典型薄層黑土區(qū)前期地表風(fēng)蝕作用影響坡面水蝕的研究*

左小鋒，鄭粉莉，2?，張加瓊，2，王一菲，桑琦明，張勛昌，王 磊，王 倫

（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)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西楊凌 712100；2. 中國科學(xué)院水利部水土保持研究所，陜西楊凌 712100；3. 美國農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)研究局牧草地實(shí)驗(yàn)室，美國 俄克拉荷馬厄爾雷諾 73036）

土壤風(fēng)蝕和水蝕對(duì)全球生態(tài)環(huán)境造成的嚴(yán)重危害已受到廣泛關(guān)注。目前關(guān)于風(fēng)力或水力單獨(dú)作用下的土壤侵蝕研究已取得了豐碩成果[1-6]，而對(duì)風(fēng)力水力相互疊加相互作用的復(fù)合土壤侵蝕研究相對(duì)薄弱。近10多年來，有關(guān)風(fēng)力和水力等多種侵蝕營力疊加或耦合作用形成的復(fù)合土壤侵蝕研究已成為研究的重點(diǎn)領(lǐng)域和熱點(diǎn)問題。根據(jù)風(fēng)力和水力在時(shí)間和空間上是否同步發(fā)生而產(chǎn)生的不同耦合關(guān)系，將風(fēng)力水力復(fù)合侵蝕（風(fēng)水復(fù)合侵蝕）分為風(fēng)力水力（風(fēng)水）共同侵蝕和風(fēng)水交替侵蝕[7]，風(fēng)水共同侵蝕的實(shí)質(zhì)仍是水蝕，只是風(fēng)力作用改變了降雨能量；風(fēng)水交替侵蝕的實(shí)質(zhì)是一種侵蝕營力通過對(duì)地表物質(zhì)的侵蝕、搬運(yùn)和沉積，為另一種侵蝕發(fā)生提供了物質(zhì)基礎(chǔ)，并重新塑造了地表侵蝕形態(tài)[8]；其侵蝕特點(diǎn)（包括能量供應(yīng)[9]、物質(zhì)供應(yīng)[8]等）與單一外營力（風(fēng)力或水力）侵蝕不盡相同[10]。這種風(fēng)水交替侵蝕表現(xiàn)為風(fēng)力侵蝕和水力侵蝕在空間上的疊加和在時(shí)間上的交替，也是本文研究的內(nèi)容。

近年來，關(guān)于風(fēng)水復(fù)合侵蝕方面的研究取得了重要進(jìn)展，諸多學(xué)者通過野外調(diào)查、風(fēng)洞模擬和降雨模擬試驗(yàn)、模型模擬（USLE模型）、同位素示蹤技術(shù)（137Cs、7Be）、粒度對(duì)比法等方法研究了風(fēng)力水力復(fù)合侵蝕特征[8]。脫登峰等[10]采用先風(fēng)洞試驗(yàn)后模擬降雨的方法，研究了風(fēng)力和水力兩相侵蝕條件下的坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙特征，結(jié)果表明風(fēng)蝕改變了降雨產(chǎn)沙隨降雨強(qiáng)度變化的定量關(guān)系，且風(fēng)蝕作用對(duì)水蝕產(chǎn)生了明顯的正交互效應(yīng)；王禹等[11]結(jié)合137Cs示蹤技術(shù)和USLE模型模擬，區(qū)分東北厚層黑土區(qū)坡耕地水蝕和風(fēng)蝕速率。海春興等[12]認(rèn)為風(fēng)力水力復(fù)合侵蝕并非兩種侵蝕方式的簡單相加，而是二者相互加速或減速的作用過程；但風(fēng)力和水力二者交互作用增加或減小土壤侵蝕的程度仍不明確，其相互作用的機(jī)理也不甚清楚。此外，在風(fēng)蝕作用對(duì)水蝕影響的機(jī)理研究中，主要集中在前一種侵蝕營力通過改變下墊面，從而影響后一種侵蝕營力作用下的侵蝕過程，如風(fēng)蝕對(duì)地表物質(zhì)的吹蝕和摩擦導(dǎo)致土壤表層質(zhì)地粗化，形成沙波紋或風(fēng)蝕凹痕微形態(tài)，使地表粗糙度增加，而地表形態(tài)的變化改變了降雨過程的坡面徑流路徑和流速，進(jìn)而影響水蝕過程的地表徑流和侵蝕過程[10，13]。盡管以往在風(fēng)力水力復(fù)合侵蝕研究方面取得了一定的進(jìn)展，但大多研究集中在我國黃土高原風(fēng)蝕水蝕交錯(cuò)區(qū)，且風(fēng)力和水力疊加作用下的坡面土壤侵蝕過程與機(jī)理研究仍較薄弱[9]。因此，亟需加強(qiáng)風(fēng)蝕和水蝕交互影響下的坡面土壤侵蝕過程與機(jī)理研究，以期為針對(duì)性開展復(fù)合土壤侵蝕防治提供理論指導(dǎo)。

