1、第 15 卷 第 6 期2008 年 12 月水 土 保 持 研 究Research of Soil and Water ConservationVol. 15 , No. 6Dec. ,2008土 壤 溶 质 随 径 流 迁 移 基 本 特 征 分 析 3王 全 九 1 ,2 ,穆 天 亮 1 ,王 辉 2 ,孔 刚 1(1. 西 安 理 工 大 学 ,西 安 710048 ; 2. 中 国 科 学 院 水 利 部 水 土 保 持 研 究 所 黄 土 高 原 土 壤 侵 蚀 与 旱 地 农 业国 家 重 点 实 验 室 ,陕 西 杨 陵 712100)摘 要 :土 壤 溶 质 随 地 表 径
2、 流 迁 移 是 一 个 复 杂 的 过 程 ,受 到 多 种 因 素 的 影 响 。 在 总 结 国 内 外 相 关 研 究 成 果 的 基 础上 ,分 析 了 土 壤 溶 质 随 地 表 径 流 迁 移 的 主 要 物 理 过 程 ,以 及 各 个 物 理 过 程 的 具 体 特 征 。 同 时 分 析 了 影 响 土 壤 溶 质随 地 表 径 流 迁 移 的 主 要 因 素 的 影 响 程 度 和 特 点 ,为 建 立 描 述 土 壤 溶 质 随 地 表 径 流 迁 移 过 程 的 数 学 模 型 ,以 及 发 展控 制 措 施 提 供 参 考 。关 键 词 :土 壤 溶 质 ; 径 流
3、 迁 移 ; 地 表 径 流中 图 分 类 号 :S153. 5 文 献 标 识 码 :A 文 章 编 号 :100523409 (2008) 0620038204Features Analysis of Solute in Soils Transfer with Surface RunoffWAN G Quan2jiu1 ,2 , MU Tian2liang1 , WAN G Hui2 , KON G Gang1(1. X i an Universit y of Technolog y , X i an 710048 , China; 2. S tate Key L aboratory of
4、 S oil Erosion andD ryland Farmi ng on the L oess Plateau , I nstitute of S oil and W ater Conservation , the Chinese A cadem y ofSciences , Yangling , S haanx i 712100 , China)Abstract :Solute in soils transferring with runoff is a complex processes , and it is affected by many factors. The physica
5、l proces2ses of soil solute transfer with runoff and their features were analyzed based on the summation of research results at home andabroad. The effects of main factors on soil solute transfer with surface runoff were analyzed in order to provide some guidancefor establishing related mathematical
6、 models and controlling measures.Key words :soil solute ; runoff transfer ; surface runoff降 雨 条 件 下 土 壤 溶 质 迁 移 包 括 两 个 过 程 :一 是 在 降 雨 过程 中 ,土 壤 溶 质 随 下 渗 水 分 向 深 层 迁 移 ;另 一 是 当 降 雨 强 度 大于 土 壤 入 渗 能 力 时 产 生 地 表 径 流 ,土 壤 表 层 的 溶 质 在 雨 滴 打击 及 径 流 冲 刷 作 用 下 ,向 地 表 径 流 传 递 ,并 随 地 表 径 流 迁 移 。土 壤 内 部 的 溶
