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华北土石山区不同粒径土壤团聚体特征及其与坡面侵蚀定量关系

陈佩岩 马岚 薛孟君 梅雪梅 张栋 孙一惠

陈佩岩, 马岚, 薛孟君, 梅雪梅, 张栋, 孙一惠. 华北土石山区不同粒径土壤团聚体特征及其与坡面侵蚀定量关系[J]. 北京林业大学学报, 2018, 40(8): 64-71. doi: 10.13332/j.1000-1522.20180026
引用本文: 陈佩岩, 马岚, 薛孟君, 梅雪梅, 张栋, 孙一惠. 华北土石山区不同粒径土壤团聚体特征及其与坡面侵蚀定量关系[J]. 北京林业大学学报, 2018, 40(8): 64-71. doi: 10.13332/j.1000-1522.20180026
Chen Peiyan, Ma Lan, Xue Mengjun, Mei Xuemei, Zhang Dong, Sun Yihui. Characteristics of soil aggregates with different particle sizes and their quantitative relationship with slope erosion in rocky mountain area of northern China[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2018, 40(8): 64-71. doi: 10.13332/j.1000-1522.20180026
Citation: Chen Peiyan, Ma Lan, Xue Mengjun, Mei Xuemei, Zhang Dong, Sun Yihui. Characteristics of soil aggregates with different particle sizes and their quantitative relationship with slope erosion in rocky mountain area of northern China[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2018, 40(8): 64-71. doi: 10.13332/j.1000-1522.20180026

华北土石山区不同粒径土壤团聚体特征及其与坡面侵蚀定量关系

doi: 10.13332/j.1000-1522.20180026
基金项目: 

国家科技支撑计划课题 2015BAD07B030201

国家自然科学基金项目 51779004

详细信息
    作者简介:

    陈佩岩。主要研究方向:土壤侵蚀与流域治理。Email:3082677509@qq.com  地址:100083  京市海淀区清华东路35号北京林业大学水土保持学院

    通讯作者:

    马岚,副教授。主要研究方向:土壤侵蚀与生态水文。Email:mlpcz@sina.com  地址:同上

  • 中图分类号: S157.2; S714.7

Characteristics of soil aggregates with different particle sizes and their quantitative relationship with slope erosion in rocky mountain area of northern China

  • 摘要: 目的为明确华北土石山区不同粒径(1~2 mm、2~3 mm、3~5 mm、5~7 mm、7~10 mm)团聚体结构特征对沟间及沟道侵蚀过程的影响。方法选取2种典型褐土为研究对象,通过Le Bissonnais(LB)法对团聚体稳定性进行分析,并初步研究了不同粒径团聚体稳定性特征与人工降雨条件下坡面沟间、沟道侵蚀量之间的定量关系。结果石灰性褐土团聚体稳定性大于黄土性褐土;不同粒径团聚体稳定性差异较为显著,较小粒径的团聚体稳定性大于较大粒径的团聚体,其中1~2 mm粒径的团聚体稳定性最好;不同雨强下土壤侵蚀现象差异明显,坡面径流强度和产沙强度均随产流历时的增加而增大,且降雨强度大小对坡面入渗率变化幅度和达到稳渗状态的时间有很大影响。将可蚀性因子(Ki)替换为经修正后的团聚体稳定性参数(Ka),然后将其代入到WEPP侵蚀模型,通过回归分析,建立了不同粒径团聚体的侵蚀预测方程,显示了较好的预测性能,其决定系数均在0.81以上;尤其是2~3 mm粒径对应的预测方程,其沟间及沟道相对误差均小于20%。结论该研究验证了土壤可蚀性参数可以由不同粒径团聚体稳定性表示,并建立了不同粒径团聚体的沟间及沟道侵蚀预测方程,为华北土石山区褐土的侵蚀机理研究提供了新思路。
  • 图  1  试验土槽

    Figure  1.  Soil trough for experiment

    图  2  黄土性褐土在不同雨强下的产沙强度及径流强度

    Figure  2.  Sediment yield intensity and runoff intensity of loess brown soil under different rainfall intensities

