劉 冉, 余新曉, 蔡強(qiáng)國, 孫莉英, 方海燕, 賈國棟, 和繼軍

(1.北京林業(yè)大學(xué) 水土保持學(xué)院 水土保持國家林業(yè)和草原局重點試驗室， 100083 北京; 2.中國科學(xué)院 地理科學(xué)與資源研究所 陸地水循環(huán)及地表過程重點試驗室， 100101 北京; 3.中國科學(xué)院大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院， 100049 北京; 4.首都師范大學(xué) 城市環(huán)境過程和數(shù)字模擬國家重點試驗室培育基地 北京資源環(huán)境與GIS重點試驗室， 100048 北京)

陜北黃土丘陵溝壑區(qū)氣候變化劇烈，地形地貌復(fù)雜，使其已成為水土流失最嚴(yán)重的地區(qū)之一，同時也是生態(tài)環(huán)境極其脆弱的地區(qū)之一，嚴(yán)重阻礙了黃土高原地區(qū)的可持續(xù)發(fā)展[1]。土壤侵蝕過程包括土壤分離、泥沙輸移和沉積3個子過程，3個子過程間存在相互依存關(guān)系，且往往同時發(fā)生[2]。雨滴的飛濺和徑流使土壤顆粒從土壤表面分離出來，分離的泥沙主要通過水流向下輸送[3]，當(dāng)輸沙量超過徑流輸沙能力時，就會發(fā)生沉積[4]。在過去20 a的土壤侵蝕研究中，出口處的泥沙輸送收集的泥沙數(shù)據(jù)只能反映土壤侵蝕的強(qiáng)弱，如何定量刻畫坡面分離、搬運、沉積過程的問題在我國至今尚未完全解決[5]。由于坡度和坡長的影響，土壤侵蝕速率存在明顯差異。已有相關(guān)研究指出不同坡長下的坡面徑流侵蝕輸沙特性[6]以及坡面侵蝕速率有重要影響[7]。如王玲玲等[8-9]坡面侵蝕速率隨坡長增加呈波動的強(qiáng)弱交替變化，并指出存在臨界侵蝕坡長。王小康等[10]研究指出黑土坡面的侵蝕—沉積速率在坡長上存在主次周期變化。坡度通過影響土壤入滲和土壤穩(wěn)定性等[11]方面進(jìn)而影響土壤侵蝕過程。譚貞學(xué)等[12]通過室內(nèi)模擬降雨試驗發(fā)現(xiàn)侵蝕模數(shù)隨坡度增加呈波動變化，并且上坡位、下坡位的侵蝕模數(shù)存在明顯差異。徐振劍等[13]利用三維激光掃描技術(shù)得出整個坡面存在明顯的侵蝕—沉積分區(qū)，且隨坡度增加，坡頂、坡中侵蝕更為明顯。而針對陜北丘陵溝壑區(qū)坡面侵蝕—沉積過程的變化規(guī)律研究則較為缺乏，需加強(qiáng)該方面的研究。因此，本研究利用室內(nèi)人工模擬降雨，結(jié)合陜北黃土丘陵溝壑區(qū)坡耕地特點，研究不同坡長、坡度對當(dāng)?shù)芈懵镀旅媲治g、沉積過程的影響，探討不同坡長和坡度組合條件下坡面降雨產(chǎn)流、產(chǎn)沙過程動態(tài)規(guī)律，分析各影響因素作用下黃土坡面侵蝕沉積過程特征，促進(jìn)對坡面侵蝕機(jī)理的深入認(rèn)識，從而為陜北黃土丘陵溝壑區(qū)水土保持措施的合理布設(shè)以及水土流失防治規(guī)劃提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

