降雨强度和坡度对东北黑土区顺坡垄体溅蚀特征的影响

张兴义，乔宝玲，李健宇，祁 志，严 月，甄怀才，胡 伟※

（1. 东北农业大学资源与环境学院，哈尔滨 150030；2. 中国科学院东北地理与农业生态研究所黑土区农业生态院重点实验室，哈尔滨 150081；3. 吉林农业大学资源与环境学院，长春 130118）

0 引 言

雨滴溅蚀作为降雨侵蚀发生的第一步，是雨滴打击土壤表面，破坏土壤结构，分散和搬运土粒的过程[1-3]。因此，雨滴打击对溅蚀的发生和发展起关键作用。降雨是溅蚀发生的外营力，尤以降雨强度的影响最为显著。众多研究表明[4-6]，降雨强度越大溅蚀量越大。程金花等[7]研究指出溅蚀量与降雨强度呈指数函数相关，蔡强国等[8]的试验结果表明溅蚀量与降雨动能呈幂函数相关。此外，坡度作为重要的地形因子，对雨滴分散和搬运起重要作用。张科利等[9]研究认为土壤总溅蚀量跟坡度呈二次多项式函数，而Fu 等[10]研究发现褐土总溅蚀量与坡度呈线性函数关系。通常情况下，溅蚀受降雨和坡度的共同影响，如吴普特等[11]认为溅蚀量与降雨动能和雨强乘积及坡度呈幂函数相关。吴冰[12]研究指出溅蚀量与降雨强度和坡度呈幂函数相关。土壤作为雨滴打击的作用对象，其结构的基本单元是土壤团聚体[13]。降雨过程中，雨滴打击作用首先对土壤表层团聚体进行拆分和破碎，当团聚体粒级和质量达到一定的范围时，雨滴的动能将足以使其运动，进而产生迁移[14]。溅蚀过程是对土壤颗粒的分选过程，降雨动能决定了颗粒是作为土壤原始颗粒或团聚体被溅蚀搬运[15]。因此，溅蚀搬运过程中存在对迁移团聚体范围的优先选择性和对大粒级团聚体迁移的滞后性[4,16]，其粒径分布特征反映了雨滴打击力与土壤抗蚀力的交互作用结果[17]。

东北黑土区是中国重要的粮仓，近年来该区水土流失加剧，威胁着国家的粮食安全[18]。该区降水多以暴雨形式集中在 6—9 月[19]，坡耕地多以长缓坡为主[20]。该区旱作农业长期采用机械起垄，多为顺坡/斜坡垄作，这种垄作方式塑造了一个垄台疏松、垄沟紧实的垄体结构[21]，对降雨径流进行了再分配，高比降（坡度>45°）的垄台在雨滴打击作用下极易产生径流，为垄沟提供泥沙物质来源[22]，影响了坡面侵蚀形态及特征。独特的气候、地形和垄作模式决定了该区易形成集中汇流造成严重的土壤侵蚀[23]。农作物收获后到春播之前，农田基本处于裸露状态，极易发生土壤侵蚀。雨滴侵蚀作为坡耕地普遍存在的侵蚀形态，占黑土坡面总侵蚀量的72.3%～96.2%[24]。黑土富含有机质，其团聚体含量（>0.25 mm）高达80%[25]，是有别与中国其他土壤的重要特征。周一杨等[26]基于溅蚀盘研究发现，黑土溅蚀主要拆分>1.0 mm 粒级团聚体，主要迁移<1.0 mm粒级的团聚体。然而，目前多数学者对黑土溅蚀的研究集中在无垄作坡面，不能很好地反映该区垄作模式的真实规律，尤其是对垄台溅蚀特征的研究有所欠缺。此外，该区现有研究多注重侵蚀过程中的团聚体流失特征，关于溅蚀对团聚体的分选迁移过程鲜见报道，有待进一步加强。因此，本研究以顺坡农田垄体为研究对象，通过改进的溅蚀板收集溅蚀，分析降雨强度和坡度对垄体溅蚀特征及其分选特征的影响，以期深化溅蚀过程研究，为东北黑土区水土保持措施的布设提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验布设在中国科学院海伦水土保持监测研究站（47°21′16.95″N，126°49′56.43″E），位于黑龙江省中部松嫩平原黑土地带，海拔为226 m，坡度介于3°～8°，主要土壤类型为黑土。气候类型属温带大陆性季风气候，冬季寒冷干燥，夏季高温多雨，雨热同期，降雨集中在 5—9月份（88%），年均气温1.5 ℃，年均降水量530 mm，平均蒸发量2 300 mm，平均风速1.8 m/s，年均有效积温2 450 ℃，无霜期125 d[27]。该区位于东北黑土区的中心，是中国大型商品粮基地，属于东北典型黑土区。土壤类型属于广义黑土范畴中的典型黑土[19,28]，在美国土壤分类中属于Mollisol，土壤特点为分层明显，黑土层厚度约为30 cm，具有很好的代表性和典型性。其中，耕层土壤主要理化性状详见表1。

