三峡库区紫色土坡耕地细沟发生的临界坡长

严冬春，文安邦，史忠林，巨 莉，贺秀斌

（1.中国科学院成都山地灾害与环境研究所山地环境演变与调控重点实验室，成都 610041；2.中国科学院研究生院，北京 100049）

三峡库区紫色土坡耕地细沟发生的临界坡长

严冬春1，2，文安邦1，史忠林1，2，巨 莉1，2，贺秀斌1

（1.中国科学院成都山地灾害与环境研究所山地环境演变与调控重点实验室，成都 610041；2.中国科学院研究生院，北京 100049）

采用人工暴雨试验发现：相同土壤含水量条件下，10°，15°，20°，25°紫色土小区在130 mm／h雨强降雨下细沟发生的临界坡长平均值分别为6.13，4.12，2.72，1.55 m，细沟发生的临界坡长与坡度呈二次抛物线关系；土壤含水量变幅为16%～26%条件下细沟发生临界坡长先增长后变短。据此总结了采用地埂防治坡耕地细沟侵蚀的治理模式，针对不同坡度地块细沟发生的临界坡长，采用地埂或者分割地块，并在地埂上种植经济效益高的植物篱，既控制了细沟的发生，又弥补了地埂占地导致的农业减产；同时在旱季和雨季分别调整边沟的尺寸，调整地块土壤含水量从而控制细沟因含水量变化导致的细沟发生临界坡长缩短。

细沟侵蚀；临界坡长；坡耕地；紫色土；三峡库区

1 概 述

三峡库区对我国特别是长江流域，在社会经济、水资源安全和生态屏障方面具有重要的战略地位。三峡工程的建设、运行以及库区移民安置对库区及流域生态系统、地表过程和社会经济正在并将产生重大的影响。三峡水库蓄水后，库区淹没耕地2.597 hm2，使区域发展与资源、环境承载力的矛盾更加尖锐。由于大量的后靠移民安置和城镇、公路、管道等基础设施建设，非农用地大幅度增加，不但增加了退耕还林（草）和生态修复等水土保持难度；而且为发展农村经济和提高粮食产量，迫使在有限土地资源上加大利用率和垦殖率，加重水土流失。据2005年水土流失公告显示水土流失面积占幅员面积的48.55%；中度侵蚀为主，占幅员面积的19.90%；轻度侵蚀占幅员面积的14.15%；强度侵蚀占幅员面积的12.23%；极强度和剧烈占幅员面积的2.27%。库区年均水土流失量达1.5亿t，入库泥沙4 000多万t，坡耕地土壤侵蚀占总水土流失量的60%以上。三峡库区紫色土分布区域占库区总面积的78.4%，其中绝大部分为坡地［1］。三峡水库蓄水淹没和移民后靠势必加重紫色土坡耕地负荷，如何有效地控制紫色土坡耕地土壤侵蚀，提高粮食产量则成为当务之急。

细沟侵蚀是坡面土壤侵蚀的主要形式之一，是介于片状侵蚀与沟道侵蚀之间的一种侵蚀类型［2］。细沟一旦形成，坡面薄层水流转变为股流，其水力学特征发生根本性的转变，侵蚀动力增强，水流侵蚀形态由对单个土壤颗粒的搬运转变为对土壤块体崩解、分散、输移的过程，侵蚀量剧增，已有的研究表明细沟的发生坡面侵蚀产沙量将增加几倍至几十倍［3］，黄土高原细沟侵蚀量甚至占坡面总侵蚀量的70%以上［4－6］。传统观念认为坡耕地上形成的细沟仅通过耕作措施即可以将其平复，不需要特殊的土壤保持措施；事实上，即使通过耕作措施将细沟平复还是会在坡面上形成负地形，再次降雨情况下很容易出现细沟，甚至形成恶性循环［7］。基于对细沟侵蚀在坡面侵蚀中重要地位的认识，国内外学者在细沟的发生、发展、侵蚀输沙等方面开展了大量研究［8－11］。对于某一坡度的地块，一次暴雨中细沟总是表现在一定的坡长处发生，这是由于细沟侵蚀的发生需要一定的坡长来汇集径流，这一坡长称为细沟发生的临界坡长［12］。通过暴雨试验调查出细沟发生的临界坡长，进而通过各种措施控制细沟的发生将大大降低坡面侵蚀量。

