野外模擬降雨條件下徑流小區(qū)產(chǎn)流產(chǎn)沙試驗研究

溫永福, 高 鵬, 穆興民, 趙廣舉, 孫文義

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水利與建筑工程學(xué)院, 陜西 楊凌 712100; 2.西北農(nóng)林科技大學(xué) 土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點實驗室,陜西 楊凌 712100; 3.中國科學(xué)院 水利部 水土保持研究所 土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點實驗室, 陜西 楊凌 712100)

降雨引起的侵蝕產(chǎn)沙，是全球性的嚴(yán)重環(huán)境問題之一，在我國黃土區(qū)表現(xiàn)尤為突出。我國黃土地區(qū)是全球黃土分布面積和厚度最大的區(qū)域，該區(qū)地表植被覆蓋差，土壤抗侵蝕能力弱，地形破碎復(fù)雜，多以暴雨形式降落。坡度、降雨強度、土地利用類型是影響水土流失的三個主要因素，坡度通過制約降雨徑流沖刷和土壤顆粒的穩(wěn)定性引起徑流、侵蝕泥沙的變化[1-2]。降雨強度是侵蝕原動力的主要來源。從接觸地表開始,降雨分別以雨滴擊濺、產(chǎn)流沖刷等過程分別對侵蝕產(chǎn)生重要影響[3-4]。植被能夠改善土壤的理化特性，并影響坡面徑流的形成和發(fā)展，改變其水力特性，從而影響侵蝕的發(fā)生[5]。近年來，學(xué)者們對坡耕地降雨的產(chǎn)流產(chǎn)沙的模擬進(jìn)行了大量的研究工作，研究內(nèi)容主要是從水土保持、土壤侵蝕與生物措施的角度進(jìn)行[6-7]。周繼[8]側(cè)重分析了降雨過程中，土壤中的養(yǎng)分，微生物的變化，以及降雨條件下，對不同坡面成分的影響。證明坡度和雨強較小時，坡度是導(dǎo)致土壤侵蝕的主導(dǎo)因素；當(dāng)雨強增大到臨界坡度時，雨強則成為了導(dǎo)致土壤侵蝕的主導(dǎo)因素。耿曉東等[9]通過室內(nèi)模擬人工降雨試驗，研究了坡度和雨強對紫色土坡面侵蝕產(chǎn)沙過程的影響。結(jié)果表明：坡度和雨強對坡面產(chǎn)沙過程和侵蝕形態(tài)的演變起著重要的作用。焦菊英等[10]通過選定黃土高原林地草地，對不同坡度和雨強下的坡面徑流和侵蝕的研究，證明坡度和雨強兩個因素均與林草的有效蓋度是呈正比的。在黃土丘陵溝壑區(qū)引起黃土高原嚴(yán)重土壤侵蝕的暴雨，主要是歷時在30 min以內(nèi)的短歷時暴雨。本試驗重點研究在短歷時降雨條件下，探討徑流小區(qū)產(chǎn)流產(chǎn)沙隨不同坡度、雨強、土地利用類型變化而變化的特征，為黃土高原地區(qū)產(chǎn)流產(chǎn)沙機理研究和建立水土保持措施提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

徑流小區(qū)位于北洛河上游吳起縣(107°32′40″—108°32′45″E，36°44′53″—37°19′28″N)，地貌屬黃土高原梁狀丘陵溝壑區(qū)，海拔1 233～1 809 m。吳起縣屬半干旱溫帶大陸性季風(fēng)氣候，春季干旱多風(fēng)，夏季旱澇相間，秋季溫涼濕潤，冬季寒冷干燥，年平均氣溫7.8℃，極端最高氣溫37.1℃，極端最低氣溫-25.1℃。年平均降雨量483.4 mm。最大降雨量631.4 mm，年最小降雨量270.0 mm，6—9月份平均降雨總量為322.2 mm，為年平均降雨量71.8%。黃土性土類是研究流域的主要土壤類型，且以初育黃綿土分布最為廣泛。

