谢颂华1,2，涂安国1，莫明浩1，刘苑秋2
(1.江西省水土保持科学研究院，江西南昌 330029；2.江西农业大学园林与艺术学院，江西南昌 330045)
摘要：为研究红壤坡地的壤中流输出特征，采用野外大型土壤入渗装置，对红壤坡面草地和裸地不同深度(30 cm和60 cm)壤中流输出开展自然降雨-产流过程的观测试验。结果表明:① 壤中流产流过程随着土层的加深，滞后时间和拖尾时间均延长，与降雨过程相适性减弱。草地壤中流产流量、峰值、产流历时均大于裸地，其差异在突发型降雨下表现更为明显;② 壤中流产流量和降雨量呈显著性正相关(R2为0.6942～0.8770)，但与雨强关系不明显。突发型和峰值型降雨壤中流产流过程洪峰升涨迅速，而均匀型壤中流产流过程平缓。突发型、峰值型和均匀型降雨裸地壤中流产流量与地表径流量相比分别为13.82%、91.73%和159.04%，草地则为118.95%、312.11%和368.33%;③ 土壤前期含水量增加，壤中流产流滞后时间缩短，峰值和流量增大。
关键词：自然降雨；红壤坡面；壤中流；产流特征
壤中流是坡地径流的重要组成部分[1-2]，对径流产生、养分流失和土壤侵蚀等都有重要的影响[3-5]。近年来，国内外已对壤中流产流特征、发生机制、与地表径流关系及其环境效应进行了一系列试验[4-6]和模拟[7-9]。中国学者对紫色土区域降雨强度、坡度、地表状况、土层厚度等因素与壤中流产流之间关系进行定性描述。刘刚才等[10]在常规耕作制度下坡地中发现，壤中流在大雨、暴雨或土壤饱和后才发生，雨停后的壤中流历时与降雨强度无关。丁文峰等[11]采用回填土人工模拟降雨试验发现，壤中流占总径流量的比例受坡度增加和降雨强度减少而增加。徐勤学等[6]在原状坡地人工模拟降雨试验发现，壤中流受降雨强度的影响随土地利用不同而不同，并且植被覆盖的减少导致壤中流明显减少。王小燕等[12]通过原位人工模拟降雨试验得出地表砾石覆盖能增加壤中流量。付智勇等[13]通过野外模拟降雨试验发现，土层厚度对壤中流产流机制有着重要影响。红壤区壤中流产流特征也进行了初步研究。王峰等[14]对红壤坡地上层、下层在自然降雨条件下壤中流产流过程进行了研究。尹忠东等[15-16]在自然降雨条件下观测发现，与裸地相比，百喜草覆盖、死地被物敷盖显著增加壤中流量，壤中流量与雨量、雨强、降雨历时和初渗雨量呈正相关关系。但这些研究大多是恒定雨强人工模拟降雨下侧重于静态方面的研究，对壤中流长时期持续产流过程观测与研究不够，尤其是自然降雨和坡面条件下的壤中流持续产流过程特征的研究涉及较少。
水土流失和季节性干旱交替发生已成为影响红壤农业生产的主要限制因素之一。红壤坡面壤中流通过垂直下渗和水平侧流对土壤水分再分配和土壤蓄水过程产生重要影响，因此研究红壤坡面壤中流的产流规律对于深入认识坡地水文过程、揭示季节性干旱和洪涝灾害的形成机理，指导水土保持建设和农业非点源污染控制均有重要意义。本研究利用野外大型土壤水分渗漏观测试验装置，观测自然降雨条件下红壤坡面草地和裸地壤中流的出流过程，分析研究红壤坡面壤中流持续输出特征，以期为深入了解红壤坡地降雨产流过程及地表径流和壤中流的交互作用提供科学依据。
1.1 研究区域
试验地布设在江西省德安县城郊的江西水土保持生态科技园内(115°42′38″E—115°43′06″E，29°16′37″N—29°17′40″N)。区域属亚热带湿润季风气候区，多年平均降水量为1 469 mm，多年平均气温为16.7℃，年日照时数为1 700～2 100 h，无霜期为245～260 d，平均海拔为30～90 m。降水季节分配不均，主要集中在4—9 月。土壤为第四纪红黏土发育的红壤，土壤剖面从上至下典型土体构型为Ah-Bs-Bsv-Csv，其中Ah层厚度为0～30 cm，Bs层厚度为30～60 cm，Bsv层厚度为60～100 cm。
1.2 试验设施
试验采用野外大型土壤水分渗漏试验小区，小区宽5 m，长15 m(水平投影)，坡度均为14°。试验小区的周围及底板用钢筋混凝土浇筑，地板上设砂砾反滤层，坡脚修筑梯形钢筋混凝土挡土墙，形成一个封闭排水式土壤入渗装置。为阻止水分进出小区，周边的钢筋混凝土竖板高出地表30 cm。去除表层植被和杂屑后，按每层约25 cm分5层将原土体取出，分层堆放；同时测定每层的土壤平均容重(每层按10 cm取样测定)，随后将取出土体按取土次序依次分层回填试验小区至105 cm。每次装填的高度为10 cm，装填的质量为
