白茹茹， 張加瓊,2， 鄧鑫欣， 李志鳳， 南 瓊

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)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(diǎn)實驗室，陜西 楊凌 712100；2.中國科學(xué)院水利部水土保持研究所，陜西 楊凌 712100；3.西北農(nóng)林科技大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院,陜西 楊凌 712100)

土壤交錯/復(fù)合侵蝕是在水力、風(fēng)力、重力、凍融等多種營力共同或交錯作用下，土壤被破壞、剝離和搬運(yùn)的復(fù)雜過程；交錯/復(fù)合侵蝕過程有著顯著的疊加放大作用，以時間交錯、空間疊加為典型特征的風(fēng)水交錯侵蝕是最為典型的類型之一。風(fēng)水交錯侵蝕主要發(fā)生在生態(tài)環(huán)境較脆弱的干旱與半干旱地區(qū)，該區(qū)域的土壤侵蝕程度較單一風(fēng)蝕或水蝕影響區(qū)域更嚴(yán)重。因此，加強(qiáng)風(fēng)水交錯侵蝕的特征、過程、機(jī)理等研究，有益于干旱與半干旱區(qū)域水土保持的科學(xué)開展。

前人通過野外觀測(小區(qū)法)、室內(nèi)模擬試驗(風(fēng)洞和降雨模擬試驗)、元素示蹤等方法對不同過程的風(fēng)水交錯侵蝕(風(fēng)蝕后水蝕，水蝕后風(fēng)蝕)的速率、風(fēng)蝕和水蝕對總侵蝕的貢獻(xiàn)、風(fēng)力與水力的相互關(guān)系等開展了大量研究，并取得了重要成果。對先水蝕后風(fēng)蝕的交錯侵蝕(水—風(fēng)交錯侵蝕)研究發(fā)現(xiàn)，前期水蝕能抑制后繼風(fēng)蝕，徑流沖刷通過選擇性搬運(yùn)較細(xì)顆粒、地表形成物理結(jié)皮、改變微地貌等方式，減小后繼風(fēng)蝕。對風(fēng)蝕后水蝕的交錯侵蝕(風(fēng)—水交錯侵蝕)研究發(fā)現(xiàn)，前期風(fēng)蝕對后繼水蝕主要為促進(jìn)作用，風(fēng)蝕一方面帶走坡面土壤細(xì)顆粒，造成土壤粗化和土壤抗侵蝕能力減?。涣硪环矫?，土壤顆粒的剝離和搬運(yùn)造成微地貌變化，尤其是較大風(fēng)速下，形成風(fēng)蝕凹痕，從而促進(jìn)水蝕。前人的研究基本在徑流方向與風(fēng)向相同的條件下開展，而缺乏對風(fēng)向與徑流方向相反(風(fēng)水反向)條件下風(fēng)水交錯侵蝕的研究。尤其是風(fēng)—水交錯侵蝕研究，尚未見風(fēng)水反向條件下的研究報道。事實上，發(fā)生在迎風(fēng)坡面徑流方向與風(fēng)向相反的風(fēng)水交錯侵蝕與徑流方向與風(fēng)向相同的交錯侵蝕過程一樣具有代表性。因此，在徑流方向與風(fēng)向相反的條件下研究風(fēng)水交錯侵蝕過程與機(jī)理對系統(tǒng)的理解風(fēng)水交錯侵蝕機(jī)制具有重要意義。

黃土高原風(fēng)蝕水蝕交錯帶是受風(fēng)水交錯侵蝕影響的典型區(qū)域，本研究選擇該區(qū)域的典型土壤，采用人工模擬降雨與風(fēng)洞試驗相結(jié)合的方法，研究風(fēng)向與徑流方向相反條件下的風(fēng)—水交錯侵蝕特征，通過與僅水蝕下的侵蝕特征對比，分析前期風(fēng)蝕對后繼水蝕侵蝕的影響，量化風(fēng)蝕和水蝕對交錯侵蝕的貢獻(xiàn)，為明確風(fēng)水交錯侵蝕中風(fēng)蝕與水蝕的相互影響研究奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