1.2 徑流小區(qū)設(shè)定

人工模擬降雨試驗小區(qū)選擇坡度為12°和25°兩種坡度以及自然草地和裸耕地兩種不同土地利用類型，共4個。小區(qū)的立地條件見表1。每個小區(qū)面積約10 m2(長×寬=2.5 m×4 m),小區(qū)四周由長100 cm，寬30 cm，厚0.2 cm的鐵皮圍成，鐵皮插入土層深度為25 cm，以消除側(cè)向入滲的影響。小區(qū)下方安放集流槽，在人工降雨期間用塑料桶收集小區(qū)內(nèi)各時段的所有地面徑流，除去其中的泥沙，即為小區(qū)在降雨期間的徑流量。

表1 試驗小區(qū)立地條件

1.3 模擬降雨裝置及樣品采集

本次人工模擬降雨試驗是用折射式單向噴射[11]。降雨裝置的雨水降落高度大于5 m。噴頭出水口為活動孔板，可以更換，配合閥門調(diào)節(jié)工作壓力，以獲得需要的降雨強度。本次試驗主要進(jìn)行30 min雨強分別為1.3 mm/min和1.72 mm/min的模擬。

1.4 試驗方法

試驗于2015年7—9月在陜西省延安市吳起縣選定的徑流小區(qū)進(jìn)行。試驗方案見表2。為保證雨強的均勻性和穩(wěn)定性，試驗開始前測定靠近徑流小區(qū)外側(cè)0～0.5 m土壤前期平均含水率為21.6%，之后將徑流小區(qū)用塑料布遮蓋，在徑流小區(qū)四周用雨量筒對雨強進(jìn)行率定，當(dāng)雨強穩(wěn)定后，迅速將塑料布揭開并開始計時。當(dāng)徑流小區(qū)坡面上的水流呈層流狀態(tài)，并由上到下流至出水口時視為產(chǎn)流開始，記錄產(chǎn)流時間，之后重新開始計時，試驗設(shè)計時長30 min，試驗每隔1 min在出口處接一次徑流泥沙樣。試驗結(jié)束后，將泥沙樣靜置6個小時后倒去上層清液，用烘干法(105°)將樣品烘干后稱量泥沙重量。為保證每次降雨之前徑流小區(qū)0～0.5 m平均含水率相同，每個徑流小區(qū)每隔4 d進(jìn)行一次降雨，這樣可以使徑流小區(qū)有充足時間達(dá)到土壤前期含水率。

表2 試驗設(shè)計方案

2 徑流、產(chǎn)沙影響因子分析

2.1 徑流影響因子分析

2.1.1 坡度對徑流的影響 相同雨強情景下，坡度越大，產(chǎn)流量越大，產(chǎn)流時間越小。試驗中產(chǎn)流時間見表3，徑流量時間變化曲線見圖1A,C,累計徑流量時間變化曲線見圖1B,D。表3表明，在1.3 mm/min條件下，12°坡度產(chǎn)流時間261 s，25°坡度產(chǎn)流時間197 s；1.72 mm/min條件下，12°坡度產(chǎn)流時間191 s，25°坡度產(chǎn)流時間125 s。25°坡度條件下每1 min產(chǎn)流量均高于12°坡度(圖1A,C)。兩種坡度條件下，每1 min產(chǎn)流量隨著時間均呈先增加后平穩(wěn)的趨勢(圖1A,C)。主要因為在降雨初期土壤入滲量大于降水量，當(dāng)下滲率達(dá)到穩(wěn)滲速率后，產(chǎn)流率也趨于穩(wěn)定。分析不同坡度條件下，徑流小區(qū)的累積徑流量時間變化曲線表明(圖1A,C)，25°坡度30min累積產(chǎn)流量明顯高于12°坡度，在1.3 mm/min下約為其1.2倍，在1.72 mm/min下約為其1.5倍。1.3 mm/min雨強25°坡度條件下，產(chǎn)流時間大于6 min后，曲線斜率保持不變，這也表明產(chǎn)流率在某一段時間會達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。不同坡度下徑流量的差異性說明，坡度越大，沿坡方向重力分力越大，導(dǎo)致流速增加，入滲率減小，因此隨著坡度的增加累計徑流量也相應(yīng)增加[12]。

表3 不同徑流小區(qū)初始產(chǎn)流時間

圖1 自然草地小區(qū)在兩種雨強下不同坡度徑流、累計徑流量過程線

2.1.2 土地利用類型對徑流的影響 不同土地利用類型對坡地產(chǎn)流影響差異明顯[13]，草地產(chǎn)流明顯少于裸地且草地達(dá)到穩(wěn)定徑流的歷時要晚于裸地。對相同坡度、相同雨強、不同土地利用類型徑流小區(qū)徑流深、累計徑流深見圖2。

