沂蒙山区坡面侵蚀过程

王志伟，艾钊，张国庆，陈志成，张永涛†

(1.山东农业大学林学院，271018，山东泰安;2.中国林业科学研究院林业新技术所，100091，北京)

沂蒙山区是我国北方典型的土石山区，也是我国东部土壤侵蚀最为严重的区域之一。大面积、长时期、高强度的水土流失造成破坏土地、吞食农田、降低土壤肥力、淤积抬高河床、加剧洪涝灾害、恶化生存环境［1］等严重危害，严重阻碍了该地区农业可持续发展及区域生态建设。土壤侵蚀是一个复杂的物理化学过程，涉及因素众多，多年来，国内外学者对其发生的原因、过程及结果做了大量深入的研究，取得了重要的成果［2-4］。国外对坡耕地的研究［5-7］较多;国内在黄土高原区、南方红壤丘陵区及北方黄土丘陵区的研究［8-13］较多，但对北方土石山区土壤侵蚀过程的研究还非常薄弱。笔者通过室内模拟降雨和野外试验，着重分析降雨强度、坡度双因子对沂蒙山区典型土壤棕壤、褐土坡面侵蚀过程的影响，阐明坡面产流时间、坡面径流速度、侵蚀率及总侵蚀量的变化规律，剖析坡面侵蚀过程。其研究成果在合理利用水土资源、优化配置水土保持措施、完善学科内容等方面有一定的参考意义。

1 研究区域概况

沂蒙山区位于淮河中上游，地处鲁中南低山丘陵区，属土石山区，地势西北高东南低，属暖温带大陆性季风气候。全年平均气温14.1℃，降水时空分布不均，全年无霜期超过200 d。植被稀疏，地形起伏较大，土层易流失变薄，乃至局部土层已侵蚀殆尽。

2 材料与方法

2.1 试验材料与试验设计

试验所用褐土和棕壤于2012年4月20日取自沂蒙山区费县山区坡耕地的坡中下部，为沂蒙山区典型土壤，分别来自石灰岩山区和砂石山区。现场测得褐土和棕壤的土壤含水量分别为16.1%和5.1%，土壤密度分别为1.22和1.49 g/cm3。

试验研究从2012年5月5日到6月25日在山东省土壤侵蚀与生态修复重点实验室人工模拟降雨大厅进行，采用自动控制模拟降雨系统，可模拟10～200 mm/h范围内降雨强度，雨滴大小调控范围为0.4～0.6 mm，均匀度超过80%，降雨高度为20 m，实验设计降雨强度为50、75和100 mm/h。试验土槽采用规格为长×宽×高=140 cm×70 cm×40 cm的可移动式升降钢槽，坡度可调范围为0°～45°，实验采用了 5 个等级，分别为 5°、10°、15°、20°和 25°。

2.2 试验步骤与分析方法

1)装土:将供试土样自然风干后，过10 mm筛以除去杂质。采用分层称量装土的方法，在装土前用烘干法［14］测定供试土样的含水量，用环刀法测土壤密度，以保证土层密度均匀并接近原状土特性。

2)降雨强度率定:每次试验前对降雨强度进行2次率定，使降雨均匀度与降雨强度误差小于5%，降雨结束后再次率定，试验降雨强度取前后率定结果的平均值，每次降雨历时80 min。

3)土样湿润:在正式试验前进行土样湿润，降雨强度为30 mm/h，降雨至坡面产流结束，并静止24 h［12］，使土壤含水量基本达到饱和。

4)数据记录:在降雨过程中，记录产流时间、坡面跌水时间、细沟开始溯源侵蚀时间。

5)流速测定:采用染色剂法测定坡面水流流速。由于坡面流速随试验时间、坡面位置的不同而不同，故在坡面的上、中、下部每2 min各测一次，坡面流速取平均值。

6)产流产沙观测与分析:坡面产流后的第1、2、3、6和10 min采集泥沙样，之后每隔5 min采集一次，采集时长1 min，直到降雨结束。径流样量测，静置，倒掉上清液，用烘干法测干沙质量，用单位时间内径流泥沙样中的干沙质量计算侵蚀率。

2.3 数据处理

试验所得数据均采用SPSS16.0和Excel2003统计软件进行分析处理。

3 结果与分析

3.1 不同降雨强度和坡度对坡面产流时间的影响

坡面产流时间综合反映了坡面土壤物理性质的差异，准确确定产流时间对研究坡面产流及坡面侵蚀过程有着重要的作用。由表1可知，棕壤和褐土2种土壤的产流时间规律性相似:坡度相同时，产流时间皆随降雨强度的增加而提前，且提前程度较大，降雨强度为100 mm/h时其产流时间比50 mm/h时提前了近140 s;降雨强度相同时，坡面产流时间随试验坡度的增加也相应提前，但幅度较小。相同试验条件下，棕壤和褐土的坡面产流时间差异不大。因为每次正式降雨前都进行预降雨，供试土壤的含水量基本达到饱和，以消除试验过程中土壤入渗的影响，降雨基本以坡面径流的形式汇集产流;所以，坡面产流时间的长短主要取决于降雨强度。

