細溝侵蝕特征對黃土質地的響應

李奕煒

摘 要：采用室內人工模擬降雨試驗，研究了黃土質地對細溝侵蝕產流產沙的影響。試驗土樣采用黃土高原由北到南四個不同地點的土壤（綏德縣/SD、長武縣/CW、安塞縣/AS、楊凌縣/YL）。試驗設計條件為10m坡長、20°坡度和2mm min-1的降雨強度。結果表明：（1）產流時間的先后順序為YL（1分24秒）、AS（1分40秒）、CW（2分18秒）、SD（2分39秒），與大面積結皮產生的時間密切相關。（2）穩定產流率隨土壤黏粒含量增加和結皮發育而增加，導致YL穩定產流率和總產流量明顯高于其他三種土壤。（3）受黃土黏粒含量、水穩性團聚體平均重量直徑和有機質含量的影響，SD含沙量在細溝雛形階段增長速度高于其他三種土質，細溝發育階段含沙量和總產沙量最高。本研究可為黃土高原不同區域土壤侵蝕精準預報提供科學參考。

關鍵詞：細溝侵蝕;黃土坡面;人工模擬降雨;產流產沙

中圖分類號：S157.1 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）08-0217-03

0 引言

黃土高原區域總耕地面積達1.53億畝，占全國總耕地面積8%[1]，對我國西北糧食供應具有重要影響。黃土高原也是我國主要水蝕區之一，嚴重的水土流失破壞耕地，加劇了地區經濟發展與糧食需求的矛盾[2]。細溝侵蝕是黃土高原區坡耕地水力侵蝕的主要侵蝕方式[3]。研究細溝侵蝕特征對黃土質地的響應可為區域土壤侵蝕精準預報提供理論參考，對西北糧食安全和生態保護具有一定的理論意義。水流侵蝕力與坡面土壤抗蝕性是影響細溝發生的主要因素[3，4]。李鵬等人通過室內土槽放水沖刷試驗指出徑流輸沙率與徑流剪切力存在密切關系[5]。張科利和唐克麗[6]通過室內徑流沖刷試驗，分析出不同流量情況下土壤細溝中徑流的侵蝕能力與細溝流量與坡面坡度相關[6]。鄭粉莉和康紹忠設置徑流小區試驗，對比分析出不同地區土壤最大侵蝕產沙量源自細溝侵蝕帶。[7]。土壤對細溝侵蝕的影響復雜，土壤性質決定了土壤可蝕性。雖然黃土坡面土壤侵蝕過程及其影響因素已有大量研究并取得了顯著進展，但對于細溝侵蝕在不同土壤條件下產流產沙規律尚不清晰。本研究通過人工模擬降雨試驗研究了細溝侵蝕產流產沙特征對黃土高原不同地區土壤性質的響應，可為黃土高原不同地區土壤侵蝕精準預報及耕地保護提供科學參考。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

試驗采用長10m、寬1.5米、高0.5米的固定式可調坡鋼制土槽，其坡度調節范圍為0°～30°之間。試驗中將土槽坡度設為20°坡度。采用下噴式降雨系統，降雨強度設定為2mmmin-1，降雨持續時間45min，總降雨量為90mm。降雨高度為18m，可保障人工模擬降雨與天然降雨的雨滴相似[8]。

1.2 試驗方法

1.2.1 試驗用土

試驗用土采用黃土高原由北向南四個地區的不同土壤：（1）綏德縣（37°31′N，110°16′E）土壤（SD）;（2）安塞縣（36°58′N，109°20′E）土壤（AS）;（3）長武縣（35°12′N，107°47′E）土壤（CW）;（4）楊凌縣（34°16′N，108°4′E）土壤（YL）。所有土壤樣品取自農田表層20厘米的土壤。四種土壤基本性質見表1，黏土含量由北向南呈上升趨勢，由12.1%（SD）上升至26.3%（YL），砂粒含量由32.1% （SD）下降至6.9% （YL）。黃土高原南北四種土壤水穩性團聚體的平均重量直徑（MWD）與黏土含量的增加趨勢相似，從0.04mm（SD）增加到0.36mm（YL）。試驗用土過10mm篩除去雜草與石塊，曬干使土壤平均含水率在12%。土槽底部5cm鋪細砂，采用紗布將細砂和土壤分離，將土壤分5層裝填土槽之中，每層土壤厚度為5cm，并確保每層土壤容重為1.13gcm-3。

1.2.2 含沙量與徑流量測定

觀測產流狀況，記錄產流時間，開始產流后采集徑流泥沙樣品，采樣頻率為1次每min。用1L取樣瓶采集土槽出水口徑流泥沙樣。計算徑流樣體積，加上采用自制大量桶測量的徑流量體積，即為總徑流量。采用烘干法測定泥沙樣品含沙量。

1.2.3 產沙量計算

2 結果與分析

2.1 黃土質地對細溝發育特征的影響

在20°坡度、2mm min-1的雨強條件下，四種土壤均發育出了不同形態的細溝。跌坑產生時間分別為SD 8分30秒、CW 5分、YL 5分、AS 10分。細溝產生時間分別為SD 11分、CW 6分、YL 10分、AS 15分。

