土壤容重对红壤坡地降雨侵蚀和入渗的影响*

刘小梅，吕殿青

(湖南师范大学资源与环境科学学院，湖南长沙410081)

土壤容重作为土壤物理状况的指标之一，在土壤质地相同的情况下，土壤容重反应了土壤的松紧程度，它的变化影响土壤孔隙状况，从而改变土壤水分产流和入渗分配的规律.研究表明土壤容重的变化对坡地产流、产沙、入渗的规律产生重要影响［1］.符素华［2］得出土壤中砾石的存在影响土壤的容重，进而改变土壤的入渗特性.入渗决定了产生地表径流的水量，从而对地表侵蚀产生影响［3，4］.李燕等［5］研究出在相同的入渗距离，容重愈大，土壤累积入渗弥散系数随容重的增大而增大，延迟因子则减小.段喜明等［6］在土壤耕层中施加粉煤灰，土壤的容重降低，入渗率增加.温以华［7］采用垂直土柱易混置换法，对相同质地不同容重条件的土壤进行研究，认为水分入渗增加了孔隙度，土壤的入渗速率明显加快，坡面产流量和土壤流失量降低.这些研究结果只局限于土壤容重对坡面地表径流产生的影响，然而，土壤坡面在降雨条件下除了会产生地表径流外，往往伴随有壤中流的产生.本文通过室内人工降雨，模拟坡度15°时5种不同的初始容重(1.05、1.1、1.15、1.2、1.25g/cm3)在壤中流产流方式下，红壤坡面的入渗及侵蚀的变化规律，为减少坡地土壤侵蚀，增加降雨入渗，提供了一定的理论依据.

1 试验材料与方法

1.1 试验区概况

试验选在湖南农业大学灌排实验室内进行，该地区属于亚热带季风气候，年均气温在16～18.5℃之间，年降水量1350～1450mm，成土母质为第四纪发育的黏土.该区土地利用类型多样，有耕地、林地、居民点、工矿用地等，长沙市经济的发展导致土地资源不合理的开发与利用，再加上雨热同期的气候特征，导致土壤结构变化剧烈，水土流失严重.

1.2 试验材料

试验土壤过筛(10mm)，除去石块和杂草、洒水、混合、风干等处理后备用，将土壤在105°条件下烘干8h，测得含水量为15%.根据设计好的 5 个土壤容重 1.05、1.1、1.15、1.2、1.25g/cm3，根据测得的初始含水量以及土的容积，分别计算出5种容重下的试验用土以及每层的用土量.

室内模拟降雨装置采用中科院水土保持研究所研制的侧喷式降雨设备.降雨设备由供水、稳压、降雨三部分构成.降雨高度为7m，雨滴有效降落高度为6m，有利于保证雨滴降落的最终速度能够达到天然降雨降落到地表的最大速度.试验土槽坡度可以在0－30°间调节，在此次实验坡度调节为15°，土槽容积为200cm×30cm×30cm，四周用PVC板隔开，板高出土表30cm，防止雨滴向外击溅损失.下部分别用两个小桶盛接径流和壤中流.

1.3 试验过程

1.3.1 填装土槽

在产生壤中流试验槽底层铺一张塑料薄膜用于收集试验过程中下渗产生的壤中流，在薄膜上均匀铺设3cm厚细沙，以形成透水透气性能较好的透水边界.细沙上面填装27cm的供试土壤，满足试验过程中土壤水分自由下渗的条件，细沙和土层之间用纱布隔开来模拟自然状态下的透水底面.为保证试验土壤容重均匀，采取分层填装的方法，每5cm一层，边填充、边压实，在填装上层土之前进行打毛，防止土层之间出现分层现象.表层土壤与收集地表径流的出水口处于同一水平位置，特别是接近槽口处必须接近水平位置，防止延长初始产流时间.最后用塑料薄膜覆盖土壤表层，以防试验降雨之前表层土壤由于水分蒸发导致前期含水量降低.

1.3.2 降雨均匀度测定

由于试验降雨设备的缺陷及其它的外在因素影响，试验降雨强度只能控制在一定的范围内，本试验的雨强调控在1.33～1.42mm/h之间，降雨历时60min.试验之前先用雨量筒对降雨均匀度进行测定，在径流区域内均匀度达到75%以上表示降雨强度率定成功.在降雨进行60min后，通过测定，降雨均匀度在80%以上，达到试验的要求.但是每次试验的降雨强度由于输水管道和压力的不稳定性而很难保证一致，在允许的偏差范围内，会产生一定的差异.降雨均匀系数的计算方法为:

1.3.3 试验观测项目

根据试验的目的，本试验需要观测的记录的项目有:(1)径流出流量随时间的变化;(2)径流产沙随时间的变化.

2 结果与分析

2.1 容重对壤中流的影响

壤中流主要发生在近似地面透水性较弱的土层中，它是在临时饱和带内的非毛管孔隙中侧向运动的水流，它的运动服从达西定律.通常壤中流汇流速度比地面径流慢，但比地下径流快得多，当表层土壤薄而透水性好，下伏有相对不透水层时，可能产生大量的壤中流，当遇中强度暴雨时，壤中流的数量可以增加很多.

