香根草植物篱对三峡库区坡耕地侵蚀分布的影响.pdf
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1、第3 7卷第4期2 0 2 3年8月水土保持学报J o u r n a l o fS o i l a n dW a t e rC o n s e r v a t i o nV o l.3 7N o.4A u g.,2 0 2 3 收稿日期:2 0 2 2-1 1-2 8 资助项目:国家自然科学基金项目(4 1 8 0 7 0 6 8,4 2 2 7 7 3 2 3,U 2 0 4 0 2 0 7);土木工程防灾减灾湖北省引智创新示范基地项目(2 0 2 1 E J D 0 2 6)第一作者:肖海(1 9 8 8-),男,博士,副教授,博导,主要从事土壤侵蚀与生态防护研究。E-m a i l:o
2、 c e a n s h a w c t g u1 6 3.c o m 通信作者:夏振尧(1 9 8 1-),男,博士,教授,博导,主要从事边坡生态防护研究。E-m a i l:x z y_y c 1 2 6.c o m香根草植物篱对三峡库区坡耕地侵蚀分布的影响肖 海1,2,3,叶朝欢1,张 伦1,2,郭 萍1,4,向 瑞1,刘子睿1,王光辉1,夏振尧1,2,3(1.三峡库区地质灾害教育部重点实验室,湖北 宜昌4 4 3 0 0 2;2.三峡大学土木与建筑学院,湖北 宜昌4 4 3 0 0 2;3.三峡库区生态环境教育部工程研究中心,湖北 宜昌4 4 3 0 0 2;4.惠州学院建筑与土木工程
3、学院,广东 惠州5 1 6 0 0 7)摘要:为探究植物篱对坡耕地侵蚀分布的影响,设置1个坡度(1 5)、3个降雨强度(6 0,9 0,1 2 0mm/h)和3种坡面条件(裸坡对照C K、植物篱P和仅有植物篱根系R),采用稀土元素氧化物将坡面分成5段(自上而下),开展室内人工模拟降雨试验。结果表明:随着降雨强度的增加,各坡面条件示踪坡段的侵蚀速率和侵蚀量均有所增加,整体上均表现为C KRP的趋势,植物篱可以显著降低坡面各部位的侵蚀速率及其侵蚀量,且使得侵蚀产沙主要集中在坡中部的C e、L a和Y b3个示踪区。与C K坡面条件相比,R与P坡面条件下S m和C e示踪坡段对总侵蚀量的平均贡献率分
4、别减少7 7.1 5%,9 0.3 8%和3 0.0 1%,2 8.3 5%,而Y b、L a和E u示踪坡段对总侵蚀量的平均贡献率分别增加5 4.3 4%,3 5.3 9%和1 2.3 9%,4 0.5 8%以及1 0 1.4 5%,9 1.3 1%。研究结果表明,植物篱造成坡面下部侵蚀贡献减小而中上部侵蚀贡献增加,坡面侵蚀部位整体上移,对坡地侵蚀的空间分布有显著影响。关键词:植物篱;三峡库区;紫色土;坡耕地;侵蚀分布中图分类号:S 1 5 7.1 文献标识码:A 文章编号:1 0 0 9-2 2 4 2(2 0 2 3)0 4-0 1 1 0-0 8D O I:1 0.1 3 8 7 0/
5、j.c n k i.s t b c x b.2 0 2 3.0 4.0 1 5E f f e c t so fV e t i v e r i aZ i z a n i o i d e sH e d g e r o wo nt h eE r o s i o nD i s t r i b u t i o no fS l o p eL a n d i nt h eT h r e eG o r g e sR e s e r v o i rA r e aX I AO H a i1,2,3,Y EC h a o h u a n1,Z HANGL u n1,2,GUOP i n g1,4,X I ANGR
6、u i1,L I UZ i r u i1,WANGG u a n g h u i1,X I AZ h e n y a o1,2,3(1.K e yL a b o r a t o r yo fG e o l o g i c a lH a z a r d s o nT h r e eG o r g e sR e s e r v o i rA r e a,M i n i s t r yo fE d u c a t i o n,Y i c h a n g,H u b e i4 4 3 0 0 2;2.C o l l e g eo fC i v i lE n g i n e e r i n g&A r
