模擬降雨下凍融作用對坡面侵蝕過程的影響

王飛超, 任宗萍, 李 鵬, 李占斌,2, 王 添, 李 林, 馬田田

(1.西安理工大學(xué) 西北旱區(qū)生態(tài)水利工程國家重點實驗室培育基地, 西安 710048;2.中國科學(xué)院 水利部 水土保持研究所 黃土高原與旱地農(nóng)業(yè)國家重點實驗室, 陜西 楊凌 712100)

世界性的土壤侵蝕問題是造成生態(tài)環(huán)境惡化的主要原因，嚴重威脅著人類的生存與發(fā)展。土壤在凍融的作用下所發(fā)生的一種土壤侵蝕現(xiàn)象叫做凍融侵蝕，是一種重要的土壤侵蝕類型。我國凍土面積約75%，凍融侵蝕廣泛分布[1]。凍融是指土層由于溫度降到零度以下和升至零度以上而產(chǎn)生凍結(jié)和融化的一種物理地質(zhì)作用和現(xiàn)象，冬季凍結(jié)，夏季消融[2]。Kirby和Mehuy發(fā)現(xiàn)，溫帶地區(qū)50%以上的年土壤流失量都發(fā)生在凍土層解凍時期[3]。土壤經(jīng)過凍融作用，在水力的復(fù)合作用下，加快了土壤流失的速度，其作用遠遠超過其自身的危害。凍融作用發(fā)生的條件，一是年內(nèi)低于0℃氣溫的時間段足以使地球表層中積聚的水體完全凝結(jié)成冰，高于0℃氣溫的時間段能夠使上述冰體完全消融；二是具備一定的降水量,使土壤具有一定的含水量，作為凍融作用的驅(qū)動主體。黃土高原丘陵溝壑區(qū)處于溫帶,年0℃以下天數(shù)有105～125 d/a,大致是年總天數(shù)的1/3左右，年平均降雨量主要在300～600 mm/a,而汛期降雨量達到全年的70%以上。顯然,研究區(qū)具備凍融侵蝕作用發(fā)生的氣候條件。一些研究學(xué)者對凍融對土壤的物理性質(zhì)進行了研究，國內(nèi)外一些研究學(xué)者對凍融對土壤物理性質(zhì)進行了研究，李強等[4]研究表明凍融作用改變了土壤的物理性質(zhì)，使土體的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性有所降低；LEHRSCHG[5]研究表明凍融作用使大團聚體被破碎成小團聚體從而使其穩(wěn)定性降低；另外一些學(xué)者將凍融作用對水力傳導(dǎo)度[6-7]、土壤容重[8-9]、土壤水穩(wěn)定性團聚體[10-11]進行了研究。在可蝕性條件下，土壤結(jié)構(gòu)發(fā)生改變必然會改變土壤侵蝕的能力。一些學(xué)者對凍融對水蝕作用的影響進行了研究，Sharratt等[12]對春季融化后的坡面進行了徑流沖刷試驗，結(jié)果表明凍融后土壤的剝蝕率增強；李占斌等[13]對凍融后的黃土坡面進行了模擬降雨試驗，發(fā)現(xiàn)在凍融坡面在較小的徑流量下會產(chǎn)生較大的土壤侵蝕；魏霞等[14]對交替凍融后的淋溶土進行了模擬降雨試驗，研究表明交替凍融作用都可以使產(chǎn)流產(chǎn)沙強度增大，且產(chǎn)沙強度的增大幅度大于產(chǎn)流強度。以上研究表明凍融作用對土壤結(jié)構(gòu)及侵蝕過程有著重要影響，因此探討凍融作用后坡面的侵蝕過程影響是相關(guān)學(xué)者關(guān)注的焦點之一。

本文基于人工模擬降雨試驗，選取未凍融和凍融坡面兩種處理，對比分析了凍融前后侵蝕過程及可蝕性，以期為完善凍融作用對坡面侵蝕的機理提供一定的參考價值。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

