土壤容重對紅壤坡地降雨侵蝕和入滲的影響*

劉小梅，呂殿青

(湖南師范大學資源與環境科學學院，湖南長沙410081)

土壤容重作為土壤物理狀況的指標之一，在土壤質地相同的情況下，土壤容重反應了土壤的松緊程度，它的變化影響土壤孔隙狀況，從而改變土壤水分產流和入滲分配的規律.研究表明土壤容重的變化對坡地產流、產沙、入滲的規律產生重要影響［1］.符素華［2］得出土壤中礫石的存在影響土壤的容重，進而改變土壤的入滲特性.入滲決定了產生地表徑流的水量，從而對地表侵蝕產生影響［3，4］.李燕等［5］研究出在相同的入滲距離，容重愈大，土壤累積入滲彌散系數隨容重的增大而增大，延遲因子則減小.段喜明等［6］在土壤耕層中施加粉煤灰，土壤的容重降低，入滲率增加.溫以華［7］采用垂直土柱易混置換法，對相同質地不同容重條件的土壤進行研究，認為水分入滲增加了孔隙度，土壤的入滲速率明顯加快，坡面產流量和土壤流失量降低.這些研究結果只局限于土壤容重對坡面地表徑流產生的影響，然而，土壤坡面在降雨條件下除了會產生地表徑流外，往往伴隨有壤中流的產生.本文通過室內人工降雨，模擬坡度15°時5種不同的初始容重(1.05、1.1、1.15、1.2、1.25g/cm3)在壤中流產流方式下，紅壤坡面的入滲及侵蝕的變化規律，為減少坡地土壤侵蝕，增加降雨入滲，提供了一定的理論依據.

1 試驗材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗選在湖南農業大學灌排實驗室內進行，該地區屬于亞熱帶季風氣候，年均氣溫在16～18.5℃之間，年降水量1350～1450mm，成土母質為第四紀發育的黏土.該區土地利用類型多樣，有耕地、林地、居民點、工礦用地等，長沙市經濟的發展導致土地資源不合理的開發與利用，再加上雨熱同期的氣候特征，導致土壤結構變化劇烈，水土流失嚴重.

1.2 試驗材料

試驗土壤過篩(10mm)，除去石塊和雜草、灑水、混合、風干等處理后備用，將土壤在105°條件下烘干8h，測得含水量為15%.根據設計好的 5 個土壤容重 1.05、1.1、1.15、1.2、1.25g/cm3，根據測得的初始含水量以及土的容積，分別計算出5種容重下的試驗用土以及每層的用土量.

室內模擬降雨裝置采用中科院水土保持研究所研制的側噴式降雨設備.降雨設備由供水、穩壓、降雨三部分構成.降雨高度為7m，雨滴有效降落高度為6m，有利于保證雨滴降落的最終速度能夠達到天然降雨降落到地表的最大速度.試驗土槽坡度可以在0－30°間調節，在此次實驗坡度調節為15°，土槽容積為200cm×30cm×30cm，四周用PVC板隔開，板高出土表30cm，防止雨滴向外擊濺損失.下部分別用兩個小桶盛接徑流和壤中流.

1.3 試驗過程

1.3.1 填裝土槽

在產生壤中流試驗槽底層鋪一張塑料薄膜用于收集試驗過程中下滲產生的壤中流，在薄膜上均勻鋪設3cm厚細沙，以形成透水透氣性能較好的透水邊界.細沙上面填裝27cm的供試土壤，滿足試驗過程中土壤水分自由下滲的條件，細沙和土層之間用紗布隔開來模擬自然狀態下的透水底面.為保證試驗土壤容重均勻，采取分層填裝的方法，每5cm一層，邊填充、邊壓實，在填裝上層土之前進行打毛，防止土層之間出現分層現象.表層土壤與收集地表徑流的出水口處于同一水平位置，特別是接近槽口處必須接近水平位置，防止延長初始產流時間.最后用塑料薄膜覆蓋土壤表層，以防試驗降雨之前表層土壤由于水分蒸發導致前期含水量降低.

1.3.2 降雨均勻度測定

由于試驗降雨設備的缺陷及其它的外在因素影響，試驗降雨強度只能控制在一定的范圍內，本試驗的雨強調控在1.33～1.42mm/h之間，降雨歷時60min.試驗之前先用雨量筒對降雨均勻度進行測定，在徑流區域內均勻度達到75%以上表示降雨強度率定成功.在降雨進行60min后，通過測定，降雨均勻度在80%以上，達到試驗的要求.但是每次試驗的降雨強度由于輸水管道和壓力的不穩定性而很難保證一致，在允許的偏差范圍內，會產生一定的差異.降雨均勻系數的計算方法為:

1.3.3 試驗觀測項目

根據試驗的目的，本試驗需要觀測的記錄的項目有:(1)徑流出流量隨時間的變化;(2)徑流產沙隨時間的變化.

