模擬降雨條件下坡度對關(guān)中地區(qū)塿土濺蝕的影響*

王子軒，吳發(fā)啟

模擬降雨條件下坡度對關(guān)中地區(qū)塿土濺蝕的影響*

王子軒1，吳發(fā)啟2?

（1. 西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所，陜西楊凌，712100；2. 西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，陜西楊凌，712100）

為掌握關(guān)中地區(qū)坡耕地上坡度對濺蝕量以及濺蝕距離的影響，深入探究不同坡度對單位面積濺蝕量影響的潛在機(jī)理。以陜西關(guān)中地區(qū)塿土為研究對象，選用5個(gè)具有不同坡度（0°，5°，10°，15°，20°）的裝土槽進(jìn)行單位面積土坡的模擬。使用針頭式模擬降雨機(jī)進(jìn)行模擬降雨試驗(yàn)，通過濺蝕收集裝置對模擬降雨結(jié)束后的不同方向和不同距離范圍的濺蝕量進(jìn)行收集。結(jié)果表明：在0°～20°坡度范圍內(nèi)，濺蝕總分散量，濺蝕凈搬運(yùn)量以及向下坡濺蝕量隨著坡度的增大呈現(xiàn)出不同的上升趨勢。向上坡濺蝕量在0°～15°范圍內(nèi)呈減少趨勢，在15°～20°范圍內(nèi)呈增加趨勢。濺蝕距離隨著坡度的增大而增大。研究結(jié)果對深入探究濺蝕的潛在機(jī)理有著重要作用。

坡度；向下坡濺蝕量；濺蝕總分散量；濺蝕凈搬運(yùn)量

黃土高原區(qū)夏季集中降雨的氣候特征，使得水力侵蝕一直是引起黃土高原地區(qū)土壤資源流失的主要原因。薄層水流搬運(yùn)侵蝕是細(xì)溝間侵蝕的一大分支，前人已對薄層水流搬運(yùn)侵蝕的發(fā)生過程和發(fā)生機(jī)理進(jìn)行了細(xì)致的研究[1]。降雨濺蝕作為細(xì)溝間侵蝕的另一分支是降雨前期的主要侵蝕類型，會(huì)導(dǎo)致土壤顆粒發(fā)生躍遷，將土面壓實(shí)，造成土壤入滲能力降低，土壤產(chǎn)生結(jié)皮，降低土壤生產(chǎn)力等現(xiàn)象[2-5]。濺蝕是由于雨滴打擊而造成的土壤顆粒發(fā)生分散并產(chǎn)生躍遷的一種侵蝕方式[6]。原理為雨滴由于在下降過程中受重力作用而具有一定的動(dòng)能，當(dāng)雨滴掉落地面與地表發(fā)生碰撞時(shí)，一部分能量被土粒所吸收轉(zhuǎn)化為了內(nèi)能，另外一部分轉(zhuǎn)化為土體結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞的形變勢能，導(dǎo)致被破壞的部分土粒具有了動(dòng)能并向四周發(fā)生躍遷。坡度作為影響濺蝕的重要因素，前人就坡度對濺蝕影響方面進(jìn)行了相關(guān)研究。Ellison[7]研究表明在10°的坡上，向下坡濺蝕量為向上坡濺蝕量的3倍；王雙濤[8]、王貴平[9]、李葉鑫[10]和田娜玲等[11]研究表明濺蝕總分散量與向下坡濺蝕量隨坡度的增大而增大；焦銀龍[12]、張慧薈[13]以及趙曉光和吳發(fā)啟[14]的研究結(jié)果為向下坡濺蝕量隨坡度的增加先增加后減??；張科利和細(xì)山田健三[15]、Morgan[16]研究發(fā)現(xiàn)由于徑流流速的影響導(dǎo)致向上坡濺蝕量和濺蝕總分散量隨著坡度的增加變化不明顯[17-18]。前人研究多為野外觀測和徑流小區(qū)模擬降雨實(shí)驗(yàn)，從大面積尺度上對坡度與濺蝕量的關(guān)系進(jìn)行研究，由于所選用的土壤類型、坡度范圍與降雨強(qiáng)度不同，所獲結(jié)果存在差異性[19-20]。本研究選用關(guān)中地區(qū)主要耕作土壤——塿土為對象，通過模擬降雨對單位面積尺度上不同方向和不同距離范圍濺蝕量進(jìn)行處理和分析從而深入探究濺蝕的潛在機(jī)理。為控制降雨范圍，減小降雨對收集裝置的影響，防止二次濺蝕造成的誤差，選用針頭式模擬降雨機(jī)。并給針頭式模擬降雨機(jī)安裝線性震動(dòng)馬達(dá)解決雨滴始終滴落在同一點(diǎn)的問題，確保了雨滴掉落坡面的隨機(jī)性使模擬降雨更加接近于自然降雨，提高了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。研究結(jié)果將為黃土高原濺蝕發(fā)生機(jī)制提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于陜西省楊凌高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)示范區(qū)，107°59～108°08E，34°14～34°20N，平均海拔為468 m，總面積為135 km2。該地區(qū)位于黃土高原南緣，關(guān)中平原腹地，屬于溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候，常年平均溫度為12.9℃，年平均降水量為635.1～646.9 mm，是該地區(qū)水資源的主要來源，且60%～70%降水集中于7—10月份。