W=V γ(1+S)
式中 V为每次装入土体体积，m3；γ为天然土体干容重，kg/m3；S为室内土壤含水量， %。
每次装填土壤后，利用压实器进行土壤压实，使其达到规定的高度10 cm，由此控制回填小区土壤的孔隙率与自然情况下的土壤孔隙率基本相符。坡面为百喜草草地(覆盖率100%)和裸露(地表完全裸露)处理。
如图所示，小区下部观测房内的挡土墙处自上而下总共设置4个出水口，最上部为地表径流出水口，承接地表径流与泥沙，通过小区下方的集流槽用PVC塑胶管连接到地表径流池，其他3个出口分别承接地表以下30 cm、60 cm的壤中流和105 cm的地下径流，在小区挡土墙纵面相应位置设横向集流槽，用PVC塑胶管连接到各自径流池，其底面面积均为1.2 m2。同时地表径流池、壤中流和地下径流池都配置自记水位计(HCJ1型)，全天候记录径流和渗漏的动态过程。
图1 试验装置示意
Fig.1Schematic diagram of the test apparatus
该观测系统于2000 年建成，目前试验小区回填土与自然土体各理化性质基本一致，其土壤基本物理性质见表1。土壤容重和最大持水量用环刀法测定；土粒密度采用比重瓶法；土壤质地分析采用吸管法，质地采用国际制三级分类；土壤有机质的测定采用重铬酸钾外加热法；总空隙度通过土粒密度和土壤容重计算而得；田间持水量采用威尔科克斯法在室内测定。
表1 试验小区土壤基本物理性质
Table 1Basic physical properties of the soil test plot
点位土粒密度/(g·cm-3)土壤容重/(g·cm-3)砂粒/%粉粒/%黏粒/%有机质/%总孔隙度/%非毛管孔隙度/%最大持水量/%田间持水量/%裸地0～5cm2.471.3575.3122.452.241.3545.345.2534.5519.14裸地30～35cm2.68-39.1223.7037.181.31----裸地60～65cm2.68-50.0430.1419.830.64----草地0～5cm2.661.1952.9138.628.471.9655.2611.6444.8227.42草地30～35cm2.67-76.0722.661.271.09----草地60～65cm2.68-67.0129.413.581.09----
1.3 试验观测
采用测流堰装置，将各层渗漏量导入各自测流堰，用HCJ1型自记水位计每5 min记录各径流池水位动态过程，以便推求渗漏量、渗漏流量过程。降雨量用自计式SL3-1型遥测雨量传感器每5 min实时观测降雨过程。
根据研究区次降雨过程雨峰出现的相对时间和分布特征概化为突发型降雨、峰值型降雨和均匀型降雨3种雨型，其雨峰特征分别为雨峰在前且连续、在中间和位置不明显[17]。选取研究区2012年共计22场次典型降雨事件，其降雨量共计1 078.1 mm，占地表降雨产流事件降雨总量的73.4%，占全年降雨量的58.3%。各雨型的降雨产流观测统计值见表2。本研究最大雨强是指10 min内降雨强度的最大值，平均雨强为降雨量与降雨历时的比值，产流量均为径流池降雨前后水位差值。
表2 降雨产流事件特征值统计
Table 2Characteristic value statistics of rainfall-runoff events
雨型开始日期历时/min降雨量/mm平均雨强/(mm·h-1)最大雨强/(mm·h-1)裸地产流量/cm草地产流量/cm0cm30cm60cm0cm30cm60cm03-1715026.110.441.432.13.51.63.26.32.507-2017744.815.285.221.44.34.95.600.5突发型07-231818.963.099.018.30.203.01.70.108-198031.723.847.420.11.00.86.42.40.109-115523.425.599.062.90.101.73.00.602-2171526.22.215.65.13.32.62.35.33.803-30123549.02.413.810.56.86.34.77.99.1峰值型