劉柏玲,蔡強(qiáng)國(guó),史志華,孫莉英,盛賀偉

(1.中國(guó)科學(xué)院 地理科學(xué)與資源研究所 陸地水循環(huán)及地表過(guò)程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100101; 2.華中農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院, 武漢 430070; 3.中國(guó)科學(xué)院 水利部 水土保持研究所 黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 楊凌 712100)

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黃土土質(zhì)對(duì)濺蝕特征的影響

劉柏玲1,2,蔡強(qiáng)國(guó)1,史志華2,孫莉英1,盛賀偉3

(1.中國(guó)科學(xué)院 地理科學(xué)與資源研究所 陸地水循環(huán)及地表過(guò)程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100101; 2.華中農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院, 武漢 430070; 3.中國(guó)科學(xué)院 水利部 水土保持研究所 黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 楊凌 712100)

土壤質(zhì)地是土粒濺蝕量及濺出方式的重要影響因素。以黃土高原4種土壤(土、黑壚土、砂黃土、黃綿土)為試驗(yàn)用土，通過(guò)人工模擬降雨試驗(yàn)研究了黃土土質(zhì)對(duì)濺蝕量、濺出土粒顆粒組成的影響。結(jié)果表明：(1)濺蝕量隨降雨歷時(shí)增加呈冪函數(shù)趨勢(shì)增加。降雨開始時(shí)濺蝕量取決于土表松散顆粒含量及土粒均勻程度。隨后濺蝕量增加速率則取決于黏粒(<0.002 mm)、細(xì)粉粒(0.002～0.02 mm)及吸濕性黏土礦物含量，二者綜合作用使得濺蝕量增加幅度減小。(2)濺蝕過(guò)程中濺出土粒的粒徑組成決定于供試土壤的顆粒組成，>0.25 mm顆粒含量高的土壤濺出土粒粒徑分布均勻，而>0.25 mm顆粒含量低的土壤濺出土粒集中分布于粗粉粒、細(xì)砂粒粒級(jí)內(nèi)。(3)通過(guò)濺出土粒實(shí)際與原始顆粒含量的比值可判斷土壤顆粒濺出方式。供試土壤黏粒、細(xì)粉粒、粗粉粒(0.02～0.05 mm)的實(shí)際與原始顆粒含量比值<1，均以團(tuán)粒形式濺出，不受土壤類別影響；而土、黑壚土砂粒的實(shí)際與原始顆粒含量的比值>1，以團(tuán)粒形式濺出；砂黃土、黃綿土土壤砂粒實(shí)際與原始顆粒含量比值≈1，以單粒形式濺出。

濺蝕; 黃土土質(zhì); 粒徑分布; 顆粒濺出方式

坡面土壤侵蝕過(guò)程包括降雨濺蝕和徑流沖刷引起的土壤分離、泥沙輸移和沉積三大過(guò)程[1]。濺蝕作為土壤侵蝕的第一階段，為徑流輸移提供物質(zhì)基礎(chǔ)。影響濺蝕的降雨特性包括雨強(qiáng)、降雨動(dòng)能、降雨歷時(shí)、降雨量等[2]。學(xué)者通過(guò)研究得出一系列降雨特性與濺蝕量的關(guān)系方程。蔡強(qiáng)國(guó)等[3]得出雨滴直徑相同時(shí)濺蝕量(Y)與雨強(qiáng)(I)呈線性關(guān)系(Y=a+bI)，高學(xué)田等[4]認(rèn)為濺蝕量(Y)與降雨動(dòng)能(E)之間具有較好的指數(shù)相關(guān)關(guān)系(Y=aEb)。部分學(xué)者研究了土壤特性隨濺蝕的變化規(guī)律。卜崇峰等[5]通過(guò)偏光顯微鏡觀察濺蝕黃土縱切面土壤薄片，發(fā)現(xiàn)團(tuán)聚體隨降雨進(jìn)行不斷分散，土壤小顆粒增加，表層黃土結(jié)構(gòu)變緊實(shí)、孔隙度明顯下降。Ellison[6]、Woodburn[7]、范榮生等[8]認(rèn)為土壤顆粒級(jí)配決定土壤濺蝕特征。朱遠(yuǎn)達(dá)等[9]認(rèn)為0.002～0.2 mm內(nèi)土壤顆粒是結(jié)皮形成的物質(zhì)基礎(chǔ)，>0.2 mm土壤顆粒對(duì)結(jié)皮類型起決定性作用，且土壤團(tuán)聚體的水穩(wěn)性、黏土礦物類型和含量對(duì)結(jié)皮形成均有影響。分析現(xiàn)有研究發(fā)現(xiàn)學(xué)者更多關(guān)注不同粒級(jí)的顆粒被濺蝕的難易程度及土壤質(zhì)地對(duì)結(jié)皮發(fā)育的影響，而對(duì)于濺出土壤顆粒的粒徑組成、分布規(guī)律及不同粒級(jí)土粒的濺出方式研究并不多。黃土高原是世界高含沙水流最為發(fā)育的地區(qū)[10]，是我國(guó)土壤侵蝕研究熱點(diǎn)區(qū)域之一。研究黃土土質(zhì)對(duì)濺蝕的影響及濺出土粒的顆粒組成情況有利于進(jìn)一步了解黃土濺蝕過(guò)程。

