模擬降雨下不同坡度土壤坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙特征及磷和鉀素流失研究

陳 誠, 郝志邦

(1.黃河水利職業(yè)技術學院, 河南 開封 475003; 2.河北省子牙河河務管理處, 河北 衡水 053000)

模擬降雨下不同坡度土壤坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙特征及磷和鉀素流失研究

陳 誠1, 郝志邦2

(1.黃河水利職業(yè)技術學院, 河南 開封 475003; 2.河北省子牙河河務管理處, 河北 衡水 053000)

采用室內(nèi)模擬降雨研究了不同坡度對土壤坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙特征及其養(yǎng)分流失的影響。結(jié)果表明：在降雨條件下，初始產(chǎn)流時間隨坡度的增加而趨于提前，初始產(chǎn)流時間變化范圍為0.63～1.62 min，說明坡面產(chǎn)流時間因坡面坡度的增加而縮短。不同坡度條件下徑流強度隨降雨歷時的增加而增加，在降雨歷時前20 min，徑流強度急劇增加，降雨歷時20 min以后，徑流強度增加趨勢趨于平穩(wěn)，徑流強度遵循冪函數(shù)變化規(guī)律；不同坡度條件下入滲強度隨降雨歷時的增加而降低，在降雨歷時前20 min，入滲強度急劇降低，降雨歷時20 min以后，入滲強度降低趨勢趨于平穩(wěn)，坡面入滲強度隨時間則呈對數(shù)函數(shù)變化。不同坡度下徑流量均隨降雨歷時呈“增加—穩(wěn)定”趨勢(單峰曲線，拋物線規(guī)律)，在整個降雨過程中，徑流量隨坡度的增加而增加，在0～20 min內(nèi)，徑流量隨降雨歷時的增加陡然上升趨勢，20～40 min，不同坡度條件下土壤泥沙侵蝕量均達到最大值，40 min以后泥沙侵蝕量隨降雨歷時的增加呈現(xiàn)基本平穩(wěn)趨勢，泥沙侵蝕量中DP，K+，SEP和SEK均隨著坡度的增加而增加。不同坡度條件下，泥沙量與侵蝕泥沙中養(yǎng)分的含量均存在不同程度的正相關關系，其中坡面坡度為20°，25°和30°時，侵蝕泥沙養(yǎng)分含量與泥沙流失量間的相關性明顯優(yōu)于其他坡度，說明侵蝕泥沙量的增加會引起泥沙中各種類養(yǎng)分含量的增加效應，而隨著坡度的增加，侵蝕泥沙量與侵蝕泥沙中養(yǎng)分的含量并非均顯示出更進一步的相關性。

模擬降雨; 土壤坡度; 產(chǎn)流產(chǎn)沙; 養(yǎng)分流失

水土流失是地表物質(zhì)在降雨、徑流、風、凍融等外營力驅(qū)動下發(fā)生位移與再分配的一種自然過程，主要包括侵蝕、剝離、搬運、沉積等環(huán)節(jié)[1-2]。土壤坡面水土流失是坡地表層土壤與降雨、徑流相互分散、剝離和搬運的復雜的物理化學過程，也是大量營養(yǎng)元素流失的過程，受降雨特性、產(chǎn)流排水率、徑流泥沙濃度等因素的影響[3-4]。在20世紀初期，國內(nèi)外對于土壤侵蝕的研究多限于侵姓過程中的產(chǎn)流產(chǎn)沙動態(tài)變化和機理分析，而忽略了由此帶來的養(yǎng)分流失問題[4]。土壤侵蝕使得土壤肥力下降，理化性質(zhì)變劣，土地利用率降低，生態(tài)環(huán)境惡化，已成為制約地區(qū)社會經(jīng)濟發(fā)展的重要因素。

