劉俊體，孫莉英，張學(xué)培，蔡強(qiáng)國(guó)?，陳俊杰，3

(1.北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院，100083，北京;2.中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所，陸地水循環(huán)與地表過(guò)程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，100101，北京;3.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)水土保持研究中心，430070，武漢)

2次降雨條件下不同土壤細(xì)溝侵蝕分析

劉俊體1，2，孫莉英2，張學(xué)培1，蔡強(qiáng)國(guó)2?，陳俊杰2，3

(1.北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院，100083，北京;2.中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所，陸地水循環(huán)與地表過(guò)程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，100101，北京;3.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)水土保持研究中心，430070，武漢)

摘要：不同土壤細(xì)溝侵蝕發(fā)育對(duì)比研究是探討細(xì)溝侵蝕機(jī)制的必要內(nèi)容。通過(guò)間隔為24 h的2次人工模擬降雨，在不同降雨強(qiáng)度(1.5，2.0，1.0mm/min)、不同坡長(zhǎng)(5、10m)的試驗(yàn)條件下，分析坡度為20°時(shí)塿土和黃綿土2種土壤細(xì)溝侵蝕過(guò)程中產(chǎn)流產(chǎn)沙、空間變化的差異。結(jié)果表明：1)從坡面產(chǎn)流量來(lái)看，2種土壤在2次人工降雨過(guò)程中有相似的產(chǎn)流過(guò)程，坡長(zhǎng)和降雨強(qiáng)度相同時(shí)，塿土坡面產(chǎn)流量大于黃綿土;2)從坡面形態(tài)看，第1場(chǎng)降雨過(guò)程中塿土坡面表面積、細(xì)溝侵蝕強(qiáng)度大于黃綿土坡面，但黃綿土坡面一旦發(fā)生細(xì)溝侵蝕，其體積變化幅度劇烈于塿土坡面;3)塿土在第1場(chǎng)降雨過(guò)程中侵蝕速率的變化過(guò)程可以反應(yīng)細(xì)溝發(fā)育的各個(gè)階段，較大降雨強(qiáng)度使黃綿土發(fā)生細(xì)溝侵蝕侵蝕，其細(xì)溝發(fā)育的各個(gè)階段持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)于塿土，即黃綿土細(xì)溝形態(tài)變化緩慢。