7、质 迁 移 过 程 涉 及 了 土 壤 养 分 的 滞 留 及 有 效 性 、土 壤 环 境 及 地 下 水 污 染 问 题 ;而 土 壤 溶 质 随 径 流 迁 移 过 程 涉及 了 土 壤 养 分 流 失 和 土 壤 肥 力 减 退 ,以 及 水 环 境 污 染 问 题 。土 壤 溶 质 随 地 表 径 流 迁 移 受 到 众 多 因 素 的 影 响 ,如 降 雨 特 性 、下 垫 面 条 件 及 所 涉 及 化 学 物 质 特 性 等 。 降 雨 不 仅 为 整 个 土 -水 体 系 输 入 水 量 ,而 且 也 输 入 能 量 ,因 此 它 是 土 壤 体 系 中 水 分和 溶 质 运
8、 移 的 能 源 ;下 垫 面 是 降 雨 及 径 流 溶 质 迁 移 的 基 础 ,也 是 径 流 溶 质 的 供 给 源 ;化 学 物 质 是 整 个 研 究 的 对 象 ,它 的 物理 化 学 特 性 同 样 影 响 其 本 身 的 运 移 特 性 。 为 了 揭 示 土 壤 溶 质随 地 表 径 流 的 迁 移 机 制 ,以 及 有 效 控 制 和 预 测 土 壤 溶 质 随 地表 径 流 迁 移 的 过 程 ,国 内 外 学 者 对 此 进 行 了 大 量 研 究 129 ,为认 识 其 内 在 机 制 奠 定 了 基 础 。 本 文 根 据 国 内 外 研 究 成 果 分 析了 主
9、 要 因 素 对 土 壤 溶 质 随 径 流 迁 移 特 性 的 影 响 ,为 进 一 步 探讨 土 壤 溶 质 随 地 表 径 流 迁 移 控 制 措 施 提 供 参 考 。1 土 壤 溶 质 随 地 表 径 流 迁 移 的 主 要 物 理 过 程在 一 次 降 雨 过 程 中 ,降 雨 初 期 的 雨 滴 打 击 作 用 使 土 壤 表层 溶 质 与 雨 水 混 合 ,当 土 壤 入 渗 能 力 大 于 雨 强 时 ,雨 水 全 部入 渗 ,土 壤 表 层 一 部 分 溶 质 随 入 渗 水 分 向 下 层 迁 移 ,表 层 土壤 溶 质 含 量 逐 渐 减 少 。 随 着 降 雨 量 增
10、 多 ,土 壤 表 层 含 水 量 逐渐 增 大 ,土 壤 入 渗 能 力 逐 步 小 于 雨 强 ,地 表 开 始 积 水 ,并 随 之产 生 地 表 径 流 ,同 时 也 产 生 土 壤 侵 蚀 与 水 土 流 失 。 在 雨 滴 击溅 、 径 流 冲 刷 、 紊 动 扩 散 及 土 壤 侵 蚀 作 用 下 ,土 壤 溶 质 进 入 径流 。 土 壤 溶 质 一 般 以 两 种 形 式 进 入 径 流 :一 是 溶 解 态 形 式 ,一 般 认 为 其 存 在 于 土 壤 溶 液 中 ,并 随 着 溶 液 间 的 交 换 进 入 地表 径 流 ;另 一 是 吸 附 态 形 式 ,这 部 分
11、 溶 质 被 吸 附 在 土 壤 颗 粒上 ,并 通 过 解 吸 和 随 侵 蚀 泥 沙 进 入 地 表 径 流 。 这 些 溶 质 向 地表 径 流 传 递 主 要 受 以 下 几 方 面 作 用 的 影 响 。溶 解 与 解 吸 作 用 是 决 定 土 壤 溶 质 存 在 状 态 的 作 用 过 程 。土 壤 中 的 化 合 物 有 的 以 溶 解 态 形 式 存 在 于 土 壤 溶 液 中 ;有 的以 吸 附 态 形 式 被 吸 附 在 土 壤 颗 粒 上 ;有 的 未 溶 解 以 固 态 形 式存 在 于 土 壤 中 。 降 雨 - 入 渗 过 程 补 充 了 土 壤 水 分 ,同 时
12、 也 改3 收 稿 日 期 :2008208219基 金 项 目 :中 科 院 “ 百 人 计 划 ” 优 先 资 助 项 目 ;国 家 自 然 科 学 基 金 项 目 (90502006) ;中 国 科 学 院 “ 百 人 计 划 ” 资 助 项 目作 者 简 介 :王 全 九 (1964 - ) ,男 ,内 蒙 人 ,教 授 ,博 导 ,主 要 从 事 农 业 水 土 工 程 方 面 研 究 工 作 。 E2mail :wquanjiu 163. com 变 了 土 壤 溶 液 的 浓 度 。 这 样 一 部 分 未 溶 解 的 固 态 物 质 可 能溶 解 ;一 些 溶 质 离 子 可
