表土碎石覆盖对土壤水蚀的影响

表土碎石覆盖对土壤水蚀的影响

碎石是土壤中直径为2mm的矿物颗粒，广泛分布于土壤中。美国有15.6%的土壤含有砾石,地中海地区含砾石土壤更是高达60%。在我国北方土石山区褐土和西南地区紫色土中都有大量砾石存在;西北的黄土因富含钙质,在干湿交替、土壤侵蚀等作用下,表土层也含有大量的砾石;南方红壤区山地土壤大多也含有砾石;而开发建设造成的土石混合弃渣则是人为造成的含砾石土壤。含砾石土壤大多分布在土壤侵蚀比较严重的地区,认识含砾石土壤侵蚀过程对于这类地区水土保持技术发展有重要意义。表层土壤中的砾石一方面通过保护表土免受雨滴溅蚀和径流冲刷直接影响土壤侵蚀过程,另一方面还通过影响土壤的物理性质(如孔隙度、表土结皮与紧实度)、水文过程(如降雨的分配、地表径流的产生以及地表径流的水动力特性等)间接地支配土壤侵蚀过程。土壤中砾石的存在将对整个水蚀过程产生重要影响。现有的土壤侵蚀模型包括经验模型RUSLE,物理模型WEPP、EUROSEM等都要求输入砾石的空间分布信息,以准确预报、模拟土壤侵蚀的时空变化规律。研究砾石对土壤水蚀过程的影响,可为准确预报含砾石土壤的侵蚀情况提供科学依据;地表砾石覆盖可作为土壤侵蚀治理手段用于林地道路和一些开发建设项目的水土流失治理中:因此,研究土壤中砾石存在对土壤水蚀的影响有着重要的理论价值和应用价值。国外对砾石在土壤侵蚀过程中作用的研究已有几十年的时间,取得了一些重要的研究成果;与国外相比,尽管我国含砾石土壤分布广泛,但有关含砾石土壤物理性质、水文过程特别是侵蚀过程的研究却很少。关于砾石存在对土壤物理性质和水分入渗的影响,符素华已作了较为详细的论述。笔者将主要评述砾石覆盖对细沟间侵蚀和细沟侵蚀的影响以及含砾石土壤侵蚀预报模型,以期对国内该领域的研究提供借鉴。1表土砾石覆盖与降雨强度的关系砾石对溅蚀的影响主要表现在2方面。首先,覆盖在土表的砾石保护土壤免受雨滴打击和径流冲刷,从而降低降雨对土壤的分散作用。由于砾石的粒径较大,其自身一般不会在雨滴击溅作用下发生移动,砾石覆盖能较好地保护表土,减少降雨对土壤的溅蚀。J.Moeyersons在花岗岩碎砾坡上建立试验小区(28cm×28cm),研究砾石在雨滴击溅作用下的蠕动过程,结果显示在坡度为14%~63%的坡面上,25~100mm/h降雨过程中,砾石的蠕动速率为0~4cm/h,与降雨强度和坡度呈正相关关系。M.Martinez等在美国亚利桑那州WalnutGulch试验流域,采用不同降雨强度(44、86和118mm/h)模拟降雨,研究了砾石覆盖表土和移除覆盖砾石表土的泥沙溅蚀分散量,结果显示泥沙溅蚀分散量与砾石覆盖呈负相关关系;同时,砾石覆盖表土的泥沙溅散量不受降雨强度的影响,移除覆盖砾石后,表土的泥沙溅散量随降雨强度的提高而显著增加,即砾石覆盖能有效遏制大降雨强度降雨对表土的溅蚀。J.Poesen进一步提出了估计砾石覆盖表土泥沙溅蚀分散量的公式式中:S为单位面积、单位时间内泥沙溅蚀分散量,kg/(m2·min);Rc为砾石覆盖度;K为单位面积、单位时间内降雨动能,J/(m2·min);R为裸露表土抗分散能力,J/kg。其次,表土砾石可以截留大部分溅起的细土颗粒,将其临时贮存在砾石表面,缩短溅散土粒的平均溅散距离,减少径流冲刷的泥沙来源。J.Poesen等根据M.Martinez等在44mm/h模拟降雨下的试验数据计算得出,砾石覆盖表土溅散土粒的平均加权溅散距离为11.6cm,而移除覆盖砾石后,平均加权溅散距离增加至20.4cm。