2次降雨條件下不同土壤細(xì)溝侵蝕分析

劉俊體，孫莉英，張學(xué)培，蔡強國?，陳俊杰，3

(1.北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院，100083，北京;2.中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所，陸地水循環(huán)與地表過程重點實驗室，100101，北京;3.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)水土保持研究中心，430070，武漢)

2次降雨條件下不同土壤細(xì)溝侵蝕分析

劉俊體1，2，孫莉英2，張學(xué)培1，蔡強國2?，陳俊杰2，3

(1.北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院，100083，北京;2.中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所，陸地水循環(huán)與地表過程重點實驗室，100101，北京;3.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)水土保持研究中心，430070，武漢)

摘要：不同土壤細(xì)溝侵蝕發(fā)育對比研究是探討細(xì)溝侵蝕機制的必要內(nèi)容。通過間隔為24 h的2次人工模擬降雨，在不同降雨強度(1.5，2.0，1.0mm/min)、不同坡長(5、10m)的試驗條件下，分析坡度為20°時塿土和黃綿土2種土壤細(xì)溝侵蝕過程中產(chǎn)流產(chǎn)沙、空間變化的差異。結(jié)果表明：1)從坡面產(chǎn)流量來看，2種土壤在2次人工降雨過程中有相似的產(chǎn)流過程，坡長和降雨強度相同時，塿土坡面產(chǎn)流量大于黃綿土;2)從坡面形態(tài)看，第1場降雨過程中塿土坡面表面積、細(xì)溝侵蝕強度大于黃綿土坡面，但黃綿土坡面一旦發(fā)生細(xì)溝侵蝕，其體積變化幅度劇烈于塿土坡面;3)塿土在第1場降雨過程中侵蝕速率的變化過程可以反應(yīng)細(xì)溝發(fā)育的各個階段，較大降雨強度使黃綿土發(fā)生細(xì)溝侵蝕侵蝕，其細(xì)溝發(fā)育的各個階段持續(xù)時間長于塿土，即黃綿土細(xì)溝形態(tài)變化緩慢。

關(guān)鍵詞：產(chǎn)流;坡面表面積;細(xì)溝體積;細(xì)溝發(fā)育

細(xì)溝侵蝕的發(fā)生取決于坡面水流的水力學(xué)特性、坡面特性和土壤特性，其中水力學(xué)特性主要用徑流量、雷諾數(shù)和弗勞德數(shù)、流速、徑流水流動力和徑流剪切力等來描述［1］，坡面特性則考慮坡度、坡長，而土壤特性則往往用細(xì)溝土壤可蝕性、土壤抗剪強度等表示［2-3］。從這些方面對細(xì)溝進行的研究已有很多成果。周佩華等［4］提出，在黃土高原，嚴(yán)重的土壤侵蝕主要由少數(shù)幾次暴雨或大暴雨所引起，細(xì)溝侵蝕發(fā)生預(yù)示土壤侵蝕方式的轉(zhuǎn)變，在土壤侵蝕過程中有不可忽略的效應(yīng)。但多數(shù)研究成果來自于次降雨數(shù)據(jù)分析，細(xì)溝侵蝕在連續(xù)降雨過程中的發(fā)育特征分析較少，所以有必要探究以上特性在繼續(xù)發(fā)育過程中的異同。隨著觀測技術(shù)的進步，對細(xì)溝侵蝕的觀測已向空間角度發(fā)展。以紫色土為例，通過三維激光掃描技術(shù)與ArcGIS軟件的結(jié)合，在間斷降雨條件下，從坡面等高線偏離度與細(xì)溝溝頭斷面特征對細(xì)溝形態(tài)進行分析，分析結(jié)果認(rèn)為跌坎的形成是細(xì)溝造床的關(guān)鍵［5］。另以黃綿土為例，定義細(xì)溝的發(fā)育過程分為小跌水—下切溝頭—斷續(xù)細(xì)溝—連續(xù)細(xì)溝—細(xì)溝溝網(wǎng)［6］。由于細(xì)溝侵蝕定義本身界定條件的模糊性和不規(guī)范性［7］，細(xì)溝侵蝕過程中各階段的產(chǎn)沙規(guī)律與細(xì)溝形態(tài)變化及其主要影響因素的關(guān)系不是很明確。影響細(xì)溝侵蝕的因素包括降雨徑流侵蝕力與土壤抗蝕性能2方面［8］，降雨侵蝕力來自外界條件的控制;但土壤自身抗蝕性在細(xì)溝發(fā)生過程中是否存在變化，在非人為控制條件下探究結(jié)果較少。筆者通過室內(nèi)模擬降雨試驗并在在未擾動坡面進行二次降雨，觀測細(xì)溝發(fā)生發(fā)育過程，并以此為基礎(chǔ)分析細(xì)溝發(fā)育形態(tài)變化的階段性差異，探討坡長、降雨強度對其影響及程度，同時從土壤特性角度分析細(xì)溝的發(fā)育過程的不同，嘗試找出不同發(fā)育階段的主導(dǎo)影響因素并對其進行定量化分析。

