左小鋒，鄭粉莉，張加瓊，王一菲，桑琦明，張勛昌

（1. 西北農(nóng)林科技大學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. 中國科學院水利部水土保持研究所，楊凌 712100；3. 北京師范大學地理科學學部地表過程與資源生態(tài)國家重點實驗室/防沙治沙教育部工程研究中心，北京100875；4. 美國農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)研究局牧草地實驗室，俄克拉荷馬厄爾雷諾 73036）

0 引 言

土壤侵蝕導致的生態(tài)退化是全球性的環(huán)境問題之一。近幾十年來，國內(nèi)外學者致力于土壤侵蝕科學研究，在土壤侵蝕類型與空間分布、水蝕和風蝕過程與機理及影響因素、侵蝕預報模型以及土壤侵蝕環(huán)境效應(yīng)評價等方面取得了卓有成效的研究成果[1-3]；但多種侵蝕營力作用下的復合侵蝕研究相對較少。區(qū)域特殊的地理環(huán)境特征，決定了多種侵蝕外營力（水力、風力、凍融和重力）在時空分布、能量供給、物質(zhì)來源等方面相互耦合而形成復合、交替或交互作用的復雜關(guān)系[4]，進而引發(fā)了嚴重的生態(tài)環(huán)境問題。因此，關(guān)于多營力耦合作用的土壤復合侵蝕研究是目前國內(nèi)外學者面臨的重大研究課題?，F(xiàn)有的研究根據(jù)復合侵蝕的主導動力因子將復合侵蝕劃分為風蝕與水蝕[5]、凍融與風蝕[6]、凍融與水蝕（包括融雪侵蝕和降雨侵蝕）[7]、水蝕與重力侵蝕[8]、耕作侵蝕與水蝕[9]以及凍融-風蝕-水蝕[10]等兩個及兩個以上侵蝕營力作用的多種復合侵蝕類型。與其他類型的復合侵蝕相比，風力水力復合侵蝕分布范圍較廣，侵蝕強度較高，研究和治理也較為薄弱。在中國甚至形成了一條由東北向西南分布的風蝕水蝕交錯帶，強烈的風水復合侵蝕導致這些區(qū)域生態(tài)環(huán)境更加脆弱，故而其也被作為熱點研究領(lǐng)域和前沿科學問題而備受學界關(guān)注[11]。

近年來，國內(nèi)外學者圍繞風水復合侵蝕的區(qū)域劃分、時空變化、侵蝕特征、機理與過程等問題開展了一系列研究工作，也獲得了重要研究成果[12-15]，然而依然存在諸多不足。風水復合侵蝕是風蝕和水蝕相互作用的結(jié)果，以往的研究多關(guān)注前期風蝕對后期水蝕的影響，且大多強調(diào)風力對水力產(chǎn)生的正向交互效應(yīng)[14,16]，而忽略了前期降雨產(chǎn)生的水蝕對土壤風蝕的影響。加上風水復合侵蝕的復雜性，在野外無法正常開展，從而影響風水復合侵蝕機理和過程的深入研究。盡管以往在水蝕對風蝕是否產(chǎn)生抑制效應(yīng)方面進行了相關(guān)探討，例如，張慶印等[17]認為降雨產(chǎn)生的水蝕溝寬度和密度的增加對風蝕量產(chǎn)生了正向影響，水蝕溝在一定深度范圍內(nèi)（4～8 cm），其風蝕量隨著溝深增加而增加；Singer等[18]從土壤性質(zhì)的角度分析了土壤結(jié)皮對風蝕和水蝕的不同響應(yīng)，認為前期水蝕作用產(chǎn)生的土壤結(jié)皮會增加土壤強度，從而減小風蝕。但Zhang等[19]的研究結(jié)果表明，水蝕改變了地表微地形（如細溝發(fā)生），導致在一定范圍內(nèi)風蝕產(chǎn)沙量與細溝寬度和密度呈正相關(guān)關(guān)系；然而，由于風水復合侵蝕的環(huán)境因子和不同時段主導侵蝕力的差異性，導致風力水力交替侵蝕研究結(jié)果差異較大，且前期水蝕作用影響土壤風蝕的過程和機理研究尚不清楚。

