龔家國(guó)，龐金城，賈仰文，王文龍，周祖昊，彭 輝

（1.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院 水資源研究所，北京 100038；2.陜西省渭河流域管理局，西安 710018；3.中國(guó)科學(xué)院水利部 水土保持研究所 黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 楊凌 712100）

淺溝侵蝕在黃土高原丘陵溝壑區(qū)普遍存在，一般發(fā)生在距分水嶺20～60m以下至切溝侵蝕帶之間的坡面上，是細(xì)溝到切溝侵蝕的中間過(guò)渡侵蝕類(lèi)型［1－4］，既是上游水沙輸移的重要通道，又是主要的侵蝕產(chǎn)沙區(qū)，其分布面積可占到溝間地的70%左右，侵蝕量占坡面侵蝕量的35%～70%［5－7］。同時(shí)淺溝使坡地的侵蝕面積增大，淺溝集水區(qū)變大，坡面水流的匯流速度加快，使水流更易集中，從而使水流侵蝕動(dòng)能劇增，是切溝侵蝕和溝頭前進(jìn)的動(dòng)力源泉［6－8］。因此，黃土高原地形的破碎始于淺溝侵蝕，其對(duì)土地利用、土地生產(chǎn)力、生態(tài)環(huán)境等產(chǎn)生嚴(yán)重的不利影響。使地形不斷演變?yōu)橹щx破碎的同時(shí)，土壤中的養(yǎng)分也在不斷流失，土地也隨即不斷貧瘠化［9－11］。

淺溝是農(nóng)耕坡地上永久性水力侵蝕形態(tài)，屬于坡地水力面蝕和溝蝕之間的過(guò)渡類(lèi)型。劉寶元［12］野外調(diào)查得出，淺溝頂端到分水嶺的距離以及集流槽的間距與坡度呈線性相關(guān)；張科利等［9，13］通過(guò)野外調(diào)查對(duì)黃土高原丘陵區(qū)坡面淺溝的分布、臨界坡長(zhǎng)、上游匯水面積、分布密度等侵蝕發(fā)育特征進(jìn)行了研究。得出淺溝斷面形態(tài)變化的回歸擬合方程，并從淺溝發(fā)育歷史得出推算坡面淺溝年均侵蝕量的計(jì)算式。唐克麗等［14］以考察資料結(jié)合定位觀測(cè)與模擬降雨試驗(yàn)，對(duì)黃土丘陵區(qū)退耕上限坡度進(jìn)行了論證。武敏等［15］通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)定量研究了不同含沙水流、不同降雨條件下坡面匯水匯沙對(duì)淺溝侵蝕過(guò)程的影響。龔家國(guó)等［16］通過(guò)野外放水沖刷試驗(yàn)對(duì)淺溝水流的流態(tài)及其水動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行了研究。

目前對(duì)淺溝侵蝕影響因素的研究主要集中在野外調(diào)查和定性研究方面，尚缺乏不同影響因素相互剝離條件下的定量研究。由于淺溝侵蝕的末端與溝沿線相交，野外實(shí)地觀測(cè)試驗(yàn)不但困難而且危險(xiǎn)（如圖1）。本研究以黃土高原丘陵溝壑區(qū)的淺溝為主要研究對(duì)象，采用室內(nèi)模擬降雨與放水沖刷實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的研究方法，通過(guò)試驗(yàn)設(shè)計(jì)分離出不同侵蝕影響因素對(duì)淺溝侵蝕速率的影響，對(duì)深入認(rèn)識(shí)淺溝發(fā)育影響因素，揭示黃土丘陵區(qū)坡面侵蝕規(guī)律，建立土壤侵蝕預(yù)報(bào)模型和確定坡溝治理方針具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值。

圖1 黃土高原丘陵溝壑區(qū)典型坡面侵蝕圖

1 材料與試驗(yàn)設(shè)計(jì)

