降雨能量對(duì)東北典型黑土區(qū)土壤濺蝕的影響

胡　偉，鄭粉莉，邊　鋒

1 中國(guó)科學(xué)院水利部水土保持研究所，黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，楊凌　712100 2 西北農(nóng)林科技大學(xué), 資源環(huán)境學(xué)院，楊凌　712100 3 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京　100049

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降雨能量對(duì)東北典型黑土區(qū)土壤濺蝕的影響

胡偉1,3，鄭粉莉1,2,*，邊鋒2

1 中國(guó)科學(xué)院水利部水土保持研究所，黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，楊凌712100 2 西北農(nóng)林科技大學(xué), 資源環(huán)境學(xué)院，楊凌712100 3 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京100049

濺蝕特征研究可揭示濺蝕發(fā)生機(jī)理，而現(xiàn)有研究大多用濺蝕量來(lái)表征濺蝕特征，不能全面準(zhǔn)確地反應(yīng)濺蝕作用過(guò)程。為此，基于改進(jìn)的試驗(yàn)土槽進(jìn)行室內(nèi)模擬降雨試驗(yàn)，研究降雨能量對(duì)坡面不同方向?yàn)R蝕量及濺蝕過(guò)程的影響。試驗(yàn)設(shè)計(jì)包括2種降雨強(qiáng)度(50 mm/h和100 mm/h)和10個(gè)降雨能量，其中10個(gè)降雨能量是通過(guò)2種降雨強(qiáng)度(50 mm/h和100 mm/h)和5個(gè)雨滴降落高度(3.5，5.5，7.5，9.5、11.5 m)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。結(jié)果表明：在相同降雨強(qiáng)度下，坡面總濺蝕分量均隨降雨能量的增加而增大。次降雨坡面濺蝕量均為向下坡最大，其次為側(cè)坡濺蝕量，而向上坡濺蝕量最小。當(dāng)降雨強(qiáng)度由50mm/h增加至100mm/h時(shí)，坡面向上坡濺蝕量增加2.3—5.0倍，向下坡濺蝕量增加1.7—5.1倍，側(cè)坡濺蝕量增加1.9—4.3倍，總濺蝕量增加1.9—4.5倍，凈濺蝕量增加1.2—6.4倍。對(duì)于不同降雨能量處理，坡面濺蝕率均表現(xiàn)為坡面產(chǎn)流前隨降雨歷時(shí)的增加而遞增，產(chǎn)流后迅速達(dá)到峰值，之后逐漸減小并趨于穩(wěn)定。定量分析了各濺蝕分量、總濺蝕量、凈濺蝕量與降雨能量的關(guān)系，提出了濺蝕發(fā)生的降雨能量閾值，發(fā)現(xiàn)雨滴濺蝕發(fā)生的臨界能量為3—6 J m-2mm-1，且向上坡濺蝕量，向下坡濺蝕量，凈濺蝕量和總濺蝕量皆與降雨能量呈冪函數(shù)關(guān)系，而側(cè)坡濺蝕量與降雨能量呈二次多項(xiàng)式關(guān)系。

降雨能量；濺蝕；濺蝕過(guò)程；總濺蝕量；凈濺蝕量；典型黑土區(qū)

雨滴濺蝕是指雨滴打擊土壤表面，使土粒發(fā)生分散、分離、躍遷位移的過(guò)程[1- 3]。雨滴打擊不僅搬運(yùn)土粒，為坡面徑流搬運(yùn)提供大量松散物質(zhì)[4]，還通過(guò)增加坡面薄層水流的擾動(dòng)而增加徑流的搬運(yùn)能力[5]。因此，雨滴打擊對(duì)坡面侵蝕的分離和搬運(yùn)有重要影響[6]。有關(guān)研究結(jié)果表明，雨滴打擊對(duì)濺蝕的影響起關(guān)鍵作用，降雨強(qiáng)度越大，則濺蝕量越大[7]。降雨能量是雨滴降落時(shí)所產(chǎn)生的能量，由雨滴大小和其降落速度決定[8]。降雨能量也是影響濺蝕的重要因素，隨著降雨能量的增加，濺蝕量隨之增加[9]。蔡強(qiáng)國(guó)等[10]研究表明，濺蝕量與降雨強(qiáng)度和降雨雨滴直徑密切相關(guān)，并建立了濺蝕量與降雨強(qiáng)度、雨滴直徑的二元線性回歸方程。江忠善[11]和Free等[12]的試驗(yàn)結(jié)果表明，濺蝕量與降雨能量呈冪函數(shù)相關(guān)。然而，現(xiàn)有研究多是探討降雨強(qiáng)度或降雨能量對(duì)濺蝕量的影響，對(duì)濺蝕作用過(guò)程的研究有所欠缺。濺蝕的特征研究是認(rèn)識(shí)濺蝕發(fā)生機(jī)理的前提[13]。目前，在室內(nèi)通過(guò)濺蝕盤[14]，在野外通過(guò)濺蝕板[15]來(lái)進(jìn)行降雨濺蝕試驗(yàn)研究。但是，運(yùn)用濺蝕盤或?yàn)R蝕板大多是對(duì)濺蝕量的測(cè)定，缺乏對(duì)濺蝕作用過(guò)程及不同方向?yàn)R蝕量的定量描述，且尚不清楚雨滴打擊對(duì)濺蝕發(fā)生過(guò)程的影響。據(jù)此，基于改進(jìn)的試驗(yàn)土槽進(jìn)行不同降雨強(qiáng)度和不同降雨能量的模擬降雨試驗(yàn)，分析降雨能量對(duì)東北典型黑土區(qū)土壤濺蝕特征的影響，有助于加深理解濺蝕發(fā)生的過(guò)程和機(jī)理，以期為東北典型黑土區(qū)坡耕地土壤侵蝕防治提供科學(xué)依據(jù)。

