粗顆粒土壤坡面侵蝕泥沙顆粒特征

楊青松，倪世民，王軍光，蔡崇法

(華中農(nóng)業(yè)大學(xué)水土保持研究中心，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部長(zhǎng)江中下游耕地保育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430070)

水力侵蝕包括雨滴擊濺和徑流沖刷引起的土壤顆粒分離、泥沙輸移和沉積三大過(guò)程。徑流分離和輸移泥沙的主要來(lái)源于表土破碎的團(tuán)聚體和表面松散物質(zhì)。侵蝕泥沙的運(yùn)動(dòng)形式和輸移距離受土壤類型和坡面徑流的水動(dòng)力學(xué)特性的影響。侵蝕所導(dǎo)致的土壤顆粒流失會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的土壤質(zhì)量退化和生態(tài)環(huán)境惡化問(wèn)題。因此，研究侵蝕泥沙的分選特性對(duì)土壤侵蝕機(jī)制、評(píng)價(jià)土壤侵蝕程度研究有著十分重要意義。

花崗巖風(fēng)化后會(huì)形成一個(gè)深而松散、粗顆粒含量高的紅壤，其結(jié)構(gòu)疏松、黏聚力低、穩(wěn)定性差、可蝕性高。研究花崗巖紅壤坡面的侵蝕泥沙顆粒分選特征有助于揭示粗顆粒土壤的坡面侵蝕機(jī)理。鑒于此，本文以4種花崗巖母質(zhì)發(fā)育的紅壤為研究對(duì)象，在室內(nèi)進(jìn)行人工模擬降雨研究粗顆粒土壤坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙特征，探討粗顆粒土壤坡面徑流水動(dòng)力學(xué)特性及其產(chǎn)流產(chǎn)沙特性之間的定量關(guān)系，以期為粗顆粒土壤水土流失防治提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 土壤樣品采集

土壤樣品采集于廣東省五華縣華城鎮(zhèn)、湖北省通城縣五里鎮(zhèn)、江西省贛縣田村鎮(zhèn)、福建省長(zhǎng)汀縣河田鎮(zhèn)(分別定義為WHA、TCA、GXA、CTA)，采樣深度為0—15 cm，土壤類型是由花崗巖母質(zhì)發(fā)育的紅壤，氣候類型為亞熱帶季風(fēng)氣候。樣地基本信息見(jiàn)表1。將野外采取的土樣帶回實(shí)驗(yàn)室，進(jìn)行自然風(fēng)干處理，研磨后通過(guò)10 mm篩網(wǎng)除去其中的石塊及雜草，進(jìn)一步進(jìn)行土壤性質(zhì)測(cè)定和模擬試驗(yàn)。其中土壤容重的測(cè)定采用環(huán)刀法；土壤密度的測(cè)定采用比重瓶法；pH采用pH計(jì)測(cè)定，水土比為2.5∶1；土壤有機(jī)質(zhì)的測(cè)定采用重鉻酸甲外加熱法；機(jī)械組成的測(cè)定采用吸管法，顆粒分級(jí)根據(jù)美國(guó)制，分為黏粒(<0.002 mm)、粉粒(0.002～0.05 mm)、砂粒(0.05～2 mm)和礫石(>2 mm)。土壤基本理化性質(zhì)見(jiàn)表2。

表1 各樣地基本信息

表2 試驗(yàn)土樣的基本理化性質(zhì)

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)?zāi)M降雨裝置采用垂直向下噴式自動(dòng)模擬降雨系統(tǒng)(QYJY-503T)。該降雨器通過(guò)不同規(guī)格的噴頭組合可以達(dá)到15～220 mm/h范圍的降雨強(qiáng)度，降雨的均勻度高于90%。在所填土槽表面土壤的10 m以上高度布置降雨器噴頭，以確保所有雨滴均能達(dá)到自然雨滴的極限速度。

從圖1可以看出，土槽規(guī)格為3 m(長(zhǎng))×0.80 m(寬)×0.45 m高。試驗(yàn)土槽角度可調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)的范圍為0～30°。

