不同降雨條件對(duì)堿性坡耕地土壤侵蝕影響的研究

郝少英

（山西省水利水電科學(xué)研究院 山西太原030002）

1 研究的目的

土壤侵蝕是導(dǎo)致人類賴以生存且日趨緊缺的土地資源退化和損失的主要原因，是目前人類生存環(huán)境所面臨的最嚴(yán)重的挑戰(zhàn)之一。在干旱半干旱地區(qū)的大部分土壤屬于易侵蝕土壤，因此，水的流失是引起土壤侵蝕的主要原因。我國(guó)黃土高原地形復(fù)雜,生態(tài)環(huán)境脆弱,是世界上土壤侵蝕最嚴(yán)重的地區(qū)之一，該地區(qū)陡坡開荒嚴(yán)重,加劇了水土流失。如何增加土壤水分的入滲性能和儲(chǔ)存量從而減小表面侵蝕量成為水土保持的主要任務(wù)之一。

入滲是指水分進(jìn)入土壤形成土壤水的過程，它是降雨、地面水、土壤水和地下水相互轉(zhuǎn)化的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。土壤侵蝕的大小受到多種因素的影響，在干旱半干旱地區(qū)，土壤和水的流失是同時(shí)發(fā)生的。因此減少水的流失，增加水分入滲是減少土壤侵蝕的重要方法。而堿性坡地由于具有較高的土壤ESP值（ESP表示總的陽離子交換量中鈉離子所占的比例，天然降雨條件下，ESP值大于15，表明pH值一般大于8.5，甚至10或更高，即通常所說的堿性土壤），因此降雨的入滲也具有其特點(diǎn)，本試驗(yàn)研究的目的在于通過設(shè)置不同的降雨條件，研究水的流失和土壤流失之間的關(guān)系，主要研究不同降雨條件和初始含水量對(duì)ESP水平的土壤侵蝕。研究這一問題有助于提高堿性坡地的管理水平，從而合理制定非宜耕荒坡地的管理政策和法規(guī)。

2 試驗(yàn)方法

1）取試驗(yàn)用土，進(jìn)行過篩（5 mm），實(shí)驗(yàn)前進(jìn)行自然風(fēng)干，然后取土樣測(cè)定土壤含水率。

2）試驗(yàn)土槽采用鐵板制作，底部帶有孔眼，土槽尺寸為100 cm×60 cm×25 cm。土槽底部鋪設(shè)一層粗紡布和5 cm厚的粗砂。測(cè)定土壤含水量后，按1.2 g/cm3的容重分層裝土，每2 cm為一層。

3）降雨采用室內(nèi)降雨模擬器，采用蒸餾水，以20 mm/h的降雨強(qiáng)度進(jìn)行預(yù)降（開始產(chǎn)生徑流為止），將土壤放置12 h后進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)中記錄產(chǎn)流隨時(shí)間的變化，即每隔5 min接取1次渾水徑流樣，試驗(yàn)時(shí)間為60 min。由于試驗(yàn)時(shí)間較短以及在降雨過程中蒸發(fā)相對(duì)較小的緣故，試驗(yàn)過程中的蒸發(fā)損失的水量可以忽略，徑流量和入滲量之和近似等于坡面降雨量，因此，可以計(jì)算出坡面的入滲量。

4）在試驗(yàn)數(shù)據(jù)（土壤徑流量、入滲量隨時(shí)間的變化，將收集的水樣烘干后確定土壤的侵蝕量）的基礎(chǔ)上進(jìn)行理論分析。

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

當(dāng)坡度為5°時(shí)，研究在不同的降雨強(qiáng)度下，土壤的徑流量、入滲量及侵蝕量的變化。

3.1 不同雨強(qiáng)下堿性坡地土壤徑流量隨時(shí)間變化過程

圖1 不同雨強(qiáng)下徑流量、累積徑流量隨時(shí)間變化過程

由圖1可知：在不同降雨強(qiáng)度下，降雨量越大，徑流量也越大，徑流對(duì)土壤沖刷力也就越強(qiáng)。小雨強(qiáng)下，徑流量隨著降雨歷時(shí)先增加后趨于穩(wěn)定。各時(shí)段內(nèi)雨強(qiáng)為100 mm/h的徑流量都要比雨強(qiáng)為50 mm/h的大。雨強(qiáng)為100 mm/h的產(chǎn)流時(shí)間也比雨強(qiáng)為50 mm/h的短，其原因是由于土壤初始含水量的不同，雨強(qiáng)為100 mm/h的土壤含水量要大于雨強(qiáng)為50 mm/h的，從而使產(chǎn)流時(shí)間變短。