表1 研究区土壤理化性状Table 1 Soil physical and chemical properties in study area

1.2 试验装置与材料

降雨设备为侧喷式人工模拟降雨装置（中国科学院水利部水土保持研究所研制）。降雨高度为7.5 m，降雨强度通过调节供水压力和降雨器孔板的孔径实现，变化范围为30～165 mm/h[29]，降雨均匀度大于85%。

野外实地考察结果和相关文献显示[23,30]，黑土顺坡垄作条件下垄高为20 cm，垄间距为70 cm，具有较好的典型性和代表性。据此，微小区规格实际为：长×宽=100 cm×70 cm。小区边沿采用钢板隔离，深入土层30 cm，高出垄面20 cm。

溅蚀板基于Ellison 溅蚀板[31]进行了改进，规格为：长×高=100 cm×70 cm，底部收集槽规格为：长×宽× 高 =100 cm×3.5 cm×3.5 cm。降雨前将溅蚀板分别置于垄台左右两侧，收集槽距离垄台1 cm，距离垄沟2 cm（图1）。

1.3 试验设计与方法

詹敏等[32]指出黑土区土壤流失是由短历时高强度降雨所引起，且降雨持续时间一般不超过1 h；张宪奎等[33]指出黑土区中度侵蚀的雨强标准为 0.71 mm/min（42.6 mm/h），其中实测短历时瞬时雨强最大达1.72 mm/min（103.2 mm/h）。中国暴雨统计参数图集[34]中东北地区降雨重现期资料显示，多年平均最大1 和6 h降雨量分别为30 和50～70 mm（平均为60 mm），100年一遇最大1 h 降雨量为80～100 mm（平均为90 mm）[35]。结合课题组降雨监测资料（最大5 min 雨强，I5），30、60 和90 mm/h 降雨强度在试验区均有出现，频率分别为19.6%，5.4%和 4.7%。本研究中设计降雨强度为 30、60和90 mm/h。

图1 垄台溅蚀收集装置示意图Fig.1 Schematic diagram of splash board of ridge body

根据东北典型黑土区长坡长、缓坡度的地形特点，水土流失严重区的地表坡度一般集中于3°～5°农耕地上，个别地方可达 8°以上[36]。3°是研究区农耕地的代表性坡度，5°是该区侵蚀严重农耕地的代表性坡度（中国科学院东北地理与农业生态研究所资料）。考虑到该区特殊的地形特征，故选择了3°和5°作为试验研究农耕地的坡度，每一个试验处理重复3 次（表2）。

表2 试验设计Table 2 Design of experimental treatments

根据试验场地的实际情况，根据当地坡耕地人工起垄方式做顺坡垄，土壤容重控制在1.00～1.10 g/cm3内。起垄完毕后，自沉降 48 h。正式降雨前一天，用纱网覆盖试验土槽，然后用 30 mm/h 雨强进行预降雨直至坡面产流为止，以保证试验前期土壤条件的一致性。预降雨结束后，为防止试验土槽土壤水分蒸发和减缓结皮形成，用塑料布覆盖试验土槽，静置24 h 后正式降雨。

