不同礫石含量塿土堆積體坡面侵蝕特征研究*

趙 滿，王文龍，郭明明，康宏亮，楊 波，王文鑫，陳卓鑫

不同礫石含量塿土堆積體坡面侵蝕特征研究*

趙 滿1，王文龍1，2?，郭明明1，康宏亮1，楊 波1，王文鑫1，陳卓鑫1

（1. 西北農林科技大學水土保持研究所黃土高原土壤侵蝕與旱地農業(yè)國家重點實驗室，陜西楊凌，712100；2. 中國科學院水利部水土保持研究所，陜西楊凌，712100）

為明確礫石含量對關中塿土堆積體坡面徑流和侵蝕特性的影響，采用室內模擬降雨試驗方法，以土質坡面為對照，研究了10%、20%、30%三種礫石含量堆積體坡面的侵蝕特征。結果表明：（1）1.0 mm·min–1雨強下，10%礫石含量時初始產流時間最大，雨強＞1.0 mm·min–1時，各坡面初始產流時間在10%礫石含量時最小；（2）各礫石含量坡面平均流速均隨雨強增大而增大，1.0和2.5 mm·min–1雨強條件下10%礫石含量坡面流速最大，而1.5和2.0 mm·min–1雨強下，含礫石坡面流速較土質坡面分別減少15.3%～21.2%和13.6%～14.1%；（3）不同雨強條件下各含礫石坡面含沙量在產流前期（0～6 min）急劇下降；產流6 min后，含沙量在1.0、1.5 mm·min–1雨強下逐漸趨于穩(wěn)定，在2.0、2.5 mm·min–1雨強下呈多峰多谷的變化，該時期礫石主導產沙過程；（4）次降雨侵蝕量隨雨強增大呈顯著的冪函數(shù)關系；而隨雨強的增大各礫石坡面侵蝕量較土質坡面分別減少22.4%～42.6%、8.2%～66.3%、2.2%～56.5%和45.0%～68.3%。該研究可為關中地區(qū)堆積體坡面水蝕模型的建立提供理論依據(jù)。

降雨強度；礫石含量；徑流產沙；塿土

進入21世紀以來，隨著我國經(jīng)濟發(fā)展，大批生產建設項目相繼建成并投入使用，爆破、開挖等人為活動對地表及地下巖土層擾動強烈，并形成了大量土石堆積體[1]，這種人造地貌單元的侵蝕模數(shù)可達原地貌的70倍～800倍，并伴有面蝕、溝蝕、重力侵蝕等多種土壤侵蝕形式[2]，嚴重影響到區(qū)域的經(jīng)濟發(fā)展和生態(tài)文明建設，因此開展工程堆積體坡面土壤侵蝕研究迫在眉睫。

