第15卷第1期2004年1月
水科学进展
ADVANCES I N W ATER SCIE NCE
V ol 115,N o 11 Jan 1, 2004
几种土壤的细沟侵蚀过程及其影响因素
蔡强国, 朱远达, 王石英
(中国科学院地理科学与资源研究所, 北京100101)
摘要:通过间隔为11h 的二次人工模拟降雨和冲蚀槽试验研究了10种土壤的侵蚀过程, 发现在第2次降雨中大多数土壤出现了细沟侵蚀形式。采样微形态观察发现, 在第1次降雨中形成结皮的土壤在第2次降雨中出现了细沟侵蚀; 产流产沙观测发现所有出现细沟侵蚀的土壤在第1次降雨中径流含沙量逐渐减少, 而第2次降雨中有一个先剧增后减少的过程。土壤理化分析及多元逐步回归分析结果表明, 土壤颗粒组成、有机质含量、铁铝含量等因素对细沟侵蚀的影响表现不明显, 而与土壤团聚体有关结构指标、细沟侵蚀、产流产沙速率及总量呈显著相关关系。分析表明, 团聚体分散度、崩解速率与渗透系数之比两个指标能较好地预测细沟侵蚀发生的可能性, 同时也能很好地预测侵蚀产沙量。
关 键 词:土壤; 人工模拟降雨; 冲蚀槽; 细沟侵蚀; 坡面侵蚀过程
中图分类号:S15711 文献标识码:A 文章编号:100126791(2004) 0120012207
细沟侵蚀指坡面上形成细小沟道情况下, 径流对细沟沟壁、沟底、沟头土壤的分散、冲刷和搬运过程[1]。由于细沟的产生在表面上不会给农业生产带来较大的影响, 分散了研究者的注意力, 导致对细沟在地貌上的作用缺乏深入的研究[2]。近30年来的研究表明, 细沟侵蚀是坡面水蚀的重要过程以及小流域泥沙的重要来源, 并对流域坡面地貌的发育和演化过程具有重要的潜在影响。细沟侵蚀过程中水流侵蚀力和搬运能力远远大于雨滴打击和坡面片状水流所具有的侵蚀力和搬运力[3,4], 而野外调查与实验结果证明, 细沟侵蚀的发生将使坡面侵蚀产沙增加几倍至几十倍[5], 同时细沟侵蚀量可占坡面总侵蚀量的70%[6,7]。
细沟侵蚀的发生普遍认为起源于坡面本身具有的起伏、降雨过程中形成的小跌坎及坡面径流下切[8], 但也有可能起源于浅层洞穴的崩塌[9]。细沟侵蚀的发生取决于坡面水流的水力学特性、坡面特性和土壤特性, 其中水力学特性主要用径流量、雷诺数和弗劳德数、流速、径流水流动力和径流剪切力等来描述[9], 坡面特性则考虑坡度、坡长, 而土壤特性则往往用细沟土壤可蚀性、土壤抗剪强度等表示[10,11], 其中考虑到有机质含量、团粒结构、土壤密度、分散率、前期含水量等因素[8]。Y oung 和Onstad 认为有机质含量、团粒结构等对细沟侵蚀有重要影响[12], 郑粉莉则认为土壤水稳性团聚体与细沟侵蚀关系密切[13]。近期的细沟侵蚀研究表明, 尽管研究者对细沟侵蚀影响因素、临界条件提出了各自不同的观点, 但总体而言细沟侵蚀发生临界及其过程并没有被清楚的描述, 其中固然有研究者选择的研究对象不同的影响, 但主要原因应归咎于细沟侵蚀定义本身的界定条件的模糊性和不规范性。
尽管人工降雨往往与天然降雨有较大差别, 且室内实验采用的土样要经过筛分扰动, 从而导致实验结果与野外状况的差别[14], 本研究所采用的变坡水槽及人工降雨设备也无法消除这些差别, 但希望从细沟侵蚀的过程和影响细沟侵蚀发生的土壤特性出发, 促进细沟侵蚀概念的规范化, 并最终推动细沟侵蚀的研究。
收稿日期:2002210214; 修订日期:2003201210
基金项目:国家自然科学基金资助项目(40271075) ; 中国科学院地理科学与资源研究所知识创新工程资助项目(CXI OG 2
A00205202)
作者简介:蔡强国(1946-) , 男, 湖北武汉人, 中国科学院地理科学与资源研究所研究员, 主要从事土壤侵蚀、水土保持、
流水地貌、流域侵蚀产沙试验与模拟等研究。E 2mail :caiqg @igsnrr 1ac 1cn
1 试验材料与方法
