黃土區(qū)降雨前期土壤含水量對降雨入滲產(chǎn)流和產(chǎn)沙特性的影響

黃土區(qū)降雨前期土壤含水量對降雨入滲產(chǎn)流和產(chǎn)沙特性的影響

0降雨前期土壤含水量由于洛杉磯高原山區(qū)地勢平坦，年降水量集中，暴雨造成嚴(yán)重的水土流失。同時，黃土結(jié)構(gòu)疏松，孔隙大，蓄水能力強。許多專家提出“減少和儲存降水”作為改善羅素高原地區(qū)的戰(zhàn)略方針。因此,如何增加降雨入滲、合理高效利用有限的水資源和減少水土流失是該地區(qū)生態(tài)環(huán)境建設(shè)和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。降雨前期土壤含水量作為影響降雨入滲、產(chǎn)流和產(chǎn)沙的重要因子被諸多研究所證實。在積水入滲條件下,土壤初始含水量越高,初始入滲率越低,但對穩(wěn)定入滲率的影響可以忽略。然后,在降雨入滲條件下,由于前期土壤含水量的差異導(dǎo)致了土壤顆粒間結(jié)合力不同,土壤團聚體的穩(wěn)定性也不同,影響土壤剪切強度[13,14,15,16,17,18];在雨滴對土壤顆粒產(chǎn)生擊濺作用和表土夯實作用下,表層土壤的物理性狀發(fā)生不同程度的改變,因而坡面土壤入滲能力、產(chǎn)流和產(chǎn)沙與前期土壤含水量的關(guān)系變得更為復(fù)雜。Castillo等研究認(rèn)為前期土壤含水量是半干旱環(huán)境下徑流產(chǎn)生的重要控制因素,然而,針對黃土區(qū)降雨條件下前期土壤含水量對坡地水文過程的影響還有待深入。本研究中以黃土地區(qū)質(zhì)地差異較大的塿土和砂黃土為研究對象,通過室內(nèi)降雨模擬試驗,觀測前期土壤含水量從風(fēng)干土狀態(tài)至近飽和條件下黃土坡地降雨入滲、產(chǎn)流產(chǎn)沙的特征,并探尋坡地土壤流失量最小的最優(yōu)含水量,旨在為黃土坡地水土資源最優(yōu)管理提供參考。1材料和方法1.1土壤侵蝕等降雨特性試驗土料分別采自黃土區(qū)質(zhì)地差異較大的土壤:陜西楊凌塿土和陜西神木砂黃土。根據(jù)中國土壤顆粒成分分級標(biāo)準(zhǔn),其顆粒組成百分比分別為:楊凌塿土砂粒占5.4%,粉粒占68.7%,黏粒占25.9%;神木砂黃土砂粒占47.91%,粉粒占36.9%,黏粒占15.19%。供試土料去除植物根系、石塊等雜物,過4.0mm孔篩網(wǎng)、風(fēng)干、均勻混合,以備試驗所用。模擬降雨試驗在黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點實驗室降雨大廳的側(cè)噴區(qū)內(nèi)進行,其降雨高度達(dá)到16m,降雨雨滴達(dá)到的終點速度滿足天然降雨特性,降雨強度變化范圍為40~260mm/h,降雨均勻度大于80%。試驗所用土槽為自制鋼槽,其尺寸規(guī)格為:長×寬×高=100cm×30cm×20cm,坡度可在0°~30°之間任意調(diào)節(jié),在土槽徑流出口處安裝了V形鋼制徑流收集槽,其他三邊額外增高15cm鋼板,以防雨滴打擊作用,使槽內(nèi)泥水濺出土槽外。1.2不同降雨時期土壤流失試驗設(shè)計為了獲得試驗設(shè)計的不同前期土壤含水量的土料,按照如下程序操作。首先,測定供試土料初始含水量,根據(jù)土料的初始含水量和所要求控制的含水量,計算所需補水量;然后,將土料均勻攤開,用噴霧器將一定補充水量均勻噴灑在土料上,充分?jǐn)嚢?然后,裝入塑料大桶中,密封存放,靜置24h。通過上述方法,可獲得含水量分布均勻、含水量值達(dá)到控制要求的土料。試驗中塿土和砂黃土的前期土壤質(zhì)量含水量分別設(shè)定6個水平:風(fēng)干土、5%、10%、15%、20%和25%。為了控制試驗坡面物理狀況一致性,采用每5cm厚度分層填裝土料,層間接觸面打毛,防止出現(xiàn)分層現(xiàn)象;填裝10cm厚、含水量為10%的土料,來模擬犁底層,隨后填裝前述備制好的不同含水量的土料,模擬降雨前初始含水量即前期土壤含水量;并分別控制塿土和砂黃土容重為1.3g/cm3和1.38g/cm3,逐層填裝至10cm厚度,土層表面與收集徑流的V形槽在同一水平位置。最后,用塑料薄膜覆蓋土壤表面,以防模擬降雨前期表層土壤含水量因蒸散而改變。