不同礫石存在形式紅壤坡面侵蝕特征的比較

王 蕙， 盧德寶， 黃冬菁， 山成菊

(浙江水利水電學院 水利與環(huán)境工程學院， 310018，杭州)

我國南方紅壤丘陵區(qū)是僅次于黃土高原的嚴重水土流失區(qū)域，國內(nèi)眾多學者對紅壤丘陵區(qū)土地退化、水土流失規(guī)律、水土流失動態(tài)演變趨勢、水土流失綜合治理技術(shù)以及不同治理措施的水土保持效應(yīng)等方面都進行了深入的研究[1-5]；但由于研究方法的不同與技術(shù)手段的欠缺，導致目前對坡面尺度上非均質(zhì)土壤的認識及其水土流失過程了解不足[6]，有關(guān)降雨對紅壤區(qū)含礫石土壤產(chǎn)流產(chǎn)沙機制影響的研究更是鮮有報道。

土壤中礫石的存在形式分為2種，一種是覆蓋于土壤表層的礫石或部分嵌入于土壤的礫石，另一種是埋藏于土壤下層被完全包裹的礫石[7]。土壤表面礫石覆蓋，不僅對土壤含水量和蒸發(fā)產(chǎn)生影響，而且礫石覆蓋使土壤免受雨滴的濺蝕，防止土壤表面結(jié)皮，從而增加入滲；因此礫石的存在不但會改變土壤的物質(zhì)組成和結(jié)構(gòu)，還會影響土壤容重、孔隙度、導水率及土壤入滲等土壤物理特性和水力學特性[8-11]，并進一步改變坡面產(chǎn)流和水土流失過程[12-13]，即土壤中礫石的存在將對整個水文循環(huán)產(chǎn)生影響?，F(xiàn)有的研究主要集中在礫石覆蓋與坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙關(guān)系等方面[12,14-15]，而降雨強度和坡度對不同礫石存在形式土壤侵蝕的影響研究較少。

降雨是產(chǎn)生徑流和土壤侵蝕的先決條件，也是引發(fā)坡面侵蝕的主要推動力[16]。本研究利用室內(nèi)人工模擬降雨，結(jié)合浙江省曹娥江流域上游地區(qū)(省級水土流失重點治理區(qū))降雨、坡地特點，研究不同礫石含量及存在方式下，不同降雨強度和坡度對紅壤坡面侵蝕過程的影響，探討不同降雨強度和坡度組合條件下坡面降雨產(chǎn)流時間、產(chǎn)流強度、產(chǎn)流過程、徑流總量等特征，弄清無礫石、礫石覆蓋和礫石嵌套方式下，降雨強度和坡度對紅壤坡面侵蝕的影響。本研究將為非均質(zhì)土壤坡面水土過程研究、土壤侵蝕預報、坡面水文模型應(yīng)用等提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 研究方法

1.1 試驗設(shè)計

試驗土壤采自曹娥江上游典型含礫石紅壤坡面的表層0～20 cm，風干后過6 mm篩，除去礫石、根系等雜物。試驗礫石采自野外，坡面礫石含量設(shè)為0%(空白)和5%(分為覆蓋和嵌套2種形式)，粒徑為6～10 mm、10～20 mm和20～25 mm，按3∶5∶2配比。根據(jù)研究區(qū)近10年的降雨資料，本次試驗降雨強度設(shè)為60 mm/h和120 mm/h來模擬小、大2種降雨條件。根據(jù)已有研究中產(chǎn)流產(chǎn)沙量突變的臨界坡度大致在25°[2]的研究結(jié)果，試驗坡度設(shè)為10°、15°、20°和25°。每個試驗處理重復2次，共模擬降雨24場次。

1.2 試驗裝置與試驗步驟

試驗采用下噴式自動模擬降雨系統(tǒng)，降雨高度6 m，供水壓力0.08 MPa。試驗土槽為移動式可變坡度鋼槽，規(guī)格為長×寬×深(1.5 m×0.5 m×0.35 m)。