试验材料取自湖北省地带性土壤红壤、棕壤耕层0～10cm 的土壤, 具体采样情况见表1, 土样采集风干后过15mm 筛, 混匀后作为人工模拟降雨试验的土样, 另取部分研磨过筛制备化学分析的土样。物理化学分析项目测定方法为常规方法:土壤质地及微团聚体分析用吸管法, 有机质用重铬酸钾加热法, 阳离子交换量(CEC ) 用E DT A ———醋酸铵法, 粘粒矿物组成用X 射线衍射法, 无定型铁铝用试铁灵———铁铝联合比色法, 游离铁、络合态铁用邻啡罗啉比色法, 水稳性团聚体用Y oder 法[15]。
表1 供试土样来源、成土条件及土壤利用状况
T able 1 B ackground of soil samples
土样编号
[1**********]
土壤类型红 壤红 壤红 壤红 壤红 壤黄棕壤黄棕壤黄棕壤棕红壤红 壤
质 地砂壤土砂壤土壤质粘土砂质粘壤土粘 土砂壤土砂壤土壤质粘土粘 土粉沙质粘土
取样地点通 城通 城通 城崇 阳崇 阳罗 田罗 田武 汉武 汉咸 宁
地形部位低丘顶部低丘底部低丘中坡低丘中坡低丘顶部低丘中坡低丘中坡岗 顶低丘下坡低丘中坡
母 质花岗岩花岗岩花岗岩花岗岩第四纪红色粘土
花岗岩花岗岩下蜀黄土砂 岩第四纪红色粘土
土地利用裸露荒地耕 地灌木林耕 地林 地菜 地林 地草 地林 地耕 地
人工模拟降雨试验所用降雨器为上喷往复式模拟降雨器, 雨滴降落高度为7m ; 雨强用雨量筒测定, 控制在1mm/min ; 雨滴大小用面粉团法测定, 平均直径为2114mm , 降雨动能为0157J/m 2・s ; 坡面降雨试验采用变坡冲蚀槽, 规格为200cm ×50cm ×30cm , ; 降雨试验重复2次, 第1次降雨土壤初始含水量为316%, 土层厚度为15cm , 容重控制在1126g/cm 3, 降雨时间为1h , 坡度为15°, 在第1次降雨后11h 进行第2次降雨, 此时初始含水量为2118%, 其他条件与第1次相同; 坡面产流后每隔3min 取样一次测定径流量和径流含沙量; 在第1次降雨中5、10、15、20、30、40、50、60min 8个时段采集土壤样品, 风干用不饱和聚酯树脂固化磨片后在正交偏光显微镜下观察。
2 试验结果与分析
211 侵蚀程度与形式观察
由表2可以看出, 本实验中第1次降雨与第2次降雨在侵蚀产沙量(S Ⅰ, S Ⅱ) 和侵蚀形式上有极为明显的差别:第1次降雨侵蚀主要以溅蚀和面蚀为主, 第2次降雨则以细沟侵蚀为主; 第2次降雨的侵蚀产沙量与第1次相比平均增加4倍。其主要原因可能是因为第2次降雨的前期土表条件不同而导致产流速率不同(表2) ; 不同类型的土壤的表现也不相同, 除3、5号土壤外其余土壤在整个降雨过程中均出现了细沟侵蚀形式, 而10号土壤在第1次降雨时就出现了细沟侵蚀形式, 这说明细沟侵蚀的出现实际上受降雨时间和土壤本身特性综合影响。同时出现细沟侵蚀的土壤的总侵蚀产沙量仍然有极大的差别, 如9号与8号土壤在第2阶段时侵蚀量相差大约3倍, 而出现细沟侵蚀的8号土壤与没出现细沟侵蚀的3号土壤侵蚀量较为接近, 因此侵蚀产沙量并不能完全反映细沟侵蚀发生情况。
212 侵蚀产流与产沙过程
由图1、图2可看出, 第1次降雨中10号以外的其余土壤的径流含沙量均呈现随降雨时间的增加而减少的趋势, 而在第2次降雨中几乎所有土壤的径流含沙量均有所增加, 其中1、3、4、6、7号增加的幅度较大, 而两次降雨过程中9、10号土壤的径流含沙量始终保持较高的水平。图3、图4则表明, 各土壤的产流速率相对
较为稳定, 在第1次降雨中逐步上升后趋于稳定, 除3、5号土壤外, 各土壤的稳定产流速率在800～1000m L/m 2・min 。图5、图6的不同土壤产沙速率则可以看出, 在第1次降雨过程中, 除9、10号土壤产沙速率远高出其他土壤, 平均速率分别为1817、1612g/m 2・min , 其余土壤产沙速率均比较平稳, 基本维持在10g/m 2・min 以下; 第2次降雨的产沙速率明显增加, 除3、5号土壤外, 基本保持在20g/m 2・min , 而由于第2次降雨中的径流系数增加, 使产沙速率的增加要比径流含沙量的增加更为显著。
表2 降雨过程观察结果
T able 2 Complexion of erosion in rainfall simulation