在降雨條件下，水土流失實質(zhì)是坡地表層土壤與降雨、徑流相互作用的一系列復雜的物理化學過程，受到降雨和土壤特性等因素影響，水土流失產(chǎn)生的泥沙流失量主要受產(chǎn)流排水率、徑流泥沙濃度的影響，而產(chǎn)流排水率、徑流泥沙濃度主要與受侵蝕土壤的機械組成及降雨強度有關，導致強降雨極易造成土壤坡面水土和養(yǎng)分流失等[5]。流失的泥沙具有富集養(yǎng)分的特點，與受侵蝕土壤的初始養(yǎng)分含量相比，流失泥沙的養(yǎng)分含量一般較高，這種現(xiàn)象稱為泥沙富集效應[6]。在降雨背景下，雨水在土壤剖面主要以入滲和徑流兩種方式進行轉(zhuǎn)移，當雨水入滲量超過土壤最大蓄水量時，則徑流產(chǎn)生；土壤表層易受降雨沖刷侵蝕的影響，徑流隨后發(fā)展為泥沙流失，進而引起水土流失[7]；另一方面導致土壤肥力下降，土地生產(chǎn)力降低，破壞土地資源，在強烈的人為干擾下，水土流失過程進一步加劇，從而引發(fā)了各種各樣的資源與環(huán)境問題[7]。降雨條件下土壤養(yǎng)分流失是導致土壤質(zhì)量退化的重要原因，坡度是影響坡面土壤侵蝕的主要地形因子，但由于坡度與坡面侵蝕關系的復雜性，使坡度對土壤侵蝕的影響規(guī)律存在一定的不確定性，而坡度與坡面侵蝕關系的復雜性和不確定性一定程度上也限制了坡面水土保持措施的有效實施[6-7]。因此，如何增加降雨入滲、合理高效利用水資源和減少水土流失、防治坡地水土流失，減少養(yǎng)分損失，生態(tài)環(huán)境建設和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關鍵。因此，本文采用人工模擬降雨試驗，研究不同坡度對土壤坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙特征及其養(yǎng)分流失的影響，旨在揭示土壤養(yǎng)分隨地表徑流遷移機制和坡面的流失發(fā)生規(guī)律，能夠發(fā)展有效的區(qū)域水土養(yǎng)分流失控制方法，為水土保持、土壤侵蝕與防治提供一定的科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗裝置及設計

試驗土壤取自河南省開封市黃河水利職業(yè)技術學院的野外試驗田，供試土樣為典型紅壤(表層0—20 cm)，其基本性質(zhì)見表1。

表1 供試土壤基本性質(zhì)

試驗于2015年5—9月在黃河水利職業(yè)技術學院試驗基地的降雨大廳進行，人工模擬降雨裝置為西安清遠測控技術有限公司生產(chǎn)及安裝的人工模擬降雨裝置(QYJY-503C)。劃分為6個降雨區(qū)域，其裝置包括降雨系統(tǒng)和供水系統(tǒng)兩部分，降雨系統(tǒng)由多個單一降雨支架組成，降雨支架主要包括側(cè)式噴頭、噴頭支架和壓力控制部分，降雨噴頭由噴頭體、碎流擋板、出流孔板等部分組成。噴頭安裝在由三角架固定的降雨支架上，該裝置由4組單噴頭對噴(各個方向均能噴到)，噴頭出水高度6 m，噴頭高3 m，降雨雨滴終點速度近似天然降雨速度。供水壓力由壓力表控制，雨強主要通過孔板的孔徑來調(diào)節(jié)，孔徑3～13 mm，可控制雨強40～170 mm/h，雨滴直徑和雨滴分布與天然降雨相似，降雨均勻度大于90%，采用多個雨量筒現(xiàn)場實際測量降雨強度，滿足人工模擬降雨試驗的要求。

在參考前人研究的基礎上，試驗設置6個坡度(5°，10°，15°，20°，25°和30°)共6組試驗(表2)，降雨強度設置為70 mm/h，每組試驗均設3組平行，以保證試驗的準確性，共進行了15次人工模擬降雨試驗，每次試驗前采用TDR測定土壤水分，以保證土壤前期含水率基本一致。前期降雨24 h后進行降雨強度為60 mm/h的模擬降雨，降雨直至坡面即將發(fā)生產(chǎn)流為止，然后用塑料布覆蓋并靜置，使水分自由運動下滲以接近自然狀態(tài)下土壤水分分布狀況，同時又能保證各場次降雨的前期土壤含水率基本一致。每場試驗前對降雨強度進行兩次率定，并且兩次的誤差不超過5%，以確保降雨的強度和均勻度達到試驗要求。降雨歷時均設定為90 min。降雨開始后用秒表計時并記錄初始產(chǎn)流時間，同時觀察坡面侵蝕過程。開始產(chǎn)流后的前10 min每3 min取1次徑流泥沙樣，30～90 min每5 min取1次徑流泥沙樣，用量筒測量徑流體積，將徑流泥沙樣靜置12 h后倒掉上層清液，降雨結(jié)束后，用烘干法求得泥沙重，并由渾水徑流減去換算得到的泥沙體積，即得坡面由降雨轉(zhuǎn)化為徑流的水量[8]。

