胡　偉，鄭粉莉，邊　鋒

1 中國科學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)國家重點實驗室，楊凌　712100 2 西北農(nóng)林科技大學, 資源環(huán)境學院，楊凌　712100 3 中國科學院大學，北京　100049

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降雨能量對東北典型黑土區(qū)土壤濺蝕的影響

胡偉1,3，鄭粉莉1,2,*，邊鋒2

1 中國科學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)國家重點實驗室，楊凌712100 2 西北農(nóng)林科技大學, 資源環(huán)境學院，楊凌712100 3 中國科學院大學，北京100049

濺蝕特征研究可揭示濺蝕發(fā)生機理，而現(xiàn)有研究大多用濺蝕量來表征濺蝕特征，不能全面準確地反應(yīng)濺蝕作用過程。為此，基于改進的試驗土槽進行室內(nèi)模擬降雨試驗，研究降雨能量對坡面不同方向濺蝕量及濺蝕過程的影響。試驗設(shè)計包括2種降雨強度(50 mm/h和100 mm/h)和10個降雨能量，其中10個降雨能量是通過2種降雨強度(50 mm/h和100 mm/h)和5個雨滴降落高度(3.5，5.5，7.5，9.5、11.5 m)來實現(xiàn)的。結(jié)果表明：在相同降雨強度下，坡面總濺蝕分量均隨降雨能量的增加而增大。次降雨坡面濺蝕量均為向下坡最大，其次為側(cè)坡濺蝕量，而向上坡濺蝕量最小。當降雨強度由50mm/h增加至100mm/h時，坡面向上坡濺蝕量增加2.3—5.0倍，向下坡濺蝕量增加1.7—5.1倍，側(cè)坡濺蝕量增加1.9—4.3倍，總濺蝕量增加1.9—4.5倍，凈濺蝕量增加1.2—6.4倍。對于不同降雨能量處理，坡面濺蝕率均表現(xiàn)為坡面產(chǎn)流前隨降雨歷時的增加而遞增，產(chǎn)流后迅速達到峰值，之后逐漸減小并趨于穩(wěn)定。定量分析了各濺蝕分量、總濺蝕量、凈濺蝕量與降雨能量的關(guān)系，提出了濺蝕發(fā)生的降雨能量閾值，發(fā)現(xiàn)雨滴濺蝕發(fā)生的臨界能量為3—6 J m-2mm-1，且向上坡濺蝕量，向下坡濺蝕量，凈濺蝕量和總濺蝕量皆與降雨能量呈冪函數(shù)關(guān)系，而側(cè)坡濺蝕量與降雨能量呈二次多項式關(guān)系。

降雨能量；濺蝕；濺蝕過程；總濺蝕量；凈濺蝕量；典型黑土區(qū)

雨滴濺蝕是指雨滴打擊土壤表面，使土粒發(fā)生分散、分離、躍遷位移的過程[1- 3]。雨滴打擊不僅搬運土粒，為坡面徑流搬運提供大量松散物質(zhì)[4]，還通過增加坡面薄層水流的擾動而增加徑流的搬運能力[5]。因此，雨滴打擊對坡面侵蝕的分離和搬運有重要影響[6]。有關(guān)研究結(jié)果表明，雨滴打擊對濺蝕的影響起關(guān)鍵作用，降雨強度越大，則濺蝕量越大[7]。降雨能量是雨滴降落時所產(chǎn)生的能量，由雨滴大小和其降落速度決定[8]。降雨能量也是影響濺蝕的重要因素，隨著降雨能量的增加，濺蝕量隨之增加[9]。蔡強國等[10]研究表明，濺蝕量與降雨強度和降雨雨滴直徑密切相關(guān)，并建立了濺蝕量與降雨強度、雨滴直徑的二元線性回歸方程。江忠善[11]和Free等[12]的試驗結(jié)果表明，濺蝕量與降雨能量呈冪函數(shù)相關(guān)。然而，現(xiàn)有研究多是探討降雨強度或降雨能量對濺蝕量的影響，對濺蝕作用過程的研究有所欠缺。濺蝕的特征研究是認識濺蝕發(fā)生機理的前提[13]。目前，在室內(nèi)通過濺蝕盤[14]，在野外通過濺蝕板[15]來進行降雨濺蝕試驗研究。但是，運用濺蝕盤或濺蝕板大多是對濺蝕量的測定，缺乏對濺蝕作用過程及不同方向濺蝕量的定量描述，且尚不清楚雨滴打擊對濺蝕發(fā)生過程的影響。據(jù)此，基于改進的試驗土槽進行不同降雨強度和不同降雨能量的模擬降雨試驗，分析降雨能量對東北典型黑土區(qū)土壤濺蝕特征的影響，有助于加深理解濺蝕發(fā)生的過程和機理，以期為東北典型黑土區(qū)坡耕地土壤侵蝕防治提供科學依據(jù)。

