陕北子洲“7ž26”暴雨后坡耕地细沟侵蚀及其影响因素分析

王颢霖，焦菊英,，唐柄哲，陈一先，白雷超，王 楠，张意奉



陕北子洲“7ž26”暴雨后坡耕地细沟侵蚀及其影响因素分析

王颢霖1，焦菊英1,2※，唐柄哲1，陈一先2，白雷超1，王 楠2，张意奉1

（1. 西北农林科技大学水土保持研究所，黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室，杨凌 712100；2. 中国科学院水利部水土保持研究所，黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室，杨凌 712100）

细沟侵蚀研究多数基于模拟降雨条件，野外自然状态下的研究相对较少，而极端暴雨条件下的细沟侵蚀研究更为鲜见。该文对陕西子洲2017年“7ž26”特大暴雨条件下坡耕地发育的细沟开展调查，研究坡位（距分水岭距离）、坡度和坡形对坡耕地细沟侵蚀特征的影响。结果表明：通过对35个样方的143条细沟统计，细沟宽度和细沟深度分别为0.5～60 cm和0.5～35 cm；细沟侵蚀强度、细沟密度和细沟割裂度分别为2 289～110 976 t/km2、0.3～3.95 m/m2和0.002～0.441。随距分水岭距离（17～58 m）的增加，细沟先快速发育，坡面破碎程度加剧，距分水岭58m后，细沟发育减慢，坡面破碎程度减弱。坡度在不同的坡位对细沟侵蚀的影响程度不同：随坡度增大，上坡位（距分水岭20～40 m），细沟侵蚀强度陡升，坡面破碎程度加剧；下坡位（距分水岭60～80 m），细沟侵蚀强度增加较缓慢，坡面破碎程度减弱。凸形坡中部为细沟侵蚀（10 292 t/km2）最为严重区域，下部（8 141 t/km2）次之，上部无细沟发生；细沟密度、细沟割裂度和细沟平均宽度先增大后减小，细沟平均深度递增。浅沟地形细沟侵蚀随距分水岭距离的增加而增加，但退耕地的存在减缓了细沟侵蚀发育程度。直形坡因坡度最大其细沟侵蚀最严重，细沟形态同其他坡形基本相同，但最大沟宽和沟深均大于其他坡形。研究结果可为黄土高原坡耕地的水土流失防治提供参考。

土壤；侵蚀；暴雨；细沟侵蚀；坡耕地；坡形；坡度；距分水岭距离

0 引 言

细沟的出现是坡面沟蚀的开始，细沟规模虽小，但发育迅速，一旦产生就会造成大量表土和养分的流失[1-2]。同时，细沟沟槽为侵蚀提供运输通道，便于侵蚀物质转移。已有研究证明，细沟侵蚀的发生使得径流的侵蚀力和搬运力增大，导致坡面侵蚀产沙激增[3]，成倍甚至数十倍的增加，细沟侵蚀量占到坡面总侵蚀量的70%[4-5]。而黄土高原地形破碎、黄土结构疏松、短历时高强度暴雨等特性，为细沟发育提供了有利条件。

不同自然环境下土壤发生细沟侵蚀的规律不尽相同，细沟侵蚀的发生受多因素的共同影响，如坡长、坡度、土壤等。已有研究表明坡度的增大，减少单位面积上承受的降雨量，使入渗减少、地表径流增加，加快细沟侵蚀过程[6-7]。He等[8]发现坡度是影响细沟发育的主要原因，坡度与最大细沟深度、细沟数量和细沟距坡顶最长距离密切相关。陈俊杰等[9]发现坡长在某种程度上减弱了坡度的影响。和继军等[10]通过三维激光扫描仪对地表精确扫描，分析了细沟在塿土和黄绵土的不同发育规律，指出塿土细沟出现快于黄绵土，且塿土细沟发育有较强的规律性，而黄绵土细沟发育有较大的随机性。同时，研究发现土壤有机质可以改善土壤性质，提高土壤团聚体的稳定性和土壤颗粒间的凝聚性，从而提高土壤的抗剪切强度，抵抗径流侵蚀力[11-12]。细沟形态是细沟侵蚀的真实反应，从细沟形态中可以准确认识细沟侵蚀过程。由于细沟发育过程存在较大的随机性，很难从单一细沟描述细沟形态特征。吴普特等[13]提出用细沟平面密度和细沟平均深度描述细沟形态；沈海鸥等[14-15]通过统计细沟长度、宽度和深度以及细沟倾斜度、细沟密度、细沟割裂度和细沟复杂度反映坡面细沟形态特征，发现细沟宽度是最佳的形态测量指标，而细沟割裂度则是最佳的衍生形态特征指标。

