人工模擬降雨條件下花崗巖紅壤坡面侵蝕過(guò)程與特征分析

馮秀，查軒，黃少燕

(福建省亞熱帶資源與環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，350007，福州)

花崗巖紅壤侵蝕區(qū)廣泛分布在我國(guó)南方的福 建、江西、廣東、湖南等省區(qū)，面積達(dá)19.72 萬(wàn)km2，占紅壤侵蝕區(qū)總面積的28.5%［1］。由于自然環(huán)境、花崗巖母質(zhì)的特征及人為植被的破壞，花崗巖紅壤區(qū)已成為我國(guó)水土流失嚴(yán)重的區(qū)域，生態(tài)環(huán)境極其脆弱，生態(tài)修復(fù)和重建困難大、任務(wù)重［2-3］。目前已有學(xué)者就花崗巖紅壤侵蝕方面開展了有關(guān)研究［1-6］，如周剛等［7］從不同地類研究了花崗巖紅壤區(qū)土壤的抗蝕性分異規(guī)律，阮伏水等［8］按不同土地利用類型確定了紅壤坡地的水土流失特征，李朝霞等［9］從紅壤表土結(jié)構(gòu)的變化分析了其對(duì)土壤侵蝕的影響。眾多研究結(jié)果說(shuō)明影響花崗巖紅壤侵蝕的因素十分復(fù)雜，前人傾向于對(duì)單一因素進(jìn)行分析研究，但從不同降雨強(qiáng)度、坡度和地表覆蓋多因素條件下揭示花崗巖紅壤坡面侵蝕發(fā)生發(fā)展過(guò)程機(jī)制的研究鮮有報(bào)道?；诖耍P者以具有典型代表性的長(zhǎng)汀縣河田鎮(zhèn)花崗巖嚴(yán)重侵蝕退化紅壤為試驗(yàn)用土，通過(guò)室內(nèi)人工模擬降雨試驗(yàn)，從降雨強(qiáng)度、坡度和地表覆蓋3方面系統(tǒng)探討花崗巖紅壤坡面的侵蝕過(guò)程和特征，以期為花崗巖紅壤區(qū)水土保持措施配置和規(guī)劃及坡地改良和合理利用提供參考。

1 研究方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用福建省亞熱帶資源與環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室模擬降雨大廳的下噴式人工降雨設(shè)備進(jìn)行，噴頭距地面高度3.5 m，所有降雨雨滴都可以達(dá)到終點(diǎn)速度。試驗(yàn)土槽自行設(shè)計(jì)，其尺寸規(guī)格為150 cm×50 cm×30 cm(長(zhǎng)×寬×高)。土槽底部均勻鉆5×5 個(gè)孔，保持土壤的透水性，并在土槽下端設(shè)集流槽，用來(lái)收集徑流樣品。試驗(yàn)通過(guò)壓力閥和噴頭組合控制降雨強(qiáng)度和雨滴直徑分布。

根據(jù)紅壤區(qū)山地地形和野外調(diào)查結(jié)果，試驗(yàn)共設(shè)計(jì)3 種坡度(10°、15°、20°)，每個(gè)坡度進(jìn)行3 種降雨強(qiáng)度(1.0、1.5、2.0 mm/min)試驗(yàn)。另外，在15°坡度增設(shè)一個(gè)有地表覆蓋的試驗(yàn)，地面覆蓋選擇馬尾松(Pinus massoniana)松針，地表覆蓋松針量為325 g/m2。試驗(yàn)采用降雨量一定、不同降雨歷時(shí)的原則，降雨量控制在50 mm 左右，1.0、1.5 和2.0 mm/min 降雨強(qiáng)度的降雨歷時(shí)分別控制在50、33 和25 min 左右。

