黃土丘陵區凍土坡面侵蝕過程特征研究

蘇遠逸, 陳田慶, 張盼盼, 熊宇斐, 李 鵬

(1.陜西省土地工程建設集團 自然資源部退化及未利用土地整治工程重點實驗室, 西安 710075; 2.陜西省土地工程建設集團 陜西省土地整治工程技術研究中心, 西安 710075; 3.陜西省土地工程建設集團 自然資源部土地工程技術創新中心, 西安 710075; 4.西安理工大學, 西安 710048)

凍融侵蝕是指土壤及其母質孔隙中的水分在凍結時體積膨脹，孔隙增大導致土體穩定性降低，消融后在重力的作用下土體沿坡向下發生位移的現象[1-4]。凍融作用和土壤侵蝕往往是同時或者交替發生，在侵蝕過程中，土壤中剖面的水分分布和泥沙運移改變了凍融作用的程度[5]。季節性凍融地區的凍融侵蝕一般為輕度或者中度[6]。但是在解凍期土壤的可蝕性是其他季節的2～3倍，因此即使降雨強度很小也可能發生嚴重的土壤侵蝕。凍融作用使土壤理化性質發生改變，導致入滲減緩[7]，加劇土壤侵蝕。因此，凍融作用下的土壤侵蝕普遍較為強烈。Zuzel等[8]認為融雪徑流和凍融作用是春季解凍期發生土壤侵蝕的主要原因。融雪水侵蝕是當溫度升高，雪水融化，表層凍土開始解凍，而深層有凍土存在導致融雪水無法下滲，融雪水與表層解凍的土壤呈泥漿狀沿地面流動發生的侵蝕現象。Demidov等[9]研究表明，在部分季節性凍融侵蝕區，春季解凍期的融雪水侵蝕占全年水土流失量的70%以上。凍融作用不能直接帶走所有泥沙，但可以為其他侵蝕類型提供充足的侵蝕來源。Barnes等[10]通過在野外長期監測凍融作用對侵蝕的影響，定量分析了不同流量、坡度和含水量條件下凍融前后土壤的侵蝕特性，發現凍融作用會顯著增加溝壑尤其是側壁的侵蝕量。

溫度和降水是發生凍融侵蝕的兩個基本氣候條件[11]。第一是發生凍融侵蝕的地區要滿足有充足的氣溫低于0℃和氣溫高于0℃，能使水分完全凝結成冰后充分消融。第二是在適當的時期尤其是秋后期具有一定的降水量，水分足夠下滲到必要的深度作為凍融作用的驅動主體。我國黃土高原風蝕水蝕交錯帶符合這兩種條件，該地區地處溫帶中緯度，屬于溫帶大陸性季風氣候，氣溫低于0℃的天數在100 d以上，并且多年平均降雨量為300～ 600 mm/a，非汛期的降雨量占30%左右[12-14]。在冬春季交替時，尤其是春季解凍期溫度升高后，不完全解凍的土體中存在不透水層，土壤入滲率大大降低，融雪徑流和春季降雨可產生更多的徑流。并且在土壤反復的凍融作用下，土壤理化性質等發生改變，土壤的穩定性降低，使春季解凍期坡面和溝道發生的侵蝕更加劇烈。由此看來，在解凍期盡管降水量不大，但是土壤侵蝕問題依舊嚴重[15]。

在我國，對凍融條件下土壤侵蝕過程的研究主要是通過室內模擬試驗完成的，孫寶洋等[16]通過室內沖刷試驗，研究指出凍融作用對土壤的剝離能力有顯著影響，土壤剝離是土壤侵蝕的初始階段，也是受凍融作用影響最大的階段。然而我國對于凍融侵蝕的研究區域主要集中在東北黑土區和青藏高原地區等季節性凍融地區[17-19]，而對于我國黃土丘陵區的研究較少。因此，為了探究黃土丘陵區未凍坡面和凍土坡面的侵蝕差異，本研究以黃土作為主要研究對象，對比定量分析了未凍坡面和凍土坡面在不同徑流坡長條件下產流產沙過程和水沙關系，以期為完善黃土丘陵區的土壤侵蝕機理提供一定的參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗用土選取陜西省榆林市綏德縣王茂溝小流域(東經110°20′26″—110°22′46″，北緯37°34′13″—37°36′03″)的黃綿土，將試驗用土運回實驗室后去除草根、礫石等雜質后過10 mm的土樣篩進行預處理。經Mastersizer 2000測得土壤的顆粒組成為黏粒(<0.002 mm)0.17%、粉粒(0.002～0.05 mm)61.22%和砂粒(>0.05 mm)38.31%，經測定黃土的干密度約為(1.25±0.10) g/cm3，有機質含量為(2.0±0.10) g/kg。

