嚴(yán)冬春，文安邦，史忠林，巨 莉，賀秀斌

（1.中國科學(xué)院成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所山地環(huán)境演變與調(diào)控重點實驗室，成都 610041；2.中國科學(xué)院研究生院，北京 100049）

三峽庫區(qū)紫色土坡耕地細(xì)溝發(fā)生的臨界坡長

嚴(yán)冬春1，2，文安邦1，史忠林1，2，巨 莉1，2，賀秀斌1

（1.中國科學(xué)院成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所山地環(huán)境演變與調(diào)控重點實驗室，成都 610041；2.中國科學(xué)院研究生院，北京 100049）

采用人工暴雨試驗發(fā)現(xiàn)：相同土壤含水量條件下，10°，15°，20°，25°紫色土小區(qū)在130 mm／h雨強降雨下細(xì)溝發(fā)生的臨界坡長平均值分別為6.13，4.12，2.72，1.55 m，細(xì)溝發(fā)生的臨界坡長與坡度呈二次拋物線關(guān)系；土壤含水量變幅為16%～26%條件下細(xì)溝發(fā)生臨界坡長先增長后變短。據(jù)此總結(jié)了采用地埂防治坡耕地細(xì)溝侵蝕的治理模式，針對不同坡度地塊細(xì)溝發(fā)生的臨界坡長，采用地埂或者分割地塊，并在地埂上種植經(jīng)濟效益高的植物籬，既控制了細(xì)溝的發(fā)生，又彌補了地埂占地導(dǎo)致的農(nóng)業(yè)減產(chǎn)；同時在旱季和雨季分別調(diào)整邊溝的尺寸，調(diào)整地塊土壤含水量從而控制細(xì)溝因含水量變化導(dǎo)致的細(xì)溝發(fā)生臨界坡長縮短。

細(xì)溝侵蝕；臨界坡長；坡耕地；紫色土；三峽庫區(qū)

1 概 述

三峽庫區(qū)對我國特別是長江流域，在社會經(jīng)濟、水資源安全和生態(tài)屏障方面具有重要的戰(zhàn)略地位。三峽工程的建設(shè)、運行以及庫區(qū)移民安置對庫區(qū)及流域生態(tài)系統(tǒng)、地表過程和社會經(jīng)濟正在并將產(chǎn)生重大的影響。三峽水庫蓄水后，庫區(qū)淹沒耕地2.597 hm2，使區(qū)域發(fā)展與資源、環(huán)境承載力的矛盾更加尖銳。由于大量的后靠移民安置和城鎮(zhèn)、公路、管道等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，非農(nóng)用地大幅度增加，不但增加了退耕還林（草）和生態(tài)修復(fù)等水土保持難度；而且為發(fā)展農(nóng)村經(jīng)濟和提高糧食產(chǎn)量，迫使在有限土地資源上加大利用率和墾殖率，加重水土流失。據(jù)2005年水土流失公告顯示水土流失面積占幅員面積的48.55%；中度侵蝕為主，占幅員面積的19.90%；輕度侵蝕占幅員面積的14.15%；強度侵蝕占幅員面積的12.23%；極強度和劇烈占幅員面積的2.27%。庫區(qū)年均水土流失量達1.5億t，入庫泥沙4 000多萬t，坡耕地土壤侵蝕占總水土流失量的60%以上。三峽庫區(qū)紫色土分布區(qū)域占庫區(qū)總面積的78.4%，其中絕大部分為坡地［1］。三峽水庫蓄水淹沒和移民后靠勢必加重紫色土坡耕地負(fù)荷，如何有效地控制紫色土坡耕地土壤侵蝕，提高糧食產(chǎn)量則成為當(dāng)務(wù)之急。