分析表明，相同坡度，相同雨強下，裸地產(chǎn)流量曲線一直處于草地上方，表明裸地單位產(chǎn)流量大于草地。1.3 mm/min雨強條件下，12°坡度裸地產(chǎn)流量達(dá)到穩(wěn)定時間為13 min，草地為17 min，25°坡度分別為10 min和15 min；1.72 mm/min條件下，12°坡度裸地產(chǎn)流量達(dá)到穩(wěn)定時間為13 min，草地為21 min,25°坡度分別為8 min和19 min。產(chǎn)生上述現(xiàn)象的主要原因是，植被在降雨過程中攔截了一部分雨水，草地具有增加地表粗糙度，減少徑流流速，延長徑流在小區(qū)中停留時間，增加了下滲量；同時草地由于團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)豐富，土壤孔隙度大，其土壤下滲能力大于裸地，因此草地產(chǎn)流量顯著小于裸地。裸地徑流達(dá)到穩(wěn)定時間短于草地，主要原因亦可歸于下滲能力的不同。裸地由于無植被攔截，降雨迅速產(chǎn)流，下滲能力且下滲率很快達(dá)到穩(wěn)定速率，因此其徑流穩(wěn)定時間較短。

圖2 兩種雨強兩種坡度下不同土地利用類型徑流深、累計徑流深過程線

與裸地相比，草地產(chǎn)流總量低于裸地。累計徑流深隨時間變化曲線見圖2。分析表明，草地在雨強1.3 mm/min條件下，坡度12°，25°累計徑流深分別為3.49 mm，5.31 mm，比裸地累計徑流深分別減少83.14%，75.25%；在雨強1.72 mm/min條件下，12°，25°累計徑流深分別為9.12 mm，17.80 mm，比裸地累計徑流深分別減少65.61%，52.15%。這說明草地保水能力明顯大于裸地[14]。

3.1.3 雨強對徑流影響 相同坡度和土地利用類型條件下，雨強越大產(chǎn)流量越大，徑流達(dá)到穩(wěn)定時間越短(圖3)。12°草地條件下，1.3 mm/min雨強30 min中產(chǎn)流量為34.86 L，徑流達(dá)到穩(wěn)定時間為17 min，而1.73 mm/min雨強30 min中產(chǎn)流量為117.29 L，為前者的3.36倍，徑流達(dá)到穩(wěn)定時間為15 min，為前者的88.23%;25°草地條件下，1.3 mm/min雨強30 min中產(chǎn)流量為53.05 L，徑流達(dá)到穩(wěn)定時間為22 min，而1.73 mm/min雨強30 min中產(chǎn)流量為178.01 L，為前者的3.35倍，徑流達(dá)到穩(wěn)定時間為19 min，為前者的86.36%;12°裸地條件下，1.3 mm/min雨強30 min中產(chǎn)流量為247.55 L，徑流達(dá)到穩(wěn)定時間為13 min，而1.73 mm/min雨強30 min中產(chǎn)流量為290.22 L，為前者的1.17倍，徑流達(dá)到穩(wěn)定時間為7 min，為前者的53.85%;25°裸地條件下，1.3 mm/min雨強30 min中產(chǎn)流量為265.08 L，徑流達(dá)到穩(wěn)定時間為22 min，而1.73 mm/min雨強30 min中產(chǎn)流量為350.43 L，為前者的1.32倍，徑流達(dá)到穩(wěn)定時間為17 min，為前者的77.27%。

