典型薄層黑土區(qū)前期坡面水蝕對(duì)土壤風(fēng)蝕的影響

左小鋒，鄭粉莉，張加瓊，王一菲，桑琦明，張勛昌

（1. 西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，楊凌 712100；2. 中國(guó)科學(xué)院水利部水土保持研究所，楊凌 712100；3. 北京師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)部地表過程與資源生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/防沙治沙教育部工程研究中心，北京100875；4. 美國(guó)農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)研究局牧草地實(shí)驗(yàn)室，俄克拉荷馬厄爾雷諾 73036）

0 引 言

土壤侵蝕導(dǎo)致的生態(tài)退化是全球性的環(huán)境問題之一。近幾十年來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者致力于土壤侵蝕科學(xué)研究，在土壤侵蝕類型與空間分布、水蝕和風(fēng)蝕過程與機(jī)理及影響因素、侵蝕預(yù)報(bào)模型以及土壤侵蝕環(huán)境效應(yīng)評(píng)價(jià)等方面取得了卓有成效的研究成果[1-3]；但多種侵蝕營(yíng)力作用下的復(fù)合侵蝕研究相對(duì)較少。區(qū)域特殊的地理環(huán)境特征，決定了多種侵蝕外營(yíng)力（水力、風(fēng)力、凍融和重力）在時(shí)空分布、能量供給、物質(zhì)來源等方面相互耦合而形成復(fù)合、交替或交互作用的復(fù)雜關(guān)系[4]，進(jìn)而引發(fā)了嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境問題。因此，關(guān)于多營(yíng)力耦合作用的土壤復(fù)合侵蝕研究是目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者面臨的重大研究課題?，F(xiàn)有的研究根據(jù)復(fù)合侵蝕的主導(dǎo)動(dòng)力因子將復(fù)合侵蝕劃分為風(fēng)蝕與水蝕[5]、凍融與風(fēng)蝕[6]、凍融與水蝕（包括融雪侵蝕和降雨侵蝕）[7]、水蝕與重力侵蝕[8]、耕作侵蝕與水蝕[9]以及凍融-風(fēng)蝕-水蝕[10]等兩個(gè)及兩個(gè)以上侵蝕營(yíng)力作用的多種復(fù)合侵蝕類型。與其他類型的復(fù)合侵蝕相比，風(fēng)力水力復(fù)合侵蝕分布范圍較廣，侵蝕強(qiáng)度較高，研究和治理也較為薄弱。在中國(guó)甚至形成了一條由東北向西南分布的風(fēng)蝕水蝕交錯(cuò)帶，強(qiáng)烈的風(fēng)水復(fù)合侵蝕導(dǎo)致這些區(qū)域生態(tài)環(huán)境更加脆弱，故而其也被作為熱點(diǎn)研究領(lǐng)域和前沿科學(xué)問題而備受學(xué)界關(guān)注[11]。

近年來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者圍繞風(fēng)水復(fù)合侵蝕的區(qū)域劃分、時(shí)空變化、侵蝕特征、機(jī)理與過程等問題開展了一系列研究工作，也獲得了重要研究成果[12-15]，然而依然存在諸多不足。風(fēng)水復(fù)合侵蝕是風(fēng)蝕和水蝕相互作用的結(jié)果，以往的研究多關(guān)注前期風(fēng)蝕對(duì)后期水蝕的影響，且大多強(qiáng)調(diào)風(fēng)力對(duì)水力產(chǎn)生的正向交互效應(yīng)[14,16]，而忽略了前期降雨產(chǎn)生的水蝕對(duì)土壤風(fēng)蝕的影響。加上風(fēng)水復(fù)合侵蝕的復(fù)雜性，在野外無法正常開展，從而影響風(fēng)水復(fù)合侵蝕機(jī)理和過程的深入研究。盡管以往在水蝕對(duì)風(fēng)蝕是否產(chǎn)生抑制效應(yīng)方面進(jìn)行了相關(guān)探討，例如，張慶印等[17]認(rèn)為降雨產(chǎn)生的水蝕溝寬度和密度的增加對(duì)風(fēng)蝕量產(chǎn)生了正向影響，水蝕溝在一定深度范圍內(nèi)（4～8 cm），其風(fēng)蝕量隨著溝深增加而增加；Singer等[18]從土壤性質(zhì)的角度分析了土壤結(jié)皮對(duì)風(fēng)蝕和水蝕的不同響應(yīng)，認(rèn)為前期水蝕作用產(chǎn)生的土壤結(jié)皮會(huì)增加土壤強(qiáng)度，從而減小風(fēng)蝕。但Zhang等[19]的研究結(jié)果表明，水蝕改變了地表微地形（如細(xì)溝發(fā)生），導(dǎo)致在一定范圍內(nèi)風(fēng)蝕產(chǎn)沙量與細(xì)溝寬度和密度呈正相關(guān)關(guān)系；然而，由于風(fēng)水復(fù)合侵蝕的環(huán)境因子和不同時(shí)段主導(dǎo)侵蝕力的差異性，導(dǎo)致風(fēng)力水力交替侵蝕研究結(jié)果差異較大，且前期水蝕作用影響土壤風(fēng)蝕的過程和機(jī)理研究尚不清楚。

