梁雙雙，林金石，黃炎和，蔣芳市，葛宏力，汪 倩，王正清，賈 珅，曹彤彤

（福建農(nóng)林大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，福州350002）

模擬雨滴條件下崩壁不同土層的濺蝕特征

梁雙雙，林金石，黃炎和，蔣芳市，葛宏力，汪 倩，王正清，賈 珅，曹彤彤

（福建農(nóng)林大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，福州350002）

崩壁是崩崗侵蝕的重要組成部分，為了研究崩壁不同土層的濺蝕特征，采用自制雨滴發(fā)生裝置模擬不同直徑雨滴，分析了不同雨滴大小和雨強(qiáng)下崩壁3個(gè)土層濺蝕量、濺蝕土壤顆粒特征的差異。結(jié)果表明：崩壁3個(gè)土層的濺蝕土粒均大都分布在0—5 cm的范圍內(nèi)，其中，紅土層的濺蝕量隨雨滴強(qiáng)度的變化率最大，碎屑層次之，砂土層最??；通過雙因素方差分析可知，土壤特性對(duì)濺蝕量的影響大于雨滴強(qiáng)度；濺蝕土粒中砂粒（0.05～2 mm）百分比最大，而黏粒（＜0.002 mm）百分比最小，可以推測(cè)出使濺蝕量達(dá)到最大的粒徑范圍；崩壁3個(gè)土層的濺蝕土粒中，隨著濺蝕距離的增加，礫石（＞2 mm）最不易被濺移，粉粒（0.002～0.05 mm）和黏粒（＜0.002 mm）最易被濺移。

雨滴濺蝕；雨滴強(qiáng)度；距離分布；粒徑分選

崩崗是南方花崗巖紅壤區(qū)的一種特殊侵蝕形式，主要發(fā)生在風(fēng)化母質(zhì)殘積物深厚、降雨集中的地區(qū)，且崩崗的發(fā)展速度快、危害嚴(yán)重、治理難度大[1-3]。崩壁作為崩崗的重要組成部分，是水力和重力復(fù)合作用最明顯的部位，也是崩崗繼續(xù)失穩(wěn)崩塌和崩積堆產(chǎn)生的前提[4]。濺蝕是裸露崩壁在降雨過程中最容易遭受的一種侵蝕形式，對(duì)其侵蝕過程和侵蝕特征的分析是研究崩崗侵蝕機(jī)理的前提。因此，研究崩壁不同土層的濺蝕特征，對(duì)于摸清南方花崗巖區(qū)崩壁侵蝕機(jī)理具有重要意義。

關(guān)于土壤擊濺侵蝕，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者已經(jīng)做了大量的相關(guān)研究，分析了植被覆蓋[5]、坡度[6]、水層厚度[7-8]等因素對(duì)表土的擊濺侵蝕特征的影響，在國(guó)內(nèi)，相關(guān)學(xué)者還進(jìn)行了土壤擊濺侵蝕與土壤表土結(jié)皮關(guān)系[9-10]等的研究。其中，秦越等[11]研究認(rèn)為當(dāng)雨滴動(dòng)能小于0.067 4×103J時(shí)，雨滴不產(chǎn)生濺蝕，且存在使土壤濺蝕量達(dá)到最大的前期含水量，土壤前期含水量與土壤抗蝕性呈負(fù)相關(guān)關(guān)系；趙曉光等[12]通過對(duì)黃土濺蝕土粒進(jìn)行不同距離段的收集，表明擊濺對(duì)一般土壤組成的分選不明顯，但粗粒被濺移的量隨著擊濺動(dòng)能增大而增加，分選性逐漸顯露；程琴娟等[13]對(duì)14種不同粒徑范圍的黃綿土樣品進(jìn)行濺蝕試驗(yàn)，結(jié)果表明濺蝕量隨粒徑增大而增加，粒徑在0.15 mm處達(dá)到最大值后，濺蝕量隨著粒徑的增大逐漸減少。擾動(dòng)土試驗(yàn)的結(jié)論較原狀土存在較大誤差[14]，高學(xué)田等[15]的研究表明原狀土的濺蝕量?jī)H是擾動(dòng)土濺蝕量的22%～30%?？梢姡壳皩W(xué)者們對(duì)于擊濺侵蝕的研究多集中于黃土區(qū)，而在花崗巖崩崗侵蝕地區(qū)進(jìn)行的濺蝕研究較少，且相關(guān)研究取原狀土進(jìn)行模擬試驗(yàn)的研究亦較少。由于崩壁剖面從上到下依次分為紅土層、砂土層、碎屑層，各土層在巖土特性、理化性質(zhì)等方面存在較大差異，這直接導(dǎo)致各土層擊濺侵蝕特征存在明顯的差異。