1　材料與方法

1.1試驗裝置與材料

試驗在中國科學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)國家重點實驗室人工模擬降雨大廳進行。人工模擬降雨設(shè)備采用中國科學院水利部水土保持研究所研制的側(cè)噴式單噴頭的降雨裝置[16]，降雨方式為兩個降雨器對噴，通過設(shè)計不同雨滴降落高度形成不同的降雨能量。供水壓力由壓力表控制，降雨強度主要通過孔板的孔徑來調(diào)節(jié)，孔徑為5—12 mm，可控制雨強30—165 mm/h，降雨均勻度大于85%。

圖1　試驗土槽示意圖 Fig.1　The soil pan used in this study　a，b，c，d分別收集上坡，左側(cè)，右側(cè)，下坡濺蝕，e收集薄層水流侵蝕(片蝕)

試驗土槽基于Bradford[17]試驗所用土槽進行了改進(圖1)，該土槽可在同一降雨時間對上坡濺蝕、側(cè)坡濺蝕、下坡濺蝕和薄層水流侵蝕(片蝕)進行分開采樣。試驗裝置規(guī)格為：長×寬×高=124 cm×117 cm×80 cm，中央為試驗土槽，其規(guī)格為：長×寬×高=50 cm×50 cm×40 cm，下端設(shè)集流裝置采集徑流泥沙樣，四周設(shè)有濺蝕收集槽，通過底部的塑料軟管進行收集，外側(cè)為濺蝕緩沖區(qū)。上、下坡濺蝕收集槽規(guī)格為：長×寬×高=57 cm×3.5 cm×40 cm，側(cè)坡濺蝕收集槽規(guī)格為：長×寬×高=50 cm×3.5 cm×40 cm，濺蝕板高出土槽約40 cm。土槽底部每隔10 cm(長)和10 cm(寬)處設(shè)計孔徑為2 mm的排水孔，用以保證降雨試驗過程中排水良好。

吉林省榆樹市位于我國黑土區(qū)的中心地帶，屬于典型黑土區(qū)。該區(qū)主要土壤類型為黑土，其占總面積的47.4%[18-19]。試驗用土取自吉林省榆樹市劉家鎮(zhèn)合心村南城子屯的0—20 cm耕層土。試驗土壤為研究區(qū)域內(nèi)的典型黑土，質(zhì)地為粉壤土，其顆粒組成為(美國農(nóng)業(yè)部制)：砂粒(2—0.05 mm)含量為3.3%，粉粒(0.05—0.002 mm)為76.4%，粘粒(< 0.002 mm)為20.3%，有機質(zhì)含量為(重鉻酸鉀氧化-外加熱法)23.81 g/kg，pH值(水浸提法，水土比2.5∶1)為5.92。由于近年來，該區(qū)坡耕地土壤侵蝕嚴重，黑土層已由開墾前的50—60 cm下降到目前的20—30 cm，且在部分區(qū)域已出現(xiàn)“破皮黃”現(xiàn)象。因此，本研究選取的研究區(qū)和試驗土壤均具有一定的代表性和典型性。試驗用土風干后沿自然節(jié)理將其掰成稍小的土塊以保持原有的土壤結(jié)構(gòu)。