工程堆積體物質組成復雜、結構松散、黏聚力差，受暴雨沖刷極易產生水土流失[3]。礫石（粒徑＞2 mm）在堆積體中極為常見，與土壤顆粒相比，礫石密度較大、透水性差，并且其表面結構與土壤顆粒具有很大區(qū)別，與土壤混合后會使土壤的結構、物理特性等發(fā)生一系列變化，無論是礫石的形狀、粒徑，還是混入土體后的空間分布、整體含量，均會影響到坡面水沙過程。Chow和Rees[4]認為礫石粒徑的增加會降低土壤侵蝕速率，而王雪松等[5]發(fā)現(xiàn)，小礫石（2 cm≤D≤3 cm）較大礫石（6 cm≤D≤10 cm）更易促進坡面產流，但二者的侵蝕特征（侵蝕速率和含沙量）差異并不明顯；分布于土體表層的礫石能夠減少承雨面積，減小徑流沖刷[6]，進而抑制侵蝕，而土體內部礫石卻可以通過增大土壤孔隙度，促進入滲使土體易飽和，造成土壤抗蝕性下降[7]。礫石含量作為反映堆積體物質組成的重要指標，對侵蝕特征的影響尤為突出，學者們對此也進行了較多探索：吳冰等[8]研究表明，總產沙量與礫石含量（10%、20%、30%和40%）呈正相關，但在產流期間礫石對侵蝕產沙的促進和抑制效應均有出現(xiàn)；李建明等[9]發(fā)現(xiàn)含礫石坡面（10%、20%、30%）的平均侵蝕量均要小于土質坡面（礫石含量為0），礫石含量的增加可以有效減少侵蝕，這與Rieke-Zapp等[10]（礫石含量5%、10%、20%、40%）研究結論相似；更有學者探索了66%和80%兩種高礫石含量坡面的侵蝕產沙過程，發(fā)現(xiàn)前者侵蝕發(fā)生的臨界雨強為1.5 mm·min–1，而無論雨強如何變化后者始終未產流產沙[11]。綜上，學者們的研究多集中反映礫石特性（形狀、粒徑和含量等）對堆積體坡面侵蝕特征的影響，除礫石外，土壤也是堆積體的重要組成物質，同時也是水力侵蝕過程中的主要受體，土壤類型的不同同樣會導致侵蝕規(guī)律呈現(xiàn)較大差異，但目前關于土壤類型的研究多集中于黃土高原區(qū)（黃綿土[12-13]）、北方土石山區(qū)（褐土[14-15]）、和南方山地丘陵區(qū)（紅壤[16]和紫色土[17]），塿土作為一種在關中平原地區(qū)廣泛分布的土壤，它是由長期耕作施肥，在原始土層上部堆積形成的[18]，是一種明顯區(qū)別于黃綿土、紅壤等的人為土壤類型[19]，并且與該區(qū)長期以來的農業(yè)生產活動密切相關。而在該區(qū)各種生產建設項目的實施過程中，對地表的開挖、堆墊會形成較多以塿土為基本土壤類型的工程堆積體，降雨過程中其坡面侵蝕特征是否區(qū)別于其他類型土壤，尤其是混入礫石后其侵蝕過程如何發(fā)生發(fā)展，需要進一步明確。

鑒于此，本研究以關中塿土工程堆積體為研究對象，充分結合野外調查結果，采用室內人工模擬降雨試驗的方法，研究了0、10%、20%、30%四種礫石含量塿土堆積體坡面的徑流特性和侵蝕產沙規(guī)律，以此實現(xiàn)對塿土堆積體坡面水土流失過程的模擬，其研究結果能為該區(qū)工程堆積體坡面水土流失量估算模型的建立提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于陜西省楊陵區(qū)，地處關中平原中部（34°14′～34°20′N 、107°59′～108°08′E），南側為秦嶺山脈，北側為橫貫陜西中部的黃土高原，渭河自西向東流經(jīng)該區(qū)南部。距西安市85 km，總面積135 km2，是我國第一個農業(yè)高新技術產業(yè)示范區(qū)。該區(qū)屬暖溫帶季風半濕潤氣候區(qū)，年降水量為635.1～663.9 mm，集中在每年7—9月，年均氣溫12.9℃，無霜期211 d，年均日照時數(shù)2 164 h。該區(qū)海拔435～563 m，地勢南低北高，土壤類型主要為塿土，占土地總面積的71.70%，其次為黃綿土，占總面積的10.80%；耕地面積為4.92×103hm2，植被類型以人工繁育的農作物和果樹等為主，生態(tài)環(huán)境良好。

1.2 試驗準備

試驗開始前對關中地區(qū)共計60余處生產建設項目堆積體進行實地調研，測量并統(tǒng)計坡度、坡長、坡面物質組成等指標，在分析調查數(shù)據(jù)基礎上將野外堆積體下墊面進行室內概化處理。調查結果顯示，2～8 m坡長占樣本總數(shù)的79.4%以上，25°～40°坡度占樣本數(shù)的88.80%，所以設計試驗坡長為5 m，坡度定為25°。粒徑D＜10 mm的礫石和巖屑在上、中、下坡位的質量含量變化較小且無明顯規(guī)律，可認為該坡面組成物質不受坡位影響，粒徑D＞10 mm的礫石與坡面土體重力分選作用明顯，不同坡位礫石質量含量＜40%的堆積體占樣本數(shù)的90%以上，故試驗土石混合體的礫石質量含量分為10%、20%、30%三個等級，并設置礫石含量為0的土質作為對照。

