土壤侵蚀是世界上最主要的生态环境问题之一[1-2],通常会引起土地退化、耕地减少、河流泛滥与污染等[3],严重危害人类的生产与生活。准确量化土壤侵蚀并确定土壤侵蚀影响因素是控制土壤侵蚀的重要前提[4],并且对区域土壤侵蚀治理具有重要意义。黄土高原土质疏松,水力侵蚀频发,造成当地生态环境脆弱。近年来,退耕还林还草措施大力实施,水土保持工作力度加大[5],黄土高原草被覆盖状况得到明显改善。
降雨是坡面产流产沙的先决条件[6]。径流量和产沙量的大小不仅取决于降雨强度和降雨量[7],还主要受坡度的影响[8-9]。坡度是影响土壤侵蚀的主要地形因素[10],土壤质地是影响土壤侵蚀的主要内在因素[11]。赵龙山等[12]研究发现坡度对产沙量具有显著影响,在小坡度条件下,产沙量受坡度的影响较小。Govers[13]发现坡度对流速的影响与侵蚀方式有关,即细沟侵蚀中坡度和流速相互独立。Defersha等[14]发现坡度对土壤侵蚀的影响因土壤类型和前期含水量而异。He等[15]发现坡度与土壤侵蚀的关系受植被覆盖变化的显著影响。大量的试验发现,土壤侵蚀量与坡度呈正比[16];但当坡度超过一定限度时,土壤侵蚀量与坡度呈反比,即存在临界坡度的现象[17]。试验观测中,Wu等[18]发现在坡长相等的情况下,可以获得相对较小的临界坡角。陈晓安等[19]基于黄土高原岔巴沟和王家沟径流场资料,发现土壤侵蚀临界坡度为31°。目前,国内外学者进行了大量的建模和试验来确定径流和土壤侵蚀与坡度因子的关系。然而,坡度对径流和土壤侵蚀的影响仍然是一个争议的问题[20]。一些研究者发现,随着坡度的增加,入渗不断增加而径流不断减少[21];而一些研究者则发现了相反的趋势,或者坡度对径流无显著的影响[22]。王玉宽等[23]在进行的紫色土坡面降雨侵蚀试验研究中发现,地表坡度对坡面侵蚀存在临界坡度,且临界坡度随雨强的变化而改变。坡度与坡面侵蚀关系的复杂性,在一定程度上限制了坡面水土保持措施的有效实施[24]。
基于此,本文以黄土高原典型坡面水蚀过程为研究对象,基于模拟降雨试验探讨坡面土壤侵蚀坡度效应的作用机制,分析不同坡度下黄土高原典型区域不同土壤质地土壤侵蚀特征,以期为土壤侵蚀防控与区域土地利用管理提供理论支撑。
1 材料和方法
1.1 研究区概况
黄土高原地处我国西北部,属干旱和半干旱气候区。黄土高原降雨主要发生在 6~9 月,降雨具有历时短、强度大等特点,并且由于其地势复杂,土质疏松,极易发生土壤侵蚀。土颗粒组成中粉粒(0.001~0.005 mm)含量高(60%~75%),不同区域间变幅较小,其中0.01~0.05 mm粗粉粒占50%左右。黄土粒径的地带性表现为自西北向东南逐渐变细,可以划分为4个土壤质地带,分别为砂壤带、轻壤带、中壤带和重壤带,这一特点以砂粒和黏粒的变化最为明显。本文所选研究区绥德属于砂壤带,安塞属于轻壤带,长武、天水、西峰属于中壤带,杨凌属于重壤带。土壤质地采用国际分类标准,绥德属于砂质壤土,安塞属于砂质黏壤土,长武、天水、西峰属于黏壤土,杨凌属于壤质黏土。
1.2 实验设计
1.2.1 室内模拟降雨试验设计
模拟降雨试验主要用于分析植被覆盖对土壤侵蚀的作用机制,试验分别在2016年、2017年、2019年的6~8月进行。以天水-黏壤土为研究对象,分析植被覆盖度对土壤侵蚀的作用机制;以绥德-砂质壤土、安塞-砂质黏壤土、长武-黏壤土、杨凌-壤质黏土为研究对象,分析不同土壤质地下植被覆盖的阈值。在室内模拟不同质地土壤(绥德-砂质壤土、安塞-砂质黏壤土、长武-黏壤土、杨凌-壤质黏土)(土壤基本性质见表1)、不同植被覆盖下的坡面产流和产沙过程,研究不同植被覆盖对坡面土壤侵蚀过程的影响。
表1 土壤基本性质Tab.1 Basic properties of soil |