本文以黃土高原典型土壤塿土、黑壚土、黃綿土、砂黃土為研究對(duì)象，研究土壤顆粒組成、礦物組成對(duì)濺蝕特征的影響，分析濺出土粒顆粒組成及其濺出方式，以豐富坡面土壤侵蝕機(jī)理，為降雨濺蝕預(yù)報(bào)提供參考。

1　材料與方法

1.1試驗(yàn)用土

1.2人工模擬降雨

人工模擬降雨試驗(yàn)在中國(guó)科學(xué)院水利部水土保持研究所土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的人工降雨大廳進(jìn)行，試驗(yàn)采用下噴式降雨系統(tǒng)，降雨覆蓋面積為27 m×18 m，降雨高度為18 m。降雨系統(tǒng)可將水噴射至空中，受空氣阻力作用破碎成不同大小的雨滴，保證所有雨滴在落地之前都能達(dá)到最大速度，與天然降雨形成的雨滴較相似[13]。試驗(yàn)降雨強(qiáng)度為90 mm/h，試驗(yàn)前反復(fù)率定降雨系統(tǒng)，使得試驗(yàn)雨強(qiáng)下的均勻度達(dá)到90%左右。

1.3濺蝕試驗(yàn)裝置

濺蝕試驗(yàn)裝置為改進(jìn)的摩根濺蝕盤[14]。濺蝕盤采用白鐵皮制成，直徑30 cm，高10 cm。盤中心為直徑10 cm、高3 cm的圓形活動(dòng)裝土盤，盤底部有滲水小孔。圓形活動(dòng)裝土盤與濺蝕盤間存在0.2 cm的間隙，易于濺蝕盤內(nèi)水流出。試驗(yàn)濺蝕盤見(jiàn)圖1。

圖1　改進(jìn)的摩根濺蝕盤

1.4濺蝕試驗(yàn)設(shè)計(jì)與樣品分析

每場(chǎng)降雨開始時(shí)首先調(diào)試雨強(qiáng)，待雨強(qiáng)穩(wěn)定后擺入32個(gè)濺蝕盤，降雨結(jié)束后取出活動(dòng)裝土盤，慢慢傾倒濺蝕盤上部清水，將渾濁液無(wú)損的轉(zhuǎn)入鐵盒內(nèi)。每種土選擇4個(gè)鐵盒用烘干法測(cè)定濺蝕量。另外4個(gè)鐵盒內(nèi)的渾濁液采用MS 2000型激光粒度分析儀(0.01～2 000 μm)測(cè)定濺出土粒的實(shí)際泥沙顆粒含量，經(jīng)過(guò)H2O2分散后測(cè)定濺出土粒原始顆粒含量[15]。