2 結果與分析

2.1 容重對壤中流的影響

壤中流主要發生在近似地面透水性較弱的土層中，它是在臨時飽和帶內的非毛管孔隙中側向運動的水流，它的運動服從達西定律.通常壤中流匯流速度比地面徑流慢，但比地下徑流快得多，當表層土壤薄而透水性好，下伏有相對不透水層時，可能產生大量的壤中流，當遇中強度暴雨時，壤中流的數量可以增加很多.

表1 不同容重下的產流形式和產流時間

設定的試驗條件都符合壤中流的產生，通過分析表1知道，容重越大，壤中流初始產流時間越晚(容重1.25g/cm3時，整個降雨過程中沒有產生壤中流).這是因為土壤容重反應了土壤的松緊程度，容重變化影響土壤孔隙狀況，進而改變土壤水分入滲規律.在降雨－產流－入滲這三個水文過程中，在降雨量相差不大的情況下，容重越大，土壤越緊實，孔隙就越密，入滲的水量就會相應的減少，開始產生壤中流的時間就越晚.對比地表徑流總量和壤中流總量發現，兩者總是成反比出現，說明了壤中流的產生有降低坡面徑流的功能.壤中流總量占總降雨量的比例都很小，并且表現為先增大后減小的趨勢.分析其原因主要是由于紅壤土具有較強的粘性，在特大暴雨條件下和地表為裸坡地的時候，表土由于雨滴擊濺、徑流沖刷容易形成結皮，很多研究表明表土結皮具有減少入滲、促進產流和增大產沙等作用［8－10］.

2.2 不同容重下的產流分析

土層中的水達到飽和后，在一定條件下，部分水沿坡地土層側向流動，形成表層徑流即產流.入滲率是在正常大氣壓力下，土面水層在單位時間內通過單位面積土壤的水量.通常以入滲開始后一小時的水層降低數表示.土壤平均入滲率是反映土壤透水性強弱的重要指標.根據定時采集的徑流樣，算出各個時段的產流強度H(mm/min)、坡面平均入滲率f(mm/min)和各時段降雨入滲率i(mm/min).計算方式見公式(1)和(2):

式中:H——產流強度(mm/min);R——t時間內產生的徑流量(ml);S——坡面實際承雨面積(cm2);t——降雨歷時(min);10為量綱換算系數;P——降雨強度(mm/min);α——地表坡度(°);V——各時段對應的產流量(ml);ti，ti+1——各時段始末時間(min).

土壤容重是土壤的基本物理性質，很多研究表明土壤容重對水分的再分配、入滲性能等有很大的影響［11］.如圖1a描述了5種不同初始容重下的產流強度隨時間的變化規律.由圖可知，在徑流區域有壤中流情況下初始產流時間、產流強度沒有出現明顯的隨容重增加而變快、強度加大的規律，而是出現先減小后增大的趨勢.在容重小于1.15g/cm3時出現容重越大產流越晚.產流強度出現無規律的變化，說明壤中流的產生影響產流時間的快慢、產流強度的大小.因為壤中流加強了徑流區域的通透性，也就是說，壤中流有加速降雨入滲、減小地表產流的作用.圖1b描述了5種不同初始容重下降雨的平均入滲率隨時間的變化.坡面平均入滲率和產流強度呈相反的變化趨勢.從圖上可以明顯看出，平均入滲率隨時間的變化呈指數函數下降趨勢，除了1.15g/cm3土壤的平均入滲率差別較大外，其他的四種容重差別不大，R2的范圍為0.7085 ～0.9174，1.1g/cm3的 R2最小，1.05g/cm3的R2最大.由于降雨前5個不同處理的土壤初始含水量控制在同一水平且比較低，故降雨初期5個不同容重的土壤吸力均很大，此時的土壤入滲率取決于土壤吸力，所以剛開始時，土壤入滲率差異不大.隨著降雨的進行，土壤逐漸濕潤，土壤吸力作用下降.

圖1 不同初始容重產流強度和平均入滲率隨降雨歷時的變化

2.3 容重對產沙的影響研究

坡面水蝕過程包括雨滴擊濺和徑流沖刷引起的土壤分散、剝離、輸移和沉積4個過程［12］.本試驗降雨過程中主要發生的是徑流沖刷的前3個過程.