表2 試驗設計

1.2 樣品測定

根據(jù)水量平衡原理，坡面降雨水量轉(zhuǎn)化分為入滲、蒸發(fā)和徑流3個過程，由于試驗在室內(nèi)進行且時間較短，蒸發(fā)損失的水量可以忽略?？紤]到地表徑流包含了泥沙，所以計算地表產(chǎn)流率要減去泥沙的體積。則徑流量和入滲量之和近似等于坡面降雨量，其中坡面平均入滲率利用如下公式計算得出[8]：

每次降雨時在小區(qū)內(nèi)均勻布置八個雨量筒，用以測定降雨量及降雨均勻系數(shù)，進而對雨強進行率定。

稱量每個桶的徑流泥沙總量，放置澄清后倒掉上部清液，待水分蒸發(fā)完全測定泥沙量，徑流泥沙總量減去泥沙重即為徑流量。

降雨開始后即計時；記錄開始產(chǎn)流時間，用塑料桶收集徑流，間隔一定時間(根據(jù)流量大小調(diào)整)更換塑料桶；降雨結(jié)束后記錄降雨歷時及結(jié)束。

待桶內(nèi)徑流放置澄清后，根據(jù)降雨歷時分時段采集桶內(nèi)徑流樣，同樣采集泥沙風干樣。徑流樣上清液過濾后，放入冰箱中低溫保存(2～3℃)。

根據(jù)水量平衡原理，坡面降雨水量轉(zhuǎn)化分為入滲、蒸發(fā)和徑流3個過程，考慮到地表徑流包含了泥沙，所以計算地表產(chǎn)流率要減去泥沙的體積。則徑流量和入滲量之和近似等于坡面降雨量，其中坡面平均入滲強度利用如下公式計算得出[9]：

I=(Ptcosα-10R/S)/t

式中：I為坡面平均入滲率(mm/min)；P為降雨強度(mm/min)；α為地表坡度(°)；R為降雨時間t內(nèi)產(chǎn)生的徑流量(ml)；S為坡面實際承雨面積(cm2)；t為降雨時間(min)。

每個小區(qū)收集的泥沙運回實驗室，風干后除去肉眼可見的碎石、植物殘體等雜質(zhì)，自然風干(20 d)去除碎片和部分根后過2 mm篩，徑流樣溶解態(tài)磷(DP)濃度采用鉬藍比色法測定，徑流樣鉀離子(K+)濃度采用原子吸收分光光度計測定；泥沙樣品中泥沙浸提態(tài)磷(SEP)含量采用0.5 mol/L NaHCO3浸提，鉬銻抗比色法測定；泥沙浸提態(tài)鉀(SEK)含量采用1 mol/L中性醋酸銨溶液浸提，原子吸收分光光度計測定。

1.3 數(shù)據(jù)處理

Excel 2003進行數(shù)據(jù)處理與分析，SPSS 18.0做回歸分析和統(tǒng)計檢驗，由原始數(shù)據(jù)擬合得到的回歸關系經(jīng)統(tǒng)計學檢驗得到最佳擬合度參數(shù)R2，并在p<0.05和p<0.01水平檢驗相關系數(shù)的顯著性。

