不同侵蝕程度花崗巖紅壤坡面侵蝕泥沙顆粒特征研究*

張德謙，倪世民，王軍光，吳文梟，蔡崇法

（華中農業大學水土保持研究中心，農村農業部長江中下游耕地保育重點實驗室，武漢 430070）

我國長江以南山地丘陵區地處熱帶亞熱帶，雨量充沛，由于自然環境、花崗巖母質特征及人為活動破壞，土壤侵蝕日益加劇，現已成為我國僅次于黃土高原的第二大侵蝕區，特別是花崗巖紅壤區已成為我國水土流失嚴重的區域[1-3]。土壤侵蝕是一個復雜的過程，受降雨和下墊面等因素的綜合影響。在花崗巖深厚的風化殼中，各個風化層土壤性質不同，不同強度的水力侵蝕造成了不同層次土壤不同程度地暴露在外，其理化性質與抗侵蝕能力差異非常明顯[4-7]，造成坡面侵蝕產沙過程與泥沙顆粒特性存在較大差異[8]。降雨是引起土壤侵蝕的驅動因子[9]，大量研究表明，降雨強度越大土壤侵蝕越嚴重，特別是在細溝發育的活躍階段[10]。而短歷時暴雨是造成該區坡面侵蝕的主要雨型[11]，加之缺乏植物和有機質，裸露的花崗巖紅壤坡面極易受到降雨和徑流沖刷的影響[12]。隨著極端降水情況的頻發，暴雨對土壤侵蝕的影響應引起人們的重視。

土壤顆粒隨徑流的輸移和分選特征是坡面侵蝕的研究重點，一直被國內外學者所關注。當降雨動能較低時，土壤中細顆粒優先被分散[13-14]；更高的降雨動能會增加徑流搬運能力，使得泥沙顆粒中粗顆粒含量增加，黏粒含量相對減少[15]。當坡面徑流水流功率超過臨界值時，徑流分選作用降低，泥沙的顆粒組成與原生土壤逐漸趨于相似[16]。侵蝕過程對泥沙顆粒的分選也存在一定的作用[17]，當細溝發育后，降雨侵蝕顆粒粗化現象更為明顯[18]。泥沙的顆粒分布也受土壤母質和降雨侵蝕力影響，土壤母質相同的情況下，雨強和坡面條件會影響泥沙顆粒的比例，黏粒含量會隨著坡長和雨強的增加而增加[19]。Berger 等[20]在研究細溝發展與土壤侵蝕的關系中提出雨強和坡度對細溝泥沙顆粒的分布均有影響，且雨強的影響大于坡度。當土壤母質不同時，泥沙顆粒分布也會產生明顯差異[21]。

目前，關于花崗巖紅壤的侵蝕特征研究中，有限的探索主要集中在紅壤表土與崩積堆的泥沙顆粒分選特征方面[12，22]，而不同侵蝕程度土壤間的坡面侵蝕規律與泥沙分選特征研究不足。鑒于以上研究背景，本試驗以花崗巖發育不同侵蝕程度紅壤為對象，研究了人工模擬降雨和徑流沖刷條件下的坡面侵蝕產流產沙特征，揭示了降雨強度和上方來水流量雙因素與坡面泥沙顆粒特征的關系，以期為南方紅壤區水土保持提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試土樣采集于福建省長汀縣和田鎮（25°37′58.69″N，116°27′29.41″E）。該區屬于亞熱帶季風濕潤氣候，年平均氣溫18.5 °C，年平均降水量1 650 mm。采樣時參照Wu等[23]判斷土壤侵蝕程度依據及立地崩崗侵蝕發生發育程度，在尚未發生崩崗侵蝕的花崗巖發育殘積土坡面采集輕微侵蝕程度土體（E1），采樣深度為10 cm，土壤層次為表土層，有豐富植被生長（主要為鐵芒萁和馬尾松），結構較好。在有崩崗侵蝕發生的集水坡面靠近坡頂位置采集中度侵蝕土體（E2），采樣深度為10 cm，土壤層次為紅土層，地表草本植被稀少（以馬尾松為主），土體黏重，土粒細膩緊實，土壤結構嚴重破壞，透水性差。嚴重侵蝕土壤（E3）采集自崩崗崩壁，采樣深度為200～230 cm，土壤層次為過渡層，呈紅色夾雜零星黃色，土壤極為貧瘠，保肥持水能力差，土體結構疏松，用手搓會有沙質感。采樣點及剖面詳情見圖1。將土樣運回試驗室后，自然風干并過10 mm篩，剔除石塊、根系等雜質后備用。土壤有機質采用重鉻酸鉀容量法測定，土粒密度采用比重瓶法測定，pH通過pH計測定；土壤粒徑分布使用超聲波振蕩儀分散土壤顆粒，并通過濕篩法結合吸管法測定，采用美國制粒徑分級，得到礫石（＞2 mm）、粗砂粒和細砂粒（0.05～2 mm）、粉粒（0.002～0.05 mm）、黏粒（＜0.002 mm）質量分數。土壤容重采用野外原位采集的環刀測定（100 cm3）。土樣的基本理化性質見表1。

