不同降雨強度下紫色土碎石覆蓋對降雨入滲、產流及土壤流產流的影響

礫石是土壤的重要資源，在世界上是廣泛分布的。60%以上的土壤含有卵石，美國15.6%的土壤資源分布在中國的18%土壤中。在過去的幾十年里,隨著人地矛盾加劇,含礫石土壤的重要性日益增加,國內外學者開始重視對含礫石土壤的研究。自20世紀50年代起,不少學者研究了土壤中礫石存在對土壤物理性質、土壤水文過程及土壤侵蝕過程的影響。大量田間試驗表明,礫石在容重、孔隙度、孔隙分布及導水率等土壤物理性質中起著重要作用,土壤(含礫石)總容重一般隨著礫石含量的增加而增加,細土(不含礫石)容重隨礫石含量的增加而減小;飽和導水率及非飽和導水率(特別是低負壓條件下的非飽和導水率)與礫石含量呈正相關關系,這主要歸因于土壤中礫石的存在增加了非毛管孔隙的比例。馬東豪、朱元駿等通過室內模擬試驗得出,保持細土容重不變,土壤中礫石的存在阻礙水分的入滲過程,隨著礫石含量的增加,水分入滲速率降低;王慧芳等研究了不同粒徑礫石組合對入滲的影響,指出粒徑2~3mm碎石與入滲過程呈顯著的負相關關系,而粒徑大于25mm碎石有利于入滲。礫石覆蓋改變了地表性質如粗糙度、孔隙度與表土結構穩定性等,必然會對各種水文過程產生重要的影響。在降雨期間,地表礫石截留雨滴,使之滲入礫石、貯存于礫石表面、蒸發或轉化為石上徑流;礫石覆蓋改變地表糙度,增加地表蓄水量并加強表土的滯水能力;礫石覆蓋與降雨入滲的關系較為復雜,受到礫石的位置、大小、覆蓋度及表土結構的影響,符素華等通過對北京土石山區模擬降雨侵蝕研究指出,當礫石覆蓋于表土之上時,地表徑流量與地表徑流速率隨著礫石覆蓋度的提高而降低;地表產流產生后,礫石覆蓋對其水力性質產生作用,影響其水動力特性;地表礫石覆蓋還能有效抑制土壤水分蒸發,為作物生長持續提供有效水分。當前有關含礫石土壤的研究在土壤物理性質、土壤水分運移、地表產流及侵蝕等方面都取得了較好的結果,但有關田間礫石覆蓋對降雨過程降水分配規律的研究尚不多見。三峽庫區人類活動強度大,庫區陡坡地耕地占坡耕地的比重高達34%,導致了較為嚴重的土壤侵蝕。水土流失及養分流失已成為庫區農業可持續發展與生態環境安全所面臨的重大問題。庫區發育于蓬萊鎮組紫色砂頁巖的紫色土,其坡度陡、土層薄,礫石在土體中及土壤表面分布廣泛,巖土二元結構明顯,壤中流和地表徑流相互疊加,共同作用形成降雨過程中及降雨后的河流匯水。地表徑流是土壤侵蝕的主要動力,壤中流是養分流失的主要途徑。鑒于此,本文擬采用人工模擬降雨方法,研究不同降雨強度下礫石覆蓋對坡耕地降雨入滲、地表產流、壤中流產流等水文過程的影響,掌握含礫石土壤的降水分配規律,以期對庫區水資源管理、面源污染防治及土壤侵蝕預報提供科學依據。1研究區域的概論和實驗方法1.1整地及覆蓋度分析試驗區位于三峽庫區秭歸縣王家橋小流域,流域地形以低山丘陵為主,海拔在184~1180m之間。坡度較陡,25°~35°的坡地占35%,大于35°的坡地占50%,屬典型山區小流域。降水量1100mm左右,集中性暴雨易造成山洪災害。該流域在三峽紫色土區有典型代表性,土壤為侏羅紀上統逢萊鎮組紫色砂巖發育的石灰性紫色土與中性紫色土,土壤中含有大量礫石,土層厚度大都在50cm以下,是一種侵蝕型的巖性土。根據當地紫色土坡面地貌特點,選取一典型坡耕地作為試驗點。試驗用地按當地苗床標準進行整地:首先連根拔去小區內農作物(花生),然后進行15cm左右手工翻耕,并揀去裸露在地表的礫石,最后用木板輕壓并推平土壤表面。試驗點土壤基本情況見表1,土壤性質采用常規分析法確定。