为了确保模拟降雨的均匀性和准确性，试验开始前对降雨强度进行率定，当降雨均匀度大于 85%，实测降雨强度与目标降雨强度的差值小于 5%时方可进行正式降雨。降雨开始后，左右两侧溅蚀泥沙样品需取全样，降雨强度为30、60 和90 mm/h 的取样间隔分别为10、6和6 min。将采集的溅蚀泥沙样品进行湿筛分析，依次通过孔径为5、2、1、0.5 和0.25 mm 的套筛，将得到6 个粒级团聚体（>5、>2～5、>1～2、>0.5～1、0.25～0.5 和<0.25 mm）放入105 ℃烘箱中烘24 h 后称质量。

1.4 数据分析与处理

总溅蚀量为左右两侧溅蚀量之和。侧向溅蚀量为左右两侧溅蚀量之和的平均值。

采用 SPSS 21.0、SigmaPlot 12.5 和 Matlab R 2010b 进行数据处理与分析：采用 SPSS 21.0 中单因素方差分析（One-way ANOVA），多重比较（LSD）和独立样本t检验，进行显著性水平检验（P<0.05）。采用SigmaPlot 12.5 绘图，采用Matlab R 2010b中Curve Fitting Tool对总溅蚀率与降雨强度和坡度的关系进行拟合，同时考虑方程的物理意义。

2 结果与分析

2.1 降雨强度和坡度对溅蚀量的影响

不同降雨强度和坡度对顺坡农田垄体溅蚀量的影响存在显著差异（表3，P< 0.05）。相同坡度下，各溅蚀分量和总溅蚀量均随着降雨强度的增大而增加。当坡度为3°时，降雨强度从30 mm/h 增加到90 mm/h 时，各溅蚀分量和总溅蚀量分别显著增加2.3～14.3 倍和2.5～14.0 倍；当坡度为5°时，降雨强度从30 mm/h 增加到90 mm/h 时，各溅蚀分量和总溅蚀量分别显著增加3.6～21.6 倍和3.7～17.9 倍。在相同降雨强度下，各溅蚀分量和总溅蚀量均随着坡度的增大而增加。当坡度从3°增加到5°时，各溅蚀分量和总溅蚀量分别显著增加57.28%～94.26%和30.52%～74.08%。

通过对总溅蚀率和降雨强度及坡度进行多元回归分析，得到以下方程

式中Es为总溅蚀率，g/(m2·h)；I为降雨强度，mm/h；S为坡度，（°）；n为样本数。

由回归方程可知，总溅蚀量与降雨强度和坡度呈二元幂函数关系。溅蚀量与二者均呈现显著正相关关系。由幂函数指数可知，雨强的幂指数高于坡度的幂指数，说明在该试验条件下，雨强对溅蚀量的影响大于坡度的影响。

表3 不同降雨强度和坡度条件下溅蚀量Table 3 Splash erosion under different rainfall intensity and slope gradient

2.2 降雨强度和坡度对溅蚀过程的影响

不同降雨强度下，总溅蚀率随降雨历时的变化过程存在差异，而不同坡度下，总溅蚀率随降雨历时的变化过程相似（图2）。当降雨强度为30 和60 mm/h时，总溅蚀率随降雨历时呈迅速减小-缓慢减小-波动稳定的趋势；而当降雨强度为90 mm/h 时，溅蚀率随降雨历时呈迅速增加-迅速减小-波动稳定的趋势。例如30 mm/h 降雨强度及3°坡度下，前20 min 溅蚀率迅速降低，从 10 min 的 14.43 g/(m2·h)降低到 20 min 的6.31 g/(m2·h)，20 min 之后溅蚀率在 4.47 g/(m2·h)上下波动。在60 mm/h 降雨强度下5°坡度下，前24 min 溅蚀率迅速降低，从 6 min 的 68.82 g/(m2·h)降低到 24 min的22.55 g/(m2·h)，之后呈稳定波动变化。而90 mm/h降雨强度及5°坡度下，前12 min 溅蚀率迅速增加，在12 min 时达到峰值 213.96 g/(m2·h)，在 12～30 min 溅蚀率由 159.89 g/(m2·h)降低为 64.96 g/(m2·h)，之后趋于波动稳定。