試驗采用礫石為關中地區(qū)破口石，經(jīng)機械粉碎分選后獲得；以野外調查侵蝕產沙發(fā)生過程中能夠被搬運的礫石粒徑為依據(jù)，確定試驗礫石粒徑范圍為D＜50 mm，同時按照野外測定堆積體中不同礫石粒徑范圍所占質量比例，將其分為D＜14 mm、14 mm≤D＜25 mm、25 mm≤D＜50 mm三個級別，按照質量比3︰5︰2進行配置。試驗用土取自楊凌周邊農地0～2 m層次土壤，土壤類型為塿土，質地為黏壤土（國際制）；裝填前，過6 mm篩以去除根系等雜物，控制其含水量在10%左右；土壤顆粒組成及有機質含量見表1。土體與礫石需人工攪拌3～4次，保證混合均勻。

1.3 試驗設計與指標測定

試驗在中國科學院水利部水土保持研究所人工模擬降雨大廳的下噴區(qū)域進行，可控雨強變化范圍為0.5～5.8 mm·min–1，有效降雨面積為27 m×18 m，有效降雨高度為18 m，能夠滿足雨滴下降時達到終點速度，降雨均勻度高于80%。根據(jù)研究區(qū)多年降雨資料，選取夏秋時節(jié)發(fā)生暴雨時頻率較高的最大30 min雨強作為本試驗雨強的設計依據(jù)，經(jīng)取整后最終將雨強定為1.0、1.5、2.0和2.5 mm·min–1；同時根據(jù)研究區(qū)暴雨歷時較短的特點，設計總產流時間為 45 min；試驗場次共計 16 場。試驗所用徑流小區(qū)為5 m（長）×1 m（寬）×0.6 m（深）的移動式液壓升降土槽，為模擬野外條件下降雨入滲過程，土槽底部設有滲漏孔，并墊有5 cm厚細沙層，沙層表面鋪設紗布。土石混合體進行人工分層裝填，共分為下（20 cm）、中（15 cm）、上（10 cm）三層，下、中層土體容重控制在1.3～1.57 g·cm–3，上層土體表面平整，容重控制在1.18±0.10g·cm–3。土石體容重及含水率如表2所示。

試驗開始前先將鋼槽緩緩升至試驗坡度，用塑料布遮蓋，然后打開降雨器，在試驗場地四周放置雨量筒，采用“梅花樁”法進行多次雨強率定，保證試驗雨強與設計雨強的誤差不高于5%。待雨強率定合格后，迅速揭開塑料布，用精度為0.01 s的秒表開始計時，當坡面有明顯股流出現(xiàn)且流出集流槽時，記錄產流時間；用量筒在集流槽口處收集泥沙樣品，同時用秒表記錄接樣時間。產流前3 min每隔1 min取1次泥沙樣，產流3 min后每隔3 min取樣一次。在距離坡頂1.5 m、3.5 m處設置兩個測流斷面，用高錳酸鉀染色法測量流速，用精度為0.01 cm鋼尺測量流寬，用精度為0.01 g的電子秤稱量所接泥沙樣品質量，樣品在105℃烘箱中烘干后再稱量泥沙干重。

2 結 果

2.1 不同礫石含量堆積體徑流特征

2.1.1 初始產流時間 圖1為初始產流時間隨礫石含量和雨強的變化。各礫石含量坡面初始產流時間均隨雨強增大而減小，變化范圍分別為105～364 s、94～387 s、109～267 s和135～328 s，且回歸分析表明，各礫石含量坡面初始產流時間與雨強均呈顯著冪函數(shù)關系（2=0.832～0.999，＜0.05）。1.0 mm·min–1雨強下，隨礫石含量增加，初始產流時間呈增加—減少—增加趨勢，在10%礫石含量時最大（387 s），小雨強下礫石含量對堆積體坡面產流快慢的影響較為明顯；在1.5、2.0、2.5 mm·min–1雨強下，初始產流時間隨礫石含量增加整體呈減少—增加趨勢，均在10%礫石含量時最小，分別為123 s、132 s、94 s。