試驗槽底部均勻鋪10 cm石英砂，以保證模擬試驗過程中的降雨入滲條件與實際情況比較吻合。砂層之上填裝供試土壤，表層15 cm為土或土石混合物。為保證試驗土層容重均勻，填土采用5 cm一層，邊填充邊壓實的方法，密度控制在1.5 g/cm3，層與層之間打毛以防止在降雨過程中發(fā)生整體滑坡。表層為5%覆蓋礫石處理時，將供試礫石均勻置于土壤之上；表層為5%嵌套礫石處理時，分為3個5 cm層將土壤與礫石充分混合后拍打壓實。正式降雨之前，采用30 mm/h的降雨強度進行前期降雨，降雨至坡面產(chǎn)流為止。24 h后進行正式試驗，以確保每次試驗時的土壤含水量和水分分布狀況較為一致。

每次試驗前進行降雨強度的率定，降雨均勻度大于85%后開始正式試驗，降雨時間為降雨開始至產(chǎn)流開始后60 min。坡面產(chǎn)流開始后，前10 min每次采樣間隔1 min，10 min后每次采樣間隔5 min。降雨結(jié)束后，用量筒測徑流樣的體積，用烘干法處理泥沙樣品。徑流率為單位時間內(nèi)徑流泥沙樣中徑流的體積(mL/s)，徑流量為時段徑流體積之和(mL)，產(chǎn)沙強度為單位時間內(nèi)徑流泥沙樣中的干泥沙質(zhì)量(g/min)，產(chǎn)沙量為時段干泥沙質(zhì)量之和(g)。

2 結(jié)果與分析

2.1 產(chǎn)流時間比較

由于土地利用、地形條件、植被覆蓋等的影響，土壤坡面產(chǎn)流發(fā)生時間差異很大，弄清降雨過程中產(chǎn)流開始時刻，對坡面產(chǎn)流及侵蝕的計算十分重要[17]。從表1可知，降雨強度一定時，無礫石、覆蓋礫石及嵌套礫石各坡面產(chǎn)流時間隨坡度增加而提前；坡度一定時，各坡面的產(chǎn)流時間隨降雨強度的增加而提前。坡度10°的覆蓋5%礫石坡面，降雨強度120 mm/h時的產(chǎn)流時間較降雨強度60 mm/h時提前最多，提前3.35 min。

相同降雨強度和坡度時，無礫石紅壤坡面的產(chǎn)流時間均早于含有礫石的紅壤坡面，且2種含有礫石坡面的產(chǎn)流時間接近。降雨強度為60 mm/h時，坡度為10°、15°、20°和25°時，覆蓋5%礫石較嵌套5%礫石坡面產(chǎn)流時間分別延長1.12 min、0.35 min、0.14 min和0.15 min。說明礫石能夠延長地表徑流產(chǎn)生的時間，首先，礫石覆蓋能夠增大地表粗糙度，從而延長地表填洼時間，進而延長坡面產(chǎn)流時間；其次，置于地表之上的礫石可以保護位于其下的土壤，并促使水分能夠繼續(xù)入滲，且隨著礫石蓋度的增大土壤入滲量隨之增加[12]。

表1 不同礫石存在形式紅壤坡面產(chǎn)流時間

2.2 產(chǎn)流過程比較

2.2.1 無礫石紅壤坡面 降雨過程的地表徑流過程主要由降雨強度、坡面坡度共同決定[18]。由圖1可以看出：坡度一定時，無礫石紅壤坡面徑流率隨降雨強度增大而增大，坡面產(chǎn)流量也隨之增大。無礫石坡面當降雨強度為60 mm/h時，在坡度10°、15°、20°、25°的徑流率隨降雨時間變化呈增長趨勢；降雨強度120 mm/h、坡度20°時，徑流率隨降雨時間亦呈增加趨勢，但10°、15°和25°時徑流率隨著時間的增長呈波動性變化。降雨強度60 mm/h時，無礫石坡面的前10 min徑流量、后50 min徑流量、平均徑流量和徑流總量隨坡度增加均呈增長趨勢；降雨強度120 mm/h與60 mm/h有相似趨勢，但上述4個指標并不是隨著坡度增大而持續(xù)增大，20°時各指標值低于15°和25°。

