模擬降雨下凍融作用對坡面侵蝕過程的影響

王飛超, 任宗萍, 李 鵬, 李占斌,2, 王 添, 李 林, 馬田田

(1.西安理工大學 西北旱區生態水利工程國家重點實驗室培育基地, 西安 710048;2.中國科學院 水利部 水土保持研究所 黃土高原與旱地農業國家重點實驗室, 陜西 楊凌 712100)

世界性的土壤侵蝕問題是造成生態環境惡化的主要原因，嚴重威脅著人類的生存與發展。土壤在凍融的作用下所發生的一種土壤侵蝕現象叫做凍融侵蝕，是一種重要的土壤侵蝕類型。我國凍土面積約75%，凍融侵蝕廣泛分布[1]。凍融是指土層由于溫度降到零度以下和升至零度以上而產生凍結和融化的一種物理地質作用和現象，冬季凍結，夏季消融[2]。Kirby和Mehuy發現，溫帶地區50%以上的年土壤流失量都發生在凍土層解凍時期[3]。土壤經過凍融作用，在水力的復合作用下，加快了土壤流失的速度，其作用遠遠超過其自身的危害。凍融作用發生的條件，一是年內低于0℃氣溫的時間段足以使地球表層中積聚的水體完全凝結成冰，高于0℃氣溫的時間段能夠使上述冰體完全消融；二是具備一定的降水量,使土壤具有一定的含水量，作為凍融作用的驅動主體。黃土高原丘陵溝壑區處于溫帶,年0℃以下天數有105～125 d/a,大致是年總天數的1/3左右，年平均降雨量主要在300～600 mm/a,而汛期降雨量達到全年的70%以上。顯然,研究區具備凍融侵蝕作用發生的氣候條件。一些研究學者對凍融對土壤的物理性質進行了研究，國內外一些研究學者對凍融對土壤物理性質進行了研究，李強等[4]研究表明凍融作用改變了土壤的物理性質，使土體的結構穩定性有所降低；LEHRSCHG[5]研究表明凍融作用使大團聚體被破碎成小團聚體從而使其穩定性降低；另外一些學者將凍融作用對水力傳導度[6-7]、土壤容重[8-9]、土壤水穩定性團聚體[10-11]進行了研究。在可蝕性條件下，土壤結構發生改變必然會改變土壤侵蝕的能力。一些學者對凍融對水蝕作用的影響進行了研究，Sharratt等[12]對春季融化后的坡面進行了徑流沖刷試驗，結果表明凍融后土壤的剝蝕率增強；李占斌等[13]對凍融后的黃土坡面進行了模擬降雨試驗，發現在凍融坡面在較小的徑流量下會產生較大的土壤侵蝕；魏霞等[14]對交替凍融后的淋溶土進行了模擬降雨試驗，研究表明交替凍融作用都可以使產流產沙強度增大，且產沙強度的增大幅度大于產流強度。以上研究表明凍融作用對土壤結構及侵蝕過程有著重要影響，因此探討凍融作用后坡面的侵蝕過程影響是相關學者關注的焦點之一。

本文基于人工模擬降雨試驗，選取未凍融和凍融坡面兩種處理，對比分析了凍融前后侵蝕過程及可蝕性，以期為完善凍融作用對坡面侵蝕的機理提供一定的參考價值。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

本試驗所采用針管式模擬降雨裝置。坡面實體模型為木質土槽，土槽長0.9 m、寬0.45 m、高0.15 m[13]。本試驗研究區位于陜北黃土高原丘陵溝壑區，該區土壤屬于黃綿土，西安近郊土壤屬黃墡土，黃墡土在土類上屬于黃綿土，因此將西安郊區用土作為供試土壤。試驗開始前在土槽底部鋪一層紗布，再裝入2 cm厚的天然沙，以保證試驗用土的透水性與天然坡面接近。然后將過1 cm孔篩的黃土分層填入10 cm厚的黃土，將容重控制在(1.2±0.5)g/cm3左右，初始含水量控制在(15.0±1.0)%左右。然后用測定容重的環刀取采集2個樣品待測。試驗凍土裝置采用澳柯瑪DW·40 W300超低溫冰箱，凍結溫度為-10～-40℃，外形尺寸為1.15 m×0.72 m×0.84 m(長×寬×高)。

