隋毓儉
(山西澤城西安水電有限公司,山西 太原 030002)
降雨不僅是造成水土流失的驅(qū)動(dòng)力,也是造成坡面土壤養(yǎng)分流失的主要因素。降雨條件下,土壤養(yǎng)分的運(yùn)移包含兩個(gè)過程:土壤內(nèi)部的可溶性物質(zhì)隨入滲的水分沿垂直方向遷移和土壤入滲養(yǎng)分隨地表徑流遷移。土壤表層養(yǎng)分隨徑流遷移的過程十分復(fù)雜,其影響因素很多,主要有降雨強(qiáng)、降雨歷時(shí)、地面坡度、土壤特性、地表植被等。
降雨條件下土壤養(yǎng)分的流失過程可分為以下階段:一是降雨初始,表層土壤含水率較低,在雨滴打擊下使干燥土粒濺起;二是隨著土壤顆粒漸漸被水分飽和,土壤中養(yǎng)分被水溶解;三是在擊濺進(jìn)行的同時(shí),土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)被粉碎和分散;四是隨著降雨的繼續(xù)進(jìn)行,地表出現(xiàn)泥漿,土壤細(xì)顆粒移動(dòng)或下滲,阻塞土壤空隙,促使地表徑流的產(chǎn)生,雨滴打擊使泥漿濺散。在以上過程中,土壤養(yǎng)分中的可溶性養(yǎng)分向雨水中釋放,吸附于土壤顆粒中的養(yǎng)分也同時(shí)進(jìn)行擴(kuò)散,結(jié)合在土粒表面中的養(yǎng)分隨不同粒徑的濺蝕而分離于土體,濺蝕是土壤養(yǎng)分流失起始階段。而后出現(xiàn)面狀水流沖刷,進(jìn)而發(fā)展為細(xì)溝淺溝侵蝕。最終表現(xiàn)為土壤層狀剝蝕,直接導(dǎo)致土層減薄,土壤肥力降低。
降雨特征包括雨強(qiáng)、雨滴動(dòng)能、雨型、降雨歷時(shí)、暴雨中心以及降雨量等??紤]到試驗(yàn)觀測(cè)和定量方便以及影響程度的不同,在實(shí)際研究中,以雨強(qiáng)、雨量以及雨滴動(dòng)能等降雨特征等作為主要研究對(duì)象,其中有關(guān)雨強(qiáng)與養(yǎng)分流失的關(guān)系研究較多。張亞麗等[1]在研究黃土區(qū)土壤礦質(zhì)氮素流失表現(xiàn)為雨強(qiáng)增大,土壤礦質(zhì)氮素流失量與徑流作用深度(EDI)和土壤硝態(tài)氮入滲峰值深度均增加,徑流累計(jì)量、流失養(yǎng)分累計(jì)量和泥沙累計(jì)量與雨強(qiáng)呈冪函數(shù)增長(zhǎng)。王全九等[2]通過改變降雨高度方式,研究了有效雨滴動(dòng)能對(duì)土壤鉀隨地表徑流遷移的影響。結(jié)果表明:隨著有效雨滴動(dòng)能的增加,土壤入滲量逐漸減少,徑流量、土壤侵蝕量和養(yǎng)分流失量顯著增加。
地形條件包括坡度、坡長(zhǎng)、坡型、坡向等,其中坡度和坡長(zhǎng)是影響坡地土壤侵蝕的兩個(gè)重要因素。
坡面坡度對(duì)侵蝕的影響最終通過坡面徑流量和流速體現(xiàn),表現(xiàn)在降雨產(chǎn)生的凈雨量、坡面徑流水深、坡面流速度和坡面流切應(yīng)力等方面。靳長(zhǎng)興[3]指出坡面土壤的不穩(wěn)定性與坡度的大小成正比,坡度愈大,土體的不穩(wěn)定性愈強(qiáng),在外力作用下發(fā)生下移的可能性愈大,在人為干擾較大的坡耕地上表現(xiàn)尤為突出。在一定范圍和條件下,土壤侵蝕量與坡度成正比。大量人工降雨試驗(yàn)和野外觀測(cè)資料表明:在斜面坡度超過一定限度時(shí),其侵蝕量與坡度成反比,說明存在坡度臨界值,稱為“侵蝕轉(zhuǎn)折坡度值”,許多學(xué)者認(rèn)為是25°左右。