1、放水冲刷对红壤坡面侵蚀过程及溶质迁移特征的影响研究马美景 王军光 郭忠录 蔡崇法（华中农业大学水土保持研究中心， 武汉 430070）摘 要 坡面薄层水流侵蚀不仅造成土壤养分流失，土壤质量恶化，同时对水体污染等环境问题造成一定影响。为了分析上方来水流量对红壤坡面径流侵蚀过程中泥沙的迁移规律及土壤溶质运移特征的影响，本试验利用室内放水冲刷试验，采用3个不同上方来水流量（10 L min-1，15 L min-1，20 L min-1）对第四纪黏土发育红壤坡面径流侵蚀过程中地面径流泥沙和径流中非吸附性离子（Br-）迁移过程进行了研究。结果表明：不同上方来水条件下，放水初期产流量迅速增大，后期趋于
2、定， 径流量 产流时 成 的 性 ，10 L min-1，15 L min-1，20 L min-1 上方来水流量下 径流量分 为 263.2L 295.1 L 291.04 L 上方来水流量 大，薄层径流冲刷 用 ，径流 沙量 时 化 ， 泥沙量 产流时 化，15 L min-1，20 L min-1流量下 泥沙量分 10 Lmin-1流量下 泥沙量的1.42 4.25径流Br- 产流时 ，了土壤溶质 径流迁移量水流 土壤currency1时 和 用程 的影响。研究表明放水冲刷对土壤侵蚀及溶质运移“ 用，试验结果对“fi fl 红壤坡面侵蚀及养分流失“ 。关键词 红壤 放水冲刷 坡面侵蚀 泥
3、沙 溶质迁移中图分类号S157.1 文献标志码红壤”地 ， 流的大分及，地水 ， 的农业产。 对土地 期的不 发 利用，地土壤 ，土壤侵蚀造成土壤 下 ， 本农业产发 1-2。坡面 土壤侵蚀发的 本 ， 内 学 用坡面 为研究对。坡面侵蚀过程 和径流冲刷 的土壤 分离 泥沙 移和 大过程3-4。 研究表明， 及 成的坡面径流 侵蚀发 发 的 。土壤侵蚀 于径流冲刷产的, 蚀 过径流进行运 5。 侵蚀 水土流失的产沙泉, 流的 成过程就 一个产沙过程6。水土流失导致土壤中大量的化学物质 地表径流迁移，造成土地质量下 ，同时 河湖泊的面污染， ，研究土壤溶质 地表径流迁移特征及fl 方法 提高土地
4、产 和fl 面污染的一个方面7。目前，内 对坡面土壤侵蚀及养分流失研究已做了大量工 ，并取得一定果，集中在 坡 植被覆盖 等素对坡面侵蚀及养分流失的影响8-12，“一分学过上方来水试验研究水 学参 对土壤侵蚀的影响13-16，而薄层径流驱 下红壤坡面侵蚀过程及土壤溶质 地表径流迁移特征研究仍于初级阶段，“待进一步深入研究。本文从分析不同上方来水流量下红壤坡面侵蚀过程及溶质迁移特征入手，初步探讨红壤坡面产流产沙特征及溶质迁移规律，为进一步研究坡面侵蚀的 学机 和土壤迁移机 奠定一定的 础，对方红壤”的农业产“参考价值。1材料 方法1.1试验装置模拟试验装置下3大分组成：供水装置，蓄水池 水泵 阀
5、门和水管组成，水泵可 过阀门fl 流量 放水冲刷装置， 流箱和阀门组成， 流箱两块不锈钢板分成 级消能 流槽，使水流均匀平 流入试验土槽 模拟试验土槽和塑料容器，土槽采用厚 为8 mm的钢板 造而成，土槽的坡 在030内可灵活调节。家自然科学 金项目（41401303） 助 Funding of the National Science foundation(41401303) 讯 Corresponding author，E-mail：简介：马美景（1989-），男，山西晋城，硕士，从事土壤侵蚀机 方面研究。E-mail：收稿日期：2015-03-23 收 修改稿日期：图1 示了试验模拟 统
6、。图1 试验装置Fig. 1 Experimental set本试验在湖北省华中农业大学工模拟 大厅进行。冲刷流量参考前研究的红壤坡面侵蚀性 的范围及情况，结 本试验冲刷槽尺寸，设 10 L min-1,15 L min-1,20 L min-1 3个流量水平， 供水量300 L。试验土槽“面 为1.5 m2， =3 m0.5 m，土槽深 为0.35 m。1.2供试土壤本试验供试土壤来于湖北省 ， 红壤的北 ， 高，西北 。 于 ， 均 1517， 均 量1 300 mm 。成土质第四纪黏土和泥质 为，土地利用 地为， 地 。本试验取第四纪红黏土发育 地红壤，采取020 cm的表层土， 块 等
7、质后 ，过5 mm和2 mmcurrency1用。土壤性质fi定采用土壤分析的“规方法17，pH采用1:2.5土水法，“机质采用fifl 法，机组成采用吸管法，容采用环法，土壤性质表1。表1 土壤基本性质Table 1 Basic properties of experiment soil土壤 Soil types容Bulk density(g cm-3)“机质Organic matter(g kg-1)pH机组成 Particle composition(%)SandSilt黏Clay红壤 Red soil 1.37 13.91 5.47 12 45 431.3 土壤 装 土槽”设一层20