1 材料與方法

1.1 試驗土壤

試驗采用的楊凌的塿土(L)和安塞生態(tài)實驗站的黃綿土(H)均取自于當(dāng)?shù)馗乇韺印⒐┰囃寥里L(fēng)干，測得其機械組成(表1)。試驗前，將土樣自然風(fēng)干并過10mm篩，以除去雜草和石塊。裝填試驗土壤之前，先在試驗槽底部填入10 cm厚的細(xì)沙，再在細(xì)沙上鋪上透水的細(xì)紗布，以保持試驗土層的透水狀況接近于天然坡面。然后填入試驗用土，將土均勻填入土槽中。裝土?xí)r采用分層填土法，邊填土邊壓實，每次裝土5 cm，總填土厚度為30 cm。裝土?xí)r應(yīng)特別注意在隔板處盡量壓實，以避免不必要的邊壁效應(yīng)。每次降雨之前，采用環(huán)刀法測取坡面土壤密度及土壤含水率。

表1 試驗土壤顆粒機械組成Tab．1 Particle size distribution of experimental soils

1.2 試驗設(shè)計

試驗共使用2種土槽裝置：一種為寬1m、高0.5m、長5m的移動式可調(diào)坡鋼制土槽，另一種為寬1.5m、高0.5m、長10m的固定式可調(diào)坡鋼制土槽，試驗中將2種土槽坡度調(diào)節(jié)為20°。試驗采用中國科學(xué)院水土保持研究所人工模擬降雨大廳的下噴式降雨系統(tǒng)，降雨高度18m，降雨覆蓋面積為27m×18m。降雨系統(tǒng)把水噴射至空中，受空氣阻力作用使水流破碎形成不同大小的雨滴，降落至地表，其產(chǎn)生的雨滴有大有小，與天然降雨形成的雨滴比較相似［9］。本次試驗采用純凈水作為模擬降雨水源，純凈水去除了天然水中的重金屬離子，不同于傳統(tǒng)的自來水、地下水等降雨水源。由I.Shainberg等［9］的試驗結(jié)果可知，與自來水相比，使用純凈水進行模擬降雨會消除其他因素對坡面土壤侵蝕的影響，從而更有利于對坡面土壤侵蝕過程的觀察及研究。這種方法已被國際上廣泛采用［10］。

2種土槽分別進行不同降雨強度的降雨處理。各土槽第1場試驗降雨強度設(shè)計為1.5和2.0mm/min 2種。為保證降雨量相同，產(chǎn)生發(fā)育較明顯的細(xì)溝，獲得不同降雨強度下的細(xì)溝微地貌，降雨時間分別為45和60min。第2場降雨強度設(shè)計為1.0mm/min 1種，降雨時間為60min，減小降雨強度以避免坡面侵蝕劇烈而跨越細(xì)溝侵蝕方式，保證觀測數(shù)據(jù)完全為細(xì)溝侵蝕。在降雨試驗開始之前，通過反復(fù)率定，使其在要求降雨強度的情況下降雨均勻度達(dá)到90%左右。第1場降雨結(jié)束后，經(jīng)過24 h，在未擾動坡面上進行第2場降雨試驗。