    图  3  石灰性褐土不同雨强下的产沙强度及径流强度

    Figure  3.  Sediment yield intensity and runoff intensity of limb drab soil under different rainfall intensities

    图  4  沟间侵蚀量计算值与实测值比较

    D1、D2、D3、D4和D5分别表示1~2 mm、2~3 mm、3~5 mm、5~7 mm、7~10 mm粒径预测方程计算值,K1、K2、K3、K4和K5分别表示1~2 mm、2~3 mm、3~5 mm、5~7 mm、7~10 mm粒径拟合方程;图 5同此。

    Figure  4.  Comparison in between channel erosion for calculated values and measured ones

    D1, D2, D3, D4, and D5 represent the calculated values of the prediction equations of 1-2 mm, 2-3 mm, 3-5 mm, 5-7 mm, 7-10 mm particle sizes, respectively; K1, K2, K3, K4, and K5 represent fitting equations of 1-2 mm, 2-3 mm, 3-5 mm, 5-7 mm, 7-10 mm particle sizes, respectively; same in Fig. 5.

    图  5  沟道侵蚀量计算值与实测值比较

    Figure  5.  Comparison in gully erosion between calculated values and measured ones

    表  1  供试土壤基本情况

    Table  1.   Basic situation of the tested soil

    样品
    Sample
    土壤密度
    Soil bulk density/(g·cm-3)
    机械组成Mechanical composition/%
    0~2 μm 2~20 μm 20~50 μm > 50 μm
    黄土性褐土Loess brown soil 1.33 14.22 58 20.57 7.21
    石灰性褐土Limb drab soil 1.29 9.51 57.16 24.82 8.51
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    表  2  各粒径团聚体经LB法处理后的稳定性

    Table  2.   Soil aggregate stability of different particle sizes by LB method        mm

    团聚体粒径
    Aggregate particle size
    黄土性褐土Loess brown soil 石灰性褐土Limb drab soil
    NMWDFW NMWDSW NMWDWS NMWDFW NMWDSW NMWDWS
    1~2 0.19a 0.33a 0.25a 0.22a 0.42a 0.34a
    2~3 0.14b 0.19b 0.17b 0.17b 0.23b 0.25b
    3~5 0.09c 0.19b 0.12c 0.11c 0.21c 0.15c
    5~7 0.07d 0.10c 0.10d 0.08d 0.18d 0.13d
    7~10 0.06d 0.09c 0.06e 0.09cd 0.11e 0.07e
    注:同一列中字母不同表示差异显著(P<0.05)。下同。Notes: data followed by different letters mean significant difference at P<0.05 level. The same below.
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    表  3  LB法测定试验土壤团聚体稳定性

    Table  3.   Stability of soil aggregates determined by LB method

    团聚体粒径
    Aggregate particle size
    黄土性褐土Loess brown soil 石灰性褐土Limb drab soil
    MWDFW/mm MWDSW/mm MWDWS/mm RSI RMI Ka MWDFW/mm MWDSW/mm MWDWS/mm RSI RMI Ka
    1~2 mm 0.37c 0.64a 0.48b 0.61 0.25 0.15 0.42c 0.81a 0.67b 0.48 0.17 0.08
    2~3 mm 0.28c 0.57a 0.34b 0.51 0.40 0.20 0.34c 0.69a 0.48b 0.51 0.30 0.15
    3~5 mm 0.26c 0.55a 0.35b 0.53 0.36 0.19 0.31c 0.62a 0.45b 0.50 0.27 0.13
    5~7 mm 0.21c 0.49a 0.30b 0.57 0.39 0.22 0.25c 0.51a 0.39b 0.51 0.22 0.11
    7~10 mm 0.17c 0.45a 0.29b 0.62 0.36 0.23 0.27c 0.53a 0.34b 0.49 0.36 0.18
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    表  4  不同粒径团聚体沟间及沟道侵蚀预测方程

    Table  4.   Prediction equations of between channel and gully erosion for aggregates with different particle sizes

