坡面土壤侵蚀响应机制及其水动力学特征研究进展

安文涛, 宋晓敏, 蒋谦, 王艳晗, 冀晓东

(1.山东泰山路桥工程公司,山东 泰安 271001; 2.北京闪通达技术有限公司,北京 101400; 3.北京林业大学 水土保持学院,北京 100083)

土壤侵蚀是指土壤及土壤母质在外营力作用下,被破环、剥蚀、转运、沉积的过程。坡面是土壤侵蚀的主要发生地和沟道泥沙的主要来源区[1],同时也是研究土壤侵蚀的微观单位,而坡面水动力学特征则是土壤侵蚀过程的直观反映。当前,有关坡面土壤侵蚀的研究以影响坡面土壤侵蚀的因素以及坡面水动力学机理研究为主,但由于坡面土壤侵蚀过程和影响因素的复杂多样以及各影响因素之间的相互联系与作用,导致当前对坡面土壤侵蚀过程及其调控机制仍然不清晰。鉴于此,本文对坡面土壤侵蚀发生与各影响因子之间的响应机制进行概述,对坡面土壤侵蚀水动力学特征进行阐释,并适当分析当前土壤侵蚀研究中存在的缺陷与不足,旨在为坡面土壤侵蚀研究的发展提供参考。

1 坡面土壤侵蚀响应机制

1.1 土壤性质

前人研究表明,当外界因素保持一致时,坡面侵蚀的程度主要取决于土壤性质的差异[2]。大量研究结果也证明:土壤孔隙、质地和机械组成、团聚体结构等均对坡面产流有较大影响[3-6]。

土层中的颗粒之间存在大小不一的孔隙,当产生入渗时,水分便通过这些孔隙从地表至地下层进行水分运移[6],孔隙量的多少直接影响着土壤渗水性能。特别是在降雨过程中,水分转换过程中优先进行的就是土壤入渗,当土壤水分达到饱和含水量,多余的水分无法继续入渗时,此时这些水分便会在坡面表层汇集,受重力影响产生自上而下的径流[7-8]。

土壤质地则直接影响了土壤运输水分的能力,进而决定了整个坡面产流过程。土壤质地越粗,透水性越强;质地越细,透水性越弱。当其他因素不变时,疏松的土壤通常孔隙较多,水分入渗较为通畅,渗水性能较好;当土壤被压实后,土壤孔隙被破坏,入渗速率降低,大量水分无法产生入渗只能产生坡面径流。此外,土壤机械组成对土壤抗蚀性能也会产生重要影响。WISCHMEIER W H等[9]研究发现,农田产生侵蚀的土壤主要为粉砂性和砂性土壤。李勇等[10]研究表明,在黄土高原地区砂粒和粗粉粒的含量是决定土壤抗蚀性能的主要因子之一。

土壤团聚体是土壤结构的基本单位,同时也是径流搬运过程中的基本单元。团聚体的颗粒大小和布局影响了土壤孔隙的分布,从而决定了土壤水分的入渗能力。同时,团聚体结构的稳定性对土壤结构的稳定性起了决定性作用,其在径流运移中的剥蚀破坏影响着土壤泥沙含量、坡面径流入渗状况及地表侵蚀过程的强度[11]。一般认为,砂性土壤中的团聚体结构较分散,当受到外力影响时,比较容易产生土壤侵蚀;而黏粒含量较高的土壤中,有机质含量大,土壤胶体较多,产生的粘合力也就越强,因此，导致团聚体结构比较稳定,土壤的抗蚀性也就越好。

此外,土壤水分也会对土壤侵蚀产生显著影响。研究结果表明,在外界条件基本一致的情况下,土壤初始含水率越高,土壤侵蚀越严重[12]。

1.2 降雨

降雨是一个显著影响坡面土壤侵蚀的动力源,主要包括降雨强度、降雨历时、降雨量和雨滴动能等指标,其中降雨强度对侵蚀强度的影响最大。

在坡面土壤侵蚀过程中,降雨强度是最直接的降雨因素,前人对此进行了深入的研究[13-15]。研究表明,当其他因素基本一致时,土壤侵蚀强度随着降雨强度的变化而变化[16]。这主要是由于降雨强度通过坡面降雨量变化及雨滴溅蚀土壤结皮等途径改变了地表径流产生过程中的土壤入渗和下垫面对降水的分配,进而影响了坡面土壤侵蚀过程。

