径流的总降雨量为167.1mm,占全年总降雨量的62.2%。9次产流的降雨中,小雨4次,中雨2次,大雨3次,其中有6次降雨的最大60min的降雨量都为次降雨总量的62.0%以上,最高达97.58%,可见研究区的降雨以短历时高强度的降雨为主。此降雨特点与高涛等(2007)利用当地47年降雨资料统计研究的结果一致。

2.放牧草地年土壤侵蚀量变化

通过对2013年6—9月共9次降雨的统计,坡度为5°时,重度退化样地的年土壤侵蚀量最大,为41.54t/(km2·a),分别为对照样地、轻度退化、重度退化的2.97倍、1.78倍、1.55倍。坡度为10°时,同样重度退化样地的年土壤侵蚀量最大,为273.22 t/(km2·a),分别为对照样地、轻度退化、重度退化的3.85倍、2.62倍、2.05倍,说明随着坡度的增加,植被结构稳定且未受践踏样地的保土功能也随之增加。相同退化程度下,坡度由5°增加到10°时,土壤年侵蚀量增加3.89～5.71倍,其中重度退化样地的年侵蚀量增加最多为5.71倍,轻度退化的增加最少,为3.89倍,具体数据见表3-14。