圖1 無礫石紅壤坡面侵蝕產(chǎn)流過程Fig.1 Runoff process on no gravel red soil slope

2.2.2 覆蓋5%礫石紅壤坡面 由圖2可知：降雨強度60 mm/h、坡度為20°時，覆蓋5%礫石坡面在30 min時徑流率增加明顯，之后降低并趨于平穩(wěn)；坡度為10°、15°和20°時，徑流率在35 min時升高明顯，之后降低并趨于平穩(wěn)。降雨強度120 mm/h，坡度25°時，覆蓋5%礫石紅壤坡面的徑流率隨降雨時間呈波動變化，在23.3～27.0 mL/s之間；坡度為10°、15°和20°時，徑流率分別在30 min和35 min時增長明顯，之后3個坡度的徑流率相近，在19.5～20.8 mL/s之間。2種降雨強度下前10 min徑流量、后50 min徑流量、徑流總量和平均徑流量的最小值均出現(xiàn)在20°。

圖2 覆蓋5%礫石紅壤坡面侵蝕產(chǎn)流過程Fig.2 Runoff process on 5% gravel-mulching red soil slope

圖3 嵌套5%礫石紅壤坡面侵蝕產(chǎn)流過程Fig.3 Runoff process on 5% gravel-embedded red soil slope

2.2.3 嵌套5%礫石紅壤坡面 降雨強度60 mm/h時，嵌套5%礫石紅壤坡面4個坡度的徑流率均隨降雨時間呈波動增加趨勢，且坡度越大徑流率越大。坡度10°時，2個降雨強度間徑流率差異較小；隨著坡度的增加，2個降雨強度間徑流率差異逐漸增大(圖3)。這說明坡度對侵蝕產(chǎn)流的影響會隨降雨強度的增加而增強[17]。降雨強度120 mm/h時，坡度10°嵌套5%礫石紅壤坡面的徑流率在前20 min趨于平穩(wěn)，20 min后表現(xiàn)為先增加后降低；15°、20°和25°時，徑流率呈波動變化，3個坡度徑流率相近，在17.4～24.4 mL/s之間。15°與10°坡面比較，前10 min徑流量、后50 min徑流量、徑流總量、平均徑流量分別增加316.0%、189.2%、204.3%和240.3%；15°、20°和25°之間，上述4個指標增加不顯著。

圖4 不同礫石存在形式紅壤坡面侵蝕徑流總量Fig.4 Total amount of runoff on the slope of red soil in different gravel existence forms

2.2.4 不同礫石存在形式坡面比較 礫石的存在形式會對降雨入滲等過程產(chǎn)生影響[19]，因而土壤中礫石的有無、在土壤中的位置等使坡面產(chǎn)流過程不盡相同。降雨強度為60 mm/h時，無礫石和嵌套5%礫石在各坡度的徑流率差異均較大，但前10 min徑流量、后50 min徑流量、徑流總量和平均徑流量均隨著坡度增加而增加；覆蓋5%礫石在20°時出現(xiàn)低值。降雨強度為120 mm/h時，無礫石和覆蓋5%礫石坡面在4個坡度的徑流率隨時間的變化過程，及前10 min徑流量、后50 min徑流量、徑流總量和平均徑流量的變化趨勢均相似，且均在坡度20°時出現(xiàn)低值；嵌套5%礫石的前10 min徑流量、后50 min徑流量、徑流總量和平均徑流量從10°到15°變化顯著，之后隨坡度增加變化趨勢平緩。

2.3 徑流總量比較

由圖4可知：降雨強度60 mm/h、坡度為20°時，1 h徑流總量表現(xiàn)為覆蓋5%礫石>無礫石>嵌套5%礫石；坡度為10°、15°和25°時，無礫石>覆蓋5%礫石>嵌套5%礫石。降雨強度為120 mm/h時，坡度為10°和25°時，1 h徑流總量表現(xiàn)為無礫石>覆蓋5%礫石>嵌套5%礫石；坡度為15°和20°時，徑流總量表現(xiàn)為覆蓋5%礫石>無礫石>嵌套5%礫石。土壤中的礫石可以在一定程度上削減坡面侵蝕徑流量，尤其是嵌套礫石土壤的形式表現(xiàn)最明顯。

