草甸土凍融環(huán)境與春季解凍期降雨侵蝕模擬研究

楊俊鵬，周麗麗，范昊明，武 敏

（沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利學(xué)院，沈陽110866）

春季解凍期凍土層開始解凍，土壤受到“夜凍晝?nèi)凇钡淖饔?，物理力學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變，且存在未完全解凍層，一般極易發(fā)生侵蝕。已有的研究表明，土壤侵蝕在春季解凍期的表現(xiàn)較為強(qiáng)烈［1－6］，占全年水土流失量的絕 大部分［4，7］。前 期 研 究也表明［8－10］，我 國 東北地區(qū)土壤侵蝕發(fā)展速度較快，春季解凍期土壤侵蝕所占比例較大，且有加劇的趨勢。對我國東北黑土春季解凍期土壤侵蝕的已有研究認(rèn)為［11－12］，該時期降雨侵蝕受未完全解凍層影響較大，降雨的侵蝕能力較強(qiáng)，導(dǎo)致這一時期坡面土壤侵蝕嚴(yán)重。

本研究以我國東北地區(qū)草甸土為研究對象，分析試驗(yàn)區(qū)的凍融環(huán)境，并通過室外人工模擬試驗(yàn)，分析凍融前后土壤含水率以及容重的變化、春季解凍期初始解凍深度和降雨強(qiáng)度對表層土壤降雨侵蝕的影響，為進(jìn)一步揭示春季解凍期土壤侵蝕機(jī)理提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材 料

試驗(yàn)地位于沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)水利學(xué)院綜合實(shí)驗(yàn)場。氣候類型屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候，全年接近1／3的天數(shù)在0℃以下，多年平均凍土深度1m。年降水量700mm。試驗(yàn)用土取自該實(shí)驗(yàn)場滿堂河岸邊0—20 cm耕作土壤，土壤類型為我國東北草甸土，其分布比較廣泛。試驗(yàn)用土取回后風(fēng)干，過5mm×5mm的篩，剔除植物根系等雜物。土壤干容重為1.35 g／cm3，土壤飽和含水率為35.76%。為使土壤含水率均勻，不受雨滴擊濺及風(fēng)力侵蝕影響，用不透水材料將過篩后的試驗(yàn)用土蓋好。室外試驗(yàn)小區(qū)坡長4m，坡寬1.5m，下端連接集流槽，用于收集徑流、泥沙樣品。降雨試驗(yàn)采用下噴式降雨模擬系統(tǒng)，噴頭采用旋轉(zhuǎn)噴射式噴頭，噴嘴口徑為3mm，有效降雨覆蓋面積5m×5m，降雨高度6.4m，降雨均勻度可達(dá)80%左右。氣象數(shù)據(jù)來源于國家氣象信息中心。

1.2 方 法

試驗(yàn)區(qū)凍融環(huán)境分析資料為2007年10月初至2008年4月末的日氣溫極值資料，重點(diǎn)分析日最高氣溫、日最低氣溫變化規(guī)律，總結(jié)試驗(yàn)區(qū)凍融環(huán)境特點(diǎn)。利用室外自然的凍融環(huán)境，建立室外降雨試驗(yàn)小區(qū)。在春季解凍期進(jìn)行降雨試驗(yàn)，考慮初始解凍深度和降雨強(qiáng)度兩個因素。試驗(yàn)設(shè)計3個初始解凍深度，分別為10，20，30mm。降雨強(qiáng)度設(shè)為兩個強(qiáng)度，分別為50，60mm／h，試驗(yàn)設(shè)計見表1。

表1 試驗(yàn)設(shè)計

室外試驗(yàn)小區(qū)共6個，設(shè)計坡度為8°，2007年10月6日前鋪設(shè)完成，鋪土厚度0.2m。經(jīng)歷1個冬季之后，2008年初春，自然條件下，表層土開始融化至滿足試驗(yàn)設(shè)計解凍深度要求即開始降雨試驗(yàn)。試驗(yàn)前用環(huán)刀在坡面上、中、下部取3個樣測定表層土壤容重、含水率。為避免降雨時間過長，受到風(fēng)力影響，以及土壤凍結(jié)層融化過多會影響試驗(yàn)結(jié)果，設(shè)計降雨歷時20min。試驗(yàn)開始，產(chǎn)流后每1min收集一次徑流泥沙樣品。試驗(yàn)結(jié)束后，測量徑流泥沙量，烘干泥沙樣品。