    粒径
    Particle size
    侵蚀类型
    Erosion type
    拟合方程
    Fitting equation
    R2 n 相对误差范围
    Range of relative error/%
    1~2 mm 沟间侵蚀Between channel erosion y=0.12Di 0.84 236 25~39
    沟道侵蚀Gully erosion y=3 168.04Dr 0.87 121 26~39
    2~3 mm 沟间侵蚀Between channel erosion y=0.23Di 0.93 236 11~19
    沟道侵蚀Gully erosion y=4 293.68Dr 0.94 121 12~20
    3~5 mm 沟间侵蚀Between channel erosion y=0.23Di 0.91 236 17~24
    沟道侵蚀Gully erosion y=3 805.18Dr 0.93 121 14~22
    5~7 mm 沟间侵蚀Between channel erosion y=0.31Di 0.81 236 14~21
    沟道侵蚀Gully erosion y=4 406.31Dr 0.89 121 15~24
    7~10 mm 沟间侵蚀Between channel erosion y=0.41Di 0.86 236 24~35
    沟道侵蚀Gully erosion y=5 450.57Dr 0.93 121 26~37
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出版历程
  • 收稿日期:  2018-01-17
  • 修回日期:  2018-04-02
  • 刊出日期:  2018-08-01

华北土石山区不同粒径土壤团聚体特征及其与坡面侵蚀定量关系

doi: 10.13332/j.1000-1522.20180026
    基金项目:

    国家科技支撑计划课题 2015BAD07B030201

    国家自然科学基金项目 51779004

    作者简介:

    陈佩岩。主要研究方向:土壤侵蚀与流域治理。Email:3082677509@qq.com  地址:100083  京市海淀区清华东路35号北京林业大学水土保持学院

    通讯作者: 马岚,副教授。主要研究方向:土壤侵蚀与生态水文。Email:mlpcz@sina.com  地址:同上
  • 中图分类号: S157.2; S714.7

摘要: 目的为明确华北土石山区不同粒径(1~2 mm、2~3 mm、3~5 mm、5~7 mm、7~10 mm)团聚体结构特征对沟间及沟道侵蚀过程的影响。方法选取2种典型褐土为研究对象,通过Le Bissonnais(LB)法对团聚体稳定性进行分析,并初步研究了不同粒径团聚体稳定性特征与人工降雨条件下坡面沟间、沟道侵蚀量之间的定量关系。结果石灰性褐土团聚体稳定性大于黄土性褐土;不同粒径团聚体稳定性差异较为显著,较小粒径的团聚体稳定性大于较大粒径的团聚体,其中1~2 mm粒径的团聚体稳定性最好;不同雨强下土壤侵蚀现象差异明显,坡面径流强度和产沙强度均随产流历时的增加而增大,且降雨强度大小对坡面入渗率变化幅度和达到稳渗状态的时间有很大影响。将可蚀性因子(Ki)替换为经修正后的团聚体稳定性参数(Ka),然后将其代入到WEPP侵蚀模型,通过回归分析,建立了不同粒径团聚体的侵蚀预测方程,显示了较好的预测性能,其决定系数均在0.81以上;尤其是2~3 mm粒径对应的预测方程,其沟间及沟道相对误差均小于20%。结论该研究验证了土壤可蚀性参数可以由不同粒径团聚体稳定性表示,并建立了不同粒径团聚体的沟间及沟道侵蚀预测方程,为华北土石山区褐土的侵蚀机理研究提供了新思路。

