徑流作用下土壤流失的原因分析

土壤溶解是由于排水、土壤肥力降低、土壤侵蝕和水土流失而外在特征。變化過程非常復(fù)雜。這是土壤結(jié)構(gòu)、溶解類型、水分含量、基質(zhì)特征、土地利用類型等許多因素共同作用的結(jié)果。然而，影響溶解效果最大的因素是失敗主體（溶解本身）、溶解儲(chǔ)存場(chǎng)地（土壤）和為了溶解反應(yīng)提供能量的水。研究者們對(duì)溶質(zhì)隨徑流遷移的過程進(jìn)行了深入的研究,提出了該過程的水膜理論、混合層理論,并將對(duì)混合層的研究成果應(yīng)用到相關(guān)模型中,比如CREAMS模型。王輝、張亞麗、王全九等結(jié)合降雨、坡度等因素,對(duì)徑流引起黃土坡面的礦物質(zhì)、氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的流失進(jìn)行了深入研究。眾多研究者對(duì)土壤溶質(zhì)隨徑流流失過程的研究結(jié)果表明,該過程表現(xiàn)為土壤溶質(zhì)的初始徑流濃度較大,隨后濃度逐漸降低。但對(duì)這濃度遞減過程,研究者提出了兩大類不同的模型來描述該遞減規(guī)律:一類是指數(shù)函數(shù)形式的模型,另一類是冪函數(shù)形式的模型。Ahuja針對(duì)飽和土壤研究了土壤溶質(zhì)在降雨情況下流失規(guī)律,提出了有效混合深度的概念,并建立了以指數(shù)函數(shù)形式為特征的模擬模型來描述徑流溶質(zhì)的流失規(guī)律。Bailey也認(rèn)為該過程適合用指數(shù)函數(shù)來描述;王全九等經(jīng)過對(duì)土壤溶質(zhì)的流失研究認(rèn)為在土壤飽和并不考慮水土流失情形下適用利用指數(shù)函數(shù)來描述土壤受徑流作用下溶質(zhì)的流失過程,但在土壤非飽和、水土流失嚴(yán)重的黃土地區(qū),冪函數(shù)更適合描述徑流溶質(zhì)濃度變化過程。這些研究多側(cè)重于土壤溶質(zhì)的遷移過程,而對(duì)下墊面因素對(duì)遷移過程的影響考慮較少。影響土壤溶質(zhì)遷移過程的下墊面因素包括土壤容重,土壤結(jié)構(gòu),土壤的初始含水率,坡度,植被,耕作方式等。土壤溶質(zhì)遷移過程發(fā)生于土壤表面及一定厚度的土壤層內(nèi)。土壤容重是表征下墊面的重要指標(biāo)之一,其大小直接影響土壤受徑流的沖刷破環(huán)程度,也決定土壤溶質(zhì)的遷移過程及遷移量。本研究利用室內(nèi)實(shí)驗(yàn),分析土壤溶質(zhì)在受徑流作用下,土壤容重對(duì)溶質(zhì)遷移過程的影響。研究結(jié)果可對(duì)更全面認(rèn)識(shí)土壤溶質(zhì)的遷移、土壤養(yǎng)分流失具有積極作用,也對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中不同耕作方式的選擇具有一定的借鑒意義。1材料和方法1.1土槽容重模擬本研究在室內(nèi)進(jìn)行土槽實(shí)驗(yàn),對(duì)土槽裝土、飽和并斜放模擬野外斜坡地,采用人工供水來模擬地表徑流流過飽和斜坡地,通過不同的土壤容重、地表坡度、徑流流量組合,探尋土壤容重對(duì)土壤受徑流作用發(fā)生溶質(zhì)遷移過程的影響。室內(nèi)實(shí)驗(yàn)采用可調(diào)坡度有機(jī)玻璃土槽裝土模擬野外斜坡地,土槽長(zhǎng)2.0m,寬0.1m,高0.3m。在土槽高端設(shè)置一個(gè)與自來水管連接的水槽來供水,用直角堰來初步保證設(shè)計(jì)流量,實(shí)驗(yàn)前進(jìn)行實(shí)際流量的校準(zhǔn),用人工直接供水模擬坡面上已經(jīng)形成的徑流,不考慮由人工降雨來提供徑流,即只考慮坡面徑流的沖刷破壞、徑流對(duì)溶質(zhì)的浸提作用下土壤中的溶質(zhì)流失過程,不考慮徑流形成過程中降雨雨滴對(duì)坡面、徑流水層的擊濺、破壞和擾動(dòng)對(duì)土壤溶質(zhì)流失過程的影響。