劉小梅，呂殿青

(湖南師范大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，湖南長沙410081)

土壤容重作為土壤物理狀況的指標(biāo)之一，在土壤質(zhì)地相同的情況下，土壤容重反應(yīng)了土壤的松緊程度，它的變化影響土壤孔隙狀況，從而改變土壤水分產(chǎn)流和入滲分配的規(guī)律.研究表明土壤容重的變化對(duì)坡地產(chǎn)流、產(chǎn)沙、入滲的規(guī)律產(chǎn)生重要影響［1］.符素華［2］得出土壤中礫石的存在影響土壤的容重，進(jìn)而改變土壤的入滲特性.入滲決定了產(chǎn)生地表徑流的水量，從而對(duì)地表侵蝕產(chǎn)生影響［3，4］.李燕等［5］研究出在相同的入滲距離，容重愈大，土壤累積入滲彌散系數(shù)隨容重的增大而增大，延遲因子則減小.段喜明等［6］在土壤耕層中施加粉煤灰，土壤的容重降低，入滲率增加.溫以華［7］采用垂直土柱易混置換法，對(duì)相同質(zhì)地不同容重條件的土壤進(jìn)行研究，認(rèn)為水分入滲增加了孔隙度，土壤的入滲速率明顯加快，坡面產(chǎn)流量和土壤流失量降低.這些研究結(jié)果只局限于土壤容重對(duì)坡面地表徑流產(chǎn)生的影響，然而，土壤坡面在降雨條件下除了會(huì)產(chǎn)生地表徑流外，往往伴隨有壤中流的產(chǎn)生.本文通過室內(nèi)人工降雨，模擬坡度15°時(shí)5種不同的初始容重(1.05、1.1、1.15、1.2、1.25g/cm3)在壤中流產(chǎn)流方式下，紅壤坡面的入滲及侵蝕的變化規(guī)律，為減少坡地土壤侵蝕，增加降雨入滲，提供了一定的理論依據(jù).

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)選在湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)灌排實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行，該地區(qū)屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，年均氣溫在16～18.5℃之間，年降水量1350～1450mm，成土母質(zhì)為第四紀(jì)發(fā)育的黏土.該區(qū)土地利用類型多樣，有耕地、林地、居民點(diǎn)、工礦用地等，長沙市經(jīng)濟(jì)的發(fā)展導(dǎo)致土地資源不合理的開發(fā)與利用，再加上雨熱同期的氣候特征，導(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)變化劇烈，水土流失嚴(yán)重.

1.2 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)土壤過篩(10mm)，除去石塊和雜草、灑水、混合、風(fēng)干等處理后備用，將土壤在105°條件下烘干8h，測得含水量為15%.根據(jù)設(shè)計(jì)好的 5 個(gè)土壤容重 1.05、1.1、1.15、1.2、1.25g/cm3，根據(jù)測得的初始含水量以及土的容積，分別計(jì)算出5種容重下的試驗(yàn)用土以及每層的用土量.

室內(nèi)模擬降雨裝置采用中科院水土保持研究所研制的側(cè)噴式降雨設(shè)備.降雨設(shè)備由供水、穩(wěn)壓、降雨三部分構(gòu)成.降雨高度為7m，雨滴有效降落高度為6m，有利于保證雨滴降落的最終速度能夠達(dá)到天然降雨降落到地表的最大速度.試驗(yàn)土槽坡度可以在0－30°間調(diào)節(jié)，在此次實(shí)驗(yàn)坡度調(diào)節(jié)為15°，土槽容積為200cm×30cm×30cm，四周用PVC板隔開，板高出土表30cm，防止雨滴向外擊濺損失.下部分別用兩個(gè)小桶盛接徑流和壤中流.

1.3 試驗(yàn)過程

1.3.1 填裝土槽

在產(chǎn)生壤中流試驗(yàn)槽底層鋪一張塑料薄膜用于收集試驗(yàn)過程中下滲產(chǎn)生的壤中流，在薄膜上均勻鋪設(shè)3cm厚細(xì)沙，以形成透水透氣性能較好的透水邊界.細(xì)沙上面填裝27cm的供試土壤，滿足試驗(yàn)過程中土壤水分自由下滲的條件，細(xì)沙和土層之間用紗布隔開來模擬自然狀態(tài)下的透水底面.為保證試驗(yàn)土壤容重均勻，采取分層填裝的方法，每5cm一層，邊填充、邊壓實(shí)，在填裝上層土之前進(jìn)行打毛，防止土層之間出現(xiàn)分層現(xiàn)象.表層土壤與收集地表徑流的出水口處于同一水平位置，特別是接近槽口處必須接近水平位置，防止延長初始產(chǎn)流時(shí)間.最后用塑料薄膜覆蓋土壤表層，以防試驗(yàn)降雨之前表層土壤由于水分蒸發(fā)導(dǎo)致前期含水量降低.