圖1 野外采樣情況Fig. 1 Soil profile of the Ultisol（red soil）derived from granite

表1 試驗土樣的基本理化性質Table 1 Basic physicochemical properties of the soil samples used in the experiment

1.2 研究方法

模擬降雨裝置采用垂直旋轉下噴式自動模擬降雨系統，該降雨器通過小、中、大三種規格的噴頭組合實現15～220 mm·h-1降雨強度范圍，降雨均勻度大于90%。降雨高度為10 m，降雨雨滴可以達到終點速度[24]。試驗土槽規格為3.0 m（長）×0.8 m（寬）×0.45 m（高），坡度可在0°～30°自由調節。本試驗基于開放小區，在降雨-徑流耦合條件下進行模擬實驗。徑流通過恒壓水泵和槽子后端的穩流槽提供，流量由供水管道上的兩個控制閥調節。按照野外采集的環刀測定的容重，將3個層次土樣分別按其容重作為試驗土壤填入土槽。填裝土樣時，采用分層填裝，每層5 cm，并在上層土壤填入前對下層土壤刮毛，逐層填至30 cm以保持土壤顆粒分布均勻貼合緊密。完成土壤裝填后在土槽頂部覆蓋一個15 cm長的紗布，以盡量減少徑流沖刷和邊緣效應的影響，試驗重復2次，試驗裝置見圖2。

根據長汀暴雨經驗公式，針對我國亞熱帶氣候區典型的強風暴，設置了在90 mm·h-1+2.00 L·min-1和120 mm·h-1+2.66 L·min-1兩種試驗條件下（假定坡面上游有2 m2的集水區）對三個侵蝕程度土壤共進行了6組降雨-沖刷試驗。丁光敏[25]在對福建崩崗侵蝕成因的調查研究中發現10°～25°中坡為最易產生侵蝕的坡度，故本試驗設置試驗坡度為15°，也是崩崗侵蝕嚴重區集水坡面常見坡度。試驗降雨強度根據當地設計暴雨強度公式計算了一年一遇、五年一遇、十年一遇下I30min、I45min、I60min選定，其中90 mm·h-1為多年平均暴雨降雨強度，120 mm·h-1為極端暴雨條件下降雨強度。流量設置依據嚴冬春等[26]不同坡度下細溝侵蝕發生的臨界坡長，等比例添加上方來水使對應降雨強度下坡面匯水坡長達到5 m。試驗前以小雨強（30 mm·h-1）對坡面進行預濕潤處理，使用紗布覆蓋表土，減少雨滴濺蝕影響，直至產流，并放置24 h后開始試驗。降雨歷時1 h，每分鐘采集3組泥沙樣品，用于計算土壤侵蝕速率、泥沙濃度，并利用每三分鐘時間段中第三分鐘的三個樣品（即第3、6、9…60分鐘的三個樣品）通過濕篩和吸管法測定泥沙顆粒粒徑：礫石（＞2 mm）、砂粒（0.05～2 mm）、粉粒（0.002～0.05 mm）、黏粒（＜0.002 mm）。

