天然降雨下紫色土和第四紀紅黏土坡面侵蝕過程研究

劉家明, 查 軒, 黃少燕

(1.福建省亞熱帶資源與環境重點實驗室, 福州 350007; 2.福建師范大學 地理科學學院, 福州 350007)

天然降雨下紫色土和第四紀紅黏土坡面侵蝕過程研究

劉家明1,2, 查 軒1,2, 黃少燕1,2

(1.福建省亞熱帶資源與環境重點實驗室, 福州 350007; 2.福建師范大學 地理科學學院, 福州 350007)

選取南方紅壤區紫色土和第四紀紅黏土兩種典型土壤類型，通過天然降雨試驗，在同等試驗條件下對紫色土和第四紀紅黏土兩種土壤的坡面侵蝕過程中徑流量變化、產沙量變化、土壤團聚體以及粒徑分析來闡述我國南方紅壤區的土壤坡面侵蝕過程。結果表明：(1) 降雨是造成土壤坡面產生徑流的主要原因，隨著降雨的不斷增大，土壤坡面徑流量不斷的增加，紫色土的總徑流量較第四紀紅黏土大。(2) 雨強是造成土壤坡面產沙量的主要原因，特別是在中雨強降雨和大雨強降雨時，土壤侵蝕泥沙量的產生比較明顯，紫色土與第四紀紅黏土的土壤侵蝕泥沙量比例關系為：1.14∶1.0。(3) 紫色土和第四紀紅黏土均以<0.25 mm的微團聚體占優勢，均占65%以上，而紫色土達到90%之多，紫色土微團聚體流失較第四紀紅黏土嚴重。(4) 通過兩種土壤的降雨前后土壤顆粒對比分析，紫色土減少的土壤顆粒主要是黏粒和粉粒，砂粒相對增加，變化量大，而第四紀紅黏土相對較少。

坡面侵蝕; 紫色土; 第四紀紅黏土; 天然降雨

南方紅壤地區已成為我國水土流失程度較高、范圍最廣的地區，其嚴重程度僅次于黃土高原[1]。在關于降雨下坡面侵蝕過程研究，國內外也已經進行了長期、深入而大量的試驗性研究，但國外主要是在緩坡地(<10°)上取得的的研究成果[2-3]，而國內的研究內容則主要集中在黃土高原地區[4-5]。有關紫色土區土壤侵蝕的研究還比較少，已有的對坡面土壤侵蝕的影響的研究也主要集中于耕作制度、土地利用類型等方面[6-7]；我國南方第四紀紅黏土的體現主要為多樣性和復雜性[8-9]，朱顯謨[10]、劉東生[11]等對第四紀紅黏土作了大量研究也取得了一定的成果。但是大部分的研究主要集中于同一土壤進行研究來分析不同因子對其土壤侵蝕過程的影響，而對集中于紫色土和第四紀紅黏土的坡面土壤侵蝕的研究并闡述其侵蝕過程的甚少，特別是在同一地點同一降雨(天然降雨)下動態觀測并研究其侵蝕規律的基本沒有。文章通過天然降雨試驗揭示紫色土和第四紀紅黏土在天然降雨下的徑流量變化、產沙量變化、土壤團聚體以及粒徑特征的演變規律來闡述紫色土和第四紀紅黏土坡面侵蝕過程特點以及它們之間的關系，對為我國南方紅壤區土壤侵蝕的治理和生態修復以及科研參考資料都具有重要意義。

1 試驗設計與研究方法

1.1 試驗材料

試驗土樣采用福建省具有代表性的嚴重侵蝕退化地的土壤。紫色土樣來自寧化縣，位于福建省西部，北緯25°58′—26°40′，東經116°22′—117°02′；第四紀紅黏土樣來自清流縣，位于福建省西部，北緯25°48′—26°21′，東經116°38′—117°10′。

1.2 試驗設計

試驗采用天然降雨模擬紫色土和第四紀紅黏土的土壤侵蝕過程。試驗土槽為移動式鋼槽，長150 cm，寬50 cm，深30 cm，坡度設置為15°。降雨開始時計時，記錄產流、止流時間，同時觀察坡面侵蝕過程。坡面開始產流后，用容積為800 ml的取樣瓶接取徑流泥沙樣。由于天然降雨的雨強是變化的，因此根據降雨強度確定接樣時間為3～4 min不等采集一次，取樣時間直到降雨結束。降雨結束后，把樣品帶入室內實驗室進行測定。

