紅壤坡面降雨侵蝕與水文過程研究

呂殿青，劉小梅，王 輝，侯旭蕾，劉 春

(1.湖南師范大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，中國 長沙 410081;2.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，中國 長沙 410128)

我國南方紅壤主要集中在低山丘陵坡度為6～15°的緩坡地帶［1］，總面積約54.11萬km2，占全國土地總面積的5.64%［2］.由于該區(qū)人多地少，暴雨較多，加之居民對土地資源的不合理利用及對下墊面植被的破壞，在天然降雨的沖刷下，水土流失極易發(fā)生，對該區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與生態(tài)安全帶來嚴(yán)重的影響［3］.

近年來，國內(nèi)學(xué)者已經(jīng)對紅壤地區(qū)產(chǎn)流產(chǎn)沙規(guī)律做了大量研究工作，取得許多重要進(jìn)展［4-7］.但關(guān)于紅壤地區(qū)坡面土壤在下墊面產(chǎn)生壤中流和不產(chǎn)生壤中流兩種情況下產(chǎn)沙、產(chǎn)流和入滲的規(guī)律對比研究較少，在該區(qū)域這兩種情況下由降雨引起的侵蝕危害程度也難以做出確切的評價.因此，通過室內(nèi)降雨試驗，模擬紅壤地區(qū)裸坡有無壤中流兩種情況，研究坡面降雨入滲和侵蝕的變化規(guī)律，為我國紅壤地區(qū)降水時空分配提供一定的理論基礎(chǔ).

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗供試土壤采自湖南省長沙市東郊瀏陽河大橋附近，屬于第四紀(jì)紅粘土母質(zhì)發(fā)育的紅壤，其砂粒、粉粒和粘粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為23.3%、30.6%和46.1%，該土壤類型為粘土，富含鐵、鋁氧化物，呈酸性，一般具有粘性較高、吸水性強(qiáng)、但田間持水性不高的特點(diǎn).試驗用土過10 mm篩，自然風(fēng)干至初始含水量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)為15%，初始裝土容重為1.1 g/cm3，樣品土壤原有自然結(jié)構(gòu)被破壞，屬于被擾動土壤.

1.2 試驗裝置及設(shè)計

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，該設(shè)備由供水、穩(wěn)壓、降雨3個子系統(tǒng)構(gòu)成.降雨高度為7 m，雨滴有效降落高度為6.5 m，有利于保證雨滴降落的最終速度，滿足天然降雨的特性［8］.設(shè)計降雨強(qiáng)度為80 mm/h，由于受試驗側(cè)噴式設(shè)備及外界條件的限制，降雨均勻度在75%以上，實(shí)際降雨強(qiáng)度80～85 mm/h，降雨時間為60 min.試驗土槽采用的尺寸規(guī)格為:長×寬×高為200 cm×30 cm×30 cm，坡度設(shè)計為15°.有壤中流產(chǎn)生的土槽上面末端和下面末端都設(shè)置了簸箕型集水口，上端集水口用于收集地表徑流，下端集水口用于收集產(chǎn)生的壤中流.無壤中流產(chǎn)生的土槽只在上面末端設(shè)置了簸箕型集水口，用于收集地表徑流.每個試驗重復(fù)2次，取平均值進(jìn)行計算和分析.

1.3 試驗過程

1.3.1 裝土過程 在有壤中流試驗設(shè)置的土槽里均勻填裝3 cm天然細(xì)沙，鋪上透水紗布，模擬天然透水層，便于壤中流出流.其上再填裝27 cm的供試土壤.無壤中流試驗設(shè)置的土槽底部只鋪設(shè)透水紗布，在其上填裝30 cm的試驗用土.為保證試驗土壤容重均勻，根據(jù)設(shè)定好的土壤含水量和容重采取分層填裝的方法，每5 cm一層，邊填充、邊壓實(shí)，為防止土層之間出現(xiàn)分層現(xiàn)象，在填裝上層土之前進(jìn)行打毛.為防止延長初始產(chǎn)流時間，表層土壤與槽口必須處于同一水平位置.最后用塑料薄膜覆蓋土壤表層，以防試驗降雨之前表層土壤由于水分蒸發(fā)前期含水量降低.