1.3 徑流量、含沙量及坡面形態(tài)的測量方法

坡面產(chǎn)流后，在出水口收集泥沙和徑流樣品，泥沙采樣器容積為1 000mL，其中第1場和第2場降雨采樣間隔分別為1和2min/次，含沙量采用烘干法確定，徑流量則采用自制大量桶測量體積(為1min內(nèi)的產(chǎn)流量)，加上泥沙樣值，即為該時段總徑流量。在整個試驗過程中采用高清晰攝像設(shè)備進行全程監(jiān)測，并輔助人工記錄，結(jié)合試驗過程中的徑流、泥沙及流速的采樣數(shù)據(jù)，分析坡面細(xì)溝侵蝕過程及對應(yīng)時段內(nèi)的水沙關(guān)系。同時在試驗前后采用三維激光掃描儀(Scanstation 2)對坡面微地形數(shù)據(jù)進行掃描，結(jié)合Cyclone軟件對坡面的形態(tài)特征進行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 2次降雨條件下坡面細(xì)溝侵蝕過程中產(chǎn)流的異同

在同一坡度不同降雨強度下，室內(nèi)人工模擬降雨各坡面產(chǎn)流情況如圖1和圖2所示?？芍?，各坡面很快產(chǎn)流，產(chǎn)流隨時間的變化趨勢并沒因為降雨強度的不同產(chǎn)生差異。從圖中可以看出：各坡面第1場降雨過程中，2種土壤產(chǎn)流隨時間的變化趨勢相似，坡面產(chǎn)流存在一個增長的過程，黃綿土坡面此現(xiàn)象在2.0mm/min降雨條件下更明顯，并且黃綿土坡面總產(chǎn)流量小于塿土坡面，這種差異在10m坡面上尤為顯著;第2場降雨過程中降雨強度減小，但各坡面產(chǎn)流速率并未發(fā)生明顯減小的趨勢，且塿土坡面產(chǎn)流大于黃綿土的現(xiàn)象仍然存在。

圖1 第1場降雨各坡面產(chǎn)流速率Fig．1 Runoff yield rate of the overland in the first rainfall

圖2 第2場降雨各坡面產(chǎn)流速率Fig．2 Runoff yield rate of the overland in the second rainfall

在降雨條件、坡面條件相同的情況下，土壤初始含水量對坡面產(chǎn)流有很大影響，初始含水率越高，產(chǎn)流越快，達(dá)到穩(wěn)定入滲率的時間也越短［11］。土壤初始含水量越低，降雨使土壤水分含量增量越大［12］。1.5mm/min降雨強度時，塿土坡面試驗前后土壤含水率為12.55%、18.53%，黃綿土坡面降雨前后土壤含水率為8.88%、19.99%;2.0mm/min降雨強度時，塿土坡面降雨前后土壤含水率分別為13.10%、17.94%，黃綿土坡面降雨前后土壤含水率分別為7.08%、22.18%，塿土前期含水率明顯大于黃綿土，其產(chǎn)流快并且迅速達(dá)到穩(wěn)定入滲，從而產(chǎn)流量較大;從產(chǎn)流隨時間的變化趨勢可知，塿土穩(wěn)定入滲率小于黃綿土，降雨前后黃綿土土壤水分含量增量大于塿土。另一方面，間隔24 h后進行第2場降雨，塿土各坡面平均土壤含水率為16.18%，黃綿土各坡面平均含水率為16.43%，2種土壤含水率幾乎相同，在相同降雨強度條件下，塿土坡面產(chǎn)流量仍舊大于黃綿土，可知這與土壤本身質(zhì)地有關(guān)系。由表1可知，塿土黏粒含量大于黃綿土，但粗粉粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)遠(yuǎn)小于黃綿土，黃綿土本身質(zhì)地決定了其入滲能力較強。

2.2 降雨過程中2種土壤坡面的細(xì)溝形態(tài)

降雨結(jié)束后各坡面細(xì)溝形態(tài)如圖3所示，可以看到第1場與第2場降雨后坡面形態(tài)的變化。2種降雨強度條件下，塿土坡面細(xì)溝密度明顯大于黃綿土坡面，并且黃綿土坡面在較大降雨強度條件下細(xì)溝經(jīng)過2次降雨后密度增加明顯，細(xì)溝形態(tài)隨坡長的加倍變化不明顯。