該區(qū)分布有7個(gè)土類，11個(gè)亞類，15個(gè)土屬，24個(gè)土種。其中塿土占總面積的71.7%，為該區(qū)的主要土壤類型。塿土是我國陜西關(guān)中平原、晉南、豫西一帶主要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)土壤，該土壤是人類長期耕種褐土和施肥熟化所形成的特殊土壤類型，土壤肥沃，非常適宜耕作，土壤呈棕灰色。土壤具體理化性質(zhì)見表1。

表1 供試土壤理化性質(zhì)

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

室內(nèi)模擬降雨試驗(yàn)于西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院水工實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行。采用針頭式模擬降雨機(jī)如圖1所示。降雨機(jī)由恒壓水箱、雨滴發(fā)生裝置及鋼筋框架三部分構(gòu)成。恒壓水箱通過馬氏瓶原理使水箱保持恒壓，通過調(diào)節(jié)水箱中玻璃管內(nèi)水深改變水箱的壓強(qiáng)使降雨強(qiáng)度恒定為80 mm·h–1。雨滴發(fā)生裝置為下滴式，由長方形凹槽和底部的80個(gè)針頭組成。通過色斑法對不同規(guī)格尺寸的注射針頭所產(chǎn)生的雨滴粒徑進(jìn)行測量后，發(fā)現(xiàn)九號針頭所產(chǎn)生的雨滴粒徑在雨強(qiáng)穩(wěn)定后集中在1至2 mm范圍內(nèi)，且雨滴數(shù)密度與天然降雨十分接近，可以用來進(jìn)行模擬降雨試驗(yàn)。針頭式模擬降雨機(jī)上的線性震動(dòng)馬達(dá)是為解決雨滴始終滴落在同一點(diǎn)的問題而設(shè)置，由研究者自行改進(jìn)，這確保了雨滴掉落坡面的隨機(jī)性，使模擬降雨更加接近于自然降雨。使用長方體裝土槽（25 cm×20 cm×15 cm）進(jìn)行不同坡度單位面積土坡的模擬。使用兩塊木工板（1 220 mm×2 440 mm）合并在一起作為濺蝕量收集裝置。