第1次降雨
土样编号
[1**********]
第2次降雨
结皮有无无有无无无有有无
侵蚀产沙量/(g ・m -2・h -1) 131913
[***********][***********][1**********]
侵蚀产沙量/(g ・m 22・h -1) 61515
[***********][***********]090110
主要侵蚀形式溅蚀、面蚀溅蚀、面蚀溅 蚀溅蚀、面蚀溅 蚀溅蚀、面蚀溅蚀、面蚀溅蚀、面蚀溅蚀、面蚀溅蚀、面蚀、细沟侵蚀
主要侵蚀形式细沟侵蚀细沟侵蚀面 蚀细沟侵蚀面 蚀细沟侵蚀细沟侵蚀细沟侵蚀细沟侵蚀细沟侵蚀
图1 1～5号土壤降雨过程中径流含沙量
Fig 11Sediment concentration of N o 11～
5
图2 6～10号土壤降雨过程中径流含沙量
Fig 12Sediment concentration of N o 16～
10
图3 1～5号土壤降雨过程中产流速率
Fig 13Runoff rate of N o 11～
5
图4 6～10号土壤降雨过程中产流速率
Fig 14Runoff rate of N o 16～10
第1期蔡强国等:几种土壤的细沟侵蚀过程及其影响因素15
图5 1～5号土壤降雨过程中产沙速率
Fig 15Sediment discharge rate of N o 16～
10
图6 6～10号土壤降雨过程中产沙速率
Fig 16Sediment discharge rate of N o 16～10
大多数研究者认为细沟侵蚀发生将导致侵蚀产沙速率急剧增加, 因此本研究中有细沟侵蚀的土壤的产沙速率最大值必定发生在细沟侵蚀期间, 而15min 最大产沙速率和产沙量也必定包括或者被包括于细沟侵蚀阶段, 如郑粉莉和高学田发现细沟发育在13min 内趋于稳定[8]。本研究中1、7号的产沙速率最大值发生时间并未包括在15min 最大产沙量发生时间段内, 为此笔者认为降雨过程中细沟侵蚀发生的时间过程应该超过15min , 甚至可能包括大部分降雨过程(至少1、7号土壤是这样的,10号土壤也说明了同样问题) , 但细沟侵蚀过程有可能是连续的或者间歇性的。所有发生细沟侵蚀的土壤的15min 最大产沙速率与总平均产沙速率相比增加不到1倍, 但却是第1次降雨过程中平均产沙速率的3～5倍, 同时15min 最大产沙量占总产沙量的比例并没有超过30%, 考虑到第2次降雨的前期含水量及研究对象的差异, 可以发现细沟侵蚀导致的产沙速率和产沙总量的增加并没有如前人研究发现的那么高[9]。15min 最大产沙量时间段的差异则表明细沟发育的速度和时间在不同的土壤上不完全一致, 由于本试验中降雨、地貌及水流动力因素可以粗略的认为一致, 因此这种不一致应该是由土壤本身特性所决定。
表3 侵蚀产沙过程极值
T able 3 Extremum in the processes of erosion
土样
编号
[1**********]
总产沙量/g
[***********][***********][***********]
总平均产沙速率产沙速率极大值/(g ・m -2・min -1) /(g ・m -2・min -1)
[***********][***********]21762352
[***********][***********][1**********]
产生极大值
时间点/min
) 18(Ⅱ) 24(Ⅱ) 27(Ⅱ) 30(Ⅱ) 51(Ⅱ) 36(Ⅱ) 57(Ⅱ) 45(Ⅱ) 36(Ⅱ) 6(最大15min 产沙
量/(g ・15m in -1)
[***********][***********][1**********]4
最大15min 产沙速率
/(g ・m -2・15m in -1)
[***********][***********][1**********]
最大15min
产沙量时间段
) 24～39(Ⅱ) 15～30(Ⅱ) 18～33(Ⅱ) 27～42(Ⅱ) 39～54(Ⅱ) 27～42(Ⅱ) 12～27(Ⅱ) 39～54(Ⅱ) 27～42(Ⅱ) 318() 指发生在第2次降雨过程中。 注:表中(Ⅱ