東北黑土區(qū)常年遭受多種外營力（凍融、水力、風力等）耦合作用的復合侵蝕影響，其中，水力風力復合侵蝕在黑土區(qū)復合侵蝕中占有重要地位。近年來，雖然諸多學者針對黑土區(qū)復合土壤侵蝕特征和侵蝕防治分區(qū)等方面開展了研究，也取得了重要進展[16,20-22]，但風水復合侵蝕過程和機理研究仍相對薄弱，且當前研究較少關(guān)注前期坡面水蝕作用對土壤風蝕的影響，從而導致復雜侵蝕環(huán)境下的土壤侵蝕過程及相應(yīng)機制尚不明晰，嚴重制約了黑土區(qū)土壤侵蝕防治措施的精準實施。為此，本研究基于模擬降雨試驗和風洞試驗，結(jié)合土壤力學性質(zhì)測定等方法，以前期無降雨僅風蝕試驗處理為對照，研究典型薄層黑土區(qū)前期坡面水蝕作用對土壤風蝕的影響，通過明晰不同降雨強度的水蝕作用對土壤風蝕的影響效應(yīng)，進一步揭示水力風力疊加作用對土壤風蝕的影響機理，以期為實現(xiàn)黑土區(qū)復合侵蝕阻控和地力維持雙目標的黑土資源可持續(xù)利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試土壤選取東北典型薄層黑土區(qū)（黑土層厚度小于30 cm）黑 龍 江 省 賓 州 河 流 域（127°25′36″E，45°45′22″N）坡耕地20 cm的耕層土壤。采用吸管法測得土壤各粒級質(zhì)量百分比分別為：砂粒（50～<2 000μm）9.3%，粉粒（2～<50μm）61.3%和黏粒（<2μm）29.4%，土壤質(zhì)地為粉黏壤。耕層土壤容重為1.20 g/cm3，pH值為6.1（水浸提法，水土質(zhì)量比2.5∶1），有機質(zhì)含量為20.25 g/kg（重鉻酸鉀氧化-外加熱法）。

模擬降雨試驗裝置采用側(cè)噴式人工模擬降雨機（圖 1a），降雨前可調(diào)試降雨機噴頭內(nèi)孔板直徑大小和降雨機上的閥門控制供水壓力來調(diào)節(jié)降雨強度（雨強變化范圍為30～230 mm/h），并通過調(diào)整降雨機的位置確定有效降雨區(qū)。雨滴降落高度為6.5 m（降雨機支架高度為5 m，雨滴上噴高度為1.5 m）。有效降雨面積大于16 m2，降雨均勻度大于85%[23]，且能夠較好地反映天然降雨的雨滴終速和雨滴動能。模擬試驗所用的試驗土槽為長100 cm、寬50 cm、高15 cm規(guī)格的自制風蝕、水蝕兩用型鋼槽，由槽體（10 cm）以及槽身兩側(cè)和后端用合頁連接的鋼板（5 cm）組成，前端可安裝集流槽（圖1b），在進行模擬試驗時可根據(jù)實際需要進行組裝。

模擬風蝕試驗時采用的設(shè)備為自動控制風速的直流吹氣式風洞（24.0 m×1.0 m×1.2 m）（圖2a），由動力段、調(diào)節(jié)段、整流段、試驗段、集沙段和導流段組成了風洞主體部分，并配備皮托管風速廓線儀、平口式多層集沙儀和電子天平等輔助設(shè)備（圖2b）。試驗過程主要在試驗段完成，風速可調(diào)范圍為0～17 m/s，風洞內(nèi)截面風速具有較好的均勻性。