1.3 試驗過程

試驗土壤先過10 mm篩，填土前在槽底鋪上透水紗布，然后分層填裝30 cm厚的供試土壤。為保證試驗土層容重均勻，采用分層填裝的方法，每5 cm為一層，邊填充、邊壓實并隨機取樣測定土壤含水量，以確定各處填土厚度和緊實狀況[12]，以減小邊壁對入滲、產流、產沙過程及坡面侵蝕微形態發育等諸多方面的影響，并使下墊面土壤條件的變異性最小。試驗所用土壤物理顆粒組成見表1。

表1 試驗土壤顆粒組成 %

2 結果與分析

2.1 典型降雨特征

天然降雨往往是間歇性的降雨，而且降雨過程時間具有不確定性，雨強都隨時變化的。試驗時間為2013年4月—11月，總共接樣為18場。根據18場降雨的觀測數據分析，當10 min最大雨強小于0.6 mm/min時，產生的降雨小且徑流量、泥沙量均較少，而且分布均勻，文章稱為小雨強降雨；當10 min最大雨強在0.6～0.8 mm/min時，降雨加強，造成土壤坡面侵蝕加速，文章稱為中雨強降雨；當10 min最大雨強大于0.8 mm/min時,代表的往往是暴雨及大暴雨，造成的土壤坡面侵蝕比較明顯，文章稱為大雨強降雨。因此，根據試驗的數據分析情況，文章選取了2013年6月10日的22：16—22：36以及9月20日的6：40—7：02和8：13—8：36具有特別典型的三場降雨時段進行分析。試驗通過虹吸式雨量計計算出試驗階段時的降雨情況。文章的三場降雨的降雨歷時、降雨量、雨強見表2。

表2 試驗階段降雨特征

2.2 徑流量變化過程分析

徑流與土壤侵蝕是水土保持科學中有著緊密聯系的兩個研究內容,坡面徑流是產生土壤侵蝕的外動力[13]。徑流量和土壤侵蝕量同降雨強度與降雨量有著密切的關系,從圖1可看出，在不同雨強變化的條件下，當降雨量較小時，紫色土和第四紀紅黏土產生的徑流量都較少且不分上下，當降雨量越大，紫色土和第四紀紅黏土產生的徑流量都越大，特別是強降雨的峰值期間，現象尤其明顯；在同等降雨條件下，紫色土和第四紀紅黏土的徑流量的變化量都隨著降雨的增加或減少,但是總的徑流量紫色土大于第四紀紅黏土。

圖1 歷時-徑流量變化過程

2.3坡面侵蝕產沙過程分析

坡面產流產沙的外動力是自然降雨和地表徑流，在自然降雨雨滴和薄層水流的作用下，通過坡面的雨滴濺蝕和土壤表面徑流，土壤表土層被剝離和搬運，形成坡面土壤流失。

圖2中可以發現，在不同雨強下，紫色土和第四紀紅黏土的土壤侵蝕泥沙量都隨著雨強的增加而增大；在相同雨強下，在小雨強降雨下時紫色土和第四紀紅黏土侵蝕產沙量都較少，基本相同，但是在中雨強降雨和大雨強降雨時，紫色土的土壤侵蝕泥沙量較第四紀紅黏土多而明顯，比例關系為：1.14∶1.0。

圖2 歷時-產沙量變化過程

2.4泥沙水穩性團聚體含量的變化分析

土壤團聚體作為土壤結構的基本單元，其粒徑分布決定著孔隙的數量搭配和形態特征以及對外界應力的敏感性[14]。而如孔隙度、連接度、孔徑分布特點等土壤孔隙特征則影響水分在土表及土體內的運移方式和途徑，與地表徑流間有密切關系。地表徑流則是表征土壤侵蝕的重要指標，因此，土壤團聚體與土壤可蝕性之間存在著必然的內在聯系。

由圖3可以看出，紫色土和第四紀紅黏土均以<0.25 mm的微團聚體占優勢，均占65%以上，而紫色土達到90%之多。說明在相同降雨條件下，相同的雨強變化條件下，紫色土的土壤可蝕性大于第四紀紅黏土，使得紫色土的土壤侵蝕較第四紀紅黏土容易。

2.5 侵蝕過程中土壤顆粒遷移過程分析

土壤粒徑分布特征是最基本的土壤物理性質之一,它對土壤的水力特性、土壤肥力以及土壤侵蝕都有直接的影響[15]。黏粒、粉粒和砂粒是判斷土壤退化的重要指標，通過對降雨前后土壤的顆粒粒徑分析，觀測其不同土壤顆粒類型的遷移變化過程，闡述紫色土和第四紀紅黏土的侵蝕特點。

圖3 土壤泥沙樣團聚體特征

圖4可以看出，降雨前后紫色土土壤顆粒變化規律：紫色土土壤顆粒增加最明顯的是砂粒，由原來的12.11%增加到25.46%，增加了13.35%，降雨后紫色土的黏粒減少了2.85%，粉粒減少了10.50%。黏粒和粉粒降雨前后的變化比例雖然相對于砂粒較少，但是總變化量還是較大。