213 表土结皮对细沟侵蚀过程的影响
通过第1次降雨过程中采样进行微形态观察, 发现1、4、8、9号土壤在侵蚀过程中形成结皮, 如表3所
示, 最大15min 产沙量发生时间上处于降雨过程的后半段, 相对落后于其他土壤, 说明表土结皮的形成可能相
(6和8号) 、(9和10号) SR 2:对阻碍细沟侵蚀的发生。而第一次降雨中产沙速率比较接近的土壤(1、2和4号) 、
SR 1、SR max15:SR 1两个比值中有结皮的土壤均比没有结皮的土壤要高(表4) , 即在降雨过程中形成表土结皮的土壤在细沟侵蚀发生阶段的产沙速率的增幅要相对比没有形成表土结皮的土壤低, 可能说明表土结皮的形成要降低细沟侵蚀程度, 这与笔者以前的研究认为的表土结皮减少溅蚀但促进细沟侵蚀发生[9]的观点不同, 但本研
究的土壤类型与其研究的土壤类型不同, 结论不一致的原因有待进一步研究。214 土壤特性分析
发生细沟侵蚀的土壤不同阶段产沙速率比较通过分析供试土壤的机械组成、结构特性以及胶体特性, 并表4
与侵蚀产沙量进行相关分析。表5则选择性的列出了土壤特性与T able 4 Statistic classification according to S Ⅰand
S Ⅱand ratio of sediment rates of 土壤侵蚀产沙量的相关系数值相对较大的部分。相关分析结果表明, 土壤质地指标T i 分别与最大15min 产沙量、第1次降雨产
沙量、第2次降雨产沙量及总产沙量呈极显著相关, 而水稳性团聚体平均重量直径、>015min 水稳性团聚体百分数含量、团聚体分散度、崩解系数/渗透系数、水云母含量与各产沙量指标呈显著或极显著相关。总体而言, 与各项土壤性质的相关系数在最
samples th at h as rills
样品编号
123456789SR :SR SR SR 大15min 产沙量、第1次降雨产沙量、第2次降雨产沙量及总产沙量之间差异并不明显, 而表6则表明最大15min 产沙量、第1次降雨产沙量、第2次降雨产沙量实际上是一个具有很好的连续性的过程, 也就是说, 如果第1次降雨产沙量代表了非细沟侵蚀
产沙的总量, 而最大15min 产沙量和第2次降雨产沙量代表了细沟侵蚀的强度和总量, 那么本试验中不同土壤非细沟侵蚀产沙与细沟侵蚀产沙之间的变化趋势相对而言是一致的, 因此, 可以认为细沟侵蚀发生时的侵蚀产沙量增加实际上是基于细沟没有发生时的侵蚀量而增加的, 且其增加的幅度限制在一定范围之内。
表5 产沙量指标与土壤性质的相关系数(n =10)
T able 5 R elative coefficients betw een selected soil properties with S 15m ax , S Ⅰ, S Ⅱ, and S (n =10)
项目最大15min 产沙量
第1次降雨产沙量第2次降雨产沙量
总产沙量
>2mm 颗粒-0147101403-01399-01405
0102～01002mm
21153108-2119-[***********]373176-3101-[**************]2土壤质地指标T [***********]018083
3333
水稳性团聚体平均重量直径-0183833-017163-018253333
>015mm 水稳团聚体分散度/%[***********]3333
崩解系数/渗透系数[***********]3
颗粒[***********]06
性团聚体/%-0183933-016613-018143333
水云母/%
[***********]3
3
注:土壤质地指标T i =(粉粒(0102～01002mm ) +粘粒(0125mm -0193砂粒(2-0125mm ) ) ; 3表示显著相关, 33则表示极显著相关, 以下相同。
表6 15min 最大产沙量、第1次产沙量、第2次产沙量、总产沙量之间的相关系数(n =10)
