坡面土壤顆粒組成對雨強和坡度變化的響應研究

羅丹竹，金 鑫

(1.桂林理工大學廣西環(huán)境污染控制理論與技術(shù)重點實驗室，廣西 桂林 541004；2.桂林理工大學巖溶地區(qū)水污染控制與用水安全保障協(xié)同創(chuàng)新中心，廣西 桂林 541004)

土壤顆粒組成是指粒徑大小不同的顆粒在土壤中所占的比例[1]，常用黏粒、粉粒和砂粒在土壤中所占的比例表達[2]。降雨過程中，雨滴擊打土壤表面，土壤表層結(jié)構(gòu)在團聚體破碎、分散等作用力下發(fā)生破壞，土壤顆粒沿坡面向各個方向發(fā)生遷移[3]，同時也隨著下滲水流通過孔隙向土壤下層移動，造成原位置的土壤顆粒組成發(fā)生變化[4]。土壤顆粒遷移是一種普遍發(fā)生在土壤中的物理過程[5]，在土壤發(fā)育和土壤物質(zhì)遷移過程中起著重要的作用[6]。土壤機械組成是影響水分入滲的主要因素[7]，而不同的土壤顆粒組成，其產(chǎn)流產(chǎn)沙規(guī)律及土壤的抗蝕性能存在一定的差異[8]。一般而言，土壤顆粒組成中細顆粒含量越多，其黏結(jié)能力越強[9]，內(nèi)聚力增大[10]，在一定程度上能夠促使土壤形成團粒結(jié)構(gòu)，從而增大土壤的抗打擊能力。逯海葉等[11]的研究指出，土壤顆粒級配是影響抗剪強度最重要的內(nèi)在因素，細粒含量越多，土壤的抗剪強度越大。

陳洪松等[12]的研究表明，在相同條件的降雨下，不同大小的坡度形成的徑流量不同，導致土壤侵蝕量及侵蝕泥沙顆粒的分布特征存在差別。一些研究結(jié)果表明，徑流在土壤表面的傳輸特性決定了先搬運表層細顆粒[13]，細顆粒比粗顆粒易被侵蝕，侵蝕泥沙中黏粒含量顯著增加。李朝霞等[14]通過人工模擬降雨試驗觀察了3種紅壤的土壤顆粒結(jié)構(gòu)及其土壤團聚體在降雨過程中的變化，發(fā)現(xiàn)隨著降雨時間的增長，土壤中粗顆粒和細顆粒的相互之間的分離現(xiàn)象非常嚴重，降雨時間的長短會對土壤顆粒組成產(chǎn)生影響。陳曉燕等[15]通過人工模擬降雨試驗研究紫色土降雨前后土壤顆粒組成的變化情況，發(fā)現(xiàn)降雨強度的大小對土壤顆粒組成產(chǎn)生影響。張騰飛等[16]在野外觀察天然降雨對坡面土壤顆粒組成的影響，發(fā)現(xiàn)坡面土壤顆粒組成中粗顆粒的含量增高。黃麗等[17]對紫色土坡地土壤顆粒的遷移進行了研究，發(fā)現(xiàn)降雨后的表層土壤顆粒組成與降雨前相比，細顆粒含量減少，粗顆粒含量增加。李裕元[18]對土壤顆粒結(jié)構(gòu)系數(shù)與粒徑及坡長的位置變化關(guān)系進行了分析，認為黏粒和粉粒在坡面的移動最明顯，且粉粒隨徑流沿坡面向下坡移動并在坡下位置發(fā)生沉積，黏粒主要是隨徑流直接從坡面流失，其流失量與坡度和坡長有關(guān)。陳明華[19]對紅壤區(qū)土壤進行可蝕性分析發(fā)現(xiàn)，最易流失的是粗粉粒和細粉粒。還有一些研究發(fā)現(xiàn)，降雨過程中，侵蝕量與泥沙顆粒組成密切相關(guān)，主要表現(xiàn)為侵蝕量較大時，泥沙顆粒分布與降雨前表層土壤的粒徑分布更接近[20]。