1.2試驗設(shè)計

東北黑土區(qū)地形主要是山前波狀起伏臺地或漫崗地，坡度一般為1°—8°，有少部分超過10°，而當坡度大于7°后，坡面土壤侵蝕急劇增加[20]。因此，本研究選取10°代表黑土區(qū)坡耕地的大坡度范圍。目前，國內(nèi)外研究降雨能量的方法主要有3種，一是改變降雨強度[21]，降雨強度越大，降雨能量越大，降雨強度和降雨能量之間存在交互作用，不能單獨分離降雨能量；二是改變降雨機[22]，相同降雨強度具有不同的降雨能量，不能真正的研究降雨能量；三是在相同的降雨強度下，改變雨滴的降落高度能夠直接獲取不同的降雨能量[23]。鑒于前兩種方法不能有效的分離降雨能量，本研究在保證降雨強度不變的前提下，改變雨滴降落高度獲取不同的降雨能量。當雨滴降落高度在4.3 m以上時，可使大雨滴達到終點速度的80%[24]。當降落高度在7—8 m 時，即可使95%的雨滴達到終點速度，要使所有不同大小的雨滴達到終點速度，最小的降落高度需要20 m[25]。20世紀80年代，國內(nèi)學者使用側(cè)噴式模擬降雨機選用的雨滴降落高度多為6.5 m，直徑大于2.0 mm的雨滴達不到終點速度[26]。本研究設(shè)計的最大降雨高度為11.5 m，可滿足0—6 mm直徑的雨滴達到終點速度[25]，能夠較好的模擬天然降雨的能量。本研究為了更好的研究降雨能量對黑土濺蝕的影響，設(shè)計了從3.5 m到11.5 m的5個雨滴降落高度水平，其變化步長為2 m。依據(jù)黑土區(qū)侵蝕性降雨標準[27-28](即I10≥ 0.71 mm/min)，設(shè)計試驗降雨強度為50 mm/h和100 mm/h(表1)，降雨歷時為30 min。所有試驗處理的土壤均為風干土。每一個試驗處理重復兩次，試驗設(shè)計見表1。

為保證良好的透水性，在試驗土槽底部鋪20 cm厚細沙。沙子上部每5 cm一層填裝容重為1.25 g/cm3的黑土用于模擬農(nóng)耕地的犁底層，裝土厚度為10 cm。犁底層之上填裝容重為1.20 g/cm3的黑土用于模擬耕層，每5 cm一層填裝，裝土厚度為10 cm。裝上層土之前，用1 cm厚的木板抓毛下層土壤表面，以減少土壤分層現(xiàn)象。每次試驗前翻耕表土約10 cm，并用齒耙耙平，模擬黑土區(qū)農(nóng)耕地坡面情況。

為了確保模擬降雨的均勻性和準確性，試驗開始前對降雨強度進行率定，當降雨均勻度大于85%，實測降雨強度與目標降雨強度的差值小于5%時方可進行正式降雨。降雨開始后，各方向的濺蝕量分別取全樣。對于降雨強度為50 mm/h試驗處理，采樣間隔為6 min；對降雨強度為100 mm/h試驗處理，采樣間隔為3 min。降雨結(jié)束后，用清水分別沖洗上、下、左、右濺蝕板上殘留的濺蝕土樣，以保證濺蝕土樣被完全收集。坡面產(chǎn)流后，記錄初始產(chǎn)流時間，接取徑流泥沙樣，取樣間隔為3—6 min。降雨結(jié)束后，稱取濺蝕和徑流泥沙的重量(電子稱量程為60 kg，精度為0.001 kg)，采用烘干法(105℃，24 h)測得濺蝕和徑流泥沙重(電子天平精度為0.1 g)。

表1　試驗設(shè)計

1.3雨滴測定及降雨動能計算

雨滴大小的測定采用濾紙色斑法。色斑法是歷史悠久、應(yīng)用最廣泛的一種雨滴粒徑測量方法[29]。濾紙使用新華造紙廠生產(chǎn)的直徑為15 cm的定性中速濾紙，涂料用曙紅和滑石粉混合粉末，按重量比為1∶10混合均勻，用刷子將混合粉末均勻地抹在濾紙上備用，當雨滴落到濾紙上時，產(chǎn)生近似圓形的色斑[30]。將采集的濾紙掃描后使用Image-J[31]軟件的直尺功能測出色斑直徑，每個色斑按垂直方向測4次，測量精度為0.001 mm，取平均值為色斑直徑，進而推求雨滴實際直徑。

