張媛靜，張平倉(cāng)，丁文峰

(1.長(zhǎng)江水利委員會(huì)長(zhǎng)江科學(xué)院，湖北武漢430010;2.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所，河北石家莊050061)

黃土和紫色土是我國(guó)西北和西南地區(qū)最具有代表性的侵蝕性土壤，也是我國(guó)水土流失最為嚴(yán)重地區(qū)的兩種土壤類(lèi)型。我國(guó)是黃土最典型、分布面積最大的國(guó)家，約有4.40×105km2。其中以西北黃河中游地區(qū)分布面積最廣，占全國(guó)黃土總面積的70%以上，由于黃土疏松多孔，質(zhì)地相對(duì)均一，成為我國(guó)農(nóng)業(yè)文明的發(fā)源地。但同時(shí)由于其土質(zhì)疏松，易引起嚴(yán)重的土壤侵蝕及水土流失。經(jīng)過(guò)幾千年來(lái)的耕墾以及土地的不合理利用，黃土高原已成為我國(guó)侵蝕與產(chǎn)沙最為嚴(yán)重的區(qū)域[1]。國(guó)內(nèi)對(duì)黃土高原土壤侵蝕的研究也最為深入。20世紀(jì)50—60年代，黃秉維等人對(duì)黃土高原土壤侵蝕類(lèi)型及分區(qū)進(jìn)行了深入的研究;20世紀(jì)80年代，劉東生，朱顯漠等分析了黃土的易蝕性、可蝕性、抗沖性對(duì)坡面發(fā)育的影響;趙人俊等較為系統(tǒng)地分析了坡面產(chǎn)流的機(jī)制及模型;20世紀(jì)90年代以來(lái)，坡面流與坡面過(guò)程的研究進(jìn)入一個(gè)新階段，即對(duì)影響坡面流形成及坡面侵蝕的單個(gè)因素進(jìn)行了深入探討，得出許多經(jīng)驗(yàn)性模型，取得了一批成果[2]。

紫色土是一種易侵蝕性巖性土，集中分布于我國(guó)西南部長(zhǎng)江中上游地區(qū)。紫色土具有較好的天然肥力，是一種重要的土壤資源。長(zhǎng)江流域暴雨頻繁，丘陵區(qū)紫色土坡地不合理利用后，水土流失嚴(yán)重，是長(zhǎng)江的主要泥沙來(lái)源地。目前，有關(guān)紫色土坡面土壤侵蝕研究在侵蝕過(guò)程、土壤抗蝕性及其耕作措施對(duì)侵蝕影響評(píng)價(jià)等方面研究已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展。然而，同黃土坡面侵蝕過(guò)程研究相比，紫色土坡耕地侵蝕過(guò)程及機(jī)理的研究還相對(duì)薄弱[3]。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置

本試驗(yàn)裝置設(shè)置于長(zhǎng)江水利委員會(huì)長(zhǎng)江科學(xué)院沌口實(shí)驗(yàn)基地防洪模型大廳中，整個(gè)試驗(yàn)在“移動(dòng)式水土流失實(shí)驗(yàn)車(chē)”上進(jìn)行，采用美國(guó)下噴搖擺式降雨器，降雨高度約為2.5 m，試驗(yàn)設(shè)計(jì)了從0.6～2.6 mm/min共5種雨強(qiáng)。試驗(yàn)車(chē)內(nèi)為可變坡侵蝕槽，試驗(yàn)設(shè)計(jì)坡度為 5°，10°，15°和20°;侵蝕槽面積為1 m ×3 m。侵蝕槽外接等腰梯形金屬匯流槽，匯流槽緊靠侵蝕槽下端邊界，并連接長(zhǎng)約30 cm，直徑為10 cm的導(dǎo)水管，將匯流槽匯入的地表徑流導(dǎo)入徑流桶，收集地表徑流和泥沙，侵蝕槽底部均勻布設(shè)直徑為10 mm的小孔，便于土壤入滲流的排出，底部外接壤中流匯流裝置，用于收集壤中流。實(shí)驗(yàn)用黃土試樣為陜西省安塞縣典型剖面表面耕作黃綿土，紫色土試樣來(lái)自湖北省秭歸縣典型中厚層坡耕地。兩種試驗(yàn)土壤的理化性質(zhì)如表1—2。

表1 試驗(yàn)土壤顆粒組成%

表2 濕篩團(tuán)聚體百分?jǐn)?shù)與有機(jī)質(zhì)含量

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

共設(shè)計(jì)24場(chǎng)模擬降雨實(shí)驗(yàn)，分別對(duì)黃土和紫色土在3種雨強(qiáng)(0.6，1.1，1.6 mm/min)和 4級(jí)坡度(5°，10°，15°，20°)下進(jìn)行試驗(yàn)操作，保證每次降雨雨量均為50 mm左右，且盡量使每場(chǎng)降雨的前期土壤含水量基本一致。