7、c h i t e c t u r e,C h i n aT h r e eG o r g e sU n i v e r s i t y,Y i c h a n g,H u b e i4 4 3 0 0 2;3.E n g i n e e r i n gR e s e a r c hC e n t e ro fE c o-e n v i r o n m e n t i nT h r e eG o r g e sR e s e r v o i rR e g i o n,M i n i s t r yo fE d u c a t i o n,C h i n aT h r e eG o r g e
8、sU n i v e r s i t y,Y i c h a n g,H u b e i4 4 3 0 0 2;4.S c h o o l o fA r c h i t e c t u r ea n dC i v i lE n g i n e e r i n g,H u i z h o uU n i v e r s i t y,H u i z h o u,G u a n g d o n g5 1 6 0 0 7)A b s t r a c t:I no r d e r t or e v e a l t h e i n f l u e n c eo fh e d g e r o wo nt h
9、ee r o s i o nd i s t r i b u t i o no fs l o p i n gl a n d,t h es l o p ew a sd i v i d e d i n t of i v es e c t i o n s(f r o mt o pt ob o t t o m)b yu s i n gr a r ee a r t he l e m e n to x i d e s,a n dt h es i m u l a t e dr a i n f a l l e x p e r i m e n t sw e r ec o n d u c t e da to n e
10、s l o p eg r a d i e n t(1 5),t h r e er a i n f a l l i n t e n s i t i e s(6 0,9 0a n d1 2 0mm/h)a n dt h r e es l o p ec o n d i t i o n s(C K-c o n t r o l s l o p e,P-h e d g e r o wa n dR-o n l yh e d g e r o wr o o t).T h er e s u l t ss h o w e dt h a tw i t ht h e i n c r e a s eo fr a i n
11、f a l l i n t e n s i t y,t h ee r o s i o nr a t ea n de r o s i o na m o u n to ft h et r a c e rs l o p es e c t i o n s i ne a c hs l o p ec o n d i t i o ni n c r e a s e d,a n dt h eo v e r a l lt r e n d w a sC KRP.T h eh e d g e r o wc o u l ds i g n i f i c a n t l yr e d u c e t h ee r o s
12、 i o nr a t ea n di t se r o s i o na m o u n t i na l lp a r t so ft h es l o p e,a n dt h ee r o s i o ns a n dp r o d u c t i o nw a sm a i n l yc o n c e n t r a t e di nt h et h r e et r a c e ra r e a so fC e,L aa n dY bi nt h em i d d l eo ft h es l o p e.C o m p a r e dw i t hC Ks l o p ec o