2 結(jié)果與分析

2.1 模擬降雨條件下坡度對初始產(chǎn)流時間的影響

產(chǎn)流時間是指從開始進行降雨到徑流小區(qū)中徑流出現(xiàn)并開始從集流槽流入集水池所經(jīng)歷的時間歷時，是衡量侵蝕產(chǎn)流過程的一個重要方面[8]。降雨是坡面侵蝕的源動力，次降雨是否產(chǎn)生徑流以及徑流量的大小與產(chǎn)流時間關系密切，而徑流量決定了對坡面土壤沖刷侵蝕的能力[8]。降雨產(chǎn)生徑流和徑流量與起始產(chǎn)流時間關系密切相關，在土壤類型和前期含水量等因素一致的條件下，坡度和降雨強度會影響其初始產(chǎn)流時間。由圖1可知，在降雨強度下，初始產(chǎn)流時間隨坡度的增加而趨于提前，初始產(chǎn)流時間變化范圍0.63～1.62 min，說明坡面產(chǎn)流時間因坡面坡度的增加而縮短。各坡度間的產(chǎn)流時刻值相差較大，之所以出現(xiàn)徑流小區(qū)模擬降雨條件下產(chǎn)流時間隨坡度的增大而提前是由于：降雨強度下土壤母質(zhì)、土壤前期含水量等要素一致時，坡面坡度越大，降水入滲機會越少，降雨入滲損失越小，徑流沿坡面方向的運動速度越快，雨滴在坡面迅速匯集，產(chǎn)流時間整體提前，這與前人的研究結(jié)果一致[6-7,9]。

圖1模擬降雨條件下坡度對初始產(chǎn)流時間的影響

2.2 模擬降雨條件下坡度對產(chǎn)沙產(chǎn)流的影響

研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在坡面產(chǎn)流一段時間后坡面流量基本達到穩(wěn)定，相應入滲也趨于穩(wěn)定，對該時刻起至降雨過程結(jié)束止的各個時刻的徑流強度和入滲率求平均值，作為該坡面的徑流強度和穩(wěn)定入滲率。圖2反映了土壤坡面平均入滲強度在降雨過程中的變化過程，即降雨初始，坡面具有較大的入滲強度，隨著降雨的持續(xù)發(fā)生，坡面入滲強度逐漸減小，最終趨于穩(wěn)定，不同坡度條件下徑流強度增加趨勢基本相一致，不同坡度條件下徑流強度隨降雨歷時的增加而增加，在降雨歷時前20 min，徑流強度急劇增加，降雨歷時20 min以后，徑流強度增加趨勢趨于平穩(wěn)，徑流強度隨坡度的增加而逐漸增加。這可能與降雨過程中土壤的侵蝕發(fā)展過程及地表結(jié)皮有關：降雨初期，坡面受到的侵蝕作用較小，土壤結(jié)構的破壞程度較小，土壤入滲能力較強，隨著降雨的持續(xù)發(fā)生，雨滴直接擊打在土壤表層顆粒上，土壤顆粒分散、壓實后容易形成結(jié)構性結(jié)皮；由于降雨前期坡面徑流量小，徑流流速慢，土壤顆粒與徑流有充分的作用時間，被雨滴濺燭分散的細小土壤顆粒更易于隨水分入滲而淋入下層土壤，形成沉積結(jié)皮，以上兩個過程促進了坡面結(jié)皮的發(fā)育，土壤透水能力降低，土壤不能充分吸收水分，而使大量雨水變?yōu)榈乇韽搅?，降低了土壤入滲強度[8]。此外，坡面徑流在降雨、土壤前期含水量、地表覆蓋等基本相同條件下，要受地表坡度決定的承雨量大小所控制，同時在降雨過程中也受到雨滴能量、坡面水流入滲和坡面侵蝕狀況等因素的影響[5,8]。水分入滲受到土壤滲透性能控制，隨降雨進行，土壤含水率逐漸增大，實際入滲強度隨降雨過程的進行而逐步下降，徑流強度逐步增大，在坡面產(chǎn)流一段時間后坡面徑流量基本達到穩(wěn)定，相應入滲強度也趨于穩(wěn)定，坡度對坡面平均入滲強度的影響則表現(xiàn)為平均入滲強度隨坡度的增加而增加，不同坡度條件下入滲強度變化趨勢基本相一致，不同坡度條件下入滲強度隨降雨歷時的增加而降低，在降雨歷時前20 min，入滲強度急劇降低，降雨歷時20 min以后，入滲強度降低趨勢趨于平穩(wěn)，徑流強度隨坡度的增加而逐漸增加，坡度越小，其平均入滲強度差值越??；這主要是由于坡度增大，坡面徑流在順坡方向重力的分力逐漸增大，導致徑流流速加快，縮短了降雨與坡面的作用時間，降雨入滲機會減小，而25°與30°坡面平均入滲強度曲線接近，可能是因為在25°和30°間存在臨界坡度的關系。