1.3 試驗(yàn)程序

(1)試驗(yàn)土槽裝土。裝土?xí)r，模擬擾動(dòng)耕作土層填充，填充厚度為 40 cm，紫色土容重控制在 1.35 g/cm3左右，黃土容重控制在1.05 g/cm3左右。

(2)試驗(yàn)前一天，采用小雨強(qiáng)降雨對(duì)坡面進(jìn)行降雨預(yù)濕約10 min，使小區(qū)內(nèi)填土得到充分的壓密和濕潤(rùn)，并保證土壤含水量基本一致，消除前期土壤含水量對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。

(3)降雨過(guò)程觀測(cè)。降雨前進(jìn)行降雨率定試驗(yàn)，以保證降雨的均勻度和降雨強(qiáng)度達(dá)到試驗(yàn)要求。在降雨過(guò)程中，記錄地表徑流和壤中流的產(chǎn)生時(shí)間及終止時(shí)間，觀測(cè)坡面土壤侵蝕過(guò)程，當(dāng)坡面出現(xiàn)細(xì)溝雛形后，每隔一定時(shí)間分上、中、下3個(gè)部位分別測(cè)定流速(高錳酸鉀示蹤法)和水深。

(4)徑流與泥沙采集。坡面產(chǎn)流后，按預(yù)先確定的時(shí)間間隔對(duì)地表徑流和壤中流進(jìn)行取樣，每個(gè)時(shí)間段取樣100 ml，倒入燒杯中烘干稱(chēng)重，測(cè)泥沙含量，同時(shí)用10 L塑料桶分別收集每個(gè)時(shí)間段的全部徑流泥沙樣。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后記錄地表徑流和壤中流總量。

2 試驗(yàn)結(jié)果

模擬試驗(yàn)的結(jié)果表明，在土壤侵蝕過(guò)程中，隨著降雨強(qiáng)度的變化，坡面徑流量、單位體積的泥沙量均隨之發(fā)生變化。隨著雨強(qiáng)增大，徑流量和產(chǎn)沙量也隨之增大。產(chǎn)流過(guò)程呈現(xiàn)先增加，出現(xiàn)峰值后，逐漸趨于穩(wěn)定。不同雨強(qiáng)的產(chǎn)流過(guò)程差異顯著，雨強(qiáng)大產(chǎn)流亦大;不同坡度產(chǎn)流過(guò)程差異不明顯。雖然大坡度有增大流速、減小入滲的作用，但坡度大又使坡面受雨面積減小，兩者作用相抵，使坡度造成的產(chǎn)流差異削弱?，F(xiàn)以坡度15°，雨強(qiáng)1.6 mm/min為例，對(duì)比分析紫色土和黃土降雨侵蝕過(guò)程(表3)。降雨開(kāi)始后，0.38 min時(shí)黃土表面便開(kāi)始產(chǎn)流，坡面逐漸出現(xiàn)細(xì)小的侵蝕紋溝，隨著降雨歷時(shí)的增長(zhǎng)，沿細(xì)小溝道股流形成，侵蝕沖刷能力增強(qiáng)，截止降雨結(jié)束后2 h，未出現(xiàn)壤中流。紫色土坡面由于水分入滲，降雨損失嚴(yán)重，3.5 min后才開(kāi)始產(chǎn)流，并多以漫流形式出現(xiàn)，侵蝕溝發(fā)育不明顯。降雨進(jìn)行25 min后，試驗(yàn)土槽底部開(kāi)始有壤中流流出，連續(xù)收集2 h，體積共計(jì)3 900 ml，且壤中流從渾濁逐漸變?yōu)槌吻?。隨著壤中流的流出，紫色土坡面上有細(xì)小裂紋出現(xiàn)。

表3 設(shè)計(jì)雨強(qiáng)為1.6 mm/min時(shí)兩類(lèi)土壤的產(chǎn)流狀況

圖1對(duì)黃土和紫色土坡面流速進(jìn)行了對(duì)比。從圖1中可看出，兩種土壤坡面流速都比較穩(wěn)定，且黃土坡面各斷面流速均大于紫色土。降雨產(chǎn)生徑流后，沿坡面向下匯流，所以坡面流速為坡下＞坡中＞坡上。紫色土顆粒不均勻，表面糙力大，水流的水力摩阻系數(shù)大，表面流速小;黃土坡面上隨著降雨歷時(shí)的增長(zhǎng)，有細(xì)小侵蝕溝發(fā)育，坡面徑流匯集于侵蝕溝，因此黃土的坡面流速遠(yuǎn)大于紫色土。

