呂殿青，劉小梅，王 輝，侯旭蕾，劉 春

(1.湖南師范大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，中國(guó) 長(zhǎng)沙 410081;2.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，中國(guó) 長(zhǎng)沙 410128)

我國(guó)南方紅壤主要集中在低山丘陵坡度為6～15°的緩坡地帶［1］，總面積約54.11萬(wàn)km2，占全國(guó)土地總面積的5.64%［2］.由于該區(qū)人多地少，暴雨較多，加之居民對(duì)土地資源的不合理利用及對(duì)下墊面植被的破壞，在天然降雨的沖刷下，水土流失極易發(fā)生，對(duì)該區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與生態(tài)安全帶來(lái)嚴(yán)重的影響［3］.

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)學(xué)者已經(jīng)對(duì)紅壤地區(qū)產(chǎn)流產(chǎn)沙規(guī)律做了大量研究工作，取得許多重要進(jìn)展［4-7］.但關(guān)于紅壤地區(qū)坡面土壤在下墊面產(chǎn)生壤中流和不產(chǎn)生壤中流兩種情況下產(chǎn)沙、產(chǎn)流和入滲的規(guī)律對(duì)比研究較少，在該區(qū)域這兩種情況下由降雨引起的侵蝕危害程度也難以做出確切的評(píng)價(jià).因此，通過(guò)室內(nèi)降雨試驗(yàn)，模擬紅壤地區(qū)裸坡有無(wú)壤中流兩種情況，研究坡面降雨入滲和侵蝕的變化規(guī)律，為我國(guó)紅壤地區(qū)降水時(shí)空分配提供一定的理論基礎(chǔ).

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗(yàn)供試土壤采自湖南省長(zhǎng)沙市東郊瀏陽(yáng)河大橋附近，屬于第四紀(jì)紅粘土母質(zhì)發(fā)育的紅壤，其砂粒、粉粒和粘粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為23.3%、30.6%和46.1%，該土壤類型為粘土，富含鐵、鋁氧化物，呈酸性，一般具有粘性較高、吸水性強(qiáng)、但田間持水性不高的特點(diǎn).試驗(yàn)用土過(guò)10 mm篩，自然風(fēng)干至初始含水量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)為15%，初始裝土容重為1.1 g/cm3，樣品土壤原有自然結(jié)構(gòu)被破壞，屬于被擾動(dòng)土壤.

1.2 試驗(yàn)裝置及設(shè)計(jì)

室內(nèi)模擬降雨裝置采用中科院水土保持研究所研制的側(cè)噴式降雨設(shè)備，該設(shè)備由供水、穩(wěn)壓、降雨3個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成.降雨高度為7 m，雨滴有效降落高度為6.5 m，有利于保證雨滴降落的最終速度，滿足天然降雨的特性［8］.設(shè)計(jì)降雨強(qiáng)度為80 mm/h，由于受試驗(yàn)側(cè)噴式設(shè)備及外界條件的限制，降雨均勻度在75%以上，實(shí)際降雨強(qiáng)度80～85 mm/h，降雨時(shí)間為60 min.試驗(yàn)土槽采用的尺寸規(guī)格為:長(zhǎng)×寬×高為200 cm×30 cm×30 cm，坡度設(shè)計(jì)為15°.有壤中流產(chǎn)生的土槽上面末端和下面末端都設(shè)置了簸箕型集水口，上端集水口用于收集地表徑流，下端集水口用于收集產(chǎn)生的壤中流.無(wú)壤中流產(chǎn)生的土槽只在上面末端設(shè)置了簸箕型集水口，用于收集地表徑流.每個(gè)試驗(yàn)重復(fù)2次，取平均值進(jìn)行計(jì)算和分析.

