黃土高原水蝕風(fēng)蝕交錯帶風(fēng)蝕對砂質(zhì)壤土迎風(fēng)坡水蝕特征的影響

白茹茹， 張加瓊,2， 鄧鑫欣， 李志鳳， 南 瓊

(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)國家重點實驗室，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.西北農(nóng)林科技大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院,陜西 楊凌 712100)

土壤交錯/復(fù)合侵蝕是在水力、風(fēng)力、重力、凍融等多種營力共同或交錯作用下，土壤被破壞、剝離和搬運的復(fù)雜過程；交錯/復(fù)合侵蝕過程有著顯著的疊加放大作用，以時間交錯、空間疊加為典型特征的風(fēng)水交錯侵蝕是最為典型的類型之一。風(fēng)水交錯侵蝕主要發(fā)生在生態(tài)環(huán)境較脆弱的干旱與半干旱地區(qū)，該區(qū)域的土壤侵蝕程度較單一風(fēng)蝕或水蝕影響區(qū)域更嚴重。因此，加強風(fēng)水交錯侵蝕的特征、過程、機理等研究，有益于干旱與半干旱區(qū)域水土保持的科學(xué)開展。

前人通過野外觀測(小區(qū)法)、室內(nèi)模擬試驗(風(fēng)洞和降雨模擬試驗)、元素示蹤等方法對不同過程的風(fēng)水交錯侵蝕(風(fēng)蝕后水蝕，水蝕后風(fēng)蝕)的速率、風(fēng)蝕和水蝕對總侵蝕的貢獻、風(fēng)力與水力的相互關(guān)系等開展了大量研究，并取得了重要成果。對先水蝕后風(fēng)蝕的交錯侵蝕(水—風(fēng)交錯侵蝕)研究發(fā)現(xiàn)，前期水蝕能抑制后繼風(fēng)蝕，徑流沖刷通過選擇性搬運較細顆粒、地表形成物理結(jié)皮、改變微地貌等方式，減小后繼風(fēng)蝕。對風(fēng)蝕后水蝕的交錯侵蝕(風(fēng)—水交錯侵蝕)研究發(fā)現(xiàn)，前期風(fēng)蝕對后繼水蝕主要為促進作用，風(fēng)蝕一方面帶走坡面土壤細顆粒，造成土壤粗化和土壤抗侵蝕能力減??；另一方面，土壤顆粒的剝離和搬運造成微地貌變化，尤其是較大風(fēng)速下，形成風(fēng)蝕凹痕，從而促進水蝕。前人的研究基本在徑流方向與風(fēng)向相同的條件下開展，而缺乏對風(fēng)向與徑流方向相反(風(fēng)水反向)條件下風(fēng)水交錯侵蝕的研究。尤其是風(fēng)—水交錯侵蝕研究，尚未見風(fēng)水反向條件下的研究報道。事實上，發(fā)生在迎風(fēng)坡面徑流方向與風(fēng)向相反的風(fēng)水交錯侵蝕與徑流方向與風(fēng)向相同的交錯侵蝕過程一樣具有代表性。因此，在徑流方向與風(fēng)向相反的條件下研究風(fēng)水交錯侵蝕過程與機理對系統(tǒng)的理解風(fēng)水交錯侵蝕機制具有重要意義。

黃土高原風(fēng)蝕水蝕交錯帶是受風(fēng)水交錯侵蝕影響的典型區(qū)域，本研究選擇該區(qū)域的典型土壤，采用人工模擬降雨與風(fēng)洞試驗相結(jié)合的方法，研究風(fēng)向與徑流方向相反條件下的風(fēng)—水交錯侵蝕特征，通過與僅水蝕下的侵蝕特征對比，分析前期風(fēng)蝕對后繼水蝕侵蝕的影響，量化風(fēng)蝕和水蝕對交錯侵蝕的貢獻，為明確風(fēng)水交錯侵蝕中風(fēng)蝕與水蝕的相互影響研究奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