東北黑土區(qū)特殊的地理環(huán)境特征決定了其坡面土壤侵蝕受降雨、風(fēng)力、凍融和融雪徑流等多種外營力的復(fù)合影響，其中主要以水蝕（包括降雨和融雪侵蝕）和風(fēng)蝕為主[14]。由于該地區(qū)晚春農(nóng)田地表裸露且干旱多風(fēng)，而夏季和秋季降雨集中，必然導(dǎo)致了兩種外營力（風(fēng)力和水力）作用下的復(fù)合土壤侵蝕在時(shí)間上更替和在空間上疊加的特征[15]，從而進(jìn)一步加劇了坡面土壤侵蝕。盡管以往對(duì)東北黑土區(qū)開展了大量的土壤侵蝕研究，但主要集中于單一侵蝕營力作用下的坡面水蝕研究，而對(duì)多種外營力相互作用的復(fù)合侵蝕研究相對(duì)較少，尤其對(duì)風(fēng)力水力復(fù)合土壤侵蝕過程與機(jī)理研究更加薄弱。鑒于此，本研究以侵蝕嚴(yán)重的黑龍江省賓州河流域典型薄層黑土區(qū)為研究區(qū)，通過室內(nèi)風(fēng)洞試驗(yàn)和模擬降雨試驗(yàn)相結(jié)合的方法，研究前期地表風(fēng)蝕作用對(duì)黑土坡面水蝕的影響，以期豐富多營力作用的復(fù)合侵蝕理論，并為黑土區(qū)土壤侵蝕防治提供理論支持。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)土壤采自黑龍江省賓縣賓州河流域（127°25′36″E，45°45′22″N）坡耕地表層0～20 cm耕層土壤，該流域?qū)儆跂|北典型薄層黑土區(qū)（黑土層厚度小于30 cm）[16]，從20世紀(jì)90年代以來，一直被作為薄層黑土區(qū)和侵蝕嚴(yán)重區(qū)的典型代表[17]，具有“漫川漫崗”和長緩坡（坡長為500～2 000 m、坡度為1°～7°）的地貌特點(diǎn)[18]。該流域每年春季3—4月份為春耕春播季節(jié)，坡耕地大多裸露、土層疏松和土壤含水量較低，且每年3—5月份平均風(fēng)速大、大風(fēng)日數(shù)多，導(dǎo)致該時(shí)段極易形成強(qiáng)烈的土壤風(fēng)蝕環(huán)境[19-20]。而夏秋季降雨集中，其中6—9月的降雨量占全年總降雨量的80%左右，容易造成風(fēng)蝕后的水蝕發(fā)生。正是該流域特殊的地理環(huán)境特征，導(dǎo)致坡耕地風(fēng)水復(fù)合侵蝕在時(shí)間上的更替和在空間上的疊加[15]。因此選取賓州河流域采集供試土壤，使其研究結(jié)果能較好地代表東北薄層黑土區(qū)坡面風(fēng)水復(fù)合侵蝕的狀況。

在野外坡耕地采樣時(shí)，于晚春（4月）起壟播種前通過野外調(diào)查，并結(jié)合An等[21]基于137Cs對(duì)賓州河流域侵蝕量的估算，選取面積為35 hm2、坡度介于1°～7°的坡耕地為采樣地，采用網(wǎng)格法，將采樣地按照10 m×10 m的網(wǎng)格進(jìn)行劃分，并在每個(gè)網(wǎng)格內(nèi)按“S型”每隔2 m采集耕層0～20 cm深度的土壤樣品6～8個(gè)（每個(gè)樣點(diǎn)的土壤樣品質(zhì)量約5 kg），然后將土壤樣品裝入編織袋后運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室。在實(shí)驗(yàn)室對(duì)采集的所有試驗(yàn)土壤，先去除作物秸稈和根系等雜物，然后將試驗(yàn)土樣中長度為3～8 cm和寬度為3～5 cm大土塊沿節(jié)理和裂隙掰成3～5塊2～3 cm的小塊后，再將所有土樣充分混合均勻后裝入編織袋，并置于陰涼干燥處備用。此外，在對(duì)試驗(yàn)土樣的整個(gè)處理過程中不做研磨和過篩處理，最大可能保持土壤原有結(jié)構(gòu)。