圖1 初始產流時間隨礫石含量和雨強的變化

為進一步明確雨強和礫石含量對初始產流時間的影響，逐步回歸分析初始產流時間與礫石含量和雨強的關系，結果表明初始產流時間與二者呈極顯著線性函數(shù)關系。

式中，為初始產流時間，s；為雨強，mm·min–1；為礫石含量，%。

2.1.2 流速 圖2為堆積體坡面流速隨產流歷時變化。雨強為1.0 mm·min–1時，土質坡面流速變化范圍為0.02～0.09 m·s–1，含礫石坡面為0.03～0.09 m·s–1，礫石含量對流速的影響較小。1.5、2.0 mm·min–1雨強下，土質坡面流速呈增大—逐漸穩(wěn)定的趨勢，變化范圍分別為0.06～0.10 m·s–1、0.08～0.19 m·s–1，產流過程中分別出現(xiàn)6次、5次波動，變異系數(shù)CV分別為14%、12%；含礫石坡面波動范圍為0.05～0.12 m·s–1、0.05～0.10 m·s–1，波動次數(shù)僅為1～3次，其流速的變化范圍和波動性較土質坡面有明顯減小。2.5 mm·min–1雨強下，產流30 min后，土質坡面流速穩(wěn)定在0.10 m·s–1，而30%礫石含量坡面呈現(xiàn)逐漸減小趨勢。對平均流速的分析表明（圖3）：隨雨強增大，各坡面平均流速整體呈增大趨勢；1.0、2.5 mm·min–1雨強下，平均流速在10%礫石含量時最大，分別為0.07 m·s–1、0.10 m·s–1；1.5、2.0 mm·min–1雨強下，土質坡面平均流速最大，分別為0.092m·s–1、0.099 m·s–1，含礫石坡面平均流速較土質坡面的減幅分別為15.3%～21.2%、13.6%～14.1%。

圖2 不同礫石含量和雨強條件下流速隨產流歷時的變化

圖3 平均流速隨雨強和礫石含量的變化

為明確雨強和礫石含量對流速的影響，逐步回歸分析流速和礫石含量與雨強的關系，結果表明流速與二者呈顯著線性函數(shù)關系。

式中，為流速，m·s–1；為雨強，mm·min–1；為礫石含量，%。

2.2 不同礫石含量堆積體產沙特征

2.2.1 含沙量 圖4為不同處理坡面含沙量隨產流歷時的變化。由圖可知，各坡面含沙量在產流0～6 min均呈急劇下降趨勢。1.0、1.5 mm·min–1雨強下，土質坡面含沙量在0～6 min內減幅分別為70 g·L–1、171 g·L–1，遠高于含礫石坡面（35～40 g·L–1、96～118 g·L–1）；土質坡面產流6～45 min內含沙量變化范圍為12～31 g·L–1、24～40 g·L–1，含礫石坡面為8～34 g·L–1、10～42 g·L–1，產流中后期各坡面含沙量變化范圍較小且穩(wěn)定。雨強為2.0、2.5 mm·min–1時，各礫石含量坡面含沙量在產流6～45 min均呈多峰多谷式波動變化，其中土質坡面在2.5 mm·min–1雨強下，產流后期含沙量急劇增加，增幅達292 g·L–1，并與產流歷時呈極顯著線性函數(shù)關系（2=0.879，＜0.01）。

表3為不同雨強下各坡面產流0～6 min（急劇減少階段）和6～45 min（波動或穩(wěn)定階段）兩個時段的含沙量均值。1.0 mm·min–1雨強下，土質坡面在0～6 min內平均含沙量最高（74.34 g·L–1），各坡面含沙量從大到小依次為礫石含量0＞10%＞20%＞30%；產流6～45 min，含礫石坡面的平均含沙量較土質坡面的減幅范圍為0～36.4%。1.5、2.0、2.5 mm·min–1雨強下，產流6～45 min內土質坡面平均含沙量均最大，分別為42.25 g·L–1、71.34 g·L–1、192.34 g·L–1，含礫石坡面較土質坡面的減幅范圍分別為13.9%～66.5%、7.3%～46.1%、45.6%～60.2%。為進一步明確礫石含量和雨強對含沙量的影響，將0～6 min和6～45 min兩階段含沙量分別與雨強和礫石含量進行Spearman相關性分析，發(fā)現(xiàn)產流6～45 min的平均含沙量與礫石含量呈極顯著相關（＜0.01），而與雨強相關性較差，可見在中后期的產沙過程中，礫石占據(jù)主導地位。