關(guān)鍵詞：產(chǎn)流;坡面表面積;細(xì)溝體積;細(xì)溝發(fā)育

細(xì)溝侵蝕的發(fā)生取決于坡面水流的水力學(xué)特性、坡面特性和土壤特性，其中水力學(xué)特性主要用徑流量、雷諾數(shù)和弗勞德數(shù)、流速、徑流水流動(dòng)力和徑流剪切力等來(lái)描述［1］，坡面特性則考慮坡度、坡長(zhǎng)，而土壤特性則往往用細(xì)溝土壤可蝕性、土壤抗剪強(qiáng)度等表示［2-3］。從這些方面對(duì)細(xì)溝進(jìn)行的研究已有很多成果。周佩華等［4］提出，在黃土高原，嚴(yán)重的土壤侵蝕主要由少數(shù)幾次暴雨或大暴雨所引起，細(xì)溝侵蝕發(fā)生預(yù)示土壤侵蝕方式的轉(zhuǎn)變，在土壤侵蝕過(guò)程中有不可忽略的效應(yīng)。但多數(shù)研究成果來(lái)自于次降雨數(shù)據(jù)分析，細(xì)溝侵蝕在連續(xù)降雨過(guò)程中的發(fā)育特征分析較少，所以有必要探究以上特性在繼續(xù)發(fā)育過(guò)程中的異同。隨著觀測(cè)技術(shù)的進(jìn)步，對(duì)細(xì)溝侵蝕的觀測(cè)已向空間角度發(fā)展。以紫色土為例，通過(guò)三維激光掃描技術(shù)與ArcGIS軟件的結(jié)合，在間斷降雨條件下，從坡面等高線偏離度與細(xì)溝溝頭斷面特征對(duì)細(xì)溝形態(tài)進(jìn)行分析，分析結(jié)果認(rèn)為跌坎的形成是細(xì)溝造床的關(guān)鍵［5］。另以黃綿土為例，定義細(xì)溝的發(fā)育過(guò)程分為小跌水—下切溝頭—斷續(xù)細(xì)溝—連續(xù)細(xì)溝—細(xì)溝溝網(wǎng)［6］。由于細(xì)溝侵蝕定義本身界定條件的模糊性和不規(guī)范性［7］，細(xì)溝侵蝕過(guò)程中各階段的產(chǎn)沙規(guī)律與細(xì)溝形態(tài)變化及其主要影響因素的關(guān)系不是很明確。影響細(xì)溝侵蝕的因素包括降雨徑流侵蝕力與土壤抗蝕性能2方面［8］，降雨侵蝕力來(lái)自外界條件的控制;但土壤自身抗蝕性在細(xì)溝發(fā)生過(guò)程中是否存在變化，在非人為控制條件下探究結(jié)果較少。筆者通過(guò)室內(nèi)模擬降雨試驗(yàn)并在在未擾動(dòng)坡面進(jìn)行二次降雨，觀測(cè)細(xì)溝發(fā)生發(fā)育過(guò)程，并以此為基礎(chǔ)分析細(xì)溝發(fā)育形態(tài)變化的階段性差異，探討坡長(zhǎng)、降雨強(qiáng)度對(duì)其影響及程度，同時(shí)從土壤特性角度分析細(xì)溝的發(fā)育過(guò)程的不同，嘗試找出不同發(fā)育階段的主導(dǎo)影響因素并對(duì)其進(jìn)行定量化分析。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)土壤

試驗(yàn)采用的楊凌的塿土(L)和安塞生態(tài)實(shí)驗(yàn)站的黃綿土(H)均取自于當(dāng)?shù)馗乇韺?。將供試土壤風(fēng)干，測(cè)得其機(jī)械組成(表1)。試驗(yàn)前，將土樣自然風(fēng)干并過(guò)10mm篩，以除去雜草和石塊。裝填試驗(yàn)土壤之前，先在試驗(yàn)槽底部填入10 cm厚的細(xì)沙，再在細(xì)沙上鋪上透水的細(xì)紗布，以保持試驗(yàn)土層的透水狀況接近于天然坡面。然后填入試驗(yàn)用土，將土均勻填入土槽中。裝土?xí)r采用分層填土法，邊填土邊壓實(shí)，每次裝土5 cm，總填土厚度為30 cm。裝土?xí)r應(yīng)特別注意在隔板處盡量壓實(shí)，以避免不必要的邊壁效應(yīng)。每次降雨之前，采用環(huán)刀法測(cè)取坡面土壤密度及土壤含水率。

表1 試驗(yàn)土壤顆粒機(jī)械組成Tab．1 Particle size distribution of experimental soils

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)共使用2種土槽裝置：一種為寬1m、高0.5m、長(zhǎng)5m的移動(dòng)式可調(diào)坡鋼制土槽，另一種為寬1.5m、高0.5m、長(zhǎng)10m的固定式可調(diào)坡鋼制土槽，試驗(yàn)中將2種土槽坡度調(diào)節(jié)為20°。試驗(yàn)采用中國(guó)科學(xué)院水土保持研究所人工模擬降雨大廳的下噴式降雨系統(tǒng)，降雨高度18m，降雨覆蓋面積為27m×18m。降雨系統(tǒng)把水噴射至空中，受空氣阻力作用使水流破碎形成不同大小的雨滴，降落至地表，其產(chǎn)生的雨滴有大有小，與天然降雨形成的雨滴比較相似［9］。本次試驗(yàn)采用純凈水作為模擬降雨水源，純凈水去除了天然水中的重金屬離子，不同于傳統(tǒng)的自來(lái)水、地下水等降雨水源。由I.Shainberg等［9］的試驗(yàn)結(jié)果可知，與自來(lái)水相比，使用純凈水進(jìn)行模擬降雨會(huì)消除其他因素對(duì)坡面土壤侵蝕的影響，從而更有利于對(duì)坡面土壤侵蝕過(guò)程的觀察及研究。這種方法已被國(guó)際上廣泛采用［10］。

