不同侵蝕程度花崗巖紅壤坡面侵蝕泥沙顆粒特征研究*

張德謙，倪世民，王軍光，吳文梟，蔡崇法

（華中農(nóng)業(yè)大學(xué)水土保持研究中心，農(nóng)村農(nóng)業(yè)部長(zhǎng)江中下游耕地保育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430070）

我國(guó)長(zhǎng)江以南山地丘陵區(qū)地處熱帶亞熱帶，雨量充沛，由于自然環(huán)境、花崗巖母質(zhì)特征及人為活動(dòng)破壞，土壤侵蝕日益加劇，現(xiàn)已成為我國(guó)僅次于黃土高原的第二大侵蝕區(qū)，特別是花崗巖紅壤區(qū)已成為我國(guó)水土流失嚴(yán)重的區(qū)域[1-3]。土壤侵蝕是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，受降雨和下墊面等因素的綜合影響。在花崗巖深厚的風(fēng)化殼中，各個(gè)風(fēng)化層土壤性質(zhì)不同，不同強(qiáng)度的水力侵蝕造成了不同層次土壤不同程度地暴露在外，其理化性質(zhì)與抗侵蝕能力差異非常明顯[4-7]，造成坡面侵蝕產(chǎn)沙過(guò)程與泥沙顆粒特性存在較大差異[8]。降雨是引起土壤侵蝕的驅(qū)動(dòng)因子[9]，大量研究表明，降雨強(qiáng)度越大土壤侵蝕越嚴(yán)重，特別是在細(xì)溝發(fā)育的活躍階段[10]。而短歷時(shí)暴雨是造成該區(qū)坡面侵蝕的主要雨型[11]，加之缺乏植物和有機(jī)質(zhì)，裸露的花崗巖紅壤坡面極易受到降雨和徑流沖刷的影響[12]。隨著極端降水情況的頻發(fā)，暴雨對(duì)土壤侵蝕的影響應(yīng)引起人們的重視。

土壤顆粒隨徑流的輸移和分選特征是坡面侵蝕的研究重點(diǎn)，一直被國(guó)內(nèi)外學(xué)者所關(guān)注。當(dāng)降雨動(dòng)能較低時(shí)，土壤中細(xì)顆粒優(yōu)先被分散[13-14]；更高的降雨動(dòng)能會(huì)增加徑流搬運(yùn)能力，使得泥沙顆粒中粗顆粒含量增加，黏粒含量相對(duì)減少[15]。當(dāng)坡面徑流水流功率超過(guò)臨界值時(shí)，徑流分選作用降低，泥沙的顆粒組成與原生土壤逐漸趨于相似[16]。侵蝕過(guò)程對(duì)泥沙顆粒的分選也存在一定的作用[17]，當(dāng)細(xì)溝發(fā)育后，降雨侵蝕顆粒粗化現(xiàn)象更為明顯[18]。泥沙的顆粒分布也受土壤母質(zhì)和降雨侵蝕力影響，土壤母質(zhì)相同的情況下，雨強(qiáng)和坡面條件會(huì)影響泥沙顆粒的比例，黏粒含量會(huì)隨著坡長(zhǎng)和雨強(qiáng)的增加而增加[19]。Berger 等[20]在研究細(xì)溝發(fā)展與土壤侵蝕的關(guān)系中提出雨強(qiáng)和坡度對(duì)細(xì)溝泥沙顆粒的分布均有影響，且雨強(qiáng)的影響大于坡度。當(dāng)土壤母質(zhì)不同時(shí)，泥沙顆粒分布也會(huì)產(chǎn)生明顯差異[21]。