8、cm厚的 沙，沙层上”一层水 ， 保下面土壤性质的 性 。为了fl 土过程土壤 保持一致，采取分3层土， 层5 cm，下两层 过5 mm的土，表层 过2 mm的土，装上层土壤前， 下层土壤表层，分层18-19， 放水流量冲刷试验结 后 上层5 cm土壤进行下一 试验。装土壤容fl 在1.35 g cm-3，currency1 自然 况。土壤初 容 水量为30%，坡 fl 为10。1.4示 溶质Br-的表 方法试验前在试验土槽上表 溶质KBr溶 ，表 Br-的 量水平为80 g m-2。体的 为:用定量的 离子水 KBr 成溶 , 然后用 的 器 均匀地 在供试土槽土壤坡面上, 程 为 , 同时
9、 量 试验 离土壤表面 而造成 。表 结 后放置12 h后 放水试验。1.5模拟试验过程供水设，调节fl 上方来水流量 试验设定水平进行试验。自坡面产流 ，30 s收集径流，前10 min 1 min收集1个径流，后 2 min收集1个径流，法fi定泥沙量（ 0.01 g），同时量 量取径流体 （ 0.01 L）。量尺法fi定坡面 化过程， 示 法（KMnO4溶 ）fi定坡面表层流速（ 0.01 m s-1），fi量时从坡面的坡段 ， 上坡进行， 可上坡KMnO4溶 对下坡造成 ， 环fi量土槽坡面 坡顶3 2和1 m3个置的断面水流流速，本试验坡面平均流速为表层流速乘相 的折 得 （层流取0
10、.67，紊流取0.8）。酚红分光光 法fi定径流溶质Br-的 （0.01 mg L-1）。2结果 讨论2.1上方来水流量对径流流速的影响表2 不同上方来水量条件下坡位平均流速Table 2 Mean surface runoff velocity at the down slope as affected by volume of the flow coming from the upperstream径流流量Inflow rate（L min-1）坡面流速Flow velocity（m s-1）_坡上Upper slopes 坡中Middle slopes 坡下Lower slopes 平均
11、值Average10 0.18 0.22 0.24 0.2115 0.28 0.29 0.36 0.3120 0.32 0.34 0.38 0.35表2 示不同上方来水流量下坡面水流速的空 分特征。表2可看，不同上方来水流量条件下的坡面流速均 坡上 坡中 坡下流速递增趋势， Govers，Nearing，刘和平等的研究结果一致。Govers20和Nearing21的研究发，在侵蚀 内，水流流速 坡 无 ，仅 流量的简 。刘和平等22的研究表明，流量和流速十分切，多 增。 流量的增大，水流流速增大，径流“ 大的能量，侵蚀 。究原，首 沿坡面向下的分 用使径流流速存在一个速 ，离坡顶 离 大，水流
12、流速增 大23 坡下移， 内汇集的径流量增大，水流厚 相 增大， 了下面对径流的 用 后侵蚀 的 态会影响流速的化。2.2上方来水流量对产流速率 产沙速率的影响图2 坡面产流产沙特征Fig. 2 Runoff and sediment yielding along the slope不同上方来水流量 用下坡面产流产沙规律如图2示。从图2a可看， 上方来水流量下径流量的 化规律相似，即放水初期径流量迅速增， 放水时 的持 ，径流量增速 缓慢， 后趋于 定，但“一定的 性，15 L min-1 20 L min-1的 为 。 模拟 条件下坡面产流过程 化特征相似。径流量和入渗量“切 在 径流量一定
13、的情况下径流量 入渗量 负相 ，土壤的入渗能 入渗的持 逐渐 ，入渗速率逐渐，产流速率 时 增趋势24。上方来水流量对产流速率影响 ，上方来水流量 大，产流速率 快。当上方来水流量为10 L min-1 15 Lmin-1 20 L min-1时，对 的产流速率 化范围分 为：2.879.36 L min-1 12.8915.82 Lmin-1 17.2821.26 L min-1，说明当径流量 定时上方来水流量表为产流。从图2b可看，径流过程中产沙量 性 化，上方来水流量为10 L min-1时，产沙量 化趋势表为 增大后，后 本保持 定 态 上方来水流量为15 L min-1和20 L m