細(xì)溝侵蝕是坡面土壤侵蝕的主要形式之一，是介于片狀侵蝕與溝道侵蝕之間的一種侵蝕類型［2］。細(xì)溝一旦形成，坡面薄層水流轉(zhuǎn)變?yōu)楣闪?，其水力學(xué)特征發(fā)生根本性的轉(zhuǎn)變，侵蝕動力增強，水流侵蝕形態(tài)由對單個土壤顆粒的搬運轉(zhuǎn)變?yōu)閷ν寥缐K體崩解、分散、輸移的過程，侵蝕量劇增，已有的研究表明細(xì)溝的發(fā)生坡面侵蝕產(chǎn)沙量將增加幾倍至幾十倍［3］，黃土高原細(xì)溝侵蝕量甚至占坡面總侵蝕量的70%以上［4－6］。傳統(tǒng)觀念認(rèn)為坡耕地上形成的細(xì)溝僅通過耕作措施即可以將其平復(fù)，不需要特殊的土壤保持措施；事實上，即使通過耕作措施將細(xì)溝平復(fù)還是會在坡面上形成負(fù)地形，再次降雨情況下很容易出現(xiàn)細(xì)溝，甚至形成惡性循環(huán)［7］?；趯?xì)溝侵蝕在坡面侵蝕中重要地位的認(rèn)識，國內(nèi)外學(xué)者在細(xì)溝的發(fā)生、發(fā)展、侵蝕輸沙等方面開展了大量研究［8－11］。對于某一坡度的地塊，一次暴雨中細(xì)溝總是表現(xiàn)在一定的坡長處發(fā)生，這是由于細(xì)溝侵蝕的發(fā)生需要一定的坡長來匯集徑流，這一坡長稱為細(xì)溝發(fā)生的臨界坡長［12］。通過暴雨試驗調(diào)查出細(xì)溝發(fā)生的臨界坡長，進而通過各種措施控制細(xì)溝的發(fā)生將大大降低坡面侵蝕量。

本研究采用人工暴雨試驗，調(diào)查了紫色土坡耕地細(xì)溝發(fā)生的臨界坡長，研究了坡度、土壤前期含水量對臨界坡長的影響，為進一步探討紫色土坡耕地防治細(xì)溝措施提供依據(jù)。

2 研究方法與試驗設(shè)計

2.1 試驗區(qū)概況

試驗在中國科學(xué)院三峽庫區(qū)忠縣水土流失與面源污染觀測站內(nèi)開展（108°10′25″E，30°24′53″N），該站地處三峽庫區(qū)中游，四川盆地東部平行嶺谷區(qū)，淺丘地貌，區(qū)內(nèi)出路巖層為侏羅系中統(tǒng)沙溪廟組（J2s）砂巖、粉砂巖和泥巖。屬亞熱帶東南季風(fēng)區(qū)，四季分明，年均氣溫19.2℃，無霜期320 d左右。年均降水量1 150 mm，季節(jié)分配不均，其中70%以上集中于4－10月。土壤為中性紫色土，坡耕地廣布，墾殖率復(fù)種指數(shù)均較高，作物按照季節(jié)不同采用輪作制種植冬小麥、油菜、花生、土豆、玉米、紅薯等。

2.2 試驗設(shè)計

本次試驗分為2部分，一部分采用暴雨試驗調(diào)查不同坡度地塊細(xì)溝發(fā)生的臨界坡長；另一部分采用控制不同土壤含水量，調(diào)查土壤含水量對細(xì)溝發(fā)生臨界坡長的影響。試驗場地為忠縣站4塊2 m× 8 m的小區(qū)；坡度分別為10°，15°，20°，25°，土層厚度大于40 cm，裝填土壤采集于附近農(nóng)耕地表層20 cm耕作土，小區(qū)試驗前將表層20 cm土壤用鋤頭翻松整平，手工撿出石礫（土壤特性見表1）。第一部分試驗在土壤翻松后均勻灑水，保證土壤表層（5 cm）含水量在25%左右，試驗前用TDR測試表層土壤含水量。第二部分在10°小區(qū)上開展，通過灑水后地面蒸發(fā)不同時長（間隔2 h用TDR測試1次，各測點間距1 m），從而控制土壤含水量，試驗不同含水量條件下細(xì)溝發(fā)生的臨界坡長。分析忠縣2000年至2009年的降雨數(shù)據(jù)表明，暴雨次數(shù)32次，最大次降雨量為178.5 mm，最大10 min雨強為136.3 mm／h。本次試驗設(shè)計雨強為130 mm／h；降雨歷時為23 min，10°小區(qū)降雨7場，其余3塊小區(qū)各降雨3場。降雨器為中國科學(xué)院水土保持研究所研制生產(chǎn)的雙側(cè)雙噴噴降雨機，通過調(diào)整噴頭射流孔板調(diào)節(jié)雨強，噴頭距離中軸線高度6.5 m，實際降雨高度大于8 m，鋼架擋風(fēng)棚高度9 m。

