鄧龍洲，張麗萍，范曉娟，鄔燕虹，孫天宇，費 凱

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不同雨強(qiáng)和坡度下侵蝕性風(fēng)化花崗巖母質(zhì)坡地產(chǎn)流產(chǎn)沙特征

鄧龍洲，張麗萍※，范曉娟，鄔燕虹，孫天宇，費 凱

（浙江大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，浙江省農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境重點實驗室，杭州 310058）

為研究解決南方侵蝕性風(fēng)化花崗巖地區(qū)的水土流失問題，該文采用室內(nèi)人工模擬降雨方法研究了不同降雨強(qiáng)度（30，60，90，120，150 mm/h）和不同坡度（5°，8°，15°，25°）條件下的風(fēng)化花崗巖殘積坡地的土壤侵蝕過程。結(jié)果表明：1）坡面徑流的初始產(chǎn)流產(chǎn)沙時間都隨著坡度和雨強(qiáng)的增大而提前；2）坡面徑流量與坡度之間不呈簡單的正相關(guān)關(guān)系，徑流系數(shù)隨雨強(qiáng)的變化呈現(xiàn)指數(shù)相關(guān)關(guān)系，入滲率在雨強(qiáng)為30～120 mm/h之間在坡度8°左右出現(xiàn)極大值；3）侵蝕產(chǎn)沙量隨坡度和雨強(qiáng)的增大而增大，其與坡度之間的關(guān)系可以用冪函數(shù)表示，決定系數(shù)均達(dá)到0.815，與雨強(qiáng)之間為指數(shù)函數(shù)關(guān)系，決定系數(shù)均達(dá)到0.889以上；4）水力侵蝕對泥沙具有分選性，徑流侵蝕挾帶泥沙中的粉粒、黏粒以及細(xì)砂粒含量較多；5）坡度和雨強(qiáng)對于侵蝕產(chǎn)沙量的綜合影響可以用線性相關(guān)方程來比較準(zhǔn)確地描述，對產(chǎn)沙量的影響權(quán)重排序為：含沙量＞雨強(qiáng)＞徑流系數(shù)＞坡度。

土壤；侵蝕；徑流；風(fēng)化花崗巖；人工模擬降雨；坡度；雨強(qiáng)；產(chǎn)沙

0 引 言

降雨造成的土壤侵蝕是世界范圍內(nèi)嚴(yán)重的環(huán)境問題，會導(dǎo)致土壤退化和水環(huán)境污染[1]。坡度是影響坡面土壤侵蝕的重要因素之一[2-3]，同時也是水土流失方程中的重要因子[4]。大量的研究表明，在一定范圍內(nèi)，坡度越大時產(chǎn)生坡面徑流和土壤流失量越高[5-6]。也有研究表明，當(dāng)坡度達(dá)到某些值時，坡度和土壤侵蝕量之間的關(guān)系出現(xiàn)反轉(zhuǎn)[7-8]。降雨過程中的土壤侵蝕是由雨滴擊濺和坡面徑流引起的土壤分離和搬運的復(fù)雜現(xiàn)象[9]。土壤顆粒隨徑流的遷移是坡面侵蝕的主要表現(xiàn)方式，侵蝕產(chǎn)沙是一個復(fù)雜的過程，受降雨強(qiáng)度和下墊面等因素的綜合影響，侵蝕量的變化對于探討降雨過程中的侵蝕產(chǎn)沙規(guī)律至關(guān)重要[10]。當(dāng)前國內(nèi)外研究人員多通過室內(nèi)模擬降雨或野外徑流小區(qū)試驗方法對坡度和土壤侵蝕量之間的關(guān)系進(jìn)行分析[11-14]，GIS技術(shù)的運用使得對土壤侵蝕坡度范圍的研究取得較大進(jìn)展[15]，但沒有對作用機(jī)理進(jìn)行解釋說明。一些學(xué)者從水動力學(xué)方向?qū)ζ露扰c坡面侵蝕量的關(guān)系進(jìn)行研究[16-17]，也有很多學(xué)者進(jìn)行了坡度與坡面侵蝕模型的研究[18-21]。例如，Martínez-Murillo等[22]認(rèn)為降雨模擬試驗可廣泛應(yīng)用于巴德蘭地區(qū)的地貌研究，降雨強(qiáng)度、徑流系數(shù)和坡角對侵蝕產(chǎn)沙量和泥沙分離有正向影響，降雨模擬增加了對土壤侵蝕過程的時空變化的理解。馮秀等[23]通過室內(nèi)人工模擬降雨試驗，研究降雨強(qiáng)度、坡度及地表覆蓋3個因素對花崗巖紅壤坡面侵蝕過程的影響，發(fā)現(xiàn)地表覆蓋具有良好的侵蝕減沙作用。Magesh等[24]開發(fā)了一個自動化的侵蝕模型用于確定印度南部盆地潛在的土壤侵蝕區(qū)，分析了研究區(qū)土壤侵蝕和泥沙產(chǎn)量的分布，認(rèn)為低水平的土壤侵蝕能反映該地區(qū)子流域的氣候變化和地形。由于試驗條件不同，所導(dǎo)致的坡面侵蝕產(chǎn)流產(chǎn)沙以及臨界坡度等問題尚無一致結(jié)論。

