黃土區(qū)淺溝侵蝕影響因素對其侵蝕速率影響的模擬試驗研究

龔家國，龐金城，賈仰文，王文龍，周祖昊，彭 輝

（1.中國水利水電科學研究院 水資源研究所，北京 100038；2.陜西省渭河流域管理局，西安 710018；3.中國科學院水利部 水土保持研究所 黃土高原土壤侵蝕與旱地農業(yè)國家重點實驗室，陜西 楊凌 712100）

淺溝侵蝕在黃土高原丘陵溝壑區(qū)普遍存在，一般發(fā)生在距分水嶺20～60m以下至切溝侵蝕帶之間的坡面上，是細溝到切溝侵蝕的中間過渡侵蝕類型［1－4］，既是上游水沙輸移的重要通道，又是主要的侵蝕產沙區(qū)，其分布面積可占到溝間地的70%左右，侵蝕量占坡面侵蝕量的35%～70%［5－7］。同時淺溝使坡地的侵蝕面積增大，淺溝集水區(qū)變大，坡面水流的匯流速度加快，使水流更易集中，從而使水流侵蝕動能劇增，是切溝侵蝕和溝頭前進的動力源泉［6－8］。因此，黃土高原地形的破碎始于淺溝侵蝕，其對土地利用、土地生產力、生態(tài)環(huán)境等產生嚴重的不利影響。使地形不斷演變?yōu)橹щx破碎的同時，土壤中的養(yǎng)分也在不斷流失，土地也隨即不斷貧瘠化［9－11］。

淺溝是農耕坡地上永久性水力侵蝕形態(tài)，屬于坡地水力面蝕和溝蝕之間的過渡類型。劉寶元［12］野外調查得出，淺溝頂端到分水嶺的距離以及集流槽的間距與坡度呈線性相關；張科利等［9，13］通過野外調查對黃土高原丘陵區(qū)坡面淺溝的分布、臨界坡長、上游匯水面積、分布密度等侵蝕發(fā)育特征進行了研究。得出淺溝斷面形態(tài)變化的回歸擬合方程，并從淺溝發(fā)育歷史得出推算坡面淺溝年均侵蝕量的計算式。唐克麗等［14］以考察資料結合定位觀測與模擬降雨試驗，對黃土丘陵區(qū)退耕上限坡度進行了論證。武敏等［15］通過室內試驗定量研究了不同含沙水流、不同降雨條件下坡面匯水匯沙對淺溝侵蝕過程的影響。龔家國等［16］通過野外放水沖刷試驗對淺溝水流的流態(tài)及其水動力學特性進行了研究。

目前對淺溝侵蝕影響因素的研究主要集中在野外調查和定性研究方面，尚缺乏不同影響因素相互剝離條件下的定量研究。由于淺溝侵蝕的末端與溝沿線相交，野外實地觀測試驗不但困難而且危險（如圖1）。本研究以黃土高原丘陵溝壑區(qū)的淺溝為主要研究對象，采用室內模擬降雨與放水沖刷實驗相結合的研究方法，通過試驗設計分離出不同侵蝕影響因素對淺溝侵蝕速率的影響，對深入認識淺溝發(fā)育影響因素，揭示黃土丘陵區(qū)坡面侵蝕規(guī)律，建立土壤侵蝕預報模型和確定坡溝治理方針具有重要的科學意義和應用價值。

圖1 黃土高原丘陵溝壑區(qū)典型坡面侵蝕圖

1 材料與試驗設計

影響淺溝侵蝕的因素有許多，包括雨型、雨強、下墊面覆被狀況、土壤類型、坡度、坡形、坡長及田間管理措施等。本研究用典型的黃土丘陵溝壑區(qū)——安塞黃綿土作為侵蝕對象，重點模擬研究雨強、坡度、坡長、匯水面積、耕作等淺溝侵蝕速率的影響。