采用吸管法測(cè)定試驗(yàn)土壤各粒級(jí)含量，并采用美國農(nóng)業(yè)部土壤質(zhì)地分級(jí)制對(duì)試驗(yàn)土壤進(jìn)行顆粒分級(jí)，其顆粒組成分別為：砂粒（0.05～2 mm）含量9.3%，粉粒（0.002～0.05 mm）含量61.3%，黏粒（<0.002 mm）含量29.4%，土壤質(zhì)地為粉黏壤，這一結(jié)果與王彬等[22]對(duì)賓州河流域6個(gè)典型坡面采集的178個(gè)土壤樣品的土壤質(zhì)地判定結(jié)果相同。在冬季和初春的凍融循環(huán)作用下易造成該質(zhì)地土壤結(jié)構(gòu)和土壤性質(zhì)發(fā)生改變，尤其是表層土壤變得疏松且細(xì)碎，加上春耕春播季節(jié)起壟對(duì)土壤的擾動(dòng)作用，為風(fēng)蝕提供了侵蝕物質(zhì)；而夏秋季節(jié)降雨集中時(shí)，該質(zhì)地土壤遇水黏結(jié)，透水性差，容易形成“上層滯水”現(xiàn)象，易產(chǎn)生地表徑流，從而導(dǎo)致嚴(yán)重的水力侵蝕。因此該土壤質(zhì)地對(duì)東北典型薄層黑土區(qū)坡耕地風(fēng)水復(fù)合侵蝕有很大影響。采樣地塊的耕層土壤容重為1.20 g·cm–3，pH（水浸提法，水土比2.5∶1）為6.1，有機(jī)質(zhì)（重鉻酸鉀氧化-外加熱法）含量為20.25 g·kg–1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

風(fēng)洞試驗(yàn)和模擬降雨試驗(yàn)于2018年6月至2019年10月在黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室人工模擬降雨大廳和風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。風(fēng)洞試驗(yàn)采用自動(dòng)控制風(fēng)速的直流吹氣式風(fēng)洞設(shè)備，風(fēng)洞尺寸為24 m（長）×1 m（寬）×1.2 m（高），由 風(fēng)機(jī)段、調(diào)節(jié)段、整流段、實(shí)驗(yàn)段、集沙段和導(dǎo)流段六部分組成。風(fēng)速調(diào)節(jié)主要通過調(diào)節(jié)與風(fēng)機(jī)配套的變頻器（0～50 Hz）達(dá)到所設(shè)定的目標(biāo)風(fēng)速，風(fēng)速在0～17 m·s–1范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。在風(fēng)洞試驗(yàn)段中心位置安裝9個(gè)不同高度（距試驗(yàn)土槽表面向上依次為1、3、5、8、10、12、16、20和60 cm）的皮托管測(cè)定風(fēng)速。試驗(yàn)的目標(biāo)風(fēng)速為風(fēng)洞軸心高度（60 cm）測(cè)定的風(fēng)速，其余8個(gè)皮托管測(cè)定試驗(yàn)土槽上方的風(fēng)速廓線。

模擬降雨試驗(yàn)裝置為中國科學(xué)院水利部水土保持研究所研制的側(cè)噴式人工模擬降雨機(jī)。降雨強(qiáng)度通過降雨機(jī)噴頭內(nèi)孔板直徑大小和降雨機(jī)上閥門控制供水壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)，其降雨強(qiáng)度可調(diào)范圍為30～230 mm·h–1，有效降雨面積大于16 m2，降雨均勻度大于85%[23]。降雨機(jī)支架高度為5 m，雨滴上噴高度為1.5 m，故實(shí)際雨滴降落高度為6.5 m。在試驗(yàn)過程中利用激光雨滴能譜儀（LPM）分別測(cè)定了不同降雨強(qiáng)度下的雨滴直徑和雨滴速度，發(fā)現(xiàn)6.5 m的降雨高度可使88%的雨滴達(dá)到終點(diǎn)速度[24]；且模擬的天然降雨動(dòng)能可達(dá)95.3%以上[25]。因此，在該條件下進(jìn)行的模擬降雨試驗(yàn)可滿足試驗(yàn)要求。在進(jìn)行降雨試驗(yàn)前先將降雨機(jī)移動(dòng)至試驗(yàn)土槽前后約2 m處，使降雨機(jī)噴頭正對(duì)試驗(yàn)土槽中心線，確保試驗(yàn)土槽的降雨均勻度達(dá)到95%以上。