降雨試驗前,分別測定表層塿土和砂黃土前期含水量為:4.92%(風(fēng)干土)、5%、9.6%、15.5%、20.1%和24.5%;1.7%(風(fēng)干土)、5.2%、9.1%、14%、20%和25%。模擬坡地坡度設(shè)置為10°。由于暴雨是造成黃土區(qū)水土流失的主要降雨類型,試驗降雨強度設(shè)為80mm/h。為了便于對比分析產(chǎn)流產(chǎn)沙全過程,需獲得穩(wěn)定的產(chǎn)流過程,分別設(shè)定塿土降雨歷時為80min,砂黃土除了較高前期含水量(20%和25%)的處理降雨歷時設(shè)為80min外,其他處理降雨歷時為90min。降雨雨滴打擊到地表后開始計時,坡面產(chǎn)流后,記錄下產(chǎn)流時刻(tp);產(chǎn)流初期徑流強度變化快,產(chǎn)流后前10min內(nèi),每間隔1min用塑料小桶采集一次1min徑流樣;隨后徑流強度變化趨于穩(wěn)定,每間隔5或10min取一次1min的徑流樣,其余徑流全收集在徑流大桶中。降雨停后,用稱重法測定塑料小桶中徑流樣,確定不同降雨時刻的徑流強度;最后,把所有徑流水樣集中在一起,沉淀,風(fēng)干,測定總泥沙流失量和總徑流量。每個試驗處理均進行2個獨立重復(fù)試驗,以下結(jié)果和分析內(nèi)容所采用的數(shù)據(jù)值均為重復(fù)降雨試驗所獲數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值。2結(jié)果與分析2.1土坡面前期含水量tp坡地產(chǎn)流時刻綜合反映了產(chǎn)流前坡地土壤物理狀況差異。前期土壤含水量對坡地降雨-入滲-產(chǎn)流過程有著重要的影響,裸地土壤產(chǎn)流時刻隨前期土壤含水量的變化反映最為明顯。在其他因素控制一致條件下,僅是改變坡地前期土壤含水量(θ0),產(chǎn)流時刻(tp)則表現(xiàn)不同;土壤質(zhì)地不同,前期土壤含水量對產(chǎn)流時刻的影響程度也不同。對于塿土而言,由于塿土黏粒含量較高,結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定,抗雨滴濺蝕能力強,土壤入滲能力低;在大坡度、大雨強的條件下,模擬坡面產(chǎn)流快,各θ0間的tp值差異很小,極差值僅為1.57min,因而塿土坡地前期含水量θ0對產(chǎn)流時刻tp的影響程度不明顯(表1);然而,對于質(zhì)地較粗、滲透性較好的砂黃土來說,tp隨著θ0的提高,呈先增加后減少的趨勢,θ0在10%~15%范圍內(nèi),tp變化最劇烈,各θ0間的tp極差值為28.91min;顯然,砂黃土的前期土壤含水量對產(chǎn)流時刻影響十分顯著,也表明砂黃土的物理狀況在θ0值處于10%~15%范圍內(nèi)明顯存在一臨界值,它對降雨條件下入滲過程有著顯著的影響,這一問題有待深入研究。2.2早期土壤含水量的影響圖1和圖2分別描述了塿土和砂黃土坡面不同前期含水量下徑流強度和坡面平均入滲率變化過程。其中坡面平均入滲率利用如下公式反推算出:式中ue5e5ia——坡面平均入滲率,mm/min;P——降雨強度,mm/min;a——地表坡度,(°);R——降雨時間t內(nèi)產(chǎn)生的徑流量,mL;S——坡面實際承雨面積,cm2;t——降雨時間,min。由圖1所示,塿土坡面徑流強度隨時間呈對數(shù)函數(shù)變化,坡面入滲率與時間關(guān)系服從冪函數(shù)規(guī)律;降雨20min后,徑流強度和坡面平均入滲率均趨于穩(wěn)定值,但隨著前期土壤含水量的提高,徑流強度穩(wěn)定值的增大和坡面穩(wěn)定入滲率的減少并不明顯。這是由于塿土黏粒含量較高,結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定,土壤團聚體不易分散,雨滴擊濺作用對地表結(jié)構(gòu)狀況改變較弱;同時,在雨強(80mm/h)和坡度(10°)均較大情況下,入滲能力較低的塿土坡面弱化了前期土壤含水量對入滲和產(chǎn)流的影響。然而,在相同條件下前期土壤含水量對砂黃土坡面入滲和產(chǎn)流規(guī)律的影響卻表現(xiàn)出不同特征(圖2)。根據(jù)入滲和產(chǎn)流規(guī)律可把各前期含水量歸為兩組;一組是低含水量區(qū):風(fēng)干土、5%和10%;第二組是高含水量區(qū):15%、20%和25%。