目前關(guān)于坡度和雨強(qiáng)對坡面侵蝕產(chǎn)沙產(chǎn)流影響方面的研究對象以紅壤和紫色土為主[25-27]，尤其針對中國南方多雨且土層較薄的風(fēng)化花崗巖坡地的侵蝕產(chǎn)沙對坡度和雨強(qiáng)的響應(yīng)問題，值得進(jìn)一步的深入探究[28]。降雨是造成中國東南部土壤侵蝕的主導(dǎo)因子，風(fēng)化花崗巖又是南方土壤侵蝕的重要組成部分。早在20世紀(jì)90年代，就有學(xué)者對花崗巖侵蝕區(qū)的土壤侵蝕與治理進(jìn)行了研究。阮伏水[29]就坡度和坡長對土壤侵蝕的影響進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)土壤侵蝕隨坡度的增加而加劇，兩者之間呈現(xiàn)冪函數(shù)關(guān)系，但由于坡地類型不同，所建立的經(jīng)驗?zāi)Ｐ偷钠露葍缰笖?shù)差異較大。隨著坡度的增加，土壤侵蝕的發(fā)展方向是面蝕-溝蝕-崩崗蝕-滑坍，即由水蝕逐漸向重力侵蝕過渡。崩崗侵蝕一旦出現(xiàn)，往往成為花崗巖區(qū)最劇烈的侵蝕方式，形成災(zāi)難，一定時間內(nèi)很難治理、逆轉(zhuǎn)，將長期影響著水土流失[30]。華中農(nóng)業(yè)大學(xué)研究團(tuán)隊針對鄂東南花崗巖崩崗區(qū)發(fā)育的表土層、紅土層、砂土層、碎屑層，進(jìn)行了不同坡度和不同流量相結(jié)合的室內(nèi)放水沖刷試驗，對定量研究崩崗不同土層土壤剝蝕率、預(yù)測土壤剝蝕過程及建立崩崗侵蝕物理模型具有重要的理論和實踐意義[31]。同時研究了鄂東南地區(qū)崩崗崩壁不同層次的土壤水分特征，以期區(qū)分各層次土壤水分與崩崗侵蝕的聯(lián)系[32]。徐加盼等[33]通過室內(nèi)人工模擬降雨，采用三維激光掃描技術(shù)研究了花崗巖風(fēng)化土體侵蝕表面特征。這些成果對于風(fēng)化花崗巖地區(qū)的土壤侵蝕研究與治理工作具有較大的指導(dǎo)意義。

綜上所述，設(shè)計不同降雨和不同坡度組合情況下的侵蝕產(chǎn)沙特性的研究具有重要的現(xiàn)實意義。因此，本文采用人工模擬降雨試驗方法，研究不同降雨強(qiáng)度下坡度對侵蝕性風(fēng)化花崗巖殘積坡地的土壤侵蝕過程的影響，以加深對風(fēng)化花崗巖母質(zhì)坡地土壤侵蝕規(guī)律的認(rèn)識，并為建立土壤侵蝕預(yù)報模型和水土流失治理提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗土壤

試驗土壤采自浙江省安吉縣。安吉縣位于浙江省西北部，天目山北麓，北緯30°23′～30°53′，東經(jīng)119°14′～119°53′，屬中亞熱帶季風(fēng)區(qū)，雨量充沛，氣候溫和。全縣年平均氣溫15.60 ℃，雨日171 d，年日照時數(shù)1 792 h，多年平均相對濕度81%，年平均降雨量1 414 mm，年降雨量最大值1 869.9 mm，最小值850 mm，每年3～5月份降雨量占全年降雨量的20%，6～10月為58%，1～2月及11～12月為15%。研究區(qū)屬于典型的南方紅壤丘陵區(qū)，土壤類型為發(fā)育于風(fēng)化花崗巖母質(zhì)上的紅壤，但由于嚴(yán)重的土壤侵蝕，地表砂化嚴(yán)重，剖面從下向上依次為母質(zhì)層、碎屑層、砂土層，其侵蝕特征和發(fā)育程度在東南丘陵地區(qū)具有典型代表性。土壤呈弱酸性，pH值6.22，平均容重為1.55 g/cm3，自然狀態(tài)下初始含水量為8%±1.5%，土壤飽和含水量為11%左右，有機(jī)質(zhì)含量2.70 g/kg，粒徑組成為黏粒（<0.002 mm）占8.24%，粉粒（0.002～0.02 mm）占12.25%，砂礫（0.02～2 mm）占79.51%，為典型的砂土。

