中国亚热带土壤不同前期含水量对可蚀性K 值的影响

1、中国亚热带土壤不同前期含水量对可蚀性k值的影响刘立1，邢廷炎2（1：中国地质大学研究生院，湖北 武汉 430074；2：武汉大学环境科学系，湖北 武汉 430072）摘要：采用人工模拟降雨试验的方法，研究我国亚热带7种有代表性土壤在干、湿两种状态下的土壤可蚀性k值。结果表明，相同类型土壤在干、湿两种状态下的可蚀性k值存在着明显的差异, 耕作土壤的可蚀性k值高于非耕作土壤。关键词：土壤可蚀性；k值；人工模拟降雨仪；前期土壤含水量中图分类号：s157 文献标识码：a 文章编号：1008-181x（2002）01-0066-04土壤可蚀性是指土壤对侵蚀介质剥蚀和搬运的敏感性，它是评价土壤遭受降雨侵蚀

2、难易程度的重要指标。人工模拟降雨法是测定土壤可蚀性k值的重要方法之一，这一方法的可靠性已得到大多数国内外学者的肯定，并得到了广泛的应用。1989年liebenou在野外用人工模拟降雨仪研究耕地的沟间土壤可蚀性（k值），1991年laflen用人工模拟降雨仪测定了wepp方程中耕地和牧草地的土壤可蚀性(k值)，并主张k值按耕地、牧草地和林地三种类型分别建立“标准”系列。土壤的前期含水量是影响土壤侵蚀过程的一个重要因素，kemper（1987）和rosenau（1984）认为前期含水量的增加会增强土壤粘性。cernuda（1954）和truman（1990）研究了前期含水量对土壤团聚体分散性的影响

3、，认为湿态土壤能增加其团聚程度。moore（1990）和bissonnais（1992）认为湿态土壤可减少结壳的形成与侵蚀，前期含水量常常与土壤流失量密切相关，却很少被考进土壤侵蚀模型中，虽然wischmeier和mannering（1969）发现在复合退化模型中，前期含水量是一个重要因素，但usle中并没有包括土壤水分的内容。尽管研究表明，前期含水量与土壤侵蚀之间存在着正相关关系，但wepp也没有将前期含水量考虑进去。barnett和roger（1966）认为在预测土壤侵蚀时，前期含水量是一个有用的因子，但前期含水量单纯对流失量的影响还未能确定，并且会因高的前期含水量导致径流的明显增加而更趋

4、复杂化。1 试验设计、材料与方法 我们在江西鹰潭中国科学院红壤生态试验站建立了7种典型土壤可蚀性研究的小区(17号)试验地原是一块坡度为34的稀疏马尾松荒地。其土壤为第四纪红色粘土发育的红壤，表层已被剥蚀。每个试验区水平投影长8 m，宽1.5 m，面积12 m2，分别填装7种南方有代表性的土壤，其基本情况见表1，其中13号小区的土壤发育于第四纪红色粘土，4号和5号小区的土壤发育于红砂岩。 试验采用德国生产的人工模拟降雨仪，其模拟降雨面积宽5.5 m，长20 m，合110 m2。本次试验采用10个喷头，喷头离地面2 m，在人工模拟降雨之前，对小区土壤进行翻耕，并耙平。每个小区降雨3次，每次持续降

5、雨1 h，两次降雨间隔1 h。在第一次人工模拟降雨前，采集7种土壤样品，分别测定其含水量，即得到干态时的前期土壤含水量；分别在第二、第三次人工模拟降雨前1 min，采集土壤样品，并分别测定其含水量，取其平均值作为湿态时的前期土壤含水量。同样，湿态时的产流时间、断流时间、产沙量和径流量，也是第二、第三次人工模拟降雨测定值的平均值。2 试验结果2.1 人工模拟降雨试验的前期土壤含水量由表2可知：（1）湿态条件下的土壤含水量比相同类型土壤干态条件下的土壤含水量要高4.1%12.0%。（2）不同土壤类型的干态土壤含水量和湿态土壤含水量都存在着较大的差异，紫色土(6号)和耕作普通红壤（5号）最低，分别为

6、10.5%（干态），14.6% （湿态），和10.1% （干态），16.0%（湿态），非耕作粘淀红壤（3号）最高,达到21.2%（干态）和30.3%（湿态）。干、湿态土壤含水量差异最大的是粘淀红壤（2号），差值达12.0%，相差最小的是非耕作普通红壤（4号），差值只有3.9%。（3）耕作土壤的含水量比相同土壤类型非耕作土壤的含水量低。表1 7种不同土壤类型的基本情况小区号成土母质土纲名称土壤名称基本情况1第四纪红色粘土初育土红色土土壤原来的a、b层已全部被侵蚀，仅存红、黄相间的网纹层，地貌上形成状如沙丘的“红色沙漠”，已全为裸露地，无植被覆盖2第四纪红色粘土铁铝土粘淀红壤约40多年前曾是原始林