圖2 試驗裝置模擬圖（A），模擬降雨裝置（B），試驗圖（C）Fig. 2 Flume（A）and rainfall simulator（B）used in the experiment and test diagram（C）of the experiment

1.3 參數獲取

綜合有關研究選取下列相關參數。土壤侵蝕速率[27]（土壤剝蝕率）為單位時間、單位侵蝕面積上土壤在水流侵蝕動力的作用下被剝蝕的土壤顆粒質量，表征徑流對坡面土壤的分離能力，其求解方法如下：

式中，Dr為土壤侵蝕速率，kg·m-2·min-1；mt為累積產沙量，kg；B為水寬，cm；L為溝長，m；T為時間，min。

為了研究泥沙粒徑分選機制，計算了泥沙中各粒徑含量和原土樣對比的富集率（Enrichment ratio，ER）[22]，具體計算公式如下：

式中，ER為富集率；Ps為泥沙某一粒徑的百分比，%；Po為土壤某一粒徑的百分比，%。ER＞1表示該顆粒富集，ER＜1表示該顆粒損耗。

分形維數通過表征土壤顆粒粒徑分布、土壤質地均一程度、土壤團粒結構團聚體、水穩性團聚體和粒徑組成等[28]，可用于反映坡面土壤質地及肥力對侵蝕過程的響應[29]及坡面土壤結構對侵蝕的影響[30]。Mandelbrot[31]建立了二維空間顆粒大小分形特征模型。此后，Tyler和Wheatcraft[32]在此基礎上建立了三維空間的體積分形維數模型：

對分形維數模型進行推導，兩邊取對數，以左右兩邊為因變量和自變量進行線性擬合，擬合的直線斜率即為3-D，從而可求出分形維數D。

式中，di=（dj+dj+1）/2，W（δ＞di）為粒徑大于di累積土粒質量；Wo為各粒級土粒質量之和；di為篩分粒徑范圍[dj，dj+1]平均值；dmax為某個粒徑級[dj，dj+1]最大粒級平均直徑。

1.4 數據處理

數據處理與分析在Excel 2016、Origin 2017與SPSS 19.0軟件中完成，相關分析采用多元逐步回歸分析。

2 結果與討論

2.1 不同降雨強度和上方來水流量對產流產沙的影響

不同降雨-沖刷強度下坡面產流率變化如圖3。產流率隨產流時間表現為先增加、后相對穩定或略有波動。其原因是降雨初期，土壤含水率較低，未達到飽和，雨水下滲作用延緩了徑流的產生。隨著降雨歷時的延長，土壤含水率逐漸飽和，加之雨滴擊濺導致地表粗顆粒破碎分離，細顆粒逐漸堵塞土壤孔隙，促進徑流的產生，當坡面逐漸達到穩定下滲率時，產流率也趨于穩定。兩種降雨-沖刷強度下產流率表現為E2＞E1＞E3，差異顯著（表2）。其原因是坡面侵蝕過程取決于降雨特征、土壤性質和地表條件等因素[23，33]，不同侵蝕程度土體的容重存在顯著差異，容重越大產流率也會越大（r=0.91，P＜0.01），而降雨-沖刷強度的增加會減少到達穩定階段需要的時間，高降雨-沖刷強度下產流率也會更高。

圖3 不同侵蝕程度土體產流率隨產流時間的變化Fig. 3 Temporal changes in runoff rate relative to erosion degree of the slope

表2 不同侵蝕程度土體侵蝕特征Table 2 Soil erosion characteristics relative to erosion degree of the slope

