第17卷第5期2010年10月水土保持研究
Rear ch o f Soil and Wat er Conr vation V ol.17,No.5Oct.,2010
收稿日期:2010 04 26
资助项目：国家自然科学基金(40801104)
作者简介：吴冰(1987-)，男，陕西富平人，在读硕士研究生，主要研究方向为土壤物理学。E mail:wu bing_
通信作者：邵明安(1956-)，男，湖北常德人，研究员，主要方向为土壤物理学。E mail:mashao@ms.iswc.ac
模拟降雨下坡度对含砾石土壤径流和
产沙过程的影响
吴冰1
，邵明安1,2
，毛天旭1
，朱元骏
2
(1.西北农林科技大学资源环境学院，陕西杨陵712100; 2.西北农林科技大学水土保持研究所，陕西杨陵712100)摘 要：对含砾石土壤径流和产沙过程的研究不仅有助于深入理解该类型土壤中的水土过程，也可以为基于过程的土壤侵蚀模型模拟提供重要的土壤参数。通过室内模拟降雨试验，分析了3个坡度下含砾石土壤中的径流和产沙过程，研究结果表明，不同砾石含量的土壤在不同坡度下的产流在0~20min 内有明显增加的趋势，之后径流趋于平稳。随着砾石含量的增加，坡度对径流的影响减弱。坡面产沙高峰期出现在0~20min 内，且高峰期产沙量占总产沙量比例相对较大；当坡度为15 时，砾石含量(质量含量百分比)为20%,30%,40%的土壤在30min 后产沙量又增加，与其他坡度相比，土壤总产沙量也明显增加。实验中坡度是决定土壤产沙量的主要因素。关键词：降雨；径流量；产沙量；砾石含量；坡度
中图分类号:S152.7;S157 文献标识码:A 文章编号:1005 3409(2010)05 0054 05
Effects of Slope Gradient on Runoff and Sediment
Process in Stony Soil by Stimulated Rainfall
WU Bing 1,SH AO M ing an 1,2,MAO Tian x u 1,ZH U Yuan jun 2
(1.College o f Resour ces and Env ir onment ,N or thw es t A &F Univer sity ,Yangl ing ,S haanx i 712100,China;2.I nstitute of Soil and W ater Conr vation,N or thw est A &F Univ er sity ,Y angling ,S haanx i 712100,China)
Abstract:Inv estig ation on the process o f r unoff and diment in stony soil can help to understand so il and w a ter pro cess in this kind soil and also pr ovide significant soil param eters for soil erosion pro cess m odeling.In this study ,the process of r unoff and diment in soil containing gravels under thr ee slo pe gradients w er e analyzed by simulated rainfall ex perim ents.T he results indicated that the runoff in stony soil incread obvi o usly during 0~20min and then becam e steady.The effect of g radient o n r unoff was w eakened w ith the in creasing o f gravels in the soils.The peak period of diment g eneratio n appear ed betw een 0~20m in.T he diment yields g enerated during this stage accounted for a considerable pro portion to the to tal.When the gradient reached 15 ,the diment yields of soils w ith the gravel contents of 20%,30%and 40%incread ag ain after 30min.And total soil dim ent yields under this gradient incread g reatly compared w ith