通過(guò)濺出土粒同一粒級(jí)實(shí)際泥沙顆粒含量(分散前)與原始顆粒的含量(分散后)的比值可分析顆粒是以原始粒子還是以團(tuán)粒形式運(yùn)動(dòng)。實(shí)際(分散前)與原始(分散后)顆粒含量的比值≈1表示顆粒被雨滴分散后以原始粒子的形式運(yùn)動(dòng)；實(shí)際(分散前)與原始(分散后)顆粒含量的比值<1表示顆粒是以團(tuán)聚體的形式存在，以團(tuán)粒形式搬運(yùn)；實(shí)際(分散前)與原始(分散后)顆粒含量的比值>1表示此粒級(jí)內(nèi)的土壤顆粒由小粒級(jí)的顆粒團(tuán)聚而成，以團(tuán)粒形式運(yùn)動(dòng)[16]。

2　結(jié)果與分析

2.1土壤基本性質(zhì)對(duì)濺蝕量的影響

如圖2所示，整體來(lái)看，4種土壤濺蝕量與降雨歷時(shí)的關(guān)系符合冪函數(shù)回歸趨勢(shì)，擬合方程及R2見(jiàn)表1，供試土壤濺蝕量隨降雨歷時(shí)的增加而增加，而增加的幅度逐漸減小，最終趨于穩(wěn)定。Woodbarn[7]認(rèn)為濺蝕率隨降雨歷時(shí)的延長(zhǎng)呈指數(shù)遞減。蔡強(qiáng)國(guó)等[17]研究結(jié)果表明濺蝕量隨降雨歷時(shí)變化過(guò)程符合生長(zhǎng)曲線函數(shù)，可用分段指數(shù)曲線進(jìn)行擬合。高學(xué)田等[4]認(rèn)為濺蝕量隨降雨歷時(shí)的增加呈冪函數(shù)增加。不同學(xué)者因試驗(yàn)所用土壤、降雨歷時(shí)長(zhǎng)短等試驗(yàn)條件不同得出的擬合函數(shù)不同，但都說(shuō)明濺蝕量隨降雨歷時(shí)增加呈曲線變化，最終趨于穩(wěn)定。

圖2　雨強(qiáng)為90 mm/h時(shí)不同降雨歷時(shí)濺蝕量

土壤擬合方程R2土y=124.85x0.230.69黑壚土y=110.69x0.290.85黃綿土y=52.72x0.560.84砂黃土y=67.64x0.480.88

降雨歷時(shí)10～15 min時(shí)，4種土壤濺蝕量差異不顯著(p=0.445)。此階段土壤表層松散顆粒已被濺蝕出去，隨著含水率提高，土壤粘聚力和內(nèi)摩擦力減小，同時(shí)雨滴打擊及快速濕潤(rùn)引起團(tuán)聚體內(nèi)部空氣爆破使得團(tuán)聚體破碎，大團(tuán)聚體破碎形成微團(tuán)聚體和更細(xì)小顆粒，土壤結(jié)構(gòu)受到破壞[19-20]。雨滴能量主要用于破壞土壤結(jié)構(gòu)，4種土壤濺蝕量沒(méi)有明顯區(qū)別(表2—3)。

表2　4種土壤濺蝕量?jī)蓛杀容^(LSD)顯著性

注：均值差的顯著水平為0.05。

降雨歷時(shí)20 min之后4種土壤濺蝕量出現(xiàn)穩(wěn)定趨勢(shì)，濺蝕量顯著性及其標(biāo)注見(jiàn)表2—3。土壤的顆粒組成、礦物組成均會(huì)影響濺蝕量。

表3　濺蝕量顯著性標(biāo)注

注：表中a，b，c為顯著性標(biāo)記，字母相同表示不顯著，字母不同表示顯著。

為了盡可能與野外采土容重一致，本試驗(yàn)設(shè)計(jì)填土容重砂黃土(1.25 g/cm3)大于另外3種土。土壤干容重越大土體結(jié)構(gòu)越密實(shí)，土壤抗剪強(qiáng)度越大[22]。容重對(duì)土壤入滲能力有較大影響，土壤入滲能力隨容重增大而遞減[23]。土壤抗剪強(qiáng)度越大，土壤結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定，抗雨滴打擊能力越強(qiáng)，濺蝕量越小。同樣土壤入滲能力越小，表層土壤含水量越大，相同降雨條件下濺蝕量越少。因此作者推測(cè)若砂黃土與其他3種土容重設(shè)置相同，濺蝕量要比本試驗(yàn)測(cè)得量高，與其他土壤的差異更顯著。