| 采样点 | 土壤质地 | 各粒组土粒含量/% | >0.25 mm水稳定 团聚体百分比/% | 有机质含量/ (g·kg-1) | 平均重量 直径/mm | ||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| <0.002 mm | 0.002~0.02 mm | 0.02~2 mm | |||||
| 绥德 | 砂质壤土(SL) | 12.1 | 19.4 | 68.5 | 6.6 | 5.9 | 0.04 |
| 安塞 | 砂质黏壤土(LL) | 15.7 | 26.8 | 57.5 | 20.7 | 7.4 | 0.11 |
| 长武 | 黏壤土(ML) | 21.2 | 38.0 | 40.8 | 51.8 | 12.3 | 0.28 |
| 杨凌 | 壤质黏土(HL) | 26.3 | 38.1 | 35.6 | 76.4 | 18.3 | 0.36 |
试验在中国科学院水利部水土保持研究所土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室人工降雨大厅进行,土槽规格为 5 m × 1 m × 0. 5 m(长 × 宽 × 高),坡度大小可调节,范围为0°~40°。试验降雨方式为下喷式降雨系统,降雨高度为18 m,保证了雨滴落速都能达到最终速度。试验前将土样自然风干,采用过筛法除去杂草和石块,筛的孔径大小为1 cm。采用土槽底部铺沙法保证试验土槽中土壤的透水状况与天然坡面接近,铺沙厚度一般为10 cm。土槽填土采用分层压实法,土层间隔为5 cm,压实容重与野外实测容重保持一致,填土厚度为30 cm。为使最终降雨量相等,相应降雨历时分别为60 min和 45 min。
用密封袋依次采集不同深度土壤样品,采用激光粒度仪对颗粒粒径组成进行分析。土壤容重采用环刀法,对采集点土壤进行采样、烘干、称量后获得土壤容重与孔隙度。室内试验法获取土壤田间持水量,浸水饱和法测定土壤饱和含水量,用SW080B土壤张力入渗仪获取不同土层深度饱和导水率。用网格法获取不同径流小区覆盖度数据,用样方法获取径流小区植被生物量、最大截留量数据。在草被生长过程中,通过适度的修剪,使其尽可能满足设计的覆盖度要求,并在试验开始前进行确认。BTC微根管根系生态监测系统获取径流小区植被根系数据。
Jia和Shao[25]的研究表明,大于100 cm深度的土壤受到降雨的影响较小。因此,本研究利用土壤剖面水分分析仪(EM50)检测土壤水分,该仪器同时使用5个土壤水分传感器记录20、40、60、80和100 cm深处的土壤体积含水量。
1.2.2 径流泥沙数据
测量表层土壤体积含水率,保证土壤体积含水率相对一致。雨强率定后开始试验。每次试验记录初始产流时间;产流后收集径流泥沙样,取样间隔为2 min,总历时为60 min。记录染料(KMnO4)在水流中通过一定长度(0.5 m)的时间,计算水流速度。因染色法只能测量最大表面速度,不能测量平均速度,试验使用Chen等[26]的方法获得平均水流速度。试验结束后采用称重-沉淀-晾晒-称重和取样-烘干-称量-校正的方法,分别获得产流量和产沙量。
1.3 数据处理
采用SPSS 19.0进行数据处理和统计分析,采用 Origin 2021 软件绘图。采用Pearson(皮尔逊)检验进行各因素之间相关性分析。在所有情况下,若P<0.05认为具有显著相关关系。
2 结果分析
2.1 坡度对坡面水沙关系的影响
不同坡度下坡面径流量与降雨历时的关系如表2所示,不同坡度下累积径流量与降雨历时之间具有很好的幂函数关系。