1.3 試驗(yàn)過(guò)程

1.3.1 裝土過(guò)程 在有壤中流試驗(yàn)設(shè)置的土槽里均勻填裝3 cm天然細(xì)沙，鋪上透水紗布，模擬天然透水層，便于壤中流出流.其上再填裝27 cm的供試土壤.無(wú)壤中流試驗(yàn)設(shè)置的土槽底部只鋪設(shè)透水紗布，在其上填裝30 cm的試驗(yàn)用土.為保證試驗(yàn)土壤容重均勻，根據(jù)設(shè)定好的土壤含水量和容重采取分層填裝的方法，每5 cm一層，邊填充、邊壓實(shí)，為防止土層之間出現(xiàn)分層現(xiàn)象，在填裝上層土之前進(jìn)行打毛.為防止延長(zhǎng)初始產(chǎn)流時(shí)間，表層土壤與槽口必須處于同一水平位置.最后用塑料薄膜覆蓋土壤表層，以防試驗(yàn)降雨之前表層土壤由于水分蒸發(fā)前期含水量降低.

1.3.2 降雨產(chǎn)流過(guò)程 每場(chǎng)試驗(yàn)均是先按實(shí)際雨強(qiáng)降落10 min，待降雨均勻后，揭開(kāi)塑料薄膜開(kāi)始試驗(yàn)，記下時(shí)間并密切關(guān)注降雨過(guò)程中坡面表層土壤的變化.降雨產(chǎn)流后，記錄開(kāi)始產(chǎn)流時(shí)間，地表徑流第1～5個(gè)樣品間隔1 min;第6～10個(gè)樣品間隔2 min;第11個(gè)樣品之后間隔5 min.壤中流的取樣時(shí)間均間隔1 min，兩種產(chǎn)流方式接樣時(shí)間均為1 min，至試驗(yàn)結(jié)束.試驗(yàn)結(jié)束后，測(cè)得每個(gè)徑流泥沙樣的質(zhì)量，用烘干法測(cè)出徑流含沙量，計(jì)算出相應(yīng)的徑流量，并且記錄每次試驗(yàn)的泥沙、徑流總量.

1.3.3 雨后采樣 降雨結(jié)束后，對(duì)試驗(yàn)土壤進(jìn)行破壞性采樣，坡深每5 cm一層，每層分別在坡長(zhǎng)5、25、50、75、100、125、150、175、195 cm，坡寬5、15、25 cm 處用鋁盒采樣.每土槽合計(jì)采樣 162 處，測(cè)得土壤含水量，用以分析降雨過(guò)程中土壤水分分布狀況.

2 結(jié)果與分析

2.1 紅壤坡面產(chǎn)流過(guò)程

坡面的產(chǎn)流形式主要包括地表徑流和壤中流［9］.當(dāng)降雨強(qiáng)度大于入滲強(qiáng)度或較薄土層中儲(chǔ)水飽和后，多余的降水沿坡地表面土層側(cè)向流動(dòng)，形成地表徑流;壤中流主要發(fā)生在上層透水和下層相對(duì)透水性較弱的土層界面，當(dāng)上層土壤儲(chǔ)水滿足后就形成臨時(shí)飽和帶內(nèi)的非毛管孔隙中側(cè)向運(yùn)動(dòng)的水流即壤中流，它的運(yùn)動(dòng)服從達(dá)西定律.通常壤中流匯流速度比地面徑流慢，但它的形成影響著地表徑流.