7、地，后开垦为农地，土层深厚，种植油菜和花生，是当地第四纪红色粘土区分布很广的旱耕地土壤类型3第四纪红色粘土铁铝土粘淀红壤约40多年前曾是原始林地，林木砍伐后成为稀疏马尾松草本植物混杂的荒地，土层深厚，土壤原来的a层已被侵蚀，是第四纪红色粘土区最典型的荒地土壤类型4红砂岩铁铝土普通红壤林木砍伐后，是以稀疏草本植物为主的荒地，土壤原来的a层和部分b层已被侵蚀，是红砂岩地区有代表性的荒地土壤类型5红砂岩铁铝土普通红壤约40多年前由原始林地开垦成的耕地，主要种植油菜和花生6紫红色砂页岩初育土紫色土水土流失严重，土壤原来的a、b层都已被侵蚀，地表仅有少量植被，是刚从紫红色砂页岩风化而来的幼年土壤7花岗岩

8、铁硅铝土准红壤林木砍伐之后，仅生长草本植物和灌木，但植被覆盖度高 表2 不同类型土壤的前期含水量 %项目1号2号3号4号5号6号7号干态18.316.521.212.310.110.520.5湿态29.728.530.316.216.014.628.7 表3 人工模拟降雨的产沙量和径流量小区号土壤类型状态产流时间/min断流时间/min产沙量/(thm-2)径流量/mm径流系数1红色土干3511.779.30.135湿227.5047.60.6912粘淀红壤干2414.0311.50.177湿2210.5739.40.5993粘淀红壤干2211.8420.30.312湿324.6646.20.

9、7024普通红壤干1213.3427.30.331湿212.2850.10.6395普通红壤干3124.0952.90.643湿10.516.3562.60.7986紫色土干3121.0450.80.608湿0.5127.5059.70.7737准红壤干1314.6837.30.446湿2110.6259.00.764 2.2 人工模拟降雨条件下的径流量和产沙量由表3可知：相同土壤类型，干态土壤的产流时间比较长，而湿态土壤则较短，但断流时间相差不大。干态时，耕作的普通红壤（5号）和紫色土（6号）只需3 min就产流，而红色土（1号）则需35 min才产流；湿态时，耕作的普通红壤（5号）只需0.

10、5 min就有径流，其余土壤最多的也只需3 min。径流量和径流系数都与土壤类型和干、湿条件密切相关。干态时的径流量和径流系数都以耕作的普通红壤（5号）和紫色土（6号）为最高，分别达到52.9 mm，0.643和50.8 mm，0.608；红色土（1号）最低，只有9.3 mm，0.135。湿态时，径流量和径流系数仍以耕作的普通红壤（5号）和紫色土（6号）为最高，分别达到62.6 mm，0.798和59.7 mm，0.773，而以耕作粘淀红壤（2号）为最低，只有39.4 mm，0.599。相同类型土壤的径流量和径流系数在湿态时均比干态时大，红色土在湿态时的径流量和径流系数均为干态时的5.1倍，但

11、耕作普通红壤在湿态时的径流量和径流系数却只有干态时的1.2倍。表3中，非耕作的普通红壤（4号）、耕作的普通红壤（5号）和紫色土（6号）在干态时的产沙量均比湿态时的产沙量要高，而其余类型的土壤则相反。3 讨论3.1 不同前期土壤含水量对产流和产沙的影响径流量的大小与土壤的前期含水量密切相关。相同类型的干态土壤在产流之前比湿态土壤要多一个湿润过程，所以干态土壤的产流时间相对较长。bresson（1992）认为，相同类型土壤在湿态时的径流量较干态时大，且湿态土壤抵抗侵蚀的能力比干态土壤强。但本试验结果表明，湿态土壤抵抗侵蚀的能力并不一定比干态土壤强，而是随土壤类型而变化，对于耕作的普通红壤(5号)、

12、非耕作的普通红壤(4号)和紫色土(6号)，干态时的土壤可蚀性k值比湿态时要大，其余类型土壤则相反。表4 人工模拟降雨过程中土壤的累积径流量拟合方程*状态小区号拟合方程相关系数f检验干态1234r=-7.2800+0.5523t0.9919显著5r=-4.9933+0.9503t0.9993极显著6r=-3.8267+0.9117t0.9999极显著7r=-10.2600+0.7689t0.9925显著湿态1r=-6.2333+0.8600t0.9974显著2r=-3.7467+0.6451t0.9996极显著3r=-3.4467+0.7737t0.9999极显著4r=-5.0533+0.877

13、7t0.9980显著5r=-4.4333+1.1386t0.9997极显著6r=-3.5000+1.0714t0.9999极显著7r=-1.9600+0.9389t0.9996极显著* r：累积径流量(mm)；t：降雨历时(min)土壤的前期含水量对产流具有明显的影响，干态条件下，除耕作的普通红壤(5号)和紫色土(6号)在3 min内产流外，其余土壤均在降雨12 min后产流，红色土(1号)在降雨35 min后才出现径流。不同类型土壤的径流量差异较大，相同类型土壤在降雨过程中的径流量基本上呈递增趋势，降雨结束时分别达到最大值；湿态条件下，7种土壤均在3 min内有径流产生，不同类型土壤的径流量

