閆夏嬌

（山西省水利水電科學研究院 山西太原 030002）

土壤侵蝕是導致土地資源退化和損失的主要原因，是目前人類生存環(huán)境所面臨的最嚴重的挑戰(zhàn)之一，其會造成土壤有機質(zhì)流失、泥沙淤積和土地退化等，嚴重威脅區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展[1]。作為水土流失的基本單元，坡面主要受降雨和坡度等因素的影響[2]。降雨是坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙最主要的驅(qū)動因子，其強度顯著影響坡面產(chǎn)流量和產(chǎn)沙量[3]。李桂芳等[4]通過模擬降雨試驗研究發(fā)現(xiàn)，雨強從50 mm/h 增加到100 mm/h，黑土坡面侵蝕量增加4.2 倍；坡度從5°增加至10°，黑土坡面侵蝕量增加0.4 倍。而對于區(qū)域性研究，一般認為，降雨強度對土壤流失量的影響程度北方明顯高于南方[5]，尤以西北黃土地區(qū)最為顯著，而降雨量對土壤流失的影響程度南方卻明顯高于北方[6，7]。坡度是地形因子中對坡面土壤侵蝕影響最大的因素，其大小在一定程度上決定著徑流侵蝕與運移能力[8]。許多學者的研究表明[9，10]，在一定的坡度范圍內(nèi)，隨著坡度的增大，坡面徑流量和侵蝕量呈增加的趨勢，坡面坡度達到一定數(shù)值后，侵蝕量反而有減少的趨勢，即存在臨界坡度。許海超等[11]通過分析燕山土石山區(qū)野外定位觀測資料，發(fā)現(xiàn)土壤侵蝕模數(shù)與坡度構(gòu)成指數(shù)函數(shù)關(guān)系（Rz＞0.66），并存在臨界坡度20.42，超過后土壤侵蝕模數(shù)大幅上升。

前人關(guān)于降雨強度和坡度對土壤侵蝕的研究極度豐富了人類對土壤侵蝕的認知，推動了水土保持科學的發(fā)展。然而，目前對于土壤侵蝕的研究多針對自然土壤，而對堿性土研究較少。本研究在現(xiàn)有研究成果的基礎(chǔ)上，通過人工模擬降雨試驗，分析堿性黃土侵蝕過程中的產(chǎn)流產(chǎn)沙規(guī)律，探討堿性土壤侵蝕與降雨和土壤坡度的關(guān)系，研究成果將更好地揭示陜西黃土高原地區(qū)主要影響因子與坡地土壤侵蝕之間的關(guān)系，為黃土高原地區(qū)水土流失治理提供試驗支持。

1 材料與方法

1）試驗材料

試驗土壤為陜西省楊凌地區(qū)黃土，組成為：沙粒（0.02～2 mm）、粉粒（0.002～0.2 mm）、黏粒（≤0.002 mm）占比分別為40%、48%和12%，ESP（表示總的陽離子交換量中鈉離子所占的比例）為25，即為堿性土壤。

2）試驗方案與裝置

本試驗在中科院土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點實驗室進行，人工降雨采用雙向?qū)娛?，由計算機系統(tǒng)控制自動進行，降雨高度設(shè)為14 m。因室內(nèi)試驗受土壤坡度和降雨裝置的影響，試驗雨強無法與天然降雨的實際雨強保持一致，因此，本次試驗分別取50 mm/h 和100 mm/h 兩個降雨強度進行模擬試驗。邊坡坡度依次取5°、15°和25°三個水平，其它試驗因素保持不變，試驗設(shè)計見表1。試驗采用鐵板制作土槽，底部帶孔，規(guī)格為100 cm×60 cm×20 cm，設(shè)3 個重復(fù)。