注：1為水泵；2為噴頭組；3為接樣桶；4為土槽；5為穩(wěn)定支架。

依據(jù)野外實(shí)測(cè)的土壤容重在填土槽中填土。在進(jìn)行土樣填充時(shí)，土槽的最底部先填入10 cm厚的砂層，在砂層上部覆蓋1層可透水的細(xì)紗布，便于入滲水分能夠自由下滲排漏。采用分層填土填入30 cm厚的試驗(yàn)土壤，每次填入5 cm，填土同時(shí)進(jìn)行壓實(shí)，并對(duì)表層進(jìn)行輕耙，確保土壤不同部分之間的連續(xù)性和均勻性。土壤填充完成后，用調(diào)平儀使土壤表面平整，同時(shí)盡力把試驗(yàn)土槽四周的邊壁壓實(shí)，達(dá)到減小邊界效應(yīng)的作用。平整、壓實(shí)后的土壤自沉降48 h。

本次研究采用我國(guó)坡耕地典型坡度16.7%為模擬降雨坡度、南方亞熱帶地區(qū)的實(shí)際暴雨強(qiáng)度90 mm/h為模擬降雨強(qiáng)度。試驗(yàn)于2021年4月在華中農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院水土保持研究中心降雨大廳進(jìn)行。在試驗(yàn)正式開(kāi)始之前，需要以30 mm/h的雨強(qiáng)對(duì)土槽土樣進(jìn)行預(yù)濕潤(rùn)處理，待坡面產(chǎn)流后，放置24 h。試驗(yàn)中單次降雨歷時(shí)1 h，以土壤坡面形成細(xì)溝為降雨結(jié)束時(shí)間，WHA土壤累計(jì)降雨時(shí)間為1 h，TCA土壤累計(jì)降雨時(shí)間為3 h，GXA土壤累計(jì)降雨時(shí)間為10 h，CTA土壤累計(jì)降雨時(shí)間為20 h。試驗(yàn)中水寬采用直尺法測(cè)定，采用鋁盒和塑料桶收集泥沙樣，每隔3 min用鋁盒與塑料桶接1次樣，接樣時(shí)間為1 min，測(cè)得產(chǎn)沙量與徑流量，用于進(jìn)行土壤侵蝕速率、水流功率的計(jì)算。表面流速采用高錳酸鉀染色法測(cè)得，乘以相應(yīng)的系數(shù)得到平均流速。通過(guò)濕篩法和吸管法測(cè)定侵蝕泥沙顆粒粒徑：黏粒(<0.002 mm)、粉粒(0.002～0.05 mm)、砂粒(0.05～2 mm)和礫石(>2 mm)。

1.3 參數(shù)獲取

水流功率表示作用到單位面積的水流所引起的功率消耗，其表達(dá)式為：

=

(1)

式中：為水流功率(W/m)；為水的密度(假設(shè)為1 000 kg/m)；為重力加速度(常數(shù)為9.8 m/s)；為斜率；為單位寬度徑流量(m/s)。

土壤侵蝕速率(土壤剝蝕率)為單位時(shí)間、單位侵蝕面積上的土壤被水流剝蝕的土壤顆粒質(zhì)量，用于表征坡面徑流對(duì)土壤的分離能力，其表達(dá)式為：

(2)

式中：為土壤侵蝕速率(kg/(m·min))；為累計(jì)產(chǎn)沙量(kg)；為水寬(cm)；為溝長(zhǎng)(m)；為時(shí)間(min)。

富集率表示在坡面侵蝕過(guò)程中泥沙粒徑的富集情況，其表達(dá)式為：

(3)

式中：為富集率(%)；為侵蝕泥沙各粒徑的百分比(%)；為土壤各粒徑原始百分比(%)。

徑流系數(shù)是指一個(gè)時(shí)段里降雨轉(zhuǎn)換成徑流的比例，其表達(dá)式為：

(4)

式中：為徑流系數(shù)；為徑流深(mm)；為降水深(mm)。

數(shù)據(jù)處理與分析在Excel 2016、Origin 2021b與SPSS 19.0軟件完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同土壤對(duì)地表徑流及產(chǎn)沙的影響

采用徑流系數(shù)對(duì)地表徑流特征進(jìn)行定量描述。降雨主要轉(zhuǎn)化為坡面徑流和入滲2個(gè)部分。不同土壤的地表徑流隨降雨時(shí)間的變化見(jiàn)圖2。