English Abstract

陈佩岩, 马岚, 薛孟君, 梅雪梅, 张栋, 孙一惠. 华北土石山区不同粒径土壤团聚体特征及其与坡面侵蚀定量关系[J]. 北京林业大学学报, 2018, 40(8): 64-71. doi: 10.13332/j.1000-1522.20180026
引用本文: 陈佩岩, 马岚, 薛孟君, 梅雪梅, 张栋, 孙一惠. 华北土石山区不同粒径土壤团聚体特征及其与坡面侵蚀定量关系[J]. 北京林业大学学报, 2018, 40(8): 64-71. doi: 10.13332/j.1000-1522.20180026
Chen Peiyan, Ma Lan, Xue Mengjun, Mei Xuemei, Zhang Dong, Sun Yihui. Characteristics of soil aggregates with different particle sizes and their quantitative relationship with slope erosion in rocky mountain area of northern China[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2018, 40(8): 64-71. doi: 10.13332/j.1000-1522.20180026
Citation: Chen Peiyan, Ma Lan, Xue Mengjun, Mei Xuemei, Zhang Dong, Sun Yihui. Characteristics of soil aggregates with different particle sizes and their quantitative relationship with slope erosion in rocky mountain area of northern China[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2018, 40(8): 64-71. doi: 10.13332/j.1000-1522.20180026
  • 土壤侵蚀是全球性的主要环境问题之一,不但导致土壤退化,土地生产力降低,而且随径流泥沙运移的污染物质对生态环境和人类生存及社会经济发展产生严重影响[1]。土壤侵蚀预报模型之所以对保护土地资源及防止生态系统受损具有重要意义,是因为其能够定量预测、预报土壤侵蚀量[2]。土壤可蚀性影响入渗、导水率、表面结皮和侵蚀过程,故其是土壤侵蚀预报模型中的重要因子。该因子可在径流小区的降雨试验中直接观测,或者根据相关土壤性质间接推求其具体数值[3-4]。目前土壤可蚀性的估算主要采用后者,且其测定的土壤性质均与影响土壤可蚀性的因素有较大相关性;在影响土壤可蚀性的众多因素中,研究土壤团聚体稳定性,不仅测定方法简便易行,而且其能对土壤侵蚀破坏机制做进一步研究[5]。土壤可蚀性K值与土壤团聚体含量具有明显的负相关性[6],团聚体稳定性是衡量土壤可蚀性的良好指标[7-8]。据此,Valmis等[9]将土壤可蚀性参数替换为团聚体稳定性特征参数,并根据径流小区的天然降雨数据,建立了新的坡面土壤侵蚀模型。

    Le Bissonnais等[10]提出团聚体稳定性可由快速湿润、预湿润后震荡、慢速湿润3种处理测定。已有研究表明,土壤侵蚀指标如侵蚀量、侵蚀率等与经过Le Bissonnais(LB)法处理后得到的团聚体稳定性指标呈现显著的相关关系[8, 11]。LB法作为一种新的土壤团聚体稳定性测定方法,在国内应用不多,且主要集中在南方红壤区域,在华北土石山区应用较少[12-13]。由于团聚体粒径大小不同,其稳定性在降雨过程中差异显著,说明团聚体粒径对坡面侵蚀过程影响较大[14-15],而目前关于团聚体大小对沟间及沟道侵蚀过程的作用研究甚少。前人的研究多采用某一种粒径的团聚体特征参数代表供试土样的可蚀性[15-17]。已有研究表明,WEPP(water erosion production project)模型在华北土石山区有较好的适用性[18-19];鉴于此,本文通过室内模拟降雨试验,以修正后的不同粒径团聚体稳定性特征参数Ka代替可蚀性因子KiKr,利用WEPP模型构建细沟间及沟道侵蚀预测方程,定量描述5种不同粒径的土壤团聚体特征与沟间及沟道侵蚀的关系,进一步揭示了华北土石山区2种褐土的侵蚀机理。

    • 试验选取北京市怀柔区2种典型褐土,即次生黄土母质发育的褐土(黄土性褐土)和石灰岩母质发育的褐土(石灰性褐土);土壤质地为粉砂壤土,有研究表明,华北土石山区粉砂壤土含量较高,因此试验区土壤代表性较好[20]。土壤的基本性质如表 1所示,采用环刀法测定土壤密度,采用MS2000型激光粒度分析仪测定土样粒径。

      表 1  供试土壤基本情况

      Table 1.  Basic situation of the tested soil

      样品
      Sample
      土壤密度
      Soil bulk density/(g·cm-3)
      机械组成Mechanical composition/%
      0~2 μm 2~20 μm 20~50 μm > 50 μm
      黄土性褐土Loess brown soil 1.33 14.22 58 20.57 7.21
      石灰性褐土Limb drab soil 1.29 9.51 57.16 24.82 8.51

