天然降雨下紫色土和第四紀(jì)紅黏土坡面侵蝕過程研究

劉家明, 查 軒, 黃少燕

(1.福建省亞熱帶資源與環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 福州 350007; 2.福建師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院, 福州 350007)

天然降雨下紫色土和第四紀(jì)紅黏土坡面侵蝕過程研究

劉家明1,2, 查 軒1,2, 黃少燕1,2

(1.福建省亞熱帶資源與環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 福州 350007; 2.福建師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院, 福州 350007)

選取南方紅壤區(qū)紫色土和第四紀(jì)紅黏土兩種典型土壤類型，通過天然降雨試驗(yàn)，在同等試驗(yàn)條件下對(duì)紫色土和第四紀(jì)紅黏土兩種土壤的坡面侵蝕過程中徑流量變化、產(chǎn)沙量變化、土壤團(tuán)聚體以及粒徑分析來闡述我國南方紅壤區(qū)的土壤坡面侵蝕過程。結(jié)果表明：(1) 降雨是造成土壤坡面產(chǎn)生徑流的主要原因，隨著降雨的不斷增大，土壤坡面徑流量不斷的增加，紫色土的總徑流量較第四紀(jì)紅黏土大。(2) 雨強(qiáng)是造成土壤坡面產(chǎn)沙量的主要原因，特別是在中雨強(qiáng)降雨和大雨強(qiáng)降雨時(shí)，土壤侵蝕泥沙量的產(chǎn)生比較明顯，紫色土與第四紀(jì)紅黏土的土壤侵蝕泥沙量比例關(guān)系為：1.14∶1.0。(3) 紫色土和第四紀(jì)紅黏土均以<0.25 mm的微團(tuán)聚體占優(yōu)勢(shì)，均占65%以上，而紫色土達(dá)到90%之多，紫色土微團(tuán)聚體流失較第四紀(jì)紅黏土嚴(yán)重。(4) 通過兩種土壤的降雨前后土壤顆粒對(duì)比分析，紫色土減少的土壤顆粒主要是黏粒和粉粒，砂粒相對(duì)增加，變化量大，而第四紀(jì)紅黏土相對(duì)較少。

坡面侵蝕; 紫色土; 第四紀(jì)紅黏土; 天然降雨

南方紅壤地區(qū)已成為我國水土流失程度較高、范圍最廣的地區(qū)，其嚴(yán)重程度僅次于黃土高原[1]。在關(guān)于降雨下坡面侵蝕過程研究，國內(nèi)外也已經(jīng)進(jìn)行了長期、深入而大量的試驗(yàn)性研究，但國外主要是在緩坡地(<10°)上取得的的研究成果[2-3]，而國內(nèi)的研究內(nèi)容則主要集中在黃土高原地區(qū)[4-5]。有關(guān)紫色土區(qū)土壤侵蝕的研究還比較少，已有的對(duì)坡面土壤侵蝕的影響的研究也主要集中于耕作制度、土地利用類型等方面[6-7]；我國南方第四紀(jì)紅黏土的體現(xiàn)主要為多樣性和復(fù)雜性[8-9]，朱顯謨[10]、劉東生[11]等對(duì)第四紀(jì)紅黏土作了大量研究也取得了一定的成果。但是大部分的研究主要集中于同一土壤進(jìn)行研究來分析不同因子對(duì)其土壤侵蝕過程的影響，而對(duì)集中于紫色土和第四紀(jì)紅黏土的坡面土壤侵蝕的研究并闡述其侵蝕過程的甚少，特別是在同一地點(diǎn)同一降雨(天然降雨)下動(dòng)態(tài)觀測并研究其侵蝕規(guī)律的基本沒有。文章通過天然降雨試驗(yàn)揭示紫色土和第四紀(jì)紅黏土在天然降雨下的徑流量變化、產(chǎn)沙量變化、土壤團(tuán)聚體以及粒徑特征的演變規(guī)律來闡述紫色土和第四紀(jì)紅黏土坡面侵蝕過程特點(diǎn)以及它們之間的關(guān)系，對(duì)為我國南方紅壤區(qū)土壤侵蝕的治理和生態(tài)修復(fù)以及科研參考資料都具有重要意義。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與研究方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)土樣采用福建省具有代表性的嚴(yán)重侵蝕退化地的土壤。紫色土樣來自寧化縣，位于福建省西部，北緯25°58′—26°40′，東經(jīng)116°22′—117°02′；第四紀(jì)紅黏土樣來自清流縣，位于福建省西部，北緯25°48′—26°21′，東經(jīng)116°38′—117°10′。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用天然降雨模擬紫色土和第四紀(jì)紅黏土的土壤侵蝕過程。試驗(yàn)土槽為移動(dòng)式鋼槽，長150 cm，寬50 cm，深30 cm，坡度設(shè)置為15°。降雨開始時(shí)計(jì)時(shí)，記錄產(chǎn)流、止流時(shí)間，同時(shí)觀察坡面侵蝕過程。坡面開始產(chǎn)流后，用容積為800 ml的取樣瓶接取徑流泥沙樣。由于天然降雨的雨強(qiáng)是變化的，因此根據(jù)降雨強(qiáng)度確定接樣時(shí)間為3～4 min不等采集一次，取樣時(shí)間直到降雨結(jié)束。降雨結(jié)束后，把樣品帶入室內(nèi)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測定。

