不同降雨強度下土壤結皮強度對侵蝕的影響

路 培，王林華，吳發啟

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不同降雨強度下土壤結皮強度對侵蝕的影響

路 培1，王林華1，吳發啟2※

（1. 西北農林科技大學水土保持研究所，楊凌 712100；2. 西北農林科技大學資源環境學院，楊凌 712100）

為定量分析土壤結皮對坡面侵蝕的影響，該文選擇塿土、黃綿土、黑壚土和黃墡土4類土壤，分析其在3種雨強（60、90、120 mm/h）下的結皮強度變化規律。結果表明，當土壤含水率高于30%時，不同降雨強度下結皮強度差異不顯著（＞0.05），當含水率小于30%時，結皮強度隨降雨強度增大而增強。以楊凌塿土10°坡面為例，進行坡面人工模擬降雨試驗，分析計算不同強度結皮坡面的侵蝕產沙、徑流剪切力、阻力系數以及流速，結果表明：結皮對坡面產流的影響并不顯著，但其存在有效地減少坡面的侵蝕產沙量。結皮存在能有效地減少坡面產沙量，無結皮坡面的產沙量是結皮坡面產沙量的1.24～8.72倍。相同降雨條件下，結皮強度越大，其產沙量越小。進一步通過灰色關聯分析得出：隨著坡面結皮強度增加，水流功率對坡面侵蝕的作用效益不斷減小，而阻力系數的作用效益增加，即水流增加產沙的正效應不斷減弱；另一方面，結皮強度增大使得坡面土壤抗蝕性增強，因此，結皮強度越大，坡面侵蝕量將大幅度減少。研究可為準確有效預報坡面土壤侵蝕提供重要依據。

流量；侵蝕；土壤；結皮強度；徑流功率；阻力系數；流速

0 引 言

土壤結皮是指表面土壤團聚體在理化作用下破碎形成的致密結構表層，其容重大，孔隙度較小，導水率差[1-3]。影響結皮形成的因素主要包括土壤理化性質和降雨，前人對此已進行了大量的研究并已取得一定的成果，但在結皮對侵蝕的影響作用方面仍存在著爭議，部分學者認為結皮能有效的減少侵蝕，一些結論則認為結皮會增加坡面侵蝕效應。Chamizo等[4]通過研究得出在穩定侵蝕條件下，結皮的存在會增加侵蝕。程琴娟等[5-6]認為結皮坡面增加侵蝕的原因是：結皮使得坡面的徑流剪切力的增加值遠大于土壤抗蝕性的增加，完全結皮坡面的土壤侵蝕效應率要高出未完全結皮坡面的土壤侵蝕效應率。Epstein等[7]得出土壤可蝕性是結皮形成程度的函數，并且土壤流失量一般隨結皮形成而減少。吳發啟等[8]得出結皮的存在使產流時間提早，結皮徑流峰值早于無結皮坡面，但產沙量相較于無結皮坡面較小。Moore等[9]通過試驗得出，土壤結皮的存在能有效地減少坡面侵蝕，且減蝕作用主要發生于穩定狀態的侵蝕過程。

結皮的存在主要從2方面影響著侵蝕過程：1）結皮的存在有效地提高了土表的抗剪強度；2）結皮的存在會影響坡面流的形態及其水動力學特征，而徑流沖刷力是侵蝕過程中的動力。土表的抗剪強度與徑流沖刷力二者間的平衡關系是影響土壤侵蝕過程的重要因素[10-12]。

目前多數研究只是通過對比分析結皮坡面和無結皮坡面的產沙、產流以及水動力學特征來分析結皮的存在對侵蝕產生的影響效應，而對于不同強度結皮的產沙產流特征及其水動力學特征變化規律的研究還鮮有報道，并且對于各水力學參數與侵蝕量的相關性強弱沒有給出定量評估。因此，本文通過對比分析不同結皮強度下的坡面產沙特征，依據結皮強度變化和不同降雨條件下的水力學特征定量分析結皮對坡面侵蝕的影響效應，進一步分析結皮坡面水力學參數的變化特征，定量化地描述各因素影響效應的強弱，以期為準確有效地預報坡面土壤侵蝕提供重要依據。

