2次降雨条件下不同土壤细沟侵蚀分析

刘俊体，孙莉英，张学培，蔡强国†，陈俊杰，3

(1.北京林业大学水土保持学院，100083，北京;2.中国科学院地理科学与资源研究所，陆地水循环与地表过程重点实验室，100101，北京;3.华中农业大学水土保持研究中心，430070，武汉)

2次降雨条件下不同土壤细沟侵蚀分析

刘俊体1，2，孙莉英2，张学培1，蔡强国2†，陈俊杰2，3

(1.北京林业大学水土保持学院，100083，北京;2.中国科学院地理科学与资源研究所，陆地水循环与地表过程重点实验室，100101，北京;3.华中农业大学水土保持研究中心，430070，武汉)

摘要：不同土壤细沟侵蚀发育对比研究是探讨细沟侵蚀机制的必要内容。通过间隔为24 h的2次人工模拟降雨，在不同降雨强度(1.5，2.0，1.0mm/min)、不同坡长(5、10m)的试验条件下，分析坡度为20°时塿土和黄绵土2种土壤细沟侵蚀过程中产流产沙、空间变化的差异。结果表明：1)从坡面产流量来看，2种土壤在2次人工降雨过程中有相似的产流过程，坡长和降雨强度相同时，塿土坡面产流量大于黄绵土;2)从坡面形态看，第1场降雨过程中塿土坡面表面积、细沟侵蚀强度大于黄绵土坡面，但黄绵土坡面一旦发生细沟侵蚀，其体积变化幅度剧烈于塿土坡面;3)塿土在第1场降雨过程中侵蚀速率的变化过程可以反应细沟发育的各个阶段，较大降雨强度使黄绵土发生细沟侵蚀侵蚀，其细沟发育的各个阶段持续时间长于塿土，即黄绵土细沟形态变化缓慢。

关键词：产流;坡面表面积;细沟体积;细沟发育

细沟侵蚀的发生取决于坡面水流的水力学特性、坡面特性和土壤特性，其中水力学特性主要用径流量、雷诺数和弗劳德数、流速、径流水流动力和径流剪切力等来描述［1］，坡面特性则考虑坡度、坡长，而土壤特性则往往用细沟土壤可蚀性、土壤抗剪强度等表示［2-3］。从这些方面对细沟进行的研究已有很多成果。周佩华等［4］提出，在黄土高原，严重的土壤侵蚀主要由少数几次暴雨或大暴雨所引起，细沟侵蚀发生预示土壤侵蚀方式的转变，在土壤侵蚀过程中有不可忽略的效应。但多数研究成果来自于次降雨数据分析，细沟侵蚀在连续降雨过程中的发育特征分析较少，所以有必要探究以上特性在继续发育过程中的异同。随着观测技术的进步，对细沟侵蚀的观测已向空间角度发展。以紫色土为例，通过三维激光扫描技术与ArcGIS软件的结合，在间断降雨条件下，从坡面等高线偏离度与细沟沟头断面特征对细沟形态进行分析，分析结果认为跌坎的形成是细沟造床的关键［5］。另以黄绵土为例，定义细沟的发育过程分为小跌水—下切沟头—断续细沟—连续细沟—细沟沟网［6］。由于细沟侵蚀定义本身界定条件的模糊性和不规范性［7］，细沟侵蚀过程中各阶段的产沙规律与细沟形态变化及其主要影响因素的关系不是很明确。影响细沟侵蚀的因素包括降雨径流侵蚀力与土壤抗蚀性能2方面［8］，降雨侵蚀力来自外界条件的控制;但土壤自身抗蚀性在细沟发生过程中是否存在变化，在非人为控制条件下探究结果较少。笔者通过室内模拟降雨试验并在在未扰动坡面进行二次降雨，观测细沟发生发育过程，并以此为基础分析细沟发育形态变化的阶段性差异，探讨坡长、降雨强度对其影响及程度，同时从土壤特性角度分析细沟的发育过程的不同，尝试找出不同发育阶段的主导影响因素并对其进行定量化分析。