降雨均勻度和降雨量測定采用10個簡易的雨量筒測定，雨量筒為直徑150 mm、高250 mm的白鐵皮制成，沿小區(qū)兩邊等間距放置，16場降雨實際雨強偏差均在4%以內(nèi)。降雨開始產(chǎn)流后，用6 000 mL塑料桶收集水沙樣品（每1 min采集1次水沙樣品），并用秒表記錄每次采集樣品所需要的時間。記錄每次采樣的體積，樣品澄清12 h以后用細(xì)膠管導(dǎo)出上層清液，下層水沙樣品用500 mL鐵皮盒盛裝烘干24 h后稱重。溝道侵蝕量采用填充法，填充土壤為臨近小區(qū)表層土壤，稱重每次填充所需土壤重量，并換算成干重。

表1 試驗紫色土特性Table 1 Character of purp le soil

3 細(xì)溝發(fā)生的臨界坡長

表2 紫色土坡耕地細(xì)溝發(fā)生臨界坡長統(tǒng)計表Table 2 Critical lengths of rill taken from purp le soil slope land

3.1 細(xì)溝發(fā)生的界定

以往以尺寸作為細(xì)溝發(fā)生的界定在概念上比較模糊，很難將片狀侵蝕形成的跌坎（坑）和細(xì)溝有效地區(qū)分開。而細(xì)溝發(fā)育過程中跌坎（坑）是至關(guān)重要的一環(huán)，跌坎（坑）的出現(xiàn)表明細(xì)溝開始發(fā)育，跌坎（坑）的貫穿標(biāo)志著細(xì)溝的形成［12］。跌坎（坑）出現(xiàn)以后坡面漫流在跌坎（坑）處匯集成股流，坡面侵蝕方式由薄層水流懸移輸送轉(zhuǎn)變?yōu)楣闪鳑_刷，跌坎（坑）在股流作用下溯源侵蝕和下切坡面導(dǎo)致順坡跌坎（坑）的貫穿形成溝道。因此，本試驗在確定細(xì)溝溝頭和測量臨界坡長時將觀測到跌坎（坑）的貫穿作為細(xì)溝發(fā)生的界定。

3.2 臨界坡長與坡度的關(guān)系

通過對細(xì)溝發(fā)生過程的觀察，細(xì)溝發(fā)生的判定以跌坎貫穿為標(biāo)志，細(xì)溝發(fā)生后溝頭的溯源侵蝕不在本研究統(tǒng)計之列。控制含水量在25%左右時，10°，15°，20°，25°小區(qū)在130 mm／h雨強降雨下細(xì)溝發(fā)生的臨界坡長隨坡度的增大而縮短（表2），細(xì)溝溝頭出現(xiàn)的順坡坡長平均值分別為6.13，4.12，2.72，1.55 m。相同坡度單次暴雨下細(xì)溝發(fā)生的臨界坡長存在一定的變異性，可能是由于土壤本身不均質(zhì)導(dǎo)致徑流在某一點上優(yōu)先下切形成跌坎（坑），進而演變成溝頭。

鄭粉莉［13］研究了黃土坡面細(xì)溝發(fā)生的臨界坡長與坡度呈二次拋物線關(guān)系，本試驗利用10°，15°，20°，25°小區(qū)的臨界坡長結(jié)果回歸得到