14、差异相对减小，相同类型土壤径流量的最大值并不都出现在降雨结束时，耕作的普通红壤(5号)和准红壤(7号)径流量的最大值出现在降雨40 min结束时，此后，径流量相对减小。从7种土壤的累积径流量来看，干态条件下，耕作的普通红壤(5色土(1号)的累积径流量最低；湿态条件下，号)和紫色土(6号)的累积径流量最高，红仍然是耕作的普通红壤(5号)和紫色土(6号)的累积径流量最高，而耕作的粘淀红壤(2号)的累积径流量则最低。对人工模拟降雨试验资料进行统计分析，结果表明：各种土壤的累积径流量与降雨历时之间有很好的相关性。从表4可知，每条拟合曲线的f检验值均达到显著，这说明，各种土壤在人工模拟降雨过程中的径流量

15、随着降雨的进行而稳定增加，但这些直线的斜率大小只取决于土壤本身的性质，即土壤的可蚀性。普通红壤(4和5号)的产流时间很短，而且其团聚体极易分散，因此，他们在干态时的产沙量最高，随着降雨侵蚀的进行，表层土壤被严重侵蚀，由于下层土壤相对比较结实而不呈松散状态,这样在湿态时的产沙量较干态时要小。3.2 不同前期含水量对可蚀性因子k值的影响目前，国际上通常有两种求取土壤可蚀性因子k值的方法：一是利用通用土壤流失方程arklscp来获得；二是用诺谟图法来估算土壤可蚀性k值。但根据史学正等学者的研究，发现诺谟图法估算的k值往往与实际情况相差较大，所以我们采用第一种方法来求取可蚀性k值。为了便于与国际上通用

16、的k值进行比较，本试验中r值和k值的单位都采用si制单位前乘以一个系数来表示，其中r值的单位为17 mjmm/(hm2h)，k值的单位为0.132 th/(mjmm)，这样，不管是r值还是k值，它们的绝对值都与英制单位的绝对值相同根据usle所规定的条件，本试验中c=1，p=1，所以usle方程可简化为a=rkls，土壤可蚀性因子由k 0.132 th/(mjmm)=a(0.4464 t/hm2)/ r 17 mjmm/(hm2h)/ls而求得。表5 人工模拟降雨法所求得的土壤可蚀性k值*小区号坡度/%ls状态侵蚀量/(thm-2)rk18.40.47干1.7739.580.042湿7.504

17、4.070.18828.20.45干4.0335.020.114湿10.5732.690.28837.50.39干1.8435.020.060湿4.6632.690.15048.00.44干3.3456.140.060湿2.2848.650.04757.90.43干24.0956.140.445湿16.3548.650.33568.70.49干21.0457.960.336湿27.5044.680.32777.90.43干4.6857.960.084湿10.6244.680.222* 人工模拟降雨仪的动能为 14.11 j/(m2mm)从表4可知：（1）相同类型土壤在干、湿两种条件下的土壤可蚀

18、性k值不同。除准红壤(7号)和非耕作的普通红壤(4号)外，其余5种土壤的可蚀性k值在湿态时比干态时大，其中红色土(1号)湿态的k值是干态时的4.5倍。也就是说，对于相同类型的土壤，不同的前期含水量对其k值的影响比较大。在a，r，ls三个因素中，由于r，l，s的变幅较小，a的变幅较大，因此，a对k值的影响起到主导作用。k值在干、湿两种状态下的变化规律与产沙量(a值)基本相似，对于4号、5号和6号都是干态的k值较湿态大，而其余类型土壤则相反。（2）不同类型土壤在干态时的可蚀性k值由大到小的顺序为：耕作的普通红壤(5号)紫色土(6号)耕作的粘淀红壤(2号)准红壤(7号)非耕作的粘淀红壤(3号)非耕作

19、的普通红壤(4号)红色土(1号)。湿态时的可蚀性k值由大到小的顺序为：耕作的普通红壤(5号)紫色土(6号)耕作的粘淀红壤(2号)准红壤(7号)红色土(1号)非耕作的粘淀红壤(3号)非耕作的普通红壤(4号)。不论是干态还是湿态，耕作的普通红壤(5号)的可蚀性k值总是最大，分别达到0.445和0.335。（3）无论是干态还是湿态，相同土壤类型的耕作土壤可蚀性k值高于非耕作土壤。陈明华等水土保持工作者也得出相同的结论。这说明，相同条件下，耕作土壤比非耕作土壤更容易遭受侵蚀，因此，耕作土壤更应当加强水土保持措施。参考文献：1 truman c c. effect of antecedent soil

20、moisture on splash detachment under simulated rainfallj. soil sci, 1999, 169: 1287-1298.2 moore d c. crusting influence on erosionj. soil sci soc am j, 1999, 94: 1117-1123.3 邢廷炎， 史学正. 用人工模拟降雨法和田间实测法对比研究我国亚热带土壤的可蚀性j. 土壤学报，1998（3）：296-302. 4 成一兵. 不同土壤抗蚀性能研究j. 水土保持通报，1995，15(1): 14-18.quantitatively study o