草甸土凍融環境與春季解凍期降雨侵蝕模擬研究

楊俊鵬，周麗麗，范昊明，武 敏

（沈陽農業大學 水利學院，沈陽110866）

春季解凍期凍土層開始解凍，土壤受到“夜凍晝融”的作用，物理力學性質發生改變，且存在未完全解凍層，一般極易發生侵蝕。已有的研究表明，土壤侵蝕在春季解凍期的表現較為強烈［1－6］，占全年水土流失量的絕 大部分［4，7］。前 期 研 究也表明［8－10］，我 國 東北地區土壤侵蝕發展速度較快，春季解凍期土壤侵蝕所占比例較大，且有加劇的趨勢。對我國東北黑土春季解凍期土壤侵蝕的已有研究認為［11－12］，該時期降雨侵蝕受未完全解凍層影響較大，降雨的侵蝕能力較強，導致這一時期坡面土壤侵蝕嚴重。

本研究以我國東北地區草甸土為研究對象，分析試驗區的凍融環境，并通過室外人工模擬試驗，分析凍融前后土壤含水率以及容重的變化、春季解凍期初始解凍深度和降雨強度對表層土壤降雨侵蝕的影響，為進一步揭示春季解凍期土壤侵蝕機理提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材 料

試驗地位于沈陽農業大學水利學院綜合實驗場。氣候類型屬于溫帶大陸性季風氣候，全年接近1／3的天數在0℃以下，多年平均凍土深度1m。年降水量700mm。試驗用土取自該實驗場滿堂河岸邊0—20 cm耕作土壤，土壤類型為我國東北草甸土，其分布比較廣泛。試驗用土取回后風干，過5mm×5mm的篩，剔除植物根系等雜物。土壤干容重為1.35 g／cm3，土壤飽和含水率為35.76%。為使土壤含水率均勻，不受雨滴擊濺及風力侵蝕影響，用不透水材料將過篩后的試驗用土蓋好。室外試驗小區坡長4m，坡寬1.5m，下端連接集流槽，用于收集徑流、泥沙樣品。降雨試驗采用下噴式降雨模擬系統，噴頭采用旋轉噴射式噴頭，噴嘴口徑為3mm，有效降雨覆蓋面積5m×5m，降雨高度6.4m，降雨均勻度可達80%左右。氣象數據來源于國家氣象信息中心。

1.2 方 法

試驗區凍融環境分析資料為2007年10月初至2008年4月末的日氣溫極值資料，重點分析日最高氣溫、日最低氣溫變化規律，總結試驗區凍融環境特點。利用室外自然的凍融環境，建立室外降雨試驗小區。在春季解凍期進行降雨試驗，考慮初始解凍深度和降雨強度兩個因素。試驗設計3個初始解凍深度，分別為10，20，30mm。降雨強度設為兩個強度，分別為50，60mm／h，試驗設計見表1。

表1 試驗設計

室外試驗小區共6個，設計坡度為8°，2007年10月6日前鋪設完成，鋪土厚度0.2m。經歷1個冬季之后，2008年初春，自然條件下，表層土開始融化至滿足試驗設計解凍深度要求即開始降雨試驗。試驗前用環刀在坡面上、中、下部取3個樣測定表層土壤容重、含水率。為避免降雨時間過長，受到風力影響，以及土壤凍結層融化過多會影響試驗結果，設計降雨歷時20min。試驗開始，產流后每1min收集一次徑流泥沙樣品。試驗結束后，測量徑流泥沙量，烘干泥沙樣品。

2 結果與分析

2.1 試驗區凍融環境

試驗區2007年10月1日至2008年4月30日日平均氣溫、日氣溫極值波動曲線如圖1所示。試驗區受季節性負氣溫影響，通過地表熱交換，土壤形成季節凍結層；到春季氣溫回升，在0℃上下波動時，土壤開始解凍，形成解凍層。試驗區土壤凍結過程是由地表向下單方向進行，土壤融化過程是由地表向下及季節凍結層底面向上雙方向進行，而對于表層土壤來說，其凍結和融化主要受地表面向下的熱交換影響。一般認為，凍融交替作用使表層土壤發生夜凍晝融現象，其溫度條件是日最高氣溫大于0℃、日最低氣溫小于0℃。

圖1 2007年10月1日至2008年4月30日氣溫變化曲線

由圖1可見，在7個月時間內，溫度大體經歷了降溫（2007年10月9日至2008年1月7日）、穩定（2008年1月8日至2008年2月9日）和升溫（2008年2月10日至2008年4月27日）3個階段，對應地表土壤經歷了凍結、穩定凍結和融化3個過程。2007年10月9日最低氣溫第一次出現了負溫，表層土壤開始進入凍融循環狀態。此后，平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫均呈現波動下降趨勢，凍深不斷增加。表層土壤在降溫階段的91d持續凍結，滿足日最高氣溫0℃以上、日最低氣溫0℃以下的天數為46d，也就是表層土壤有50%時間受到凍融作用影響，其中，10月28日至12月6日的40d內，有28d表層土壤經歷了凍融交替作用，達到總天數的70%，可見，這一階段是土壤凍融循環發生較頻繁的時段。2008年1月8日之后，日氣溫極值連續33d均為負溫，表層土壤處于穩定凍結狀態。2008年2月10日最高氣溫升至0℃以上，表層土壤進入融化過程，氣溫開始持續升高，地表土壤受溫度日變化影響而處于反復凍融條件中。截至4月27日，表層土壤在78d的升溫過程中逐漸融化，而處于凍融狀態的天數為33d，其中，2月10日至3月20日的40d內，有26d表層土壤受凍融交替影響，達到總天數的65%。分析結果表明，表層土壤在凍結和融化的兩個過程中都經歷了凍融作用，其中10月末至12月初和2月中下旬至3月上中旬均是地表土壤經受凍融交替作用強烈的時期，尤其是融化過程中的凍融作用，不僅會使土壤性質發生變化，而且在表層融解且存在未完全解凍層的情況下，增加了土壤侵蝕發生的可能，所以，這一時期是控制春季解凍期土壤侵蝕的關鍵階段。