本研究采用人工模擬降雨和風(fēng)洞試驗相結(jié)合的方法，以黃土高原水蝕風(fēng)蝕交錯帶典型的砂質(zhì)壤土(砂黃土)為例，開展風(fēng)—水交錯侵蝕研究。砂質(zhì)壤土采自神木六道溝流域，質(zhì)地均一，砂粒、粉粒和黏粒含量分別為53.0%，42.1%和4.9%，平均粒徑34.8 μm，分選系數(shù)1.84Φ(34.8 μm)。砂質(zhì)壤土在去除草根、礫石等雜物并過1 cm篩后，分層填裝于鋼制土槽(1.2 m×1.0 m×0.1 m)。土槽填裝時，首先在底部鋪設(shè)1層孔徑較小的透水紗布，再均勻平鋪1層細(xì)沙(1 cm厚)，風(fēng)干的砂質(zhì)壤土(含水量約為1.5%)按照容重1.35 g/cm按3 cm分層(每層3 cm)填裝，每層填裝完成后打毛表面以消除填裝土層間的分層。

人工模擬降雨和風(fēng)洞試驗在黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點(diǎn)實驗室人工降雨大廳與風(fēng)洞實驗室開展。降雨試驗使用側(cè)噴式降雨裝置，降雨高度為16 m，降雨強(qiáng)度在40～260 mm/h連續(xù)可調(diào)，降雨均勻度>80%，最大持續(xù)降雨時間12 h。風(fēng)洞設(shè)備為室內(nèi)直流吹氣式風(fēng)洞(圖1)，橫截面積為1.0 m×1.2 m，由動力段、調(diào)節(jié)段、整流段、試驗段和集沙段組成，風(fēng)速在2～15 m/s范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。吹風(fēng)前進(jìn)行風(fēng)速率定，達(dá)到設(shè)計風(fēng)速(±0.2 m/s)。

圖1 風(fēng)洞結(jié)構(gòu)示意

試驗時，先進(jìn)行風(fēng)洞試驗后再進(jìn)行人工模擬降雨試驗。風(fēng)洞試驗在9，12，15 m/s風(fēng)速下分別持續(xù)吹蝕15 min，吹蝕前后均使用地秤(精度為1.0 g，量程200 kg)稱量土槽的總重，用于土壤風(fēng)蝕量計算。對不同風(fēng)速下完成吹蝕試驗的土槽，在不同雨強(qiáng)(60，90 mm/h)和坡度(5°，10°和15°)條件下開展人工模擬降雨試驗。所有試驗從產(chǎn)流開始計時，試驗時長為60 min。產(chǎn)流過程中，按2 min間隔收集徑流泥沙過程樣品。降雨結(jié)束后稱量徑流泥沙樣品，并在105 ℃恒重并稱量(精度0.01 g)泥沙樣品，計算降雨過程的侵蝕產(chǎn)沙量。同時，以只進(jìn)行降雨而無前期吹蝕的試驗作為對照。每組試驗重復(fù)2次，當(dāng)2次重復(fù)結(jié)果存在明顯差異的試驗，進(jìn)行第3次重復(fù)。

依據(jù)徑流量，第min的徑流強(qiáng)度(g/(min·m))和整場降雨平均徑流強(qiáng)度(g/m)計算公式分別為：

(1)

(2)

式中：為第min降雨收集到的徑流量(g)；為徑流收集時間(min)，本研究中取值為2，4，6，…，30；為降雨坡面(土槽)面積(m)。

依據(jù)泥沙量，第min的水蝕速率(g/(min·m))和整場降雨平均水蝕速率(g/m)計算公式分別為：

(3)

(4)

式中：為第min降雨收集到的泥沙量(g)。

為量化前期風(fēng)蝕對后繼水蝕速率的影響，將受前期風(fēng)蝕影響的水蝕速率或徑流強(qiáng)度相對僅水蝕試驗條件下的變化率定義為風(fēng)蝕對水蝕速率/徑流強(qiáng)度的影響率()，即：

(5)

