模擬降雨條件下含碎石土壤入滲過程的研究

土壤入滲和流量特征可以反映梯度過程和坡面輸沙能力，這是代表降水侵蝕的重要參數(shù)。為深入研究坡面侵蝕過程,很多學(xué)者建立了坡度、坡長、坡形、地表覆蓋以及土地利用方式與土壤侵蝕量的關(guān)系,并以此來預(yù)測試驗(yàn)區(qū)的土壤侵蝕量。但相關(guān)研究大多是基于均質(zhì)土壤,較少考慮土壤顆粒組成的復(fù)雜性。由于成土過程和人類活動(dòng)的影響,含礫石土壤在自然界分布廣泛,如我國西南喀斯特地區(qū)的土石山區(qū),黃土高原北部地區(qū)成土過程中出現(xiàn)的風(fēng)化程度不同的鈣質(zhì)結(jié)核等。礫石能影響土壤結(jié)構(gòu)和水力學(xué)特性,進(jìn)而改變坡面水土流失過程。國外研究表明,地表土壤中礫石對(duì)入滲和徑流的影響存在不確定性。國內(nèi)研究大多是在室內(nèi)用一維垂直定水頭入滲法描述土石混合介質(zhì)的入滲過程,著重分析礫石含量和直徑對(duì)土壤水分、溶質(zhì)運(yùn)移的影響。還有研究認(rèn)為在模擬降雨條件下土壤入滲率隨礫石含量變化可能存在一個(gè)閥值。很少有學(xué)者分析含礫石土壤的坡面產(chǎn)流和入滲特征,相關(guān)研究不僅是量化非均質(zhì)土壤坡面水土過程的基礎(chǔ),而且在土壤侵蝕、坡面水文模型研究和實(shí)際應(yīng)用中具有一定的價(jià)值。本研究在模擬降雨條件下,對(duì)不同坡度下含礫石土壤的坡面產(chǎn)流和入滲特征進(jìn)行了分析,旨在探討礫石含量和坡度對(duì)坡面徑流和水分入滲的影響及其可能原因,為該類型土壤的侵蝕過程以及水土資源的合理利用提供科學(xué)依據(jù)。1材料和方法1.1土樣與礫石的制備試驗(yàn)在黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室人工降雨大廳進(jìn)行。試驗(yàn)土槽為鐵制,規(guī)格3m(長)×1m(寬)×0.25m(深)。供試土壤取自西北農(nóng)林科技大學(xué)試驗(yàn)地表層塿土(鈣積土墊旱耕人為土),土壤質(zhì)地為粉壤土,有機(jī)質(zhì)含量14gkg-1,土壤顆粒組成見表1(國際土壤質(zhì)地分類系統(tǒng))。土樣風(fēng)干后測定其風(fēng)干質(zhì)量含水率(平均為3%),過5mm篩,試驗(yàn)所用礫石取自渭河灘,為光滑橢圓形硬質(zhì)鵝卵石,對(duì)水幾乎不通透。在將土樣和礫石混合前,去掉較大的石塊,過20mm篩,留取直徑為20mm~50mm的礫石作為供試礫石,礫石平均直徑為4.07cm,礫石級(jí)配比例見表2。用水沖洗,除去礫石上附有的雜物,風(fēng)干備用。1.2土石質(zhì)量濃度和降雨時(shí)坡面流速試驗(yàn)中,土壤容重控制為1.35gcm-3,實(shí)測礫石密度為2.65gcm-3;風(fēng)干土與礫石按質(zhì)量比設(shè)10∶0、9∶1、8∶2、7∶3和6∶4等5個(gè)處理,孔隙度分別為0.49、0.44、0.39、0.34和0.29。然后將土壤和礫石混合均勻(礫石質(zhì)量含量則分別為0%、10%、20%、30%和40%)。將土石混合物分層裝入土槽,為防止土體垂直分層,每兩層之間打毛。降雨過程中雨強(qiáng)控制在60mmh-1左右(實(shí)際按率定雨強(qiáng)來計(jì)算),土槽設(shè)5°、10°、15°等3個(gè)坡度處理。降雨開始后記錄土槽產(chǎn)流時(shí)間。從產(chǎn)流開始后每隔1min收集一次徑流,每5min測定一次坡面水流流速(采用KMnO4染色劑法,記錄水流流過固定坡長的時(shí)間,然后換算成流速)。降雨歷時(shí)為產(chǎn)流后持續(xù)60min。降雨結(jié)束后,用稱重法和烘干法分別得到每分鐘的徑流量和產(chǎn)沙量。