從目前的研究來看，在眾多降雨徑流對土壤顆粒組成影響的研究中，系統(tǒng)開展雨強和坡度這兩個主要影響因素對坡面土壤顆粒組成影響的研究尚不多見。因此，本研究利用人工模擬降雨裝置和變坡土槽開展實驗，通過觀測不同雨強和坡度組合條件下，降雨前后黃土坡面土壤顆粒組成的變化情況，探索坡面土壤顆粒組成在雨強和坡度綜合影響下的變化規(guī)律。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

實驗采用人工模擬降雨裝置以及變坡土槽開展。降雨裝置采用旋轉(zhuǎn)下噴式噴頭，以揚程為50m的潛水泵提供動力，降雨高度為6m，雨強范圍為30～200mm/h，雨滴直徑為0.1～6mm；實驗土槽尺寸為4m×1.2m×0.8m(長×寬×深)，坡度變化范圍0～30°，底部具備滲漏功能，末端設(shè)出水口用于收集坡面徑流。

實驗土壤為陜西省榆林市子洲縣岔巴溝流域的黃土。岔巴溝流域地貌為黃土丘陵溝壑區(qū)，土壤以黃土母質(zhì)發(fā)育的黃綿土為主，土壤顆粒組成中以粉粒為主要部分，土壤結(jié)構(gòu)疏松，植被稀少，土壤易發(fā)生侵蝕。

1.2 實驗方法

實驗雨強為60、90、120mm/h，坡度為10°、20°，采用不同的雨強和坡度進行組合，降雨歷時60min，共進行6場降雨實驗。

1.3 實驗步驟

(1)每場降雨實驗進行前，在上、中、下三個坡位隨機各選擇1個取樣點，用直徑為3cm的取土鉆分別在3個取樣點采集表層土壤樣品，將土樣自然風干，標號并裝袋。

(2)調(diào)整實驗土槽的坡度到設(shè)計坡度后進行降雨實驗。

(3)降雨結(jié)束后在上坡、中坡、下坡三個坡位隨機各選擇1個取樣點，采集表層土壤樣品，待土樣自然風干，標號并裝袋。

(4)稱量2g經(jīng)自然風干的土樣，加入4mL濃度為0.5%的六偏磷酸鈉進行分散，靜置過夜，用激光粒度儀進行土壤顆粒組成測定。每個土壤樣品進行3次測定，取算術(shù)平均值以消除誤差。

2 實驗結(jié)果

根據(jù)激光粒度儀的測定結(jié)果，得到每份樣品的黏粒、粉粒、砂粒的體積百分比，將同場次降雨前后上、中、下三個坡位的測定結(jié)果進行算術(shù)平均，得到相應場次降雨前后的坡面土壤顆粒組成的體積百分比。表1為60、90、120mm/h雨強下，降雨前后10°、20°坡面土壤顆粒組成的體積百分比變化結(jié)果。

表1 降雨前后坡面表層土壤機械組成變化

從實驗結(jié)果可知，降雨后的坡面表層土壤顆粒組成變化的普遍特點是：黏粒含量均為下降，但變換幅度小于0.5%；粉粒含量下降相對較為明顯，下降幅度在1.9%～6.39%之間；砂粒含量相對有較為明顯的上升，上升幅度在1.44%～7.48%之間；坡面表層土壤在雨后發(fā)生粗化。

2.1 坡度對坡面表層土壤顆粒組成變化的影響

同雨強不同坡度條件下降雨前后的土壤顆粒組成變化如圖1所示。

圖1 同雨強不同坡度條件下降雨前后的土壤顆粒組成變化

從圖1可以看出，黏粒在土壤顆粒組成中所占的比例在所有場次降雨前后的變化均較小，表明降雨徑流所搬運攜帶的黏粒比例與原狀土非常接近，侵蝕過程對黏粒的分選作用很小，坡度對黏粒含量變化的影響不顯著；粉粒和砂粒含量的變化表明，降雨后流失的粉粒多于砂粒，降雨徑流對粉粒和砂粒有較為明顯的分選作用，直接導致坡面表層土壤粉粒含量下降，砂粒含量上升，坡面表層土壤粗化，但坡度對粉粒和砂粒含量變化的影響不一致。