因此，本文通過自制模擬雨滴發(fā)生器，對(duì)崩壁不同土層采集的原狀土樣進(jìn)行雨滴擊濺侵蝕試驗(yàn)，分析不同雨滴強(qiáng)度、不同濺蝕距離對(duì)崩壁3個(gè)土層濺蝕量的影響，并研究濺蝕土粒的顆粒組成特征。從中總結(jié)規(guī)律，為崩崗崩壁侵蝕機(jī)理的深入研究提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于福建省安溪縣龍門鎮(zhèn)洋坑村（24°57′N，118°03′E），該區(qū)屬于南亞熱帶氣候區(qū)，年平均氣溫16～22℃，年平均降水量1 600～2 000 mm，研究區(qū)的土壤為酸性花崗巖，以中—粗粒似斑狀結(jié)構(gòu)為主，礦物成分主要有長(zhǎng)石、石英、云母等[16]。

1.2 土樣采集

本研究于2015年8—9月期間進(jìn)行土壤采樣，在預(yù)先選定的研究區(qū)內(nèi)，分紅土層、砂土層和碎屑層3個(gè)土層將試驗(yàn)土盤（直徑10 cm，高3 cm）垂直打入表層，進(jìn)行原狀取樣，其中，每層取48個(gè)原狀土樣，本研究共采集144個(gè)原狀土樣。此外，每個(gè)土層測(cè)定土壤容重、孔隙度等指標(biāo)。同時(shí)，還在每層取樣并測(cè)定所取土樣點(diǎn)的理化性質(zhì)，見表1。

表1 各土層土壤理化性質(zhì)

1.3 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)選用自制雨滴發(fā)生裝置（直徑20 cm，高15 cm的圓柱形密封容器）模擬降雨，設(shè)定4種針頭雨滴直徑分別為：2.7，3.3，3.8，4.3 mm。本試驗(yàn)的濺蝕盤在Morgan濺蝕盤[17]和周一楊[18]試驗(yàn)采用的濺蝕盤的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，其中，裝土盤直徑改為10 cm，收集盤增加一個(gè)5 cm的收集范圍。試驗(yàn)裝置采用精密蠕動(dòng)泵進(jìn)行調(diào)節(jié)、控制供水，并利用雨滴譜儀（OTT Parsivel2）多次重復(fù)率定雨滴直徑和雨滴強(qiáng)度。試驗(yàn)雨滴降落高度為12 m。最終測(cè)定4種針頭的雨滴直徑從小到大依次為：（2.7±0.2）mm，（3.3±0.2）mm，（3.8±0.2）mm，（4.3±0.2）mm，4種雨滴直徑對(duì)應(yīng)的雨滴強(qiáng)度分別為：43，62，105，136 mm/h。

試驗(yàn)設(shè)計(jì)每次模擬雨滴濺蝕試驗(yàn)歷時(shí)均為20 min，試驗(yàn)結(jié)束后，用鋁盒分層收集濺蝕盤中的土粒，并用烘干法測(cè)量濺蝕泥沙重量。為了測(cè)定濺蝕土粒中礫石、砂粒、粉粒、黏粒的粒徑分選規(guī)律，將稱重后的樣品分別過孔徑為2，1，0.25 mm的土壤濕篩，盡量減少濺蝕土粒中水溶性團(tuán)聚體的干擾。再將過篩后＜0.25 mm的土壤顆粒用激光粒度分布儀（BT—9300 ST）分析。