1.2 試驗設(shè)計

根據(jù)該地區(qū)特殊的氣候條件和“漫川漫崗”等地理環(huán)境特征[24]，結(jié)合課題組多年的野外觀測數(shù)據(jù)，本研究先進行前期的模擬降雨試驗，在此基礎(chǔ)上，待試驗土槽表面土壤自然風干后再進行風洞試驗，從而模擬野外自然條件下晚春早夏季節(jié)發(fā)生的土壤表面先水蝕后風蝕的水蝕風蝕的疊加作用。同時，以無前期降雨的風蝕處理結(jié)果作為對照，分析前期坡面水蝕作用對土壤風蝕的影響效應(yīng)。根據(jù)以往對東北黑土區(qū)侵蝕性降雨標準調(diào)查[25-26]和野外現(xiàn)場觀測結(jié)果，填裝試驗土槽設(shè)計土壤容重為1.20 g/cm3，基于黑土區(qū)坡耕地地表坡度多介于1°～7°，故模擬降雨試驗中設(shè)計地表坡度為3°，降雨強度為50和100 mm/h（即0.83、1.67 mm/min），每場降雨歷時45 min。風洞試驗的風速根據(jù)東北黑土區(qū)臨界起沙風速（8 m/s）和極端瞬時最大風速（30 m/s），設(shè)計3個試驗風速（9、12、15 m/s），風蝕試驗時間為20 min。

1.3 試驗過程

1）填裝試驗土槽。根據(jù)課題組對東北典型薄層黑土區(qū)賓州河流域土壤流失厚度野外調(diào)查、觀測和試驗研究結(jié)果[27]，本試驗采用深度為10 cm的土槽裝填試驗土壤（試驗土槽底部2 cm細沙層，上部8 cm土層），可以滿足試驗要求。填裝試驗土壤前，在底部鉆有排水孔的土槽下層先填裝2 cm厚的細沙作為透水層，并覆蓋紗布。然后根據(jù)測定的試驗土壤含水率和試驗設(shè)計的土壤容重（1.20 g/cm3）計算填土所需的土壤質(zhì)量，再進行分層填土。先填裝細沙層上部4 cm土層，將其表層刮毛后再裝填另外4 cm土層，填土過程中還需壓實試驗土槽邊壁周圍土壤，以此保證填土的均勻性和整體性，同時減少邊界效應(yīng)的影響。此外，本研究每完成1次完整試驗后均要對試驗土槽重新填土，以保證試驗數(shù)據(jù)的重復性和可靠性。

2）模擬降雨試驗。試驗土槽填裝好后先移動至降雨區(qū)進行模擬降雨試驗。在調(diào)整好試驗土槽和降雨機的位置后，進行降雨強度的率定，從而保證每次降雨過程中的降雨均勻度能達到試驗要求。正式降雨開始后觀察坡面徑流侵蝕情況，待坡面產(chǎn)流后記錄產(chǎn)流時間，并接取第一個徑流泥沙樣，隨后每隔3 min收集1次。降雨結(jié)束后，稱取徑流泥沙樣質(zhì)量，待泥沙完全沉降后倒掉上層清液，置于105 ℃的干燥箱中烘干，用0.01 g精度的電子天平稱取烘干后的泥沙質(zhì)量并計算。

3）風洞試驗。模擬降雨試驗結(jié)束后，待試驗土槽的土壤自然風干至表層土壤含水率約5.14%（風干土含水率）時，再進行風水同向（坡面徑流方向與風向相同）的風洞試驗。試驗前先將試驗土槽前端的集流槽拆卸，然后向下翻折與試驗土槽槽體上部連接的鋼板，以確保試驗土槽表面土壤與風洞底板在同一高度。正式試驗的風速以試驗段軸心高度600 mm處的風速為基準，并利用其他高度（距試驗土槽表面向上依次為10、30、50、80、100、120、160、200 mm）皮托管測定的結(jié)果繪制風速廓線。每個風速（9、12和15 m/s）下吹蝕20 min。用精度為1 g的電子天平對試驗前后的試驗土槽分別進行稱量，通過對比前后質(zhì)量差值來計算土壤風蝕量。同時在試驗土槽后端10 cm的位置（風洞集沙段）安裝多層集沙儀，開口正對風的來向，收集不同高度的風蝕顆粒。待試驗結(jié)束后裝入塑封袋，用0.000 1 g精度的電子天平稱量并進行相應(yīng)計算。