13、能 从 土 壤 颗 粒 上 解 吸 ,也 可 能 在 土 壤颗 粒 表 层 发 生 交 换 反 应 ;由 于 同 离 子 效 应 和 盐 基 效 应 的 作用 ,有 些 溶 质 的 溶 解 度 和 电 离 度 增 加 ,有 的 可 能 减 小 。 由 于土 壤 是 多 种 元 素 组 成 的 复 合 体 ,因 此 无 法 用 简 单 的 公 式 描 述这 些 复 杂 过 程 ,一 般 只 能 根 据 具 体 溶 质 进 行 特 殊 处 理 。 这 一过 程 主 要 与 土 壤 质 地 、 土 壤 化 学 组 成 及 其 各 组 分 含 量 、 化 学成 分 的 溶 解 度 和 电 离 度 、
14、离 子 与 土 壤 颗 粒 作 用 关 系 、 离 子 的吸 附 与 解 吸 特 性 、 土 壤 水 分 特 性 及 环 境 温 度 有 关 。雨 滴 击 溅 作 用 在 土 壤 溶 质 向 地 表 径 流 迁 移 过 程 中 起 着至 关 重 要 的 作 用 。 一 方 面 将 表 层 土 壤 溶 质 与 雨 水 混 合 ,若 土壤 表 面 积 水 ,击 溅 作 用 将 使 土 壤 表 层 溶 质 与 表 面 积 水 及 雨 水混 合 ,以 供 径 流 冲 刷 ,起 到 掺 和 搅 拌 作 用 。 同 时 它 对 下 层 土壤 溶 质 起 到 扰 动 作 用 ,加 速 了 土 壤 溶 质 的
15、 化 学 物 理 过 程 进行 ;另 一 方 面 雨 滴 击 溅 作 用 增 加 了 土 壤 侵 蚀 ,使 吸 附 在 土 壤颗 粒 上 的 溶 质 随 流 失 的 土 壤 颗 粒 进 入 径 流 。 此 外 ,雨 滴 击 溅作 用 改 变 了 土 壤 表 面 特 性 ,减 少 土 壤 入 渗 能 力 ,使 混 合 层 土壤 溶 质 随 径 流 迁 移 的 几 率 增 加 。 雨 滴 的 击 溅 作 用 表 现 为 多种 方 面 ,因 此 也 很 难 利 用 简 单 的 模 式 进 行 描 述 。 雨 滴 击 溅 作用 主 要 与 雨 强 、 雨 滴 谱 、 雨 滴 动 能 、 土 壤 质 地
16、 、 土 壤 容 重 、 土 壤覆 盖 、 土 壤 前 期 含 水 量 等 因 素 有 关 。径 流 冲 刷 是 土 壤 溶 质 损 失 的 一 个 重 要 因 素 。 首 先 它 起到 搬 运 作 用 ,一 方 面 将 土 壤 表 层 溶 解 态 溶 质 带 走 ;另 一 方 面径 流 冲 刷 加 剧 土 壤 侵 蚀 。 吸 附 着 土 壤 颗 粒 上 的 溶 质 随 着 侵蚀 泥 沙 迁 移 而 流 失 ,增 加 了 土 壤 溶 质 的 损 失 ;其 次 它 起 到 了“ 催 化 剂 ” 作 用 ,由 于 径 流 冲 刷 使 表 土 流 失 ,下 层 土 壤 溶 质 失去 了 保 护 层
17、,因 而 下 层 土 壤 溶 质 直 接 受 到 径 流 和 雨 滴 作 用 ,加 剧 了 下 层 土 壤 溶 质 向 地 表 径 流 的 迁 移 。 径 流 冲 刷 也 是 灌溉 条 件 下 土 壤 溶 质 随 地 表 径 流 迁 移 的 主 要 因 素 。 研 究 径 流冲 刷 作 用 是 研 究 土 壤 溶 质 向 地 表 径 流 迁 移 的 一 个 重 要 方 面 。特 别 对 于 水 土 流 失 比 较 严 重 的 西 北 黄 土 地 区 更 是 如 此 。 径流 冲 刷 作 用 主 要 与 降 雨 特 性 、 土 壤 特 性 、 土 壤 坡 面 特 性 及 植被 条 件 有 关 。