T.deFigueiredo等根据室内模拟降雨试验研究结果指出,在砾石覆盖度达到88%时,降雨溅蚀可能停止,这归因于砾石间有限的间距,特别是当此间距小于雨滴直径时,以及砾石对溅散土粒的阻截。2砾石嵌入对地表产流产沙量的影响细沟间侵蚀是在雨滴溅蚀与径流冲刷及其交互作用下形成的。表土砾石覆盖对细沟间侵蚀影响的研究,主要从室内模拟试验和野外小区试验2方面展开。为了了解土壤中砾石覆盖对细沟间侵蚀的影响,J.Poesen等在室内采用长178.5cm,宽125.2cm(试验区域长94.5cm,宽60cm),坡度4.5%~15%的试验槽,降雨强度为36.4~71.3mm/h的人工降雨,研究了砾石位置、砾石大小与表土结构等对砾石覆盖与细沟间侵蚀二者关系的影响。结果表明:当砾石嵌入只具有质地孔隙易结皮的表土时,砾石覆盖与地表产流产沙呈正相关关系。随着嵌入结皮表土砾石覆盖度的增加,入渗速率降低,径流量随之增加,因大量的径流量限制在砾石之间呈网状流,径流深和径流速率提高,径流对土壤的分散、运输能力增强,砾石覆盖虽减少了降雨对土壤的溅蚀并限制了径流的冲刷面积,产沙量随砾石覆盖的增加而增加;但随着砾石覆盖的进一步提高,当大部分表土被砾石覆盖时,砾石对土壤的保护作用超过径流的侵蚀作用,砾石与产沙量的关系转化为负相关关系,并在砾石覆盖度为80%~100%时,产沙量达到最小值。J.Poesen等的研究结果还表明:当砾石置于表土之上,或虽嵌入土壤,但土壤具有结构性大孔隙(新耕作土壤)时,砾石表面形成的径流以及部分砾石间的霍顿流由砾石下面及其周边的大孔隙吸收,地表产流量随着砾石覆盖度的增加而减少,地表产沙量随之减少;砾石置于表土之上时的地表产沙量总是小于砾石嵌入表土时的地表产沙量;当覆盖度一定时,地表产流产沙量还受到砾石大小的影响,二者之间呈正相关关系。大量耕地或自然土壤的野外小区试验研究结果与J.Poesen等的室内试验研究结果一致。L.Descroix等在墨西哥西北部选取了1个林地、2个牧场,建立了32个1m2、3个10m2和13个50m2试验小区,分别观测了2年自然降雨小区的产流产沙。研究结果显示,由于岩性的差异,粒径<2cm的砾石和>2cm的砾石分别在不同试验点呈现出不同的作用:1)在岩石为熔灰岩的牧场上,>2cm的砾石与地表径流系数(C)、侵蚀速率(E)都表现出较强的负相关关系(RC2=0.59,RE2=0.65),而<2cm的砾石与地表产流产沙量呈较弱的正相关关系(RC2=0.26,RE2=0.52);2)在岩石为砾岩的牧场上,<2cm的砾石(RC2=0.61,RE2=0.35)比>2cm的砾石(RC2=0.10,RE2=0.26)与地表产流产沙量呈现出更强的正相关性;3)在林地,<2cm的砾石与地表产流产沙量表现出较强的正相关关系(RC2=0.87,RE2=0.97)。这归因于,在2)与3)试验点,<2cm的砾石都明显嵌入结皮表土。T.L.Chow等在土豆种植农地建立试验小区(面积1m2,坡度21%~31%),研究了106mm/h模拟降雨条件下不同粒径(1.0~1.9、1.9~5.1和5.1~7.6cm)、不同体积含量(0、7%、15%和25%)砾石对细沟间侵蚀的影响,此时,砾石嵌入具有结构孔隙的表土中,砾石覆盖度与砾石体积含量具有线性正相关关系。