本研究所選的采樣土壤為砂土層出露的坡地土壤。從土壤發(fā)生學(xué)分層來看，砂土層下伏層應(yīng)該是碎屑層，但由于所采集土壤剖面砂土層與碎屑層無明顯分界，其砂土層內(nèi)部上下土壤結(jié)構(gòu)并不一致。所以，采用等深度采樣方法進(jìn)行原狀土搬遷，及室內(nèi)對應(yīng)層位徑流槽填充。首先在原地從地表每5 cm分層采集裝袋，共采集12層，60 cm厚度的土壤，并分層測試土壤容重。為了最大程度地保證土壤的相似性，在室內(nèi)徑流槽中對應(yīng)層位填充，邊填土邊灑水壓實，以使徑流槽內(nèi)部土壤狀態(tài)盡量和野外狀態(tài)一致，保證每個層次土壤容重的一致性，并用力將土槽的邊緣壓實，以減小邊際效應(yīng)。然后擱置一段時間，讓其自然沉實（45 d）使土體恢復(fù)自然特征后開始降雨試驗。在每場降雨試驗前采集土樣并測定土壤前期含水量，以確保所有模擬試驗土壤的初始含水率基本相同。

1.2 試驗裝置

試驗于2017年3-8月在浙江大學(xué)農(nóng)業(yè)科學(xué)試驗站（中國長興）的人工模擬降雨實驗基地進(jìn)行，人工模擬降雨器采用西安清遠(yuǎn)測控技術(shù)有限公司研發(fā)的QYJY-502型便攜式自動人工模擬降雨系統(tǒng)，主要由降雨噴頭、供水管路、壓力表、回水閥、供水水泵、不銹鋼支架、開關(guān)閥等部分組成，雨強(qiáng)由全自動降雨設(shè)備“控制器”控制（圖1），雨強(qiáng)連續(xù)變化范圍為15～200 mm/h，精度控制在99%，降雨高度為6 m。試驗徑流槽采用自行設(shè)計的一種變坡式壤中流三維立體模擬監(jiān)測徑流試驗槽（ZL201620924448.7），共設(shè)計2個并行排列的徑流槽，降雨器同時覆蓋2個徑流槽，予以重復(fù)計算。徑流槽的幾何規(guī)格長寬高分別為200 cm×100 cm×60 cm，采用液壓裝置來控制徑流槽坡度，坡度在0°～30°范圍內(nèi)可靈活調(diào)節(jié)。徑流槽底部的前側(cè)和左右兩側(cè)設(shè)置延伸槽，高度3 cm，內(nèi)鋪小孔徑的金屬細(xì)網(wǎng)，用于方便收集壤中流。徑流槽前部頂端設(shè)計有三角形出水口，連接集流槽，用于收集坡面徑流含沙水樣，底端有三角形鐵制集水槽且裝有水龍頭，用于接取壤中流水樣。

圖1 便攜式自動人工模擬降雨系統(tǒng)與“控制器”設(shè)備

1.3 試驗設(shè)計與泥沙分析

試驗降雨強(qiáng)度是根據(jù)當(dāng)?shù)乜h氣象局統(tǒng)計資料而設(shè)計的，依據(jù)多年平均降雨的分布特征及出現(xiàn)頻率較大的降雨強(qiáng)度與侵蝕性暴雨等級之間的差值等差平分，共設(shè)計5個雨強(qiáng)，分別為30，60，90，120，150 mm/h。試驗坡度的控制依據(jù)為《中華人民共和國水利行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)》SL 190－2007坡面面蝕強(qiáng)度分級指標(biāo)，分別為5°，8°，15°，25°，具體坡度通過安置在徑流槽上的鉛錘裝置讀取。

通過坡度和雨強(qiáng)2個研究變量的組合設(shè)置，共進(jìn)行有效降雨試驗20場次。降雨強(qiáng)度控制采用系統(tǒng)校準(zhǔn)與標(biāo)定相結(jié)合的方法，首先用擋雨布遮蓋徑流槽后進(jìn)行雨強(qiáng)控制系統(tǒng)的核準(zhǔn)，然后開始試驗標(biāo)定，使系統(tǒng)的波動誤差在允許范圍內(nèi)，達(dá)到目標(biāo)雨強(qiáng)后移走雨布并開始進(jìn)行計時，記錄坡面徑流和壤中流開始產(chǎn)流的時刻。坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙收集總時間為產(chǎn)流開始后的90 min，總降雨歷時為開始有效降雨到坡面徑流收集結(jié)束為止。每3 min取1次徑流泥沙樣，每場降雨試驗共采集徑流泥沙樣品30個，測量每個徑流樣品的體積，然后將徑流樣品靜置沉淀36 h后,倒去上清液，放入105 ℃烘箱烘干后測得產(chǎn)沙量與粒徑組成。所有計算結(jié)果是2個徑流槽數(shù)據(jù)的平均值。