2.2 黃土質地對細溝侵蝕產流特征的影響

2.2.1 黃土質地對產流時間的影響

由試驗數據可知產流時間的先后順序為YL（1分24秒）、AS（1分40秒）、CW（2分18秒）、SD（2分39秒）。已有研究表明結皮形成會導致產流提前，黃土結皮的存在可明顯減少入滲，增加徑流[9]，因此結皮時間越早，越容易產流。由試驗觀察發現各種土壤發生大面積結皮的時間分別為YL 50秒、AS 1分10秒、CW 1分50秒、SD 2分16秒。由此發現，大面積結皮出現時間與產流時間有密切關系。如圖1所示，兩者呈線性正相關關系，相關系數（R2）可達0.999。

2.2.2 細溝侵蝕中黃土質地對產流率的影響

從圖2可以看出，YL在第3分鐘徑流穩定，SD、CW在11分產流保持穩定，而AS產流率則持續保持上升趨勢，直到21分產流開始保持穩定。YL穩定產流率明顯高于其他三種土壤。已有研究表明[10]結皮土壤滲透性明顯小于下層未結皮的土壤，當結皮形成時，結皮的低滲透性降低了土壤入滲速率。土壤表面結皮形成時，通過減小表面物質尺寸，重排顆粒，使土壤表面附近氣孔受土壤單粒填充進而阻止水分入滲[10]。表面無結皮的土壤在降水過程中不易形成徑流和侵蝕，入滲率較存在結皮的土壤高[10]。因此，結皮的低滲透性造成表面存在結皮的土壤徑流率增加而入滲率降低。

此外，李卓等[11]研究表明，坡面土壤入滲能力隨黏土含量增加而減小。陳俊杰等[12]研究指出黏粒含量增加時，穩定入滲速率降低，穩定入滲與黏粒含量呈指數負相關關系。本研究中YL黏粒含量最高，分別是CW、AS、SD的1.24倍、1.68倍、2.17倍，且結皮發育程度高。以上兩種原因導致YL穩定入滲速率低，穩定產流率和產流量最高，可以達到1319.9L。細溝發育會破壞表土結皮，增加入滲[13]。表土結皮過程和細溝發育相互作用，從而影響產流率變化，當兩者達到平衡時，產流率趨于穩定[13]。細溝產生時間分別為SD 11分，CW 6分，YL 10分，AS 15分，對比圖2可看出，四種土壤產生細溝前后，YL和CW產流率無明顯變化，SD、AS在細溝發育一定程度時產流率才達到穩定。

2.3 黃土質地對細溝侵蝕產沙特征的影響

2.3.1 黃土質地對細溝侵蝕中含沙量的影響

已有研究[14]表明，細溝發育的過程分為四個階段：（1）面蝕階段;（2）細溝雛形階段;（3）細溝發育階段;（4）細溝調整階段。試驗開始階段，各土壤徑流中含沙量快速下降，這是由于試驗模擬自然環境時在表層覆蓋少量浮土，隨徑流流入匯水口。在細溝雛形階段，徑流含沙量呈現增長趨勢。在細溝發育階段，坡面含沙量會保持在一定水平呈穩定狀態。在細溝調整階段，含沙量呈下降趨勢。本試驗中，四種土壤含沙量變化趨勢與前人研究基本一致（圖3）。四種土壤含沙量變化與細溝發育階段密切相關。值得注意的是SD含沙量在8～10分鐘之間經歷了一段快速增長的階段，并在12分鐘到試驗結束期間呈現較其他三種土壤更高的含沙量水平。

細溝雛形階段，CW、AS、YL都呈現緩慢增長趨勢，而SD呈現快速增長趨勢。土壤分離能力與土壤性質關系密切，將會隨著土壤有機質含量、土壤黏結力以及水穩性團聚體的減小而升高[15]。與其他土壤相比，SD黏粒含量少，水穩性團聚體平均重量直徑小，有機質含量低，所以土壤分離能力強。根據實驗記錄，可以發現SD細溝發育過程中跌坎和細溝體積變化迅速，導致含沙量迅速增加，細溝發育階段穩定含沙量高于其他三種土壤。

2.3.2 黃土質地對細溝侵蝕中產沙量的影響

通過公式（1）計算每分鐘產沙率。產沙率的變化由含沙量和產流率決定。產流率在細溝發育過程中基本穩定，四種土壤產沙率變化與含沙量變化呈現相同的趨勢（圖4）。利用公式（1）和四種土壤含沙量及徑流量數據，分別計算出四種土壤總產沙量。計算結果表明SD產沙量最大，達到357.67kg，CW次之（266.55kg），YL、AS產沙量大致相等，分別是199.00kg與200.88kg。

3 結語

（1）相同試驗條件下，黃土坡面大面積結皮出現時間與徑流產生時間呈線性正相關。

（2）黃土黏粒含量和結皮發育程度與細溝發育過程中產流率和產流量關系密切。黃土高原南部土壤（YL）黏粒含量最大，易于形成結皮，穩定產流率和總產流量明顯高于其他三種土壤。

（3）細溝發育對產沙量的影響高于對產流量的影響。產沙率和含沙量隨細溝發育過程的變化規律基本一致。

（4）黃土高原北部土壤（SD）黏粒含量少，水穩性團聚體平均重量直徑小，有機質含量低，導致土壤分離能力強，穩定產沙率和總產沙量明顯高于其他三種土壤。

參考文獻

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