目前，關(guān)于花崗巖紅壤的侵蝕特征研究中，有限的探索主要集中在紅壤表土與崩積堆的泥沙顆粒分選特征方面[12，22]，而不同侵蝕程度土壤間的坡面侵蝕規(guī)律與泥沙分選特征研究不足。鑒于以上研究背景，本試驗(yàn)以花崗巖發(fā)育不同侵蝕程度紅壤為對(duì)象，研究了人工模擬降雨和徑流沖刷條件下的坡面侵蝕產(chǎn)流產(chǎn)沙特征，揭示了降雨強(qiáng)度和上方來(lái)水流量雙因素與坡面泥沙顆粒特征的關(guān)系，以期為南方紅壤區(qū)水土保持提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試土樣采集于福建省長(zhǎng)汀縣和田鎮(zhèn)（25°37′58.69″N，116°27′29.41″E）。該區(qū)屬于亞熱帶季風(fēng)濕潤(rùn)氣候，年平均氣溫18.5 °C，年平均降水量1 650 mm。采樣時(shí)參照Wu等[23]判斷土壤侵蝕程度依據(jù)及立地崩崗侵蝕發(fā)生發(fā)育程度，在尚未發(fā)生崩崗侵蝕的花崗巖發(fā)育殘積土坡面采集輕微侵蝕程度土體（E1），采樣深度為10 cm，土壤層次為表土層，有豐富植被生長(zhǎng)（主要為鐵芒萁和馬尾松），結(jié)構(gòu)較好。在有崩崗侵蝕發(fā)生的集水坡面靠近坡頂位置采集中度侵蝕土體（E2），采樣深度為10 cm，土壤層次為紅土層，地表草本植被稀少（以馬尾松為主），土體黏重，土粒細(xì)膩緊實(shí)，土壤結(jié)構(gòu)嚴(yán)重破壞，透水性差。嚴(yán)重侵蝕土壤（E3）采集自崩崗崩壁，采樣深度為200～230 cm，土壤層次為過(guò)渡層，呈紅色夾雜零星黃色，土壤極為貧瘠，保肥持水能力差，土體結(jié)構(gòu)疏松，用手搓會(huì)有沙質(zhì)感。采樣點(diǎn)及剖面詳情見(jiàn)圖1。將土樣運(yùn)回試驗(yàn)室后，自然風(fēng)干并過(guò)10 mm篩，剔除石塊、根系等雜質(zhì)后備用。土壤有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀容量法測(cè)定，土粒密度采用比重瓶法測(cè)定，pH通過(guò)pH計(jì)測(cè)定；土壤粒徑分布使用超聲波振蕩儀分散土壤顆粒，并通過(guò)濕篩法結(jié)合吸管法測(cè)定，采用美國(guó)制粒徑分級(jí)，得到礫石（＞2 mm）、粗砂粒和細(xì)砂粒（0.05～2 mm）、粉粒（0.002～0.05 mm）、黏粒（＜0.002 mm）質(zhì)量分?jǐn)?shù)。土壤容重采用野外原位采集的環(huán)刀測(cè)定（100 cm3）。土樣的基本理化性質(zhì)見(jiàn)表1。

圖1 野外采樣情況Fig. 1 Soil profile of the Ultisol（red soil）derived from granite

表1 試驗(yàn)土樣的基本理化性質(zhì)Table 1 Basic physicochemical properties of the soil samples used in the experiment

1.2 研究方法

模擬降雨裝置采用垂直旋轉(zhuǎn)下噴式自動(dòng)模擬降雨系統(tǒng)，該降雨器通過(guò)小、中、大三種規(guī)格的噴頭組合實(shí)現(xiàn)15～220 mm·h-1降雨強(qiáng)度范圍，降雨均勻度大于90%。降雨高度為10 m，降雨雨滴可以達(dá)到終點(diǎn)速度[24]。試驗(yàn)土槽規(guī)格為3.0 m（長(zhǎng)）×0.8 m（寬）×0.45 m（高），坡度可在0°～30°自由調(diào)節(jié)。本試驗(yàn)基于開(kāi)放小區(qū)，在降雨-徑流耦合條件下進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)。徑流通過(guò)恒壓水泵和槽子后端的穩(wěn)流槽提供，流量由供水管道上的兩個(gè)控制閥調(diào)節(jié)。按照野外采集的環(huán)刀測(cè)定的容重，將3個(gè)層次土樣分別按其容重作為試驗(yàn)土壤填入土槽。填裝土樣時(shí)，采用分層填裝，每層5 cm，并在上層土壤填入前對(duì)下層土壤刮毛，逐層填至30 cm以保持土壤顆粒分布均勻貼合緊密。完成土壤裝填后在土槽頂部覆蓋一個(gè)15 cm長(zhǎng)的紗布，以盡量減少?gòu)搅鳑_刷和邊緣效應(yīng)的影響，試驗(yàn)重復(fù)2次，試驗(yàn)裝置見(jiàn)圖2。