表1 降雨强度和坡度不同时棕壤及褐土的产流时间Tab．1 Runoff time of brown soil and cinnamon at different rainfall intensities and slope gradients s

3.2 不同降雨强度和坡度对坡面径流流速的影响

坡面径流流速是计算坡面侵蚀产沙的重要参数，也是重要的水动力要素，对径流侵蚀能力和挟沙能力的大小具有决定性的作用。由表2可知，降雨强度相同时，当坡度从5°增加到25°时，坡面径流流速明显增大;坡度相同时坡面平均流速随降雨强度的增加亦增大，但幅度较坡度影响小，这与李鹏等［15］和 G.R.Foster等［16］所取得的研究结果相似。其原因为:坡度愈大，坡面径流顺坡分力愈大，加速度愈大，故坡面流速随坡度的增加而增大;坡度相同时，当降雨强度增大时，坡面产生的径流量增加，使坡面水流的厚度增加，进而使薄层水流受到的地表阻力减少，促使坡面流速增加。

对比2种土壤，降雨强度和坡度相同时，褐土的坡面径流流速要大于棕壤，这主要与土壤表面的糙率、土壤的质地和结构有关。

表2 降雨强度和坡度不同时棕壤及褐土的坡面平均流速Tab．2 Runoff speed of brown soil and cinnamon at different rainfall intensities and slope gradients m/s

3.3 不同降雨强度和坡度对坡面径流量的影响

径流量是模拟土壤侵蚀过程的基本输入量，也是坡面侵蚀产沙的动力和泥沙输送的载体，坡面径流量主要受降雨特性和下垫面变化的影响，下垫面特征主要由地形、土壤［17-18］等因素决定。

从表3可以看出，降雨强度与坡度对坡面径流量的影响规律较明显:对于棕壤和褐土，降雨强度相同时，坡面径流量随坡度增大而减小，50和75 mm/h降雨强度时，径流量减小的幅度较小，顺序减小量基本在1～3 L之间，100 mm/h时，减小的幅度增大，顺序减小量大都在2～4 L范围内变动，但25°时的径流量与5°时相差11 L，变化较大;坡度相同时，坡面径流量随降雨强度的增加而增加，增加幅度较大，在20～25 L之间，远大于因坡度变化引起的改变量;降雨强度和坡度相同时，褐土坡面径流量高于棕壤，但增加量随降雨强度、坡度的变化不明显。其原因为:在降雨强度和降雨历时相同的情况下，试验土槽的坡度变化会直接影响到其实际承雨面积的变化，即随试验土槽坡度增大其实际承雨面积和承雨量变小，故相同降雨强度下坡面径流量随坡度增加而减少。供试土样在正式试验前进行了前期预降雨，使土壤含水量达到饱和，在降雨过程中基本无入渗产生，降雨落在土壤坡面后大都转变成坡面径流。在坡度相同时，坡面径流量的大小主要取决于承雨量，所以坡度相同时，降雨强度越大，径流量越大。

3.4 不同降雨强度和坡度对产沙过程的影响

土壤侵蚀率是定量分析坡面土壤侵蚀产沙过程规律的重要指标，侵蚀率的变化是土壤坡面径流与土壤抗蚀力相互作用的结果。从图1和图2可以看出，棕壤、褐土的土壤侵蚀率变化过程较为复杂，但其变化规律的总趋势为随降雨强度、坡度的增加而增大。50 mm/h降雨强度、5～25°坡度和 75 mm/h降雨强度、5°坡度时，由于降雨强度较小，雨滴击溅能力弱，且坡面径流量较少，坡度较缓，坡面径流速度较慢，致使坡面径流冲蚀力较小，在降雨过程中只发生了溅蚀、片蚀，侵蚀率较低，且随着坡度的增大平稳增加，变化过程较为平稳;75 mm/h降雨强度、10 ～25°坡度以及100 mm/h 降雨强度、5°坡度时，降雨强度增加，雨滴具有较大的动能，土壤表面汇集的径流量增多，雨滴击溅能力与径流冲刷能力增大，土壤表面不仅发生了溅蚀、面蚀，而且还发生了微沟侵蚀，土壤侵蚀率明显增大，且在整个降雨过程中波动较大;在100 mm/h降雨强度、10～25°坡度条件下的侵蚀率增大更加明显，增加近5倍，且侵蚀率的变化曲线波动剧烈，在产流后就急剧增加，直到波峰值，且波峰出现的时间随着坡度的增大而提前，之后在一定范围内趋于稳态，最后又逐渐增大直至降雨结束。对于棕壤，侵蚀率开始增大的点出现在15°的55 min、20°的46 min、25°的 35 min 左右;对于褐土，侵蚀率开始增大的点出现在15°的65 min、20°的56 min、25°的46 min左右。结合当时观测到的实际情况进行分析，降雨开始阶段，强降雨形成的径流带走了土壤表面固有的和在雨滴击溅作用下产生的较为松散的颗粒，使坡面侵蚀率在较短时间内急剧上升，形成一个波峰，之后由于雨滴击溅作用和表土夯实作用使土壤表面形成临界结皮层，减少了土壤表层糙度，提高了土壤抗蚀能力，使侵蚀率逐渐减少最后趋于稳定。后期由于坡面受持续径流剥蚀作用开始出现细沟，坡面侵蚀方式以细沟侵蚀为主，伴有溅蚀、片蚀。由于降雨强度、坡度、土壤理化性质等都能影响细沟的演变与发展，使得侵蚀产沙方式的动态性、复杂性、随机性较强，致使侵蚀率曲线变化波动性较大。此外，降雨强度、坡度增加可加快细沟的发生、发育和形态的演变过程，使细沟出现的时间提前。