影響淺溝侵蝕的因素有許多，包括雨型、雨強(qiáng)、下墊面覆被狀況、土壤類(lèi)型、坡度、坡形、坡長(zhǎng)及田間管理措施等。本研究用典型的黃土丘陵溝壑區(qū)——安塞黃綿土作為侵蝕對(duì)象，重點(diǎn)模擬研究雨強(qiáng)、坡度、坡長(zhǎng)、匯水面積、耕作等淺溝侵蝕速率的影響。

土壤性質(zhì)對(duì)淺溝的形成和發(fā)育具有重要影響。研究所用的土壤取自位于黃土高原丘陵溝壑區(qū)安塞縣的黃綿土。土壤顆粒組成見(jiàn)表1。

表1 實(shí)驗(yàn)用土壤顆粒組成表

表2 淺溝侵蝕模擬實(shí)驗(yàn)參數(shù)表

具體實(shí)驗(yàn)時(shí)不考慮坡向和坡形的影響。在相同條件下，耕作處理（T）試驗(yàn)與非耕作處理（NT）試驗(yàn)交替進(jìn)行，耕作模擬采用鋤頭（長(zhǎng)約20cm）進(jìn)行水平翻松。上游匯水面積形狀假定為與淺溝等寬的長(zhǎng)方形，其影響采用溢流箱放水進(jìn)行模擬，放水流量按照溝間距與試驗(yàn)槽的比例進(jìn)行縮放。坡長(zhǎng)受實(shí)驗(yàn)裝置限制為8m。具體實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表2［8，13］。本實(shí)驗(yàn)中不考慮作物因素。

試驗(yàn)在中國(guó)科學(xué)院水利部水土保持研究所黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的人工降雨大廳進(jìn)行，該大廳有完備的模擬降雨設(shè)備。另一主要實(shí)驗(yàn)設(shè)備為液壓式可變坡度實(shí)驗(yàn)土槽（如圖2），尺寸為8m×2m×0.6m。具體實(shí)驗(yàn)時(shí)將土槽在長(zhǎng)度方向上從中間隔開(kāi)，即每個(gè)實(shí)驗(yàn)小區(qū)試驗(yàn)尺寸可分為兩個(gè)8m×1m×0.6m的實(shí)驗(yàn)槽，以利于進(jìn)行對(duì)照實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)中分別在距頂端2m，4m和6m處設(shè)置觀測(cè)斷面，需要測(cè)量的數(shù)據(jù)有水溫，淺溝水流的流速、流量、水深、水面寬、含沙量以及淺溝的溝深和溝寬。數(shù)據(jù)采集對(duì)應(yīng)時(shí)刻分別為1，3，6，9，12，15，18，21，24，27，30min。其中水溫的觀測(cè)由煤油溫度計(jì)直接在上游供水槽測(cè)量；流速用染料示蹤法觀測(cè)斷面附近50 cm流程上的平均流速，因水流紊動(dòng)強(qiáng)烈，染色劑與水流混合充分，因此直接采用觀測(cè)值進(jìn)行分析；流量采用體積法在試驗(yàn)槽下端出口測(cè)量；產(chǎn)沙量采用取樣烘干法測(cè)量；水深、水面寬、溝寬及溝深用三向垂直支架測(cè)量，其中溝寬通過(guò)測(cè)量溝邊距試驗(yàn)槽壁的距離計(jì)算其差值得到，溝深通過(guò)測(cè)量?jī)蓚?cè)溝沿及溝底距水準(zhǔn)高程的距離，然后計(jì)算其差值求平均得到。實(shí)驗(yàn)以溝口開(kāi)始出流時(shí)刻為產(chǎn)流零點(diǎn)，開(kāi)始監(jiān)測(cè)溝斷面形態(tài)、水面形態(tài)以及流量、含沙量數(shù)據(jù)。

圖2 主要實(shí)驗(yàn)設(shè)備及實(shí)驗(yàn)布設(shè)示意圖

2 侵蝕速率與影響因素的關(guān)系

2.1 雨強(qiáng)對(duì)侵蝕速率的影響

在相同條件下，由于雨強(qiáng)的增大，相同時(shí)間內(nèi)雨滴打擊動(dòng)能必然增大，坡地產(chǎn)流系數(shù)增大，上游匯水區(qū)來(lái)水以及溝間地的匯流增多，從而使得淺溝流量必然增大，導(dǎo)致侵蝕速率增大。然而由于坡度、匯水面積的不同以及耕作對(duì)下墊面性質(zhì)的巨大改變等原因，也造成侵蝕速率隨雨強(qiáng)的變化出現(xiàn)各種變異。