1.3 試驗(yàn)過程

試驗(yàn)土壤先過10 mm篩，填土前在槽底鋪上透水紗布，然后分層填裝30 cm厚的供試土壤。為保證試驗(yàn)土層容重均勻，采用分層填裝的方法，每5 cm為一層，邊填充、邊壓實(shí)并隨機(jī)取樣測定土壤含水量，以確定各處填土厚度和緊實(shí)狀況[12]，以減小邊壁對(duì)入滲、產(chǎn)流、產(chǎn)沙過程及坡面侵蝕微形態(tài)發(fā)育等諸多方面的影響，并使下墊面土壤條件的變異性最小。試驗(yàn)所用土壤物理顆粒組成見表1。

表1 試驗(yàn)土壤顆粒組成 %

2 結(jié)果與分析

2.1 典型降雨特征

天然降雨往往是間歇性的降雨，而且降雨過程時(shí)間具有不確定性，雨強(qiáng)都隨時(shí)變化的。試驗(yàn)時(shí)間為2013年4月—11月，總共接樣為18場。根據(jù)18場降雨的觀測數(shù)據(jù)分析，當(dāng)10 min最大雨強(qiáng)小于0.6 mm/min時(shí)，產(chǎn)生的降雨小且徑流量、泥沙量均較少，而且分布均勻，文章稱為小雨強(qiáng)降雨；當(dāng)10 min最大雨強(qiáng)在0.6～0.8 mm/min時(shí)，降雨加強(qiáng)，造成土壤坡面侵蝕加速，文章稱為中雨強(qiáng)降雨；當(dāng)10 min最大雨強(qiáng)大于0.8 mm/min時(shí),代表的往往是暴雨及大暴雨，造成的土壤坡面侵蝕比較明顯，文章稱為大雨強(qiáng)降雨。因此，根據(jù)試驗(yàn)的數(shù)據(jù)分析情況，文章選取了2013年6月10日的22：16—22：36以及9月20日的6：40—7：02和8：13—8：36具有特別典型的三場降雨時(shí)段進(jìn)行分析。試驗(yàn)通過虹吸式雨量計(jì)計(jì)算出試驗(yàn)階段時(shí)的降雨情況。文章的三場降雨的降雨歷時(shí)、降雨量、雨強(qiáng)見表2。

表2 試驗(yàn)階段降雨特征

2.2 徑流量變化過程分析

徑流與土壤侵蝕是水土保持科學(xué)中有著緊密聯(lián)系的兩個(gè)研究內(nèi)容,坡面徑流是產(chǎn)生土壤侵蝕的外動(dòng)力[13]。徑流量和土壤侵蝕量同降雨強(qiáng)度與降雨量有著密切的關(guān)系,從圖1可看出，在不同雨強(qiáng)變化的條件下，當(dāng)降雨量較小時(shí)，紫色土和第四紀(jì)紅黏土產(chǎn)生的徑流量都較少且不分上下，當(dāng)降雨量越大，紫色土和第四紀(jì)紅黏土產(chǎn)生的徑流量都越大，特別是強(qiáng)降雨的峰值期間，現(xiàn)象尤其明顯；在同等降雨條件下，紫色土和第四紀(jì)紅黏土的徑流量的變化量都隨著降雨的增加或減少,但是總的徑流量紫色土大于第四紀(jì)紅黏土。

