陳 誠(chéng), 郝志邦

(1.黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 河南 開封 475003; 2.河北省子牙河河務(wù)管理處, 河北 衡水 053000)

模擬降雨下不同坡度土壤坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙特征及磷和鉀素流失研究

陳 誠(chéng)1, 郝志邦2

(1.黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 河南 開封 475003; 2.河北省子牙河河務(wù)管理處, 河北 衡水 053000)

采用室內(nèi)模擬降雨研究了不同坡度對(duì)土壤坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙特征及其養(yǎng)分流失的影響。結(jié)果表明：在降雨條件下，初始產(chǎn)流時(shí)間隨坡度的增加而趨于提前，初始產(chǎn)流時(shí)間變化范圍為0.63～1.62 min，說明坡面產(chǎn)流時(shí)間因坡面坡度的增加而縮短。不同坡度條件下徑流強(qiáng)度隨降雨歷時(shí)的增加而增加，在降雨歷時(shí)前20 min，徑流強(qiáng)度急劇增加，降雨歷時(shí)20 min以后，徑流強(qiáng)度增加趨勢(shì)趨于平穩(wěn)，徑流強(qiáng)度遵循冪函數(shù)變化規(guī)律；不同坡度條件下入滲強(qiáng)度隨降雨歷時(shí)的增加而降低，在降雨歷時(shí)前20 min，入滲強(qiáng)度急劇降低，降雨歷時(shí)20 min以后，入滲強(qiáng)度降低趨勢(shì)趨于平穩(wěn)，坡面入滲強(qiáng)度隨時(shí)間則呈對(duì)數(shù)函數(shù)變化。不同坡度下徑流量均隨降雨歷時(shí)呈“增加—穩(wěn)定”趨勢(shì)(單峰曲線，拋物線規(guī)律)，在整個(gè)降雨過程中，徑流量隨坡度的增加而增加，在0～20 min內(nèi)，徑流量隨降雨歷時(shí)的增加陡然上升趨勢(shì)，20～40 min，不同坡度條件下土壤泥沙侵蝕量均達(dá)到最大值，40 min以后泥沙侵蝕量隨降雨歷時(shí)的增加呈現(xiàn)基本平穩(wěn)趨勢(shì)，泥沙侵蝕量中DP，K+，SEP和SEK均隨著坡度的增加而增加。不同坡度條件下，泥沙量與侵蝕泥沙中養(yǎng)分的含量均存在不同程度的正相關(guān)關(guān)系，其中坡面坡度為20°，25°和30°時(shí)，侵蝕泥沙養(yǎng)分含量與泥沙流失量間的相關(guān)性明顯優(yōu)于其他坡度，說明侵蝕泥沙量的增加會(huì)引起泥沙中各種類養(yǎng)分含量的增加效應(yīng)，而隨著坡度的增加，侵蝕泥沙量與侵蝕泥沙中養(yǎng)分的含量并非均顯示出更進(jìn)一步的相關(guān)性。

模擬降雨; 土壤坡度; 產(chǎn)流產(chǎn)沙; 養(yǎng)分流失

水土流失是地表物質(zhì)在降雨、徑流、風(fēng)、凍融等外營(yíng)力驅(qū)動(dòng)下發(fā)生位移與再分配的一種自然過程，主要包括侵蝕、剝離、搬運(yùn)、沉積等環(huán)節(jié)[1-2]。土壤坡面水土流失是坡地表層土壤與降雨、徑流相互分散、剝離和搬運(yùn)的復(fù)雜的物理化學(xué)過程，也是大量營(yíng)養(yǎng)元素流失的過程，受降雨特性、產(chǎn)流排水率、徑流泥沙濃度等因素的影響[3-4]。在20世紀(jì)初期，國(guó)內(nèi)外對(duì)于土壤侵蝕的研究多限于侵姓過程中的產(chǎn)流產(chǎn)沙動(dòng)態(tài)變化和機(jī)理分析，而忽略了由此帶來的養(yǎng)分流失問題[4]。土壤侵蝕使得土壤肥力下降，理化性質(zhì)變劣，土地利用率降低，生態(tài)環(huán)境惡化，已成為制約地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要因素。