表3 不同降雨强度和坡度下棕壤与褐土坡面径流量Tab．3 Runoff volume of brown soil and cinnamon at different rainfall intensities and slope gradients

对比图1和2可知，在相同的外部条件下，棕壤的侵蚀率较褐土明显偏高，且侵蚀率动态变化波动性较大，出现细沟侵蚀的时间要早于褐土。这与土壤密度、颗粒组成、水稳性团聚体、有机质质量分数等土壤理化性质有关。单由坡度增加所引起的侵蚀率增量要小于单由降雨强度增大引起的侵蚀率增量，这也说明了降雨强度对坡面侵蚀产沙的贡献率要高于坡度。

3.5 不同降雨强度和坡度对坡面总侵蚀量的影响

由图3和4可知，在降雨强度和坡度不同时，褐土、棕壤总侵蚀量的变化有明显的规律性，都随降雨强度、坡度的增加而增加，但增加量不同。在50 mm/h降雨强度、5°～15°时，褐土和棕壤坡面总侵蚀量随坡度增大平缓，在20°和25°时，总侵蚀量上升急剧，增加近1倍;在75 mm/h降雨强度、5°～25°时总侵蚀量较50 mm/h降雨强度明显增大，且褐土侵蚀量的变化曲线具有一定的波动性，而棕壤较平缓;在100 mm/h降雨强度、5°和10°时，褐土侵蚀量较50和75 mm/h降雨强度时有一定幅度的增加，在15°～25°时侵蚀量呈跳跃式上升，增加近5倍。可知降雨强度对总侵蚀量的影响作用大于坡度，且降雨强度愈大，其影响作用愈大。对比图3和图4可知，棕壤总侵蚀量远大于褐土，说明褐土抗侵蚀能力大于棕壤。主要是因为这2种土壤质地、结构存在一定的差异性，造成土粒间和微结构间胶结力不同，使土壤抗蚀能力不同。

图1 降雨强度和坡度不同时棕壤坡面侵蚀率随降雨历时的动态变化Fig．1 Dynamic change of erosion rate of brown soil at different rainfall intensities and slope gradients

4 结论

1)坡面产流时间随降雨强度、坡度的增加而提前，且受降雨强度的影响较大。相同试验条件下，褐土和棕壤2种土壤坡面产流时间差别不大。

2)坡面径流速度的大小与坡度和降雨强度呈正相关，且坡度的影响大于降雨强度。相同外部条件下，棕壤坡面径流速度小于褐土。

图2 降雨强度和坡度不同时褐土坡面侵蚀率随降雨历时的动态变化Fig．2 Dynamic change of erosion rate of cinnamon at different rainfall intensities and slope gradients

3)坡面径流量随降雨强度的增大而增加，随坡度的增大而减少。大降雨强度时，径流量随降雨强度增大而增加的幅度和随坡度增大而减小的幅度与小降雨强度时相比都较大。

4)土壤侵蚀率与降雨强度、坡度极显著相关。降雨强度、坡度的增大使细沟提前出现，使侵蚀率变化曲线表现出明显的波动性;降雨强度对侵蚀率的贡献率大于坡度;降雨强度和坡度相同时，棕壤的侵蚀率高于褐土。

图3 褐土坡面总侵蚀量Fig．3 Total amount of erosion on cinnamon

图4 棕壤坡面总侵蚀量Fig．4 Total amount of erosion on brown soil

5)总侵蚀量随降雨强度、坡度增大而增大。小降雨强度时，坡度是影响总侵蚀量的主导因子，大降雨强度时，降雨强度是主导因子。相同试验条件下，棕壤总侵蚀量远大于褐土。

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