前期含水量对北京山区土壤可蚀性K值的影响

1、前期含水量对北京山区土壤可蚀性K值的影响方岚符素华刘宝元(北京师范大学地理与遥感科学学院,环境演变与自然灾害教育部重点实验室,北京 100875 摘要:土壤前期含水量是影响土壤侵蚀过程的一个重要因素。对其研究有利于系统掌握土壤侵蚀规律。本研究采用人工模拟降雨试验的方法,研究我国北京山区的8亚类(三大土类土壤在干,湿两种状态下的土壤可蚀性K值,结果表明:不同土类土壤在干湿两种状态下的可蚀性K值存在明显差异,相同土类不同亚类的土壤在干湿状态下可蚀性K值变化趋势相同。关键词:土壤可蚀性;K值;人工模拟降雨;前期含水量中图分类号:S157 文献标识码:AA Study on the effect of

2、 antecedent soil moisture on erodibility factor k valuein Beijing mountainous areaFang lan, FU Su-hua, Liu baoyuan(School of Geography, Key Laboratory of Environmental Change and Natural Disaster of Ministry of Education,Beijing Normal University ,Beijing 100875Antecedent soil moisture is an importa

3、nt factor to effect soil erosion.It is propitious to comprehend soil loss by study it .Erodibility of eight representative subtype (three main types soils under dry and moisture conditions in Beijng mountain area was studied by means of therainfall simulator.The results showed that difference was ob

4、vious between erodibility of thedifferent soils under dry and moisture conditions,the trend of diversification of K between different subtype soils was same.Keywords:soil erodibility;K value ;rainfall simulating;antecedent soil moisture1 引言土壤可蚀性反映土壤在雨滴击溅,径流冲刷或者两者共同作用下,被分散搬运的难易程度1。其研究主要是用于评价土壤性质与土壤侵蚀

5、的关系2。上个世纪60年代Olson 和Wischmeier 3提出具有实用价值的土壤可蚀性评价指标,并计算出了20种土壤的可蚀性k值。土壤前期含水量与可蚀性关系密切。 Wischmeier 和Mannering4分析了55种土壤理化性质指标与K值的关系,得出了包括24个变量的方程其中第14个变量是土壤前期含水量。Barnett 和Roger(1966认为在预测土壤侵蚀时前期含水量是一个有用的因子。虽然含水量是个很重要的影响因素,但是USLE和WEPP中都没有将其考虑在内。国内关于前期含水量对土壤侵蚀的影响也较少,张玉龙5等在做辽宁坡耕地土壤侵蚀研究时将前期含水量作为一个重要因子考虑。但还没有

6、关于北京地区土壤前期含水量对可蚀性K值影响的研究。本研究可为北京地区的土壤侵蚀模型研究提供参考。2 试验设计资料与方法人工模拟降雨研究方法是研究可蚀性的重要方法之一。Duley D.Hbys (1932, Hendzinkgen(1934,Zingg6(1940都曾经用人工降雨法在微型小区上做过试验。Laflen7等(1991用人工降雨方法测定WEPP方程中的牧草地和耕地的K值(Ki ,Kr, Tc。陈明华8等,史学正8等用人工模拟降雨试验方法研究特定区域K值变化。本研究采用人工模拟降雨方法,采用美国进口人工降雨机,安装高度离地面2.4米,其雨滴降落的终点速度基本接近天然雨滴,试验开始前率定雨

7、强达到试验要求.试验土壤采自北京山区不同土壤的典型分布地(见表2,采集表层20厘米的土壤若干。同时测定采土地土壤容重并以此为标准控制试验土盘填土容重。从采回土壤中取出1kg风干,用于测定土壤理化性质。其余土壤使用加水法或晾晒法控制其含水量在11%左右。试验土盘的长基金项目:国家自然科学基金(40201031;国家重点基金(40235056作者简介:方岚,女,生于1979年,在读硕士。主要从事土壤侵蚀研究。Email:fanglanmailbox以防细颗粒土随水分下渗,最上部20厘米填充试验土壤。土盘坡度为15度 10,八种土壤的宽深分别为100cm50cm40cm,土盘底部打有小孔,最底部铺约