圖3 次降雨后坡面形態(tài)Fig．3 Slopemorphology after each rainfall event

為進一步對坡面細(xì)溝形態(tài)進行定量描述，在三維激光掃描技術(shù)的基礎(chǔ)上，利用Cyclone軟件得到各坡面表面積與細(xì)溝體積，此時得到的細(xì)溝體積未計坡面沉降，為降雨后坡面所形成細(xì)溝道空間大小。由降雨前土壤干密度與細(xì)溝體積的乘積得到坡面細(xì)溝侵蝕量，為明確細(xì)溝侵蝕量占坡面侵蝕量的多少，以貢獻率來表示，即貢獻率等于細(xì)溝侵蝕量占總侵蝕量的比例。計算結(jié)果見表2和表3。

表2 基于Cyclone軟件的各坡面表面積及細(xì)溝侵蝕量(第1場降雨強度為1.5mm/min)Tab．2 Surface area and rill erosion of the slope based on Cyclone software(First rainfall intensities1.5mm/min)

表3 基于Cyclone軟件的各坡面表面積及細(xì)溝侵蝕量(第1場降雨強度為2.0mm/min)Tab．3 Surface area and rill erosion of the slope based on Cyclone software(First rainfall intensities 2.0mm/min)

可知：降雨后每個坡面表面積增加，降雨強度相同時，塿土坡面表面積增加幅度大于黃綿土坡面;土壤相同時，坡面表面積增加幅度隨著降雨強度與坡長的增大而增大。由于細(xì)溝溝體的加寬加深，細(xì)溝條數(shù)的增多會擴大坡面表面積，所以，細(xì)溝溝體的空間變化與坡面的表面積有很大關(guān)系。降雨強度相同時，由于塿土坡面總徑流量大于黃綿土坡面，且含沙水流是黃土高原侵蝕產(chǎn)沙過程形成的重要因素［13］，塿土坡面細(xì)溝流侵蝕能力大于黃綿土，較易形成細(xì)溝;所以，塿土坡面表面積變化較大。同時，因為降雨強度的增大，坡長的延長，細(xì)溝侵蝕隨時間的累積效應(yīng)使坡面表面積變化幅度增大。細(xì)溝體積隨著降雨場次的增多，變化規(guī)律出現(xiàn)多樣性。降雨強度為1.5mm/min時，2種坡長坡面上，塿土細(xì)溝體積大于黃綿土;但減小降雨強度進行2次降雨后，黃綿土細(xì)溝體積增大幅度要大于塿土，即在外界條件相同的條件下，影響坡面細(xì)溝侵蝕的主要因素應(yīng)為土壤本身的性質(zhì)。以土壤粒徑小于0.002mm的黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為反映土壤質(zhì)地的物理量，黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，土壤質(zhì)地越重，其水力傳導(dǎo)度小于輕質(zhì)土壤，因此，重質(zhì)土壤的土壤水分入滲能力小于輕質(zhì)土壤［14］。塿土黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為黃綿土的1.75倍，所以，黃綿土入滲能力較塿土要大，降雨強度較小時，坡面產(chǎn)流強度弱，使得黃綿土坡面發(fā)生細(xì)溝侵蝕程度小;然而，進行第2場降雨過程中，因各坡面土壤含水率較高，土壤入滲能力減弱，且黃綿土粗粉粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)遠(yuǎn)大于塿土，所以，黃綿土細(xì)溝侵蝕一旦開始，其細(xì)溝形態(tài)變化程度劇烈于塿土，細(xì)溝體積增加幅度變大。降雨強度為2.0mm/min時，2種土壤細(xì)溝體積明顯大于1.5mm/min降雨條件下的細(xì)溝體積。5m坡長的黃綿土坡面細(xì)溝體積甚至為1.5mm/min降雨強度下5m長坡面的1.97倍，10m長坡面更是達(dá)到3.79倍。在減小降雨強度進行第2場降雨時，在10m坡面上，2種土壤的細(xì)溝體積呈現(xiàn)減小現(xiàn)象，這與已有對細(xì)溝發(fā)育的研究結(jié)果不盡相同，其原因是多方面的。其一，掃描技術(shù)自身原因，降雨過程中細(xì)溝溝體發(fā)生側(cè)蝕甚至掏蝕，目前掃描技術(shù)不能量測此部分體積，從而利用Cyclone軟件進行提取時細(xì)溝體積小于實際細(xì)溝體積;其二，坡長的延長使細(xì)溝形態(tài)發(fā)育出現(xiàn)多樣性，且雷廷武等［15］認(rèn)為，輸沙能力的采樣長度為2～4m，超過此長度水流輸沙能力處于穩(wěn)定狀態(tài)。細(xì)溝溝體變化與細(xì)溝流輸沙有直接關(guān)系，有因剝蝕而擴大溝體的溝段，亦有因為泥沙的沉積而減小溝體的溝段，所以表2與表3中會出現(xiàn)通過細(xì)溝體積得到的細(xì)溝侵蝕量與坡面侵蝕量不相符合的情況。

