鄂東南花崗巖紅壤不同土層侵蝕過程

張健華, 汪運東, 楊青松, 倪世民, 王軍光, 蔡崇法

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

坡面侵蝕包括雨滴擊濺和地表徑流沖刷引起的土壤分離、泥沙搬運和泥沙沉積三大過程[1]。坡面侵蝕泥沙顆粒主要來源于破碎的表土團聚體和表面松散物質，雨滴擊濺和坡面徑流為其提供了動力條件[2]。

雨滴擊濺引起的土壤顆粒分離是坡面侵蝕的開端，降雨動能(KE)是描述降雨侵蝕力的主要指標之一，可以衡量雨滴分離土壤顆粒的能力。如果降雨動能克服了土壤顆粒分離的臨界能量，土壤顆粒就會被分離、搬運[3]。同時，當坡面產生徑流時，降雨動能可能會增強徑流的湍流，從而增強其侵蝕力和搬運能力[4]。較高的降雨動能具有較高的分離能力和搬運能力，使泥沙中包含更多相對較大的土壤顆粒，而細顆粒含量隨之下降，從而影響坡面徑流的搬運機制。在許多研究中，學者們通過不同形式的覆蓋處理來控制降雨動能，其原理是允許部分降雨雨滴通過覆蓋物，實現雨滴對土壤表面產生不同程度的擊濺作用。如Wang等[5]通過不同孔徑紗網的覆蓋處理得到6個降雨動能，指出不同降雨動能條件下侵蝕泥沙的搬運是泥沙分選的過程。因此，研究不同降雨動能對土壤坡面徑流侵蝕產沙的影響在防治水土流失中具有現實意義。

徑流對泥沙的搬運作用源于坡面徑流的動力作用，其中流速、水流功率以及單位水流功率是表征徑流水動力學特性的主要指標。坡面侵蝕過程中，徑流的水動力學特性和坡面侵蝕產沙規律之間的關系一直是研究的熱點，定量化地闡明兩者的關系是建立土壤侵蝕物理預測模型的前提條件[6]。在已有的研究中，目前國內外學者多采用水流功率、單位水流功率等參數來描述坡面徑流的水動力學特征，如澳大利亞的GUEST模型采用水流功率來描述水流的分離與輸沙的過程和能力，而EUROSEM和LISEM模型則將單位水流功率作為描述水流輸沙過程和能力的水動力學參數[7]。郭太龍等[8]發現由水深和曼寧糙率系數共同組成的復合水動力特征參數可作為表征不同雨強及坡度下的華南紅壤坡面水蝕侵蝕產沙的特征水動力參數指標。倪世民[6]和王龍生等[7]發現在徑流的水力學參數中，單位水流功率是最適合描述土壤侵蝕程度的參數。田培等[9]通過模擬降雨試驗研究發現弗勞德數和流速可以較好地模擬紅壤坡面產沙率。然而，王秋霞等[10]研究表明單位水流功率不能準確地描述崩崗各土層土壤剝蝕率。因此，究竟何種水動力學參數能夠更準確地描述坡面徑流侵蝕過程，揭示侵蝕動力學機理，目前還需要進一步探究。

我國南方紅壤丘陵區降雨充裕，地表徑流量大，在部分地區土壤侵蝕嚴重，尤其是水力侵蝕和重力侵蝕綜合作用下形成的崩崗危害最為嚴重，制約了當地生態、經濟、社會的發展。近些年來，許多學者對南方紅壤丘陵區的坡面侵蝕機理進行了研究。但是，在不同降雨動能條件下不同層次花崗巖紅壤的抗蝕能力尚不明確，尤其是水動力參數指標的選定及侵蝕產沙機制、侵蝕物理模型尚不明確。鑒于此，本研究采用室內人工模擬降雨試驗，初步探討不同降雨動能條件下花崗巖紅壤在坡面侵蝕過程中的水動力學特性及其產流產沙特性之間的定量關系。該結果對于認識土壤侵蝕水動力學機理、完善土壤侵蝕過程模型具有重要的理論意義，為進一步研究崩崗區侵蝕規律和防治水土流失提供重要依據。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