1.2 試驗(yàn)過(guò)程

試驗(yàn)用土采自長(zhǎng)汀縣河田鎮(zhèn)花崗巖嚴(yán)重侵蝕退化紅壤，采樣深度控制在0 ～30 cm 的表層土，土壤在試驗(yàn)前過(guò)10 mm 篩，剔除土樣中的沙礫、石塊、植物根茬等雜質(zhì)，均勻混合。試驗(yàn)土槽分3 層裝土，每10 cm 為一層，每層裝好后用木板將表面刮平打毛，以便相鄰?fù)翆油寥滥芎芎玫亟Y(jié)合在一起，并控制土壤密度及含水量與采樣時(shí)的實(shí)測(cè)值相近。邊填土邊壓實(shí)，目的是減少坡面微形態(tài)的影響。

為保證土壤前期含水量一致，每次模擬降雨試驗(yàn)的前一天降雨至產(chǎn)流，第2 天再進(jìn)行試驗(yàn)。另外，為保證試驗(yàn)區(qū)降雨強(qiáng)度分布均勻，每場(chǎng)試驗(yàn)前均進(jìn)行降雨強(qiáng)度的率定，時(shí)間為1 min，盡量減少降雨強(qiáng)度的誤差。

從開始降雨記時(shí)，并記錄產(chǎn)流時(shí)間，產(chǎn)流后每隔3 min 采集一次徑流樣。試驗(yàn)結(jié)束后，記錄每3 min產(chǎn)流的體積，再將徑流樣靜置過(guò)夜(大約24 h)，倒掉上部清液，剩余的混水樣倒入鋁盒中，放入烘箱，在105 ℃烘干稱量，測(cè)定其泥沙含量。

2 結(jié)果與分析

2.1 起始產(chǎn)流時(shí)間

坡面產(chǎn)流受降雨特性和下墊面等因素影響，根據(jù)霍頓的產(chǎn)流理論，在下墊面條件一定，降雨強(qiáng)度大于土壤入滲率時(shí)，地面產(chǎn)流，降雨強(qiáng)度小于土壤入滲率時(shí)，則降雨全部入滲［10］。起始產(chǎn)流時(shí)間一定程度上可以反映地表徑流變化情況。

不同降雨強(qiáng)度下不同坡度的產(chǎn)流時(shí)間見表1。可知:相同降雨強(qiáng)度時(shí)，隨著坡度的增加，起始產(chǎn)流時(shí)間縮短;相同坡度條件下，隨著降雨強(qiáng)度的增加，起始產(chǎn)流時(shí)間也縮短;在15°坡度條件下，裸露和坡面松針覆蓋條件下的產(chǎn)流時(shí)間都是隨著降雨強(qiáng)度的增大而縮短;降雨強(qiáng)度1.0 mm/min、坡度10°下的產(chǎn)流時(shí)間最長(zhǎng)，達(dá)到2.98 s，是降雨強(qiáng)度2.0 mm/min、坡度20°產(chǎn)流時(shí)間的5 倍;10°坡度的起始產(chǎn)流時(shí)間在相鄰2 降雨強(qiáng)度處理間的相差幅度分別是1.56和0.47 s，明顯大于20°坡度的相應(yīng)變化幅度，即0.28 和0.38 s;10°、15°、20°坡度條件下，2.0 mm/min 降雨強(qiáng)度的產(chǎn)流時(shí)間分別比1.0 mm/min 的快2.03、0.88 和0.67 s，1.0、1.5、2.0 mm/min 降雨強(qiáng)度條件下，20°坡度的產(chǎn)流時(shí)間分別比10°坡度快1.73、0.45 和0.37 s;與裸露相比，15°坡度地表覆蓋隨著降雨強(qiáng)度的增大其產(chǎn)流時(shí)間分別相差0.52、0.32 和0.12 s。由此可見，全部處理都對(duì)產(chǎn)流時(shí)間有影響，降雨強(qiáng)度和坡度越大，產(chǎn)流時(shí)間越快，且降雨強(qiáng)度對(duì)產(chǎn)流時(shí)間的影響比對(duì)坡度的影響更為顯著，且地表覆蓋有助于延緩產(chǎn)流時(shí)間。