      团聚体稳定性采用可区分不同破碎机制的Le Bissonnais(LB)法测定。首先,干筛分别得到1~2 mm、2~3 mm、3~5 mm、5~7 mm、7~10 mm等5种不同粒径的团聚体,置于40 ℃的烘箱内烘24 h后进行LB法3种处理,其试验步骤详见文献[10-11]。

      团聚体稳定性用质量加权平均的直径(MWD,mm)表示:

      $$ \mathrm{MWD}=\sum\limits_{i=1}^{n} W_{i} X_{i} $$ (1)

      引用标准化平均质量直径(NMWD),比较不同粒径团聚体之间稳定性:

      $$ \mathrm{NMWD}=\frac{\mathrm{MWD}}{r_{\mathrm{max}}-r_{\mathrm{min}}} $$ (2)

      式中:i为所筛团聚体的7个粒级(< 0.05 mm、0.05~0.1 mm、0.1~0.25 mm、0.25~0.5 mm、0.5~1 mm、1~2 mm、>2 mm),Wi为第i个粒级团聚体质量百分比,Xi为筛分该粒级前后2个筛子孔径的均值(mm),rmax为所用筛子最大孔径(mm),rmin为所用筛子最小孔径(mm)。

      快速湿润(FW)、预湿润后震荡(WS)、慢速湿润(SW)测定团聚体稳定性的结果分别由MWDFW、MWDWS和MWDSW表示,该数值越小,说明其团聚体稳定性越低,所受到的破坏作用越大[10]

      引用相对消散指数(RSI)和相对机械破碎指数(RMI)分析团聚体稳定性,可以更好的比较LB法3种处理之间的差异。在快速湿润处理中,由于团聚体孔隙被压缩导致其内部压强骤升,从而导致团聚体爆破的过程可由RSI表示;在预湿润后震荡处理中,团聚体由于受到外界机械震荡打击的作用而破坏,其过程可由RMI表示;随着团聚体受到消散作用和机械破碎作用的程度越大,2者的值越大[13, 18],其分别用下式计算:

      $$ \mathrm{RSI}=\frac{\mathrm{MWD}_{\mathrm{SW}}-\mathrm{MWD}_{\mathrm{FW}}}{\mathrm{MWD}_{\mathrm{SW}}} $$ (3)
      $$ \mathrm{RMI}=\frac{\mathrm{MWD}_{\mathrm{SW}}-\mathrm{MWD}_{\mathrm{WS}}}{\mathrm{MWD}_{\mathrm{sw}}} $$ (4)

      已有研究发现,消散作用和机械破坏作用是团聚体在降雨条件下的主要破坏机制[16]。由于RSI和RMI因子与坡面侵蚀之间相关性较强,且2个因子均可表示消散作用和机械破坏作用对团聚体的影响,因此本研究为综合反应团聚体稳定性特征,将2个因子的乘积引用为团聚体特征参数Ka,其随团聚体稳定性的降低而增大[15]

      坡面土壤侵蚀深度在0.0~1.0 cm和1.0~20.0 cm分别为沟间侵蚀及沟道侵蚀[22-23],因此,在降雨过程中记录细沟随时间的变化过程,包括不同时刻的沟长、沟宽及沟深,计算出不同时刻的细沟侵蚀量[24]

    • 试验于北京市鹫峰的北京林业大学人工模拟降雨大厅进行,试验时间为2016年7—9月。降雨大厅有效降雨高度为12 m,通过调节喷头数达到所需试验雨强,按研究区常见雨强,试验共设置了4个雨强,分别为30、60、90、120 mm/h,降雨均匀度大于0.85。试验所用土槽长、宽、深分别为10、3、0.6 m,坡度可自行调节,将黄土性褐土及石灰性褐土分别装入土槽内部金属隔板的两侧。降雨试验前将从野外实地取的土壤自然风干,然后将土壤过10 mm筛(排除石块,杂草对试验的影响),为了使土槽内部的土壤最大程度符合自然状态,首先将10 cm厚的细沙填入土槽底部;然后分5次将由土壤密度参数控制的土壤填入土槽,每次填入10 cm,力求和研究区天然土壤相似。土槽下设集流桶,以便定时采集径流样。