圖4 不同礫石含量和雨強條件下含沙量隨產流歷時的變化

表3 各雨強下不同處理坡面0～6 min和6～45 min兩時段含沙量均值

注：a、b分別表示0～6 min、6～45 min兩時段的含沙量均值，g·L–1。Note：aandbrepresents mean sediment concentration in runoff during the 0～6 min and 6～45 min time period，respectively，g·L–1.

2.2.2 次降雨侵蝕量 圖5為次降雨侵蝕量隨礫石含量和雨強的變化。就雨強對侵蝕的影響而言，各礫石含量坡面次降雨侵蝕量均隨雨強增大而增大；1.0 mm·min–1雨強下，0～30%各礫石含量坡面侵蝕量為四種雨強下最小，分別為5.58 kg、4.43 kg、3.39 kg和3.21 kg，而當雨強增大至1.5、2.0、2.5 mm·min–1時，其侵蝕量較1.0 mm·min–1雨強分別增大了0.62倍～1.77倍、5.16倍～9.24倍、10.65倍～20.11倍；雨強的增大對各坡面侵蝕均有促進作用，且以對土質坡面的促進效應最為明顯；回歸分析表明次降雨侵蝕量與雨強呈顯著冪函數(shù)關（2=0.935～0.988，＜0.05）。就礫石對侵蝕的影響而言，1.0～2.5 mm·min–1雨強下，土質坡面侵蝕量最大，分別為5.58 kg、15.47 kg、45.41 kg、117.9 kg，各雨強下侵蝕量從大到小依次為礫石含量0＞10%＞20%＞30%，含礫石坡面侵蝕量較土質坡面的減幅分別為22.4%～42.6%、8.2%～66.3%、2.2%～56.5%、45.0%～68.3%，礫石的存在有效減少了侵蝕的發(fā)生。

為進一步明確礫石含量和雨強對次降雨侵蝕量的影響，對次降雨侵蝕量與雨強（）、礫石含量特征值（，=1-）、雨強與礫石含量特征值的乘積（）分別進行Spearman相關性分析，結果表明，次降雨侵蝕量與組合因子項（）的關系最為密切，相關系數(shù)為0.881（＜0.01），并與雨強（）和礫石含量特征值（）均呈極顯著正相關，相關系數(shù)分別為0.816和0.869（＜0.01），說明雨強和礫石含量對侵蝕量均具有顯著影響。對次降雨侵蝕量與雨強、礫石含量進行逐步回歸分析，表明次降雨侵蝕量與雨強和礫石含量呈顯著線性函數(shù)關系。

圖5 次降雨侵蝕量隨礫石含量、雨強的變化

式中，a為次降雨侵蝕量，kg；為雨強，mm·min–1；為礫石含量，%。

3 討 論

3.1 含礫石坡面徑流特性

雨強和下墊面特征是工程堆積體坡面初始產流時間（以下簡稱T0）的主要影響因素。1.0 mm·min–1雨強下，T0表現(xiàn)為土質大于20%、30%礫石含量，且在10%礫石含量時最大；這與部分學者對含礫石黃綿土[20]、風沙土[21]的研究結果相似；礫石破壞了土壤結構，使土壤大孔隙增多、促進入滲，同時礫石也會因其不透水性，延長水分下滲路徑，從而削弱入滲，二者相互影響，導致“臨界值”出現(xiàn)。塿土堆積體坡面T0變化范圍為1.5 min～6 min，而王雪松等[22]卻發(fā)現(xiàn)紅壤堆積體T0為2.5 min～18 min，且四種雨強下的T0均高于塿土；紅壤屬于重壤質土，有機質含量低、結構性差，礫石破壞了原土壤中小孔隙的連續(xù)性[23]，并形成較多大孔隙，抑制了表層結皮的形成，導致入滲量增多，產流歷時被延長；而塿土作為一種由長期施肥、耕作形成的“人為土”，其有機質含量較高，并且具有較好的土壤團粒結構，受雨滴濺蝕影響易形成結皮，所以產流時間較短。1.5～2.5 mm·min–1三種雨強下，含礫石坡面T0隨礫石含量增加逐漸增大，礫石延緩了坡面徑流的出現(xiàn)，這與唐盛強和佘冬立的[24]研究結果相似，主要是由于較高的礫石含量增大了堆積體土體大孔隙比例，提高了降雨入滲能力，從而導致產流時間延長，甚至當?shù)[石含量增大至80%時，堆積體坡面不會有產流出現(xiàn)[11]。