濺蝕試驗(yàn)結(jié)束后分別收集0～5，5～10，10～15，15～22，22～33，33～45 cm范圍內(nèi)的濺蝕土粒，烘干后稱重計(jì)算濺蝕量（M）

式中：M為濺蝕量（g/cm2）；m為濺蝕土粒質(zhì)量（g）；s為環(huán)的面積（cm2）。

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理及統(tǒng)計(jì)分析采用SPSS 18.0軟件進(jìn)行，制圖采用Excel 2007。

2 結(jié)果與分析

2.1 濺蝕土粒的距離分布特征

試驗(yàn)收集了距離裝土盤0～45 cm范圍的濺蝕顆粒，表2中崩壁3個(gè)土層的濺蝕量均隨濺蝕距離的增加而減少，其中分布在0～5 cm范圍內(nèi)的濺蝕量最多，且顯著多于其他距離的濺蝕量；33～45 cm范圍的濺蝕量最少，只有0～5 cm范圍的1/10。這主要由于雨滴打擊地表，受到重力作用的濺蝕顆粒做拋物線運(yùn)動(dòng)，被濺散土粒的大小不同導(dǎo)致拋物線路徑的差異，從而濺蝕土粒會(huì)產(chǎn)生距離分布上的差異。理論上，距離裝土盤越近，土粒濺蝕需要的能量越小，濺蝕距離越遠(yuǎn)所需的能量也就越大，所以近距離分布的濺蝕土粒較多，遠(yuǎn)距離分布的濺蝕土粒較少。試驗(yàn)結(jié)果表明，濺蝕量隨著濺蝕盤分布距離的增加而減小，濺蝕量與濺蝕距離呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，這一研究結(jié)果與程金花等[19]的結(jié)論相吻合。

表2 崩壁3個(gè)土層在不同濺蝕距離的濺蝕量 g

由圖1可知，崩壁3個(gè)土層土壤的濺蝕量均隨著雨滴強(qiáng)度的增加而增加。其中，紅土層濺蝕量受雨滴強(qiáng)度的變化率最大，碎屑層次之，砂土層最小。在小雨滴強(qiáng)度下，砂土層最易遭受濺蝕，而紅土層的抗蝕性較強(qiáng)，這表明特定的土壤類型在一定的雨滴強(qiáng)度范圍，小雨滴易于產(chǎn)生濺蝕，這一結(jié)論與秦越等[11]的研究結(jié)果相一致；雨滴強(qiáng)度不斷增大，碎屑層含有的大量大顆粒原生礦物遭到侵蝕，濺蝕量加大；試驗(yàn)雨滴強(qiáng)度達(dá)到最大，紅土層的團(tuán)聚顆粒被濺散、崩解，遭到大量侵蝕，砂土層則由于大顆粒含量少，濺蝕量相對(duì)減少，碎屑層雖大顆粒含量較高，但其本身土體堅(jiān)硬的特點(diǎn)致使這一階段的濺蝕量相對(duì)減少。

對(duì)崩壁3個(gè)土層的濺蝕量與濺蝕距離進(jìn)行回歸分析，發(fā)現(xiàn)濺蝕量M與濺蝕距離r呈現(xiàn)M=ar-b冪函數(shù)關(guān)系，相關(guān)性較高（表3）。這與Van Dijk等[20]分析的二者呈現(xiàn)指數(shù)函數(shù)關(guān)系這一結(jié)論有些差異，主要由于本試驗(yàn)所選的崩壁土壤與其所研究土壤的質(zhì)地存在很大差異：紅土層的黏粒、有機(jī)質(zhì)含量較高，土壤的團(tuán)聚性好，抗雨滴擊打的能力較強(qiáng)，但隨著雨滴強(qiáng)度增加，紅土層的團(tuán)聚顆粒就會(huì)被大量濺散、崩解，遭到嚴(yán)重侵蝕；砂土層土體松散，粉粒含量較多，遇水易膨脹、崩解；碎屑層存在大量大顆粒的石英、長(zhǎng)石等原生礦物，土體堅(jiān)硬，隨著雨滴強(qiáng)度增加，碎屑層的大顆粒原生礦物易遭到侵蝕。崩崗區(qū)崩壁土體質(zhì)地的特殊性，使得濺蝕顆粒大范圍地在近距離分布，并隨著濺蝕距離的增加呈現(xiàn)先快速，后又緩慢減小的趨勢(shì)。此外，不僅二者試驗(yàn)土體的性質(zhì)有很大不同，試驗(yàn)采用的雨滴直徑大小、降落高度等也都存在明顯的差異，故而本試驗(yàn)的研究結(jié)果與其他作者的結(jié)論存在差異。