1.2 試驗設計

試驗于2015年4月21日至29日在西北水資源與環境生態教育部重點實驗室雨洪侵蝕大廳進行。將填土后的土槽及容重樣品放入凍土裝置，在-18℃環境下凍結12 h，然后放在室內解凍12 h。室內模擬降雨試驗分為未凍融和凍融坡面模擬降雨試驗兩個階段，降雨歷時60 min。每組試驗重復3次，分析數據為其平均值。試驗設計坡度為12；雨強為(1.0±0.05)mm/min[13]，均勻度均大于80%。然后用水準儀對坡面進行校正并率定模擬降雨雨強，當雨強滿足試驗要求后，開始降雨。坡面出水口開始產流后，渾水樣品每分鐘收集一次，采用烘干法和置換法得到到徑流量和產沙量。

1.3 數據分析及處理方法

根據實時檢測的雨強和徑流資料，坡面平均入滲率按照如下公式反推計算[13]：

fi=(Ptcosα-10R/S)/t

式中:fi表示坡面平均入滲率(mm/min)；P表示降雨強度(mm/min)；α表示坡度(°)；R表示降雨時間t內產生的徑流量(ml)；S表示實際承雨面積(cm2)；t表示降雨時間(min)。

土壤孔隙度公式為[15]：

P=93.947-32.995ρ

式中：其中P表示土壤孔隙度(%)；ρ表示土壤容重(g/cm3)。

2 結果與分析

2.1 凍融作用對坡面產流所需時間的影響

坡地產流時刻綜合說明了產流前坡地土壤物理狀況存在差異[16]。土壤物理特性的差異可通過模擬降雨下產流時間來表示。凍融作用對坡地降雨—入滲—產流過程有著重要的影響，隨土壤物理性質和前期含水量的變化，裸地土壤產流時刻表現最為明顯[26]。凍融作用影響土壤容重[17-18]和滲透性[18-19]，進而影響著坡面的產流時間，入滲產流過程，尤其裸地的土壤物理性質對坡面產流時間的表現最為顯著[20]。

表1 凍融前后土壤容重、孔隙度及產流時間統計特征

由表1可以看出，在凍融過程中，土壤外部環境的改變影響土壤內部結構的變化[20]。相比于未凍融坡面產流所需時間，解凍坡面的所需產流時間增加了24.39%，凍融作用對坡面的產流時間有重要影響；與對照組土壤容重和孔隙度相比，經過凍融作用后土壤容重降低了了3%，孔隙度增大了2.98%，均達到顯著差異水平(p<0.01)。李強[4]在野外觀測了凍融前后土壤相關物理性質的差異，結果同樣表明凍融作用對土壤容重沒有產生顯著性影響。土壤容重越小，土壤入滲速率越大，產流歷時越晚[21]。

凍融交替作用會對土壤內部結構產生一定的影響，進而使土壤容重和孔隙度有所變化。土壤在凍結過程中液體水向固體冰晶轉化的過程中，造成土壤體積膨脹，使土壤顆粒發生一定的位移，造成土壤孔隙度增大，產流時間延遲。

2.2 凍融作用對坡面徑流入滲過程的影響

坡面產流入滲的關系由降雨和下墊面條件因素共同決定，不同的下墊面條件，坡面徑流率隨時間的變化過程也不同。土壤入滲率是表征土壤入滲狀況的一個重要指標[6]，當下墊面條件(容重、初始含水量等)有一定的差異時，入滲特性也隨之變化。圖1為凍融與未凍融條件下坡面產流和入滲的過程曲線。

圖1不同凍融條件下徑流率-入滲率隨降雨歷時的變化

由圖1可知在兩種不同凍融條件下徑流率隨降雨歷時的延續先增加而后趨于穩定。未凍融坡面在產流后12 min內徑流率迅速增加，14～60 min內徑流率緩慢增長并趨于穩定。凍融坡面在產流后10 min內徑流率迅速增加，12～60 min內凍融坡面的產流率徑流率趨于穩定，穩定中微小有波動，從圖1上看未凍融坡面徑流率大于凍融坡面的徑流率。凍融作用后，前10 min內凍融坡面的產流率減小了10.59%。