該試驗(yàn)共設(shè)置三組重復(fù)。選取5°、10°、15°和20°四個(gè)坡度處理，0°平面作為對照。降雨強(qiáng)度設(shè)定為80 mm·h–1，降雨歷時(shí)為10 min。土壤濺蝕主要是降雨過程前期的侵蝕現(xiàn)象。重復(fù)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)降雨超過10 min后土壤表面會(huì)形成積水，此時(shí)土粒發(fā)生的躍遷不僅由雨滴擊濺造成，還存在其他途徑。為了保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，選用降雨歷時(shí)前10 min進(jìn)行觀測。裝土?xí)r每裝5 cm進(jìn)行一次壓實(shí)和打毛，將土壤容重控制在1.3 g·cm–3。將裝土槽放在木工板上進(jìn)行降雨試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)各個(gè)方向均存在大于30 cm距離范圍的濺蝕土粒，未收集到超過50 cm距離范圍的濺蝕土粒，因此本試驗(yàn)設(shè)計(jì)的濺蝕盤可收集全部濺蝕量。降雨結(jié)束后將濺蝕出來的土粒在木工板上風(fēng)干1 h，使用事先稱好的鋁盒對木工板上的土粒進(jìn)行收集，收集結(jié)束后將鋁盒放入烘箱烘干并稱重。一些濺蝕到木工板上較為細(xì)小的土粒收集十分困難，這是試驗(yàn)誤差的主要來源。每次試驗(yàn)結(jié)束后均沖洗收集板，以消除第一次試驗(yàn)未收集的濺蝕量對第二次試驗(yàn)的影響。該研究針對單位面積上的濺蝕量，因此濺蝕量較少，為提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，稱重時(shí)使用千分之一天平，記錄數(shù)據(jù)時(shí)保留三位有效數(shù)字。

1.3 試驗(yàn)指標(biāo)的定義及計(jì)算

為了研究坡度對不同方向?yàn)R蝕量的影響。采用向下坡濺蝕量、向上坡濺蝕量、側(cè)坡濺蝕量、濺蝕總分散量及濺蝕凈搬運(yùn)量5個(gè)指標(biāo)進(jìn)行綜合對比分析。向下坡濺蝕量是由雨滴擊濺造成向坡面下方發(fā)生躍遷的土粒總量，本研究中將坡面前方兩個(gè)扇形區(qū)域收集的土粒總量視為向下坡濺蝕量。向上坡濺蝕量是由雨滴擊濺造成向坡面上方發(fā)生躍遷的土粒總量，本研究中將坡面后方兩個(gè)扇形區(qū)域收集的土粒總量視為向上坡濺蝕量。側(cè)坡濺蝕量是由雨滴擊濺作用造成向坡面兩側(cè)發(fā)生躍遷的土?？偭浚狙芯恐袑⑵旅鎯蓚?cè)四個(gè)扇形區(qū)域收集的土?？偭恳暈閭?cè)坡濺蝕量。濺蝕凈搬運(yùn)量和濺蝕總分散量是具有實(shí)際意義的濺蝕量概念，可以描述濺蝕特性。濺蝕總分散量是區(qū)域內(nèi)發(fā)生濺蝕的總量，也可以理解為向上坡濺蝕量、向下坡濺蝕量和側(cè)坡濺蝕量的總和。濺蝕凈搬運(yùn)量是真實(shí)發(fā)生土壤轉(zhuǎn)移的量，也可以理解為向下坡濺蝕量和向上坡濺蝕量之差。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Origin2017進(jìn)行坡度和不同類型濺蝕量關(guān)系圖表的繪制，使用SPSS19.0對不同坡度下濺蝕量數(shù)據(jù)進(jìn)行顯著性差異分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 坡度對濺蝕距離的影響

圖2為不同坡度下不同距離內(nèi)濺蝕分散量占總量的百分比。由圖可知：0～10 cm距離范圍內(nèi)濺蝕分散量占總量的百分比隨著坡度的增加呈單調(diào)遞減的趨勢。10～30 cm距離范圍內(nèi)濺蝕分散量占總量的百分比隨著坡度的增加多次出現(xiàn)峰值，不存在明顯的相關(guān)性關(guān)系。大于30 cm距離范圍的濺蝕分散量占總量的百分比隨著坡度增加呈單調(diào)遞增的趨勢?？梢缘贸?°～20°范圍內(nèi)濺蝕距離隨著坡度的增大而增大。隨著坡度的增大，雨滴動(dòng)能在正交分解后平行于坡面方向的分力增大，導(dǎo)致發(fā)生濺蝕的土粒平行于坡面方向運(yùn)動(dòng)的初始加速度增大。因此0°～20°范圍內(nèi)土粒濺蝕距離隨著坡度的增大而增大。