圖1 不同雨滴強(qiáng)度下3個(gè)土層的濺蝕量隨濺蝕距離分布

此外，本研究對(duì)雨滴強(qiáng)度和崩壁不同土層土壤對(duì)濺蝕量的影響進(jìn)行方差分析。通過雙因素方差分析可知，雨滴強(qiáng)度對(duì)濺蝕量的影響不顯著，而不同土層土壤對(duì)濺蝕量的影響達(dá)顯著水平，說明土壤特性對(duì)濺蝕量的影響大于雨滴強(qiáng)度（F雨強(qiáng)=19.35，F(xiàn)0.01=18.90；F土壤特性=1.95，F(xiàn)0.01=18.50）。

表3 濺蝕量與濺蝕距離的擬合函數(shù)

2.2 雨滴強(qiáng)度對(duì)濺蝕粒徑的影響

通過對(duì)崩壁紅土層、砂土層和碎屑層3個(gè)土層的濺蝕顆粒進(jìn)行篩分，得到4種雨滴強(qiáng)度下的濺蝕顆粒的粒徑組成情況（表4）。由表4和表1對(duì)比可知，在崩壁3個(gè)土層的原狀土壤中，礫石和粉粒含量很高，濺蝕土粒中的含量卻不多；相反，原狀土壤中砂粒的含量不高，在濺蝕土粒中的含量卻最多；紅土層原狀土壤中，黏粒含量雖高，在濺蝕土粒中的含量卻很少。表4中，砂粒（0.05～2 mm）的濺蝕量最大；粉粒（0.002～0.05 mm）的濺蝕量次之；黏粒（＜0.002 mm）的濺蝕量最小；礫石（＞2 mm）濺蝕量次小。這一結(jié)論與程金花等[19]的研究結(jié)果有一定的差異，其研究認(rèn)為濺蝕土粒中細(xì)砂粒（0.05～0.2 mm）百分比最大，占濺蝕量的39.3%；粗粉粒（0.02～0.05 mm）百分比次大；粗砂粒（0.2～2 mm）百分比最小。分析原因，兩個(gè)研究所選用土壤的機(jī)械組成存在差異，程金花的試驗(yàn)土壤粉粒含量為54.7%，砂粒含量35.5%，黏粒含量為9.8%。這主要是其土壤與本研究崩壁碎屑層土壤的機(jī)械組成較為接近，但與紅土層和砂土層土壤的機(jī)械組成有很大不同，故而試驗(yàn)結(jié)果會(huì)存在差異。