2.3 2次降雨過程中細(xì)溝侵蝕坡面產(chǎn)沙的異同

降雨過程中各坡面的產(chǎn)沙情況如圖4、圖5所示。由圖4可知，第1場降雨過程中相同降雨強度下2種土壤會因為坡長的增長侵蝕程度變劇烈。坡長相同時，2.0mm/min降雨強度使坡面發(fā)生劇烈細(xì)溝侵蝕，坡面侵蝕速率在降雨過程中超過塿土，且未看到其侵蝕速率下降的階段。在第1場降雨過程中，塿土侵蝕速率呈下降的趨勢。由圖5可知：減小降雨強度進行2次降雨過程中，塿土坡面沒有因為前期降雨出現(xiàn)細(xì)溝而侵蝕加劇，在各個坡面上侵蝕速率穩(wěn)定;但在10m坡長坡面上，因為細(xì)溝的出現(xiàn)，黃綿土侵蝕程度更為劇烈，在第1場降雨強度為2.0mm/min的坡面上可以看到侵蝕速率下降的趨勢。

2種土壤在第1場降雨過程中細(xì)溝侵蝕各階段的侵蝕情況見表4?？芍嗤瑮l件下，黃綿土各個階段持續(xù)時間較長于塿土，這說明黃綿土對發(fā)生細(xì)溝侵蝕的敏感性比較遲緩。坡長的增加縮短了塿土面蝕與細(xì)溝雛形階段持續(xù)時間，這是因為承雨面積變大，匯流迅速使得細(xì)溝發(fā)育加速。降雨強度為2.0mm/min時，塿土更早達(dá)到細(xì)溝發(fā)育的調(diào)整階段，而黃綿土細(xì)溝發(fā)育對坡長、降雨強度的敏感性要小于塿土。在此降雨過程中，黃綿土細(xì)溝雛形階段占據(jù)大部分降雨歷時，即黃綿土細(xì)溝形態(tài)變化緩慢，此階段產(chǎn)生的坡面侵蝕量的比例最大;然而，在10m坡面、2.0mm/min降雨強度條件下(圖4)，黃綿土細(xì)溝侵蝕一旦發(fā)生，在細(xì)溝重點發(fā)育階段其侵蝕量在坡面侵蝕量中的比例為67.08%，并且在第2場降雨的過程中細(xì)溝侵蝕仍在劇烈進行。這同時補充了有關(guān)研究［16］的觀點，即在陡坡面上黃綿土一旦發(fā)生細(xì)溝侵蝕，其侵蝕強度亦要遠(yuǎn)大于塿土，這與前文分析土壤本身性質(zhì)有明顯的關(guān)系。

圖5 第2場降雨過程中坡面產(chǎn)沙過程Fig．5 Slope sediment production process in the second rainfall

表4 細(xì)溝侵蝕過程中各階段產(chǎn)沙量Tab．4 Sediment yield of each stage in the development of rill

3 結(jié)論與討論

1)在室內(nèi)降雨試驗條件下，塿土和黃綿土2種土壤在2次降雨過程中有相似的產(chǎn)流過程，坡長和降雨強度相同時，塿土坡面產(chǎn)流量大于黃綿土。

