模擬降雨條件下不同坡度對(duì)土壤侵蝕試驗(yàn)研究

閆夏嬌

（山西省水利水電科學(xué)研究院 山西太原 030002）

土壤侵蝕是導(dǎo)致土地資源退化和損失的主要原因，是目前人類(lèi)生存環(huán)境所面臨的最嚴(yán)重的挑戰(zhàn)之一，其會(huì)造成土壤有機(jī)質(zhì)流失、泥沙淤積和土地退化等，嚴(yán)重威脅區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展[1]。作為水土流失的基本單元，坡面主要受降雨和坡度等因素的影響[2]。降雨是坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙最主要的驅(qū)動(dòng)因子，其強(qiáng)度顯著影響坡面產(chǎn)流量和產(chǎn)沙量[3]。李桂芳等[4]通過(guò)模擬降雨試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，雨強(qiáng)從50 mm/h 增加到100 mm/h，黑土坡面侵蝕量增加4.2 倍；坡度從5°增加至10°，黑土坡面侵蝕量增加0.4 倍。而對(duì)于區(qū)域性研究，一般認(rèn)為，降雨強(qiáng)度對(duì)土壤流失量的影響程度北方明顯高于南方[5]，尤以西北黃土地區(qū)最為顯著，而降雨量對(duì)土壤流失的影響程度南方卻明顯高于北方[6，7]。坡度是地形因子中對(duì)坡面土壤侵蝕影響最大的因素，其大小在一定程度上決定著徑流侵蝕與運(yùn)移能力[8]。許多學(xué)者的研究表明[9，10]，在一定的坡度范圍內(nèi)，隨著坡度的增大，坡面徑流量和侵蝕量呈增加的趨勢(shì)，坡面坡度達(dá)到一定數(shù)值后，侵蝕量反而有減少的趨勢(shì)，即存在臨界坡度。許海超等[11]通過(guò)分析燕山土石山區(qū)野外定位觀(guān)測(cè)資料，發(fā)現(xiàn)土壤侵蝕模數(shù)與坡度構(gòu)成指數(shù)函數(shù)關(guān)系（Rz＞0.66），并存在臨界坡度20.42，超過(guò)后土壤侵蝕模數(shù)大幅上升。

前人關(guān)于降雨強(qiáng)度和坡度對(duì)土壤侵蝕的研究極度豐富了人類(lèi)對(duì)土壤侵蝕的認(rèn)知，推動(dòng)了水土保持科學(xué)的發(fā)展。然而，目前對(duì)于土壤侵蝕的研究多針對(duì)自然土壤，而對(duì)堿性土研究較少。本研究在現(xiàn)有研究成果的基礎(chǔ)上，通過(guò)人工模擬降雨試驗(yàn)，分析堿性黃土侵蝕過(guò)程中的產(chǎn)流產(chǎn)沙規(guī)律，探討堿性土壤侵蝕與降雨和土壤坡度的關(guān)系，研究成果將更好地揭示陜西黃土高原地區(qū)主要影響因子與坡地土壤侵蝕之間的關(guān)系，為黃土高原地區(qū)水土流失治理提供試驗(yàn)支持。

1 材料與方法

1）試驗(yàn)材料

試驗(yàn)土壤為陜西省楊凌地區(qū)黃土，組成為：沙粒（0.02～2 mm）、粉粒（0.002～0.2 mm）、黏粒（≤0.002 mm）占比分別為40%、48%和12%，ESP（表示總的陽(yáng)離子交換量中鈉離子所占的比例）為25，即為堿性土壤。

2）試驗(yàn)方案與裝置

本試驗(yàn)在中科院土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，人工降雨采用雙向?qū)娛?，由?jì)算機(jī)系統(tǒng)控制自動(dòng)進(jìn)行，降雨高度設(shè)為14 m。因室內(nèi)試驗(yàn)受土壤坡度和降雨裝置的影響，試驗(yàn)雨強(qiáng)無(wú)法與天然降雨的實(shí)際雨強(qiáng)保持一致，因此，本次試驗(yàn)分別取50 mm/h 和100 mm/h 兩個(gè)降雨強(qiáng)度進(jìn)行模擬試驗(yàn)。邊坡坡度依次取5°、15°和25°三個(gè)水平，其它試驗(yàn)因素保持不變，試驗(yàn)設(shè)計(jì)見(jiàn)表1。試驗(yàn)采用鐵板制作土槽，底部帶孔，規(guī)格為100 cm×60 cm×20 cm，設(shè)3 個(gè)重復(fù)。

表1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

3）試驗(yàn)過(guò)程

裝土前在土槽底部鋪粗紡布一層，并在粗紡布上鋪5 cm 厚的粗砂一層，按1.2 g/cm3的密度進(jìn)行分層填裝，控制層厚2 cm，層量14.4 kg，填裝完畢后進(jìn)行整平搗實(shí)。試驗(yàn)開(kāi)始前對(duì)土壤進(jìn)行預(yù)處理，即以20 mm/h的強(qiáng)度進(jìn)行預(yù)降雨直到土壤坡面開(kāi)始產(chǎn)流為止。將預(yù)處理后的土壤靜置12 h 后開(kāi)始做試驗(yàn)。試驗(yàn)過(guò)程中，每間隔5 min 取1 次渾水徑流樣，并做好相關(guān)記錄，試驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)為60 min。因本次試驗(yàn)歷時(shí)短且降雨過(guò)程中蒸發(fā)相對(duì)很小，因此本次試驗(yàn)中的蒸發(fā)損失忽略不計(jì)，坡面降雨量可近似等于徑流量與入滲量之和。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 土壤坡度對(duì)坡面產(chǎn)流的影響