本研究采用人工暴雨试验，调查了紫色土坡耕地细沟发生的临界坡长，研究了坡度、土壤前期含水量对临界坡长的影响，为进一步探讨紫色土坡耕地防治细沟措施提供依据。

2 研究方法与试验设计

2.1 试验区概况

试验在中国科学院三峡库区忠县水土流失与面源污染观测站内开展（108°10′25″E，30°24′53″N），该站地处三峡库区中游，四川盆地东部平行岭谷区，浅丘地貌，区内出路岩层为侏罗系中统沙溪庙组（J2s）砂岩、粉砂岩和泥岩。属亚热带东南季风区，四季分明，年均气温19.2℃，无霜期320 d左右。年均降水量1 150 mm，季节分配不均，其中70%以上集中于4－10月。土壤为中性紫色土，坡耕地广布，垦殖率复种指数均较高，作物按照季节不同采用轮作制种植冬小麦、油菜、花生、土豆、玉米、红薯等。

2.2 试验设计

本次试验分为2部分，一部分采用暴雨试验调查不同坡度地块细沟发生的临界坡长；另一部分采用控制不同土壤含水量，调查土壤含水量对细沟发生临界坡长的影响。试验场地为忠县站4块2 m× 8 m的小区；坡度分别为10°，15°，20°，25°，土层厚度大于40 cm，装填土壤采集于附近农耕地表层20 cm耕作土，小区试验前将表层20 cm土壤用锄头翻松整平，手工捡出石砾（土壤特性见表1）。第一部分试验在土壤翻松后均匀洒水，保证土壤表层（5 cm）含水量在25%左右，试验前用TDR测试表层土壤含水量。第二部分在10°小区上开展，通过洒水后地面蒸发不同时长（间隔2 h用TDR测试1次，各测点间距1 m），从而控制土壤含水量，试验不同含水量条件下细沟发生的临界坡长。分析忠县2000年至2009年的降雨数据表明，暴雨次数32次，最大次降雨量为178.5 mm，最大10 min雨强为136.3 mm／h。本次试验设计雨强为130 mm／h；降雨历时为23 min，10°小区降雨7场，其余3块小区各降雨3场。降雨器为中国科学院水土保持研究所研制生产的双侧双喷喷降雨机，通过调整喷头射流孔板调节雨强，喷头距离中轴线高度6.5 m，实际降雨高度大于8 m，钢架挡风棚高度9 m。

降雨均匀度和降雨量测定采用10个简易的雨量筒测定，雨量筒为直径150 mm、高250 mm的白铁皮制成，沿小区两边等间距放置，16场降雨实际雨强偏差均在4%以内。降雨开始产流后，用6 000 mL塑料桶收集水沙样品（每1 min采集1次水沙样品），并用秒表记录每次采集样品所需要的时间。记录每次采样的体积，样品澄清12 h以后用细胶管导出上层清液，下层水沙样品用500 mL铁皮盒盛装烘干24 h后称重。沟道侵蚀量采用填充法，填充土壤为临近小区表层土壤，称重每次填充所需土壤重量，并换算成干重。

表1 试验紫色土特性Table 1 Character of purp le soil

3 细沟发生的临界坡长

表2 紫色土坡耕地细沟发生临界坡长统计表Table 2 Critical lengths of rill taken from purp le soil slope land