對于草地和裸地來講，產(chǎn)流量都隨產(chǎn)流歷時呈先增加后平穩(wěn)的趨勢，而累計徑流量隨產(chǎn)流歷時呈逐漸增加的趨勢。對于天然草地來講，每1 min徑流量隨產(chǎn)流時間平緩增加，而對于裸耕地來講，隨產(chǎn)流歷時呈急劇增加的趨勢。這是因為對黃土丘陵溝壑區(qū)而言，坡耕地受到的人為擾動最劇烈、頻繁；自然草地其良好的覆蓋度、特有的根蘗繁殖能力、發(fā)達(dá)的根系以及枯草對徑流產(chǎn)生了極大的降低和削弱作用[15-16]，截留率較高，因此其產(chǎn)流增加緩慢，起到了較好的截留保水作用。在雨強1.3 mm/min條件下，兩種土地利用類型的產(chǎn)流強度波動性不大，而在雨強1.72 mm/min條件下，波動性很大，原因是從初始產(chǎn)流開始，由于農(nóng)地土壤的結(jié)構(gòu)特性導(dǎo)致入滲率的顯著降低，產(chǎn)流量明顯加強,具有較大的波動性。裸耕地小區(qū)土壤入滲率下降的主要原因在于農(nóng)地小區(qū)進(jìn)行了翻耕,使其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較差，在雨滴的沖擊下極易封實土壤毛管孔隙，從而阻礙了水分的正常入滲[17-20]。這種劇烈波動性與降雨過程中局部坡面的塌陷所導(dǎo)致的坡面流態(tài)不穩(wěn)有關(guān)。而且各雨強產(chǎn)流曲線差異明顯，微小的雨強差別都可產(chǎn)生不同的產(chǎn)流量，對雨強的變化相當(dāng)敏感。

圖3 自然草地、裸耕地在兩種坡度下不同雨強徑流量過程線

2.2 產(chǎn)沙影響因子分析

由于天然草地覆蓋度達(dá)到80%以上，產(chǎn)沙量極少。本次試驗未采取泥沙樣本，因此本試驗重點研究裸耕地產(chǎn)沙影響因子的分析。

2.2.1 坡度對產(chǎn)沙影響 相同條件下，坡度越大，產(chǎn)沙量越大，產(chǎn)沙峰值越大，但兩種坡度穩(wěn)定產(chǎn)沙量相同。不同坡度條件下產(chǎn)沙量及累計產(chǎn)沙量時間變化曲線見圖4。從圖4A可見，1.3 mm/min雨強條件下，25°產(chǎn)沙時間早于15°，且產(chǎn)沙量呈現(xiàn)“陡增陡降”的特點，到10 min后兩種坡度產(chǎn)沙量基本相同。累計產(chǎn)沙量曲線也顯示，10 min前，25°坡曲線斜率明顯大于12°，10 min后曲線斜率基本一致，表明10 min后兩者產(chǎn)沙率基本相同(圖4B)。1.73 mm/min雨強條件下，亦表現(xiàn)出相同的變化特征(圖4C和4D)。就產(chǎn)沙峰值而言，坡度越大峰值越大，1.3 mm/min雨強，12°和25°坡度峰值分別為34.66 g和85.33 g，1.72 mm/min雨強，12°和25°坡度峰值分別為41.32 g和94.78 g。

圖4 兩種雨強條件下不同坡度產(chǎn)沙、累計產(chǎn)沙量過程線

分析不同坡度下,產(chǎn)沙量隨時間變化表現(xiàn)出的差異性，主要原因可能有以下幾點:(1) 坡度對土壤侵蝕的影響主要是通過影響土壤入滲而實現(xiàn)的。入滲量隨坡度的增大而減小，坡度越大，降雨過程中入滲時間越短，土壤的入滲量越小，產(chǎn)生的徑流量越大，因而產(chǎn)生的侵蝕量越大；(2) 坡度對濺蝕的影響。主要表現(xiàn)在雨滴直接沖擊土壤表面，破壞土壤結(jié)構(gòu)，進(jìn)而使土粒分散、破壞和遷移。坡度較小時，即使嚴(yán)重的土粒飛濺，也不能引起嚴(yán)重的水土流失，而坡度較大時，飛濺的土粒向下坡方向飛濺的距離大于向上坡飛濺距離，為土壤侵蝕創(chuàng)造了有利條件；(3) 在雨強1.3 mm/min，坡度25°條件下，在產(chǎn)沙歷時中有一段時間出現(xiàn)侵蝕泥沙量小于坡度12°的情況?？赡茉蚴?，坡度對土壤侵蝕量的影響并非無限地呈正比增加，而是存在一個侵蝕臨界坡度，當(dāng)大于此臨界坡度時，土壤侵蝕量反而隨坡度的增大而減小[21]。