入滲率(i)用以下公式計(jì)算:式中,i-入滲率(cmmin-1);R-降雨量(cm);T-降雨歷時(shí)(min);θ-土槽坡度(°);F-單位時(shí)間內(nèi)的產(chǎn)流量(g);S-單位時(shí)間內(nèi)的產(chǎn)沙量(g);k-換算系數(shù)(1gcm-3);A-土槽截面積(cm2)。2結(jié)果與分析2.1不同坡度下產(chǎn)流時(shí)間的變化產(chǎn)流時(shí)間是坡面綜合效應(yīng)的反映,主要取決于土壤初始含水率。在降雨的最初階段,降雨全部滲入土壤,坡面無徑流產(chǎn)生。當(dāng)雨強(qiáng)大于土壤入滲能力時(shí),產(chǎn)生超滲雨。超滲雨形成坡面積水,然后沿坡面向低處流動(dòng),稱為坡面漫流。影響產(chǎn)流時(shí)間的因素有土壤特性、地面坡度、地表覆蓋等。圖1為模擬降雨條件下坡面產(chǎn)流時(shí)間隨礫石含量的變化關(guān)系。圖1顯示,在坡度為5°時(shí),隨著礫石含量的增加,產(chǎn)流時(shí)間變化不大,當(dāng)?shù)[石含量較高時(shí),產(chǎn)流時(shí)間急劇降低;而在10°和15°時(shí),產(chǎn)流時(shí)間隨礫石含量的增加而降低。3個(gè)坡度下,當(dāng)?shù)[石含量相同時(shí),產(chǎn)流時(shí)間(T)隨坡度變化大致呈T15°<T10°<T5°;當(dāng)坡度相同時(shí),產(chǎn)流時(shí)間隨礫石含量變化大致呈T0%>T10%>T20%>T30%>T40%,這種變化趨勢在坡度為10°和15°時(shí)特別明顯。其原因在于:在降雨的最初階段,主要是雨滴浸潤土壤和礫石的過程。由于礫石的存在,一部分雨滴擊濺礫石,使礫石表面濕潤。隨著時(shí)間的推移,礫石包裹一層水膜使土壤與礫石的周邊接觸成為入滲點(diǎn),進(jìn)而逐漸增大了水分濕潤土壤的面積,入滲隨之增加。當(dāng)?shù)[石被完全浸潤后,入滲不再以入滲點(diǎn)的形式進(jìn)行。這實(shí)際上是由于礫石的存在增大入滲孔隙的彎曲度,從而延緩了入滲,增加了坡面匯流,使產(chǎn)流時(shí)間減小。而且當(dāng)土壤中礫石含量越大,坡面暴露的礫石也就越多,礫石的這種作用也就越明顯。當(dāng)?shù)[石含量一定時(shí),坡度越大,超滲雨產(chǎn)生的坡面漫流匯聚后的流速也就越大,徑流的產(chǎn)生也就越快。對(duì)3個(gè)坡度下產(chǎn)流時(shí)間隨礫石含量的變化做回歸分析,擬合結(jié)果見表3。用t檢驗(yàn)法檢驗(yàn),得到|t|10°=6.37>t0.01/2(3)=5.84;|t|15°=15.11>t0.01/2(3)=5.84。說明線性回歸達(dá)到顯著水平(P=0.01)。這表明,當(dāng)坡度較大(>10°)時(shí),坡面產(chǎn)流時(shí)間與礫石含量呈線性負(fù)相關(guān)。2.2土壤入滲特征試驗(yàn)中入滲土壤為均勻非同質(zhì)。為了便于比較,一維垂直入滲的入滲率用單位時(shí)間(min)內(nèi)的入滲水深(cm)來表示。圖2為模擬降雨條件下含礫石土壤入滲率隨時(shí)間的變化關(guān)系。從圖2可以看出:在入滲的最初階段,相同坡度下不同礫石含量的土壤入滲率曲線是重合的,即入滲率維持一個(gè)常數(shù)。這是由于試驗(yàn)開始時(shí)控制土壤初始含水量很低(平均為3%)且在同一水平,此時(shí)土壤處于干燥狀態(tài),土壤水吸力很大,土壤入滲率取決于土壤的水吸力。這段時(shí)間內(nèi),含礫石土壤入滲率等于降雨強(qiáng)度,與礫石含量無關(guān)。隨著降雨過程的繼續(xù),表層土含水量達(dá)到飽和,水分在重力作用和毛管力作用下向土體深層運(yùn)動(dòng)。入滲使土壤含水量增加,相應(yīng)地土壤水吸力降低,降雨不能完全滲入土壤,在土槽內(nèi)形成積水,并產(chǎn)生徑流。此時(shí)土壤的入滲率取決于土壤自身的性質(zhì)。