式中：、分別為受前期風(fēng)蝕影響的水蝕速率和徑流強(qiáng)度(g/(min·m))；、分別為僅水蝕條件下的水蝕速率和徑流強(qiáng)度(g/(min·m))。

2 結(jié)果與分析

2.1 前期風(fēng)蝕對后繼水蝕徑流過程的影響

前期風(fēng)蝕改變了后繼水蝕的徑流強(qiáng)度，但未明顯改變徑流過程的總體變化趨勢。無論是否受前期風(fēng)蝕的影響，后繼徑流強(qiáng)度均呈現(xiàn)隨降雨歷時增加逐漸增大而后逐漸趨于穩(wěn)定的變化特征。經(jīng)前期不同風(fēng)速吹蝕后，后繼水蝕的產(chǎn)流時間較僅水蝕提前了7～15 min(表1)。前期風(fēng)蝕導(dǎo)致后繼水蝕徑流強(qiáng)度增大，尤其是12，15 m/s風(fēng)速吹蝕后，后繼水蝕徑流強(qiáng)度在60 mm/h雨強(qiáng)下較僅水蝕分別增大191.1～340.1，280.0～695.9 g/(min·m)，在90 mm/h雨強(qiáng)下較僅水蝕分別增大161.5～672.6，323.4～942.3 g/(min·m)(圖2)。此外，前期風(fēng)蝕對后繼水蝕徑流強(qiáng)度的影響在小雨強(qiáng)下表現(xiàn)更明顯。60 mm/h雨強(qiáng)下風(fēng)蝕對水蝕徑流強(qiáng)度的影響率較90 mm/h雨強(qiáng)下均略增大。在相同風(fēng)速吹蝕后，坡度從5°增大到15°時，60 mm/h雨強(qiáng)下風(fēng)蝕對水蝕徑流強(qiáng)度的影響率較90 mm/h雨強(qiáng)分別增大了0～0.2，0.1～0.2，0.2～0.5倍。

表1 受前期風(fēng)蝕影響的后繼降雨產(chǎn)流時間

2.2 前期風(fēng)蝕對后繼水蝕速率變化的影響

總體上，前期風(fēng)蝕導(dǎo)致后繼水蝕速率大多較僅水蝕顯著增大(<0.05)，且其增加程度隨風(fēng)速的增大而增大。在9，12，15 m/s風(fēng)速下，前期風(fēng)蝕導(dǎo)致后繼水蝕速率較相同條件的僅水蝕試驗分別增大了0～1.8，0.6～3.0，1.0～4.6倍。此外，較小雨強(qiáng)(60 mm/h)下，前期風(fēng)蝕對后繼水蝕速率的影響表現(xiàn)得更明顯(圖3)。60 mm/h雨強(qiáng)下風(fēng)蝕對水蝕速率的影響率較90 mm/h雨強(qiáng)下均增大。當(dāng)坡度從5°增大到15°時，在9，12，15 m/s風(fēng)速吹蝕后，60 mm/h雨強(qiáng)下風(fēng)蝕對水蝕速率的影響率較90 mm/h雨強(qiáng)分別增大了0.2～1.8，1.1～1.9，0.1～0.2倍?？梢?，在不同條件的風(fēng)—水交錯侵蝕過程中，水蝕和風(fēng)蝕的交互效應(yīng)受試驗條件的影響，可能存在交互效應(yīng)發(fā)生改變的臨界條件。

若以產(chǎn)沙時刻起，將水蝕過程分為前期(20 min)、中期(20～40 min)和后期(40～60 min)3個階段，隨著前期風(fēng)蝕風(fēng)速增大，后繼水蝕速率從前期到中期都呈現(xiàn)增大趨勢，中期到后期的變化相對復(fù)雜。從中期到后期，60 mm/h雨強(qiáng)下水蝕速率均呈增長趨勢；90 mm/h雨強(qiáng)下，水蝕速率在小坡度(5°)時均呈增長趨勢，而在較大坡度，前期風(fēng)速較大時，后期水蝕速率較中期減小。與大雨強(qiáng)下，尤其是坡度較大時，坡面在降雨過程中易形成跌坎，導(dǎo)致產(chǎn)沙前期水蝕速率凸增有關(guān)(圖4)。對比前期到中期與中期到后期水蝕速率的變化速度發(fā)現(xiàn)，除12 m/s風(fēng)速吹蝕后在60 mm/h雨強(qiáng)，5°條件下降雨的試驗外，無論是否受前期風(fēng)蝕的影響，當(dāng)坡度從5°增加到10°和15°時，水蝕速率的變化速度在不同雨強(qiáng)下均表現(xiàn)出先增長后減小的趨勢。