2 結(jié)果與分析

坡面徑流侵蝕是坡面物質(zhì)組成與降雨徑流特性的函數(shù)，徑流是泥沙的載體，徑流量及徑流系數(shù)的大小取決于雨強(qiáng)、坡度及初始產(chǎn)流時刻。

2.1 坡面產(chǎn)流特征

在試驗設(shè)計條件下，坡面徑流的初始產(chǎn)流時間（T）具有明顯的規(guī)律性（表1），其隨坡度、雨強(qiáng)而變化。由表1可知，坡度相同的條件下，T都隨著雨強(qiáng)的增大而提前，時間從大到小依次為30>60>90>120>150 mm/h。以5°坡度為例，T隨雨強(qiáng)增大依次減小了13.08，7.33，2.17，0.62 min，其他坡度條件下也呈現(xiàn)相同遞變規(guī)律，但是減小的程度隨著坡度的增大而逐漸變?nèi)酢Ｔ诮涤陱?qiáng)度一致的情況下，T整體隨著坡度的增大而提前，時間從大到小依次為5°>8°>15°>25°，T減小的程度隨著降雨強(qiáng)度的增大而逐漸變?nèi)?。馮秀等[23]在福建花崗巖地區(qū)的研究結(jié)果也表明起始產(chǎn)流時間隨降雨強(qiáng)度和坡度的增加而有所提前。初始產(chǎn)流時間與雨強(qiáng)之間關(guān)系密切的原因在于坡面存在不同的產(chǎn)流方式，當(dāng)降雨強(qiáng)度小時產(chǎn)流方式為蓄滿產(chǎn)流，當(dāng)降雨強(qiáng)度大時則形成超滲產(chǎn)流；隨著坡度的增大，徑流重力沿坡面方向的水平分力增大，可加快徑流速度，使產(chǎn)流時間提前。

表1 試驗監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計表

就坡度對徑流的影響而言，由表1數(shù)據(jù)分析可知，坡面徑流量在相同坡度條件下隨著雨強(qiáng)的增大而增大。坡面徑流量與坡度在不同雨強(qiáng)下并不呈現(xiàn)簡單的正相關(guān)關(guān)系，分大雨強(qiáng)（120、150 mm/h）和中小雨強(qiáng)（30、60、90 mm/h）2種情況而出現(xiàn)不一樣的結(jié)果。坡度一定時，中小雨強(qiáng)條件下的坡面徑流量都小于30 L，尤其是30、60 mm/h的坡面徑流量很小，隨坡度的增大而增大。而大雨強(qiáng)150、120 mm/h條件下，坡面徑流量的變化發(fā)生了逆轉(zhuǎn)，在相同雨強(qiáng)時隨著坡度的增大呈現(xiàn)遞減的趨勢。其可能因為大雨強(qiáng)條件下，初始降雨時更容易沖刷攜帶走坡面的小顆粒泥沙，使得地表沙化顆粒增多，易于降雨的下滲，導(dǎo)致最終出口處收集的坡面徑流量減少。

在表1數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，計算了徑流系數(shù)，并繪制了徑流系數(shù)隨雨強(qiáng)和坡度的動態(tài)特征曲線（圖2）。由圖2可知，徑流系數(shù)隨雨強(qiáng)的變化都呈現(xiàn)為指數(shù)相關(guān)，其相關(guān)系數(shù)均大于0.932，并隨雨強(qiáng)的增大，增加的幅度在增大。其中25°坡度條件下的最大，相關(guān)性最好。從5個雨強(qiáng)的增加規(guī)律來看，當(dāng)雨強(qiáng)小于90 mm/h時，徑流系數(shù)隨坡度的變化不明顯，在雨強(qiáng)大于90 mm/h的情況下，徑流系數(shù)增加幅度倍增，而且在4個不同坡度的情況下，5°條件下增加最快。