試驗(yàn)中各因子對(duì)產(chǎn)流時(shí)間的影響顯著，起始產(chǎn)流時(shí)間與降雨強(qiáng)度關(guān)系密切的原因可能是與坡面的產(chǎn)流方式有關(guān)，當(dāng)降雨強(qiáng)度小時(shí)，雨水全部下滲，產(chǎn)流方式為蓄滿產(chǎn)流，當(dāng)降雨強(qiáng)度大時(shí)，可能是超滲產(chǎn)流;坡度增大后，徑流重力沿坡面方向上的水平分力增大，可加快徑流速度和擊濺雨滴沿坡面下落的速度［11］，都有利于增加徑流;地表覆蓋則能截留降水，從而有效延緩產(chǎn)流時(shí)間。

表1 不同降雨強(qiáng)度、坡度以及坡面覆蓋條件下起始產(chǎn)流時(shí)間Tab.1 The initial time producing runoff at different rainfall intensities，slope degrees and cover on the slope surface

2.2 降雨強(qiáng)度和坡度對(duì)紅壤坡面侵蝕過(guò)程的影響

2.2.1 降雨強(qiáng)度和坡度對(duì)徑流率的影響 圖1 為不同降雨強(qiáng)度和不同坡度條件下的坡面徑流過(guò)程曲線。可以看出，在同一降雨強(qiáng)度條件下，隨著坡度的增加，徑流率增大，任意時(shí)間點(diǎn)的瞬時(shí)產(chǎn)流率坡度10°＜坡度15°＜坡度20°，而且這種坡度對(duì)徑流率的影響程度隨降雨強(qiáng)度的不同有明顯差異。同一降雨強(qiáng)度條件下，不同坡度在降雨初期產(chǎn)流率小，然后隨降雨時(shí)間推移，徑流率快速增加，7 ～10 min 后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。1.0 mm/min 降雨強(qiáng)度下，不同坡度產(chǎn)流較小且差異不大，降雨強(qiáng)度為1.5 和2.0 mm/min時(shí)，部分時(shí)間段的瞬時(shí)產(chǎn)流率比相鄰時(shí)間段的產(chǎn)流率偏低或偏高，導(dǎo)致徑流歷時(shí)過(guò)程線有所波動(dòng)。由于地面坡度、降雨強(qiáng)度、土壤物理化學(xué)性質(zhì)等因素都能影響細(xì)溝的演變與發(fā)展，所以徑流較為隨機(jī)，徑流率的變化過(guò)程出現(xiàn)波動(dòng)。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，累計(jì)徑流量隨著坡度的增加也逐漸增加。坡度大小影響徑流重力在斜坡水平方向的分力，坡度大，分力變大，導(dǎo)致徑流沿坡面流動(dòng)速度加快，利于增加徑流。

另外，20°坡度條件下，1.0、1.5 和2.0 mm/min降雨強(qiáng)度時(shí)，平均徑流率分別是0.54、0.92 和1.08 L/min，表現(xiàn)為隨著降雨強(qiáng)度的增大徑流率相應(yīng)的也增大，10°和15°坡度下亦是如此。同一坡度下徑流率與降雨強(qiáng)度呈正相關(guān)關(guān)系。

圖1 3 種降雨強(qiáng)度條件下坡面徑流率隨坡度的變化Fig.1 Changes of runoff rate with slope degree at three rainfall intensities

降雨前期產(chǎn)流量小，與降雨初始表土疏松、入滲大有關(guān)，之后產(chǎn)流率快速增加與結(jié)皮的形成有關(guān)。3種降雨強(qiáng)度條件下都不同程度出現(xiàn)結(jié)皮現(xiàn)象，而結(jié)皮能降低土壤的入滲能力。1.0 mm/min 降雨強(qiáng)度條件下，結(jié)皮較薄且零散，而降雨強(qiáng)度增大后，結(jié)皮進(jìn)一步發(fā)育，變得更加緊實(shí)完整，同時(shí)伴隨著砂礫形成緊實(shí)的表土。