1　材料與方法

1.1試驗(yàn)裝置與材料

試驗(yàn)在中國(guó)科學(xué)院水利部水土保持研究所黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室人工模擬降雨大廳進(jìn)行。人工模擬降雨設(shè)備采用中國(guó)科學(xué)院水利部水土保持研究所研制的側(cè)噴式單噴頭的降雨裝置[16]，降雨方式為兩個(gè)降雨器對(duì)噴，通過(guò)設(shè)計(jì)不同雨滴降落高度形成不同的降雨能量。供水壓力由壓力表控制，降雨強(qiáng)度主要通過(guò)孔板的孔徑來(lái)調(diào)節(jié)，孔徑為5—12 mm，可控制雨強(qiáng)30—165 mm/h，降雨均勻度大于85%。

圖1　試驗(yàn)土槽示意圖 Fig.1　The soil pan used in this study　a，b，c，d分別收集上坡，左側(cè)，右側(cè)，下坡濺蝕，e收集薄層水流侵蝕(片蝕)

試驗(yàn)土槽基于Bradford[17]試驗(yàn)所用土槽進(jìn)行了改進(jìn)(圖1)，該土槽可在同一降雨時(shí)間對(duì)上坡濺蝕、側(cè)坡濺蝕、下坡濺蝕和薄層水流侵蝕(片蝕)進(jìn)行分開采樣。試驗(yàn)裝置規(guī)格為：長(zhǎng)×寬×高=124 cm×117 cm×80 cm，中央為試驗(yàn)土槽，其規(guī)格為：長(zhǎng)×寬×高=50 cm×50 cm×40 cm，下端設(shè)集流裝置采集徑流泥沙樣，四周設(shè)有濺蝕收集槽，通過(guò)底部的塑料軟管進(jìn)行收集，外側(cè)為濺蝕緩沖區(qū)。上、下坡濺蝕收集槽規(guī)格為：長(zhǎng)×寬×高=57 cm×3.5 cm×40 cm，側(cè)坡濺蝕收集槽規(guī)格為：長(zhǎng)×寬×高=50 cm×3.5 cm×40 cm，濺蝕板高出土槽約40 cm。土槽底部每隔10 cm(長(zhǎng))和10 cm(寬)處設(shè)計(jì)孔徑為2 mm的排水孔，用以保證降雨試驗(yàn)過(guò)程中排水良好。

吉林省榆樹市位于我國(guó)黑土區(qū)的中心地帶，屬于典型黑土區(qū)。該區(qū)主要土壤類型為黑土，其占總面積的47.4%[18-19]。試驗(yàn)用土取自吉林省榆樹市劉家鎮(zhèn)合心村南城子屯的0—20 cm耕層土。試驗(yàn)土壤為研究區(qū)域內(nèi)的典型黑土，質(zhì)地為粉壤土，其顆粒組成為(美國(guó)農(nóng)業(yè)部制)：砂粒(2—0.05 mm)含量為3.3%，粉粒(0.05—0.002 mm)為76.4%，粘粒(< 0.002 mm)為20.3%，有機(jī)質(zhì)含量為(重鉻酸鉀氧化-外加熱法)23.81 g/kg，pH值(水浸提法，水土比2.5∶1)為5.92。由于近年來(lái)，該區(qū)坡耕地土壤侵蝕嚴(yán)重，黑土層已由開墾前的50—60 cm下降到目前的20—30 cm，且在部分區(qū)域已出現(xiàn)“破皮黃”現(xiàn)象。因此，本研究選取的研究區(qū)和試驗(yàn)土壤均具有一定的代表性和典型性。試驗(yàn)用土風(fēng)干后沿自然節(jié)理將其掰成稍小的土塊以保持原有的土壤結(jié)構(gòu)。

1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)

東北黑土區(qū)地形主要是山前波狀起伏臺(tái)地或漫崗地，坡度一般為1°—8°，有少部分超過(guò)10°，而當(dāng)坡度大于7°后，坡面土壤侵蝕急劇增加[20]。因此，本研究選取10°代表黑土區(qū)坡耕地的大坡度范圍。目前，國(guó)內(nèi)外研究降雨能量的方法主要有3種，一是改變降雨強(qiáng)度[21]，降雨強(qiáng)度越大，降雨能量越大，降雨強(qiáng)度和降雨能量之間存在交互作用，不能單獨(dú)分離降雨能量；二是改變降雨機(jī)[22]，相同降雨強(qiáng)度具有不同的降雨能量，不能真正的研究降雨能量；三是在相同的降雨強(qiáng)度下，改變雨滴的降落高度能夠直接獲取不同的降雨能量[23]。鑒于前兩種方法不能有效的分離降雨能量，本研究在保證降雨強(qiáng)度不變的前提下，改變雨滴降落高度獲取不同的降雨能量。當(dāng)雨滴降落高度在4.3 m以上時(shí)，可使大雨滴達(dá)到終點(diǎn)速度的80%[24]。當(dāng)降落高度在7—8 m 時(shí)，即可使95%的雨滴達(dá)到終點(diǎn)速度，要使所有不同大小的雨滴達(dá)到終點(diǎn)速度，最小的降落高度需要20 m[25]。20世紀(jì)80年代，國(guó)內(nèi)學(xué)者使用側(cè)噴式模擬降雨機(jī)選用的雨滴降落高度多為6.5 m，直徑大于2.0 mm的雨滴達(dá)不到終點(diǎn)速度[26]。本研究設(shè)計(jì)的最大降雨高度為11.5 m，可滿足0—6 mm直徑的雨滴達(dá)到終點(diǎn)速度[25]，能夠較好的模擬天然降雨的能量。本研究為了更好的研究降雨能量對(duì)黑土濺蝕的影響，設(shè)計(jì)了從3.5 m到11.5 m的5個(gè)雨滴降落高度水平，其變化步長(zhǎng)為2 m。依據(jù)黑土區(qū)侵蝕性降雨標(biāo)準(zhǔn)[27-28](即I10≥ 0.71 mm/min)，設(shè)計(jì)試驗(yàn)降雨強(qiáng)度為50 mm/h和100 mm/h(表1)，降雨歷時(shí)為30 min。所有試驗(yàn)處理的土壤均為風(fēng)干土。每一個(gè)試驗(yàn)處理重復(fù)兩次，試驗(yàn)設(shè)計(jì)見(jiàn)表1。