1.4 數(shù)據(jù)處理

1.4.1 空氣動力學粗糙度和摩阻風速計算

空氣動力學粗糙度z0是描述地表對氣流阻抗的重要參數(shù)，可以通過風速廓線擬合計算獲得。在風洞中進行試驗時，其流場接近中性大氣邊界層，風速廓線一般滿足如下公式：

式中uz為高度z處的風速，m/s；u*為摩阻風速，m/s；k為馮·卡曼常數(shù)，通常取值為0.4。

通過試驗土槽表面不同高度的風速進行曲線擬合得到風速廓線，其結(jié)果滿足對數(shù)分布律，擬合關(guān)系式為[28]

式中A、B為回歸系數(shù)。

當uz=0時，可以得到空氣動力學粗糙度z0：

摩阻風速u*是描述氣流層之間剪切作用的物理量，根據(jù)（2）式和（3）式得到摩阻風速的計算公式為

1.4.2 土壤風蝕速率及抗風蝕效率計算

土壤風蝕速率是指單位時間、單位面積的吹蝕量，可用式（5）計算。

式中W表示風蝕前后試驗土槽（包括試驗土壤）的質(zhì)量之差，g；S表示試驗土槽的面積，m2；T表示吹蝕時間，min。

前期坡面水蝕作用對地表抗風蝕效率計算公式[29]為

式中ΔR為前期坡面水蝕作用對地表的抗風蝕效率，%；Ri和R0分別為前期不同降雨強度的水蝕作用下和僅風蝕試驗處理下的土壤風蝕速率，g/(m2·min)。

1.4.3 土壤抗剪強度測定

采用型號為GEONOR7189的十字板剪切儀分別測定了有、無前期坡面水蝕作用的地表土壤抗剪強度。土壤抗剪強度的計算公式[30]如下：

式中τf為土壤的抗剪強度，kPa；M為十字板剪切讀數(shù)，kPa；D為十字板的寬度，即圓柱土體的直徑，mm；H為十字板的高度，mm，本研究中H/D=2。

1.4.4 土壤緊實度測定

在試驗土槽中按照“S”型選定9個點，采用型號為Spectrum SC 900的土壤緊實度儀，分別測定有、無前期坡面水蝕作用的地表土壤緊實度。

2 結(jié)果與分析

2.1 前期坡面水蝕作用對地表粗糙度和力學特性的影響

由表1可知，對于僅風蝕試驗（I）、先50 mm/h降雨強度試驗再風蝕試驗（II）、先100 mm/h降雨強度試驗再風蝕試驗（III）3個試驗處理，其空氣動力學粗糙度分別為0.030 4、0.007 8和0.004 4 cm，摩阻風速分別為0.67、0.59和0.46 m/s，表明前期坡面水蝕作用使得地表粗糙度和摩阻風速有所減小，且隨降雨強度的增加，地表粗糙度和摩阻風速減小幅度增加。因此，從空氣動力學的角度，說明前期坡面水蝕作用減弱了地表的抗風蝕性。此外，通過對比不同試驗處理下的地表侵蝕情況的變化（圖3），發(fā)現(xiàn)在僅風蝕試驗處理下，大部分土壤細顆粒被吹蝕，地表出現(xiàn)了明顯的粗化現(xiàn)象；土壤表面經(jīng)過前期50 mm/h降雨強度的坡面水蝕作用后，地表出現(xiàn)了物理結(jié)皮，但仍有部分細顆粒附著在地表；而土壤表面經(jīng)過前期100 mm/h降雨強度的水蝕作用后，地表形成了明顯光滑致密的結(jié)皮，僅有少量的土壤顆粒存在。由此可知，盡管前期坡面水蝕作用降低了地表粗糙度，且隨降雨強度增加而減小愈明顯，但前期坡面水蝕作用使地表大量土壤顆粒分散并隨地表徑流流失，從而減少了后期土壤風蝕的物質(zhì)來源。