图2 不同降雨强度下总溅蚀率随降雨历时的变化Fig.2 Temporal variation of total splash erosion rates under different rainfall intensity

2.3 溅蚀对水稳性团聚体的分选特征

溅蚀分选搬运不同粒级团聚体的比例在不同降雨强度和坡度下的规律基本相似（表4，P< 0.05），>5 mm 粒级的团聚体未发生迁移，溅蚀主要搬运<1 mm 粒级的团聚体，占总量的75.13%～87.73%（平均为79.01%），其中以0.5～1 mm 粒级最多，<0.25 mm 粒级次之，>2～5 mm粒级最少，分别平均占总量的32.94%，23.27%和3.36%。溅蚀对水稳性团聚体的分选特征受降雨强度影响明显，而受坡度影响不明显（表4）。当降雨强度为30 mm/h 时，溅蚀搬运<0.25 mm粒级的团聚体最多，平均占总量的29.61%，当降雨强度为60 和90 mm 时，溅蚀主要搬运>0.5～1 mm粒级的团聚体，分别占总量的27.14%和44.78%。随着降雨强度的增加，>1～2 mm 和<0.25 mm 粒级的团聚体分别平均减少了25.23%和32.11%，而>0.5～1 和0.25～0.5 mm 粒级的团聚体分别平均增加了33.70%和23.31%。

表4 不同降雨强度和坡度条件下溅蚀分选团聚体特征Table 4 Selective characteristics of water stable aggregates during splash erosion under different rainfall intensity and slope gradient

2.4 溅蚀对各粒级水稳性团聚体的分选过程

溅蚀对各粒级水稳性团聚体的分选过程在不同降雨强度下差异明显，而在不同坡度下变化规律相似（图3）。30 mm/h 降雨强度下，随降雨历时增加，>1～2、>0.5～1 和0.25～0.5 mm 粒级的团聚体呈波动变化，波动幅度分别为 10.28%～40.11%、5.29%～40.33%和8.20%～52.59%；而<0.25 mm 粒级的团聚体呈迅速降低-缓慢降低-波动稳定趋势。60 mm/h 降雨强度下，随降雨历时增加，>2～5 mm 粒级的团聚体比例呈波动变化，波动幅度为 0%～16.65%，而其他粒级的团聚体均在降雨中后期达到波动稳定阶段，其>1～2，>0.5～1 和0.25～0.5 mm 粒级的团聚体分别呈迅速减少-波动稳定，迅速增加-波动稳定，迅速增加-迅速减少-波动稳定的趋势，<0.25 mm 粒级的团聚体比例呈迅速降低-缓慢降低-波动稳定趋势。90 mm/h 降雨强度下，随降雨历时增加，>2～5，>1～2 和<0.25 mm 粒级的团聚体比例呈线性平稳变化，而>0.5～1 mm 和0.25～0.5 mm 粒级的团聚体比例呈波动变化，变动幅度分别为 35.33%～51.30%和17.09%～29.52%。因此，随着降雨强度的增加，溅蚀搬运团聚体比例达到稳定的时间越早，在稳定期的变化幅度逐渐减弱。以<0.25 mm 粒级的微团聚体为例，在雨强为60 mm/h 坡度为5°条件下，微团聚体比例在前12 min从44.97%迅速降低到20.88%，在12～24 min 呈缓慢降低阶段，微团聚体比例从 20.88%降低到 12.39%，之后在 21.73%上下波动。当坡度为 5°时，雨强从 30 mm/h增加到90 mm/h 时，溅蚀搬运微团聚体比例达到稳定的时间从40 min 提早到18 min。

图3 不同降雨强度和坡度条件下溅蚀分选过程Fig.3 Selective processes of splash erosion under different rainfall intensity and slope gradient