1.3.2 降雨產(chǎn)流過程 每場試驗均是先按實(shí)際雨強(qiáng)降落10 min，待降雨均勻后，揭開塑料薄膜開始試驗，記下時間并密切關(guān)注降雨過程中坡面表層土壤的變化.降雨產(chǎn)流后，記錄開始產(chǎn)流時間，地表徑流第1～5個樣品間隔1 min;第6～10個樣品間隔2 min;第11個樣品之后間隔5 min.壤中流的取樣時間均間隔1 min，兩種產(chǎn)流方式接樣時間均為1 min，至試驗結(jié)束.試驗結(jié)束后，測得每個徑流泥沙樣的質(zhì)量，用烘干法測出徑流含沙量，計算出相應(yīng)的徑流量，并且記錄每次試驗的泥沙、徑流總量.

1.3.3 雨后采樣 降雨結(jié)束后，對試驗土壤進(jìn)行破壞性采樣，坡深每5 cm一層，每層分別在坡長5、25、50、75、100、125、150、175、195 cm，坡寬5、15、25 cm 處用鋁盒采樣.每土槽合計采樣 162 處，測得土壤含水量，用以分析降雨過程中土壤水分分布狀況.

2 結(jié)果與分析

2.1 紅壤坡面產(chǎn)流過程

坡面的產(chǎn)流形式主要包括地表徑流和壤中流［9］.當(dāng)降雨強(qiáng)度大于入滲強(qiáng)度或較薄土層中儲水飽和后，多余的降水沿坡地表面土層側(cè)向流動，形成地表徑流;壤中流主要發(fā)生在上層透水和下層相對透水性較弱的土層界面，當(dāng)上層土壤儲水滿足后就形成臨時飽和帶內(nèi)的非毛管孔隙中側(cè)向運(yùn)動的水流即壤中流，它的運(yùn)動服從達(dá)西定律.通常壤中流匯流速度比地面徑流慢，但它的形成影響著地表徑流.

圖1描述了有無壤中流兩種情況下，坡面地表徑流和壤中流產(chǎn)流強(qiáng)度隨降雨時間的變化過程.由圖1可知，有壤中流的初始產(chǎn)流時間在32 min左右，無壤中流的初始產(chǎn)流時間在20 min左右，有壤中流的初始產(chǎn)流時間比無壤中流坡面慢了約13 min，說明壤中流的產(chǎn)生有延緩地表徑流產(chǎn)流的作用.從產(chǎn)流過程來看，無壤中流時，地表徑流產(chǎn)流強(qiáng)度前期增加趨勢較緩慢，降雨后期產(chǎn)流強(qiáng)度呈波動上升的變化，產(chǎn)流強(qiáng)度達(dá)到峰值.有壤中流時，地表徑流產(chǎn)流強(qiáng)度迅速增加直到峰值，在末段產(chǎn)流強(qiáng)度出現(xiàn)上下波動，整體上大于無壤中流.對比分析地表徑流與壤中流可以發(fā)現(xiàn)，壤中流的初始產(chǎn)流時間滯后于地表徑流，產(chǎn)流強(qiáng)度也遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于地表徑流.壤中流是一條變化平緩的曲線.土壤蓄水達(dá)到飽和后開始產(chǎn)生壤中流，下滲速度已基本趨于穩(wěn)定，因此壤中流流量變化較小.對整個過程中地表徑流和壤中流總量進(jìn)行分析，無壤中流試驗條件下地表徑流總量占總降雨量的16.43%;有壤中流情況下地表徑流總量占總降雨量19.44%，壤中流徑流量占降雨總量的2.82%.因為有壤中流情況時，土槽底部留有集水口，上下土壤層之間空氣流通，水分向下運(yùn)動過程中擠壓土壤空氣，壓強(qiáng)逐漸變大，下層空氣對水分子存在向上的支持力，阻礙了水分的下滲，大部分水分在上層積聚，進(jìn)而上層土壤易于達(dá)到飽和，相應(yīng)的地表產(chǎn)流比例增加，壤中流比例會減少.