在試驗點上布設兩個2m×1m的平行小區,在小區的上邊、左右邊3方使用厚0.5cm,高50cm的竹夾板打入地下30cm作為隔水墻,并將竹夾板兩側土壤夯實,敷以細粘土減少邊界效應,分隔小區內外徑流。在小區坡角部位垂直開挖一長度為1m、寬為0.5m、深度至母質層的溝渠,在地表及土壤層和巖石風化層界面處插入V形集水槽,集水槽通過塑料管連接到徑流收集桶,分別收集地表徑流和壤中流。壤中流集水槽略窄于小區寬度,以保證只收集小區內壤中流,并防止出口邊界處的地表徑流沿隔水墻進入壤中流集水槽。同時分別在離小區上坡1/3和2/3距離處不同土壤深度(5cm、10cm及30cm深處),水平埋設6組minitrase-TDR8cm長可埋型探頭,實時監測土壤含水量的變化。每次降雨前,對小區表土做翻耕平整處理,再根據當次降雨需要均勻、不重疊地輕鋪上一定覆蓋度的礫石,礫石為直徑3~7cm形狀不規則的紫色砂巖。根據研究區域礫石覆蓋分布特征,本試驗共設置10%、20%、30%、40%等4個水平的覆蓋度,以無礫石覆蓋小區作為對照。礫石覆蓋度的確定方法:在一定面積水平地面上緊密、不重疊地鋪滿礫石,大致確定設定礫石覆蓋度所需礫石量,把礫石鋪上小區后,采用數碼相機垂直小區坡面方向進行圖像采集,然后采用ERDAS對圖像進行處理測定礫石覆蓋度,測得的精確礫石覆蓋度依次為11%、20%、33%和42%。1.2降雨強度及降水時間特性降雨器采用SPRACO錐形噴頭,噴頭距地面垂直高度4.75m,供水壓力0.08MPa,模擬降雨動能約為等雨強天然降雨的90%,均勻度約0.9,有效控雨面積約20m2,雨強由噴頭數來控制。根據當地多年降水特征,試驗采用60mm/h、90mm/h、120mm/h等3種雨強,實際降雨強度分別為(53.9±2.8)mm/h、(90.8±6.1)mm/h、(134.3±14.9)mm/h,不同雨強的總降雨量都控制為120mm,降雨歷時分別為120min、80min、60min,徑流采樣時間間隔分別為6min、4min、3min。按照60mm/h、90mm/h、120mm/h雨強順序及各個雨強下0%、11%、20%、33%、42%礫石覆蓋度順序在兩個平行小區共進行15場降雨。降雨間隔約24h,盡量消除前期含水量差異對試驗結果的影響,降雨前小區平均含水率分布在30.52%~33.92%范圍內,表現為田間持水量。從降雨開始計時,記錄地表徑流產流時間和壤中流產流時間,根據設定的時間間隔,采集地表徑流和壤中流,記錄徑流體積,讀取土體含水率數據。試驗數據采用SPSS軟件進行統計分析。2結果與分析2.1不同覆蓋度對平均入滲速率的影響圖1為不同降雨強度下礫石覆蓋紫色土坡耕地降雨入滲速率變化過程。在降雨過程中,入滲速率呈指數下降趨勢,在降雨初期,降雨強度愈大,入滲速率下降愈快;不同降雨強度下,隨著礫石覆蓋度的提高,入滲速率的下降趨勢減緩,并保持在較高的穩定入滲速率。當降雨強度為(53.9±2.8)mm/h時,從0%到42%礫石覆蓋度小區的平均入滲速率為36.75~50.99mm/h,在(90.8±6.1)mm/h與(134.3±14.9)mm/h降雨強度下,平均入滲速率分別為39.48~82.82mm/h、45.18~103.14mm/h,42%礫石覆蓋度小區的平均入滲速率是地表裸露小區的1.39~2.28倍。不同降雨強度下,平均入滲速率隨著礫石覆蓋度提高(圖1)。由表2可知,礫石覆蓋對降雨穩定入滲速率及穩定入滲系數有顯著影響。地表裸露小區的穩定入滲速率為20.23~25.01mm/h,而42%礫石覆蓋度小區的穩定入滲速率為48.76~99.85mm/h,42%礫石覆蓋度小區的穩定入滲速率是地表裸露小區的1.95~4.94倍。