為保證良好的透水性，在試驗(yàn)土槽底部鋪20 cm厚細(xì)沙。沙子上部每5 cm一層填裝容重為1.25 g/cm3的黑土用于模擬農(nóng)耕地的犁底層，裝土厚度為10 cm。犁底層之上填裝容重為1.20 g/cm3的黑土用于模擬耕層，每5 cm一層填裝，裝土厚度為10 cm。裝上層土之前，用1 cm厚的木板抓毛下層土壤表面，以減少土壤分層現(xiàn)象。每次試驗(yàn)前翻耕表土約10 cm，并用齒耙耙平，模擬黑土區(qū)農(nóng)耕地坡面情況。

為了確保模擬降雨的均勻性和準(zhǔn)確性，試驗(yàn)開始前對(duì)降雨強(qiáng)度進(jìn)行率定，當(dāng)降雨均勻度大于85%，實(shí)測(cè)降雨強(qiáng)度與目標(biāo)降雨強(qiáng)度的差值小于5%時(shí)方可進(jìn)行正式降雨。降雨開始后，各方向的濺蝕量分別取全樣。對(duì)于降雨強(qiáng)度為50 mm/h試驗(yàn)處理，采樣間隔為6 min；對(duì)降雨強(qiáng)度為100 mm/h試驗(yàn)處理，采樣間隔為3 min。降雨結(jié)束后，用清水分別沖洗上、下、左、右濺蝕板上殘留的濺蝕土樣，以保證濺蝕土樣被完全收集。坡面產(chǎn)流后，記錄初始產(chǎn)流時(shí)間，接取徑流泥沙樣，取樣間隔為3—6 min。降雨結(jié)束后，稱取濺蝕和徑流泥沙的重量(電子稱量程為60 kg，精度為0.001 kg)，采用烘干法(105℃，24 h)測(cè)得濺蝕和徑流泥沙重(電子天平精度為0.1 g)。

表1　試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.3雨滴測(cè)定及降雨動(dòng)能計(jì)算

雨滴大小的測(cè)定采用濾紙色斑法。色斑法是歷史悠久、應(yīng)用最廣泛的一種雨滴粒徑測(cè)量方法[29]。濾紙使用新華造紙廠生產(chǎn)的直徑為15 cm的定性中速濾紙，涂料用曙紅和滑石粉混合粉末，按重量比為1∶10混合均勻，用刷子將混合粉末均勻地抹在濾紙上備用，當(dāng)雨滴落到濾紙上時(shí)，產(chǎn)生近似圓形的色斑[30]。將采集的濾紙掃描后使用Image-J[31]軟件的直尺功能測(cè)出色斑直徑，每個(gè)色斑按垂直方向測(cè)4次，測(cè)量精度為0.001 mm，取平均值為色斑直徑，進(jìn)而推求雨滴實(shí)際直徑。

由于試驗(yàn)條件與竇堡璋[30]相同，雨滴直徑采用下述公式進(jìn)行計(jì)算，即：

d=0.356D0.712

(1)

式中，d為雨滴直徑(mm)；D為色斑直徑(mm)。

對(duì)于天然降雨，雨滴終點(diǎn)速度采用牟金澤[32]提出的公式進(jìn)行計(jì)算，即：

當(dāng)d< 1.9 mm時(shí)，用修正的沙玉清公式：

(2)

當(dāng)d≥ 1.9 mm時(shí)，采用修正的牛頓公式：

(3)

式中，d為雨滴直徑(mm)；vi為天然降雨雨滴降落速度(m/s)。

對(duì)于人工模擬降雨，雨滴未完全到達(dá)終點(diǎn)速度，故雨滴速度不能按天然降雨雨滴速度計(jì)算[31, 33]，采用下述公式計(jì)算：

(4)

式中，V為人工模擬降雨雨滴降落速度(m/s)；g為重力加速度(m/s2)；H為雨滴降落高度(m)。

單個(gè)雨滴的動(dòng)能：

(5)

式中，ei為第i個(gè)雨滴的動(dòng)能(J)；mi為第i個(gè)雨滴的質(zhì)量，將其視為球體計(jì)算(g)；V為雨滴降落速度(m/s)。

雨滴的總動(dòng)能：

(6)

式中，et為全部雨滴的總動(dòng)能(J)；ei為第i個(gè)雨滴的動(dòng)能(J)；n為雨滴的個(gè)數(shù)。

降雨深[34]：

(7)

式中，h為降雨深(mm)；mi為第i個(gè)雨滴的質(zhì)量(g)；ρ為雨滴的密度(kg/m3)；S為濾紙的面積(m2)；n為雨滴的個(gè)數(shù)。

降雨能量：

(8)

式中，E為降雨能量(J m-2mm-1)；et為全部雨滴的總動(dòng)能(J)；h為降雨深(mm)；S為濾紙的面積(m2)。

1.4濺蝕量計(jì)算

總濺蝕量計(jì)算公式：

St=Su+Sd+Sl+Sr

(9)

式中，St為總濺蝕量(g m-2h-1)；Su為向上坡濺蝕量(g m-2h-1)；Sd為向下坡濺蝕量(g m-2h-1)；Sl為向左側(cè)濺蝕量(g m-2h-1)；Sr為向右側(cè)濺蝕量(g m-2h-1)。

凈濺蝕量[35-36]計(jì)算公式：

Sn=Sd-Su

(10)