本研究于2018年5月至7月在中國科學(xué)院水利部水土保持研究所土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點試驗室人工降雨大廳采用室內(nèi)模擬降雨試驗方法進(jìn)行。試驗降雨方式采用下噴式降雨系統(tǒng)，雨強(qiáng)可通過噴嘴大小和壓強(qiáng)進(jìn)行調(diào)節(jié)。降雨高度為18 m，能夠保證所有雨滴均達(dá)到最終速度，降雨覆蓋面積為27 m×18 m。降雨系統(tǒng)將水噴射至空中，受空氣阻力作用水流被破碎形成不同大小的雨滴，降落至地表，產(chǎn)生的雨滴有大有小，與天然降雨下的雨滴比較相似[14]，能夠滿足黃土區(qū)不同侵蝕模擬要求。試驗用土取自于陜西省安塞縣耕地表層的黃綿土。安塞地區(qū)屬于典型的黃土丘陵溝壑區(qū)，地處陜北黃土高原腹地，地貌特征復(fù)雜，草原分布廣，土地利用類型多樣。該區(qū)農(nóng)業(yè)以種植業(yè)和畜牧業(yè)為主，水土流失情況嚴(yán)重。研究區(qū)土壤土層深厚，土壤質(zhì)地組成以粉沙為主，缺乏有機(jī)質(zhì)和黏粒物質(zhì)，膠結(jié)能力差，遇水易分散崩解，抗蝕能力差[15]。利用馬爾文激光粒度儀測定土壤機(jī)械組成，試驗土壤質(zhì)地按國際制的土壤粒級劃分結(jié)果屬于砂壤土，有機(jī)質(zhì)含量較低(表1)。

表1 試驗土壤的顆粒機(jī)械組成

1.2 試驗設(shè)計

試驗前將所用土樣自然風(fēng)干，隨后過10 mm篩，以便除去雜草和石塊。裝填試驗土壤之前，先在試驗槽的底部填入約10 cm厚的細(xì)沙，細(xì)沙上面覆蓋透水的細(xì)紗布，保持試驗土層的透水狀況接近于天然坡面。隨后裝填試驗土壤，采用分層填土法裝填，邊填土邊使用工具壓實，每次裝土5 cm，共填6層，每層表面用平尺拉毛，總共填土厚度約為30 cm。為降低土槽邊壁效應(yīng)的影響，裝土?xí)r在隔板處盡量壓實，裝土結(jié)束后，用平尺刮平土壤表面，形成疏松層，代表降雨前坡面已經(jīng)形成大量可搬運物質(zhì)。本次試驗采用環(huán)刀法測定坡面表層土壤容重，土槽填土容重控制在1.25～1.35 g/cm3左右[16]。本試驗使用規(guī)格5 m×1.0 m×0.5 m和10 m×1.5 m×0.5 m固定式可調(diào)坡鋼制土槽；降雨過程中坡面存在侵蝕—搬運—沉積作用，而沉積現(xiàn)象的發(fā)生隨坡度增加而減弱，根據(jù)緩坡分布范圍，坡度分別選取5°，10°，15°。通過對黃土丘陵溝壑區(qū)1987年以來的極端暴雨資料的統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)1 h最大降雨主要分布在50～79 mm，其中小于68 mm的居多[17]，鑒于此，在60 mm/h降雨強(qiáng)度下進(jìn)行降雨試驗，每個試驗方案均重復(fù)降雨2次，總共模擬降雨試驗場次為12次。降雨歷時1 h，達(dá)到了天然暴雨的級別，文中分析數(shù)據(jù)均取2次降雨試驗的平均值。

1.3 觀測項目

觀測坡面產(chǎn)流全過程，坡面產(chǎn)流后在出水口收集泥沙和徑流樣品，采樣間隔為1 min。采用烘干法確定含沙量，將采集的泥沙樣進(jìn)行體積量測，進(jìn)行烘干稱重，計算得到含沙量。采用自制大量桶測定徑流量，為1 min內(nèi)的產(chǎn)流量，加上泥沙樣累計值，得到總徑流量。自制大量桶量測精確度為0.5 L，稱重精確度為0.01 g，含沙量測定的小樣瓶體積是恒定的，從而含沙量的精確度為0.01 g/L。總徑流量乘以該時段含沙量即為該時段產(chǎn)沙量，產(chǎn)沙量的精確度為0.01 g。

