沂蒙山區(qū)坡面侵蝕過程

王志偉，艾釗，張國慶，陳志成，張永濤?

(1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，271018，山東泰安;2.中國林業(yè)科學(xué)研究院林業(yè)新技術(shù)所，100091，北京)

沂蒙山區(qū)是我國北方典型的土石山區(qū)，也是我國東部土壤侵蝕最為嚴(yán)重的區(qū)域之一。大面積、長時期、高強(qiáng)度的水土流失造成破壞土地、吞食農(nóng)田、降低土壤肥力、淤積抬高河床、加劇洪澇災(zāi)害、惡化生存環(huán)境［1］等嚴(yán)重危害，嚴(yán)重阻礙了該地區(qū)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展及區(qū)域生態(tài)建設(shè)。土壤侵蝕是一個復(fù)雜的物理化學(xué)過程，涉及因素眾多，多年來，國內(nèi)外學(xué)者對其發(fā)生的原因、過程及結(jié)果做了大量深入的研究，取得了重要的成果［2-4］。國外對坡耕地的研究［5-7］較多;國內(nèi)在黃土高原區(qū)、南方紅壤丘陵區(qū)及北方黃土丘陵區(qū)的研究［8-13］較多，但對北方土石山區(qū)土壤侵蝕過程的研究還非常薄弱。筆者通過室內(nèi)模擬降雨和野外試驗，著重分析降雨強(qiáng)度、坡度雙因子對沂蒙山區(qū)典型土壤棕壤、褐土坡面侵蝕過程的影響，闡明坡面產(chǎn)流時間、坡面徑流速度、侵蝕率及總侵蝕量的變化規(guī)律，剖析坡面侵蝕過程。其研究成果在合理利用水土資源、優(yōu)化配置水土保持措施、完善學(xué)科內(nèi)容等方面有一定的參考意義。

1 研究區(qū)域概況

沂蒙山區(qū)位于淮河中上游，地處魯中南低山丘陵區(qū)，屬土石山區(qū)，地勢西北高東南低，屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候。全年平均氣溫14.1℃，降水時空分布不均，全年無霜期超過200 d。植被稀疏，地形起伏較大，土層易流失變薄，乃至局部土層已侵蝕殆盡。

2 材料與方法

2.1 試驗材料與試驗設(shè)計

試驗所用褐土和棕壤于2012年4月20日取自沂蒙山區(qū)費(fèi)縣山區(qū)坡耕地的坡中下部，為沂蒙山區(qū)典型土壤，分別來自石灰?guī)r山區(qū)和砂石山區(qū)?，F(xiàn)場測得褐土和棕壤的土壤含水量分別為16.1%和5.1%，土壤密度分別為1.22和1.49 g/cm3。

試驗研究從2012年5月5日到6月25日在山東省土壤侵蝕與生態(tài)修復(fù)重點(diǎn)實驗室人工模擬降雨大廳進(jìn)行，采用自動控制模擬降雨系統(tǒng)，可模擬10～200 mm/h范圍內(nèi)降雨強(qiáng)度，雨滴大小調(diào)控范圍為0.4～0.6 mm，均勻度超過80%，降雨高度為20 m，實驗設(shè)計降雨強(qiáng)度為50、75和100 mm/h。試驗土槽采用規(guī)格為長×寬×高=140 cm×70 cm×40 cm的可移動式升降鋼槽，坡度可調(diào)范圍為0°～45°，實驗采用了 5 個等級，分別為 5°、10°、15°、20°和 25°。

2.2 試驗步驟與分析方法

1)裝土:將供試土樣自然風(fēng)干后，過10 mm篩以除去雜質(zhì)。采用分層稱量裝土的方法，在裝土前用烘干法［14］測定供試土樣的含水量，用環(huán)刀法測土壤密度，以保證土層密度均勻并接近原狀土特性。

2)降雨強(qiáng)度率定:每次試驗前對降雨強(qiáng)度進(jìn)行2次率定，使降雨均勻度與降雨強(qiáng)度誤差小于5%，降雨結(jié)束后再次率定，試驗降雨強(qiáng)度取前后率定結(jié)果的平均值，每次降雨歷時80 min。

3)土樣濕潤:在正式試驗前進(jìn)行土樣濕潤，降雨強(qiáng)度為30 mm/h，降雨至坡面產(chǎn)流結(jié)束，并靜止24 h［12］，使土壤含水量基本達(dá)到飽和。