由于試驗條件與竇堡璋[30]相同，雨滴直徑采用下述公式進行計算，即：

d=0.356D0.712

(1)

式中，d為雨滴直徑(mm)；D為色斑直徑(mm)。

對于天然降雨，雨滴終點速度采用牟金澤[32]提出的公式進行計算，即：

當d< 1.9 mm時，用修正的沙玉清公式：

(2)

當d≥ 1.9 mm時，采用修正的牛頓公式：

(3)

式中，d為雨滴直徑(mm)；vi為天然降雨雨滴降落速度(m/s)。

對于人工模擬降雨，雨滴未完全到達終點速度，故雨滴速度不能按天然降雨雨滴速度計算[31, 33]，采用下述公式計算：

(4)

式中，V為人工模擬降雨雨滴降落速度(m/s)；g為重力加速度(m/s2)；H為雨滴降落高度(m)。

單個雨滴的動能：

(5)

式中，ei為第i個雨滴的動能(J)；mi為第i個雨滴的質(zhì)量，將其視為球體計算(g)；V為雨滴降落速度(m/s)。

雨滴的總動能：

(6)

式中，et為全部雨滴的總動能(J)；ei為第i個雨滴的動能(J)；n為雨滴的個數(shù)。

降雨深[34]：

(7)

式中，h為降雨深(mm)；mi為第i個雨滴的質(zhì)量(g)；ρ為雨滴的密度(kg/m3)；S為濾紙的面積(m2)；n為雨滴的個數(shù)。

降雨能量：

(8)

式中，E為降雨能量(J m-2mm-1)；et為全部雨滴的總動能(J)；h為降雨深(mm)；S為濾紙的面積(m2)。

1.4濺蝕量計算

總濺蝕量計算公式：

St=Su+Sd+Sl+Sr

(9)

式中，St為總濺蝕量(g m-2h-1)；Su為向上坡濺蝕量(g m-2h-1)；Sd為向下坡濺蝕量(g m-2h-1)；Sl為向左側(cè)濺蝕量(g m-2h-1)；Sr為向右側(cè)濺蝕量(g m-2h-1)。

凈濺蝕量[35-36]計算公式：

Sn=Sd-Su

(10)

式中，Sn為凈濺蝕量(g m-2h-1)；Sd為向下坡濺蝕量(g m-2h-1)；Su為向上坡濺蝕量(g m-2h-1)。

側(cè)坡濺蝕量計算公式：

(11)

式中，Sla為側(cè)坡濺蝕量(g m-2h-1)；Sl為向左側(cè)濺蝕量(g m-2h-1)；Sr為向右側(cè)濺蝕量(g m-2h-1)。

1.5數(shù)據(jù)處理

應(yīng)用Excel 2003、SigmaPlot 12.5和Matlab R2010b對數(shù)據(jù)進行處理與分析：采用SigmaPlot 12.5繪制不同降雨能量下總濺蝕率隨降雨歷時的變化圖；采用Matlab R2010b中Curve Fitting Tool對各濺蝕分量，總濺蝕量，凈濺蝕量與降雨能量的關(guān)系進行擬合，擬合過程中采用信賴域方法，同時考慮方程的物理意義。

2　結(jié)果與分析

2.1降雨能量對不同方向濺蝕量的影響

當前期試驗條件相同時，不同降雨能量對坡面濺蝕的影響存在差異(表2)。相同降雨強度下，坡面各方向濺蝕分量均隨降雨能量的增加而增大。各降雨能量下，次降雨坡面濺蝕量表現(xiàn)為：向下坡的濺蝕量最大，其次為向左側(cè)和右側(cè)的濺蝕量(側(cè)坡濺蝕量)，二者基本相同，而以向上坡的濺蝕量最小。這主要是土粒自身重力對向下坡濺蝕產(chǎn)生了一個動力，而對向上坡濺蝕則起一個阻力的作用，因此導致向下坡的濺蝕量要大于向上坡的濺蝕量。對于側(cè)坡濺蝕，重力即是動力又是阻力，因此其變化相對向上坡和向下坡較為平緩[37]。