圖2 徑流系數(shù)隨雨強(qiáng)和坡度的動態(tài)特征曲線

徑流系數(shù)的大小取決于土壤的入滲強(qiáng)度，為了進(jìn)一步分析造成坡面徑流量變化趨勢的原因，計算了不同條件下的降雨入滲速率并繪制過程曲線（圖3）。圖3顯示，降雨滲透率隨時間的延長先減小后趨于穩(wěn)定，30、60和90 mm/h雨強(qiáng)下的入滲量比較大，產(chǎn)生的坡面徑流量較少。大雨強(qiáng)下的入滲率變化波動較為明顯，雨強(qiáng)150 mm/h時的最大入滲率出現(xiàn)在5°坡面，其他雨強(qiáng)條件下的最大入滲率出現(xiàn)在8°坡面。在本試驗設(shè)計情況下，影響降水入滲的主要因素是坡度和雨強(qiáng)。當(dāng)雨強(qiáng)大于土壤的入滲強(qiáng)度時，一方面會形成超滲產(chǎn)流，同時，大雨強(qiáng)時雨滴的直徑大而且下落的終極速度隨之加大，對坡面土壤產(chǎn)生較大的打擊和濺蝕作用，導(dǎo)致坡面地表結(jié)皮，更容易形成坡面徑流。當(dāng)雨強(qiáng)小于土壤的入滲強(qiáng)度時，雨滴的直徑較小、動能較低，對地表的擊濺侵蝕較弱，因而坡面產(chǎn)流量較小，主要以蓄滿產(chǎn)流為主，但由于被試驗土壤的砂粒含量較多，土壤的大孔隙比重較大，土壤滲漏嚴(yán)重，以壤中流的形式出流明顯，坡面徑流量較小。坡度不僅影響受雨面積，也影響到入滲水流的勢能和剪切力。在坡度較大時，受雨面積減小，在相同入滲的情況下，坡面徑流理論上應(yīng)該呈減少的規(guī)律。但本試驗結(jié)果顯示為兩個變化趨勢，在雨強(qiáng)較小時（30、60 mm/h），是隨著坡度的增加而增加，當(dāng)雨強(qiáng)大于90 mm/h時，隨坡度的增大而減小。90 mm/h雨強(qiáng)時，增減幅度不明顯，呈現(xiàn)為小波動。進(jìn)而說明，坡度和雨強(qiáng)對土壤特性的綜合響應(yīng)過程不同于單一要素的響應(yīng)。

圖3 不同雨強(qiáng)和坡度下的坡面徑流入滲過程線

2.2 坡面侵蝕產(chǎn)沙特征

在雨強(qiáng)相同時，坡面徑流侵蝕產(chǎn)沙量隨坡度的增大而增大，其關(guān)系可以用冪函數(shù)表示（表2），回歸擬合的決定系數(shù)均達(dá)到0.815，表明該擬合式能夠很好地描述兩者之間的關(guān)系。雨強(qiáng)越大，侵蝕產(chǎn)沙量隨坡度增大的幅度越大，即回歸模型的斜率越大。在30 mm/h雨強(qiáng)時，坡面徑流的侵蝕產(chǎn)沙量很小，都沒有超過0.01 kg，坡度由5°增大到25°的坡面產(chǎn)沙量增幅為0.006 kg。雨強(qiáng)增大到60 mm/h時，產(chǎn)沙量增幅為0.049 kg，較前者大0.043 kg，雨強(qiáng)為90 mm/h時，產(chǎn)沙量隨坡度增大的增幅為0.812 kg，是雨強(qiáng)60 mm/h時的16.45倍，而雨強(qiáng)增大到120和150 mm/h時坡面侵蝕產(chǎn)沙增量對應(yīng)為2.958和2.504 kg，分別是90 mm/h時的3.64倍和3.08倍。

表2 交叉處理條件下產(chǎn)沙量與坡度和雨強(qiáng)之間的關(guān)系

注：表中代表產(chǎn)沙量，kg；代表坡度，(°)；代表雨強(qiáng)，mm·h-1。

Note:stands for sediment yield, kg;stands for slope gradient, (°);stands for rainfall intensity, mm·h-1.

相同坡度條件下，產(chǎn)沙量隨著雨強(qiáng)的增大呈增大的趨勢，這與鄭子成等[34]對紫色土研究的結(jié)論一致，其關(guān)系可以用指數(shù)函數(shù)表示（表2），回歸模型決定系數(shù)均達(dá)到0.889，能夠較好地描述兩者之間的關(guān)系。而且模型的斜率隨著坡度的增大而增大，說明坡度越大時產(chǎn)沙量隨雨強(qiáng)的增幅越大。坡度5°～25°，降雨強(qiáng)度由30 mm/h增大到150 mm/h時，各坡度下產(chǎn)沙量的增幅依次為1.595、2.446、3.565和4.093 kg，表明坡度越大侵蝕產(chǎn)沙量隨雨強(qiáng)增加的速度越快，秦偉等[35]在紅壤裸坡地和馬星等[36]在紫色土坡耕地的研究也存在類似結(jié)論。