表1 不同試驗處理下土壤風蝕的風速廓線方程Table 1 Wind speed profile equation of soil wind erosion in different experimental treatment

不同試驗處理下的地表抗剪強度和土壤緊實度見表 2，前期坡面水蝕作用增加了地表的土壤抗剪強度和土壤緊實度，結(jié)皮厚度也有所增加。在50和100 mm/h兩個降雨強度的前期坡面水蝕作用下，地表土壤抗剪強度分別為僅風蝕試驗處理的1.3和1.8倍，土壤緊實度分別為僅風蝕試驗處理的4.4和7.2倍，且前期坡面水蝕過程中降雨強度越大，地表土壤抗剪強度和土壤緊實度越大，土壤結(jié)皮厚度也越大。其中，100 mm/h降雨強度處理下的土壤抗剪強度和土壤緊實度分別為50 mm/h降雨強度處理下的1.4和1.6倍。說明前期降雨過程增加了表層土壤的強度，二者的增加進一步說明前期不同降雨強度的坡面水蝕作用在對土壤壓實過程中形成的物理結(jié)皮增加了土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，提高了地表的抗風蝕能力。

表2 不同試驗處理下地表土壤抗剪強度、土壤緊實度對比Table 2 Comparison of surface soil shear strength and soil compaction in different experimental treatments kPa

2.2 前期坡面水蝕作用對土壤風蝕特征的影響

2.2.1 前期坡面水蝕作用對土壤風蝕量的影響

前期不同試驗處理下的土壤風蝕量變化表明（表3），前期坡面水蝕作用對土壤風蝕產(chǎn)生了明顯的抗風蝕作用。不同試驗處理中土壤風蝕量隨風速的增大均呈現(xiàn)增加的趨勢，而以僅風蝕試驗處理（I）下的土壤風蝕量最大，且隨前期坡面水蝕作用的降雨強度增加，土壤風蝕強度呈下降趨勢。在9、12和15 m/s風速下，僅風蝕試驗處理（I）的土壤風蝕量分別為0.26、2.36和6.84 kg/m2；而3個風速下試驗處理II和III對應(yīng)的土壤風蝕量分別為0.08、0.12、0.26 kg/m2和0.06、0.10、0.16 kg/m2，說明前期坡面水蝕作用產(chǎn)生了明顯的抗風蝕效應(yīng)。其中，與試驗處理I相比（僅風蝕試驗處理），試驗處理II在9、12和15 m/s風速下的土壤抗風蝕效率分別是68.4%、94.9%和96.2%，試驗處理III對應(yīng)3個風速的土壤抗風蝕效率分別為77.2%、95.9%和97.6%；且隨前期坡面水蝕作用的降雨強度由50 mm/h增加到100 mm/h時，地表抗風蝕效率增加1.1%～12.9%。

表3 不同試驗處理下的土壤風蝕量對比Table 3 Comparison of soil wind erosion amount in different experimental treatments