1 材料与方法

1.1 试验土壤

试验采用的杨凌的塿土(L)和安塞生态实验站的黄绵土(H)均取自于当地耕地表层。将供试土壤风干，测得其机械组成(表1)。试验前，将土样自然风干并过10mm筛，以除去杂草和石块。装填试验土壤之前，先在试验槽底部填入10 cm厚的细沙，再在细沙上铺上透水的细纱布，以保持试验土层的透水状况接近于天然坡面。然后填入试验用土，将土均匀填入土槽中。装土时采用分层填土法，边填土边压实，每次装土5 cm，总填土厚度为30 cm。装土时应特别注意在隔板处尽量压实，以避免不必要的边壁效应。每次降雨之前，采用环刀法测取坡面土壤密度及土壤含水率。

表1 试验土壤颗粒机械组成Tab．1 Particle size distribution of experimental soils

1.2 试验设计

试验共使用2种土槽装置：一种为宽1m、高0.5m、长5m的移动式可调坡钢制土槽，另一种为宽1.5m、高0.5m、长10m的固定式可调坡钢制土槽，试验中将2种土槽坡度调节为20°。试验采用中国科学院水土保持研究所人工模拟降雨大厅的下喷式降雨系统，降雨高度18m，降雨覆盖面积为27m×18m。降雨系统把水喷射至空中，受空气阻力作用使水流破碎形成不同大小的雨滴，降落至地表，其产生的雨滴有大有小，与天然降雨形成的雨滴比较相似［9］。本次试验采用纯净水作为模拟降雨水源，纯净水去除了天然水中的重金属离子，不同于传统的自来水、地下水等降雨水源。由I.Shainberg等［9］的试验结果可知，与自来水相比，使用纯净水进行模拟降雨会消除其他因素对坡面土壤侵蚀的影响，从而更有利于对坡面土壤侵蚀过程的观察及研究。这种方法已被国际上广泛采用［10］。

2种土槽分别进行不同降雨强度的降雨处理。各土槽第1场试验降雨强度设计为1.5和2.0mm/min 2种。为保证降雨量相同，产生发育较明显的细沟，获得不同降雨强度下的细沟微地貌，降雨时间分别为45和60min。第2场降雨强度设计为1.0mm/min 1种，降雨时间为60min，减小降雨强度以避免坡面侵蚀剧烈而跨越细沟侵蚀方式，保证观测数据完全为细沟侵蚀。在降雨试验开始之前，通过反复率定，使其在要求降雨强度的情况下降雨均匀度达到90%左右。第1场降雨结束后，经过24 h，在未扰动坡面上进行第2场降雨试验。

1.3 径流量、含沙量及坡面形态的测量方法

坡面产流后，在出水口收集泥沙和径流样品，泥沙采样器容积为1 000mL，其中第1场和第2场降雨采样间隔分别为1和2min/次，含沙量采用烘干法确定，径流量则采用自制大量桶测量体积(为1min内的产流量)，加上泥沙样值，即为该时段总径流量。在整个试验过程中采用高清晰摄像设备进行全程监测，并辅助人工记录，结合试验过程中的径流、泥沙及流速的采样数据，分析坡面细沟侵蚀过程及对应时段内的水沙关系。同时在试验前后采用三维激光扫描仪(Scanstation 2)对坡面微地形数据进行扫描，结合Cyclone软件对坡面的形态特征进行分析。

2 结果与分析

2.1 2次降雨条件下坡面细沟侵蚀过程中产流的异同

在同一坡度不同降雨强度下，室内人工模拟降雨各坡面产流情况如图1和图2所示。可知，各坡面很快产流，产流随时间的变化趋势并没因为降雨强度的不同产生差异。从图中可以看出：各坡面第1场降雨过程中，2种土壤产流随时间的变化趋势相似，坡面产流存在一个增长的过程，黄绵土坡面此现象在2.0mm/min降雨条件下更明显，并且黄绵土坡面总产流量小于塿土坡面，这种差异在10m坡面上尤为显著;第2场降雨过程中降雨强度减小，但各坡面产流速率并未发生明显减小的趋势，且塿土坡面产流大于黄绵土的现象仍然存在。