1.2 試驗裝置

本次試驗在西安理工大學雨洪侵蝕大廳內進行。試驗裝置主要由沖刷裝置和凍土裝置2部分組成。沖刷裝置由徑流收集裝置、土槽、水槽、穩流槽、水箱和閥門等組成(圖1)。土槽(長2 m，深0.2 m，寬0.2 m)為木質土槽，設置為12°的斜坡。在土槽頂部連接一個寬0.2 m、深0.05 m的變坡長水槽，坡長分別為2，4，6 m。穩流槽采用帶孔的有機玻璃板分為兩部分，穩流槽中的水來自裝有流量控制器的水箱，水箱設上有排水孔，以保持水壓穩定。凍土裝置采用西安理工大學的凍融試驗系統，該試驗系統采用六面體拼裝結構，其內部長4.5 m、寬2.5 m、高2.5 m，可調溫度范圍在-40～-30℃，精度為±1℃，溫度均勻度≤±2.0℃，同時具備制冷和加熱功能，滿足試驗需求。

圖1 沖刷試驗裝置

1.3 試驗方法

本試驗模擬春季解凍期融雪徑流侵蝕，由于春季氣溫回升，冰雪融化，并且雪融化的時間要早于土體，因此在土槽上方設置不同長度的徑流坡面，用來模擬上方融雪形成的徑流對下方還未解凍的土體造成的侵蝕狀況。在本試驗中設計的放水強度為1 L/min，試驗時的水溫和室溫均在15℃左右[20]。根據野外現場調研結果和已有研究成果，目前黃土高原50%以上坡耕地的坡度在10°～15°，因此該試驗的坡度設計為12°。將野外采回的土樣稱重并烘干，根據計算結果設定土壤前期含水量為15%，土壤干容重為1.25 g/cm3。試驗選用土壤處理(未凍坡面和凍土坡面)和徑流坡長(2，4，6 m)2個影響因子進行組合試驗，每組試驗重復3次，共18場試驗，試驗結果采用3次試驗結果的平均值，具體沖刷試驗設計見表1。

表1 沖刷試驗設計

將試驗用土運回實驗室后進行裝填，共分為以下幾個步驟：(1) 土壤風干并過篩(10 mm×10 mm)，除去植物根、小石塊等雜質；(2) 取適量土樣測量其含水率，用噴壺灑水混合均勻使含水量達到15%左右，并用塑料膜覆蓋防止水分蒸發；(3) 根據測定野外黃土的干容重(1.25 g/cm3)計算得出需要的用土量，將配置好的黃土每5 cm裝入土槽中，一共4層，每層黃土裝填壓實后在表面進行淺鋤，保證土壤緊密結合；(4) 將填好土的土槽表面覆上塑料薄膜，防止土槽中土壤的含水量發生改變；(5) 將需要冷凍的土槽放入凍土裝置，溫度設定為-20℃，待土槽連續凍結24 h土體完全凍結后取出進行試驗。在試驗過程中，由于室溫比凍土溫度高，并且水溫也不易控制，因此沖刷試驗的過程也是凍土解凍的一個過程。

試驗開始前先率定沖刷流量，在率定值連續3次與設計流量之間的誤差小于5%時進行沖刷試驗。水流進入土槽后到徑流收集裝置出現徑流的時間為初始產流時間，徑流收集裝置出現徑流開始后記錄產流時間，產流持續15 min后關水。試驗過程中用統一規格帶有刻度的塑料桶收集每分鐘的渾水樣，試驗結束后統一記錄渾水體積，采用烘干法測得每分鐘的產沙量，并計算出泥沙體積，最后用渾水體積減去泥沙體積后得到每分鐘的徑流量。

1.4 數據處理與分析

試驗數據使用Excel 2019進行統計，采用SPSS(IBM SPSS Statistics Version 21)進行數據的描述性統計、方差分析(ANOVA，顯著水平為p<0.05)、回歸與相關分析、曲線擬合等，用Origin 8.5(OriginLab, USA)繪圖，用Photoshop CS4繪制了沖刷試驗裝置示意圖。