3 讨 论

3.1 降雨强度和坡度对溅蚀特征的影响

以往研究表明，消散作用和黏粒膨胀作用是黑土团聚体在降雨过程中破碎的主要机制[13]。本研究中，黑土为湿润状态，团聚体的消散作用和自身粘结力减弱，其破碎过程主要受雨滴打击的机械破坏作用影响[37]。随着降雨强度的增加，总溅蚀量显著增加了 2.5～17.9 倍。这与安娟[24]的研究结论相似，雨滴打击地表产生的冲击力是黑土坡耕地发生溅蚀的直接动力。与无垄作坡面相比[10]，在雨滴溅蚀过程中，雨滴打击力主要作用于垄台，其侧向剪切分力起主导作用[9,11]。随着降雨强度的增加，雨滴的打击力增强，其分离土壤颗粒的能力增大，产生更多的松散颗粒物质供溅蚀搬运[7,38]。因此，在农耕休闲期应加强地表覆盖消除雨滴打击。坡度对溅蚀影响也较为明显，本研究中总溅蚀量随着坡度的增大增加了30.52%～74.08%。调查资料[23,29]显示黑土顺坡垄体的垄台坡度大于45°，明显高于垄体自身的坡度。随着坡度的增加，垄台倾斜度增加，垄台斜面土壤在重力作用下粘结力减弱，坡面物质稳定性降低[39]，加之雨滴侧向剪切分力增加，致使土壤抗溅蚀分散能力减弱，溅蚀搬运量增大[8]。以往的研究指出总溅蚀量与降雨强度呈幂函数或者指数函数正相关[4,7,8]，而溅蚀与坡度呈二次多项式函数[9]或线性函数[10,40]。本研究中溅蚀量与降雨强度和坡度呈二元幂函数正相关，雨强对溅蚀量的影响大于坡度，这与吴普特等[11]和吴冰[12]的研究结论相似。

总溅蚀率随降雨历时的变化过程在不同降雨强度下差异明显。在30 和60 mm/h 雨强下，总溅蚀率呈迅速减小-缓慢减小-波动稳定的趋势。可能的原因是，降雨初期，在较弱的雨滴打击作用下，溅蚀优先搬运垄体表面较多的松散颗粒，随着可被搬运的松散土粒的减少，溅蚀率迅速降低[41]。随着降雨的继续，雨滴打击作用下垄台表面形成临时性结皮层[42]，部分填洼处出现水层，在一定程度阻碍了溅蚀的搬运，溅蚀率缓慢减小并趋于波动稳定的趋势。在90 mm/h 雨强下，溅蚀率呈迅速增加-迅速减小-波动稳定的趋势。可能的原因是，较大雨强下，降雨初期大部分雨滴能量用于分散破坏土壤团聚体，分配给溅蚀搬运物质的能量较少；随土壤含水率的增加，土壤抗蚀性降低，土壤结构破坏严重，垄体松散物质增多，溅蚀搬运量增加；降雨后期，雨滴打击作用下部分地表形成临时结皮，同时填洼处水层厚度增加，可供溅蚀搬运的土粒减少，导致溅蚀率呈逐渐下降并趋于波动稳定的趋势[43]。

3.2 溅蚀对水稳性团聚体的分选作用

黑土团聚体含量高[25]，未降雨前，黑土表面基本上都为大团聚体。降雨过程中，雨滴打击、径流搬运和团聚体稳定机制共同决定了溅蚀对黑土坡面团聚体的分选特征[13,44]。溅蚀搬运的颗粒物质一部分来源于坡面已有的松散物，另一部分来源于新破碎的大团聚体[44-45]。本研究中，不同降雨强度和坡度下溅蚀主要搬运<1 mm 粒级的团聚体，这与周一杨等[26]对黑土溅蚀的研究结果一致，雨滴溅蚀主要分散拆分>1 mm 粒级的团聚体。可能原因是溅蚀优先选择搬运细颗粒泥沙，而对大颗粒泥沙的搬运具有滞后性[45]。随着降雨强度的增加，溅蚀搬运最多的团聚体粒级由<0.25 mm 变为>0.5～1 mm，且粒级为>0.5～1 mm 和0.25～0.5 mm 的团聚体比例增加，而粒级为>1～2 mm 和<0.25 mm 的团聚体比例减少。可能的原因是较小雨强（30 mm/h）下，雨滴能量不足以破坏较大的团聚体并使其发生迁移[7]，溅蚀搬运最多的是内聚力大且不易发生破碎的微团聚体[7]。当雨强增大到60 和90 mm/h时，一方面雨滴具有足够的能量搬运本身质量较大的大粒级团聚体[16]，另一方面雨滴打击力增强，致使垄体表面内聚力相对较小的大粒级团聚体发生破碎[5]，较强的径流搬运能力使得不易发生击溅的>1 mm 粒级团聚体被径流搬运，相应的<1 mm 粒级的团聚体优先被溅蚀搬运[44-45]。

