南方红壤区香根草植物篱的减流减沙贡献,农业工程论文.docx
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1、南方红壤区香根草植物篱的减流减沙贡献,农业工程论文我们国家坡耕地面积占总耕地面积的 20%,南方红壤区坡耕地面积占旱地面积的 70% 以上。全国坡耕地面积占水土流失总面积的 6. 7%,产生的土壤流失量却占到全国的 28. 3%。坡耕地严重的水土流失,成为发展 高产优质高效 农业的瓶颈,制约了当地 强农惠农富农 目的的实现; 因而,探寻求索、研究和施行有效的控制坡耕地水土流失技术,对实现我们国家资源、环境和人口的协调发展意义重大。等高植物篱是在坡耕地沿等高线每隔一定距离,布设密植生长速度快、萌生力强的灌木或灌化乔木以及灌草结合的植物篱带,带间布置农作物和经济作物。植物篱作为坡耕地一种有效的水土
2、保持生物措施,在水土保持领域备受关注。近年来,国内外学者在植物篱品种选择、水土保持效果、生态功能评价等方面进行了研究,揭示了植物篱在控制水土流失、改善土壤理化性质、减小坡度、缩短坡长等生态效益以及经济效益提高等多方面的综合效应。学者们通过不同试验证明了植物篱的水土保持作用,并发现不同植物篱对坡面产流和产沙经过影响不同。许峰等通过模拟降雨试验,得出香根草( Vetiveria zizanioides L ) 植物篱能减少相当于对照坡耕地的 82. 2% 的侵蚀量,并可进一步控制土壤养分流失; 蔡强国等通过小区天然降雨观测和人工模拟降雨试验,分析了植物篱控制水土流失的机制,以为其主要通过根部阻挡水
3、流速度,降低水流挟沙能力,减少细沟构成,进而减少土壤侵蚀; R C Rosecrance 等也有类似结果,并发如今种植植物篱 4 年后,土壤持水量得到了改善。香根草已在热带和亚热带地区被广泛用来防治水土流失,夏汉平研究表示清楚,在坡度为 15 42 的坡耕地上,种植香根草篱后可减少土壤侵蚀 90%。 以上研究增加了人们对坡耕地植物篱水土保持效益的认识,但对植物篱条件下的水土流失机制研究仍不充分。传统研究主要依靠小区监测和试验,得到的结果是植物篱增渗减流、减弱雨滴打击、拦截径流等多种水土保持机制的综合效应,很难单独模拟某一个经过并量化其经过关键参数,对于植物篱地上秆茎和地下根系在减流减沙方面的相
4、对重要性认识不够,例如,植物篱怎样分别影响坡面产流经过和产沙经过,植物篱不同部位在这一经过中的作用和奉献大小怎样等。解决这些问题对于坡耕地植物篱的优化配置非常重要,而现有的研究结果尚不能知足要求,都是在整个坡面径流小区上进行的植物篱拦截作用的研究。基于此,笔者以南方红壤区香根草植物篱为研究对象,通过开展人工模拟降雨微区试验,研究模拟降雨条件下植物篱的产流产沙经过以及植物篱不同部位的减流减沙奉献率。 1 试验区大概情况 野外人工模拟降雨试验研究区位于江西省余江县刘垦三分场( E 116 53 ,N 28 14 ) ,属亚热带季风气候,年平均气温 17. 8 ,年均降雨量约 1 795mm,50%
5、 左右的年降雨分布在 4 6 月。研究区为低丘缓坡地形,坡度在 3 15 之间,海拔为 35 60m。成土母质为红砂岩,土壤类型为红壤,富含铁氧化物,黏土矿物以高岭石为主。土壤中的有机质、有效磷和钾的质量分数都较低,尤其以有效磷的缺乏最为严重,因而,土地生产力低,人类高强度的开发和干扰导致该研究区的土壤侵蚀较为严重。 香根草是一种多年生草本植物,须根系统纵深发达,可深达2 3 m,能较牢固地固持土壤,没有匍匐茎或根状茎,不会成为农田杂草; 地上部分簇生成丛,在短时间内就能构成致密的绿篱带。研究区香根草植物篱已种植2 年,平均高 1. 2 m,篱带宽 0. 5 m。篱带沿等高线方向布设,所在坡面