2 結果與分析

2.1 未凍坡面與凍土坡面侵蝕特征值

表2為不同徑流坡長條件下未凍坡面與凍土坡面侵蝕特征值的統計表，表中的侵蝕特征值主要包括初始產流時間、產流量峰值、產流量峰值出現時間、產沙量峰值和產沙量峰值出現時間。由表2可以看出，不同徑流坡長條件下未凍坡面的初始產流時間分別是0.66 min(U2)，0.62 min(U4)和0.53 min(U6)，凍土坡面的初始產流時間分別是0.41 min(F2)，0.36 min(F4)和0.27 min(F6)，未凍坡面和凍土坡面的初始產流時間均隨著徑流坡長的延長而縮短，相比于徑流坡長2 m的初始產流時間分別縮短了6.06%～19.70%(未凍坡面)和12.20%～34.15%(凍土坡面)。在相同的坡面類型下，初始產流時間均隨著徑流坡長的增大逐漸減小。凍土坡面的初始產流時間與未凍坡面相比均有不同程度的減小，在相同徑流坡長條件下，凍土坡面的初始產流時間分別是未凍坡面的62.12%(F2/U2)，58.06%(F4/U4)和50.94%(F6/U6)。

表2 未凍坡面與凍土坡面侵蝕特征值

不同徑流坡長條件下未凍坡面的產流量峰值分別為774.5 ml(U2)，759.7 ml(U4)和734.9 ml(U6)，凍土坡面的產流量峰值分別是960.12 ml(F2)，980.28 ml(F4)和967.53 ml(F6)，未凍坡面的產流量峰值隨著徑流坡長的增大而減小。在相同徑流坡長條件下，凍土坡面的產流量峰值均遠遠大于未凍坡面。不同徑流坡長條件下未凍坡面和凍土坡面產流量峰值出現的時間均集中在產流后10～15 min。

不同徑流坡長條件下未凍坡面的產沙量峰值為99.86 g(U2)，109.33 g(U4)和199.09 g(U6)，凍土坡面的產沙量峰值分別是539.95 g(F2)，568.89 g(F4)和593.3 g(F6)。未凍坡面和凍土坡面的產沙量峰值均隨著徑流坡長的增大而增大，未凍坡面U4和U6的產沙量峰值分別是U2的1.09倍和1.99倍，凍土坡面F4和F6的產沙量峰值分別是F2的1.05倍和1.1倍。在相同徑流坡長條件下，凍土坡面的產沙量峰值分別是未凍坡面的5.41倍(F2/U2)，5.18倍(F4/U4)和2.98倍(F6/U6)。不同徑流坡長條件下，未凍坡面產沙量峰值出現時間在產流后的9～15 min，而凍土坡面產流量峰值出現時間在產流后的4～9 min。

2.2 未凍坡面與凍土坡面侵蝕過程

2.2.1 產流過程 圖2為不同徑流坡長條件下未凍坡面和凍土坡面產流率隨產流時間的變化過程。由圖2A可以看出，對于未凍坡面而言，不同徑流坡長條件下產流率隨產流時間的變化過程大致可以分為兩個階段，分別是0～6 min的迅速增加階段和6～15 min的相對穩定階段。未凍坡面的產流率變化范圍分別在245.23～774.5 ml/min(U2)，357.44～759.7 ml/min(U4)和376.13～734.9 ml/min(U6)，產流率的變異系數(CV)分別是22.14%(U2)，16.13%(U4)和13.41%(U6)。經過ANOVA方差分析，不同徑流坡長條件下未凍坡面的產流率隨產流時間的變化無顯著差異(p>0.05)。由圖2B可以看出，凍土坡面產流率隨產流歷時的變化與未凍坡面產流率的變化規律不同，凍土坡面的產流率隨產流歷時的變化相對穩定，波動范圍分別在871.5～960.12 ml/min(F2)，795.32～980.28 ml/min(F4)和760.76～967.53 ml/min(F6)，產流率的CV分別是2.48%(F2)，4.57%(F4)和5.41%(F6)。經過ANOVA方差分析，不同徑流坡長條件下凍土坡面的產流率隨產流時間的變化無顯著差異(p>0.05)。在相同徑流坡長條件下，未凍坡面和凍土坡面產流率隨產流時間的變化差異性顯著(p<0.05)。并且與未凍坡面相比，凍土坡面的產流率較大，但是波動范圍較小。

