三峡库区不同类型梯田对降雨产流特征和垂直水文连通性的影响

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梯田对于控制三峡库区水土流失和农业生产发展具有重要的意义,是库区粮食生产的安全保证,支撑了长江上游水土流失重点防治工程的可持续发展。研究梯田措施对降雨产流特征和垂直水文连通性的影响对库区坡面水文研究及水土流失防治具有重要意义。本研究以三峡库区不同田坎材料的梯田为研究对象,对6种梯田措施(农作小区:石坎梯田、植物篱土坎梯田、坡地;柑橘小区:土坎梯田、植物篱土坎梯田、坡地)进行历史资料分析,选取3种农作梯田进行自然降雨和土壤水分监测,并开展连续两阶梯田的原位入渗试验。通过分析不同降雨下梯田减流减沙效益,研究产流产沙对降雨因子与土壤水分的响应,探究连续两阶梯田土壤水分运移路径,以揭示三峡库区不同梯田对降雨产流特征和垂直水文连通性的影响。主要研究结果如下:(1)通过长期观测资料分析,研究区侵蚀性降雨可分为4类,R1型降雨历时(T)较长、降雨量(P)较大、最大30分钟雨量(I30)中等;R2型T最长,P最大,I30中等;R3型T最短、P较小、I30最高;R4型T中等、P中等、I30较小。结果表明,不同类型梯田减流减沙效益整体较好,平均减流效益表现为植物篱土坎柑橘>植物篱土坎农作>石坎梯田>坡地柑橘>土坎柑橘,减沙效益表现为植物篱土坎柑橘>石坎梯田>坡地柑橘>植物篱土坎农作>土坎柑橘。不同降雨类型下的径流系数和土壤侵蚀量差异显著(p>0.05),梯田普遍在R3和R4型降雨下更容易产生径流泥沙,而R1和R2降雨下径流系数和土壤侵蚀量普遍较小。其中,R2雨型下的石坎梯田及R1、R3、R4下的土坎梯田并不能起到减少土壤侵蚀的作用。(2)土壤水分动态变化一般表现为响应时间随着降雨量增大而提前,随着土层加深而滞后甚至无响应;梯田对土壤含水量的影响在大到暴雨条件表现更加明显,下坡土壤水分增幅及增量均高于上坡,石坎梯田土壤含水量增量略高于植物篱土坎梯田和坡地。石坎梯田P、I30、P+SWC(降雨量+土壤前期含水量)产流阈值分别为42.40mm、30.80mm/h、56.77mm;植物篱土坎梯田P、I30、P+SWC产流阈值分别为42.40mm、13.70 mm/h、58.00mm;坡地P、I30、P+SWC产流阈值分别为40.20mm、2.40mm/h、51.51mm,表明梯田的修筑提高了产流阈值。多元回归分析表明梯田产流受E、I30、EI30等降雨因子和SWC共同影响,但降雨因子对径流系数方程的贡献率较大。对次降雨过程分析表明,低强度降雨下的水分以入渗为主,均无产流产沙;中等强度降雨下梯田水分以入渗为主,坡地径流系数较大;高强度降雨下径流系数表现为石坎梯田>坡地>植物篱土坎梯田,但径流含沙量表现为植物篱土坎梯田>石坎梯田>坡地,高强度降雨下石坎梯田出现壤中流,地表以及梯壁后土壤被侵蚀,植物篱土坎梯田田坎被破坏,产生比坡地更多的泥沙。(3)对梯田田面和梯壁(篱坎)后的土壤物理性质研究发现,梯田的修筑会导致梯田田块内部不同空间位置土壤物理性质更加不均一,田面中央的土壤持水性更好,石坎梯壁后侧土壤持水性最差。原位试验表明,供水量较小的情况下,所有田块均以垂直入渗为主,上下阶梯田或上下坡位间没有水分连通现象。供水量较高的情况下,石坎梯田通过梯壁后侧松散的土壤以及大孔隙和管道系统形成优先流引起下一阶梯田表面土壤水分增加,并通过土石界面壤中流引起下一阶梯田深层土壤水分增加,使上下两阶梯田土壤水分连通;连续两阶植物篱土坎梯田土壤水分主要通过地表径流产生后进行连通,梯田内部没有土壤水分连通现象;坡地主要以深层沿坡向的壤中流以及地表径流对下坡土壤水分产生影响,与梯田组差别较大。
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