圖2 不同土壤徑流系數(shù)隨降雨時(shí)間的變化

4種土壤的坡面徑流系數(shù)有著相似的變化趨勢(shì)。在降雨開(kāi)始前期，4種土壤的徑流系數(shù)都急劇增加隨后減小，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后趨于穩(wěn)定。其原因是在降雨初期，土壤含水量低，在土壤表面徑流以超滲產(chǎn)流為主，隨著降雨時(shí)間的增加，土壤含水率逐漸達(dá)到飽和，土壤表面徑流以則以蓄滿產(chǎn)流為主，此時(shí)的徑流系數(shù)也趨于穩(wěn)定。4種土壤的平均徑流系數(shù)差異顯著，總體表現(xiàn)為CTA>GXA>TCA>WHA，其中CTA土壤的平均徑流系數(shù)最大為0.50，WHA土壤的平均徑流系數(shù)最小為0.37。其原因在于坡面徑流特征除了取決于降雨特征，還取決于土壤性質(zhì)，土壤有機(jī)質(zhì)含量、粒徑分布對(duì)其有著重要影響。土壤的有機(jī)質(zhì)含量越高，粒徑分布越均勻，徑流入滲速率則越小，坡面徑流量越多，徑流系數(shù)越大。

采用土壤侵蝕速率對(duì)不同土壤的產(chǎn)沙特征進(jìn)行定量描述。4種土壤的土壤侵蝕速率表現(xiàn)出不同的變化趨勢(shì)(圖3)。

圖3 不同土壤的土壤侵蝕速率隨降雨時(shí)間的變化

WHA、GXA、CTA土壤的土壤侵蝕速率急劇增加，隨后隨著降雨時(shí)間迅速降低并在一定范圍內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定。TCA土壤的土壤侵蝕速率在降雨初期1 h過(guò)程中逐漸減小隨后增大，在后2 h過(guò)程中保持相對(duì)穩(wěn)定。4種土壤的平均土壤侵蝕速率差異明顯，具體表現(xiàn)為WHA>TCA>GXA>CTA，其中WHA土壤的平均土壤侵蝕速率最大為0.40 kg/(m·min)，CTA土壤的平均土壤侵蝕速率最小為0.02 kg/(m·min)。究其原因，4種土壤中WHA土壤的黏粒含量(3.47%)、有機(jī)質(zhì)含量(15.17%)最低，土壤黏結(jié)性差，團(tuán)聚體穩(wěn)定性差，土壤抗蝕性差。而CTA土壤卻與之相反，黏粒含量(24.19%)、有機(jī)質(zhì)含量(33.37%)最高，土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定，抗蝕性強(qiáng)。所以在降雨過(guò)程中，WHA坡面土壤顆粒易被剝蝕，CTA坡面土壤不易剝蝕。4種土壤的土壤侵蝕速率呈現(xiàn)出不同的變化趨勢(shì)，主要原因與土壤的質(zhì)地有著密切聯(lián)系。4種土壤的粒徑分布存在著明顯差異(表2)。在降雨初期，土壤表面存在著許多可以被搬運(yùn)的細(xì)顆粒，隨著徑流的增強(qiáng)，水流侵蝕能力也在逐漸增大，細(xì)顆粒被搬運(yùn)的數(shù)量也就越來(lái)越多，侵蝕速率隨著也迅速增大。但是隨著細(xì)顆粒的搬運(yùn)，土壤坡面的礫石開(kāi)始裸露出來(lái)，加劇了坡面的粗化程度，對(duì)地表起到一定的保護(hù)作用，搬運(yùn)的顆粒則開(kāi)始減少并逐漸趨于穩(wěn)定。

2.2 不同土壤坡面的泥沙分選差異

降雨使得徑流泥沙的粒徑分布呈現(xiàn)出動(dòng)態(tài)變化，各個(gè)粒級(jí)的濃度隨著降雨時(shí)間的變化而變化(圖4)。4種土壤侵蝕泥沙中砂粒和黏粒所占百分比呈現(xiàn)出一致的趨勢(shì)。4種土壤侵蝕泥沙中均為砂粒所占百分比最高，占泥沙重量的40%～60%，其次為黏粒百分比，占泥沙重量的15%～27%，礫石含量最低，占泥沙重量的1%～6%。此外，砂粒和黏粒所占百分比均低于原始土壤中所占百分比，且與原始土壤中的粒徑分布比例相對(duì)應(yīng)(表2)，這與郝燕芳等對(duì)不同典型土壤泥沙粒徑分布特征的研究結(jié)論相同。土壤侵蝕泥沙粒徑分布與原土接近。