本研究采用人工模擬降雨和風(fēng)洞試驗相結(jié)合的方法，以黃土高原水蝕風(fēng)蝕交錯帶典型的砂質(zhì)壤土(砂黃土)為例，開展風(fēng)—水交錯侵蝕研究。砂質(zhì)壤土采自神木六道溝流域，質(zhì)地均一，砂粒、粉粒和黏粒含量分別為53.0%，42.1%和4.9%，平均粒徑34.8 μm，分選系數(shù)1.84Φ(34.8 μm)。砂質(zhì)壤土在去除草根、礫石等雜物并過1 cm篩后，分層填裝于鋼制土槽(1.2 m×1.0 m×0.1 m)。土槽填裝時，首先在底部鋪設(shè)1層孔徑較小的透水紗布，再均勻平鋪1層細沙(1 cm厚)，風(fēng)干的砂質(zhì)壤土(含水量約為1.5%)按照容重1.35 g/cm按3 cm分層(每層3 cm)填裝，每層填裝完成后打毛表面以消除填裝土層間的分層。

人工模擬降雨和風(fēng)洞試驗在黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點實驗室人工降雨大廳與風(fēng)洞實驗室開展。降雨試驗使用側(cè)噴式降雨裝置，降雨高度為16 m，降雨強度在40～260 mm/h連續(xù)可調(diào)，降雨均勻度>80%，最大持續(xù)降雨時間12 h。風(fēng)洞設(shè)備為室內(nèi)直流吹氣式風(fēng)洞(圖1)，橫截面積為1.0 m×1.2 m，由動力段、調(diào)節(jié)段、整流段、試驗段和集沙段組成，風(fēng)速在2～15 m/s范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。吹風(fēng)前進行風(fēng)速率定，達到設(shè)計風(fēng)速(±0.2 m/s)。

圖1 風(fēng)洞結(jié)構(gòu)示意

試驗時，先進行風(fēng)洞試驗后再進行人工模擬降雨試驗。風(fēng)洞試驗在9，12，15 m/s風(fēng)速下分別持續(xù)吹蝕15 min，吹蝕前后均使用地秤(精度為1.0 g，量程200 kg)稱量土槽的總重，用于土壤風(fēng)蝕量計算。對不同風(fēng)速下完成吹蝕試驗的土槽，在不同雨強(60，90 mm/h)和坡度(5°，10°和15°)條件下開展人工模擬降雨試驗。所有試驗從產(chǎn)流開始計時，試驗時長為60 min。產(chǎn)流過程中，按2 min間隔收集徑流泥沙過程樣品。降雨結(jié)束后稱量徑流泥沙樣品，并在105 ℃恒重并稱量(精度0.01 g)泥沙樣品，計算降雨過程的侵蝕產(chǎn)沙量。同時，以只進行降雨而無前期吹蝕的試驗作為對照。每組試驗重復(fù)2次，當(dāng)2次重復(fù)結(jié)果存在明顯差異的試驗，進行第3次重復(fù)。

依據(jù)徑流量，第min的徑流強度(g/(min·m))和整場降雨平均徑流強度(g/m)計算公式分別為：

(1)

(2)

式中：為第min降雨收集到的徑流量(g)；為徑流收集時間(min)，本研究中取值為2，4，6，…，30；為降雨坡面(土槽)面積(m)。

依據(jù)泥沙量，第min的水蝕速率(g/(min·m))和整場降雨平均水蝕速率(g/m)計算公式分別為：

(3)

(4)

式中：為第min降雨收集到的泥沙量(g)。

為量化前期風(fēng)蝕對后繼水蝕速率的影響，將受前期風(fēng)蝕影響的水蝕速率或徑流強度相對僅水蝕試驗條件下的變化率定義為風(fēng)蝕對水蝕速率/徑流強度的影響率()，即：