2.3 水蝕對風(fēng)-水交錯侵蝕的貢獻(xiàn)

整體上，水蝕對總侵蝕的貢獻(xiàn)隨試驗條件的變化而明顯改變。60 mm/h雨強(qiáng)下風(fēng)蝕貢獻(xiàn)占主導(dǎo)。90 mm/h雨強(qiáng)下大坡度(10°和15°)以水蝕為主，小坡度(5°)以風(fēng)蝕為主。此外，交錯侵蝕中，隨前期風(fēng)蝕風(fēng)速增大，水蝕對交錯侵蝕的貢獻(xiàn)明顯減小。90 mm/h雨強(qiáng)下，當(dāng)前期風(fēng)蝕風(fēng)速從9 m/s增大到15 m/s時，水蝕對交錯侵蝕的貢獻(xiàn)減小，比例最高達(dá)到21%，27%和28%；在60 mm/h雨強(qiáng)下，水蝕對交錯侵蝕的貢獻(xiàn)減小，比例最高達(dá)到4%，12%和43%(圖5)。證明了水蝕和風(fēng)蝕的交互效應(yīng)與試驗條件的相關(guān)性。

圖2 前期風(fēng)蝕對后繼水蝕徑流過程的影響

注：圖柱上方不同小寫字母表示相同降雨強(qiáng)度下不同風(fēng)速處理間差異顯著(P<0.05)。

水蝕在交錯侵蝕的比例均高于僅水蝕在僅風(fēng)蝕與僅水蝕的侵蝕量之和中的比例(即：水蝕/風(fēng)水交錯總侵蝕>僅水蝕/僅水蝕+僅風(fēng)蝕)。與僅水蝕在僅水蝕與僅風(fēng)蝕侵蝕量之和的比例相比，在9，12，15 m/s吹蝕后，60 mm/h雨強(qiáng)下，水蝕貢獻(xiàn)率較單一風(fēng)蝕和水蝕過程總和中的水蝕比例分別增大了3%～8%，1%～11%，0%～11%，90 mm/h雨強(qiáng)下，水蝕貢獻(xiàn)率較單一風(fēng)蝕和水蝕過程總和中的水蝕比例分別增大了1%～2%，6%～12%，9%～30%?？梢姡L(fēng)速較大時(12，15 m/s)，前期風(fēng)蝕對地表的改變對后期水蝕速率增大有明顯影響。