圖4 不同土壤泥沙顆粒隨降雨時(shí)間的變化

土壤泥沙中不同粒徑顆粒的富集比可以用來(lái)反映土壤侵蝕過(guò)程中泥沙顆粒的富集現(xiàn)象。圖5是4種土壤黏粒、粉粒、砂粒、礫石的富集比。4種土壤泥沙顆粒均出現(xiàn)礫石的分散，而黏粒、粉粒、砂粒在不同的土壤泥沙中具有不同的富集或分散情況。同時(shí)，4種土壤泥沙顆粒中礫石ER值都較小，平均值分別為0.11(WHA)，0.52(CTA)，0.72(GXA)，0.38(TCA)。究其原因主要是由于原始土壤礫石分布及礫石特性不同造成。由表2可知，原始土壤中各個(gè)土壤中礫石含量均較低。在降雨強(qiáng)度一定的降雨過(guò)程中，水流能夠搬運(yùn)細(xì)顆粒及部分較小的礫石，較大的礫石顆粒需要更大的能量才能將其搬運(yùn)，一定的降雨強(qiáng)度無(wú)法提供更大的能量。所以，此時(shí)水流的搬運(yùn)能力難以將其搬運(yùn)，較大的礫石顆粒裸露于土壤表面對(duì)其形成保護(hù)。最終造成只有少部分礫石被搬運(yùn)，從而出現(xiàn)礫石的分散。

圖5 不同土壤泥沙顆粒的富集比

對(duì)于黏粒顆粒，WHA、CTA、TCA土壤泥沙均出現(xiàn)富集，而在GXA土壤泥沙中則出現(xiàn)分散。對(duì)于粉粒、砂粒，CTA、GXA、TCA土壤泥沙均出現(xiàn)了粉粒的富集和砂粒的分散，WHA則出現(xiàn)相反的情況。不同土壤泥沙顆粒出現(xiàn)不同的富集和分散現(xiàn)象，土壤表面團(tuán)聚體的破碎程度決定泥沙顆粒的富集。在降雨過(guò)程中，大顆粒被雨滴擊濺成較小的顆粒，進(jìn)而使侵蝕泥沙顆粒中細(xì)顆粒的含量增加、大顆粒的含量減少。侵蝕泥沙中大顆粒的含量較少?gòu)亩馕吨湓谄旅娴乇淼母患?。本研究中，WHA土壤的侵蝕泥沙中出現(xiàn)粉粒的分散，其砂粒的富集比為1.03，幾乎與原土壤含量一致。出現(xiàn)粉粒的分散，可能是由于其有機(jī)質(zhì)含量較低，土壤易形成碎散顆粒，在雨滴打擊作用使其以更小的顆粒(黏粒)的形式被搬運(yùn)，與將芳市等的研究不同，GXA土壤的侵蝕泥沙中出現(xiàn)黏粒的分散。其原因可能是由于在雨滴打擊作用下，黏粒以團(tuán)聚體的形式被分離、搬運(yùn)。

2.3 水動(dòng)力學(xué)參數(shù)與土壤侵蝕速率的關(guān)系

土壤侵蝕速率的函數(shù)涉及到水力學(xué)參數(shù)和土壤參數(shù)，建立土壤侵蝕物理預(yù)測(cè)模型需要深入理解坡面侵蝕產(chǎn)沙對(duì)水動(dòng)力學(xué)參數(shù)的響應(yīng)關(guān)系。對(duì)土壤侵蝕速率進(jìn)行描述的參數(shù)，不同學(xué)者差異明顯。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，本研究中采用水流功率與土壤侵蝕速率的冪函數(shù)關(guān)系能夠較好描述4種土壤的土壤侵蝕速率。

WHA：==0.47

(5)

TCA：==0.75

(6)

GXA：==0.48

(7)

CTA：==0.45

(8)

Wirtz等通過(guò)試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，泥沙輸移和沉積過(guò)程具有很高的時(shí)空變異性，土壤侵蝕速率無(wú)法用單獨(dú)的水力學(xué)參數(shù)進(jìn)行預(yù)測(cè)，應(yīng)考慮到土壤性質(zhì)的影響。國(guó)內(nèi)也有研究認(rèn)為土壤分離的能力與土壤特征有關(guān)。綜上結(jié)論，除考慮到單一的水動(dòng)力學(xué)參數(shù)外，還需要結(jié)合其他影響因素進(jìn)行討論。王云琦等研究認(rèn)為，土壤機(jī)械組成是土壤特征呈現(xiàn)出差異的主要原因。因此，本研究嘗試在應(yīng)用水動(dòng)力學(xué)參數(shù)描述土壤侵蝕速率的基礎(chǔ)上，引入表征4種土壤(TCA、GXA、CTA、WHA)機(jī)械組成的土壤黏粒含量、土壤礫石含量，參與建立總土壤侵蝕速率與土壤性質(zhì)、水動(dòng)力學(xué)參數(shù)的定量關(guān)系，并用于評(píng)價(jià)粗顆粒土壤坡面侵蝕過(guò)程中的土壤侵蝕速率，見(jiàn)公式(9)和公式(10)。