根據(jù)長(zhǎng)汀暴雨經(jīng)驗(yàn)公式，針對(duì)我國(guó)亞熱帶氣候區(qū)典型的強(qiáng)風(fēng)暴，設(shè)置了在90 mm·h-1+2.00 L·min-1和120 mm·h-1+2.66 L·min-1兩種試驗(yàn)條件下（假定坡面上游有2 m2的集水區(qū)）對(duì)三個(gè)侵蝕程度土壤共進(jìn)行了6組降雨-沖刷試驗(yàn)。丁光敏[25]在對(duì)福建崩崗侵蝕成因的調(diào)查研究中發(fā)現(xiàn)10°～25°中坡為最易產(chǎn)生侵蝕的坡度，故本試驗(yàn)設(shè)置試驗(yàn)坡度為15°，也是崩崗侵蝕嚴(yán)重區(qū)集水坡面常見(jiàn)坡度。試驗(yàn)降雨強(qiáng)度根據(jù)當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度公式計(jì)算了一年一遇、五年一遇、十年一遇下I30min、I45min、I60min選定，其中90 mm·h-1為多年平均暴雨降雨強(qiáng)度，120 mm·h-1為極端暴雨條件下降雨強(qiáng)度。流量設(shè)置依據(jù)嚴(yán)冬春等[26]不同坡度下細(xì)溝侵蝕發(fā)生的臨界坡長(zhǎng)，等比例添加上方來(lái)水使對(duì)應(yīng)降雨強(qiáng)度下坡面匯水坡長(zhǎng)達(dá)到5 m。試驗(yàn)前以小雨強(qiáng)（30 mm·h-1）對(duì)坡面進(jìn)行預(yù)濕潤(rùn)處理，使用紗布覆蓋表土，減少雨滴濺蝕影響，直至產(chǎn)流，并放置24 h后開(kāi)始試驗(yàn)。降雨歷時(shí)1 h，每分鐘采集3組泥沙樣品，用于計(jì)算土壤侵蝕速率、泥沙濃度，并利用每三分鐘時(shí)間段中第三分鐘的三個(gè)樣品（即第3、6、9…60分鐘的三個(gè)樣品）通過(guò)濕篩和吸管法測(cè)定泥沙顆粒粒徑：礫石（＞2 mm）、砂粒（0.05～2 mm）、粉粒（0.002～0.05 mm）、黏粒（＜0.002 mm）。

圖2 試驗(yàn)裝置模擬圖（A），模擬降雨裝置（B），試驗(yàn)圖（C）Fig. 2 Flume（A）and rainfall simulator（B）used in the experiment and test diagram（C）of the experiment

1.3 參數(shù)獲取

綜合有關(guān)研究選取下列相關(guān)參數(shù)。土壤侵蝕速率[27]（土壤剝蝕率）為單位時(shí)間、單位侵蝕面積上土壤在水流侵蝕動(dòng)力的作用下被剝蝕的土壤顆粒質(zhì)量，表征徑流對(duì)坡面土壤的分離能力，其求解方法如下：

式中，Dr為土壤侵蝕速率，kg·m-2·min-1；mt為累積產(chǎn)沙量，kg；B為水寬，cm；L為溝長(zhǎng)，m；T為時(shí)間，min。

為了研究泥沙粒徑分選機(jī)制，計(jì)算了泥沙中各粒徑含量和原土樣對(duì)比的富集率（Enrichment ratio，ER）[22]，具體計(jì)算公式如下：

式中，ER為富集率；Ps為泥沙某一粒徑的百分比，%；Po為土壤某一粒徑的百分比，%。ER＞1表示該顆粒富集，ER＜1表示該顆粒損耗。

分形維數(shù)通過(guò)表征土壤顆粒粒徑分布、土壤質(zhì)地均一程度、土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)團(tuán)聚體、水穩(wěn)性團(tuán)聚體和粒徑組成等[28]，可用于反映坡面土壤質(zhì)地及肥力對(duì)侵蝕過(guò)程的響應(yīng)[29]及坡面土壤結(jié)構(gòu)對(duì)侵蝕的影響[30]。Mandelbrot[31]建立了二維空間顆粒大小分形特征模型。此后，Tyler和Wheatcraft[32]在此基礎(chǔ)上建立了三維空間的體積分形維數(shù)模型：

對(duì)分形維數(shù)模型進(jìn)行推導(dǎo)，兩邊取對(duì)數(shù)，以左右兩邊為因變量和自變量進(jìn)行線性擬合，擬合的直線斜率即為3-D，從而可求出分形維數(shù)D。