2.2 坡度對不同方向?yàn)R蝕量的影響

表2為不同坡度下不同方向的濺蝕量，由表可知向下坡濺蝕量在0°～20°內(nèi)隨著坡度的增加而增加，向上坡濺蝕量隨著坡度的增加先減小后增加，側(cè)坡濺蝕量隨著坡度的增加上下波動(dòng)無顯著規(guī)律。

表2 不同坡度下不同方向?yàn)R蝕量

注：① Downward splash erosion，② Sideward splash erosion，③Upward splash erosion. 注：*表內(nèi)大寫字母為不同方向?yàn)R蝕量數(shù)據(jù)間的顯著性差異分析，表內(nèi)小寫字母表示各方向?yàn)R蝕量與坡度間的顯著性差異分析。Note：The capital letters in the table mean significant difference between splash erosion different in direction，and the small letters in the table significant difference between splash erosions relative to direction and slope gradient.

圖3為不同方向?yàn)R蝕量與坡度的關(guān)系。由圖可知在0°～20°范圍內(nèi)向下坡濺蝕量隨著坡度的增加呈單調(diào)遞增趨勢，對向下坡濺蝕量與坡度進(jìn)行線性方程擬合，得出=0.1411+0173，且相關(guān)性顯著。在0°～15°范圍內(nèi)向上坡濺蝕量隨著坡度的增大而減小，在15°～20°范圍內(nèi)向上坡濺蝕量隨著坡度的增加而增加。

上述結(jié)果可總結(jié)為：在0°～20°范圍內(nèi)向下坡濺蝕量與坡度呈=0.1411+0.173的線性關(guān)系，決定系數(shù)2為0.8565。當(dāng)坡度小于15°時(shí)，向上坡濺蝕量隨著坡度的增加而減小，當(dāng)坡度大于15°時(shí)，向上坡濺蝕量隨著坡度的增加而增加。0°～20°范圍內(nèi)側(cè)坡濺蝕量與坡度之間無顯著相關(guān)性。雨滴在擊打地面時(shí)所施加的力可正交分解為垂直于坡面的壓力與平行于坡面的剪切力。土壤發(fā)生顆粒遷移的重要原因是剪切力破壞了土粒原本土體結(jié)構(gòu)使土粒具備了發(fā)生躍遷的動(dòng)能。將平行于坡面的剪切力分為向上坡方向、向下坡方向和側(cè)坡方向。當(dāng)坡度增大時(shí)雨滴的剪切力在向下坡方向的分力越來越大，向上坡方向的分力越來越小，導(dǎo)致向下坡發(fā)生躍遷的土粒數(shù)量增加，向上坡方向發(fā)生躍遷的土粒數(shù)量減少。由于土粒自身重力平行于坡面的分力，對其向下坡運(yùn)動(dòng)有促進(jìn)作用，對其向上坡運(yùn)動(dòng)有阻礙作用。隨著坡度的增大，重力平行于坡面的分力也會(huì)隨之增大，導(dǎo)致重力分力對土粒向下坡運(yùn)動(dòng)的促進(jìn)作用和向上坡的阻礙作用更加顯著。所以在0°～20°范圍內(nèi)隨著坡度的增大向下坡濺蝕量越來越大，向上坡濺蝕量越來越少。

由圖3可知，側(cè)坡濺蝕量與坡度間不存在顯著性關(guān)系。理論上隨著坡度的增加，雨滴在側(cè)坡方向的剪切力越來越小，側(cè)坡濺蝕量應(yīng)該隨之減少。但由于坡度對側(cè)坡濺蝕量影響不明顯，雨強(qiáng)較大時(shí)雨滴擊打?qū)R蝕的促進(jìn)作用較坡度對濺蝕的減緩作用更為顯著。因此側(cè)坡濺蝕量與坡度關(guān)系不顯著。

2.3 坡度對濺蝕總分散量影響

圖4為濺蝕總分散量、濺蝕凈搬運(yùn)量與坡度的關(guān)系。由圖4可知在0°～20°的范圍內(nèi)濺蝕總分散量隨著坡度增加而增加，并且增加幅度越來越大，關(guān)系趨近于二次函數(shù)關(guān)系。