13、 n d i t i o n,t h ea v e r a g ec o n t r i b u t i o nr a t eo fS ma n dC e t r a c e r s l o p es e c t i o n s t ot o t a le r o s i o nd e c r e a s e db y7 7.1 5%,9 0.3 8%a n d3 0.0 1%,2 8.3 5%u n d e rRa n dPs l o p ec o n d i t i o n s,r e s p e c t i v e l y,w h i l et h ea v e r a g ec o n
14、 t r i b u t i o nr a t eo fY b,L aa n dE ut r a c e rs l o p es e c t i o n st ot o t a le r o s i o ni n c r e a s e db y5 4.3 4%,3 5.3 9%a n d1 2.3 9%,4 0.5 8%a n d1 0 1.4 5%,9 1.3 1%,r e s p e c t i v e l y.T h er e s u l t si n d i c a t e dt h a th e d g e r o wc a u s e dad e c r e a s e i ne
15、 r o s i o nc o n t r i b u t i o n f r o mt h e l o w e rp a r t o f t h e s l o p e a n da n i n c r e a s e i ne r o s i o nc o n t r i b u t i o nf r o mt h e m i d d l ea n du p p e rp a r t so ft h es l o p e,w h i c hh a das i g n i f i c a n te f f e c to nt h es p a t i a ld i s t r i b u t
16、 i o no f s l o p ee r o s i o nb ys h i f t i n gt h eo v e r a l l e r o s i o ns i t eu p w a r d.K e y w o r d s:h e d g e r o w;t h eT h r e eG o r g e sR e s e r v o i rA r e a;p u r p l es o i l;s l o p i n g l a n d;e r o s i o nd i s t r i b u t i o n 三峡库区由于其特殊的地理位置以及复杂的气候特征,水土流失严重1,其中7 0.6
17、 0%的水土流失发生在人为活动强烈的坡耕地和低盖度的旱坡园地上。水土流失携带大量泥沙以及污染物进入水体,造成严重的泥沙淤积现象并影响库区水质,严重威胁三峡工程使用寿命以及灌溉、防洪和发电效益2。植物篱是库区常用的水土保持措施之一,可以有效控制水土流失,改善土壤理化性质3,是坡耕地土壤资源保护性利用的重要手段,对库区紫色土坡耕地水土保持具有重要意义。研究坡面侵蚀的分布规律是确定侵蚀泥沙来源、理解土壤侵蚀机制和合理布设水土保持措施的关键4。目前国内外常用的土壤侵蚀分布测定方法主要包括天然放射性核素示踪法5、磁性示踪法6以及稀土元素示踪法7等。其中,稀土元素具有难溶于水、不易淋溶、与土壤吸附性强并对
18、土壤理化性质影响较小等优势,被认为是理想的示踪剂。因此稀土元素示踪技术在研究侵蚀方式演变、泥沙来源和泥沙沉积等方面应用广泛4。近年来,稀土元素示踪技术被成功应用于研究坡面、坡沟系统和小流域中侵蚀泥沙来源与动态变化过程以及上述尺度下的侵蚀分布规律8。目前关于植物篱的研究主要集中在产流产沙过程、减流减沙效益与原因上。植物篱可以减少3 5%6 6%的径流量和3 2%8 7%的侵蚀泥沙量9。植物篱主要通过地上茎秆的机械阻挡与拦蓄径流作用以及地下根系的改良土壤理化性质和固持土壤作用,从而达到减流减沙的效果1 0。郭萍等1 1定量分析了植物篱地上部分和地下部分的减流减沙效益,认为地上部分对产流产沙的影响大
19、于其地下部分。部分学者1 2成功将稀土元素示踪技术应用于植物篱坡地侵蚀空间分布的研究上,采用条带法在坡面上、中、下3道植物篱带的下方部位布设不同稀土元素,认为植物篱可通过拦截阻挡侵蚀泥沙使其沉积在篱前1 3,从而影响坡面侵蚀分布。然而,目前关于植物篱对坡面侵蚀分布的研究仍不够系统。因此,为明确植物篱对坡耕地侵蚀分布的影响,本研究采用人工模拟降雨方法结合稀土元素示踪技术,以三峡库区紫色土坡耕地为研究对象,研究不同降雨强度(6 0,9 0,1 2 0mm/h)和不同坡面条件(裸坡对照C K、植物篱P和仅有植物篱根系R)下坡面侵蚀分布情况,弄清不同示踪坡段侵蚀速率及贡献率的动态变化过程,并对比分析不