1.3.2 降雨均勻度測定

由于試驗(yàn)降雨設(shè)備的缺陷及其它的外在因素影響，試驗(yàn)降雨強(qiáng)度只能控制在一定的范圍內(nèi)，本試驗(yàn)的雨強(qiáng)調(diào)控在1.33～1.42mm/h之間，降雨歷時(shí)60min.試驗(yàn)之前先用雨量筒對(duì)降雨均勻度進(jìn)行測定，在徑流區(qū)域內(nèi)均勻度達(dá)到75%以上表示降雨強(qiáng)度率定成功.在降雨進(jìn)行60min后，通過測定，降雨均勻度在80%以上，達(dá)到試驗(yàn)的要求.但是每次試驗(yàn)的降雨強(qiáng)度由于輸水管道和壓力的不穩(wěn)定性而很難保證一致，在允許的偏差范圍內(nèi)，會(huì)產(chǎn)生一定的差異.降雨均勻系數(shù)的計(jì)算方法為:

1.3.3 試驗(yàn)觀測項(xiàng)目

根據(jù)試驗(yàn)的目的，本試驗(yàn)需要觀測的記錄的項(xiàng)目有:(1)徑流出流量隨時(shí)間的變化;(2)徑流產(chǎn)沙隨時(shí)間的變化.

2 結(jié)果與分析

2.1 容重對(duì)壤中流的影響

壤中流主要發(fā)生在近似地面透水性較弱的土層中，它是在臨時(shí)飽和帶內(nèi)的非毛管孔隙中側(cè)向運(yùn)動(dòng)的水流，它的運(yùn)動(dòng)服從達(dá)西定律.通常壤中流匯流速度比地面徑流慢，但比地下徑流快得多，當(dāng)表層土壤薄而透水性好，下伏有相對(duì)不透水層時(shí)，可能產(chǎn)生大量的壤中流，當(dāng)遇中強(qiáng)度暴雨時(shí)，壤中流的數(shù)量可以增加很多.

表1 不同容重下的產(chǎn)流形式和產(chǎn)流時(shí)間

設(shè)定的試驗(yàn)條件都符合壤中流的產(chǎn)生，通過分析表1知道，容重越大，壤中流初始產(chǎn)流時(shí)間越晚(容重1.25g/cm3時(shí)，整個(gè)降雨過程中沒有產(chǎn)生壤中流).這是因?yàn)橥寥廊葜胤磻?yīng)了土壤的松緊程度，容重變化影響土壤孔隙狀況，進(jìn)而改變土壤水分入滲規(guī)律.在降雨－產(chǎn)流－入滲這三個(gè)水文過程中，在降雨量相差不大的情況下，容重越大，土壤越緊實(shí)，孔隙就越密，入滲的水量就會(huì)相應(yīng)的減少，開始產(chǎn)生壤中流的時(shí)間就越晚.對(duì)比地表徑流總量和壤中流總量發(fā)現(xiàn)，兩者總是成反比出現(xiàn)，說明了壤中流的產(chǎn)生有降低坡面徑流的功能.壤中流總量占總降雨量的比例都很小，并且表現(xiàn)為先增大后減小的趨勢.分析其原因主要是由于紅壤土具有較強(qiáng)的粘性，在特大暴雨條件下和地表為裸坡地的時(shí)候，表土由于雨滴擊濺、徑流沖刷容易形成結(jié)皮，很多研究表明表土結(jié)皮具有減少入滲、促進(jìn)產(chǎn)流和增大產(chǎn)沙等作用［8－10］.

2.2 不同容重下的產(chǎn)流分析

土層中的水達(dá)到飽和后，在一定條件下，部分水沿坡地土層側(cè)向流動(dòng)，形成表層徑流即產(chǎn)流.入滲率是在正常大氣壓力下，土面水層在單位時(shí)間內(nèi)通過單位面積土壤的水量.通常以入滲開始后一小時(shí)的水層降低數(shù)表示.土壤平均入滲率是反映土壤透水性強(qiáng)弱的重要指標(biāo).根據(jù)定時(shí)采集的徑流樣，算出各個(gè)時(shí)段的產(chǎn)流強(qiáng)度H(mm/min)、坡面平均入滲率f(mm/min)和各時(shí)段降雨入滲率i(mm/min).計(jì)算方式見公式(1)和(2):

式中:H——產(chǎn)流強(qiáng)度(mm/min);R——t時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的徑流量(ml);S——坡面實(shí)際承雨面積(cm2);t——降雨歷時(shí)(min);10為量綱換算系數(shù);P——降雨強(qiáng)度(mm/min);α——地表坡度(°);V——各時(shí)段對(duì)應(yīng)的產(chǎn)流量(ml);ti，ti+1——各時(shí)段始末時(shí)間(min).