      试验土槽金属隔板两侧分别填入黄土性褐土、石灰性褐土,并在30、60、90、120 mm/h雨强处理各1个,共计降雨8场。坡面产流后降雨历时持续45 min。试验过程中,在30、60 mm/h雨强条件下,产流后每隔2 min在土槽出口处采集一组径流样,在90、120 mm/h雨强条件下,土槽产流后,在其接口处每隔1 min收集一次径流、泥沙,实际雨强由雨量筒实时监测。试验土槽如图 1所示。

      图  1  试验土槽

      Figure 1.  Soil trough for experiment

    • 土壤团聚体是土壤的重要组成部分,有研究表明粒径分布是影响土壤孔隙特征、形态结构及团聚体稳定性的重要因素[7, 25]

      表 2表明,经LB法处理后的不同粒径团聚体稳定性之间差异显著。在快速湿润、预湿润震荡、慢速湿润3种处理下,随着团聚体粒径的增大,2种土壤的标准化平均质量直径(NMWD)值均呈现逐渐减小的趋势,且2种土壤1~2 mm团聚体在3种处理下的NMWD均为最大,说明较小粒径的团聚体稳定性大于较大粒径的团聚体。这是因为随着土壤团聚体粒径递减,土壤团聚体内有机质含量在递减,较小粒径土壤团聚体中有机质含量较少,其受外界影响也较少,所以较大粒径团聚体相比较小粒径团聚体更易受到外界条件影响而破碎。此外,随着团聚体粒径的增大,土壤颗粒排列的紧实程度降低,导致其土壤抗蚀性变差[8, 26]

      表 2  各粒径团聚体经LB法处理后的稳定性

      Table 2.  Soil aggregate stability of different particle sizes by LB method        mm

      团聚体粒径
      Aggregate particle size
      黄土性褐土Loess brown soil 石灰性褐土Limb drab soil
      NMWDFW NMWDSW NMWDWS NMWDFW NMWDSW NMWDWS
      1~2 0.19a 0.33a 0.25a 0.22a 0.42a 0.34a
      2~3 0.14b 0.19b 0.17b 0.17b 0.23b 0.25b
      3~5 0.09c 0.19b 0.12c 0.11c 0.21c 0.15c
      5~7 0.07d 0.10c 0.10d 0.08d 0.18d 0.13d
      7~10 0.06d 0.09c 0.06e 0.09cd 0.11e 0.07e
      注:同一列中字母不同表示差异显著(P<0.05)。下同。Notes: data followed by different letters mean significant difference at P<0.05 level. The same below.

      表 3可知,2种供试土壤各粒径团聚体稳定性均表现出慢速湿润(SW)>预湿润后震荡(WS)>快速湿润(FW),该结果与Zhang等[13]的结果一致。这是因为对于FW处理而言,消散作用是其导致团聚体爆裂破坏的主要机制,该机制模拟了暴雨、灌溉等造成水土流失的侵蚀过程。而在SW处理下,团聚体发生破碎是由于粘粒的膨胀,该处理方式模拟了田间小雨。在WS处理下,由于乙醇溶液对团聚体的保护隔离,消散及黏粒膨胀的破坏作用及其微弱,因此团聚体受到的破坏机制主要为机械震荡[10, 27]。综上所述,土壤内部压强骤升使得团聚体爆裂的消散作用及来自外部的机械震荡作用是造成华北土石山区土壤团聚体发生破坏的主要机制。

