徑流作用下土壤流失的原因分析

土壤溶解是由于排水、土壤肥力降低、土壤侵蝕和水土流失而外在特征。變化過程非常復雜。這是土壤結構、溶解類型、水分含量、基質特征、土地利用類型等許多因素共同作用的結果。然而，影響溶解效果最大的因素是失敗主體（溶解本身）、溶解儲存場地（土壤）和為了溶解反應提供能量的水。研究者們對溶質隨徑流遷移的過程進行了深入的研究,提出了該過程的水膜理論、混合層理論,并將對混合層的研究成果應用到相關模型中,比如CREAMS模型。王輝、張亞麗、王全九等結合降雨、坡度等因素,對徑流引起黃土坡面的礦物質、氮、磷等營養物質的流失進行了深入研究。眾多研究者對土壤溶質隨徑流流失過程的研究結果表明,該過程表現為土壤溶質的初始徑流濃度較大,隨后濃度逐漸降低。但對這濃度遞減過程,研究者提出了兩大類不同的模型來描述該遞減規律:一類是指數函數形式的模型,另一類是冪函數形式的模型。Ahuja針對飽和土壤研究了土壤溶質在降雨情況下流失規律,提出了有效混合深度的概念,并建立了以指數函數形式為特征的模擬模型來描述徑流溶質的流失規律。Bailey也認為該過程適合用指數函數來描述;王全九等經過對土壤溶質的流失研究認為在土壤飽和并不考慮水土流失情形下適用利用指數函數來描述土壤受徑流作用下溶質的流失過程,但在土壤非飽和、水土流失嚴重的黃土地區,冪函數更適合描述徑流溶質濃度變化過程。這些研究多側重于土壤溶質的遷移過程,而對下墊面因素對遷移過程的影響考慮較少。影響土壤溶質遷移過程的下墊面因素包括土壤容重,土壤結構,土壤的初始含水率,坡度,植被,耕作方式等。土壤溶質遷移過程發生于土壤表面及一定厚度的土壤層內。土壤容重是表征下墊面的重要指標之一,其大小直接影響土壤受徑流的沖刷破環程度,也決定土壤溶質的遷移過程及遷移量。本研究利用室內實驗,分析土壤溶質在受徑流作用下,土壤容重對溶質遷移過程的影響。研究結果可對更全面認識土壤溶質的遷移、土壤養分流失具有積極作用,也對農業生產中不同耕作方式的選擇具有一定的借鑒意義。1材料和方法1.1土槽容重模擬本研究在室內進行土槽實驗,對土槽裝土、飽和并斜放模擬野外斜坡地,采用人工供水來模擬地表徑流流過飽和斜坡地,通過不同的土壤容重、地表坡度、徑流流量組合,探尋土壤容重對土壤受徑流作用發生溶質遷移過程的影響。室內實驗采用可調坡度有機玻璃土槽裝土模擬野外斜坡地,土槽長2.0m,寬0.1m,高0.3m。在土槽高端設置一個與自來水管連接的水槽來供水,用直角堰來初步保證設計流量,實驗前進行實際流量的校準,用人工直接供水模擬坡面上已經形成的徑流,不考慮由人工降雨來提供徑流,即只考慮坡面徑流的沖刷破壞、徑流對溶質的浸提作用下土壤中的溶質流失過程,不考慮徑流形成過程中降雨雨滴對坡面、徑流水層的擊濺、破壞和擾動對土壤溶質流失過程的影響。1.2實驗方法1.2.1實驗土槽裝土及mbr量的施加將供試土壤風干、碾碎、過5mm標準篩(表1)。選用KBr作為研究溶質,這是由于Br-在土壤中背景值低而且化學性質穩定,受土壤顆粒吸附作用的影響較小,在水的作用下,其移動性很強。若地表有水體流動,添加了Br-的土壤在受水的作用下,Br-受浸提、沖刷作用易釋放出來進入地表徑流而流失。實驗土槽裝土總高度確定為4cm,裝土過程及實驗前土槽水平放置,土壤按照0.02mol/kg(KBr/干土)的比例施加KBr;裝土時按照每層1cm分層裝土,裝土前先計算1cm厚土層重量,稱取相應量土壤裝入土槽并壓實到該層高度處以控制土壤容重;按照裝土容重計算每層土對應的KBr含量,計算出土壤飽和條件下所需水量,將計算所得KBr量溶解到對應水量中,施加到土壤層內,待土壤飽和后刮毛表層,再進行上1層的裝土工作。在進行最上面1cm厚土層裝土時,先放入塑料草坪,然后再裝土、加KBr水溶液,塑料草坪部分埋在表土層內、部分出露在表土層外,近似模擬野外植被及其根系。裝土完后用薄膜覆蓋,避免蒸發,以保證土槽中土壤飽和狀態。1.2.2土槽坡度和坡度對實驗流失的影響坡面的坡度越大,水流的流速越快,對表層土壤沖刷就越嚴重,從而導致更嚴重水土流失及相應土壤溶質流失的情形發生。