1.0 mm·min–1雨強下，各坡面的平均流速均較小且接近，這與吳冰等[8]研究結果相似，侵蝕溝出現(xiàn)前，坡面薄層水流的徑流深和徑流強度均較小，流速受礫石的影響較小[25]。1.5、2.0 mm·min–1雨強下，土質坡面的平均流速和波動性均大于含礫石坡面；礫石增加了坡面糙度，降低了水流動能[10]，同時水流被礫石約束形成“網(wǎng)狀流”（徑流深增加、徑流路徑延長）[26]，并且礫石含量的繼續(xù)增加（達到40%以上）會使流速進一步下降[24]。2.5 mm·min–1雨強下，產流20 min后30%礫石含量坡面流速呈下降趨勢；究其原因，可能是因為堆積體質地分布不均勻，坡面細顆粒大量流失后，礫石之間出現(xiàn)較多縫隙，部分坡面流順裂縫或孔隙進入堆積體內部形成“潛流”，減小了坡面流量，導致流速下降?？v觀當前諸多研究，由于受試驗條件的限制，學者們主要集中于探討堆積體表層的侵蝕規(guī)律，但堆積體作為一種立體結構，這種“內部潛流”是否會導致“地下水土流失”現(xiàn)象出現(xiàn)，以及其內部侵蝕規(guī)律如何，筆者認為今后研究中可以加強這方面的探討。

3.2 含礫石坡面的侵蝕特征

2.5 mm·min–1雨強下，塿土坡面在產流中后期含沙量迅速增加，其侵蝕特征與風沙土[27]較為相似，但后者單位時間內含沙量增幅更大（塿土為7.5 g·L–1·min–1，風沙土為25 g·L–1·min–1）；土壤黏粒含量會影響土粒之間的膠結力，團粒性質較好的土壤抵抗濺蝕、徑流沖刷的能力較強[28]，本試驗所用塿土黏粒含量較高（23%，表1），并且在長期耕作的影響下，其土壤整體團粒性質較好，而風沙土[27]粗顆粒多（黏粒含量僅為5.9%）且團粒結構較差，所以后者侵蝕更為劇烈。含沙量整體呈減少—穩(wěn)定—波動的變化趨勢，其變化歷程與風沙土[27]和黃綿土[29]的較為相似，但要明顯區(qū)別于紫色土[17]（增加—減小—穩(wěn)定），這與紫色土質地細密、孔隙度小，易形成結皮有關。0～6 min各坡面含沙量均較高且呈急劇下降趨勢，這是因為產流前期坡面細顆粒含量較高且侵蝕形式以濺蝕和面蝕為主，極易形成含沙量較高的渾濁泥流[30]；6～45 min的產沙過程中，礫石對產沙的影響占據(jù)主導地位；產流中后期，坡面侵蝕溝開始出現(xiàn)，對于含礫石坡面而言，由于水流只會選擇阻力較小路徑并對坡面薄弱處進行侵蝕[31]，密度較大的礫石難以被搬運就會在坡面不斷積累，在阻礙徑流流動，降低水流攜沙能力的同時，形成一定面積的礫石覆蓋層[24]，增強了對表層土體的保護，有效抑制了侵蝕的發(fā)生，所以含礫石坡面的含沙量較土質坡面會大幅下降。試驗過程中，坡面長時間受徑流沖刷和浸泡，極易發(fā)生小規(guī)?；?；水流對溝壁、溝頭的掏蝕也會造成溝槽周邊土體失穩(wěn)崩塌，“崩滑體”中的泥沙經(jīng)徑流沖刷，溝槽內含沙量急劇增加，當崩塌泥沙被水流搬運后，新的臨空面又會在其上部形成，下個周期的重力侵蝕又會開始[32]，使含沙量呈“多峰多谷”式波動變化。