在降雨條件下，水土流失實(shí)質(zhì)是坡地表層土壤與降雨、徑流相互作用的一系列復(fù)雜的物理化學(xué)過程，受到降雨和土壤特性等因素影響，水土流失產(chǎn)生的泥沙流失量主要受產(chǎn)流排水率、徑流泥沙濃度的影響，而產(chǎn)流排水率、徑流泥沙濃度主要與受侵蝕土壤的機(jī)械組成及降雨強(qiáng)度有關(guān)，導(dǎo)致強(qiáng)降雨極易造成土壤坡面水土和養(yǎng)分流失等[5]。流失的泥沙具有富集養(yǎng)分的特點(diǎn)，與受侵蝕土壤的初始養(yǎng)分含量相比，流失泥沙的養(yǎng)分含量一般較高，這種現(xiàn)象稱為泥沙富集效應(yīng)[6]。在降雨背景下，雨水在土壤剖面主要以入滲和徑流兩種方式進(jìn)行轉(zhuǎn)移，當(dāng)雨水入滲量超過土壤最大蓄水量時(shí)，則徑流產(chǎn)生；土壤表層易受降雨沖刷侵蝕的影響，徑流隨后發(fā)展為泥沙流失，進(jìn)而引起水土流失[7]；另一方面導(dǎo)致土壤肥力下降，土地生產(chǎn)力降低，破壞土地資源，在強(qiáng)烈的人為干擾下，水土流失過程進(jìn)一步加劇，從而引發(fā)了各種各樣的資源與環(huán)境問題[7]。降雨條件下土壤養(yǎng)分流失是導(dǎo)致土壤質(zhì)量退化的重要原因，坡度是影響坡面土壤侵蝕的主要地形因子，但由于坡度與坡面侵蝕關(guān)系的復(fù)雜性，使坡度對(duì)土壤侵蝕的影響規(guī)律存在一定的不確定性，而坡度與坡面侵蝕關(guān)系的復(fù)雜性和不確定性一定程度上也限制了坡面水土保持措施的有效實(shí)施[6-7]。因此，如何增加降雨入滲、合理高效利用水資源和減少水土流失、防治坡地水土流失，減少養(yǎng)分損失，生態(tài)環(huán)境建設(shè)和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。因此，本文采用人工模擬降雨試驗(yàn)，研究不同坡度對(duì)土壤坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙特征及其養(yǎng)分流失的影響，旨在揭示土壤養(yǎng)分隨地表徑流遷移機(jī)制和坡面的流失發(fā)生規(guī)律，能夠發(fā)展有效的區(qū)域水土養(yǎng)分流失控制方法，為水土保持、土壤侵蝕與防治提供一定的科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置及設(shè)計(jì)

試驗(yàn)土壤取自河南省開封市黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院的野外試驗(yàn)田，供試土樣為典型紅壤(表層0—20 cm)，其基本性質(zhì)見表1。

表1 供試土壤基本性質(zhì)

試驗(yàn)于2015年5—9月在黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院試驗(yàn)基地的降雨大廳進(jìn)行，人工模擬降雨裝置為西安清遠(yuǎn)測(cè)控技術(shù)有限公司生產(chǎn)及安裝的人工模擬降雨裝置(QYJY-503C)。劃分為6個(gè)降雨區(qū)域，其裝置包括降雨系統(tǒng)和供水系統(tǒng)兩部分，降雨系統(tǒng)由多個(gè)單一降雨支架組成，降雨支架主要包括側(cè)式噴頭、噴頭支架和壓力控制部分，降雨噴頭由噴頭體、碎流擋板、出流孔板等部分組成。噴頭安裝在由三角架固定的降雨支架上，該裝置由4組單噴頭對(duì)噴(各個(gè)方向均能噴到)，噴頭出水高度6 m，噴頭高3 m，降雨雨滴終點(diǎn)速度近似天然降雨速度。供水壓力由壓力表控制，雨強(qiáng)主要通過孔板的孔徑來調(diào)節(jié)，孔徑3～13 mm，可控制雨強(qiáng)40～170 mm/h，雨滴直徑和雨滴分布與天然降雨相似，降雨均勻度大于90%，采用多個(gè)雨量筒現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量降雨強(qiáng)度，滿足人工模擬降雨試驗(yàn)的要求。

在參考前人研究的基礎(chǔ)上，試驗(yàn)設(shè)置6個(gè)坡度(5°，10°，15°，20°，25°和30°)共6組試驗(yàn)(表2)，降雨強(qiáng)度設(shè)置為70 mm/h，每組試驗(yàn)均設(shè)3組平行，以保證試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，共進(jìn)行了15次人工模擬降雨試驗(yàn)，每次試驗(yàn)前采用TDR測(cè)定土壤水分，以保證土壤前期含水率基本一致。前期降雨24 h后進(jìn)行降雨強(qiáng)度為60 mm/h的模擬降雨，降雨直至坡面即將發(fā)生產(chǎn)流為止，然后用塑料布覆蓋并靜置，使水分自由運(yùn)動(dòng)下滲以接近自然狀態(tài)下土壤水分分布狀況，同時(shí)又能保證各場(chǎng)次降雨的前期土壤含水率基本一致。每場(chǎng)試驗(yàn)前對(duì)降雨強(qiáng)度進(jìn)行兩次率定，并且兩次的誤差不超過5%，以確保降雨的強(qiáng)度和均勻度達(dá)到試驗(yàn)要求。降雨歷時(shí)均設(shè)定為90 min。降雨開始后用秒表計(jì)時(shí)并記錄初始產(chǎn)流時(shí)間，同時(shí)觀察坡面侵蝕過程。開始產(chǎn)流后的前10 min每3 min取1次徑流泥沙樣，30～90 min每5 min取1次徑流泥沙樣，用量筒測(cè)量徑流體積，將徑流泥沙樣靜置12 h后倒掉上層清液，降雨結(jié)束后，用烘干法求得泥沙重，并由渾水徑流減去換算得到的泥沙體積，即得坡面由降雨轉(zhuǎn)化為徑流的水量[8]。