2種土槽分別進(jìn)行不同降雨強(qiáng)度的降雨處理。各土槽第1場(chǎng)試驗(yàn)降雨強(qiáng)度設(shè)計(jì)為1.5和2.0mm/min 2種。為保證降雨量相同，產(chǎn)生發(fā)育較明顯的細(xì)溝，獲得不同降雨強(qiáng)度下的細(xì)溝微地貌，降雨時(shí)間分別為45和60min。第2場(chǎng)降雨強(qiáng)度設(shè)計(jì)為1.0mm/min 1種，降雨時(shí)間為60min，減小降雨強(qiáng)度以避免坡面侵蝕劇烈而跨越細(xì)溝侵蝕方式，保證觀測(cè)數(shù)據(jù)完全為細(xì)溝侵蝕。在降雨試驗(yàn)開始之前，通過(guò)反復(fù)率定，使其在要求降雨強(qiáng)度的情況下降雨均勻度達(dá)到90%左右。第1場(chǎng)降雨結(jié)束后，經(jīng)過(guò)24 h，在未擾動(dòng)坡面上進(jìn)行第2場(chǎng)降雨試驗(yàn)。

1.3 徑流量、含沙量及坡面形態(tài)的測(cè)量方法

坡面產(chǎn)流后，在出水口收集泥沙和徑流樣品，泥沙采樣器容積為1 000mL，其中第1場(chǎng)和第2場(chǎng)降雨采樣間隔分別為1和2min/次，含沙量采用烘干法確定，徑流量則采用自制大量桶測(cè)量體積(為1min內(nèi)的產(chǎn)流量)，加上泥沙樣值，即為該時(shí)段總徑流量。在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中采用高清晰攝像設(shè)備進(jìn)行全程監(jiān)測(cè)，并輔助人工記錄，結(jié)合試驗(yàn)過(guò)程中的徑流、泥沙及流速的采樣數(shù)據(jù)，分析坡面細(xì)溝侵蝕過(guò)程及對(duì)應(yīng)時(shí)段內(nèi)的水沙關(guān)系。同時(shí)在試驗(yàn)前后采用三維激光掃描儀(Scanstation 2)對(duì)坡面微地形數(shù)據(jù)進(jìn)行掃描，結(jié)合Cyclone軟件對(duì)坡面的形態(tài)特征進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 2次降雨條件下坡面細(xì)溝侵蝕過(guò)程中產(chǎn)流的異同

在同一坡度不同降雨強(qiáng)度下，室內(nèi)人工模擬降雨各坡面產(chǎn)流情況如圖1和圖2所示?？芍?，各坡面很快產(chǎn)流，產(chǎn)流隨時(shí)間的變化趨勢(shì)并沒因?yàn)榻涤陱?qiáng)度的不同產(chǎn)生差異。從圖中可以看出：各坡面第1場(chǎng)降雨過(guò)程中，2種土壤產(chǎn)流隨時(shí)間的變化趨勢(shì)相似，坡面產(chǎn)流存在一個(gè)增長(zhǎng)的過(guò)程，黃綿土坡面此現(xiàn)象在2.0mm/min降雨條件下更明顯，并且黃綿土坡面總產(chǎn)流量小于塿土坡面，這種差異在10m坡面上尤為顯著;第2場(chǎng)降雨過(guò)程中降雨強(qiáng)度減小，但各坡面產(chǎn)流速率并未發(fā)生明顯減小的趨勢(shì)，且塿土坡面產(chǎn)流大于黃綿土的現(xiàn)象仍然存在。

圖1 第1場(chǎng)降雨各坡面產(chǎn)流速率Fig．1 Runoff yield rate of the overland in the first rainfall

圖2 第2場(chǎng)降雨各坡面產(chǎn)流速率Fig．2 Runoff yield rate of the overland in the second rainfall