圖2模擬降雨條件下坡度對產(chǎn)沙產(chǎn)流的影響

通過SPSS曲線擬合，對土壤坡面徑流強度和坡面入滲強度隨降雨歷時的變化關系作函數(shù)擬合，篩選出R2最大(最佳擬合度及調(diào)整R2)和p值(顯著性)最小的曲線組合，并在此基礎上檢驗其F值和差異顯著性(p<0.05)，由表3可知，結(jié)果發(fā)現(xiàn)徑流強度遵循冪函數(shù)變化規(guī)律，而坡面入滲強度隨時間則呈對數(shù)函數(shù)變化。

表3 徑流強度和入滲強度與降雨歷時的關系

注：**表示p<0.01水平顯著；*表示p<0.05水平顯著，下同。

2.3 模擬降雨對條件下坡度對土壤侵蝕量的影響

降雨強度和坡度變化對坡面降雨的入滲過程和土壤穩(wěn)定性都有較大影響，最終影響到坡面降雨和徑流的侵蝕能力，這主要反映在坡面的侵蝕產(chǎn)沙量上，坡面土壤顆粒隨徑流的遷移、損失是坡面侵蝕的主要方式，侵蝕泥沙量的變化是坡面土壤、降雨特性、地形因子等諸多因素的綜合反映，不同坡度下坡面承載的降雨侵蝕力不同[10]。因此，侵蝕泥沙量呈現(xiàn)出非線性的變化特征。由圖3可知，不同坡度下徑流量均隨降雨歷時呈“增加—穩(wěn)定”趨勢(單峰曲線)，且在整個降雨過程中，徑流量隨坡度的增加而增加，在0～20 min內(nèi)，徑流量隨降雨歷時的增加陡然上升趨勢，并且在0～20 min內(nèi)的徑流量差異并不大，也即降雨初始時刻，坡度對徑流量的影響比較小，而在降雨后期，坡度對徑流量的影響較大；20～40 min，不同坡度條件下土壤泥沙侵蝕量均達到最大值，40 min以后泥沙侵蝕量隨降雨歷時的增加呈現(xiàn)基本平穩(wěn)趨勢。綜合比較可知，可能是因為土壤、降雨等影響坡面侵蝕發(fā)展的因子控制一定的情況下，坡面變化對坡面侵蝕程度的貢獻率增大，坡度增大，坡面入滲強度降低，徑流量增加，徑流流速增大，徑流對土壤顆粒的侵她力和沖刷力增強，對坡面土壤顆粒的攜帶力變大，因此坡度增大時徑流中泥沙含量峰值出現(xiàn)了增大趨勢，產(chǎn)生峰值的時間比較早(峰值均在10 min左右產(chǎn)生)。侵蝕泥沙量在不同坡度下的差異變化說明坡度對坡面泥沙流失有重要影

響。相同雨強條件下，坡度越大，雨水在坡面停留的時間越短，縮短了徑流的入滲時段，降雨入滲量變少，徑流量增大，同時坡面徑流流速加大，徑流動能增強，大的水流流速與大的徑流量組合，使坡面徑流侵蝕能力增強，徑流對土壤顆粒的分散作用及沖刷搬運能力增強[11]；另外，坡度越大，土壤的穩(wěn)定性越低，土壤可蝕性增強，為徑流搬運泥沙提供豐富的物質(zhì)來源。因此，坡度越陡，坡面泥沙流失越多[11]。

圖3模擬降雨對條件下坡度對土壤侵蝕量的影響

在分析不同坡度條件下侵蝕泥沙量與產(chǎn)流歷程的關系，并擬合不同坡度下侵蝕泥沙量與產(chǎn)流歷時的回歸方程，見表4，由表可知，總體上不同坡度下的侵蝕泥沙量與產(chǎn)流歷時均呈拋物線規(guī)律變化(y=ax2+bx+c)。