圖1描述了有無(wú)壤中流兩種情況下，坡面地表徑流和壤中流產(chǎn)流強(qiáng)度隨降雨時(shí)間的變化過(guò)程.由圖1可知，有壤中流的初始產(chǎn)流時(shí)間在32 min左右，無(wú)壤中流的初始產(chǎn)流時(shí)間在20 min左右，有壤中流的初始產(chǎn)流時(shí)間比無(wú)壤中流坡面慢了約13 min，說(shuō)明壤中流的產(chǎn)生有延緩地表徑流產(chǎn)流的作用.從產(chǎn)流過(guò)程來(lái)看，無(wú)壤中流時(shí)，地表徑流產(chǎn)流強(qiáng)度前期增加趨勢(shì)較緩慢，降雨后期產(chǎn)流強(qiáng)度呈波動(dòng)上升的變化，產(chǎn)流強(qiáng)度達(dá)到峰值.有壤中流時(shí)，地表徑流產(chǎn)流強(qiáng)度迅速增加直到峰值，在末段產(chǎn)流強(qiáng)度出現(xiàn)上下波動(dòng)，整體上大于無(wú)壤中流.對(duì)比分析地表徑流與壤中流可以發(fā)現(xiàn)，壤中流的初始產(chǎn)流時(shí)間滯后于地表徑流，產(chǎn)流強(qiáng)度也遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于地表徑流.壤中流是一條變化平緩的曲線.土壤蓄水達(dá)到飽和后開(kāi)始產(chǎn)生壤中流，下滲速度已基本趨于穩(wěn)定，因此壤中流流量變化較小.對(duì)整個(gè)過(guò)程中地表徑流和壤中流總量進(jìn)行分析，無(wú)壤中流試驗(yàn)條件下地表徑流總量占總降雨量的16.43%;有壤中流情況下地表徑流總量占總降雨量19.44%，壤中流徑流量占降雨總量的2.82%.因?yàn)橛腥乐辛髑闆r時(shí)，土槽底部留有集水口，上下土壤層之間空氣流通，水分向下運(yùn)動(dòng)過(guò)程中擠壓土壤空氣，壓強(qiáng)逐漸變大，下層空氣對(duì)水分子存在向上的支持力，阻礙了水分的下滲，大部分水分在上層積聚，進(jìn)而上層土壤易于達(dá)到飽和，相應(yīng)的地表產(chǎn)流比例增加，壤中流比例會(huì)減少.

2.2 紅壤坡面產(chǎn)沙過(guò)程

流域產(chǎn)沙過(guò)程是很復(fù)雜的［10］，有壤中流和無(wú)壤中流兩種條件的不同導(dǎo)致坡面入滲性能和土壤穩(wěn)定性差異很大，從而改變產(chǎn)流規(guī)律，進(jìn)而影響坡面侵蝕產(chǎn)沙特性［11］.由圖2可知，單位時(shí)間侵蝕產(chǎn)沙強(qiáng)度隨著產(chǎn)流時(shí)間的增加逐漸增加，在產(chǎn)流開(kāi)始后10 min侵蝕產(chǎn)沙強(qiáng)度較小，均值約為1.0 g·min－1左右，之后侵蝕產(chǎn)沙量迅速增加，后期具有一定的波動(dòng)性.對(duì)比兩種情況可以看出，在降雨時(shí)間內(nèi)無(wú)壤中流單位時(shí)間的侵蝕產(chǎn)沙量總體要大于有壤中流的侵蝕產(chǎn)沙量.從侵蝕產(chǎn)沙量變化范圍來(lái)看，無(wú)壤中流的侵蝕產(chǎn)沙量為0.09～7.41 g·min－1，有壤中流的侵蝕產(chǎn)沙量為0.23～9.17 g·min－1，除了峰值外，有壤中流的侵蝕產(chǎn)沙強(qiáng)度比無(wú)壤中流穩(wěn)定.表明壤中流的產(chǎn)生減小了降水對(duì)坡面侵蝕的作用.其原因主要是因?yàn)樵诮涤瓿跗谕寥赖慕涤陱?qiáng)度小于入滲強(qiáng)度，降水以入滲為主，產(chǎn)流強(qiáng)度較小，徑流搬運(yùn)泥沙能力有限.隨著入滲的進(jìn)行，降雨強(qiáng)度逐漸大于入滲強(qiáng)度，產(chǎn)流強(qiáng)度開(kāi)始增加，徑流搬運(yùn)能力也隨之增加，產(chǎn)沙強(qiáng)度迅速加大.土壤含水量也逐漸增加達(dá)到飽和，開(kāi)始產(chǎn)生壤中流，下端無(wú)開(kāi)口的土槽壤中流儲(chǔ)存在土層中，下端開(kāi)口的土槽壤中流以徑流的形式流出，上層土壤水流以穩(wěn)定的速度往下運(yùn)動(dòng)，這樣降水就以恒定的速率下滲.就地表徑流而言，無(wú)壤中流時(shí)總產(chǎn)沙量為109.22 g，有壤中流的總產(chǎn)沙量為110.35 g.這是因?yàn)槠旅娈a(chǎn)流是坡面產(chǎn)沙的主要?jiǎng)恿Γa(chǎn)沙量多少和產(chǎn)流量呈正比，因此有壤中流情況的坡面產(chǎn)流強(qiáng)度大于無(wú)壤中流情況，相應(yīng)的產(chǎn)沙強(qiáng)度也大于無(wú)壤中流.