结果显示,当粒径为1.9~5.1cm的砾石含量从0增加到25%时,侵蚀速率从6.0g/(m2·min)降到2.2g/(m2·min),这与J.Poesen等的研究结果是一致的:当砾石镶嵌入具有结构孔隙的表土时,砾石覆盖与产沙量呈负相关关系。他们的研究还得出了与J.Poesen等研究相反的结论,当砾石含量固定为15%时,随着砾石粒径的增加,产沙量呈减小趋势,这可能归因于砾石含量一定时,粒径愈大的砾石其覆盖度更高。这也进一步验证了用砾石覆盖度表征砾石与细沟间侵蚀关系的合理性。A.Cerdà在西班牙东南部选取26个砾石覆盖度为50%~100%试验点,研究了灌草丛间裸露区域砾石覆盖对细沟间侵蚀的影响,小区面积0.24m2,坡度21%~31%,降雨强度为55mm/h。结果表明:随着砾石覆盖度增加,产流量减少,径流含沙量与侵蚀速率随之降低;移除表土砾石后,稳定入渗速率从44.5mm/h降到27.5mm/h,径流系数、径流含沙率和侵蚀速率分别增加了3倍、33倍和39倍。U.K.Mandal等在印度半干旱区研究了砾石覆盖与细沟间侵蚀的关系,建立4个自然未扰动土试验小区(2.00m×0.75m),小区坡度为1%~4%,砾石覆盖度3%~65%,在研究区内以粒径为2.0~3.8cm的不规则砾石为主,大多数砾石置于表土之上,少量砾石嵌入表土中,3种降雨强度(48.5、89.2和136.8mm/h)。其研究结果显示:砾石覆盖延迟径流的产生,增加稳定入渗速率,减少径流含沙率和侵蚀速率。在48.5mm/h降雨过程中,65%砾石覆盖表土的平均径流含沙率只有2g/L,当降雨强度增至136.8mm/h时,65%砾石覆盖表土的侵蚀速率也是低于2t/(hm2·h)的,而3.5%砾石覆盖表土的平均径流含沙率可高达70g/L。上述室内外研究结果都表明,当砾石置于表土之上,或虽嵌入土壤,但土壤具有结构性大孔隙时,产沙量随着砾石覆盖的增加而减少,砾石覆盖度(Rc)与细沟间产沙量(IE)呈负指数函数关系:式中:e为欧拉常数;a为砾石覆盖减少产沙量效率的系数,其大小受到表土结构、砾石位置和大小的影响,嵌入砾石减少产沙量的效率低于置于地表砾石的作用,砾石覆盖减少细沟间产沙的效率与砾石的大小呈明显的负相关关系。此外,J.dePloey通过室内模拟降雨对不同坡度条件下砾石覆盖和细沟间侵蚀产沙量的关系进行了研究,试验结果显示:当坡度为3.5%的缓坡时,产沙量随砾石覆盖度增加呈指数衰减;但当坡度为28.7%的陡坡时,砾石覆盖度与产沙量表现出非单调关系。K.Bunte等通过室内土槽冲刷试验得出了与J.dePloey相一致的结论——在陡坡条件下,砾石覆盖对产沙量的影响存在一个阈值(大约为25%):当覆盖度低于这个阈值时,二者呈正相关关系,这可能是因为砾石对径流能量的分散导致其附近产生集中的涡旋侵蚀(vertexerosion),而低的砾石覆盖度对土壤的保护作用又较弱,因此细沟间产沙量随着砾石覆盖的提高而增加;当砾石覆盖度增加为20%~25%时,侵蚀产沙量达到最大值,随着覆盖度进一步增加,漩涡侵蚀受到,细沟间产沙量减少。3细沟流流速与沉积相对高度随着对砾石覆盖土壤降雨侵蚀研究的深入,一些学者开始研究砾石覆盖在坡面细沟侵蚀中的作用。与细沟间砾石的相对固定性相比,细沟内的砾石更易在径流的冲刷作用下发生移动。由J.Poesen的田间试验结果可知:在中等强度降雨下,细沟内直径高达9cm的砾石也会在径流的冲刷下向下坡移动;与砾石形状和细沟最大径流量相比,砾石大小和细沟坡度对砾石移动距离的影响更为重要。