1 材料與方法

1.1 供試土樣

試驗所用土壤均為耕層土，采集深度0～10cm。塿土、黑壚土、黃墡土、黃綿土分別采自于陜西楊陵、淳化西坡村、泥河溝、延安市，采樣地容重通常在1.1～1.4 g/cm3之間[13]。土壤顆粒組成由馬爾文激光粒度儀測定[14]，陽離子交換量、有機質含量、微團聚體采用土壤農化分析常規分析法[15]。土壤各項理化性質如表1所示。

表1 試驗土壤理化指標

1.2 試驗設計及過程

1.2.1 降雨強度對結皮影響的試驗

本試驗在西北農林科技大學水土保持與荒漠化防治實驗室進行，試驗采用室內人工模擬降雨試驗，采用的人工降雨裝置為中科院水利部水土保持研究所研制的下噴式降雨機，噴頭為Fulljet GW系列噴頭，安裝高度為 4 m，有效降雨面積約為3 m×3 m，平均雨滴直徑1.8 mm，降雨動能是天然降雨動能的75%，降雨均勻度可達80%，可通過進水口處的壓力表實現降雨強度的調節，可調降雨強度范圍為20～160 mm/h。

根據當地降雨多集中于6—9月，且多大到暴雨的特點，設計雨強60 mm/h模擬大雨條件，90 mm/h模擬暴雨條件，120 mm/h降雨模擬特大暴雨條件[16-17]。本文選擇60、90、120 mm/h降雨強度下，分析4種土壤結皮強度隨降雨強度變化規律。

試驗土槽規格為長150 cm，寬20 cm，深40 cm，裝填土壤之前，土槽底部平鋪10 cm深的天然沙，保持良好的透水性。由于本試驗使用的降雨機有效降雨面積為 3 m× 3 m，將該區域劃分為20 cm×20 cm的小方格，布設土盤，進行降雨，分別測定各土盤結皮強度，率定出的結皮強度相近的區域只有160 cm×60 cm，為了使整個坡面結皮強度保持一致，且充分利用有效降雨區域，選取坡長為1.5 m的土槽。沙層上部覆蓋紗布后填裝土壤，土層厚度25 cm，用抹子將坡面抹平，保證坡面平整，土槽內土壤容重控制1.3～1.35 g/cm3之間（注意：填土時應逐層加土并壓實，使試驗土體緊實均勻）。在0°坡時，設計前期降雨強度分別為60、90、120 mm/h，降雨時間30 min，降雨后每間隔12 h測定結皮強度的同時，測定其對應含水率。

1.2.2 結皮強度對侵蝕影響的試驗

進一步地，以楊凌塿土為例，分析10°坡面上不同強度結皮對坡面侵蝕產沙過程影響，在3種不同結皮強度（低強度結皮、中等強度結皮和高強度結皮）分別進行不同雨強（60、90、120 mm/h）的降雨試驗。坡面降雨開始之前，進行土槽含水率變化試驗，以確定坡面含水率變化特征。試驗表明，在降雨120 h后，坡面土壤含水率維持在20%～25%左右，目測此時形成了結皮。因此，在預降雨120 h時進行坡面降雨試驗，研究結皮強度對侵蝕的影響。

在0°坡時，設計前期降雨強度分別為60、90、120 mm/h，降雨時間30 min，以形成不同強度的結構結皮，其中1個土槽用紗布覆蓋形成無結皮對照（CK）；降雨結束后，將土槽靜置120 h之后，使坡面含水率保持在20%～25%左右，將坡面調至10°，開始降雨試驗，降雨強度分別為60、90、120 mm/h，降雨歷時1 h。試驗中收集全部泥沙樣，接樣間隔3 min，采用高錳酸鉀染色法[18]測定坡面流速，每隔5 min測定1次坡面流速，每場降雨測定20次，試驗重復3次。