2 結(jié)果與分析

2.1 坡面侵蝕階段劃分及產(chǎn)沙特征

含沙量的變化與坡面徑流輸沙能力密切相關(guān)，指出該含沙量與徑流的變化關(guān)系可以作為劃分土壤侵蝕限制條件的依據(jù)，本研究依據(jù)和繼軍等[18]劃分土壤侵蝕限制條件方法，同樣把坡面侵蝕過程依次劃分：輸沙能力限制階段(A)、剝蝕能力限制階段Ⅰ(B)和剝蝕能力限制階段Ⅱ(C)3個階段(圖1)。在A階段，隨著侵蝕速率的增加，徑流相對于輸沙越來越少，此階段含沙量快速增加，且此階段的含沙量隨坡度增加而增加：當(dāng)坡度由5°增加到10°和15°時，5 m坡長坡面的平均含沙量從5.64 g/L分別增加到6.25和38.48 g/L，10 m坡長坡面的平均含沙量從4.29 g/L，分別增加到15.99和76.58 g/L?？傮w來看，含沙量隨坡長的增加而明顯增加，10°和15°坡度下，10 m坡長在此階段的含沙量分別是5 m坡長的2.56和1.99倍。相關(guān)研究表明，相同試驗條件下，坡面可搬運物質(zhì)充足時的徑流輸沙能力比徑流通過自身剝離土壤顆粒達(dá)到的輸沙能力高2倍左右。本研究與其研究結(jié)果一致，該現(xiàn)象進(jìn)一步說明上述關(guān)于侵蝕限制階段劃分的合理性。在B階段和C階段，含沙量呈現(xiàn)出快速下降最后接近穩(wěn)定狀態(tài)的趨勢，說明侵蝕過程存在土壤剝離和搬運的限制條件，含沙量并不會一直增加或減少，泥沙的分離和搬運會達(dá)到相對平衡的狀態(tài)，而此時是沉積可能發(fā)生的時間段，土壤表面和徑流間發(fā)生頻繁的物質(zhì)交換，促進(jìn)坡面泥沙沉積[19]。在5°坡面下，5，10 m坡長坡面的剝蝕能力限制階段Ⅱ(C)的持續(xù)時間最長，且兩者達(dá)到平衡狀態(tài)的含沙量相差不大，該階段的含沙量分別為2.74～3.01 g/L，2.95～3.37 g/L；在10°坡面下，5，10 m坡長坡面剝蝕能力限制階段Ⅱ持續(xù)時間均為8 min左右，平衡狀態(tài)的含沙量分別為5.31～6.07 g/L，2.76～3.81 g/L；在15°坡面下，5，10 m坡長坡面剝蝕能力限制階段Ⅱ的含沙量分別為7.68～8.38 g/L，2.81～3.71 g/L；10°，15°坡面下，10 m坡長達(dá)到平衡狀態(tài)的含沙量均小于5 m坡面。

2.2 坡面土壤發(fā)生侵蝕—沉積特征

由圖2可知，在降雨強(qiáng)度為60 mm/h，坡度為5°，10°，15°條件下，10 m坡長坡面的總侵蝕量均明顯高于5 m坡面。在該條件下表明，隨坡長增加，5 m，10 m坡面整體均呈侵蝕狀態(tài)。通過分析圖2中單位面積侵蝕量變化趨勢可知，5 m坡長坡面的單位面積侵蝕量分別為28.55，166.82和198.74 g/(min·m2)，均大于10 m坡面單位面積侵蝕量〔25.57，141.49和160.68 g/(min·m2)〕，即同一坡度下單位面積侵蝕量隨坡長的增加而減少，且5 m坡長坡面單位面積侵蝕量是10 m坡面的1.16～1.48倍。說明在本研究設(shè)置的坡度、降雨強(qiáng)度條件下，在5—10 m坡段中存在明顯的沉積過程，該坡段的侵蝕量明顯減少，導(dǎo)致10 m整體的單位面積侵蝕量小于5 m坡長坡面。