試驗土壤的采樣點位于湖北省通城縣(29°12′39″E， 113°46′26″N)，該區屬亞熱帶季風氣候，年平均降水量和溫度分別為1 525 mm和16℃，土壤為花崗巖母質發育，屬于典型的南方丘陵區，具有土壤、氣候和地理環境的代表性[11]。采樣點土壤類型為花崗巖母質發育的紅壤，土地利用方式為林地。根據風化程度、土壤顏色和土壤結構特征，試驗采集了花崗巖風化層的典型剖面中的3個層次(淋溶層、淀積層、母質層)，分別被定義為：TCA，TCB和TCC。將采集的土樣進行自然風干，然后過10 mm篩網以去除石塊和雜草，測定其機械組成，土壤基本理化性質見表1。其中土壤容重和總孔隙度由環刀采集的各層次土壤樣品測得；土壤密度通過比重瓶法測定；土壤有機質通過重鉻酸鉀外加熱法測定；陽離子交換量用乙酸銨法測定；土壤質地通過吸管法和濕篩法測定[12]。根據美國土壤分類制，3個層次的土壤皆為砂壤土。上述試驗重復進行3次，利用鄰近點數據比較法剔除異常值后，選取三組重復數據的平均值作為試驗數據。

表1 各層次土壤的基本性質

1.2 試驗設計

人工模擬降雨試驗在華中農業大學模擬降雨大廳中展開，降雨裝置器材見圖1。模擬降雨裝置采用垂直旋轉下噴式自動模擬降雨系統。在試驗中，降雨高度為10 m，保證雨滴可以達到終點速度。模擬降雨器通過小、中、大3種規格的噴頭組合實現15～220 mm/h降雨強度變化范圍，降雨均勻度超過90%，滿足降雨試驗條件[13]。試驗土槽為可調坡鋼制土槽，長、寬、深分別為3.00 m，0.80 m，0.45 m。試驗土槽下端設置了徑流收集裝置，用于收集試驗過程中產生的徑流泥沙樣。

在裝填土槽時，先在試驗土槽底部填入10 cm厚的細沙，然后將細紗布鋪在細沙表面，保證試驗土層的透水狀況接近天然坡面。3個層次土壤為3種試驗材料，將土樣以5 cm的厚度進行分層填充，分別按其容重填入土槽，用平衡尺刮平土壤表面。同時，在不破壞團聚體顆粒的前提下，將試驗土槽邊緣的土樣盡量壓實，以盡量減小邊界效應的影響。

試驗設計坡度為15°，是崩崗侵蝕區常見坡度[5]，模擬降雨強度為90 mm/h，與研究區典型的暴雨強度相對應[14]。近年來，紗網覆蓋措施被廣泛應用于邊坡治理工程中(圖1)，雨滴經過紗網之后其速度和直徑會隨之變化。因此本試驗模擬紗網覆蓋措施下雨滴動能變化的現象，在土槽上方距離土壤表面5 cm處設置了5個不同孔徑的不銹鋼篩網。在相同的降雨強度下，通過不同孔徑的篩網控制雨滴的直徑和速度以獲取不同的降雨動能。雨滴通過5個孔徑(無，3.80，2.50，1.40，0.75 mm)的篩網獲得5個梯度的降雨動能，降雨雨滴的直徑、速度和數量通過激光雨滴光譜儀(OTTHydroMet，德國)實時獲取，將該儀器放置于篩網下5 cm處，以確保其測得的雨滴動能與土壤表面一致。5種孔徑(無，3.80，2.50，1.40，0.75 mm)篩網分別獲取了628，443，324，231，110 J/(m2·h)的降雨動能。與無覆蓋的裸露坡面相比，4種篩網覆蓋條件下的降雨動能分別減少了大約29.46%，48.41%，62.22%和82.48%。