降雨强度不同，雨滴打击和径流的选择搬运作用不同[7,16,46]。本研究中，不同降雨强度下，随降雨历时呈波动变化的团聚体粒级大小不同；降雨强度的增加加速了溅蚀搬运团聚体达到稳定的时间，并减弱了其在稳定期的变化幅度。可能的原因是，小雨强（30 mm/h）下，雨滴能量不能够完全破坏大团聚体[26]，加之径流搬运能力相对较弱[7]，故0.25～1 mm 各粒级的团聚体呈大幅波动变化趋势。当雨强增大到60 mm/h 时，尽管雨滴能量增加，雨滴打击作用仍不能完全破坏>2～5 mm 粒级的团聚体；但径流能量的增加，促使溅蚀搬运<2 mm 各粒级的团聚体达到稳定的时间相对提前。当雨强增大到90 mm/h时，雨滴打击和径流搬运能力增强，受选择性搬运的影响，>0.5～1 mm 和0.25～0.5 mm 粒级团聚体呈波动变化，而其他粒级的团聚体呈现相对平稳的变化，其内在机理有待进一步深入研究。微团聚体（<0.25 mm）在不同降雨强度下均呈现降低-稳定趋势，可能的原因是，降雨初期，垄面存在大量松散物质可供溅蚀搬运[41]；随着降雨的进行，雨滴分散作用产生的微团聚体被径流优先搬运[7]，致使垄面存有较多的未经分选破碎的大粒级团聚体[13]，供溅蚀搬运的微团聚体来源减少；降雨后期，雨滴打击作用和径流的搬运能力达到一个相对稳定状态[4,16]。综上可见，雨滴打击和径流搬运对黑土不同粒级团聚体的分离和搬运有显著影响，有待进一步深入研究。

4 结 论

1）总溅蚀量和侧向溅蚀量均随降雨强度及坡度的增大而增大，其中降雨强度对溅蚀量的影响显著大于坡度。在相同坡度下，当降雨强度由 30 mm/h 增加到 60、90 mm/h 时，总溅蚀量增加2.5～17.9 倍。在相同降雨强度下，当坡度由 3°增大到 5°时，总溅蚀量显著增加30.52%～74.08%。

2）当降雨强度为30 和60 mm/h 时，总溅蚀率随降雨历时呈迅速减小-缓慢减小-波动稳定的趋势。当降雨强度为90 mm/h 时，总溅蚀率随降雨历时呈迅速增加-迅速减小-波动稳定的趋势。总溅蚀量与降雨强度和坡度呈幂函数关系。

3）溅蚀分选团聚体中均以<1 mm 粒级的团聚体为主，占总量的 79.01%，其中以>0.5～1 mm 粒级最多，<0.25 mm 粒级次之，>2～5 mm 粒级最少，分别占总量的32.94%，23.27%和3.36%，而>5 mm 粒级的团聚体未发生迁移。随着降雨强度的增加，>1～2 和<0.25 mm 粒级的团聚体分别平均减少了25.23%和32.11%，而>0.5～1 mm 和 0.25～0.5 mm 粒级的团聚体分别平均增加了33.70%和23.31%。

4）溅蚀对各粒级水稳性团聚体的分选过程在不同降雨强度下差异明显，30 mm/h 和60 mm/h 降雨强度下，分别为<0.25和<2 mm的各粒级团聚体在降雨后期达到波动稳定，其中<0.25 mm 的团聚体均呈迅速降低-缓慢降低-波动稳定的变化趋势。而90 mm/h 降雨强度下，1～5 和<0.25 mm 各粒级团聚体均呈线性平稳变化，其中<0.25 mm 的团聚体呈线性减少趋势。随着降雨强度的增加，溅蚀搬运团聚体比例达到稳定的时间越早，在稳定期的变化幅度逐渐减弱。