图1 第1场降雨各坡面产流速率Fig．1 Runoff yield rate of the overland in the first rainfall

图2 第2场降雨各坡面产流速率Fig．2 Runoff yield rate of the overland in the second rainfall

在降雨条件、坡面条件相同的情况下，土壤初始含水量对坡面产流有很大影响，初始含水率越高，产流越快，达到稳定入渗率的时间也越短［11］。土壤初始含水量越低，降雨使土壤水分含量增量越大［12］。1.5mm/min降雨强度时，塿土坡面试验前后土壤含水率为12.55%、18.53%，黄绵土坡面降雨前后土壤含水率为8.88%、19.99%;2.0mm/min降雨强度时，塿土坡面降雨前后土壤含水率分别为13.10%、17.94%，黄绵土坡面降雨前后土壤含水率分别为7.08%、22.18%，塿土前期含水率明显大于黄绵土，其产流快并且迅速达到稳定入渗，从而产流量较大;从产流随时间的变化趋势可知，塿土稳定入渗率小于黄绵土，降雨前后黄绵土土壤水分含量增量大于塿土。另一方面，间隔24 h后进行第2场降雨，塿土各坡面平均土壤含水率为16.18%，黄绵土各坡面平均含水率为16.43%，2种土壤含水率几乎相同，在相同降雨强度条件下，塿土坡面产流量仍旧大于黄绵土，可知这与土壤本身质地有关系。由表1可知，塿土黏粒含量大于黄绵土，但粗粉粒质量分数远小于黄绵土，黄绵土本身质地决定了其入渗能力较强。

2.2 降雨过程中2种土壤坡面的细沟形态

降雨结束后各坡面细沟形态如图3所示，可以看到第1场与第2场降雨后坡面形态的变化。2种降雨强度条件下，塿土坡面细沟密度明显大于黄绵土坡面，并且黄绵土坡面在较大降雨强度条件下细沟经过2次降雨后密度增加明显，细沟形态随坡长的加倍变化不明显。

图3 次降雨后坡面形态Fig．3 Slopemorphology after each rainfall event

为进一步对坡面细沟形态进行定量描述，在三维激光扫描技术的基础上，利用Cyclone软件得到各坡面表面积与细沟体积，此时得到的细沟体积未计坡面沉降，为降雨后坡面所形成细沟道空间大小。由降雨前土壤干密度与细沟体积的乘积得到坡面细沟侵蚀量，为明确细沟侵蚀量占坡面侵蚀量的多少，以贡献率来表示，即贡献率等于细沟侵蚀量占总侵蚀量的比例。计算结果见表2和表3。

表2 基于Cyclone软件的各坡面表面积及细沟侵蚀量(第1场降雨强度为1.5mm/min)Tab．2 Surface area and rill erosion of the slope based on Cyclone software(First rainfall intensities1.5mm/min)

表3 基于Cyclone软件的各坡面表面积及细沟侵蚀量(第1场降雨强度为2.0mm/min)Tab．3 Surface area and rill erosion of the slope based on Cyclone software(First rainfall intensities 2.0mm/min)