表2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2 樣品測(cè)定

根據(jù)水量平衡原理，坡面降雨水量轉(zhuǎn)化分為入滲、蒸發(fā)和徑流3個(gè)過程，由于試驗(yàn)在室內(nèi)進(jìn)行且時(shí)間較短，蒸發(fā)損失的水量可以忽略?？紤]到地表徑流包含了泥沙，所以計(jì)算地表產(chǎn)流率要減去泥沙的體積。則徑流量和入滲量之和近似等于坡面降雨量，其中坡面平均入滲率利用如下公式計(jì)算得出[8]：

每次降雨時(shí)在小區(qū)內(nèi)均勻布置八個(gè)雨量筒，用以測(cè)定降雨量及降雨均勻系數(shù)，進(jìn)而對(duì)雨強(qiáng)進(jìn)行率定。

稱量每個(gè)桶的徑流泥沙總量，放置澄清后倒掉上部清液，待水分蒸發(fā)完全測(cè)定泥沙量，徑流泥沙總量減去泥沙重即為徑流量。

降雨開始后即計(jì)時(shí)；記錄開始產(chǎn)流時(shí)間，用塑料桶收集徑流，間隔一定時(shí)間(根據(jù)流量大小調(diào)整)更換塑料桶；降雨結(jié)束后記錄降雨歷時(shí)及結(jié)束。

待桶內(nèi)徑流放置澄清后，根據(jù)降雨歷時(shí)分時(shí)段采集桶內(nèi)徑流樣，同樣采集泥沙風(fēng)干樣。徑流樣上清液過濾后，放入冰箱中低溫保存(2～3℃)。

根據(jù)水量平衡原理，坡面降雨水量轉(zhuǎn)化分為入滲、蒸發(fā)和徑流3個(gè)過程，考慮到地表徑流包含了泥沙，所以計(jì)算地表產(chǎn)流率要減去泥沙的體積。則徑流量和入滲量之和近似等于坡面降雨量，其中坡面平均入滲強(qiáng)度利用如下公式計(jì)算得出[9]：

I=(Ptcosα-10R/S)/t

式中：I為坡面平均入滲率(mm/min)；P為降雨強(qiáng)度(mm/min)；α為地表坡度(°)；R為降雨時(shí)間t內(nèi)產(chǎn)生的徑流量(ml)；S為坡面實(shí)際承雨面積(cm2)；t為降雨時(shí)間(min)。

每個(gè)小區(qū)收集的泥沙運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室，風(fēng)干后除去肉眼可見的碎石、植物殘?bào)w等雜質(zhì)，自然風(fēng)干(20 d)去除碎片和部分根后過2 mm篩，徑流樣溶解態(tài)磷(DP)濃度采用鉬藍(lán)比色法測(cè)定，徑流樣鉀離子(K+)濃度采用原子吸收分光光度計(jì)測(cè)定；泥沙樣品中泥沙浸提態(tài)磷(SEP)含量采用0.5 mol/L NaHCO3浸提，鉬銻抗比色法測(cè)定；泥沙浸提態(tài)鉀(SEK)含量采用1 mol/L中性醋酸銨溶液浸提，原子吸收分光光度計(jì)測(cè)定。

1.3 數(shù)據(jù)處理

Excel 2003進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與分析，SPSS 18.0做回歸分析和統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)，由原始數(shù)據(jù)擬合得到的回歸關(guān)系經(jīng)統(tǒng)計(jì)學(xué)檢驗(yàn)得到最佳擬合度參數(shù)R2，并在p<0.05和p<0.01水平檢驗(yàn)相關(guān)系數(shù)的顯著性。