圖4 不同侵蝕程度土體土壤侵蝕速率隨產流時間的變化Fig. 4 Temporal changes in sediment yield rate relative to erosion degree of the slope

不同降雨-沖刷強度下各侵蝕程度土壤侵蝕速率變化如圖4所示。除E1在90 mm·h-1+2.00 L·min-1條件下，其余各試驗條件下土壤侵蝕速率隨著產流歷時呈增加趨勢。各土體土壤侵蝕速率差異顯著，表現為E3＞E2＞E1（表2），E3在90 mm·h-1+2.00 L·min-1條件下土壤侵蝕速率為0.324 kg·m-2·min-1，為E2的1.57倍和E1的9.95倍；在高雨強下E3土壤侵蝕速率為0.740 9 kg·m-2·min-1，為E2的1.76倍和E1的2.40倍。隨著降雨-沖刷強度的增加，各侵蝕強度土體土壤侵蝕速率也顯著增加，E1、E2及E3分別增加了9.48倍、2.03倍、2.28倍。究其原因為E1在90 mm·h-1+2.00 L·min-1條件下，侵蝕過程主要為雨滴擊濺與層狀侵蝕，未發育出細溝。隨著土壤表面可被搬運的細顆粒被輸移耗盡，產流率增加加劇了坡面粗化程度，使得表土層中豐富的礫石裸露在地表對下層土壤起到了保護作用。當降雨-沖刷強度增加后，坡面水流功率增加，超過了地表對粗顆粒的阻力，使其推移搬運。隨著細溝開始發育，坡面集中水流侵蝕能力增大，土壤侵蝕速率隨之增加[34]，并伴有細溝溝壁崩塌，使得土壤侵蝕速率存在波動。由于水流功率較高，E2、E3土體與E1之間基本性質存在差異，粗顆粒含量也遠少于E1，導致E2、E3坡面細溝發育過程劇烈，土壤侵蝕量也高于E1。

為研究降雨-沖刷強度對各侵蝕程度土體侵蝕特征的影響，進行了多元逐步回歸分析。結果表明，容重、降雨-沖刷強度和土壤粉粒含量對產流率起正向作用（R2=0.800，P＜0.01），容重起主要作用。降雨-沖刷強度和土壤粉粒含量對泥沙濃度起正向作用，土壤黏粒含量對泥沙濃度起負向作用且起主要作用（R2=0.689，P＜0.01）。土壤侵蝕速率受降雨-沖刷強度、砂粒含量和土壤粉粒含量的影響（R2=0.715，P＜0.01），土壤砂粒含量和粉粒含量起主要作用。降雨強度在土壤侵蝕中起著雙重作用，不僅使團聚體消散破碎，而且形成徑流促進泥沙搬運。花崗巖紅壤隨著侵蝕程度的加深，土壤性質隨之發生變化，表現為粉粒和砂粒含量的增加與黏粒含量的減少。

2.2 不同降雨強度和上方來水流量下泥沙分選差異

圖5是各侵蝕程度土體泥沙顆粒分布隨產流時間的變化。E1各粒級泥沙分布隨產流歷時變化均較大，黏粒和粉粒含量逐漸減少，而粒徑較大的砂粒和礫石含量逐漸增加。其原因是試驗初期坡面侵蝕為片蝕階段，懸移-躍移是主要的搬運機制[35]，徑流會優先選擇易侵蝕的細顆粒，而坡面形成的薄層水流在雨水沖擊作用下，徑流雷諾數的增加加劇了細顆粒的侵蝕。隨著細溝侵蝕階段開始，徑流功率增加，加強了對大顆粒泥沙或團聚體的搬運能力，使大粒徑的礫石發生輸移[36]。集中水流作用下細溝內泥沙分選作用下降，細溝間侵蝕仍以雨滴擊濺為主，但產流初期細顆粒已被大量侵蝕，導致了細顆粒隨降雨時間搬運量下降，致使坡面發生粗化。而泥沙中粒徑較大的礫石在初始階段較低也是由于其質量較大，水流產生的拖拽力小于泥沙顆粒與坡面的摩擦力，無法使土粒在坡面上發生滑動或滾動而發生輸移。而中度侵蝕土體和嚴重侵蝕土體在降雨前期較短的時間變化較大，此后有波動但整體變化趨勢并不大。這是由于隨著土體侵蝕程度的加深，其抗侵蝕能力相應下降，細溝在極短的時間產生，集中水流功率迅速增加，分選作用大大下降。