如圖3，15°坡面上在未耕作處理時(shí)，侵蝕速率隨著雨強(qiáng)的增大而增大，在匯水面積為500m2時(shí)，雨強(qiáng)為90mm／h和120mm／h比60mm／h的侵蝕速率分別增大1.48倍和2.27倍，匯水面積為800m2時(shí)，雨強(qiáng)為90mm／h和120mm／h比60mm／h的侵蝕速率分別增大1.67倍和2.11倍；在耕作處理時(shí)，由于滲透系數(shù)的增大，土壤侵蝕變異性增大以及土壤抗蝕性降低，隨著雨強(qiáng)的增大，侵蝕速率隨著雨強(qiáng)變化的規(guī)律與未耕作處理時(shí)出現(xiàn)很大的差別，在匯水面積為500m2時(shí)，雨強(qiáng)為90mm／h和120mm／h比60mm／h的侵蝕速率分別增大1.36倍和1.11倍，匯水面積為800m2時(shí)，雨強(qiáng)為90mm／h和120mm／h比60 mm／h的侵蝕速率分別增大0.89倍和1.05倍；同時(shí)對(duì)比發(fā)現(xiàn)耕作造成了侵蝕速率的變異性增大。

圖3 不同坡度下侵蝕速率與雨強(qiáng)的關(guān)系

20°坡面上在未耕作處理時(shí)，侵蝕速率隨著雨強(qiáng)的增大而增大，在匯水面積為500m2時(shí)，雨強(qiáng)為90 mm／h和120mm／h比60mm／h的侵蝕速率分別增大1.63倍和1.55倍，匯水面積為800m2時(shí)，雨強(qiáng)為90mm／h和120mm／h比60mm／h的侵蝕速率分別增大0.91倍和1.23倍；在匯水面積為500m2時(shí)，雨強(qiáng)為90mm／h和120mm／h比60mm／h的侵蝕速率分別增大1.34倍和2.30倍，匯水面積為800m2時(shí)，90mm／h和120mm／h比60mm／h的侵蝕速率分別增大1.40倍和2.22倍。

25°坡面上在未耕作處理時(shí)，侵蝕速率隨著雨強(qiáng)的增大而增大，在匯水面積為500m2時(shí)，雨強(qiáng)為90 mm／h和120mm／h比60mm／h的侵蝕速率分別增大1.05倍和1.42倍，匯水面積為800m2時(shí)，雨強(qiáng)為90mm／h和120mm／h比60mm／h的侵蝕速率分別增大1.90倍和2.11倍；在耕作處理時(shí)，在匯水面積為500m2時(shí)，雨強(qiáng)為90mm／h和120mm／h比60 mm／h的侵蝕速率分別增大1.36倍和1.51倍，匯水面積為800m2時(shí)，雨強(qiáng)為90mm／h和120mm／h比60mm／h的侵蝕速率分別增大1.60倍和2.89倍。

2.2 坡度對(duì)侵蝕速率的影響

坡度是發(fā)生淺溝侵蝕的重要影響因素。相同條件下，隨著坡度的增大，重力沿坡度方向的分量不斷加大，從而使水流在相同坡長(zhǎng)條件下獲得的動(dòng)能增大。然而侵蝕能力的增強(qiáng)必然加強(qiáng)了水流改變下墊面土壤的能力，從而改變了侵蝕發(fā)生過(guò)程中的能量分配規(guī)律，使得侵蝕產(chǎn)沙速率在不同坡面上出現(xiàn)不同程度的變異。如圖4a所示，未耕作處理時(shí)，在60mm／h和90mm／h雨強(qiáng)條件下侵蝕速率在坡度增大的過(guò)程中表現(xiàn)出遞增趨勢(shì)，而在120mm／h條件下出現(xiàn)了侵蝕速率隨坡度的增大先減小后增大的趨勢(shì)。如圖4b所示，耕作處理時(shí)，侵蝕速率隨坡度的變化趨勢(shì)則與未耕作處理時(shí)相反。