在降雨條件、坡面條件相同的情況下，土壤初始含水量對(duì)坡面產(chǎn)流有很大影響，初始含水率越高，產(chǎn)流越快，達(dá)到穩(wěn)定入滲率的時(shí)間也越短［11］。土壤初始含水量越低，降雨使土壤水分含量增量越大［12］。1.5mm/min降雨強(qiáng)度時(shí)，塿土坡面試驗(yàn)前后土壤含水率為12.55%、18.53%，黃綿土坡面降雨前后土壤含水率為8.88%、19.99%;2.0mm/min降雨強(qiáng)度時(shí)，塿土坡面降雨前后土壤含水率分別為13.10%、17.94%，黃綿土坡面降雨前后土壤含水率分別為7.08%、22.18%，塿土前期含水率明顯大于黃綿土，其產(chǎn)流快并且迅速達(dá)到穩(wěn)定入滲，從而產(chǎn)流量較大;從產(chǎn)流隨時(shí)間的變化趨勢(shì)可知，塿土穩(wěn)定入滲率小于黃綿土，降雨前后黃綿土土壤水分含量增量大于塿土。另一方面，間隔24 h后進(jìn)行第2場(chǎng)降雨，塿土各坡面平均土壤含水率為16.18%，黃綿土各坡面平均含水率為16.43%，2種土壤含水率幾乎相同，在相同降雨強(qiáng)度條件下，塿土坡面產(chǎn)流量仍舊大于黃綿土，可知這與土壤本身質(zhì)地有關(guān)系。由表1可知，塿土黏粒含量大于黃綿土，但粗粉粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)遠(yuǎn)小于黃綿土，黃綿土本身質(zhì)地決定了其入滲能力較強(qiáng)。

2.2 降雨過(guò)程中2種土壤坡面的細(xì)溝形態(tài)

降雨結(jié)束后各坡面細(xì)溝形態(tài)如圖3所示，可以看到第1場(chǎng)與第2場(chǎng)降雨后坡面形態(tài)的變化。2種降雨強(qiáng)度條件下，塿土坡面細(xì)溝密度明顯大于黃綿土坡面，并且黃綿土坡面在較大降雨強(qiáng)度條件下細(xì)溝經(jīng)過(guò)2次降雨后密度增加明顯，細(xì)溝形態(tài)隨坡長(zhǎng)的加倍變化不明顯。

圖3 次降雨后坡面形態(tài)Fig．3 Slopemorphology after each rainfall event

為進(jìn)一步對(duì)坡面細(xì)溝形態(tài)進(jìn)行定量描述，在三維激光掃描技術(shù)的基礎(chǔ)上，利用Cyclone軟件得到各坡面表面積與細(xì)溝體積，此時(shí)得到的細(xì)溝體積未計(jì)坡面沉降，為降雨后坡面所形成細(xì)溝道空間大小。由降雨前土壤干密度與細(xì)溝體積的乘積得到坡面細(xì)溝侵蝕量，為明確細(xì)溝侵蝕量占坡面侵蝕量的多少，以貢獻(xiàn)率來(lái)表示，即貢獻(xiàn)率等于細(xì)溝侵蝕量占總侵蝕量的比例。計(jì)算結(jié)果見表2和表3。

表2 基于Cyclone軟件的各坡面表面積及細(xì)溝侵蝕量(第1場(chǎng)降雨強(qiáng)度為1.5mm/min)Tab．2 Surface area and rill erosion of the slope based on Cyclone software(First rainfall intensities1.5mm/min)

表3 基于Cyclone軟件的各坡面表面積及細(xì)溝侵蝕量(第1場(chǎng)降雨強(qiáng)度為2.0mm/min)Tab．3 Surface area and rill erosion of the slope based on Cyclone software(First rainfall intensities 2.0mm/min)