2.2不同土質(zhì)黃土濺出土粒顆粒組成

圖3　濺出土粒實(shí)際(分散前)顆粒組成

表4　原始土壤分散前后各粒級(jí)顆粒含量　 %

表5　土壤黏土礦物含量　%

2.3不同土質(zhì)黃土土粒的濺出方式

圖4　濺出土粒不同粒級(jí)實(shí)際與原始顆粒含量比值

3　結(jié) 論

(1)濺蝕量隨降雨歷時(shí)增加呈冪函數(shù)趨勢(shì)增加，最終趨于穩(wěn)定。降雨開始時(shí)濺蝕量取決于土表松散顆粒含量及土粒均勻程度，松散顆粒越多越不均勻的土壤濺蝕量越大。隨著降雨進(jìn)行土壤結(jié)構(gòu)遭到破壞，雨滴打擊下黏粒、細(xì)粉粒在土表形成致密層，吸濕性黏土礦物吸水膨脹阻斷、填充土壤孔隙，二者綜合作用使得土壤表面密實(shí)度增加水分入滲率降低，濺蝕量增加幅度減小。

[1]Morgan R P C,Quinton J N,Rickson R J.Modeling methodology for soil-erosion assessment and soil conservation design the eurosem approach[J].Outlook on Agriculture,1994,23(1):5-9.

[2]韓學(xué)坤,吳伯志,安瞳昕,等.濺蝕研究進(jìn)展[J].水土保持研究,2010,17(4):46-51.

[3]蔡強(qiáng)國(guó),陳浩.降雨特性對(duì)濺蝕影響的初步試驗(yàn)研究[J].中國(guó)水土保持,1986(6):41-42.

[4]高學(xué)田,包忠謨.降雨特性和土壤結(jié)構(gòu)對(duì)濺蝕的影響[J].水土保持學(xué)報(bào),2001,15(3):24-26.

[5]卜崇峰,蔡強(qiáng)國(guó),張興昌,等.黃土結(jié)皮的發(fā)育機(jī)理與侵蝕效應(yīng)研究[J].土壤學(xué)報(bào),2009,46(1):16-23.

[6]Ellison W D.Soil erosion studies Part I [J].Agricultural Engineering,1947,28:145-147.

[7]Woodburn R.The effect of structural condition on soil detachment by raindrop action[J].Agricultural Engineering,1948,29:154-156.

[8]范榮生,李占斌.坡地降雨濺蝕及輸沙模型[J].水利學(xué)報(bào),1993(6):24-29.

[9]朱遠(yuǎn)達(dá),蔡強(qiáng)國(guó),胡霞,等.土壤理化性質(zhì)對(duì)結(jié)皮形成的影響[J].土壤學(xué)報(bào),2004,41(1):13-19.

[10]閆云霞,許炯心.黃土高原地區(qū)侵蝕產(chǎn)沙的尺度效應(yīng)研究初探[J].中國(guó)科學(xué):D輯,2006,36(8):767-776.

[11]李玉山,韓仕峰,汪正華.黃土高原土壤水分性質(zhì)及其分區(qū)[J].中國(guó)科學(xué)院西北水土保持研究所集刊,1985(2):1-17.

[12]魯如坤.土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法[M].北京:中國(guó)農(nóng)業(yè)科技出版社,1999.

[13]張光輝,劉寶元,李平康.槽式人工模擬降雨機(jī)的工作原理與特性[J].水土保持通報(bào),2008,27(6):56-60.

[14]胡霞,蔡強(qiáng)國(guó),劉連友,等.人工降雨條件下幾種土壤結(jié)皮發(fā)育特征[J].土壤學(xué)報(bào),2005,42(3):504-507.

[15]Wang L,Shi Z H.Size selectivity of eroded sediment associated with soil texture on steep slopes[J].Soil Science Society of America Journal,2015,79(3):917-929.

[16]Martinez-Mena M,Castillo V,Albaladejo J.Relations between interrill erosion processes and sediment particle size distribution in a semiarid Mediterranean area of SE of Spain[J].Geomorphology,2002,45(3/4):261-275.