表2 不同降雨强度、土壤质地和坡度下坡面径流量与降雨历时的关系Tab.2 The relationship between slope runoff and rainfall duration under different rainfall intensities, soil textures and slopes |
| 雨强/(mm·min-1) | 土壤质地 | 坡度/(°) | 拟合方程 | R2 |
|---|---|---|---|---|
| 1.5 | 砂质壤土 | 10 | y=1.286 1x1.257 6 | 0.99 |
| 15 | y=0.615 5x1.459 1 | 0.99 | ||
| 20 | y=0.567 5x1.417 9 | 0.99 | ||
| 25 | y=1.588 6x1.061 7 | 0.98 | ||
| 砂质黏壤土 | 10 | y=3.278 1x1.189 1 | 0.99 | |
| 15 | y=1.861 5x1.285 5 | 0.99 | ||
| 20 | y=6.258 9x1.049 6 | 0.99 | ||
| 25 | y=1.359 6x1.328 9 | 0.99 | ||
| 黏壤土 | 10 | y=5.038 3x1.05 | 0.99 | |
| 15 | y=4.541 5x1.098 9 | 0.99 | ||
| 20 | y=2.359 4x1.189 5 | 0.99 | ||
| 25 | y=4.370 8x1.072 5 | 0.99 | ||
| 壤质黏土 | 10 | y=8.902 5x0.975 4 | 0.99 | |
| 15 | y=8.117 6x0.980 4 | 1.00 | ||
| 20 | y=7.153 1x1.017 9 | 0.99 | ||
| 25 | y=5.190 3x1.106 2 | 0.99 | ||
| 2 | 砂质壤土 | 10 | y=3.440 4x1.196 9 | 0.99 |
| 15 | y=3.844 8x1.216 9 | 0.99 | ||
| 20 | y=0.822 5x1.556 1 | 0.99 | ||
| 25 | y=0.427 5x1.386 7 | 0.92 | ||
| 砂质黏壤土 | 10 | y=1.87x1.388 8 | 0.99 | |
| 15 | y=7.795 4x1.066 8 | 0.99 | ||
| 20 | y=1.689 6x1.448 1 | 0.99 | ||
| 25 | y=0.313 9x1.783 5 | 0.99 | ||
| 黏壤土 | 10 | y=8.812 1x1.04 | 1.00 | |
| 15 | y=8.820 1x1.039 5 | 0.99 | ||
| 20 | y=4.554 4x1.215 6 | 0.99 | ||
| 25 | y=5.422 2x1.161 6 | 0.99 | ||
| 壤质黏土 | 10 | y=10.389x0.996 5 | 0.99 | |
| 15 | y=11.846x0.984 6 | 0.99 | ||
| 20 | y=9.217 6x1.013 6 | 0.99 | ||
| 25 | y=7.207 2x1.060 7 | 0.99 |
不同降雨强度和土壤质地下,坡度对土壤坡面侵蚀产沙过程的影响见图3。结合降雨过程中对坡面侵蚀形态的实时观测可知,细沟产生与否对侵蚀产沙过程有重要影响。其中,1.5 mm/min降雨强度下砂质壤土在10°、20°、25°坡面,砂质黏壤土在10°、15°、25°坡面,黏壤土在10°、15°、20°坡面和2 mm/min降雨强度下砂质黏壤土在10°、25°坡面,黏壤土在10°坡面均未产生细沟。分析发现细沟在较大坡度上更容易产生,这表明陡坡可以促进细沟的产生。