2 結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)區(qū)凍融環(huán)境

試驗(yàn)區(qū)2007年10月1日至2008年4月30日日平均氣溫、日氣溫極值波動曲線如圖1所示。試驗(yàn)區(qū)受季節(jié)性負(fù)氣溫影響，通過地表熱交換，土壤形成季節(jié)凍結(jié)層；到春季氣溫回升，在0℃上下波動時，土壤開始解凍，形成解凍層。試驗(yàn)區(qū)土壤凍結(jié)過程是由地表向下單方向進(jìn)行，土壤融化過程是由地表向下及季節(jié)凍結(jié)層底面向上雙方向進(jìn)行，而對于表層土壤來說，其凍結(jié)和融化主要受地表面向下的熱交換影響。一般認(rèn)為，凍融交替作用使表層土壤發(fā)生夜凍晝?nèi)诂F(xiàn)象，其溫度條件是日最高氣溫大于0℃、日最低氣溫小于0℃。

圖1 2007年10月1日至2008年4月30日氣溫變化曲線

由圖1可見，在7個月時間內(nèi)，溫度大體經(jīng)歷了降溫（2007年10月9日至2008年1月7日）、穩(wěn)定（2008年1月8日至2008年2月9日）和升溫（2008年2月10日至2008年4月27日）3個階段，對應(yīng)地表土壤經(jīng)歷了凍結(jié)、穩(wěn)定凍結(jié)和融化3個過程。2007年10月9日最低氣溫第一次出現(xiàn)了負(fù)溫，表層土壤開始進(jìn)入凍融循環(huán)狀態(tài)。此后，平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫均呈現(xiàn)波動下降趨勢，凍深不斷增加。表層土壤在降溫階段的91d持續(xù)凍結(jié)，滿足日最高氣溫0℃以上、日最低氣溫0℃以下的天數(shù)為46d，也就是表層土壤有50%時間受到凍融作用影響，其中，10月28日至12月6日的40d內(nèi)，有28d表層土壤經(jīng)歷了凍融交替作用，達(dá)到總天數(shù)的70%，可見，這一階段是土壤凍融循環(huán)發(fā)生較頻繁的時段。2008年1月8日之后，日氣溫極值連續(xù)33d均為負(fù)溫，表層土壤處于穩(wěn)定凍結(jié)狀態(tài)。2008年2月10日最高氣溫升至0℃以上，表層土壤進(jìn)入融化過程，氣溫開始持續(xù)升高，地表土壤受溫度日變化影響而處于反復(fù)凍融條件中。截至4月27日，表層土壤在78d的升溫過程中逐漸融化，而處于凍融狀態(tài)的天數(shù)為33d，其中，2月10日至3月20日的40d內(nèi)，有26d表層土壤受凍融交替影響，達(dá)到總天數(shù)的65%。分析結(jié)果表明，表層土壤在凍結(jié)和融化的兩個過程中都經(jīng)歷了凍融作用，其中10月末至12月初和2月中下旬至3月上中旬均是地表土壤經(jīng)受凍融交替作用強(qiáng)烈的時期，尤其是融化過程中的凍融作用，不僅會使土壤性質(zhì)發(fā)生變化，而且在表層融解且存在未完全解凍層的情況下，增加了土壤侵蝕發(fā)生的可能，所以，這一時期是控制春季解凍期土壤侵蝕的關(guān)鍵階段。

2.2 凍融作用對土壤含水率及容重影響

試驗(yàn)坡面在季節(jié)凍結(jié)層形成之前鋪設(shè)完成，并用環(huán)刀取樣測定表層土壤含水率和容重，作為這兩項(xiàng)指標(biāo)凍融前的值。2008年初春，表土層逐漸融化的過程中，未完全解凍層也開始向下移動。當(dāng)解凍深度達(dá)到降雨設(shè)計要求，在進(jìn)行降雨試驗(yàn)前，同樣用環(huán)刀取樣測定表層土壤含水率和容重，作為這兩項(xiàng)指標(biāo)凍融后的值。通過對試驗(yàn)區(qū)凍融環(huán)境的分析，表層土壤在凍結(jié)過程中有46d受到凍融作用影響，而降雨試驗(yàn)前的融化階段也有12～15d經(jīng)歷著凍融交替過程。如果1d算做一個凍融循環(huán)，降雨試驗(yàn)前，表層土壤已經(jīng)經(jīng)歷了58～61次循環(huán)，這期間土壤水經(jīng)歷著復(fù)雜的相變過程和運(yùn)移過程。因此，在融化階段，隨著土壤溫度不斷升高，近地表土壤中的凍結(jié)水逐漸轉(zhuǎn)化為液態(tài)水而蒸發(fā)，在得不到及時補(bǔ)充的情況下，致使土壤含水率由凍融前的16.5%減小到凍融后的13.3%，減小幅度達(dá)到19%；同樣，由于凍融交替作用影響，土壤結(jié)構(gòu)發(fā)生變化、體積膨脹，土壤容重由凍融前的1.35g／cm3減小到凍融后的1.23g／cm3，減小幅度達(dá)到8.9%?？梢?，試驗(yàn)區(qū)土壤在經(jīng)歷了凍結(jié)、穩(wěn)定凍結(jié)和融化3個過程后，土壤含水率和容重均發(fā)生了明顯變化，土壤變得更加干燥和疏松，抗蝕能力降低。