自然降雨与模拟降雨存在很大差异，自然降雨有多个雨强交换进行，而模拟降雨是在多个固定雨强下进行，这使得细沟侵蚀发生发展有所不同。然而，多数学者对细沟侵蚀的研究是在模拟降雨条件下进行的，野外自然状态下细沟研究相对较少，特别是极端暴雨条件下的细沟侵蚀研究更为鲜见。为此，本研究基于2017年7月26日陕西省榆林市子洲县发生的特大暴雨，对子洲清水沟小流域坡耕地细沟进行实地测量，分析坡耕地细沟侵蚀状况及规律，探讨坡位、坡度及坡形对坡面细沟侵蚀的影响，以期为黄土高原坡耕地的水土流失防治提供参考。

1　研究区概况

陕西省榆林市子洲县气候干旱少雨，属大陆性干旱半干旱季风气候区，1971－2017年期间，年平均气温9.5 ℃，历史上极端最高气温41.1 ℃，极端最低气温−25.7 ℃；年平均降水量434.2 mm，年最大降水量655 mm，最小降水量248.7 mm，年际差406.3 mm，降水主要集中在7−9月。研究区属于黄土梁峁丘陵沟壑区，沟壑纵横，梁峁起伏，地面支离破碎，地形起伏大，沟壑密度为5～6 km/km2，沟深可达100～150 m[16-17]。

本研究选择在陕西省榆林市子洲县清水沟小流域进行调查。清水沟小流域位于子洲县城西南方位，北纬37°35′25″～37°37′16″，东经109°58′49″～110°0′45″，清水沟小流域总面积5.86 km2。清水沟是大理河流域内的一个小支流，总的地势是西南部山峰陡峻，东北山峰较低缓，海拔最高1 045 m，最低863 m。退耕还林还草政策实施后，但仍有大量的坡耕地存在。该流域内种植农作物有绿豆（）、玉米（）、大豆（）、马铃薯（）、芝麻（）等，草本植物主要有苜蓿（）、铁杆蒿（）、草木樨状黄芪（）等，乔木有刺槐（）、榆树（）、旱柳（）等。

2 材料与方法

2.1 暴雨情况

2017年7月25日－26日陕西省榆林市发生了强暴雨事件，降雨主要过程开始于25日15时，至26日2时达到最大，此后降雨开始减弱，至26日8时，降雨过程基本结束，主要降雨过程总历时集中在17 h之内，其雨量占场次雨量的97%，降雨量接近当地多年平均降雨量的50%[18]。暴雨中心主要集中在无定河支流大理河流域，无定河流域面平均降雨量为67.5 mm，大理河流域面平均降雨量为139.0 mm，7月25日8时－26日8时累计降雨量大于100 mm的有32站，大于200 mm的有10站（李家河、曹坪等）[19-20]。暴雨过程中大部分雨量站1 h雨量为30～40 mm，部分站为50～60 mm，而磨石沟李孝河站最大（79 mm）[19-20]。

子洲站和曹坪站是距离清水沟最近的2个雨量站，子洲站总降雨量183.3 mm，最大1 h降雨量52 mm，平均降雨强度0.13 mm/min，曹坪站总降雨量212.4 mm，最大1 h降雨量49.2 mm，平均降雨强度0.25 mm/min。

2.2 野外调查

坡耕地细沟调查于2017年8月3日在清水沟小流域进行，涉及5个坡耕地坡面（图1），分别为3个直形坡面，1个凸形坡面，1个浅沟地形坡面，共16个调查点。每个调查点设置样方规格为2 m×2 m，并设2～3个重复。样方坡度变化在12°～38°之间，作物盖度为10%～20%，距分水岭距离的范围为10～100 m之间。

注：数字为调查点距分水岭距离的平均距离

Note: Number is the average distance of survey sample distance from the watershed distance.