本試驗所采用針管式模擬降雨裝置。坡面實體模型為木質(zhì)土槽，土槽長0.9 m、寬0.45 m、高0.15 m[13]。本試驗研究區(qū)位于陜北黃土高原丘陵溝壑區(qū)，該區(qū)土壤屬于黃綿土，西安近郊土壤屬黃墡土，黃墡土在土類上屬于黃綿土，因此將西安郊區(qū)用土作為供試土壤。試驗開始前在土槽底部鋪一層紗布，再裝入2 cm厚的天然沙，以保證試驗用土的透水性與天然坡面接近。然后將過1 cm孔篩的黃土分層填入10 cm厚的黃土，將容重控制在(1.2±0.5)g/cm3左右，初始含水量控制在(15.0±1.0)%左右。然后用測定容重的環(huán)刀取采集2個樣品待測。試驗凍土裝置采用澳柯瑪DW·40 W300超低溫冰箱，凍結(jié)溫度為-10～-40℃，外形尺寸為1.15 m×0.72 m×0.84 m(長×寬×高)。

1.2 試驗設(shè)計

試驗于2015年4月21日至29日在西北水資源與環(huán)境生態(tài)教育部重點實驗室雨洪侵蝕大廳進行。將填土后的土槽及容重樣品放入凍土裝置，在-18℃環(huán)境下凍結(jié)12 h，然后放在室內(nèi)解凍12 h。室內(nèi)模擬降雨試驗分為未凍融和凍融坡面模擬降雨試驗兩個階段，降雨歷時60 min。每組試驗重復(fù)3次，分析數(shù)據(jù)為其平均值。試驗設(shè)計坡度為12；雨強為(1.0±0.05)mm/min[13]，均勻度均大于80%。然后用水準儀對坡面進行校正并率定模擬降雨雨強，當(dāng)雨強滿足試驗要求后，開始降雨。坡面出水口開始產(chǎn)流后，渾水樣品每分鐘收集一次，采用烘干法和置換法得到到徑流量和產(chǎn)沙量。

1.3 數(shù)據(jù)分析及處理方法

根據(jù)實時檢測的雨強和徑流資料，坡面平均入滲率按照如下公式反推計算[13]：

fi=(Ptcosα-10R/S)/t

式中:fi表示坡面平均入滲率(mm/min)；P表示降雨強度(mm/min)；α表示坡度(°)；R表示降雨時間t內(nèi)產(chǎn)生的徑流量(ml)；S表示實際承雨面積(cm2)；t表示降雨時間(min)。

土壤孔隙度公式為[15]：

P=93.947-32.995ρ

式中：其中P表示土壤孔隙度(%)；ρ表示土壤容重(g/cm3)。

2 結(jié)果與分析

2.1 凍融作用對坡面產(chǎn)流所需時間的影響

坡地產(chǎn)流時刻綜合說明了產(chǎn)流前坡地土壤物理狀況存在差異[16]。土壤物理特性的差異可通過模擬降雨下產(chǎn)流時間來表示。凍融作用對坡地降雨—入滲—產(chǎn)流過程有著重要的影響，隨土壤物理性質(zhì)和前期含水量的變化，裸地土壤產(chǎn)流時刻表現(xiàn)最為明顯[26]。凍融作用影響土壤容重[17-18]和滲透性[18-19]，進而影響著坡面的產(chǎn)流時間，入滲產(chǎn)流過程，尤其裸地的土壤物理性質(zhì)對坡面產(chǎn)流時間的表現(xiàn)最為顯著[20]。