1.3 測定項目與計算指標

1.3.1 結皮強度測定

采用人工填土，試驗用內徑為10 cm、高2 cm的有機玻璃圓盤，圓盤底部用鐵絲網和紗布密封。裝過2.5 mm篩自然風干土樣，裝土質量計算公式為

（1）

式中為裝土質量，g；為土樣容重，g/cm3；為圓盤面積，cm2；為圓盤深度，cm。

設計雨強為：60、90、120 mm/h，降雨歷時30 min，同時測定水溫。降雨前需率定雨強，確定同一雨強的點位，每場降雨分別放置20個土盤，降雨后每間隔12 h用數顯推拉力計（艾德堡儀器有限公司，型號HP-2；測定精度：0.01 kPa）測定土壤結皮強度，具體操作：手動摁壓使圓錐頭部分剛好完全沒入土層，導出讀數，以其最大值作為衡量結皮強度的標準，讀數5次。同時，重復取樣3次，用烘干法測定其對應含水率。

由于在坡面放置儀器不易實現，再加上結皮極易破碎，取樣困難。因此，坡面取樣測定結皮強度很難實現。試驗前，為了檢驗采用土盤測定的結皮強度表征坡面結皮強度的可靠性，選取長、寬、高分別為40、10、20 cm的鐵皮土槽進行強度和含水率的測定，其測定值與土盤測定值差異不顯著（>0.05），表明土盤測定的土壤結皮強度表征坡面結皮強度是可靠的。

1.3.2 計算指標

由于設計試驗坡面大致平整，水深可用公式計算：

=/() （2）

式中為水深，m；為流量，m3/s;為水面寬度，m；為水流流速，m/s。

Foster等[19]在1984年提出了水流剪切力的計算式：

水流功率表示一定高度水體流動時所具有的勢能，為土壤侵蝕的發生提供了能量來源，因此可作為表征水流侵蝕力的重要指標[20-21]。

（4）

式中為水流功率，W/m2。

阻力系數計算公式：

（5）

式中為重力加速度，g/cm3；其余同前。

灰色關聯分析是一種根據不同序列曲線的幾何相似性來判斷其相關性的分析方法，曲線的幾何形態越接近，說明其關系越緊密。灰色關聯分析能有效彌補傳統數理分析時需要大量數據的缺陷[22-24]。具體計算過程如下： 1）確定分析序列，并運用初值化法對序列進行無量綱化處理。設參考序列0={0()}，=1,2,…,；比較序列x={x()}，=1,2,…,。2）計算關聯系數和關聯度。

（7）

2 結果與分析

2.1 結皮強度隨降雨強度與土壤含水率的變化特征

降雨是影響結皮形成的主要動力因素，降雨強度和歷時對土壤結皮強度的作用很大，土壤類型對土壤結皮也會有一定的影響，本文分析了4種類型土壤在3種不同降雨強度下的結皮強度變化特征及在坡面含水率不同時，結皮強度的變化規律（圖1）。在3種雨強下，結皮強度隨含水率減少不斷增強，黃墡土、塿土、黑壚土在含水率大于30%時，3種降雨強度下結皮強度差異不大；但黃綿土在較大含水率時，結皮強度與降雨強度的關系和其他3類土壤并不相同。當土壤含水率小于30%時，結皮強度變化規律為：隨著降雨強度增大，結皮強度不斷增強。

