安 娟，于 妍，吳元芝

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降雨類型對褐土橫壟坡面土壤侵蝕過程的影響

安 娟，于 妍，吳元芝

（山東省水土保持與環(huán)境保育重點實驗室，臨沂大學資源環(huán)境學院，臨沂 276005）

雨型是影響土壤侵蝕過程的重要因子之一，而影響效應與耕作措施密切相關(guān)。目前，雨型對橫壟坡面土壤侵蝕過程的影響機制尚不清楚。該文以褐土橫壟坡面為研究對象，設(shè)計了平均雨強和降雨量相同的4種雨型（增加、減弱、增加-減弱和減弱-增加型），采用可同時調(diào)節(jié)壟向和坡面坡度的土槽進行模擬降雨，研究各個雨型下不同侵蝕階段的產(chǎn)流產(chǎn)沙特征。結(jié)果表明：雨型間的徑流量和侵蝕量在細溝間和細溝侵蝕階段均差異顯著，且差異在細溝階段體現(xiàn)的更為明顯。雨型間徑流量的大小順序為增加-減弱型>減弱型>減弱-增加型>增加型，侵蝕量則為增加-減弱型>減弱-增加型>減弱型>增加型。給定雨強下（30、60或90 mm/h），徑流量、徑流貢獻率和侵蝕量貢獻率均隨降雨過程中雨強發(fā)生時序的延遲而增加，而單位徑流侵蝕量呈相反趨勢；雨型間給定雨強同一發(fā)生時序下的徑流量和侵蝕量及其它們對總徑流量和總侵蝕量的貢獻率均差異顯著。4種雨型下，冪函數(shù)均能很好的描述細溝間和細溝侵蝕階段內(nèi)產(chǎn)沙率與徑流率間的關(guān)系，且方程中的指數(shù)均低于2，但雨型間冪函數(shù)方程中的指數(shù)存在明顯差異。以上研究結(jié)果有助于深入理解褐土壟作系統(tǒng)下的土壤侵蝕機理，并為橫坡壟作的合理利用提供科學指導。

土壤；侵蝕；徑流；橫坡壟作；褐土；模擬降雨；雨型

0 引 言

雨強是影響土壤侵蝕過程最為重要的因子之一。自然降雨中，雨強存在時空變異性[1-2]，且隨降雨歷時變化不同雨強的組合被定義為雨型。然而，以往的研究對天然降雨過程中雨強的不均一性及其組合變化考慮不足[3-4]，且已有的土壤侵蝕估算模型也是建立在均勻雨強的基礎(chǔ)上[5-7]，這將導致研究結(jié)果與實際情況存在較大出入。

目前，國內(nèi)外的學者針對雨型對土壤侵蝕過程的影響進行了初步研究。Dunkerley[8]設(shè)計了平均和峰值雨強相同但分布不同的雨型，研究了雨型對徑流特征的影響，發(fā)現(xiàn)變雨強雨型下的徑流率和峰值徑流量是均勻雨型下的85%～570%?；谌斯つM降雨試驗，研究了總降雨量和雨強分布均相同雨型下的侵蝕過程，鄭粉莉等[9]發(fā)現(xiàn)峰值型雨型引起的坡面侵蝕量最大，分別是谷值型、減弱型、均勻型和增強型雨型下的1.20、1.63、1.78和1.80倍。An等[10]研究了降雨量和平均雨強相同的5種雨型下侵蝕過程，發(fā)現(xiàn)雨型間的徑流量無顯著差異，而侵蝕量的大小順序為：增加型>增加-減弱型=減弱型>減弱-增加型>均勻型。設(shè)計了4種總降雨動能相同而雨強變化不同的次降雨雨型，Wang等[11]發(fā)現(xiàn)延遲型的侵蝕量明顯高于增加型、中間型和均勻型。Mohamadi和Kavian[12]利用野外觀測資料把天然降雨按照雨強和降雨歷時劃分成不同的降雨機制，結(jié)果表明雨型間的侵蝕量和含沙量表現(xiàn)為增加型>增加-減弱型>減弱-增加型>減弱型。秦偉等[13]基于野外常年降雨觀測資料，選取雨量、歷時和雨強為雨型劃分指標，分析不同雨型下的侵蝕能力，發(fā)現(xiàn)不同雨型下的單位雨量侵蝕能力大小順序為A雨型（高頻次、短歷時、小雨量、大雨強）＞B雨型（中頻次、中歷時、中雨量、中雨強）＞C雨型（低頻次、長歷時、大雨量、小雨強）。綜上發(fā)現(xiàn)，1）以往的研究對雨型的劃分標準不統(tǒng)一；2）國外的研究大多側(cè)重于雨型整體對土壤侵蝕過程的影響，且忽視了雨型中雨強發(fā)生時序?qū)ζ旅媲治g的影響；3）國內(nèi)的研究主要集中于對野外常年降雨觀測資料的描述，對次降雨過程中的侵蝕動態(tài)變化考慮不足。值得一提的是，雨型對坡面侵蝕過程的影響與耕作措施緊密相關(guān)，而以往開展的相關(guān)研究幾乎均是在平坡上開展。