表1 凍融前后土壤容重、孔隙度及產(chǎn)流時間統(tǒng)計特征

由表1可以看出，在凍融過程中，土壤外部環(huán)境的改變影響土壤內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化[20]。相比于未凍融坡面產(chǎn)流所需時間，解凍坡面的所需產(chǎn)流時間增加了24.39%，凍融作用對坡面的產(chǎn)流時間有重要影響；與對照組土壤容重和孔隙度相比，經(jīng)過凍融作用后土壤容重降低了了3%，孔隙度增大了2.98%，均達到顯著差異水平(p<0.01)。李強[4]在野外觀測了凍融前后土壤相關(guān)物理性質(zhì)的差異，結(jié)果同樣表明凍融作用對土壤容重沒有產(chǎn)生顯著性影響。土壤容重越小，土壤入滲速率越大，產(chǎn)流歷時越晚[21]。

凍融交替作用會對土壤內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的影響，進而使土壤容重和孔隙度有所變化。土壤在凍結(jié)過程中液體水向固體冰晶轉(zhuǎn)化的過程中，造成土壤體積膨脹，使土壤顆粒發(fā)生一定的位移，造成土壤孔隙度增大，產(chǎn)流時間延遲。

2.2 凍融作用對坡面徑流入滲過程的影響

坡面產(chǎn)流入滲的關(guān)系由降雨和下墊面條件因素共同決定，不同的下墊面條件，坡面徑流率隨時間的變化過程也不同。土壤入滲率是表征土壤入滲狀況的一個重要指標[6]，當(dāng)下墊面條件(容重、初始含水量等)有一定的差異時，入滲特性也隨之變化。圖1為凍融與未凍融條件下坡面產(chǎn)流和入滲的過程曲線。

圖1不同凍融條件下徑流率-入滲率隨降雨歷時的變化

由圖1可知在兩種不同凍融條件下徑流率隨降雨歷時的延續(xù)先增加而后趨于穩(wěn)定。未凍融坡面在產(chǎn)流后12 min內(nèi)徑流率迅速增加，14～60 min內(nèi)徑流率緩慢增長并趨于穩(wěn)定。凍融坡面在產(chǎn)流后10 min內(nèi)徑流率迅速增加，12～60 min內(nèi)凍融坡面的產(chǎn)流率徑流率趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定中微小有波動，從圖1上看未凍融坡面徑流率大于凍融坡面的徑流率。凍融作用后，前10 min內(nèi)凍融坡面的產(chǎn)流率減小了10.59%。

未凍融坡面與凍融坡面徑流率變化特征呈現(xiàn)迅速上升—穩(wěn)定的過程。上升是因為降雨初期在雨滴打擊作用下土粒容易分散成細顆粒，在徑流作用下填塞土壤孔隙，借助于雨滴夯實作用逐漸形成一層致密層(結(jié)皮)，入滲降低，徑流強度隨著增大；穩(wěn)定是因為隨著降雨歷時的延長土壤的入滲率達到穩(wěn)定，故徑流率過程平緩下來。凍融坡面和未凍融坡面產(chǎn)流過程的變化與王輝等[16]研究結(jié)果一致。未凍融坡面大于凍融坡面的總徑流量。經(jīng)過凍融作用土壤孔隙度增大，凍融土壤的入滲率較大徑流量較小，這可能與坡面入滲特性有關(guān)，這一結(jié)論與李占斌等[16]研究結(jié)果一致。

兩種不同坡面的入滲特征，入滲率隨降雨量的增加而緩慢降低并趨于平穩(wěn)，由于下墊面條件的不同，土壤的初始物理狀況存在較大差異。凍融坡面的入滲率為0.50～0.88 mm/min，穩(wěn)定入滲率為0.56 mm/min；未凍融坡面入滲率范圍為0.46～0.86 mm/min，穩(wěn)定入滲率為0.52 mm/min。凍融作用下土壤孔隙度增大會增大降雨的入滲量，減小地表徑流。

2.3 凍融作用對坡面產(chǎn)沙過程的影響

通過比較未凍融和凍融坡面的土壤流失量隨降雨歷時的變化(圖2)，侵蝕率隨降雨量的增加先迅速上升，后逐漸趨于平穩(wěn)降低，侵蝕量大小表現(xiàn)為：凍融坡面>未凍融坡面。