可知：降雨后每个坡面表面积增加，降雨强度相同时，塿土坡面表面积增加幅度大于黄绵土坡面;土壤相同时，坡面表面积增加幅度随着降雨强度与坡长的增大而增大。由于细沟沟体的加宽加深，细沟条数的增多会扩大坡面表面积，所以，细沟沟体的空间变化与坡面的表面积有很大关系。降雨强度相同时，由于塿土坡面总径流量大于黄绵土坡面，且含沙水流是黄土高原侵蚀产沙过程形成的重要因素［13］，塿土坡面细沟流侵蚀能力大于黄绵土，较易形成细沟;所以，塿土坡面表面积变化较大。同时，因为降雨强度的增大，坡长的延长，细沟侵蚀随时间的累积效应使坡面表面积变化幅度增大。细沟体积随着降雨场次的增多，变化规律出现多样性。降雨强度为1.5mm/min时，2种坡长坡面上，塿土细沟体积大于黄绵土;但减小降雨强度进行2次降雨后，黄绵土细沟体积增大幅度要大于塿土，即在外界条件相同的条件下，影响坡面细沟侵蚀的主要因素应为土壤本身的性质。以土壤粒径小于0.002mm的黏粒质量分数为反映土壤质地的物理量，黏粒质量分数越高，土壤质地越重，其水力传导度小于轻质土壤，因此，重质土壤的土壤水分入渗能力小于轻质土壤［14］。塿土黏粒质量分数为黄绵土的1.75倍，所以，黄绵土入渗能力较塿土要大，降雨强度较小时，坡面产流强度弱，使得黄绵土坡面发生细沟侵蚀程度小;然而，进行第2场降雨过程中，因各坡面土壤含水率较高，土壤入渗能力减弱，且黄绵土粗粉粒质量分数远大于塿土，所以，黄绵土细沟侵蚀一旦开始，其细沟形态变化程度剧烈于塿土，细沟体积增加幅度变大。降雨强度为2.0mm/min时，2种土壤细沟体积明显大于1.5mm/min降雨条件下的细沟体积。5m坡长的黄绵土坡面细沟体积甚至为1.5mm/min降雨强度下5m长坡面的1.97倍，10m长坡面更是达到3.79倍。在减小降雨强度进行第2场降雨时，在10m坡面上，2种土壤的细沟体积呈现减小现象，这与已有对细沟发育的研究结果不尽相同，其原因是多方面的。其一，扫描技术自身原因，降雨过程中细沟沟体发生侧蚀甚至掏蚀，目前扫描技术不能量测此部分体积，从而利用Cyclone软件进行提取时细沟体积小于实际细沟体积;其二，坡长的延长使细沟形态发育出现多样性，且雷廷武等［15］认为，输沙能力的采样长度为2～4m，超过此长度水流输沙能力处于稳定状态。细沟沟体变化与细沟流输沙有直接关系，有因剥蚀而扩大沟体的沟段，亦有因为泥沙的沉积而减小沟体的沟段，所以表2与表3中会出现通过细沟体积得到的细沟侵蚀量与坡面侵蚀量不相符合的情况。

2.3 2次降雨过程中细沟侵蚀坡面产沙的异同

降雨过程中各坡面的产沙情况如图4、图5所示。由图4可知，第1场降雨过程中相同降雨强度下2种土壤会因为坡长的增长侵蚀程度变剧烈。坡长相同时，2.0mm/min降雨强度使坡面发生剧烈细沟侵蚀，坡面侵蚀速率在降雨过程中超过塿土，且未看到其侵蚀速率下降的阶段。在第1场降雨过程中，塿土侵蚀速率呈下降的趋势。由图5可知：减小降雨强度进行2次降雨过程中，塿土坡面没有因为前期降雨出现细沟而侵蚀加剧，在各个坡面上侵蚀速率稳定;但在10m坡长坡面上，因为细沟的出现，黄绵土侵蚀程度更为剧烈，在第1场降雨强度为2.0mm/min的坡面上可以看到侵蚀速率下降的趋势。

2种土壤在第1场降雨过程中细沟侵蚀各阶段的侵蚀情况见表4。可知，相同条件下，黄绵土各个阶段持续时间较长于塿土，这说明黄绵土对发生细沟侵蚀的敏感性比较迟缓。坡长的增加缩短了塿土面蚀与细沟雏形阶段持续时间，这是因为承雨面积变大，汇流迅速使得细沟发育加速。降雨强度为2.0mm/min时，塿土更早达到细沟发育的调整阶段，而黄绵土细沟发育对坡长、降雨强度的敏感性要小于塿土。在此降雨过程中，黄绵土细沟雏形阶段占据大部分降雨历时，即黄绵土细沟形态变化缓慢，此阶段产生的坡面侵蚀量的比例最大;然而，在10m坡面、2.0mm/min降雨强度条件下(图4)，黄绵土细沟侵蚀一旦发生，在细沟重点发育阶段其侵蚀量在坡面侵蚀量中的比例为67.08%，并且在第2场降雨的过程中细沟侵蚀仍在剧烈进行。这同时补充了有关研究［16］的观点，即在陡坡面上黄绵土一旦发生细沟侵蚀，其侵蚀强度亦要远大于塿土，这与前文分析土壤本身性质有明显的关系。