圖5 不同侵蝕程度土體泥沙顆粒隨產流時間的變化Fig. 5 Temporal changes in particle size composition of the soil slope relative to erosion degree of the slope

隨著降雨-沖刷強度增加礫石和黏粒含量均增加，砂粒和粉粒含量減少（表3）。這主要是因為更高的降雨-沖刷能量具有更大動能帶動大顆粒的運移，同時也會增加細溝間區域的侵蝕強度，引起黏粒和粉粒含量的改變。隨著降雨-沖刷強度增加，不同粒徑顆粒增加比例也存在差異。高降雨-沖刷條件下E1、E2、E3礫石含量分別增加了13.61%、7.54%、13.60%，而黏粒分別增加了6.73%、0.39%、1.48%。其差異表明高降雨-沖刷條件對細溝侵蝕作用的影響作用明顯高于細溝間侵蝕。砂粒含量減少較大，通過對砂粒粒徑細化可以看出，其改變的主要原因是細砂粒（0.05～0.25 mm）含量的減少和粗砂粒（0.5～2 mm）含量的增多，使其分布更趨近于原土。高降雨-沖刷條件下細溝會更早的形成，細溝水流功率增加，較大粒徑的粗砂粒侵蝕量增加，而水層厚度的增加削弱了雨滴擊濺的影響，導致細砂粒搬運量減少。泥沙中各侵蝕程度砂粒含量均很高，這也與原土砂粒含量較高有關。

對比兩個降雨-沖刷強度下各侵蝕程度土體泥沙的富集率可以發現：在較低降雨-沖刷強度下，泥沙中黏粒和粉粒的富集率較高、砂粒和礫石富集率均較低（表3），這與楊偉等[37]的研究結果一致。細顆粒物質的富集和土壤表面團聚體的破碎程度有關[38]，在較低降雨-沖刷強度下，受到雨滴動能的影響，大粒徑顆粒被剝蝕為較小粒徑顆粒，小顆粒以懸移的方式流失，而大顆粒較難被搬運。這間接表明粗顆粒在坡面地表富集，這一現象與在野外花崗巖紅壤崩崗侵蝕區集水坡面觀察到的現象一致。在更高的降雨強度下礫石富集率增幅較大，E1、E2、E3分別增加了2.52倍、3.96倍、31倍，其中E1礫石富集率接近1，而E2、E3則遠大于1。這一現象可能歸因于泥沙輸移機制的差異（懸移、躍移和推移過程）[39]，粒徑較大的顆粒通過推移被搬運，粒徑較小的顆粒通過懸移-躍移被搬運[40]。當降雨-沖刷強度增加后，細溝更快的發生發育，水流功率及挾沙能力的增加，明顯增大了推移搬運的比重。

表3 不同侵蝕程度土體泥沙顆粒質量分數及富集率Table 3 Particle size composition and enrichment rates of various fractions of the sediment as affected by erosion degree

2.3 不同降雨強度和上方來水流量下泥沙顆粒分形維數變化

已有研究表明土壤顆粒分形維數越高，土壤細顆粒化越明顯，土壤質地相對會更好[41]。在泥沙顆粒分選研究中引入分形維數的概念，有助于更好地表征不同粒徑顆粒的變化。泥沙顆粒質量分形維數與其黏粒、粉粒和砂粒質量分數之間的關系如圖6所示。由圖可知，分形維數與黏粒和砂粒質量分數之間關系均可以采用線性模型進行較好擬合（P＜0.01），其中，分形維數與黏粒質量分數之間為極顯著正相關關系，與粉粒和砂粒質量分數之間為負相關關系（其中與砂粒質量分數呈極顯著負相關），泥沙顆粒分形維數主要由黏粒的質量分數決定，這與劉淼等[42]、王國梁等[43]的研究結果相符。因此，暴雨驅動下分形維數相對較高反映了泥沙中砂粒比重的下降與黏粒比重的升高，可以作為評價不同侵蝕程度坡面侵蝕泥沙的顆粒粒級分布特征的指標。