D.Torri等在室内模拟不同糙度细沟沟底,研究了沟底单个砾石起动的临界水力条件,指出这一临界水力条件主要取决于细沟水流泥沙含量以及砾石在细沟径流中相对高度。A.D.Abrahams等在亚利桑那州WalnutGulch试验小流域牧草地坡面上选取7条自然形成的细沟,进行了一系列径流冲刷试验。结果表明:在砾质土牧草地坡面上,易形成宽而浅的细沟,沟底一般为砾石所覆盖,细沟流流速是流量、坡度、细沟糙度的函数,细沟糙度随砾石覆盖度的增加而增加,故细沟流流速与砾石覆盖度呈反比关系。J.Poesen等用室内水槽(200.0cm×9.8cm)研究了不同初始含水量条件下(干、湿)砾石覆盖对细沟侵蚀速率的影响。结果表明,细沟侵蚀速率(RE)与砾石覆盖度(Rc)呈负指数关系式中b为砾石覆盖减少细沟侵蚀效率的系数,其大小受表土初始含水率的影响,当土壤含水率较高时,砾石覆盖更能有效地减少细沟侵蚀速率。D.Rieke-Zap等研究了土石混合介质中砾石对细沟水流水力特征和侵蚀的影响,结果显示砾石覆盖能分散径流动能,但在径流形态以紊流为主的情况下,当砾石被径流淹没后,砾石含量对水力粗糙率没有显著影响。在坡度为7%,放水速率为5.7L/min条件下,不含砾石土壤的产沙量比砾石质量含量为51%的土壤产沙量高63倍,砾石覆盖减少产沙量的效率受到坡度和放水速率的影响。在试验过程中,砾石覆盖度有增加趋势。当土壤中不含砾石时,表土更易形成深而窄的细沟,径流动能主要消耗于沟头切割,侵蚀产沙量远远高于含有砾石的土壤。土壤中加入少量的砾石都能使产沙量显著降低,随着砾石含量增加,产沙量减小,径流宽度增加。现阶段,有关砾石对细沟侵蚀影响的研究还比较缺乏,砾石对细沟水流剪切力的分散,砾石特征对细沟水流水力特性和侵蚀产沙的影响,以及砾石移动对细沟侵蚀的作用都还有待于进一步研究。4wpp模型及物理模型由于砾石影响土壤降雨侵蚀的多个子过程,现有的土壤侵蚀预报模型基本上都考虑了砾石在水蚀过程中的作用。RUSLE模型通过修正覆盖与管理因子(C)和土壤可蚀性因子(K)体现砾石对土壤侵蚀的影响。当砾石覆盖于表土之上时,RUSLE模型把砾石作为地表覆盖物,根据式(4)计算地表覆盖子因子(surface-coversubfactor),再计算出相应的C值。式中:SC为地表覆盖子因子;Ru为地表粗糙度。WEPP模型主要考虑了土壤基质中砾石对有效孔隙度的影响以及砾石覆盖对径流阻力系数的影响,通过修正径流阻力系数来体现砾石覆盖对细沟间及细沟侵蚀的影响。式中:frki为薄层水流因砾石覆盖引起的摩擦因数;Rci为细沟间砾石覆盖度;frkr为细沟内因砾石覆盖引起的摩擦因数;Rcr为细沟内砾石覆盖度。由于欧洲含砾石土壤分布面积广,土壤中砾石含量高,EUORSEM模型从土壤水分含量、土壤水分运动、雨滴溅蚀及地表径流水力学特性等多方面更为细致地考虑了砾石对土壤侵蚀过程的影响。当砾石置于表土或嵌入表土时,分别采用式(7)与式(8)对饱和导水率进行修正。式中:Ksroc为含砾石土壤饱和导水率;Ks为不含砾石土壤饱和导导水率。EUORSEM采用式(9)修正砾石覆盖土壤溅蚀量为式中:Dpav为砾石覆盖表土降雨溅蚀量;D为无砾石覆盖土壤降雨溅蚀量。EUORSEM还通过修正曼宁系数体现砾石对径流水力性质的影响:式中:nroc为砾石覆盖表土曼宁系数;n为无砾石覆盖表土曼宁系数。经验模型RUSLE、物理模型WEPP与EUORSEM都从土壤中砾石含量和表土砾石覆盖2个角度考虑了砾石对土壤侵蚀过程的影响。RUSLE和WEPP模型中,表土砾石覆盖与侵蚀产沙呈负相关关系