三峽庫(kù)區(qū)紫色土坡耕地細(xì)溝發(fā)生的臨界坡長(zhǎng)

嚴(yán)冬春，文安邦，史忠林，巨 莉，賀秀斌

（1.中國(guó)科學(xué)院成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所山地環(huán)境演變與調(diào)控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610041；2.中國(guó)科學(xué)院研究生院，北京 100049）

三峽庫(kù)區(qū)紫色土坡耕地細(xì)溝發(fā)生的臨界坡長(zhǎng)

嚴(yán)冬春1，2，文安邦1，史忠林1，2，巨 莉1，2，賀秀斌1

（1.中國(guó)科學(xué)院成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所山地環(huán)境演變與調(diào)控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610041；2.中國(guó)科學(xué)院研究生院，北京 100049）

采用人工暴雨試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：相同土壤含水量條件下，10°，15°，20°，25°紫色土小區(qū)在130 mm／h雨強(qiáng)降雨下細(xì)溝發(fā)生的臨界坡長(zhǎng)平均值分別為6.13，4.12，2.72，1.55 m，細(xì)溝發(fā)生的臨界坡長(zhǎng)與坡度呈二次拋物線關(guān)系；土壤含水量變幅為16%～26%條件下細(xì)溝發(fā)生臨界坡長(zhǎng)先增長(zhǎng)后變短。據(jù)此總結(jié)了采用地埂防治坡耕地細(xì)溝侵蝕的治理模式，針對(duì)不同坡度地塊細(xì)溝發(fā)生的臨界坡長(zhǎng)，采用地埂或者分割地塊，并在地埂上種植經(jīng)濟(jì)效益高的植物籬，既控制了細(xì)溝的發(fā)生，又彌補(bǔ)了地埂占地導(dǎo)致的農(nóng)業(yè)減產(chǎn)；同時(shí)在旱季和雨季分別調(diào)整邊溝的尺寸，調(diào)整地塊土壤含水量從而控制細(xì)溝因含水量變化導(dǎo)致的細(xì)溝發(fā)生臨界坡長(zhǎng)縮短。

細(xì)溝侵蝕；臨界坡長(zhǎng)；坡耕地；紫色土；三峽庫(kù)區(qū)

1 概 述

三峽庫(kù)區(qū)對(duì)我國(guó)特別是長(zhǎng)江流域，在社會(huì)經(jīng)濟(jì)、水資源安全和生態(tài)屏障方面具有重要的戰(zhàn)略地位。三峽工程的建設(shè)、運(yùn)行以及庫(kù)區(qū)移民安置對(duì)庫(kù)區(qū)及流域生態(tài)系統(tǒng)、地表過程和社會(huì)經(jīng)濟(jì)正在并將產(chǎn)生重大的影響。三峽水庫(kù)蓄水后，庫(kù)區(qū)淹沒耕地2.597 hm2，使區(qū)域發(fā)展與資源、環(huán)境承載力的矛盾更加尖銳。由于大量的后靠移民安置和城鎮(zhèn)、公路、管道等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，非農(nóng)用地大幅度增加，不但增加了退耕還林（草）和生態(tài)修復(fù)等水土保持難度；而且為發(fā)展農(nóng)村經(jīng)濟(jì)和提高糧食產(chǎn)量，迫使在有限土地資源上加大利用率和墾殖率，加重水土流失。據(jù)2005年水土流失公告顯示水土流失面積占幅員面積的48.55%；中度侵蝕為主，占幅員面積的19.90%；輕度侵蝕占幅員面積的14.15%；強(qiáng)度侵蝕占幅員面積的12.23%；極強(qiáng)度和劇烈占幅員面積的2.27%。庫(kù)區(qū)年均水土流失量達(dá)1.5億t，入庫(kù)泥沙4 000多萬(wàn)t，坡耕地土壤侵蝕占總水土流失量的60%以上。三峽庫(kù)區(qū)紫色土分布區(qū)域占庫(kù)區(qū)總面積的78.4%，其中絕大部分為坡地［1］。三峽水庫(kù)蓄水淹沒和移民后靠勢(shì)必加重紫色土坡耕地負(fù)荷，如何有效地控制紫色土坡耕地土壤侵蝕，提高糧食產(chǎn)量則成為當(dāng)務(wù)之急。