橫壟因能匯集雨水、增加雨水就地入滲，減少水土流失，從而成為被廣泛采用的保護性耕作措施之一[14]。然而，橫壟在阻止徑流向坡下流動的同時，壟向微坡度的存在會導致雨水在位置較低處的壟溝內(nèi)積聚，進而發(fā)生漫流。當漫流的侵蝕力超過土壤的臨界剪切力時，水流就會剝蝕壟面的土體顆粒，進而誘發(fā)細溝的生成。細溝貫穿壟面后，壟溝內(nèi)蓄積的雨水會以較高的流速瀉出，致使橫壟發(fā)生垮塌，最終導致橫壟失去水土保持作用[15]?？梢?，橫坡壟作系統(tǒng)具有獨特的土壤侵蝕特點。然而，目前針對橫壟坡面的侵蝕過程主要集中于2個方面：1）不同降雨參數(shù)（雨強、歷時和雨量等）和壟作結(jié)構(gòu)因子（壟寬、壟向坡度和壟高等）下的侵蝕特征[14,16-18]；2）與其他耕作措施對比下，橫坡壟作措施的水土保持效益[19-20]。因此，深入探討橫壟措施下雨型對坡面土壤侵蝕過程的影響意義重大。鑒于此，本研究擬以褐土橫壟為研究對象，基于人工模擬降雨試驗，分析4個雨型（增加、減弱型、增加-減弱和減弱-增加型）下的產(chǎn)沙產(chǎn)流特征，以期深入理解褐土坡面土壤侵蝕機理，并為橫坡壟作的合理運用提供科學依據(jù)。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

降雨試驗在山東省水土保持和環(huán)境保育重點實驗室降雨大廳內(nèi)進行。降雨試驗裝置為安裝Veejet 80100噴頭的槽式模擬降雨系統(tǒng)，有效降雨面積為2.2 m×12 m。該系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)噴頭經(jīng)過噴水窗口的頻率控制雨強[21]，降雨均勻度89%以上。試驗所用土為可同時調(diào)節(jié)壟向與坡面坡度的鋼槽（圖1）。該土槽主體由通過鉸鏈連接的2個分體土槽構(gòu)成，每個分體土槽長×寬=160 cm×80 cm。壟向坡度的調(diào)節(jié)通過上下移動螺旋（a）來實現(xiàn)，調(diào)節(jié)范圍為0～15°。通過安裝在支撐腿上的螺旋（b）進行坡向坡度的調(diào)節(jié)，范圍為0～25°。出口處（g）用于收集徑流泥沙樣。

a.壟向坡度調(diào)節(jié)螺旋b.坡面坡度調(diào)節(jié)螺旋f.上坡位置產(chǎn)流產(chǎn)沙收集口 g.壟面下坡位置產(chǎn)流產(chǎn)沙收集口

試驗采用的土壤為魯中南山地丘陵區(qū)腹地沂蒙山區(qū)丘陵地帶廣泛分布的褐土，取自玉米地表層20 cm的耕層土。所用土的基本理化性質(zhì)見表1。

表1 試驗用土的基本理化性質(zhì)