在表1數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，計算了徑流含沙量并繪制了含沙量與降雨強(qiáng)度的關(guān)系圖（圖4）。根據(jù)坡面徑流量的變化，大雨強(qiáng)時坡度5°條件下的坡面侵蝕產(chǎn)沙量理論上也應(yīng)該最高，但試驗結(jié)果并非如此。這是因為降雨侵蝕并不完全等同于簡單的沖刷結(jié)果，土壤顆粒的分散、懸浮和搬運都是不同的物理作用過程，需用同時考慮平均含沙量、坡度和雨強(qiáng)的作用。相同雨強(qiáng)下平均含沙量隨坡度的變化過程表明，在雨強(qiáng)相同時坡面徑流的平均含沙量會隨著坡度的增大而增大。但是與產(chǎn)流過程相比，產(chǎn)沙過程更具有波動性和復(fù)雜性。在小于60 mm/h情況下，在坡度相同時，5°、8°和15°條件下坡面徑流的平均含沙量在60 mm/h時出現(xiàn)一個小峰值，但是5°坡地的平均含沙量遠(yuǎn)小于其他的坡度，8°、15°和25°坡地的平均含沙量變化相近似，沒有表現(xiàn)出隨坡度增加而增加的現(xiàn)象。隨后，5°、8°和15°坡度在60～90 mm/h之間各坡度的平均含沙量顯示為遞減的趨勢。在雨強(qiáng)為90 mm/h時，坡度為5°、8°和15°出現(xiàn)了平均含沙量下降的畸值，而25°的坡地呈現(xiàn)為直線上升。大于90 mm/h的所有雨強(qiáng)，在4個設(shè)計坡度的情況下，幾乎都呈現(xiàn)為直線上升，只不過上升率以25°最大。這表明侵蝕性風(fēng)化花崗巖坡面地區(qū)在雨強(qiáng)為60～90 mm/h之間存在一個侵蝕性臨界雨強(qiáng)。

圖4 不同坡度下平均含沙量隨雨強(qiáng)的變化

上述分析表明，在相同坡度的情況下，平均含沙量隨著雨強(qiáng)增大而呈現(xiàn)出增大的現(xiàn)象，這是因為較大的雨強(qiáng)能減少入滲，更快地產(chǎn)生地表徑流，地表徑流逐漸增多，對地表的沖刷就越強(qiáng)，攜帶走地表更多的泥沙，使沖刷量增加。雨強(qiáng)越大，雨滴動能和終極速度越大，對表層土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性破壞越大，擊濺侵蝕加劇，而且短時間內(nèi)在坡面迅速產(chǎn)生地表徑流沖刷土壤，進(jìn)一步加劇土壤侵蝕。

坡面徑流攜帶泥沙顆粒特征取決于徑流的水動力學(xué)過程特征，其具體表現(xiàn)在所搬運泥沙的機(jī)械組成。為進(jìn)一步研究降雨條件下坡地侵蝕產(chǎn)沙的機(jī)理，根據(jù)國際制粒級劃分標(biāo)準(zhǔn)將降雨后的侵蝕泥沙樣和降雨前的原始土顆粒情況進(jìn)行對比（圖5）。由于強(qiáng)烈的侵蝕，使得發(fā)育于風(fēng)化花崗巖母質(zhì)上的土壤砂土層出露，砂粒含量的比重加大，所以增加了0.5、1 mm的粒級。結(jié)果表明，在侵蝕性風(fēng)化花崗巖坡地，徑流侵蝕產(chǎn)生的泥沙主要為粒徑小于0.002 mm的黏粒、0.002～0.02 mm的粉粒以及0.02～0.2 mm之間的細(xì)砂粒，質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為16.70%、17.10%和14.15%，占總泥沙質(zhì)量的47.95%，約為原始土質(zhì)量分?jǐn)?shù)26.95%的1.8倍，侵蝕泥沙的大砂粒和中砂粒（粒徑0.2～2 mm）含量明顯低于原始土的含量。這是因為粒徑較小的顆粒受雨滴擊濺容易起動，相對小的質(zhì)量使之易于攜帶，因此降雨時間越長，小顆粒隨雨強(qiáng)增大的流失量越多。大顆粒泥沙不易起動和搬運，即使發(fā)生了起動也可能會在搬運過程中發(fā)生沉積，無法長距離移動，因此只有較少部分會流出坡面，這是徑流分選搬運作用的結(jié)果。徑流侵蝕挾帶的泥沙中粉粒、黏粒以及細(xì)砂粒的含量較多，導(dǎo)致土壤物理性黏粒和團(tuán)聚體大量被侵蝕，造成了坡地土壤粗化，土壤肥力下降。分析其作用機(jī)制，土壤侵蝕量隨徑流流量的增大而增大[32]，雨水沖擊淺層徑流，會在流動中產(chǎn)生顆粒云，沉降速度低于徑流速度的顆粒沉降到初始撞擊區(qū)下游的表面，這些顆粒向下游移動的距離由流速、顆粒在水中的沉降速度以及顆粒被懸浮的高度來決定。隨著徑流雷諾數(shù)的增加，水流從層流轉(zhuǎn)為紊流，雨滴沖擊造成的干擾持續(xù)時間足以使整個水流受到紊流的影響，而不僅僅是作用于孤立的沖擊地點，也就表明了受到雨滴擊濺擾動影響的淺層徑流侵蝕能力遠(yuǎn)大于無雨滴擊濺影響的淺層徑流。