注：實豎線為5 m坡長不同侵蝕限制階段分界線；虛豎線為10 m坡長不同侵蝕限制階段分界線

圖2 不同降雨和坡度條件下5和10 m坡長坡面總侵蝕量和單位面積侵蝕量變化

2.3 坡面侵蝕—沉積隨降雨過程的變化

當(dāng)前研究中主要是通過試驗觀測土壤坡面總體侵蝕特征進(jìn)而分析坡面土壤的侵蝕過程，忽略了土壤坡面沿程的侵蝕—沉積過程。本研究在此基礎(chǔ)上，將5 m坡長坡面上的土壤侵蝕觀測結(jié)果作為10 m坡長坡面上0—5 m坡段的土壤侵蝕特征，并且在相同坡度下，將10和5 m坡長坡面土壤侵蝕觀測結(jié)果相減的結(jié)果作為5—10 m坡段的相應(yīng)坡度下的土壤侵蝕狀況，以此方法進(jìn)行坡面土壤侵蝕—沉積過程的分析研究。將不同坡度條件下，0—5，0—10，5—10 m坡段侵蝕速率隨降雨過程變化的結(jié)果繪制為圖3。由圖3可以直觀地反映侵蝕泥沙沿程輸送的特征，整個侵蝕過程坡面侵蝕速率呈強(qiáng)弱交替變化。在5°～15°坡度范圍內(nèi)，0—5 m坡段的平均侵蝕速率為0.65，3.61，4.32 g/(m2·min)，0—10 m坡段坡面的平均侵蝕速率為0.57，2.91，3.20 g/(m2·min)，5—10 m坡段的平均侵蝕速率明顯小于0—5 m坡段坡面。在10°，15°坡度條件下，0—5，0—10，5—10 m坡段侵蝕速率隨降雨歷時的變化趨勢基本一致，土壤侵蝕速率隨降雨過程呈明顯的波動變化，但總體變化呈增加—降低—增加—降低—最終趨于穩(wěn)定的趨勢；在降雨開始35 min左右時間內(nèi)，侵蝕速率波動變化幅度較大，整個降雨過程侵蝕速率出現(xiàn)正負(fù)值交替變化，表明降雨過程中侵蝕過程與沉積過程并存。降雨開始25 min左右時間內(nèi)，侵蝕速率以上升趨勢為主，25～33 min左右呈下降上升再下降的波動趨勢，10 min以后侵蝕速率變化趨于穩(wěn)定。至于凈侵蝕過程主要發(fā)生的時間在達(dá)到侵蝕速率峰值前后一段時間內(nèi)，當(dāng)坡度由10°增加到15°時，達(dá)到侵蝕速率峰值的時間縮短，相應(yīng)侵蝕速率也增大，且0—10 m坡段坡面的侵蝕速率峰值均大于相應(yīng)坡度下0—5 m坡段的侵蝕速率峰值，表明該時間段內(nèi)5—10 m坡段以侵蝕過程為主。在坡面坡度為5°坡度時，由于0—5 m，0—10 m坡段坡面含沙量達(dá)到平衡狀態(tài)持續(xù)時間較長，且整個降雨過程的含沙量變化差異不大，因此0—5，0—10 m坡段坡面的侵蝕速率變化相對平緩，侵蝕速率隨降雨歷時增加而穩(wěn)步增加，均沒有出現(xiàn)明顯的減少的趨勢。

圖3 不同坡度條件下侵蝕速率隨降雨過程的變化

不同坡度下，不同坡段坡面的侵蝕速率隨降雨過程的變化波動較大，1 min的侵蝕速率與降雨時間的相關(guān)關(guān)系較差，因此繪制累計單位面積侵蝕速率與降雨時間的關(guān)系圖(圖4)。由圖4可知，0—5，0—10 m坡段坡面的累計單位面積侵蝕量隨降雨歷時增加，且在5°，15°坡度下，0—5 m坡段的累計單位面積侵蝕量均小于0—10 m坡段坡面，再次表明完整的降雨過程中5—10 m坡段出現(xiàn)沉積現(xiàn)象。且隨著降雨歷時的延長，5—10 m坡段坡面的沉積速率逐漸增加；相同降雨條件下，5—10 m坡段的沉積速率隨著坡度的增加而增加。在10°坡度條件下，在31～43 min時間段內(nèi)出現(xiàn)0—10 m坡段坡面單位面積侵蝕量大于0—5 m坡段，主要原因是在該試驗條件下，0—10 m坡面出現(xiàn)跌坎兒，由于其沒有進(jìn)一步發(fā)育，侵蝕速率下降，使得出現(xiàn)0—5 m坡段的累計單位面積侵蝕量再次大于0—10 m坡段坡面的現(xiàn)象。