當雨滴降落高度相同時，100 mm/h雨強下的濺蝕量大于50 mm/h的濺蝕量。在50 mm/h降雨強度下，降雨能量平均每增加1 J m-2mm-1，向上坡濺蝕量增加9.4—17.0 g m-2h-1，向下坡濺蝕量增加13.9—43.0 g m-2h-1，側(cè)坡濺蝕量增加7.1—35.6 g m-2h-1，總濺蝕量增加37.8—131.3 g m-2h-1，凈濺蝕量增加4.2—26.0 g m-2h-1。100 mm/h降雨強度下，降雨能量平均每增加1 J m-2mm-1，向上坡濺蝕量增加11.7—46.8 g m-2h-1，向下坡濺蝕量增加49.7—146.0 g m-2h-1，側(cè)坡濺蝕量增加36.8—106.6 g m-2h-1，總濺蝕量增加135.0—405.9 g m-2h-1，凈濺蝕量增加17.8—99.2 g m-2h-1。這主要是因為降雨能量增強所致。當降雨強度相同時，隨著雨滴降落高度的增加，雨滴降落速度增加，降雨能量隨之增大，從而間接地增強了雨滴打擊力。

當降雨強度由50 mm/h增加到100 mm/h時，降雨能量增加幅度為18.4%—49.5%，向上坡濺蝕量增加2.3—5.0倍，向下坡濺蝕量增加1.7—5.1倍，側(cè)坡濺蝕量增加1.9—4.3倍，總濺蝕量增加1.9—4.5倍，凈濺蝕量增加1.2—6.4倍。由上述結(jié)果可知，隨著降雨強度的增大，雨滴打擊作用增強，促使更多的土壤顆粒分離。黑土富含有機質(zhì)，土壤團聚體含量較高，在較小降雨強度下，雨滴打擊對土壤濺蝕作用較小，隨著雨強的增大，雨滴打擊土壤團聚體的作用增強，從而使這些分散的土壤顆粒更容易被擊濺。因此，雨滴打擊力是黑土坡面發(fā)生濺蝕的主要侵蝕動力，這與安娟[38]等的研究結(jié)果一致。范昊明[18]和張曉平[20]等研究也認為雨滴侵蝕是我國黑土區(qū)最主要的侵蝕方式。上述研究結(jié)果進一步表明消除雨滴打擊在黑土區(qū)農(nóng)耕地的重要性。

表2　相同降雨能量下各方向濺蝕分量、總濺蝕量和凈濺蝕量

表中數(shù)值表示平均值±標準差

2.2降雨能量對濺蝕過程的影響

圖2　總濺蝕率隨降雨歷時的變化Fig.2　Temporal variation of total splash rates during the rainfall event