圖1 地表徑流和壤中流產(chǎn)流強(qiáng)度隨降雨歷時(shí)變化Fig.1 Changes of runoff intensity of surface runoff and interflowwith precipitation time

圖2 坡面產(chǎn)沙強(qiáng)度隨降雨歷時(shí)變化Fig.2 Changes of intensity of sediment yield on slope with precipitation time

2.3 紅壤坡面入滲過(guò)程

土壤入滲是指降雨落到地面上的雨水從土壤表面滲入形成土壤水的過(guò)程，它是降雨-徑流循環(huán)中的關(guān)鍵一環(huán)，是降水、地表水、土壤水和地下水相互轉(zhuǎn)化過(guò)程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)［12］.土壤平均入滲率是指一次降雨過(guò)程中(包括產(chǎn)流前)單位時(shí)間降雨的入滲量［13］.水分入滲受土壤滲透性能控制，壤中流的產(chǎn)生影響降雨的入滲能力［14］.圖3描述了有無(wú)壤中流情況下坡面土壤平均入滲率隨降雨歷時(shí)的變化.可以看出，兩種不同產(chǎn)流條件下，坡地土壤入滲率隨降雨歷時(shí)的延長(zhǎng)而降低，開(kāi)始時(shí)無(wú)壤中流的下滲速率為1.34 mm·min－1，有壤中流的下滲滲速率為1.09 mm·min－1.無(wú)壤中流的初滲速率比有壤中流大0.25 mm·min－1.主要是因?yàn)橛腥乐辛鞯耐敛凵舷孪嗤ǎ_(kāi)始下滲率較小，導(dǎo)致表層土壤毛管孔隙小下滲慢，這和周金龍［15］等人研究得出土壤的孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)降雨入滲起決定性作用具有一致性.毛管孔隙的變化又會(huì)改變土壤容重，進(jìn)而影響水分的下滲.呂殿青［16］等人研究得出隨著容重的增大，平均孔隙流速呈冪函數(shù)遞減.有壤中流的地表徑流在50～60 min時(shí)平均入滲率有增加的趨勢(shì).隨著入滲的進(jìn)行，上層土壤逐漸達(dá)到飽和，開(kāi)始產(chǎn)生壤中流，使得有壤中流的地表平均入滲率在降雨后期逐漸增加，這是由于壤中流的產(chǎn)生加速了降雨入滲.壤中流的初始入滲速率為1.2 mm·min－1，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)的入滲率為1.1 mm·min－1，整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中，壤中流的平均入滲率相對(duì)地表徑流來(lái)說(shuō)變化幅度小.因?yàn)槿乐辛魇窃谕寥肋_(dá)到飽和后產(chǎn)生的，此時(shí)的下滲速率基本穩(wěn)定.