2 結(jié)果與分析

2.1 模擬降雨條件下坡度對(duì)初始產(chǎn)流時(shí)間的影響

產(chǎn)流時(shí)間是指從開始進(jìn)行降雨到徑流小區(qū)中徑流出現(xiàn)并開始從集流槽流入集水池所經(jīng)歷的時(shí)間歷時(shí)，是衡量侵蝕產(chǎn)流過程的一個(gè)重要方面[8]。降雨是坡面侵蝕的源動(dòng)力，次降雨是否產(chǎn)生徑流以及徑流量的大小與產(chǎn)流時(shí)間關(guān)系密切，而徑流量決定了對(duì)坡面土壤沖刷侵蝕的能力[8]。降雨產(chǎn)生徑流和徑流量與起始產(chǎn)流時(shí)間關(guān)系密切相關(guān)，在土壤類型和前期含水量等因素一致的條件下，坡度和降雨強(qiáng)度會(huì)影響其初始產(chǎn)流時(shí)間。由圖1可知，在降雨強(qiáng)度下，初始產(chǎn)流時(shí)間隨坡度的增加而趨于提前，初始產(chǎn)流時(shí)間變化范圍0.63～1.62 min，說明坡面產(chǎn)流時(shí)間因坡面坡度的增加而縮短。各坡度間的產(chǎn)流時(shí)刻值相差較大，之所以出現(xiàn)徑流小區(qū)模擬降雨條件下產(chǎn)流時(shí)間隨坡度的增大而提前是由于：降雨強(qiáng)度下土壤母質(zhì)、土壤前期含水量等要素一致時(shí)，坡面坡度越大，降水入滲機(jī)會(huì)越少，降雨入滲損失越小，徑流沿坡面方向的運(yùn)動(dòng)速度越快，雨滴在坡面迅速匯集，產(chǎn)流時(shí)間整體提前，這與前人的研究結(jié)果一致[6-7,9]。

圖1模擬降雨條件下坡度對(duì)初始產(chǎn)流時(shí)間的影響

2.2 模擬降雨條件下坡度對(duì)產(chǎn)沙產(chǎn)流的影響

研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在坡面產(chǎn)流一段時(shí)間后坡面流量基本達(dá)到穩(wěn)定，相應(yīng)入滲也趨于穩(wěn)定，對(duì)該時(shí)刻起至降雨過程結(jié)束止的各個(gè)時(shí)刻的徑流強(qiáng)度和入滲率求平均值，作為該坡面的徑流強(qiáng)度和穩(wěn)定入滲率。圖2反映了土壤坡面平均入滲強(qiáng)度在降雨過程中的變化過程，即降雨初始，坡面具有較大的入滲強(qiáng)度，隨著降雨的持續(xù)發(fā)生，坡面入滲強(qiáng)度逐漸減小，最終趨于穩(wěn)定，不同坡度條件下徑流強(qiáng)度增加趨勢(shì)基本相一致，不同坡度條件下徑流強(qiáng)度隨降雨歷時(shí)的增加而增加，在降雨歷時(shí)前20 min，徑流強(qiáng)度急劇增加，降雨歷時(shí)20 min以后，徑流強(qiáng)度增加趨勢(shì)趨于平穩(wěn)，徑流強(qiáng)度隨坡度的增加而逐漸增加。這可能與降雨過程中土壤的侵蝕發(fā)展過程及地表結(jié)皮有關(guān)：降雨初期，坡面受到的侵蝕作用較小，土壤結(jié)構(gòu)的破壞程度較小，土壤入滲能力較強(qiáng)，隨著降雨的持續(xù)發(fā)生，雨滴直接擊打在土壤表層顆粒上，土壤顆粒分散、壓實(shí)后容易形成結(jié)構(gòu)性結(jié)皮；由于降雨前期坡面徑流量小，徑流流速慢，土壤顆粒與徑流有充分的作用時(shí)間，被雨滴濺燭分散的細(xì)小土壤顆粒更易于隨水分入滲而淋入下層土壤，形成沉積結(jié)皮，以上兩個(gè)過程促進(jìn)了坡面結(jié)皮的發(fā)育，土壤透水能力降低，土壤不能充分吸收水分，而使大量雨水變?yōu)榈乇韽搅鳎档土送寥廊霛B強(qiáng)度[8]。此外，坡面徑流在降雨、土壤前期含水量、地表覆蓋等基本相同條件下，要受地表坡度決定的承雨量大小所控制，同時(shí)在降雨過程中也受到雨滴能量、坡面水流入滲和坡面侵蝕狀況等因素的影響[5,8]。水分入滲受到土壤滲透性能控制，隨降雨進(jìn)行，土壤含水率逐漸增大，實(shí)際入滲強(qiáng)度隨降雨過程的進(jìn)行而逐步下降，徑流強(qiáng)度逐步增大，在坡面產(chǎn)流一段時(shí)間后坡面徑流量基本達(dá)到穩(wěn)定，相應(yīng)入滲強(qiáng)度也趨于穩(wěn)定，坡度對(duì)坡面平均入滲強(qiáng)度的影響則表現(xiàn)為平均入滲強(qiáng)度隨坡度的增加而增加，不同坡度條件下入滲強(qiáng)度變化趨勢(shì)基本相一致，不同坡度條件下入滲強(qiáng)度隨降雨歷時(shí)的增加而降低，在降雨歷時(shí)前20 min，入滲強(qiáng)度急劇降低，降雨歷時(shí)20 min以后，入滲強(qiáng)度降低趨勢(shì)趨于平穩(wěn)，徑流強(qiáng)度隨坡度的增加而逐漸增加，坡度越小，其平均入滲強(qiáng)度差值越小；這主要是由于坡度增大，坡面徑流在順坡方向重力的分力逐漸增大，導(dǎo)致徑流流速加快，縮短了降雨與坡面的作用時(shí)間，降雨入滲機(jī)會(huì)減小，而25°與30°坡面平均入滲強(qiáng)度曲線接近，可能是因?yàn)樵?5°和30°間存在臨界坡度的關(guān)系。