通過對不同降雨能量下總濺蝕率隨降雨歷時的比較，發(fā)現(xiàn)100 mm/h降雨強度下的最大濺蝕率是50 mm/h降雨條件的4.3—9.5倍(圖2)。在50 mm/h降雨強度下，產(chǎn)流時間集中在24—27 min，濺蝕率隨降雨歷時呈現(xiàn)遞增的趨勢。這主要是因為試驗土壤比較干燥，當雨滴降落到干燥的土壤時，大部分能量被表層土壤所吸收，因此濺蝕搬運的土粒較少，隨著土壤含水量增加，土壤粘結(jié)力減小，坡面產(chǎn)生大量松散的物質(zhì)供濺蝕搬運，這個過程主要是雨滴與土粒間的能量交換。而100 mm/h降雨強度下總濺蝕率在降雨初期呈現(xiàn)急劇上升，坡面在9—12 min產(chǎn)流，產(chǎn)流后濺蝕率迅速到達峰值，之后逐漸減小。這種變化趨勢在降雨能量較大時更加明顯，如在100 mm/h降雨強度和雨滴降落高度為11.5 m對應(yīng)的降雨能量為14.47 J m-2mm-1，在前10 min的總濺蝕率為11.4 g m-2min-1，第15分鐘迅速增大至32.8 g m-2min-1，至24 min時，又減小至24.8 g m-2min-1，此后略有減小但變化不大。這與Fox[39]和劉和平等[36,40]的試驗結(jié)果一致。隨著降雨能量的不同，前15 min濺蝕率變化幅度明顯大于后15 min，說明降雨能量在前15 min對濺蝕的影響較大。這主要是因為降雨初期，雨滴能量主要用于破壞土壤團聚體，此時濺蝕率大小主要取決于雨滴打擊力，即降雨能量的大小，這與張科利等[41]的研究結(jié)果相一致。隨著降雨的繼續(xù)，在雨滴的打擊作用下，土壤表面形成臨時結(jié)皮層，土壤抗蝕力增強，同時，土壤入滲能力減弱，坡面形成薄層水流，濺蝕作用過程變?yōu)橛甑?、土粒及薄層水流間的能量交換過程，隨著地表水層厚度增加，雨滴擊濺的土粒減少，坡面濺蝕率逐漸下降并趨于穩(wěn)定。濺蝕率在降雨初期急劇上升說明侵蝕過程是以濺蝕擊濺為主導的階段，而后迅速減少說明侵蝕過程由濺蝕搬運為主的階段向薄層水流搬運為主的階段轉(zhuǎn)變。此外，坡面形成薄層徑流后，徑流深對雨滴打擊力的屏蔽作用不容忽視[42]。雨滴濺蝕與徑流深呈負相關(guān)，當徑流深超過3倍雨滴直徑時，雨滴打擊作用消失[43]。

2.3降雨能量與濺蝕量的關(guān)系

2.3.1向上坡、向下坡和側(cè)坡濺蝕量與降雨能量的關(guān)系

本試驗得到的各方向的濺蝕量與降雨能量的關(guān)系如圖3所示，隨著降雨能量的增大，各方向濺蝕量均有一定幅度的增加。采用Matlab R2010b進行擬合，獲取最優(yōu)經(jīng)驗方程：

向上坡濺蝕量Su=14.670(E-5.932)1.289,R2=0.906,n=20,P<0.0001

(12)

向下坡濺蝕量 Sd=8.913(E-4.782)1.85,R2=0.933,n=20,P<0.0001

(13)

側(cè)坡濺蝕量Sla=3.201E2-17.154E,R2=0.889,n=20,P<0.0001

(14)

式中，Su為向上坡濺蝕量(g m-2h-1)；Sd為向下坡濺蝕量(g m-2h-1)；Sla為側(cè)坡濺蝕量(g m-2h-1)；E為降雨能量(J m-2mm-1)；n為樣本數(shù)(式12—14中均使用的是單位時間的濺蝕量)。

由回歸方程可知，向上坡濺蝕量和向下坡濺蝕量均與降雨能量呈冪函數(shù)關(guān)系，側(cè)坡濺蝕量與降雨能量的關(guān)系符合一元二次曲線分布特征。對比回歸方程(12)和(13)發(fā)現(xiàn)，降雨能量對濺蝕的影響存在一個閾值。當降雨能量小到一定值時，坡面無濺蝕發(fā)生，這主要是因為雨滴能量較小時，大部分能量被土壤吸收，很少一部分能量用于破壞土壤團聚體，因此可供濺蝕搬運的土粒較少。這與Salles[44]和秦越[45]等的研究基本一致。吳普特等[37]認為，雨滴與地表土壤發(fā)生碰撞產(chǎn)生的沖擊力是地表土壤發(fā)生濺蝕的直接動力，碰撞使一部分能量被土壤吸收，而未被吸收的能量將破壞原有的土壤結(jié)構(gòu)，使其分散，發(fā)生躍移。當坡面存在一定坡度時，雨滴打擊地表，向上坡和向下坡搬運土粒均需克服一定的能量做功，濺蝕才會發(fā)生，與向下坡搬運相比，向上坡搬運需克服更多的能量來做功，因此向上坡濺蝕發(fā)生的能量閾值要高于向下坡。