(5)

式中：、分別為受前期風(fēng)蝕影響的水蝕速率和徑流強度(g/(min·m))；、分別為僅水蝕條件下的水蝕速率和徑流強度(g/(min·m))。

2 結(jié)果與分析

2.1 前期風(fēng)蝕對后繼水蝕徑流過程的影響

前期風(fēng)蝕改變了后繼水蝕的徑流強度，但未明顯改變徑流過程的總體變化趨勢。無論是否受前期風(fēng)蝕的影響，后繼徑流強度均呈現(xiàn)隨降雨歷時增加逐漸增大而后逐漸趨于穩(wěn)定的變化特征。經(jīng)前期不同風(fēng)速吹蝕后，后繼水蝕的產(chǎn)流時間較僅水蝕提前了7～15 min(表1)。前期風(fēng)蝕導(dǎo)致后繼水蝕徑流強度增大，尤其是12，15 m/s風(fēng)速吹蝕后，后繼水蝕徑流強度在60 mm/h雨強下較僅水蝕分別增大191.1～340.1，280.0～695.9 g/(min·m)，在90 mm/h雨強下較僅水蝕分別增大161.5～672.6，323.4～942.3 g/(min·m)(圖2)。此外，前期風(fēng)蝕對后繼水蝕徑流強度的影響在小雨強下表現(xiàn)更明顯。60 mm/h雨強下風(fēng)蝕對水蝕徑流強度的影響率較90 mm/h雨強下均略增大。在相同風(fēng)速吹蝕后，坡度從5°增大到15°時，60 mm/h雨強下風(fēng)蝕對水蝕徑流強度的影響率較90 mm/h雨強分別增大了0～0.2，0.1～0.2，0.2～0.5倍。

表1 受前期風(fēng)蝕影響的后繼降雨產(chǎn)流時間

2.2 前期風(fēng)蝕對后繼水蝕速率變化的影響

總體上，前期風(fēng)蝕導(dǎo)致后繼水蝕速率大多較僅水蝕顯著增大(<0.05)，且其增加程度隨風(fēng)速的增大而增大。在9，12，15 m/s風(fēng)速下，前期風(fēng)蝕導(dǎo)致后繼水蝕速率較相同條件的僅水蝕試驗分別增大了0～1.8，0.6～3.0，1.0～4.6倍。此外，較小雨強(60 mm/h)下，前期風(fēng)蝕對后繼水蝕速率的影響表現(xiàn)得更明顯(圖3)。60 mm/h雨強下風(fēng)蝕對水蝕速率的影響率較90 mm/h雨強下均增大。當(dāng)坡度從5°增大到15°時，在9，12，15 m/s風(fēng)速吹蝕后，60 mm/h雨強下風(fēng)蝕對水蝕速率的影響率較90 mm/h雨強分別增大了0.2～1.8，1.1～1.9，0.1～0.2倍?？梢?，在不同條件的風(fēng)—水交錯侵蝕過程中，水蝕和風(fēng)蝕的交互效應(yīng)受試驗條件的影響，可能存在交互效應(yīng)發(fā)生改變的臨界條件。

若以產(chǎn)沙時刻起，將水蝕過程分為前期(20 min)、中期(20～40 min)和后期(40～60 min)3個階段，隨著前期風(fēng)蝕風(fēng)速增大，后繼水蝕速率從前期到中期都呈現(xiàn)增大趨勢，中期到后期的變化相對復(fù)雜。從中期到后期，60 mm/h雨強下水蝕速率均呈增長趨勢；90 mm/h雨強下，水蝕速率在小坡度(5°)時均呈增長趨勢，而在較大坡度，前期風(fēng)速較大時，后期水蝕速率較中期減小。與大雨強下，尤其是坡度較大時，坡面在降雨過程中易形成跌坎，導(dǎo)致產(chǎn)沙前期水蝕速率凸增有關(guān)(圖4)。對比前期到中期與中期到后期水蝕速率的變化速度發(fā)現(xiàn)，除12 m/s風(fēng)速吹蝕后在60 mm/h雨強，5°條件下降雨的試驗外，無論是否受前期風(fēng)蝕的影響，當(dāng)坡度從5°增加到10°和15°時，水蝕速率的變化速度在不同雨強下均表現(xiàn)出先增長后減小的趨勢。