在60mm/h和90mm/h雨強時，隨著坡度增加，坡面土壤中粉粒占比下降的幅度和砂粒占比上升的幅度增大；120mm/h雨強下，隨著坡度的增加，粉粒和砂粒的變化幅度縮小，與60mm/h和90mm/h雨強條件下的趨勢相反，表明在坡面徑流量足夠大的情況下，隨著坡度增加使流速增大，徑流的侵蝕搬運能力增大，對土壤顆粒的分選作用減弱，大雨強大坡度情況下出現(xiàn)泥沙俱下現(xiàn)象。

2.2 雨強對坡面表層土壤顆粒組成變化的影響

同坡度不同雨強條件下降雨前后的土壤顆粒組成變化如圖2所示。

圖2 同坡度不同雨強條件下降雨前后的土壤顆粒組成變化

總體來看，同坡度下，雨強對土壤顆粒組成的變化影響表現(xiàn)不一致。在10°時，隨著雨強增大，坡面表層土壤粉粒和砂粒含量變化幅度增大，即在10°坡度時，隨著雨強增大，降雨徑流的分選作用增大，有更多的砂粒留在了原地，而更多的粉粒被搬離原位，說明在10°坡面時，雨強增大導致徑流量增加，增大的侵蝕搬運能力還不足以對砂粒的輸移產(chǎn)生明顯影響；20°坡時，隨著雨強增大，坡面表層土壤粉粒和砂粒含量變化幅度逐步減小，與10°坡面的趨勢相反，說明在大坡度情況下，隨著雨強增大，侵蝕搬運能力進一步增加，降雨徑流對土壤顆粒的分選作用降低。10°和20°坡面隨著雨強增大，對土壤顆粒分選作用相反的現(xiàn)象，說明坡度和雨強綜合作用下的坡面土壤顆粒組成變化較為復雜。

2.3 雨強和坡度對降雨前后坡面土壤顆粒組成分形維數(shù)的影響

土壤顆粒組成直接用不同粒徑體積百分比表達，難以進行準確的定量化描述，而引入分形理論可以在一定程度上對土壤顆粒組成定量化[21]。

因此，為定量化描述坡面土壤降雨前后的土壤機械組成變化，本文使用土壤分形維數(shù)量化土壤質(zhì)地，根據(jù)激光粒度分析儀所獲的粒徑體積的數(shù)據(jù)和土壤分形維數(shù)模型來確定土壤分形維數(shù)[22]。根據(jù)研究[23]，分形維數(shù)越小表示土壤質(zhì)地越粗，而土壤質(zhì)地越細分形維數(shù)越大，土壤粒徑組成的分形維數(shù)可以作為表征土壤結(jié)構(gòu)的重要指標。

土壤分形維數(shù)模型為[23]：

(1)

式中，V(r

分別以lg[V(r

不同條件下降雨前后坡面表層土壤分形維數(shù)的變化結(jié)果見表2。

表2 不同條件下降雨前后坡面表層土壤分形維數(shù)

從表2的分形維數(shù)變化結(jié)果來看，所有場次降雨后坡面表層土壤的分形維數(shù)均低于降雨前，降雨前的平均分形維數(shù)為2.421，降雨后的平均值為2.329，也即降雨徑流使得坡面土壤粗化。分形維數(shù)變化最大的是60mm/h雨強20°坡面，分形維數(shù)下降了0.150，其余場次的分形維數(shù)下降幅度在0.043～0.113之間。不同雨強不同坡度條件下，降雨后坡面土壤粗化程度從大到小的排列順序為：①60mm/h雨強20°坡面，②90mm/h雨強20°坡面，③120mm/h雨強10°坡面，④90mm/h雨強10°坡面，⑤120mm/h雨強20°坡面，⑥60mm/h雨強10°坡面。