式中，di=（dj+dj+1）/2，W（δ＞di）為粒徑大于di累積土粒質(zhì)量；Wo為各粒級(jí)土粒質(zhì)量之和；di為篩分粒徑范圍[dj，dj+1]平均值；dmax為某個(gè)粒徑級(jí)[dj，dj+1]最大粒級(jí)平均直徑。

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理與分析在Excel 2016、Origin 2017與SPSS 19.0軟件中完成，相關(guān)分析采用多元逐步回歸分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同降雨強(qiáng)度和上方來(lái)水流量對(duì)產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響

不同降雨-沖刷強(qiáng)度下坡面產(chǎn)流率變化如圖3。產(chǎn)流率隨產(chǎn)流時(shí)間表現(xiàn)為先增加、后相對(duì)穩(wěn)定或略有波動(dòng)。其原因是降雨初期，土壤含水率較低，未達(dá)到飽和，雨水下滲作用延緩了徑流的產(chǎn)生。隨著降雨歷時(shí)的延長(zhǎng)，土壤含水率逐漸飽和，加之雨滴擊濺導(dǎo)致地表粗顆粒破碎分離，細(xì)顆粒逐漸堵塞土壤孔隙，促進(jìn)徑流的產(chǎn)生，當(dāng)坡面逐漸達(dá)到穩(wěn)定下滲率時(shí)，產(chǎn)流率也趨于穩(wěn)定。兩種降雨-沖刷強(qiáng)度下產(chǎn)流率表現(xiàn)為E2＞E1＞E3，差異顯著（表2）。其原因是坡面侵蝕過(guò)程取決于降雨特征、土壤性質(zhì)和地表?xiàng)l件等因素[23，33]，不同侵蝕程度土體的容重存在顯著差異，容重越大產(chǎn)流率也會(huì)越大（r=0.91，P＜0.01），而降雨-沖刷強(qiáng)度的增加會(huì)減少到達(dá)穩(wěn)定階段需要的時(shí)間，高降雨-沖刷強(qiáng)度下產(chǎn)流率也會(huì)更高。

圖3 不同侵蝕程度土體產(chǎn)流率隨產(chǎn)流時(shí)間的變化Fig. 3 Temporal changes in runoff rate relative to erosion degree of the slope

表2 不同侵蝕程度土體侵蝕特征Table 2 Soil erosion characteristics relative to erosion degree of the slope

圖4 不同侵蝕程度土體土壤侵蝕速率隨產(chǎn)流時(shí)間的變化Fig. 4 Temporal changes in sediment yield rate relative to erosion degree of the slope

不同降雨-沖刷強(qiáng)度下各侵蝕程度土壤侵蝕速率變化如圖4所示。除E1在90 mm·h-1+2.00 L·min-1條件下，其余各試驗(yàn)條件下土壤侵蝕速率隨著產(chǎn)流歷時(shí)呈增加趨勢(shì)。各土體土壤侵蝕速率差異顯著，表現(xiàn)為E3＞E2＞E1（表2），E3在90 mm·h-1+2.00 L·min-1條件下土壤侵蝕速率為0.324 kg·m-2·min-1，為E2的1.57倍和E1的9.95倍；在高雨強(qiáng)下E3土壤侵蝕速率為0.740 9 kg·m-2·min-1，為E2的1.76倍和E1的2.40倍。隨著降雨-沖刷強(qiáng)度的增加，各侵蝕強(qiáng)度土體土壤侵蝕速率也顯著增加，E1、E2及E3分別增加了9.48倍、2.03倍、2.28倍。究其原因?yàn)镋1在90 mm·h-1+2.00 L·min-1條件下，侵蝕過(guò)程主要為雨滴擊濺與層狀侵蝕，未發(fā)育出細(xì)溝。隨著土壤表面可被搬運(yùn)的細(xì)顆粒被輸移耗盡，產(chǎn)流率增加加劇了坡面粗化程度，使得表土層中豐富的礫石裸露在地表對(duì)下層土壤起到了保護(hù)作用。當(dāng)降雨-沖刷強(qiáng)度增加后，坡面水流功率增加，超過(guò)了地表對(duì)粗顆粒的阻力，使其推移搬運(yùn)。隨著細(xì)溝開(kāi)始發(fā)育，坡面集中水流侵蝕能力增大，土壤侵蝕速率隨之增加[34]，并伴有細(xì)溝溝壁崩塌，使得土壤侵蝕速率存在波動(dòng)。由于水流功率較高，E2、E3土體與E1之間基本性質(zhì)存在差異，粗顆粒含量也遠(yuǎn)少于E1，導(dǎo)致E2、E3坡面細(xì)溝發(fā)育過(guò)程劇烈，土壤侵蝕量也高于E1。