注：圖中擬合曲線以ln(土壤含水率)為自變量，結皮強度為因變量的線性擬合曲線，所有擬合曲線的R2>0.85，P<0.05。

土壤結皮強度雖然在高含水率時差異不大，但土壤結皮強度隨著含水率降低顯著增加，且大雨強形成結皮強度要大于小雨強下的結皮強度。

2.2 不同強度結皮下坡面產流產沙分析

采用二次回歸獲得結皮強度與相應土壤含水率的回歸曲線（2=0.87～0.98，<0.05），以實際田間含水率20%時的強度作為結皮強度的衡量指標，分析不同結皮強度下的坡面侵蝕特征。根據2.1所得結果可知，結皮強度隨降雨強度的增大不斷增加，本文將60 mm/h降雨形成的結皮稱為低強度結皮（11.68～12.80 kPa），90 mm/h降雨形成的為中等強度結皮（15.02～18.40 kPa），120 mm/h降雨形成的為高強度結皮（19.59～20.62 kPa）。圖2表明，在相同降雨強度下，坡面產沙量隨著結皮強度增大不斷減少。在60 mm/h降雨時，對于無結皮坡面，降雨一旦發生，坡面極易被沖蝕而發生細溝侵蝕，但隨著降雨歷時增加，細溝侵蝕逐漸減緩，坡面沉積作用會隨之發生，因此，坡面產沙量呈現出波動下降過程，在30～40 min達到穩定階段，結皮坡面在整個降雨過程產沙量較小且無明顯的趨勢變化；90 mm/h降雨下，中等強度結皮坡面產沙量在30 min左右出現上升趨勢，而高強度結皮的這一上升趨勢出現在50 min之后，產沙量的增加是由于坡面細溝侵蝕的出現。中等強度結皮坡面在30 min左右結皮被打破，細溝侵蝕發生。高強度結皮被打破的時間在50 min之后，結皮強度越大，坡面結皮被降雨打破并發生細溝侵蝕的時間越晚，在1 h降雨時段內的產沙量也愈小。低強度結皮和無結皮坡面均表現為波動下降趨勢；120 mm/h降雨下，中等強度結皮坡面產沙量在25 min出現上升趨勢，而高強度結皮的這一上升趨勢出現在40 min左右，隨著降雨強度增加，結皮坡面發生細溝侵蝕時間提前。坡面徑流量（以60 mm/h雨強為例）變化始終表現為在降雨初期迅速增加并達穩定，且這一穩定狀態持續了整個降雨過程，在不同強度結皮坡面徑流量差異不顯著。

圖2 不同強度結皮的坡面產流產沙過程

從圖3可以得出，結皮坡面的總徑流量大于無結皮坡面，且差異顯著（＜0.05），但不同強度結皮坡面產流量差異不顯著，說明結皮強度對徑流的影響不明顯。但結皮存在能有效地減少坡面產沙量，無結皮坡面的產沙量是結皮坡面產沙量的1.24～8.72倍。相同降雨強度下，結皮強度越大，其產沙量越小。60 mm/h降雨強度下，無結皮坡面產沙量分別為低強度結皮、中等強度結皮和高強度結皮的3.43、5.35和10.23倍；90 mm/h降雨強度下，為1.24、2.41和6.36倍；120 mm/h降雨強度下，為2.22、3.82和8.73倍。降雨強度較小時，坡面結皮不易被打破，能被水流搬運的松散物質越少，坡面產沙量較少。因此，降雨強度較小時，結皮坡面相對減蝕效應更強。

注：不同字母表示高、中、低強度結皮和無結皮坡面差異顯著（α=0.05），下同。

2.3 不同強度結皮坡面水動力學參數

統計（檢驗）結果表明結皮坡面和無結皮坡面的水流剪切力差異顯著（<0.05），無結皮坡面的水流剪切力大于結皮坡面的水流剪切力（<0.05）（圖4）。對于不同結皮強度坡面，其水流剪切力差異不顯著（＞0.05），即一旦坡面形成結皮，水流剪切力不會隨結皮強度和降雨強度發生顯著變化。

圖4還表明，無結皮坡面的阻力系數大于結皮坡面的阻力系數，在相同降雨條件下，阻力系數隨著結皮強度增強不斷減小，說明結皮的存在能有效地降低坡面阻力系數，即結皮強度越大，坡面阻力系數越小，這是由于坡面結皮強度越高，其表面越光滑。無結皮坡面水流功率大于結皮坡面水流功率，可能是由于前者剪切力遠大于后者。對于結皮坡面，當結皮強度增強時，水流功率是不斷增大的，結皮強度越大，坡面流速越大，因此其相應的水流功率也越大。