東北黑土區(qū)常年遭受多種外營(yíng)力（凍融、水力、風(fēng)力等）耦合作用的復(fù)合侵蝕影響，其中，水力風(fēng)力復(fù)合侵蝕在黑土區(qū)復(fù)合侵蝕中占有重要地位。近年來，雖然諸多學(xué)者針對(duì)黑土區(qū)復(fù)合土壤侵蝕特征和侵蝕防治分區(qū)等方面開展了研究，也取得了重要進(jìn)展[16,20-22]，但風(fēng)水復(fù)合侵蝕過程和機(jī)理研究仍相對(duì)薄弱，且當(dāng)前研究較少關(guān)注前期坡面水蝕作用對(duì)土壤風(fēng)蝕的影響，從而導(dǎo)致復(fù)雜侵蝕環(huán)境下的土壤侵蝕過程及相應(yīng)機(jī)制尚不明晰，嚴(yán)重制約了黑土區(qū)土壤侵蝕防治措施的精準(zhǔn)實(shí)施。為此，本研究基于模擬降雨試驗(yàn)和風(fēng)洞試驗(yàn)，結(jié)合土壤力學(xué)性質(zhì)測(cè)定等方法，以前期無降雨僅風(fēng)蝕試驗(yàn)處理為對(duì)照，研究典型薄層黑土區(qū)前期坡面水蝕作用對(duì)土壤風(fēng)蝕的影響，通過明晰不同降雨強(qiáng)度的水蝕作用對(duì)土壤風(fēng)蝕的影響效應(yīng)，進(jìn)一步揭示水力風(fēng)力疊加作用對(duì)土壤風(fēng)蝕的影響機(jī)理，以期為實(shí)現(xiàn)黑土區(qū)復(fù)合侵蝕阻控和地力維持雙目標(biāo)的黑土資源可持續(xù)利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試土壤選取東北典型薄層黑土區(qū)（黑土層厚度小于30 cm）黑 龍 江 省 賓 州 河 流 域（127°25′36″E，45°45′22″N）坡耕地20 cm的耕層土壤。采用吸管法測(cè)得土壤各粒級(jí)質(zhì)量百分比分別為：砂粒（50～<2 000μm）9.3%，粉粒（2～<50μm）61.3%和黏粒（<2μm）29.4%，土壤質(zhì)地為粉黏壤。耕層土壤容重為1.20 g/cm3，pH值為6.1（水浸提法，水土質(zhì)量比2.5∶1），有機(jī)質(zhì)含量為20.25 g/kg（重鉻酸鉀氧化-外加熱法）。

模擬降雨試驗(yàn)裝置采用側(cè)噴式人工模擬降雨機(jī)（圖 1a），降雨前可調(diào)試降雨機(jī)噴頭內(nèi)孔板直徑大小和降雨機(jī)上的閥門控制供水壓力來調(diào)節(jié)降雨強(qiáng)度（雨強(qiáng)變化范圍為30～230 mm/h），并通過調(diào)整降雨機(jī)的位置確定有效降雨區(qū)。雨滴降落高度為6.5 m（降雨機(jī)支架高度為5 m，雨滴上噴高度為1.5 m）。有效降雨面積大于16 m2，降雨均勻度大于85%[23]，且能夠較好地反映天然降雨的雨滴終速和雨滴動(dòng)能。模擬試驗(yàn)所用的試驗(yàn)土槽為長(zhǎng)100 cm、寬50 cm、高15 cm規(guī)格的自制風(fēng)蝕、水蝕兩用型鋼槽，由槽體（10 cm）以及槽身兩側(cè)和后端用合頁(yè)連接的鋼板（5 cm）組成，前端可安裝集流槽（圖1b），在進(jìn)行模擬試驗(yàn)時(shí)可根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行組裝。