圖2 未凍坡面和凍土坡面的產流過程

不同徑流坡長條件下未凍坡面的平均產流量為642.93 ml(U2)，660.09 ml(U4)和670.97 ml(U6)，凍土坡面的平均產流量分別是921.5 ml(F2)，930 ml(F4)和915.58 ml(F6)。未凍坡面U4和U6的平均產流量分別是U2的1.03倍和1.04倍，凍土坡面F4和F6的平均產流量分別是F2的1.01倍和0.99倍。在相同徑流坡長條件下，凍土坡面的平均產流量分別是未凍坡面的1.43倍(F2/U2)，1.41倍(F4/U4)和1.36倍(F6/U6)。

2.2.2 產沙過程 圖3為不同徑流坡長條件下未凍坡面和凍土坡面產沙率隨產流時間的變化過程。由圖3A可以看出，對于未凍坡面而言，不同徑流坡長條件下產沙率隨產流時間的變化波動范圍較大，分別為39.12～99.86 g/min(U2)，43.49～109.33 g/min(U4)和62.99～199.09 g/min(U6)，產沙率的變異系數(CV)分別是27.8%(U2)，21.74%(U4)和32%(U6)。經過ANOVA方差分析，不同徑流坡長條件下未凍坡面的產沙率隨產流時間的變化差異性顯著(p<0.05)。由圖3B可以看出，凍土坡面產沙率隨產流歷時的變化呈先上升后緩慢下降并保持相對穩定的趨勢，凍土坡面產沙率隨產流歷時的變化波動范圍分別在470.07～539.95 g/min(F2)，440.68～568.89 g/min(F4)和449.02～593.3 g/min(F6)之間，產沙率的CV分別是3.33%(F2)，5.61%(F4)和5.91%(F6)。經過ANOVA方差分析，不同徑流坡長條件下凍土坡面的產沙率隨產流時間的變化無顯著差異(p>0.05)。在相同徑流坡長條件下，未凍坡面和凍土坡面產沙率隨產流時間的變化差異性顯著(p<0.05)。

圖3 未凍坡面和凍土坡面的產沙過程

不同徑流坡長條件下未凍坡面的平均產沙量為61.74 g(U2)，78.88 g(U4)和123.36 g(U6)，凍土坡面的平均產沙量分別是517.11 g(F2)，534.85 g(F4)和547.14 g(F6)。未凍坡面和凍土坡面的平均產沙量均隨著徑流坡長的增大而增大，未凍坡面U4和U6的平均產沙量分別是U2的1.28倍和2倍，凍土坡面F4和F6的平均產沙量分別是F2的1.03倍和1.06倍。在相同徑流坡長條件下，凍土坡面的平均產沙量分別是未凍坡面的8.38倍(F2/U2)，6.78倍(F4/U4)和4.44倍(F6/U6)。

2.3 未凍坡面與凍土坡面的水沙關系

2.3.1 產流率和產沙率關系 由圖4A可以看出，在本研究中未凍坡面產流率和產沙率的關系分為兩個階段：緩慢增加階段和急速增加階段。在緩慢增加階段，產沙率隨著產流率的增加而緩慢增加，當產流率超過650 ml/min后，產沙率將急速增大，兩個階段交匯的地方即是未凍坡面水沙關系發生變化的突變點。由圖4B可以看出，不同坡長條件下凍土坡面的產流率和產沙率與未凍坡面變化趨勢不同，產沙率均隨著產流率的增大而增大，凍土坡面的產流率和產沙率呈正相關關系。

圖4 不同坡面產流率和產沙率關系

2.3.2 累積產流量與累積產沙量關系 坡面累積徑流量與累積產沙量之間的相互關系可以定量地反映坡面侵蝕過程中產流與產沙之間的動態變化規律。根據試驗數據分析可知，將本研究中兩者數據進行函數擬合，發現不同徑流坡長條件下未凍坡面和凍土坡面的累積產流量與累積產沙量之間均呈極顯著線性相關關系(p<0.01)，函數關系式如下：

M′=cQ′+d

(1)

式中:M′為累積產沙量(kg);Q′為累積產流量(L);c和d為常數。

將擬合結果整理到表中，可以看出不同徑流坡長條件下未凍坡面和凍土坡面的累積產流量與累積產沙量擬合函數的相關系數均在98%以上。由表3可以看出，參數c>0，表示坡面累積產沙量均隨著累積產流量的增長而增長。結合函數關系以及產流產沙的物理意義，定義參數c為產沙能力系數，參數c的大小與徑流坡長呈正相關關系，即坡面產沙能力隨著徑流坡長的增大而增大，并且凍土坡面的參數c均大于未凍坡面。