4)數(shù)據(jù)記錄:在降雨過程中，記錄產(chǎn)流時間、坡面跌水時間、細(xì)溝開始溯源侵蝕時間。

5)流速測定:采用染色劑法測定坡面水流流速。由于坡面流速隨試驗時間、坡面位置的不同而不同，故在坡面的上、中、下部每2 min各測一次，坡面流速取平均值。

6)產(chǎn)流產(chǎn)沙觀測與分析:坡面產(chǎn)流后的第1、2、3、6和10 min采集泥沙樣，之后每隔5 min采集一次，采集時長1 min，直到降雨結(jié)束。徑流樣量測，靜置，倒掉上清液，用烘干法測干沙質(zhì)量，用單位時間內(nèi)徑流泥沙樣中的干沙質(zhì)量計算侵蝕率。

2.3 數(shù)據(jù)處理

試驗所得數(shù)據(jù)均采用SPSS16.0和Excel2003統(tǒng)計軟件進(jìn)行分析處理。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同降雨強(qiáng)度和坡度對坡面產(chǎn)流時間的影響

坡面產(chǎn)流時間綜合反映了坡面土壤物理性質(zhì)的差異，準(zhǔn)確確定產(chǎn)流時間對研究坡面產(chǎn)流及坡面侵蝕過程有著重要的作用。由表1可知，棕壤和褐土2種土壤的產(chǎn)流時間規(guī)律性相似:坡度相同時，產(chǎn)流時間皆隨降雨強(qiáng)度的增加而提前，且提前程度較大，降雨強(qiáng)度為100 mm/h時其產(chǎn)流時間比50 mm/h時提前了近140 s;降雨強(qiáng)度相同時，坡面產(chǎn)流時間隨試驗坡度的增加也相應(yīng)提前，但幅度較小。相同試驗條件下，棕壤和褐土的坡面產(chǎn)流時間差異不大。因為每次正式降雨前都進(jìn)行預(yù)降雨，供試土壤的含水量基本達(dá)到飽和，以消除試驗過程中土壤入滲的影響，降雨基本以坡面徑流的形式匯集產(chǎn)流;所以，坡面產(chǎn)流時間的長短主要取決于降雨強(qiáng)度。

表1 降雨強(qiáng)度和坡度不同時棕壤及褐土的產(chǎn)流時間Tab．1 Runoff time of brown soil and cinnamon at different rainfall intensities and slope gradients s

3.2 不同降雨強(qiáng)度和坡度對坡面徑流流速的影響

坡面徑流流速是計算坡面侵蝕產(chǎn)沙的重要參數(shù)，也是重要的水動力要素，對徑流侵蝕能力和挾沙能力的大小具有決定性的作用。由表2可知，降雨強(qiáng)度相同時，當(dāng)坡度從5°增加到25°時，坡面徑流流速明顯增大;坡度相同時坡面平均流速隨降雨強(qiáng)度的增加亦增大，但幅度較坡度影響小，這與李鵬等［15］和 G.R.Foster等［16］所取得的研究結(jié)果相似。其原因為:坡度愈大，坡面徑流順坡分力愈大，加速度愈大，故坡面流速隨坡度的增加而增大;坡度相同時，當(dāng)降雨強(qiáng)度增大時，坡面產(chǎn)生的徑流量增加，使坡面水流的厚度增加，進(jìn)而使薄層水流受到的地表阻力減少，促使坡面流速增加。

對比2種土壤，降雨強(qiáng)度和坡度相同時，褐土的坡面徑流流速要大于棕壤，這主要與土壤表面的糙率、土壤的質(zhì)地和結(jié)構(gòu)有關(guān)。

表2 降雨強(qiáng)度和坡度不同時棕壤及褐土的坡面平均流速Tab．2 Runoff speed of brown soil and cinnamon at different rainfall intensities and slope gradients m/s

3.3 不同降雨強(qiáng)度和坡度對坡面徑流量的影響

徑流量是模擬土壤侵蝕過程的基本輸入量，也是坡面侵蝕產(chǎn)沙的動力和泥沙輸送的載體，坡面徑流量主要受降雨特性和下墊面變化的影響，下墊面特征主要由地形、土壤［17-18］等因素決定。