表1 試驗設(shè)計

3）試驗過程

裝土前在土槽底部鋪粗紡布一層，并在粗紡布上鋪5 cm 厚的粗砂一層，按1.2 g/cm3的密度進行分層填裝，控制層厚2 cm，層量14.4 kg，填裝完畢后進行整平搗實。試驗開始前對土壤進行預(yù)處理，即以20 mm/h的強度進行預(yù)降雨直到土壤坡面開始產(chǎn)流為止。將預(yù)處理后的土壤靜置12 h 后開始做試驗。試驗過程中，每間隔5 min 取1 次渾水徑流樣，并做好相關(guān)記錄，試驗時長為60 min。因本次試驗歷時短且降雨過程中蒸發(fā)相對很小，因此本次試驗中的蒸發(fā)損失忽略不計，坡面降雨量可近似等于徑流量與入滲量之和。

2 試驗結(jié)果

2.1 土壤坡度對坡面產(chǎn)流的影響

同一ESP水平下，不同雨強、不同坡度的徑流量隨降雨歷時的變化見圖1。總體而言，不同雨強、不同坡度的土壤，其徑流量隨降雨歷時的持續(xù)而不斷增長，但其又有各自不同的特點。

當雨強為50 mm/h 時，土壤坡面徑流量隨著坡度的增加而減小。這是因為在雨強較小時，土壤坡面產(chǎn)生的徑流量也很小，雖然坡面流速有隨坡度增加而增大的趨勢，但因其位能較小，水滴對坡面的垂直打擊力減小，相應(yīng)的降雨對坡面土壤的侵蝕動力減弱，因此徑流量也隨著坡度的增加而減小。

當雨強為100 mm/h 時，坡面徑流量隨著坡度的增大先增加后減小。當土壤坡度從5°增加至15°時，坡面徑流量隨坡度的增大而增加，當土壤坡度從15°增加至25°時，徑流量變?yōu)殡S著坡度的增加而減小。這是由于降雨強度的急速增大，導致坡面徑流量開始劇增，隨著水深的增加，單位徑流量位能也逐漸增大，坡面流紊動性增大，水流對坡面的侵蝕作用增強。此時，徑流量會隨著坡度的增大而增加。而當土壤坡度增加至25°時，隨著土壤坡面侵蝕量的持續(xù)增加，土壤中的致密層被徑流破壞，坡面入滲量開始加大，從而導致坡面徑流的減小。

2.2 土壤坡度對坡面入滲量的影響

同一ESP水平下，不同雨強、不同坡度的坡面入滲量隨降雨歷時的變化見圖2。

關(guān)于土壤坡度與水分入滲能力的關(guān)系，目前已有很多學者開展了相關(guān)研究，但受試驗條件與方法的影響，得出結(jié)論并不一致[12-14]。大多數(shù)學者認為隨著土壤坡度的增加，沿坡向水層的沖力加大，而垂直于坡向的壓力減小，導致入滲量隨著坡度的增大而減少；但也有部分研究成果支持坡度和坡面入滲量之間沒有必然聯(lián)系。

圖1 不同雨強、不同坡度下坡面徑流量變化過程

圖2 不同雨強、不同坡度下坡面入滲量變化過程

但是，本實驗的結(jié)果與以往的研究結(jié)果有所不同?？傮w而言，不同雨強、不同坡度的土壤入滲量總體上隨降雨歷時的增加而減弱，最終趨于穩(wěn)定。

當雨強為50 mm/h 時，隨著土壤坡度的增大，入滲量也隨之增加。而當雨強為100 mm/h 時，坡面入滲量隨坡度的增加先減小后增加。具體為表現(xiàn)為：當土壤坡度從5°增加到15°時，土壤坡面入滲量隨坡度的增大而減小，當土壤坡度從15°增加至25°時，土壤坡面入滲量又隨坡度的增大而開始增加。

2.3 土壤坡度對坡面侵蝕量的影響

同一ESP水平下，不同雨強、不同坡度的坡面侵蝕量隨降雨歷時的變化見圖3。

圖3 不同雨強、不同坡度下土壤侵蝕量變化過程

當雨強為50 mm/h 時，三種不同坡度的土壤侵蝕量隨時間的變化規(guī)律相同，即隨著降雨歷時的增加，坡面土壤侵蝕量出現(xiàn)先增加、后減小、再增加的趨勢，且基本按時間均勻分布，即0～20 min 內(nèi)土侵蝕量持續(xù)增加，20～40 min 內(nèi)土壤侵蝕量開始減少，40～60 min內(nèi)土壤侵蝕量又開始增加；在相同時段內(nèi)，當土壤坡度為15°時，土壤坡面侵蝕量要相對大一些，而當土壤坡度為5°和25°時，土壤坡面侵蝕變化規(guī)律基本一致，土壤侵蝕量大致相當；而在相鄰時段內(nèi)，土壤坡度為15°時，土壤坡面侵蝕量的變化率比其它兩個坡度大。