2.2 紅壤坡面產(chǎn)沙過程

流域產(chǎn)沙過程是很復(fù)雜的［10］，有壤中流和無壤中流兩種條件的不同導(dǎo)致坡面入滲性能和土壤穩(wěn)定性差異很大，從而改變產(chǎn)流規(guī)律，進(jìn)而影響坡面侵蝕產(chǎn)沙特性［11］.由圖2可知，單位時間侵蝕產(chǎn)沙強(qiáng)度隨著產(chǎn)流時間的增加逐漸增加，在產(chǎn)流開始后10 min侵蝕產(chǎn)沙強(qiáng)度較小，均值約為1.0 g·min－1左右，之后侵蝕產(chǎn)沙量迅速增加，后期具有一定的波動性.對比兩種情況可以看出，在降雨時間內(nèi)無壤中流單位時間的侵蝕產(chǎn)沙量總體要大于有壤中流的侵蝕產(chǎn)沙量.從侵蝕產(chǎn)沙量變化范圍來看，無壤中流的侵蝕產(chǎn)沙量為0.09～7.41 g·min－1，有壤中流的侵蝕產(chǎn)沙量為0.23～9.17 g·min－1，除了峰值外，有壤中流的侵蝕產(chǎn)沙強(qiáng)度比無壤中流穩(wěn)定.表明壤中流的產(chǎn)生減小了降水對坡面侵蝕的作用.其原因主要是因為在降雨初期土壤的降雨強(qiáng)度小于入滲強(qiáng)度，降水以入滲為主，產(chǎn)流強(qiáng)度較小，徑流搬運(yùn)泥沙能力有限.隨著入滲的進(jìn)行，降雨強(qiáng)度逐漸大于入滲強(qiáng)度，產(chǎn)流強(qiáng)度開始增加，徑流搬運(yùn)能力也隨之增加，產(chǎn)沙強(qiáng)度迅速加大.土壤含水量也逐漸增加達(dá)到飽和，開始產(chǎn)生壤中流，下端無開口的土槽壤中流儲存在土層中，下端開口的土槽壤中流以徑流的形式流出，上層土壤水流以穩(wěn)定的速度往下運(yùn)動，這樣降水就以恒定的速率下滲.就地表徑流而言，無壤中流時總產(chǎn)沙量為109.22 g，有壤中流的總產(chǎn)沙量為110.35 g.這是因為坡面產(chǎn)流是坡面產(chǎn)沙的主要動力，產(chǎn)沙量多少和產(chǎn)流量呈正比，因此有壤中流情況的坡面產(chǎn)流強(qiáng)度大于無壤中流情況，相應(yīng)的產(chǎn)沙強(qiáng)度也大于無壤中流.

圖1 地表徑流和壤中流產(chǎn)流強(qiáng)度隨降雨歷時變化Fig.1 Changes of runoff intensity of surface runoff and interflowwith precipitation time

圖2 坡面產(chǎn)沙強(qiáng)度隨降雨歷時變化Fig.2 Changes of intensity of sediment yield on slope with precipitation time

2.3 紅壤坡面入滲過程

土壤入滲是指降雨落到地面上的雨水從土壤表面滲入形成土壤水的過程，它是降雨-徑流循環(huán)中的關(guān)鍵一環(huán)，是降水、地表水、土壤水和地下水相互轉(zhuǎn)化過程中的一個重要環(huán)節(jié)［12］.土壤平均入滲率是指一次降雨過程中(包括產(chǎn)流前)單位時間降雨的入滲量［13］.水分入滲受土壤滲透性能控制，壤中流的產(chǎn)生影響降雨的入滲能力［14］.圖3描述了有無壤中流情況下坡面土壤平均入滲率隨降雨歷時的變化.可以看出，兩種不同產(chǎn)流條件下，坡地土壤入滲率隨降雨歷時的延長而降低，開始時無壤中流的下滲速率為1.34 mm·min－1，有壤中流的下滲滲速率為1.09 mm·min－1.無壤中流的初滲速率比有壤中流大0.25 mm·min－1.主要是因為有壤中流的土槽上下相通，開始下滲率較小，導(dǎo)致表層土壤毛管孔隙小下滲慢，這和周金龍［15］等人研究得出土壤的孔隙結(jié)構(gòu)對降雨入滲起決定性作用具有一致性.毛管孔隙的變化又會改變土壤容重，進(jìn)而影響水分的下滲.呂殿青［16］等人研究得出隨著容重的增大，平均孔隙流速呈冪函數(shù)遞減.有壤中流的地表徑流在50～60 min時平均入滲率有增加的趨勢.隨著入滲的進(jìn)行，上層土壤逐漸達(dá)到飽和，開始產(chǎn)生壤中流，使得有壤中流的地表平均入滲率在降雨后期逐漸增加，這是由于壤中流的產(chǎn)生加速了降雨入滲.壤中流的初始入滲速率為1.2 mm·min－1，試驗結(jié)束時的入滲率為1.1 mm·min－1，整個試驗過程中，壤中流的平均入滲率相對地表徑流來說變化幅度小.因為壤中流是在土壤達(dá)到飽和后產(chǎn)生的，此時的下滲速率基本穩(wěn)定.