實驗水流為土壤溶質的流失提供啟動條件和驅動力、載體,坡度是為水流的流動提供能量。因此,坡度和流量,是本實驗中影響土壤溶質流失的最關鍵兩個因素。實驗采用可調坡度的土槽來實現不同坡度的坡面、采用不同大小的上方自來水流量模擬降雨形成的徑流。為避免過大的實驗流量和土槽坡度組合導致實驗過程中出現嚴重土壤流失,實驗中采用實驗坡度最大15°,流量最大為0.05L/s。實驗采用的流量Q分別為0.02和0.05L/s,坡度S分別為5°和15°,裝土容重γ為1.20,1.35和1.50g/cm3。各實驗處理的流量,坡度,裝土容重處理組合情況詳見表2。1.2.3br-濃度的測定實驗時,當水流到達土槽尾部出口,立即進行計時,分別在5,10,20,30,40,50和60min時刻取水樣約200ml。測定指標確定為Br-濃度,采用PXSJ-216型離子分析儀及相應電極進行測定。取樣后待水樣澄清,取上部澄清液過濾后測定Br-濃度。對試驗用自來水的Br-背景值進行測定,測得背景值非常小,即可將水樣中的Br-全部看作為實驗飽和土壤中的Br-受徑流作用而發生遷移的量。2徑流分布的變化對取得的水樣測定結果,按照相同坡度、流量、不同裝土容重的實驗分組進行分析。Br-的流失變化規律總體呈現出隨時間增加,水樣濃度逐漸降低的趨勢,對實驗過程分別采用冪函數和指數函數進行回歸分析(表3—4及圖1—2)。由表3—4可見,不同土壤容重下土壤受徑流作用導致土壤溶質流失的過程適合用冪函數來描述,而且在本實驗的坡度、流量情況下,土壤容重越小,同時刻的水樣Br-濃度反而更高。從圖1—2可以看出,裝土容重為1.20g/cm3的Br-流失濃度比相同時刻其他兩組的Br-流失濃度高。在土槽出口處的水量,來自于兩部分,一部分是表面徑流,這在總水量中占很大比重;另一部分是土壤內部的壤中流。后部分流量是對實驗流量的分流,其大小對溶質的流失有直接的影響。水樣中的土壤溶質主要來源于徑流對表層土壤的沖刷、浸提及土壤內部的壤中流帶走的土壤溶質兩部分。在土槽長度方向上不同橫剖面位置的過水流量是一致的,但在不同位置處的橫斷面上,過槽水量的分布是不同的,其總量包括土壤表層以上徑流及土壤內部壤中流兩部分。壤中流的存在及對土壤的作用,從實驗后土層表面受沖蝕破壞的現象就可以看出。在所有實驗中,受溯源侵蝕的作用,沿土槽坡面長度方向,土層表面沖蝕破壞的情況基本是土槽前端沖蝕較輕,而后端沖蝕較嚴重。這主要是在土槽前端有部分水入滲到土壤中形成壤中流而在一定厚度的土壤中流動,其到達土槽末端部分,由于其通道受隔斷,壤中流向上流出到土壤層表面,進入到徑流中,進而加劇土槽末端范圍內水流對土壤表層的沖蝕破壞。坡度、流量及植被情況決定了地表徑流的流速,影響到地表徑流對表層土壤的沖刷破壞程度,也就決定了土壤溶質在土壤受沖蝕作用下進入地表徑流而隨徑流遷移的數量。在實驗所采用的坡度、流量及容重等條件下,通過地表徑流沖蝕表層土壤而帶走部分土壤溶質。容重較小的實驗土層中,土壤顆粒間孔隙較多、較大,這些顆粒孔隙就形成曲折、相互連通的水流通道,為壤中流的形成、流動創造了空間。進入土槽的水,在進口前端,部分水入滲,進入到土壤顆粒間孔隙中,在由孔隙形成的通道中向下坡流動,期間就可以對通道周邊的土壤溶質進行溶解、浸提。Br-受土壤的吸附作用很弱,很容易進入壤中流并發生對流運動。而土壤容重大,土壤顆粒比較致密,孔隙度小,為水進入土壤內部流動留存的通道就更為曲折、更小,導致溶質溶液的土壤孔隙平均流速降低,這種情況下土壤溶質通過對流、機械彌散運動而遷移的量大為減少。各組中容重為1.35g/cm3的實驗徑流Br-濃度比容重為1.50g/cm3的徑流溶質濃度高,但差別不顯著。經分析認為,雖然容重為1.35g/cm3的土壤孔隙狀況比容重為1.50g/cm3好一些,但兩者的土壤顆粒已經相當緊密,顆粒間的孔隙形成的通道非常曲折、斷面小,相對應的壤中流孔隙平均流速非常小,而且并無太大差別,因此通過對流、機械彌散運動而發生遷移的土壤溶質量相差不大,水樣中的Br-主要來源于土槽表層土壤受徑流沖刷而流失的量,通過壤中流遷移的Br-所占比例