众所周知,土壤侵蚀的发生必须具备两个条件,即外部营力——侵蚀动力和内在物质——侵蚀对象。对于水力侵蚀而言,侵蚀的外营力即是降雨及其形成的径流,侵蚀对象即为地表土壤。径流在沿坡面梯度方向运动过程中,在其运动方向上有径流剪切力产生,径流剪切力是径流在坡面位置和时间的函数[24-25]。只有当土壤表面径流的强度增加,径流剪切力增加,超过临界剪切力τc时就会产生侵蚀。与之相伴随的临界剪力τc是表征土壤抗侵蚀能力的一个参数,其值相对比较固定,与土壤的比重、含水率、结构等因素有关,是土壤侵蚀计算式中的一个非常重要的参数。土壤细沟可蚀性Kr也是表征土壤自身抗侵蚀能力大小的一个重要因子,是评价土壤对侵蚀敏感程度的重要指标,表示了土壤被侵蚀的难易程度,反映土壤对侵蚀外营力剥蚀和搬运的易损性和敏感性。但如何确定τc和Kr,至今仍没有一个广为接受的理论或试验的方法。目前,通常的做法是将侵蚀率与径流剪应力进行回归分析,取回归直线在剪应力轴上的截距为τc值,取回归直线的斜率为Kr值。
因此,本文也采用目前比较通用的做法来确定土壤的临界剪切力τc和土壤细沟可蚀性Kr。土壤侵蚀率采用“V”型水槽的放水冲刷试验,观测得到土壤侵蚀量,进而转换得之。径流剪切力由公式(2)确定。将计算的每种试验处理,不同交替冻融循环周期和不同土壤质量含水率组合下的土壤的侵蚀率与径流剪切力点绘在直接坐标系中,见图1。可以看出,土壤侵蚀率随水流剪切力的增大而增大,土壤侵蚀率与水流剪切力呈线性关系。其函数的一般形式如下:
y=Ax-B(4)
式中:y为土壤侵蚀率[g/(m2·s)]; x为水流剪切力(Pa); A,B为系数。
为了进一步分析不同交替冻融循环周期和不同的土壤质量含水率对土壤临界剪切力的影响,将图1各种处理下的侵蚀率与径流剪切力的关系式(1)进行变形,变形为与公式Dr=Kr(τ-τc)[25]形式一致的关系式,如下所示:
y=A(x-B/A)(5)
式中:y为土壤侵蚀率[g/(m2·s)]; x为水流剪切力(Pa); A为土壤细沟可蚀性(s/m); B/A为水流临界剪切力(Pa)。也就是说对于每场试验,只有当水流剪切力大于相应的B/A时,才会有侵蚀发生,该值也为每种处理下的土壤临界剪切力值。
2.1 相同土壤含水率条件下冻融循环对土壤临界剪切力和土壤细沟可蚀性的影响
表2列出了根据图1中的各个拟合关系方程计算的土壤临界剪切力和土壤细沟可蚀性值。由表2可知,参照试验CK的土壤临界剪切力为0.300 Pa。当土壤质量含水率为10%,冻融循环周期为1,3,6时,对应的土壤临界剪切力的值分别为0.380,0.259,0.267 Pa。当土壤质量含水率为20%,冻融循环周期为1,3,6时,对应的土壤临界剪切力的值分别为0.338,0.238,0.242 Pa。分析发现,两种土壤质量含水率下,土壤经过1个周期的冻融循环后,土壤临界剪切力与参照试验的相应值相比有所增大,当土壤经过3个周期的冻融循环后,土壤临界剪切力显著降低,随着土壤的冻融循环周期增至6时,土壤临界剪切力又有所增加,但其值仍小于参照试验CK的土壤临界剪切力。
由表2可知,参照试验CK的土壤细沟可蚀性为0.003 0 s/m,当土壤质量含水率为10%,冻融循环周期为1,3,6时,对应的土壤细沟可蚀性的值分别为0.007 9,0.002 7,0.001 5 s/m,即当土壤经历1个周期的冻融循环后,土壤细沟可蚀性相对参照试验显著增大,当土壤经历3个和6个周期的冻融循环后,土壤临界剪切力降低,且均小于参照试验CK的土壤细沟可蚀性值。同理,当土壤质量含水率为20%,冻融循环周期为1,3,6时,对应的土壤细沟可蚀性的值分别为0.006 8,0.002 1,0.003 3 s/m,即当土壤经历1个周期的冻融循环后,土壤细沟可蚀性增大,当土壤继续经历冻融循环作用,其周期增大至3时,土壤细沟可蚀性出现明显的减小趋势,当冻融循环周期增大至6时,土壤细沟可蚀性又有所增加,但冻融循环周期为3,6时,土壤的细沟可蚀性均小于参照试验。
由以上分析可知,交替冻融循环周期对土壤临界剪切力和土壤细沟可蚀性的影响显著,且随着交替冻融循环周期的不同,土壤临界剪切力和土壤细沟可蚀性的影响趋势与程度不同。两种土壤含水率水平下,当交替冻融循环周期为1时,交替冻融作用使土壤临界剪切力和土壤细沟可蚀性显著增大,当交替冻融循环周期为3,6时,交替冻融作用使土壤临界剪切力和土壤细沟可蚀性减小。
2.2 相同交替冻融循环周期下土壤含水率对土壤临界剪切力和土壤细沟可蚀性的影响
由表2可知,当交替冻融循环周期为1时,10%和20%两种不同土壤含水率下的土壤临界剪切力的值分别为0.380,0.338 Pa,均大于参照试验的0.300 Pa,即在两种不同含水率下,经过1个周期的冻融循环后,土壤临界剪切力增大,且低含水率时土壤临界剪切力增大的幅度较高含水率时土壤临界剪切力增加的幅度大。当交替冻融循环周期为3时,10%和20%两种不同土壤含水率下的土壤临界剪切力分别为0.259,0.238 Pa,均小于参照试验的0.300 Pa,且低含水率下的土壤临界剪切力较高含水率下土壤临界剪切力的值大。当交替冻融循环周期为6时,10%和20%两种不同土壤含水率下的土壤临界剪切力分别为0.267,0.242 Pa,均小于参照试验的0.300 Pa,且10%含水率下的土壤临界剪切力较20%含水率下的土壤临界剪切力大。
同理,当交替冻融循环周期为1时,10%和20%两种不同土壤含水率下的土壤细沟可蚀性分别为0.007 9,0.006 8 s/m,均大于参照试验的0.003 0 s/m,即在两种不同含水率处理下,土壤经过1个周期的冻融循环后,土壤细沟可蚀性增大,且低含水率时土壤细沟可蚀性增大的幅度较高含水率时土壤细沟可蚀性增大的幅度大。当交替冻融循环周期为3时,10%和20%两种不同土壤含水率下的土壤细沟可蚀性分别为0.002 7,0.002 1 s/m,均小于参照试验的0.300 Pa,且低含水率下的土壤细沟可蚀性较高含水率下的土壤细沟可蚀性大。当交替冻融循环周期为6时,10%和20%两种不同土壤含水率下土壤细沟可蚀性分别为0.001 5,0.003 3 s/m,均小于参照试验的0.300 s/m,且10%含水率下的土壤细沟可蚀性较20%含水率下的土壤细沟可蚀性大。
综上可知,不同土壤含水率对土壤临界剪切力和土壤细沟可蚀性的影响程度不同,土壤质量含水率水平为10%时的土壤临界剪切力和土壤细沟可蚀性的变化幅度均大于土壤质量含水率水平为20%时的土壤临界剪切力和土壤细沟可蚀性的变化幅度。