細(xì)溝侵蝕是坡面土壤侵蝕的主要形式之一，是介于片狀侵蝕與溝道侵蝕之間的一種侵蝕類型［2］。細(xì)溝一旦形成，坡面薄層水流轉(zhuǎn)變?yōu)楣闪?，其水力學(xué)特征發(fā)生根本性的轉(zhuǎn)變，侵蝕動(dòng)力增強(qiáng)，水流侵蝕形態(tài)由對(duì)單個(gè)土壤顆粒的搬運(yùn)轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)土壤塊體崩解、分散、輸移的過程，侵蝕量劇增，已有的研究表明細(xì)溝的發(fā)生坡面侵蝕產(chǎn)沙量將增加幾倍至幾十倍［3］，黃土高原細(xì)溝侵蝕量甚至占坡面總侵蝕量的70%以上［4－6］。傳統(tǒng)觀念認(rèn)為坡耕地上形成的細(xì)溝僅通過耕作措施即可以將其平復(fù)，不需要特殊的土壤保持措施；事實(shí)上，即使通過耕作措施將細(xì)溝平復(fù)還是會(huì)在坡面上形成負(fù)地形，再次降雨情況下很容易出現(xiàn)細(xì)溝，甚至形成惡性循環(huán)［7］?；趯?duì)細(xì)溝侵蝕在坡面侵蝕中重要地位的認(rèn)識(shí)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在細(xì)溝的發(fā)生、發(fā)展、侵蝕輸沙等方面開展了大量研究［8－11］。對(duì)于某一坡度的地塊，一次暴雨中細(xì)溝總是表現(xiàn)在一定的坡長(zhǎng)處發(fā)生，這是由于細(xì)溝侵蝕的發(fā)生需要一定的坡長(zhǎng)來(lái)匯集徑流，這一坡長(zhǎng)稱為細(xì)溝發(fā)生的臨界坡長(zhǎng)［12］。通過暴雨試驗(yàn)調(diào)查出細(xì)溝發(fā)生的臨界坡長(zhǎng)，進(jìn)而通過各種措施控制細(xì)溝的發(fā)生將大大降低坡面侵蝕量。

本研究采用人工暴雨試驗(yàn)，調(diào)查了紫色土坡耕地細(xì)溝發(fā)生的臨界坡長(zhǎng)，研究了坡度、土壤前期含水量對(duì)臨界坡長(zhǎng)的影響，為進(jìn)一步探討紫色土坡耕地防治細(xì)溝措施提供依據(jù)。

2 研究方法與試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)在中國(guó)科學(xué)院三峽庫(kù)區(qū)忠縣水土流失與面源污染觀測(cè)站內(nèi)開展（108°10′25″E，30°24′53″N），該站地處三峽庫(kù)區(qū)中游，四川盆地東部平行嶺谷區(qū)，淺丘地貌，區(qū)內(nèi)出路巖層為侏羅系中統(tǒng)沙溪廟組（J2s）砂巖、粉砂巖和泥巖。屬亞熱帶東南季風(fēng)區(qū)，四季分明，年均氣溫19.2℃，無(wú)霜期320 d左右。年均降水量1 150 mm，季節(jié)分配不均，其中70%以上集中于4－10月。土壤為中性紫色土，坡耕地廣布，墾殖率復(fù)種指數(shù)均較高，作物按照季節(jié)不同采用輪作制種植冬小麥、油菜、花生、土豆、玉米、紅薯等。

2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本次試驗(yàn)分為2部分，一部分采用暴雨試驗(yàn)調(diào)查不同坡度地塊細(xì)溝發(fā)生的臨界坡長(zhǎng)；另一部分采用控制不同土壤含水量，調(diào)查土壤含水量對(duì)細(xì)溝發(fā)生臨界坡長(zhǎng)的影響。試驗(yàn)場(chǎng)地為忠縣站4塊2 m× 8 m的小區(qū)；坡度分別為10°，15°，20°，25°，土層厚度大于40 cm，裝填土壤采集于附近農(nóng)耕地表層20 cm耕作土，小區(qū)試驗(yàn)前將表層20 cm土壤用鋤頭翻松整平，手工撿出石礫（土壤特性見表1）。第一部分試驗(yàn)在土壤翻松后均勻?yàn)⑺ＷC土壤表層（5 cm）含水量在25%左右，試驗(yàn)前用TDR測(cè)試表層土壤含水量。第二部分在10°小區(qū)上開展，通過灑水后地面蒸發(fā)不同時(shí)長(zhǎng)（間隔2 h用TDR測(cè)試1次，各測(cè)點(diǎn)間距1 m），從而控制土壤含水量，試驗(yàn)不同含水量條件下細(xì)溝發(fā)生的臨界坡長(zhǎng)。分析忠縣2000年至2009年的降雨數(shù)據(jù)表明，暴雨次數(shù)32次，最大次降雨量為178.5 mm，最大10 min雨強(qiáng)為136.3 mm／h。本次試驗(yàn)設(shè)計(jì)雨強(qiáng)為130 mm／h；降雨歷時(shí)為23 min，10°小區(qū)降雨7場(chǎng)，其余3塊小區(qū)各降雨3場(chǎng)。降雨器為中國(guó)科學(xué)院水土保持研究所研制生產(chǎn)的雙側(cè)雙噴噴降雨機(jī)，通過調(diào)整噴頭射流孔板調(diào)節(jié)雨強(qiáng)，噴頭距離中軸線高度6.5 m，實(shí)際降雨高度大于8 m，鋼架擋風(fēng)棚高度9 m。