土壤性質對淺溝的形成和發(fā)育具有重要影響。研究所用的土壤取自位于黃土高原丘陵溝壑區(qū)安塞縣的黃綿土。土壤顆粒組成見表1。

表1 實驗用土壤顆粒組成表

表2 淺溝侵蝕模擬實驗參數表

具體實驗時不考慮坡向和坡形的影響。在相同條件下，耕作處理（T）試驗與非耕作處理（NT）試驗交替進行，耕作模擬采用鋤頭（長約20cm）進行水平翻松。上游匯水面積形狀假定為與淺溝等寬的長方形，其影響采用溢流箱放水進行模擬，放水流量按照溝間距與試驗槽的比例進行縮放。坡長受實驗裝置限制為8m。具體實驗設計參數見表2［8，13］。本實驗中不考慮作物因素。

試驗在中國科學院水利部水土保持研究所黃土高原土壤侵蝕與旱地農業(yè)國家重點實驗室的人工降雨大廳進行，該大廳有完備的模擬降雨設備。另一主要實驗設備為液壓式可變坡度實驗土槽（如圖2），尺寸為8m×2m×0.6m。具體實驗時將土槽在長度方向上從中間隔開，即每個實驗小區(qū)試驗尺寸可分為兩個8m×1m×0.6m的實驗槽，以利于進行對照實驗。

實驗中分別在距頂端2m，4m和6m處設置觀測斷面，需要測量的數據有水溫，淺溝水流的流速、流量、水深、水面寬、含沙量以及淺溝的溝深和溝寬。數據采集對應時刻分別為1，3，6，9，12，15，18，21，24，27，30min。其中水溫的觀測由煤油溫度計直接在上游供水槽測量；流速用染料示蹤法觀測斷面附近50 cm流程上的平均流速，因水流紊動強烈，染色劑與水流混合充分，因此直接采用觀測值進行分析；流量采用體積法在試驗槽下端出口測量；產沙量采用取樣烘干法測量；水深、水面寬、溝寬及溝深用三向垂直支架測量，其中溝寬通過測量溝邊距試驗槽壁的距離計算其差值得到，溝深通過測量兩側溝沿及溝底距水準高程的距離，然后計算其差值求平均得到。實驗以溝口開始出流時刻為產流零點，開始監(jiān)測溝斷面形態(tài)、水面形態(tài)以及流量、含沙量數據。

圖2 主要實驗設備及實驗布設示意圖

2 侵蝕速率與影響因素的關系

2.1 雨強對侵蝕速率的影響

在相同條件下，由于雨強的增大，相同時間內雨滴打擊動能必然增大，坡地產流系數增大，上游匯水區(qū)來水以及溝間地的匯流增多，從而使得淺溝流量必然增大，導致侵蝕速率增大。然而由于坡度、匯水面積的不同以及耕作對下墊面性質的巨大改變等原因，也造成侵蝕速率隨雨強的變化出現各種變異。

如圖3，15°坡面上在未耕作處理時，侵蝕速率隨著雨強的增大而增大，在匯水面積為500m2時，雨強為90mm／h和120mm／h比60mm／h的侵蝕速率分別增大1.48倍和2.27倍，匯水面積為800m2時，雨強為90mm／h和120mm／h比60mm／h的侵蝕速率分別增大1.67倍和2.11倍；在耕作處理時，由于滲透系數的增大，土壤侵蝕變異性增大以及土壤抗蝕性降低，隨著雨強的增大，侵蝕速率隨著雨強變化的規(guī)律與未耕作處理時出現很大的差別，在匯水面積為500m2時，雨強為90mm／h和120mm／h比60mm／h的侵蝕速率分別增大1.36倍和1.11倍，匯水面積為800m2時，雨強為90mm／h和120mm／h比60 mm／h的侵蝕速率分別增大0.89倍和1.05倍；同時對比發(fā)現耕作造成了侵蝕速率的變異性增大。

圖3 不同坡度下侵蝕速率與雨強的關系

20°坡面上在未耕作處理時，侵蝕速率隨著雨強的增大而增大，在匯水面積為500m2時，雨強為90 mm／h和120mm／h比60mm／h的侵蝕速率分別增大1.63倍和1.55倍，匯水面積為800m2時，雨強為90mm／h和120mm／h比60mm／h的侵蝕速率分別增大0.91倍和1.23倍；在匯水面積為500m2時，雨強為90mm／h和120mm／h比60mm／h的侵蝕速率分別增大1.34倍和2.30倍，匯水面積為800m2時，90mm／h和120mm／h比60mm／h的侵蝕速率分別增大1.40倍和2.22倍。

