陜北黃土丘陵溝壑區坡面侵蝕—沉積過程試驗研究

劉 冉, 余新曉, 蔡強國, 孫莉英, 方海燕, 賈國棟, 和繼軍

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

陜北黃土丘陵溝壑區氣候變化劇烈，地形地貌復雜，使其已成為水土流失最嚴重的地區之一，同時也是生態環境極其脆弱的地區之一，嚴重阻礙了黃土高原地區的可持續發展[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系，且往往同時發生[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]，當輸沙量超過徑流輸沙能力時，就會發生沉積[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據只能反映土壤侵蝕的強弱，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定性等[11]方面進而影響土壤侵蝕過程。譚貞學等[12]通過室內模擬降雨試驗發現侵蝕模數隨坡度增加呈波動變化，并且上坡位、下坡位的侵蝕模數存在明顯差異。徐振劍等[13]利用三維激光掃描技術得出整個坡面存在明顯的侵蝕—沉積分區，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坡面侵蝕—沉積過程的變化規律研究則較為缺乏，需加強該方面的研究。因此，本研究利用室內人工模擬降雨，結合陜北黃土丘陵溝壑區坡耕地特點，研究不同坡長、坡度對當地裸露坡面侵蝕、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流、產沙過程動態規律，分析各影響因素作用下黃土坡面侵蝕沉積過程特征，促進對坡面侵蝕機理的深入認識，從而為陜北黃土丘陵溝壑區水土保持措施的合理布設以及水土流失防治規劃提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

本研究于2018年5月至7月在中國科學院水利部水土保持研究所土壤侵蝕與旱地農業國家重點試驗室人工降雨大廳采用室內模擬降雨試驗方法進行。試驗降雨方式采用下噴式降雨系統，雨強可通過噴嘴大小和壓強進行調節。降雨高度為18 m，能夠保證所有雨滴均達到最終速度，降雨覆蓋面積為27 m×18 m。降雨系統將水噴射至空中，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。安塞地區屬于典型的黃土丘陵溝壑區，地處陜北黃土高原腹地，地貌特征復雜，草原分布廣，土地利用類型多樣。該區農業以種植業和畜牧業為主，水土流失情況嚴重。研究區土壤土層深厚，土壤質地組成以粉沙為主，缺乏有機質和黏粒物質，膠結能力差，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械組成，試驗土壤質地按國際制的土壤粒級劃分結果屬于砂壤土，有機質含量較低(表1)。

表1 試驗土壤的顆粒機械組成

1.2 試驗設計

試驗前將所用土樣自然風干，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厚的細沙，細沙上面覆蓋透水的細紗布，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的影響，裝土時在隔板處盡量壓實，裝土結束后，用平尺刮平土壤表面，形成疏松層，代表降雨前坡面已經形成大量可搬運物質。本次試驗采用環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]。本試驗使用規格5 m×1.0 m×0.5 m和10 m×1.5 m×0.5 m固定式可調坡鋼制土槽；降雨過程中坡面存在侵蝕—搬運—沉積作用，而沉積現象的發生隨坡度增加而減弱，根據緩坡分布范圍，坡度分別選取5°，10°，15°。通過對黃土丘陵溝壑區1987年以來的極端暴雨資料的統計分析，發現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降雨強度下進行降雨試驗，每個試驗方案均重復降雨2次，總共模擬降雨試驗場次為12次。降雨歷時1 h，達到了天然暴雨的級別，文中分析數據均取2次降雨試驗的平均值。

1.3 觀測項目

觀測坡面產流全過程，坡面產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，將采集的泥沙樣進行體積量測，進行烘干稱重，計算得到含沙量。采用自制大量桶測定徑流量，為1 min內的產流量，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?？倧搅髁砍艘栽摃r段含沙量即為該時段產沙量，產沙量的精確度為0.01 g。

2 結果與分析

2.1 坡面侵蝕階段劃分及產沙特征

含沙量的變化與坡面徑流輸沙能力密切相關，指出該含沙量與徑流的變化關系可以作為劃分土壤侵蝕限制條件的依據，本研究依據和繼軍等[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。相關研究表明，相同試驗條件下，坡面可搬運物質充足時的徑流輸沙能力比徑流通過自身剝離土壤顆粒達到的輸沙能力高2倍左右。本研究與其研究結果一致，該現象進一步說明上述關于侵蝕限制階段劃分的合理性。在B階段和C階段，含沙量呈現出快速下降最后接近穩定狀態的趨勢，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到相對平衡的狀態，而此時是沉積可能發生的時間段，土壤表面和徑流間發生頻繁的物質交換，促進坡面泥沙沉積[19]。在5°坡面下，5，10 m坡長坡面的剝蝕能力限制階段Ⅱ(C)的持續時間最長，且兩者達到平衡狀態的含沙量相差不大，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持續時間均為8 min左右，平衡狀態的含沙量分別為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坡長達到平衡狀態的含沙量均小于5 m坡面。