2.3.1坡度對降雨前后坡面土壤分形維數(shù)的影響

同雨強不同坡度條件下降雨前后的土壤分形維數(shù)變化如圖3所示。

圖3 同雨強不同坡度條件下降雨前后的土壤分形維數(shù)變化

同雨強下，隨著坡度的增加，分形維數(shù)下降幅度的變化趨勢不一致。在60mm/h雨強下，分形維數(shù)下降幅度從10°坡面的0.043增加到20°坡面的0.150，土壤粗化程度增加；90mm/h雨強條件下，坡度對土壤分形維數(shù)變化的影響與60mm/h雨強類似，同樣表現(xiàn)為坡度增加分形維數(shù)下降幅度增大，但下降的增幅小于60mm/h雨強，從10°坡面的0.077增加到20°坡面的0.113；120mm/h雨強下，隨著坡度的增加，坡面土壤分形維數(shù)的下降幅度的變化趨勢與60mm/h和90mm/h雨強相反，呈現(xiàn)出隨著坡度的增加，分形維數(shù)下降幅度減小，下降幅度從10°坡面的0.110減小到20°坡面的0.053，土壤粗化程度降低。

2.3.2降雨強度對降雨前后坡面土壤分形維數(shù)的影響

同坡度不同雨強條件下降雨前后的土壤分形維數(shù)變化如圖4所示。

從圖4中可以看出，隨著雨強的增大，10°和20°坡度條件下的坡面土壤分形維數(shù)下降幅度的變化趨勢相反，說明雨強對土壤分形維數(shù)變化的影響同時受到坡度變化的影響。10°坡面分形維數(shù)下降幅度從60mm/h雨強的0.043增加到120mm/h雨強的0.110，而20°坡面分形維數(shù)下降幅度從60mm/h雨強的0.150下降到120mm/h雨強的0.053。坡面土壤粗化是雨強和坡度綜合作用的結(jié)果，大坡度大雨強對土壤粗化作用小于大坡度小雨強，而小坡度大雨強對土壤粗化作用大于小坡度小雨強。

圖4 同坡度不同雨強條件下降雨前后的土壤分形維數(shù)變化

3 分析與討論

3.1 同雨強條件下，隨著坡度的增加，土壤顆粒組成變化的趨勢不一致現(xiàn)象分析

小雨強(60、90mm/h)條件下，隨著坡度增加，坡面土壤粗化程度(分形維數(shù)下降說明土壤變粗，砂粒含量上升也說明土壤變粗)上升，而大雨強(120mm/h)條件下，隨著坡度增加，坡面土壤粗化程度下降。這種土壤粗化趨勢不一致是徑流流速和流量均發(fā)生變化后，坡面徑流的水流功率變化造成的。

根據(jù)研究[25]，水流功率是計算水流輸沙強度的最好指標。水流功率是決定水流對土壤顆粒沖刷、搬運能力和分選作用大小的關(guān)鍵因素，其與流量成正比，也與水流速度的平方成正比。坡面薄層水流流速與流量的1/4次冪和坡度的3/8次冪成正比[26]。在小雨強條件下，隨著坡度增加，水流流速也相應增加的，但流量小于大雨強條件下的流量。因此，隨著坡度的增加，小雨強下水流功率增加的幅度明顯低于大雨強下水流功率的增加幅度。對于坡面土壤顆粒來說，顆粒越粗越容易被分離，越不容易被搬運；顆粒越細越不容易被分離，但越容易被搬運[27]。60mm/h和90mm/h雨強條件下，隨著坡度增加，水流功率有所增大，分離的粉粒含量增加，但水流功率還沒有增大到能夠搬運更多砂粒的程度，搬運的砂粒比例并沒有明顯增加，而坡度增加后提供的可供搬運粉粒增加，造成了在小雨強條件下，隨著坡度增加，對于粉粒和砂粒的分選作用增加的現(xiàn)象。在大雨強條件下，隨著坡度增加，增加的水流功率足夠大，對于砂粒的搬運能力明顯提高，分選作用減小。黏粒的分離主要是伴隨著砂粒和粉粒的分離而分離，水流并不存在單獨增加對黏粒分離作用的情況，使得黏粒含量在降雨后并未發(fā)生明顯變化。