[17]蔡強(qiáng)國(guó),陳浩.影響降雨擊濺侵蝕過(guò)程的多元回歸正交試驗(yàn)研究[J].地理研究,1989,8(4):28-35.

[18]張科利.坡面濺蝕發(fā)生過(guò)程及其與坡度關(guān)系的模擬研究[J].地理科學(xué),1998,18(6):561-566.

[19]范云濤,雷廷武,蔡強(qiáng)國(guó).濕潤(rùn)速度對(duì)土壤表面強(qiáng)度和土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)的影響[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2008,24(5):46-50.

[20]Bissonnais Y L E.Aggregate stability and assessment of soil crustability and erodibility: I.Theory and methodology[J].European Journal of soil science,1996,47(4):425-437.

[21]程琴娟,蔡強(qiáng)國(guó),胡霞.不同粒徑黃綿土的濺蝕規(guī)律及表土結(jié)皮發(fā)育研究[J].土壤學(xué)報(bào),2007,44(3):392-396.

[22]趙曉光,石輝.水蝕作用下土壤抗蝕能力的表征[J].干旱區(qū)地理,2003,26(1):12-16.

[23]李卓,吳普特,馮浩,等.容重對(duì)土壤水分入滲能力影響模擬試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2009,25(6):40-45.

Effects of Loess Soil Texture on Raindrop Splash

LIU Bailing1,2,CAI Qiangguo1,SHI Zhihua2,SUN Liying1,SHENG Hewei3

(1.Key Laboratory of Water Cycle and Related Land Surface Processes,Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research,CAS,Beijing 100101,China; 2.College of Resources and Environment,Huazhong Agricultural University,Wuhan 430070,China; 3.State Key Laboratory of Soil Erosion and Dryland Farming on the Loess Plateau,Institute of Soil and Water Conservation,CAS & MWR,Yangling,Shaanxi 712100,China)

Soil texture is one of the important factors on raindrop splash erosion and the form of particles splashed out.Rainfall simulation experiments with four loess soils of Lou soil,dark loessial soil,sandy loess,loessial soil,were performed to evaluate effects of soil texture on raindrop splash erosion and splashed particle size distribution (PSD).The results showed that: (1)power function were the best function to describe the splash erosion increases with the rainfall duration,at the beginning of rainfall,the raindrop splash erosion depends on the amount of loose particles on soil surface and the soil particle uniformity,and then the increase rate of raindrop splash erosion depends on the content of clay (<0.002 mm),fine silt (0.002～0.02 mm)and hygroscopicity clay mineral,the combination makes the increase amplitude of raindrop splash erosion decrease; (2)on the process of raindrop splash,the particle composition of splashed soil particle was determined by the particle composition of experimental bulk soil,if the content of coarse sand (>0.25 mm)in bulk soil was high the splashed soil had uniform distribution of particle sizes,otherwise when the content of coarse sand in bulk soil was low， the splashed soil particle concentrated distribution in coarse silt and fine sand; (3)the ratio of the splashed undispersed PSD and dispersed PSD revealed the form of particle splashed out,the undispersed/dispersed PSD ratios of clay-sized,fine-silt-sized and coarse-silt-sized particles for four experimental soils were less than 1,indicating that they were splashed out as aggregate,the undispersed/dispersed PSD ratios of sand-sized for Lou soil and dark loessial soil were more than 1,they were splashed out as aggregate,while the undispersed/dispersed PSD ratios of sand-sized for sandy soil and loessial soil were close to 1,they were splashed out as single grain.

raindrop plash; loess soil texture; particle size distribution; the form of particle splash out

2015-10-02

2015-11-11

國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(41471229;41271304);黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放資助項(xiàng)目(A314021402-1518)

劉柏玲(1991—),女,內(nèi)蒙古赤峰人,碩士研究生,研究方向?yàn)橥寥狼治g與水土保持。E-mail:liuboling2014@163.com

孫莉英(1978—),女,河北靈壽人,助理研究員,博士,主要從事水沙環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)與控制研究。E-mail:sunliying@igsnrr.ac.cn

S157; S152

A

1005-3409(2016)05-0001-06