2.4 紅壤坡面水分分布及其變異狀況

降雨過(guò)程中不同的下墊面條件對(duì)土壤含水量有一定的影響，圖4描述了兩種情況下土壤含水量隨坡深的變化.圖4中不同坡深處的含水量是整層坡面取樣的平均值.根據(jù)土壤含水量、容重與土壤蓄水量之間的關(guān)系，利用公式:Wρ=θi×h×ρ(Wρ為土壤蓄水量，θi為土壤質(zhì)量含水率，h為土壤蓄水量的厚度，ρ為土壤容重)，計(jì)算出各層的土壤蓄水量，其隨坡深的變化如圖4.結(jié)果顯示:無(wú)壤中流表層5 cm內(nèi)土壤蓄水量小于有壤中流，并且在此深度內(nèi)兩種情況的含水量隨著坡深增加逐漸減小，在5～25 cm，含水量與坡深呈正比.5 cm以下的各個(gè)坡深處的含水量大于有壤中流，有壤中流在10 cm內(nèi)隨著坡深的增加逐漸減小，10～25 cm內(nèi)隨著坡深的增加呈波動(dòng)增加趨勢(shì).因?yàn)榧t壤的產(chǎn)流機(jī)制是超滲產(chǎn)流與蓄滿產(chǎn)流兩種方式，不同于其他地區(qū)的超滲產(chǎn)流，所以含水量隨著深度的增加先減小后又逐漸增大.

圖3 坡面土壤平均入滲率隨降雨歷時(shí)變化Fig.3 Changes of soil average infiltration on slope with precipitation time

圖4 土壤含水量隨坡深變化Fig.4 Changes of soil water contents with soil depth

從表1可見(jiàn)，各層土壤含水量的變異系數(shù)為0.000 2～0.000 8.一般認(rèn)為，Cv＜0.1為弱變異性，0.1≤Cv≤1為中等變異性，Cv＞1為高度變異性［17］，因此兩種情況下的含水量變異均為弱變異性.有壤中流的變異系數(shù)幅度大于無(wú)壤中流，較大變異主要集中在15～30 cm處.這主要是由于有壤中流土槽下端開(kāi)口，下滲土壤水以壤中流的形式流出，土壤蓄水能力相對(duì)較弱.無(wú)壤中流土槽下端不開(kāi)口，下滲水流在土槽底部不斷的積累，形成蓄滿產(chǎn)流，這樣就使得兩種情況下的土壤含水量最值相差很大.

表1 土壤含水量垂直坡面統(tǒng)計(jì)特征值Tab.1 Statics characteristic values of soil water contents on vertical slope

3 結(jié)論

在60 min的降雨時(shí)間內(nèi)，通過(guò)對(duì)有無(wú)壤中流兩種情況下的產(chǎn)流、產(chǎn)沙、入滲過(guò)程及坡面土壤水分空間變異性的分析，得出:

(1)有壤中流的初始產(chǎn)流時(shí)間比無(wú)壤中流坡面慢了約13 min，無(wú)壤中流時(shí)，地表徑流產(chǎn)流強(qiáng)度前期增加趨勢(shì)較緩慢，降雨后期產(chǎn)流強(qiáng)度呈波動(dòng)上升變化;有壤中流時(shí)，地表徑流產(chǎn)流強(qiáng)度迅速增加直到峰值，整體上大于無(wú)壤中流.壤中流相對(duì)于地表徑流來(lái)說(shuō)，初始產(chǎn)流時(shí)間滯后于地表徑流，產(chǎn)流強(qiáng)度也遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于地表徑流.

(2)從侵蝕產(chǎn)沙量變化范圍來(lái)看，無(wú)壤中流的侵蝕產(chǎn)沙量變化范圍為0.09～7.41 g·min－1，有壤中流的侵蝕產(chǎn)沙量為0.23～9.17 g·min－1.除了峰值外，有壤中流的侵蝕產(chǎn)沙強(qiáng)度比無(wú)壤中流穩(wěn)定.

(3)兩種不同產(chǎn)流條件下，坡地土壤入滲率隨降雨歷時(shí)的延長(zhǎng)而降低，無(wú)壤中流的初滲速率比有壤中流大0.25 mm·min－1，有壤中流的地表徑流在50～60 min時(shí)平均入滲率有增加的趨勢(shì)，壤中流的平均入滲率相對(duì)地表徑流來(lái)說(shuō)變化幅度小.