式中，Sn為凈濺蝕量(g m-2h-1)；Sd為向下坡濺蝕量(g m-2h-1)；Su為向上坡濺蝕量(g m-2h-1)。

側(cè)坡濺蝕量計(jì)算公式：

(11)

式中，Sla為側(cè)坡濺蝕量(g m-2h-1)；Sl為向左側(cè)濺蝕量(g m-2h-1)；Sr為向右側(cè)濺蝕量(g m-2h-1)。

1.5數(shù)據(jù)處理

應(yīng)用Excel 2003、SigmaPlot 12.5和Matlab R2010b對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與分析：采用SigmaPlot 12.5繪制不同降雨能量下總濺蝕率隨降雨歷時(shí)的變化圖；采用Matlab R2010b中Curve Fitting Tool對(duì)各濺蝕分量，總濺蝕量，凈濺蝕量與降雨能量的關(guān)系進(jìn)行擬合，擬合過(guò)程中采用信賴域方法，同時(shí)考慮方程的物理意義。

2　結(jié)果與分析

2.1降雨能量對(duì)不同方向?yàn)R蝕量的影響

當(dāng)前期試驗(yàn)條件相同時(shí)，不同降雨能量對(duì)坡面濺蝕的影響存在差異(表2)。相同降雨強(qiáng)度下，坡面各方向?yàn)R蝕分量均隨降雨能量的增加而增大。各降雨能量下，次降雨坡面濺蝕量表現(xiàn)為：向下坡的濺蝕量最大，其次為向左側(cè)和右側(cè)的濺蝕量(側(cè)坡濺蝕量)，二者基本相同，而以向上坡的濺蝕量最小。這主要是土粒自身重力對(duì)向下坡濺蝕產(chǎn)生了一個(gè)動(dòng)力，而對(duì)向上坡濺蝕則起一個(gè)阻力的作用，因此導(dǎo)致向下坡的濺蝕量要大于向上坡的濺蝕量。對(duì)于側(cè)坡濺蝕，重力即是動(dòng)力又是阻力，因此其變化相對(duì)向上坡和向下坡較為平緩[37]。

當(dāng)雨滴降落高度相同時(shí)，100 mm/h雨強(qiáng)下的濺蝕量大于50 mm/h的濺蝕量。在50 mm/h降雨強(qiáng)度下，降雨能量平均每增加1 J m-2mm-1，向上坡濺蝕量增加9.4—17.0 g m-2h-1，向下坡濺蝕量增加13.9—43.0 g m-2h-1，側(cè)坡濺蝕量增加7.1—35.6 g m-2h-1，總濺蝕量增加37.8—131.3 g m-2h-1，凈濺蝕量增加4.2—26.0 g m-2h-1。100 mm/h降雨強(qiáng)度下，降雨能量平均每增加1 J m-2mm-1，向上坡濺蝕量增加11.7—46.8 g m-2h-1，向下坡濺蝕量增加49.7—146.0 g m-2h-1，側(cè)坡濺蝕量增加36.8—106.6 g m-2h-1，總濺蝕量增加135.0—405.9 g m-2h-1，凈濺蝕量增加17.8—99.2 g m-2h-1。這主要是因?yàn)榻涤昴芰吭鰪?qiáng)所致。當(dāng)降雨強(qiáng)度相同時(shí)，隨著雨滴降落高度的增加，雨滴降落速度增加，降雨能量隨之增大，從而間接地增強(qiáng)了雨滴打擊力。

當(dāng)降雨強(qiáng)度由50 mm/h增加到100 mm/h時(shí)，降雨能量增加幅度為18.4%—49.5%，向上坡濺蝕量增加2.3—5.0倍，向下坡濺蝕量增加1.7—5.1倍，側(cè)坡濺蝕量增加1.9—4.3倍，總濺蝕量增加1.9—4.5倍，凈濺蝕量增加1.2—6.4倍。由上述結(jié)果可知，隨著降雨強(qiáng)度的增大，雨滴打擊作用增強(qiáng)，促使更多的土壤顆粒分離。黑土富含有機(jī)質(zhì)，土壤團(tuán)聚體含量較高，在較小降雨強(qiáng)度下，雨滴打擊對(duì)土壤濺蝕作用較小，隨著雨強(qiáng)的增大，雨滴打擊土壤團(tuán)聚體的作用增強(qiáng)，從而使這些分散的土壤顆粒更容易被擊濺。因此，雨滴打擊力是黑土坡面發(fā)生濺蝕的主要侵蝕動(dòng)力，這與安娟[38]等的研究結(jié)果一致。范昊明[18]和張曉平[20]等研究也認(rèn)為雨滴侵蝕是我國(guó)黑土區(qū)最主要的侵蝕方式。上述研究結(jié)果進(jìn)一步表明消除雨滴打擊在黑土區(qū)農(nóng)耕地的重要性。

表2　相同降雨能量下各方向?yàn)R蝕分量、總濺蝕量和凈濺蝕量

表中數(shù)值表示平均值±標(biāo)準(zhǔn)差

2.2降雨能量對(duì)濺蝕過(guò)程的影響

圖2　總濺蝕率隨降雨歷時(shí)的變化Fig.2　Temporal variation of total splash rates during the rainfall event