T able 6 R elative coefficients betw een S 15m ax , S Ⅰ, S Ⅱ, and S (n =10)
项目
15min 最大产沙量
总产沙量第2次产沙量
总产沙量
01978
1
33
第2次产沙量
01992
1
333
第1次产沙量
[***********]
333
019933
土壤性质与土壤侵蚀产沙量之间的多元逐步回归分析结果表明:第1次降雨和第2次降雨侵蚀产沙量与土壤性质的关系可分别用下式表示:
(
Y =-34102+01996+61417×10-4×分散率×
渗透系数
Y =273167+
(1)
(
11648+91991×10-4×分散率×
渗透系数
回归方程(1) 、(2) 表明在本试验中影响侵蚀产沙量的主要土壤因子有崩解系数、渗透系数、分散率及小于0125mm 的水稳性团聚体的百分含量。而两个阶段的影响因子相同则说明, 无论是否发生细沟侵蚀, 影响坡面降雨侵蚀产沙量的主要土壤因子均保持一致, 这与上文分析相同。
3 结 论
本试验中10号土壤在第1次降雨过程中就观察到出现了细沟侵蚀, 1、2、4、6、7、8、9号土壤则在第2次降雨过程中就观察到细沟侵蚀, 而3、5号土壤则没有观察到细沟出现; 分析表明, 最大15min 侵蚀产沙量大小不一样, 出现的时间早晚也不一样, 也间接地说明了细沟侵蚀的强度和发生的时间是有极大的差别的。如果维持足够的降雨时间和强度, 是否所有的土壤都会出现细沟侵蚀呢? 本试验仅观察了2个为期60min 的降雨时段, 且降雨强度一定, 显然还无法回答这个问题。但如果答案是肯定的, 那么细沟侵蚀概念的提出则失去了它的存在意义。为此, 为了更完全、深入地研究细沟侵蚀, 必须给细沟侵蚀一些更为明确的界定条件, 如初始土壤含水量、平均降雨强度、降雨持续时间、水力学参数等, 或者需求一个更合适的综合指标, 显然, 还需要明确属于细沟的长度、宽度和深度的范围。需要说明的是, 本研究中认为的细沟侵蚀是指在试验结束后坡面有明显的细沟存在则认为发生了细沟侵蚀。
此外, 将细沟侵蚀放在整个坡面侵蚀过程中研究似乎比将细沟作为一种单独行为研究更为合适。如前所述, 代表细沟侵蚀过程的最大15min 产沙量与整个产沙过程显著相关, 细沟侵蚀过程的产沙量与没有细沟发生时的产沙量甚至整个侵蚀过程的产沙量趋势相同且规律一致, 即细沟侵蚀实际上是发生的土壤侵蚀按照一定比例相应增强的结果, 而并非特殊行为。
通过对湖北省红壤、棕红壤的侵蚀过程及土壤特性的观察结果分析, 初步得出如下结论:①最大15min 产沙速率能较好的代表细沟侵蚀发生时间及强度, 细沟侵蚀的发生明显增加了侵蚀产沙速率并可能最终左右总侵蚀量; ②细沟侵蚀量与土壤侵蚀总量趋势保持一致, 细沟侵蚀过程实际上是土壤侵蚀发展过程中不可分割的组成部分; ③表土结皮的形成可能阻碍细沟侵蚀的形成和发展; ④影响侵蚀产沙量的主要土壤因子有崩解系数、渗透系数、分散率及小于0125mm 的水稳性团聚体的百分数含量。参考文献:
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18水科学进展
Ξ
第15卷
R esearch on processes and factors of rill erosion
C AI Qiang 2guo , ZH U Y uan 2da , W ANG Shi 2ying
(Institute o f G eographical Sciences and Natural Resources Research , C AS , Beijing 100101, China )
