前期旱情等级对红壤坡面土壤裂缝及产流产沙特征的影响

陈晓安

（江西省水土保持科学研究院，江西省土壤侵蚀与防治重点实验室，江西南昌330029）

前期旱情等级对红壤坡面土壤裂缝及产流产沙特征的影响

陈晓安

（江西省水土保持科学研究院，江西省土壤侵蚀与防治重点实验室，江西南昌330029）

在人工模拟试验的基础上，采用图片处理技术和统计分析方法，分析无旱、轻旱、中旱、重旱4种旱情级别下的坡面土壤裂缝特征以及前期干旱影响下的坡面产流产沙特征。结果表明：土壤裂缝长度密度、面积密度、宽度、裂缝交点数、土壤裂缝弯曲度从小到大依次为轻旱、中旱、重旱；土壤裂缝条数从轻旱到中旱略有下降，到重旱后土壤裂缝数量激增，土壤裂缝网络的连通性从轻旱到中旱急剧增大，中旱到重旱基本一致。轻旱、中旱、重旱下土壤产流开始时间比无旱土壤分别增加1.83、2.43、3.87min，产流截止时间比无旱土壤分别减少0.97、1.23、1.40min；无旱、轻旱、中旱、重旱土壤产流稳定前各时段产流量依次减小，稳定后无明显差异，总产流量随旱情等级加大而减小。土壤平均产沙浓度从无旱、轻旱、中旱依次增加，中旱到重旱有所减小，稳定前土壤产沙速率从轻旱到重旱依次减小，无旱土壤最小，从无旱到重旱总侵蚀产沙先增大后减小，轻旱、中旱、重旱土壤侵蚀量分别是无旱的3.92、3.85、2.50倍。

干旱等级；红壤；土壤裂缝；水土流失

南方红壤区属于典型季风气候，降雨量年际和年内分配不均匀，导致季节性干旱年发生概率85%以上［1］，但长期干旱后又会出现大暴雨，导致该区域旱涝急转事件频发［2］。前期干旱直接影响地表土壤特征，关系土壤结构和入渗性能的变化、优先流、土壤稳定性等诸多土壤重要性质，并影响后期地表径流和泥沙的输移。因此，研究前期干旱下土壤特征和水土流失规律具有重要的理论和实践意义。

黏性土体由于失水干缩表面渐渐出现裂缝的现象在自然界比较常见［3］。土壤干缩裂缝的产生破坏了完整的土壤结构，直接影响土壤入渗性能的变化、土壤水分及溶质的迁移，裂缝的分布及导通度决定径流的通道，不仅影响地表径流泥沙的输移，而且决定物质在土壤剖面的扩散状况［4］。土壤水分直接影响土壤干缩裂缝的形成，张展羽等［4－5］发现土壤含水量和盐分含量直接影响农田土壤干缩裂缝的发育，并指出裂缝面积密度和长度密度都是随着含水率的减少而增大，达到最大值后保持稳定。唐朝生等［6］认为黏性土样因失水干缩，会在表面形成裂缝，温度对黏性土表面裂缝节点个数、裂缝长度、裂缝条数、块区个数、块区的最可几面积、裂缝率和裂隙网络的分维数等参数都有重要影响。土壤前期含水量直接影响地表产流产沙，袁建平等［7］研究林地土壤侵蚀认为土壤初始含水量是影响产流历时的重要因子。陈洪松等［8］通过室内模拟降雨试验认为初始含水率越高，平均入渗率越小，产流越快。张亚丽等［9］通过模拟降雨试验表明土壤侵蚀模数在较低含水量坡地的径流含沙量高于中等含水量坡地，但在含水量较大时随着含水量增大，坡面汇流速度快，径流侵蚀力较强，导致径流泥沙含量剧增。然而，关于不同旱情等级下坡面土壤裂缝特征及土壤含水量和地表土壤特征变化复合作用下水土流失特征研究较少。

本文通过旱情模拟，研究不同旱情等级下地表土壤裂缝的几何特征，并分析在相应旱情下遇到极端降雨后的坡面产流产沙特征。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验区设置在江西水土保持生态科技园内，地处江西省北部的德安县燕沟小流域、鄱阳湖水系博阳河西岸，位于东经115°42'38″～115°43'06″、北纬29°16'37″～29°17'40″，总面积约80hm2；属亚热带季风气候区，降雨充沛，多年平均降雨量1 350.9 mm，多年平均气温16.7℃，季节性干旱严重，干旱后往往发生暴雨，从而出现旱涝急转事件；地貌为浅丘岗地，海拔30～100m，坡度5～25°；成土母质以第四纪红色黏土为主，地带性植被为亚热带常绿阔叶林。