2.2 坡度对坡面侵蚀动力参数的影响
不同雨强和土壤质地下,坡度对径流剪切力的影响如图5所示。总体来看,不同土壤质地下径流剪切力随坡度的增加而增加。
对径流剪切力与侵蚀速率进行拟合发现,两者之间均具有很好的线性关系,即随径流剪切力的增加,侵蚀速率逐渐增大(表3)。砂质壤土坡面,临界径流剪切力随坡度的增加而增加,25°坡面临界径流剪切力是10°坡面的1.2倍;砂质黏壤土坡面,临界径流剪切力最大值出现在20°坡面,是最小值15°坡面的19倍;黏壤土坡面,临界径流剪切力随坡度的增加而增加,其中10°~15°坡面临界径流剪切力增加较大,而15°~25°坡面临界径流剪切力增加较小,25°坡面临界径流剪切力是10°坡面的6.2倍;壤质黏土坡面,临界径流剪切力在15°~25°坡面随坡度的增加而降低。
表3 不同土壤质地和坡度下径流剪切力与侵蚀速率的关系Tab.3 The relationship between runoff shear force and erosion rate under different soil textures and slopes |
| 土壤质地 | 坡度/(°) | 拟合公式 | 临界径流剪切力/(N·m-2) | R2 | n |
|---|---|---|---|---|---|
| 砂质壤土 | 10 | y=100.12x-209.17 | 2.1 | 0.74 | 57 |
| 15 | y=94.89x-196.01 | 2.1 | 0.66 | 50 | |
| 20 | y=55.696x-139.41 | 2.5 | 0.82 | 52 | |
| 25 | y=53.185x-137.27 | 2.6 | 0.11 | 42 | |
| 砂质黏壤土 | 10 | y=232.37x-348.99 | 1.5 | 0.83 | 90 |
| 15 | y=14.018x-1.337 4 | 0.1 | 0.57 | 76 | |
| 20 | y=91.201x-174.97 | 1.9 | 0.75 | 89 | |
| 25 | y=6.137 7x-2.371 6 | 0.4 | 0.59 | 56 | |
| 黏壤土 | 10 | y=14.825x-6.288 1 | 0.4 | 0.79 | 87 |
| 15 | y=73.086x-161.07 | 2.2 | 0.56 | 86 | |
| 20 | y=15.737x-33.121 | 2.1 | 0.57 | 62 | |
| 25 | y=20.273x-51.684 | 2.5 | 0.53 | 25 | |
| 壤质黏土 | 10 | y=34.194x+50.563 | 2.1 | 0.75 | 45 |
| 15 | y=62.176x-87.085 | 1.4 | 0.68 | 68 | |
| 20 | y=82.727x-111.34 | 1.3 | 0.55 | 69 | |
| 25 | y=51.798x-18.219 | 0.4 | 0.57 | 34 |
不同雨强和土壤质地下,坡度对径流功率的影响如图6所示。总体来看,不同土壤质地下径流功 率随坡度的增加而增加。
由表4可知,不同土壤质地与坡度条件下径流功率与侵蚀速率之间具有很好的线性关系,即随径流功率的增加,侵蚀速率逐渐增大。砂质壤土坡面,临界径流功率最大值出现在20°坡面,是最小值10°坡面的1.5倍;砂质黏壤土坡面,临界径流功率随坡度的增加而波动变化,最大值出现在20°坡面,是最小值15°坡面的27倍;黏壤土坡面,临界径流功率随坡度的增加先增加后降低,最大值出现在15°坡面,是最小值10°坡面的4倍;壤质黏土坡面,临界径流功率随坡度的增加而增加,25°坡面的临界径流功率是10°坡面的20倍。