可知：降雨后每個(gè)坡面表面積增加，降雨強(qiáng)度相同時(shí)，塿土坡面表面積增加幅度大于黃綿土坡面;土壤相同時(shí)，坡面表面積增加幅度隨著降雨強(qiáng)度與坡長(zhǎng)的增大而增大。由于細(xì)溝溝體的加寬加深，細(xì)溝條數(shù)的增多會(huì)擴(kuò)大坡面表面積，所以，細(xì)溝溝體的空間變化與坡面的表面積有很大關(guān)系。降雨強(qiáng)度相同時(shí)，由于塿土坡面總徑流量大于黃綿土坡面，且含沙水流是黃土高原侵蝕產(chǎn)沙過(guò)程形成的重要因素［13］，塿土坡面細(xì)溝流侵蝕能力大于黃綿土，較易形成細(xì)溝;所以，塿土坡面表面積變化較大。同時(shí)，因?yàn)榻涤陱?qiáng)度的增大，坡長(zhǎng)的延長(zhǎng)，細(xì)溝侵蝕隨時(shí)間的累積效應(yīng)使坡面表面積變化幅度增大。細(xì)溝體積隨著降雨場(chǎng)次的增多，變化規(guī)律出現(xiàn)多樣性。降雨強(qiáng)度為1.5mm/min時(shí)，2種坡長(zhǎng)坡面上，塿土細(xì)溝體積大于黃綿土;但減小降雨強(qiáng)度進(jìn)行2次降雨后，黃綿土細(xì)溝體積增大幅度要大于塿土，即在外界條件相同的條件下，影響坡面細(xì)溝侵蝕的主要因素應(yīng)為土壤本身的性質(zhì)。以土壤粒徑小于0.002mm的黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為反映土壤質(zhì)地的物理量，黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，土壤質(zhì)地越重，其水力傳導(dǎo)度小于輕質(zhì)土壤，因此，重質(zhì)土壤的土壤水分入滲能力小于輕質(zhì)土壤［14］。塿土黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為黃綿土的1.75倍，所以，黃綿土入滲能力較塿土要大，降雨強(qiáng)度較小時(shí)，坡面產(chǎn)流強(qiáng)度弱，使得黃綿土坡面發(fā)生細(xì)溝侵蝕程度小;然而，進(jìn)行第2場(chǎng)降雨過(guò)程中，因各坡面土壤含水率較高，土壤入滲能力減弱，且黃綿土粗粉粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)遠(yuǎn)大于塿土，所以，黃綿土細(xì)溝侵蝕一旦開始，其細(xì)溝形態(tài)變化程度劇烈于塿土，細(xì)溝體積增加幅度變大。降雨強(qiáng)度為2.0mm/min時(shí)，2種土壤細(xì)溝體積明顯大于1.5mm/min降雨條件下的細(xì)溝體積。5m坡長(zhǎng)的黃綿土坡面細(xì)溝體積甚至為1.5mm/min降雨強(qiáng)度下5m長(zhǎng)坡面的1.97倍，10m長(zhǎng)坡面更是達(dá)到3.79倍。在減小降雨強(qiáng)度進(jìn)行第2場(chǎng)降雨時(shí)，在10m坡面上，2種土壤的細(xì)溝體積呈現(xiàn)減小現(xiàn)象，這與已有對(duì)細(xì)溝發(fā)育的研究結(jié)果不盡相同，其原因是多方面的。其一，掃描技術(shù)自身原因，降雨過(guò)程中細(xì)溝溝體發(fā)生側(cè)蝕甚至掏蝕，目前掃描技術(shù)不能量測(cè)此部分體積，從而利用Cyclone軟件進(jìn)行提取時(shí)細(xì)溝體積小于實(shí)際細(xì)溝體積;其二，坡長(zhǎng)的延長(zhǎng)使細(xì)溝形態(tài)發(fā)育出現(xiàn)多樣性，且雷廷武等［15］認(rèn)為，輸沙能力的采樣長(zhǎng)度為2～4m，超過(guò)此長(zhǎng)度水流輸沙能力處于穩(wěn)定狀態(tài)。細(xì)溝溝體變化與細(xì)溝流輸沙有直接關(guān)系，有因剝蝕而擴(kuò)大溝體的溝段，亦有因?yàn)槟嗌车某练e而減小溝體的溝段，所以表2與表3中會(huì)出現(xiàn)通過(guò)細(xì)溝體積得到的細(xì)溝侵蝕量與坡面侵蝕量不相符合的情況。