2.4 紅壤坡面水分分布及其變異狀況

降雨過程中不同的下墊面條件對土壤含水量有一定的影響，圖4描述了兩種情況下土壤含水量隨坡深的變化.圖4中不同坡深處的含水量是整層坡面取樣的平均值.根據(jù)土壤含水量、容重與土壤蓄水量之間的關(guān)系，利用公式:Wρ=θi×h×ρ(Wρ為土壤蓄水量，θi為土壤質(zhì)量含水率，h為土壤蓄水量的厚度，ρ為土壤容重)，計算出各層的土壤蓄水量，其隨坡深的變化如圖4.結(jié)果顯示:無壤中流表層5 cm內(nèi)土壤蓄水量小于有壤中流，并且在此深度內(nèi)兩種情況的含水量隨著坡深增加逐漸減小，在5～25 cm，含水量與坡深呈正比.5 cm以下的各個坡深處的含水量大于有壤中流，有壤中流在10 cm內(nèi)隨著坡深的增加逐漸減小，10～25 cm內(nèi)隨著坡深的增加呈波動增加趨勢.因為紅壤的產(chǎn)流機(jī)制是超滲產(chǎn)流與蓄滿產(chǎn)流兩種方式，不同于其他地區(qū)的超滲產(chǎn)流，所以含水量隨著深度的增加先減小后又逐漸增大.

圖3 坡面土壤平均入滲率隨降雨歷時變化Fig.3 Changes of soil average infiltration on slope with precipitation time

圖4 土壤含水量隨坡深變化Fig.4 Changes of soil water contents with soil depth

從表1可見，各層土壤含水量的變異系數(shù)為0.000 2～0.000 8.一般認(rèn)為，Cv＜0.1為弱變異性，0.1≤Cv≤1為中等變異性，Cv＞1為高度變異性［17］，因此兩種情況下的含水量變異均為弱變異性.有壤中流的變異系數(shù)幅度大于無壤中流，較大變異主要集中在15～30 cm處.這主要是由于有壤中流土槽下端開口，下滲土壤水以壤中流的形式流出，土壤蓄水能力相對較弱.無壤中流土槽下端不開口，下滲水流在土槽底部不斷的積累，形成蓄滿產(chǎn)流，這樣就使得兩種情況下的土壤含水量最值相差很大.

表1 土壤含水量垂直坡面統(tǒng)計特征值Tab.1 Statics characteristic values of soil water contents on vertical slope

3 結(jié)論

在60 min的降雨時間內(nèi)，通過對有無壤中流兩種情況下的產(chǎn)流、產(chǎn)沙、入滲過程及坡面土壤水分空間變異性的分析，得出:

(1)有壤中流的初始產(chǎn)流時間比無壤中流坡面慢了約13 min，無壤中流時，地表徑流產(chǎn)流強(qiáng)度前期增加趨勢較緩慢，降雨后期產(chǎn)流強(qiáng)度呈波動上升變化;有壤中流時，地表徑流產(chǎn)流強(qiáng)度迅速增加直到峰值，整體上大于無壤中流.壤中流相對于地表徑流來說，初始產(chǎn)流時間滯后于地表徑流，產(chǎn)流強(qiáng)度也遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于地表徑流.

(2)從侵蝕產(chǎn)沙量變化范圍來看，無壤中流的侵蝕產(chǎn)沙量變化范圍為0.09～7.41 g·min－1，有壤中流的侵蝕產(chǎn)沙量為0.23～9.17 g·min－1.除了峰值外，有壤中流的侵蝕產(chǎn)沙強(qiáng)度比無壤中流穩(wěn)定.

(3)兩種不同產(chǎn)流條件下，坡地土壤入滲率隨降雨歷時的延長而降低，無壤中流的初滲速率比有壤中流大0.25 mm·min－1，有壤中流的地表徑流在50～60 min時平均入滲率有增加的趨勢，壤中流的平均入滲率相對地表徑流來說變化幅度小.

(4)無壤中流表層5 cm內(nèi)含水量小于有壤中流，在5～25 cm，含水量隨坡深增加逐漸增加.5 cm以下的各個坡深處的含水量大于有壤中流，有壤中流在10 cm內(nèi)隨著坡深逐漸減小，10～25 cm內(nèi)隨著坡深逐漸增加.各層土壤水分都屬于弱變異.有壤中流的變異系數(shù)幅度大于無壤中流，較大變異主要集中在15～30 cm處.

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