2.3 匯水面積對(duì)侵蝕速率的影響

如圖5，侵蝕速率隨匯水面積的增大而增大。在匯水面積從500m2增大到800m2時(shí)，未耕作處理?xiàng)l件下，侵蝕速率在15°、20°和25°坡面上分別增大1.17倍、1.48倍、1.52倍；而在耕作處理?xiàng)l件下，侵蝕速率在15°、20°和25°坡面上分別增大1.20倍、1.63倍、1.68倍。這說(shuō)明在實(shí)驗(yàn)條件下侵蝕速率表現(xiàn)為從小坡度小匯水面積向大坡度大匯水面積加速增大的趨勢(shì)。

圖4 侵蝕產(chǎn)沙率與坡度的關(guān)系

圖5 侵蝕速率與匯水面積的關(guān)系

2.4 農(nóng)墾耕作對(duì)侵蝕速率的影響

農(nóng)事耕作破壞了土壤表面結(jié)皮和耕層土壤內(nèi)部結(jié)構(gòu)，增大了土壤抗蝕性空間變異性，顯著減小耕層土壤抗侵蝕能力的同時(shí)，增大了土壤的入滲能力和淺溝溝壁崩塌的可能性。如圖6，未耕作和耕作兩種處理?xiàng)l件下，在坡度為15°，20°，25°坡面上侵蝕速率隨雨強(qiáng)的變化都存在明顯的遞增趨勢(shì)，但耕作使得15°坡面上侵蝕速率受雨強(qiáng)變化的影響顯著減小，但侵蝕速率仍然大于未耕作條件下的侵蝕速率，同時(shí)使得20°和25°坡面上在60mm／h和90mm／h時(shí)的侵蝕速率變化的速度顯著小于90mm／h和120mm／h時(shí)的侵蝕速率變化。這說(shuō)明小坡度坡面上，由于入滲速度的增大可以顯著減少由于雨強(qiáng)引起的侵蝕變化，但在大坡度和大雨強(qiáng)條件下，耕作對(duì)雨強(qiáng)引起的侵蝕變化有加強(qiáng)作用。

圖6 侵蝕速率與耕作的關(guān)系

3 結(jié)論

本文在對(duì)前人調(diào)查研究總結(jié)的基礎(chǔ)上，通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)對(duì)黃土丘陵溝壑區(qū)淺溝侵蝕的主要影響因素進(jìn)行了研究，研究表明淺溝侵蝕發(fā)生的速率與坡度、雨強(qiáng)和匯水面積均呈正相關(guān)關(guān)系，但耕作對(duì)這種趨勢(shì)的影響最大，其次是降雨強(qiáng)度的影響。耕作通過(guò)改變土壤表層結(jié)構(gòu)，改變了淺溝侵蝕隨雨強(qiáng)、坡度和上游匯水面積與侵蝕速率的響應(yīng)關(guān)系。

未耕作處理時(shí)，在60mm／h和90mm／h雨強(qiáng)條件下侵蝕速率在坡度增大的過(guò)程中表現(xiàn)出遞增趨勢(shì)，而在120mm／h條件下出現(xiàn)了侵蝕速率隨坡度的增大先減小后增大的趨勢(shì)。耕作處理時(shí)，侵蝕速率隨坡度的變化趨勢(shì)則與未耕作處理時(shí)相反。

未耕作處理?xiàng)l件下，侵蝕速率與坡度、雨強(qiáng)和匯水面積均呈正相關(guān)關(guān)系，即侵蝕速率隨著坡度、雨強(qiáng)和匯水面積的增加而增大；而在耕作處理?xiàng)l件下，侵蝕速率與坡度、雨強(qiáng)及匯水面積的相關(guān)關(guān)系出現(xiàn)很大變異，特別是坡度為15°條件下的侵蝕速率隨雨強(qiáng)的變化不明顯，在20°和25°條件下隨雨強(qiáng)的增大侵蝕速率呈加速增大的趨勢(shì)。

從小坡度小匯水面積向大坡度大匯水面積變化時(shí)，侵蝕速率表現(xiàn)為加速增大的趨勢(shì)。且小坡度坡面上，耕作顯著減少了由于雨強(qiáng)引起的侵蝕變化，但在大坡度和大雨強(qiáng)條件下，耕作對(duì)雨強(qiáng)引起的侵蝕變化有加強(qiáng)作用。

［1］朱顯謨.黃土區(qū)土壤侵蝕的分類(lèi)［J］.土壤學(xué)報(bào)，1956，4（2）:99－115.