图1 调查坡耕地的分布

Fig.1 Distribution of sampling slopelands

直形坡（距分水岭17、25、40 m）作物为绿豆，直形坡（距分水岭距离37、61 m），作物为黄豆，直形坡（距分水岭79、83 m）作物为黑豆、马铃薯。凸形坡全坡面均为坡耕地，种植黄豆，坡耕地上方为草地，并在坡耕地上方修有排水沟，故将排水沟当作凸形坡的分水岭。浅沟地形坡面为多田块组合的坡面，由5个田块组成，如图2所示，从上至下排列顺序为耕地（绿豆）、耕地（绿豆、糜子）、退耕地（退耕4～5年，主要植物狗尾草、画眉草、苦菊，植被盖度30%）、退耕地（退耕1～2年，主要植物早熟禾、猪毛蒿、赖草，植被盖度15%）、耕地（糜子）。所设样方中只有浅沟地形坡面中田块3和田块4为退耕地，其余所设样方与分水岭之间均为坡耕地。

在调查中，记录每个样方的细沟数量，采用测尺法直接测量每条细沟的长度、宽度和深度，对于形状不规则的细沟，进行分段测量，计算细沟体积。然后，将测量每个分段的细沟体积相加以计算样方内细沟的总体积。用环刀法测得各样方土壤容重，与各样方细沟总体积相乘，求得各样方细沟总侵蚀量，最后换算为细沟侵蚀强度。测量坡度时，采用坡度仪在样方内取3点测量，取平均值。同时，记录各样方的经纬度坐标（手持GPS）与坡向等信息。

2.3 样方设定

坡长是指坡面的水平投影长度，而不是指坡面长度。在实际研究中，因坡面形态非常复杂而不易考察完整坡面，在本研究中选取距分水岭距离代表坡面长度。用距分水岭距离表示调查样方所处的坡位，不同坡位可反映坡耕地受上方来水的影响，因而距分水岭不同距离的坡耕地细沟发育状况不同。研究距分水岭不同距离样方的细沟侵蚀强度变化和细沟形态变化，分析距分水岭距离与细沟发育和细沟形态各参数的相关性以及变化趋势。为此选取距分水岭0～100 m内坡度为12～15°的样方，所选样方种植作物均为豆类（黄豆、绿豆、黑豆）。确定距分水岭距离时，将样方的经纬度在Google Earth软件标注，并在分水岭附近根据海拔确定分水岭，沿坡面方向测量样方与分水岭之间的距离，然后求取重复样方距分水岭距离的平均值。根据其他工作在Google Earth上测距精度反馈，此方法精度误差为5%～12%。

在坡面坡耕地集中的坡位，挑选距离相近且坡度相差较大的样方，比较不同坡位上坡度对细沟侵蚀和细沟形态参数的变化趋势。为此选取了距分水岭20～40（上坡位）和60～80 m（下坡位）两区间，距分水岭20～40 m区间的坡度为12°、20°、32°，距分水岭60～80 m区间的坡度为16°、22°、38°。

坡形的分析中选取3种不同坡形的坡耕地：一是直形坡，距分水岭13～42 m区间，坡度逐渐增加，分别为12°、20°、32°。直形坡坡面本身分为上、中、下部，测量发现上、中、下、部间距相差不多，故采用直形坡坡面本身的上、中、下部分布。二是凸形坡，凸形坡上方有一条较大的排水沟（宽20～50 cm，深20～50 cm），将上方来水引到旁边的沟谷中，将排水沟看作分水岭；凸型坡坡长100 m，上部坡度12°，中部坡度18°，下部坡度21°。将凸形坡的凸出坡位作为凸形坡中部，凸出坡位上方为凸形坡上部，凸出坡位下方为凸形坡下部。三是浅沟地形坡，将田块1和田块2作为浅沟地形的上部，田块3和田块4作为浅沟地形的中部，田块5作为浅沟地形的下部。统计暴雨后这3种不同坡形坡耕地坡面上、中、下部细沟数量与特征，分析3种不同坡形坡耕地细沟侵蚀随距分水岭距离变化的空间分布特征。