other s.In the ex periments,the gr adient of the slope dom inated the dim ent yield.Key words:rainfall;runoff;dim ent yield;g ravel contents;slope gr adient 由于成土过程以及人类活动的影响，含砾石土壤在黄土高原地区分布较为广泛。砾石在密度、尺寸、透水性、表面结构上与土壤颗粒不同，导致其在一定程度上能显著改变土壤结构和物理特性
[1]
，进而影响
坡面水土过程(入渗、径流、产沙)[2 4]
。国外自20世纪30年代起就开始对土壤中砾石的重要性进行评
价，并对其对水文过程影响展开研究。多数室内试验
表明砾石能够阻止降雨入渗，增加地表径流量；含砾石土壤容易形成集中流，导致强烈的土壤侵蚀[5 7]；另一方面，随砾石含量的增加，土壤中的大孔隙也随之增加，有可能促进入渗[8 9]
。国内学者在坡面尺度上进行的入渗和产沙过程模拟降雨研究结果表明，砾石
如何营销自己
含量在一定范围内能增加降雨过程中的土壤入渗率、降低侵蚀产沙量[10 12]。然而，在自然条件下，砾石对坡面水土过程的影响是多种因素叠加作用的结果。由于研究方法和手段的欠缺，国内外相关研究较少涉及对不同坡度下含砾石土壤水土过程的研究。导致对坡面尺度上非均质土壤中水土过程的了解不足。深入了解这一过程不仅是水土过程及模型模拟的基础，也可以促进特定地区水土资源的保护和合理利用。
本试验通过室内模拟降雨来研究降雨过程中不同坡度下含砾石土壤的径流和产沙随时间的变化，初步探讨坡度对砾石土壤径流和产沙的影响，为该类型土壤的水土资源合理利用提供科学依据。1 材料与方法
1.1 试验材料
试验在黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室人工降雨大厅进行。试验选用规格为3m (长)1m(宽)0.5m(深)的自制铁质土槽模拟坡面，供试土壤取自西北农林科技大学试验地表层
土(钙积土垫旱耕人为土)。土壤过5mm筛，风干并测定土壤初始含水率(3%左右)。土壤颗粒组成见表1 (国际土壤质地分类系统)，试验用砾石取自渭河河滩(花岗岩风化物)，洗净后分别过20mm和75mm 筛，留取20~75mm的砾石作为供试砾石，自然风干。
表1 土壤颗粒组成
项目
不同粒径/mm
1~0.250.25~0.050.05~0.010.01~0.0050.005~0.001<0.001
质地
含量/% 2.2519.0434.2316.9221.95 5.61粉壤土
1.2 试验方法
将风干过筛的土壤与砾石(直径为20~75mm)按10!0,9!1,8!2,7!3,6!4的质量比均匀混合(砾石质量含量分别为0,10%,20%,30%,40%)。土壤容重控制为1.35g/cm3，实测砾石密度为2.65 g/cm3，分5层装入土槽中，每两层之间打毛以防止土体分层。降雨过程中，雨强控制在60mm/h(实际按率定雨强计算)，坡度控制为5 、10 和15 。降雨时，用SONY(DSC-H X1型)数码摄像机进行全程摄像，并记录土槽产流时间。产流开始后每隔1min收集一次径流，每5min测定一次坡面水流流速(采用KMnO4染色剂法，记录水流流过固定坡长的时间，然后换算成流速)。降雨历时60m in(从产量开始算起)。降雨结束后，用称重法和烘干法分别得到径流量和产沙量。
2 结果与分析
2.1 降雨过程中坡面径流量变化
图1为不同坡度下不同砾石含量的土壤在坡面产流开始后径流量随时间的变化趋势图。从图1中可以看出，同一砾石含量的土壤在不同坡度下径流量随时间呈上升的趋势，其中降雨的产流在0~20min 内有明显增加的趋势，随后径流量随时间的变化趋于平稳。砾石含量为0的土壤总径流量在不同坡度间的大小依次是5 >15 >10 ，其平均入渗深度依次为10 >15 >5 ，与总径流量的变化正好相反。形成这种现象的原因主要在于：在径流量计算过程中，使用了水量平衡法(即径流等于降雨减去入渗)，导致坡面径流量与土壤入渗深度密切相关，入渗深度大(相应入渗的水分就越多)则径流量小，反之亦然。其他砾石含量的土壤总径流量的变化均符合这个规律。另外，从图2中可以发现，随着砾石含量的增加，坡度对径流的影响减弱。这可能是由于砾石含量的增加，土壤表面裸露的砾石越多，导致径流流速增加。试验数据也表明，与均质土壤相比，表层具有砾石的土壤其径流流速更快。试验中，砾石含量及坡度与流速呈正相关；随着坡度的增加，其对坡面径流流速的影响减弱。
采用线性回归模型对累计径流量随时间的变化进行拟合，发现累计径流量与时间呈显著线性相关，可用以下公式来表达这种关系:
W(t)=at+b
式中:W∀∀∀累计径流量(kg);t∀∀∀时间(m in);a, b∀∀∀拟合参数，见表2。
表2 累计径流量随时间变化的线性拟合结果
坡度参数
砾石含量/%
010203040 5
a 1.86 1.94 1.58 1.51 1.82
b-6.61-5.43-6.18-5.87-5.53
R20.990.990.990.990.99