降雨历时对土壤侵蚀也有较大影响,主要体现在径流量大小以及土壤入渗率的变化方面。一般情况下,降雨强度越大,产流越快,产流量越大。在短历时降雨中,最大10 min雨强(I10)、最大30 min雨强(I30)、最大60 min雨强(I60)与土壤侵蚀的关系最为密切。

降雨量是坡面土壤侵蚀的源动力。在我国,不同降雨量分级地区间的土壤侵蚀强度也存在着显著差异。其中，我国年均降雨量为1 000～1 600 mm的地区,土壤侵蚀强度最高。研究表明,此区域内降雨量与地表径流量和水土流失量均呈正相关关系[17]。

雨滴动能是度量降雨侵蚀力的指标。降雨侵蚀力也会对土壤侵蚀产生重要影响。WISCHMEIER W H等[9]利用降雨和土壤侵蚀的实测资料,通过回归分析研究发现,雨滴动能和最大30 min雨强(I30)两者的乘积与土壤流失量的相关性最好。因此，可将雨滴动能作为度量降雨侵蚀力的指标,且降雨侵蚀力与土壤侵蚀成正相关关系,降雨侵蚀力越大,土壤被侵蚀越强烈。

1.3 植被

森林植被作为陆地上最重要的生态系统,在防治土壤侵蚀方面有其不可缺少的地位。森林植被通过其冠层、林下茂密的灌草层、林地上富集的枯枝落叶层以及发育疏松而深厚的土壤层截持和储蓄大气降水,发挥着其特有的水文生态功能。植被可以通过本身的多层次结构拦蓄降雨水分,减少雨滴击溅,提升地表粗糙程度,改善土壤理化性质,强化降雨入渗。植被根系可通过直接固持土体、产生根系分泌物等方式影响侵蚀过程[18]。同时,植被覆盖度、林分结构、地表枯枝落叶物以及植被根系等植物性因素也都会影响坡面土壤侵蚀[19]。

植被覆盖度是研究植被与坡面土壤侵蚀关系应用最多的指标[20-21]。当植被覆盖程度不断增加时,其降低径流含沙率的能力就越强,坡面土壤侵蚀程度逐渐减弱,侵蚀产沙量逐渐减少[22-23]。植被的地上部分(尤其是冠层)呈多层重叠遮蔽地面,对雨滴及雨滴能量起到承受、削弱和分散的作用。植被的截留作用,使雨滴汇集后滴落或沿枝干缓慢流落地面,改变了降雨的落地方式,减少了降雨量与降雨强度。

植被的林分结构也会对坡面土壤侵蚀产生影响。分层结构的植被比单层结构植被更能保护土壤,更能减轻侵蚀的影响。

坡面表层的枯枝落叶层也是减缓土壤侵蚀的重要因素。当发生降雨时,枯枝落叶物可以有效截留水分,分散降雨产生的动能,防止雨滴打击坡面土壤产生溅蚀;同时枯枝落叶分解后产生的腐殖质有助于改善土壤的理化性质,可以有效增加降水入渗并提高土壤的抗蚀性。

与植被的地上部分相比,有关植物根系部分对土壤侵蚀控制的研究起步较晚。植物根系对土壤有很好的穿插、缠绕、固结作用,通过众多支毛根固结、阻挡、吸附、牵拉等方式,可减少径流对土壤的冲刷,提高土壤的抗冲性,减少土壤侵蚀。

1.4 地形

地形条件对近地表物质的能量的形成及再分配具有深刻的影响,同时也制约着坡面土壤侵蚀过程。地形条件包括坡度、坡长、坡型、坡向等,它们既联系紧密,又相互制约,各因素综合影响着土壤侵蚀的发生和发展过程[24]。不同的坡度、坡长及微地形条件对径流的影响与作用均不同,从而改变着土壤侵蚀的形式;当坡度较大时,受重力影响,坡面流速会增大,坡面径流更易于汇集,土壤侵蚀程度会变强[25]。

坡度是地形因素中对坡面土壤侵蚀影响最大的因子。前人研究表明,当外界水分条件(降雨或径流冲刷)基本一致时,土壤侵蚀程度会随着坡度因子的不同而存在差异[26]。坡度在一定范围内增大时,坡面径流量和侵蚀量会逐渐增加;但当坡度到达一定数值时,即使坡度再增加,径流量和侵蚀量也不会再增加,反而存在减少的情况,这一坡度数值被称为临界坡度。