試驗前用紗布覆蓋坡面，并對覆蓋坡面進行預濕潤處理，直至產流。將土槽放置24 h，使其自然排水。當土壤含水量達到30%時開始試驗。在降雨前，對降雨強度進行校準，將其調整為(90.00±4.50) mm/h，以確保實際降雨強度達到目標降雨強度。坡面徑流泥沙樣的收集總時間為產流開始后的60 min，同時記錄坡面初始產流時間。使用鋁盒和塑料桶收集泥沙樣，每隔3 min用鋁盒接一次樣，接樣時間為1 min，每場降雨試驗共采集徑流泥沙樣品20個。降雨過程中通過染色劑法測得徑流流速作為表面流速，將土槽頂部作為測量起點，土槽底部為測量終點，自徑流產生后每隔6 min測量1次，取其均值。試驗結束后，稱量每個徑流樣品的質量用于計算徑流體積；泥沙質量用烘干法測定，在105℃溫度下烘干8 h至恒重，稱重測得；含沙量主要通過試驗測定的產流體積和泥沙質量進行計算；總產沙量通過樣品泥沙質量結合試驗時間推算測得；各粒級團聚體含量由濕篩法測定，將土樣置于分樣篩中，在離子水中震蕩5 min，靜置、烘干、稱重測得。同時，徑流平均水深利用測得徑流體積除以徑流流速計算得到。

圖1 模擬降雨試驗儀器及篩網覆蓋措施

1.3 相關水動力學參數計算

本文選擇以下參數作為表征水動力學特性的指標，其有關公式如下所示。

將試驗測得的流速乘以修正系數作為坡面徑流平均流速[15]，其表達式為：

V=kVm

(1)

式中:V為徑流平均流速(cm/s);Vm為坡面最大徑流流速(cm/s);k為修正系數,本研究中k=0.75[16]。

水流剪切應力(τ)表征分離土壤顆粒和搬運泥沙的徑流沖刷力[15]，其表達式如下：

τ=ρ·g·R·J

(2)

式中:τ為水流剪切應力(Pa);ρ為水流密度(kg/m3);R為水力半徑(m),由于坡面水流為薄層水流,可以用平均水深h代替。

水流功率(ω)表示作用于單位面積的水流所消耗的功率，其表達式如下[17]：

ω=τV

(3)

式中:V為徑流平均流速(cm/s)。

Darcy-Weisbach阻力系數是徑流流動過程中受到的來自坡面的阻滯水流運動力的總稱[15]，其表達式如下：

(4)

式中:g為重力加速度,取g=9.8 m/s2;R為水力半徑(m);對于薄層水流,可近似用水深h代替R;V為徑流平均流速(m/s);J為水力坡度,J=sinθ,θ為床面坡度。

單位水流功率(P)表示作用于泥沙床面的單位重量水體所消耗的功率。其表達式為[10]：

P=VJ

(5)

土壤侵蝕速率是單位時間單位侵蝕面積坡面土壤在徑流侵蝕沖刷作用下被分離剝蝕的土壤顆粒質量，表示徑流對坡面土壤的分離能力，其表達式如下[18]：

(6)

式中:Dr為土壤侵蝕速率〔kg/(m2·min)〕;mt為累計產沙量(kg);B為水寬(cm);L為溝長(m);T為時間(min)。

試驗數據及繪圖使用SPSS 18.0軟件和Origin 8.0進行處理分析。

2 結果與分析

2.1 坡面產流特征

不同降雨動能條件各層次土壤的初始產流時間具有明顯的規律性，觀測結果見圖2。可以看出，隨著降雨動能的增加，不同層次土壤的初始產流時間逐步遞減，其原因在于降雨動能的不同會導致坡面存在不同的產流方式，當降雨動能較小時為蓄滿產流，當降雨動能較大時則轉變為超滲產流[19]。隨著降雨動能增加，單位時間單位面積接受的雨量越大，蓄滿產流時間縮短，在降雨動能大時轉變為超滲產流，產流時間必然縮短[20]。在相同降雨動能條件下，各層次土壤初始產流時間表現為TCA>TCC>TCB。這是由于TCB土壤容重大，總孔隙度小，結構緊實，水分入滲緩慢，且在降雨過程中形成地表結皮，促進坡面產流，使得TCB初始產流時間遠小于TCA和TCC；而TCA有機質含量高，孔隙發育良好，產流過程中下滲多[21]，不利于地表徑流形成，因此TCA的初始產流時間整體大于TCC。這與大多數學者的研究結論一致[19-20]。