模擬風(fēng)蝕試驗(yàn)時(shí)采用的設(shè)備為自動(dòng)控制風(fēng)速的直流吹氣式風(fēng)洞（24.0 m×1.0 m×1.2 m）（圖2a），由動(dòng)力段、調(diào)節(jié)段、整流段、試驗(yàn)段、集沙段和導(dǎo)流段組成了風(fēng)洞主體部分，并配備皮托管風(fēng)速廓線儀、平口式多層集沙儀和電子天平等輔助設(shè)備（圖2b）。試驗(yàn)過程主要在試驗(yàn)段完成，風(fēng)速可調(diào)范圍為0～17 m/s，風(fēng)洞內(nèi)截面風(fēng)速具有較好的均勻性。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)該地區(qū)特殊的氣候條件和“漫川漫崗”等地理環(huán)境特征[24]，結(jié)合課題組多年的野外觀測(cè)數(shù)據(jù)，本研究先進(jìn)行前期的模擬降雨試驗(yàn)，在此基礎(chǔ)上，待試驗(yàn)土槽表面土壤自然風(fēng)干后再進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)，從而模擬野外自然條件下晚春早夏季節(jié)發(fā)生的土壤表面先水蝕后風(fēng)蝕的水蝕風(fēng)蝕的疊加作用。同時(shí)，以無前期降雨的風(fēng)蝕處理結(jié)果作為對(duì)照，分析前期坡面水蝕作用對(duì)土壤風(fēng)蝕的影響效應(yīng)。根據(jù)以往對(duì)東北黑土區(qū)侵蝕性降雨標(biāo)準(zhǔn)調(diào)查[25-26]和野外現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)結(jié)果，填裝試驗(yàn)土槽設(shè)計(jì)土壤容重為1.20 g/cm3，基于黑土區(qū)坡耕地地表坡度多介于1°～7°，故模擬降雨試驗(yàn)中設(shè)計(jì)地表坡度為3°，降雨強(qiáng)度為50和100 mm/h（即0.83、1.67 mm/min），每場(chǎng)降雨歷時(shí)45 min。風(fēng)洞試驗(yàn)的風(fēng)速根據(jù)東北黑土區(qū)臨界起沙風(fēng)速（8 m/s）和極端瞬時(shí)最大風(fēng)速（30 m/s），設(shè)計(jì)3個(gè)試驗(yàn)風(fēng)速（9、12、15 m/s），風(fēng)蝕試驗(yàn)時(shí)間為20 min。

1.3 試驗(yàn)過程

1）填裝試驗(yàn)土槽。根據(jù)課題組對(duì)東北典型薄層黑土區(qū)賓州河流域土壤流失厚度野外調(diào)查、觀測(cè)和試驗(yàn)研究結(jié)果[27]，本試驗(yàn)采用深度為10 cm的土槽裝填試驗(yàn)土壤（試驗(yàn)土槽底部2 cm細(xì)沙層，上部8 cm土層），可以滿足試驗(yàn)要求。填裝試驗(yàn)土壤前，在底部鉆有排水孔的土槽下層先填裝2 cm厚的細(xì)沙作為透水層，并覆蓋紗布。然后根據(jù)測(cè)定的試驗(yàn)土壤含水率和試驗(yàn)設(shè)計(jì)的土壤容重（1.20 g/cm3）計(jì)算填土所需的土壤質(zhì)量，再進(jìn)行分層填土。先填裝細(xì)沙層上部4 cm土層，將其表層刮毛后再裝填另外4 cm土層，填土過程中還需壓實(shí)試驗(yàn)土槽邊壁周圍土壤，以此保證填土的均勻性和整體性，同時(shí)減少邊界效應(yīng)的影響。此外，本研究每完成1次完整試驗(yàn)后均要對(duì)試驗(yàn)土槽重新填土，以保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的重復(fù)性和可靠性。

2）模擬降雨試驗(yàn)。試驗(yàn)土槽填裝好后先移動(dòng)至降雨區(qū)進(jìn)行模擬降雨試驗(yàn)。在調(diào)整好試驗(yàn)土槽和降雨機(jī)的位置后，進(jìn)行降雨強(qiáng)度的率定，從而保證每次降雨過程中的降雨均勻度能達(dá)到試驗(yàn)要求。正式降雨開始后觀察坡面徑流侵蝕情況，待坡面產(chǎn)流后記錄產(chǎn)流時(shí)間，并接取第一個(gè)徑流泥沙樣，隨后每隔3 min收集1次。降雨結(jié)束后，稱取徑流泥沙樣質(zhì)量，待泥沙完全沉降后倒掉上層清液，置于105 ℃的干燥箱中烘干，用0.01 g精度的電子天平稱取烘干后的泥沙質(zhì)量并計(jì)算。

3）風(fēng)洞試驗(yàn)。模擬降雨試驗(yàn)結(jié)束后，待試驗(yàn)土槽的土壤自然風(fēng)干至表層土壤含水率約5.14%（風(fēng)干土含水率）時(shí)，再進(jìn)行風(fēng)水同向（坡面徑流方向與風(fēng)向相同）的風(fēng)洞試驗(yàn)。試驗(yàn)前先將試驗(yàn)土槽前端的集流槽拆卸，然后向下翻折與試驗(yàn)土槽槽體上部連接的鋼板，以確保試驗(yàn)土槽表面土壤與風(fēng)洞底板在同一高度。正式試驗(yàn)的風(fēng)速以試驗(yàn)段軸心高度600 mm處的風(fēng)速為基準(zhǔn)，并利用其他高度（距試驗(yàn)土槽表面向上依次為10、30、50、80、100、120、160、200 mm）皮托管測(cè)定的結(jié)果繪制風(fēng)速廓線。每個(gè)風(fēng)速（9、12和15 m/s）下吹蝕20 min。用精度為1 g的電子天平對(duì)試驗(yàn)前后的試驗(yàn)土槽分別進(jìn)行稱量，通過對(duì)比前后質(zhì)量差值來計(jì)算土壤風(fēng)蝕量。同時(shí)在試驗(yàn)土槽后端10 cm的位置（風(fēng)洞集沙段）安裝多層集沙儀，開口正對(duì)風(fēng)的來向，收集不同高度的風(fēng)蝕顆粒。待試驗(yàn)結(jié)束后裝入塑封袋，用0.000 1 g精度的電子天平稱量并進(jìn)行相應(yīng)計(jì)算。