2.2.2 降雨強(qiáng)度和坡度對(duì)產(chǎn)沙過(guò)程的影響 泥沙是導(dǎo)致河流淤積的主要根源，產(chǎn)沙率是坡面侵蝕產(chǎn)沙過(guò)程研究的重要指標(biāo)。圖2 示出不同降雨強(qiáng)度和不同坡度條件下，產(chǎn)沙率隨降雨歷時(shí)的變化?？梢钥闯觯诓煌涤陱?qiáng)度和不同坡度條件下，產(chǎn)沙率隨降雨歷時(shí)變化都表現(xiàn)為先快速增加，然后慢慢達(dá)到穩(wěn)定。其中，1.0 mm/min 降雨強(qiáng)度時(shí)，各坡度的產(chǎn)沙率在7 min 左右達(dá)到穩(wěn)定，1.5 mm/min 降雨強(qiáng)度時(shí)，產(chǎn)沙率達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間約9 min，而2.0 mm/min降雨強(qiáng)度時(shí)，達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間大約在10 min。說(shuō)明隨著降雨強(qiáng)度的增大，各坡度達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間有所延遲。1.0 mm/min 降雨強(qiáng)度時(shí)，坡度10°、15°和20°產(chǎn)沙率變化范圍在0.30 ～0.45 g/min 之間，1.5 mm/min 降雨強(qiáng)度時(shí)的變化范圍在0.30 ～0.60 g/min 之間，2.0 mm/min 降雨強(qiáng)度時(shí)則在0.50 ～0.70 g/min 之間，降雨強(qiáng)度越大，不同坡度侵蝕產(chǎn)沙率越大，且存在明顯的差異。另外，1.0 mm/min 降雨強(qiáng)度時(shí)，不同坡度的產(chǎn)沙率差別較小;在1.5 mm/min降雨強(qiáng)度時(shí)，坡度10°、15°和20°的平均產(chǎn)沙率分別是0.34、0.46 和0.44 g/min，各坡度侵蝕產(chǎn)沙率與坡度增加沒有表現(xiàn)出一定的規(guī)律性;在2.0 mm/min降雨強(qiáng)度時(shí)，坡度10°、15°和20°的平均產(chǎn)沙率分別是0.50、0.58 和0.62 g/min，侵蝕產(chǎn)沙率隨坡度的增加而增加。隨著降雨強(qiáng)度的增大，坡度對(duì)產(chǎn)沙率作用更加明顯。

產(chǎn)沙率在降雨初期急劇上升，達(dá)到峰值后又迅速下降，最后達(dá)到穩(wěn)定，2.0 mm/min 降雨強(qiáng)度時(shí)這種規(guī)律更加明顯。產(chǎn)沙率與土壤侵蝕強(qiáng)度有關(guān)，降雨強(qiáng)度增大，對(duì)土壤表面的打擊能力變大，侵蝕能力增強(qiáng)，而產(chǎn)流初期流量小，土壤結(jié)構(gòu)疏松易被分散，產(chǎn)沙量較高。隨著降雨的持續(xù)進(jìn)行，流量變大，細(xì)小顆粒又填充了土壤空隙，減輕了侵蝕強(qiáng)度，導(dǎo)致含沙量下降。當(dāng)?shù)乇韽搅骱屯寥澜Y(jié)構(gòu)達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，含沙量也就會(huì)趨于穩(wěn)定。

圖2 3 種降雨強(qiáng)度條件下產(chǎn)沙率隨坡度的變化Fig.2 Changes of sediment yield rate with slope degree at three rainfall intensities