      表 3  LB法测定试验土壤团聚体稳定性

      Table 3.  Stability of soil aggregates determined by LB method

      团聚体粒径
      Aggregate particle size
      黄土性褐土Loess brown soil 石灰性褐土Limb drab soil
      MWDFW/mm MWDSW/mm MWDWS/mm RSI RMI Ka MWDFW/mm MWDSW/mm MWDWS/mm RSI RMI Ka
      1~2 mm 0.37c 0.64a 0.48b 0.61 0.25 0.15 0.42c 0.81a 0.67b 0.48 0.17 0.08
      2~3 mm 0.28c 0.57a 0.34b 0.51 0.40 0.20 0.34c 0.69a 0.48b 0.51 0.30 0.15
      3~5 mm 0.26c 0.55a 0.35b 0.53 0.36 0.19 0.31c 0.62a 0.45b 0.50 0.27 0.13
      5~7 mm 0.21c 0.49a 0.30b 0.57 0.39 0.22 0.25c 0.51a 0.39b 0.51 0.22 0.11
      7~10 mm 0.17c 0.45a 0.29b 0.62 0.36 0.23 0.27c 0.53a 0.34b 0.49 0.36 0.18
    • Nearing等[30]研究发现土壤团聚体的稳定性是影响坡面侵蚀过程及其子过程的重要因素。本研究中土壤初始含水率、坡度等条件基本一致,侵蚀过程主要受雨强、土壤结构即团聚体稳定性影响。

      图 23可知,在30、60、90、120 mm/h雨强条件下,黄土性褐土的坡面径流强度和产沙强度均大于石灰性褐土,说明石灰性褐土的团聚体稳定性大于黄土性褐土,这与前面得出的结论一致。整体上看,降雨历时越长,2种土壤的坡面径流强度及产沙强度越大,且径流强度及产沙强度在较大雨强达到稳定状态所需时间均少于在较小雨强条件下,这说明降雨强度对坡面入渗率变化幅度和达到稳渗状态的时间有很大影响[28]。在较小雨强条件下,仍然存在可供降雨入渗的孔隙存在,表现出较好的入渗性,坡面径流强度和产沙强度均随着雨强的增大而增大;因此雨强越小,越容易发生入渗而非超渗产流,坡面径流强度和产沙强度越小;反之,则坡面产流量越大,土壤侵蚀强度越严重[16]。在较大雨强条件下,2种土壤尽管表现出坡面径流强度及产沙强度随降雨历时增加的趋势,但增加幅度较小。这是因为随着雨强的增大,导致坡面表层土壤受到的雨滴破坏作用越大,土壤团聚体粒径随之迅速变小,因此土槽表面的团聚体组成及径流强度差异减小。

      图  2  黄土性褐土在不同雨强下的产沙强度及径流强度

      Figure 2.  Sediment yield intensity and runoff intensity of loess brown soil under different rainfall intensities

      图  3  石灰性褐土不同雨强下的产沙强度及径流强度

      Figure 3.  Sediment yield intensity and runoff intensity of limb drab soil under different rainfall intensities

    • 将沟间、沟道可蚀性因子KiKr替换为经修正后的团聚体稳定性参数(Ka),然后将其代入到WEPP(water erosion prediction project)侵蚀模型,通过回归分析建立了不同粒径团聚体的侵蚀预测方程。WEPP细沟间及沟道侵蚀模型如下:

      $$ D_{i}=K_{i} S_{\mathrm{f}} I^{2} $$ (5)
      $$ D_{\mathrm{r}}=K_{\mathrm{r}}\left(\tau-\tau_{\mathrm{e}}\right) $$ (6)

      式中:DiDr分别为单位时间单位面积沟间、沟道侵蚀量(kg/(s·m2));KiKr分别为沟间、沟道可蚀性因子;Sf为坡度地形因子;I为雨强(m/s);τ为水流作用于土壤的流动剪切力(Pa);τc为土壤临界抗剪切力(Pa)。Sf的值由下式计算得出:

      $$ S_{\mathrm{f}}=1.05-0.85 \mathrm{e}^{-4 \sin \theta} $$ (7)