表4 不同土壤质地和坡度下径流功率与侵蚀速率的关系Tab.4 The relationship between runoff power and erosion rate under different soil textures and slopes |
| 土壤质地 | 坡度/(°) | 拟合公式 | 临界径流功率/(N·m-1·s-1) | R2 | n |
|---|---|---|---|---|---|
| 砂质壤土 | 10 | y=2 098.8x-266.49 | 0.13 | 0.73 | 57 |
| 15 | y=1 592.9x-251.04 | 0.16 | 0.94 | 50 | |
| 20 | y=1 181.2x-241.27 | 0.20 | 0.91 | 52 | |
| 25 | y=1 091x-189.77 | 0.17 | 0.78 | 42 | |
| 砂质黏壤土 | 10 | y=1 881.3x-297.75 | 0.16 | 0.91 | 90 |
| 15 | y=97.099x-0.668 2 | 0.01 | 0.58 | 76 | |
| 20 | y=762.07x-209.51 | 0.27 | 0.73 | 89 | |
| 25 | y=60.059x-8.826 8 | 0.15 | 0.79 | 56 | |
| 黏壤土 | 10 | y=122.01x-7.095 | 0.06 | 0.65 | 87 |
| 15 | y=606.05x-148.43 | 0.24 | 0.59 | 86 | |
| 20 | y=61.07x-4.262 9 | 0.07 | 0.53 | 62 | |
| 25 | y=104.86x-7.157 8 | 0.07 | 0.52 | 25 | |
| 壤质黏土 | 10 | y=613.94x-12.728 | 0.02 | 0.63 | 45 |
| 15 | y=824.95x-123.66 | 0.15 | 0.53 | 68 | |
| 20 | y=1 582.7x-449.87 | 0.28 | 0.54 | 69 | |
| 25 | y=1 904.3x-773.32 | 0.41 | 0.59 | 34 |
3 讨论
3.1 不同土壤质地下坡度对土壤入渗与径流速率的影响
入渗是一个非常复杂的动态过程,主要受土壤性质、土壤初始含水率、坡度、降雨强度等自然因素和人为因素[27]的影响。关于坡度对土壤水分入渗的影响已有许多研究,由于分析方法和试验条件不同,其结果也不尽相同[28-29]。吴佩瑶等[30]研究发现,改变坡度条件,水分入渗过程受到影响,且不同坡度下砒砂岩土壤入渗能力随着入渗时间的增加呈现先下降后逐渐稳定的趋势,入渗速率曲线按照坡度由大到小呈现由上向下分布。Hou等[31]研究发现,入渗速率与横向和纵向坡度之间的关系可以用幂函数描述,随着坡度的增大,稳定入渗速率减小,入渗对0~5°坡度更为敏感。本研究发现,坡度对土壤入渗速率的影响与土壤质地相关。砂质壤土坡面土壤入渗量最小值出现在15°坡面,砂质黏壤土坡面在25°和15°土壤入渗量较大,黏壤土坡面在20°和25°入渗量较大,而壤质黏土坡面土壤入渗量几乎不受坡度的影响。一方面,相同投影坡长下,坡度的增加延长了坡面径流的流路,增加了土壤入渗的时间,利于土壤入渗;另一方面,坡度的增加加大了坡面径流向下流动的作用力,增加了径流流速,不利于土壤下渗。坡度对土壤入渗的双重作用引起了坡度对土壤入渗量的差异,而不同质地下坡面粗糙度的不同或扩大或减小了这种差异。