1.2 试验设计

试验设置轻旱、中旱、重旱3个旱情等级和1个无旱对照。旱情等级和模拟降雨试验在降雨大棚内完成，降雨大棚玻璃透光顶棚，1面玻璃房，其他3面通透，除降雨可控制外其他气候条件和外界一致。试验土槽长3m、宽1.5m、深0.6m，坡度10°，底部填筑0.1m厚度粗砂，粗砂上垫纱布，纱布上填筑0.4m厚第四纪红黏土，土壤容重控制在1.32 g／cm3。

1.3 试验方法

旱情模拟：根据《旱情等级标准（SL424－2008）》中无雨日数实现轻度干旱（轻旱）、中度干旱（中旱）、严重干旱（重旱）三个干旱等级。另外，无旱土壤（对照）用＜20mm／h的雨强降雨，待土壤充分吸水饱和后将土壤静置8h，表层土壤平均重量含水率31%。

模拟降雨：试验采用西安清远测控技术有限公司研制的垂直下喷式人工模拟降雨系统，降雨器有效高度为5m，降雨雨滴直径和分布与天然降雨相似，降雨强度变化范围为0～150mm／h，降雨均匀度达85%以上。对无旱、轻旱、中旱、重旱4种处理土壤进行极端降雨试验，雨强100mm／h相当于德安县20年一遇的暴雨等级，降雨历时1h。降雨试验过程中记录产流开始、截止时间，产流开始后前9 min每隔1min采集一次径流泥沙样品，9min开始至雨停每隔3min采集一次径流泥沙样品，雨停至产流截止采集最后一个径流泥沙样品。

土壤裂缝特征计算方法采用张展羽等［4－5］、李文杰等［10］的计算方法。裂缝长度密度指单位面积内的裂缝长度；裂缝面积密度指单位面积内的裂缝面积；裂缝交点指两条或两条以上裂缝相交的交点；裂缝网络连通性指交点数／（交点数+端点数）［5］；裂缝弯曲度指平面内裂缝中心线总长度与所有相邻两个节点间直线距离总和的比值，计算公式为

式中：T为裂缝平均弯曲度；La为裂缝实际总长度（cm）；（xi，yj）和（xj，yj）分别为相邻两交叉点坐标［11］。

2 结果与讨论

2.1 坡面土壤裂缝特征

由表1可知，土壤裂缝长度密度、面积密度、平均宽度、最大宽度、最小宽度按大小顺序排列依次为轻旱＜中旱＜重旱。相比于轻旱土壤，中旱和重旱土壤裂缝长度密度分别增加60%、188%；土壤裂缝面积密度分别增加74%、249%；土壤裂缝平均宽度分别增加18%、44%；土壤裂缝最大宽度分别增加115%、227%；而土壤裂缝最小宽度分别增加60%、92%。

表1 不同旱情等级下土壤裂缝密度、宽度特征Tab.1 The characteristics of soil crack density and width under different dry grade

由表2可知，轻旱到中旱土壤裂缝条数略有下降，重旱后土壤裂缝条数明显增加，重旱下的土壤裂缝数量是轻旱的1.86倍，说明随着旱情的发展，当干旱达到重旱后土壤裂缝数量激增；不同旱情等级下土壤裂缝的交点数大小顺序依次为轻旱＜中旱＜重旱，中旱、重旱下土壤裂缝的交点数比轻旱土壤分别增加76%、210%，土壤裂缝交点数间接反映土壤破碎程度，由此可知，从轻旱到重旱土壤破碎程度逐渐增大。

表2 不同旱情等级下土壤裂缝交点数、裂缝条数Tab.2 The number of soil crack intersection and cracks under different dry grade 个