图2 浅沟地形坡面状况

2.4 细沟侵蚀参数计算

采用细沟长度、宽度和深度作为细沟形态的基本几何指标，进而计算得到细沟密度、细沟割裂度、细沟宽深比等指标，分析这次暴雨后坡耕地细沟形态的变化特征：

1）细沟体积（）是指某条细沟宽度、深度与测段长度乘积的加和，可以用下式进行计算。

式中为细沟的体积，cm3；W为第个测量段的细沟平均宽度，cm；D为第个测量段的细沟平均深度，cm；L为第个测段的长度，cm；为样方内细沟的个数。

2）细沟平均深度指样方为所有细沟深度的平均值。

3）细沟平均宽度指样方为所有细沟深度的平均值。

4）细沟割裂度（）是根据地面割裂度进行定义的，指单位面积的细沟平面面积之和，无量纲，用（2）计算。

式中为细沟割裂度；A为第条细沟的面积，m2；为所研究样方的面积，m2；为样方内细沟的个数。

5）细沟宽深比（R）是指细沟宽度与其对应深度的比值，无量纲，可用（3）计算。

式中W为第个测量点处的细沟宽度，cm；D为第个测量点处的细沟深度，cm。

6）细沟密度（ρ）是指单位面积上细沟的长度，可以用下式进行计算。

式中ρ为细沟密度，m/m2；为细沟总条数；L为第条细沟的长度，m。

7）细沟侵蚀强度（）：指单位面积细沟的侵蚀量，t/km2，可以用下式进行计算。

式中V为第条细沟的体积，cm3；ρb为土壤容重，g/cm3。

3 结果与分析

3.1 坡耕地细沟形态与侵蚀特征

通过对35个样方的143条细沟的统计，细沟宽度变化范围为0.5～60 cm，其中10～15 cm宽度的占比最大（51%），5～10 cm宽度的次之（28%），大多数细沟宽度小于20 cm（93%），仅少数在细沟沟壁坍塌严重地段的细沟沟宽大于30 cm（1%）；细沟深度变化范围为0.5～35 cm，其中0～5 cm的深度占比最大（69%），5～10 cm的深度次之（29%），大多数细沟深度小于15 cm（97%），仅在径流集中地段的细沟深度大于15 cm（3%）。

通过对35个样方的统计，细沟侵蚀强度变化范围为2 289～110 976 t/km2，其中2 289～10 000 t/km2占比最大（39%），越靠近坡面下部细沟侵蚀强度越大。细沟侵蚀强度最大值为110 976 t/km2，发生在径流集中地段（距分水岭43 m，坡度35°）。细沟密度变化范围为0.3～3.95，细沟密度1～2（44%）集中在距分水岭17～58 m的坡面。细沟割裂度变化范围为0.002～0.441，其中细沟割裂度0～0.100的占比达到63%。

3.2 距分水岭距离（坡位）对细沟侵蚀的影响

距分水岭距离0～100 m内（坡度11°～15°）的细沟平均宽度、细沟平均深度和细沟宽深比等的统计结果如图3所示：细沟平均宽度随距分水岭距离增大而增加，并在9.6～14.7 cm之间波动。细沟平均深度随距分水岭距离增大而增加，细沟平均深度从2.7 cm增长到9.0 cm（增长量6.3 cm），在距分水岭76～86 m时出现较大增长（3.2 cm），占总增长量的49.6%。细沟宽深比随距分水岭距离的增大而减小，从3.27降到1.49，表明距分水岭越近，细沟形态宽而浅，随着距分水岭距离的增大，细沟宽度，深度均增大，但宽度的增大速度小于深度的增大速度。细沟基本形态的变化反映了出坡面径流的侵蚀变化。分析可知，坡上部的汇水面积较小，径流侵蚀力较弱，对细沟沟壁和沟底的侵蚀冲刷作用较小，细沟较浅且较窄；随着坡长的增加，汇水面积逐渐增大，径流汇集作用增强，径流侵蚀力增大，对细沟沟壁和沟底的侵蚀冲刷加强，细沟更深；细沟宽深比随距分水岭距离增大而减小、细沟深度随距分水岭距离增大而增大，也说明径流在侵蚀过程中下切侵蚀逐渐增强；同时，细沟密度、细沟割裂度在随距分水岭距离的增大表现出先增大后减小的现象，在距分水岭距离36 m之前，细沟密度、细沟割裂度以较快速度增大；而在距分水岭距离36 m后，细沟密度缓慢减小，细沟割裂度减少并趋于稳定（图3b）。

图3 距分水岭距离对细沟侵蚀的影响

随着距分水岭距离的增加，细沟侵蚀强度呈增长趋势，在17～58 m距离处细沟侵蚀强度增长幅度最大，为11 913 t/km2（图3d）。在距分水岭17 m坡长处，径流以侵蚀为主，具有较强的侵蚀力，细沟侵蚀模数增长幅度大；距分水岭36 m后的径流，自身能量支持径流携带泥沙继续前进，并对土壤进行侵蚀，携带的泥沙之间不可避免地存在着交替碰撞，也需要消耗能量，降低了侵蚀能力，实际表现出来的就是细沟侵蚀强度增长幅度减少[21-22]。