本研究发现,不同土壤质地下坡度对坡面径流速率的影响不同。砂质壤土坡面,径流速率随坡度的增加先增加后降低,最大值与最小值分别出现在15°和25°坡面。砂质黏壤土坡面,25°和15°坡面径流量较小而20°和10°坡面径流量较大。黏壤土坡面,20°和25°坡面径流量较小,10°和15°坡面径流量较大,而壤质黏土坡面径流速率几乎不受坡度的影响。拟合坡面径流量与降雨历时发现,随坡度的增加径流量并非单调增加或减小,表明径流量与坡度的关系存在阈值现象;不同土壤质地下径流量最大值的坡度不同,表明坡度的阈值与质地密切相关。
结合降雨过程中对坡面侵蚀形态的实时观测可知,细沟产生与否对侵蚀产沙过程有重要影响。坡面未发生细沟侵蚀时以片状侵蚀为主,主要包括雨滴击溅侵蚀和坡面侵蚀。侵蚀产沙过程可以划分为两个阶段,一是快速下降阶段,二是稳定阶段。不同土壤质地下,片状侵蚀量随坡度没有明显的变化规律,其中砂质壤土在20°坡面侵蚀量最大,砂质黏壤土在10°坡面土壤侵蚀量最大,黏壤土在15°坡面土壤侵蚀量最大。值得注意的是,这里的侵蚀量最大坡度是仅考虑未产生细沟的坡度坡面,对于陡坡产生细沟的坡面未考虑。因此,本研究中土壤侵蚀量最大值的坡度具有一定的局限性。
细沟的产生使侵蚀产生过程进一步复杂化,坡面侵蚀逐渐转变为以细沟侵蚀为主。细沟发育的方式主要是溯源侵蚀、沟壁坍塌和沟床的下切。由于细沟发育存在一定的随机性,输沙能力限制阶段与剥蚀能力限制阶段交替出现,在细沟发育过程中产沙率会忽高忽低;受不同土壤质地坡面细沟发育形态差异的影响,细沟对径流的汇聚量和汇聚量的持续性存在差异,进而影响了细沟发育后期产沙率的变化。侵蚀产沙过程可以划分为3个阶段:一是快速下降阶段,二是片状侵蚀控制的稳定阶段,三是细沟侵蚀控制的波动阶段。陡坡下细沟更容易产生,由图3可以发现,陡坡条件下细沟产生的时间较早,在本试验10°~25°坡度范围内累积土壤侵蚀量随坡度的增加而增加。
3.2 不同土壤质地下坡度对坡面侵蚀动力参数的影响
本试验发现,不同土壤质地下,径流剪切力与侵蚀速率和径流功率之间均具有很好的线性关系,即随径流剪切力的增加,侵蚀速率和径流功率逐渐增大。砂质壤土坡面,临界径流剪切力和功率随坡度的增加而增加。砂质黏壤土坡面,临界径流剪切力和功率最大值出现在20°坡面。黏壤土坡面,临界径流剪切力和功率随坡度的增加而增加。壤质黏土坡面,临界径流剪切力和功率在15°~25°坡面随坡度的增加而降低。坡度和雨强都会对坡面降雨产流后的侵蚀动力参数产生影响,且各参数与坡度和雨强均呈正相关关系[34-35]。试验前期的降雨到达土壤表层后大多下渗,几乎不形成地表径流;随着降雨时间延长,降雨产生的坡面径流不断冲刷土壤表面,并不断增加土壤的含水量,流速逐渐增大。在同一场试验中,细沟内汇集高处水流,增加了坡面产流的动能和势能[36],此外经过径流的反复打磨,细沟内壁比较光滑,减小了细沟内壁对于坡面产流的摩擦力。坡度对侵蚀量的影响远大于对径流量的影响,坡面侵蚀量随坡度的变化规律基本一致。分析其原因,径流势能和产流速率随坡度增加而增大,但坡度的增加同时会使同规格的坡面承雨量降低,受两者共同影响坡面径流未随坡度增大而发生明显的规律性变化。
4 结论
本文分析了坡面土壤侵蚀坡度效应的作用机制,发现坡面土壤侵蚀坡度效应与土壤质地、坡面侵蚀方式(细沟的发育)密切相关。砂质壤土坡面入渗量最小值出现在15°坡面处,砂质黏壤土在25°和15°坡面土壤入渗量较大,黏壤土在20°和25°坡面入渗量较大,而壤质黏土土壤入渗量几乎不受坡度的影响。不同土壤质地下,随径流剪切力的增加,侵蚀速率和径流功率逐渐增大。砂质壤土坡面,临界径流剪切力和功率随坡度的增加而增加;砂质黏壤土坡面,临界径流剪切力和功率最大值出现在20°坡面;黏壤土坡面,临界径流剪切力和功率随坡度的增加而增加;壤质黏土坡面,临界径流剪切力和功率在15°~25°坡面随坡度的增加而降低。