2.2 坡面土壤發生侵蝕—沉積特征

由圖2可知，在降雨強度為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。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。說明在本研究設置的坡度、降雨強度條件下，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

當前研究中主要是通過試驗觀測土壤坡面總體侵蝕特征進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。本研究在此基礎上，將5 m坡長坡面上的土壤侵蝕觀測結果作為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果相減的結果作為5—10 m坡段的相應坡度下的土壤侵蝕狀況，以此方法進行坡面土壤侵蝕—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弱交替變化。在5°～15°坡度范圍內，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—最終趨于穩定的趨勢；在降雨開始35 min左右時間內，侵蝕速率波動變化幅度較大，整個降雨過程侵蝕速率出現正負值交替變化，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，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定。至于凈侵蝕過程主要發生的時間在達到侵蝕速率峰值前后一段時間內，當坡度由10°增加到15°時，達到侵蝕速率峰值的時間縮短，相應侵蝕速率也增大，且0—10 m坡段坡面的侵蝕速率峰值均大于相應坡度下0—5 m坡段的侵蝕速率峰值，表明該時間段內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坡段坡面含沙量達到平衡狀態持續時間較長，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步增加，均沒有出現明顯的減少的趨勢。

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關系較差，因此繪制累計單位面積侵蝕速率與降雨時間的關系圖(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坡段出現沉積現象。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時間段內出現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坡面出現跌坎兒，由于其沒有進一步發育，侵蝕速率下降，使得出現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出不同的坡面侵蝕規律，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]的結果一致；陡坡的徑流剪切力遠大于緩坡[22]。安塞地區黃土細顆粒含量較多，黏結力較強，形成的團聚體抗沖強度較大，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和降雨和徑流分離的土壤直接增多；且細顆粒的沉降速度較低，土壤顆粒一旦被剝蝕，細顆粒比粗顆粒更容易帶走[24]。本研究設置的坡度、降雨強度條件下，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。譚貞學等[12]同樣利用室內模擬試驗指出1.2 m坡長坡面下坡位在發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、坡度、坡長等因素的影響，臨界坡長是不斷變化的。侵蝕與坡長關系中的臨界坡長指在一定的坡面長度內，侵蝕量隨坡長的增長而增長，當達到一定坡長時，產生質變的坡長或是土壤侵蝕模數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坡段出現沉積現象，表明本試驗條件下坡面發生沉積的臨界坡長在4—5 m以及5—10 m范圍內。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象；在10°坡面分別在降雨后15 min左右開始伴有沉積現象出現。

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行。研究表明，在10°坡度下，在降雨開始26～35 min時間段內，5—10 m坡段為凈侵蝕過程，主要發生在圖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增加，當坡面徑流能量不足以支撐其繼續剝蝕土壤，坡長的增加則不會使含沙量增加。 隨著坡度的增加，坡面產生的侵蝕強弱變化也就與徑流率的大小并不完全相對應，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，出現負值，出現沉積。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強弱交替變化，進而5—10 m坡段侵蝕速率出現正負值交替變化，表明降雨過程中侵蝕過程與沉積過程并存。雷廷武等[27]認為2—4 m坡面的含沙量達到徑流的輸沙能力，且李君蘭等[28]認為超過2—4 m以后，徑流是剝蝕與沉積交替進行。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，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，導致5—10 m坡段侵蝕量變??；徑流含沙量超過飽和含沙量，5—10 m坡段必然出現沉積。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坡面侵蝕—沉積過程特征規律，對土壤質地、降雨強度等因子沒有進行深入分析，今后應加強對這些因子的研究，更有利于準確把握坡面土壤侵蝕沉積規律對有效控制坡面水土流失，提高黃土丘陵溝壑區水土保持效益。

4 結 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。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，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—最終趨于穩定的變化趨勢；凈侵蝕過程主要發生的時間在達到侵蝕速率峰值前后一段時間內，在降雨開始35 min左右時間內，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弱交替變化，存在臨界侵蝕坡長；本試驗條件下坡面發生沉積的臨界坡長在4—5 m以及5—10 m范圍內。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象；在10°坡面分別在降雨后15 min左右開始伴有沉積現象出現。