試驗(yàn)所用土槽由槽身和集流口組成，其槽身與集流口可分離。試驗(yàn)土槽為100 cm（長）×50 cm（寬）×15 cm（高）規(guī)格的風(fēng)蝕、水蝕兩用型鋼槽，試驗(yàn)土槽后端和左右兩側(cè)上部5 cm與其下部10 cm槽體用合頁連接，可上下自由翻折，以同時(shí)滿足風(fēng)洞試驗(yàn)和模擬降雨試驗(yàn)的需求。風(fēng)洞試驗(yàn)時(shí)，將試驗(yàn)土槽合頁連接的上部5 cm鋼板向下翻折，以保證試驗(yàn)土壤表面與風(fēng)洞底板平齊；而在模擬降雨試驗(yàn)過程中將試驗(yàn)土槽合頁連接的上部5 cm鋼板豎起，以防止土粒飛濺和地表徑流溢出試驗(yàn)土槽；同時(shí)將集流口與槽身連接，以收集降雨過程的徑流泥沙樣。試驗(yàn)土槽底部的坡度調(diào)節(jié)架可調(diào)節(jié)相應(yīng)的坡度，其調(diào)節(jié)范圍為0°～20°。試驗(yàn)土槽實(shí)際填土高度為10 cm。試驗(yàn)設(shè)備如圖1所示。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為模擬東北黑土區(qū)坡耕地春夏交替季節(jié)農(nóng)耕地的土壤侵蝕狀況，本研究先進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)，然后在前期風(fēng)蝕作用形成的下墊面形態(tài)基礎(chǔ)上再進(jìn)行風(fēng)水同向（坡面徑流方向與風(fēng)速同向）的模擬降雨試驗(yàn)；同時(shí)，以前期地表無風(fēng)蝕作用僅有降雨試驗(yàn)處理作為對(duì)照，分析風(fēng)蝕作用對(duì)坡面水蝕的貢獻(xiàn)。根據(jù)課題組野外多年觀測(cè)資料，東北黑土區(qū)臨界起沙風(fēng)速約為8 m·s–1（即5級(jí)風(fēng)），極端瞬時(shí)最大風(fēng)速可達(dá)30 m·s–1[26]，故風(fēng)洞試驗(yàn)設(shè)計(jì)3個(gè)風(fēng)速（9、12、15 m·s–1）。參照東北黑土區(qū)侵蝕性降雨標(biāo)準(zhǔn)[27]，降雨主要為不超過1 h的短歷時(shí)、高強(qiáng)度降雨[28]，且東北黑土區(qū)地面坡度一般為1°～8°[26]，大于5°的坡面土壤侵蝕強(qiáng)度達(dá)到中度或重度侵蝕[29]?；谝陨蠘?biāo)準(zhǔn)和田間實(shí)際情況，模擬降雨試驗(yàn)土壤前期含水量為51.4 g·kg–1；地表坡度為7°，設(shè)計(jì)2個(gè)降雨強(qiáng)度（50、100 mm·h–1），降雨歷時(shí)為45 min。每個(gè)試驗(yàn)處理重復(fù)2次，具體試驗(yàn)設(shè)計(jì)如表1所示。

表1 試驗(yàn)設(shè)計(jì) Table 1 Experimental design

1.4 試驗(yàn)步驟

（1）填裝試驗(yàn)土槽。為保證試驗(yàn)土槽在降雨過程中具有良好的透水性，在試驗(yàn)土槽底部均勻打孔，先在試驗(yàn)土槽底部填2 cm細(xì)沙，并在其上覆蓋紗布，然后在沙層上部填裝8 cm厚的試驗(yàn)土壤。根據(jù)野外現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，典型薄層黑土區(qū)坡耕地耕層土壤容重為0.91～1.32 g·cm–3[16]，平均值約為1.20 g·cm–3，故本研究設(shè)計(jì)的土壤容重為1.20 g·cm–3。試驗(yàn)土槽填土前，先測(cè)定試驗(yàn)土壤含水量（土壤質(zhì)量含水量約為51.4 g·kg–1），然后根據(jù)土壤容重計(jì)算每層土層所需的土壤質(zhì)量。填土?xí)r采用分層填土的方式進(jìn)行，即按4 cm裝填土后將表層刮毛再裝填4 cm土層，以保證填土的均勻性和整體性。

（2）風(fēng)洞試驗(yàn)。為保證風(fēng)洞試驗(yàn)過程中風(fēng)速的均勻性，正式試驗(yàn)前需進(jìn)行風(fēng)速的率定。當(dāng)率定風(fēng)速與設(shè)計(jì)的目標(biāo)風(fēng)速間的誤差小于5%時(shí)，方可進(jìn)行正式風(fēng)洞試驗(yàn)。將填裝好的試驗(yàn)土槽輕輕放入風(fēng)洞內(nèi)試驗(yàn)段，調(diào)整土槽高度使土體表面與風(fēng)洞底板在同一高度，然后將試驗(yàn)土槽周邊密封，以60 cm高度的軸心風(fēng)速為基準(zhǔn)，設(shè)定相應(yīng)的目標(biāo)風(fēng)速（9、12和15 m·s–1），同時(shí)測(cè)定不同高度的風(fēng)速，試驗(yàn)歷時(shí)20 min。

（3）模擬降雨試驗(yàn)。風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)束后，連接試驗(yàn)土槽的槽身和集流口，并將試驗(yàn)土槽合頁連接的上部5 cm鋼板豎起并固定即可進(jìn)行模擬降雨試驗(yàn)，降雨之前先調(diào)整好試驗(yàn)土槽的坡度和位置，使徑流方向與風(fēng)向一致。為了保證降雨均勻度和降雨強(qiáng)度均達(dá)到試驗(yàn)要求，每次正式降雨前須對(duì)降雨強(qiáng)度進(jìn)行率定。正式降雨開始后觀察坡面產(chǎn)流情況，并記錄產(chǎn)流時(shí)間，待坡面產(chǎn)流后接取第一個(gè)徑流泥沙樣，隨后按3 min間隔收集徑流泥沙樣。并用染色劑法（高錳酸鉀溶液示蹤法）測(cè)定坡面徑流流速，并根據(jù)坡面水流流態(tài)將測(cè)量的坡面流速乘以修正系數(shù)得到坡面徑流平均流速。降雨45 min后，稱取徑流泥沙樣質(zhì)量，靜置倒掉上層清液，然后置于105 ℃的干燥箱中烘干（24 h）并用精度為0.01 g的電子天平稱取泥沙質(zhì)量，進(jìn)一步計(jì)算徑流量和水蝕量。