18、坡 面 水 流 在 雨 滴 扰 动 及 径 流 紊 动 作 用 下 ,加 速 了 下 层 土壤 溶 质 向 径 流 传 递 的 过 程 ,溶 质 紊 动 扩 散 作 用 远 大 于 分 子 扩散 作 用 。 国 外 一 些 学 者 将 坡 面 流 分 成 层 流 和 紊 流 ,而 层 流 和紊 流 间 的 溶 质 传 递 主 要 是 在 紊 动 扩 散 和 雨 滴 扰 动 作 用 下 进行 的 。 这 种 作 用 主 要 与 溶 质 种 类 、 土 壤 表 面 的 物 理 特 性 和 表面 糙 率 、 坡 面 特 性 、 径 流 排 放 情 况 、 土 壤 特 性 及 降 雨 特 性 等 因素
19、 有 关 。土 壤 入 渗 能 力 不 仅 影 响 土 壤 水 分 运 移 特 性 和 表 面 径 流特 性 ,而 且 影 响 土 壤 溶 质 运 移 特 性 及 径 流 溶 质 运 移 特 性 。 由于 只 有 表 层 一 定 深 度 的 土 壤 溶 质 参 与 径 流 迁 移 ,而 此 深 度 以下 的 溶 质 不 参 与 径 流 迁 移 ,故 此 深 度 内 溶 质 数 量 与 土 壤 溶 质随 径 流 迁 移 量 紧 密 相 关 。 土 壤 溶 质 主 要 以 对 流 形 式 随 入 渗水 分 在 土 壤 中 迁 移 ,而 表 层 土 壤 溶 质 的 数 量 与 土 壤 入 渗 能 力
20、密 切 相 关 ,如 入 渗 能 力 大 ,则 表 层 土 壤 所 含 有 的 溶 质 数 量 减少 。 同 时 土 壤 表 面 混 合 层 的 溶 质 随 径 流 迁 移 的 几 率 随 土 壤深 度 的 增 加 呈 指 数 递 减 ,这 样 入 渗 水 量 愈 多 ,土 壤 溶 质 参 与径 流 迁 移 的 几 率 愈 小 ,因 此 土 壤 入 渗 特 性 对 于 土 壤 溶 质 随 径流 的 迁 移 过 程 是 十 分 关 键 的 因 素 。2 土 壤 溶 质 随 地 表 径 流 迁 移 的 主 要 影 响 因 素土 壤 溶 质 随 地 表 径 流 迁 移 受 到 多 种 因 素 的 影
21、 响 ,各 种 因素 的 影 响 程 度 和 方 式 不 尽 相 同 ,但 主 要 通 过 改 变 水 、 土 、 溶 质三 者 相 互 关 系 来 发 挥 作 用 。 降 雨 补 充 的 水 分 不 仅 作 为 溶 质迁 移 的 载 体 ,携 带 溶 质 向 土 壤 深 层 和 地 表 径 流 迁 移 ,而 且 降雨 雨 滴 具 有 能 量 ,直 接 改 变 土 壤 表 面 特 征 ,以 及 土 壤 溶 质 与径 流 溶 质 混 合 程 度 ,同 时 形 成 的 地 表 径 流 大 小 直 接 影 响 土 壤溶 质 向 地 表 径 流 的 传 递 程 度 和 数 量 。 土 壤 作 为 溶
22、质 存 在 的场 所 ,也 是 地 表 径 流 溶 质 的 补 给 源 ,土 壤 基 本 特 征 直 接 影 响向 地 表 径 流 传 递 溶 质 的 能 力 。 溶 质 物 理 化 学 特 征 不 同 直 接决 定 着 其 在 土 壤 中 的 存 在 状 态 ,对 于 吸 附 能 力 较 强 的 溶 质 ,其 与 土 壤 颗 粒 作 用 的 能 力 强 ,在 土 壤 内 迁 移 速 度 相 对 较 慢 ,直 接 参 与 径 流 迁 移 的 几 率 大 ,但 由 于 其 与 土 壤 颗 粒 间 具 有 较强 作 用 ,因 此 随 侵 蚀 泥 沙 进 入 径 流 的 可 能 性 愈 强 ,对 于
23、 吸 附性 较 弱 的 溶 质 ,在 土 壤 内 迁 移 速 度 快 ,进 入 地 表 径 流 迁 移 的几 率 相 对 降 低 。 由 于 土 壤 溶 质 随 地 表 径 流 迁 移 的 复 杂 性 ,需要 通 过 分 析 其 内 在 机 制 ,确 定 主 要 影 响 因 素 来 进 一 步 分 析 其控 制 因 子 ,从 而 为 发 展 相 关 数 学 模 型 提 供 指 导 。2. 1 溶 质 特 征 对 土 壤 溶 质 随 地 表 径 流 迁 移 的 影 响土 壤 中 溶 质 的 存 在 方 式 及 运 动 特 点 是 多 种 多 样 的 ,而 且受 到 许 多 因 素 的 影 响 ,