表4 崩壁3個(gè)土層不同粒級(jí)的濺蝕量及其質(zhì)量百分比

對(duì)不同濺蝕距離下土壤各粒徑的重量百分比進(jìn)行分析，結(jié)果表明（表4）：在紅土層中，礫石百分比隨著雨滴強(qiáng)度的變化沒有明顯的規(guī)律，碎屑層中，礫石百分比隨著雨滴強(qiáng)度的增加而增加，而在砂土層中，礫石百分比在較小雨滴強(qiáng)度下的值較高；在紅土層中，砂粒百分比在較大雨滴強(qiáng)度下的值較低，在較小雨滴強(qiáng)度下的值相對(duì)較高，在碎屑層中，砂粒百分比隨著雨滴強(qiáng)度的增加而增加，而在砂土層中，砂粒百分比在雨滴強(qiáng)度為105 mm/h時(shí)的值異常低；在紅土層中，粉粒隨著雨滴強(qiáng)度的增加而增加，在碎屑層中，粉粒隨著雨滴強(qiáng)度的增加而減少，而在砂土層中，粉粒百分比值在雨滴強(qiáng)度為105 mm/h時(shí)的值異常高；在紅土層中，黏粒隨著雨滴強(qiáng)度的增加而增加，碎屑層中，黏粒百分比在較大雨滴強(qiáng)度下較低，在較小雨滴強(qiáng)度下相對(duì)較高，在砂土層中，黏粒百分比在雨滴強(qiáng)度為105 mm/h時(shí)的值最高。

因此，雨滴強(qiáng)度對(duì)紅土層和砂土層濺蝕顆粒含量的影響規(guī)律比較穩(wěn)定，砂土層的濺蝕顆粒含量對(duì)雨滴強(qiáng)度變化的反應(yīng)相對(duì)比較敏感。這一研究中，碎屑層的結(jié)論與秦越等[11]的研究結(jié)果較為接近，但結(jié)果明顯與紅土層和砂土層不同，這可能是其試驗(yàn)土壤與本研究碎屑層土壤的機(jī)械組成較為接近，卻與紅土層和砂土層土壤的機(jī)械組成差異較大引起的。

2.3 濺蝕土粒的粒徑分選特征

由圖2可知，崩壁3個(gè)土層的4種不同粒徑的濺蝕顆粒百分比，隨濺蝕距離變化的規(guī)律明顯。礫石在紅土層、砂土層和碎屑層中均隨著濺蝕距離的增加而呈急速下降的趨勢(shì)，且礫石在碎屑層的濺蝕百分比值最高，在紅土層的濺蝕百分比值最低，其中，3個(gè)土層濺蝕的礫石主要分布在0～5 cm的濺蝕距離內(nèi)，在濺蝕距離大于22 cm的范圍基本沒有礫石的分布。砂粒在紅土層、砂土層和碎屑層中隨著濺蝕距離的變化相對(duì)比較復(fù)雜，4種雨滴強(qiáng)度下，砂土層中，砂粒在0～5 cm濺蝕距離的分布較為集中穩(wěn)定，其中，在雨滴強(qiáng)度為105 mm/h、濺蝕距離在22～45 cm時(shí)，砂粒百分比值異常的低，而在紅土層和碎屑層中，砂粒在0～10 cm濺蝕距離的分布較為集中穩(wěn)定，但在紅土層中較大雨滴強(qiáng)度下，砂粒在濺蝕距離為15，33，45 cm百分比值變化較大。從整體上看，砂粒在砂土層和碎屑層隨著濺蝕距離的變化沒有明顯的規(guī)律性，在紅土層隨著濺蝕距離的增加砂粒百分含量呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)。粉粒在3個(gè)土層中隨著濺蝕距離的變化也比較復(fù)雜，4種雨滴強(qiáng)度下，砂土層中，粉粒在0～5 cm濺蝕距離的分布較為集中穩(wěn)定，其中，在雨滴強(qiáng)度為105 mm/h、濺蝕距離在22～45 cm時(shí)，粉粒百分比值異常高，而在紅土層和碎屑層中，粉粒在0～10 cm濺蝕距離的分布較為集中穩(wěn)定，但在紅土層中較大雨滴強(qiáng)度下，粉粒在濺蝕距離為15，33，45 cm百分比值變化較大。粉粒和黏粒的百分含量在3個(gè)土層中隨著濺蝕距離的增加，整體上呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)。其中，砂土層中，黏粒的百分含量在雨滴強(qiáng)度為105 mm/h時(shí)，隨著濺蝕距離的增加最為顯著。