1.5 指標(biāo)測(cè)定

風(fēng)蝕作用前后的地表粗糙度采用鏈條法[30]在不同風(fēng)速下分別測(cè)定：

式中，Cr表示地表粗糙度，L1為原始鏈條的長度（mm），L2為鏈條置于坡面縮短后的水平長度（mm）。

土壤抗剪強(qiáng)度采用型號(hào)為GEONOR7189的十字板剪切儀測(cè)定。

土壤硬度采用型號(hào)為Spectrum SC 900的土壤緊實(shí)度儀進(jìn)行測(cè)定。

坡面徑流的流速采用染色劑法進(jìn)行測(cè)定，降雨過程中實(shí)際測(cè)得的徑流流速為坡面最大流速，坡面徑流平均流速的取值須根據(jù)坡面水流流態(tài)將坡面最大流速乘以修正系數(shù)[31]，其表達(dá)式如下：

式中，V為坡面徑流平均流速（cm·s–1）；Vm為坡面徑流最大流速（cm·s–1）；k為修正系數(shù)（層流和過渡流取值為0.67，紊流為0.8），本研究中k=0.67。

Darcy-Weisbach阻力系數(shù)（f）是表示水流在流動(dòng)過程中受到土壤表面阻止其向下流動(dòng)的力。

徑流剪切力是在坡面形成徑流后產(chǎn)生的克服土粒間作用力時(shí)的剪切力，根據(jù)Foster和Meyer[32]提出的公式進(jìn)行計(jì)算：

式中，τ為徑流剪切力（N·m–2），γ為水的重度（kg·m–3），γ=ρg。R為水力半徑（cm），用坡面薄層水流的水深代替；J為水力能坡（Pa），用坡度的正弦值表示。

1.6 數(shù)據(jù)處理與分析

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析與作圖應(yīng)用Excel 2010和SPSS 22.0軟件完成，將兩個(gè)重復(fù)處理的數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差分析，當(dāng)二者相對(duì)誤差小于10%時(shí)，認(rèn)為試驗(yàn)的重復(fù)性較好和試驗(yàn)數(shù)據(jù)質(zhì)量可靠；然后利用SPSS 22.0軟件中的方差分析（最小顯著性差異法）進(jìn)行各指標(biāo)間的顯著性檢驗(yàn)。

2 結(jié) 果

2.1 前期地表風(fēng)蝕作用對(duì)黑土坡面徑流和侵蝕的影響

前期地表風(fēng)蝕作用通過改變坡面表層的微地貌和土壤性質(zhì)，影響后期降雨入滲和徑流路徑，進(jìn)而影響坡面徑流和土壤侵蝕狀況[33]。表2表明，與前 期無風(fēng)蝕作用僅有模擬降雨試驗(yàn)處理（試驗(yàn)處理Ⅱ）相比，前期地表風(fēng)蝕作用影響后期降雨過程的坡面產(chǎn)流時(shí)間，但不同風(fēng)速的風(fēng)蝕作用對(duì)后期降雨產(chǎn)流時(shí)間的影響存在差異；坡面產(chǎn)流時(shí)間隨著前期風(fēng)蝕試驗(yàn)中風(fēng)速的增大而逐漸延長。表2顯示前期地表風(fēng)蝕作用導(dǎo)致坡面徑流量和水蝕量顯著增加（P<0.05）。對(duì)于前期無風(fēng)蝕作用僅有模擬降雨試驗(yàn)處理（試驗(yàn)處理Ⅱ），50 mm·h–1降雨強(qiáng)度下的坡面徑流量、水蝕量和徑流含沙量分別為23.8 mm、116.9 g·m–2和4.9 g·L–1，100 mm·h–1降雨強(qiáng)度下三者分別為52.3 mm、1124.9 g·m–2和22.1 g·L–1。與試驗(yàn)處理II相比，在9、12和15 m·s–1風(fēng)速的前期風(fēng)蝕作用下，50 mm·h–1降雨強(qiáng)度下的坡面徑流量、水蝕量和徑流含沙量分別增加8.2%～17.9%、21.9%～104.3%和12.7%～72.9%；100 mm·h–1降雨強(qiáng)度下，三者分別增加1.2%～8.8%、10.9%～49.5%和3.1%～32.7%。這說明50 mm·h–1降雨強(qiáng)度下前期地表風(fēng)蝕作用對(duì)坡面徑流量、水蝕量和徑流含沙量的影響大于100 mm·h–1降雨強(qiáng)度。此外，從表2可知，三個(gè)風(fēng)速下的風(fēng)蝕作用對(duì)坡面徑流量、水蝕量和徑流含沙量的影響存在顯著差異，且三者皆隨前期土壤風(fēng)蝕作用的風(fēng)速增大而增加。