24、如 土 壤 质 地 、 土 壤 溶 质 含 量 、 土 壤 结构 、 土 壤 水 分 状 况 、 溶 质 种 类 及 其 物 理 、 化 学 特 性 、 环 境 温 度 、下 垫 面 条 件 及 降 雨 或 灌 溉 特 性 等 。 由 于 土 壤 溶 质 是 径 流 溶质 的 供 给 源 ,溶 质 在 土 壤 中 的 存 在 方 式 和 迁 移 特 性 ,直 接 影响 着 径 流 溶 质 的 变 化 过 程 。 从 一 场 降 雨 过 程 来 看 ,降 雨 初 期在 雨 滴 打 击 作 用 下 ,土 壤 表 层 溶 质 与 雨 水 混 和 ,如 土 壤 入 渗能 力 小 于 雨 强 时 产 生
25、 地 表 径 流 。 在 雨 滴 击 溅 、 径 流 冲 刷 及 溶质 紊 动 扩 散 作 用 下 ,土 壤 溶 液 中 溶 质 进 入 径 流 。 随 着 径 流 的发 展 ,土 壤 侵 蚀 加 剧 ,吸 附 在 土 壤 颗 粒 上 的 离 子 ,随 着 流 失 的土 壤 颗 粒 而 进 入 径 流 。 同 时 表 层 土 壤 的 流 失 ,使 下 层 土 壤 也受 到 雨 滴 和 径 流 的 作 用 ,使 下 层 土 壤 中 一 部 分 溶 质 也 进 入 径流 。 总 之 ,径 流 溶 质 可 分 为 两 大 类 ,一 类 是 以 溶 解 态 进 入 径流 的 溶 质 ;另 一 类 是
26、以 吸 附 态 进 入 径 流 的 溶 质 。 但 由 于 溶 质离 子 化 学 特 性 及 与 土 壤 颗 粒 作 用 程 度 的 不 同 ,两 类 溶 质 在 不同 降 雨 时 期 所 起 的 作 用 不 同 。 对 于 易 移 动 和 与 土 壤 颗 粒 作用 较 小 的 离 子 ,径 流 溶 质 浓 度 变 化 过 程 是 由 大 逐 渐 变 小 ,反之 由 大 变 小 ,然 后 又 逐 渐 增 大 。 图 1 - 3 显 示 了 人 工 模 拟 降雨 条 件 下 不 同 离 子 径 流 浓 度 的 变 化 过 程 。 由 图 示 结 果 可 以看 出 ,不 同 特 性 的 离 子 具
27、 有 不 同 的 径 流 离 子 变 化 过 程 。 根 据离 子 径 流 浓 度 变 化 特 性 可 知 ,对 于 不 同 的 土 壤 离 子 应 采 用 不同 的 控 制 方 法 ,则 可 有 效 控 制 其 径 流 流 失 量 ,对 于 易 迁 移 而受 土 壤 颗 粒 作 用 力 小 的 离 子 ,应 尽 力 控 制 其 产 流 初 期 的 流 失量 ,而 对 于 其 它 离 子 ,应 尽 力 控 制 降 雨 后 期 的 消 失 量 ,有 效 控制 土 壤 流 失 是 控 制 此 类 溶 质 流 失 的 主 要 手 段 。93第 6 期 王 全 九 等 :土 壤 溶 质 随 径 流 迁
28、 移 基 本 特 征 分 析图 1 径 流 溶 解 态 磷 的 浓 度 变 化 过 程图 2 径 流 钾 离 子 浓 度 的 变 化 过 程图 3 径 流 溴 离 子 浓 度 变 化 过 程2. 2 土 壤 物 理 特 性 对 土 壤 溶 质 随 径 流 迁 移 的 影 响土 壤 基 本 特 征 中 影 响 土 壤 溶 质 随 地 表 径 流 迁 移 的 主 要物 理 特 征 包 括 土 壤 质 地 、 容 重 和 土 壤 含 水 量 。 随 着 土 壤 质 地由 粗 变 细 ,土 壤 导 水 能 力 逐 渐 增 加 。 对 于 一 定 雨 强 条 件 下 ,随 着 土 壤 入 渗 能 力 增
29、 加 ,混 合 层 内 溶 质 向 深 层 土 壤 迁 移 的 数量 愈 多 ,而 参 与 径 流 迁 移 的 数 量 也 就 愈 少 。 同 时 随 着 土 壤 入渗 能 力 增 加 ,雨 水 转 化 为 土 壤 水 的 数 量 愈 多 ,因 而 产 生 的 地表 径 流 愈 少 ,径 流 对 土 壤 侵 蚀 能 力 和 土 壤 溶 质 向 地 表 径 流 迁移 能 力 也 就 愈 小 ,因 此 ,土 壤 溶 质 向 地 表 径 流 迁 移 的 数 量 也就 愈 少 。 当 然 仅 依 据 土 壤 质 地 也 不 能 完 全 确 定 土 壤 溶 质 向地 表 径 流 迁 移 的 数 量 大