圖1 黃土與紫色土坡面流速對(duì)比

從表4可以看出，在相同的坡度和雨強(qiáng)條件下，黃土的坡面徑流量和產(chǎn)沙量遠(yuǎn)大于紫色土，其中黃土的地表徑流量為紫色土的1.16倍，但產(chǎn)沙總量為紫色土的2.09倍，因此單位徑流產(chǎn)沙量黃土大于紫色土。圖2—3分別對(duì)比了不同時(shí)段紫色土和黃土的徑流量和產(chǎn)沙量，得出每一時(shí)段黃土的徑流產(chǎn)沙量均大于紫色土，且兩種土壤徑流產(chǎn)沙量都是先逐漸增加，出現(xiàn)峰值后，漸趨于穩(wěn)定。

表4 黃土與紫色土坡面總徑流產(chǎn)沙量

圖2 黃土與紫色土累積徑流量對(duì)比

3 分析與討論

紫色土是紫色砂頁(yè)巖風(fēng)化形成的初成土，黃土是風(fēng)積土。試驗(yàn)用紫色土有機(jī)質(zhì)含量為5.12 g/kg，是黃土有機(jī)質(zhì)含量的2倍;沙粒含量為54.51%;粉粒含量占20.18%，黏粒占6.64%;土壤團(tuán)聚體組成比較豐富，大于1 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量為26.95%，土壤抗蝕能力較強(qiáng)。而黃土以粉沙質(zhì)為主，占60.40%，大于1 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量?jī)H為0.1%，少黏粒，土壤有機(jī)質(zhì)含量低，膠結(jié)力差，遇強(qiáng)降雨表土易分散(表1)。

圖3 黃土與紫色土產(chǎn)沙量對(duì)比

紫色土粒徑比黃土大且顆粒組成不均一，有一定的土壤黏粒含量。由于有機(jī)質(zhì)含量高，土壤具備一定的結(jié)構(gòu)性，降雨初期，土壤入滲量大于降雨量，因此紫色土初始產(chǎn)流時(shí)間比黃土長(zhǎng)。隨著降雨的進(jìn)行，大量降雨滲入土壤，土壤含水量逐漸達(dá)到飽和，不能再被土壤含蓄的水量便以壤中流的形式沿土壤孔隙特別是大孔隙流出。大孔隙壤中流還會(huì)將紫色土土體中的細(xì)顆粒物質(zhì)逐漸帶出，因而使壤中流變渾濁。由于是有結(jié)構(gòu)性的土壤，整體性強(qiáng)，在斜坡作用下，土壤體沿下部層面發(fā)生滑動(dòng)，導(dǎo)致坡面產(chǎn)生裂縫[5]。表1—2的試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，在相同降雨量條件下紫色土地表徑流量與壤中流體積之和仍小于黃土地表徑流量，由此可證明，紫色土的單位蓄水能力比黃土強(qiáng)，反映了紫色土土壤孔隙大而多。

對(duì)本試驗(yàn)所用黃土和紫色土進(jìn)行抗沖性試驗(yàn)分析得出，黃土的抗沖系數(shù)為4.83，而紫色土的抗沖系數(shù)為14.89，約為黃土的3.08倍。對(duì)黃土而言，降雨打擊地表，破壞了由粉粒組成的“點(diǎn)棱”支架結(jié)構(gòu)，封實(shí)了土壤空隙，導(dǎo)致地表入滲能力急劇降低，從而易產(chǎn)生地表徑流[6]。徑流開(kāi)始后，坡面均勻的面流向低洼處匯集，形成集中徑流，流速增加，單位面積徑流能量隨之增大，剪切能力增強(qiáng)，增強(qiáng)了徑流對(duì)地表的沖刷切割，形成細(xì)溝，之后，徑流作用更加集中，進(jìn)一步加劇了對(duì)地表整體性的破壞[7]。而紫色土具備一定的抗侵蝕能力，坡面粗糙、流速慢，徑流剪切力較小，因而對(duì)地表的破壞能力較弱[8]。

4 結(jié)論

通過(guò)人工模擬降雨試驗(yàn)，對(duì)相同降雨條件下黃土和紫色土的坡面侵蝕特征進(jìn)行了探討和研究。

研究結(jié)果表明，在相同條件下，黃土坡面和紫色土坡面的侵蝕特征差異顯著，黃土坡面侵蝕量大于紫色土侵蝕量。黃土坡面屬于超滲產(chǎn)流，坡面形成較深的侵蝕溝;紫色土屬于蓄滿(mǎn)產(chǎn)流，降雨時(shí)坡面水分大量入滲，地表徑流量較黃土小，有壤中流產(chǎn)生。通過(guò)對(duì)我國(guó)西北和西南地區(qū)典型侵蝕性土壤侵蝕特征對(duì)比分析表明，在制定水土保持規(guī)劃時(shí)，應(yīng)根據(jù)不同土壤的結(jié)構(gòu)和侵蝕特點(diǎn)，因地制宜，采取相應(yīng)的水土保持措施。

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