上述結(jié)果可總結(jié)為：在0°～20°范圍內(nèi)，濺蝕總分散量與坡度間呈=0.015 62–0.21+4.581 5的二元函數(shù)關(guān)系，決定系數(shù)2為0.998 3。該函數(shù)反映了濺蝕總分散量隨著坡度的增大而增大，坡度越大，濺蝕總分散量變化越明顯。當(dāng)坡度增大時(shí)平行于坡面的剪切力增大，破壞土粒本身土體結(jié)構(gòu)的效果就會(huì)越明顯，垂直于坡面方向的壓力越來越小，使雨滴對地面的壓實(shí)效果變?nèi)?，土粒更容易發(fā)生躍遷。隨著坡度的增大土壤含水量降低，土粒自身的黏結(jié)力越來越低，導(dǎo)致土粒自身更容易向上坡方向、向下坡方向和側(cè)坡方向發(fā)生濺蝕。隨著坡度的增加，土粒自身的重力在沿著平行于地面方向的分力越來越大，因此存在越來越多土粒發(fā)生躍遷。

2.4 坡度對濺蝕凈搬運(yùn)量的影響

由圖4可知0°～20°的范圍內(nèi)，當(dāng)坡度為0°時(shí)濺蝕凈搬運(yùn)量接近于0，當(dāng)坡度不為0°時(shí)濺蝕凈搬運(yùn)量始終大于0，因此在坡面內(nèi)存在向下坡濺蝕量恒大于向上坡濺蝕量的現(xiàn)象。宏觀上體現(xiàn)為濺蝕在坡面內(nèi)表現(xiàn)為向下堆積的過程。在0°～20°范圍內(nèi)濺蝕凈搬運(yùn)量隨坡度的增大而增大，增大幅度也越來越大，呈二次函數(shù)關(guān)系：0.008 620.027 30.035 5，決定系數(shù)2為0.974 2。該函數(shù)反映了坡度越大濺蝕凈搬運(yùn)量的效果越明顯，可以理解為隨著坡度的增加，降雨過程中由于濺蝕造成的土壤轉(zhuǎn)移量也會(huì)增大。隨著坡度的增大，雨滴剪切力沿下坡方向分力越來越大，沿上坡方向分力越來越小。土粒自身重力平行于坡面方向分力越來越大。從而導(dǎo)致坡面上更多的土粒向下躍遷。濺蝕凈搬運(yùn)量在坡度為0°時(shí)接近于0，是由于當(dāng)坡度為0°時(shí)，土粒不受任何平行于土壤表面剪切力分力的影響，導(dǎo)致土壤發(fā)生濺蝕躍遷出該面積的土?？偭颗c該面積周圍區(qū)域發(fā)生濺蝕躍遷入該面積的土?？偭看篌w一致，宏觀表現(xiàn)為該面積未發(fā)生土壤搬運(yùn)。濺蝕凈搬運(yùn)量隨著坡度的增大而增大，且恒大于0。

3結(jié) 論

采用小面積的裝土槽研究了單位面積上坡度對濺蝕量的影響。選用5個(gè)具有不同坡度（0°，5°，10°，15°，20°）的裝土槽進(jìn)行單位面積土坡的模擬，使用較為先進(jìn)的新型針頭模擬降雨裝置有效控制降雨面積，防止雨滴使收集裝置上的土粒造成二次躍遷，可以收集到較為準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。研究發(fā)現(xiàn)，在0°～20°坡度范圍內(nèi)，濺蝕總分散量、濺蝕凈搬運(yùn)量以及向下坡濺蝕量均隨著坡度的增大而增大，向上坡濺蝕量隨著坡度的增加先減少后增加。造成這一現(xiàn)象的主要原因在于雨滴剪切力向下坡方向分力越來越大，向上坡方向分力越來越小，土粒自身重力產(chǎn)生平行于坡面方向的分力越來越大。坡度的改變會(huì)影響土壤含水量與黏結(jié)力，導(dǎo)致上述現(xiàn)象的發(fā)生。本研究所得結(jié)論與焦銀龍[12]、張慧薈[13]以及趙曉光[14]等研究的部分結(jié)果一致。文獻(xiàn)中報(bào)道的相關(guān)研究大多基于野外徑流小區(qū)試驗(yàn)，本研究基于單位面積室內(nèi)試驗(yàn)，但由于坡度是影響濺蝕量的主要因素——土粒重力分力以及雨滴沿坡面方向剪切力分力大小均未發(fā)生顯著變化，因此得出的結(jié)論具有可比性。由于得出的試驗(yàn)結(jié)論一致，可以肯定無論是微觀地形還是野外實(shí)地研究，發(fā)生改變的其他因素均未導(dǎo)致塿土在坡度發(fā)生變化時(shí)，濺蝕量發(fā)生改變。因此，該研究可為進(jìn)一步分析黃土高原區(qū)塿土濺蝕的內(nèi)在機(jī)理提供參考。