降雨均勻度和降雨量測(cè)定采用10個(gè)簡(jiǎn)易的雨量筒測(cè)定，雨量筒為直徑150 mm、高250 mm的白鐵皮制成，沿小區(qū)兩邊等間距放置，16場(chǎng)降雨實(shí)際雨強(qiáng)偏差均在4%以內(nèi)。降雨開始產(chǎn)流后，用6 000 mL塑料桶收集水沙樣品（每1 min采集1次水沙樣品），并用秒表記錄每次采集樣品所需要的時(shí)間。記錄每次采樣的體積，樣品澄清12 h以后用細(xì)膠管導(dǎo)出上層清液，下層水沙樣品用500 mL鐵皮盒盛裝烘干24 h后稱重。溝道侵蝕量采用填充法，填充土壤為臨近小區(qū)表層土壤，稱重每次填充所需土壤重量，并換算成干重。

表1 試驗(yàn)紫色土特性Table 1 Character of purp le soil

3 細(xì)溝發(fā)生的臨界坡長(zhǎng)

表2 紫色土坡耕地細(xì)溝發(fā)生臨界坡長(zhǎng)統(tǒng)計(jì)表Table 2 Critical lengths of rill taken from purp le soil slope land

3.1 細(xì)溝發(fā)生的界定

以往以尺寸作為細(xì)溝發(fā)生的界定在概念上比較模糊，很難將片狀侵蝕形成的跌坎（坑）和細(xì)溝有效地區(qū)分開。而細(xì)溝發(fā)育過程中跌坎（坑）是至關(guān)重要的一環(huán)，跌坎（坑）的出現(xiàn)表明細(xì)溝開始發(fā)育，跌坎（坑）的貫穿標(biāo)志著細(xì)溝的形成［12］。跌坎（坑）出現(xiàn)以后坡面漫流在跌坎（坑）處匯集成股流，坡面侵蝕方式由薄層水流懸移輸送轉(zhuǎn)變?yōu)楣闪鳑_刷，跌坎（坑）在股流作用下溯源侵蝕和下切坡面導(dǎo)致順坡跌坎（坑）的貫穿形成溝道。因此，本試驗(yàn)在確定細(xì)溝溝頭和測(cè)量臨界坡長(zhǎng)時(shí)將觀測(cè)到跌坎（坑）的貫穿作為細(xì)溝發(fā)生的界定。

3.2 臨界坡長(zhǎng)與坡度的關(guān)系

通過對(duì)細(xì)溝發(fā)生過程的觀察，細(xì)溝發(fā)生的判定以跌坎貫穿為標(biāo)志，細(xì)溝發(fā)生后溝頭的溯源侵蝕不在本研究統(tǒng)計(jì)之列。控制含水量在25%左右時(shí)，10°，15°，20°，25°小區(qū)在130 mm／h雨強(qiáng)降雨下細(xì)溝發(fā)生的臨界坡長(zhǎng)隨坡度的增大而縮短（表2），細(xì)溝溝頭出現(xiàn)的順坡坡長(zhǎng)平均值分別為6.13，4.12，2.72，1.55 m。相同坡度單次暴雨下細(xì)溝發(fā)生的臨界坡長(zhǎng)存在一定的變異性，可能是由于土壤本身不均質(zhì)導(dǎo)致徑流在某一點(diǎn)上優(yōu)先下切形成跌坎（坑），進(jìn)而演變成溝頭。

鄭粉莉［13］研究了黃土坡面細(xì)溝發(fā)生的臨界坡長(zhǎng)與坡度呈二次拋物線關(guān)系，本試驗(yàn)利用10°，15°，20°，25°小區(qū)的臨界坡長(zhǎng)結(jié)果回歸得到