總之，崩壁3個(gè)土層中，隨著濺蝕距離的增加，礫石的百分含量急速減少，而粉粒和黏粒的百分含量有增加的趨勢(shì)，其中，紅土層中，砂粒的百分含量隨著濺蝕距離的增加呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。濺蝕土粒中，礫石最不易被濺移，砂粒也相對(duì)不易被濺移，粉粒和黏粒最易被濺移。

圖2 不同雨滴強(qiáng)度、不同濺蝕距離內(nèi)濺蝕顆粒的百分含量

3 結(jié)論

（1）崩壁3個(gè)土層的濺蝕土粒均主要分布在0～45 cm范圍，集中在0～5 cm的濺蝕距離內(nèi)，濺蝕量隨濺蝕距離的增加而減少，濺蝕量M與濺蝕距離r呈現(xiàn)M=ar-b冪函數(shù)關(guān)系。濺蝕量隨著雨滴強(qiáng)度的增加而增加，其中，紅土層的濺蝕量隨雨滴強(qiáng)度的變化率最大，碎屑層次之，砂土層最小。通過雙因素方差分析可知，土壤特性對(duì)濺蝕量的影響大于雨滴強(qiáng)度。

（2）濺蝕土粒中砂粒（0.05～2 mm）所占百分比值最大。在崩壁3個(gè)土層的原狀土壤中，礫石和粉粒含量很高，濺蝕土粒中的含量卻不多；相反，原狀土壤中砂粒的含量不高，在濺蝕土粒中的含量卻最多；紅土層原狀土壤中，黏粒含量雖高，在濺蝕土粒中的含量卻很少。由此可以推測(cè)出使濺蝕量達(dá)到最大的粒徑范圍。

（3）崩壁3個(gè)土層中，隨著雨滴強(qiáng)度的變化，濺蝕顆粒變化規(guī)律比較復(fù)雜。其中，隨著濺蝕距離的增加，礫石的百分含量急速減少，而粉粒和黏粒的百分含量有增加的趨勢(shì)。因此，濺蝕土粒中，礫石最不易被濺移，粉粒和黏粒最易被濺移。

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Splash Erosion Characteristics of Different Soil Layers on the Collapsing Wall Under Simulated Raindrop

LIANG Shuangshuang，LIN Jinshi，HUANG Yanhe，JIANG Fangshi，
GE Hongli，WANG Qian，WANG Zhengqing，JIA Shen，CAO Tongtong（College of Resources and Environment，F(xiàn)ujian Agriculture and Forestry University，F(xiàn)uzhou350002，China）

Collapsing wall is an important part of the collapsing hill erosion.In order to study splash erosion characteristics in different soil layers of collapsing wall，a raindrop generator was made to simulate different diameter raindrops，and we studied the splash amount and different characteristics of the soil particles in different soil layers of collapsing wall under the raindrop size and different raindrop intensities.The result shows that the soil particles of splash erosion present the concentrated distribution in the range of 0 to 5 cm，among which the red soil splash erosion with the rate change of rain intensity is the maximum，the second is the clastic，and the minimum is the sand layer.By two-factor variance analysis，the influence of soil characteristic on splash erosion amount is greater than the rain intensity.The mass percentage of particles with size of 0.05～2 mm was the most，while the mass percentage of particles with size less than 0.002 mm was the least，which can speculate the size range that makes splash amount reach the maximum.With the increase of splash erosion distance，soil particles with size more than 2 mm are the most difficult to be moved due to splash，while soil particles with size of 0.002～0.05 mm and with size less than 0.002 mm are the most vulnerable to be moved through splash.

splash erosion；raindrop intensity；splash distance；size distribution

S152;S153;S157.1

A

1005-3409（2017）01-0043-06

2016-01-06

2016-03-16

國(guó)家自然科學(xué)基金（41001169，41571272）；國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2014BAD15B0303）

梁雙雙（1988—），女，河北定州人，碩士研究生，研究方向?yàn)橥寥狼治g與治理。E-mail：317252227＠qq.com

林金石（1980—），男，福建武夷山人，博士，副教授，主要從事土壤侵蝕與治理研究。E-mail：linjs18＠163.com