2.2.2 雨強對產(chǎn)沙影響 相同條件下，雨強越大，產(chǎn)沙量越大，產(chǎn)沙峰值越大，兩種雨強穩(wěn)定產(chǎn)沙量差異明顯。不同雨強條件下產(chǎn)沙量及累計產(chǎn)沙量時間變化曲線見圖5。從圖5A可見，12°被坡度條件下，1.72 mm/min雨強產(chǎn)沙時間早于1.3 mm/min雨強，且產(chǎn)沙量呈現(xiàn)“陡增陡降”的特點，到21 min兩種雨強產(chǎn)沙量差異明顯。累計產(chǎn)沙量曲線也顯示，21 min前，兩者曲線斜率基本一致，21 min后1.72 mm/min雨強曲線斜率明顯大于1.3 mm/min雨強，表明21 min鐘后兩者產(chǎn)沙率差異明顯(圖5B)。25°坡度條件下亦表現(xiàn)出相同的變化特征(圖5C和5D)。就產(chǎn)沙峰值而言雨強越大峰值越大，12°坡度，1.3 mm/min雨強和1.72 mm/min雨強峰值分別為39.97 g和43.5 g；25°坡1.3 mm/min雨強和1.72 mm/min雨強峰值分別為85.33 g和94.78 g。

圖5 兩種坡度下不同雨強產(chǎn)沙、累計產(chǎn)沙量過程線

分析不同降雨強度下，侵蝕泥沙量隨產(chǎn)流歷程表現(xiàn)出的特征，主要原因可能有以下點:(1) 在產(chǎn)流初期，坡面表土層比較松散，抗蝕能力低，為徑流搬運提供了充足的物質(zhì)來源，易受雨滴擊濺和徑流沖刷。雨強越大，降雨的擊濺分散土壤團(tuán)聚體的能力就越強，相應(yīng)就為徑流提供了更多可以攜帶的土壤顆粒，因此隨著降雨的進(jìn)行，當(dāng)坡面開始出現(xiàn)產(chǎn)流時，雨強增大徑流就存在可以攜帶更多土壤顆粒的可能性。因此在產(chǎn)流初期，不同雨強下泥沙都出現(xiàn)陡增現(xiàn)象，且雨強越大，侵蝕泥沙量達(dá)到的峰值越大。(2) 隨著降雨過程的進(jìn)行，一方面原地表松散土壤顆粒減少，在一定程度上阻滯了土壤顆粒隨徑流流失的速度，徑流在沿程流動中一些質(zhì)量相對較大的土壤顆粒出現(xiàn)了沉積，所以遷移出去的顆粒逐漸減少，并最后趨于穩(wěn)定；另一方面，降雨對坡面土粒的作用逐漸從濺蝕轉(zhuǎn)化成為薄層水流的沖刷，雖然薄層水流的沖刷也會對表土顆粒產(chǎn)生侵蝕作用，但是其更重要的作用可能是對土壤顆粒產(chǎn)生遷移和沉積作用，將土壤顆粒遷移出坡面或是在坡面對土壤顆粒進(jìn)行一次再分配。同時雨滴濺蝕破壞了表層土壤顆粒的結(jié)構(gòu)，形成了不易流失的結(jié)皮層[22-23]，坡面土壤侵蝕強度明顯減小，因而徑流產(chǎn)沙量逐漸降低并趨于穩(wěn)定。

4 結(jié)論與討論

(1) 相同雨強和土地利用類型條件下，坡度越大產(chǎn)流量和產(chǎn)沙量越大。相應(yīng)的產(chǎn)流量與產(chǎn)沙量隨時間變化均表現(xiàn)為先增大后穩(wěn)定的變化特征。

(2) 相同雨強和坡度條件下，草地產(chǎn)流量和產(chǎn)沙量均低于裸地，且草地達(dá)到穩(wěn)定產(chǎn)流量時間大于裸地。草地的保水減沙能力明顯高于裸地。

(3) 相同坡度和土地利用類型條件下，雨強越大產(chǎn)流量和產(chǎn)沙量越大，且出現(xiàn)產(chǎn)流產(chǎn)沙歷時短，但達(dá)到穩(wěn)定的時間較長。

由于本次野外人工降雨試驗的條件限制,可能會使試驗的結(jié)果有某些偏差,所建函數(shù)關(guān)系還需要更多的實測數(shù)據(jù)來驗證其合理性。同時,由于自然草地在小、中等雨強下，產(chǎn)沙量很少，本研究未能建立適合自然草地的徑流與侵蝕泥沙的函數(shù)關(guān)系，還需要對其進(jìn)行深入研究。

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