3.1 细沟发生的界定

以往以尺寸作为细沟发生的界定在概念上比较模糊，很难将片状侵蚀形成的跌坎（坑）和细沟有效地区分开。而细沟发育过程中跌坎（坑）是至关重要的一环，跌坎（坑）的出现表明细沟开始发育，跌坎（坑）的贯穿标志着细沟的形成［12］。跌坎（坑）出现以后坡面漫流在跌坎（坑）处汇集成股流，坡面侵蚀方式由薄层水流悬移输送转变为股流冲刷，跌坎（坑）在股流作用下溯源侵蚀和下切坡面导致顺坡跌坎（坑）的贯穿形成沟道。因此，本试验在确定细沟沟头和测量临界坡长时将观测到跌坎（坑）的贯穿作为细沟发生的界定。

3.2 临界坡长与坡度的关系

通过对细沟发生过程的观察，细沟发生的判定以跌坎贯穿为标志，细沟发生后沟头的溯源侵蚀不在本研究统计之列。控制含水量在25%左右时，10°，15°，20°，25°小区在130 mm／h雨强降雨下细沟发生的临界坡长随坡度的增大而缩短（表2），细沟沟头出现的顺坡坡长平均值分别为6.13，4.12，2.72，1.55 m。相同坡度单次暴雨下细沟发生的临界坡长存在一定的变异性，可能是由于土壤本身不均质导致径流在某一点上优先下切形成跌坎（坑），进而演变成沟头。

郑粉莉［13］研究了黄土坡面细沟发生的临界坡长与坡度呈二次抛物线关系，本试验利用10°，15°，20°，25°小区的临界坡长结果回归得到

LR＝0.008 4J2－0.59J＋11.24 。

式中：LR为临界坡长（m），J为坡度（°）。将上式两边对坡度求导数，求得紫色土细沟发生临界坡长的拐点坡度为35.1°，略大于郑粉莉［13］在黄土高原的调查结果。拐点坡度又称为细沟发生临界坡长的临界坡度，小于临界坡度的地块细沟发生的临界坡长随坡度增大递减，大于临界坡度的地块细沟发生的临界坡长随坡度增大而增大。坡度小于临界坡度时细沟发生临界坡长随坡度增大而减小的原因在于随着坡度增大，入渗量减少，汇集成导致跌坎贯穿的径流所需坡长变短。对于坡度大于临界坡度时临界坡长随着坡度增大而增大的原因比较复杂，可能是由于坡度较大，坡面受雨面积相对减少，同时径流流速剧增，水层变薄，径流对坡面有效切应力反而减小，导致汇集成跌坎贯穿所需坡长变长。由于本试验没有设计大于临界坡度的试验，这一猜测需要在后期的试验中验证。

3.3 前期含水量对临界坡长的影响

10°小区7场人工降雨土壤含水量变幅为16%～26%（试验小区土壤饱和含水量为37.8%），细沟发生的临界坡长随含水量的变化趋势如图1。从图1来看，含水量大于19.5%时，细沟发生的临界坡长总体上随含水量的增大而缩短；可能是由于土壤含水量的增大导致土壤颗粒之间粘结力降低，泥沙启动所消耗的临界动能较低，径流汇集贯穿跌坎（坑）的坡长也相应缩短。当含水量降低到19.5%以下时，细沟发生的临界坡长随含水量降低而变短；可能是由于含水量降低导致土壤空隙比增大，暴雨雨滴击溅作用下堵塞土壤表面空隙，土壤入渗率降低，径流汇集形成沟头所需坡长缩短。从临界坡长随含水量变化的趋势来看，我们猜测可能存在一个临界含水量（三峡库区紫色土坡耕地大概为20%土壤含水量），当含水量大于或者小于临界含水量时细沟发生临界坡长都将是变短，需要进一步的试验验证。

图1 不同含水量状态下临界坡长变化趋势图Fig.1 Variety Trend about critical length in different water contents of soil

4 细沟控制技术探讨

三峡库区蓄水后，河谷区平坦的台地被淹没，大量的后靠移民增加了紫色土区坡耕地负荷；通过控制细沟的发生从而减少坡耕地侵蚀，对于减少入库泥沙和保持坡耕地肥力具有重要意义。基于对紫色土坡耕地细沟发生临界坡长的调查，总结采用地埂来控制细沟的发生，见图2。