未凍融坡面與凍融坡面徑流率變化特征呈現迅速上升—穩定的過程。上升是因為降雨初期在雨滴打擊作用下土粒容易分散成細顆粒，在徑流作用下填塞土壤孔隙，借助于雨滴夯實作用逐漸形成一層致密層(結皮)，入滲降低，徑流強度隨著增大；穩定是因為隨著降雨歷時的延長土壤的入滲率達到穩定，故徑流率過程平緩下來。凍融坡面和未凍融坡面產流過程的變化與王輝等[16]研究結果一致。未凍融坡面大于凍融坡面的總徑流量。經過凍融作用土壤孔隙度增大，凍融土壤的入滲率較大徑流量較小，這可能與坡面入滲特性有關，這一結論與李占斌等[16]研究結果一致。

兩種不同坡面的入滲特征，入滲率隨降雨量的增加而緩慢降低并趨于平穩，由于下墊面條件的不同，土壤的初始物理狀況存在較大差異。凍融坡面的入滲率為0.50～0.88 mm/min，穩定入滲率為0.56 mm/min；未凍融坡面入滲率范圍為0.46～0.86 mm/min，穩定入滲率為0.52 mm/min。凍融作用下土壤孔隙度增大會增大降雨的入滲量，減小地表徑流。

2.3 凍融作用對坡面產沙過程的影響

通過比較未凍融和凍融坡面的土壤流失量隨降雨歷時的變化(圖2)，侵蝕率隨降雨量的增加先迅速上升，后逐漸趨于平穩降低，侵蝕量大小表現為：凍融坡面>未凍融坡面。

圖2不同條件下侵蝕率隨降雨量的變化

從侵蝕總量上看凍融坡面的產沙是未凍融坡面總產沙量的0.9倍。經過凍融作用降雨徑流減小，入滲增大，而產沙量增大，說明凍融坡面即使在較小徑流下也能產生較大的泥沙,由于凍融坡面土壤容重降低，孔隙度變大，造成土壤的抗剪強度和抗蝕能力下降[18-19]。在產流后10～36 min內未凍融坡面的侵蝕量占總侵蝕量的45%，凍融坡面的侵蝕量占總侵蝕量的50%，主要產沙時間提前。凍融坡面的侵蝕率呈現上升—下降—平穩過程，上升是因為在降雨初始階段，坡面表層比較疏松，在雨滴的擊濺作用下土粒分散，一部分土粒飛濺到坡面外，另一部分發生遷移沉降落到坡面上，在坡面堆積松散的顆粒，當坡面開始產流后這些松散的顆粒被薄層水流挾帶搬運至出口，此時侵蝕速率迅速上升。上升是因為土壤松散主要產沙時間提前，徑流穩定趨勢趨于平穩。

2.4 凍融作用對坡面累計產流產沙過程的影響

在分析不同凍融條件下徑流、產沙以及降雨入滲規律的基礎上，將凍融坡面和未凍融坡面侵蝕過程中累計產沙量與徑流量進行了擬合，發現兩種坡面類型下累計產沙量與徑流量均呈線性增加趨勢，符合方程y=ax-b(y為累計產沙量，x為徑流量)，相關系數均在0.99以上。結合數學概念分析和實際物理意義得知，系數a則更多地體現了不同下墊面條件下的產沙能力。在凍融坡面和未凍融坡面下凍融坡面的系數a要大于未凍融坡面，因此產沙其產沙能力就大。線性關系式中凍融與未凍融系數a的比值為0.83，且凍融總侵蝕產沙量與未凍融的總侵蝕產沙量比值為0.90，表明線性方程中的參數a可以作為坡面的可蝕性指標之一。

圖3累計產沙量與累計徑流量的函數關系

3 結 論

通過室內降雨模擬試驗，從侵蝕產流所需時間入滲過程產沙過程累計產流產沙過程的變化規律及彼此相關性角度探討了不同下墊面條件下的侵蝕產流產沙特性，得出以下結論：

(1) 相比于未凍融土產流所需時間，解凍土的所需產流時間增加了24.39%。經過凍融作用后土壤容重降低了3%，孔隙度增大了2.98%，均達到顯著差異水平(p<0.01)。

