人工模拟降雨条件下花岗岩红壤坡面侵蚀过程与特征分析

冯秀，查轩，黄少燕

(福建省亚热带资源与环境重点实验室，福建师范大学地理科学学院，350007，福州)

花岗岩红壤侵蚀区广泛分布在我国南方的福 建、江西、广东、湖南等省区，面积达19.72 万km2，占红壤侵蚀区总面积的28.5%［1］。由于自然环境、花岗岩母质的特征及人为植被的破坏，花岗岩红壤区已成为我国水土流失严重的区域，生态环境极其脆弱，生态修复和重建困难大、任务重［2-3］。目前已有学者就花岗岩红壤侵蚀方面开展了有关研究［1-6］，如周刚等［7］从不同地类研究了花岗岩红壤区土壤的抗蚀性分异规律，阮伏水等［8］按不同土地利用类型确定了红壤坡地的水土流失特征，李朝霞等［9］从红壤表土结构的变化分析了其对土壤侵蚀的影响。众多研究结果说明影响花岗岩红壤侵蚀的因素十分复杂，前人倾向于对单一因素进行分析研究，但从不同降雨强度、坡度和地表覆盖多因素条件下揭示花岗岩红壤坡面侵蚀发生发展过程机制的研究鲜有报道。基于此，笔者以具有典型代表性的长汀县河田镇花岗岩严重侵蚀退化红壤为试验用土，通过室内人工模拟降雨试验，从降雨强度、坡度和地表覆盖3方面系统探讨花岗岩红壤坡面的侵蚀过程和特征，以期为花岗岩红壤区水土保持措施配置和规划及坡地改良和合理利用提供参考。

1 研究方法

1.1 试验设计

试验采用福建省亚热带资源与环境重点实验室模拟降雨大厅的下喷式人工降雨设备进行，喷头距地面高度3.5 m，所有降雨雨滴都可以达到终点速度。试验土槽自行设计，其尺寸规格为150 cm×50 cm×30 cm(长×宽×高)。土槽底部均匀钻5×5 个孔，保持土壤的透水性，并在土槽下端设集流槽，用来收集径流样品。试验通过压力阀和喷头组合控制降雨强度和雨滴直径分布。

根据红壤区山地地形和野外调查结果，试验共设计3 种坡度(10°、15°、20°)，每个坡度进行3 种降雨强度(1.0、1.5、2.0 mm/min)试验。另外，在15°坡度增设一个有地表覆盖的试验，地面覆盖选择马尾松(Pinus massoniana)松针，地表覆盖松针量为325 g/m2。试验采用降雨量一定、不同降雨历时的原则，降雨量控制在50 mm 左右，1.0、1.5 和2.0 mm/min 降雨强度的降雨历时分别控制在50、33 和25 min 左右。

1.2 试验过程

试验用土采自长汀县河田镇花岗岩严重侵蚀退化红壤，采样深度控制在0 ～30 cm 的表层土，土壤在试验前过10 mm 筛，剔除土样中的沙砾、石块、植物根茬等杂质，均匀混合。试验土槽分3 层装土，每10 cm 为一层，每层装好后用木板将表面刮平打毛，以便相邻土层土壤能很好地结合在一起，并控制土壤密度及含水量与采样时的实测值相近。边填土边压实，目的是减少坡面微形态的影响。

为保证土壤前期含水量一致，每次模拟降雨试验的前一天降雨至产流，第2 天再进行试验。另外，为保证试验区降雨强度分布均匀，每场试验前均进行降雨强度的率定，时间为1 min，尽量减少降雨强度的误差。

从开始降雨记时，并记录产流时间，产流后每隔3 min 采集一次径流样。试验结束后，记录每3 min产流的体积，再将径流样静置过夜(大约24 h)，倒掉上部清液，剩余的混水样倒入铝盒中，放入烘箱，在105 ℃烘干称量，测定其泥沙含量。

2 结果与分析

2.1 起始产流时间

坡面产流受降雨特性和下垫面等因素影响，根据霍顿的产流理论，在下垫面条件一定，降雨强度大于土壤入渗率时，地面产流，降雨强度小于土壤入渗率时，则降雨全部入渗［10］。起始产流时间一定程度上可以反映地表径流变化情况。