14、in-1时，产沙量的峰值在试验 阶段， 后表为逐渐 趋势，后 定 态。原 当上方来水流量较大时，径流冲刷 用 ，坡面侵蚀发育迅速， 的发育和松散物质被剥蚀，地面物质对泥沙的补给能 下 ，产沙量下 ， 发育成熟时，径流侵蚀能 定，坡面 沙 定。本试验研究结论 王全九25研究结果并不一致，王全九在对黄土坡面侵蚀过程研究中指，当上方来水流量为10 L min-1 20 L min-1时侵蚀产沙量 放水时 化平缓，当上方来水流量为30 L min-1 40 L min-1时侵蚀产沙量 放水时 化 ，且整体 趋势。经分析，造成 一差的原 红壤结果 黄土结果差较大，在相同 界条件下， 不同的抗蚀果。王辉等
15、26研究结果表明，流量介于0.73.3 L min-1 时，产沙量 时 增大后的趋势。 过对发，在10 L min-1和15 L min-1 存在一个临界流量值，当上方来水流量于临界流量时，产沙量 时 增大后的趋势，当上方来水流量大于临界流量时产沙量 时 逐渐的趋势。原为当上方来水流量较时，冲蚀能 较弱，径流挟沙能 较，产流初期产流量较 上方来水流量的增大，冲蚀能 增 ，导致坡面极易 成侵蚀 ， ，上方来水流量的增大使径流挟沙能 增 ，相 的挟沙量增大， 产流初期产沙量较大。2.3上方来水流量对 产流量 产沙量的影响为进一步分析上方来水流量对坡面产流产沙的影响，研究了不同上方来水流量下， 产流
16、量和 产沙量 时 的 化特征(图3)。图3 累计径流量和累计泥沙量变化特征Fig. 3 Change in cumulative runoff and sediment mass图3a可知，不同上方来水流量条件下， 径流量 放水时 的 性 化（R20.99）， 径流量曲 的斜率 放水流量的增大而增大。当上方来水流量为 10 Lmin-1 15 L min-1 20 L min-1时，对 的 径流量分 为263.2 L 295.1 L 291.0 L。上方来水流量不仅影响坡面的入渗和产流能 ，还影响坡面的侵蚀产沙量。从图 3b可看， 泥沙量 产流时 增（R20.96），上方来水流量 大，增的幅大
17、， 为侵蚀 成过程中泥沙 量较高， 侵蚀 发育成熟，侵蚀泥沙逐渐少。相同的放水历时，上方来水流量 大相 的 泥沙量就 大 放水 量相同时，当上方来水流量为10 L min-1 15 L min-1 20 L min-1时，对 的 泥沙量分 为16.70 kg 23.73 kg 70.96 kg。不同上方来水条件下 泥沙量和 径流量的相互 进行 拟 和对，发 泥沙量和 径流量的 均满足 y=AxB（式中：y为 泥沙量，x为径流量），“方程相 均在0.97上， 于 等27的研究结果一致， 泥沙量和 径流量 的 方程列于表3中。表3 累计泥沙量和累计径流量拟合关系Table 3 Fitting re
18、lationship between cumulative sediment volume and cumulative runoff volume上方来水流量Inflow rate（L min-1）拟 Power function fitting拟 方程Fitting equation R210 y=0.0382x1.1429 0.986*15 y=1.7682x0.4721 0.981*20 y=0.7346x0.9738 0.974*注：*表示在0.01水平上 极 差Note: *indicates significant difference at p 0.01 level.2.4上方
19、来水流量对径流 沙量的影响土壤侵蚀中的径流 沙量 土壤侵蚀研究的 本参 ，对水土流失治 和 地质量评价“ 。径流的 沙量会 泥沙侵蚀-搬运- 一物 用 化过程的影响，还会 径流本身多少的影响。图4 径流含沙量变化特征Fig. 4 Change in silt content of runoff with time图4了不同上方来水流量条件下径流 沙量 化特征。不同上方来水流量条件下径流 沙量的 化趋势不同。流量时（10 L min-1），径流 沙量历经前6 min的增后，逐渐的特点， 化范围为0.020.11 kg L-1 较大流量时（15 L min-1 20 L min-1），径流 沙量持
20、 较。产流初期径流 沙量 流量的增大而增大，currency1 沙 定时较大流量（15 L min-1 20 L min-1）的径流 沙量均于流量（10 L min-1）的径流 沙量，对 的径流 沙量分 为0.020.41 kg L-1 0.060.51 kg L-1。产流初期，流量 大，径流 沙量 大，但 当径流 沙率 定时，15 L min-1 20 L min-1的径流 沙量均于流量为10 L min-1的径流 沙量。分析原为地面物质补给 径流 沙量 化的原，径流过程初期搬运表层松散物质为， 发育成熟时，泥沙来于水流对土壤 的机 。 王文龙28研究结果一致，说明上方来水对土壤侵蚀“较大的