表2 有/無前期風(fēng)蝕作用下的坡面徑流量和水蝕量對(duì)比 Table 2 Comparison between slopes of the control and treatments in runoff and water erosion

2.2 前期地表風(fēng)蝕作用對(duì)黑土坡面徑流過程的影響

圖2顯示，對(duì)于50 mm·h–1降雨強(qiáng)度的試驗(yàn)處理，有/無前期風(fēng)蝕作用下，坡面徑流強(qiáng)度隨降雨歷時(shí)的變化均呈增加的趨勢(shì)；而對(duì)于100 mm·h–1降雨強(qiáng)度的試驗(yàn)處理，有/無前期風(fēng)蝕作用下，坡面徑流強(qiáng)度隨降雨歷時(shí)的變化均呈現(xiàn)先快速增加而后趨于穩(wěn)定的變化趨勢(shì)。對(duì)于有前期地表風(fēng)蝕作用的降雨試驗(yàn)處理，三個(gè)風(fēng)速下風(fēng)蝕作用后的坡面徑流強(qiáng)度變化規(guī)律基本一致；但與無前期風(fēng)蝕作用僅有降雨試驗(yàn)處理相比，其徑流強(qiáng)度的增加幅度存在差異，且不同降雨強(qiáng)度下出現(xiàn)穩(wěn)定徑流的時(shí)間也不相同。在降雨過程中，坡面徑流的變化與土壤水分入滲密切相關(guān)。當(dāng)土壤水分接近飽和時(shí)，降水入滲量很少，使入滲過程變化趨于相對(duì)穩(wěn)定，從而坡面徑流過程變化也趨于平穩(wěn)，此時(shí)的徑流強(qiáng)度也逐漸達(dá)到穩(wěn)定[34-35]。在50 mm·h–1降雨強(qiáng)度下，前期無風(fēng)蝕作用僅有降雨試驗(yàn)處理中坡面平均徑流強(qiáng)度為31.5 mm·h–1，而經(jīng)過前期不同風(fēng)速（9、12和15 m·s–1）的風(fēng)蝕作用后坡面平均徑流強(qiáng)度分別為34.2、36.0和37.1 mm·h–1，其較前期無風(fēng)蝕作用僅有降雨試驗(yàn)處理分別增加8.8%、14.5%和37.1%，徑流強(qiáng)度在36 min左右趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定徑流強(qiáng)度介于38.7～44.2 mm·h–1之間。在100 mm·h–1降雨強(qiáng)度下，前期無風(fēng)蝕作用僅有降雨試驗(yàn)處理中坡面平均徑流強(qiáng)度為69.4 mm·h–1，而前期經(jīng)過不同風(fēng)速（9、12和15 m·s–1）的風(fēng)蝕作用后坡面平均徑流強(qiáng)度分別為70.7、73.3和75.2 mm·h–1，其較前期無風(fēng)蝕作用的降雨試驗(yàn)處理分別增加1.9%、5.7%和8.4%，徑流強(qiáng)度達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間縮短至18 min左右，穩(wěn)定徑流強(qiáng)度介于70.8～85.2 mm·h–1之間。由此可知，與100 mm·h–1降雨強(qiáng)度相比，在50 mm·h–1降雨強(qiáng)度下，經(jīng)過前期地表風(fēng)蝕作用后坡面徑流強(qiáng)度的增加幅度較大，其出現(xiàn)穩(wěn)定徑流的時(shí)間延遲了18 min。說明前期地表風(fēng)蝕作用對(duì)坡面徑流的影響在較小雨強(qiáng)下更為明顯，而隨著降雨強(qiáng)度增加，削弱了前期地表風(fēng)蝕作用對(duì)坡面徑流的影響[33]。

2.3 前期地表風(fēng)蝕作用對(duì)黑土坡面水蝕過程的影響

圖3表明，在50 mm·h–1降雨強(qiáng)度下，前期無風(fēng)蝕作用僅有降雨試驗(yàn)處理，坡面水蝕強(qiáng)度隨降雨歷時(shí)的變化呈現(xiàn)先增加后趨于穩(wěn)定的變化趨勢(shì)，坡面水蝕強(qiáng)度變化于0.3～1.5 g·min–1之間。而對(duì)于前期地表風(fēng)蝕作用后再進(jìn)行降雨的試驗(yàn)處理，在三個(gè)風(fēng)速的風(fēng)蝕作用下，坡面水蝕強(qiáng)度隨降雨歷時(shí)的變化呈先增加后略有下降的變化趨勢(shì)，坡面水蝕強(qiáng)度分別變化于0.4～2.5、0.4～2.6和0.5～3.8 g·min–1之間。在100 mm·h–1降雨強(qiáng)度下，前期無風(fēng)蝕作用僅有降雨試驗(yàn)處理，坡面水蝕強(qiáng)度隨降雨歷時(shí)的變化均呈現(xiàn)先快速增加后快速下降而后趨于穩(wěn)定的變化趨勢(shì)，其坡面水蝕強(qiáng)度變化于8.1～18.3 g·min–1之間。而對(duì)于前期地表風(fēng)蝕作用后再進(jìn)行降雨的試驗(yàn)處理，在三個(gè)風(fēng)速的前期地表風(fēng)蝕作用下，坡面水蝕強(qiáng)度隨降雨歷時(shí)的變化均呈現(xiàn)先快速增加后快速下降而后期波動(dòng)變化的趨勢(shì)，坡面水蝕強(qiáng)度分別變化于4.7～19.2、7.4～22.2和5.4～23.2 g·min–1之間。