1.4 數(shù)據(jù)處理

1.4.1 空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度和摩阻風(fēng)速計(jì)算

空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度z0是描述地表對(duì)氣流阻抗的重要參數(shù)，可以通過風(fēng)速廓線擬合計(jì)算獲得。在風(fēng)洞中進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，其流場(chǎng)接近中性大氣邊界層，風(fēng)速廓線一般滿足如下公式：

式中uz為高度z處的風(fēng)速，m/s；u*為摩阻風(fēng)速，m/s；k為馮·卡曼常數(shù)，通常取值為0.4。

通過試驗(yàn)土槽表面不同高度的風(fēng)速進(jìn)行曲線擬合得到風(fēng)速廓線，其結(jié)果滿足對(duì)數(shù)分布律，擬合關(guān)系式為[28]

式中A、B為回歸系數(shù)。

當(dāng)uz=0時(shí)，可以得到空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度z0：

摩阻風(fēng)速u*是描述氣流層之間剪切作用的物理量，根據(jù)（2）式和（3）式得到摩阻風(fēng)速的計(jì)算公式為

1.4.2 土壤風(fēng)蝕速率及抗風(fēng)蝕效率計(jì)算

土壤風(fēng)蝕速率是指單位時(shí)間、單位面積的吹蝕量，可用式（5）計(jì)算。

式中W表示風(fēng)蝕前后試驗(yàn)土槽（包括試驗(yàn)土壤）的質(zhì)量之差，g；S表示試驗(yàn)土槽的面積，m2；T表示吹蝕時(shí)間，min。

前期坡面水蝕作用對(duì)地表抗風(fēng)蝕效率計(jì)算公式[29]為

式中ΔR為前期坡面水蝕作用對(duì)地表的抗風(fēng)蝕效率，%；Ri和R0分別為前期不同降雨強(qiáng)度的水蝕作用下和僅風(fēng)蝕試驗(yàn)處理下的土壤風(fēng)蝕速率，g/(m2·min)。

1.4.3 土壤抗剪強(qiáng)度測(cè)定

采用型號(hào)為GEONOR7189的十字板剪切儀分別測(cè)定了有、無前期坡面水蝕作用的地表土壤抗剪強(qiáng)度。土壤抗剪強(qiáng)度的計(jì)算公式[30]如下：

式中τf為土壤的抗剪強(qiáng)度，kPa；M為十字板剪切讀數(shù)，kPa；D為十字板的寬度，即圓柱土體的直徑，mm；H為十字板的高度，mm，本研究中H/D=2。

1.4.4 土壤緊實(shí)度測(cè)定

在試驗(yàn)土槽中按照“S”型選定9個(gè)點(diǎn)，采用型號(hào)為Spectrum SC 900的土壤緊實(shí)度儀，分別測(cè)定有、無前期坡面水蝕作用的地表土壤緊實(shí)度。

2 結(jié)果與分析

2.1 前期坡面水蝕作用對(duì)地表粗糙度和力學(xué)特性的影響

由表1可知，對(duì)于僅風(fēng)蝕試驗(yàn)（I）、先50 mm/h降雨強(qiáng)度試驗(yàn)再風(fēng)蝕試驗(yàn)（II）、先100 mm/h降雨強(qiáng)度試驗(yàn)再風(fēng)蝕試驗(yàn)（III）3個(gè)試驗(yàn)處理，其空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度分別為0.030 4、0.007 8和0.004 4 cm，摩阻風(fēng)速分別為0.67、0.59和0.46 m/s，表明前期坡面水蝕作用使得地表粗糙度和摩阻風(fēng)速有所減小，且隨降雨強(qiáng)度的增加，地表粗糙度和摩阻風(fēng)速減小幅度增加。因此，從空氣動(dòng)力學(xué)的角度，說明前期坡面水蝕作用減弱了地表的抗風(fēng)蝕性。此外，通過對(duì)比不同試驗(yàn)處理下的地表侵蝕情況的變化（圖3），發(fā)現(xiàn)在僅風(fēng)蝕試驗(yàn)處理下，大部分土壤細(xì)顆粒被吹蝕，地表出現(xiàn)了明顯的粗化現(xiàn)象；土壤表面經(jīng)過前期50 mm/h降雨強(qiáng)度的坡面水蝕作用后，地表出現(xiàn)了物理結(jié)皮，但仍有部分細(xì)顆粒附著在地表；而土壤表面經(jīng)過前期100 mm/h降雨強(qiáng)度的水蝕作用后，地表形成了明顯光滑致密的結(jié)皮，僅有少量的土壤顆粒存在。由此可知，盡管前期坡面水蝕作用降低了地表粗糙度，且隨降雨強(qiáng)度增加而減小愈明顯，但前期坡面水蝕作用使地表大量土壤顆粒分散并隨地表徑流流失，從而減少了后期土壤風(fēng)蝕的物質(zhì)來源。