25°坡面上在未耕作處理時，侵蝕速率隨著雨強的增大而增大，在匯水面積為500m2時，雨強為90 mm／h和120mm／h比60mm／h的侵蝕速率分別增大1.05倍和1.42倍，匯水面積為800m2時，雨強為90mm／h和120mm／h比60mm／h的侵蝕速率分別增大1.90倍和2.11倍；在耕作處理時，在匯水面積為500m2時，雨強為90mm／h和120mm／h比60 mm／h的侵蝕速率分別增大1.36倍和1.51倍，匯水面積為800m2時，雨強為90mm／h和120mm／h比60mm／h的侵蝕速率分別增大1.60倍和2.89倍。

2.2 坡度對侵蝕速率的影響

坡度是發(fā)生淺溝侵蝕的重要影響因素。相同條件下，隨著坡度的增大，重力沿坡度方向的分量不斷加大，從而使水流在相同坡長條件下獲得的動能增大。然而侵蝕能力的增強必然加強了水流改變下墊面土壤的能力，從而改變了侵蝕發(fā)生過程中的能量分配規(guī)律，使得侵蝕產沙速率在不同坡面上出現不同程度的變異。如圖4a所示，未耕作處理時，在60mm／h和90mm／h雨強條件下侵蝕速率在坡度增大的過程中表現出遞增趨勢，而在120mm／h條件下出現了侵蝕速率隨坡度的增大先減小后增大的趨勢。如圖4b所示，耕作處理時，侵蝕速率隨坡度的變化趨勢則與未耕作處理時相反。

2.3 匯水面積對侵蝕速率的影響

如圖5，侵蝕速率隨匯水面積的增大而增大。在匯水面積從500m2增大到800m2時，未耕作處理條件下，侵蝕速率在15°、20°和25°坡面上分別增大1.17倍、1.48倍、1.52倍；而在耕作處理條件下，侵蝕速率在15°、20°和25°坡面上分別增大1.20倍、1.63倍、1.68倍。這說明在實驗條件下侵蝕速率表現為從小坡度小匯水面積向大坡度大匯水面積加速增大的趨勢。

圖4 侵蝕產沙率與坡度的關系

圖5 侵蝕速率與匯水面積的關系

2.4 農墾耕作對侵蝕速率的影響

農事耕作破壞了土壤表面結皮和耕層土壤內部結構，增大了土壤抗蝕性空間變異性，顯著減小耕層土壤抗侵蝕能力的同時，增大了土壤的入滲能力和淺溝溝壁崩塌的可能性。如圖6，未耕作和耕作兩種處理條件下，在坡度為15°，20°，25°坡面上侵蝕速率隨雨強的變化都存在明顯的遞增趨勢，但耕作使得15°坡面上侵蝕速率受雨強變化的影響顯著減小，但侵蝕速率仍然大于未耕作條件下的侵蝕速率，同時使得20°和25°坡面上在60mm／h和90mm／h時的侵蝕速率變化的速度顯著小于90mm／h和120mm／h時的侵蝕速率變化。這說明小坡度坡面上，由于入滲速度的增大可以顯著減少由于雨強引起的侵蝕變化，但在大坡度和大雨強條件下，耕作對雨強引起的侵蝕變化有加強作用。

圖6 侵蝕速率與耕作的關系

3 結論

本文在對前人調查研究總結的基礎上，通過模擬實驗對黃土丘陵溝壑區(qū)淺溝侵蝕的主要影響因素進行了研究，研究表明淺溝侵蝕發(fā)生的速率與坡度、雨強和匯水面積均呈正相關關系，但耕作對這種趨勢的影響最大，其次是降雨強度的影響。耕作通過改變土壤表層結構，改變了淺溝侵蝕隨雨強、坡度和上游匯水面積與侵蝕速率的響應關系。