上述結(jié)果表明，前期地表風(fēng)蝕作用改變了后期坡面水蝕過程，兩個(gè)降雨強(qiáng)度下的坡面水蝕強(qiáng)度及其峰值均隨前期地表風(fēng)蝕作用的風(fēng)速增大而增加；同時(shí)前期地表風(fēng)蝕作用對(duì)坡面水蝕過程的影響也與降雨強(qiáng)度有關(guān)。這也表明東北黑土區(qū)坡耕地土壤侵蝕受前期地表風(fēng)蝕作用的風(fēng)速和降雨過程中降雨強(qiáng)度的綜合影響。

2.4 前期地表風(fēng)蝕作用對(duì)坡面水蝕的貢獻(xiàn)

由表3可知，前期地表風(fēng)蝕作用對(duì)坡面徑流和侵蝕的貢獻(xiàn)隨前期地表風(fēng)蝕作用的風(fēng)速增大而顯著增加。在50 mm·h–1降雨強(qiáng)度下，9、12和15 m·s–1風(fēng)速的前期地表風(fēng)蝕作用對(duì)坡面徑流量和水蝕量的貢獻(xiàn)率分別為8.5%、14.5%、17.8%和24.2%、45.4%、80.3%；在100 mm·h–1降雨強(qiáng)度下，其對(duì)坡面徑流量和水蝕量的貢獻(xiàn)率分別為1.9%、4.6%、7.7%和17.5%、26.3%、46.3%。與100 mm·h–1降雨強(qiáng)度相比，50 mm·h–1降雨強(qiáng)度下，三個(gè)風(fēng)速的前期地表風(fēng)蝕作用對(duì)坡面徑流量和水蝕量的貢獻(xiàn)率分別增加6.6%、9.9%、10.1%和6.7%、19.1%、34.0%。說明前期地表風(fēng)蝕作用對(duì)后期坡面水蝕產(chǎn)生了正向效應(yīng)[10]，且在小雨強(qiáng)下，前期地表風(fēng)蝕作用對(duì)后期坡面徑流和侵蝕貢獻(xiàn)較大。

表3 前期地表風(fēng)蝕作用對(duì)后期坡面徑流和侵蝕的貢獻(xiàn) Table 3 Contribution of foregoing wind erosion to late-on runoff and erosion on hillslope

3 討 論

前期地表風(fēng)蝕作用導(dǎo)致坡面表層土壤結(jié)構(gòu)疏松、地表粗糙度和地表形態(tài)改變是影響后期坡面水蝕的重要原因。本研究試驗(yàn)過程中分別測(cè)定了前期三個(gè)風(fēng)速下風(fēng)蝕作用前后地表土壤抗剪強(qiáng)度和土壤硬度等土壤抗蝕性指標(biāo)（表4），結(jié)果表明，9、12、15 m·s–1三個(gè)風(fēng)速下土壤抗剪強(qiáng)度和土壤硬度分別減小2.9%～8.2%和4.4%～12.3%。此外，有研究者通過對(duì)比分析風(fēng)蝕過程中地表和集沙儀收集到的土壤顆粒組成，發(fā)現(xiàn)風(fēng)蝕作用使地表土壤細(xì)顆粒明顯減小，而粗顆粒有所增加[36]，脫登峰[37]對(duì)比了有無風(fēng)蝕作用后的地表土壤顆粒，發(fā)現(xiàn)風(fēng)蝕作用可以使表層（0～1 cm）土壤砂粒含量增加6.51%～6.74%，黏粒含量和粉粒含量分別降低7.65%～9.15%和17.94%～18.15%，說明前期風(fēng)蝕作用導(dǎo)致地表土壤質(zhì)地粗化，同時(shí)風(fēng)力作用使土壤抗剪強(qiáng)度和土壤硬度降低，土壤變得相對(duì)疏松，從而破壞了土壤結(jié)構(gòu)，改變了土壤性質(zhì)，致使抗沖性降低[38]，這也是前期風(fēng)蝕作用導(dǎo)致后期坡面水蝕量顯著增加的重要原因。

表4 不同風(fēng)速作用下土壤抗蝕性指標(biāo)的變化 Table 4 Variation of soil corrosion resistance indices relative to wind velocity