圖2模擬降雨條件下坡度對(duì)產(chǎn)沙產(chǎn)流的影響

通過SPSS曲線擬合，對(duì)土壤坡面徑流強(qiáng)度和坡面入滲強(qiáng)度隨降雨歷時(shí)的變化關(guān)系作函數(shù)擬合，篩選出R2最大(最佳擬合度及調(diào)整R2)和p值(顯著性)最小的曲線組合，并在此基礎(chǔ)上檢驗(yàn)其F值和差異顯著性(p<0.05)，由表3可知，結(jié)果發(fā)現(xiàn)徑流強(qiáng)度遵循冪函數(shù)變化規(guī)律，而坡面入滲強(qiáng)度隨時(shí)間則呈對(duì)數(shù)函數(shù)變化。

表3 徑流強(qiáng)度和入滲強(qiáng)度與降雨歷時(shí)的關(guān)系

注：**表示p<0.01水平顯著；*表示p<0.05水平顯著，下同。

2.3 模擬降雨對(duì)條件下坡度對(duì)土壤侵蝕量的影響

降雨強(qiáng)度和坡度變化對(duì)坡面降雨的入滲過程和土壤穩(wěn)定性都有較大影響，最終影響到坡面降雨和徑流的侵蝕能力，這主要反映在坡面的侵蝕產(chǎn)沙量上，坡面土壤顆粒隨徑流的遷移、損失是坡面侵蝕的主要方式，侵蝕泥沙量的變化是坡面土壤、降雨特性、地形因子等諸多因素的綜合反映，不同坡度下坡面承載的降雨侵蝕力不同[10]。因此，侵蝕泥沙量呈現(xiàn)出非線性的變化特征。由圖3可知，不同坡度下徑流量均隨降雨歷時(shí)呈“增加—穩(wěn)定”趨勢(shì)(單峰曲線)，且在整個(gè)降雨過程中，徑流量隨坡度的增加而增加，在0～20 min內(nèi)，徑流量隨降雨歷時(shí)的增加陡然上升趨勢(shì)，并且在0～20 min內(nèi)的徑流量差異并不大，也即降雨初始時(shí)刻，坡度對(duì)徑流量的影響比較小，而在降雨后期，坡度對(duì)徑流量的影響較大；20～40 min，不同坡度條件下土壤泥沙侵蝕量均達(dá)到最大值，40 min以后泥沙侵蝕量隨降雨歷時(shí)的增加呈現(xiàn)基本平穩(wěn)趨勢(shì)。綜合比較可知，可能是因?yàn)橥寥?、降雨等影響坡面侵蝕發(fā)展的因子控制一定的情況下，坡面變化對(duì)坡面侵蝕程度的貢獻(xiàn)率增大，坡度增大，坡面入滲強(qiáng)度降低，徑流量增加，徑流流速增大，徑流對(duì)土壤顆粒的侵她力和沖刷力增強(qiáng)，對(duì)坡面土壤顆粒的攜帶力變大，因此坡度增大時(shí)徑流中泥沙含量峰值出現(xiàn)了增大趨勢(shì)，產(chǎn)生峰值的時(shí)間比較早(峰值均在10 min左右產(chǎn)生)。侵蝕泥沙量在不同坡度下的差異變化說明坡度對(duì)坡面泥沙流失有重要影

響。相同雨強(qiáng)條件下，坡度越大，雨水在坡面停留的時(shí)間越短，縮短了徑流的入滲時(shí)段，降雨入滲量變少，徑流量增大，同時(shí)坡面徑流流速加大，徑流動(dòng)能增強(qiáng)，大的水流流速與大的徑流量組合，使坡面徑流侵蝕能力增強(qiáng)，徑流對(duì)土壤顆粒的分散作用及沖刷搬運(yùn)能力增強(qiáng)[11]；另外，坡度越大，土壤的穩(wěn)定性越低，土壤可蝕性增強(qiáng)，為徑流搬運(yùn)泥沙提供豐富的物質(zhì)來源。因此，坡度越陡，坡面泥沙流失越多[11]。

圖3模擬降雨對(duì)條件下坡度對(duì)土壤侵蝕量的影響

在分析不同坡度條件下侵蝕泥沙量與產(chǎn)流歷程的關(guān)系，并擬合不同坡度下侵蝕泥沙量與產(chǎn)流歷時(shí)的回歸方程，見表4，由表可知，總體上不同坡度下的侵蝕泥沙量與產(chǎn)流歷時(shí)均呈拋物線規(guī)律變化(y=ax2+bx+c)。