不同降雨强度下不同坡度的产流时间见表1。可知:相同降雨强度时，随着坡度的增加，起始产流时间缩短;相同坡度条件下，随着降雨强度的增加，起始产流时间也缩短;在15°坡度条件下，裸露和坡面松针覆盖条件下的产流时间都是随着降雨强度的增大而缩短;降雨强度1.0 mm/min、坡度10°下的产流时间最长，达到2.98 s，是降雨强度2.0 mm/min、坡度20°产流时间的5 倍;10°坡度的起始产流时间在相邻2 降雨强度处理间的相差幅度分别是1.56和0.47 s，明显大于20°坡度的相应变化幅度，即0.28 和0.38 s;10°、15°、20°坡度条件下，2.0 mm/min 降雨强度的产流时间分别比1.0 mm/min 的快2.03、0.88 和0.67 s，1.0、1.5、2.0 mm/min 降雨强度条件下，20°坡度的产流时间分别比10°坡度快1.73、0.45 和0.37 s;与裸露相比，15°坡度地表覆盖随着降雨强度的增大其产流时间分别相差0.52、0.32 和0.12 s。由此可见，全部处理都对产流时间有影响，降雨强度和坡度越大，产流时间越快，且降雨强度对产流时间的影响比对坡度的影响更为显著，且地表覆盖有助于延缓产流时间。

试验中各因子对产流时间的影响显著，起始产流时间与降雨强度关系密切的原因可能是与坡面的产流方式有关，当降雨强度小时，雨水全部下渗，产流方式为蓄满产流，当降雨强度大时，可能是超渗产流;坡度增大后，径流重力沿坡面方向上的水平分力增大，可加快径流速度和击溅雨滴沿坡面下落的速度［11］，都有利于增加径流;地表覆盖则能截留降水，从而有效延缓产流时间。

表1 不同降雨强度、坡度以及坡面覆盖条件下起始产流时间Tab.1 The initial time producing runoff at different rainfall intensities，slope degrees and cover on the slope surface

2.2 降雨强度和坡度对红壤坡面侵蚀过程的影响

2.2.1 降雨强度和坡度对径流率的影响 图1 为不同降雨强度和不同坡度条件下的坡面径流过程曲线。可以看出，在同一降雨强度条件下，随着坡度的增加，径流率增大，任意时间点的瞬时产流率坡度10°＜坡度15°＜坡度20°，而且这种坡度对径流率的影响程度随降雨强度的不同有明显差异。同一降雨强度条件下，不同坡度在降雨初期产流率小，然后随降雨时间推移，径流率快速增加，7 ～10 min 后达到稳定状态。1.0 mm/min 降雨强度下，不同坡度产流较小且差异不大，降雨强度为1.5 和2.0 mm/min时，部分时间段的瞬时产流率比相邻时间段的产流率偏低或偏高，导致径流历时过程线有所波动。由于地面坡度、降雨强度、土壤物理化学性质等因素都能影响细沟的演变与发展，所以径流较为随机，径流率的变化过程出现波动。经统计，累计径流量随着坡度的增加也逐渐增加。坡度大小影响径流重力在斜坡水平方向的分力，坡度大，分力变大，导致径流沿坡面流动速度加快，利于增加径流。

另外，20°坡度条件下，1.0、1.5 和2.0 mm/min降雨强度时，平均径流率分别是0.54、0.92 和1.08 L/min，表现为随着降雨强度的增大径流率相应的也增大，10°和15°坡度下亦是如此。同一坡度下径流率与降雨强度呈正相关关系。

图1 3 种降雨强度条件下坡面径流率随坡度的变化Fig.1 Changes of runoff rate with slope degree at three rainfall intensities

降雨前期产流量小，与降雨初始表土疏松、入渗大有关，之后产流率快速增加与结皮的形成有关。3种降雨强度条件下都不同程度出现结皮现象，而结皮能降低土壤的入渗能力。1.0 mm/min 降雨强度条件下，结皮较薄且零散，而降雨强度增大后，结皮进一步发育，变得更加紧实完整，同时伴随着砂砾形成紧实的表土。

2.2.2 降雨强度和坡度对产沙过程的影响 泥沙是导致河流淤积的主要根源，产沙率是坡面侵蚀产沙过程研究的重要指标。图2 示出不同降雨强度和不同坡度条件下，产沙率随降雨历时的变化。可以看出，在不同降雨强度和不同坡度条件下，产沙率随降雨历时变化都表现为先快速增加，然后慢慢达到稳定。其中，1.0 mm/min 降雨强度时，各坡度的产沙率在7 min 左右达到稳定，1.5 mm/min 降雨强度时，产沙率达到稳定的时间约9 min，而2.0 mm/min降雨强度时，达到稳定的时间大约在10 min。说明随着降雨强度的增大，各坡度达到稳定的时间有所延迟。1.0 mm/min 降雨强度时，坡度10°、15°和20°产沙率变化范围在0.30 ～0.45 g/min 之间，1.5 mm/min 降雨强度时的变化范围在0.30 ～0.60 g/min 之间，2.0 mm/min 降雨强度时则在0.50 ～0.70 g/min 之间，降雨强度越大，不同坡度侵蚀产沙率越大，且存在明显的差异。另外，1.0 mm/min 降雨强度时，不同坡度的产沙率差别较小;在1.5 mm/min降雨强度时，坡度10°、15°和20°的平均产沙率分别是0.34、0.46 和0.44 g/min，各坡度侵蚀产沙率与坡度增加没有表现出一定的规律性;在2.0 mm/min降雨强度时，坡度10°、15°和20°的平均产沙率分别是0.50、0.58 和0.62 g/min，侵蚀产沙率随坡度的增加而增加。随着降雨强度的增大，坡度对产沙率作用更加明显。