2.4 結皮坡面水動力學參數與坡面產沙量灰色關聯分析

依據灰色關聯分析，各指標對產沙量的影響效應用關聯度表示，關聯度值越大表示指標的重要性越高。由表2可知，無結皮坡面和低強度結皮坡面的水流功率與產沙量的關聯度大于阻力系數與產沙量的關聯度，說明水流功率在其侵蝕過程中起主導作用。因此，在無結皮和低強度結皮在坡面侵蝕過程中會有較大的產沙量。但對于高強度結皮和中等強度結皮而言，水流功率與產沙量的關聯度小于阻力系數與產沙量的關聯度，阻力系數在其侵蝕過程中占據主導性，坡面產沙量減少。土壤結皮存在改變了坡面侵蝕動力的作用效益，進而影響著坡面侵蝕過程。

表2 坡面產沙量灰色關聯分析結果

隨著坡面結皮強度的增強，水流功率對產沙量的影響效應減弱，但阻力系數對產沙的影響效應增強；另一方面，由于坡面結皮強度增強，使得坡面土壤不易被水流沖刷運移，產沙量減少。所以，土壤結皮能夠有效地減少坡面侵蝕。

3 討 論

土壤結皮強度是反映土壤抗蝕性的一個重要指標，它與地表流速和土壤侵蝕程度密切相關，一般用土壤的抗剪強度來反映土壤結皮強度[25]。劉志等[26]通過對黃綿土進行人工模擬降雨試驗還發現在坡度一定時，表土結皮強度與降雨動能為非線性關系，結皮強度隨降雨強度增加而遞增。

徑流侵蝕力定義為水流沿坡面向下運動時所具有的水流剪切力，水流剪切力破壞土壤結構，引起土粒分散并隨水流一起輸出坡面。Neave等[27]通過野外試驗得出結皮存在使得土壤表面變得光滑，從而能增加坡面徑流流速，進而使得水流具有較大的剪切力，能夠增加坡面侵蝕量，其并未對結皮增大表層土壤的抗蝕性進行分析。本研究中，無結皮坡面水流剪切力大于結皮坡面水流剪切力且差異顯著（＜0.05），無結皮坡面產沙量大于結皮坡面，對于無結皮和結皮坡面而言，可見水流剪切力是影響坡面產沙的重要因素，產沙量與坡面剪切力正相關，但水流剪切力在不同結皮強度坡面差異不顯著。王瑄等[28-29]均通過試驗得出，水流功率與土壤剝蝕率有較強的相關性，水流功率越小，則坡面產沙量越少。但在本文中，對于不同結皮強度坡面，坡面產沙量與水流功率的相關性并不強，這是由于土壤抗蝕性也是影響坡面侵蝕的重要因素。Zhu[30]通過田間試驗得出結皮的存在能夠增加土壤抗蝕性，減少地表松散物質，從而減少坡面產沙量。無結皮坡面的阻力系數是結皮坡面阻力系數的1.9～8.7倍，但產沙量是結皮坡面的1.2～10.2倍，這一規律與吳秋菊等[28]所得結果相一致。由此可知，坡面侵蝕的發生是侵蝕動力、坡面阻力和土壤抗蝕性綜合作用的結果。

灰色關聯分析結果表明，在侵蝕過程中，隨著坡面土壤結皮強度的不斷增大，阻力系數的作用效益不斷增加，而水流功率的作用效益則是減小的，再加上結皮強度增加使得坡面土壤的抗蝕性增大，因此，結皮的存在能夠有效地抑制土壤坡面侵蝕，結皮強度越大，其作用越強。

4 結 論

土壤結皮強度與土壤含水率具有較強的相關性，結皮強度隨含水率的減少逐漸增強，但當土壤含水率大于30%時，3種雨強下的結皮強度幾乎沒有差異。結皮與降雨強度的關系表現為，在含水率小于30%時，結皮強度是隨降雨強度增大而增強，進一步說明降雨是影響結皮形成的主要因素。

降雨過程中，坡面產沙量在有無結皮的情況下差異顯著（＜0.05），結皮存在能有效地減少坡面侵蝕，在同一結皮強度條件下，降雨強度越大，坡面產沙量越多。相同降雨強度下，結皮強度越大，其產沙量越小。