表4 不同坡度條件下泥沙量與產(chǎn)流歷時(shí)回歸模型

2.4 模擬降雨對(duì)條件下坡度對(duì)泥沙P和K素流失的影響

土壤養(yǎng)分流失具有重要的生態(tài)學(xué)指示意義，降雨條件下土壤養(yǎng)分不但以溶解態(tài)形式隨徑流流失，而且泥沙流失也會(huì)攜帶大量顆粒態(tài)養(yǎng)分遷移出坡面，在這個(gè)過程中主要以溶解態(tài)和浸提態(tài)流失，而且泥沙流失也會(huì)攜帶大量顆粒態(tài)養(yǎng)分遷移出坡面[8-9,11]。本研究采用土壤DP，K+，SEP和SEK，從不同坡度對(duì)土壤養(yǎng)分流失動(dòng)態(tài)特征進(jìn)行分析。由圖4可知，土壤DP，K+，SEP和SEK均隨著坡度的增加而增加，說明坡度越大，其土壤養(yǎng)分流失較為明顯。隨著坡度的增加，土壤DP，K+，SEP和SEK呈增加趨勢(shì)，土壤DP，K+，SEP和SEK增加幅度逐漸增加。從養(yǎng)分流失過程來看，隨著坡度的增加，鉀素流失形式以浸提態(tài)為主，逐步被溶解態(tài)所取代，磷素始終以泥沙浸提態(tài)流失占優(yōu)勢(shì)，徑流養(yǎng)分濃度曲線變化特征反映了地壤養(yǎng)分向徑流釋放的基本規(guī)律，這不僅與土壤坡度有關(guān)，而且與養(yǎng)分理化性質(zhì)關(guān)系密切。經(jīng)計(jì)算可知，DP/SEP的比值均小于1，說明了土壤磷素主要隨泥沙流失，坡度對(duì)磷素流失形態(tài)影響并不大。

2.5 侵蝕泥沙總體特征與侵蝕泥沙養(yǎng)分變化分析

不同坡度的坡面受到的雨滴擊濺力以及徑流對(duì)坡面的沖刷作用有一定的差異，最終影響到侵蝕泥沙含量以及侵蝕泥沙中各養(yǎng)分的含量[8-9,11]。對(duì)不同坡度條件下產(chǎn)流過程中侵蝕泥沙含量與泥沙養(yǎng)分含量進(jìn)行相關(guān)分析，由表5可知，侵蝕泥沙含量與泥沙養(yǎng)分含量相關(guān)分析結(jié)果表明：不同坡度條件下，泥沙量與侵蝕泥沙中養(yǎng)分的含量均存在不同程度的正相關(guān)關(guān)系，其中坡面坡度為20°、25°和30°時(shí)，侵蝕泥沙養(yǎng)分含量與泥沙流失量間的相關(guān)性(相關(guān)系數(shù))明顯優(yōu)于坡度為5°、10°和15°時(shí)，這種相關(guān)關(guān)系說明侵蝕泥沙量的增加會(huì)引起泥沙中各種類養(yǎng)分含量不同程度的增加效應(yīng)，主要是因?yàn)榍治g泥沙攜帶著大量的顆粒態(tài)養(yǎng)分，侵蝕泥沙量的增大勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致吸附在泥沙顆粒中的養(yǎng)分的增加，而不同養(yǎng)分在同一坡度條件下相關(guān)系數(shù)的差異性，可能是由于各養(yǎng)分在侵蝕泥沙中吸附的能力不同，從而有了養(yǎng)分含量與侵蝕泥沙量的相關(guān)關(guān)系的不同。而隨著坡度的增大，侵蝕泥沙量與侵蝕泥沙中養(yǎng)分的含量并非均顯示出更進(jìn)一步的相關(guān)性，如K+濃度，坡度由5°提為30°時(shí)，侵蝕泥沙量與其的相關(guān)關(guān)系反而降低，而坡度由5°提為20°時(shí)，SEK與侵蝕量沒有顯著的相關(guān)關(guān)系(p>0.05)，坡度由5°提為30°時(shí)，DP和SEP與侵蝕量的相關(guān)關(guān)系基本呈增加趨勢(shì)。此外，侵蝕泥沙養(yǎng)分含量多少由多種因素共同作用(坡度、侵蝕泥沙量以及養(yǎng)分自身在土壤顆粒中的吸附特性)。