前期含水量處于低含水量區(qū)時的徑流強度隨時間變化曲線近似符合“S”形狀,而在高含水量區(qū)時的徑流強度隨時間變化曲線服從對數(shù)函數(shù)規(guī)律,與塿土的變化規(guī)律相似。由此可見,在前期含水量10%~15%之間必定存在一臨界含水量。前人研究表明砂黃土從風(fēng)干土到飽和土之間土壤黏結(jié)力的增長并非線性,而近似拋物線,在土壤含水量10%~20%之間存在著最大值。因而,在含水量較低(低于10%)時,土壤顆粒在雨滴打擊作用下容易分散,細(xì)顆粒隨著雨水流動、入滲,填塞土壤孔隙,加上雨點打擊和夯實作用,土壤表層逐步形成致密層,致密層厚也逐漸增大,土壤入滲能力大大減弱,徑流強度迅速增大(圖2)。然而,在含水量較高(大于15%)時,土壤入滲能力主要取決于土壤基質(zhì)勢和重力勢,前期含水量越高,土壤入滲能力越低,徑流強度越大。這說明了降雨入滲過程與積水入滲過程有著明顯區(qū)別,前期含水量在兩種條件下對入滲過程影響可能存在較大差異,尤其對結(jié)構(gòu)性差的土壤。因此,通過室內(nèi)積水入滲試驗所獲取的參數(shù)應(yīng)用到降雨條件下需要謹(jǐn)慎處理,前期含水量的影響更要重點考慮。2.3砂黃土的入滲特征圖3顯示了塿土和砂黃土坡面在不同前期含水量下雨水累積入滲過程。由圖3可知,對于塿土而言,因前期含水量不同,相同降雨條件下,累積入滲過程存在顯著差異。根據(jù)水分累積入滲不同特征,前期含水量可劃分為3區(qū),高入滲區(qū):風(fēng)干土、10%;中入滲區(qū):5%、15%、25%;低入滲區(qū):20%。砂黃土的前期含水量則可分成2區(qū),快入滲區(qū)(低含水量區(qū)):風(fēng)干土、5%、10%;慢入滲區(qū)(高含水量區(qū)):15%、20%、25%。由于前期含水量不同,土壤的初始物理狀況存在較大差異,加上雨滴擊濺夯實作用和坡面徑流沖刷作用,土壤物理性狀發(fā)生不同程度變化,其過程十分復(fù)雜,從而導(dǎo)致塿土累積入滲量并不是隨著前期含水量增大而逐漸減少趨勢(圖3a)。然而,砂黃土的累積入滲規(guī)律比較明顯,降雨期間總累積入滲量隨著前期含水量提高而逐漸減少;從累積入滲過程來看,快入滲區(qū)其累積入滲量增大較迅速,降雨約55min后入滲趨于穩(wěn)定,累積入滲量變化很小;慢入滲區(qū)其累積入滲量增大相對緩慢(圖3b)。2.4砂黃土坡面水土流失量隨前期含水量x的變化規(guī)律前期含水量的差異導(dǎo)致不同質(zhì)地坡面入滲特性差異很大,進而改變產(chǎn)流規(guī)律變化,從而影響坡面產(chǎn)沙特性。通過比較塿土和砂黃土坡面的徑流系數(shù)和土壤流失量(圖4),塿土坡面平均徑流系數(shù)隨著前期含水量的提高呈增大趨勢,但變化趨勢不明顯;土壤流失量隨前期含水量呈拋物線變化,前期含水量為25%時土壤流失量最大。對于砂黃土坡面而言,除了風(fēng)干土情況外,徑流系數(shù)隨著前期含水量提高呈線性增長關(guān)系;土壤流失量與前期含水量的關(guān)系呈近似拋物線變化。采用一元二次方程擬合前期土壤含水量(X)與土壤流失量(Y)的關(guān)系(圖4b),并求出了塿土和砂黃土坡地土壤流失量最少的最優(yōu)前期土壤含水量值,分別為11.25%和12.74%。由此可知,通過植被覆蓋、耕作措施維持土壤適當(dāng)?shù)暮?可以達(dá)到減少土壤流失的作用;坡地土壤含水量過低或太高都會造成土壤大量流失;尤其在半干旱黃土區(qū),久旱后的暴雨所造成的土壤流失問題應(yīng)給予高度重視。3砂黃土的前期含水量對砂性土本文采用室內(nèi)降雨模擬試驗方法,在恒定雨強(80mm/h)和坡度(10°)條件下,研究了不同前期土壤含水量(風(fēng)干土、5%、10%、15%、20%和25%)對塿土和砂黃土坡面降雨入滲和產(chǎn)流產(chǎn)沙特性的影響。結(jié)果表明,前期土壤含水量對塿土坡面產(chǎn)流時刻(tp)、入滲和產(chǎn)流過程影響不明顯。砂黃土前期含水量在10%~15%范圍內(nèi)存在臨界值,tp變化最劇烈;tp隨著前期含水量提高呈先延長后縮短;當(dāng)含水量小于臨界值時,徑流強度隨時間變化曲線呈近似“S”形狀;當(dāng)含水量大于臨界值時,其徑流強度和入滲率隨時間變化規(guī)律與塿土相似,分別服從對數(shù)函數(shù)和冪函數(shù)。根據(jù)前期土壤含水量對累積入滲過程的影響關(guān)系,塿土前期含水量