供試土壤中礫石的存在改變了均質(zhì)土壤的入滲性能,具體表現(xiàn)在:一方面礫石在土壤中形成不透水層,阻礙了水分的下滲,同時(shí)延長了水分的下滲路徑;另一方面,由于礫石的存在,增加土壤中大孔隙的數(shù)量,有利于水分的下滲。從圖2還可以看出:由于礫石的存在和含量的不一致,土壤的入滲性能在降雨進(jìn)行到10min左右出現(xiàn)較大的差異。降雨10min左右,基本每個(gè)土槽都開始產(chǎn)流。也就是說,當(dāng)表層土壤被充分濕潤后,礫石對(duì)入滲的影響逐漸顯現(xiàn)出來,具體為:當(dāng)坡度較低(5°)時(shí),20%和30%礫石含量的土壤的入滲率明顯高于礫石含量為0%、10%和40%的土壤,這說明土壤中礫石含量在20%~30%左右范圍內(nèi)能有效地增加土壤中過水孔隙的數(shù)目。當(dāng)坡度較大(>10°)時(shí),隨著礫石含量的增多,土壤的入滲性能降低。這可能是在坡度較大條件下,重力對(duì)土壤水的作用減弱以及土壤接近飽和時(shí)導(dǎo)致的土壤水吸力(坡面法向方向)降低的結(jié)果。為了進(jìn)一步研究3個(gè)坡度下不同礫石含量的土壤中入滲率隨時(shí)間的變化關(guān)系,采用Kostiakov[11~13]入滲經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯?duì)實(shí)測結(jié)果進(jìn)行擬合。公式如下:式中,i-入滲率(cmmin-1);t-入滲時(shí)間(min);a-經(jīng)驗(yàn)入滲指數(shù)(與土壤性質(zhì)和初始含水率有關(guān),反應(yīng)入滲能力的衰減速度);K-入滲系數(shù)(入滲開始后1min時(shí)的入滲率)?；貧w模型參數(shù)的估計(jì)采用最小二乘估計(jì)法,其顯著性檢驗(yàn)采用t檢驗(yàn)法(顯著水平P=0.01)。擬合結(jié)果和顯著性檢驗(yàn)列于表4。表4顯示:計(jì)算的|t|遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于相應(yīng)的t0.01/2(n-2),說明Kostiakov經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ涂梢院芎玫挠脕砟M降雨條件下含礫石土壤的入滲過程。經(jīng)驗(yàn)入滲參數(shù)K是入滲開始后1min時(shí)的入滲率或入滲量,是表征土壤入滲能力的重要指標(biāo)。由表4還可以看出:在坡度相同時(shí),隨著礫石含量的增加,K值有減小的趨勢。這說明在降雨開始后,坡面礫石便開始影響入滲,這是雨滴打擊礫石在其表面形成水膜的過程。礫石越多,這種作用也就越明顯。當(dāng)?shù)[石含量相同時(shí),K值隨坡度的增加而變小,這一方面是由于隨坡度增加,土槽實(shí)際承雨面積(即土槽的垂直投影面積)相對(duì)減小,導(dǎo)致土槽內(nèi)的降雨量減小,從而影響入滲量;另一方面由于坡度越大,雨滴打擊地表濺起的泥漿向坡下轉(zhuǎn)移得也就越遠(yuǎn),這也降低了地表的入滲能力。經(jīng)驗(yàn)入滲參數(shù)a主要反映入滲的衰減能力,表4中a隨礫石含量和坡度的變化不明顯。原因在于a主要受到土壤初始含水量的影響,而本研究中基本保持含水量在同一水平。3巖石入滲特征本研究在模擬降雨條件下,分析了坡度和礫石含量對(duì)坡面產(chǎn)流和入滲過程的影響,并對(duì)其可能原因進(jìn)行了探討,得出以下結(jié)論:(1)含礫石土壤中礫石含量和坡度對(duì)坡面產(chǎn)流時(shí)間影響顯著,礫石含量與產(chǎn)流時(shí)間之間呈負(fù)相關(guān)。(2)Kostiakov經(jīng)驗(yàn)入滲模型能夠較好的反映含礫石土壤入滲率隨時(shí)間的變化關(guān)系,其中入滲參數(shù)K與礫