6、坡度约5 。 2 试验设计与经过 2. 1 试验设计 人工模拟降雨试验于 2020 年 8 月进行,选择同一坡度的香根草、普通草地和裸地 3 种土地利用类型。普通草地为休闲地,即各条带植物篱之间的农地,进行试验时,农地花生已收获,已闲置一段时间,其上长有杂草,主要代表性杂草为狗牙根( Cynodondactylon ( Linn ) Pers) ,其茎匍匐生长,节间着地即可生根。尽量选择裸露的地块,如有少量杂草,用剪刀小心地剪去地上部分,不造成土壤扰动。 为恢复地力,研究区大部分农地收获花生后到来年春天一直被闲置,由于缺乏管理,其上长有杂草,降雨时易造成一定的水土流失,即本研究所选取的普通草地
7、所在区,代表当地收获花生后到来年春季坡耕地的普遍状况。选择普通草地和裸地进行研究,可代表当地的实际耕作情况。裸地作为对照类型,另外 2 种类型每类选择 3 块盖度不同的地( 表 1) 。【表1】 为了进一步探究香根草不同部位对产流产沙的影响,在香根草小区降雨试验结束后,割去地上部分,得到香根草-割类型,再进行降雨试验。顺坡向设置 1 m 1 m 的微区,0. 5 m 宽的草篱位于微区正中。微区边界由 3 块 25 cm 宽的镀锌铁皮和集沙槽围起,铁皮有 10 cm 宽,插入土中防止侧渗,构成的边界高 15 cm,集沙槽高15 cm、宽1 m、长50 cm。在出口处挖取样池,直径 30 cm,为
8、了防止排水不畅,在出口处下方挖引流沟以便排水( 图 1) 。 试验使用的便携式人工模拟降雨机根据 ACovert 等提供的方案设计,主要包括汽油发电机、水泵、水管、压力表、喷头等,由 4 根 6 m 长的可松卸的钢管支撑起来,压力表和喷头被固定在由 4根 50 cm 长的钢管连接成的正方形框架上,降雨机中间挂一铅垂,以便调节喷头高度到 3 m,详细构造参数见图 1。采用美国 Spraying system 公司 的Fulljet 系列实心锥形喷头,不同的喷头可模拟不同强度的降雨。率定结果表示清楚,当喷头高度到达 3 m、水压力为 40 kPa 时,该型喷头产生的雨滴降落速度和动能大小与自然降雨
9、接近,在喷头正下方 1 m2范围内,降雨均匀系数大于 80%。整个装置为组合式构造,方便安装、拆卸和运输。2. 2 试验经过张黎明等对鹰潭地区 1999 2003 年 5 年的降雨强度研究结果表示清楚,该地平均月累计 30 min 降雨强度( I30) 为20 127. 4 mm/h。根据这一范围,试验选择 2 种不同型号的喷头,实际每场降雨计算得到的降雨强度范围为49. 79 90. 11 mm/h,2 种型号喷头各自的平均降雨强度为 60. 10 和 82. 44 mm/h,对应的喷头型号分别为 Fulljet 1/2HH-30WSQ 和Fulljet 1 /2HH-50WSQ。每种降雨强
10、度试验重复 2次,进行平均,共进行 40 场降雨。试验开场前,在小区外侧附近取土样,测定土壤密度、机械组成和有机质质量分数等指标,同时观测植被覆盖度。为保证每场试验的一致性,同一地类的 2 种降雨强度降雨试验不换样地。为消除土壤前期含水率差异不同较大对侵蚀的影响,在前一场试验结束后,样地搁置,让水分充分下渗,在自然状态下风干或晒干,再在该样地上进行下一场试验。为使试验更具比照性,香根草-割类型是在香根草小区上人工降雨试验做完后割去秆茎而产生的。 试验微区布设好以后,将降雨机架在微区正中间,调节脚架到设定高度。每场降雨之前需进行降雨强度校订,先用一块防水布将实验微区盖住,调节阀门直到压力表示出到
11、 40 kPa,这时迅速撤掉防水布,开场试验并计时。试验开场后,记录产流时间,每隔1 min 取径流泥沙样,直到 500 mL 取样瓶取满为止,并记下取样的起止时间,降雨经过持续 30 min。试验结束后用烘干法测定泥沙量并计算侵蚀量。 试验经过中,在小区 4 个角各放一个雨量筒,统计每场降雨的实际降雨强度,将同一喷头的 20 场降雨的降雨强度进行平均,得到设定的大、小喷头的实际降雨强度分别为 82. 44 和 60. 10 mm/h。 3 结果与分析 3. 1 侵蚀特征量与降雨强度的关系 3. 1. 1 初始产流时间 不同降雨强度下各地类的初始产流时间见表 2。对于香根草植物篱,由于地上部分
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