當降雨強度為(53.9±2.8)mm/h時,從0%到42%礫石覆蓋度小區的穩定入滲系數為47.70%~86.59%,在(90.8±6.1)mm/h與(134.3±14.9)mm/h降雨強度下,穩定入滲系數分別為30.61%~82.83%、17.76%~77.44%,42%礫石覆蓋度小區的穩定入滲系數是地表裸露小區的1.82~4.36倍。穩定入滲速率和穩定徑流系數都隨著礫石覆蓋度的提高而顯著增加。同時,降雨強度對入滲速率影響不顯著,但降雨強度與入滲系數呈極顯著相關關系,入滲系數隨著降雨強度的提高而降低。2.2地表徑流特征圖2是不同降雨強度下,礫石覆蓋紫色土坡耕地地表產流過程曲線。由圖2可知,不同初始條件下,地表徑流產流后逐漸增加至穩定狀態。在降雨初期,礫石覆蓋小區與裸露小區的地表徑流速率差異較小,降雨歷時15~30min后,礫石覆蓋小區地表徑流速率增長速度減緩,最終達到較低的地表徑流峰值,而裸露小區地表徑流速率在較長時間內仍以較快的速度遞增,并獲得最大地表徑流峰值。當降雨強度為(53.9±2.8)mm/h時,從0%到42%礫石覆蓋度小區的地表徑流峰值依次為27.10mm/h、20.03mm/h、14.14mm/h、9.61mm/h與7.55mm/h,在(90.8±6.1)mm/h與(134.3±14.9)mm/h降雨強度下,地表徑流峰值分別為51.35~16.47mm/h、93.84~29.10mm/h,即不同降雨強度下,地表徑流峰值隨著礫石覆蓋度的提高而降低。有關礫石覆蓋度與降雨強度對地表徑流特征主要參數影響的雙因素方差分析結果顯示,礫石覆蓋對地表產流時間、地表徑流速率和地表徑流系數等有顯著影響(表3)。當降雨強度為(53.9±2.8)mm/h時,從0%到42%礫石覆蓋度小區的地表產流時間依次為1.80min、1.19min、1.74min、1.89min與2.11min,當降雨強度為(90.8±6.1)mm/h時,地表產流時間依次為1.27min、0.9min、1.60min、1.96min與1.95min,當降雨強度為(134.3±14.9)mm/h時,地表產流時間依次為0.65min、0.58min、1.00min、1.12min與1.29min。不同降雨強度下,地表產流時間隨礫石覆蓋度的提高呈增加趨勢,二者具有顯著正相關關系。同時,地表徑流速率和地表徑流系數隨礫石覆蓋度的提高逐步降低,當降雨強度為(53.9±2.8)mm/h時,地表徑流速率和地表徑流系數分別為7.55~27.10mm/h、9.41%~29.87%,當降雨強度為(90.8±6.1)mm/h時,地表徑流速率和地表徑流系數分別為16.47~51.35mm/h、13.94%~47.03%,當降雨強度為(134.3±14.9)mm/h時,地表徑流速率和地表徑流系數分別為29.10~93.84mm/h、19.83%~60.24%,與地表裸露小區相比,當礫石覆蓋度為42%時,3種降雨強度下,地表徑流速率分別降低了65.79%、61.59%與62.80%,地表徑流系數分別降低了68.50%、70.36%與67.08%。不同降雨強度下的地表徑流參數也表現出顯著差異,隨著降雨強度增加,地表產流時間縮短,而地表徑流速率和地表徑流系數隨之提高。2.3不同降雨強度對壤中流產流的影響圖3是不同降雨強度下,礫石覆蓋紫色土坡耕地壤中流產流過程。從圖3可以看出,不同礫石覆蓋度小區壤中流速率在降雨過程中呈現出不同的變化規律。