圖4 不同坡度坡面，各坡段累計單位面積侵蝕速率隨降雨歷時的變化

3 討 論

3.1 坡面侵蝕—沉積特征

研究表明，相同下墊面在不同坡度和坡長下會表現(xiàn)出不同的坡面侵蝕規(guī)律，在5，10 m坡面土壤總侵蝕量均隨著坡度的增加而增加，這與Shi等[20]與和繼軍等[21]的結(jié)果一致；陡坡的徑流剪切力遠(yuǎn)大于緩坡[22]。安塞地區(qū)黃土細(xì)顆粒含量較多，黏結(jié)力較強(qiáng)，形成的團(tuán)聚體抗沖強(qiáng)度較大，土壤剝離能力相對較小[23]。但坡長增加，來自土壤表層的松散物質(zhì)和降雨和徑流分離的土壤直接增多；且細(xì)顆粒的沉降速度較低，土壤顆粒一旦被剝蝕，細(xì)顆粒比粗顆粒更容易帶走[24]。本研究設(shè)置的坡度、降雨強(qiáng)度條件下，通過分析圖2中0—5 m坡段的侵蝕速率大于0—10坡段的侵蝕速率，使得5—10 m坡段的侵蝕量明顯減少，導(dǎo)致10 m整體的單位面積侵蝕量小于5 m坡長坡面，說明在5—10 m坡段中存在明顯的沉積過程。譚貞學(xué)等[12]同樣利用室內(nèi)模擬試驗指出1.2 m坡長坡面下坡位在發(fā)生侵蝕過程的同時存在沉積過程，表明黃土坡面單位面積土壤侵蝕量隨坡長的增加呈明顯的強(qiáng)弱交替變化，在各坡長坡面的侵蝕過程下坡位，存在臨界侵蝕坡長[25]，且由于雨強(qiáng)、坡度、坡長等因素的影響，臨界坡長是不斷變化的。侵蝕與坡長關(guān)系中的臨界坡長指在一定的坡面長度內(nèi)，侵蝕量隨坡長的增長而增長，當(dāng)達(dá)到一定坡長時，產(chǎn)生質(zhì)變的坡長或是土壤侵蝕模數(shù)隨坡長增加由遞增過渡為減少時的坡面長度[26]。Quan等[19]通過黃土坡面侵蝕—沉積空間分布圖指出相同試驗條件下，在4—5 m坡段出現(xiàn)沉積現(xiàn)象，表明本試驗條件下坡面發(fā)生沉積的臨界坡長在4—5 m以及5—10 m范圍內(nèi)。在5°，15°坡度下，在整個降雨過程中，0—5 m坡段的累計單位面積侵蝕量均大于0—10 m坡段坡面，侵蝕過程中一直伴有沉積現(xiàn)象；在10°坡面分別在降雨后15 min左右開始伴有沉積現(xiàn)象出現(xiàn)。