LR＝0.008 4J2－0.59J＋11.24 。

式中：LR為臨界坡長（m），J為坡度（°）。將上式兩邊對坡度求導(dǎo)數(shù)，求得紫色土細(xì)溝發(fā)生臨界坡長的拐點坡度為35.1°，略大于鄭粉莉［13］在黃土高原的調(diào)查結(jié)果。拐點坡度又稱為細(xì)溝發(fā)生臨界坡長的臨界坡度，小于臨界坡度的地塊細(xì)溝發(fā)生的臨界坡長隨坡度增大遞減，大于臨界坡度的地塊細(xì)溝發(fā)生的臨界坡長隨坡度增大而增大。坡度小于臨界坡度時細(xì)溝發(fā)生臨界坡長隨坡度增大而減小的原因在于隨著坡度增大，入滲量減少，匯集成導(dǎo)致跌坎貫穿的徑流所需坡長變短。對于坡度大于臨界坡度時臨界坡長隨著坡度增大而增大的原因比較復(fù)雜，可能是由于坡度較大，坡面受雨面積相對減少，同時徑流流速劇增，水層變薄，徑流對坡面有效切應(yīng)力反而減小，導(dǎo)致匯集成跌坎貫穿所需坡長變長。由于本試驗沒有設(shè)計大于臨界坡度的試驗，這一猜測需要在后期的試驗中驗證。

3.3 前期含水量對臨界坡長的影響

10°小區(qū)7場人工降雨土壤含水量變幅為16%～26%（試驗小區(qū)土壤飽和含水量為37.8%），細(xì)溝發(fā)生的臨界坡長隨含水量的變化趨勢如圖1。從圖1來看，含水量大于19.5%時，細(xì)溝發(fā)生的臨界坡長總體上隨含水量的增大而縮短；可能是由于土壤含水量的增大導(dǎo)致土壤顆粒之間粘結(jié)力降低，泥沙啟動所消耗的臨界動能較低，徑流匯集貫穿跌坎（坑）的坡長也相應(yīng)縮短。當(dāng)含水量降低到19.5%以下時，細(xì)溝發(fā)生的臨界坡長隨含水量降低而變短；可能是由于含水量降低導(dǎo)致土壤空隙比增大，暴雨雨滴擊濺作用下堵塞土壤表面空隙，土壤入滲率降低，徑流匯集形成溝頭所需坡長縮短。從臨界坡長隨含水量變化的趨勢來看，我們猜測可能存在一個臨界含水量（三峽庫區(qū)紫色土坡耕地大概為20%土壤含水量），當(dāng)含水量大于或者小于臨界含水量時細(xì)溝發(fā)生臨界坡長都將是變短，需要進一步的試驗驗證。

圖1 不同含水量狀態(tài)下臨界坡長變化趨勢圖Fig.1 Variety Trend about critical length in different water contents of soil

4 細(xì)溝控制技術(shù)探討

三峽庫區(qū)蓄水后，河谷區(qū)平坦的臺地被淹沒，大量的后靠移民增加了紫色土區(qū)坡耕地負(fù)荷；通過控制細(xì)溝的發(fā)生從而減少坡耕地侵蝕，對于減少入庫泥沙和保持坡耕地肥力具有重要意義?；趯ψ仙疗赂丶?xì)溝發(fā)生臨界坡長的調(diào)查，總結(jié)采用地埂來控制細(xì)溝的發(fā)生，見圖2。

圖2 地埂防治坡耕地細(xì)溝侵蝕示意圖Fig.2 Sketch of defending rill erosion controlled utilizing ridged fields

設(shè)計思路是根據(jù)地塊不同坡度細(xì)溝發(fā)生的臨界坡長，采用地埂分割地塊，控制細(xì)溝的發(fā)生，并在地埂上種植經(jīng)濟效益高的植物籬，以減少地埂占地帶來的農(nóng)業(yè)減產(chǎn)。同時考慮土壤含水量對細(xì)溝發(fā)生臨界坡長的影響，在雨季和旱季分別調(diào)整邊溝A，B的尺寸。旱季時，將秸稈等填埋到邊溝中，并覆土，一方面增大地表徑流入滲量，保持土壤水分；同時也可以增加土壤有機質(zhì)含量。雨季時，將邊溝淘深，讓多余的地表徑流能夠及時地收集到蓄水池，同時降低地塊內(nèi)土壤含水量到合適的范圍，避免細(xì)溝的發(fā)生。