圖5 侵蝕泥沙樣和原始土的粒徑分布

2.3 坡面徑流侵蝕產(chǎn)沙影響因素擬合

根據(jù)表1試驗統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析可知，徑流量與產(chǎn)沙量呈現(xiàn)出明顯直線正相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)達(dá)到了0.807。采取跨坡度的雨強(qiáng)與產(chǎn)沙量擬合分析，二者呈現(xiàn)為指數(shù)規(guī)律，其相關(guān)系數(shù)也達(dá)到了0.885。同時，計算了不同雨強(qiáng)和不同坡度組合試驗的平均含沙量和徑流系數(shù)，并繪制了平均含沙量、徑流系數(shù)和總產(chǎn)沙量擬合曲線（圖6）。擬合結(jié)果表明總產(chǎn)沙量與平均含沙量之間為直線正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.709，表明在侵蝕量相同的情況下平均含沙量越大則總產(chǎn)沙量也就越大?？偖a(chǎn)沙量與徑流系數(shù)之間為指數(shù)函數(shù)關(guān)系，決定系數(shù)為0.727，也就是說徑流系數(shù)越大則總產(chǎn)沙量越多。坡度和雨強(qiáng)是侵蝕產(chǎn)沙的直接影響因素，在坡面復(fù)雜系統(tǒng)中，平均含沙量和徑流系數(shù)是雨強(qiáng)和坡度的直接體現(xiàn)。胡堯等[37]通過研究岷江流域紅壤坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙發(fā)現(xiàn)坡面產(chǎn)沙主要受坡面徑流剪切力的影響，而徑流剪切力受坡度和雨強(qiáng)影響顯著，但是兩者之間不呈現(xiàn)單一的線性函數(shù)關(guān)系，變化規(guī)律不明顯。坡度和雨強(qiáng)都會對侵蝕產(chǎn)沙量產(chǎn)生一定的影響，但兩者之間的交互作用機(jī)制還有待進(jìn)一步的研究探討。

圖6 平均含沙量、徑流系數(shù)和總產(chǎn)沙量擬合曲線

為了進(jìn)一步對比分析雨強(qiáng)、坡度和侵蝕產(chǎn)沙量之間的關(guān)系，使用SPSS21.0進(jìn)行了相關(guān)性分析（表3）。結(jié)果表明侵蝕產(chǎn)沙量與雨強(qiáng)和徑流系數(shù)在0.01水平極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.783與0.642。含沙量和坡度與產(chǎn)沙量在0.01水平極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.728與0.718，含沙量和雨強(qiáng)在0.05水平顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.449。徑流系數(shù)主要受雨強(qiáng)的影響，和雨強(qiáng)在0.01水平極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.890。綜上可知，侵蝕產(chǎn)沙量和含沙量同時受雨強(qiáng)和坡度的影響，但產(chǎn)沙量主要以雨強(qiáng)影響為主，而含沙量以坡度影響為主，含沙量的大小直接影響到產(chǎn)沙量的變化。將降雨過程中實測的數(shù)據(jù)利用SPSS 21.0進(jìn)行回歸分析，得出擬合回歸方程模型

式中為侵蝕產(chǎn)沙量，g；為坡度，(°)；為雨強(qiáng)，mm/h；為含沙量，g/L；為徑流系數(shù)。

回歸模型擬合度較好，模型方差分析表明統(tǒng)計量對應(yīng)的值遠(yuǎn)小于0.01，說明該模型整體是顯著的，坡度和雨強(qiáng)對于侵蝕性風(fēng)化花崗巖坡地侵蝕產(chǎn)沙量的綜合影響可以用線性相關(guān)方程來比較準(zhǔn)確地描述，模型決定系數(shù)為0.794。對產(chǎn)沙量的影響權(quán)重排序為：含沙量＞雨強(qiáng)＞徑流系數(shù)＞坡度，雨強(qiáng)的系數(shù)為0.379比坡度的系數(shù)大，與相關(guān)分析的結(jié)論一致。同時采用SPSS 21.0中的因子分析法進(jìn)行驗證，所得影響權(quán)重排序相同。

表3 坡面侵蝕產(chǎn)沙量、含沙量、徑流系數(shù)與坡度及雨強(qiáng)之間的關(guān)系

注：** 在 0.01 水平（雙側(cè)）上顯著相關(guān)；* 在 0.05 水平（雙側(cè)）上顯著相關(guān)。

Note: ** indicates significant difference at 0.01 (two-sided test); * indicates significant difference at 0.05 (two-sided test).