當雨強為100 mm/h 時，隨著降雨歷時的增加，不同坡度的土壤坡面侵蝕量均呈現(xiàn)出先急速減小后趨于穩(wěn)定的趨勢。而在相同時段內(nèi)，當土壤坡度為5°時，土壤坡面侵蝕量要相對小一些，而坡度為25°的坡面比坡度為15°的土壤坡面侵蝕量?。欢傧噜彆r段內(nèi)，土壤坡度為15°和25°的土壤坡面侵蝕量的變化率相近，土壤坡度為5°的侵蝕量變化小于15°和25°的變化。

不同降雨條件下，隨著降雨歷時的增加，土壤坡面侵蝕量隨坡度的增加呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢，其根源為：一方面，隨著坡度的增加，降雨徑流在土壤坡面上停留的時間縮短，水分滲入土壤的機會變小，水流損失相應(yīng)變小，而隨著坡面流速的加大，土壤坡面侵蝕量隨之增強。同時隨著土壤坡度變陡，土壤的穩(wěn)定性開始降低，抗侵蝕能力減弱，兩者共同作用導致了土壤侵蝕強度隨坡度的增大而增加。另一方面，單位坡面投影面積上的受雨面積隨著土壤坡度的增大而增加，使得土壤坡面單位面積的承雨強度降低，受雨量減小，則土壤坡面侵蝕量必然然隨之變小。因此，土壤坡面侵蝕量隨坡度的增加呈現(xiàn)出先增大，當達到臨界坡度后又逐漸減小的趨勢，即存在臨界坡度，但臨界坡度的大小對于不同降雨強度和不同土壤規(guī)律有所不同[15]。

3 結(jié)論

1）不同雨強、不同坡度的土壤徑流量表現(xiàn)不同。當雨強為50 mm/h 時，坡面徑流量隨著土壤坡度的增加而減少；而當雨強為100 mm/h 時，土壤坡面徑流量隨坡度的增加而增大，但當土壤坡度大于15°時，徑流量隨著坡度的增加開始逐漸減小。

2）總體而言，不同雨強、不同坡度的土壤入滲量隨降雨歷時的增加而趨于穩(wěn)定。當雨強度50 mm/h時，土壤坡面入滲率隨坡度增大而增加；而當雨強為100mm/h 時，土壤坡面入滲率隨坡度增大先減小后增加。

3）三種坡度的侵蝕量隨降雨強度不同而不同，當雨強為50 mm/h 時，三種坡度的侵蝕量隨降雨歷時的增加表現(xiàn)為先增加、后減小、再增加的趨勢，其中土壤坡度為15°時表現(xiàn)最為明顯；而當雨強為100 mm/h時，三種坡度都的土壤侵蝕量均呈現(xiàn)出隨降雨歷時的增加先急速減?。?～20 min）后趨于基本穩(wěn)定的狀態(tài)。

4）在一定的坡度范圍內(nèi)，土壤坡度越大，降雨產(chǎn)生的徑流量越大，土壤坡面入滲量及入滲率越小，而在一定坡度內(nèi)，坡面侵蝕量則隨土壤坡度的增大而增加。但當土壤坡度在15°和25°之間時存在拐點，當過了拐點之后，侵蝕量又開始隨著土壤坡度增加而表現(xiàn)出減小的趨勢。

5）通過對不同雨強、不同土壤坡度的土壤侵蝕量對比，得出降雨強度對土壤累計侵蝕量的影響明顯高于坡度，即降雨強度為引起陜西黃土高原地區(qū)坡面土壤侵蝕的主要影響因子。因此，對陜西黃土高原地區(qū)坡面土壤侵蝕的防治，應(yīng)著重控制侵蝕性強降雨、陡坡耕種等對坡面水土流失的影響。