未耕作處理時，在60mm／h和90mm／h雨強條件下侵蝕速率在坡度增大的過程中表現出遞增趨勢，而在120mm／h條件下出現了侵蝕速率隨坡度的增大先減小后增大的趨勢。耕作處理時，侵蝕速率隨坡度的變化趨勢則與未耕作處理時相反。

未耕作處理條件下，侵蝕速率與坡度、雨強和匯水面積均呈正相關關系，即侵蝕速率隨著坡度、雨強和匯水面積的增加而增大；而在耕作處理條件下，侵蝕速率與坡度、雨強及匯水面積的相關關系出現很大變異，特別是坡度為15°條件下的侵蝕速率隨雨強的變化不明顯，在20°和25°條件下隨雨強的增大侵蝕速率呈加速增大的趨勢。

從小坡度小匯水面積向大坡度大匯水面積變化時，侵蝕速率表現為加速增大的趨勢。且小坡度坡面上，耕作顯著減少了由于雨強引起的侵蝕變化，但在大坡度和大雨強條件下，耕作對雨強引起的侵蝕變化有加強作用。

［1］朱顯謨.黃土區(qū)土壤侵蝕的分類［J］.土壤學報，1956，4（2）:99－115.

［2］甘枝茂.陜北黃土高原的土壤侵蝕類型［J］.陜西師范大學學報:自然科學版，1981（Z1）:46－49.

［3］姜永清，王占禮，胡光榮，等.瓦背狀淺溝分布特征分析［J］.水土保持研究，1999，6（2）:181－184.

［4］王文龍，雷阿林，李占斌，等.土壤侵蝕鏈內細溝淺溝切溝流動力機制研究［J］.水科學進展，2003，14（4）:471－475.

［5］王文龍，莫翼翔，雷阿林，等.黃土區(qū)土壤侵蝕鏈各垂直帶水沙流時空分布特征研究［J］.水動力學研究與進展:A 輯，2003，18（5）:540－546.

［6］劉寶元.黃土高原坡面溝蝕的類型及其發(fā)生發(fā)展規(guī)律［J］.中國科學院西北水土保持研究所集刊，1988，7:9－18

［7］張科利.淺溝發(fā)育對土壤侵蝕作用的研究［J］.中國水土保持，1991（1）:17－19.

［8］張科利.陜北黃土高原丘陵溝壑區(qū)坡耕地淺溝侵蝕及其防治途徑［D］.陜西楊凌:中國科學院西北水土保持研究所，1998.

［9］張科利，唐克麗.淺溝發(fā)育與陡坡開墾歷史的研究［J］.水土保持學報，1992，6（2）:59－62.

［10］鄭粉莉，張成娥.林地開墾后坡面侵蝕過程與土壤養(yǎng)分流失的研究［J］.水土保持學報，2002，16（1）:44－46.

［11］Zheng Fenli，He Xiubin，Xuetian Gao，et al.Effects of erosion patterns on nutrient loss following deforestation on the Loess Plateau of China［J］.Agriculture，Ecosystems and Environment，2005:85－97.

［12］劉寶元，朱顯謨.黃土高原土壤侵蝕垂直分帶性研究［J］.中國科學院西北水土保持研究所集刊，1988，7:5－8.

［13］張科利，唐克麗，王斌科.黃土高原坡面淺溝侵蝕特征值的研究［J］.水土保持學報，1991，5（2）:8－13.

［14］唐克麗，張科利.黃土丘陵區(qū)退耕上限坡度的研究論證［J］.科學通報，2000，43（2）:200－203.

［15］武敏，鄭粉莉，黃斌.黃土坡面匯流匯沙對淺溝侵蝕影響的試驗研究［J］.水土保持研究，2004，11（4）:74－76，90.

［16］江忠善，王志強.黃土丘陵區(qū)小流域土壤侵蝕空間變化定量研究［J］.土壤侵蝕與水土保持學報，1996，2（1）:1－10.

［17］楊春霞，吳卿，楊劍鋒，等.人工模擬坡面產流試驗研究［J］.中國水土保持，2003（6）:24－25.

［18］夏軍，喬云峰，宋獻方，等.岔巴溝流域不同下墊面對降雨徑流關系影響規(guī)律分析［J］.資源科學，2007，29（1）:70－76.