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不同降雨条件对碱性坡耕地土壤侵蚀影响的研究

2012-04-23郝少英

山西水利科技 2012年3期
关键词:雨强坡地土壤侵蚀

郝少英

(山西省水利水电科学研究院 山西太原030002)

1 研究的目的

土壤侵蚀是导致人类赖以生存且日趋紧缺的土地资源退化和损失的主要原因,是目前人类生存环境所面临的最严重的挑战之一。在干旱半干旱地区的大部分土壤属于易侵蚀土壤,因此,水的流失是引起土壤侵蚀的主要原因。我国黄土高原地形复杂,生态环境脆弱,是世界上土壤侵蚀最严重的地区之一,该地区陡坡开荒严重,加剧了水土流失。如何增加土壤水分的入渗性能和储存量从而减小表面侵蚀量成为水土保持的主要任务之一。

入渗是指水分进入土壤形成土壤水的过程,它是降雨、地面水、土壤水和地下水相互转化的一个重要环节。土壤侵蚀的大小受到多种因素的影响,在干旱半干旱地区,土壤和水的流失是同时发生的。因此减少水的流失,增加水分入渗是减少土壤侵蚀的重要方法。而碱性坡地由于具有较高的土壤ESP值(ESP表示总的阳离子交换量中钠离子所占的比例,天然降雨条件下,ESP值大于15,表明pH值一般大于8.5,甚至10或更高,即通常所说的碱性土壤),因此降雨的入渗也具有其特点,本试验研究的目的在于通过设置不同的降雨条件,研究水的流失和土壤流失之间的关系,主要研究不同降雨条件和初始含水量对ESP水平的土壤侵蚀。研究这一问题有助于提高碱性坡地的管理水平,从而合理制定非宜耕荒坡地的管理政策和法规。

2 试验方法

1)取试验用土,进行过筛(5 mm),实验前进行自然风干,然后取土样测定土壤含水率。

2)试验土槽采用铁板制作,底部带有孔眼,土槽尺寸为100 cm×60 cm×25 cm。土槽底部铺设一层粗纺布和5 cm厚的粗砂。测定土壤含水量后,按1.2 g/cm3的容重分层装土,每2 cm为一层。

3)降雨采用室内降雨模拟器,采用蒸馏水,以20 mm/h的降雨强度进行预降(开始产生径流为止),将土壤放置12 h后进行试验。试验中记录产流随时间的变化,即每隔5 min接取1次浑水径流样,试验时间为60 min。由于试验时间较短以及在降雨过程中蒸发相对较小的缘故,试验过程中的蒸发损失的水量可以忽略,径流量和入渗量之和近似等于坡面降雨量,因此,可以计算出坡面的入渗量。

4)在试验数据(土壤径流量、入渗量随时间的变化,将收集的水样烘干后确定土壤的侵蚀量)的基础上进行理论分析。

3 试验结果与讨论

当坡度为5°时,研究在不同的降雨强度下,土壤的径流量、入渗量及侵蚀量的变化。

3.1 不同雨强下碱性坡地土壤径流量随时间变化过程

图1 不同雨强下径流量、累积径流量随时间变化过程

由图1可知:在不同降雨强度下,降雨量越大,径流量也越大,径流对土壤冲刷力也就越强。小雨强下,径流量随着降雨历时先增加后趋于稳定。各时段内雨强为100 mm/h的径流量都要比雨强为50 mm/h的大。雨强为100 mm/h的产流时间也比雨强为50 mm/h的短,其原因是由于土壤初始含水量的不同,雨强为100 mm/h的土壤含水量要大于雨强为50 mm/h的,从而使产流时间变短。

不同降雨强度下累计径流量和径流量具有相同的变化趋势,均随降雨过程逐渐增加,但雨强为100 mm/h累计径流量和径流量随时间的变化率要比雨强为50 mm/h的快。在不同雨强下径流量随时间的变化规律不是特别明确,其原因:一方面可能是由于室内模拟人工降雨不均匀,另一方面是由于工作人员在操作时存在一定的误差和计算结果有效数字保留造成的。

3.2 不同雨强下碱性坡地土壤入渗量随时间变化过程

图2 不同雨强下入渗量、累积入渗量随时间变化过程

从图2看出:两种雨强条件下,入渗量均随时间的递增而逐渐减小;随着时间的增加,同一雨强相邻时间段的入渗量变化均逐渐减小,并逐渐趋于平稳;随着时间的增加,两种雨强条件下的入渗量差值逐渐增加;100 mm/h雨强对应的入渗量的变化率比50 mm/h的入渗量的变化率要大一些。

从土壤水分入渗量时间的变化曲线来看,土壤入渗量随时间的变化曲线大致可分为3个阶段:第一个阶段土壤入渗速率很大,变化率大,此阶段土壤水分主要受分子力作用 ,入渗量的变化与初始含水量关系比较密切;第二阶段随着含水量的增加,土壤入渗率逐渐降低,变化率要小于第一阶段,入渗主要受毛管力的作用。随着入渗过程的进行,土壤逐渐达到饱和,入渗速率趋向于一个稳定的数值;入渗过程进入第三个阶段,这时分子力不再起作用,毛管力非常微弱,而主要受重力作用,此时的入渗率即为土壤稳渗率。在图2中,入渗率随时间的变化并不是严格的先减少后趋于稳定的趋势,但大方向还是和前人研究相一致的。

3.3 不同雨强下碱性坡地土壤侵蚀量随时间变化过程

图3 不同雨强下侵蚀量、累积侵蚀量随时间变化过程

由图3可知:在不同雨强下,土壤侵蚀量随时间变化为先增大后减小最后趋于稳定;不同雨强下,坡地土壤侵蚀随降雨的变化过程的变化相似,侵蚀强度变化的转折点在降雨开始后10~15 min之间。高强度降雨条件下侵蚀量都要明显大于低强度降雨条件下的侵蚀量,低强度降雨条件下随降雨过程的持续,侵蚀量逐渐减少,最后趋于稳定。而无论是在大雨强下还是小雨强下累计侵蚀量均随降雨过程的持续而增加。但大雨强下土壤累计侵蚀量增加要比小雨强的快,累计侵蚀量也比小雨强的大。

4 试验结论与建议

试验表明:(1)不同雨强下,土壤的入渗量开始时最大,随后随降雨历时而逐渐减小,最后趋于稳定。(2)在不同雨强下,碱性坡耕地的径流量与降雨量有关,并随时间呈先增大后趋于稳定的趋势。(3)在不同雨强下,坡地侵蚀随降雨具有相同的变化过程,侵蚀量先增大后减少,最后趋于稳定。

本试验研究有助于提高碱性坡地土壤的管理水平,有助于合理制定非宜耕荒坡地的管理政策和法规,并给土壤侵蚀预报模型提供一定的基础数据,但由于试验都是在室内人工降雨下进行的,与天然降雨还有一定的不同,所以没有考虑到风等自然因素的影响。

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