30、小 ,由 于 土 壤 入 渗 能 力 与 土 壤 容 重 、含 水 量 和 土 壤 结 构 有 关 ,需 要 综 合 考 虑 各 种 因 素 的 影 响 程度 。 土 壤 容 重 是 影 响 土 壤 入 渗 能 力 的 另 一 个 主 要 因 素 ,一 般随 着 土 壤 容 重 增 加 ,土 壤 入 渗 能 力 减 小 ,必 然 导 致 径 流 量 增加 和 土 壤 溶 质 向 地 表 径 流 的 传 递 能 力 。 但 在 降 雨 条 件 下 ,雨滴 对 土 壤 表 面 具 有 击 实 作 用 ,在 容 重 比 较 小 的 情 况 下 一 般 容易 发 生 土 壤 被 击 实 ,这 样 表
31、面 土 壤 容 重 发 生 变 化 ,难 以 说 明土 壤 容 重 对 土 壤 溶 质 随 地 表 径 流 迁 移 特 征 的 影 响 。 因 此 容重 对 土 壤 溶 质 随 地 表 径 流 迁 移 影 响 ,需 要 根 据 具 体 情 况 进 行分 析 。 土 壤 初 始 含 水 量 是 影 响 土 壤 水 及 溶 质 运 移 的 一 个 重要 物 理 量 , 它 影 响 着 土 壤 入 渗 能 力 ,因 而 也 影 响 着 土 壤 溶 质随 土 壤 溶 质 径 流 迁 移 的 全 过 程 。 降 落 在 地 表 的 雨 水 或 渗 入土 壤 成 为 土 壤 水 ,或 沿 坡 面 流 动
32、成 为 地 表 径 流 。 形 成 径 流 的前 提 之 一 是 土 壤 入 渗 能 力 小 于 雨 强 。 一 般 而 言 ,土 壤 入 渗 能力 随 着 土 壤 初 始 含 水 量 的 增 加 而 减 小 ,但 初 始 含 水 量 同 样 影响 着 雨 滴 对 土 壤 颗 粒 的 击 溅 和 表 土 的 夯 实 作 用 。 图 4 显 示了 人 工 模 拟 降 雨 条 件 下 径 流 溶 质 浓 度 的 变 化 过 程 。 结 果 显示 随 着 土 壤 初 始 含 水 量 增 加 ,径 流 溶 质 浓 度 增 加 ,径 流 流 失的 溶 质 量 也 显 著 增 加 。 如 果 以 初 始
33、土 壤 含 水 量 5 %为 基 础 ,比 较 增 加 土 壤 含 水 量 对 径 流 溶 质 流 失 量 的 影 响 ,结 果 显 示 含水 量 增 加 1 ,2 ,3 倍 ,径 流 溶 流 失 量 增 加 1. 3 ,1. 6 ,3. 4 倍 ,说明 土 壤 初 始 含 水 量 对 土 壤 溶 质 随 地 表 径 流 迁 移 的 影 响 是 非线 形 的 ,而 且 呈 现 单 调 增 加 过 程 。图 4 径 流 溴 离 子 浓 度 和 累 积 流 失 量 的 变 化2. 3 降 雨 特 征 对 土 壤 溶 质 随 地 表 径 流 迁 移 的 影 响广 义 上 讲 ,降 雨 特 性 包 括
34、 雨 强 、 雨 滴 谱 、 雨 滴 动 能 和 动 量 、雨 型 、 降 雨 历 时 、 暴 雨 中 心 以 及 降 雨 量 等 。 为 了 便 于 揭 示 降 雨特 性 对 径 流 溶 质 迁 移 过 程 的 影 响 ,这 里 着 重 就 降 雨 强 度 和 降雨 动 能 这 两 个 重 要 降 雨 特 性 进 行 分 析 和 讨 论 。 降 雨 强 度 本 身就 包 括 2 方 面 内 涵 ,即 单 位 时 间 供 给 土 壤 表 面 的 水 量 以 及 单位 时 间 输 给 土 壤 表 面 的 能 量 。 对 于 水 量 而 言 有 2 种 途 径 进 行迁 移 ,一 是 进 入 土
35、壤 成 为 土 壤 水 ;另 一 是 当 雨 强 大 于 土 壤 入 渗能 力 的 ,产 生 地 面 积 水 ,形 成 地 表 径 流 。 对 于 赤 裸 的 土 壤 表面 ,输 入 的 能 量 将 转 化 为 冲 击 力 分 散 土 壤 颗 粒 和 击 实 土 壤 表面 。 分 散 的 土 壤 颗 粒 会 随 入 渗 水 的 迁 移 而 堵 塞 表 面 土 壤 孔隙 ,减 小 土 壤 入 渗 能 力 ,同 样 这 种 击 实 作 用 也 将 减 小 土 壤 的 入渗 能 力 。 因 此 改 变 土 壤 表 面 的 特 性 ,影 响 土 壤 溶 质 随 地 表 径流 迁 移 的 全 过 程 。