唐克麗等[4]研究提出發(fā)生淺溝侵蝕的臨界坡度為15°~20°,大于25°的陡坡地淺溝發(fā)生的頻率最高,其侵蝕量占坡耕地總侵蝕量的70%。陳永宗[5]提出在黃土丘陵溝壑區(qū),侵蝕轉(zhuǎn)折坡度大約在25°~28.5°之間。趙曉光等[6]提出土壤的臨界坡度不是一個(gè)定值,是各因子相互作用的結(jié)果,在黃土高原,其值介于21.4°~45°之間,黃綿土約為28°。劉青泉[7]在運(yùn)動(dòng)波理論基礎(chǔ)上通過對(duì)土壤侵蝕與坡度關(guān)系的分析表明:坡面土壤侵蝕具有坡度界限,且土壤侵蝕的界限坡度是一個(gè)變量,隨顆粒粒徑、容重、坡面糙率、徑流長(zhǎng)度、降雨入滲差值(凈雨量)以及土壤摩擦系數(shù)等因素的不同而改變,但一般情況下土壤侵蝕的坡度界限應(yīng)在41.5°~50°范圍內(nèi)。
坡長(zhǎng)為坡面水土流失的主要因素。孔亞平等[8]通過室內(nèi)人工模擬降雨研究坡長(zhǎng)對(duì)侵蝕產(chǎn)沙過程的影響,表明坡長(zhǎng)對(duì)徑流與侵蝕產(chǎn)沙的影響程度隨雨強(qiáng)的不同有明顯差異。在小雨強(qiáng)下,侵蝕產(chǎn)沙受坡長(zhǎng)的影響并不明顯,隨著雨強(qiáng)的增大,坡長(zhǎng)的影響愈加明顯。也就是說,短歷時(shí)或小強(qiáng)度的模擬試驗(yàn)降雨,坡長(zhǎng)的影響并不明顯,隨著降雨歷時(shí)的延長(zhǎng)或降雨強(qiáng)度的增加,坡長(zhǎng)的影響會(huì)越來越大。在同一雨強(qiáng)下,徑流和侵蝕產(chǎn)沙的增量隨坡長(zhǎng)的增大而增大;同一坡長(zhǎng)小區(qū),徑流和侵蝕產(chǎn)沙的增量隨雨強(qiáng)的增大而增大。
植被是影響土壤侵蝕及養(yǎng)分流失的重要因素。目前,植被類型、植被覆蓋度、植被枯枝落葉層、植被根系等對(duì)土壤侵蝕及養(yǎng)分流失的影響研究較多,植被的垂直結(jié)構(gòu)、形態(tài)結(jié)構(gòu)更是影響土壤侵蝕的重要因素。
植被對(duì)土壤侵蝕及養(yǎng)分流失的影響主要表現(xiàn)在植物冠層截留降雨、植物的莖干和枯落物攔蓄分散地表徑流、改良根系土壤增加土壤的抗沖性或抗蝕性和土壤滲透性等方面。植被覆蓋的存在能有效降低雨滴動(dòng)能,增加土壤入滲能力,減少地表徑流量與泥沙量。
李鵬等[9]采用野外模擬沖刷試驗(yàn),對(duì)不同處理?xiàng)l件下草類植被坡面徑流的水力學(xué)特性和侵蝕產(chǎn)沙規(guī)律進(jìn)行研究。結(jié)果表明:在相同的試驗(yàn)條件下,植被覆蓋度越高,植被越完整,地表徑流運(yùn)動(dòng)所遇到的阻力也就越大,其阻滯和攔蓄徑流的能力也越強(qiáng),因而表現(xiàn)出了坡面的徑流量隨著植被完整程度的增加而增加,徑流流速減緩,徑流含沙降低的趨勢(shì)。張興昌等[10]通過野外徑流小區(qū)對(duì)17種植被覆蓋對(duì)土壤侵蝕和氮素流失的影響進(jìn)行研究。結(jié)果表明:不同植被類型覆蓋下,泥沙氮素富集率存在明顯差異,總的來看,作物覆蓋下泥沙氮素富集率小于牧草,牧草又小于草灌間作,而侵蝕量大小順序與此基本一致。同時(shí)指出不同植被類型對(duì)泥沙全氮富集的影響實(shí)際上是通過調(diào)節(jié)徑流的流速而間接影響泥沙全氮的富集。