通過(guò)對(duì)不同降雨能量下總濺蝕率隨降雨歷時(shí)的比較，發(fā)現(xiàn)100 mm/h降雨強(qiáng)度下的最大濺蝕率是50 mm/h降雨條件的4.3—9.5倍(圖2)。在50 mm/h降雨強(qiáng)度下，產(chǎn)流時(shí)間集中在24—27 min，濺蝕率隨降雨歷時(shí)呈現(xiàn)遞增的趨勢(shì)。這主要是因?yàn)樵囼?yàn)土壤比較干燥，當(dāng)雨滴降落到干燥的土壤時(shí)，大部分能量被表層土壤所吸收，因此濺蝕搬運(yùn)的土粒較少，隨著土壤含水量增加，土壤粘結(jié)力減小，坡面產(chǎn)生大量松散的物質(zhì)供濺蝕搬運(yùn)，這個(gè)過(guò)程主要是雨滴與土粒間的能量交換。而100 mm/h降雨強(qiáng)度下總濺蝕率在降雨初期呈現(xiàn)急劇上升，坡面在9—12 min產(chǎn)流，產(chǎn)流后濺蝕率迅速到達(dá)峰值，之后逐漸減小。這種變化趨勢(shì)在降雨能量較大時(shí)更加明顯，如在100 mm/h降雨強(qiáng)度和雨滴降落高度為11.5 m對(duì)應(yīng)的降雨能量為14.47 J m-2mm-1，在前10 min的總濺蝕率為11.4 g m-2min-1，第15分鐘迅速增大至32.8 g m-2min-1，至24 min時(shí)，又減小至24.8 g m-2min-1，此后略有減小但變化不大。這與Fox[39]和劉和平等[36,40]的試驗(yàn)結(jié)果一致。隨著降雨能量的不同，前15 min濺蝕率變化幅度明顯大于后15 min，說(shuō)明降雨能量在前15 min對(duì)濺蝕的影響較大。這主要是因?yàn)榻涤瓿跗?，雨滴能量主要用于破壞土壤團(tuán)聚體，此時(shí)濺蝕率大小主要取決于雨滴打擊力，即降雨能量的大小，這與張科利等[41]的研究結(jié)果相一致。隨著降雨的繼續(xù)，在雨滴的打擊作用下，土壤表面形成臨時(shí)結(jié)皮層，土壤抗蝕力增強(qiáng)，同時(shí)，土壤入滲能力減弱，坡面形成薄層水流，濺蝕作用過(guò)程變?yōu)橛甑?、土粒及薄層水流間的能量交換過(guò)程，隨著地表水層厚度增加，雨滴擊濺的土粒減少，坡面濺蝕率逐漸下降并趨于穩(wěn)定。濺蝕率在降雨初期急劇上升說(shuō)明侵蝕過(guò)程是以濺蝕擊濺為主導(dǎo)的階段，而后迅速減少說(shuō)明侵蝕過(guò)程由濺蝕搬運(yùn)為主的階段向薄層水流搬運(yùn)為主的階段轉(zhuǎn)變。此外，坡面形成薄層徑流后，徑流深對(duì)雨滴打擊力的屏蔽作用不容忽視[42]。雨滴濺蝕與徑流深呈負(fù)相關(guān)，當(dāng)徑流深超過(guò)3倍雨滴直徑時(shí)，雨滴打擊作用消失[43]。

2.3降雨能量與濺蝕量的關(guān)系

2.3.1向上坡、向下坡和側(cè)坡濺蝕量與降雨能量的關(guān)系

本試驗(yàn)得到的各方向的濺蝕量與降雨能量的關(guān)系如圖3所示，隨著降雨能量的增大，各方向?yàn)R蝕量均有一定幅度的增加。采用Matlab R2010b進(jìn)行擬合，獲取最優(yōu)經(jīng)驗(yàn)方程：

向上坡濺蝕量Su=14.670(E-5.932)1.289,R2=0.906,n=20,P<0.0001

(12)

向下坡濺蝕量 Sd=8.913(E-4.782)1.85,R2=0.933,n=20,P<0.0001

(13)

側(cè)坡濺蝕量Sla=3.201E2-17.154E,R2=0.889,n=20,P<0.0001

(14)

式中，Su為向上坡濺蝕量(g m-2h-1)；Sd為向下坡濺蝕量(g m-2h-1)；Sla為側(cè)坡濺蝕量(g m-2h-1)；E為降雨能量(J m-2mm-1)；n為樣本數(shù)(式12—14中均使用的是單位時(shí)間的濺蝕量)。

由回歸方程可知，向上坡濺蝕量和向下坡濺蝕量均與降雨能量呈冪函數(shù)關(guān)系，側(cè)坡濺蝕量與降雨能量的關(guān)系符合一元二次曲線分布特征。對(duì)比回歸方程(12)和(13)發(fā)現(xiàn)，降雨能量對(duì)濺蝕的影響存在一個(gè)閾值。當(dāng)降雨能量小到一定值時(shí)，坡面無(wú)濺蝕發(fā)生，這主要是因?yàn)橛甑文芰枯^小時(shí)，大部分能量被土壤吸收，很少一部分能量用于破壞土壤團(tuán)聚體，因此可供濺蝕搬運(yùn)的土粒較少。這與Salles[44]和秦越[45]等的研究基本一致。吳普特等[37]認(rèn)為，雨滴與地表土壤發(fā)生碰撞產(chǎn)生的沖擊力是地表土壤發(fā)生濺蝕的直接動(dòng)力，碰撞使一部分能量被土壤吸收，而未被吸收的能量將破壞原有的土壤結(jié)構(gòu)，使其分散，發(fā)生躍移。當(dāng)坡面存在一定坡度時(shí)，雨滴打擊地表，向上坡和向下坡搬運(yùn)土粒均需克服一定的能量做功，濺蝕才會(huì)發(fā)生，與向下坡搬運(yùn)相比，向上坡搬運(yùn)需克服更多的能量來(lái)做功，因此向上坡濺蝕發(fā)生的能量閾值要高于向下坡。

2.3.2總濺蝕量和凈濺蝕量與降雨能量的關(guān)系

總濺蝕量和凈濺蝕量均隨降雨能量的增大而增加(圖4)?？倿R蝕量等于各方向?yàn)R蝕量之和，表示雨滴擊濺為濺蝕搬運(yùn)和徑流搬運(yùn)提供的松散物質(zhì)的量，以實(shí)測(cè)各方向的濺蝕量之和與降雨能量進(jìn)行相關(guān)分析得出：