3 結(jié) 論

本文研究了不同雨強(qiáng)和坡度下侵蝕性風(fēng)化花崗巖母質(zhì)坡地產(chǎn)流產(chǎn)沙特征，結(jié)果表明：

1）強(qiáng)烈侵蝕的風(fēng)化花崗巖坡地，土壤顆粒組成結(jié)構(gòu)性差，降雨入滲強(qiáng)度大，所以坡面徑流在小雨強(qiáng)和緩坡情況下，徑流量少并增幅小。針對坡面徑流而言，其侵蝕性雨強(qiáng)的范圍分布在60～90 mm/h之間。

2）產(chǎn)沙量與徑流量關(guān)系密切，針對產(chǎn)沙來講，徑流含沙量對總產(chǎn)沙量的影響明顯。坡面徑流攜沙的分選作用，致使坡面粗化加重，粉粒和黏粒在泥沙中的富集程度較高，其黏粒的富集率能達(dá)到土壤的3倍以上。

3）通過產(chǎn)沙量與坡度、雨強(qiáng)、徑流系數(shù)和含沙量的相關(guān)擬合，其對產(chǎn)沙量的影響權(quán)重排序為：含沙量＞雨強(qiáng)＞徑流系數(shù)＞坡度。

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Characteristics of runoff and sediment yield under different rainfall intensities and slope gradients in erosive weathered granite area

Deng Longzhou, Zhang Liping※, Fan Xiaojuan, Wu Yanhong, Sun Tianyu, Fei Kai

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Slope gradient is not only one of the major factors affecting soil particle detachment and transport but also an important factor in universal soil loss equation. There is no unanimous conclusion about the influence of slope gradient and rainfall intensity on soil erosion at present. Soil erosion in the rainy and thin-soil area of southeast China, however, is serious and thus can not be overlooked. In order to study and solve the problem of water-soil erosion loss on the weathered granite sloping land, in this study, we investigated the erosion process of the soil developed from weathered granite parent materials under different rainfall intensities (30, 60, 90, 120 and 150 mm/h) and slope gradients (5°, 8°, 15° and 25°) with the method of indoor artificial rainfall simulation. Stratified soil samples from different profiles including 0-60 cm were collected and then put into the soil tanks (2.0 m length ×1.0 m breadth × 0.6 m height) every 5 cm respectively for controlling the original bulk density. The simulated rainfall had uniformity of above 80%, similar to natural rainfall in raindrop distribution and size. Two experiments were carried out for each treatment to ensure the test precision. Soil on the top 5 cm was replaced after each rainfall simulation and the soil moisture was monitored before the next experiment to ensure the same initial soil moisture. The total time for runoff and sediment collection on the slope was 90 min after the appearance of runoff and the mixed samples were collected every 3 min and measured for volume and then used for subsequent analysis. The rest of the sample was dried to measure the sediment yield. The erosive sediment yield equations under different cross treatment conditions were established. The critical rainfall intensity of soil erosion and the critical slope gradient where soil and water conservation should be strengthened were clarified in the study area. The results indicated that the starting time of runoff and erosive sediment occurrence on the sloping land advanced with the increasing slope gradient and rainfall intensity. There was no simple positive correlation between runoff and slope gradient, and the relationship between runoff coefficient and rainfall intensity could be expressed as a potential function. The maximum infiltration rate under 30-120 mm/h appeared at the slope gradient of about 8°.The erosive sediment yield increased with the increasing slope gradient and rainfall intensity, and the relationship between slope gradient and sediment yield could be expressed by a power function with determining coefficient reaching 0.815, while the determining coefficient of the exponential relationship between rainfall intensity and sediment yield reached 0.889. Water erosion was selective for sediment as the content of silt, clay and fine sand entrained by runoff was relatively rich, and there was a boundary of erosive rainfall intensity between 60-90 mm/h in the study area. The combined effect of slope gradient and rainfall intensity on erosive sediment yield could be more accurately described by a linear correlation equation and the weighting order of sediment yield was listed as follows: sediment concentration > rainfall intensity > runoff coefficient > slope gradient. Research on the impact of slope gradient and rainfall intensity on sloping land erosion would contribute to soil and water conservation in the erosive weathered granite area.

soils; erosion; runoff; weathered granite; artificial simulated rainfall; slope gradient; rainfall intensity; sediment yield

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.17.019

S157.1

A

1002-6819(2018)-17-0143-08

2018-03-07

2018-07-25

國家自然科學(xué)基金項目（41471221）

鄧龍洲，男，博士生，主要從事土壤侵蝕與水土保持、水資源利用與保護(hù)研究。Email：11614056@zju.edu.cn

張麗萍，女，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事土壤侵蝕與水土保持、農(nóng)業(yè)面源污染研究。Email：lpzhang@zju.edu.cn

鄧龍洲，張麗萍，范曉娟，鄔燕虹，孫天宇，費 凱. 不同雨強(qiáng)和坡度下侵蝕性風(fēng)化花崗巖母質(zhì)坡地產(chǎn)流產(chǎn)沙特征[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2018，34(17)：143－150. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.17.019 http://www.tcsae.org

Deng Longzhou, Zhang Liping, Fan Xiaojuan, Wu Yanhong, Sun Tianyu, Fei Kai. Characteristics of runoff and sediment yield under different rainfall intensities and slope gradients in erosive weathered granite area[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(17): 143－150. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.17.019 http://www.tcsae.org