2.2.2 土壤風蝕強度與降雨強度和風速的關(guān)系

上述結(jié)果表明，對于水力-風力復合侵蝕，前期坡面水蝕作用的降雨強度和風速是影響土壤風蝕的重要因素。風速是發(fā)生風蝕的動力因素，其與風蝕強度呈正相關(guān)關(guān)系；而前期水蝕作用的降雨強度對地表土壤風蝕的影響隨降雨強度的增加明顯減小。為了更好地反映土壤風蝕強度與前期水蝕作用下的降雨強度和風速之間的關(guān)系，通過Matlab R2017b中Surface Fitting Tool進行了相關(guān)性擬合，擬合過程中采用信賴域方法來獲得最優(yōu)經(jīng)驗回歸方程。擬合的三維曲面圖顯示（圖4），降雨強度和風速共同影響土壤風蝕強度，即土壤風蝕強度隨前期坡面水蝕作用中降雨強度的增大而減小，隨風速的增大而增加。其中，與50 mm/h降雨強度試驗相比，前期100 mm/h降雨強度下坡面水蝕作用使土壤風蝕強度減小8.5%～27.7%。與15 m/s風速相比，前期坡面水蝕作用使9、12 m/s風速下的土壤風蝕強度分別減小32.0%～46.2%和55.6%～65.1%。

通過Matlab工具擬合的的回歸方程如下：

式中S為土壤風蝕強度，kg/(m2·h)；I為前期坡面水蝕作用的降雨強度，mm/h；U為后期土壤風蝕作用時的風速，m/s；n為不同試驗處理下的風蝕強度個數(shù)。

由式（5）可知，對于前期僅風蝕試驗處理，土壤風蝕強度隨風速的增加而增大，對于前期水蝕作用后的試驗處理，盡管土壤風蝕強度隨風速的增加有所增大，但增加幅度很小。與風速的動力作用相比，不同降雨強度的水蝕作用對土壤風蝕的抑制效果愈明顯，且在風速一定的條件下，前期水蝕作用的降雨強度愈大，土壤風蝕強度愈小。其原因主要與不同降雨強度條件下的雨滴能量大小造成地表土壤性質(zhì)和地表形態(tài)的差異有關(guān)。

2.3 前期坡面水蝕作用對風蝕輸沙量的影響

從表4可知，不同試驗處理下，風蝕輸沙量和輸沙高度隨風速的增大均有不同程度的增加，且風速越大，輸沙量的增加幅度也越大。與前期無降雨僅風蝕試驗處理相比，前期坡面水蝕作用對土壤風蝕輸沙量和輸沙高度產(chǎn)生了較大影響，前期不同降雨強度水蝕作用使土壤風蝕輸沙量和輸沙高度明顯降低。其中，在前期無降雨僅風蝕試驗處理下，9、12、15 m/s風速下的風蝕輸沙量分別為0.41、5.10和22.24 g/m2，輸沙高度基本在40 cm以下，且大部分輸沙量主要集中在距地表20 cm的高度范圍內(nèi)。與無前期坡面水蝕作用相比，50 和100 mm/h降雨強度的前期水蝕作用使3個風速下的風蝕輸沙量分別減小15.4%、89.4%、96.1%和27.8%、93.3%、96.2%，對應(yīng)的風蝕輸沙高度分別減小8～12和14～16 cm，說明前期坡面水蝕作用可以有效抑制土壤風蝕過程。表4還表明，前期坡面水蝕作用使風蝕輸沙量隨降雨強度的增加而減少；與50 mm/h降雨強度試驗相比，坡面經(jīng)過前期100 mm/h降雨強度的水蝕作用后，3個風速下的土壤風蝕輸沙量分別減小5.1%、13.4%和16.8%。由此說明，前期不同降雨強度的坡面水蝕作用對土壤風蝕過程中風沙流的影響較大，通過增加土壤水分并壓實土壤結(jié)構(gòu)可以削弱或抑制風沙流強度。

表4 不同試驗處理下的風蝕輸沙量和輸沙高度對比Table 4 Comparison of wind erosion sediment transport and its height in different experimental treatments