由表3可知，土壤裂缝网络的连通性从轻旱到中旱急剧增大，中旱到重旱基本一致，说明在轻旱时土壤裂缝较分散，裂缝间的连接较差，裂缝与裂缝直接的连接线较紧密，网络连通性强，中旱到重旱土壤裂缝的连接线未能增大，因此，其土壤裂缝的网络连通性并未明显增大。土壤裂缝平均弯曲度从小到大依次为轻旱、中旱、重旱，增加幅度较缓；土壤裂缝最大弯曲度随旱情差异很大，中旱、重旱时土壤裂缝最大弯曲度分别是轻旱的1.86、4.98倍，随着旱情的发展土壤裂缝最大弯曲度成几何倍数增加；土壤裂缝最小弯曲度在不同旱情等级下几乎无明显差异，土壤裂缝最小弯曲度随旱情的变化差异很小。

表3 不同旱情等级下土壤裂缝弯曲度、网络连通性特征Tab.3 The characteristics of soil crack curvature and connectivity under different dry grade

2.2 坡面产流产沙特征

从图1中可知，从无旱到重旱四种干旱等级遇到相同的极端暴雨后产流开始时间不断延长，产流截止时间不断减短。土壤饱和无旱情况下降雨后仅0.63min就产流，轻旱、中旱、重旱分别比无旱土壤产流时间增加1.83、2.43、3.87min，相当于无旱土壤产流时间的3.89、4.84、7.11倍；轻旱、中旱、重旱土壤产流截止时间比无旱土壤分别减少0.97、1.23、1.40min，变化程度要小于产流开始时间。上述分析表明，前期干旱直接影响后期降雨产流，从无旱到特旱土壤含水量不断减少，地表土壤裂缝宽度和密度不断增加，降雨后产流前地表径流不断入渗，旱情等级越大土壤入渗率越大，因此，从无旱到重旱产流开始时间不断延长，产流截止时间不断减短。

图1 不同旱涝急转极端气候下产流开始及截止时间Fig.1 The starting time and end time of runoff yield under drought－flood climate

从图2可知，从无旱到重旱不同干旱等级下遇到极端暴雨后产流过程都是先增大后趋于稳定，降雨停止后产流量急剧减小。不同旱情等级下初始产流量从无旱到特旱表现出依次明显减小趋势，无旱土壤初始产流量高达4 700mL／min，重旱土壤初始产流量仅600mL／min，并且从产流开始到产流稳定，单位时间产流量从大到小依次为无旱、轻旱、中旱、重旱；从无旱到重旱初始产流到稳定产流需要的时间不断增长，无旱土壤在产流后12min就稳定，重旱土壤产流后需要36min稳定，稳定时间最长。上述分析表明，前期旱情直接影响坡面产流特征。从无旱到特旱，前期土壤含水量逐渐减小，前期土壤含水量越小土壤吸水至饱和所吸水量越大，并且土壤含水量越低非饱和导水率越大，因此从无旱到重旱初始产流至稳定过程单位时间产流量依次减小。产流稳定后，无旱、轻旱、中旱、重旱土壤单位时间内产流量差异不明显，这是因为土壤产流稳定后土壤基本达到饱和，土壤入渗稳定，而相同土壤饱和稳定入渗率相同，因此，不同旱情土壤产流稳定后单位时间产流量一致。

图2 不同旱涝急转极端气候下产流过程Fig.2 The process of runoff under drought－flood climate

由图3可知，不同旱涝急转极端气候下土壤坡面总地表产流量从大到小依次为无旱、轻旱、中旱、重旱，轻旱、中旱、重旱土壤总地表产流量分别比无旱土壤减少11.44%、18.75%、22.54%。说明前期旱情不仅影响坡面产流过程，而且对坡面产流总量也影响很大，随着旱情的发展，土壤含水量减小，地表土壤裂缝密度和宽度增大，从而导致坡面总产流量降低。