同一ESP水平下，不同雨強(qiáng)、不同坡度的徑流量隨降雨歷時(shí)的變化見(jiàn)圖1?？傮w而言，不同雨強(qiáng)、不同坡度的土壤，其徑流量隨降雨歷時(shí)的持續(xù)而不斷增長(zhǎng)，但其又有各自不同的特點(diǎn)。

當(dāng)雨強(qiáng)為50 mm/h 時(shí)，土壤坡面徑流量隨著坡度的增加而減小。這是因?yàn)樵谟陱?qiáng)較小時(shí)，土壤坡面產(chǎn)生的徑流量也很小，雖然坡面流速有隨坡度增加而增大的趨勢(shì)，但因其位能較小，水滴對(duì)坡面的垂直打擊力減小，相應(yīng)的降雨對(duì)坡面土壤的侵蝕動(dòng)力減弱，因此徑流量也隨著坡度的增加而減小。

當(dāng)雨強(qiáng)為100 mm/h 時(shí)，坡面徑流量隨著坡度的增大先增加后減小。當(dāng)土壤坡度從5°增加至15°時(shí)，坡面徑流量隨坡度的增大而增加，當(dāng)土壤坡度從15°增加至25°時(shí)，徑流量變?yōu)殡S著坡度的增加而減小。這是由于降雨強(qiáng)度的急速增大，導(dǎo)致坡面徑流量開(kāi)始劇增，隨著水深的增加，單位徑流量位能也逐漸增大，坡面流紊動(dòng)性增大，水流對(duì)坡面的侵蝕作用增強(qiáng)。此時(shí)，徑流量會(huì)隨著坡度的增大而增加。而當(dāng)土壤坡度增加至25°時(shí)，隨著土壤坡面侵蝕量的持續(xù)增加，土壤中的致密層被徑流破壞，坡面入滲量開(kāi)始加大，從而導(dǎo)致坡面徑流的減小。

2.2 土壤坡度對(duì)坡面入滲量的影響

同一ESP水平下，不同雨強(qiáng)、不同坡度的坡面入滲量隨降雨歷時(shí)的變化見(jiàn)圖2。

關(guān)于土壤坡度與水分入滲能力的關(guān)系，目前已有很多學(xué)者開(kāi)展了相關(guān)研究，但受試驗(yàn)條件與方法的影響，得出結(jié)論并不一致[12-14]。大多數(shù)學(xué)者認(rèn)為隨著土壤坡度的增加，沿坡向水層的沖力加大，而垂直于坡向的壓力減小，導(dǎo)致入滲量隨著坡度的增大而減少；但也有部分研究成果支持坡度和坡面入滲量之間沒(méi)有必然聯(lián)系。

圖1 不同雨強(qiáng)、不同坡度下坡面徑流量變化過(guò)程

圖2 不同雨強(qiáng)、不同坡度下坡面入滲量變化過(guò)程

但是，本實(shí)驗(yàn)的結(jié)果與以往的研究結(jié)果有所不同。總體而言，不同雨強(qiáng)、不同坡度的土壤入滲量總體上隨降雨歷時(shí)的增加而減弱，最終趨于穩(wěn)定。

當(dāng)雨強(qiáng)為50 mm/h 時(shí)，隨著土壤坡度的增大，入滲量也隨之增加。而當(dāng)雨強(qiáng)為100 mm/h 時(shí)，坡面入滲量隨坡度的增加先減小后增加。具體為表現(xiàn)為：當(dāng)土壤坡度從5°增加到15°時(shí)，土壤坡面入滲量隨坡度的增大而減小，當(dāng)土壤坡度從15°增加至25°時(shí)，土壤坡面入滲量又隨坡度的增大而開(kāi)始增加。

2.3 土壤坡度對(duì)坡面侵蝕量的影響

同一ESP水平下，不同雨強(qiáng)、不同坡度的坡面侵蝕量隨降雨歷時(shí)的變化見(jiàn)圖3。

圖3 不同雨強(qiáng)、不同坡度下土壤侵蝕量變化過(guò)程

當(dāng)雨強(qiáng)為50 mm/h 時(shí)，三種不同坡度的土壤侵蝕量隨時(shí)間的變化規(guī)律相同，即隨著降雨歷時(shí)的增加，坡面土壤侵蝕量出現(xiàn)先增加、后減小、再增加的趨勢(shì)，且基本按時(shí)間均勻分布，即0～20 min 內(nèi)土侵蝕量持續(xù)增加，20～40 min 內(nèi)土壤侵蝕量開(kāi)始減少，40～60 min內(nèi)土壤侵蝕量又開(kāi)始增加；在相同時(shí)段內(nèi)，當(dāng)土壤坡度為15°時(shí)，土壤坡面侵蝕量要相對(duì)大一些，而當(dāng)土壤坡度為5°和25°時(shí)，土壤坡面侵蝕變化規(guī)律基本一致，土壤侵蝕量大致相當(dāng)；而在相鄰時(shí)段內(nèi)，土壤坡度為15°時(shí)，土壤坡面侵蝕量的變化率比其它兩個(gè)坡度大。