3.3 坡度对细沟侵蚀的影响

图4为坡度对细沟侵蚀各指标的影响图。从图4可知，随着坡度的增加，细沟平均宽度、细沟平均深度和细沟宽深比的具有如下特征：上坡位细沟平均宽度从10.1 cm增大到17.5 cm，细沟平均深度从2.8 cm增大到7.0 cm；下坡位细沟平均宽度从15.6 cm减少到10.5 cm，细沟平均深度从3.9 cm增长到6.6 cm。上坡位与下坡位的细沟平均深度变化趋势类似，均呈增大趋势，上坡位细沟平均深度的增大幅度（7.4cm）大于下坡位的增大幅度（2.7 cm）；而细沟平均宽度变化趋势截然不同，上坡位细沟平均宽度呈增大趋势。上坡位与下坡位的细沟宽深比都呈减少趋势（图4c），上坡位细沟宽深比从3.67减小至2.55，下坡位区间细沟宽深比从4.14减小到1.60；但上坡位，随着坡度增大，宽深比减小，但细沟的宽度、深度均是增大的，只是细沟宽度的增大速度不如细沟深度增大的速度快，而下坡位，随着坡度增大，细沟宽度减小，深度增大。分析可知，上坡位细沟发育过程中沟壁坍塌、下切侵蚀得到加强，而下坡位细沟发育过程中沟壁坍塌方式减弱，下切侵蚀得到加强。上坡位细沟密度和细沟割裂度也均随坡度的增大而增大（图4d、4e），下坡位细沟密度和细沟割裂度均随坡度增大而增大（图4d、4e），但下坡位的细沟割裂度增长幅度（1.707）远大于上坡位（0.249）。从实际测量看，上坡位细沟窄浅，样方内多条（4～8条）细沟平行，而下坡位细沟横断面呈深“V”型，最深为32 cm，且样方内细沟仅有2或3条。

上坡位与下坡位的细沟侵蚀强度随坡度增大均呈增大趋势，但细沟侵蚀强度增大幅度不同。上坡位的细沟侵蚀强度增大幅度（28 329 t/km2）远大于下坡位的细沟侵蚀强度增大幅度（8 306 t/km2）。

图4 坡度对细沟侵蚀的影响

3.4 坡形对细沟侵蚀的影响

表1为不同坡形的细沟侵蚀特征表，表2为不同坡形的细沟侵蚀特征表。分析表1可知，凸形坡坡面中部（10 292 t/km2）是细沟侵蚀最为严重的坡位，下部（8 141 t/km2）细沟侵蚀次之，上部无细沟侵蚀（但有面蚀发生）；细沟侵蚀各指标的最大值大都出现在中部，其中坡面中部的细沟密度（1.68 m/m2）和细沟割裂度（0.281）远大于坡面上下部；沟宽平均值在坡面中下部变化不大，但沟宽最大值（35 cm）出现在中部；下部细沟的深度平均值、最大值、最小值均大于中部。分析整个坡面变化可知，细沟密度、细沟割裂度和细沟平均宽度呈现出先增大后减小的变化趋势，细沟平均深度呈现逐渐递增的变化趋势。从整个坡面细沟的几何形态和坡面破碎情况变化看，中部细沟溯源侵蚀、沟壁坍塌加强，下部细沟下切侵蚀加强。

表1 不同坡形的细沟侵蚀特征

表2 浅沟地形坡面不同田块的细沟侵蚀特征

分析表1、表2可知，浅沟地形的田块1、田块2、田块5均为坡耕地，田块2与田块1细沟的几何形态基本相同，但细沟密度、细沟割裂度分别从1.24增大到1.75 m/m2、0.008增到0.012；田块5位于坡面最底部，坡面的破碎程度最为严重，细沟密度（2.70 m/m2）和细沟割裂度（0.013）均为所有田块中最大，但细沟的几何形态和田块1、田块2基本相同。田块3和田块4为退耕地，田块4的细沟形态、侵蚀强度、细沟密度和细沟割裂度均大于田块3，但增长幅度较小。由此可知，浅沟地形坡耕地和退耕地的细沟侵蚀随距分水岭距离的增加而增加。田块3较田块2坡面的破碎程度减小，细沟密度、细沟割裂度分别从1.75减少到1.10 m/m2、0.012减少到0.010，但细沟形态较田块2有一定量的拓展；田块3和田块4为退耕地，坡面为初级演替植被，且已形成生物结皮，对坡面具有一定的保护作用，减弱了径流对坡面的冲刷。由此可知，退耕地的存在减弱了细沟侵蚀随距分水岭距增大而增大的程度，有效的保护坡面。