20、同坡面条件下坡耕地侵蚀分布情况,为坡耕地植物篱优化设计及库区水土资源可持续高效利用提供科学依据。1 材料与方法1.1 供试材料供试土壤为紫色土,采自湖北省秭归县水田坝乡(3 1 0 3 3 2 N,1 1 0 4 0 3 2 E),土样经风干后过5mm筛网,人工剔除土壤中石头根系等杂物备用。经测定,野外土壤容重为1.3 0g/c m3,p H为6.8 7,黏粒(8 0%1 7。为减少植物篱植物生长时间的影响,利用植物篱生长槽养护形成植物篱带。植物篱生长槽尺寸为1.0 0m长,0.4 0m宽和0.5 0m高(图1 b),每侧采用可拆卸的挡板,安装时形成1 5 坡以便后续吊装至实体模型与坡面坡度一
21、致。植物选用三峡库区常用植物篱物种香根草,于2 0 1 8年4月将香根草按照行间距为2 0c m株间距为1 0c m种植于槽内并开始养护。1.3 稀土元素布设与试验过程稀土元素布设的原则是所施放的稀土元素浓度显著大于相应土壤背景值浓度1 8。经测,本研究所用紫色土中S m、C e、L a、Y b和E u5种稀土元素背景值为5.7 9,3 9.8 0,3 0.5 4,3.3 7,1.8 9m g/k g,因此,本研究将相应土稀土元素的施放浓度值分别设定为1 6 9.2 0,8 2 4.6 0,7 2 3.6 0,9 3.5 0,4 5.6 0m g/k g,施放稀土元素浓度为相应土壤背景值浓度2
22、 0倍以上。使用E u、Y b、L a、C e和S m5111第4期 肖海等:香根草植物篱对三峡库区坡耕地侵蚀分布的影响种稀土元素氧化物自上而下将坡面分成5段进行全断面标记(图1 a),以区分坡面不同部位侵蚀情况。对于植物篱坡面条件,E u、Y b、L a和C e示踪区(1.0 0m每段)为裸露区域,S m示踪段为植物篱区域(0.4 0m长),裸坡对照坡面条件下稀土元素布设情况与植物篱坡面一致,以利于试验结果对比。图1 试验装置示意 对于植物篱生长槽,为确保植物篱在生长过程中能够自由排水,先在底部装填1 0c m厚粗砂,然后按设计容重1.3 0g/c m3从下而上分层装填含有S m2O3的紫色
23、土壤于生长槽中;再将香根草按照设计要求种植于生长槽中,养护1年以上,形成密闭的植物篱。正式试验前,将S m示踪区的植物篱生长槽整体吊装至坡地实体模型对应位置固定后拆卸前后挡板。随后在坡面其他区域也装填1 0c m厚粗砂,再分段分层装填其他示踪区的土壤,具体装填过程中为避免含不同元素标记的土壤相互污染,使用铝片将相邻示踪区分开,铝片在铺设过程中随着装土的升高而逐渐上升,形成植物篱坡面条件(P)。对于R坡面条件,布设过程与P相同,并需要在装填完成后沿地表将植物篱地上部分全部剪掉。对于C K坡面条件,直接按设计容重分层分段装填含对应稀土元素的紫色土壤从而形成整个坡面。坡面形成后,使用降雨强度约为3
24、0mm/h的雾化状雨对坡面进行湿润至即将产流,以保证试验下垫面地表状况均一性和促进稀土元素与土壤进一步吸附。降雨前先用塑料膜覆盖坡面,随后将降雨强度率定至设计降雨强度,待降雨稳定后开始正式降雨,坡面开始连续产流6 0m i n时结束降雨。降雨过程中使用塑料桶收集全部径流泥沙样,每3m i n作为1个径流泥沙过程样,并在收集各过程样期间用一次性杯子接2/3杯径流泥沙样用于测定侵蚀泥沙粒径分布。降雨结束后,称取每个过程样并充分搅拌径流泥沙样,随后用烧杯分别在泥沙上、中、下3个部位取样,形成混合样用于测定泥沙含量和后续泥沙中稀土元素含量。将混合试样称重后静置2 4h后倒掉上清液,采用烘干法得到泥沙含
25、量以确定各过程样中的径流量和侵蚀泥沙量。同时,将烘干法得到的泥沙样品消解处理后使用电感耦合等离子体质谱仪I C P-M S(XS e r i e s,美国赛默飞世乐科技公司)测定其中稀土元素的含量以分析坡面泥沙侵蚀来源。1.4 数据分析由于稀土氧化物优先吸附于土壤细颗粒的特性和侵蚀过程中存在泥沙分选的现象,造成稀土元素示踪紫 色 土 侵 蚀 具 有 较 大 误 差,因 此,本 研 究 采 用Z h a n g修正模型公式(1)进行计算1 9。此修正模型利用富集率修正泥沙分选作用,可以提高计算精度。各示踪区对总侵蚀的贡献按公式(2)计算,各示踪区侵蚀速率按公式(3)计算。Ei=(Ri-Bi)EC
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