為研究降雨-沖刷強(qiáng)度對(duì)各侵蝕程度土體侵蝕特征的影響，進(jìn)行了多元逐步回歸分析。結(jié)果表明，容重、降雨-沖刷強(qiáng)度和土壤粉粒含量對(duì)產(chǎn)流率起正向作用（R2=0.800，P＜0.01），容重起主要作用。降雨-沖刷強(qiáng)度和土壤粉粒含量對(duì)泥沙濃度起正向作用，土壤黏粒含量對(duì)泥沙濃度起負(fù)向作用且起主要作用（R2=0.689，P＜0.01）。土壤侵蝕速率受降雨-沖刷強(qiáng)度、砂粒含量和土壤粉粒含量的影響（R2=0.715，P＜0.01），土壤砂粒含量和粉粒含量起主要作用。降雨強(qiáng)度在土壤侵蝕中起著雙重作用，不僅使團(tuán)聚體消散破碎，而且形成徑流促進(jìn)泥沙搬運(yùn)?；◢弾r紅壤隨著侵蝕程度的加深，土壤性質(zhì)隨之發(fā)生變化，表現(xiàn)為粉粒和砂粒含量的增加與黏粒含量的減少。

2.2 不同降雨強(qiáng)度和上方來(lái)水流量下泥沙分選差異

圖5是各侵蝕程度土體泥沙顆粒分布隨產(chǎn)流時(shí)間的變化。E1各粒級(jí)泥沙分布隨產(chǎn)流歷時(shí)變化均較大，黏粒和粉粒含量逐漸減少，而粒徑較大的砂粒和礫石含量逐漸增加。其原因是試驗(yàn)初期坡面侵蝕為片蝕階段，懸移-躍移是主要的搬運(yùn)機(jī)制[35]，徑流會(huì)優(yōu)先選擇易侵蝕的細(xì)顆粒，而坡面形成的薄層水流在雨水沖擊作用下，徑流雷諾數(shù)的增加加劇了細(xì)顆粒的侵蝕。隨著細(xì)溝侵蝕階段開(kāi)始，徑流功率增加，加強(qiáng)了對(duì)大顆粒泥沙或團(tuán)聚體的搬運(yùn)能力，使大粒徑的礫石發(fā)生輸移[36]。集中水流作用下細(xì)溝內(nèi)泥沙分選作用下降，細(xì)溝間侵蝕仍以雨滴擊濺為主，但產(chǎn)流初期細(xì)顆粒已被大量侵蝕，導(dǎo)致了細(xì)顆粒隨降雨時(shí)間搬運(yùn)量下降，致使坡面發(fā)生粗化。而泥沙中粒徑較大的礫石在初始階段較低也是由于其質(zhì)量較大，水流產(chǎn)生的拖拽力小于泥沙顆粒與坡面的摩擦力，無(wú)法使土粒在坡面上發(fā)生滑動(dòng)或滾動(dòng)而發(fā)生輸移。而中度侵蝕土體和嚴(yán)重侵蝕土體在降雨前期較短的時(shí)間變化較大，此后有波動(dòng)但整體變化趨勢(shì)并不大。這是由于隨著土體侵蝕程度的加深，其抗侵蝕能力相應(yīng)下降，細(xì)溝在極短的時(shí)間產(chǎn)生，集中水流功率迅速增加，分選作用大大下降。

圖5 不同侵蝕程度土體泥沙顆粒隨產(chǎn)流時(shí)間的變化Fig. 5 Temporal changes in particle size composition of the soil slope relative to erosion degree of the slope