1.2 試驗設(shè)計

參考當?shù)貧夂驍?shù)據(jù)和侵蝕性降雨標準[22]，并結(jié)合試驗實際情況，設(shè)計4個雨型。各個雨型包括30、60和90 mm/h三個雨強，每個雨強在降雨過程中持續(xù)20 min。其中，雨型包括增加型（雨強逐漸增大，30-60-90 mm/h）、減弱型（雨強逐漸減小，90-60-30 mm/h）、增加-減弱型（雨強在降雨中期達到峰值，60-90-30 mm/h）和減弱-增加型（雨強在降雨中期達到最小值，60-30-90 mm/h）。野外實際調(diào)查數(shù)據(jù)表明，壟寬多為60～80 cm，壟溝方向上坡長在150 cm左右會出現(xiàn)壟溝低洼積水區(qū)域，且橫坡系統(tǒng)下溝道的長度一般在0～6 m。為模擬坡面壟溝內(nèi)積水漫流的情形，基于壟溝內(nèi)的微觀匯水單元，設(shè)計了壟寬為80 cm，坡長為160 cm，坡度10°，壟向坡度為6°，壟高為12 cm的橫坡壟作系統(tǒng)。針對壟寬，壟上側(cè)在土槽平面上的投影線長度約為下側(cè)的2倍：即80 cm的壟寬，上側(cè)壟面在土槽平面上的投影為53.3 cm，下側(cè)壟面則為26.7 cm。共設(shè)計8場降雨試驗，即每個雨型下重復2次。

1.3 試驗步驟

試驗用土風干后未過篩，以保持原有的土壤結(jié)構(gòu)。將土槽調(diào)整為設(shè)計的壟向坡度后，利用分層法進行土槽填充。土槽底部每5 cm一層填裝20 cm厚的褐土，容重控制在1.5 g/cm3，用于模擬犁底層。裝上層土之前用1 cm厚的木板抓毛下層土壤表面，以便保持顆粒空間分布的相似性和防止土層之間出現(xiàn)分層。之后按照填土之前在土槽四壁勾畫的壟作輪廓線，修建壟高為12 cm，壟寬為80 cm的土壟兩根，裝土容重為1.15 g/cm3。

填裝土槽完畢后，進行雨強為10 mm/h的前期預降雨。此過程中，將1 mm×1 mm尼龍紗網(wǎng)覆蓋在土槽之上以減弱雨滴打擊對土壤表層的影響。最后，將填裝土槽的坡面坡度調(diào)整為10°，并按照設(shè)計的雨型進行人工模擬降雨。待出口出現(xiàn)持續(xù)水流后，每隔2 min收集一次徑流樣。降雨過程中時刻觀察坡面的變化，待細溝發(fā)生后，收集樣品的間隔為30 s。降雨結(jié)束后，將收集的樣品立即稱質(zhì)量。

1.4 數(shù)據(jù)分析

利用SPSS 16軟件下的方差分析（ANOVA）對雨型間的徑流量和侵蝕量進行顯著性檢驗，基于最小顯著差法（LSD）開展不同雨型下徑流、泥沙的多重比較，并在0.05水平上達到顯著。另，在SPSS軟件下構(gòu)建回歸模型，并檢驗回歸系數(shù)的顯著性。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 雨型對坡面徑流和侵蝕量的影響

侵蝕階段內(nèi)，雨型對徑流量和侵蝕量的影響明顯不同。雨型間的總徑流量差異顯著，表現(xiàn)為增加-減弱型>減弱型>減弱-增加型>增加型（表2）。增加-減弱型、減弱型和減弱-增加型的總徑流量比增加型分別增加49.41%、40.91%和25.22%。然而，以往在平坡開展的相關(guān)研究認為雨型對徑流的產(chǎn)生無顯著影響[10,23]。這可能是因為橫坡壟作系統(tǒng)下的耕作方向改變了徑流的匯水路徑和匯水區(qū)面積[24]，進而導致產(chǎn)流機制發(fā)生了改變。

表2 細溝間和細溝侵蝕階段的徑流量和侵蝕量

注：同列不同字母表示處理間差異顯著（<0.05）。下同。

Note: Different letters in same column indicate significant difference (<0.05). The same as below.