图5 第2场降雨过程中坡面产沙过程Fig．5 Slope sediment production process in the second rainfall

表4 细沟侵蚀过程中各阶段产沙量Tab．4 Sediment yield of each stage in the development of rill

3 结论与讨论

1)在室内降雨试验条件下，塿土和黄绵土2种土壤在2次降雨过程中有相似的产流过程，坡长和降雨强度相同时，塿土坡面产流量大于黄绵土。

2)从坡面形态看，第1场降雨过程中，塿土坡面细沟侵蚀强度大于黄绵土坡面，相同降雨条件下，塿土坡面表面积大于黄绵土。随降雨的进行，坡面细沟体积的大小变化出现多样性，较小降雨强度条件下塿土细沟体积大于黄绵土。但黄绵土坡面一旦发生细沟侵蚀，其体积变化幅度剧烈于塿土。

3)相同降雨强度下，塿土和黄绵土2种土壤都会因为坡长的增长而侵蚀程度变剧烈，相同坡长时，较大降雨强度使黄绵土发生细沟侵蚀。在第1场降雨过程中塿土细沟发育的各个阶段可以明显看到;但黄绵土各个阶段持续时间较塿土长，不能出现每一个阶段，即黄绵土细沟形态变化缓慢。

本研究是在坡度为20°的陡坡坡面进行的室内人工模拟降雨试验，旨在经过2次降雨来分析塿土和黄绵土2种黄土坡面细沟侵蚀过程的特征与差异。坡面微形态观测技术的提高，有助于坡面细沟侵蚀发生发育机制的深入研究，试验中未能对单独细沟进行追踪观测与分析，也没有做到对不同坡段细沟断面的观测;但这些内容对细沟空间形态演变的认识却有很大的帮助，所以要将其作为后续试验的方向。

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Analysis of two kinds soil rill evolution under the secondary rainfall

Liu Junti1，2，Sun Liying2，Zhang Xuepei1，Cai Qiangguo2，Chen Junjie2，3

(1.College of Soil and Water Conservation，Beijing Forestry University，100083，Beijing，China;2.Key Laboratory of Water Cycle and Related Land Surface Processes，Institute of Geographical Sciences and Natural Resources Research，Chinese Academy of Sciences，100101，Beijing，China;3.College of Resources and Environment，Huazhong Agriculture University，430070，Wuhan，China)

Abstract：It is necessary to study different soil rill erosion for investigating rill erosionmechanism.In this paper，the secondary simulated rainfall experiments with an interval of 24 hours were conducted，with different slope lengths(5，10m)and different rainfall intensities(1.5，2.0，1.0mm/min)，to study the differences of runoff and sediment yield and rill space about 2 kinds soil rill erosion developments.Results showed that two kinds of soil shared similar runoff process.At the same rainfall intensity and slope length，lou soil slope surface runoff was greater than the loessial soil.In the first rainfall，the slope surface area and rill erosion intensity of lou soil was greater than the loessial soil.Once the rill erosion occured in the loessial soil slope surface，the volume variations of loessial soil was strongly than lou soil.The change process of the erosion rate could reflected lou soil rill stages of development.Rill erosion would happen with larger rainfall intensity in the loessial soil，and the duration time for stages was longer than lou soil，i.e.，Loessial soil rillmorphological changed slowly.

Key words：runoff;slope surface area;rill volume;rill development

S157.1

A

1672-3007(2013)04-0022-08

2012-11-20

2013-03-03

国家自然科学基金“坡面水蚀动力与细沟发育形态的相互作用机制及其影响因素”(41271304)、“东北典型黑土区坡耕地水土保持措施对地表径流及其侵蚀的调控和机理研究”(41001165);黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室开放基金“黄土坡面细沟侵蚀发育过程影响因素研究”(K318009902-1315)

刘俊体(1985—)，女，硕士研究生。主要研究方向：坡面土壤侵蚀。E-mail：liujunti123@126.com

简介：蔡强国(1946—)，男，研究员，博士，博士生导师。主要研究方向：土壤侵蚀、水土保持、流域侵蚀产沙模拟与GIS技术应用。E-mail：caiqg@igsnrr.ac.cn

(责任编辑：宋如华)