5 結(jié) 語

通過人工暴雨試驗發(fā)現(xiàn)：相同土壤含水量條件下，10°，15°，20°，25°紫色土小區(qū)在130 mm／h雨強降雨下細(xì)溝發(fā)生的臨界坡長平均值分別為6.13，4.12，2.72，1.55 m，細(xì)溝發(fā)生的臨界坡長與坡度呈二次拋物線關(guān)系：LR＝0.008 4J2－0.59J＋11.24；土壤含水量變幅為16%～26%條件下細(xì)溝發(fā)生臨界坡長先增長后變短?；谝陨险{(diào)查總結(jié)了采用地埂防治坡耕地細(xì)溝侵蝕的治理模式，針對不同坡度地塊細(xì)溝發(fā)生的臨界坡長，采用地埂分割地塊，并在地埂上種植經(jīng)濟效益高的植物籬，既控制了細(xì)溝的發(fā)生，又彌補了地埂占地導(dǎo)致的農(nóng)業(yè)減產(chǎn)。同時在旱季和雨季分別調(diào)整邊溝的尺寸，調(diào)整地塊土壤含水量從而控制細(xì)溝因含水量的變化導(dǎo)致的細(xì)溝發(fā)生臨界坡長縮短。

［1］ 史德明.長江三峽庫區(qū)土壤侵蝕規(guī)律及泥沙來源分析［J］.水土保持學(xué)報，1991，5（3）：9－21.（SHIDe-ming.Analyse of soil erosion rule and sediment source in Three Gorges Reservoir Region［J］.Journal of Soil and Water Conservation，1991，5（3）：9－21.（in Chinese））

［2］ 王貴平，白迎平，賈志軍，等.細(xì)溝發(fā)育及侵蝕特征初步研究［J］.中國水土保持，1988，（5）：13－16.（WANG Gui-ping，BAI Yin-ping，JIA Zhi-jun，et al.preliminary study about rill developing and erosion character［J］.Soil and Water Conservation in China，1988，（5）：13－16.（in Chinese））

［3］ 蔡強國，陳 浩.影像降雨擊濺侵蝕過程的多元正交試驗研究［J］.地理研究，1989，8（4）：28－36.（CAI Qiang-guo，CHEN Hao.Multivariate orthogonal experiment study on rain splash erosion［J］.Geography Research，1989，8（4）：28－36.（in Chinese））

［4］ 朱顯謨.黃土高原流水侵蝕的主要類型及有關(guān)因素［J］.水土保持通報，1982.（ZHU Xian-mo.Mail types and relate factor about flow erosion in loess plateau［J］.Bulletin of Soil and Water Conservation，1982.（in Chinese））

［5］ 唐克麗，鄭世清.杏子河流域坡耕地的水土流失及其防治［J］.水土保持通報，1984，（4）：5－8.（TANG Keli，ZHEN Shi-qing.Soil and water conservation about slope land in Xinzi watershed［J］.Bulletin of Soil and Water Conservation，1984，（4）：5－8.（in Chinese））

［6］ 唐政洪，蔡強國，許 峰，等.不同尺度條件下的土壤侵蝕試驗監(jiān)測及模型研究［J］.水科學(xué)進展，2002，13（6）：781－787.（TANG Zheng-hong，CAI Qiang-guo，XU Feng，et al.Study on soil erosion experiment，monitoring and modeling of various scale conditions［J］.Advances in Water Science，2002，13（6）：781－787.（in Chinese））

［7］ 關(guān)君蔚.水土保持原理［M］.北京：中國林業(yè)出版社，1995.（GUAN Jun-wei.Soil and Water Conservation Principle［M］.Peking：Chinese Wood Press，1995.（in Chinese））

［8］ GOVERSG.Rill erosion on areable land in central Belgium，control and predictability［J］.Catena，1991，18（2）：133－155.