3 討 論

風(fēng)—水交錯侵蝕中，受前期風(fēng)蝕影響，后繼水蝕的徑流強(qiáng)度增大、水蝕加劇，這與前人在風(fēng)水同向條件下的研究結(jié)果一致。已有研究發(fā)現(xiàn)，受風(fēng)蝕影響的水蝕過程中產(chǎn)流時間卻相對僅水蝕試驗不同程度地滯后，本研究發(fā)現(xiàn)，前期風(fēng)蝕影響導(dǎo)致產(chǎn)流時間相對僅水蝕試驗提前，可能與風(fēng)蝕對微地貌改變程度、地表粗糙度和受試土壤性質(zhì)的差異有關(guān)。首先，前期風(fēng)蝕改變了地表微形態(tài)，在較大風(fēng)速(12，15 m/s)下，前期風(fēng)蝕后地表產(chǎn)生有固定走向的明顯風(fēng)蝕凹痕，為徑流匯集提供了有利的地形條件，這是導(dǎo)致后繼徑流強(qiáng)度增大、水蝕加劇的重要原因(圖6)。前人研究中，風(fēng)蝕后地表并未出現(xiàn)有固定走向的明顯風(fēng)蝕凹痕，僅有少量零星的凹痕和條紋，未連通的微起伏對徑流的形成有一定的阻礙作用，延緩了徑流的形成。其次，風(fēng)蝕導(dǎo)致地表粗化，增大土壤可蝕性，導(dǎo)致徑流強(qiáng)度增大、水蝕加劇。地表粗化對徑流的影響有兩面性，一方面可能因地表粗糙度增大而延滯徑流形成的時間；另一方面，風(fēng)蝕過程中部分較細(xì)顆粒阻塞粗顆粒之間的空隙，影響水分入滲，導(dǎo)致產(chǎn)流時間提前。本研究的砂質(zhì)壤土土質(zhì)疏松、持水性差、入滲快，在降雨過程中初始產(chǎn)流時間較長，而經(jīng)吹蝕后，表層(0—1 cm)土壤細(xì)顆粒(黏粒和粉粒)含量減少，砂粒含量增多，風(fēng)蝕導(dǎo)致表層土壤明顯粗化(表2)。在水蝕過程中產(chǎn)流時間提前，表明較細(xì)顆粒阻塞粗顆粒之間的空隙對水分入滲有明顯影響，經(jīng)前期風(fēng)蝕作用后，后繼水蝕的入滲率減小(表3)?？紤]到不同的土壤在顆粒組成、團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)、水分入滲等方面均有差異，風(fēng)蝕過程中坡面微地形、土壤顆粒、水分入滲等對吹蝕的響應(yīng)不同，因此，要量化上述因素的影響程度，還需進(jìn)一步研究。

圖4 前期風(fēng)蝕對后繼水蝕過程的影響

Zhang等基于Cs-137示蹤技術(shù)對結(jié)果顯示，神木六道溝流域粉質(zhì)砂壤土迎風(fēng)坡和背風(fēng)坡面的風(fēng)水交錯侵蝕(包含風(fēng)—水和水—風(fēng)侵蝕)以水蝕為主，徑流方向與風(fēng)向相反的迎風(fēng)坡(N坡和NW坡)，平均水蝕速率約為0.03 g/(min·m)，占迎風(fēng)坡總侵蝕量的81.4%；而本試驗迎風(fēng)坡的平均水蝕速率達(dá)到189.4 g/(min·m)，遠(yuǎn)大于自然坡面多年平均侵蝕速率。此外，在徑流方向與風(fēng)向相同的背風(fēng)坡面(SE坡和S坡)，Zhang等觀測到風(fēng)積(平均沉積速率<0.01 g/(min·m)，而本研究結(jié)果均為侵蝕，這與研究開展的環(huán)境、手段、尺度等直接相關(guān)。室內(nèi)交錯侵蝕模擬的試驗土槽一般尺寸較小(如本研究中的1.2 m×1.0 m×0.1 m)，侵蝕難以達(dá)到沉積發(fā)生的坡長條件，在野外環(huán)境下，坡面較長且上風(fēng)向坡面會對下風(fēng)向坡面的侵蝕或沉積造成影響。

此外，野外條件下坡面地形、植被覆蓋、土地利用等因素也會影響風(fēng)水交錯侵蝕結(jié)果。在未來的研究中可以通過考慮坡形、植被等因素，研究風(fēng)水交錯侵蝕中的侵蝕和沉積特征，從而充分認(rèn)識風(fēng)水交錯過程。

圖5 交錯侵蝕中水蝕對總侵蝕的貢獻(xiàn)