不同降雨強(qiáng)度下累計(jì)徑流量和徑流量具有相同的變化趨勢(shì)，均隨降雨過程逐漸增加，但雨強(qiáng)為100 mm/h累計(jì)徑流量和徑流量隨時(shí)間的變化率要比雨強(qiáng)為50 mm/h的快。在不同雨強(qiáng)下徑流量隨時(shí)間的變化規(guī)律不是特別明確，其原因：一方面可能是由于室內(nèi)模擬人工降雨不均勻，另一方面是由于工作人員在操作時(shí)存在一定的誤差和計(jì)算結(jié)果有效數(shù)字保留造成的。

3.2 不同雨強(qiáng)下堿性坡地土壤入滲量隨時(shí)間變化過程

圖2 不同雨強(qiáng)下入滲量、累積入滲量隨時(shí)間變化過程

從圖2看出：兩種雨強(qiáng)條件下，入滲量均隨時(shí)間的遞增而逐漸減??；隨著時(shí)間的增加，同一雨強(qiáng)相鄰時(shí)間段的入滲量變化均逐漸減小，并逐漸趨于平穩(wěn)；隨著時(shí)間的增加，兩種雨強(qiáng)條件下的入滲量差值逐漸增加；100 mm/h雨強(qiáng)對(duì)應(yīng)的入滲量的變化率比50 mm/h的入滲量的變化率要大一些。

從土壤水分入滲量時(shí)間的變化曲線來看，土壤入滲量隨時(shí)間的變化曲線大致可分為3個(gè)階段：第一個(gè)階段土壤入滲速率很大，變化率大，此階段土壤水分主要受分子力作用 ，入滲量的變化與初始含水量關(guān)系比較密切；第二階段隨著含水量的增加，土壤入滲率逐漸降低，變化率要小于第一階段，入滲主要受毛管力的作用。隨著入滲過程的進(jìn)行，土壤逐漸達(dá)到飽和，入滲速率趨向于一個(gè)穩(wěn)定的數(shù)值；入滲過程進(jìn)入第三個(gè)階段，這時(shí)分子力不再起作用，毛管力非常微弱，而主要受重力作用，此時(shí)的入滲率即為土壤穩(wěn)滲率。在圖2中，入滲率隨時(shí)間的變化并不是嚴(yán)格的先減少后趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)，但大方向還是和前人研究相一致的。

3.3 不同雨強(qiáng)下堿性坡地土壤侵蝕量隨時(shí)間變化過程

圖3 不同雨強(qiáng)下侵蝕量、累積侵蝕量隨時(shí)間變化過程

由圖3可知：在不同雨強(qiáng)下，土壤侵蝕量隨時(shí)間變化為先增大后減小最后趨于穩(wěn)定；不同雨強(qiáng)下，坡地土壤侵蝕隨降雨的變化過程的變化相似，侵蝕強(qiáng)度變化的轉(zhuǎn)折點(diǎn)在降雨開始后10～15 min之間。高強(qiáng)度降雨條件下侵蝕量都要明顯大于低強(qiáng)度降雨條件下的侵蝕量，低強(qiáng)度降雨條件下隨降雨過程的持續(xù)，侵蝕量逐漸減少，最后趨于穩(wěn)定。而無論是在大雨強(qiáng)下還是小雨強(qiáng)下累計(jì)侵蝕量均隨降雨過程的持續(xù)而增加。但大雨強(qiáng)下土壤累計(jì)侵蝕量增加要比小雨強(qiáng)的快，累計(jì)侵蝕量也比小雨強(qiáng)的大。

4 試驗(yàn)結(jié)論與建議

試驗(yàn)表明：（1）不同雨強(qiáng)下，土壤的入滲量開始時(shí)最大，隨后隨降雨歷時(shí)而逐漸減小，最后趨于穩(wěn)定。（2）在不同雨強(qiáng)下，堿性坡耕地的徑流量與降雨量有關(guān)，并隨時(shí)間呈先增大后趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)。（3）在不同雨強(qiáng)下，坡地侵蝕隨降雨具有相同的變化過程，侵蝕量先增大后減少，最后趨于穩(wěn)定。

本試驗(yàn)研究有助于提高堿性坡地土壤的管理水平，有助于合理制定非宜耕荒坡地的管理政策和法規(guī)，并給土壤侵蝕預(yù)報(bào)模型提供一定的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，但由于試驗(yàn)都是在室內(nèi)人工降雨下進(jìn)行的，與天然降雨還有一定的不同，所以沒有考慮到風(fēng)等自然因素的影響。