2.3 水蝕對風(fēng)-水交錯侵蝕的貢獻

整體上，水蝕對總侵蝕的貢獻隨試驗條件的變化而明顯改變。60 mm/h雨強下風(fēng)蝕貢獻占主導(dǎo)。90 mm/h雨強下大坡度(10°和15°)以水蝕為主，小坡度(5°)以風(fēng)蝕為主。此外，交錯侵蝕中，隨前期風(fēng)蝕風(fēng)速增大，水蝕對交錯侵蝕的貢獻明顯減小。90 mm/h雨強下，當(dāng)前期風(fēng)蝕風(fēng)速從9 m/s增大到15 m/s時，水蝕對交錯侵蝕的貢獻減小，比例最高達到21%，27%和28%；在60 mm/h雨強下，水蝕對交錯侵蝕的貢獻減小，比例最高達到4%，12%和43%(圖5)。證明了水蝕和風(fēng)蝕的交互效應(yīng)與試驗條件的相關(guān)性。

圖2 前期風(fēng)蝕對后繼水蝕徑流過程的影響

注：圖柱上方不同小寫字母表示相同降雨強度下不同風(fēng)速處理間差異顯著(P<0.05)。

水蝕在交錯侵蝕的比例均高于僅水蝕在僅風(fēng)蝕與僅水蝕的侵蝕量之和中的比例(即：水蝕/風(fēng)水交錯總侵蝕>僅水蝕/僅水蝕+僅風(fēng)蝕)。與僅水蝕在僅水蝕與僅風(fēng)蝕侵蝕量之和的比例相比，在9，12，15 m/s吹蝕后，60 mm/h雨強下，水蝕貢獻率較單一風(fēng)蝕和水蝕過程總和中的水蝕比例分別增大了3%～8%，1%～11%，0%～11%，90 mm/h雨強下，水蝕貢獻率較單一風(fēng)蝕和水蝕過程總和中的水蝕比例分別增大了1%～2%，6%～12%，9%～30%?？梢姡L(fēng)速較大時(12，15 m/s)，前期風(fēng)蝕對地表的改變對后期水蝕速率增大有明顯影響。