當(dāng)雨強(qiáng)為100 mm/h 時(shí)，隨著降雨歷時(shí)的增加，不同坡度的土壤坡面侵蝕量均呈現(xiàn)出先急速減小后趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)。而在相同時(shí)段內(nèi)，當(dāng)土壤坡度為5°時(shí)，土壤坡面侵蝕量要相對(duì)小一些，而坡度為25°的坡面比坡度為15°的土壤坡面侵蝕量??；而再相鄰時(shí)段內(nèi)，土壤坡度為15°和25°的土壤坡面侵蝕量的變化率相近，土壤坡度為5°的侵蝕量變化小于15°和25°的變化。

不同降雨條件下，隨著降雨歷時(shí)的增加，土壤坡面侵蝕量隨坡度的增加呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢(shì)，其根源為：一方面，隨著坡度的增加，降雨徑流在土壤坡面上停留的時(shí)間縮短，水分滲入土壤的機(jī)會(huì)變小，水流損失相應(yīng)變小，而隨著坡面流速的加大，土壤坡面侵蝕量隨之增強(qiáng)。同時(shí)隨著土壤坡度變陡，土壤的穩(wěn)定性開(kāi)始降低，抗侵蝕能力減弱，兩者共同作用導(dǎo)致了土壤侵蝕強(qiáng)度隨坡度的增大而增加。另一方面，單位坡面投影面積上的受雨面積隨著土壤坡度的增大而增加，使得土壤坡面單位面積的承雨強(qiáng)度降低，受雨量減小，則土壤坡面侵蝕量必然然隨之變小。因此，土壤坡面侵蝕量隨坡度的增加呈現(xiàn)出先增大，當(dāng)達(dá)到臨界坡度后又逐漸減小的趨勢(shì)，即存在臨界坡度，但臨界坡度的大小對(duì)于不同降雨強(qiáng)度和不同土壤規(guī)律有所不同[15]。

3 結(jié)論

1）不同雨強(qiáng)、不同坡度的土壤徑流量表現(xiàn)不同。當(dāng)雨強(qiáng)為50 mm/h 時(shí)，坡面徑流量隨著土壤坡度的增加而減少；而當(dāng)雨強(qiáng)為100 mm/h 時(shí)，土壤坡面徑流量隨坡度的增加而增大，但當(dāng)土壤坡度大于15°時(shí)，徑流量隨著坡度的增加開(kāi)始逐漸減小。

2）總體而言，不同雨強(qiáng)、不同坡度的土壤入滲量隨降雨歷時(shí)的增加而趨于穩(wěn)定。當(dāng)雨強(qiáng)度50 mm/h時(shí)，土壤坡面入滲率隨坡度增大而增加；而當(dāng)雨強(qiáng)為100mm/h 時(shí)，土壤坡面入滲率隨坡度增大先減小后增加。

3）三種坡度的侵蝕量隨降雨強(qiáng)度不同而不同，當(dāng)雨強(qiáng)為50 mm/h 時(shí)，三種坡度的侵蝕量隨降雨歷時(shí)的增加表現(xiàn)為先增加、后減小、再增加的趨勢(shì)，其中土壤坡度為15°時(shí)表現(xiàn)最為明顯；而當(dāng)雨強(qiáng)為100 mm/h時(shí)，三種坡度都的土壤侵蝕量均呈現(xiàn)出隨降雨歷時(shí)的增加先急速減?。?～20 min）后趨于基本穩(wěn)定的狀態(tài)。

4）在一定的坡度范圍內(nèi)，土壤坡度越大，降雨產(chǎn)生的徑流量越大，土壤坡面入滲量及入滲率越小，而在一定坡度內(nèi)，坡面侵蝕量則隨土壤坡度的增大而增加。但當(dāng)土壤坡度在15°和25°之間時(shí)存在拐點(diǎn)，當(dāng)過(guò)了拐點(diǎn)之后，侵蝕量又開(kāi)始隨著土壤坡度增加而表現(xiàn)出減小的趨勢(shì)。

5）通過(guò)對(duì)不同雨強(qiáng)、不同土壤坡度的土壤侵蝕量對(duì)比，得出降雨強(qiáng)度對(duì)土壤累計(jì)侵蝕量的影響明顯高于坡度，即降雨強(qiáng)度為引起陜西黃土高原地區(qū)坡面土壤侵蝕的主要影響因子。因此，對(duì)陜西黃土高原地區(qū)坡面土壤侵蝕的防治，應(yīng)著重控制侵蝕性強(qiáng)降雨、陡坡耕種等對(duì)坡面水土流失的影響。