從表3可以看出，降雨強(qiáng)度與坡度對坡面徑流量的影響規(guī)律較明顯:對于棕壤和褐土，降雨強(qiáng)度相同時，坡面徑流量隨坡度增大而減小，50和75 mm/h降雨強(qiáng)度時，徑流量減小的幅度較小，順序減小量基本在1～3 L之間，100 mm/h時，減小的幅度增大，順序減小量大都在2～4 L范圍內(nèi)變動，但25°時的徑流量與5°時相差11 L，變化較大;坡度相同時，坡面徑流量隨降雨強(qiáng)度的增加而增加，增加幅度較大，在20～25 L之間，遠(yuǎn)大于因坡度變化引起的改變量;降雨強(qiáng)度和坡度相同時，褐土坡面徑流量高于棕壤，但增加量隨降雨強(qiáng)度、坡度的變化不明顯。其原因為:在降雨強(qiáng)度和降雨歷時相同的情況下，試驗土槽的坡度變化會直接影響到其實際承雨面積的變化，即隨試驗土槽坡度增大其實際承雨面積和承雨量變小，故相同降雨強(qiáng)度下坡面徑流量隨坡度增加而減少。供試土樣在正式試驗前進(jìn)行了前期預(yù)降雨，使土壤含水量達(dá)到飽和，在降雨過程中基本無入滲產(chǎn)生，降雨落在土壤坡面后大都轉(zhuǎn)變成坡面徑流。在坡度相同時，坡面徑流量的大小主要取決于承雨量，所以坡度相同時，降雨強(qiáng)度越大，徑流量越大。

3.4 不同降雨強(qiáng)度和坡度對產(chǎn)沙過程的影響

土壤侵蝕率是定量分析坡面土壤侵蝕產(chǎn)沙過程規(guī)律的重要指標(biāo)，侵蝕率的變化是土壤坡面徑流與土壤抗蝕力相互作用的結(jié)果。從圖1和圖2可以看出，棕壤、褐土的土壤侵蝕率變化過程較為復(fù)雜，但其變化規(guī)律的總趨勢為隨降雨強(qiáng)度、坡度的增加而增大。50 mm/h降雨強(qiáng)度、5～25°坡度和 75 mm/h降雨強(qiáng)度、5°坡度時，由于降雨強(qiáng)度較小，雨滴擊濺能力弱，且坡面徑流量較少，坡度較緩，坡面徑流速度較慢，致使坡面徑流沖蝕力較小，在降雨過程中只發(fā)生了濺蝕、片蝕，侵蝕率較低，且隨著坡度的增大平穩(wěn)增加，變化過程較為平穩(wěn);75 mm/h降雨強(qiáng)度、10 ～25°坡度以及100 mm/h 降雨強(qiáng)度、5°坡度時，降雨強(qiáng)度增加，雨滴具有較大的動能，土壤表面匯集的徑流量增多，雨滴擊濺能力與徑流沖刷能力增大，土壤表面不僅發(fā)生了濺蝕、面蝕，而且還發(fā)生了微溝侵蝕，土壤侵蝕率明顯增大，且在整個降雨過程中波動較大;在100 mm/h降雨強(qiáng)度、10～25°坡度條件下的侵蝕率增大更加明顯，增加近5倍，且侵蝕率的變化曲線波動劇烈，在產(chǎn)流后就急劇增加，直到波峰值，且波峰出現(xiàn)的時間隨著坡度的增大而提前，之后在一定范圍內(nèi)趨于穩(wěn)態(tài)，最后又逐漸增大直至降雨結(jié)束。對于棕壤，侵蝕率開始增大的點(diǎn)出現(xiàn)在15°的55 min、20°的46 min、25°的 35 min 左右;對于褐土，侵蝕率開始增大的點(diǎn)出現(xiàn)在15°的65 min、20°的56 min、25°的46 min左右。結(jié)合當(dāng)時觀測到的實際情況進(jìn)行分析，降雨開始階段，強(qiáng)降雨形成的徑流帶走了土壤表面固有的和在雨滴擊濺作用下產(chǎn)生的較為松散的顆粒，使坡面侵蝕率在較短時間內(nèi)急劇上升，形成一個波峰，之后由于雨滴擊濺作用和表土夯實作用使土壤表面形成臨界結(jié)皮層，減少了土壤表層糙度，提高了土壤抗蝕能力，使侵蝕率逐漸減少最后趨于穩(wěn)定。后期由于坡面受持續(xù)徑流剝蝕作用開始出現(xiàn)細(xì)溝，坡面侵蝕方式以細(xì)溝侵蝕為主，伴有濺蝕、片蝕。由于降雨強(qiáng)度、坡度、土壤理化性質(zhì)等都能影響細(xì)溝的演變與發(fā)展，使得侵蝕產(chǎn)沙方式的動態(tài)性、復(fù)雜性、隨機(jī)性較強(qiáng)，致使侵蝕率曲線變化波動性較大。此外，降雨強(qiáng)度、坡度增加可加快細(xì)溝的發(fā)生、發(fā)育和形態(tài)的演變過程，使細(xì)溝出現(xiàn)的時間提前。