Abstract :The erosion processes of 10kinds of s oil were studied with the experimental erosion slots and 2artificial rain falls with an interval of 11hours 1As a result ,rill erosion has been observed in m ost s oils during the second event of rain fall 1The observations about runoff and sediment suggest that sediment concentration and runoff rate of all the s oils with rill erosion de 2crease in the first rain fall , and increase then decrease in the second rain fall 1The results of physical and chemical analysis and the multi 2factor regression show that s oil texture , content of s oil organic matter , ferrous and aluminous com pounds have an un 2noticeable effect on rill erosion , while indexes of s oil structure concerning s oil aggregates have a close correlation with the rill erosion , the velocity and grosses of runoff and sediment 1The degree of aggregate despersibility and the ratio of collapsing rate to in filtration rate w ork well in predicting possibility of rill erosion and the sediment discharge as well 1K ey w ords :s oil ; artificial rain fall ; gradient changeable plot ; rill erosion ; slope erosional processes
《水科学进展》被评为“中国百种杰出学术期刊”
由国家科学技术部中国科学技术信息研究所主持的“中国科技论文统计结果发布会”于2003年12月9日在北京国际会议中心举行。国家科学技术部、中国科学技术协会、新闻出版署、解放军总后等部门的领导, 各学会、高等院校、科研单位的科研管理人员和科技期刊的编辑人员520多人出席了会议。
会议由中国科技信息研究所赵新力副所长主持, 武夷山总工程师发布了统计结果, 主要包括:中国科技论文产业和影响概况、科技论文学科分布、科技论文地区分布和部门分布、国际合著状况、各类机构产出科技论文数、各学科产出论文较多的机构、各学科影响因子和被引用频次较高的期刊以及评选出的“第二届中国百种杰出学术期刊”。由中国水利学会、南京水利科学院主办的《水科学进展》荣获此称号。
会上北京大学、清华大学、解放军总医院的代表和二位中科院、工程院院士作了专题发言。会议还就如何改善我国科研产出和评估、如何提高中国科技期刊的质量开展了热烈讨论。
会后, 中央电视台、人民日报、光明日报(头版) 、科技日报(头版) 、科学日报(头版) 、中央人民广播电台、新华社、新华每日电讯、北京日报、中国教育部、香港大公报、文汇报以及诸多网站等媒体均作了报道。
科技论文是科技产出的重要指标之一, 是我国国际学术地位不断提高、国际影响不断扩大、科学技术总体水平不断进步的见证。杰出的学术期刊, 源于高质量的科研成果《水科学进展》, 每一点进步, 都是广大水科学工作者关注和帮助结果, 也是论文的作者、审者、编者、读者共同耕耘的硕果。新的一年又来到了, 让我们站在新起点上, 继续努力, 与时俱进, 再铸辉煌。
何 闻
ΞThe project is supported by National Natural Science F oundation of China (N o 140271075) .