由于受地形限制，直形坡样方所选区间在距分水岭17～40 m的范围内，为所选坡形中最短的，但3个样方坡度分别为12°、20°、32°，为坡度变化最大的坡面。从表1可得，细沟发育较快，侵蚀强度3 801～32 129 t/km2，且相邻坡位的侵蚀强度差值较大，分别为5 959 t/km2和22 369 t/km2；细沟平均宽度9.6～17.5 cm，相邻坡位的平均宽度差分别为2.2、5.7cm；平均深度2.8～7.0 cm，相邻坡位的平均深度差分别为0.7和2.5 cm。与其他的2种坡形对比，虽然直形坡坡面较短，但是细沟发育最快，侵蚀情况最为严重，直形坡下部侵蚀强度（32 129 t/km2）、细沟割裂度（0.359）均为3种坡形中的最大值；细沟形态方面，细沟平均宽度和细沟平均深度较其他坡形坡位相差无几，但最大沟宽60 cm和细沟最大深度36 cm均为3种坡形中的最大值（表1）。

4 讨 论

细沟作为坡面产沙的重要环节，其形成和发展受距分水岭距离的影响[23-24]。孔亚平等[25]研究指出细沟侵蚀能力随距分水岭距离先增大，超过一定距分水岭距离后逐渐减少，存在侵蚀能力强烈区间，随后侵蚀减弱。蔡强国[26]对1961－1969年在子洲20、40、60 m坡长小区的监测结果进行分析，发现0～20 m是侵蚀能力最强的区间，40、60 m处的侵蚀能力逐渐减弱，且坡长40和60 m处的侵蚀差异不大。而本研究发现，距分水岭距离0～36 m为侵蚀能力强烈区间，距分水岭距离36 m之后侵蚀能力减弱，但侵蚀仍在增加，表现为增长幅度减小。野外试验研究表明[13]细沟侵蚀发育强烈地段在坡长中部，其次是下部和上部，而全坡长的细沟侵蚀量贡献顺序为下部、中部、上部。高军侠等[27]研究也表明随着降雨强度的增大，侵蚀能力强烈区间会延长。可见，降雨特性的差异是造成细沟侵蚀差异的重要原因之一。同时，结皮对坡面产流位置也有一定影响。已有研究表明径流在有物理结皮的坡面具有较小的水流剪切力，减慢细沟出现，使细沟侵蚀发生的位置下移[28-29]。本研究区在此次暴雨前有过降雨，表土有结皮形成，结皮的存在减慢了细沟的出现。张攀等[30]指出细沟形态的发育是多维全面的进行，且细沟密度与平均宽度、平均深度均呈正相关，但本研究中距分水岭距离36 m前细沟密度与平均宽度、平均深度呈正相关，距分水岭距离36 m后（细沟侵蚀能力减弱区间）呈负相关。这与其研究选取坡长较短有关，处于侵蚀能力强烈区间，坡面多条细沟发育，且对沟壁破坏和下切侵蚀作用强烈[26,31]，但本研究距分水岭36 m后侵蚀能力减弱，细沟发育条数减少，细沟密度减少，细沟更多用于运输泥沙，对沟壁破坏减弱，细沟宽度变化不大，但下切侵蚀继续加强，细沟深度增大，最终表现为距分水岭距离36m后细沟密度与平均宽度、平均深度均呈负相关。沈海鸥[14]指出细沟密度和细沟割裂度均呈现整体现增加后减小的趋势，与本研究结果一致。由此可知，在此次暴雨中细沟侵蚀随距分水岭距离增大而增大，且细沟侵蚀能力强烈区间的扩展是高历时、高强度的降雨特性和表土物理结皮的共同作用。