表1 不同試驗(yàn)處理下土壤風(fēng)蝕的風(fēng)速廓線方程Table 1 Wind speed profile equation of soil wind erosion in different experimental treatment

不同試驗(yàn)處理下的地表抗剪強(qiáng)度和土壤緊實(shí)度見表 2，前期坡面水蝕作用增加了地表的土壤抗剪強(qiáng)度和土壤緊實(shí)度，結(jié)皮厚度也有所增加。在50和100 mm/h兩個(gè)降雨強(qiáng)度的前期坡面水蝕作用下，地表土壤抗剪強(qiáng)度分別為僅風(fēng)蝕試驗(yàn)處理的1.3和1.8倍，土壤緊實(shí)度分別為僅風(fēng)蝕試驗(yàn)處理的4.4和7.2倍，且前期坡面水蝕過程中降雨強(qiáng)度越大，地表土壤抗剪強(qiáng)度和土壤緊實(shí)度越大，土壤結(jié)皮厚度也越大。其中，100 mm/h降雨強(qiáng)度處理下的土壤抗剪強(qiáng)度和土壤緊實(shí)度分別為50 mm/h降雨強(qiáng)度處理下的1.4和1.6倍。說明前期降雨過程增加了表層土壤的強(qiáng)度，二者的增加進(jìn)一步說明前期不同降雨強(qiáng)度的坡面水蝕作用在對(duì)土壤壓實(shí)過程中形成的物理結(jié)皮增加了土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，提高了地表的抗風(fēng)蝕能力。

表2 不同試驗(yàn)處理下地表土壤抗剪強(qiáng)度、土壤緊實(shí)度對(duì)比Table 2 Comparison of surface soil shear strength and soil compaction in different experimental treatments kPa

2.2 前期坡面水蝕作用對(duì)土壤風(fēng)蝕特征的影響

2.2.1 前期坡面水蝕作用對(duì)土壤風(fēng)蝕量的影響

前期不同試驗(yàn)處理下的土壤風(fēng)蝕量變化表明（表3），前期坡面水蝕作用對(duì)土壤風(fēng)蝕產(chǎn)生了明顯的抗風(fēng)蝕作用。不同試驗(yàn)處理中土壤風(fēng)蝕量隨風(fēng)速的增大均呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，而以僅風(fēng)蝕試驗(yàn)處理（I）下的土壤風(fēng)蝕量最大，且隨前期坡面水蝕作用的降雨強(qiáng)度增加，土壤風(fēng)蝕強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)。在9、12和15 m/s風(fēng)速下，僅風(fēng)蝕試驗(yàn)處理（I）的土壤風(fēng)蝕量分別為0.26、2.36和6.84 kg/m2；而3個(gè)風(fēng)速下試驗(yàn)處理II和III對(duì)應(yīng)的土壤風(fēng)蝕量分別為0.08、0.12、0.26 kg/m2和0.06、0.10、0.16 kg/m2，說明前期坡面水蝕作用產(chǎn)生了明顯的抗風(fēng)蝕效應(yīng)。其中，與試驗(yàn)處理I相比（僅風(fēng)蝕試驗(yàn)處理），試驗(yàn)處理II在9、12和15 m/s風(fēng)速下的土壤抗風(fēng)蝕效率分別是68.4%、94.9%和96.2%，試驗(yàn)處理III對(duì)應(yīng)3個(gè)風(fēng)速的土壤抗風(fēng)蝕效率分別為77.2%、95.9%和97.6%；且隨前期坡面水蝕作用的降雨強(qiáng)度由50 mm/h增加到100 mm/h時(shí)，地表抗風(fēng)蝕效率增加1.1%～12.9%。

表3 不同試驗(yàn)處理下的土壤風(fēng)蝕量對(duì)比Table 3 Comparison of soil wind erosion amount in different experimental treatments