表4 不同坡度條件下泥沙量與產(chǎn)流歷時回歸模型

2.4 模擬降雨對條件下坡度對泥沙P和K素流失的影響

土壤養(yǎng)分流失具有重要的生態(tài)學指示意義，降雨條件下土壤養(yǎng)分不但以溶解態(tài)形式隨徑流流失，而且泥沙流失也會攜帶大量顆粒態(tài)養(yǎng)分遷移出坡面，在這個過程中主要以溶解態(tài)和浸提態(tài)流失，而且泥沙流失也會攜帶大量顆粒態(tài)養(yǎng)分遷移出坡面[8-9,11]。本研究采用土壤DP，K+，SEP和SEK，從不同坡度對土壤養(yǎng)分流失動態(tài)特征進行分析。由圖4可知，土壤DP，K+，SEP和SEK均隨著坡度的增加而增加，說明坡度越大，其土壤養(yǎng)分流失較為明顯。隨著坡度的增加，土壤DP，K+，SEP和SEK呈增加趨勢，土壤DP，K+，SEP和SEK增加幅度逐漸增加。從養(yǎng)分流失過程來看，隨著坡度的增加，鉀素流失形式以浸提態(tài)為主，逐步被溶解態(tài)所取代，磷素始終以泥沙浸提態(tài)流失占優(yōu)勢，徑流養(yǎng)分濃度曲線變化特征反映了地壤養(yǎng)分向徑流釋放的基本規(guī)律，這不僅與土壤坡度有關，而且與養(yǎng)分理化性質(zhì)關系密切。經(jīng)計算可知，DP/SEP的比值均小于1，說明了土壤磷素主要隨泥沙流失，坡度對磷素流失形態(tài)影響并不大。

2.5 侵蝕泥沙總體特征與侵蝕泥沙養(yǎng)分變化分析

不同坡度的坡面受到的雨滴擊濺力以及徑流對坡面的沖刷作用有一定的差異，最終影響到侵蝕泥沙含量以及侵蝕泥沙中各養(yǎng)分的含量[8-9,11]。對不同坡度條件下產(chǎn)流過程中侵蝕泥沙含量與泥沙養(yǎng)分含量進行相關分析，由表5可知，侵蝕泥沙含量與泥沙養(yǎng)分含量相關分析結(jié)果表明：不同坡度條件下，泥沙量與侵蝕泥沙中養(yǎng)分的含量均存在不同程度的正相關關系，其中坡面坡度為20°、25°和30°時，侵蝕泥沙養(yǎng)分含量與泥沙流失量間的相關性(相關系數(shù))明顯優(yōu)于坡度為5°、10°和15°時，這種相關關系說明侵蝕泥沙量的增加會引起泥沙中各種類養(yǎng)分含量不同程度的增加效應，主要是因為侵蝕泥沙攜帶著大量的顆粒態(tài)養(yǎng)分，侵蝕泥沙量的增大勢必會導致吸附在泥沙顆粒中的養(yǎng)分的增加，而不同養(yǎng)分在同一坡度條件下相關系數(shù)的差異性，可能是由于各養(yǎng)分在侵蝕泥沙中吸附的能力不同，從而有了養(yǎng)分含量與侵蝕泥沙量的相關關系的不同。而隨著坡度的增大，侵蝕泥沙量與侵蝕泥沙中養(yǎng)分的含量并非均顯示出更進一步的相關性，如K+濃度，坡度由5°提為30°時，侵蝕泥沙量與其的相關關系反而降低，而坡度由5°提為20°時，SEK與侵蝕量沒有顯著的相關關系(p>0.05)，坡度由5°提為30°時，DP和SEP與侵蝕量的相關關系基本呈增加趨勢。此外，侵蝕泥沙養(yǎng)分含量多少由多種因素共同作用(坡度、侵蝕泥沙量以及養(yǎng)分自身在土壤顆粒中的吸附特性)。