2.3 2次降雨過(guò)程中細(xì)溝侵蝕坡面產(chǎn)沙的異同

降雨過(guò)程中各坡面的產(chǎn)沙情況如圖4、圖5所示。由圖4可知，第1場(chǎng)降雨過(guò)程中相同降雨強(qiáng)度下2種土壤會(huì)因?yàn)槠麻L(zhǎng)的增長(zhǎng)侵蝕程度變劇烈。坡長(zhǎng)相同時(shí)，2.0mm/min降雨強(qiáng)度使坡面發(fā)生劇烈細(xì)溝侵蝕，坡面侵蝕速率在降雨過(guò)程中超過(guò)塿土，且未看到其侵蝕速率下降的階段。在第1場(chǎng)降雨過(guò)程中，塿土侵蝕速率呈下降的趨勢(shì)。由圖5可知：減小降雨強(qiáng)度進(jìn)行2次降雨過(guò)程中，塿土坡面沒有因?yàn)榍捌诮涤瓿霈F(xiàn)細(xì)溝而侵蝕加劇，在各個(gè)坡面上侵蝕速率穩(wěn)定;但在10m坡長(zhǎng)坡面上，因?yàn)榧?xì)溝的出現(xiàn)，黃綿土侵蝕程度更為劇烈，在第1場(chǎng)降雨強(qiáng)度為2.0mm/min的坡面上可以看到侵蝕速率下降的趨勢(shì)。

2種土壤在第1場(chǎng)降雨過(guò)程中細(xì)溝侵蝕各階段的侵蝕情況見表4?？芍?，相同條件下，黃綿土各個(gè)階段持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)于塿土，這說(shuō)明黃綿土對(duì)發(fā)生細(xì)溝侵蝕的敏感性比較遲緩。坡長(zhǎng)的增加縮短了塿土面蝕與細(xì)溝雛形階段持續(xù)時(shí)間，這是因?yàn)槌杏昝娣e變大，匯流迅速使得細(xì)溝發(fā)育加速。降雨強(qiáng)度為2.0mm/min時(shí)，塿土更早達(dá)到細(xì)溝發(fā)育的調(diào)整階段，而黃綿土細(xì)溝發(fā)育對(duì)坡長(zhǎng)、降雨強(qiáng)度的敏感性要小于塿土。在此降雨過(guò)程中，黃綿土細(xì)溝雛形階段占據(jù)大部分降雨歷時(shí)，即黃綿土細(xì)溝形態(tài)變化緩慢，此階段產(chǎn)生的坡面侵蝕量的比例最大;然而，在10m坡面、2.0mm/min降雨強(qiáng)度條件下(圖4)，黃綿土細(xì)溝侵蝕一旦發(fā)生，在細(xì)溝重點(diǎn)發(fā)育階段其侵蝕量在坡面侵蝕量中的比例為67.08%，并且在第2場(chǎng)降雨的過(guò)程中細(xì)溝侵蝕仍在劇烈進(jìn)行。這同時(shí)補(bǔ)充了有關(guān)研究［16］的觀點(diǎn)，即在陡坡面上黃綿土一旦發(fā)生細(xì)溝侵蝕，其侵蝕強(qiáng)度亦要遠(yuǎn)大于塿土，這與前文分析土壤本身性質(zhì)有明顯的關(guān)系。

圖5 第2場(chǎng)降雨過(guò)程中坡面產(chǎn)沙過(guò)程Fig．5 Slope sediment production process in the second rainfall

表4 細(xì)溝侵蝕過(guò)程中各階段產(chǎn)沙量Tab．4 Sediment yield of each stage in the development of rill

3 結(jié)論與討論

1)在室內(nèi)降雨試驗(yàn)條件下，塿土和黃綿土2種土壤在2次降雨過(guò)程中有相似的產(chǎn)流過(guò)程，坡長(zhǎng)和降雨強(qiáng)度相同時(shí)，塿土坡面產(chǎn)流量大于黃綿土。