圖6 風(fēng)蝕試驗后的地表形態(tài)相對于風(fēng)蝕前的變化

表2 風(fēng)蝕前后表層(0-1 cm)砂質(zhì)壤土機(jī)械組成

表3 風(fēng)蝕前后降雨入滲率變化

鄧鑫欣等在風(fēng)向與徑流方向相反條件下，采用相同的土壤類型在相同試驗條件(風(fēng)速、降雨強(qiáng)度和坡度)開展的水—風(fēng)交錯侵蝕得出，前期水蝕對后繼風(fēng)蝕有明顯的抑制作用，本研究的風(fēng)—水交錯侵蝕中，前期風(fēng)蝕對后繼水蝕有明顯的促進(jìn)作用。在相同風(fēng)速下，水蝕在風(fēng)—水交錯總侵蝕中的貢獻(xiàn)隨雨強(qiáng)的增大逐漸增大，而水—風(fēng)交錯總侵蝕一直以水蝕為主(約78%的試驗組中水蝕的貢獻(xiàn)>50%)。相同試驗下，風(fēng)—水侵蝕的總侵蝕量均較水—風(fēng)侵蝕總侵蝕量大，在9，12和15 m/s風(fēng)速下，風(fēng)—水交錯侵蝕速率比水—風(fēng)交錯侵蝕速率分別增大了129.4～146.4，640.4～834.4，1 884.3～2 239.6 g/(min·m)(圖7)?？梢姡L(fēng)力與水力疊加過程不同的交錯侵蝕中，風(fēng)蝕和水蝕的相互作用(促進(jìn)或抑制)、風(fēng)蝕和水蝕在總侵蝕中的貢獻(xiàn)、總侵蝕量均存在差異。

在未來的研究中，要明確風(fēng)蝕交錯侵蝕過程，揭示風(fēng)蝕和水蝕的相互影響，首先，必須系統(tǒng)開展不同過程(風(fēng)—水、水—風(fēng))的風(fēng)水交錯侵蝕，甚至應(yīng)該考慮多次疊加過程的交錯侵蝕過程(如風(fēng)—水—風(fēng)—水、水—風(fēng)—水—風(fēng))，為揭示風(fēng)蝕和水蝕的互作奠定基礎(chǔ)；其次，本研究發(fā)現(xiàn)，不同試驗條件下，風(fēng)蝕和水蝕的交互效應(yīng)不同，加之不同的試驗中變量類別及各變量的梯度較多，且不同變量的數(shù)值、單位等均存在差異，直接采用變量進(jìn)行交互效應(yīng)分析存在巨大的難度。因此，未來的研究中應(yīng)考慮采用統(tǒng)一的變量表達(dá)方式(如侵蝕力、侵蝕力的能量)量化復(fù)合侵蝕過程中的交互效應(yīng)。

圖7 風(fēng)水和水風(fēng)交錯侵蝕的總侵蝕速率

4 結(jié) 論

通過室內(nèi)風(fēng)洞和模擬降雨試驗，研究了砂質(zhì)壤土坡面在風(fēng)向和徑流方向相反條件下的風(fēng)—水交錯侵蝕特征，結(jié)果顯示，與僅水蝕試驗相比，前期風(fēng)蝕導(dǎo)致后繼水蝕的產(chǎn)流時間提前、徑流強(qiáng)度增大、產(chǎn)沙速率增大，水蝕在交錯侵蝕中的貢獻(xiàn)較水蝕在僅風(fēng)蝕與僅水蝕侵蝕量之和的比例增大。前期風(fēng)蝕對后繼水蝕存在明顯的促進(jìn)作用，前期風(fēng)蝕導(dǎo)致后繼水蝕增大0～4.6倍。不同試驗條件下，前期風(fēng)蝕對后繼水蝕速率變化的影響程度隨試驗條件的改變發(fā)生差異變化，表明水蝕和風(fēng)蝕的交互效應(yīng)受試驗條件的影響。風(fēng)向與徑流方向相反條件下，前期風(fēng)蝕明顯促進(jìn)后繼水蝕，而前期水蝕明顯抑制后繼風(fēng)蝕。與水—風(fēng)交錯侵蝕相比，風(fēng)—水交錯侵蝕的總侵蝕量更大，水蝕在總侵蝕中的比例變化更復(fù)雜。未來研究中應(yīng)系統(tǒng)研究不同交錯侵蝕過程、多次交錯過程疊加、地形影響的交錯侵蝕，在此基礎(chǔ)上，考慮采用統(tǒng)一的變量表達(dá)方式量化風(fēng)蝕和水蝕的交互效應(yīng)，為揭示風(fēng)蝕和水蝕的互作機(jī)理奠定基礎(chǔ)。