2.3.2總濺蝕量和凈濺蝕量與降雨能量的關(guān)系

總濺蝕量和凈濺蝕量均隨降雨能量的增大而增加(圖4)。總濺蝕量等于各方向濺蝕量之和，表示雨滴擊濺為濺蝕搬運和徑流搬運提供的松散物質(zhì)的量，以實測各方向的濺蝕量之和與降雨能量進行相關(guān)分析得出：

St=75.670(E-5.699)1.418,R2=0.921,n=20,P<0.0001

(15)

式中，St為總濺蝕量(g m-2h-1)；E為降雨能量(J m-2mm-1)；n為樣本數(shù)。

圖3　不同方向濺蝕量與降雨能量的關(guān)系　Fig.3　Relationship between directional splash erosion and raindrop kinetic energy

圖4　總濺蝕量和凈濺蝕量與降雨能量的關(guān)系　Fig.4　Relationships of total and net splash erosion with raindrop kinetic energy

凈濺蝕量是向下坡的濺蝕量與向上坡的濺蝕量之差，表示雨滴擊濺作用向下坡搬運土粒的多少。根據(jù)向下坡和向上坡的實測濺蝕量差值與降雨能量的相關(guān)分析得出：

Sn=0.405(E-2.647)2.647,R2=0.930,n=20,P<0.0001

(16)

式中，Sn為凈濺蝕量(g m-2h-1)；E為降雨能量(J m-2mm-1)；n為樣本數(shù)(式15，16中均使用的是單位時間的濺蝕量)。

由回歸方程(15)和(16)可以看出，雨滴擊濺侵蝕發(fā)生的閾值為3—6 J m-2mm-1。這一結(jié)論與Agassi等[46]的研究結(jié)論相符。當降雨能量高于閾值時，濺蝕量隨降雨能量的增加而增大；當降雨能量較小時，無濺蝕發(fā)生。這是因為干土濺散階段，土壤較為疏松，較大一部分降雨能量損耗于對土壤顆粒的緩沖作用；隨著土壤含水量的增加，降雨能量的損耗用于對土壤顆粒的擊濺[47]。雨滴擊濺的本質(zhì)在于它具有一定的動能，當雨滴動能克服土粒間的黏結(jié)作用及土粒的重力勢能時便使土粒發(fā)生位移。在雨滴濺蝕能力確定的前提下，土壤被侵蝕的量取決于土壤的抗蝕能力。黑土有機質(zhì)含量高，致使其團聚體含量、穩(wěn)定性高，未降雨前，黑土表面基本上都為大團聚體，隨降雨歷時的延長，在雨滴的不斷打擊壓實作用下，團聚體被破壞為細小顆?；蛭F聚體才能被雨滴擊濺[48]。因此，降雨能量可以很好的反映降雨對雨滴濺蝕的影響。

3　結(jié)論

基于改進的試驗土槽進行不同降合雨強度和不同降雨能量條件下的模擬降雨試驗，研究了降雨能量對向上坡濺蝕、向下坡濺蝕、側(cè)坡濺蝕以及總濺蝕量和凈侵蝕量的影響，得到如下研究結(jié)論：

(1)相同降雨強度下，坡面各方向濺蝕分量均隨降雨能量的增加而增大。次降雨坡面濺蝕量均為向下坡最大，其次為側(cè)坡濺蝕量，而向上坡濺蝕量最小。當降雨強度由50 mm/h增加至100 mm/h時，向上坡濺蝕量增加2.3—5.0倍，向下坡濺蝕量增加1.7—5.1倍，側(cè)坡濺蝕量增加1.9—4.3倍，總濺蝕量增加1.9—4.5倍，凈濺蝕量增加1.2—6.4倍。

(2)隨著降雨能量的不同，坡面總濺蝕率均呈現(xiàn)產(chǎn)流前隨降雨歷時的增長而遞增，產(chǎn)流后迅速達到峰值，之后逐漸減小并趨于穩(wěn)定。