坡度的增大可加快坡面产流进程，进而加快细沟的出现和发育[32]，但不同位置对坡度增大的响应呈现不同情况。陈俊杰等[9]和李君兰等[33]发现在5、10 m的径流小区中坡度增大导致细沟侵蚀强度增大，其原因为5和10 m坡长较短，细沟侵蚀处于侵蚀能力强烈区间，坡度的增大，增大了细沟侵蚀侵蚀能力，加剧了细沟对坡面的破坏[5,26]。本研究发现距分水岭距离20～40 m范围内细沟侵蚀随坡度增大而增大的幅度远大于距分水岭距离60～80 m范围内的。本试验中在60～80 m区间侵蚀能力已减弱，虽坡度增大加剧了细沟对坡面的破坏，但因坡度增大导致的细沟侵蚀强度增大幅度远小于20～40 m的增大幅度，表明在坡面足够长的情况下距分水岭距离会削弱坡度对细沟侵蚀的影响。这与陈俊杰等[9]研究得到的结论相一致，坡面侵蚀量随坡度的增加而增加，而坡长在一定程度上会减弱坡度影响的。

坡形是坡度和坡长的组合形态，影响着坡面径流的汇集方式和过程，进而影响坡面细沟侵蚀发育。野外调查[34]发现在瓦背状地形的凹洼部分，细沟分布密集，侵蚀量大；在凸出部分，细沟分布稀疏，侵蚀量小；直形坡的细沟侵蚀量处于两者之间[6]。于晓杰等[34]模拟降雨试验表明直形坡坡面产沙对降雨特性和坡度的响应均弱于凹形坡和凸形坡。吕威[35]研究表明直形坡的土壤侵蚀量均小于凹形坡和凸形坡，凸形坡土壤流失量大于凹形坡；凸形坡土壤侵蚀量随上下坡面坡度增大显著增大；凹形坡，上坡面坡度较小时，土壤侵蚀随上坡坡度增大显著增大，下坡坡度较大时，土壤侵蚀量随上坡坡度增大而显著减小。而本研究发现直形坡侵蚀最大，凸形坡最小，浅沟地形介于二者之间。直形坡为坡度变化最大的坡面，因此坡度变化导致其细沟侵蚀最为严重。而凸形坡因地形呈凸面状，径流间的交汇作用减弱，一定程度上限制的细沟发育，使得其侵蚀强度最小。研究表明侵蚀量与上方来水呈正相关[23]，而下垫面的变化可以影响细沟侵蚀的发育程度[5,37-38]，本研究中浅沟地形的浅沟地势较低，由于径流汇集在浅沟中，坡面受上方来水量影响减弱，且坡面中下部存在退耕地，植被及生物结皮对细沟侵蚀强度具有减弱作用，使得中下部的细沟侵蚀强度增加幅度较小，可见上方来水集中排水和植被覆盖可有效的减少细沟侵蚀强度。

综上，“7.26”暴雨事件反映了水土流失问题，细沟侵蚀能力强烈区间的扩展，细沟侵蚀能力在强烈区间对坡度的响应更为强烈，这两点问题都表明对坡耕地的水土流失治理应放在细沟侵蚀能力强烈区间，加强对细沟侵蚀能力强烈区间的治理，减弱细沟侵蚀对坡面破坏。

5 结 论

1）随距分水岭距离（17～58 m）的增加，细沟先快速发育，坡面破碎程度加剧，距分水岭58 m后，细沟发育减慢，坡面破碎程度减弱，但整个过程中细沟宽度和深度均有增大。

2）坡度增加会使细沟侵蚀强度增大，但在不同坡位上坡度对细沟侵蚀强度的影响程度不同：在上坡位（距分水岭20～40 m），随坡度增大，细沟侵蚀强度陡升（增大幅度28 329 t/km2），细沟宽度、深度均有增大（7.4、4.2 cm），坡面破碎程度加剧；在下坡位（距分水岭60～80 m），随着坡度增大，细沟侵蚀强度增加缓慢（增大幅度8 306 t/km2），细沟宽度减少（5.1 cm），细沟深度增大（2.7 cm），坡面破碎程度减弱。

3）凸形坡，中部的坡耕地为细沟最为严重区域，下部次之，上部最轻；细沟密度、细沟割裂度和细沟宽度呈现出先增大后减小的变化趋势，细沟深度呈现逐渐递增的变化趋势。浅沟地形的多田块坡耕地和退耕地的细沟侵蚀随距分水岭距离的增加而增加。直形坡因坡度最大其细沟侵蚀最严重，细沟形态同其他坡形基本相同，但最大沟宽和沟深均大于其他坡形。