圖2不同條件下侵蝕率隨降雨量的變化

從侵蝕總量上看凍融坡面的產(chǎn)沙是未凍融坡面總產(chǎn)沙量的0.9倍。經(jīng)過凍融作用降雨徑流減小，入滲增大，而產(chǎn)沙量增大，說明凍融坡面即使在較小徑流下也能產(chǎn)生較大的泥沙,由于凍融坡面土壤容重降低，孔隙度變大，造成土壤的抗剪強度和抗蝕能力下降[18-19]。在產(chǎn)流后10～36 min內(nèi)未凍融坡面的侵蝕量占總侵蝕量的45%，凍融坡面的侵蝕量占總侵蝕量的50%，主要產(chǎn)沙時間提前。凍融坡面的侵蝕率呈現(xiàn)上升—下降—平穩(wěn)過程，上升是因為在降雨初始階段，坡面表層比較疏松，在雨滴的擊濺作用下土粒分散，一部分土粒飛濺到坡面外，另一部分發(fā)生遷移沉降落到坡面上，在坡面堆積松散的顆粒，當(dāng)坡面開始產(chǎn)流后這些松散的顆粒被薄層水流挾帶搬運至出口，此時侵蝕速率迅速上升。上升是因為土壤松散主要產(chǎn)沙時間提前，徑流穩(wěn)定趨勢趨于平穩(wěn)。

2.4 凍融作用對坡面累計產(chǎn)流產(chǎn)沙過程的影響

在分析不同凍融條件下徑流、產(chǎn)沙以及降雨入滲規(guī)律的基礎(chǔ)上，將凍融坡面和未凍融坡面侵蝕過程中累計產(chǎn)沙量與徑流量進行了擬合，發(fā)現(xiàn)兩種坡面類型下累計產(chǎn)沙量與徑流量均呈線性增加趨勢，符合方程y=ax-b(y為累計產(chǎn)沙量，x為徑流量)，相關(guān)系數(shù)均在0.99以上。結(jié)合數(shù)學(xué)概念分析和實際物理意義得知，系數(shù)a則更多地體現(xiàn)了不同下墊面條件下的產(chǎn)沙能力。在凍融坡面和未凍融坡面下凍融坡面的系數(shù)a要大于未凍融坡面，因此產(chǎn)沙其產(chǎn)沙能力就大。線性關(guān)系式中凍融與未凍融系數(shù)a的比值為0.83，且凍融總侵蝕產(chǎn)沙量與未凍融的總侵蝕產(chǎn)沙量比值為0.90，表明線性方程中的參數(shù)a可以作為坡面的可蝕性指標之一。

圖3累計產(chǎn)沙量與累計徑流量的函數(shù)關(guān)系

3 結(jié) 論

通過室內(nèi)降雨模擬試驗，從侵蝕產(chǎn)流所需時間入滲過程產(chǎn)沙過程累計產(chǎn)流產(chǎn)沙過程的變化規(guī)律及彼此相關(guān)性角度探討了不同下墊面條件下的侵蝕產(chǎn)流產(chǎn)沙特性，得出以下結(jié)論：

(1) 相比于未凍融土產(chǎn)流所需時間，解凍土的所需產(chǎn)流時間增加了24.39%。經(jīng)過凍融作用后土壤容重降低了3%，孔隙度增大了2.98%，均達到顯著差異水平(p<0.01)。

(2) 凍融作用后，前10 min內(nèi)凍融坡面的產(chǎn)流率減小了10.59%凍融坡面的穩(wěn)定入滲率是未凍融坡面的1.1倍。

(3) 凍融坡面的產(chǎn)沙是未凍融坡面總產(chǎn)沙量的0.9倍，凍融坡面即使在較小徑流下產(chǎn)生較大的泥沙。凍融坡面在產(chǎn)流后10～36 min內(nèi)未凍融坡面的侵蝕量占總侵蝕量的45%，凍融坡面的侵蝕量占總侵蝕量的50%，主要產(chǎn)沙時間提前。

(4) 凍融與未凍融坡面累計產(chǎn)侵蝕產(chǎn)沙量隨徑流量呈線性增加趨勢，滿足y=ax-b，線性方程中的參數(shù)a可以作為坡面的可蝕性指標之一。

參考文獻：

[1] 陳雷,焦居仁,劉震,等.中國土壤侵蝕圖冊[M].北京:中國標準出版社,2002.