2.2.2 土壤風(fēng)蝕強(qiáng)度與降雨強(qiáng)度和風(fēng)速的關(guān)系

上述結(jié)果表明，對(duì)于水力-風(fēng)力復(fù)合侵蝕，前期坡面水蝕作用的降雨強(qiáng)度和風(fēng)速是影響土壤風(fēng)蝕的重要因素。風(fēng)速是發(fā)生風(fēng)蝕的動(dòng)力因素，其與風(fēng)蝕強(qiáng)度呈正相關(guān)關(guān)系；而前期水蝕作用的降雨強(qiáng)度對(duì)地表土壤風(fēng)蝕的影響隨降雨強(qiáng)度的增加明顯減小。為了更好地反映土壤風(fēng)蝕強(qiáng)度與前期水蝕作用下的降雨強(qiáng)度和風(fēng)速之間的關(guān)系，通過Matlab R2017b中Surface Fitting Tool進(jìn)行了相關(guān)性擬合，擬合過程中采用信賴域方法來獲得最優(yōu)經(jīng)驗(yàn)回歸方程。擬合的三維曲面圖顯示（圖4），降雨強(qiáng)度和風(fēng)速共同影響土壤風(fēng)蝕強(qiáng)度，即土壤風(fēng)蝕強(qiáng)度隨前期坡面水蝕作用中降雨強(qiáng)度的增大而減小，隨風(fēng)速的增大而增加。其中，與50 mm/h降雨強(qiáng)度試驗(yàn)相比，前期100 mm/h降雨強(qiáng)度下坡面水蝕作用使土壤風(fēng)蝕強(qiáng)度減小8.5%～27.7%。與15 m/s風(fēng)速相比，前期坡面水蝕作用使9、12 m/s風(fēng)速下的土壤風(fēng)蝕強(qiáng)度分別減小32.0%～46.2%和55.6%～65.1%。

通過Matlab工具擬合的的回歸方程如下：

式中S為土壤風(fēng)蝕強(qiáng)度，kg/(m2·h)；I為前期坡面水蝕作用的降雨強(qiáng)度，mm/h；U為后期土壤風(fēng)蝕作用時(shí)的風(fēng)速，m/s；n為不同試驗(yàn)處理下的風(fēng)蝕強(qiáng)度個(gè)數(shù)。

由式（5）可知，對(duì)于前期僅風(fēng)蝕試驗(yàn)處理，土壤風(fēng)蝕強(qiáng)度隨風(fēng)速的增加而增大，對(duì)于前期水蝕作用后的試驗(yàn)處理，盡管土壤風(fēng)蝕強(qiáng)度隨風(fēng)速的增加有所增大，但增加幅度很小。與風(fēng)速的動(dòng)力作用相比，不同降雨強(qiáng)度的水蝕作用對(duì)土壤風(fēng)蝕的抑制效果愈明顯，且在風(fēng)速一定的條件下，前期水蝕作用的降雨強(qiáng)度愈大，土壤風(fēng)蝕強(qiáng)度愈小。其原因主要與不同降雨強(qiáng)度條件下的雨滴能量大小造成地表土壤性質(zhì)和地表形態(tài)的差異有關(guān)。

2.3 前期坡面水蝕作用對(duì)風(fēng)蝕輸沙量的影響

從表4可知，不同試驗(yàn)處理下，風(fēng)蝕輸沙量和輸沙高度隨風(fēng)速的增大均有不同程度的增加，且風(fēng)速越大，輸沙量的增加幅度也越大。與前期無降雨僅風(fēng)蝕試驗(yàn)處理相比，前期坡面水蝕作用對(duì)土壤風(fēng)蝕輸沙量和輸沙高度產(chǎn)生了較大影響，前期不同降雨強(qiáng)度水蝕作用使土壤風(fēng)蝕輸沙量和輸沙高度明顯降低。其中，在前期無降雨僅風(fēng)蝕試驗(yàn)處理下，9、12、15 m/s風(fēng)速下的風(fēng)蝕輸沙量分別為0.41、5.10和22.24 g/m2，輸沙高度基本在40 cm以下，且大部分輸沙量主要集中在距地表20 cm的高度范圍內(nèi)。與無前期坡面水蝕作用相比，50 和100 mm/h降雨強(qiáng)度的前期水蝕作用使3個(gè)風(fēng)速下的風(fēng)蝕輸沙量分別減小15.4%、89.4%、96.1%和27.8%、93.3%、96.2%，對(duì)應(yīng)的風(fēng)蝕輸沙高度分別減小8～12和14～16 cm，說明前期坡面水蝕作用可以有效抑制土壤風(fēng)蝕過程。表4還表明，前期坡面水蝕作用使風(fēng)蝕輸沙量隨降雨強(qiáng)度的增加而減少；與50 mm/h降雨強(qiáng)度試驗(yàn)相比，坡面經(jīng)過前期100 mm/h降雨強(qiáng)度的水蝕作用后，3個(gè)風(fēng)速下的土壤風(fēng)蝕輸沙量分別減小5.1%、13.4%和16.8%。由此說明，前期不同降雨強(qiáng)度的坡面水蝕作用對(duì)土壤風(fēng)蝕過程中風(fēng)沙流的影響較大，通過增加土壤水分并壓實(shí)土壤結(jié)構(gòu)可以削弱或抑制風(fēng)沙流強(qiáng)度。

表4 不同試驗(yàn)處理下的風(fēng)蝕輸沙量和輸沙高度對(duì)比Table 4 Comparison of wind erosion sediment transport and its height in different experimental treatments