前人对坡长与坡面土壤侵蚀的关系有着不同的观点。部分学者[27]认为径流中的含沙量随坡长的增加而增加,导致过多消耗水流动能,使得土壤侵蚀力降低,侵蚀过程会随之减弱。另一部分学者[28-29]则持不同意见,他们认为当坡面长度不断增加时,从上坡到下坡的水流深度也会随之增加,导致水流动能逐渐变强,因此土壤侵蚀量也相应变大。还有部分学者[30]认为侵蚀与坡长无关,这是因为水量增加虽然会导致土壤侵蚀增强,但此时径流中泥沙量也在不断增加,泥沙负荷消耗了绝大多数径流动能,因此土壤侵蚀减弱,故二者能量抵消,侵蚀量从上坡到下坡大体不变。

1.5 水土保持措施

水土保持措施是为防治水土流失,保护、改良与合理利用水土资源,改善生态环境所采取的一系列的技术措施与管理措施。其中包括工程措施、植物措施和农业措施等。

水土保持工程措施(微地形改造)主要是通过改变地形,从而改变径流路径,拦蓄径流,增大坡面的阻力作用,能够削弱径流动能,促进土壤入渗,减小坡面流速,从而减弱土壤侵蚀,达到保持水土的作用[31]。魏玉杰等[32]通过试验发现,与传统梯田相比,水平阶工程措施具有省工省料的特点,同时也会大幅度提升水保效益。任文海[33]通过对工程措施的研究总结发现,水土保持工程措施大体减流效益在55%以上,减沙效益高于65%;水平梯田、隔坡梯田、坡式梯田的水保效益最好,其整体效益略高于鱼麟坑的和水平阶的。

水土保持植物措施主要包括造林、育草,保土蓄水,建立农林系统等措施。该类措施除了能起涵养水源、保持水土的作用外,还能改良土壤性质,增强土壤抗蚀力,为居民提供燃料、饲料、肥料和木料,从而促进农、林、牧、副业的综合发展,将保持水土和发展生产相结合。

水土保持农业措施是指在农业种植过程中实施的等高耕作、等高带状间作，沟垄耕作少耕、免耕等耕作措施。实践证明,在水土流失的坡面因地制宜地采取合适的水土保持农业技术措施,有效改变坡面微小地形,提升地面覆盖率,增强土壤抗蚀性,拦蓄降水,减缓地表径流,减少土壤冲刷,改良土壤结构,增加土壤抗蚀、渗透、蓄水、保水性能,培肥地力和提高作物产量,都具有显著的作用。

2 坡面流土壤侵蚀的水动力学特征

2.1 坡面流水力学特征参数研究

坡面流水力学特性是土壤侵蚀过程的直观反映,因此，研究坡面流的水力学特性对深入研究坡面侵蚀具有重要意义。当前研究中,主要以坡面流流速、坡面流水深、雷诺数、弗劳德数和阻力系数等水力学参数来表征坡面流的水力学特征。根据明渠水流理论[34],雷诺数和弗劳德数分别为坡面流流态和流型的划分指标。按照雷诺数和弗劳德数的数值不同,流态一般界定为层流、过渡流和紊流;流型一般划分为急流和缓流。

当前,关于坡面流水力学特征的研究,主要通过人工模拟降雨、放水冲刷、水文模型、数值模拟计算等手段,研究降雨强度、水流流量、下垫面条件、坡面坡度、坡长等条件变化下坡面水力学特征参数的特征以及水力学特征参数间的相互关系。

影响坡面流水力学特征的直接因素是降雨强度和水流流量。研究人员采用人工模拟降雨试验和放水冲刷试验研究不同降雨强度和水流流量下坡面流的水力学特性[35-37]。结果表明,随着降雨强度和水流流量的增大,坡面流的流速、水深和雷诺数会增大,而阻力系数则减小。

坡面下垫面条件的变化显著影响坡面流的水力学特性。受土壤质地、砾石分布、植被类型、植被覆盖度及空间格局等指标的影响,坡面下垫面条件和坡面粗糙度会发生改变,进而影响坡面流的水力学特性。坡面大粗糙单元增加了坡面流所受的阻力,延缓了坡面流的流速,壅高了坡面流的水深,并使得水流流型由急流向缓流发展[38]。台田措施、草被覆盖等措施导致坡面覆盖度发生变化,显著影响坡面流的流态,降低其流速[39-40]。植被空间配置虽能影响坡面流的阻力系数,但是其影响程度弱于植被类型[41-42]。