1.2實(shí)驗(yàn)方法1.2.1實(shí)驗(yàn)土槽裝土及mbr量的施加將供試土壤風(fēng)干、碾碎、過5mm標(biāo)準(zhǔn)篩(表1)。選用KBr作為研究溶質(zhì),這是由于Br-在土壤中背景值低而且化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定,受土壤顆粒吸附作用的影響較小,在水的作用下,其移動(dòng)性很強(qiáng)。若地表有水體流動(dòng),添加了Br-的土壤在受水的作用下,Br-受浸提、沖刷作用易釋放出來進(jìn)入地表徑流而流失。實(shí)驗(yàn)土槽裝土總高度確定為4cm,裝土過程及實(shí)驗(yàn)前土槽水平放置,土壤按照0.02mol/kg(KBr/干土)的比例施加KBr;裝土?xí)r按照每層1cm分層裝土,裝土前先計(jì)算1cm厚土層重量,稱取相應(yīng)量土壤裝入土槽并壓實(shí)到該層高度處以控制土壤容重;按照裝土容重計(jì)算每層土對(duì)應(yīng)的KBr含量,計(jì)算出土壤飽和條件下所需水量,將計(jì)算所得KBr量溶解到對(duì)應(yīng)水量中,施加到土壤層內(nèi),待土壤飽和后刮毛表層,再進(jìn)行上1層的裝土工作。在進(jìn)行最上面1cm厚土層裝土?xí)r,先放入塑料草坪,然后再裝土、加KBr水溶液,塑料草坪部分埋在表土層內(nèi)、部分出露在表土層外,近似模擬野外植被及其根系。裝土完后用薄膜覆蓋,避免蒸發(fā),以保證土槽中土壤飽和狀態(tài)。1.2.2土槽坡度和坡度對(duì)實(shí)驗(yàn)流失的影響坡面的坡度越大,水流的流速越快,對(duì)表層土壤沖刷就越嚴(yán)重,從而導(dǎo)致更嚴(yán)重水土流失及相應(yīng)土壤溶質(zhì)流失的情形發(fā)生。實(shí)驗(yàn)水流為土壤溶質(zhì)的流失提供啟動(dòng)條件和驅(qū)動(dòng)力、載體,坡度是為水流的流動(dòng)提供能量。因此,坡度和流量,是本實(shí)驗(yàn)中影響土壤溶質(zhì)流失的最關(guān)鍵兩個(gè)因素。實(shí)驗(yàn)采用可調(diào)坡度的土槽來實(shí)現(xiàn)不同坡度的坡面、采用不同大小的上方自來水流量模擬降雨形成的徑流。為避免過大的實(shí)驗(yàn)流量和土槽坡度組合導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)嚴(yán)重土壤流失,實(shí)驗(yàn)中采用實(shí)驗(yàn)坡度最大15°,流量最大為0.05L/s。實(shí)驗(yàn)采用的流量Q分別為0.02和0.05L/s,坡度S分別為5°和15°,裝土容重γ為1.20,1.35和1.50g/cm3。各實(shí)驗(yàn)處理的流量,坡度,裝土容重處理組合情況詳見表2。1.2.3br-濃度的測(cè)定實(shí)驗(yàn)時(shí),當(dāng)水流到達(dá)土槽尾部出口,立即進(jìn)行計(jì)時(shí),分別在5,10,20,30,40,50和60min時(shí)刻取水樣約200ml。測(cè)定指標(biāo)確定為Br-濃度,采用PXSJ-216型離子分析儀及相應(yīng)電極進(jìn)行測(cè)定。取樣后待水樣澄清,取上部澄清液過濾后測(cè)定Br-濃度。對(duì)試驗(yàn)用自來水的Br-背景值進(jìn)行測(cè)定,測(cè)得背景值非常小,即可將水樣中的Br-全部看作為實(shí)驗(yàn)飽和土壤中的Br-受徑流作用而發(fā)生遷移的量。