(4)無(wú)壤中流表層5 cm內(nèi)含水量小于有壤中流，在5～25 cm，含水量隨坡深增加逐漸增加.5 cm以下的各個(gè)坡深處的含水量大于有壤中流，有壤中流在10 cm內(nèi)隨著坡深逐漸減小，10～25 cm內(nèi)隨著坡深逐漸增加.各層土壤水分都屬于弱變異.有壤中流的變異系數(shù)幅度大于無(wú)壤中流，較大變異主要集中在15～30 cm處.

［1］王 瑄，李占斌.坡面水蝕輸沙動(dòng)力過(guò)程實(shí)驗(yàn)研究［M］.北京:科學(xué)出版社，2010.

［2］何園球，孫 波，蔡崇法，等.紅壤質(zhì)量演變與調(diào)控［M］.北京:科學(xué)出版社，2008.

［3］陳連進(jìn)，張佳文，趙云勝，等.環(huán)泉州灣地質(zhì)災(zāi)害與城鄉(xiāng)規(guī)劃關(guān)系研究［J］.湖南科技大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2011，26(4):55-59.

［4］王 峰，沈阿林，陳洪松，等.紅壤丘陵區(qū)坡地降雨壤中流產(chǎn)流過(guò)程實(shí)驗(yàn)研究［J］.水土保持學(xué)報(bào)，2007，21(5):15-17.

［5］彭 娜，謝小立，王開(kāi)峰，等.紅壤坡地降雨入滲、產(chǎn)流及土壤水分分配規(guī)律研究［J］.水土保持學(xué)報(bào)，2006，20(3):17-20.

［6］謝小立，王凱榮.紅壤坡地雨水地表徑流及其侵蝕［J］.農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2004，23(5):839-845.

［7］賴奕卡.土地利用類型對(duì)花崗巖紅壤區(qū)坡面土壤侵蝕量的影響——以湖南省衡陽(yáng)縣武水流域?yàn)槔跠］.長(zhǎng)沙:湖南師范大學(xué)，2008.

［8］DANIEL T C，LEMUNYON J L.Agricultural phosphorus and eutrophication:a symposium overview［J］.Enviorn Qual，1998，27(2):251-257.

［9］丁文峰，張平昌，王一峰.紫色土坡面壤中流形成與坡面侵蝕產(chǎn)沙關(guān)系試驗(yàn)研究［J］.長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào)，2008，25(3):14-17.

［10］趙文林.黃埔川流域降雨、產(chǎn)流產(chǎn)沙特性初析［J］.人民黃河，1990(6):37-42.

［11］李光錄，吳發(fā)啟，龐小明，等.泥沙輸移與坡徑流能量的關(guān)系［J］.水科學(xué)進(jìn)展，2008，19(6):868-874.

［12］王艷紅，宋維峰，李財(cái)金.不同竹林地土壤水分入滲研究［J］.水土保持研究，2009，16(2):165-168.

［13］趙鵬宇，徐學(xué)選，劉普靈，等.黃土丘陵區(qū)不同土地利用方式土壤入滲規(guī)律研究［J］.水土保持學(xué)報(bào)，2009，29(1):40-44.

［14］安 娟，鄭粉莉，李桂芳，等.不同近地表土壤水文條件下雨滴打擊對(duì)黑土坡面養(yǎng)分流失的影響［J］.生態(tài)學(xué)報(bào)，2011，31(24):7579-7590.

［15］周金龍，董新光，王 斌.新疆平原區(qū)降水入滲補(bǔ)給地下水研究［J］.西北水資源與水工程，2002，13(4):10-14.

［16］呂殿青，王 宏，潘 云，等.容重變化對(duì)土壤溶質(zhì)運(yùn)移特征的影響［J］.湖南師范大學(xué)自然科學(xué)學(xué)報(bào)，2010，33(1):75-79.

［17］ZHENG J Y，SHAO M A，ZHANG X C.Spatial variation of surface soil bulk density and saturated hydraulic conductivity on slope in loess region［J］.J Soil Water Conserv，2004，18(3):53-56.