(2) 凍融作用后，前10 min內凍融坡面的產流率減小了10.59%凍融坡面的穩定入滲率是未凍融坡面的1.1倍。

(3) 凍融坡面的產沙是未凍融坡面總產沙量的0.9倍，凍融坡面即使在較小徑流下產生較大的泥沙。凍融坡面在產流后10～36 min內未凍融坡面的侵蝕量占總侵蝕量的45%，凍融坡面的侵蝕量占總侵蝕量的50%，主要產沙時間提前。

(4) 凍融與未凍融坡面累計產侵蝕產沙量隨徑流量呈線性增加趨勢，滿足y=ax-b，線性方程中的參數a可以作為坡面的可蝕性指標之一。

參考文獻：

[1] 陳雷,焦居仁,劉震,等.中國土壤侵蝕圖冊[M].北京:中國標準出版社,2002.

[2] 景國臣.凍融侵蝕的類型及其特征研究[J].中國水土保持,2003,10(4):17-19.

[3] Kirkby M J. Modeling water erosion processes[M]∥Kirkby M J, Morgan R P C. Soil Erosion. Great Britain: Wiley Chichester, 1980.

[4] 李強,劉國彬,許明祥,等.黃土丘陵區凍融對土壤抗沖性及相關物理性質的影響[J].農業工程學報,2013,29(17):105-112.

[5] Lehrschg A. Freeze-thaw cycles increase near-surface aggregate stability[J]. Journal of Soil Science, 1998,163:63-70.

[6] Benoit G R, Voorhees W B. Effect of freeze-thaw activity on water retention, hydraulic conductivity, density and surface strength of two soils frozen at high water content[R]. Frozen Soil Impact on Agricultural, Range and Forest Lands. Spokane, WA: Proceedings International Symposium, 1990:45-53.

[7] Othman M A, Benson C H. Effect of freeze-thaw on the hydraulic conductivity of three compacted clays from Wisconsin[J]. Transp. Res. Rec., 1993,1369:118-125.

[8] Asare S N, Rudra R P, Dickinson W T, et al. Frequency of freeze-thaw cycles, bulk density and saturation effects on soil surface shear and aggregate stability in resisting water erosion[J]. Canadian Agricultural Engineering, 1997,39(4):273-280.

[9] 溫美麗,劉寶元,魏欣，等.凍融作用對東北黑土容重的影響[J].土壤學報,2009,40(3):492-493.

[11] Li G Y, Fan H M. Effect of Freeze-Thaw on Water Stability of Aggregates in a Black Soil of Northeast China[J]. Pedosphre, 2014，24(2),285-290.

[12] Sharratt B S, Lindstrom M J, Benoit G R, et al. Runoff and soil erosion during spring thaw in the northern US Corn Belt J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2000,55(4):487-494.

[13] 李占斌,李社新,任宗萍,等.凍融作用對坡面侵蝕過程的影響[J].水土保持學報,2015,29(5):56-60.

[14] 魏霞,李勛貴, Huang Chihua.交替凍融對坡面產流產沙的影響[J].農業工程學報,2015,31(13):157-163.

[15] 劉佳,范昊明,周麗麗,等.凍融循環對黑土容重和孔隙度影響的試驗研究[J].水土保持學報,2009,23(6):186-189.

[16] 王輝,王全九,邵明安.前期土壤含水量對坡面產流產沙特性影響的模擬試驗[J].農業工程學報,2008,24(5):65-68.

[17] 溫美麗,劉寶元,魏欣，等.凍融作用對東北黑土容重的影響[J].土壤學報,2009,40(3):492-493.

[18] 王恩姮,趙雨森,陳祥偉.典型黑土耕作區土壤結構對季節性凍融的響應[J].應用生態學報,2010,21(7):1744-1750.

[19] 鄧西民,王堅,朱文珊,等.凍融作用對犁底層土壤物理性狀的影響[J].科學通報,1998,43(23):2538-2541.

[20] 袁建平,將定生,甘淑.影響坡地降雨產流歷時的因子分析[J].山地學報,1999,17(3):259-264.

[21] 潘云,呂殿青.土壤容重對土壤水分入滲特性影響研究[J].灌溉排水學報,2009(2):59-61，77.