圖4 模擬降雨對條件下坡度對泥沙養(yǎng)分流失的影響

表5 不同坡度條件下侵蝕泥沙量與泥沙養(yǎng)分流失量相關分析

3 討論與結(jié)論

在降雨強度下，初始產(chǎn)流時間隨坡度的增加而趨于提前，初始產(chǎn)流時間變化范圍0.63～1.62 min，說明坡面產(chǎn)流時間因坡面坡度的增加而縮短，土壤顆粒在坡面的遷移變化過程主要表現(xiàn)在土壤中團聚體和土壤機械組成的空間變化，土壤顆粒隨降雨徑流遷移出坡面進入徑流槽則稱為侵蝕泥沙，侵蝕泥沙的量即土壤侵蝕量，是評價土壤顆粒遷移的指標之一，也是土壤顆粒遷移的宏觀表征[12]。土壤顆粒侵蝕變化的衡量指標主要有侵蝕泥沙量、徑流強度、徑流系數(shù)等，其中徑流強度是坡面侵蝕過程中徑流量與產(chǎn)流時間的比值[13]。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，不同坡度條件下徑流強度變化趨勢基本相一致，坡面徑流在降雨、土壤前期含水量、地表覆蓋等基本相同條件下，主要受地表坡度決定的承雨量大小所控制，同時在降雨過程中也受到雨滴能量、坡面水流入滲和坡面侵蝕狀況等因素的影響，前期降雨后的土壤具有相對較高的含水量，坡面降雨入滲相對較弱，而水分的消散作用對土壤結(jié)構也造成一定程度的破壞，這些因素都導致土壤滲透能力進一步下降，從而使得徑流強度隨坡度增大而呈減小趨勢。而平均入滲率隨坡度的增大表現(xiàn)為先增大后減小趨勢，這說明坡度對水分入滲有一定的促進作用，但是這種作用可能在一定的范圍內(nèi)成立[12]。而坡度變化對降雨入滲過程的作用機理比較復雜：首先，穩(wěn)定入滲水流的主要通道是土壤中較大的非毛管孔隙和部分毛管孔隙，雨滴動能隨之增大，坡面水深增加，地表水層的壓力和雨滴打擊對入滲水體產(chǎn)生的擠壓力都相應增大；尤其是雨滴打擊所產(chǎn)生的擠壓力不僅可以加速入滲水流的運動速度，也可以使部分靜止的毛管水加入到入滲水流中[12]。因此，降雨強度的增大可以起到增加土壤入滲的作用；其次，可能與土壤在降雨過程中的結(jié)皮形成機理及坡面侵蝕發(fā)展過程有關：當坡度較小時，雨滴的垂直下落對土壤表面施加打擊力的角度比較大，容易形成結(jié)構性結(jié)皮；同時，由于坡面水流流速慢，被分散的細小顆粒更易于隨水分入滲而淋入下層土壤，形成沉積結(jié)皮[14-15]。以上兩個過程使得坡度小的坡面結(jié)皮層厚度和硬度都發(fā)育的比較完全，由此可以導致入滲率降低，坡面平均入滲率可能存在一個入滲量變化的臨界坡度，對此還需通過更多野外和室內(nèi)試驗作進一步研究和驗證。

坡度是影響坡面土壤侵蝕的主要地形因子，大量觀測資料表明[16-17]，在我國主要水蝕區(qū)，土壤侵蝕量與坡度呈顯著的正相關關系。坡面侵蝕量并不隨著坡度的增長而持續(xù)增加，而是存在一個侵蝕量發(fā)生變化的臨界坡度，由于試驗方法和土壤性質(zhì)的差異，不同研究得出的臨界坡度差異較大。陳曉安等[18]通過坡面流切應力、土壤的抗沖蝕能力、坡面流速等數(shù)據(jù)，理論推導得出土壤侵蝕的臨界坡度在41.5°～50.0°；水建國等[19]對浙江省紅壤丘陵區(qū)坡耕地徑流小區(qū)1987—2000年的觀測數(shù)據(jù)進行分析發(fā)現(xiàn)，紅壤坡地的土壤侵蝕量與坡度呈極顯著的對數(shù)正相關，土壤坡度每增加1度，全年土壤侵蝕量將遞增120 t/km2。本研究中不同坡度下徑流量均隨降雨歷時呈“增加—穩(wěn)定”趨勢(單峰曲線，拋物線規(guī)律)，在整個降雨過程中，徑流量隨坡度的增加而增加，在0～20 min內(nèi)，徑流量隨降雨歷時的增加陡然上升趨勢，20～40 min，不同坡度條件下土壤泥沙侵蝕量均達到最大值，40 min以后泥沙侵蝕量隨降雨歷時的增加呈現(xiàn)基本平穩(wěn)趨勢，當坡度由5°增大到30°時，泥沙侵蝕量逐漸增加，并沒有出現(xiàn)臨界坡度，有可能在30°以上。隨著坡度的增加，徑流重力在斜坡方向上的分力增大從而加快了徑流的速度，使擊濺雨滴沿坡面向下落得更遠，有利于增加徑流，坡度愈大，坡面土體受到斜坡重力切向分力愈大，坡面上土體不穩(wěn)定性愈大，在外力作用下發(fā)生下移的可能性變大，因此侵蝕產(chǎn)沙量變化總體趨勢是隨坡度增大而增大。