LR＝0.008 4J2－0.59J＋11.24 。

式中：LR為臨界坡長(zhǎng)（m），J為坡度（°）。將上式兩邊對(duì)坡度求導(dǎo)數(shù)，求得紫色土細(xì)溝發(fā)生臨界坡長(zhǎng)的拐點(diǎn)坡度為35.1°，略大于鄭粉莉［13］在黃土高原的調(diào)查結(jié)果。拐點(diǎn)坡度又稱為細(xì)溝發(fā)生臨界坡長(zhǎng)的臨界坡度，小于臨界坡度的地塊細(xì)溝發(fā)生的臨界坡長(zhǎng)隨坡度增大遞減，大于臨界坡度的地塊細(xì)溝發(fā)生的臨界坡長(zhǎng)隨坡度增大而增大。坡度小于臨界坡度時(shí)細(xì)溝發(fā)生臨界坡長(zhǎng)隨坡度增大而減小的原因在于隨著坡度增大，入滲量減少，匯集成導(dǎo)致跌坎貫穿的徑流所需坡長(zhǎng)變短。對(duì)于坡度大于臨界坡度時(shí)臨界坡長(zhǎng)隨著坡度增大而增大的原因比較復(fù)雜，可能是由于坡度較大，坡面受雨面積相對(duì)減少，同時(shí)徑流流速劇增，水層變薄，徑流對(duì)坡面有效切應(yīng)力反而減小，導(dǎo)致匯集成跌坎貫穿所需坡長(zhǎng)變長(zhǎng)。由于本試驗(yàn)沒有設(shè)計(jì)大于臨界坡度的試驗(yàn)，這一猜測(cè)需要在后期的試驗(yàn)中驗(yàn)證。

3.3 前期含水量對(duì)臨界坡長(zhǎng)的影響

10°小區(qū)7場(chǎng)人工降雨土壤含水量變幅為16%～26%（試驗(yàn)小區(qū)土壤飽和含水量為37.8%），細(xì)溝發(fā)生的臨界坡長(zhǎng)隨含水量的變化趨勢(shì)如圖1。從圖1來(lái)看，含水量大于19.5%時(shí)，細(xì)溝發(fā)生的臨界坡長(zhǎng)總體上隨含水量的增大而縮短；可能是由于土壤含水量的增大導(dǎo)致土壤顆粒之間粘結(jié)力降低，泥沙啟動(dòng)所消耗的臨界動(dòng)能較低，徑流匯集貫穿跌坎（坑）的坡長(zhǎng)也相應(yīng)縮短。當(dāng)含水量降低到19.5%以下時(shí)，細(xì)溝發(fā)生的臨界坡長(zhǎng)隨含水量降低而變短；可能是由于含水量降低導(dǎo)致土壤空隙比增大，暴雨雨滴擊濺作用下堵塞土壤表面空隙，土壤入滲率降低，徑流匯集形成溝頭所需坡長(zhǎng)縮短。從臨界坡長(zhǎng)隨含水量變化的趨勢(shì)來(lái)看，我們猜測(cè)可能存在一個(gè)臨界含水量（三峽庫(kù)區(qū)紫色土坡耕地大概為20%土壤含水量），當(dāng)含水量大于或者小于臨界含水量時(shí)細(xì)溝發(fā)生臨界坡長(zhǎng)都將是變短，需要進(jìn)一步的試驗(yàn)驗(yàn)證。

圖1 不同含水量狀態(tài)下臨界坡長(zhǎng)變化趨勢(shì)圖Fig.1 Variety Trend about critical length in different water contents of soil

4 細(xì)溝控制技術(shù)探討

三峽庫(kù)區(qū)蓄水后，河谷區(qū)平坦的臺(tái)地被淹沒，大量的后靠移民增加了紫色土區(qū)坡耕地負(fù)荷；通過控制細(xì)溝的發(fā)生從而減少坡耕地侵蝕，對(duì)于減少入庫(kù)泥沙和保持坡耕地肥力具有重要意義?；趯?duì)紫色土坡耕地細(xì)溝發(fā)生臨界坡長(zhǎng)的調(diào)查，總結(jié)采用地埂來(lái)控制細(xì)溝的發(fā)生，見圖2。

圖2 地埂防治坡耕地細(xì)溝侵蝕示意圖Fig.2 Sketch of defending rill erosion controlled utilizing ridged fields