土壤容重是土壤的基本物理性質(zhì)，很多研究表明土壤容重對(duì)水分的再分配、入滲性能等有很大的影響［11］.如圖1a描述了5種不同初始容重下的產(chǎn)流強(qiáng)度隨時(shí)間的變化規(guī)律.由圖可知，在徑流區(qū)域有壤中流情況下初始產(chǎn)流時(shí)間、產(chǎn)流強(qiáng)度沒有出現(xiàn)明顯的隨容重增加而變快、強(qiáng)度加大的規(guī)律，而是出現(xiàn)先減小后增大的趨勢.在容重小于1.15g/cm3時(shí)出現(xiàn)容重越大產(chǎn)流越晚.產(chǎn)流強(qiáng)度出現(xiàn)無規(guī)律的變化，說明壤中流的產(chǎn)生影響產(chǎn)流時(shí)間的快慢、產(chǎn)流強(qiáng)度的大小.因?yàn)槿乐辛骷訌?qiáng)了徑流區(qū)域的通透性，也就是說，壤中流有加速降雨入滲、減小地表產(chǎn)流的作用.圖1b描述了5種不同初始容重下降雨的平均入滲率隨時(shí)間的變化.坡面平均入滲率和產(chǎn)流強(qiáng)度呈相反的變化趨勢.從圖上可以明顯看出，平均入滲率隨時(shí)間的變化呈指數(shù)函數(shù)下降趨勢，除了1.15g/cm3土壤的平均入滲率差別較大外，其他的四種容重差別不大，R2的范圍為0.7085 ～0.9174，1.1g/cm3的 R2最小，1.05g/cm3的R2最大.由于降雨前5個(gè)不同處理的土壤初始含水量控制在同一水平且比較低，故降雨初期5個(gè)不同容重的土壤吸力均很大，此時(shí)的土壤入滲率取決于土壤吸力，所以剛開始時(shí)，土壤入滲率差異不大.隨著降雨的進(jìn)行，土壤逐漸濕潤，土壤吸力作用下降.

圖1 不同初始容重產(chǎn)流強(qiáng)度和平均入滲率隨降雨歷時(shí)的變化

2.3 容重對(duì)產(chǎn)沙的影響研究

坡面水蝕過程包括雨滴擊濺和徑流沖刷引起的土壤分散、剝離、輸移和沉積4個(gè)過程［12］.本試驗(yàn)降雨過程中主要發(fā)生的是徑流沖刷的前3個(gè)過程.

表2 不同初始容重對(duì)產(chǎn)沙和濺蝕泥沙的影響

表2描述了在有壤中流這種情況下5個(gè)容重各自的初始產(chǎn)沙時(shí)間、總產(chǎn)沙量以及槽壁上濺蝕的泥沙量.由表2可知，初始產(chǎn)沙時(shí)間的變化規(guī)律和上述的初始產(chǎn)流變化規(guī)律相一致.說明產(chǎn)流的開始伴隨著產(chǎn)沙過程的開始，整個(gè)降雨過程總產(chǎn)沙量最少是容重為1.15g/cm3時(shí).表明在自然狀態(tài)下當(dāng)土壤容重1.15g/cm3時(shí)，坡面侵蝕是最輕的.因?yàn)?.15g/cm3時(shí)土壤的結(jié)構(gòu)組成處于最適宜狀態(tài)，在暴雨?duì)顟B(tài)下表皮不易形成結(jié)皮，降水轉(zhuǎn)化為入滲量最大.從圖表整個(gè)總產(chǎn)沙量和濺蝕泥沙量來看，產(chǎn)沙和濺蝕較嚴(yán)重是容重為1.2和1.25g/cm3時(shí)，說明降雨對(duì)容重較大的裸坡?lián)魹R明顯.從整個(gè)濺蝕情況來看，沒有明顯的變化規(guī)律.這可能是由于試驗(yàn)環(huán)境及當(dāng)時(shí)雨滴大小、粗細(xì)程度有關(guān).從圖2中可以看到，在試驗(yàn)開始產(chǎn)流前幾分鐘產(chǎn)沙量都較小，隨后產(chǎn)沙量呈波動(dòng)性增加，在整個(gè)試驗(yàn)過程中產(chǎn)沙強(qiáng)度達(dá)不到穩(wěn)定.這是由于產(chǎn)沙量主要決定于徑流剪切力大小，細(xì)溝流沖刷分散土壤的能力隨流量的增加而增大.隨著沖刷時(shí)間增加，侵蝕逐漸達(dá)到穩(wěn)定，泥沙顆粒補(bǔ)給減少.與徑流剪切力比較，此時(shí)產(chǎn)沙量大小受泥沙顆粒補(bǔ)給能力大小的影響更大.從圖上還可以明顯看到，某些數(shù)據(jù)的產(chǎn)沙強(qiáng)度達(dá)到最小值后又呈上升趨勢，這是由在細(xì)溝侵蝕過程中出現(xiàn)的溝壁坍塌造成的.