3.2 坡面侵蝕—沉積隨降雨過程的變化

坡面徑流從形成開始就具有能量，除去自身流動所需的能量外，坡面徑流剝蝕土壤、水流攜帶搬運土壤都需要水流消耗自身能量才能夠進(jìn)行。研究表明，在10°坡度下，在降雨開始26～35 min時間段內(nèi)，5—10 m坡段為凈侵蝕過程，主要發(fā)生在圖1中的輸沙能力限制階段，0—10 m坡段坡面的面積大于0—5 m坡段坡面，使得10 m坡長坡面在開始降雨試驗之前，坡面存在可被坡面徑流直接搬運的松散物質(zhì)多于5 m坡長坡面。其他階段以侵蝕—沉積過程為主，此階段0—10 m坡段的平均含沙量均低于0—5 m坡段。實際上5—10 m坡段的侵蝕—沉積過程受到0—5 m坡段坡面的匯流、泥沙運輸以及自身產(chǎn)流的影響，徑流泥沙從0—5 m坡段輸送到5—10 m坡段時，水流速度增加的同時，自身的流動和攜帶搬運泥沙的能耗也相應(yīng)增加，當(dāng)坡面徑流能量不足以支撐其繼續(xù)剝蝕土壤，坡長的增加則不會使含沙量增加。 隨著坡度的增加，坡面產(chǎn)生的侵蝕強(qiáng)弱變化也就與徑流率的大小并不完全相對應(yīng)，因此，就必然5—10 m坡段坡面侵蝕速率在整個降雨過程中上下波動，出現(xiàn)負(fù)值，出現(xiàn)沉積。在10°，15°坡度條件下，0—5，0—10 m坡段在整個降雨過程侵蝕速率出現(xiàn)強(qiáng)弱交替變化，進(jìn)而5—10 m坡段侵蝕速率出現(xiàn)正負(fù)值交替變化，表明降雨過程中侵蝕過程與沉積過程并存。雷廷武等[27]認(rèn)為2—4 m坡面的含沙量達(dá)到徑流的輸沙能力，且李君蘭等[28]認(rèn)為超過2—4 m以后，徑流是剝蝕與沉積交替進(jìn)行。坡面的泥沙和被攜帶搬運泥沙在水流作用下不斷交換，從而使得5—10 m坡段侵蝕和沉積過程交替進(jìn)行。

坡面徑流飽和含沙量與徑流輸沙含沙量的差值影響坡面侵蝕—沉積過程，隨坡度增加，0—5 m坡段侵蝕增強(qiáng)，該坡段向5—10 m坡段的匯流輸沙率增大，含沙量增高與飽和含沙量差值變小，導(dǎo)致5—10 m坡段侵蝕量變?。粡搅骱沉砍^飽和含沙量，5—10 m坡段必然出現(xiàn)沉積。隨著降雨歷時的延長，5—10 m坡段坡面的沉積速率逐漸增加；相同降雨條件下，5—10 m坡段的沉積速率隨著坡度的增加而增加。原因是隨著降雨歷時的增加，剝蝕能力限制階段Ⅱ(C)的0—5 m坡段的含沙量均小于0—10 m坡面。本研究主要討論了不同坡度下，陜北黃土丘陵溝壑區(qū)坡面侵蝕—沉積過程特征規(guī)律，對土壤質(zhì)地、降雨強(qiáng)度等因子沒有進(jìn)行深入分析，今后應(yīng)加強(qiáng)對這些因子的研究，更有利于準(zhǔn)確把握坡面土壤侵蝕沉積規(guī)律對有效控制坡面水土流失，提高黃土丘陵溝壑區(qū)水土保持效益。

4 結(jié) 論

(1) 在輸沙能力限制階段(A)階段，含沙量隨坡長的增加而明顯增加，10°和15°坡度下，10 m坡長在此階段的含沙量分別是5 m坡長的2.56和1.99倍。

(2) 坡度為5°，10°，15°時，10 m坡長坡面的總侵蝕量均明顯高于5 m坡面，且5 ，10 m坡面整體均呈侵蝕狀態(tài)。同一坡度下單位面積侵蝕量隨坡長的增加而減少，在該坡度、降雨強(qiáng)度條件下，5—10 m坡段中存在明顯的沉積過程。

(3) 在5°～15°坡度范圍內(nèi)，在10°，15°坡度條件下，0—5，0—10，5—10 m坡段的侵蝕速率隨降雨過程總體呈增加—降低—增加—降低—最終趨于穩(wěn)定的變化趨勢；凈侵蝕過程主要發(fā)生的時間在達(dá)到侵蝕速率峰值前后一段時間內(nèi)，在降雨開始35 min左右時間內(nèi)，在整個降雨過程侵蝕過程與沉積過程并存。

(4) 黃土坡面單位面積土壤侵蝕量隨坡長的增加呈明顯的強(qiáng)弱交替變化，存在臨界侵蝕坡長；本試驗條件下坡面發(fā)生沉積的臨界坡長在4—5 m以及5—10 m范圍內(nèi)。在5°，15°坡度下，在整個降雨過程中，0—5 m坡段的累計單位面積侵蝕量均大于0—10 m坡段坡面，侵蝕過程中一直伴有沉積現(xiàn)象；在10°坡面分別在降雨后15 min左右開始伴有沉積現(xiàn)象出現(xiàn)。