設(shè)計(jì)思路是根據(jù)地塊不同坡度細(xì)溝發(fā)生的臨界坡長(zhǎng)，采用地埂分割地塊，控制細(xì)溝的發(fā)生，并在地埂上種植經(jīng)濟(jì)效益高的植物籬，以減少地埂占地帶來(lái)的農(nóng)業(yè)減產(chǎn)。同時(shí)考慮土壤含水量對(duì)細(xì)溝發(fā)生臨界坡長(zhǎng)的影響，在雨季和旱季分別調(diào)整邊溝A，B的尺寸。旱季時(shí)，將秸稈等填埋到邊溝中，并覆土，一方面增大地表徑流入滲量，保持土壤水分；同時(shí)也可以增加土壤有機(jī)質(zhì)含量。雨季時(shí)，將邊溝淘深，讓多余的地表徑流能夠及時(shí)地收集到蓄水池，同時(shí)降低地塊內(nèi)土壤含水量到合適的范圍，避免細(xì)溝的發(fā)生。

5 結(jié) 語(yǔ)

通過人工暴雨試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：相同土壤含水量條件下，10°，15°，20°，25°紫色土小區(qū)在130 mm／h雨強(qiáng)降雨下細(xì)溝發(fā)生的臨界坡長(zhǎng)平均值分別為6.13，4.12，2.72，1.55 m，細(xì)溝發(fā)生的臨界坡長(zhǎng)與坡度呈二次拋物線關(guān)系：LR＝0.008 4J2－0.59J＋11.24；土壤含水量變幅為16%～26%條件下細(xì)溝發(fā)生臨界坡長(zhǎng)先增長(zhǎng)后變短?；谝陨险{(diào)查總結(jié)了采用地埂防治坡耕地細(xì)溝侵蝕的治理模式，針對(duì)不同坡度地塊細(xì)溝發(fā)生的臨界坡長(zhǎng)，采用地埂分割地塊，并在地埂上種植經(jīng)濟(jì)效益高的植物籬，既控制了細(xì)溝的發(fā)生，又彌補(bǔ)了地埂占地導(dǎo)致的農(nóng)業(yè)減產(chǎn)。同時(shí)在旱季和雨季分別調(diào)整邊溝的尺寸，調(diào)整地塊土壤含水量從而控制細(xì)溝因含水量的變化導(dǎo)致的細(xì)溝發(fā)生臨界坡長(zhǎng)縮短。

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（編輯：趙衛(wèi)兵）

Critical Slope Length of Rill Occurred in Purp le Soil Slope Cultivated Land in Three Gorges Reservoir Area

YAN Dong-chun1，2，WEN An-bang1，SHIZhong-lin1，2，JU Li1，2，HE Xiu-bin1
（1.The Key Laboratory of Mountain Environment Evolution and Its Regulation，Institute of Mountain Hazards and Environment，Chinese Academy of Sciences，Chengdu 610041，China；2.Graduate School of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China）

Rill erosion is one of themain form of slope erosion，which is between sheet erosion and gully erosion.Once rill erosion takes place，the rate of soil erosion will be double increased.It is important，through Investigating

the critical slope length of rills occurred in different slope cultivated lands under torrential rain，to direct the prevention of rill，reduce sediment and preserve thewater and soil.Utilizing artificial rainfall tests showed that，under the same soilmoisture contentand in a 130mm／h torrential rain，themean critical slope length on purple cultivated land of slope angle 10°，15°，20°，25°were 6.13 m，4.12 m，2.72 m，1.55 m，respectively.A quatratic parabola relationship between critical slope length of rill（LR）and slope grade（J）was given.When the water content of soil varied from 16%to 26%，the critical length increased firstly and then decreased.For the sake of avoiding rill erosion occurrence，we designed a new cultivatedmode，named“ridge＆plant hedge”，which was to cut the slope length by ridges and hedgerows，on one hand to decrease sediment，on the other hand to regulate water content of soil.

rill erosion；critical slope length；slope cultivated land；purple soil；Three Gorges Reservoir Area

X43；S157.1

A

1001－5485（2010）11－0058－04

2010-09-10

國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2008BAD98B01、2008BAD98B02）；國(guó)家科技重大專項(xiàng)課題（2009ZX07104－002－06）

嚴(yán)冬春（1981-），男，湖北宜昌人，博士研究生，主要從事土壤侵蝕與水土保持研究，（電話）13438382030（電子信箱）yandc＠imde.ac.cn。

文安邦（1964-），男，重慶忠縣人，研究員，博士生導(dǎo)師，主要從事土壤侵蝕與水土保持研究，（電話）028-85214188（電子信箱）wabang＠imde.ac.cn。