36、 同 时 雨 滴 动 能 本 身 又 是 降 雨 强 度 的 函 数 。因 此 雨 滴 动 能 和 单 位 时 间 输 入 水 量 都 是 降 雨 强 度 的 函 数 。 但是 存 在 植 被 条 件 下 ,土 壤 表 面 接 受 的 雨 滴 动 能 又 是 植 被 的 函数 。 这 样 对 于 某 一 雨 强 所 形 成 的 雨 滴 动 能 与 土 壤 表 面 实 际 接受 的 动 能 不 相 同 。 故 此 我 们 将 土 壤 表 面 实 际 接 受 的 雨 滴 动 能04 水 土 保 持 研 究 第 15 卷称 之 为 有 效 雨 滴 动 能 。 因 此 有 效 雨 滴 动 能 既 是
37、雨 强 的 函 数 ,又 是 植 被 条 件 的 函 数 。 有 效 雨 滴 动 能 影 响 土 壤 表 面 特 性 ,使土 壤 表 层 孔 隙 度 及 密 实 度 发 生 变 化 ,致 使 表 层 饱 和 含 水 量 发生 改 变 。 对 于 同 一 雨 强 ,降 雨 后 表 面 土 壤 饱 和 含 水 量 随 有 效雨 滴 动 能 的 增 加 而 减 小 。 较 小 的 雨 滴 动 能 不 但 没 有 击 实 表 层土 壤 ,反 而 由 于 水 膜 的 侵 入 使 土 壤 发 生 膨 胀 ,以 致 引 起 土 壤 饱和 含 水 量 的 增 加 。 同 时 有 效 雨 滴 动 能 对 表 层
38、 土 壤 结 构 破 坏 作用 存 在 着 下 限 。 对 于 相 同 的 有 效 雨 滴 动 能 ,随 着 降 雨 强 度 的增 加 ,雨 后 表 面 土 壤 饱 和 含 水 量 减 小 。 有 效 雨 滴 动 能 改 变 了土 壤 表 面 特 性 ,进 而 影 响 土 壤 入 渗 率 及 土 壤 水 的 入 渗 深 度 。有 效 雨 滴 动 能 对 土 壤 入 渗 过 程 的 影 响 可 归 结 为 对 土 壤 水 分 运动 参 数 的 影 响 。 在 产 流 计 算 中 ,最 为 常 用 的 水 分 运 动 参 数 为土 壤 饱 和 导 水 率 。 当 然 有 效 雨 滴 动 能 对 土
39、 壤 饱 和 导 水 率 的 影响 与 时 间 有 关 ,一 般 随 着 雨 滴 动 能 的 增 加 ,土 壤 表 面 饱 和 导 水率 会 减 小 ,必 然 影 响 整 个 水 分 和 溶 质 的 迁 移 过 程 。 在 产 流 计算 中 ,产 流 时 刻 是 一 个 重 要 的 参 数 。 一 般 随 着 雨 强 增 加 ,产 流时 刻 减 小 ,混 合 层 土 壤 溶 质 向 深 层 土 壤 迁 移 的 几 率 降 低 ,向 地表 径 流 迁 移 的 几 率 增 加 。 同 时 雨 强 增 加 径 流 量 增 加 ,增 加 了土 壤 侵 蚀 和 径 流 与 混 合 层 溶 质 混 合 的
40、 能 力 ,从 而 增 加 了 土 壤溶 质 随 地 表 径 流 迁 移 的 数 量 ,当 然 这 种 作 用 与 其 他 因 素 相 互关 联 ,互 相 作 用 ,难 以 简 单 区 别 开 来 。图 5 显 示 了 径 流 钾 离 子 浓 度 和 随 径 流 累 积 迁 移 量 变 化过 程 。 由 图 可 以 看 出 ,随 着 雨 强 增 加 ,径 流 溶 质 浓 度 随 时 间变 化 出 现 不 同 的 变 化 过 程 ,在 雨 强 为 40 mm/ h 和 80 mm/ h时 ,径 流 中 钾 离 子 浓 度 表 现 出 随 时 间 增 加 呈 现 单 调 递 减 的 过程 。 而