21、冲刷 用，造成 的土壤侵蚀。2.5上方来水流量对坡面径流溶质 的影响上方来水流量了坡面土壤的供水 ,在没“ 影响的放水试验条件下, 改 上方来水流量就相当于改 了坡面土壤的供水 , 就会使 入整个土 水 统的水量和能量发改 , 从而影响 坡面土壤溶质迁移的整个过程。为了便于分析, 本文研究在他素相同的条件下, 改 上方来水流量对坡面溶质迁移特征的影响。图5 径流溶质Br-浓度变化特征Fig. 5 Change in bromide concentration with time图5 示了不同上方来水流量下径流Br- 化特征， 体表为：放水初期径流溶质Br- 较高， 放水时 的持 ，径流溶质Br
22、- 迅速， 后逐步 一个较的 值，造成 一的原 产后，薄层径流汇集在 内， 表层土壤Br-相互 用弱。放水冲刷初期，当流量为15 L min-1时，径流Br- 高于他 ，原 径流溶质 土壤溶质本值和径流量的双影响。本试验中，流量对径流溶质Br- 产流时 的 态 化过程 王辉等26研究结果不一致，王辉试验结果表明，在坡 为8，上方来水流量介于0.73.3 L min-1时，径流溶质Br- 产流时 升高后 趋势。试验结果差性可能 于试验条件（坡 流量）不同造成，可，坡面溶质迁移 一个复的过程，需进一步 研究。表4 上方来水流量下径流溶质Br-浓度变化曲线的拟合关系Table 4 Fitting r
23、elationship between Bromide concentration in runoff at downslope and incoming flow from upperslope上方来水流量Inflow rate（L min-1）拟 Power function fitting指 拟 Index function fitting拟 方程Fitting equation R2 拟 方程Fitting equation R210 y=1251.6x-1.14 0.920* y=459.3e-0.118x 0.954*15 y=1503.8x-2.021 0.959* y=297.
24、9e-0.252x 0.721*20 y=1620.8x-2.136 0.938* y=559.98e-0.366x 0.869*注：*表示在0.01水平上 极 差。Note: *indicates significant difference at p 0.01 level.对不同上方来水流量下径流溶质Br-的 化曲 进行拟 分析，发径流溶质Br-的 冲刷 用时 的 均满足 y=AxB,指 y=AeBx（式中：y为径流溶质Br-的 ，x为冲刷 用时 ），拟 结果如表4示。径流溶质Br- 的曲 利用 拟 结果较，决定 均 0.90上，而相同条件下利用指 拟 果较差。 说明对于不同上方来水流量下
25、径流溶质Br-的 时 的 化过程，利用 可 的过程。Guo等29的研究结果表明上方来水流量（10 L min-1 20 L min-1 30 L min-1 40 L min-1）条件下，径流溶质Br-的 时 化分为两个阶段：一 产流初期（010min）Br-的 迅速 二 10 min后Br-的 逐渐 定。指 和 均可拟 Br- 时 的 ，但 拟 果 。过 Guo等试验结果对分析得，上方来水流量条件下，红壤坡面溶质迁移特征黄土坡面相似，但坡面红壤流失率 快。建立 模 可 地描述非饱和土壤溶质流失特征。3结 论过室内上方来水模拟薄层径流冲刷试验，对分析了不同上方来水流量条件下，径流流量 径流 沙
26、量及径流溶质 时 化 态过程，了上方来水流量对坡面侵蚀产流产沙及溶质 径流迁移的影响。得下结论：（1）不同上方来水流量条件下，产流产沙均 为 性 化过程，上方来水流量 大坡面产流量 大。泥沙量表为：流量下 较平缓，流量较大时，产流初期 ， 侵蚀过程的 定，泥沙量趋于一个 定值。 产沙量 径流量 较的 。（2）放水冲刷 用下，不同上方来水流量下径流溶质 产流时 “相似的 化规律，分为两个阶段：产流初期05 min迅速，5 min后径流溶质 化缓慢，趋于一个较 的 值。 过拟 方程可看上方来水流量 用下， 可描述溶质特征。 参考文献1 赵, 徐梦洁, 吴志 . 红壤”地农业可持 发 研究. 土壤学
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