地表裸露小區的壤中流速率在降雨過程中呈先增加再降低的趨勢,在降雨歷時18~48min逐漸增加達到最大值,隨后逐漸降低;當礫石覆蓋度為11%與20%時,壤中流產流后,徑流速率逐漸增加至峰值后基本保持穩定或以較緩的速率逐漸降低;當礫石覆蓋度為33%與42%時,壤中流速率迅速增大至峰值后基本保持穩定或先迅速提高后再緩慢增加直至降雨結束。不同礫石覆蓋度及降雨強度下,降雨停止后,壤中流速率都在10~20min內迅速降低至較低速率,土壤水以較穩定的速率(0.2~0.4mm/h)排出。雙因素方差分析結果顯示,礫石覆蓋與降雨強度對壤中流特征具有顯著影響(表4)。當降雨強度為(53.9±2.8)mm/h時,從0%到42%礫石覆蓋度表土的壤中流產流時間依次為18.84min、15.90min、13.74min、11.31min與8.11min;當降雨強度為(90.8±6.1)mm/h時,地表產流時間依次為21.08min、15.73min、8.63min、7.45min與6.05min;當降雨強度為(134.3±14.9)mm/h時,地表產流時間依次為9.98min、10.10min、6.33min、4.84min與3.28min。不同降雨強度下,壤中流產流時間隨礫石覆蓋度的提高而逐漸降低,二者呈顯著負相關關系,與地表裸露小區相比,42%礫石覆蓋度小區壤中流產流時間縮短了56.94%~71.29%。同時,壤中流徑流速率和壤中流徑流系數隨礫石覆蓋度的提高逐步增加,當降雨強度為(53.9±2.8)mm/h時,壤中流徑流速率和壤中流徑流系數分別為1.90~5.23mm/h、4.21%~12.34%;當降雨強度為(90.8±6.1)mm/h時,壤中流徑流速率和壤中流徑流系數分別為2.83~6.56mm/h、3.74%~9.98%;當降雨強度為(134.3±14.9)mm/h時,壤中流徑流速率和壤中流徑流系數分別為2.31~7.09mm/h、3.14%~7.68%。與地表裸露小區相比,當礫石覆蓋度為42%時,3種降雨強度下,壤中流徑流速率分別提高了1.75、1.32與2.08倍,壤中流徑流系數分別提高了1.93、1.67與1.44倍。壤中流產流時間隨降雨強度的提高呈縮短趨勢,這與壤中流速率與降雨強度的關系相一致,降雨強度提高壤中流速率,從而促進壤中流的發生;但不同礫石覆蓋度下,壤中流系數與降雨強度呈負相關關系,壤中流系數隨著降雨強度的提高而降低。3礫石覆蓋度對土壤入滲性能的影響土壤中礫石存在對水文過程的影響受到礫石的位置、大小與含量以及土壤結構的影響。本文研究結果表明位于地表之上的礫石覆蓋對降雨入滲、地表產流及壤中流產流等水文過程有著重要的影響,降雨分配與礫石覆蓋呈顯著相關關系。表土礫石覆蓋增加了地表糙度和降雨截留,隨著表土礫石覆蓋度的提高,地表蓄水量增加,從而導致地表填洼時間延長與地表徑流發生的延遲,不同降雨強度下,地表產流時間隨礫石覆蓋度提高呈增加趨勢。地表徑流的延遲發生促進了降雨過程中的水分入滲,本文的研究結果與已發表的研究結果一致。Cerdà、Mandal等以及Martínez-Zavala和Jordán研究證明徑流和入滲收到礫石覆蓋的影響,主要是由于礫石覆蓋增加了地表糙度,隨著礫石覆蓋度的提高,礫石間的地表徑流深度增加,即土壤水向下移動的壓力勢增加,入滲過程以更快的速率發生,在相同時間內濕潤峰能移動到土壤更深處;在試驗過程中,我們還觀測到,礫石覆蓋下的土壤更有利于水分的入滲,隨著降雨歷時的延長,礫石覆蓋下土壤與礫石間土壤入滲性能的差異更加顯著,這歸因于表土礫石覆蓋保護土壤免受雨滴的濺蝕,減少了地表結皮,使表土維持更高的孔隙度