圖1 歷時(shí)-徑流量變化過程

2.3坡面侵蝕產(chǎn)沙過程分析

坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙的外動(dòng)力是自然降雨和地表徑流，在自然降雨雨滴和薄層水流的作用下，通過坡面的雨滴濺蝕和土壤表面徑流，土壤表土層被剝離和搬運(yùn)，形成坡面土壤流失。

圖2中可以發(fā)現(xiàn)，在不同雨強(qiáng)下，紫色土和第四紀(jì)紅黏土的土壤侵蝕泥沙量都隨著雨強(qiáng)的增加而增大；在相同雨強(qiáng)下，在小雨強(qiáng)降雨下時(shí)紫色土和第四紀(jì)紅黏土侵蝕產(chǎn)沙量都較少，基本相同，但是在中雨強(qiáng)降雨和大雨強(qiáng)降雨時(shí)，紫色土的土壤侵蝕泥沙量較第四紀(jì)紅黏土多而明顯，比例關(guān)系為：1.14∶1.0。

圖2 歷時(shí)-產(chǎn)沙量變化過程

2.4泥沙水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量的變化分析

土壤團(tuán)聚體作為土壤結(jié)構(gòu)的基本單元，其粒徑分布決定著孔隙的數(shù)量搭配和形態(tài)特征以及對(duì)外界應(yīng)力的敏感性[14]。而如孔隙度、連接度、孔徑分布特點(diǎn)等土壤孔隙特征則影響水分在土表及土體內(nèi)的運(yùn)移方式和途徑，與地表徑流間有密切關(guān)系。地表徑流則是表征土壤侵蝕的重要指標(biāo)，因此，土壤團(tuán)聚體與土壤可蝕性之間存在著必然的內(nèi)在聯(lián)系。

由圖3可以看出，紫色土和第四紀(jì)紅黏土均以<0.25 mm的微團(tuán)聚體占優(yōu)勢(shì)，均占65%以上，而紫色土達(dá)到90%之多。說明在相同降雨條件下，相同的雨強(qiáng)變化條件下，紫色土的土壤可蝕性大于第四紀(jì)紅黏土，使得紫色土的土壤侵蝕較第四紀(jì)紅黏土容易。

2.5 侵蝕過程中土壤顆粒遷移過程分析

土壤粒徑分布特征是最基本的土壤物理性質(zhì)之一,它對(duì)土壤的水力特性、土壤肥力以及土壤侵蝕都有直接的影響[15]。黏粒、粉粒和砂粒是判斷土壤退化的重要指標(biāo)，通過對(duì)降雨前后土壤的顆粒粒徑分析，觀測其不同土壤顆粒類型的遷移變化過程，闡述紫色土和第四紀(jì)紅黏土的侵蝕特點(diǎn)。

圖3 土壤泥沙樣團(tuán)聚體特征

圖4可以看出，降雨前后紫色土土壤顆粒變化規(guī)律：紫色土土壤顆粒增加最明顯的是砂粒，由原來的12.11%增加到25.46%，增加了13.35%，降雨后紫色土的黏粒減少了2.85%，粉粒減少了10.50%。黏粒和粉粒降雨前后的變化比例雖然相對(duì)于砂粒較少，但是總變化量還是較大。

圖4 降雨前后紫色土土壤顆粒遷移特點(diǎn)

圖5可以看出，降雨前后第四紀(jì)紅黏土土壤顆粒變化規(guī)律：第四紀(jì)紅黏土降雨前后的變化比例比較平緩，黏粒和粉粒在降雨后比降雨前分別減少了1.22%和5.12%，砂粒在降雨后比降雨前增加了6.34%。

圖5 降雨前后第四紀(jì)紅黏土土壤顆粒遷移特點(diǎn)

通過試驗(yàn)分析得出，紫色土降雨后減少的土壤顆粒主要是黏粒和粉粒，砂粒相對(duì)增加，紫色土的細(xì)小顆粒的流失，土壤表面的粗化導(dǎo)致了土壤侵蝕退化加??；第四紀(jì)紅黏土土壤顆粒不管是黏粒和粉粒在降雨后的減少，還是砂粒在降雨后的增加，其變化量與紫色土相比都相對(duì)較少。