2)從坡面形態(tài)看，第1場(chǎng)降雨過(guò)程中，塿土坡面細(xì)溝侵蝕強(qiáng)度大于黃綿土坡面，相同降雨條件下，塿土坡面表面積大于黃綿土。隨降雨的進(jìn)行，坡面細(xì)溝體積的大小變化出現(xiàn)多樣性，較小降雨強(qiáng)度條件下塿土細(xì)溝體積大于黃綿土。但黃綿土坡面一旦發(fā)生細(xì)溝侵蝕，其體積變化幅度劇烈于塿土。

3)相同降雨強(qiáng)度下，塿土和黃綿土2種土壤都會(huì)因?yàn)槠麻L(zhǎng)的增長(zhǎng)而侵蝕程度變劇烈，相同坡長(zhǎng)時(shí)，較大降雨強(qiáng)度使黃綿土發(fā)生細(xì)溝侵蝕。在第1場(chǎng)降雨過(guò)程中塿土細(xì)溝發(fā)育的各個(gè)階段可以明顯看到;但黃綿土各個(gè)階段持續(xù)時(shí)間較塿土長(zhǎng)，不能出現(xiàn)每一個(gè)階段，即黃綿土細(xì)溝形態(tài)變化緩慢。

本研究是在坡度為20°的陡坡坡面進(jìn)行的室內(nèi)人工模擬降雨試驗(yàn)，旨在經(jīng)過(guò)2次降雨來(lái)分析塿土和黃綿土2種黃土坡面細(xì)溝侵蝕過(guò)程的特征與差異。坡面微形態(tài)觀測(cè)技術(shù)的提高，有助于坡面細(xì)溝侵蝕發(fā)生發(fā)育機(jī)制的深入研究，試驗(yàn)中未能對(duì)單獨(dú)細(xì)溝進(jìn)行追蹤觀測(cè)與分析，也沒有做到對(duì)不同坡段細(xì)溝斷面的觀測(cè);但這些內(nèi)容對(duì)細(xì)溝空間形態(tài)演變的認(rèn)識(shí)卻有很大的幫助，所以要將其作為后續(xù)試驗(yàn)的方向。

4 參考文獻(xiàn)

［1］蔡強(qiáng)國(guó)，王貴平，陳永宗.黃土高原小流域侵蝕產(chǎn)沙過(guò)程與模擬［M］.北京：科學(xué)出版社，1998：58-78

［2］Luk S H，Cai Qiangguo.Laboratory experiments on crust development and rain splash erosion of loess soil，China［J］.Catena，1990，17：261-276

［3］Nearingm A，Bradford Jm.Relation between waterdrop properties and force of impact［J］.Soil Sci Soc Am J，1985，49：425-430

［4］周佩華，竇保璋，孫清芳.降雨能量的試驗(yàn)研究初報(bào)［J］.水土保持通報(bào)，1981，1(1)：51-61

［5］嚴(yán)冬春，王一峰，文安邦，等.紫色土坡耕地細(xì)溝發(fā)育的形態(tài)演變［J］.山地學(xué)報(bào)，2011，29(4)：469-473

［6］霍云云，吳淑芳，馮浩，等.基于三維激光掃描儀的坡面細(xì)溝侵蝕動(dòng)態(tài)過(guò)程研究［J］.中國(guó)水土保持科學(xué)，2011，9(2)：32-37

［7］蔡強(qiáng)國(guó)，朱遠(yuǎn)達(dá)，王石英.幾種土壤的細(xì)溝侵蝕過(guò)程及其影響因素［J］.水科學(xué)進(jìn)展，2004，15(1)：12-18

［8］蔡強(qiáng)國(guó).坡面細(xì)溝發(fā)生臨界條件研究［J］.泥沙研究，1998(1)：54-61

［9］Shainberg I，Warrington D，Laflen Jm.Soil dispersibility，rain properties and slope interaction in rill formation and erosion［J］.Soil Science Society of America Journal，1992，56(1)：278-283