04-2874580.56.590.637.810.99.410.919.014.104-3077042.63.335.424.86.36.76.09.613.005-1995050.03.234.814.07.45.96.310.47.706-252270117.13.177.421.725.320.314.224.221.408-09178548.01.624.611.44.63.63.85.60.509-021483157.06.470.2246.611.014.218.531.422.301-14216044.01.24.22.75.32.62.25.80.702-0598539.12.48.45.17.16.13.27.76.403-03221068.61.916.851.520.623.612.627.324.403-22122031.71.66.68.17.25.32.66.17.3均匀型04-1245529.73.918.68.15.34.43.26.47.805-1256025.72.89.05.06.22.63.65.44.809-21146034.11.44.23.23.32.02.51.63.010-29105039.92.310.23.22.00.23.000.111-1517650.017.119.813.57.96.94.25.89.9
2.1 不同土地利用方式下壤中流产流特征
红壤裸地和草地壤中流产流过程特征有明显差异。草地壤中流产流总量、产流历时和峰值流量均大于裸地。草地主要以壤中流产流为主，壤中流可达地表径流的2～4倍，其30 cm处壤中流产流过程与降雨过程相应性较好，时间上滞后。裸地壤中流比例则与降雨特征有关，短历时强降雨下地表发生超渗产流，30 cm和60 cm处均无明显壤中流产生过程，如7月23日和9月11日降雨事件；而长历时小雨下壤中流占主要部分，可达地表径流的1.2～2.5倍。无论是裸地或草地，与降雨过程相比，壤中流各层产流过程均明显的滞后和拖尾，并且随着土层的加深，滞后时间和拖尾时间均延长。两种土地利用方式下的产流滞后时间和拖尾时间差异明显，草地拖尾时间远大于裸地，而产流滞后时间相差不大。
在实地观测中发现，相同场次的降雨，即使是相同的土壤初始含水量，裸地和草地的壤中流和地表径流产流过程不同。观测结果显示，在连续降雨条件下，裸地和草地有可能出现同期相同土层土壤含水量相同的情况。图2为4月28—29日连续降雨使土壤饱和后4月30日降雨产流过程。由于土壤前期达到饱和，裸地和草地地表产流均无明显滞后现象。草地壤中流60 cm处相对30 cm处产流无明显滞后，但裸地60 cm处明显滞后于30 cm处出流，约滞后2.5 h。各层壤中流出流过程对降雨变化的响应草地较裸地灵敏。相同土壤前期含水量条件下，裸地的地表径流是草地的4倍，而壤中流只有草地的57.5%。
图2 裸地和草地降雨产流过程
Fig.2Process of rainfall-runoff in bare land and grassland
2.2 不同降雨条件下壤中流产流特征
降雨量和降雨历时对草地和裸地各层壤中流均有很大影响。如表3所示，相关性分析表明，无论是草地和裸地，30 cm、60 cm处壤中流产流量和降雨量、降雨历时在0.01显著性水平上呈正相关。平均雨强、最大雨强与草地、裸地壤中流产流量均无显著相关性，但最大雨强与峰值流量呈显著性正相关。可能是由于平均雨强不能很好地反应降雨过程，同时说明降雨过程对壤中流产生具有十分重要的影响。观测分析表明，随雨强增大，壤中流峰值流量显著增加，尤其是30 cm处壤中流。
表3 降雨与壤中流相关性分析
Table 3Rainfall and interflow correlation analysis
土地类型降雨历时降雨量平均雨强最大雨强土地类型降雨历时降雨量平均雨强最大雨强裸地0cm0.0700.747**0.0470.430草地0cm0.3910.928**-0.1560.378裸地30cm0.651**0.694**-0.3870.045草地30cm0.556*0.877**-0.2840.205裸地60cm0.600**0.741**-0.3250.097草地60cm0.491*0.787**-0.3210.102注:*显著性水平为0.05;**显著性水平为0.01。