圖5 顯示，不同試驗處理下，距地面各高度的風蝕輸沙量隨風速的增加而增大，而且靠近地表高度的風蝕輸沙量的增加幅度大于其上層高度的風蝕輸沙量。通過輸沙量和地表高度的關(guān)系擬合發(fā)現(xiàn)，不同風速下土壤風蝕過程中輸沙量隨地表高度的變化均呈指數(shù)減小的變化趨勢（表5）。與無降雨僅風蝕試驗處理相比，經(jīng)過前期坡面水蝕作用后，各地表高度的風蝕輸沙量均有所減小，其減少幅度介于11.3%～99.3%之間。圖5還表明，各地表高度風蝕輸沙量對前期坡面水蝕作用中不同降雨強度的響應(yīng)程度也存在差異；其中，100 mm/h降雨強度下不同風速對應(yīng)的各個高度風蝕輸沙量的減小幅度較之50 mm/h降雨強度試驗的減小幅度更大，其減小幅度分別介于15.2%～72.2%、11.3%～53.9%和7.5%～58.7%之間。

表5 不同試驗處理下的風蝕輸沙量隨地表高度變化的曲線擬合方程Table 5 Curve-fitting equation of wind erosion sediment transport with surface height in different experimental treatments

綜上可知，前期坡面水蝕作用對土壤風蝕過程產(chǎn)生了抑制作用，其明顯降低風蝕輸沙量和輸沙高度。這可能是因為前期降雨過程中雨滴打擊和徑流沖刷形成的物理結(jié)皮，以及坡面表層殘留的少量土壤顆粒降低了地表粗糙度，從而減弱了地表土壤顆粒的起跳高度和輸沙量。

3 討 論

本研究中前期坡面水蝕作用對后期土壤風蝕產(chǎn)生了明顯的抗風蝕效應(yīng)，該結(jié)論與Yang等[31]研究結(jié)果一致，其原因主要是前期水蝕作用對坡面表層土壤性質(zhì)和地表形態(tài)的改變，進而影響后期土壤風蝕及其過程。有研究表明，土壤性質(zhì)對風蝕有顯著影響，且細顆粒和有機質(zhì)含量較低的土壤在自然條件下更易被風蝕[32]。不同土壤類型的前期水蝕作用對后期土壤風蝕的抑制效果存在差異[31,33]。本研究中試驗土壤為典型薄層黑土，土壤質(zhì)地為粉黏壤，其黏粒含量和有機質(zhì)含量較高，顆粒之間聚合力較強。在降雨初期的雨滴擊濺過程中，表層土壤團聚體發(fā)生崩解破碎，細顆粒堵塞土壤孔隙而形成致密的結(jié)皮層，此過程在空氣動力學角度表現(xiàn)為空氣動力學粗糙度（z0）和摩阻風速均減?。ū?），且隨前期坡面水蝕作用的降雨強度增加減小愈明顯?？諝鈩恿W粗糙度（z0）是反映土壤表面空氣動力學特征的重要參數(shù)，一般認為z0愈大，則地表對風速的削弱作用愈顯著[28]。但本研究結(jié)果表明，50、100 mm/h降雨強度的前期坡面水蝕作用下，地表土壤抗剪強度和土壤緊實度均有不同程度的增加，且降雨強度越大，土壤抗剪強度和土壤緊實度越大。說明前期降雨過程中雨滴打擊地表以及后期形成徑流對土壤產(chǎn)生了壓實作用，另外，降雨過程中土壤水分與土壤顆粒之間較大的黏聚力增加了土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，從而提高了地表的抗風蝕能力[34]。