不同雨型下總侵蝕量大小順序為增加-減弱型>減弱-增加型>減弱型>增加型（表2），降雨前、后坡面侵蝕狀態(tài)進一步佐證了不同雨型下侵蝕程度的大?。▓D2a-2e）。與增加型相比，增加-減弱型、減弱-增加型和減弱型的總侵蝕量分別增加43.03%、10.30%和3.03%。這與以往在平坡上開展的研究結(jié)果不一致[10-11]。這可能一方面是因為橫坡壟作下來自上坡的泥沙不斷沉積在下坡壟溝內(nèi)；另一方面是當細溝發(fā)生后，壟溝內(nèi)的大量物質(zhì)傾瀉而出，且積聚的雨水不斷流出，從而導致雨型對產(chǎn)沙的影響機制較平坡下發(fā)生了巨大改變。

圖2 不同雨型下降雨前、后坡面侵蝕狀態(tài)

進一步分析發(fā)現(xiàn)，細溝間和細溝侵蝕階段雨型間的徑流量和侵蝕量均存在顯著差異，但徑流量和侵蝕量的差異在細溝階段體現(xiàn)的更為明顯。且雨型對侵蝕量的影響較徑流量更為明顯。細溝間階段，與增加型相比，減弱型、增加-減弱型和減弱-增加型的徑流量分別減少?65.04%、14.24%和59.18%，相應的侵蝕量分別減少?19.06%、29.19%和50.91%；細溝階段，減弱型、減弱-增加型和增加-減弱型的徑流量較增加型分別增加8.89%、77.60%和193.62%，相應的侵蝕量分別增加?27.05%、92.59%和238.89%。

2.2 雨強發(fā)生時序?qū)搅骱颓治g量的影響

為進一步探討雨型間徑流和侵蝕量的差異，對比分析了雨型中給定雨強不同發(fā)生時序下的徑流量、侵蝕量及其對總侵蝕量的貢獻率。由表3可知，徑流量和其對徑流總量的貢獻率（徑流貢獻率）隨雨型中給定雨強發(fā)生時序的延遲而不斷增加。30 mm/h雨強下，中間和結(jié)束階段（增加-減弱型）的徑流量較起始階段分別顯著增加78.33和113.78倍，相應的貢獻率分別增加64.21和78.11倍；60 mm/h雨強下，中間階段（減弱型）的徑流量和貢獻率分別比起始階段(減弱-增加型)顯著增加4.41和3.80倍；90 mm/h雨強下，與起始階段相比，中間和結(jié)束階段（增加型）的徑流量分別顯著增加1.34和1.19倍，相應的貢獻率分別增加1.21和2.08倍。表明，雨強越小，發(fā)生時序?qū)Ξa(chǎn)流的影響越大，即時序效應越明顯。這主要與結(jié)皮的形成和土壤入滲能力有關(guān)。進一步發(fā)現(xiàn)，給定雨強同一發(fā)生時序下，不同雨型該雨強發(fā)生時序下的徑流量和貢獻率仍均存在明顯差異。30 mm/h雨強結(jié)束階段下，增加-減弱型的徑流量和貢獻率分別是減弱型的1.51和1.43倍；60 mm/h雨強中間階段下，減弱型的徑流量和貢獻率較增加型分別增加2.81和2.00倍；90 mm/h雨強結(jié)束階段下，與減弱-增加型相比，增加型的徑流量和貢獻率分別增加1.01和1.26倍。然而，以往在平坡開展的研究認為雨強發(fā)生時序?qū)搅髁亢蛷搅髫暙I率的影響不顯著[9,25]。

表3 雨強不同發(fā)生時序下的徑流量、侵蝕量和貢獻率

雨強發(fā)生時序?qū)Ξa(chǎn)沙的影響效應明顯不同于對徑流的影響。單位徑流侵蝕量隨雨型中給定雨強發(fā)生時序的推遲而減小，而其貢獻率呈相反趨勢。30 mm/h雨強下，起始和中間階段的單位徑流侵蝕量較結(jié)束階段（減弱型）分別增加3.71倍和93.87%，相應的貢獻率分別減小93.81%和?89.32%；60 mm/h雨強下，起始階段(減弱-增加型)的單位徑流侵蝕量較中間階段（減弱型）增加50.74%，貢獻率減少73.93%；90 mm/h雨強下，與結(jié)束階段（增加型）相比，起始和中間階段的單位徑流侵蝕量分別增加9.13%和22.62%，相應的貢獻率分別減少51.78%和8.43%。進一步分析發(fā)現(xiàn)，雨型間給定雨強同一發(fā)生時序下的單位徑流侵蝕量和侵蝕貢獻率均差異顯著。30 mm/h雨強結(jié)束階段下，增加-減弱型的單位徑流侵蝕量和侵蝕貢獻率比減弱型增加29.90%和41.81%；60 mm/h雨強中間階段下，減弱型的單位徑流侵蝕量和侵蝕貢獻率較增加型分別增加-32.25%和84.14%；90 mm/h雨強結(jié)束階段下，與減弱-增加型相比，增加型的單位徑流侵蝕量和侵蝕貢獻率分別增加15.76%和29.35%。