(3)定量分析了各濺蝕分量，總濺蝕量，凈濺蝕量與降雨能量的關(guān)系，提出了濺蝕發(fā)生的降雨能量閾值，發(fā)現(xiàn)黑土區(qū)雨滴濺蝕發(fā)生的臨界能量為3—6 J m-2mm-1，且向上坡濺蝕量，向下坡濺蝕量，凈濺蝕量和總濺蝕量皆與降雨能量呈冪函數(shù)關(guān)系，而側(cè)坡濺蝕量與降雨能量呈二次多項式關(guān)系。

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Effects of raindrop kinetic energy on splash erosion in the typical black soil region of Northeast China

HU Wei1,3, ZHENG Fenli1,2,*, BIAN Feng2

1StateKeyLaboratoryofSoilErosionandDrylandFarmingonLoessPlateau,InstituteofSoilandWaterConservation,ChineseAcademyofSciencesandMinistryofWaterResources,Yangling712100,China2CollegeofNaturalResourcesandEnvironment,NorthwestAgricultureandForestryUniversity,Yangling712100,China3UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China

Splash erosion is an important form of soil erosion caused by the impact of raindrops. Raindrop kinetic energy is the principal factor that affects splash erosion, and studies on splash characteristics can reveal splash erosion mechanics. However, current studies only characterize the amount of splash erosion, which cannot accurately and comprehensively reflect the splash processes. Therefore, this study examines the effects of raindrop kinetic energy on splash erosion processes and on the amount of splash erosion from different directions on a hillslope. The experimental treatments included two rainfall intensities (50 and 100 mm/h) and 10 rainfall kinetic energies that were obtained with a combination of the two rainfall intensities and five raindrop falling heights (3.5 m, 5.5 m, 7.5 m, 9.5 m, 11.5 m); the slope gradient was set at 10°. In the experiment, all treatments were replicated twice. The soil used in this study was a Mollisol (USDA system of Soil Taxonomy), containing 3.3% sand, 76.4% silt, and 20.3% clay. The tested soil was collected from 0—20 cm depth in the Ap horizon of a maize field in Liujia Town (44°43′N, 126°11′E), Yushu City, Jilin Province, located in the center of the Mollisol region in Northeast China. This study was completed in the rainfall simulation laboratory of the State Key Laboratory of Soil Erosion and Dryland Farming on the Loess Plateau, Yangling City, China. A side-sprinkle rainfall simulator was used to apply rainfall and a soil pan was specially designed to measure both splash and sheet erosion. Results showed that directional splash erosion increased with the increase of raindrop kinetic energy for a given rainfall intensity. However, at each individual rainfall, the amount of splash erosion was in the order of downslope > lateral slope > upslope.When rainfall intensity increased from 50 to 100 mm/h, the total splash and net splash erosion increased 1.9—4.5 and 1.2—6.4 times, respectively; splash erosion on the upslope, downslope, and lateral slope were enhanced 2.3—5.0, 1.7—5.1, and 1.9—4.3 times, respectively. For all rainfall kinetic energies, splash erosion rate gradually increased with rainfall duration; when runoff occurred, splash erosion rate reached the maximum value, and then gradually decreased until reaching a steady state. According to the relationships between directional, total, and net splash erosion and rainfall kinetic energy, the critical energy for splash erosion initiation was 3—6 J m-2mm-1. Splash erosion increased with an increase in raindrop kinetic energy above the critical value. Furthermore, the relationship between raindrop kinetic energy and upslope, downslope, total, and net splash erosion was expressed by power function, while raindrop kinetic energy had a quadratic polynomial relationship with lateral splash erosion.

raindrop kinetic energy; splash erosion; splash erosion processes; total splash erosion; net splash erosion; the typical black soil region

國家自然科學基金資助項目(41571263)

2014- 12- 31; 網(wǎng)絡(luò)出版日期:2015- 11- 17

Corresponding author.E-mail: flzh@ms.iswc.ac.cn

10.5846/stxb201412312613

胡偉，鄭粉莉，邊鋒.降雨能量對東北典型黑土區(qū)土壤濺蝕的影響.生態(tài)學報,2016,36(15):4708- 4717.

Hu W, Zheng F L, Bian F.Effects of raindrop kinetic energy on splash erosion in the typical black soil region of Northeast China.Acta Ecologica Sinica,2016,36(15):4708- 4717.