产沙率在降雨初期急剧上升，达到峰值后又迅速下降，最后达到稳定，2.0 mm/min 降雨强度时这种规律更加明显。产沙率与土壤侵蚀强度有关，降雨强度增大，对土壤表面的打击能力变大，侵蚀能力增强，而产流初期流量小，土壤结构疏松易被分散，产沙量较高。随着降雨的持续进行，流量变大，细小颗粒又填充了土壤空隙，减轻了侵蚀强度，导致含沙量下降。当地表径流和土壤结构达到稳定时，含沙量也就会趋于稳定。

图2 3 种降雨强度条件下产沙率随坡度的变化Fig.2 Changes of sediment yield rate with slope degree at three rainfall intensities

2.2.3 坡度和降雨强度对水土流失影响的综合评价 土壤侵蚀是由各种因子综合作用而形成的，其中坡度是产生土壤侵蚀的主要地形因子，降雨强度是主要的降雨因子，在地面裸露的情况下，这2 个因子起着十分重要的作用。由表2 可以看出:坡度和径流总量之间相关系数为0.429(P=0.249)、坡度和产沙总量之间的相关系数为0.587(P=0.097)，故认为坡度和径流总量、产沙总量之间相关性不显著;降雨强度和径流总量、产沙总量之间存在极显著的正相关，相关系数分别为0.892(P=0.001)和0.799(P=0.01);而径流总量和产沙总量之间也存在着极显著的正相关关系，相关系数为0.980(P=0.00)。可见，坡度和降雨强度2 个因子相比，降雨强度对于水土流失影响更大。径流总量和产沙总量的关系说明，一次降雨中，径流越大，所携带的泥沙量就越多，其终归结底就是降雨强度起着最重要的作用。

表2 坡度、降雨强度和径流总量、产沙总量的相关性分析Tab.2 Correlation among slope degree，rainfall intensity，total runoff and total sediment

2.3 地表覆盖对红壤坡面侵蚀过程的影响

15°坡度裸露和覆盖坡面的径流总量和产沙总量见表3。可以看出，相同降雨强度时，径流总量和产沙总量裸露坡面的明显高于覆盖坡面的。1.0、1.5 和2.0 mm/min 降雨强度时，裸露坡面相应的径流总量为21.28、24.31 和23.78 L，分别比有覆盖坡面高62.2%、45.0%和40.7%;1.0、1.5 和2.0 mm/min 降雨强度时，裸露坡面相应的产沙总量为7.42、13.37 和14.11 g，分别比有覆盖坡面高96.0%、94.8%和94.0%。可见，坡面覆盖能有效地减少水土流失量，且2.0 mm/min 降雨强度时的控制作用更明显。主要是因为覆盖可以增加地表糙率，雨滴先打在松针上，阻挡雨水，增加入渗，从而很好地减少径流，同时降低了雨滴直接接触到地表的动能，覆盖处理足以克服大动力下的土壤侵蚀，减少土壤的侵蚀量。

3 结论

1)在花岗岩红壤区，坡度和降雨强度越大，起始产流时间越快，反之则所需时间越长，坡面有覆盖时能延缓产流时间。

表3 15°坡度时裸露坡面和覆盖坡面的径流总量和产沙总量Tab.3 Total runoff and total sediment between bareness and cover at a slope degree of 15°

2)在花岗岩红壤区，随着降雨强度和坡度的增加，径流率明显增加，并且从产流初期开始快速增加，经过一段时间后达到稳定;产沙率随降雨强度的增大而明显增大，同时降雨强度越大，坡度对产沙率的作用更加明显，且各坡度达到稳定的时间有所延迟;降雨强度和径流总量、产沙总量相关性显著，降雨强度对水土流失起着重要的作用。

3)地表覆盖能有效地减轻花岗岩红壤区坡面土壤侵蚀，在一定坡度条件下，地表裸露和地面覆盖2 种状态下的产流产沙量随着降雨强度的变化相差很大，地表覆盖条件下的产流产沙量相对较稳定，含量较低。