St=75.670(E-5.699)1.418,R2=0.921,n=20,P<0.0001

(15)

式中，St為總濺蝕量(g m-2h-1)；E為降雨能量(J m-2mm-1)；n為樣本數(shù)。

圖3　不同方向?yàn)R蝕量與降雨能量的關(guān)系　Fig.3　Relationship between directional splash erosion and raindrop kinetic energy

圖4　總濺蝕量和凈濺蝕量與降雨能量的關(guān)系　Fig.4　Relationships of total and net splash erosion with raindrop kinetic energy

凈濺蝕量是向下坡的濺蝕量與向上坡的濺蝕量之差，表示雨滴擊濺作用向下坡搬運(yùn)土粒的多少。根據(jù)向下坡和向上坡的實(shí)測(cè)濺蝕量差值與降雨能量的相關(guān)分析得出：

Sn=0.405(E-2.647)2.647,R2=0.930,n=20,P<0.0001

(16)

式中，Sn為凈濺蝕量(g m-2h-1)；E為降雨能量(J m-2mm-1)；n為樣本數(shù)(式15，16中均使用的是單位時(shí)間的濺蝕量)。

由回歸方程(15)和(16)可以看出，雨滴擊濺侵蝕發(fā)生的閾值為3—6 J m-2mm-1。這一結(jié)論與Agassi等[46]的研究結(jié)論相符。當(dāng)降雨能量高于閾值時(shí)，濺蝕量隨降雨能量的增加而增大；當(dāng)降雨能量較小時(shí)，無(wú)濺蝕發(fā)生。這是因?yàn)楦赏翞R散階段，土壤較為疏松，較大一部分降雨能量損耗于對(duì)土壤顆粒的緩沖作用；隨著土壤含水量的增加，降雨能量的損耗用于對(duì)土壤顆粒的擊濺[47]。雨滴擊濺的本質(zhì)在于它具有一定的動(dòng)能，當(dāng)雨滴動(dòng)能克服土粒間的黏結(jié)作用及土粒的重力勢(shì)能時(shí)便使土粒發(fā)生位移。在雨滴濺蝕能力確定的前提下，土壤被侵蝕的量取決于土壤的抗蝕能力。黑土有機(jī)質(zhì)含量高，致使其團(tuán)聚體含量、穩(wěn)定性高，未降雨前，黑土表面基本上都為大團(tuán)聚體，隨降雨歷時(shí)的延長(zhǎng)，在雨滴的不斷打擊壓實(shí)作用下，團(tuán)聚體被破壞為細(xì)小顆粒或微團(tuán)聚體才能被雨滴擊濺[48]。因此，降雨能量可以很好的反映降雨對(duì)雨滴濺蝕的影響。

3　結(jié)論

基于改進(jìn)的試驗(yàn)土槽進(jìn)行不同降合雨強(qiáng)度和不同降雨能量條件下的模擬降雨試驗(yàn)，研究了降雨能量對(duì)向上坡濺蝕、向下坡濺蝕、側(cè)坡濺蝕以及總濺蝕量和凈侵蝕量的影響，得到如下研究結(jié)論：

(1)相同降雨強(qiáng)度下，坡面各方向?yàn)R蝕分量均隨降雨能量的增加而增大。次降雨坡面濺蝕量均為向下坡最大，其次為側(cè)坡濺蝕量，而向上坡濺蝕量最小。當(dāng)降雨強(qiáng)度由50 mm/h增加至100 mm/h時(shí)，向上坡濺蝕量增加2.3—5.0倍，向下坡濺蝕量增加1.7—5.1倍，側(cè)坡濺蝕量增加1.9—4.3倍，總濺蝕量增加1.9—4.5倍，凈濺蝕量增加1.2—6.4倍。

(2)隨著降雨能量的不同，坡面總濺蝕率均呈現(xiàn)產(chǎn)流前隨降雨歷時(shí)的增長(zhǎng)而遞增，產(chǎn)流后迅速達(dá)到峰值，之后逐漸減小并趨于穩(wěn)定。

(3)定量分析了各濺蝕分量，總濺蝕量，凈濺蝕量與降雨能量的關(guān)系，提出了濺蝕發(fā)生的降雨能量閾值，發(fā)現(xiàn)黑土區(qū)雨滴濺蝕發(fā)生的臨界能量為3—6 J m-2mm-1，且向上坡濺蝕量，向下坡濺蝕量，凈濺蝕量和總濺蝕量皆與降雨能量呈冪函數(shù)關(guān)系，而側(cè)坡濺蝕量與降雨能量呈二次多項(xiàng)式關(guān)系。

[1]Ellison W D. Soil erosion study-Part Ⅱ: Soil detachment hazard by raindrop splash. Agricultural Engineering, 1947, 28: 197- 201.

[2]Ellison W D. Soil erosion study-Part Ⅴ: Soil transport in the splash process. Agricultural Engineering, 1947, 28: 349- 351, 353- 353.

[3]鄭粉莉, 高學(xué)田. 坡面土壤侵蝕過(guò)程研究進(jìn)展. 地理科學(xué), 2003, 23(2): 230- 235.

[4]Kinnell P I A. Raindrop-induced saltation and the enrichment of sediment discharged from sheet and interrill erosion areas. Hydrological Processes, 2012, 26(10): 1449- 1456.

[5]An J, Zheng F L, Han Y. Effects of rainstorm patterns on runoff and sediment yield processes. Soil Science, 2014, 179(6): 293- 303.

[6]Ellison W D. Studies of raindrop erosion. Agricultural Engineering, 1944, 25(4): 131- 136, 181- 182.

[7]秦越, 程金花, 張洪江, 叢月, 楊帆, 周柱棟. 北京市褐土區(qū)降雨參數(shù)對(duì)土壤濺蝕的影響. 水土保持學(xué)報(bào), 2013, 27(6): 16- 20.