      式中:θ为坡度。

      有研究表明,WEPP模型在一些地区的预报值与真实值之间存在一定差异,且该模型中的可蚀性因子在计算时忽略了团聚体稳定性等重要因素[15]。从表 3中发现,不同粒径团聚体特征参数Ka随团聚体的粒径增大而增大,说明团聚体的稳定性随粒径的增大而减小,这与前面的结论一致,说明Ka是评价团聚体稳定性的良好指标。目前较多研究结果表明土壤团聚体特征参数Ka与坡面侵蚀存在显著相关关系[15-17, 29]。此外,前人的研究多用某一种粒径的团聚体特征参数代表供试土样的可蚀性因子;本研究尝试利用各粒径团聚体稳定性特征参数Ka除以对应的平均质量直径(MWDFW),代替WEPP模型中可蚀性因子Ki,将试验结果代入式(5)和式(6),然后与降雨过程中不同时刻的累积实际产沙强度进行回归分析,分别得出各个粒径团聚体新的沟间、沟道侵蚀预测方程及拟合图,如下表 4图 45所示。

      表 4  不同粒径团聚体沟间及沟道侵蚀预测方程

      Table 4.  Prediction equations of between channel and gully erosion for aggregates with different particle sizes

      粒径
      Particle size
      侵蚀类型
      Erosion type
      拟合方程
      Fitting equation
      R2 n 相对误差范围
      Range of relative error/%
      1~2 mm 沟间侵蚀Between channel erosion y=0.12Di 0.84 236 25~39
      沟道侵蚀Gully erosion y=3 168.04Dr 0.87 121 26~39
      2~3 mm 沟间侵蚀Between channel erosion y=0.23Di 0.93 236 11~19
      沟道侵蚀Gully erosion y=4 293.68Dr 0.94 121 12~20
      3~5 mm 沟间侵蚀Between channel erosion y=0.23Di 0.91 236 17~24
      沟道侵蚀Gully erosion y=3 805.18Dr 0.93 121 14~22
      5~7 mm 沟间侵蚀Between channel erosion y=0.31Di 0.81 236 14~21
      沟道侵蚀Gully erosion y=4 406.31Dr 0.89 121 15~24
      7~10 mm 沟间侵蚀Between channel erosion y=0.41Di 0.86 236 24~35
      沟道侵蚀Gully erosion y=5 450.57Dr 0.93 121 26~37

      图  4  沟间侵蚀量计算值与实测值比较

      Figure 4.  Comparison in between channel erosion for calculated values and measured ones

      图  5  沟道侵蚀量计算值与实测值比较

      Figure 5.  Comparison in gully erosion between calculated values and measured ones

      表 4可知,新建立的方程决定系数均较高,其中1~2 mm、2~3 mm、3~5 mm、5~7 mm、7~10 mm粒径团聚体预测方程的决定系数均在0.81以上,拟合度较好(图 45)。值得注意的是2~3 mm、3~5 mm、5~7 mm粒径团聚体预测方程的相对误差较小(表 4),尤其是2~3 mm沟间及沟道预测的相对误差范围分别为11%~19%、12%~20%,说明该粒径方程可以较为准确的预测华北土石山区褐土坡面侵蚀。

    • (1) 石灰性褐土团聚体稳定性大于黄土性褐土,且不同粒径团聚体稳定性差异较为显著。较小粒径的团聚体稳定性大于较大粒径的团聚体,1~2 mm粒径的团聚体稳定性最好。LB法不同处理对团聚体破坏程度从大到小依次为,快速湿润、预湿润后震荡、慢速湿润;说明土壤内部压强骤升使得团聚体爆裂的消散作用及来自外部的机械震荡作用是造成华北土石山区土壤团聚体发生破坏的主要机制。

      (2) 不同雨强下土壤侵蚀现象差异明显,坡面径流强度和产沙强度均随产流历时的增加而增大,且降雨强度大小对坡面入渗率变化幅度和达到稳渗状态的时间有很大影响;团聚体特征参数Ka包含了侵蚀过程中团聚体主要破碎效应,可作为描述华北土石山区坡面侵蚀过程的重要参数。

      (3) 将沟间及沟道侵蚀可蚀性因子KiKr替换为经修正后的团聚体稳定性参数Ka,然后将其代入到WEPP侵蚀模型,通过回归分析建立了不同粒径团聚体的侵蚀预测方程,都显示了较好的预测性能。结果显示各粒径团聚体,尤其是2~3 mm粒径对应的侵蚀预测方程能较为准确的预测褐土坡面侵蚀量,其决定系数均在0.81以上。

参考文献 (30)

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