同時(shí),張興昌等[11]在紙坊溝流域研究了不同植被覆蓋度對(duì)流域氮素流失的影響,得出小流域土壤氮素隨徑流流失規(guī)律。結(jié)果表明:當(dāng)流域的植被覆蓋度分別為60%,40%,20%和0%時(shí),土壤中硝態(tài)氮的流失量分別為85.50 kg/km2,74.05 kg/km2,63.95 kg/km2和 56.23 kg/km2;銨態(tài)氮的流失量分別為87.08 kg/km2,44.31 kg/km2,25.16kg/km2和13.71 kg/km2;而流域的有機(jī)質(zhì)流失量分別為 15.67t/km2,24.02 t/km2,44.68 t/km2和 164.87t/km2;全氮的流失量為 0.81 t/km2,1.18 t/km2,1.98 t/km2和7.51 t/km2。降雨產(chǎn)流過程中,徑流及泥沙中的氮素含量隨產(chǎn)流時(shí)間的增大呈下降趨勢(shì),而流失累積量呈逐步增大趨勢(shì)。植被覆蓋雖能有效減少土壤侵蝕量和全氮的流失量,但卻會(huì)增加土壤礦質(zhì)氮的流失。原因在于徑流中礦質(zhì)氮濃度的大小主要取決于徑流對(duì)土壤表層礦質(zhì)氮的稀釋作用和徑流在坡面?zhèn)鬟f過程中與礦質(zhì)氮的相互作用,植被覆蓋條件下,流域徑流與表層土壤礦質(zhì)氮的相互作用大于其稀釋作用,隨植被覆蓋度的增加,徑流礦質(zhì)氮濃度逐漸增加。
土壤的質(zhì)地、結(jié)構(gòu)狀況、孔隙度、水分和溫度狀況等直接影響土壤的氧化還原性和通氣狀況,從而影響土壤水分運(yùn)行規(guī)律以及土壤中養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化速率和存在狀態(tài)。
目前,有關(guān)土壤性質(zhì)對(duì)坡地養(yǎng)分流失的研究主要集中在土壤顆粒組成方面。黃麗等的研究結(jié)果表明泥沙中直徑小于0.002 mm的黏粒和直徑小于0.02 mm的微團(tuán)聚體是土壤養(yǎng)分流失的主要載體。晏維金等對(duì)磷的富集機(jī)理研究得出,徑流流失的沉積物主要以0.25 mm以下的團(tuán)聚體為主,80%以上的磷以顆粒態(tài)形式流失,而顆粒態(tài)磷的60%~90%隨0.1 mm以下的團(tuán)聚體流失。地表徑流是坡面土壤流失的動(dòng)力和載體,徑流在坡面?zhèn)鬟f過程實(shí)際上是徑流與坡面土壤顆粒相互作用的過程,在這個(gè)過程中,地表徑流首先選擇性地?cái)y帶土壤細(xì)顆粒。因此,與原地土壤相比,泥沙中細(xì)顆粒特別是黏粒含量顯著增加,導(dǎo)致泥沙黏粒的富集。由于土壤有機(jī)質(zhì)和全氮(主要為有機(jī)氮)多與土壤細(xì)顆粒結(jié)合,泥沙黏粒的富集會(huì)導(dǎo)致泥沙有機(jī)質(zhì)和全氮的富集。國外不少學(xué)者對(duì)不同類型土壤和前期含水量條件下土壤溶質(zhì)徑流流失進(jìn)行了研究。結(jié)果表明:全部溶質(zhì)流失量是施入溶質(zhì)的0.5%~62%,并且地面積水時(shí)間直接影響土壤溶質(zhì)流失的數(shù)量。
總之,降雨歷時(shí)、降雨雨強(qiáng)、地面坡度、地表植被以及土壤特性等綜合作用于坡地養(yǎng)分流失,在不同的條件下,發(fā)揮主導(dǎo)作用的因素各不相同,但它們共同影響著土壤侵蝕和養(yǎng)分流失。
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