相关研究表明,在坡度与降雨强度不发生变化时,坡面流的流速随坡长的增加而逐渐增大;在相同降雨强度下,坡长与坡面流的流速具有良好的指数关系[35]。

2.2 坡面流水动力学机理

土壤侵蚀是一个不断消耗能量的过程。坡面水流形成的侵蚀包括雨滴击溅和水流冲刷侵蚀,是坡面水力侵蚀的基础和起始点,径流剪切力、水流功率和单位水流功率等指标常用于描述侵蚀过程和临界水动力条件。

土壤分离是坡面侵蚀产沙的必要途径,而径流剪切力是土壤产生分离的主要动力。当径流剪切力大于土壤的临界剪切力时,土壤颗粒发生剥蚀。在坡面侵蚀的过程中,径流剪切力与土壤剥蚀率均随着冲刷量的增加而增加,临界剪切力与土壤剥蚀率呈负相关关系。当径流剪切力变大时,逐渐削弱土粒间黏结力,土粒逐渐疏松直至分散并被剥离出来,从而为侵蚀提供了物质来源。径流剪切力越大,土壤上的有效剪切力就越大,被剥离的土粒就越多,侵蚀过程就越严重。

水流功率是水流在一定高度向下流动时所形成的动能,也是作用于坡面侵蚀的水动力学重要指标,对于预测径流分离能力具有重要意义。水流功率和单位水流功率主要受坡面流流速的影响,而水流功率显著影响土壤的分离速率,说明水流能量大小控制了土壤侵蚀过程。刘俊娥[43]的研究表明,水流功率与坡面片蚀率和土壤分离速率的响应关系均较好且关系紧密,使用水流功率是预测和模拟坡面侵蚀过程和坡面侵蚀量的最佳参数。综上可见,水流功率在目前的土壤侵蚀研究中得到广泛的认可。

3 当前土壤侵蚀研究中存在的问题

坡面产流过程体现了各影响因子的综合作用及响应效应,特别是在径流分配过程中,土壤入渗性能及地表结构的变化体现了一个动态的变化过程。当前,有关坡面土壤侵蚀对各单影响因子的响应研究已经较为深入,但有关各因子对侵蚀影响的权重研究较少,且对各因子之间的相互影响及关联程度等方面均有待深入研究。未来工作是尝试通过对各影响因子间的相互关系进行进一步研究,分析各因子在侵蚀过程中所占的权重,并寻求能表达各因子与侵蚀过程之间联系的综合性指标,从而更好地归纳和预测降雨/冲刷条件下坡面土壤侵蚀的发生。

当前，对土壤性质与坡面土壤侵蚀间关系的研究主要是从土壤理化性质和机械组成等方面入手,但是对于坡面侵蚀过程中土壤性质的变化机制研究尚不深入。在今后的研究中，应进一步揭示土壤抗蚀性机理,为防治坡面土壤侵蚀提供理论依据。

在植被方面,坡面土壤侵蚀与植被覆盖及其种类间的关系十分复杂。植被类型不同,其地上高度、盖度、林下枯枝落叶层和地下根系分布等都存在较大差异,导致其对土壤侵蚀产生不同的影响与结果。但前人在研究植被因子对土壤侵蚀的影响时,多集中在单因素角度,对各植被因子的综合研究有待于进一步深入。

针对水土保持单项措施对坡面土壤侵蚀的影响已进行了广泛的研究,在避免自身修建产生水土流失的基础上,如何更好地配置使用这些水土保持措施,发挥其蓄流减沙效益,是下一步研究工作的重点。

此外,当前对于坡面水动力学参数特征的研究相对较多,但是由于坡面土壤侵蚀的影响因素众多,侵蚀机理较为复杂,导致目前关于坡面侵蚀水动力学的机理研究仍相对较少。若可以从不同侵蚀因素综合作用的角度对坡面水流的水动力学特性进行分析,将有助于加深对坡面侵蚀内在机理的理解,也可以为构建坡面侵蚀模型提供充分的理论依据。

4 结语

本文从不同方面系统阐述了坡面土壤侵蚀的响应机制和水动力学特征,分析表明,坡面土壤侵蚀是一个十分复杂的过程,不仅受土壤内部因素如土壤均质程度、土壤质地、土壤含水量等的影响,还与外部条件如降雨、植被、地形、水土保持工程等紧密相关。当前,现行的土壤侵蚀研究体系并不完善,对土壤侵蚀各影响因素之间的相互作用关系和动力学物理机制需要进一步明确和深入认知。