本研究表明，次降雨侵蝕量隨雨強的增大而增大，隨礫石含量增加而逐漸減小；這與景民曉等[13]（礫石含量為10%、20%、30%）室內模擬試驗的結果一致，但也有研究發(fā)現(xiàn)礫石的存在（礫石含量＜20%）可顯著提高土壤侵蝕量[33]，主要是因為嵌入土體的礫石改變了土壤結構，導致其周圍土體易發(fā)生“渦旋侵蝕（vertex erosion）”所致；并且，礫石對侵蝕的影響存在“臨界效應”，在礫石含量（蓋度）為20%～25%時侵蝕量會出現(xiàn)峰值[33]。本研究中，在1.0 mm·min–1較小雨強下，礫石主要通過保護坡面免受雨滴濺蝕，促進水分入滲、削減地表徑流來減少侵蝕的發(fā)生；而在1.5～2.5 mm·min–1較大雨強下，隨著雨水沖刷和徑流搬運，坡面土體不斷流失后礫石大面積裸露，直接限制到侵蝕溝的形成和一系列發(fā)育過程（拓寬、下切、溯源）[21]，而溝蝕作為坡面侵蝕產沙的主要來源[34]，溝道發(fā)育受到抑制必然會導致總侵蝕量的下降；此外，礫石含量的增大可視作坡面礫石蓋度的增加[15]，大小不一的礫石、巖屑互相堆墊形成保護層，將降雨、徑流與坡面下方土體隔離開來，礫石含量越高，“armor效應”[35]對侵蝕的弱化作用越明顯，所以20%、30%礫石含量坡面在2.0、2.5 mm·min–1較大雨強下，侵蝕量較土質坡面會大幅減少。

4 結 論

本文采用室內模擬降雨試驗方法，研究了四種礫石含量（0、10%、20%、30%）堆積體坡面的徑流產沙特征，主要結論如下：1.0 mm·min–1雨強下，初始產流時間在10%礫石含量時最大，其余雨強下在10%礫石含量時最小。坡面流速整體上呈現(xiàn)出增大—逐漸穩(wěn)定的趨勢；雨強為1.0和2.5 mm·min–1時，10%礫石含量坡面平均流速最大；雨強為1.5、2.0 mm·min–1時，含礫石坡面流速變化范圍和波動性均小于土質坡面。0～6 min 各坡面含沙量均呈下降趨勢；產流6～45 min，1.0、1.5 mm·min–1雨強下，土質和含礫石坡面含沙量均趨于穩(wěn)定，而在2.0、2.5 mm·min–1雨強下，則呈多峰多谷式波動。次降雨侵蝕量隨雨強增加顯著增大；1.0～2.5 mm·min–1雨強下，含礫石坡面侵蝕量較土質坡面減少了2.2%～68.3%。該研究可深入了解短時性暴雨條件下堆積體坡面的侵蝕過程和特征，為堆積體邊坡水土保持措施的布設提供合理依據(jù)。鑒于堆積體侵蝕過程的復雜性，日后的研究應注重模擬試驗的重復，還需在試驗的坡度、坡長、礫石占比和分布等方面進一步加強研究。

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Erosion of Slopes of Lou Soil Stacks Different in Gravel Content

ZHAO Man1, WANG Wenlong1, 2?, GUO Mingming1, KANG Hongliang1, YANG Bo1, WANG Wenxin1, CHEN Zhuoxin1

(1. State Key Laboratory of Soil Erosion and Dryland Farming on Loess Plateau, Institute of Soil and Water Conservation, Northwest A＆F University, Yangling, Shaanxi 712100, China; 2. Institute of Soil and Water Conservation, Chinese Academy of Sciences and Ministry of Water Resources, Yangling, Shaanxi 712100, China)