2)從坡面形態(tài)看，第1場降雨過程中，塿土坡面細(xì)溝侵蝕強度大于黃綿土坡面，相同降雨條件下，塿土坡面表面積大于黃綿土。隨降雨的進行，坡面細(xì)溝體積的大小變化出現(xiàn)多樣性，較小降雨強度條件下塿土細(xì)溝體積大于黃綿土。但黃綿土坡面一旦發(fā)生細(xì)溝侵蝕，其體積變化幅度劇烈于塿土。

3)相同降雨強度下，塿土和黃綿土2種土壤都會因為坡長的增長而侵蝕程度變劇烈，相同坡長時，較大降雨強度使黃綿土發(fā)生細(xì)溝侵蝕。在第1場降雨過程中塿土細(xì)溝發(fā)育的各個階段可以明顯看到;但黃綿土各個階段持續(xù)時間較塿土長，不能出現(xiàn)每一個階段，即黃綿土細(xì)溝形態(tài)變化緩慢。

本研究是在坡度為20°的陡坡坡面進行的室內(nèi)人工模擬降雨試驗，旨在經(jīng)過2次降雨來分析塿土和黃綿土2種黃土坡面細(xì)溝侵蝕過程的特征與差異。坡面微形態(tài)觀測技術(shù)的提高，有助于坡面細(xì)溝侵蝕發(fā)生發(fā)育機制的深入研究，試驗中未能對單獨細(xì)溝進行追蹤觀測與分析，也沒有做到對不同坡段細(xì)溝斷面的觀測;但這些內(nèi)容對細(xì)溝空間形態(tài)演變的認(rèn)識卻有很大的幫助，所以要將其作為后續(xù)試驗的方向。

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Analysis of two kinds soil rill evolution under the secondary rainfall

Liu Junti1，2，Sun Liying2，Zhang Xuepei1，Cai Qiangguo2，Chen Junjie2，3

(1.College of Soil and Water Conservation，Beijing Forestry University，100083，Beijing，China;2.Key Laboratory of Water Cycle and Related Land Surface Processes，Institute of Geographical Sciences and Natural Resources Research，Chinese Academy of Sciences，100101，Beijing，China;3.College of Resources and Environment，Huazhong Agriculture University，430070，Wuhan，China)

Abstract：It is necessary to study different soil rill erosion for investigating rill erosionmechanism.In this paper，the secondary simulated rainfall experiments with an interval of 24 hours were conducted，with different slope lengths(5，10m)and different rainfall intensities(1.5，2.0，1.0mm/min)，to study the differences of runoff and sediment yield and rill space about 2 kinds soil rill erosion developments.Results showed that two kinds of soil shared similar runoff process.At the same rainfall intensity and slope length，lou soil slope surface runoff was greater than the loessial soil.In the first rainfall，the slope surface area and rill erosion intensity of lou soil was greater than the loessial soil.Once the rill erosion occured in the loessial soil slope surface，the volume variations of loessial soil was strongly than lou soil.The change process of the erosion rate could reflected lou soil rill stages of development.Rill erosion would happen with larger rainfall intensity in the loessial soil，and the duration time for stages was longer than lou soil，i.e.，Loessial soil rillmorphological changed slowly.

Key words：runoff;slope surface area;rill volume;rill development

S157.1

A

1672-3007(2013)04-0022-08

2012-11-20

2013-03-03

國家自然科學(xué)基金“坡面水蝕動力與細(xì)溝發(fā)育形態(tài)的相互作用機制及其影響因素”(41271304)、“東北典型黑土區(qū)坡耕地水土保持措施對地表徑流及其侵蝕的調(diào)控和機理研究”(41001165);黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點實驗室開放基金“黃土坡面細(xì)溝侵蝕發(fā)育過程影響因素研究”(K318009902-1315)

劉俊體(1985—)，女，碩士研究生。主要研究方向：坡面土壤侵蝕。E-mail：liujunti123@126.com

簡介：蔡強國(1946—)，男，研究員，博士，博士生導(dǎo)師。主要研究方向：土壤侵蝕、水土保持、流域侵蝕產(chǎn)沙模擬與GIS技術(shù)應(yīng)用。E-mail：caiqg@igsnrr.ac.cn

(責(zé)任編輯：宋如華)