3 討 論

風(fēng)—水交錯侵蝕中，受前期風(fēng)蝕影響，后繼水蝕的徑流強度增大、水蝕加劇，這與前人在風(fēng)水同向條件下的研究結(jié)果一致。已有研究發(fā)現(xiàn)，受風(fēng)蝕影響的水蝕過程中產(chǎn)流時間卻相對僅水蝕試驗不同程度地滯后，本研究發(fā)現(xiàn)，前期風(fēng)蝕影響導(dǎo)致產(chǎn)流時間相對僅水蝕試驗提前，可能與風(fēng)蝕對微地貌改變程度、地表粗糙度和受試土壤性質(zhì)的差異有關(guān)。首先，前期風(fēng)蝕改變了地表微形態(tài)，在較大風(fēng)速(12，15 m/s)下，前期風(fēng)蝕后地表產(chǎn)生有固定走向的明顯風(fēng)蝕凹痕，為徑流匯集提供了有利的地形條件，這是導(dǎo)致后繼徑流強度增大、水蝕加劇的重要原因(圖6)。前人研究中，風(fēng)蝕后地表并未出現(xiàn)有固定走向的明顯風(fēng)蝕凹痕，僅有少量零星的凹痕和條紋，未連通的微起伏對徑流的形成有一定的阻礙作用，延緩了徑流的形成。其次，風(fēng)蝕導(dǎo)致地表粗化，增大土壤可蝕性，導(dǎo)致徑流強度增大、水蝕加劇。地表粗化對徑流的影響有兩面性，一方面可能因地表粗糙度增大而延滯徑流形成的時間；另一方面，風(fēng)蝕過程中部分較細顆粒阻塞粗顆粒之間的空隙，影響水分入滲，導(dǎo)致產(chǎn)流時間提前。本研究的砂質(zhì)壤土土質(zhì)疏松、持水性差、入滲快，在降雨過程中初始產(chǎn)流時間較長，而經(jīng)吹蝕后，表層(0—1 cm)土壤細顆粒(黏粒和粉粒)含量減少，砂粒含量增多，風(fēng)蝕導(dǎo)致表層土壤明顯粗化(表2)。在水蝕過程中產(chǎn)流時間提前，表明較細顆粒阻塞粗顆粒之間的空隙對水分入滲有明顯影響，經(jīng)前期風(fēng)蝕作用后，后繼水蝕的入滲率減小(表3)?？紤]到不同的土壤在顆粒組成、團聚體結(jié)構(gòu)、水分入滲等方面均有差異，風(fēng)蝕過程中坡面微地形、土壤顆粒、水分入滲等對吹蝕的響應(yīng)不同，因此，要量化上述因素的影響程度，還需進一步研究。

圖4 前期風(fēng)蝕對后繼水蝕過程的影響

Zhang等基于Cs-137示蹤技術(shù)對結(jié)果顯示，神木六道溝流域粉質(zhì)砂壤土迎風(fēng)坡和背風(fēng)坡面的風(fēng)水交錯侵蝕(包含風(fēng)—水和水—風(fēng)侵蝕)以水蝕為主，徑流方向與風(fēng)向相反的迎風(fēng)坡(N坡和NW坡)，平均水蝕速率約為0.03 g/(min·m)，占迎風(fēng)坡總侵蝕量的81.4%；而本試驗迎風(fēng)坡的平均水蝕速率達到189.4 g/(min·m)，遠大于自然坡面多年平均侵蝕速率。此外，在徑流方向與風(fēng)向相同的背風(fēng)坡面(SE坡和S坡)，Zhang等觀測到風(fēng)積(平均沉積速率<0.01 g/(min·m)，而本研究結(jié)果均為侵蝕，這與研究開展的環(huán)境、手段、尺度等直接相關(guān)。室內(nèi)交錯侵蝕模擬的試驗土槽一般尺寸較小(如本研究中的1.2 m×1.0 m×0.1 m)，侵蝕難以達到沉積發(fā)生的坡長條件，在野外環(huán)境下，坡面較長且上風(fēng)向坡面會對下風(fēng)向坡面的侵蝕或沉積造成影響。

此外，野外條件下坡面地形、植被覆蓋、土地利用等因素也會影響風(fēng)水交錯侵蝕結(jié)果。在未來的研究中可以通過考慮坡形、植被等因素，研究風(fēng)水交錯侵蝕中的侵蝕和沉積特征，從而充分認識風(fēng)水交錯過程。