2徑流分布的變化對(duì)取得的水樣測(cè)定結(jié)果,按照相同坡度、流量、不同裝土容重的實(shí)驗(yàn)分組進(jìn)行分析。Br-的流失變化規(guī)律總體呈現(xiàn)出隨時(shí)間增加,水樣濃度逐漸降低的趨勢(shì),對(duì)實(shí)驗(yàn)過程分別采用冪函數(shù)和指數(shù)函數(shù)進(jìn)行回歸分析(表3—4及圖1—2)。由表3—4可見,不同土壤容重下土壤受徑流作用導(dǎo)致土壤溶質(zhì)流失的過程適合用冪函數(shù)來描述,而且在本實(shí)驗(yàn)的坡度、流量情況下,土壤容重越小,同時(shí)刻的水樣Br-濃度反而更高。從圖1—2可以看出,裝土容重為1.20g/cm3的Br-流失濃度比相同時(shí)刻其他兩組的Br-流失濃度高。在土槽出口處的水量,來自于兩部分,一部分是表面徑流,這在總水量中占很大比重;另一部分是土壤內(nèi)部的壤中流。后部分流量是對(duì)實(shí)驗(yàn)流量的分流,其大小對(duì)溶質(zhì)的流失有直接的影響。水樣中的土壤溶質(zhì)主要來源于徑流對(duì)表層土壤的沖刷、浸提及土壤內(nèi)部的壤中流帶走的土壤溶質(zhì)兩部分。在土槽長(zhǎng)度方向上不同橫剖面位置的過水流量是一致的,但在不同位置處的橫斷面上,過槽水量的分布是不同的,其總量包括土壤表層以上徑流及土壤內(nèi)部壤中流兩部分。壤中流的存在及對(duì)土壤的作用,從實(shí)驗(yàn)后土層表面受沖蝕破壞的現(xiàn)象就可以看出。在所有實(shí)驗(yàn)中,受溯源侵蝕的作用,沿土槽坡面長(zhǎng)度方向,土層表面沖蝕破壞的情況基本是土槽前端沖蝕較輕,而后端沖蝕較嚴(yán)重。這主要是在土槽前端有部分水入滲到土壤中形成壤中流而在一定厚度的土壤中流動(dòng),其到達(dá)土槽末端部分,由于其通道受隔斷,壤中流向上流出到土壤層表面,進(jìn)入到徑流中,進(jìn)而加劇土槽末端范圍內(nèi)水流對(duì)土壤表層的沖蝕破壞。坡度、流量及植被情況決定了地表徑流的流速,影響到地表徑流對(duì)表層土壤的沖刷破壞程度,也就決定了土壤溶質(zhì)在土壤受沖蝕作用下進(jìn)入地表徑流而隨徑流遷移的數(shù)量。在實(shí)驗(yàn)所采用的坡度、流量及容重等條件下,通過地表徑流沖蝕表層土壤而帶走部分土壤溶質(zhì)。容重較小的實(shí)驗(yàn)土層中,土壤顆粒間孔隙較多、較大,這些顆?？紫毒托纬汕邸⑾嗷ミB通的水流通道,為壤中流的形成、流動(dòng)創(chuàng)造了空間。進(jìn)入土槽的水,在進(jìn)口前端,部分水入滲,進(jìn)入到土壤顆粒間孔隙中,在由孔隙形成的通道中向下坡流動(dòng),期間就可以對(duì)通道周邊的土壤溶質(zhì)進(jìn)行溶解、浸提。Br-受土壤的吸附作用很弱,很容易進(jìn)入壤中流并發(fā)生對(duì)流運(yùn)動(dòng)。而土壤容重大,土壤顆粒比較致密,孔隙度小,為水進(jìn)入土壤內(nèi)部流動(dòng)留存的通道就更為曲折、更小,導(dǎo)致溶質(zhì)溶液的土壤孔隙平均流速降低,這種情況下土壤溶質(zhì)通過對(duì)流、機(jī)械彌散運(yùn)動(dòng)而遷移的量大為減少。各組中容重為1.35g/cm3的實(shí)驗(yàn)徑流Br-濃度比容重為1.50g/cm3的徑流溶質(zhì)濃度高,但差別不顯著。經(jīng)分析認(rèn)為,雖然容重為1.35g/cm3的土壤孔隙狀況比容重為1.50g/cm3好一些,但兩者的土壤顆粒已經(jīng)相當(dāng)緊密,顆粒間的孔隙形成的通道非常曲折、斷面小,相對(duì)應(yīng)的壤中流孔隙平均流速非常小,而且并無太大差別,因此通過對(duì)流、機(jī)械彌散運(yùn)動(dòng)而發(fā)生遷移的土壤溶質(zhì)量相差不大,水樣中的Br-主要來源于土槽表層土壤受徑流沖刷而流失的量,通過壤中流遷移的Br-所占比例