2.4 產(chǎn)沙強度比較

2.4.1 無礫石紅壤坡面 由圖5可知：無礫石紅壤坡面在降雨強度為60 mm/h時，產(chǎn)沙強度在各坡度均呈波動變化，且在35 min之后波動性減小，10°、15°、20°、25°產(chǎn)沙強度分別在3.0～11.7 g/min、7.4～15.5 g/min、7.1～15.6 g/min和5.5～16.7 g/min之間。降雨強度120 mm/h、坡度為10°和15°時，產(chǎn)沙強度在10 min內(nèi)變化平坦；20°時前10 min的產(chǎn)沙強度波動性較大，之后呈波動降低；當坡度為25°時，產(chǎn)沙強度的波動性變化最大，分別在6 min和25 min時出現(xiàn)峰值。試驗中觀察到2種降雨強度下的20°和25°坡面均出現(xiàn)幾個下切溝頭并快速溯源前進，產(chǎn)沙強度急速增加且波動劇烈并出現(xiàn)數(shù)個峰谷值。

圖5 無礫石紅壤坡面侵蝕產(chǎn)沙強度Fig.5 Sediment yield intensity on no gravel red soil slope

2.4.2 覆蓋5%礫石坡面 由圖6可知：覆蓋5%礫石坡面在降雨強度為120 mm/h時，坡度為15°時，產(chǎn)沙強度的在20 min和30 min時較大，在35 min后，波動性減小；坡度為10°、20°和25°時產(chǎn)沙強度的波動性均較小，說明覆蓋礫石坡面產(chǎn)沙強度在降雨的沖刷下也表現(xiàn)為逐漸增強且具有不穩(wěn)定性[20]。覆蓋5%礫石坡面各坡度降雨強度60 mm/h時，產(chǎn)沙強度均表現(xiàn)為小于降雨強度120 mm/h的，在前5 min，4個坡度的產(chǎn)沙強度的整體變化趨勢相似，均在第3 min時增加幅度變大。坡度為20°和25°的產(chǎn)沙強度在15 min之后呈現(xiàn)出先增大后逐漸減小的趨勢；坡度為15°時的產(chǎn)沙強度在5 min之后的變化波動性較小，在1.4～2.1 g/min之間。

圖6 覆蓋5%礫石紅壤坡面侵蝕產(chǎn)沙強度Fig.6 Sediment yield intensity on 5% gravel-mulching red soil slope

2.4.3 嵌套5%礫石坡面 由圖7可知，嵌套5%礫石在降雨強度為120 mm/h情況下，10°、15°、20°和25°產(chǎn)沙強度分別在2.1～6.3 g/min、6.0～12.8 g/min、8.6～14.0 g/min和9.4～16.6 g/min之間；坡度為25°時，產(chǎn)沙強度整體大于其他3個坡度的產(chǎn)沙強度，峰值出現(xiàn)在第9 min。降雨強度60 mm/h時，各坡度的產(chǎn)沙強度均小于降雨強度120 mm/h。降雨強度60 mm/h時，坡度為10°、15°和20°時產(chǎn)沙強度的變化均呈現(xiàn)微弱波動性變化，其產(chǎn)沙強度分別在0.1～0.8 g/min、0.8～1.7 g/min和1.4～2.1 g/min之間；坡度25°時產(chǎn)沙強度的變化幅度較大，其峰值出現(xiàn)在第20 min，其值為4.7 g/min。

圖7 嵌套5%紅壤坡面侵蝕產(chǎn)沙強度Fig.7 Sediment yield intensity on 5% gravel-embedded red soil slope