隨著降雨-沖刷強(qiáng)度增加礫石和黏粒含量均增加，砂粒和粉粒含量減少（表3）。這主要是因?yàn)楦叩慕涤?沖刷能量具有更大動(dòng)能帶動(dòng)大顆粒的運(yùn)移，同時(shí)也會(huì)增加細(xì)溝間區(qū)域的侵蝕強(qiáng)度，引起黏粒和粉粒含量的改變。隨著降雨-沖刷強(qiáng)度增加，不同粒徑顆粒增加比例也存在差異。高降雨-沖刷條件下E1、E2、E3礫石含量分別增加了13.61%、7.54%、13.60%，而黏粒分別增加了6.73%、0.39%、1.48%。其差異表明高降雨-沖刷條件對(duì)細(xì)溝侵蝕作用的影響作用明顯高于細(xì)溝間侵蝕。砂粒含量減少較大，通過(guò)對(duì)砂粒粒徑細(xì)化可以看出，其改變的主要原因是細(xì)砂粒（0.05～0.25 mm）含量的減少和粗砂粒（0.5～2 mm）含量的增多，使其分布更趨近于原土。高降雨-沖刷條件下細(xì)溝會(huì)更早的形成，細(xì)溝水流功率增加，較大粒徑的粗砂粒侵蝕量增加，而水層厚度的增加削弱了雨滴擊濺的影響，導(dǎo)致細(xì)砂粒搬運(yùn)量減少。泥沙中各侵蝕程度砂粒含量均很高，這也與原土砂粒含量較高有關(guān)。

對(duì)比兩個(gè)降雨-沖刷強(qiáng)度下各侵蝕程度土體泥沙的富集率可以發(fā)現(xiàn)：在較低降雨-沖刷強(qiáng)度下，泥沙中黏粒和粉粒的富集率較高、砂粒和礫石富集率均較低（表3），這與楊偉等[37]的研究結(jié)果一致。細(xì)顆粒物質(zhì)的富集和土壤表面團(tuán)聚體的破碎程度有關(guān)[38]，在較低降雨-沖刷強(qiáng)度下，受到雨滴動(dòng)能的影響，大粒徑顆粒被剝蝕為較小粒徑顆粒，小顆粒以懸移的方式流失，而大顆粒較難被搬運(yùn)。這間接表明粗顆粒在坡面地表富集，這一現(xiàn)象與在野外花崗巖紅壤崩崗侵蝕區(qū)集水坡面觀察到的現(xiàn)象一致。在更高的降雨強(qiáng)度下礫石富集率增幅較大，E1、E2、E3分別增加了2.52倍、3.96倍、31倍，其中E1礫石富集率接近1，而E2、E3則遠(yuǎn)大于1。這一現(xiàn)象可能歸因于泥沙輸移機(jī)制的差異（懸移、躍移和推移過(guò)程）[39]，粒徑較大的顆粒通過(guò)推移被搬運(yùn)，粒徑較小的顆粒通過(guò)懸移-躍移被搬運(yùn)[40]。當(dāng)降雨-沖刷強(qiáng)度增加后，細(xì)溝更快的發(fā)生發(fā)育，水流功率及挾沙能力的增加，明顯增大了推移搬運(yùn)的比重。

表3 不同侵蝕程度土體泥沙顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)及富集率Table 3 Particle size composition and enrichment rates of various fractions of the sediment as affected by erosion degree

2.3 不同降雨強(qiáng)度和上方來(lái)水流量下泥沙顆粒分形維數(shù)變化

已有研究表明土壤顆粒分形維數(shù)越高，土壤細(xì)顆?；矫黠@，土壤質(zhì)地相對(duì)會(huì)更好[41]。在泥沙顆粒分選研究中引入分形維數(shù)的概念，有助于更好地表征不同粒徑顆粒的變化。泥沙顆粒質(zhì)量分形維數(shù)與其黏粒、粉粒和砂粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)之間的關(guān)系如圖6所示。由圖可知，分形維數(shù)與黏粒和砂粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)之間關(guān)系均可以采用線性模型進(jìn)行較好擬合（P＜0.01），其中，分形維數(shù)與黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)之間為極顯著正相關(guān)關(guān)系，與粉粒和砂粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)之間為負(fù)相關(guān)關(guān)系（其中與砂粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈極顯著負(fù)相關(guān)），泥沙顆粒分形維數(shù)主要由黏粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)決定，這與劉淼等[42]、王國(guó)梁等[43]的研究結(jié)果相符。因此，暴雨驅(qū)動(dòng)下分形維數(shù)相對(duì)較高反映了泥沙中砂粒比重的下降與黏粒比重的升高，可以作為評(píng)價(jià)不同侵蝕程度坡面侵蝕泥沙的顆粒粒級(jí)分布特征的指標(biāo)。

圖6 分形維數(shù)與侵蝕泥沙砂粒、粉粒和黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的相關(guān)關(guān)系Fig. 6 Correlations of fractal dimension with sand，silt and clay in content