圖2 各層次土壤初始產流時間與降雨動能的關系

2.2 坡面產沙特性

試驗過程中3個層次土壤在不同的降雨動能條件下坡面徑流含沙量隨時間變化規律見圖3。各層次土壤的徑流含沙量差異顯著，TCA含沙量變化范圍為0.02～0.09 g/ml，TCB含沙量變化范圍為0.026～0.36 g/ml，TCC含沙量變化范圍為0.08～0.17 g/ml。土壤有機質含量和黏粒含量是土壤抗蝕性的主導因素[22]，有機質含量越高，土壤團聚體穩定性越高[23]，土壤抗蝕性隨之增強，從而使得坡面徑流含沙量減小。TCA有機質含量遠高于TCB和TCC，土壤團聚體穩定性強，土壤抗蝕性強，土壤顆粒較TCB和TCC更難被分離，因此TCA徑流含沙量較小；而TCC黏粒含量和有機質含量小，土壤團聚體抗蝕性弱，在降雨過程中坡面土壤顆粒易被剝蝕，因此TCC徑流含沙量大。各土層土壤坡面徑流含沙量隨著降雨動能的增大而增大，且降雨動能越大，含沙量增長幅度越大。其原因是隨著降雨動能的增大，徑流剝蝕和搬運土壤的能力逐漸增大，致使徑流含沙量增大[24]。

TCA和TCB的徑流含沙量總體呈現遞減趨勢。這和在本試驗的坡面產流伊始，降雨及其產生的徑流的作用下土壤表面的松散顆粒和浮土不斷消耗有關，隨著松散顆粒的耗盡，徑流含沙量逐漸減小，這與多數學者的研究結果一致[24]。TCC徑流含沙量呈現不斷遞增的趨勢，這與其土壤抗蝕性較弱有關。在降雨初期坡面侵蝕以濺蝕為主，在徑流產生后，雨滴打擊水面增大水流的紊動性，徑流對土壤顆粒的剝蝕和搬運能力增強。加之TCC的較弱的抗蝕性，使土壤侵蝕呈現愈演愈烈的正反饋關系。在王秋霞等[25]人的研究結果中，母質層的徑流含沙量隨著降雨試驗的進行，整體呈下降趨勢，與我們的研究結果并不一致，分析其原因可能是其試驗的模擬降雨強度較小所導致的。較小的降雨動能將導致徑流量和流速較小，徑流對土壤顆粒的分離搬運作用減弱，泥沙在搬運過程中更易沉積，因此其試驗呈現出徑流含沙量遞減的結果。

另外，隨著降雨時間的延長，3個層次土壤產沙量差異顯著，TCA和TCB產沙量變化趨于準穩定狀態，而TCC的產沙量大且隨著降雨動能和降雨時間不斷增加。

不同降雨動能條件下，各層次土壤的總產沙量具有顯著的變化規律，見圖4。隨著降雨動能增加，各層次土壤的總產沙量均不斷增大，這與鄧龍洲等[19]人的研究結論一致。這是因為較大的降雨動能條件下，雨滴擊濺作用和徑流分離搬運作用較強，坡面泥沙易被攜帶離開坡面，使得坡面產沙量大。

圖3 不同降雨動能條件下各層次

不同層次土壤的總產沙量與含沙量規律相同，表現為TCC>TCB>TCA。造成這種差異的原因是各層次土壤團聚體抗蝕性及坡面徑流沖刷強度不同。TCA孔隙發育，下滲多，產生的坡面徑流小，坡面受到的徑流沖刷作用較弱，且TCA有機質含量高，團聚體穩定性強，在同一降雨動能條件下，TCA土壤團聚體破碎程度小，因此TCA坡面產沙量小。TCB產生的坡面徑流流量量大，流速快，沖刷作用強，因此總產沙量大于TCA。TCC有機質含量極低，黏粒含量少，土壤團聚體穩定性弱，在雨滴擊濺作用下，大量團聚體顆粒破碎并被徑流沖刷離開坡面，因此TCC產沙量最大。