降雨過程中降雨強度和地表徑流均是影響地表形態(tài)變化的重要因素，且隨著降雨強度增加，雨滴能量和徑流侵蝕能力皆增大，其對地表形態(tài)的影響也越大。雨滴的擊濺作用破壞土壤表面顆粒，使其分散、分離，同時發(fā)生不同方向的躍遷位移[35]，再加上地表徑流的沖刷，兩種過程均會造成地表形態(tài)的改變，進而影響土壤風蝕。對于僅風蝕試驗處理，風蝕后的土壤表面發(fā)生了明顯粗化（圖3a）。而前期不同降雨強度的坡面水蝕作用后，地表形成了土壤結(jié)皮，其對土壤抵抗風蝕作用有顯著影響。與100 mm/h降雨強度相比，在50 mm/h降雨強度下，由于雨滴動能較小，且徑流搬運能力較弱，大量的土壤顆粒被分散后一部分隨徑流流失，另一部分富集在地表（圖3b），但相較于前期無降雨僅風蝕試驗處理而言，其在不同風速作用下的土壤風蝕量均較小；而100 mm/h降雨強度作用下的坡面在雨滴打擊作用下形成光滑致密的土壤結(jié)皮（圖3c），土壤結(jié)皮的形成不僅影響后續(xù)降雨過程中的土壤入滲，某種程度上將增加地表徑流并導致土壤水蝕加劇。另一方面，降雨形成的土壤結(jié)皮風干后，土壤表面相對穩(wěn)定性增強[36]，地表土壤結(jié)皮強度的增加使得風蝕過程中土壤顆粒在床面跳動時減少了對地表的磨蝕[37]，同時前期坡面水蝕作用后殘留在地表的土壤顆粒明顯減少，在一定程度上減少了后期土壤風蝕的物質(zhì)來源，從而抑制了風蝕的發(fā)生。這也是土壤風蝕量隨前期坡面水蝕作用的降雨強度增加而減少的重要原因，同時也解釋了相對于風速和空氣動力學粗糙度的變化，降雨強度的增加對后期土壤風蝕強度的削弱作用越明顯這一結(jié)論。

另外，在100 mm/h降雨強度試驗處理下，坡面水蝕形式由最初的濺蝕發(fā)展為片蝕，并隨著降雨歷時的增加，在降雨后期逐漸發(fā)育出現(xiàn)細溝雛形，進而發(fā)展成為細溝侵蝕，導致地表粗糙度明顯增加，使前期坡面水蝕作用對后期土壤風蝕作用的抑制程度增大，進而使后期風蝕過程中土壤風蝕量減少。相關(guān)研究表明[38]，坡面水蝕演變?yōu)榧殰锨治g后，在進一步的風蝕過程會產(chǎn)生“狹管效應(yīng)”，從而加劇風蝕，這一結(jié)果有待于進一步深入研究。

4 結(jié) 論

前期不同降雨強度的坡面水蝕作用后的土壤風蝕量明顯減小，其對地表產(chǎn)生了抗風蝕效應(yīng)，其中，在50和100 mm/h降雨強度試驗處理下，不同風速作用下的抗風蝕效率分別為68.4%～96.2%和77.2%～97.6%，且隨降雨強度增加，其抗風蝕效率越大。土壤風蝕強度受前期坡面水蝕作用中降雨強度和風速的綜合影響，土壤風蝕強度隨降雨強度的增大而減少，隨風速的增大而增加。但降雨強度的增加對土壤風蝕的抑制效果愈明顯。

前期坡面水蝕作用對土壤風蝕過程有重要影響。前期坡面水蝕作用后的土壤風蝕輸沙量和輸沙高度均有所減小。其中，在9、12 和15 m/s 風速的風蝕作用下，50和100 mm/h 降雨強度的前期坡面水蝕作用使得風蝕輸沙量分別減小15.4%、89.4%、96.1%和27.8%、93.3%、96.2%，對應(yīng)的輸沙高度分別減小8～12和14～16 cm。土壤風蝕輸沙量隨前期坡面水蝕作用中降雨強度的增大而減小，而隨地表高度的變化均呈現(xiàn)指數(shù)減小的變化趨勢。

前期不同降雨強度的坡面水蝕作用改變了土壤性質(zhì)和地表形態(tài)，其中，空氣動力學粗糙度減小增加了土壤風蝕的可能性，但降雨形成的土壤結(jié)皮增大了地表土壤抗剪強度和土壤緊實度，導致土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性增加，抗風蝕能力增強；同時，前期坡面水蝕作用減少了地表殘留的土壤顆粒，減少了土壤風蝕的物質(zhì)來源，抑制了土壤風蝕的發(fā)生。