圖6 分形維數與侵蝕泥沙砂粒、粉粒和黏粒質量分數的相關關系Fig. 6 Correlations of fractal dimension with sand，silt and clay in content

圖7為不同降雨-沖刷條件下泥沙顆粒分形維數隨產流歷時的變化。E1泥沙質量分形維數在較低降雨-沖刷強度下隨著產流歷時的延長逐漸降低，當降雨-沖刷強度增加后分形維數隨產流歷時表現為先下降后趨于平穩。在90 mm·h-1降雨強度和2 L·min-1沖刷流量耦合條件下，初期雨滴擊濺對土粒的分散作用較強，坡面薄層水流的搬運和層狀剝蝕作用使得侵蝕泥沙中細顆粒增多。隨著降雨歷時延長，坡面粗顆粒露出減少了雨滴擊濺的影響，分形維數隨之逐漸減小。在120 mm·h-1降雨強度和2.66 L·min-1沖刷流量耦合條件下，雨滴擊濺分散土壤顆粒的作用更強，致使細顆粒增多，分形維數相較于較低降雨-沖刷下更大；同時坡面細溝開始發育后，集中水流對泥沙顆粒分選作用反而降低[16]，分形維數隨之穩定。E2、E3侵蝕顆粒分形維數在試驗初期有下降趨勢，其后變化不明顯，隨著降雨-沖刷強度變化分形維數增加不大。其原因是E2、E3相對于礫石含量更少，抗侵蝕能力更低，兩個降雨-沖刷條件下均在較早時間內發育出細溝。分形維數存在波動，是因為溝岸坍塌造成了泥沙顆粒分布有較大變動。其中90 mm·h-1降雨強度和2 L·min-1沖刷流量耦合條件下E3侵蝕泥沙分形維數在12～18 min增加，原因是試驗條件為降雨-沖刷，抗侵蝕能力較弱的E3不僅存在細溝的溯源侵蝕，坡面頂部在水流沖刷作用下也會出現跌坎，當溝頭與跌坎匯合加劇水流對細顆粒的侵蝕，導致分形維數增加，隨著細溝的穩定發育，分形維數逐漸降低。

圖7 不同侵蝕程度土體泥沙顆粒質量分形維數隨產流時間的變化Fig. 7 Temporal changes in fractal dimension of sediment particles relative to erosion degree and duration of runoff yielding

3 結 論

隨著降雨-沖刷強度的增加，土壤侵蝕速率、泥沙濃度和產流率均增加，輕度侵蝕土壤受降雨-沖刷強度影響最大。不同侵蝕程度土體間，土壤侵蝕速率表現為E3＞E2＞E1，而產流率表現為E2＞E1＞E3，通過多元逐步回歸分析發現降雨強度越大，黏粒含量越高、粉粒含量越低，土體侵蝕速率越小，而容重越大產流率越高。隨著降雨-沖刷強度和降雨歷時增加，泥沙中礫石和黏粒含量均增加，砂粒和粉粒含量減少。黏粒和粉粒的富集率較高、砂粒和礫石富集率較低，隨著降雨-沖刷強度增加礫石富集率增幅較大。E1泥沙質量分形維數隨產流歷時降低，隨降雨-沖刷強度增加而增大。E2、E3侵蝕顆粒分形維數下降集中在試驗初期，細溝發生后其變化不明顯，隨著降雨-沖刷增加分形維數增加不明顯。