图3 不同旱涝急转极端气候下总产流量Fig.3 The total runoff under drought－flood climate

由图4可知，不同旱情状态下，开始产沙时土壤坡面产流的泥沙浓度很低，随着产沙的发展，泥沙浓度都呈现先增加，后降低，最后趋于稳定的趋势；中旱土壤泥沙浓度最大，平均泥沙浓度34.96g／L，其次为轻旱土壤，平均泥沙浓度32.65g／L，重旱土壤平均泥沙浓度23.76g／L，位列第三，无旱土壤泥沙浓度最低，平均泥沙浓度仅7.37g／L，即土壤侵蚀产沙浓度从无旱到中旱依次增加，从中旱到重旱泥沙浓度依次减少；从泥沙浓度稳定时间上看，有旱情状态下产流开始后泥沙浓度迅速上升，后上下波动较大，27min后趋于稳定，无旱土壤泥沙浓度在产流后约3min就趋于稳定；有旱情土壤泥沙浓度在稳定前远大于稳定后，并且波动较大，饱和无旱情产流泥沙浓度稳定前比稳定后稍大，并且波动小。上述分析表明，旱涝急转极端天气对坡面产沙影响很大，一方面前期土壤含水量直接影响侵蚀产沙，有一定旱情的土壤由于干燥土壤颗粒遇水发生消散破碎，因此一定范围内随着旱情增大土壤产沙浓度增大；另一方面随着干旱的增加土壤硬度加大，土壤不容易被剥离，土壤大裂缝的增多不利于侵蚀产沙和泥沙输移，因此土壤侵蚀产沙浓度中旱以后反而减小。

图4 不同旱涝急转极端气候下泥沙浓度变化Fig.4 The change of sediment concentration under drought－flood climate

图5 不同旱涝急转极端气候下产沙过程Fig.5 The process of sediment yield under drought－flood climate

图5可知，不同旱情土壤坡面初始产沙速率为重旱＜无旱＜中旱＜轻旱。3min后轻旱、中旱土壤的产沙速率迅速上升；6min后重旱土壤的产沙速率迅速上升，但上升速度小于轻旱、中旱土壤；无旱土壤产流后产沙速率一直无明显变化，并且上下波动较缓慢；无旱土壤产沙速率在3min后保持稳定，轻旱、中旱、重旱土壤产沙速率30min后才趋于稳定。上述结果表明旱涝急转极端气候对坡面侵蚀产沙速率影响很大，饱和无旱土壤初始产流量大，产流稳定时间短，因此其初始产沙速率不小，产沙速率很快稳定；从轻旱到重旱土壤含水量变小，在产流稳定前，产流速率从轻旱到重旱依次减小，因此产沙速率在稳定前从轻旱到重旱亦表现出减小的趋势。轻旱、中旱、重旱土壤含水量低，土壤遇到雨滴打击后消散作用导致产沙多，另外土壤含水量低土壤黏结性差，容易被击溅剥离土体，干旱土壤前期浮土较多，因此其产沙稳定前产沙率大，产沙速率波动大，稳定时间长。

通过分析不同旱情下土壤总侵蚀模数（见图6）可知，无旱到重旱土壤侵蚀模数先增大后减小，轻旱、中旱、重旱土壤侵蚀模数分别是无旱的3.92、3.85、2.50倍。无旱土壤虽然地表径流最大，但是土壤黏结性强，浮土少，侵蚀产沙速率小，因此其总侵蚀模数小。一定的干旱程度有利于土壤颗粒消散，因此有一定旱情的土壤总侵蚀模数大，随着干旱程度加重，土壤含水量不断减小，地表产流减小，产沙浓度增大，泥沙浓度增大带来的土壤侵蚀量小于地表产流减小导致的土壤侵蚀量，随着干旱等级的加大，土壤侵蚀模数反而减小。

图6 不同旱情下土壤总侵蚀模数Fig.6 The total sediment yield under drought－flood climate

3 结论

土壤裂缝特征受干旱等级影响。土壤裂缝长度密度、面积密度、平均宽度、最大宽度、最小宽度从小到大依次为轻旱、中旱、重旱；土壤裂缝条数从轻旱到中旱略有下降，到重旱后土壤裂缝数量激增；裂缝交点数、土壤裂平均缝弯曲度、最大弯曲度从小到大依次为轻旱、中旱、重旱；土壤裂缝网络的连通性从轻旱到中旱急剧增大，中旱到重旱基本一致。

前期旱情影响坡面土壤产流。无旱到重旱土壤产流开始时间增大，产流截止时间减小，轻旱、中旱、重旱土壤产流开始时间分别比无旱土壤滞后1.83、2.43、3.87min，产流截止时间分别比无旱土壤提前0.97、1.23、1.40min；无旱、轻旱、中旱、重旱土壤产流稳定前各时段产流量都依次减小，稳定后无明显差异，总产流量随旱情等级加大而减小。

前期旱情影响坡面产沙。前期不同旱情下土壤初始产流泥沙浓度很低，随着时间增加泥沙浓度都呈现先增加，后降低，最后趋于稳定的趋势；土壤平均产沙浓度从无旱、轻旱、中旱依次增加，中旱到重旱有所减小；土壤产沙稳定前产沙速率从轻旱到重旱依次减小，无旱土壤最小，从无旱到重旱总侵蚀产沙先增大后减小，轻旱、中旱、重旱土壤侵蚀量分别是无旱的3.92、3.85、2.50倍。

［1］黄道友，王克林，黄敏，等.我国中亚热带典型红壤丘陵区季节性干旱［J］.生态学报，2004，24（11）：2516－2523.