表3 累積產流量與累積產沙量的相關關系

3 討 論

近年來全球極端天氣頻發，全球變暖已經是一個不爭的事實。氣候的極端變化導致季節性凍土地區過早融化，從而改變了坡面的水力侵蝕特征。土壤經過凍結，凍土坡面的初始產流時間相比于未凍坡面大大縮短(表2)，本試驗的研究結果與Wang[21]和張輝[22]等的研究成果相似。這是由于土壤在凍結過程中，坡面表層土壤中的水分和土壤孔隙中的水凝結形成“冰帽”，阻礙徑流入滲，導致坡面徑流快速匯集導致初始產流時間大大減小。

在試驗期間，凍土坡面的產流率顯著高于未凍坡面，也是同樣的原因造成的。在試驗的初始階段，坡面仍處于凍結狀態，且入滲率較小，隨著試驗的繼續，坡面表層土壤溫度逐漸升高，距離表層一定深度內的凍土逐漸融化，坡面產流率逐漸增大。在試驗過程中，凍土坡面的產沙率也顯著高于未凍坡面，并且凍土坡面的產沙率波動范圍較大。由于表層凍土的存在降低了坡面的入滲率，地表徑流增大，導致徑流侵蝕力增強。與此同時徑流的增加又反作用于凍結的土壤，加快了土壤的融化，使坡面的侵蝕顆粒持續釋放。徑流的增加和凍土坡面的融化相互作用，導致凍土坡面的侵蝕加劇。

土壤侵蝕預測模型(WEPP)的基本理論描述了兩種類型的土壤侵蝕[23]：細溝間侵蝕和細溝侵蝕。細溝間侵蝕是指坡面水力侵蝕的初始階段，土壤顆粒通過薄層流在土壤表面的分離和運移。細溝侵蝕是細溝形成后，徑流向細溝頭、溝壁和溝底土壤的侵蝕和輸送過程。在本研究中，未凍坡面產流率和產沙率分為緩慢增加和急速增加兩個階段，凍土坡面的產沙率則隨著產流率的增大逐漸增大，這與細溝的發育和侵蝕模式的改變有關。未凍坡面在產流率較小時，坡面形成不連續的跌坎，此時的侵蝕類型屬于細溝間侵蝕，產沙率較小。隨著試驗的繼續，跌坎逐漸連貫形成了細溝，侵蝕進一步加劇最終演化成細溝侵蝕，侵蝕產沙量迅速增加。對于凍土坡面而言，徑流在凍土坡面迅速下切形成細溝，侵蝕類型在絕大部分時間屬于細溝侵蝕。并且伴隨著細溝的持續發育，主要表現為溯源侵蝕和側壁坍塌，導致凍土坡面的侵蝕進一步加劇。

4 結 論

(1) 在相同徑流坡長條件下，凍土坡面的初始產流時間分別是未凍坡面的62.12%(F2/U2)，58.06%(F4/U4)和50.94%(F6/U6)。未凍坡面和凍土坡面產流量峰值出現的時間均集中在產流后10～15 min，未凍坡面產沙量峰值出現時間在產流后的9～15 min，而凍土坡面產沙量峰值出現時間在產流后的4～9 min。

(2) 未凍坡面產流率隨產流時間的變化過程分為迅速增加和相對穩定兩個階段，而凍土坡面的產流率隨產流歷時的變化相對穩定。在相同徑流坡長條件下，凍土坡面的平均產流量分別是未凍坡面的1.43倍(F2/U2)，1.41倍(F4/U4)和1.36倍(F6/U6)。

(3) 不同徑流坡長條件下未凍坡面的產沙率隨產流時間的變化差異性顯著(p<0.05)，而凍土坡面的產沙率隨產流時間的變化無顯著差異(p>0.05)。在相同徑流坡長條件下，凍土坡面的產沙率顯著高于未凍坡面(p<0.05)。凍土坡面的平均產沙量分別是未凍坡面的8.38倍(F2/U2)，6.78倍(F4/U4)和4.44倍(F6/U6)。

(4) 未凍坡面產流率和產沙率分為緩慢增加和急速增加兩個階段，而凍土坡面的產沙率則隨著產流率的增大逐漸增大。未凍坡面和凍土坡面的累積產流量與累積產沙量之間呈極顯著線性相關關系，參數c可以作為坡面侵蝕的指示指標。