2.2.3 坡度和降雨強(qiáng)度對(duì)水土流失影響的綜合評(píng)價(jià) 土壤侵蝕是由各種因子綜合作用而形成的，其中坡度是產(chǎn)生土壤侵蝕的主要地形因子，降雨強(qiáng)度是主要的降雨因子，在地面裸露的情況下，這2 個(gè)因子起著十分重要的作用。由表2 可以看出:坡度和徑流總量之間相關(guān)系數(shù)為0.429(P=0.249)、坡度和產(chǎn)沙總量之間的相關(guān)系數(shù)為0.587(P=0.097)，故認(rèn)為坡度和徑流總量、產(chǎn)沙總量之間相關(guān)性不顯著;降雨強(qiáng)度和徑流總量、產(chǎn)沙總量之間存在極顯著的正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.892(P=0.001)和0.799(P=0.01);而徑流總量和產(chǎn)沙總量之間也存在著極顯著的正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.980(P=0.00)?？梢姡露群徒涤陱?qiáng)度2 個(gè)因子相比，降雨強(qiáng)度對(duì)于水土流失影響更大。徑流總量和產(chǎn)沙總量的關(guān)系說(shuō)明，一次降雨中，徑流越大，所攜帶的泥沙量就越多，其終歸結(jié)底就是降雨強(qiáng)度起著最重要的作用。

表2 坡度、降雨強(qiáng)度和徑流總量、產(chǎn)沙總量的相關(guān)性分析Tab.2 Correlation among slope degree，rainfall intensity，total runoff and total sediment

2.3 地表覆蓋對(duì)紅壤坡面侵蝕過(guò)程的影響

15°坡度裸露和覆蓋坡面的徑流總量和產(chǎn)沙總量見表3。可以看出，相同降雨強(qiáng)度時(shí)，徑流總量和產(chǎn)沙總量裸露坡面的明顯高于覆蓋坡面的。1.0、1.5 和2.0 mm/min 降雨強(qiáng)度時(shí)，裸露坡面相應(yīng)的徑流總量為21.28、24.31 和23.78 L，分別比有覆蓋坡面高62.2%、45.0%和40.7%;1.0、1.5 和2.0 mm/min 降雨強(qiáng)度時(shí)，裸露坡面相應(yīng)的產(chǎn)沙總量為7.42、13.37 和14.11 g，分別比有覆蓋坡面高96.0%、94.8%和94.0%?？梢?，坡面覆蓋能有效地減少水土流失量，且2.0 mm/min 降雨強(qiáng)度時(shí)的控制作用更明顯。主要是因?yàn)楦采w可以增加地表糙率，雨滴先打在松針上，阻擋雨水，增加入滲，從而很好地減少?gòu)搅?，同時(shí)降低了雨滴直接接觸到地表的動(dòng)能，覆蓋處理足以克服大動(dòng)力下的土壤侵蝕，減少土壤的侵蝕量。

3 結(jié)論

1)在花崗巖紅壤區(qū)，坡度和降雨強(qiáng)度越大，起始產(chǎn)流時(shí)間越快，反之則所需時(shí)間越長(zhǎng)，坡面有覆蓋時(shí)能延緩產(chǎn)流時(shí)間。

表3 15°坡度時(shí)裸露坡面和覆蓋坡面的徑流總量和產(chǎn)沙總量Tab.3 Total runoff and total sediment between bareness and cover at a slope degree of 15°

2)在花崗巖紅壤區(qū)，隨著降雨強(qiáng)度和坡度的增加，徑流率明顯增加，并且從產(chǎn)流初期開始快速增加，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后達(dá)到穩(wěn)定;產(chǎn)沙率隨降雨強(qiáng)度的增大而明顯增大，同時(shí)降雨強(qiáng)度越大，坡度對(duì)產(chǎn)沙率的作用更加明顯，且各坡度達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間有所延遲;降雨強(qiáng)度和徑流總量、產(chǎn)沙總量相關(guān)性顯著，降雨強(qiáng)度對(duì)水土流失起著重要的作用。

3)地表覆蓋能有效地減輕花崗巖紅壤區(qū)坡面土壤侵蝕，在一定坡度條件下，地表裸露和地面覆蓋2 種狀態(tài)下的產(chǎn)流產(chǎn)沙量隨著降雨強(qiáng)度的變化相差很大，地表覆蓋條件下的產(chǎn)流產(chǎn)沙量相對(duì)較穩(wěn)定，含量較低。