［10］Berger C，Schulzem，Rieke-Zapp D，et al.Rill development and soil erosion：a laboratory study of slope and rainfall intensity［J］.Earth Surface Processes and Landforms，2010，35(12)：1456-1467

［11］孔剛，王全九，樊軍，等.前期含水量對(duì)坡面降雨產(chǎn)流和土壤化學(xué)物質(zhì)流失影響研究［J］.土壤通報(bào)，2008，39(6)：1395-1399

［12］彭娜，謝小立，王開峰，等.紅壤坡地降雨入滲、產(chǎn)流及土壤水分分配規(guī)律研究［J］.水土保持學(xué)報(bào)，2006，20(3)：17-20

［13］許炯心.黃土高原的高含沙水流侵蝕研究［J］.水土保持學(xué)報(bào)，1999，5(1)：28-35

［14］解文艷，樊貴盛.土壤質(zhì)地對(duì)土壤入滲能力的影響［J］.太原理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，35(5)：537-540

［15］雷廷武，Nearingm A.侵蝕細(xì)溝水力學(xué)特性及細(xì)溝侵蝕與形態(tài)特征的試驗(yàn)研究［J］.水利學(xué)報(bào)，2000(11)：49-54

［16］和繼軍，孫莉英，李君蘭，等.緩坡面細(xì)溝發(fā)育過(guò)程及水沙關(guān)系的室內(nèi)試驗(yàn)研究［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2012，28(10)：138-144

Analysis of two kinds soil rill evolution under the secondary rainfall

Liu Junti1，2，Sun Liying2，Zhang Xuepei1，Cai Qiangguo2，Chen Junjie2，3

(1.College of Soil and Water Conservation，Beijing Forestry University，100083，Beijing，China;2.Key Laboratory of Water Cycle and Related Land Surface Processes，Institute of Geographical Sciences and Natural Resources Research，Chinese Academy of Sciences，100101，Beijing，China;3.College of Resources and Environment，Huazhong Agriculture University，430070，Wuhan，China)

Abstract：It is necessary to study different soil rill erosion for investigating rill erosionmechanism.In this paper，the secondary simulated rainfall experiments with an interval of 24 hours were conducted，with different slope lengths(5，10m)and different rainfall intensities(1.5，2.0，1.0mm/min)，to study the differences of runoff and sediment yield and rill space about 2 kinds soil rill erosion developments.Results showed that two kinds of soil shared similar runoff process.At the same rainfall intensity and slope length，lou soil slope surface runoff was greater than the loessial soil.In the first rainfall，the slope surface area and rill erosion intensity of lou soil was greater than the loessial soil.Once the rill erosion occured in the loessial soil slope surface，the volume variations of loessial soil was strongly than lou soil.The change process of the erosion rate could reflected lou soil rill stages of development.Rill erosion would happen with larger rainfall intensity in the loessial soil，and the duration time for stages was longer than lou soil，i.e.，Loessial soil rillmorphological changed slowly.

Key words：runoff;slope surface area;rill volume;rill development

S157.1

A

1672-3007(2013)04-0022-08

2012-11-20

2013-03-03

國(guó)家自然科學(xué)基金“坡面水蝕動(dòng)力與細(xì)溝發(fā)育形態(tài)的相互作用機(jī)制及其影響因素”(41271304)、“東北典型黑土區(qū)坡耕地水土保持措施對(duì)地表徑流及其侵蝕的調(diào)控和機(jī)理研究”(41001165);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)室開放基金“黃土坡面細(xì)溝侵蝕發(fā)育過(guò)程影響因素研究”(K318009902-1315)

劉俊體(1985—)，女，碩士研究生。主要研究方向：坡面土壤侵蝕。E-mail：liujunti123@126.com

簡(jiǎn)介：蔡強(qiáng)國(guó)(1946—)，男，研究員，博士，博士生導(dǎo)師。主要研究方向：土壤侵蝕、水土保持、流域侵蝕產(chǎn)沙模擬與GIS技術(shù)應(yīng)用。E-mail：caiqg@igsnrr.ac.cn

(責(zé)任編輯：宋如華)