2.5 次降雨產(chǎn)沙量比較

產(chǎn)沙量是評價土壤侵蝕過程的重要指標。降雨強度為60 mm/h時，除25°外，其他坡度的次降雨產(chǎn)沙量均表現(xiàn)為無礫石>覆蓋5%礫石>嵌套5%礫石。無礫石和覆蓋礫石坡面在坡度為15°、20°和25°的產(chǎn)沙量相近，變異系數(shù)分別為3.1%和11.3%；嵌套5%礫石紅壤坡面次降雨產(chǎn)沙量在坡度為15°、20°和25°的產(chǎn)沙量差異較大，變異系數(shù)為46.6%。降雨強度為120 mm/h時，各坡度的產(chǎn)沙量均表現(xiàn)為無礫石>嵌套5%礫石>覆蓋5%礫石；坡度25°的無礫石紅壤坡面次降雨產(chǎn)沙量最高，為3 172 g(表2)。無礫石、覆蓋5%礫石和嵌套5%礫石紅壤坡面在相同坡度時，次降雨產(chǎn)沙量均表現(xiàn)為降雨強度120 mm/h>60 mm/h，增加1.3～13.0倍，其中嵌套5%礫石10°坡面隨降雨強度增加次降雨產(chǎn)沙量增加13.0倍。這說明在相同坡度下，降雨強度對含礫石土壤的侵蝕同樣具有重要的影響，并控制坡面侵蝕產(chǎn)沙量。

表2 不同礫石存在形式紅壤坡面次降雨產(chǎn)沙量

3 結(jié)論與討論

3.1 不同礫石存在形式紅壤坡面對土壤侵蝕產(chǎn)流的影響

降雨強度是土壤侵蝕的主要動力，坡度是影響坡面侵蝕產(chǎn)流產(chǎn)沙的主要地形因素，二者均影響坡面產(chǎn)流時間[21-22]。有研究表明：降雨強度越大，雨滴中值粒徑也越大，擊濺能力越強，從而增加坡面徑流的紊動性[23]；雨滴擊濺促進土壤顆粒分離、徑流沖刷和運轉(zhuǎn)，從而導致土壤流失[24]；若消除雨滴擊濺動能后，土壤侵蝕量將會減少20～60倍，甚至90倍[25]。降雨強度越大，相同坡度的土壤坡面在單位面積單位時間所接受的雨量也增大，產(chǎn)流所需的時間隨著降雨強度的增加必然縮短[17]，而礫石覆蓋可以保護土壤免受雨滴濺蝕，減少表土結(jié)皮，增強表土結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性[14]。本研究表明：無礫石、覆蓋5%礫石和嵌套5%礫石紅壤坡面在相同坡度時，隨著降雨強度的增加產(chǎn)流時間提前；降雨強度增加后，雨滴對坡面的打擊和沖刷力也隨之增加，且降雨強度的增加也會掩蓋坡度對產(chǎn)流時間的影響；降雨強度為60 mm/h時，10°、15°、20°和25° 4個坡度，覆蓋5%礫石較嵌套5%礫石坡面產(chǎn)流時間分別延長1.12 min、0.35 min、0.14 min和0.15 min。

徑流率隨坡度的變化是一個復雜的過程，在降雨強度一定的條件下，地表徑流率的大小主要由坡面土壤入滲特性和承雨量來決定[26]。本研究表明：降雨強度為120 mm/h時，無礫石和覆蓋5%礫石在4個坡度的徑流率隨時間變化過程較接近，而嵌套5%礫石坡面在坡度為10°時徑流率遠低于其他坡度的；在降雨強度為60 mm/h時，無礫石、嵌套5%礫石和覆蓋5%礫石坡面在不同坡度時的徑流率差異較大。

本研究還表明，徑流總量隨降雨強度的增加而增加，這與張會茹等[17]的研究結(jié)果一致。降雨強度為60 mm/h時，除坡度20°外，10°、15°和25°時，徑流總量均表現(xiàn)為無礫石>覆蓋5%礫石>嵌套5%礫石。降雨強度為120 mm/h時，坡度為10°和25°時，徑流總量表現(xiàn)同上。覆蓋5%礫石坡面在降雨強度120 mm/h和60 mm/h時，前10 min徑流量、后50 min徑流量、徑流總量和平均徑流量的最小值均出現(xiàn)在20°?？傮w而言，降雨強度較小時礫石存在(嵌套或覆蓋)對坡面徑流量削減的效果更顯著，隨著降雨強度的增大，降雨強度對坡面產(chǎn)流的影響程度強于坡度和礫石的影響。原因可能是坡面礫石的存在增加土壤空隙及入滲[7]，嵌套礫石又較覆蓋礫石坡面土壤孔隙多，但當降雨強度增加后礫石的減流效應(yīng)也被相應(yīng)削弱。