有研究指出模擬降雨對土壤養(yǎng)分的影響主要是通過降低土壤侵蝕和改變理化性質(zhì)實現(xiàn)的，而模擬降雨對土壤養(yǎng)分的富集主要是其固定效應和保蓄效應綜合作用的結(jié)果[20-21]。結(jié)合本試驗的研究結(jié)果來看，侵蝕泥沙養(yǎng)分含量在不同坡度下的整個產(chǎn)流過程中，侵蝕泥沙DP，K+，SEP和SEK含量隨著坡度的增加而增加。相關性分析可知，不同坡度條件下，泥沙量與侵蝕泥沙中養(yǎng)分的含量均存在不同程度的正相關關系，其中坡面坡度為20°、25°和30°時，侵蝕泥沙養(yǎng)分含量與泥沙流失量間的相關性明顯優(yōu)于其他坡度，說明侵蝕泥沙量的增加會引起泥沙中各種類養(yǎng)分含量的增加效應，而隨著坡度的增加，侵蝕泥沙量與侵蝕泥沙中養(yǎng)分的含量并非均顯示出更進一步的相關性。然而，模擬降雨與土壤溶質(zhì)遷移關系的研究只是初步結(jié)果，模擬降雨對坡面侵蝕的影響較為復雜，模擬降雨對坡面土壤溶質(zhì)向徑流釋放機理影響及其動力學機制還有待深入研究。

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ResearchonSlopeRunoff,SedimentandPandKLossCharacteristicsonSlopeswithDifferentGradientsUnderArtificialSimulationofRainfall

CHEN Cheng1, HAO Zhibang2

(1.YellowRiverConservancyInstitute,Kaifeng,He′nan475004,China;2.RiverManagementOfficeofZiyaRiverinHebeiProvince,Hengshui,Hebei053000,China)

Simulated rainfall experiments were conducted to investigate the effect of slope gradients on characteristics of runoff, sediment and nutrient losses. The results showed that the runoff occurring times shortened with the increase of slope gradients, and the initial runoff time ranged from 0.63 minute to 1.62 minutes, which indicated that the runoff time shortened with the increase of slope gradients. For the different slope gradients, the runoff intensity increased with the increase of rainfall time, which tended to be stable after 20 minute rainfall and followed the power function, while the average infiltration rate decreased with the increase of rainfall time, which tended to be stable after 20 minute rainfall and followed the logarithmic function. Sediment yields on slope increased with the increase of slope gradients, in 0～20 minutes, the sediment yields on the slope increased with the increase of rainfall time, which were the highest during 20～40 minutes, and tended to be stable after 40 minutes. The contents of DP, K+, SEP and SEK increased with the increase of rainfall time. There were the varying degrees of positive correlation between sediment yields and nutrient contents on the slope, and the correlation coefficients in the slope gradients of 20°, 25° and 30° were much higher than those in the slope gradients of 5°, 10° and 15°, which implied that sediment yield on the slope could cause the increase of various kinds of nutrients, while sediment yields and nutrient contents on the slope had no further correlation with the increase of slope gradient.

artificial simulation of rainfall; slope gradient; runoff and sediment; nutrient loss

2016-03-28

：2016-04-09

國家自然科學基金—河南省人才培養(yǎng)聯(lián)合基金項目(U1304503);河南省高等學校青年骨干教師資助計劃資助項目(2011GGJS-188)

陳誠(1972—),男，江西東鄉(xiāng)人,碩士,副教授,研究方向:水利工程安全評價、農(nóng)業(yè)水利、土壤等研究。E-mail:Chencheng_72@163.com

S157.1；X14

：A

：1005-3409(2017)02-0070-07