8、20厘米深的砾石,保证由土壤下渗的水分通过小孔渗出土盘而防止土盘底部出现不透水层,砾石上铺一层能透水的毛毯,基本情况见表1:表1:八个土壤试验样品的基本情况序号采土地点成土母质土类亚类基本情况1 怀柔汤河口黄土母质褐土普通褐土海拔500米以下,无枯枝落叶层及腐殖质层2 怀柔汤河口岩石风化物褐土淋溶褐土海拔700-800米以下300-500米以上的低山丘陵,腐殖质层较厚3 延庆孙庄黄土母质褐土碳酸盐褐土海拔多在600米以下,水土流失严重,粘化程度较弱4 密云石匣风化残坡积褐土粗骨褐土海拔400-600米以下的低山丘陵的陡坡山脊。侵蚀严重5 白草畔凝灰岩草甸土山地草甸海拔1900米以上的中山山地顶

9、部的平台缓坡,腐殖质层厚6 白草畔坡积物棕壤山地棕壤海拔700-800米中山坡地,土层较厚,植被茂密,森林集中7 白草畔凝灰岩棕壤粗骨棕壤海拔850米山地棕壤下部,土层较薄,砾石含量高无腐殖质层8 白草畔凝灰岩棕壤生草棕壤海拔1900米的百花山中坡,主要植被是华北落叶松天然降雨的雨强及土壤的前期含水量往往不同,我们认为可蚀性因子是在长时间段内,土壤及土壤剖面对降雨侵蚀力抗蚀程度的平均反映,本试验取大中小三种雨强,干湿两种运行状态以模拟天然降雨下的复杂状况。试验雨强时间降雨量如表2所示:干湿运行间隔5小时,按照USLE 第二版划分次降雨的方法,整个模拟降雨过程作为一次降雨。总雨强与北京地区多年平

10、均降雨侵蚀力1112 一致。降雨过程中测定项目包括:降雨开始结束时间;产断流时间;径流量;流速等。径流取样每5分钟一回。每组试验重复一次,以保证试验结果的稳定性。试验时间在秋季,月温度变化不大,蒸发微弱,降雨用水水温也保持在14.5摄氏度左右。估干运行时含水量为11%,湿运行是在土壤接近饱和含水量状态下测定侵蚀量。为了考察不同前期含水量对土壤可蚀性的影响,试验控制其它因子不变,使前期含水量成为影响土壤可蚀性的唯一变量。表2:雨强设计情况 目前,通用的几种求取土壤可蚀性因子K值的方法:一是利用天然小区上直接测定的降雨,侵蚀资料,用USLE来计算。这样计算结果比较准确,但是费时,费力。二是用人工模

11、拟降雨的降雨侵蚀资料,然后用USLE确定K值,历时短,精度相对较高,三是通过相关方程计算K值或者是诺谟图,这种方法精度最差。我们用第二种方法求取K值。采取国际单位制。A=RKLSCP (1A 是土壤流失量,单位是t/(ha.a. R是降雨侵蚀力单位是MJ.mm/(ha.h.a,.K是土壤可蚀性因子,单位是t.ha.h/(ha.MJ.mm.。L因子订正公式采用:L=(/22.13m, m=0.5,为投影坡长,本研究中L取0.21。S因子采用的陡坡公式S=21.96sin-0.9613,本研究S取4.72,C=1,P=1.3 结果与分析3.1人工模拟降雨条件下的径流量和产沙量由表3可知:同一亚类土

12、壤,干态土壤的产流时间较长,湿态土壤则较短,并且产流时间的长短与土壤有机质含量有着明显的正相关关系,即有机质含量越高产流所需时间越长。这是由于有机质含量多少直接影响土壤的渗透。对于前期含水量相同的森林土壤而言(草甸土和棕壤它们产流时间的长短和有机质含量有着极好的相关性,两种状态产流时间长短顺序均为:生草棕壤>山地草甸>山地棕壤>粗骨棕壤;对于干态褐土类土产流时间长短顺序关系为:粗骨褐土>淋溶褐土>普通褐土>碳酸盐褐土,湿态产流顺序是:淋溶褐土>普通褐土>碳酸盐褐土>粗骨褐土。不同亚类的土壤干湿状态下断流时间变化无明显规律。在干运行状态下褐土