圖4 模擬降雨對(duì)條件下坡度對(duì)泥沙養(yǎng)分流失的影響

表5 不同坡度條件下侵蝕泥沙量與泥沙養(yǎng)分流失量相關(guān)分析

3 討論與結(jié)論

在降雨強(qiáng)度下，初始產(chǎn)流時(shí)間隨坡度的增加而趨于提前，初始產(chǎn)流時(shí)間變化范圍0.63～1.62 min，說明坡面產(chǎn)流時(shí)間因坡面坡度的增加而縮短，土壤顆粒在坡面的遷移變化過程主要表現(xiàn)在土壤中團(tuán)聚體和土壤機(jī)械組成的空間變化，土壤顆粒隨降雨徑流遷移出坡面進(jìn)入徑流槽則稱為侵蝕泥沙，侵蝕泥沙的量即土壤侵蝕量，是評(píng)價(jià)土壤顆粒遷移的指標(biāo)之一，也是土壤顆粒遷移的宏觀表征[12]。土壤顆粒侵蝕變化的衡量指標(biāo)主要有侵蝕泥沙量、徑流強(qiáng)度、徑流系數(shù)等，其中徑流強(qiáng)度是坡面侵蝕過程中徑流量與產(chǎn)流時(shí)間的比值[13]。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，不同坡度條件下徑流強(qiáng)度變化趨勢(shì)基本相一致，坡面徑流在降雨、土壤前期含水量、地表覆蓋等基本相同條件下，主要受地表坡度決定的承雨量大小所控制，同時(shí)在降雨過程中也受到雨滴能量、坡面水流入滲和坡面侵蝕狀況等因素的影響，前期降雨后的土壤具有相對(duì)較高的含水量，坡面降雨入滲相對(duì)較弱，而水分的消散作用對(duì)土壤結(jié)構(gòu)也造成一定程度的破壞，這些因素都導(dǎo)致土壤滲透能力進(jìn)一步下降，從而使得徑流強(qiáng)度隨坡度增大而呈減小趨勢(shì)。而平均入滲率隨坡度的增大表現(xiàn)為先增大后減小趨勢(shì)，這說明坡度對(duì)水分入滲有一定的促進(jìn)作用，但是這種作用可能在一定的范圍內(nèi)成立[12]。而坡度變化對(duì)降雨入滲過程的作用機(jī)理比較復(fù)雜：首先，穩(wěn)定入滲水流的主要通道是土壤中較大的非毛管孔隙和部分毛管孔隙，雨滴動(dòng)能隨之增大，坡面水深增加，地表水層的壓力和雨滴打擊對(duì)入滲水體產(chǎn)生的擠壓力都相應(yīng)增大；尤其是雨滴打擊所產(chǎn)生的擠壓力不僅可以加速入滲水流的運(yùn)動(dòng)速度，也可以使部分靜止的毛管水加入到入滲水流中[12]。因此，降雨強(qiáng)度的增大可以起到增加土壤入滲的作用；其次，可能與土壤在降雨過程中的結(jié)皮形成機(jī)理及坡面侵蝕發(fā)展過程有關(guān)：當(dāng)坡度較小時(shí)，雨滴的垂直下落對(duì)土壤表面施加打擊力的角度比較大，容易形成結(jié)構(gòu)性結(jié)皮；同時(shí)，由于坡面水流流速慢，被分散的細(xì)小顆粒更易于隨水分入滲而淋入下層土壤，形成沉積結(jié)皮[14-15]。以上兩個(gè)過程使得坡度小的坡面結(jié)皮層厚度和硬度都發(fā)育的比較完全，由此可以導(dǎo)致入滲率降低，坡面平均入滲率可能存在一個(gè)入滲量變化的臨界坡度，對(duì)此還需通過更多野外和室內(nèi)試驗(yàn)作進(jìn)一步研究和驗(yàn)證。

坡度是影響坡面土壤侵蝕的主要地形因子，大量觀測(cè)資料表明[16-17]，在我國(guó)主要水蝕區(qū)，土壤侵蝕量與坡度呈顯著的正相關(guān)關(guān)系。坡面侵蝕量并不隨著坡度的增長(zhǎng)而持續(xù)增加，而是存在一個(gè)侵蝕量發(fā)生變化的臨界坡度，由于試驗(yàn)方法和土壤性質(zhì)的差異，不同研究得出的臨界坡度差異較大。陳曉安等[18]通過坡面流切應(yīng)力、土壤的抗沖蝕能力、坡面流速等數(shù)據(jù)，理論推導(dǎo)得出土壤侵蝕的臨界坡度在41.5°～50.0°；水建國(guó)等[19]對(duì)浙江省紅壤丘陵區(qū)坡耕地徑流小區(qū)1987—2000年的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，紅壤坡地的土壤侵蝕量與坡度呈極顯著的對(duì)數(shù)正相關(guān)，土壤坡度每增加1度，全年土壤侵蝕量將遞增120 t/km2。本研究中不同坡度下徑流量均隨降雨歷時(shí)呈“增加—穩(wěn)定”趨勢(shì)(單峰曲線，拋物線規(guī)律)，在整個(gè)降雨過程中，徑流量隨坡度的增加而增加，在0～20 min內(nèi)，徑流量隨降雨歷時(shí)的增加陡然上升趨勢(shì)，20～40 min，不同坡度條件下土壤泥沙侵蝕量均達(dá)到最大值，40 min以后泥沙侵蝕量隨降雨歷時(shí)的增加呈現(xiàn)基本平穩(wěn)趨勢(shì)，當(dāng)坡度由5°增大到30°時(shí)，泥沙侵蝕量逐漸增加，并沒有出現(xiàn)臨界坡度，有可能在30°以上。隨著坡度的增加，徑流重力在斜坡方向上的分力增大從而加快了徑流的速度，使擊濺雨滴沿坡面向下落得更遠(yuǎn)，有利于增加徑流，坡度愈大，坡面土體受到斜坡重力切向分力愈大，坡面上土體不穩(wěn)定性愈大，在外力作用下發(fā)生下移的可能性變大，因此侵蝕產(chǎn)沙量變化總體趨勢(shì)是隨坡度增大而增大。