［2］甘枝茂.陜北黃土高原的土壤侵蝕類(lèi)型［J］.陜西師范大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，1981（Z1）:46－49.

［3］姜永清，王占禮，胡光榮，等.瓦背狀淺溝分布特征分析［J］.水土保持研究，1999，6（2）:181－184.

［4］王文龍，雷阿林，李占斌，等.土壤侵蝕鏈內(nèi)細(xì)溝淺溝切溝流動(dòng)力機(jī)制研究［J］.水科學(xué)進(jìn)展，2003，14（4）:471－475.

［5］王文龍，莫翼翔，雷阿林，等.黃土區(qū)土壤侵蝕鏈各垂直帶水沙流時(shí)空分布特征研究［J］.水動(dòng)力學(xué)研究與進(jìn)展:A 輯，2003，18（5）:540－546.

［6］劉寶元.黃土高原坡面溝蝕的類(lèi)型及其發(fā)生發(fā)展規(guī)律［J］.中國(guó)科學(xué)院西北水土保持研究所集刊，1988，7:9－18

［7］張科利.淺溝發(fā)育對(duì)土壤侵蝕作用的研究［J］.中國(guó)水土保持，1991（1）:17－19.

［8］張科利.陜北黃土高原丘陵溝壑區(qū)坡耕地淺溝侵蝕及其防治途徑［D］.陜西楊凌:中國(guó)科學(xué)院西北水土保持研究所，1998.

［9］張科利，唐克麗.淺溝發(fā)育與陡坡開(kāi)墾歷史的研究［J］.水土保持學(xué)報(bào)，1992，6（2）:59－62.

［10］鄭粉莉，張成娥.林地開(kāi)墾后坡面侵蝕過(guò)程與土壤養(yǎng)分流失的研究［J］.水土保持學(xué)報(bào)，2002，16（1）:44－46.

［11］Zheng Fenli，He Xiubin，Xuetian Gao，et al.Effects of erosion patterns on nutrient loss following deforestation on the Loess Plateau of China［J］.Agriculture，Ecosystems and Environment，2005:85－97.

［12］劉寶元，朱顯謨.黃土高原土壤侵蝕垂直分帶性研究［J］.中國(guó)科學(xué)院西北水土保持研究所集刊，1988，7:5－8.

［13］張科利，唐克麗，王斌科.黃土高原坡面淺溝侵蝕特征值的研究［J］.水土保持學(xué)報(bào)，1991，5（2）:8－13.

［14］唐克麗，張科利.黃土丘陵區(qū)退耕上限坡度的研究論證［J］.科學(xué)通報(bào)，2000，43（2）:200－203.

［15］武敏，鄭粉莉，黃斌.黃土坡面匯流匯沙對(duì)淺溝侵蝕影響的試驗(yàn)研究［J］.水土保持研究，2004，11（4）:74－76，90.

［16］江忠善，王志強(qiáng).黃土丘陵區(qū)小流域土壤侵蝕空間變化定量研究［J］.土壤侵蝕與水土保持學(xué)報(bào)，1996，2（1）:1－10.

［17］楊春霞，吳卿，楊劍鋒，等.人工模擬坡面產(chǎn)流試驗(yàn)研究［J］.中國(guó)水土保持，2003（6）:24－25.

［18］夏軍，喬云峰，宋獻(xiàn)方，等.岔巴溝流域不同下墊面對(duì)降雨徑流關(guān)系影響規(guī)律分析［J］.資源科學(xué)，2007，29（1）:70－76.