試驗(yàn)過程還發(fā)現(xiàn)，由于風(fēng)蝕過程中顆粒幾何形狀不規(guī)則、空間位置和受力狀況不同的土壤團(tuán)聚體顆粒碰撞、沖擊地面沙粒時(shí)，一部分土壤顆粒會(huì)形成風(fēng)沙流。本研究在風(fēng)洞試驗(yàn)過程中分別測(cè)定了9、12、15 m·s–1三個(gè)風(fēng)速下的風(fēng)蝕輸沙量，其值分別為1.62、20.39和88.95 g·m–2，輸沙高度基本在距地表50 cm以內(nèi)，其中，0～20 cm高度范圍的輸沙量分別占總輸沙量的92.9%、97.3%和98.4%，其與臧英和高煥文[39]研究的躍移顆粒分布高度（30 cm以內(nèi)）和占總輸沙量的比例（50%～80%）皆相似，說明黑土坡面土壤風(fēng)蝕顆粒的運(yùn)動(dòng)形式主要以蠕移和躍移為主。正是由于這部分運(yùn)動(dòng)顆粒在風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)中沿著一個(gè)活動(dòng)基面滾動(dòng)與滑動(dòng)相互交替進(jìn)行[40]，因此在地表形成不同深度、不同大小的風(fēng)蝕凹痕微形態(tài)。與9 m·s–1的風(fēng)速相比，12和15 m·s–1風(fēng)速下地表形成的風(fēng)蝕凹痕在試驗(yàn)土槽的分布面積明顯增加（圖4）。坡面形成的這些風(fēng)蝕凹痕一方面改變了降雨過程中坡面的徑流路徑，另一方面使坡面徑流更加集中，使坡面流速增加，從而增加坡面徑流連通性和徑流侵蝕能力，使坡面水蝕量增加。表5表明，試驗(yàn)條件下前期地表風(fēng)蝕作用使坡面徑流平均流速增加3.6%～29.1%，同時(shí)Darcy-Weisbach阻力系數(shù)減少1.2%～27.4%，對(duì)應(yīng)的徑流剪切力增加5.3%～30.0%，說明前期地表風(fēng)蝕作用增大了后期坡面徑流的紊亂程度和徑流攜沙能力[41-42]，而徑流剪切力的增加導(dǎo)致徑流的剝蝕能力增加[43]，從而進(jìn)一步增加了坡面水蝕量。這也從侵蝕動(dòng)力學(xué)角度解釋了前期地表風(fēng)蝕作用加速了后期坡面水蝕的機(jī)理，并佐證了前期地表風(fēng)蝕作用對(duì)后期坡面水蝕產(chǎn)生了正向效應(yīng)。

表5 有/無前期風(fēng)蝕作用下的坡面水流水動(dòng)力學(xué)參數(shù) Table 5 Hydrodynamic parameters of the surface runoff relative to wind velocity

此外，前期風(fēng)蝕作用使地表粗糙度增大，且地表粗糙度隨風(fēng)速的增加而增大。與前期無風(fēng)蝕作用僅有降雨試驗(yàn)處理相比，在9、12和15 m·s–1風(fēng)速下地表粗糙度增加了55.6%～90.6%（表6）。地表粗糙度的增加，增大了坡面降雨入滲，從而延長了坡面徑流發(fā)生時(shí)間，這也可能是前期地表風(fēng)蝕作用使坡面徑流發(fā)生時(shí)間滯后的重要原因。但另一方面，地表粗糙度的增加也加劇了降雨侵蝕的潛在能力[31]。由于前期地表風(fēng)蝕作用使地表松散粗顆粒富集，為后期坡面徑流侵蝕提供了物質(zhì)來源，最終導(dǎo)致坡面徑流含沙量增加；而坡面徑流量和含沙量的增加，導(dǎo)致坡面水蝕量增加。

表6 不同風(fēng)速下風(fēng)蝕作用前后地表粗糙度對(duì)比 Table 6 Surface roughness of the slope relative to wind velocity

4 結(jié) 論

本研究通過室內(nèi)風(fēng)洞試驗(yàn)和模擬降雨試驗(yàn)相結(jié)合的方法，分析了前期地表風(fēng)蝕作用對(duì)黑土坡面水蝕的影響，結(jié)果表明，前期地表風(fēng)蝕作用顯著增加了坡面徑流量和水蝕量（P<0.05），改變了后期坡面水蝕過程，其對(duì)后期坡面水蝕產(chǎn)生了明顯的正向效應(yīng)，且前期地表風(fēng)蝕作用對(duì)后期坡面水蝕的貢獻(xiàn)與風(fēng)速和降雨強(qiáng)度均明顯相關(guān)；前期地表風(fēng)蝕作用導(dǎo)致后期坡面水蝕增加的主要原因是風(fēng)蝕作用使土壤抗侵蝕能力指標(biāo)（地表土壤抗剪強(qiáng)度和土壤硬度）減少；增加了后期坡面徑流的紊亂程度和徑流攜沙能力，同時(shí)徑流剪切力增加導(dǎo)致徑流的剝蝕能力增加，從而進(jìn)一步增加了坡面水蝕量。此外，風(fēng)蝕作用使地表粗糙度增加55.6%～90.6%，使地表松散粗顆粒富集，加劇了降雨侵蝕的潛在能力，并為后期降雨侵蝕提供了物質(zhì)來源。