[8]唐克麗，史德明. 土壤侵蝕與水土保持名詞 // 全國(guó)科學(xué)技術(shù)名詞審定委員會(huì). 土壤學(xué)名詞. 北京：科學(xué)出版社，1998：99.[9]高學(xué)田, 包忠謨. 降雨特性和土壤結(jié)構(gòu)對(duì)濺蝕的影響. 水土保持學(xué)報(bào), 2001, 15(3): 24- 26.

[10]蔡強(qiáng)國(guó), 陳浩. 降雨特性對(duì)濺蝕影響的初步試驗(yàn)研究. 中國(guó)水土保持, 1986, (6): 30- 33, 39- 39.

[11]江忠善, 劉志. 降雨因素和坡度對(duì)濺蝕影響的研究. 水土保持學(xué)報(bào), 1989, 3(2): 29- 35.

[12]Free G R. Erosion characteristics of rainfall. Agricultural Engineering, 1960, 41: 447- 449.

[13]程金花, 秦越, 張洪江, 叢月, 楊帆, 閆永慶. 華北土石山區(qū)模擬降雨下土壤濺蝕研究. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào), 2015, 46(2): 153- 161.

[14]Morgan R P C. Field studies of rainsplash erosion. Earth Surface Processes, 1978, 3(3): 295- 299.

[15]Ellison W D. Two devices for measuring soil erosion. Agriculture Engineering, 1944, 25(2): 53- 55.

[16]陳文亮. 組合側(cè)噴式野外人工模擬降雨裝置. 水土保持通報(bào), 1984, 4(5): 43- 47.

[17]Bradford J M, Huang C. Comparison of interrill soil loss for laboratory and field procedures. Soil Technology, 1993, 6(2): 145- 156.

[18]范昊明, 蔡強(qiáng)國(guó), 王紅閃. 中國(guó)東北黑土區(qū)土壤侵蝕環(huán)境. 水土保持學(xué)報(bào), 2004, 18(2): 66- 70.

[19]閻百興, 楊育紅, 劉興土, 張樹文, 劉寶元, 沈波, 王玉璽, 鄭國(guó)相. 東北黑土區(qū)土壤侵蝕現(xiàn)狀與演變趨勢(shì). 中國(guó)水土保持, 2008, (12): 26- 30.

[20]張曉平, 梁愛(ài)珍, 申艷, 李文鳳, 張學(xué)林, 王玉璽, 解運(yùn)杰, 劉鳳飛, 楊學(xué)明. 東北黑土水土流失特點(diǎn). 地理科學(xué), 2006, 26(6): 687- 692.

[21]Van Dijk A I J M, Bruijnzeel L A, Rosewell C J. Rainfall intensity-kinetic energy relationships: a critical literature appraisal. Journal of Hydrology, 2002, 261(1/4): 1- 23.

[22]代肖, 張海濤, 周大邁, 張愛(ài)軍. 人工模擬降雨裝置及其應(yīng)用介紹. 中國(guó)水土保持, 2012, (12): 52- 54, 72- 72.

[23]Shainberg I, Mamedov A I, Levy G J. Role of wetting rate and rain energy in seal formation and erosion. Soil Science, 2003, 168(1): 54- 62.

[24]Gunn R, Kinzer G D. The terminal velocity of fall for water droplets in stagnant air. Journal of Meteorology, 1949, 6(4): 243- 248.

[25]Laws J O. Measurements of the fall-velocity of water-drops and raindrops. Transactions of American Geophysical Union, 1941, 22(3): 709- 721.

[26]鄭粉莉, 唐克麗, 陳文亮. 細(xì)溝侵蝕過(guò)程的研究方法. 中國(guó)科學(xué)院水利部西北水土保持研究所集刊 (土壤侵蝕與生態(tài)環(huán)境演變研究論文集), 1993, (1): 107- 111.

[27]詹敏, 厲占才, 信玉林. 黑土侵蝕區(qū)降雨參數(shù)與土壤流失關(guān)系. 黑龍江水專學(xué)報(bào), 1998, (1): 40- 43.

[28]張憲奎, 許靖華, 盧秀琴, 鄧育江, 高德武. 黑龍江省土壤流失方程的研究. 水土保持通報(bào), 1992, 12(4): 9- 18.

[29]廖煒, 衛(wèi)苗苗, 黃煜煜. 采用濾紙色斑法對(duì)雨滴直徑的研究. 武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào): 交通科學(xué)與工程版, 2008, 32(6): 1165- 1168.

[30]竇葆璋, 周佩華. 雨滴的觀測(cè)和計(jì)算方法. 水土保持通報(bào), 1982, (1): 44- 47.

[31]吳光艷, 郝民利, 劉超群, 成婧, 吳發(fā)啟. 天然降雨與人工降雨特性的研究. 人民珠江, 2013, (2): 5- 7.

[32]牟金澤. 雨滴速度計(jì)算公式. 中國(guó)水土保持, 1983, (3): 40- 41.

[33]鄭粉莉. 模擬降雨中地面坡度對(duì)雨滴動(dòng)能影響的研究. 中國(guó)水土保持, 1987, (11): 38- 39.

[34]尚佰曉, 王瑄, 陶偉, 任秉樞. 沈陽(yáng)市天然降雨雨滴特征研究. 水土保持研究, 2008, 15(6): 139- 141.

[35]蔡強(qiáng)國(guó), 陳浩. 影響降雨擊濺侵蝕過(guò)程的多元回歸正交試驗(yàn)研究. 地理研究, 1989, 8(4): 28- 36.

[36]劉和平, 符素華, 王秀穎, 徐麗, 方嵐, 劉寶元, 路炳軍. 坡度對(duì)降雨濺蝕影響的研究. 土壤學(xué)報(bào), 2011, 48(3): 479- 486.

[37]吳普特, 周佩華. 地表坡度對(duì)雨滴濺蝕的影響. 水土保持通報(bào), 1991, 11(3): 8- 13, 28- 28.