表1 不同容重下的产流形式和产流时间

设定的试验条件都符合壤中流的产生，通过分析表1知道，容重越大，壤中流初始产流时间越晚(容重1.25g/cm3时，整个降雨过程中没有产生壤中流).这是因为土壤容重反应了土壤的松紧程度，容重变化影响土壤孔隙状况，进而改变土壤水分入渗规律.在降雨－产流－入渗这三个水文过程中，在降雨量相差不大的情况下，容重越大，土壤越紧实，孔隙就越密，入渗的水量就会相应的减少，开始产生壤中流的时间就越晚.对比地表径流总量和壤中流总量发现，两者总是成反比出现，说明了壤中流的产生有降低坡面径流的功能.壤中流总量占总降雨量的比例都很小，并且表现为先增大后减小的趋势.分析其原因主要是由于红壤土具有较强的粘性，在特大暴雨条件下和地表为裸坡地的时候，表土由于雨滴击溅、径流冲刷容易形成结皮，很多研究表明表土结皮具有减少入渗、促进产流和增大产沙等作用［8－10］.

2.2 不同容重下的产流分析

土层中的水达到饱和后，在一定条件下，部分水沿坡地土层侧向流动，形成表层径流即产流.入渗率是在正常大气压力下，土面水层在单位时间内通过单位面积土壤的水量.通常以入渗开始后一小时的水层降低数表示.土壤平均入渗率是反映土壤透水性强弱的重要指标.根据定时采集的径流样，算出各个时段的产流强度H(mm/min)、坡面平均入渗率f(mm/min)和各时段降雨入渗率i(mm/min).计算方式见公式(1)和(2):

式中:H——产流强度(mm/min);R——t时间内产生的径流量(ml);S——坡面实际承雨面积(cm2);t——降雨历时(min);10为量纲换算系数;P——降雨强度(mm/min);α——地表坡度(°);V——各时段对应的产流量(ml);ti，ti+1——各时段始末时间(min).

土壤容重是土壤的基本物理性质，很多研究表明土壤容重对水分的再分配、入渗性能等有很大的影响［11］.如图1a描述了5种不同初始容重下的产流强度随时间的变化规律.由图可知，在径流区域有壤中流情况下初始产流时间、产流强度没有出现明显的随容重增加而变快、强度加大的规律，而是出现先减小后增大的趋势.在容重小于1.15g/cm3时出现容重越大产流越晚.产流强度出现无规律的变化，说明壤中流的产生影响产流时间的快慢、产流强度的大小.因为壤中流加强了径流区域的通透性，也就是说，壤中流有加速降雨入渗、减小地表产流的作用.图1b描述了5种不同初始容重下降雨的平均入渗率随时间的变化.坡面平均入渗率和产流强度呈相反的变化趋势.从图上可以明显看出，平均入渗率随时间的变化呈指数函数下降趋势，除了1.15g/cm3土壤的平均入渗率差别较大外，其他的四种容重差别不大，R2的范围为0.7085 ～0.9174，1.1g/cm3的 R2最小，1.05g/cm3的R2最大.由于降雨前5个不同处理的土壤初始含水量控制在同一水平且比较低，故降雨初期5个不同容重的土壤吸力均很大，此时的土壤入渗率取决于土壤吸力，所以刚开始时，土壤入渗率差异不大.随着降雨的进行，土壤逐渐湿润，土壤吸力作用下降.

图1 不同初始容重产流强度和平均入渗率随降雨历时的变化

2.3 容重对产沙的影响研究

坡面水蚀过程包括雨滴击溅和径流冲刷引起的土壤分散、剥离、输移和沉积4个过程［12］.本试验降雨过程中主要发生的是径流冲刷的前3个过程.

表2 不同初始容重对产沙和溅蚀泥沙的影响

表2描述了在有壤中流这种情况下5个容重各自的初始产沙时间、总产沙量以及槽壁上溅蚀的泥沙量.由表2可知，初始产沙时间的变化规律和上述的初始产流变化规律相一致.说明产流的开始伴随着产沙过程的开始，整个降雨过程总产沙量最少是容重为1.15g/cm3时.表明在自然状态下当土壤容重1.15g/cm3时，坡面侵蚀是最轻的.因为1.15g/cm3时土壤的结构组成处于最适宜状态，在暴雨状态下表皮不易形成结皮，降水转化为入渗量最大.从图表整个总产沙量和溅蚀泥沙量来看，产沙和溅蚀较严重是容重为1.2和1.25g/cm3时，说明降雨对容重较大的裸坡击溅明显.从整个溅蚀情况来看，没有明显的变化规律.这可能是由于试验环境及当时雨滴大小、粗细程度有关.从图2中可以看到，在试验开始产流前几分钟产沙量都较小，随后产沙量呈波动性增加，在整个试验过程中产沙强度达不到稳定.这是由于产沙量主要决定于径流剪切力大小，细沟流冲刷分散土壤的能力随流量的增加而增大.随着冲刷时间增加，侵蚀逐渐达到稳定，泥沙颗粒补给减少.与径流剪切力比较，此时产沙量大小受泥沙颗粒补给能力大小的影响更大.从图上还可以明显看到，某些数据的产沙强度达到最小值后又呈上升趋势，这是由在细沟侵蚀过程中出现的沟壁坍塌造成的.

图2 不同初始容重产沙强度随降雨历时的变化

3 结论

在60min降雨过程中，产流强度随不同初始容重呈动态平衡变化.径流的初始产流时间、产流强度无明显正比规律，而是出现先减小后增大的趋势.容重为1.15g/cm3时整个降雨过程的总产沙量、总溅蚀量和产流强度的变化幅度最小，也就是说此时的土壤状态是最有利于防止土壤侵蚀.在整个试验阶段，产沙量的多少主要取决于径流剪切力大小和泥沙颗粒的补给;壤中流相对于地表径流来说具有相对滞后性，初始产流时间明显慢于地表径流，在两种产流方式下主要的产流形式还是地表径流，壤中流只占其中一小部分不到3%的比例，但是壤中流还是具有增加降雨入渗，减小地表侵蚀的作用.通过理解不同容重下壤中流和地表径流产流，对于管理裸坡地的水土流失问题提供了一定的理论基础.

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