[2] 景國臣.凍融侵蝕的類型及其特征研究[J].中國水土保持,2003,10(4):17-19.

[3] Kirkby M J. Modeling water erosion processes[M]∥Kirkby M J, Morgan R P C. Soil Erosion. Great Britain: Wiley Chichester, 1980.

[4] 李強,劉國彬,許明祥,等.黃土丘陵區(qū)凍融對土壤抗沖性及相關(guān)物理性質(zhì)的影響[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2013,29(17):105-112.

[5] Lehrschg A. Freeze-thaw cycles increase near-surface aggregate stability[J]. Journal of Soil Science, 1998,163:63-70.

[6] Benoit G R, Voorhees W B. Effect of freeze-thaw activity on water retention, hydraulic conductivity, density and surface strength of two soils frozen at high water content[R]. Frozen Soil Impact on Agricultural, Range and Forest Lands. Spokane, WA: Proceedings International Symposium, 1990:45-53.

[7] Othman M A, Benson C H. Effect of freeze-thaw on the hydraulic conductivity of three compacted clays from Wisconsin[J]. Transp. Res. Rec., 1993,1369:118-125.

[8] Asare S N, Rudra R P, Dickinson W T, et al. Frequency of freeze-thaw cycles, bulk density and saturation effects on soil surface shear and aggregate stability in resisting water erosion[J]. Canadian Agricultural Engineering, 1997,39(4):273-280.

[9] 溫美麗,劉寶元,魏欣，等.凍融作用對東北黑土容重的影響[J].土壤學(xué)報,2009,40(3):492-493.

[11] Li G Y, Fan H M. Effect of Freeze-Thaw on Water Stability of Aggregates in a Black Soil of Northeast China[J]. Pedosphre, 2014，24(2),285-290.

[12] Sharratt B S, Lindstrom M J, Benoit G R, et al. Runoff and soil erosion during spring thaw in the northern US Corn Belt J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2000,55(4):487-494.

[13] 李占斌,李社新,任宗萍,等.凍融作用對坡面侵蝕過程的影響[J].水土保持學(xué)報,2015,29(5):56-60.

[14] 魏霞,李勛貴, Huang Chihua.交替凍融對坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2015,31(13):157-163.

[15] 劉佳,范昊明,周麗麗,等.凍融循環(huán)對黑土容重和孔隙度影響的試驗研究[J].水土保持學(xué)報,2009,23(6):186-189.

[16] 王輝,王全九,邵明安.前期土壤含水量對坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙特性影響的模擬試驗[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2008,24(5):65-68.

[17] 溫美麗,劉寶元,魏欣，等.凍融作用對東北黑土容重的影響[J].土壤學(xué)報,2009,40(3):492-493.

[18] 王恩姮,趙雨森,陳祥偉.典型黑土耕作區(qū)土壤結(jié)構(gòu)對季節(jié)性凍融的響應(yīng)[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報,2010,21(7):1744-1750.

[19] 鄧西民,王堅,朱文珊,等.凍融作用對犁底層土壤物理性狀的影響[J].科學(xué)通報,1998,43(23):2538-2541.

[20] 袁建平,將定生,甘淑.影響坡地降雨產(chǎn)流歷時的因子分析[J].山地學(xué)報,1999,17(3):259-264.

[21] 潘云,呂殿青.土壤容重對土壤水分入滲特性影響研究[J].灌溉排水學(xué)報,2009(2):59-61，77.