10
a 1.41 1.60 1.67 1.65 1.77
b-7.43-5.81-5.90-5.72-7.24虚构推理小说
R20.990.990.990.990.99
15
a 1.57 1.60 1.69 1.58 1.76
b-5.07-6.69-5.94-7.60-5.67
R20.990.990.990.990.99注:a和b为线性拟合参数,R2为相关性系数
55
第5期 吴冰等：模拟降雨下坡度对含砾石土壤径流和产沙过程的影响
图1 不同坡度下含砾石土壤中径流量随时间的变化趋势 图2 不同坡度下含砾石土壤中累计径流量随时间的变化
2.2 降雨侵蚀产沙过程
图3是含砾石土壤在不同坡度下产沙量随时间的变化趋势。从图中可以看出，含砾石土壤在不同坡度下均表现出现先增加后减少的趋势。其原因可能是雨水击溅产生大量分散的土壤颗粒，被坡面薄层水
流运走，形成产流后的第一个产沙高峰期(产流后0 ~20min)。
此产沙高峰期,5个不同砾石含量(分别为0, 10%,20%,30%,40%)土壤产沙量占总产沙量的比例分别为:47.8%,54.6%,53.2%,48.5%、49.3%(5 ),58.2%、38.8%,57.3%,38.5%,41.9% (10 )和40.8%,23.7%,41.2%,39.4%,35.4% (15 )。砾石含量为20%,30%,40%的土壤在坡度为15 时在30min后又出现明显的增加的趋势。
从图4可以看出，坡度由10 变化到15 时，砾石含量为20%,30%,40%的土壤产沙量分别增加了71.9%,74.2%,47.7%。原因可能是随着坡度的增加，坡面径流冲刷能力增强，加之砾石与土壤结合处是侵蚀发生的重点区域，导致此区域土壤侵蚀严重，细沟出现，产沙量增加。
56 水土保持研究 第17卷
图3 不同坡度下含砾石土壤中产沙量随时间的变化趋势 图4 不同坡度下含砾石土壤中累计产沙量随时间的变化
3 结论
本研究针对3个坡度下5个不同砾石含量土壤的径流和产沙过程及坡度对其的影响进行了初步分析，得出以下结论:
(1)不同砾石含量的土壤在降雨产流后0~20 min内坡面径流有明显增加的趋势，之后趋于平稳；随着砾石含量的增加，坡度对径流的影响减弱。另外，累计径流量与时间之间呈良好的线性关系。
(2)不同砾石含量的土壤产沙高峰期出现在降雨产流后0~20min内，此产沙高峰期,5个不同砾石含量(分别为0,10%,20%,30%,40%)土壤产沙量占总产沙量的比例分别为:47.8%,54.6%,53.2%, 48.5%,49.3%(5 ),58.2%,38.8%,57.3%,
38.5%,41.9%(10 )和40.8%,23.7%,41.2%,
39.4%,35.4%(15 )。当坡度较大时，较高砾石含量的土壤在产流30min后，产沙量又出现明显增加的趋势。
(3)坡度对含砾石土壤总产沙量有很大影响。尤其当坡度从10 增加到15 时，砾石含量为为20%, 30%,40%的土壤总产沙量显著增加，分别增加了71.9%,74.2%,47.7%。
57
第5期 吴冰等：模拟降雨下坡度对含砾石土壤径流和产沙过程的影响
由于其他因素，如砾石形状、尺寸以及坡面形态等都会影响坡面径流和入渗，导致含砾石土壤中水土过程尤为复杂。全面深入理解该类型土壤中的水土过程还需综合考虑以上因素的影响。
参考文献:
[1] V an W emael B,P oen J,de F ig ueiredo T.Effects o f
r ock fr agments on physical degr adat ion o f cultivated soils by r ainfall[J].So il and T illag e Rearch,1995,33:229 250.
[2] Po en J,T or ri D,Bunte K.Effects of ro ck fr agments
on soil ero sion by w ater at differ ent spatial scales:a re view[J].Catena,1994,23:141 166.
[3] Brakensiek D L.So il containing rock fr agments:effects
on infiltrat ion[J].Catena,1994,23:99 110.
[4] P oen J,L avee H.Ro ck frag ments in to psoils:sig nifi
cance and pro cess[J].Catena,1994,23:1 28.
[5] Poen J.Sur face aling as influenced by slo pe ang le
and posit ion of simulat ed stones in the to p layer of loo diments[J].Ear th Surf.Pro cess Landfor ms,1986,
11:1 10.