［2］邓汗青，罗勇.近50年长江中下游春季和梅雨期降水变化特征［J］.应用气象学报，2013，24（1）：23－31.

［3］裴银鸽，徐则民，张家明.土体干缩裂缝研究进展［J］.应用生态学报，2012，23（4）：1137－1144.

［4］张展羽，朱文渊，朱磊，等.根系及盐分含量对农田土壤干缩裂缝发育规律的影响［J］.农业工程学报，2014，30（20）：83－89.

［5］张展羽，朱文渊，朱成立，等.农田土壤表面干缩裂缝的随机分布统计特征［J］.农业工程学报，2013，29（16）：119－124.

［6］唐朝生，施斌，刘春，等.黏性土在不同温度下干缩裂缝的发展规律及形态学定量分析［J］.岩土工程学报，2007，29（5）：743－749.

［7］袁建平，蒋定生，甘淑.影响坡地降雨产流历时的因子分析［J］.山地学报，1999，17（3）：259－264.

［8］陈洪松，邵明安，王克林.土壤初始含水率对坡面降雨入渗及土壤水分再分布的影响［J］.农业工程学报，2006，22（1）：44－47.

［9］张亚丽，李怀恩，张兴昌，等.水蚀条件下土壤初始含水量对黄土坡地溶质迁移的影响［J］.水土保持学报，2007，21（4）：1－7.

［10］李文杰，张展羽，王策，等.干湿循环过程中壤质黏土干缩裂缝的开闭规律［J］.农业工程学报，2015，31（8）：126－131.

［11］张展羽，王策，朱成立，等.土壤干缩裂缝网络几何特征［J］.地球科学，2014，39（10）：1555－1572.

〔责任编辑 程琴娟〕

Effects of pre－dry grade on soil cracks and characteristics of runoff and sediment in red soil slopes

CHEN Xiaoan
（Jiangxi Institute of Soil and Water Conservation，Key Laboratory of Soil Erosion and Prevention，Nanchang 330029，Jiangxi，China）

Based on artificial stimulation experiment，soil crack characteristics and runoff and sediment yields under different drought grades such as no drought，slight drought，medium drought and severe drought have been investigated with the help of photograph processing and statistical methods.The results suggested that soil crack length density，area density，width，intersection and curvature increased with the increasing of drought grade.In addition，the number of soil crack under slight drought was slightly less than medium drought，but much less than severe drought.Soil crack connectivity sharply increased from slight drought to medium slight with no differences between medium slight and severe drought.The starting time of runoff yield under slight drought，medium drought and severe drought increased by 1.83，2.43and 3.87 min than no drought，respectively，but the ending time decreased by 0.97，1.23and 1.40min，respectively.Before stabilization of runoff producing，the runoff yields increased with increasingof drought grades，but there were no differences after stabilization of runoff.Total runoff yields decreased as the increase of drought grades.Average soil runoff yields increased from no drought to medium drought，but slightly decreased from medium drought to severe drought.Before stabilization of runoff producing，sediment yields decreased from slight drought to severe drought，with lowest sediment yields under no drought.Total sediment yields firstly increased and then decreased with the increase of drought grades.Total sediment yield under slight drought，medium drought and severe drought were 3.92，3.85and 2.50times of that under no drought respectively.

drought grade；red soil；soil crack；soil and water losses

F294.3

：A

1672－4291（2015）06－0089－05

10.15983／j.cnki.jsnu.2015.06.464

2015－07－06

江西省水利科技重大项目（KT201109）；江西省水利科技项目（KT201419）；江西省优势科技创新团队（20152BCB24011）

陈晓安，男，工程师，主要研究方向为土壤侵蚀机理。E－mail：onlycxa＠163.com