3.2 同坡度下，隨著雨強的增加，土壤顆粒組成變化的趨勢不一致現(xiàn)象分析

10°坡面和20°坡面隨著雨強的增加，土壤粗化的變化趨勢相反，此現(xiàn)象仍可用水流功率的變化進行解釋。在雨強增加幅度相同的情況下，坡度成為水流功率的決定因素，隨著雨強的增加，10°坡面的水流功率總體小于20°坡面，即10°坡面隨著雨強的增加流量增加，導致水流功率增大，增加了對粉粒的分離，但水流功率對砂粒的搬運能力還未發(fā)生質(zhì)變，使得在坡度較小的情況下，隨著雨強的增加土壤粗化程度上升；20°坡面隨著雨強的增加，水流功率能夠粉粒更多的粉粒，同時水流功率也增大到能夠搬運更多比例的砂粒程度，造成在20°坡度時，隨著雨強的增加土壤粗化程度下降的現(xiàn)象。

3.3 土壤分形維數(shù)變化結(jié)果分析

根據(jù)按照分形維數(shù)變化進行的土壤粗化程度排序結(jié)果，中小雨強大坡度的坡面土壤粗化程度大于中大雨強小坡度的坡面，大雨強大坡度和小雨強小坡度的坡面粗化程度最低。小雨強小坡度條件下，水流功率以及挾沙力均最小，對細顆粒的剝離能力最弱，水流并沒有更多的細顆粒土壤可搬運，也沒有搬運更多粗顆粒的能力，使得小雨強小坡度條件下，坡面土壤的粗化程度最低；大雨強大坡度條件下，水流功率和總的挾沙能力都是最大的，可以剝離的細顆粒最多，而能夠搬運的粗顆粒也最多，分選作用減弱，坡面土壤粗化程度相對較低；其他坡度和雨強組合條件下，水流功率增加則分離粉粒和搬運砂粒的能力均有所增加，粉粒被分離后大部分可以被水流搬運走，而水流功率與砂粒的啟動輸移條件對比關(guān)系決定了是否能夠搬運更多砂粒，這種在坡度和雨強綜合作用下的水流功率變化造成了不同條件下坡面土壤粗化程度的不同。

3.4 土壤顆粒組成變化的臨界條件

實驗的結(jié)果顯示，雨強和坡度條件改變，土壤顆粒組成變化的趨勢不一致。由于趨勢出現(xiàn)反轉(zhuǎn)，則必然存在反轉(zhuǎn)的臨界點。從現(xiàn)象來看，可能在10°和20°之間存在臨界坡度，或者在90mm/h和120mm/h之間存在臨界雨強。臨界現(xiàn)象實質(zhì)上是坡度和雨強的改變引起了流量、水深、流速、切應力、挾沙力、水流功率、水流流態(tài)等一系列的復雜變化，也影響了坡面的產(chǎn)流和入滲。因此，有必要進一步開展有關(guān)臨界條件及其作用機理的研究。

4 結(jié)語

(1)所有場次降雨實驗雨后的坡面土壤均為砂粒含量上升，粉粒含量下降，而黏粒含量雖有下降，但變化很小。

(2)分形維數(shù)變化排序的結(jié)果反映出坡度變化對土壤粗化程度的影響大于雨強變化產(chǎn)生的影響。

(3)隨著雨強的增加，不同坡度坡面的土壤顆粒組成變化的趨勢不一致，而隨著坡度的增加，不同雨強條件下的坡面土壤顆粒組成變化的趨勢也不一致，提示可能存在影響坡面土壤顆粒組成變化的臨界坡度或者臨界雨強。