表2 不同初始容重對產沙和濺蝕泥沙的影響

表2描述了在有壤中流這種情況下5個容重各自的初始產沙時間、總產沙量以及槽壁上濺蝕的泥沙量.由表2可知，初始產沙時間的變化規律和上述的初始產流變化規律相一致.說明產流的開始伴隨著產沙過程的開始，整個降雨過程總產沙量最少是容重為1.15g/cm3時.表明在自然狀態下當土壤容重1.15g/cm3時，坡面侵蝕是最輕的.因為1.15g/cm3時土壤的結構組成處于最適宜狀態，在暴雨狀態下表皮不易形成結皮，降水轉化為入滲量最大.從圖表整個總產沙量和濺蝕泥沙量來看，產沙和濺蝕較嚴重是容重為1.2和1.25g/cm3時，說明降雨對容重較大的裸坡擊濺明顯.從整個濺蝕情況來看，沒有明顯的變化規律.這可能是由于試驗環境及當時雨滴大小、粗細程度有關.從圖2中可以看到，在試驗開始產流前幾分鐘產沙量都較小，隨后產沙量呈波動性增加，在整個試驗過程中產沙強度達不到穩定.這是由于產沙量主要決定于徑流剪切力大小，細溝流沖刷分散土壤的能力隨流量的增加而增大.隨著沖刷時間增加，侵蝕逐漸達到穩定，泥沙顆粒補給減少.與徑流剪切力比較，此時產沙量大小受泥沙顆粒補給能力大小的影響更大.從圖上還可以明顯看到，某些數據的產沙強度達到最小值后又呈上升趨勢，這是由在細溝侵蝕過程中出現的溝壁坍塌造成的.

圖2 不同初始容重產沙強度隨降雨歷時的變化

3 結論

在60min降雨過程中，產流強度隨不同初始容重呈動態平衡變化.徑流的初始產流時間、產流強度無明顯正比規律，而是出現先減小后增大的趨勢.容重為1.15g/cm3時整個降雨過程的總產沙量、總濺蝕量和產流強度的變化幅度最小，也就是說此時的土壤狀態是最有利于防止土壤侵蝕.在整個試驗階段，產沙量的多少主要取決于徑流剪切力大小和泥沙顆粒的補給;壤中流相對于地表徑流來說具有相對滯后性，初始產流時間明顯慢于地表徑流，在兩種產流方式下主要的產流形式還是地表徑流，壤中流只占其中一小部分不到3%的比例，但是壤中流還是具有增加降雨入滲，減小地表侵蝕的作用.通過理解不同容重下壤中流和地表徑流產流，對于管理裸坡地的水土流失問題提供了一定的理論基礎.

［1］王治國，魏忠義，段喜明.黃土殘塬區人工降雨條件下坡耕地水蝕的研究(I)［J］.水土保持學報，1995，(2):51 －57.

［2］符素華.土壤中礫石存在對入滲影響研究進展［J］.水土保持學報，2005，(1):171 －175.

［3］Meyer L D，Johnson C B，Foster G R.Stone and woodchip mulches for erosion control on construction sites［J］.Journal of Soil and Water Conservation，1972，(27):264－269.

［4］Grant W J，Struchtemeyer R A.Effect of stones on runoff，erosion，and soil moisture［J］.Soil Science Society of America Journal，1996，(5):638 －640.

［5］李燕，高明，魏朝富，等.紫色土水分一維水平運動的數值模擬［J］.西南農業大學學報(自然科學版)，2006，(4):627 －632.

［6］段喜明，吳普特，王春紅，等.人工降雨條件下施加粉煤灰對耕作土壤結構和水土流失的影響研究［J］.農業工程學報，2006，(8):50－52.

［7］溫以華.不同質地和容重對Cl－在土壤中運移規律的影響［J］.水土保持研究，2002，(1):73 －75.

［8］程琴娟，蔡國強，廖義善.土壤表面特性與坡度產流產沙的影響［J］.水土保持學報，2007，(2):9 －11，15.

［9］李朝霞，王天巍，史志華，等.降雨過程中紅壤表土結構變化與侵蝕產沙關系［J］.水土保持學報.2005，(4):1 －4，9.

［10］吳發啟，范文波.土壤結皮對降雨入滲和產流產沙的影響［J］.中國水土保持科學，2005，(2):97－101.

［11］鄭紀勇，邵明安，張興昌.黃土區坡面表層土壤容重和飽和導水率空間變異特征［J］.水土保持學報，2004，(3):53 －56.

［12］謝小立，王凱榮，周衛軍.紅壤丘崗緩坡地水資源狀況與管理［J］.山地學報，2000，(4):336 －340.