圖7為不同降雨-沖刷條件下泥沙顆粒分形維數(shù)隨產(chǎn)流歷時(shí)的變化。E1泥沙質(zhì)量分形維數(shù)在較低降雨-沖刷強(qiáng)度下隨著產(chǎn)流歷時(shí)的延長(zhǎng)逐漸降低，當(dāng)降雨-沖刷強(qiáng)度增加后分形維數(shù)隨產(chǎn)流歷時(shí)表現(xiàn)為先下降后趨于平穩(wěn)。在90 mm·h-1降雨強(qiáng)度和2 L·min-1沖刷流量耦合條件下，初期雨滴擊濺對(duì)土粒的分散作用較強(qiáng)，坡面薄層水流的搬運(yùn)和層狀剝蝕作用使得侵蝕泥沙中細(xì)顆粒增多。隨著降雨歷時(shí)延長(zhǎng)，坡面粗顆粒露出減少了雨滴擊濺的影響，分形維數(shù)隨之逐漸減小。在120 mm·h-1降雨強(qiáng)度和2.66 L·min-1沖刷流量耦合條件下，雨滴擊濺分散土壤顆粒的作用更強(qiáng)，致使細(xì)顆粒增多，分形維數(shù)相較于較低降雨-沖刷下更大；同時(shí)坡面細(xì)溝開(kāi)始發(fā)育后，集中水流對(duì)泥沙顆粒分選作用反而降低[16]，分形維數(shù)隨之穩(wěn)定。E2、E3侵蝕顆粒分形維數(shù)在試驗(yàn)初期有下降趨勢(shì)，其后變化不明顯，隨著降雨-沖刷強(qiáng)度變化分形維數(shù)增加不大。其原因是E2、E3相對(duì)于礫石含量更少，抗侵蝕能力更低，兩個(gè)降雨-沖刷條件下均在較早時(shí)間內(nèi)發(fā)育出細(xì)溝。分形維數(shù)存在波動(dòng)，是因?yàn)闇习短斐闪四嗌愁w粒分布有較大變動(dòng)。其中90 mm·h-1降雨強(qiáng)度和2 L·min-1沖刷流量耦合條件下E3侵蝕泥沙分形維數(shù)在12～18 min增加，原因是試驗(yàn)條件為降雨-沖刷，抗侵蝕能力較弱的E3不僅存在細(xì)溝的溯源侵蝕，坡面頂部在水流沖刷作用下也會(huì)出現(xiàn)跌坎，當(dāng)溝頭與跌坎匯合加劇水流對(duì)細(xì)顆粒的侵蝕，導(dǎo)致分形維數(shù)增加，隨著細(xì)溝的穩(wěn)定發(fā)育，分形維數(shù)逐漸降低。

圖7 不同侵蝕程度土體泥沙顆粒質(zhì)量分形維數(shù)隨產(chǎn)流時(shí)間的變化Fig. 7 Temporal changes in fractal dimension of sediment particles relative to erosion degree and duration of runoff yielding

3 結(jié) 論

隨著降雨-沖刷強(qiáng)度的增加，土壤侵蝕速率、泥沙濃度和產(chǎn)流率均增加，輕度侵蝕土壤受降雨-沖刷強(qiáng)度影響最大。不同侵蝕程度土體間，土壤侵蝕速率表現(xiàn)為E3＞E2＞E1，而產(chǎn)流率表現(xiàn)為E2＞E1＞E3，通過(guò)多元逐步回歸分析發(fā)現(xiàn)降雨強(qiáng)度越大，黏粒含量越高、粉粒含量越低，土體侵蝕速率越小，而容重越大產(chǎn)流率越高。隨著降雨-沖刷強(qiáng)度和降雨歷時(shí)增加，泥沙中礫石和黏粒含量均增加，砂粒和粉粒含量減少。黏粒和粉粒的富集率較高、砂粒和礫石富集率較低，隨著降雨-沖刷強(qiáng)度增加礫石富集率增幅較大。E1泥沙質(zhì)量分形維數(shù)隨產(chǎn)流歷時(shí)降低，隨降雨-沖刷強(qiáng)度增加而增大。E2、E3侵蝕顆粒分形維數(shù)下降集中在試驗(yàn)初期，細(xì)溝發(fā)生后其變化不明顯，隨著降雨-沖刷增加分形維數(shù)增加不明顯。