2.3 春季解凍期室外降雨侵蝕分析

2008年3月3日至3月6日對滿足設(shè)計解凍深度、經(jīng)歷了58～61次凍融循環(huán)的坡面進(jìn)行降雨試驗(yàn)。試驗(yàn)中將初始解凍深度和降雨強(qiáng)度作為坡面產(chǎn)流的控制因素。侵蝕速率隨時間變化曲線如圖2所示。

圖2 不同初始解凍深度條件下侵蝕速率變化過程

由圖2可見，降雨開始后坡面產(chǎn)流時間較晚，推遲到9min。坡面產(chǎn)流后，侵蝕速率整體表現(xiàn)為增加趨勢。當(dāng)降雨強(qiáng)度I＝50mm／h時，在12～14min出現(xiàn)了侵蝕速率的第一個峰值，這主要是因?yàn)槠旅鎱R流迅速發(fā)展增大了徑流侵蝕力；解凍深度30mm時，15～18min坡面主要以面蝕為主，沒有明顯的細(xì)溝侵蝕，侵蝕速率相對較小，在19～20min細(xì)溝劇烈發(fā)育導(dǎo)致侵蝕速率突然增加，可以推斷如果繼續(xù)降雨，侵蝕速率會持續(xù)增加；解凍深度10mm和20mm時，土壤解凍深度較淺，從產(chǎn)沙開始到降雨結(jié)束，侵蝕速率增加幅度不大，解凍土壤達(dá)到飽和的過程短，具有一定侵蝕力的徑流也更容易形成，土壤粘聚力降低更易于被侵蝕，坡面侵蝕形態(tài)以細(xì)溝侵蝕為主，多分布于坡面中下部，寬淺型為主。當(dāng)降雨強(qiáng)度I＝60mm／h時，侵蝕速率波動性增強(qiáng)，一方面是因?yàn)閺搅髁侩S降雨強(qiáng)度遞增對土壤的侵蝕能力增大；另一方面是因?yàn)榻鈨錾疃仍綔\，凍結(jié)層就越容易成為細(xì)溝侵蝕的控制面，侵蝕量減少，同時又致使細(xì)溝橫向發(fā)展，容易造成溝壁坍塌增加侵蝕量；最后是因?yàn)樵摻M試驗(yàn)中解凍深度20mm處理在11～12min時和解凍深度30mm處理在產(chǎn)流前及13min時均受到了風(fēng)力影響。

3 結(jié)論

溫度大體經(jīng)歷了降溫、穩(wěn)定和升溫3個階段，對應(yīng)地表土壤經(jīng)歷了凍結(jié)、穩(wěn)定凍結(jié)和融化三個過程。表層土壤在凍結(jié)和融化的兩個過程中都經(jīng)歷了凍融作用，其中10月末至12月初和2月中下旬至3月上中旬均是地表土壤經(jīng)受凍融交替作用強(qiáng)烈的時期，特別是融化階段是控制春季解凍期土壤侵蝕的關(guān)鍵時期。

試驗(yàn)區(qū)前1年10月鋪設(shè)的坡面，第2年3月降雨試驗(yàn)前共經(jīng)歷了58～61次凍融循環(huán)，土壤含水率減小19%，土壤容重減小8.9%。

對侵蝕速率的分析結(jié)果表明，坡面產(chǎn)流后，侵蝕速率表現(xiàn)為增加趨勢；降雨強(qiáng)度I＝50mm／h時，土壤解凍深度較淺的處理，侵蝕速率增加幅度不大，坡面侵蝕形態(tài)以寬淺型細(xì)溝為主；降雨強(qiáng)度I＝60mm／h時，侵蝕速率波動性增強(qiáng)。春季解凍期室外降雨試驗(yàn)容易受到風(fēng)力影響。

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