水流功率對產沙量的影響效應隨著結皮強度的增大不斷減弱，而阻力系數對產沙量的影響效應是不斷增大的，同時結皮存在增強了坡面抗蝕性。因此，土壤結皮的存在有利于減小坡面土壤侵蝕量，且強度越大，減蝕效應越強。

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Effect of soil crust strength on erosion under different rainfall intensity

Lu Pei1, Wang Linhua1, Wu Faqi2※

(17121002.712100)

Soil crust plays an important role in rainfall, runoff and erosion process. When it comes to the present situation, most studies analyze the impact mechanism of soil erosion on the existence of soil surface crust, through comparison analysis of sediment yield, runoff producing and characteristic of hydrodynamic under the crust and no crust slope. However, limited studies report on the characteristic of soil sediment yield, runoff produced and the rule of feature variation for hydrodynamic, also, no quantitative evaluation about the hydraulics parameter's influence on sediment yield. Therefore, in our research, according to crust strength variation and hydrodynamic characteristic under different crust strength, we conducted quantitative analysis on the impact of crust on slope erosion, and through comparison analysis for characteristic of slope sediment yield, under different crust intensities. We further analyzed the change features of hydraulics parameter under slope erosion, and described strength of effect quantitatively under influence factor, for providing important material to predicate accurately and effectively slope soil erosion. In this paper, the impact mechanism of soil crust on slope erosion was reported using quantitative analysis method. The strength of soil crust change of 4 soil types (Lou soil, Loess soil, Heilu soils and Huangshan soil) under 3 rainfall intensities (60, 90, 120 mm/h) was analyzed. Our results showed that the relationship between the crust strength and rainfall intensity was complex when soil water content was more than 30%. However, when soil water content was less than 30%, crust strength increased with the increase of rainfall intensity. Taking the 10° slope of Lou soil as an example, sediment yield, shear stress, resistance coefficient and flow velocity of different crust strength under artificial rainfall experiments were determined and analyzed. The existence of crust could reduce slope sediment yield effectively, and the sediment yield of no crust slope was 1.24-8.72 times more than crust slope's. The crust on slope effectively reduced the erosion and sediment yield. The greater the crust strength was, the stronger the reduction was. The flow shear stress, stream power, resistance coefficient of no crust slope were all larger than the crust slope, but for crust slope, flow shear stress of various crust strength was not significant different (>0.05). Stream power and flow shear stress were enhanced with increase of crust strength. The larger crust strength was, the smoother surface was, the larger flow velocity was, the smaller resistance was, which improved the stream power. The stream power of high strength crust was larger than low strength crust, but with the smaller sediment yield, its resistance of slope was large. Therefore, the formation of soil erosion was synthetic result of erosion dynamic, slope resistance and soil anti-erodibility. The grey correlation analysis showed that with the increase of the soil crust strength, the influence of the stream power on the erosion of the soil was decreased, and the effect of the resistance coefficient was increased. Therefore, there was a positive effect of water flow on sediment reduction, and the soil erosion resistance of the soil was enhanced with the increase of crust strength, so the erosion amount of soil would decrease greatly.

flow rate; erosion; soils; crust strength; stream power; resistance coefficient; flow velocity

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.08.019

S157

A

1002-6819(2017)-08-0141-06

2016-07-11

2017-03-10

國家自然科學基金項目“黃土坡耕地地表糙度對產匯流的影響研究”（41271288）

路 培，女，陜西富平人，博士生，主要從事土壤侵蝕方面的研究。楊凌 西北農林科技大學水土保持研究所，712100。 Email：lupei728@nwafu.edu.cn。

吳發啟，男，陜西黃陵人，教授，博士生導師，主要從事土壤侵蝕與流域管理方面的研究。楊凌西北農林科技大學資源環境學院，712100。Email：wufaqi@263.net

路 培，王林華，吳發啟.不同降雨強度下土壤結皮強度對侵蝕的影響[J]. 農業工程學報，2017，33(8)：141－146. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.08.019 http://www.tcsae.org

Lu Pei, Wang Linhua, Wu Faqi. Effect of soil crust strength on erosion under different rainfall intensity[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(8): 141－146. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.08.019 http://www.tcsae.org