[38]An J, Zheng F L, Lu J, Li G F. Investigating the role of raindrop impact on hydrodynamic mechanism of soil erosion under simulated rainfall conditions. Soil Science, 2012, 177(8): 517- 526.

[39]Fox D M, Bryan R B. The relationship of soil loss by interrill erosion to slope gradient. Catena, 1999, 38(3): 211- 222.

[40]Fu S H, Liu B Y, Liu H P, Xu L. The effect of slope on interrill erosion at short slopes. Catena, 2011, 84(1/2): 29- 34.

[41]張科利, 細(xì)山田健三. 坡面濺蝕發(fā)生過(guò)程及其與坡度關(guān)系的模擬研究. 地理科學(xué), 1998, 18(6): 561- 566.

[42]Kinnell P I A. Modeling of the effect of flow depth on sediment discharged by rain-impacted flows from sheet and interrill erosion areas: a review. Hydrological Processes, 2013, 27(18): 2567- 2578.

[43]湯立群. 坡面降雨濺蝕及其模擬. 水科學(xué)進(jìn)展, 1995, 6(4): 304- 310.

[44]Salles C, Poesen J, Govers G. Statistical and physical analysis of soil detachment by raindrop impact: Rain erosivity indices and threshold energy. Water Resources Research, 2000, 36(9): 2721- 2729.

[45]秦越, 程金花, 張洪江, 叢月, 楊帆, 周柱棟. 雨滴對(duì)擊濺侵蝕的影響研究. 水土保持學(xué)報(bào), 2014, 28(2): 74- 78.

[46]Agassi M, Bloem D, Ben-Hur M. Effect of drop energy and soil and water chemistry on infiltration and erosion. Water Resources Research, 1994, 30(4): 1187- 1193.

[47]尹武君. 黃土坡面土壤侵蝕能量描述[D]. 楊凌: 西北農(nóng)林科技大學(xué), 2012.

[48]程琴娟, 蔡強(qiáng)國(guó). 我國(guó)水土流失典型區(qū)土壤濺蝕特征研究. 水土保持通報(bào), 2010, 30(1): 17- 21.

Effects of raindrop kinetic energy on splash erosion in the typical black soil region of Northeast China

HU Wei1,3, ZHENG Fenli1,2,*, BIAN Feng2

1StateKeyLaboratoryofSoilErosionandDrylandFarmingonLoessPlateau,InstituteofSoilandWaterConservation,ChineseAcademyofSciencesandMinistryofWaterResources,Yangling712100,China2CollegeofNaturalResourcesandEnvironment,NorthwestAgricultureandForestryUniversity,Yangling712100,China3UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China

Splash erosion is an important form of soil erosion caused by the impact of raindrops. Raindrop kinetic energy is the principal factor that affects splash erosion, and studies on splash characteristics can reveal splash erosion mechanics. However, current studies only characterize the amount of splash erosion, which cannot accurately and comprehensively reflect the splash processes. Therefore, this study examines the effects of raindrop kinetic energy on splash erosion processes and on the amount of splash erosion from different directions on a hillslope. The experimental treatments included two rainfall intensities (50 and 100 mm/h) and 10 rainfall kinetic energies that were obtained with a combination of the two rainfall intensities and five raindrop falling heights (3.5 m, 5.5 m, 7.5 m, 9.5 m, 11.5 m); the slope gradient was set at 10°. In the experiment, all treatments were replicated twice. The soil used in this study was a Mollisol (USDA system of Soil Taxonomy), containing 3.3% sand, 76.4% silt, and 20.3% clay. The tested soil was collected from 0—20 cm depth in the Ap horizon of a maize field in Liujia Town (44°43′N, 126°11′E), Yushu City, Jilin Province, located in the center of the Mollisol region in Northeast China. This study was completed in the rainfall simulation laboratory of the State Key Laboratory of Soil Erosion and Dryland Farming on the Loess Plateau, Yangling City, China. A side-sprinkle rainfall simulator was used to apply rainfall and a soil pan was specially designed to measure both splash and sheet erosion. Results showed that directional splash erosion increased with the increase of raindrop kinetic energy for a given rainfall intensity. However, at each individual rainfall, the amount of splash erosion was in the order of downslope > lateral slope > upslope.When rainfall intensity increased from 50 to 100 mm/h, the total splash and net splash erosion increased 1.9—4.5 and 1.2—6.4 times, respectively; splash erosion on the upslope, downslope, and lateral slope were enhanced 2.3—5.0, 1.7—5.1, and 1.9—4.3 times, respectively. For all rainfall kinetic energies, splash erosion rate gradually increased with rainfall duration; when runoff occurred, splash erosion rate reached the maximum value, and then gradually decreased until reaching a steady state. According to the relationships between directional, total, and net splash erosion and rainfall kinetic energy, the critical energy for splash erosion initiation was 3—6 J m-2mm-1. Splash erosion increased with an increase in raindrop kinetic energy above the critical value. Furthermore, the relationship between raindrop kinetic energy and upslope, downslope, total, and net splash erosion was expressed by power function, while raindrop kinetic energy had a quadratic polynomial relationship with lateral splash erosion.

raindrop kinetic energy; splash erosion; splash erosion processes; total splash erosion; net splash erosion; the typical black soil region

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41571263)

2014- 12- 31; 網(wǎng)絡(luò)出版日期:2015- 11- 17

Corresponding author.E-mail: flzh@ms.iswc.ac.cn

10.5846/stxb201412312613

胡偉，鄭粉莉，邊鋒.降雨能量對(duì)東北典型黑土區(qū)土壤濺蝕的影響.生態(tài)學(xué)報(bào),2016,36(15):4708- 4717.

Hu W, Zheng F L, Bian F.Effects of raindrop kinetic energy on splash erosion in the typical black soil region of Northeast China.Acta Ecologica Sinica,2016,36(15):4708- 4717.