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Influence of Slope on Splash Erosion of Lou Soil in Guanzhong Area Under Simulated Rainfall

WANG Zixuan1, WU Faqi2?

(1. Institute of Soil and Water Conservation, Northwest A & F University, Yangling, Shaanxi 712100, China; 2. School of Resources and Environment, Northwest A & F University, Yangling, Shaanxi 712100, China)

【Objective】Soil erosion is a major contributor to the loss of land resources, and hinders development of the agricultural production and construction of the ecological civilization. The purpose of this study is to explore impacts of slope gradient on amount and distance of splash erosion. 【Method】Using splash collectors that can be adjusted towards eight directions separately, five troughs (packed with lou soil and set at a slope gradient of 0°, 5°, 10°, 15° and 20°, separately and a new model of needle spinkling device driven by a linear vibration motor, simulated rain-splash erosion experiments were carried out to explore relationships between slope gradient with amount and distance of splash erosion. 【Results】(1) The amount of splash erosion on the slope of 0°, 5°, 10°, 15° and 20° was measured to be 0.486 g, 0.871 g, 1.235 g, 1.757 g and 3.570 g, respectively. It can be seen that a linear relationship between slope and amount of downward splash erosion was observed with= 0.1411+ 0.173 and2= 0.9983 in the range of 0°～20°. The amount of downward splash erosion on the slope of 0°, 5°, 10°, 15° and 20° reached 0.632 g, 0.629 g, 0.621 g, 0.557 g and 0.588 g respectively. (2) The total amount of splash erosion on the slope of 0°, 5°, 10°, 15° and 20° was 3.815g, 3.902g, 4.106g, 4.889 g and 6.657 g, respectively, from which a binary function relationship was observed with y = 0.01562–0.21+ 4.5815 and2= 0.9983 between total amount of dispersed splash erosion and slope. (3) the net sediment transportation volume of splash erosion on the slope of 0°, 5°, 10°, 15° and 20° was –0.148 g, 0.242 g, 0.614 g, 1.200g and 2.982 g, respectively. (4) the percentage of the splash erosion of first round on 0°, 5°, 10°, 15° and 20° slope was 46%, 34%, 33%, 30% and 29%, respectively, while the percentage of the splash erosion of the third round was 10%, 5%, 13%, 17% and 23%, respectively. 【Conclusion】 On the slope varying in the range of 0°～20°, with rising slope gradient, the total amount of dispersed splash erosion, the net sediment carrying amount of splash erosion and the amount of downward splash erosion on the slope increases, while the amount of splash erosion decreases first and then increases. There is no significant relationship between splash erosion and slope gradient.

Slope; Amount of downward splash erosion; Total amount of dispersed splash erosion; The net sediment transport of splash erosion

S157

A

Corresponding author，E-mail：wufaqi@263.net

王子軒，男，陜西省西安人，碩士研究生，主要從事土壤侵蝕研究。E-mail：709728063@qq.com

2020–03–13；

2020–11–09；

*國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41977065）資助 Supported by the National Natural Science Foundation of China（No. 41977065）

2021–01–25

（責(zé)任編輯：檀滿枝）