圖4 降雨前后紫色土土壤顆粒遷移特點

圖5可以看出，降雨前后第四紀紅黏土土壤顆粒變化規律：第四紀紅黏土降雨前后的變化比例比較平緩，黏粒和粉粒在降雨后比降雨前分別減少了1.22%和5.12%，砂粒在降雨后比降雨前增加了6.34%。

圖5 降雨前后第四紀紅黏土土壤顆粒遷移特點

通過試驗分析得出，紫色土降雨后減少的土壤顆粒主要是黏粒和粉粒，砂粒相對增加，紫色土的細小顆粒的流失，土壤表面的粗化導致了土壤侵蝕退化加劇；第四紀紅黏土土壤顆粒不管是黏粒和粉粒在降雨后的減少，還是砂粒在降雨后的增加，其變化量與紫色土相比都相對較少。

3 結 論

(1) 在雨強不斷變化的情況下，土壤的徑流量和產沙量都隨雨強的增大而增大，紫色土的徑流量大于第四紀紅黏土；在相同降雨條件下，兩種土壤的泥沙規律為：對降雨造成紫色土的侵蝕泥沙量大于第四紀紅黏土，其比例關系為1.14∶1.0。

(2) 通過對土壤團聚體分析，土壤降雨破壞了土壤的土體主要以<0.25 mm以下的土壤顆粒，均占65%以上，而紫色土卻達到90%之多，其說明在相同降雨情況下，紫色土較第四紀紅黏土嚴重，土壤結構遭到嚴重的破壞，加速了土壤侵蝕的發生。

(3) 通過對土壤顆粒遷移過程分析，分析試驗降雨前后的土壤粒徑變化，紫色土降雨后減少的土壤顆粒主要是黏粒和粉粒，其和為13.35%，第四紀紅黏土降雨后減少的黏粒和粉粒和為6.34%。降雨加速了紫色土的土壤侵蝕，而第四紀紅黏土的土壤侵蝕相對較小。說明在相同降雨條件下紫色土的土壤侵蝕比第四紀紅黏土嚴重。

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ResearchforPurpleSoilandQuaternaryRredClaySoilErosionProcessonHillslopeUnderNaturalRainfall

LIU Jia-ming1,2, ZHA Xuan1,2, HUANG Shao-yan1,2

(1.KeyLaboratoryofSubtropicalResourcesandEnvironment,Fuzhou350007,China; 2.CollegeofGeographyScience,FujianNormalUniversity,Fuzhou350007,China)

Purple soil and quaternary red clay soil two typical soil types in red soil zone of southern China were selected. Through natural rainfall experiments, under the same test conditions, changes in runoff and sediment yield, soil aggregates and particle size of purple soil and quaternary red clay soil the two kinds of soil parent material slope erosion were analyzed in order to illustrate the process of soil erosion on the slope in red soil region of southern China. The results showed: (1) rainfall is the main cause of slope runoff, with increasing rainfall, runoff constantly increases, runoff rate is greater in Ppurple soil than Quaternary red clay soil; (2) rainfall intensity is the main cause of slope sediment yield, especially in heavy rainfall during moderate and heavy rain soil erosion and sediment generation were more obvious, the ratio the amount of soil erosion and sediment bentween purple soil and quaternary red clay soil is 1.14∶1.0; (3) <0.25 mm micro-aggregates in purple soil and quaternary red clay soil are dominant, accounting for more than 65%, while 90% for purple soil, purple soil micro-aggregates were more severely loss than the quaternary red clay; (4) by comparing the two types of soil particles before and after rainfall analysis of soil, reduced soil particles of purple soil are clay and silt particles, the relative increase was found in the sand particle, changes were large, but clay content in qauaternary red is relatively little.

hillslope erosion; purple soil; quaternary red clay soil; natural rainfall

2014-05-09

：2014-05-24

國家科技支撐計劃項目“強度侵蝕區退化生態系統修復關鍵技術的研究與集成”(2014BAD15B02);國家重點基礎研究發展計劃973項目“南方紅壤區水土流失綜合治理范式及調控機理研究”(2007CB407207)

劉家明(1987—),男,江西省新余市人,在讀碩士研究生,主要研究方向為水土保持和土壤侵蝕。E-mail:ljm198713@163.com

查軒(1961—),男,陜西咸陽人,研究員,博士生導師,主要從事土壤侵蝕與水土保持生態方面研究。E-mail:xzha@fjnu.edu.cn

S157.1

：A

：1005-3409(2014)06-0016-04