During the processes of production and construction in Guanzhong Region, a large number of stacks of Lou soil were formed. Gravel in the stack is an important factor affecting soil erosion on stack slopes in characteristic. Therefore, this study was designed to explore impacts of gravel concentration on runoff and sediment yielding processes on slopes of Lou soil stacks different in gravel content.In this paper, artificial rainfalls were simulated indoor, different in intensity (1.0 mm·min–1, 1.5 mm·min–1, 2.0 mm·min–1and 2.5 mm·min–1), to explore their effects on runoff and sediment yield on slopes of Lou soil stacks different in gravel content (0, 10%, 20% and 30%). The experiment had test plots set up, 5 m×1 m×0.6 m in area and 25° in slope gradient. The nozzles of the artificial rainfall simulator were 18 m high over the slopes, spraying water evenly(more than 80% in evenness). Rainfall intensity were calibrated before the start of each test to ensure that the deviation of the actual rainfall intensity in the test was kept less than 5% of the designed rain intensity for the test. During the test, flow velocity of the runoff on the slope was measured with the dyeing method, width of the flow with a steel ruler, duration of runoff and sediment collection recorded with a stopwatch, and quantity of the samples weighed on an electronic scale.Results show: (1) runoff lasted the longest on the Lou soil slope 10% in gravel content under rainfall 1.0 mm·min–1in intensity, and the shortest under rainfall lower than 1.0 mm·min–1in intensity; (2) mean flow velocity of runoff increased with rising rainfall intensity on all the gravel-containing slopes regardless of gravel content. The flow velocity on the slope 10% in gravel content was the highest under rainfalls 1.0 and 2.5 mm·min–1in intensity, and 15.3%-21.2% and 13.6%-14.1% lower than that on the slope under rainfall 1.5 and 2.0 mm·min–1in intensity, respectively; (3) sediment content in runoff dropped drastically during the initial period(0-6 min) of each rainfall, regardless of rainfall intensity on all the gravel-containing slopes, and 6 min later, it gradually leveled off under the rainfalls 1.0 and 1.5 mm·min–1in intensity, and fluctuated sharply under the rainfalls 2.0 and 2.5 mm·min–1in intensity. During this period gravels dominated the process of sediment yield; (4) the amount of erosion per rainfall event showed a significant power function relationship with rainfall intensity, and decreased by 22.4%-42.6%, 8.2%-66.3%, 2.2%-56.5% and 45.0%-68.3%, on the gravel containing slopes under rainfall 1.0 mm·min–1, 1.5 mm·min–1, 2.0 mm·min–1and 2.5 mm·min–1in intensity, respectively as compared with that on the pure soil slope.This study may serve as a theoretical basis for establishment of a model for research on water erosion on slopes of soil stacks in the Guanzhong Region.

Rainfall intensity; Gravel content; Runoff and sediment yield; Lou soil

S157.1

A

10.11766/trxb201905220129

趙滿，王文龍，郭明明，康宏亮，楊波，王文鑫，陳卓鑫. 不同礫石含量塿土堆積體坡面侵蝕特征研究[J]. 土壤學報，2020，57（5）：1166–1176.

ZHAO Man，WANG Wenlong，GUO Mingming，KANG Hongliang，YANG Bo，WANG Wenxin，CHEN Zhuoxin. Erosion of Slopes of Lou Soil Stacks Different in Gravel Content[J]. Acta Pedologica Sinica，2020，57（5）：1166–1176.

* 國家重點研發(fā)計劃項目（2016YFC0501604）和國家自然科學基金項目（40771127，41761062）資助Supported by the National Key Research and Development Program of China（No. 2016YFC0501604）and National Natural Science Foundation of China（Nos. 40771127，41761062）

，E-mail：wlwang@nwsuaf.edu.cn

趙 滿（1995—），男，河南南陽人，碩士研究生，主要從事生產建設項目土壤侵蝕與水土保持研究。E-mail：1301254459@qq.com

2019–05–22；

2019–07–27；

優(yōu)先數(shù)字出版日期（www.cnki.net）：2019–08–22

（責任編輯：檀滿枝）