降雨过程对壤中流产流影响较大。在短历时突发强降雨过程中，红壤裸地主要以超渗产流为主，其壤中流产流不明显或者很少，图3为9月11日降雨产流事件。长历时均匀降雨过程中，后期由于土壤含水量基本上接近饱和，30 cm壤中流过程基本上与60 cm壤中流过程相似，但时间上明显滞后于60 cm，图4为3月3日降雨产流事件。与地表径流比较，裸地壤中流明显地反映出受土层调蓄作用后的结果: 峰低、滞后、历时长。草地由于草茎的阻拦作用，可有效增加土壤水分入渗，突发型和均匀型两种雨型下不同土壤深度壤中流均有明显的产流过程，且30 cm处产流量大于60 cm处。突发型降雨草地壤中流峰值和流量大于裸地，其变化过程同降雨过程也有很好的相应性，但滞后于降雨。均匀型降雨草地各层壤中流产流量均小于地表径流，产流过程较突发型平缓。在3月3日的长历时均匀降雨产流过程中，草地壤中流产流先于地表产流，产流量和产流速度远大于地表径流。这与裸地的壤中流产流过程不同，可能与草地根系作用使得草地中有大孔隙从而形成优先流有密切关系。
图3 2012年9月11日突发雨型下降雨产流过程
Fig.3Process of rainfall-runoff under abrupt rainfall in Septemper 11, 2012
图4 2012年3月均匀雨型下降雨产流过程
Fig.4Process of rainfall-runoff under uniform rainfall in March, 2012
图2为4月30日峰值型降雨产流过程。对于峰值型降雨过程来说，产流峰值和降雨峰值的对应更明显。土壤近饱和条件下，峰值型降雨裸地30 cm处降雨量大于13.8 mm时开始产流，而草地需要21.5 mm，均匀型降雨裸地需降雨10.9 mm，而草地需降雨4.2 mm。对于均匀型降雨过程来说，洪水过程一般比较平缓。统计结果显示，均匀型雨型下裸地和草地各层壤中流产流量和产流过程相差不大，但突发型草地和裸地壤中流产流过程和产流量相差较大，其次是峰值型降雨事件，说明草地可以有效调节坡面径流分配过程。
2.3 不同土壤前期含水量下壤中流产流特征
土壤初始水分含量影响红壤入渗和水分再分布，从而直接影响降雨产流特征。2月5日之前7 d内共降雨6.7 mm，土壤前期含水量较高，30 cm处裸地和草地土壤含水量分别为28.7%和28.6%。而10月29日之前7 d内无降水，土壤前期含水量较低，30 cm处裸地和草地土壤含水量分别为25.9%和25.1%。表2显示2月5日与10月29日降雨事件均是长历时均匀型雨型，其降雨量、平均雨强和最大雨强相差不大，但降雨产流过程和产流量却相差很大(见图5)。2月5日产流量明显大于10月29日，尤其是壤中流，裸地前者壤中流为后者的6倍。裸地2月5日地表产流较降雨滞后0.5 h，30 cm处壤中流产流时间滞后降雨约7 h，而10月29日地表产流较降雨滞后了1.5 h，30 cm处壤中流产流时间滞后降雨约10 h。10月29日草地壤中流30 cm与60 cm处均无明显产流过程，裸地60 cm处产流也不明显。这是由于研究区红壤属重壤至轻黏土，其持水量较高，土壤前期较干燥，降雨量也不太多，渗入土壤中的雨水完全被滞蓄于土壤中，故没有观测到壤中流流出土体。红壤坡地前期含水量越高，土壤产流越快，达到稳定径流和入渗的时间越短[18]。即土壤前期含水量增加，壤中流产流滞后时间缩短。前期含水量对壤中流的影响，一方面，由于前期含水量影响红壤坡面入渗，另一方面，由于土壤的蓄水作用。前期土壤干燥，坡面土壤达到饱和持水量所需水量较多，壤中流产流量相应减少，反之则增多。
图5 2012年2月5日和10月29日降雨产流过程
Fig.5Process of rainfall-runoff in 5 Feb. and 29 Oct., 2012
2.4 不同深度壤中流产流特征
两种下垫面条件下，各雨型降雨产流事件中30 cm处壤中流产流量、峰值流量和产量机率均大于60 cm处。统计分析表明，60 cm处壤中流产流量与30 cm处壤中流产流量呈极显著正相关(p<0.01)，60 cm的滞后和延迟时间远大于30="" cm。壤中流过程线表明，两种土地利用方式下30="" cm较60="" cm壤中流对降雨过程响应灵敏，且30="" cm处产流快于60="">