圖5 顯示，不同試驗(yàn)處理下，距地面各高度的風(fēng)蝕輸沙量隨風(fēng)速的增加而增大，而且靠近地表高度的風(fēng)蝕輸沙量的增加幅度大于其上層高度的風(fēng)蝕輸沙量。通過輸沙量和地表高度的關(guān)系擬合發(fā)現(xiàn)，不同風(fēng)速下土壤風(fēng)蝕過程中輸沙量隨地表高度的變化均呈指數(shù)減小的變化趨勢(shì)（表5）。與無降雨僅風(fēng)蝕試驗(yàn)處理相比，經(jīng)過前期坡面水蝕作用后，各地表高度的風(fēng)蝕輸沙量均有所減小，其減少幅度介于11.3%～99.3%之間。圖5還表明，各地表高度風(fēng)蝕輸沙量對(duì)前期坡面水蝕作用中不同降雨強(qiáng)度的響應(yīng)程度也存在差異；其中，100 mm/h降雨強(qiáng)度下不同風(fēng)速對(duì)應(yīng)的各個(gè)高度風(fēng)蝕輸沙量的減小幅度較之50 mm/h降雨強(qiáng)度試驗(yàn)的減小幅度更大，其減小幅度分別介于15.2%～72.2%、11.3%～53.9%和7.5%～58.7%之間。

表5 不同試驗(yàn)處理下的風(fēng)蝕輸沙量隨地表高度變化的曲線擬合方程Table 5 Curve-fitting equation of wind erosion sediment transport with surface height in different experimental treatments

綜上可知，前期坡面水蝕作用對(duì)土壤風(fēng)蝕過程產(chǎn)生了抑制作用，其明顯降低風(fēng)蝕輸沙量和輸沙高度。這可能是因?yàn)榍捌诮涤赀^程中雨滴打擊和徑流沖刷形成的物理結(jié)皮，以及坡面表層殘留的少量土壤顆粒降低了地表粗糙度，從而減弱了地表土壤顆粒的起跳高度和輸沙量。

3 討 論

本研究中前期坡面水蝕作用對(duì)后期土壤風(fēng)蝕產(chǎn)生了明顯的抗風(fēng)蝕效應(yīng)，該結(jié)論與Yang等[31]研究結(jié)果一致，其原因主要是前期水蝕作用對(duì)坡面表層土壤性質(zhì)和地表形態(tài)的改變，進(jìn)而影響后期土壤風(fēng)蝕及其過程。有研究表明，土壤性質(zhì)對(duì)風(fēng)蝕有顯著影響，且細(xì)顆粒和有機(jī)質(zhì)含量較低的土壤在自然條件下更易被風(fēng)蝕[32]。不同土壤類型的前期水蝕作用對(duì)后期土壤風(fēng)蝕的抑制效果存在差異[31,33]。本研究中試驗(yàn)土壤為典型薄層黑土，土壤質(zhì)地為粉黏壤，其黏粒含量和有機(jī)質(zhì)含量較高，顆粒之間聚合力較強(qiáng)。在降雨初期的雨滴擊濺過程中，表層土壤團(tuán)聚體發(fā)生崩解破碎，細(xì)顆粒堵塞土壤孔隙而形成致密的結(jié)皮層，此過程在空氣動(dòng)力學(xué)角度表現(xiàn)為空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度（z0）和摩阻風(fēng)速均減?。ū?），且隨前期坡面水蝕作用的降雨強(qiáng)度增加減小愈明顯。空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度（z0）是反映土壤表面空氣動(dòng)力學(xué)特征的重要參數(shù)，一般認(rèn)為z0愈大，則地表對(duì)風(fēng)速的削弱作用愈顯著[28]。但本研究結(jié)果表明，50、100 mm/h降雨強(qiáng)度的前期坡面水蝕作用下，地表土壤抗剪強(qiáng)度和土壤緊實(shí)度均有不同程度的增加，且降雨強(qiáng)度越大，土壤抗剪強(qiáng)度和土壤緊實(shí)度越大。說明前期降雨過程中雨滴打擊地表以及后期形成徑流對(duì)土壤產(chǎn)生了壓實(shí)作用，另外，降雨過程中土壤水分與土壤顆粒之間較大的黏聚力增加了土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，從而提高了地表的抗風(fēng)蝕能力[34]。