圖2 不同初始容重產(chǎn)沙強(qiáng)度隨降雨歷時(shí)的變化

3 結(jié)論

在60min降雨過程中，產(chǎn)流強(qiáng)度隨不同初始容重呈動(dòng)態(tài)平衡變化.徑流的初始產(chǎn)流時(shí)間、產(chǎn)流強(qiáng)度無明顯正比規(guī)律，而是出現(xiàn)先減小后增大的趨勢.容重為1.15g/cm3時(shí)整個(gè)降雨過程的總產(chǎn)沙量、總濺蝕量和產(chǎn)流強(qiáng)度的變化幅度最小，也就是說此時(shí)的土壤狀態(tài)是最有利于防止土壤侵蝕.在整個(gè)試驗(yàn)階段，產(chǎn)沙量的多少主要取決于徑流剪切力大小和泥沙顆粒的補(bǔ)給;壤中流相對(duì)于地表徑流來說具有相對(duì)滯后性，初始產(chǎn)流時(shí)間明顯慢于地表徑流，在兩種產(chǎn)流方式下主要的產(chǎn)流形式還是地表徑流，壤中流只占其中一小部分不到3%的比例，但是壤中流還是具有增加降雨入滲，減小地表侵蝕的作用.通過理解不同容重下壤中流和地表徑流產(chǎn)流，對(duì)于管理裸坡地的水土流失問題提供了一定的理論基礎(chǔ).

［1］王治國，魏忠義，段喜明.黃土殘塬區(qū)人工降雨條件下坡耕地水蝕的研究(I)［J］.水土保持學(xué)報(bào)，1995，(2):51 －57.

［2］符素華.土壤中礫石存在對(duì)入滲影響研究進(jìn)展［J］.水土保持學(xué)報(bào)，2005，(1):171 －175.

［3］Meyer L D，Johnson C B，F(xiàn)oster G R.Stone and woodchip mulches for erosion control on construction sites［J］.Journal of Soil and Water Conservation，1972，(27):264－269.

［4］Grant W J，Struchtemeyer R A.Effect of stones on runoff，erosion，and soil moisture［J］.Soil Science Society of America Journal，1996，(5):638 －640.

［5］李燕，高明，魏朝富，等.紫色土水分一維水平運(yùn)動(dòng)的數(shù)值模擬［J］.西南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2006，(4):627 －632.

［6］段喜明，吳普特，王春紅，等.人工降雨條件下施加粉煤灰對(duì)耕作土壤結(jié)構(gòu)和水土流失的影響研究［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2006，(8):50－52.

［7］溫以華.不同質(zhì)地和容重對(duì)Cl－在土壤中運(yùn)移規(guī)律的影響［J］.水土保持研究，2002，(1):73 －75.

［8］程琴娟，蔡國強(qiáng)，廖義善.土壤表面特性與坡度產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響［J］.水土保持學(xué)報(bào)，2007，(2):9 －11，15.

［9］李朝霞，王天巍，史志華，等.降雨過程中紅壤表土結(jié)構(gòu)變化與侵蝕產(chǎn)沙關(guān)系［J］.水土保持學(xué)報(bào).2005，(4):1 －4，9.

［10］吳發(fā)啟，范文波.土壤結(jié)皮對(duì)降雨入滲和產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響［J］.中國水土保持科學(xué)，2005，(2):97－101.

［11］鄭紀(jì)勇，邵明安，張興昌.黃土區(qū)坡面表層土壤容重和飽和導(dǎo)水率空間變異特征［J］.水土保持學(xué)報(bào)，2004，(3):53 －56.

［12］謝小立，王凱榮，周衛(wèi)軍.紅壤丘崗緩坡地水資源狀況與管理［J］.山地學(xué)報(bào)，2000，(4):336 －340.