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Characteristics of rill erosion and its influencing factors in slope farmland after “7ž26” rainstorm in Zizhou County, Shaanxi Province

Wang Haolin1, Jiao Juying1,2※, Tang Bingzhe1, Chen Yixian2, Bai Leichao1, Wang Nan2, Zhang Yifeng1

(1.,,,712100,; 2.,,,712100,)

Most studies on rills are conducted under simulated rainfall condition. However, the study under natural rainfall condition is rare, especially under extreme storm condition.In this study, we investigated rill erosion under the rainstorm that occurred on 26 July, in Zizhou County, Shaanxi Province. The 16 investigation sites were in Qingshuigou small watershed involving 5 slope surfaces of slope farmland, including 3 straight slopes, 1 convex slope, and 1 shallow ditch terrain slope. For each investigation point, the size of the quadrats was set as 2 m×2 m, and 2-3 duplicates were set. Rill intensity, rill density and degree of rill dissection of each sample plot were measured to discuss the influence of slope position (distance from watershed), slope gradient and slope type on rill characteristics of slope farmland. The results showed that: rill erosion intensity, rill density and degree of rill dissection were 2 289-110 976 t/km2, 0.3-3.95 m/m2and 0.002-0.441, respectively.The width of rills varied from 0.5 to 60 cm, with 51% rills ranging from 10 to 15 cm in width, and 93% rills was less than 20cm. The depth of the rill varied from 0.5 to 35 cm, with 69% of rills ranging from 0 to 5 cm, and 97% of the rill depth was less than 15cm. As the increase of distance from the watershed, rill erosion intensity increased, and rill erosion developed rapidly firstly and then slowed down. Between 17-58 m from the watershed, with the increase of distance, rills developed rapidly and the degree of fragmentation of the slope increased. After 58 m from the watershed, the development of rills slowed down and the degree of fragmentation of the slope weakened. The effect of slope gradient on the rill erosion varied among different slope positions.With the increase of slope gradient, in the upper part of the slope (20-40 m from the watershed), rill erosion intensity raised sharply, and slope fragmentation degree increased. With the increase of slope gradient, in the lower part of the slope (60-80 m from the watershed), rill erosion intensity increased slowly, and slope fragmentation degree weakened. In convex slope, the middle slope had the largest rill erosion intensity (10 292 t/km2), followed by the lower slope (8 141 t/km2) and the upper slope (no rill erosion but have surface erosion). With increase of the distance from watershed, rill density, degree of rill dissection and rill depth increased firstly and then decreased, while rill erosion intensity and rill depth increased. In the slope with shallow gully, the rill erosion of sloping farmland and abandoned farmland increased with the increase of the distance. However, the existence of abandoned farmland weakened the development of rill. In the straight slope, rill developed rapidly due to the larger slope gradient. Therefore， the straight slope had the largest rill erosion intensity, rill density and degree of rill dissection in the three slope types. This paper analyzes the erosion status and regularity of rills in slope farmland during this rainstorm, and discusses the influence of slope position, slope gradient and slope shape on rill erosion of slope surface, aim to provide reference for soil erosion control of sloping farmland on the Loess Plateau.

soils; erosion; rainstorm; rill erosion; sloping farmland; slope type; slope gradient; distance from the watershed

2018-09-10

2019-05-27

国家自然科学基金面上项目“黄土丘陵沟壑区流域泥沙连通性对降雨与人类活动的响应机制”（41771319）

王颢霖，主要研究方向为土壤侵蚀。Email：whlnwsuaf@163.com

焦菊英，博士，研究员。主要从事流域侵蚀产沙、土壤侵蚀与植被关系及水土保持效益评价。Email：jyjiao@ms.iswc.ac.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.11.014

S157

A

1002-6819(2019)-11-0122-09

王颢霖，焦菊英，唐柄哲，陈一先，白雷超，王 楠，张意奉. 陕北子洲“7ž26”暴雨后坡耕地细沟侵蚀及其影响因素分析[J]. 农业工程学报，2019，35(11)：122－130. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.11.014 http://www.tcsae.org

Wang Haolin, Jiao Juying, Tang Bingzhe, Chen Yixian, Bai Leichao, Wang Nan, Zhang Yifeng. Characteristics of rill erosion and its influencing factors in slope farmland after “7ž26” rainstorm in Zizhou County, Shaanxi Province [J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(11): 122－130. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.11.014 http://www.tcsae.org