降雨過程中降雨強(qiáng)度和地表徑流均是影響地表形態(tài)變化的重要因素，且隨著降雨強(qiáng)度增加，雨滴能量和徑流侵蝕能力皆增大，其對(duì)地表形態(tài)的影響也越大。雨滴的擊濺作用破壞土壤表面顆粒，使其分散、分離，同時(shí)發(fā)生不同方向的躍遷位移[35]，再加上地表徑流的沖刷，兩種過程均會(huì)造成地表形態(tài)的改變，進(jìn)而影響土壤風(fēng)蝕。對(duì)于僅風(fēng)蝕試驗(yàn)處理，風(fēng)蝕后的土壤表面發(fā)生了明顯粗化（圖3a）。而前期不同降雨強(qiáng)度的坡面水蝕作用后，地表形成了土壤結(jié)皮，其對(duì)土壤抵抗風(fēng)蝕作用有顯著影響。與100 mm/h降雨強(qiáng)度相比，在50 mm/h降雨強(qiáng)度下，由于雨滴動(dòng)能較小，且徑流搬運(yùn)能力較弱，大量的土壤顆粒被分散后一部分隨徑流流失，另一部分富集在地表（圖3b），但相較于前期無降雨僅風(fēng)蝕試驗(yàn)處理而言，其在不同風(fēng)速作用下的土壤風(fēng)蝕量均較小；而100 mm/h降雨強(qiáng)度作用下的坡面在雨滴打擊作用下形成光滑致密的土壤結(jié)皮（圖3c），土壤結(jié)皮的形成不僅影響后續(xù)降雨過程中的土壤入滲，某種程度上將增加地表徑流并導(dǎo)致土壤水蝕加劇。另一方面，降雨形成的土壤結(jié)皮風(fēng)干后，土壤表面相對(duì)穩(wěn)定性增強(qiáng)[36]，地表土壤結(jié)皮強(qiáng)度的增加使得風(fēng)蝕過程中土壤顆粒在床面跳動(dòng)時(shí)減少了對(duì)地表的磨蝕[37]，同時(shí)前期坡面水蝕作用后殘留在地表的土壤顆粒明顯減少，在一定程度上減少了后期土壤風(fēng)蝕的物質(zhì)來源，從而抑制了風(fēng)蝕的發(fā)生。這也是土壤風(fēng)蝕量隨前期坡面水蝕作用的降雨強(qiáng)度增加而減少的重要原因，同時(shí)也解釋了相對(duì)于風(fēng)速和空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度的變化，降雨強(qiáng)度的增加對(duì)后期土壤風(fēng)蝕強(qiáng)度的削弱作用越明顯這一結(jié)論。

另外，在100 mm/h降雨強(qiáng)度試驗(yàn)處理下，坡面水蝕形式由最初的濺蝕發(fā)展為片蝕，并隨著降雨歷時(shí)的增加，在降雨后期逐漸發(fā)育出現(xiàn)細(xì)溝雛形，進(jìn)而發(fā)展成為細(xì)溝侵蝕，導(dǎo)致地表粗糙度明顯增加，使前期坡面水蝕作用對(duì)后期土壤風(fēng)蝕作用的抑制程度增大，進(jìn)而使后期風(fēng)蝕過程中土壤風(fēng)蝕量減少。相關(guān)研究表明[38]，坡面水蝕演變?yōu)榧?xì)溝侵蝕后，在進(jìn)一步的風(fēng)蝕過程會(huì)產(chǎn)生“狹管效應(yīng)”，從而加劇風(fēng)蝕，這一結(jié)果有待于進(jìn)一步深入研究。

4 結(jié) 論

前期不同降雨強(qiáng)度的坡面水蝕作用后的土壤風(fēng)蝕量明顯減小，其對(duì)地表產(chǎn)生了抗風(fēng)蝕效應(yīng)，其中，在50和100 mm/h降雨強(qiáng)度試驗(yàn)處理下，不同風(fēng)速作用下的抗風(fēng)蝕效率分別為68.4%～96.2%和77.2%～97.6%，且隨降雨強(qiáng)度增加，其抗風(fēng)蝕效率越大。土壤風(fēng)蝕強(qiáng)度受前期坡面水蝕作用中降雨強(qiáng)度和風(fēng)速的綜合影響，土壤風(fēng)蝕強(qiáng)度隨降雨強(qiáng)度的增大而減少，隨風(fēng)速的增大而增加。但降雨強(qiáng)度的增加對(duì)土壤風(fēng)蝕的抑制效果愈明顯。

前期坡面水蝕作用對(duì)土壤風(fēng)蝕過程有重要影響。前期坡面水蝕作用后的土壤風(fēng)蝕輸沙量和輸沙高度均有所減小。其中，在9、12 和15 m/s 風(fēng)速的風(fēng)蝕作用下，50和100 mm/h 降雨強(qiáng)度的前期坡面水蝕作用使得風(fēng)蝕輸沙量分別減小15.4%、89.4%、96.1%和27.8%、93.3%、96.2%，對(duì)應(yīng)的輸沙高度分別減小8～12和14～16 cm。土壤風(fēng)蝕輸沙量隨前期坡面水蝕作用中降雨強(qiáng)度的增大而減小，而隨地表高度的變化均呈現(xiàn)指數(shù)減小的變化趨勢(shì)。

前期不同降雨強(qiáng)度的坡面水蝕作用改變了土壤性質(zhì)和地表形態(tài)，其中，空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度減小增加了土壤風(fēng)蝕的可能性，但降雨形成的土壤結(jié)皮增大了地表土壤抗剪強(qiáng)度和土壤緊實(shí)度，導(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性增加，抗風(fēng)蝕能力增強(qiáng)；同時(shí)，前期坡面水蝕作用減少了地表殘留的土壤顆粒，減少了土壤風(fēng)蝕的物質(zhì)來源，抑制了土壤風(fēng)蝕的發(fā)生。