2.3 不同雨型下徑流與侵蝕量之間的關(guān)系

4個雨型下，細溝間和細溝侵蝕階段的產(chǎn)沙率均隨徑流率的增加大體上呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢（圖3a-d），但增大的動態(tài)變化幅度不同。利用線性、指數(shù)和冪函數(shù)對不同雨型下細溝間和細溝階段產(chǎn)沙率和徑流率之間的關(guān)系進行模擬。發(fā)現(xiàn)，對于給定的雨型，冪函數(shù)方程的決定系數(shù)都在0.67以上，表明模擬方程達到了適用性的要求[26]。說明，侵蝕階段內(nèi)產(chǎn)沙率與徑流率之間符合冪函數(shù)關(guān)系，這與以往在平坡開展的研究結(jié)果一致[27-29]。然而，雨型間冪函數(shù)方程中的指數(shù)存在明顯差異。細溝間階段，增加型、增加-減弱和減弱-增加型雨型下的指數(shù)較減弱型分別增加20.73%、58.54%和71.95%。細溝階段，與增加型相比，減弱型、增加-減弱和減弱-增加型下的指數(shù)分別增加2.46、2.52和1.46倍。可見，細溝階段雨型間的產(chǎn)沙動力機制差異更明顯。

圖3 產(chǎn)沙率與徑流率之間的關(guān)系

進一步分析發(fā)現(xiàn)，給定雨型下，冪函數(shù)方程中的指數(shù)變化與侵蝕階段密切相關(guān)。減弱型和增加-減弱雨型下，細溝階段冪函數(shù)方程中的指數(shù)均高于細溝間階段。與細溝間階段相比，減弱型和增加-減弱雨型細溝階段的方程指數(shù)分別增加128.05%和46.15%。說明，細溝發(fā)生后徑流的搬運能力急劇增加。然而，增加和減弱-增加型下細溝階段的指數(shù)較細溝間階段分別減小了45.45%和5.67%，這可能是該雨型下細溝發(fā)生后壟作坡面的匯水路徑與匯水區(qū)的動態(tài)變化導致被分離的土壤部分被阻擋攜帶輸出，也許是細溝發(fā)生后沉積在壟溝內(nèi)物質(zhì)的傾瀉阻礙了徑流和分離物質(zhì)的前行。

3 討 論

自然降雨中，變雨強是一種常見現(xiàn)象。然而，針對變雨強組合（雨型）對坡面侵蝕過程影響的研究嚴重不足，尤其是橫坡壟作系統(tǒng)下。本文的研究發(fā)現(xiàn)橫坡壟作系統(tǒng)下，4種雨型（增加、減弱型、增加-減弱和減弱-增加型）間的徑流量和侵蝕量存在顯著差異，且雨型中給定雨強不同發(fā)生時序下的侵蝕特征明顯不同。這可能與土壤可蝕性和產(chǎn)沙過程有關(guān)。

隨降雨進行，土壤表面結(jié)皮程度和土壤結(jié)構(gòu)的劇烈變化將導致土壤可蝕性發(fā)生明顯改變[30-31]。前期研究表明，土壤可蝕性值隨降雨進行逐漸增加，達到最大值后逐漸趨向平穩(wěn)[3]。而雨強在一定程度上決定了土壤結(jié)皮和土壤結(jié)構(gòu)的變化幅度[32]。說明降雨過程中雨型中給定雨強不同發(fā)生時序下的土壤可蝕性可能存在較大差異。即土壤可蝕性會隨雨型的改變而發(fā)生明顯變化[33]。而徑流的搬運能力和土壤的分離能力與土壤可蝕性緊密相關(guān)[34]。因此，土壤可蝕性的不同可能是雨型間和給定雨強不同發(fā)生時序下徑流和侵蝕量差異的主要原因。