［9］ FOSTER G R，HUGGINS L F，MEYER L D.A laboratory study of rill hydraulics：Ⅰ：Velocity relationship［J］.Trans of ASAE，1984，27（3）：790－796.

［10］ABRAHAMSA D，LIG，PARSONSA J.Rill hydraulics on a semiarid hill-slope，southern Arizona［J］.Earth Surface Processes Landforms，1996，21：35－47.

［11］蔡強國，朱遠(yuǎn)達，王石英.幾種土壤的細(xì)溝侵蝕過程及其影響因素［J］.水科學(xué)進展，2004，15（1）：12－18.（CAIQiang-guo，ZHU Yuan-da，WANG Shi-ying.Research on processes and factors of rill erosion［J］.Advance in Water Science，2004，15（1）：12－18.（in Chinese））

［12］白清俊，馬樹升.細(xì)溝侵蝕過程中水流跌坑的發(fā)生機理探討［J］.水土保持學(xué)報，2001，15（6）：62－65.（BAI Qing-jun，MA Shu-sheng.Mechanism of flow drop pit forming during process of rill erosion over slope［J］.Journal of Soil and Water Conservation，2001，15（6）：62－65.（in Chinese））

［13］鄭粉莉.發(fā)生細(xì)溝侵蝕的臨界坡長與坡度［J］.中國水土保持，1989，（8）：23－24.（ZHENG Fen-li.Critical length and gradient of rill taken place［J］.Soil and Water Conservation in China，1989，（8）：23－24.（in Chinese））

（編輯：趙衛(wèi)兵）

Critical Slope Length of Rill Occurred in Purp le Soil Slope Cultivated Land in Three Gorges Reservoir Area

YAN Dong-chun1，2，WEN An-bang1，SHIZhong-lin1，2，JU Li1，2，HE Xiu-bin1
（1.The Key Laboratory of Mountain Environment Evolution and Its Regulation，Institute of Mountain Hazards and Environment，Chinese Academy of Sciences，Chengdu 610041，China；2.Graduate School of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China）

Rill erosion is one of themain form of slope erosion，which is between sheet erosion and gully erosion.Once rill erosion takes place，the rate of soil erosion will be double increased.It is important，through Investigating

the critical slope length of rills occurred in different slope cultivated lands under torrential rain，to direct the prevention of rill，reduce sediment and preserve thewater and soil.Utilizing artificial rainfall tests showed that，under the same soilmoisture contentand in a 130mm／h torrential rain，themean critical slope length on purple cultivated land of slope angle 10°，15°，20°，25°were 6.13 m，4.12 m，2.72 m，1.55 m，respectively.A quatratic parabola relationship between critical slope length of rill（LR）and slope grade（J）was given.When the water content of soil varied from 16%to 26%，the critical length increased firstly and then decreased.For the sake of avoiding rill erosion occurrence，we designed a new cultivatedmode，named“ridge＆plant hedge”，which was to cut the slope length by ridges and hedgerows，on one hand to decrease sediment，on the other hand to regulate water content of soil.

rill erosion；critical slope length；slope cultivated land；purple soil；Three Gorges Reservoir Area

X43；S157.1

A

1001－5485（2010）11－0058－04

2010-09-10

國家科技支撐計劃項目（2008BAD98B01、2008BAD98B02）；國家科技重大專項課題（2009ZX07104－002－06）

嚴(yán)冬春（1981-），男，湖北宜昌人，博士研究生，主要從事土壤侵蝕與水土保持研究，（電話）13438382030（電子信箱）yandc＠imde.ac.cn。

文安邦（1964-），男，重慶忠縣人，研究員，博士生導(dǎo)師，主要從事土壤侵蝕與水土保持研究，（電話）028-85214188（電子信箱）wabang＠imde.ac.cn。