41、当 雨 强 为 120 mm/ h 时 ,浓 度 变 化 过 程 呈 现 先 减 少 后增 加 变 化 过 程 。 为 了 进 一 步 分 析 雨 强 对 土 壤 养 分 迁 移 过 程的 影 响 ,点 绘 了 累 积 径 流 溶 质 浓 度 过 程 。 由 图 可 以 看 出 ,随着 雨 强 增 加 ,径 流 溶 质 累 积 质 量 呈 现 单 调 增 加 ,而 且 增 加 幅度 随 雨 强 的 增 加 显 著 变 化 。 如 果 按 照 1 h 降 雨 计 算 ,以 40mm/ h 雨 强 下 土 壤 钾 流 失 量 为 基 础 ,则 80 mm/ h 和 120mm/ h 降 雨 条 件
42、 下 ,土 壤 钾 流 失 量 分 别 增 加 1. 9 和 8 倍 ,因此 雨 强 对 土 壤 溶 质 随 地 表 径 流 迁 移 量 的 影 响 不 是 线 形 增 加 ,而 是 呈 现 显 著 的 非 线 形 增 加 。图 5 不 同 雨 强 径 流 钾 离 子 浓 度 变 化 及 其 累 积 流 失 过 程3 小 结土 壤 溶 质 随 地 表 径 流 迁 移 受 到 多 种 因 素 的 影 响 ,而 且 各种 影 响 因 素 间 相 互 作 用 ,并 且 各 自 影 响 程 度 也 不 尽 相 同 。 需要 系 统 分 析 各 种 因 素 的 作 用 机 制 ,阐 明 各 种 因 素
43、作 用 间 的 相互 关 系 ,才 能 提 出 合 理 的 模 拟 土 壤 溶 质 随 地 表 径 流 迁 移 的 数学 模 型 ,发 展 调 控 土 壤 溶 质 随 地 表 径 流 迁 移 的 有 效 方 法 。 本文 通 过 分 析 与 归 纳 影 响 土 壤 溶 质 随 地 表 径 流 迁 移 的 主 要 因素 ,进 一 步 探 讨 和 认 识 土 壤 溶 质 随 地 表 径 流 迁 移 的 内 在 机制 ,为 进 一 步 研 究 提 供 参 考 。参 考 文 献 :1 王 全 九 ,沈 晋 .降 雨 条 件 下 黄 土 坡 面 溶 质 随 地 表 径 流 迁移 试 验 研 究 J .
44、水 土 保 持 学 报 ,1993 ,7 (1) :11217.2 康 玲 玲 ,朱 小 勇 . 不 同 雨 强 条 件 下 黄 土 性 土 壤 养 分 流 失规 律 研 究 J . 土 壤 学 报 ,1999 ,36 (4) :5362543.3 张 亚 丽 ,张 兴 昌 ,邵 明 安 ,等 . 降 雨 强 度 对 黄 土 坡 面 矿 质氮 素 流 失 的 影 响 J .农 业 工 程 学 报 ,2004 ,20 (3) :55258.4 王 辉 ,王 全 九 ,邵 明 安 . 降 雨 条 件 下 黄 土 坡 面 养 分 随 径流 迁 移 试 验 研 究 J . 农 业 工 程 学 报 ,2
45、006 ,22 (6) :39244.5 王 辉 ,王 全 九 ,邵 明 安 . 不 同 透 水 状 况 对 坡 地 土 壤 侵 蚀和 养 分 流 失 的 影 响 J . 中 国 水 土 保 持 科 学 ,2006 ,4(3) :21225.6 王 辉 ,王 全 九 ,邵 明 安 . 降 水 条 件 下 黄 土 坡 地 氮 素 淋 溶特 征 研 究 J . 水 土 保 持 学 报 ,2005 ,19 (5) :61264. 7 Ahuja L R ,Sharpley A N. The depth of rainfall2runoff2soil interactions as determine
46、d by 32 P J . Water Re2sour. Res. ,1981 ,11 :9672974.8 Ahuja L R. Release of a soluble chemical from soil torunoff J . Thran. ASA E ,1982 ,25 :9482956.9 Ahuja L R. The extent and nature of rainfall2soil inter2action in the release of soluble chemicals to runoff J .J . Environ. Qual. ,1983 ,12 :34240.14第 6 期 王 全 九 等 :土 壤 溶 质 随 径 流 迁 移 基 本 特 征 分 析