有研究指出模擬降雨對(duì)土壤養(yǎng)分的影響主要是通過降低土壤侵蝕和改變理化性質(zhì)實(shí)現(xiàn)的，而模擬降雨對(duì)土壤養(yǎng)分的富集主要是其固定效應(yīng)和保蓄效應(yīng)綜合作用的結(jié)果[20-21]。結(jié)合本試驗(yàn)的研究結(jié)果來看，侵蝕泥沙養(yǎng)分含量在不同坡度下的整個(gè)產(chǎn)流過程中，侵蝕泥沙DP，K+，SEP和SEK含量隨著坡度的增加而增加。相關(guān)性分析可知，不同坡度條件下，泥沙量與侵蝕泥沙中養(yǎng)分的含量均存在不同程度的正相關(guān)關(guān)系，其中坡面坡度為20°、25°和30°時(shí)，侵蝕泥沙養(yǎng)分含量與泥沙流失量間的相關(guān)性明顯優(yōu)于其他坡度，說明侵蝕泥沙量的增加會(huì)引起泥沙中各種類養(yǎng)分含量的增加效應(yīng)，而隨著坡度的增加，侵蝕泥沙量與侵蝕泥沙中養(yǎng)分的含量并非均顯示出更進(jìn)一步的相關(guān)性。然而，模擬降雨與土壤溶質(zhì)遷移關(guān)系的研究只是初步結(jié)果，模擬降雨對(duì)坡面侵蝕的影響較為復(fù)雜，模擬降雨對(duì)坡面土壤溶質(zhì)向徑流釋放機(jī)理影響及其動(dòng)力學(xué)機(jī)制還有待深入研究。

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ResearchonSlopeRunoff,SedimentandPandKLossCharacteristicsonSlopeswithDifferentGradientsUnderArtificialSimulationofRainfall

CHEN Cheng1, HAO Zhibang2

(1.YellowRiverConservancyInstitute,Kaifeng,He′nan475004,China;2.RiverManagementOfficeofZiyaRiverinHebeiProvince,Hengshui,Hebei053000,China)

Simulated rainfall experiments were conducted to investigate the effect of slope gradients on characteristics of runoff, sediment and nutrient losses. The results showed that the runoff occurring times shortened with the increase of slope gradients, and the initial runoff time ranged from 0.63 minute to 1.62 minutes, which indicated that the runoff time shortened with the increase of slope gradients. For the different slope gradients, the runoff intensity increased with the increase of rainfall time, which tended to be stable after 20 minute rainfall and followed the power function, while the average infiltration rate decreased with the increase of rainfall time, which tended to be stable after 20 minute rainfall and followed the logarithmic function. Sediment yields on slope increased with the increase of slope gradients, in 0～20 minutes, the sediment yields on the slope increased with the increase of rainfall time, which were the highest during 20～40 minutes, and tended to be stable after 40 minutes. The contents of DP, K+, SEP and SEK increased with the increase of rainfall time. There were the varying degrees of positive correlation between sediment yields and nutrient contents on the slope, and the correlation coefficients in the slope gradients of 20°, 25° and 30° were much higher than those in the slope gradients of 5°, 10° and 15°, which implied that sediment yield on the slope could cause the increase of various kinds of nutrients, while sediment yields and nutrient contents on the slope had no further correlation with the increase of slope gradient.

artificial simulation of rainfall; slope gradient; runoff and sediment; nutrient loss

2016-03-28

：2016-04-09

國(guó)家自然科學(xué)基金—河南省人才培養(yǎng)聯(lián)合基金項(xiàng)目(U1304503);河南省高等學(xué)校青年骨干教師資助計(jì)劃資助項(xiàng)目(2011GGJS-188)

陳誠(chéng)(1972—),男，江西東鄉(xiāng)人,碩士,副教授,研究方向:水利工程安全評(píng)價(jià)、農(nóng)業(yè)水利、土壤等研究。E-mail:Chencheng_72@163.com

S157.1；X14

：A

：1005-3409(2017)02-0070-07