為進一步探討雨型間侵蝕過程的差異，分析了侵蝕階段內(nèi)含沙量的動態(tài)變化，以便明確雨型間的產(chǎn)沙過程是否發(fā)生了改變。增加型下，細溝間階段含沙量隨降雨進行呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢，而細溝階段其表現(xiàn)為急劇增加后降低并最終趨于平穩(wěn)（圖4a）。且降雨后壟溝內(nèi)仍存在較多匯集的雨水（圖2b）。說明該雨型下降雨過程中土壤顆粒的分離量在很大程度上決定了產(chǎn)沙的多少。減弱型和增加-減弱雨型下，細溝間階段含沙量隨降雨進行呈急劇增加達到極值后迅速下降，而細溝階段表現(xiàn)為逐漸下降的趨勢（圖4b、圖4c）。說明這2種雨型下降雨前期產(chǎn)沙主要取決于徑流的特性，而后期主要受制于搬運物質(zhì)量的多少。降雨后，減弱型下壟溝內(nèi)存在的大量雨水（圖2c）；增加-減弱型下出現(xiàn)很窄、較深的溝道（圖2d）。這進一步說明，2種雨型下侵蝕階段內(nèi)土壤顆粒分離量在很大程度上決定了產(chǎn)沙強度。減弱-增加雨型下，細溝間和細溝階段，隨降雨時間的延長含沙量均呈逐漸增加到極值后急劇降低并最終趨于平穩(wěn)的趨勢（圖4d）。而雨后該雨型下壟溝內(nèi)存在大量匯集的雨水且坡面存在兩條匯水路徑（圖2e）。說明減弱-增加雨型下侵蝕階段內(nèi)土壤顆粒分離量和徑流特性對產(chǎn)沙強度的影響呈動態(tài)變化。進一步分析發(fā)現(xiàn)，不同雨型下細溝出現(xiàn)的時間存在較大差異（圖4）。增加型下細溝在50.45 s時發(fā)生，減弱型、增加-減弱型和減弱-增加型下細溝產(chǎn)生的時間較增加型分別縮短了13.37、27.01和12.28 s。可見，降雨過程中不同雨型下的產(chǎn)沙過程存在較大差異。

圖4 不同雨型下含沙量隨降雨歷時的變化

雨型間土壤可蝕性的差異和產(chǎn)沙過程的改變，將導致徑流與侵蝕量之間關(guān)系的變化。雖然不同雨型下細溝間和細溝階段徑流率與侵蝕速率間均符合冪函數(shù)關(guān)系，但是雨型間冪函數(shù)方程的指數(shù)存在明顯差異。這主要是由于雨型間細溝發(fā)生的時間（圖4）和細溝特征不同（圖2），因為細溝發(fā)生時大量泥沙物質(zhì)的輸出與溝道的形態(tài)密切相關(guān)[30]。另外，土壤的入滲與坡面侵蝕狀態(tài)緊密相關(guān)，這將影響徑流的搬運能力。以往在平坡開展的研究認為侵蝕量與徑流量符合的冪函數(shù)關(guān)系方程中的指數(shù)確定為2[35]。然而，本研究中冪函數(shù)方程中的指數(shù)均低于2。導致這種現(xiàn)象的原因：1）壟向坡度的存在導致雨水和來自上坡的泥沙在位置較低的壟溝內(nèi)匯集；2）壟溝削弱了徑流的流速；3）細溝發(fā)生后沉積在壟溝內(nèi)的物質(zhì)會阻礙分離顆粒的輸出或填充溝道。

4 結(jié) 論

基于橫坡壟作系統(tǒng)，利用同時可調(diào)節(jié)壟向和坡面坡度的土槽進行模擬降雨，定量研究了4種雨型（增加、減弱型、增加-減弱和減弱-增加型）下的產(chǎn)流和產(chǎn)沙特征，結(jié)論如下：

1）細溝間和細溝侵蝕階段，雨型間的徑流量和侵蝕量均存在顯著差異，而差異在細溝階段體現(xiàn)的更為明顯。增加-減弱型、減弱型和減弱-增加型的總徑流量比增加型分別增加49.41%、40.91%和25.22%。與增加型相比，增加-減弱型、減弱-增加型和減弱型的總侵蝕量分別增加43.03%、10.30%和3.03%。

2）雨型中的給定雨強下的徑流量、徑流貢獻率和侵蝕量貢獻率均隨該雨強發(fā)生時序的延遲而增加，但單位徑流侵蝕量呈相反趨勢，且這種效應在小雨強(30mm/h)下體現(xiàn)的更為明顯；雨型間給定雨強同一發(fā)生時序下的徑流量和侵蝕量及其它們的貢獻率均存在顯著差異。