[6] P oen J,Ing elmo Sanchez F,M f icher H.T he hy dr o
lo gical respon o f so il sur faces to rainfall as affected by
cov er and po sitio n of r ock fr agments in the top layer[J].
Ear th Surf.Pr ocess L andfo rms,1990,15:653 671. [7] Valent in C.Sur face aling as affected by v ario us ro ck
fr agment cov er s in West A frica[J].Catena,1994,23:87
97.
[8] D unn A J,M ehuys G R.Relatio nship betw een g rav el
content o f so ils and saturated hydraulic co nductivit y in labo rato ry tests[C]#N icho ls J D.Er osio n
and P ro duc tiv ity of Soils Containing R ock Fr agments.Special Pub lication,13.Soil Science Society of A merica,M adison,
我爱小黑猫W I.1984.
[9] Raw ls W J,St one J J,Brakensiek D L.I nfiltr ation
[M]//U SD A W ater Er osio n P redictio n Pro ject:Hill slo pe Pr ofile V ersio n.N SER1Repo rt Number2,N a tio na l Soil Er osion R ear ch Labor ator y,U SDA A RS,
W est Lafay ette,IN,Ch.,1989.
[10] Simanton J R,Renard K G,Chr istiaenn C M,et al.
Spatial distr ibution of surface ro ck frag ments along ca
t enas in mi ar id Ar izona and N evada[J].Catena,
1994,23:29 42.
[11] M ar ques M A,M o ra E.T he influence of aspect on
runoff and so il loss in a M editerr anean bur nt forest
Spain[J].Catena,1992,19:333 344.
[12] 朱元骏，邵明安.不同砾石含量的土壤降雨入渗和产沙
过程初步研究[J].农业工程学报,2006,22(2):64 67.
银行风险防控(上接第53页)
[11] 李登科.陕西吴起植被动态及其与气候变化的关系
[J].生态学杂志,2007,26(11):1811 1816.花园怎么画
[12] 范锦龙，李贵才，张艳.阴山北麓农牧交错带植被变化
及其对气候变化的响应[J].生态学杂志,2007,26
如何煮咖啡
启动服务命令(10):1528 1532.
[13] 何勇，董文杰，郭晓寅，等.基于M odis的中国陆地植被
生长及其与气候的关系[J].生态学报,2007,27(12):
5086 5092.
[14] 李登科，郭铌，何慧娟.陕北长城沿线风沙区植被指数
变化及其与气候的关系[J].生态学报,2007,27(11):
4620 4629.
[15] 信忠保，许炯心.黄土高原地区植被覆盖时空演变对气
候的响应[J].自然科学进展,2007,17(6):770 778. [16] 周定文，范广洲，黄荣辉，等.Interannual V ariability o f
the N orma lized D ifference V eg etatio n Index on t he T i
bet an P lateau and Its Relatio nship wit h Climate Chang e
[J].大气科学进展：英文版,2007,24(3):474 484. [17] 章家恩，徐琪.土壤与生物多样性及其保护对策[J].资
雨滴简笔画
源科学,1998,20(1):49 53.[18] 鲍毅新，程宏毅，葛宝明，等.不同土地利用方式下大型
土壤动物群落对土壤理化性质的响应[J].浙江师范大
学学报：自然科学版,2007,30(2):121 127.
[19] 刘继亮，殷秀琴，邱丽丽.左家自然保护区大型土壤动
物与土壤因子关系研究[J].土壤学报,2008(1):130
136.
[20] 向昌国，杨世俊，聂琴.土壤动物对土壤环境的生物指
示作用[J].中国农学通报,2007,23(4):364 367. [21] 王海英，宫渊波，龚伟.不同林分土壤微生物、酶活性与
土壤肥力的关系研究综述[J].四川林勘设计,2005
(3):9 14.
[22] 徐雄，张健，张猛，等.果-草人工生态系统中土壤微生
物、土壤酶与土壤养分的关系[J].水土保持学报,
2005,19(6):178 181.
[23] 张秀艳，杜卫兵，张小平，等.川西植被恢复过程中的土
壤微生物评价及与土壤因子的关系[J].生态环境,
2007,16(5):1470 1474.
[24] 赵萌，方晰，田大伦.第2代杉木人工林地土壤微生物数
量与土壤因子的关系[J].林业科学,2007,43(6):7 12.
58 水土保持研究 第17卷