土壤侵蝕速率與水流功率、黏粒含量之間的關(guān)系：

=0.001=0.82

(9)

式中：為黏粒含量。

土壤侵蝕速率與水流功率、礫石含量之間的關(guān)系：

=0.003=0.84

(10)

式中：為礫石含量。

由公式(5)～(10)可得，擬合效果在土壤黏粒含量引入關(guān)系方程后取得顯著提高，使定量方程對(duì)土壤侵蝕速率的解釋更好。土壤黏粒含量是影響土壤黏聚力的主要因素，在方程中，土壤黏粒含量的指數(shù)為負(fù)數(shù)，說(shuō)明土壤的黏聚力與土壤侵蝕速率負(fù)相關(guān)，土壤質(zhì)地越黏重，土壤侵蝕速率越小。將土壤礫石含量引入定量方程后擬合效果也取得顯著提高，礫石含量的指數(shù)為負(fù)數(shù)，說(shuō)明土壤礫石覆蓋對(duì)土壤侵蝕速率表現(xiàn)出消極影響。王蕙等研究呈現(xiàn)出一致的結(jié)果，礫石在一定條件下可以阻礙坡面侵蝕。單獨(dú)運(yùn)用水動(dòng)力學(xué)參數(shù)發(fā)展的預(yù)測(cè)模型精準(zhǔn)度低、適應(yīng)性差。本研究考慮到土壤性質(zhì)對(duì)坡面土壤侵蝕過(guò)程的作用并對(duì)其進(jìn)行定量化，使得在預(yù)測(cè)坡面土壤侵蝕速率時(shí)方程有更好的精準(zhǔn)度與適應(yīng)性。

3 結(jié) 論

(1)不同土壤的地表徑流特征變化規(guī)律顯著，隨著降雨時(shí)間增加，呈現(xiàn)出初始階段劇烈增加，再不斷遞減趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)，徑流系數(shù)表現(xiàn)為CTA>GXA>TCA>WHA；土壤之間的侵蝕規(guī)律差異顯著，表現(xiàn)為WHA>TCA>GXA>CTA。

(2)不同土壤侵蝕泥沙中，顆粒的粒徑分布呈現(xiàn)出相同的規(guī)律，所占百分比的大小分別為砂粒>黏粒>粉粒>礫石。不同土壤的侵蝕泥沙顆粒的富集呈現(xiàn)差異。WHA土壤侵蝕泥沙出現(xiàn)黏粒、砂粒的富集，粉粒、礫石的分散；CTA土壤侵蝕泥沙出現(xiàn)黏粒、粉粒的富集，砂粒、礫石的分散；GXA土壤侵蝕泥沙出現(xiàn)黏粒、礫石的分散，粉粒的富集；TCA土壤侵蝕泥沙出現(xiàn)黏粒、粉粒的富集，砂粒、礫石的分散。

(3)可以用冪函數(shù)表達(dá)水流功率與土壤侵蝕速率的定量關(guān)系，但是在預(yù)測(cè)土壤侵蝕速率時(shí)精度較低，在關(guān)系式中引入土壤黏粒含量會(huì)使得模型更加精準(zhǔn)可靠。土壤礫石含量在引入關(guān)系式后，也能夠提高預(yù)測(cè)土壤侵蝕速率的精度，因此在防治粗顆粒土壤的土壤侵蝕工作中也應(yīng)該考慮到礫石覆蓋的保護(hù)作用。

本文選用4種不同地點(diǎn)的粗顆粒土壤進(jìn)行研究，相較于單一的粗顆粒土壤研究更加具有普遍性。本文的研究結(jié)果為粗顆粒土壤侵蝕預(yù)測(cè)模型的發(fā)展提供了參考依據(jù)，在對(duì)粗顆粒土壤的實(shí)際防治應(yīng)用中有更加廣泛的應(yīng)用范圍和現(xiàn)實(shí)價(jià)值。