壤中流是红壤坡面径流的重要组成部分，其产生的径流量可达地表径流的2倍。红壤坡面壤中流产生是由于红壤饱和导水率较大，水分移动较快，但进入下层非饱和区，导水率急剧下降，从而形成临时相对不透水层。临时不透水层的存在是壤中流发育的一个重要条件[19]。这和紫色土壤中流形成有着根本的不同。紫色土由于土壤浅薄，其底部存在页岩不透水层，这种岩土二元剖面结构极易使雨水蓄满下渗形成壤中流 [20]。
下垫面是影响壤中流产流过程和产流量的一个重要因素。红壤坡面草地阻拦作用可有效增加土壤入渗，其平均入渗比率可达0.8[21]，从而使得草地壤中流产流量和产流强度大于裸地。试验观测还发现，长历时均匀降雨下草地壤中流产流可先于地表产流，产流量和产流速度远大于地表径流。与此同时，均匀雨型降雨下草地壤中流产流可先于裸地。对研究区草地孔隙分析结果显示，其总孔隙度达53.33%，其中非毛管孔隙度达11.64%。这些均说明草地由于根系的作用[22]，其确实存在大孔隙水流或管流等优先流。优先流水分通量远大于渗流的水分通量，对提高壤中流流量具有促进作用[23]。
降雨量是影响壤中流发育的重要因素[10]。红壤坡地降雨量和壤中流产流量呈极显著正相关(p<>[24]，雨强仅对土壤初始入渗率具有显著影响，但对土壤的稳定入渗率影响不显著。而壤中流产流总量和土壤的稳定入渗率关系密切。值得注意的是，壤中流和雨强的关系不同学者研究的结论差异较大[6, 10]，其关系尚不明确。反映次降雨过程的雨型对红壤壤中流产流过程具有十分重要的影响。观测结果显示，突发型、峰值型和均匀型降雨壤中流与地表径流的比值逐渐增大。主要由于红壤坡面在中等雨强的长历时均匀降雨时，坡面主要是蓄满产流，则可能发生较多的饱和壤中流；而一旦遇到高强度暴雨，则以超渗坡面流、饱和坡面流、饱和壤中流以及回归流为主。王峰等[14]认为不同的降雨类型，壤中流产流机理不同，峰值型降雨壤中流产流类型多为驱赶流。
(1)与降雨过程相比，红壤坡地壤中流各层产流过程均明显的滞后和拖尾，并且随着土层的加深，滞后时间和拖尾时间均延长。下垫面对壤中流产流量和产流过程均有影响。草地通过拦蓄径流促使下渗，其壤中流产流量、峰值和拖尾时间均大于裸地。
(2)降雨量和壤中流产流量关系密切。雨强对壤中流的峰值有显著影响，但对于壤中流的起始产流时间和产流量影响不明显。
(3)雨型对壤中流产流过程有显著影响。突发型和峰值型降雨下壤中流产流过程洪峰升涨迅速，而均匀型壤中流产流过程平缓。突发型、峰值型和均匀型降雨裸地壤中流产流量(30 cm和60 cm之和)占地表径流的比例分别为13.82%、91.73%和159.04%，草地比例分别为118.95%、312.11%和368.33%。
(4)前期土壤含水量直接影响壤中流产流量和产流过程。前期土壤含水量增加，壤中流产流滞后时间缩短，产流量和峰值增加。
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XIE Songhua1,2, TU Anguo1, MO Minghao1, LIU Yuanqiu2
(1.Jiangxi Institute of Soil and Water Conservation, Nanchang 330029, China;2. College of LandScape and Art, Jiangxi Agricultural University, Nanchang 330045,China)
Abstract：Interflow output constitutes an important part of the hydrologic process of red soil slopes. In order to study interflow output characteristics on red soil slopes, a large-size field soil infiltration device (Lysimeter) was used to conduct a natural rainfall-interflow production observation experiment over grassland and bare