將每場降雨試驗得到的20個含沙量數據分別取平均值，得到的平均含沙量用于計算各降雨動能條件下各層次土壤的土壤侵蝕速率，并將土壤侵蝕速率和降雨動能進行擬合，見圖5。擬合結果表明土壤侵蝕速率與降雨動能呈線性關系，決定系數R2分別達到了0.89，0.94，0.94。不同層次土壤的土壤侵蝕速率差異顯著，總體表現為TCC>TCB>TCA，其中TCA，TCB，TCC的擬合方程中降雨動能的系數分別為0.07，0.14，0.17，表明降雨動能增加對各層次土壤的土壤侵蝕速率造成的影響程度呈現TCC>TCB>TCA的規律，說明土壤質地對土壤侵蝕速率具有顯著影響，這與前人的研究結論一致[6]。

綜上所述，表層土壤比下層土壤具有更強的抗蝕性，當坡面發生侵蝕時，上層土壤一旦被剝蝕，下層土壤易出現加速侵蝕的趨勢，因此保護土壤表層(尤其是A層)是坡面侵蝕預防治理中的關鍵環節。

圖4 各層次土壤總產沙量隨降雨動能的變化規律

圖5 各層次土壤的土壤侵蝕速率與降雨動能之間的擬合關系

2.3 不同試驗條件下水動力學參數

2.3.1 流速 坡面流速是影響坡面侵蝕的重要參數，是推導各水動力學參數的基礎參數[26]。由圖6看出，在不同降雨動能條件下不同層次土壤坡面的徑流平均流速范圍為0.08～0.21 m/s，各層次土壤坡面徑流流速隨降雨動能的變化呈現明顯的規律性：同一層次土壤的徑流流速隨著降雨動能的增加而增大，表明降雨動能對坡面流速影響顯著，這與郭太龍等[8]研究結果一致。而在同一降雨動能條件下，不同層次土壤的平均流速大致表現為TCB>TCC>TCA，這與土壤坡面地表特征有關。在片蝕階段，徑流流速受雨滴擊濺和徑流沖刷造成的坡面粗化、跌坎發育等微地表變化的影響[27]較為顯著，不同層次土壤的抗蝕性不同，在雨滴擊濺作用下，各層次土壤的微地表特征產生差異。同時，TCB黏粒含量最高，在降雨過程中，容易形成程度較大的結皮，這有利于坡面產流，增加流速，這與吳秋菊等[28]研究結論一致。根據試驗觀測，礫石含量較高的TCA在發生侵蝕后，坡面粗粒現象比較明顯，削減了徑流能量，降低了徑流流速。因此，徑流流速表現為TCB>TCC>TCA。另外，隨著降雨動能增加，3個層次土壤坡面徑流的流速呈現遞增的趨勢，這表明降雨強度直接決定了雨量大小和強度，其對坡面徑流的運動快慢起著關鍵作用，雨強對于坡面侵蝕水流的流速影響顯著。王龍生等[13]以黃土作為研究對象，發現坡面的微地表和糙度的變化會對坡面徑流流速產生影響，進一步驗證了本試驗的研究結論。

圖6 各層次土壤流速與降雨動能的關系

2.3.2 水流功率和單位水流功率 從物理學角度看，坡面徑流的沖刷侵蝕過程是一個做功消耗能量的過程[29]。水流功率和單位水流功率是影響侵蝕的重要水動力學參數，部分研究表明其能夠幫助預測坡面侵蝕過程中的土壤侵蝕速率[6,16]。其中，水流功率表征徑流在分離、剪切土壤顆粒作用中的功率大小[8]。單位水流功率能夠反映單位質量水體勢能隨時間的變化率[10]。由圖7看出，不同降雨動能條件下各層次土壤坡面的水流功率取值范圍為0.09～0.15 W/m2，單位水流功率取值范圍為0.02～0.06 m/s。隨著降雨動能的增加，水流功率和單位水流功率呈增大趨勢。另外，各層次土壤之間的水流功率和單位水流功率均表現為TCB>TCC>TCA。其原因是，水流功率受水流剪切力和流速的共同作用，單位水流功率則取決于坡面坡度和水流流速，王龍生等[7]認為二者的數值大小很大程度上取決于水流流速，因此在降雨試驗中，水流功率和單位水流功率的變化特征與流速相似。而郭太龍等[8]發現水流功率受多個變化因素的綜合影響后不呈現單一的線性函數關系，變化規律不明顯。因此，將水流功率應用于土壤侵蝕研究的理論還需通過不斷的實踐來完善。