图2 地埂防治坡耕地细沟侵蚀示意图Fig.2 Sketch of defending rill erosion controlled utilizing ridged fields

设计思路是根据地块不同坡度细沟发生的临界坡长，采用地埂分割地块，控制细沟的发生，并在地埂上种植经济效益高的植物篱，以减少地埂占地带来的农业减产。同时考虑土壤含水量对细沟发生临界坡长的影响，在雨季和旱季分别调整边沟A，B的尺寸。旱季时，将秸秆等填埋到边沟中，并覆土，一方面增大地表径流入渗量，保持土壤水分；同时也可以增加土壤有机质含量。雨季时，将边沟淘深，让多余的地表径流能够及时地收集到蓄水池，同时降低地块内土壤含水量到合适的范围，避免细沟的发生。

5 结 语

通过人工暴雨试验发现：相同土壤含水量条件下，10°，15°，20°，25°紫色土小区在130 mm／h雨强降雨下细沟发生的临界坡长平均值分别为6.13，4.12，2.72，1.55 m，细沟发生的临界坡长与坡度呈二次抛物线关系：LR＝0.008 4J2－0.59J＋11.24；土壤含水量变幅为16%～26%条件下细沟发生临界坡长先增长后变短。基于以上调查总结了采用地埂防治坡耕地细沟侵蚀的治理模式，针对不同坡度地块细沟发生的临界坡长，采用地埂分割地块，并在地埂上种植经济效益高的植物篱，既控制了细沟的发生，又弥补了地埂占地导致的农业减产。同时在旱季和雨季分别调整边沟的尺寸，调整地块土壤含水量从而控制细沟因含水量的变化导致的细沟发生临界坡长缩短。

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（编辑：赵卫兵）

Critical Slope Length of Rill Occurred in Purp le Soil Slope Cultivated Land in Three Gorges Reservoir Area

YAN Dong-chun1，2，WEN An-bang1，SHIZhong-lin1，2，JU Li1，2，HE Xiu-bin1
（1.The Key Laboratory of Mountain Environment Evolution and Its Regulation，Institute of Mountain Hazards and Environment，Chinese Academy of Sciences，Chengdu 610041，China；2.Graduate School of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China）

Rill erosion is one of themain form of slope erosion，which is between sheet erosion and gully erosion.Once rill erosion takes place，the rate of soil erosion will be double increased.It is important，through Investigating

the critical slope length of rills occurred in different slope cultivated lands under torrential rain，to direct the prevention of rill，reduce sediment and preserve thewater and soil.Utilizing artificial rainfall tests showed that，under the same soilmoisture contentand in a 130mm／h torrential rain，themean critical slope length on purple cultivated land of slope angle 10°，15°，20°，25°were 6.13 m，4.12 m，2.72 m，1.55 m，respectively.A quatratic parabola relationship between critical slope length of rill（LR）and slope grade（J）was given.When the water content of soil varied from 16%to 26%，the critical length increased firstly and then decreased.For the sake of avoiding rill erosion occurrence，we designed a new cultivatedmode，named“ridge＆plant hedge”，which was to cut the slope length by ridges and hedgerows，on one hand to decrease sediment，on the other hand to regulate water content of soil.

rill erosion；critical slope length；slope cultivated land；purple soil；Three Gorges Reservoir Area

X43；S157.1

A

1001－5485（2010）11－0058－04

2010-09-10

国家科技支撑计划项目（2008BAD98B01、2008BAD98B02）；国家科技重大专项课题（2009ZX07104－002－06）

严冬春（1981-），男，湖北宜昌人，博士研究生，主要从事土壤侵蚀与水土保持研究，（电话）13438382030（电子信箱）yandc＠imde.ac.cn。

文安邦（1964-），男，重庆忠县人，研究员，博士生导师，主要从事土壤侵蚀与水土保持研究，（电话）028-85214188（电子信箱）wabang＠imde.ac.cn。