3 結(jié) 論

(1) 在雨強(qiáng)不斷變化的情況下，土壤的徑流量和產(chǎn)沙量都隨雨強(qiáng)的增大而增大，紫色土的徑流量大于第四紀(jì)紅黏土；在相同降雨條件下，兩種土壤的泥沙規(guī)律為：對(duì)降雨造成紫色土的侵蝕泥沙量大于第四紀(jì)紅黏土，其比例關(guān)系為1.14∶1.0。

(2) 通過對(duì)土壤團(tuán)聚體分析，土壤降雨破壞了土壤的土體主要以<0.25 mm以下的土壤顆粒，均占65%以上，而紫色土卻達(dá)到90%之多，其說明在相同降雨情況下，紫色土較第四紀(jì)紅黏土嚴(yán)重，土壤結(jié)構(gòu)遭到嚴(yán)重的破壞，加速了土壤侵蝕的發(fā)生。

(3) 通過對(duì)土壤顆粒遷移過程分析，分析試驗(yàn)降雨前后的土壤粒徑變化，紫色土降雨后減少的土壤顆粒主要是黏粒和粉粒，其和為13.35%，第四紀(jì)紅黏土降雨后減少的黏粒和粉粒和為6.34%。降雨加速了紫色土的土壤侵蝕，而第四紀(jì)紅黏土的土壤侵蝕相對(duì)較小。說明在相同降雨條件下紫色土的土壤侵蝕比第四紀(jì)紅黏土嚴(yán)重。

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ResearchforPurpleSoilandQuaternaryRredClaySoilErosionProcessonHillslopeUnderNaturalRainfall

LIU Jia-ming1,2, ZHA Xuan1,2, HUANG Shao-yan1,2

(1.KeyLaboratoryofSubtropicalResourcesandEnvironment,Fuzhou350007,China; 2.CollegeofGeographyScience,FujianNormalUniversity,Fuzhou350007,China)

Purple soil and quaternary red clay soil two typical soil types in red soil zone of southern China were selected. Through natural rainfall experiments, under the same test conditions, changes in runoff and sediment yield, soil aggregates and particle size of purple soil and quaternary red clay soil the two kinds of soil parent material slope erosion were analyzed in order to illustrate the process of soil erosion on the slope in red soil region of southern China. The results showed: (1) rainfall is the main cause of slope runoff, with increasing rainfall, runoff constantly increases, runoff rate is greater in Ppurple soil than Quaternary red clay soil; (2) rainfall intensity is the main cause of slope sediment yield, especially in heavy rainfall during moderate and heavy rain soil erosion and sediment generation were more obvious, the ratio the amount of soil erosion and sediment bentween purple soil and quaternary red clay soil is 1.14∶1.0; (3) <0.25 mm micro-aggregates in purple soil and quaternary red clay soil are dominant, accounting for more than 65%, while 90% for purple soil, purple soil micro-aggregates were more severely loss than the quaternary red clay; (4) by comparing the two types of soil particles before and after rainfall analysis of soil, reduced soil particles of purple soil are clay and silt particles, the relative increase was found in the sand particle, changes were large, but clay content in qauaternary red is relatively little.

hillslope erosion; purple soil; quaternary red clay soil; natural rainfall

2014-05-09

：2014-05-24

國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目“強(qiáng)度侵蝕區(qū)退化生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)關(guān)鍵技術(shù)的研究與集成”(2014BAD15B02);國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃973項(xiàng)目“南方紅壤區(qū)水土流失綜合治理范式及調(diào)控機(jī)理研究”(2007CB407207)

劉家明(1987—),男,江西省新余市人,在讀碩士研究生,主要研究方向?yàn)樗帘３趾屯寥狼治g。E-mail:ljm198713@163.com

查軒(1961—),男,陜西咸陽人,研究員,博士生導(dǎo)師,主要從事土壤侵蝕與水土保持生態(tài)方面研究。E-mail:xzha@fjnu.edu.cn

S157.1

：A

：1005-3409(2014)06-0016-04