圖7 各層次土壤水流功率和單位水流功率隨降雨動能的變化規律

2.4 探討水動力學參數與土壤侵蝕速率之間的關系

影響土壤侵蝕速率的因素很多，不只受單一因子的影響，不同學者選用描述土壤侵蝕速率的參數存在分歧。通過對本試驗數據結果進行分析，發現水流功率和單位水流功率也能與土壤侵蝕速率建立很好的冪函數關系：

Dr=2.54×104ω2.80R2=0.58

(7)

Dr=4.88×103P1.32R2=0.48

(8)

式中:ω為水流功率；P為單位水流功率；樣本數n=40。

Nearing等[30]首次用變坡水槽對土壤侵蝕速率進行了研究，得出土壤侵蝕速率與土壤中值粒徑D50呈線性函數關系。Wirtz等[31]通過試驗研究發現泥沙搬運和沉積過程具有很高的時空變異性，難以利用單一因素描述其過程。國內外也有研究認為土壤分離能力與土壤特性、近地表特性有關[32]。綜合以上結論，認為除了水動力學參數以外，還有必要結合更多的影響因素進行討論，進一步完善定量關系。試驗所用土壤為同一母質發育不同層次的花崗巖紅壤，由表1可知，相比其他影響因素，土壤的機械組成是使土壤特性呈現出差異的主要原因，并且主要是由土壤黏粒含量引起的[33]。因此在與土壤侵蝕速率關系密切的水動力學參數之中加入代表土壤自身性質的黏粒含量指標，建立了兩者與土壤侵蝕速率之間的關系，結果見下式：

Dr=4.40×104ω1.36Cl-0.80R2=0.97

(9)

Dr=3.95×105P3.07Cl-0.80R2=0.80

(10)

式中:Cl為土壤黏粒含量,樣本數n=40。

對比分析上述式(7—10)發現引入黏粒含量之后擬合優度得到了顯著提高。兩者黏粒含量的指數均為負數，說明土壤黏粒含量對土壤侵蝕具有消極作用，黏粒含量是影響土壤黏結力的主要因素[6]，土壤質地越粘重，抗侵蝕能力越強，這與前人的研究結果一致[34-35]。本文在探究土壤侵蝕速率與水動力學參數的關系上考慮了土壤本身的性質，預測土壤侵蝕速率的效果更好。但由于工作量等各種限制因素，沒有考慮近地表特性的影響，例如枯落物覆蓋、生物結皮等，在實際應用中還有待進一步深入。

3 結 論

(1) 不同降雨動能條件下，各層次土壤的產流產沙規律顯著。隨著降雨動能增加，各層次土壤初始產流時間不斷遞減，徑流含沙量和總產沙量不斷增大，流速、水流功率和單位水流功率也隨之增大；

(2) 各層次土壤之間的侵蝕規律差異顯著。初始產流時間表現為：TCA>TCC>TCB；徑流含沙量和總產沙量均表現為TCC>TCB>TCA；流速、水流功率、單位水流功率表現為TCB>TCC>TCA；通過建立土壤侵蝕速率和降雨動能之間的擬合方程，發現在同一降雨動能條件下土壤侵蝕程度與趨勢均表現為TCC>TCB>TCA，因此保護土壤表層(尤其是A層)是預防和治理坡面侵蝕的關鍵環節；

(3) 水流功率和單位水流功率均與土壤侵蝕速率呈冪函數相關關系，但對于土壤侵蝕速率的預測精度較低。而在表達式中引入土壤黏粒含量，可以提高模型精度，在實際應用中有更廣的應用范圍和現實價值。