13、类(1-4号土的产沙量大于草甸土和棕壤,而湿态条件下草甸土和棕壤的侵蚀量远大于褐土类,粗骨棕壤质地贫瘠,砾石含量高,透水性好而保水性差,易受侵蚀侵蚀到一定程度,砾石出露地表,保护土壤,故在湿运行状态下,其侵蚀量小于其他森林土壤。表3:人工模拟降雨的产沙量和径流量序号土壤名称容重(g/cm3有机质含量(g/kg前期含水量(%状态产流时间(min断流时间(min产沙量(t/ha1 普通褐土 1.05 7.69 11.88 干 4.58 0.59 8.73湿0.84 0.56 12.29 2 淋溶褐土 1.12 25.3 11.13 干 5.13 1.29 4.06湿 1.78 0.74 8.03

14、3 碳酸盐褐土 1.06 25.6 10.8 干 3.10 0.56 12.15湿0.35 0.67 17.26 4 粗骨褐土 1.22 19.3 10.8 干7.53 0.50 8.92湿0.00 0.66 13.07 5 山地草甸0.9 75.5 11.49 干10.91 0.50 6.09湿 1.43 0.58 22.35 6 山地棕壤0.88 42.9 11.38 干 5.91 0.69 8.41湿 1.05 0.46 21.12 7 粗骨棕壤34.1 11.40 干 5.50 0.88 5.32湿0.97 12.448 生草棕壤0.74 93.4 11.88 干21.46 0.54

15、1.93湿 3.26 0.70 46.69 3.2 不同含水量条件下的可蚀性值表4:不同含水量条件下的K值从表4可知:(1:同一亚类的土壤在干,湿两种条件下的土壤可蚀性k值不同。褐土类土壤(1-4号的K 值在湿态下小于干态下,而草甸土和棕壤(5-8号则相反。也就是说,对于相同类型的土壤,不同的前期含水量对其K值影响比较大。由于所有土壤的R,S,L都相同,只有A对K值的影响起主导作用,K值在干,湿两种状态下的变化规律与产沙量(A值基本相似。(2:不同亚类土壤在干态时的可蚀性K值由大到小的顺序是:碳酸盐褐土>粗骨褐土>普通褐土>山地棕壤>山地草甸>粗骨棕壤>淋溶

16、褐土>生草棕壤;湿态时的可蚀性K 值由大到小的顺序是:生草棕壤>山地草甸>山地棕壤>碳酸盐褐土>粗骨褐土>粗骨棕壤>普通褐土>淋溶褐土。4 结论4.1 不同前期土壤含水量对含沙量的影响不同的雨前含水量产生的径流和冲刷差别很大,相同类型的干态土壤在产流之前比湿态土壤要多一个湿润的过程,所以干态土壤的产流时间相对较长。Bresson(1992序号状态侵蚀量(t/haR(SI制K(SI制 1 干8.73 1268.93 0.033湿12.29 2262.83 0.026 2 干 4.06 1268.93 0.015湿8.03 2262.83 0.017

17、 3 干12.15 1268.93 0.046湿17.26 2262.83 0.037 4 干8.92 1268.93 0.034湿13.07 2262.83 0.028 5 干 6.09 1268.93 0.023湿22.35 2262.83 0.047 6 干8.41 1268.93 0.032湿21.12 2262.83 0.045 7 干 5.32 1268.93 0.02湿12.44 2262.83 0.026 8 干 1.93 1268.93 0.0073湿46.69 2262.83 0.099认为,相同类型土壤在湿态时的径流量较干态时大,且湿态土壤抵抗侵蚀的能力比干态土壤强。但是

18、本试验的研究结果表明,湿态土壤抵抗侵蚀的能力不一定比干态强,而是随着土壤类型而变化,对褐土类土干态下可蚀性值大于湿态,草甸土和棕壤则相反。参考文献:1 刘宝元,谢云,张科利.土壤侵蚀预报模型. 2001,北京:中国科学技术出版社.2唐克丽等.中国水土保持.2004,北京:科学出版社.3 Olson T C, Wischmeier W H. Soil-Erodibility Evaluations for Soils on the Runoff and Erosion Stations. SoilScoience Society of America Proceedings, 1963, 27(5:590-592.4 Wischmeier W H, Mannering J V. Soil and Water Management and ConservationRelation of Soil Properties to itsErodibility. Soil Science Society of American Proceedings, 1969, 33(1:131-137.5张玉龙,黄毅,曹忠杰,林素兰,贾天会.辽宁坡耕地土壤侵蚀的定量研究.水土保持学报.2002,16(1:13-23.6 陈文亮,王占礼.国内