表3 不同降雨強(qiáng)度和坡度下棕壤與褐土坡面徑流量Tab．3 Runoff volume of brown soil and cinnamon at different rainfall intensities and slope gradients

對比圖1和2可知，在相同的外部條件下，棕壤的侵蝕率較褐土明顯偏高，且侵蝕率動態(tài)變化波動性較大，出現(xiàn)細(xì)溝侵蝕的時間要早于褐土。這與土壤密度、顆粒組成、水穩(wěn)性團(tuán)聚體、有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)等土壤理化性質(zhì)有關(guān)。單由坡度增加所引起的侵蝕率增量要小于單由降雨強(qiáng)度增大引起的侵蝕率增量，這也說明了降雨強(qiáng)度對坡面侵蝕產(chǎn)沙的貢獻(xiàn)率要高于坡度。

3.5 不同降雨強(qiáng)度和坡度對坡面總侵蝕量的影響

由圖3和4可知，在降雨強(qiáng)度和坡度不同時，褐土、棕壤總侵蝕量的變化有明顯的規(guī)律性，都隨降雨強(qiáng)度、坡度的增加而增加，但增加量不同。在50 mm/h降雨強(qiáng)度、5°～15°時，褐土和棕壤坡面總侵蝕量隨坡度增大平緩，在20°和25°時，總侵蝕量上升急劇，增加近1倍;在75 mm/h降雨強(qiáng)度、5°～25°時總侵蝕量較50 mm/h降雨強(qiáng)度明顯增大，且褐土侵蝕量的變化曲線具有一定的波動性，而棕壤較平緩;在100 mm/h降雨強(qiáng)度、5°和10°時，褐土侵蝕量較50和75 mm/h降雨強(qiáng)度時有一定幅度的增加，在15°～25°時侵蝕量呈跳躍式上升，增加近5倍。可知降雨強(qiáng)度對總侵蝕量的影響作用大于坡度，且降雨強(qiáng)度愈大，其影響作用愈大。對比圖3和圖4可知，棕壤總侵蝕量遠(yuǎn)大于褐土，說明褐土抗侵蝕能力大于棕壤。主要是因為這2種土壤質(zhì)地、結(jié)構(gòu)存在一定的差異性，造成土粒間和微結(jié)構(gòu)間膠結(jié)力不同，使土壤抗蝕能力不同。

圖1 降雨強(qiáng)度和坡度不同時棕壤坡面侵蝕率隨降雨歷時的動態(tài)變化Fig．1 Dynamic change of erosion rate of brown soil at different rainfall intensities and slope gradients

4 結(jié)論

1)坡面產(chǎn)流時間隨降雨強(qiáng)度、坡度的增加而提前，且受降雨強(qiáng)度的影響較大。相同試驗條件下，褐土和棕壤2種土壤坡面產(chǎn)流時間差別不大。

2)坡面徑流速度的大小與坡度和降雨強(qiáng)度呈正相關(guān)，且坡度的影響大于降雨強(qiáng)度。相同外部條件下，棕壤坡面徑流速度小于褐土。

圖2 降雨強(qiáng)度和坡度不同時褐土坡面侵蝕率隨降雨歷時的動態(tài)變化Fig．2 Dynamic change of erosion rate of cinnamon at different rainfall intensities and slope gradients

3)坡面徑流量隨降雨強(qiáng)度的增大而增加，隨坡度的增大而減少。大降雨強(qiáng)度時，徑流量隨降雨強(qiáng)度增大而增加的幅度和隨坡度增大而減小的幅度與小降雨強(qiáng)度時相比都較大。

4)土壤侵蝕率與降雨強(qiáng)度、坡度極顯著相關(guān)。降雨強(qiáng)度、坡度的增大使細(xì)溝提前出現(xiàn)，使侵蝕率變化曲線表現(xiàn)出明顯的波動性;降雨強(qiáng)度對侵蝕率的貢獻(xiàn)率大于坡度;降雨強(qiáng)度和坡度相同時，棕壤的侵蝕率高于褐土。

圖3 褐土坡面總侵蝕量Fig．3 Total amount of erosion on cinnamon

圖4 棕壤坡面總侵蝕量Fig．4 Total amount of erosion on brown soil

5)總侵蝕量隨降雨強(qiáng)度、坡度增大而增大。小降雨強(qiáng)度時，坡度是影響總侵蝕量的主導(dǎo)因子，大降雨強(qiáng)度時，降雨強(qiáng)度是主導(dǎo)因子。相同試驗條件下，棕壤總侵蝕量遠(yuǎn)大于褐土。

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