3.2 不同礫石存在形式紅壤坡面對土壤侵蝕產(chǎn)沙的影響

侵蝕產(chǎn)沙過程是坡面侵蝕過程研究的主要內(nèi)容，是研究坡地發(fā)育的基礎(chǔ)[27]。礫石覆蓋與細溝間侵蝕關(guān)系復雜，受到表土結(jié)構(gòu)、礫石位置和大小以及坡度等因素的影響[14]。相關(guān)研究表明：在同一降雨強度下隨坡度增加侵蝕產(chǎn)沙強度增大，且這種坡度對侵蝕產(chǎn)沙的影響程度隨降雨強度的不同有明顯差異[28]；侵蝕產(chǎn)沙量在25°附近均存在一個侵蝕量的臨界坡度[29]；坡度對坡面產(chǎn)流與產(chǎn)沙過程的貢獻率不同，其中坡度對坡面徑流量貢獻率在60%以上，坡度對產(chǎn)沙量的貢獻率在30%左右[30]；當?shù)[石置于表土之上或嵌入具有結(jié)構(gòu)孔隙表土時，礫石與細溝間侵蝕呈負相關(guān)關(guān)系[14]。本研究表明：不同降雨強度時不同礫石存在形式的各坡面，產(chǎn)沙強度整體上隨著降雨的持續(xù)呈波動性減小的趨勢，最后趨于平穩(wěn)；不同礫石存在形式紅壤坡面在降雨強度60 mm/h和120 mm/h時，產(chǎn)沙強度均表現(xiàn)為25°明顯大于10°、15°和20°；相同條件下次降雨產(chǎn)沙量均隨著坡度的增加呈增加的趨勢，且隨降雨強度增大而增大。這是因為降雨雨滴的擊濺作用使坡面上產(chǎn)生分散的土粒，坡面形成的薄層水流將這些土粒搬運至鋼槽出口，由此形成了坡面產(chǎn)沙的高峰；隨降雨的持續(xù)進行，雨滴的打擊作用可使土壤表面形成較致密的臨時結(jié)皮層，使土壤抗蝕力相應(yīng)增強，又因薄層水流的存在，雨滴擊濺坡面的機會減少，坡面產(chǎn)沙量逐漸下降并趨于穩(wěn)定[28]。

Poesen[31]研究發(fā)現(xiàn)礫石在細砂土中的位置對于地表結(jié)皮強度有明顯影響，礫石覆蓋地面時的土壤結(jié)皮強度比礫石嵌套于土壤中時弱。本研究表明：不同礫石存在形式紅壤坡面由于降雨強度不同，次降雨產(chǎn)沙量規(guī)律表現(xiàn)不同；降雨強度60 mm/h時，除25°外，各坡度的產(chǎn)沙量表現(xiàn)為無礫石>覆蓋5%礫石>嵌套5%礫石，降雨強度120 mm/h時則為無礫石>嵌套5%礫石>覆蓋5%礫石。原因可能是：在較小降雨侵蝕力作用下，嵌套于坡面的礫石可以增加地表入滲，阻礙坡面侵蝕；而在較大降雨侵蝕力作用下，由于嵌套礫石坡面裸露土壤相對于覆蓋礫石坡面多，從而坡面侵蝕量較高，這也從另一方面說明礫石覆蓋在較大雨強時更能抑制表土細溝的形成、增加細溝糙度、降低細溝徑流速率[14]。本研究僅探討了覆蓋5%和嵌套5%礫石紅壤坡面產(chǎn)流開始1小時后的侵蝕產(chǎn)流產(chǎn)沙特征，鑒于此，今后還需在降雨時長、礫石含量及入滲規(guī)律等方面進行深入研究。