圖5 交錯侵蝕中水蝕對總侵蝕的貢獻

圖6 風(fēng)蝕試驗后的地表形態(tài)相對于風(fēng)蝕前的變化

表2 風(fēng)蝕前后表層(0-1 cm)砂質(zhì)壤土機械組成

表3 風(fēng)蝕前后降雨入滲率變化

鄧鑫欣等在風(fēng)向與徑流方向相反條件下，采用相同的土壤類型在相同試驗條件(風(fēng)速、降雨強度和坡度)開展的水—風(fēng)交錯侵蝕得出，前期水蝕對后繼風(fēng)蝕有明顯的抑制作用，本研究的風(fēng)—水交錯侵蝕中，前期風(fēng)蝕對后繼水蝕有明顯的促進作用。在相同風(fēng)速下，水蝕在風(fēng)—水交錯總侵蝕中的貢獻隨雨強的增大逐漸增大，而水—風(fēng)交錯總侵蝕一直以水蝕為主(約78%的試驗組中水蝕的貢獻>50%)。相同試驗下，風(fēng)—水侵蝕的總侵蝕量均較水—風(fēng)侵蝕總侵蝕量大，在9，12和15 m/s風(fēng)速下，風(fēng)—水交錯侵蝕速率比水—風(fēng)交錯侵蝕速率分別增大了129.4～146.4，640.4～834.4，1 884.3～2 239.6 g/(min·m)(圖7)?？梢?，風(fēng)力與水力疊加過程不同的交錯侵蝕中，風(fēng)蝕和水蝕的相互作用(促進或抑制)、風(fēng)蝕和水蝕在總侵蝕中的貢獻、總侵蝕量均存在差異。

在未來的研究中，要明確風(fēng)蝕交錯侵蝕過程，揭示風(fēng)蝕和水蝕的相互影響，首先，必須系統(tǒng)開展不同過程(風(fēng)—水、水—風(fēng))的風(fēng)水交錯侵蝕，甚至應(yīng)該考慮多次疊加過程的交錯侵蝕過程(如風(fēng)—水—風(fēng)—水、水—風(fēng)—水—風(fēng))，為揭示風(fēng)蝕和水蝕的互作奠定基礎(chǔ)；其次，本研究發(fā)現(xiàn)，不同試驗條件下，風(fēng)蝕和水蝕的交互效應(yīng)不同，加之不同的試驗中變量類別及各變量的梯度較多，且不同變量的數(shù)值、單位等均存在差異，直接采用變量進行交互效應(yīng)分析存在巨大的難度。因此，未來的研究中應(yīng)考慮采用統(tǒng)一的變量表達方式(如侵蝕力、侵蝕力的能量)量化復(fù)合侵蝕過程中的交互效應(yīng)。

圖7 風(fēng)水和水風(fēng)交錯侵蝕的總侵蝕速率

4 結(jié) 論

通過室內(nèi)風(fēng)洞和模擬降雨試驗，研究了砂質(zhì)壤土坡面在風(fēng)向和徑流方向相反條件下的風(fēng)—水交錯侵蝕特征，結(jié)果顯示，與僅水蝕試驗相比，前期風(fēng)蝕導(dǎo)致后繼水蝕的產(chǎn)流時間提前、徑流強度增大、產(chǎn)沙速率增大，水蝕在交錯侵蝕中的貢獻較水蝕在僅風(fēng)蝕與僅水蝕侵蝕量之和的比例增大。前期風(fēng)蝕對后繼水蝕存在明顯的促進作用，前期風(fēng)蝕導(dǎo)致后繼水蝕增大0～4.6倍。不同試驗條件下，前期風(fēng)蝕對后繼水蝕速率變化的影響程度隨試驗條件的改變發(fā)生差異變化，表明水蝕和風(fēng)蝕的交互效應(yīng)受試驗條件的影響。風(fēng)向與徑流方向相反條件下，前期風(fēng)蝕明顯促進后繼水蝕，而前期水蝕明顯抑制后繼風(fēng)蝕。與水—風(fēng)交錯侵蝕相比，風(fēng)—水交錯侵蝕的總侵蝕量更大，水蝕在總侵蝕中的比例變化更復(fù)雜。未來研究中應(yīng)系統(tǒng)研究不同交錯侵蝕過程、多次交錯過程疊加、地形影響的交錯侵蝕，在此基礎(chǔ)上，考慮采用統(tǒng)一的變量表達方式量化風(fēng)蝕和水蝕的交互效應(yīng)，為揭示風(fēng)蝕和水蝕的互作機理奠定基礎(chǔ)。