land and at different depths (30cm, 60cm). The results indicated that: ① The retardation time and trailing time of the interflow production process both extended at deeper soil layers, where the compatibility with the rainfall process weakened. The interflow yield, peak value, and production duration of grassland were all larger than those of bare land, and their differences became more obvious under abrupt rainfalls. ② The interflow yield presented a significant positive correlation with the amount of rainfall (R2=0.694 2—0.877 0), but no apparent relationship with the intensity of rainfall. In the case of abrupt and extreme rainfalls, the interflow production process showed a rapid rise of flood peak, while in the case of uniform rainfall the interflow production process was relatively gentle. In the cases of abrupt, extreme, and uniform rainfall, the ratios of interflow yield to surface runoff of bare land were 13.82%, 91.73%, and 159.04%, respectively, while those of grassland were 118.95%, 312.11%, and 368.33%, respectively. ③ With the increasing antecedent soil moisture content, the retardation time of interflow production was shortened, and its peak value and flow increased.
Key words：natural rainfall; red-soil slope; interflow; characteristics of runoff process
DOI：10.14042/j.cnki.32.1309.2015.04.009
收稿日期：2014-08-28；
网络出版：时间：2015-07-14
网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1309.P.20150714.1748.030.html
基金项目：国家自然科学基金资助项目(41101266)；水利部公益性行业科研专项经费资助项目(201401051)
作者简介：谢颂华 (1978—)，男，江西赣县人，教授级高级工程师，博士研究生，主要从事水土保持研究。 E-mail:XSHZJL3111@163.com
通信作者：刘苑秋，E-mail:834951669@qq.com
中图分类号：TV334.2
文献标志码：A
文章编号：1001-6791(2015)04-0526-09
*The study is financially supported by the National Natural Science Foundation of China (No.41101266).
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