2.2 凍融作用對土壤含水率及容重影響

試驗坡面在季節凍結層形成之前鋪設完成，并用環刀取樣測定表層土壤含水率和容重，作為這兩項指標凍融前的值。2008年初春，表土層逐漸融化的過程中，未完全解凍層也開始向下移動。當解凍深度達到降雨設計要求，在進行降雨試驗前，同樣用環刀取樣測定表層土壤含水率和容重，作為這兩項指標凍融后的值。通過對試驗區凍融環境的分析，表層土壤在凍結過程中有46d受到凍融作用影響，而降雨試驗前的融化階段也有12～15d經歷著凍融交替過程。如果1d算做一個凍融循環，降雨試驗前，表層土壤已經經歷了58～61次循環，這期間土壤水經歷著復雜的相變過程和運移過程。因此，在融化階段，隨著土壤溫度不斷升高，近地表土壤中的凍結水逐漸轉化為液態水而蒸發，在得不到及時補充的情況下，致使土壤含水率由凍融前的16.5%減小到凍融后的13.3%，減小幅度達到19%；同樣，由于凍融交替作用影響，土壤結構發生變化、體積膨脹，土壤容重由凍融前的1.35g／cm3減小到凍融后的1.23g／cm3，減小幅度達到8.9%。可見，試驗區土壤在經歷了凍結、穩定凍結和融化3個過程后，土壤含水率和容重均發生了明顯變化，土壤變得更加干燥和疏松，抗蝕能力降低。

2.3 春季解凍期室外降雨侵蝕分析

2008年3月3日至3月6日對滿足設計解凍深度、經歷了58～61次凍融循環的坡面進行降雨試驗。試驗中將初始解凍深度和降雨強度作為坡面產流的控制因素。侵蝕速率隨時間變化曲線如圖2所示。

圖2 不同初始解凍深度條件下侵蝕速率變化過程

由圖2可見，降雨開始后坡面產流時間較晚，推遲到9min。坡面產流后，侵蝕速率整體表現為增加趨勢。當降雨強度I＝50mm／h時，在12～14min出現了侵蝕速率的第一個峰值，這主要是因為坡面匯流迅速發展增大了徑流侵蝕力；解凍深度30mm時，15～18min坡面主要以面蝕為主，沒有明顯的細溝侵蝕，侵蝕速率相對較小，在19～20min細溝劇烈發育導致侵蝕速率突然增加，可以推斷如果繼續降雨，侵蝕速率會持續增加；解凍深度10mm和20mm時，土壤解凍深度較淺，從產沙開始到降雨結束，侵蝕速率增加幅度不大，解凍土壤達到飽和的過程短，具有一定侵蝕力的徑流也更容易形成，土壤粘聚力降低更易于被侵蝕，坡面侵蝕形態以細溝侵蝕為主，多分布于坡面中下部，寬淺型為主。當降雨強度I＝60mm／h時，侵蝕速率波動性增強，一方面是因為徑流量隨降雨強度遞增對土壤的侵蝕能力增大；另一方面是因為解凍深度越淺，凍結層就越容易成為細溝侵蝕的控制面，侵蝕量減少，同時又致使細溝橫向發展，容易造成溝壁坍塌增加侵蝕量；最后是因為該組試驗中解凍深度20mm處理在11～12min時和解凍深度30mm處理在產流前及13min時均受到了風力影響。

3 結論

溫度大體經歷了降溫、穩定和升溫3個階段，對應地表土壤經歷了凍結、穩定凍結和融化三個過程。表層土壤在凍結和融化的兩個過程中都經歷了凍融作用，其中10月末至12月初和2月中下旬至3月上中旬均是地表土壤經受凍融交替作用強烈的時期，特別是融化階段是控制春季解凍期土壤侵蝕的關鍵時期。

試驗區前1年10月鋪設的坡面，第2年3月降雨試驗前共經歷了58～61次凍融循環，土壤含水率減小19%，土壤容重減小8.9%。

對侵蝕速率的分析結果表明，坡面產流后，侵蝕速率表現為增加趨勢；降雨強度I＝50mm／h時，土壤解凍深度較淺的處理，侵蝕速率增加幅度不大，坡面侵蝕形態以寬淺型細溝為主；降雨強度I＝60mm／h時，侵蝕速率波動性增強。春季解凍期室外降雨試驗容易受到風力影響。

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