关键词:
水土保持
水力侵蚀
径流泥沙
养分流失
坡耕地
摘要:
植物篱作为一种常见的水土保持措施,可以有效拦截坡面径流泥沙,改善土壤理化性质,显著减少土壤养分流失。此外,生态草沟作为另一种有效保持水土、治理污染的植被措施,可有效削弱雨滴溅蚀,减缓径流流速,控制沟道中的养分流失。紫色土坡耕地是三峡库区重要的农业用地,具有结构松散、养分含量高且易流失的特点。在农业活动与极端降雨共同作用下,三峡库区水土流失剧烈,农业面源污染风险较大。目前植物篱和草沟均作为独立的水土保持措施在三峡库区受到关注,但对二者结合形成的植物篱-草沟系统在调节坡面产流产沙和侵蚀泥沙养分方面的研究还未有报道。此外,植物茎秆直径不仅是植物在生长发育过程中的重要性状指标,也是评价植物措施拦截径流泥沙和养分能力的重要指标。因此,为探究植物篱-草沟系统不同茎秆直径对坡面径流泥沙及养分迁移的影响,本文以典型紫色土坡耕地为研究对象,利用自制变坡钢槽在室内构建植物篱-草沟系统并进行人工模拟降雨试验。采用长4.8 m、宽0.5 m、高0.4 m的钢槽用于模拟植物篱坡面,长2m、宽0.5 m、高0.4 m的钢槽用于模拟草沟,并将二者组合形成植物篱-草沟系统。同时,在一个组合坡度(植物篱坡面15°,草沟16°)和一个降雨强度(90mm·h-1)下进行人工模拟降雨试验。试验共设计5种植物篱茎秆直径,分别为0 mm(对照)、1 mm、2 mm、4 mm和8 mm,草沟共设计0 mm和5 mm两种茎秆直径,各处理重复2次,总共进行20场模拟降雨试验。试验测定分析产流率、泥沙浓度、产沙率和侵蚀泥沙中的氮(N)和磷(P)含量等指标,以探究茎秆直径变化下植物篱-草沟系统中产流产沙过程变化及泥沙氮磷迁移特征,分析不同植物茎秆直径对植物篱-草沟系统坡面产流产沙及氮磷流失的影响,揭示植物篱-草沟系统中茎秆直径与坡面产流产沙及氮磷流失之间的关系,为三峡库区坡沟水土流失治理及面源污染防控提供理论基础。主要结果如下:
(1)植物篱-草沟系统具有明显减流效果。随植物篱茎秆直径的增加,坡面产流时间明显延长,产流率随降雨历时呈现先增加后趋于稳定的变化趋势。草沟茎秆直径为5 mm的产流率和累计产流量整体低于草沟茎秆直径为0 mm的产流率和累计产流量,且植物篱茎秆直径为0 mm和1 mm的累计产流量变化趋势均整体高于植物篱茎秆直径为2 mm和8 mm的累计产流量。在草沟茎秆直径为0 mm的植物篱-草沟系统中,植物篱茎秆直径为0 mm下的产流率和累计产流量显著大于植物篱茎秆直径为4 mm和8 mm下的产流率和累计产流量。在草沟茎秆直径为5 mm的植物篱-草沟系统中,各植物篱茎秆直径下的产流率和累计产流量无显著差异。植物篱茎秆直径和产流率、累计产流量无显著相关关系(p>0.05)。此外,植物篱-草沟系统的产流削减率范围为1.95-44.51%,累计产流量削减率范围为2.27-43.45%。
(2)植物篱-草沟系统具有明显减沙效果。植物篱茎秆直径为4 mm和8 mm处理下的泥沙浓度随降雨历时呈先下降后稳定的变化趋势,其余处理下的产沙率和泥沙浓度均随降雨历时呈先增加后下降再趋于稳定的变化趋势。植物篱茎秆直径为0 mm下的泥沙浓度、产沙率和累计产沙量显著大于植物篱茎秆直径为2 mm、4 mm和8 mm下的泥沙浓度、产沙率和累计产沙量。在草沟茎秆直径为0 mm的植物篱-草沟系统中,植物篱茎秆直径为0 mm和1 mm下的泥沙浓度显著大于植物篱茎秆直径为8 mm下的泥沙浓度。此外,在草沟茎秆直径为5 mm的植物篱-草沟系统中,植物篱茎秆直径为1 mm下的泥沙浓度、产沙率和累计产沙量显著大于植物篱茎秆直径为4 mm和8 mm下的泥沙浓度、产沙率和累计产沙量,且茎秆直径与泥沙浓度呈指数函数负相关关系(p<0.05)。此外,植物篱-草沟系统的泥沙浓度削减率范围为24.46-97.77%,产沙率削减范围为34.72-98.91%,累计产沙量削减率范围为35.16-98.86%,并且随植物篱茎秆直径增大,植物篱-草沟系统对产沙的削减率也会增加。
(3)植物篱-草沟系统可显著减少侵蚀泥沙中氮(N)、磷(P)流失量,但同时增加侵蚀泥沙N浓度及N:P。在草沟茎秆直径为0 mm的植物篱-草沟系统中,植物篱茎秆直径为0 mm下的泥沙P流失量显著大于植物篱茎秆直径为2 mm、4mm和8 mm下的泥沙P流失量,植物篱茎秆直径为1 mm下的泥沙P浓度显著大于植物篱茎秆直径为8 mm下的泥沙P浓度。在草沟茎秆直径为5 mm的植物篱-草沟系统中,植物篱茎秆直径为0 mm下的泥沙N、P流失量显著大于植物篱茎秆直径为2 mm、4 mm和8 mm的泥沙N、P流失量,植物篱茎秆直径为8 mm下的泥沙N浓度显著大于植物篱茎秆直径为1 mm的泥沙N浓度,植物篱茎秆直径为0 mm、2 mm和4 mm的泥沙P浓度显著大于植物篱茎秆直