3）細溝間和細溝侵蝕階段內(nèi)，產(chǎn)沙率與徑流率之間均符合冪函數(shù)關(guān)系，但雨型間冪函數(shù)方程中的指數(shù)差異明顯。

4）侵蝕階段內(nèi)，土壤可蝕性和產(chǎn)沙過程的變化是導致雨型間侵蝕特征改變的主要原因。

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Effects of rainfall patterns on hillslope soil erosion process of cinnamon soil in contour ridge system

An Juan, Yu Yan, Wu Yuanzhi

(276005,)

Varying of rainfall intensity during rainfall events is a common phenomenon, and soil erosion processes are strongly affected by intra-storm variations in rainfall characteristics. In general, the combination of rainfall intensities in the rainfall process can be regarded as the storm pattern. In agricultural fields, the influence of storm patterns on erosion processes is largely related to tillage treatments. Contour ridging is an effective soil conservation practice and is used throughout the world. However, less information is available regarding the effect of storm pattern on soil erosion processes in a contour ridge system. In this study, the rainfall simulation experiment was conducted to determine the characteristics of runoff and sediment yielding during inter-rill and rill erosion stages under 4 storm patterns (the rising, falling, rising-falling, and falling-rising patterns) for cinnamon soil in a contour ridge system. And the ridge direction and field slope could be simultaneously changed in the experimental plot. Each storm pattern included 3 rainfall intensities, i.e. 30, 60 and 90 mm/h, which respectively lasted for 20 min during rainfall and comprised the same total rainfall amount and kinetic energy. Results showed that not only the total runoff but also sediment yield exhibited significant differences among storm patterns during both inter-rill erosion and rill erosion stages. Runoff for varied storm patterns was ranked in the following order: falling-rising > falling > rising-falling > rising pattern, but the difference in sediment yield showed a sequence of falling-rising > rising-falling > falling > rising pattern. Runoff from the falling-rising, falling, and rising-falling patterns increased by 1.49, 1.41, and 1.25 times, respectively, compared to that from the rising pattern, while the corresponding increase ratio of sediment yield was 43.03%, 3.30%, and 10.03%, respectively. However, the differences were more pronounced during the rill erosion stage. Compared with the rising pattern, runoff and sediment yield from the falling, falling-rising patterns and rising-falling during this stage increased by 8.89% and -27.05%, 77.60% and 92.59%, 193.62% and 238.89%, respectively. For a given rainfall intensity, runoff, runoff contribution rate, and sediment yield contribution rate gradually increased with the delay of rainfall intensity occurring sequence during the rainfall, while sediment yield by unit runoff presented the opposite tendency. Even at the same occurring stage of a given rainfall intensity, runoff, sediment yield, and their contribution rates were significantly different among different storm patterns, while the influence of occurring sequence for a given rainfall intensity on soil erosion process was the most obvious under 30 mm/h rainfall intensity. Power function fitted the relationship between runoff rate and sediment yield rate for both inter-rill erosion and rill erosion stages, but the exponent was lower than 2. However, there was obvious difference in the exponent of power function among storm patterns, especially in the rill erosion stage. The exponent of power function from the falling, rising-falling, and falling-rising patterns during the rill erosion stage increased by 2.46, 2.52 and 1.46 times, respectively, compared to that from the rising pattern. This indicated that storm pattern greatly affected runoff and sediment yield, especially during the rill erosion stage. This is mainly because soil erodibility and sediment production process varied with the change of storm pattern. So, the effect of storm pattern should be considered when developing soil erosion models. These findings are helpful to deeply understand erosion mechanism in a contour ridge system and supply guidance for implementing contour ridge systems.

soils; erosion; runoff; contour ridge system; cinnamon soil; simulated rainfall; rainfall pattern

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.24.020

S157

A

1002-6819(2017)-24-0150-07

2017-06-27

2017-11-03

國家自然科學基金青年項目（41301292）；國家級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目（201610452018）。

安 娟，博士，講師，主要從事土壤侵蝕過程與機理研究。Email：anjuan0715@126.com

安 娟，于 妍，吳元芝. 降雨類型對褐土橫壟坡面土壤侵蝕過程的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2017，33(24)：150－156. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.24.020 http://www.tcsae.org

An Juan, Yu Yan, Wu Yuanzhi. Effects of rainfall patterns on hillslope soil erosion process of cinnamon soil in contour ridge system[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(24): 150－156. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.24.020 http://www.tcsae.org