坡长对水土流失影响的研究现状及展望

于文华，闫训海

(上海市水利工程设计研究院，上海 200061)

1 坡长对径流量的影响

坡长和径流的关系十分复杂，学者们对此进行了较为深入的研究，研究的结果有以下3种观点：第一种观点认为，随着坡长的增加径流系数在逐渐减少，坡长愈长径流量愈小。第二种观点认为，在陡坡 (坡度为48%)条件下，随着坡长的增加径流量没有明显的变化。第三种观点认为，径流与坡长的关系并不是简单的线性关系：坡度较缓、降雨量不大、土壤具有较大的渗透能力时，径流量随着坡长的增加而减少，即“径流退化”［1］;但是，当坡面长度增加、径流汇集成较大股流后，渗透强度提高的速度减慢，径流量又会随着坡长的增加而减少。孔亚平等［2］研究指出，径流量与坡长呈线性关系。黎四龙等［3］在张家口研究了不同降雨强度下坡长对径流的影响，根据5年的试验数据得出：小雨强降雨时，径流量与坡长不是直线关系;大雨强降雨时，径流量可用坡长与径流深的乘积表示。由此可知，雨强大时径流量与坡长之间具有很好的线性关系，这说明径流量沿坡面变化是均匀的，即随着坡长的增加径流增加的速率是均匀的。同时还得出，雨强愈大单位坡段上的径流量也愈大，但试验雨强在坡长很短的情况下表现得并不明显。在北方土石山区，径流量随着坡长的增加而增加，并且随着I30(30 min最大降雨强度)的不同，20 m坡长的径流量与40 m坡长的径流量也不同;对不同坡长下降雨量、I30与径流量和侵蚀量进行方差分析的结果表明：在10 m坡长下降雨量、I30与径流量和侵蚀量无显著性差异，在20 m和40 m坡长下降雨量、I30与径流量和侵蚀量呈显著性差异［4］。

2 坡长对土壤侵蚀量的影响

在现有的坡面土壤侵蚀预报模型中，通常认为土壤侵蚀量随着坡长的增加而增加。著名的USLE和RUSLE方程中都采用了标准化到22.13 m坡长上的坡长因子［5－6］，其表达式为

式中：L为坡面土壤流失量与标准化到22.13 m坡长上的土壤流失量的比值，无量纲;λ为坡长，m;m为坡长因子指数。

不同研究结果表明，坡长指数受坡长和坡度交互作用的影响，同时受土壤特性、地表植被类型和田间管理措施等的影响。

国内外学者对坡长和侵蚀产沙关系研究的结果表明，坡长对土壤侵蚀的影响是一个比较复杂的问题，并不像USLE和RUSLE中描述的那样，因此国内外学者在坡长对侵蚀量影响方面的研究结果也不尽相同，主要包括：坡长增加，水流中的含沙量增加，侵蚀作用减弱，侵蚀量减少［6］;随着坡长的增加，从上坡到下坡水深在逐渐增加，侵蚀量相应增大，流失量也在增加［6－7］;随着坡长的增加，径流量、侵蚀量在增加，侵蚀量增加后水流的含沙量也增加，水体搬运泥沙所消耗的能量加大，侵蚀减弱，两者相互消长，结果是从上坡到下坡侵蚀量没有很大的差异［8］。但是，更多的研究结果表明，随着坡长的增加，侵蚀量并不是简单的增加、减少或者不变，而是随着降雨强度、坡度等条件的不同表现出不同的特征。朱显谟［1］指出：在较大暴雨时坡长与冲刷量呈正相关，当雨量小、强度小、历时短时呈负相关，而且往往由于土壤抗蚀抗冲特性、地面坡度等的不同，侵蚀量与坡长的关系也不同。对北方土石山区的研究表明：对于20 m和40 m的坡长，当降雨量＜10 mm时，20 m坡长的侵蚀量大于40 m坡长的侵蚀量;当降雨量＞10 mm时，40 m坡长的侵蚀量＞20 m坡长的侵蚀量。张信宝等［9］用137Cs法研究侵蚀与坡长的关系时得出：黄土峁坡农地的峁顶及峁坡(L=0～50 m)137Cs法值随着坡长的增加而增加，峁坡下部农地(L＞50 m)137Cs法值随着坡长的增加变化不大，坡长大于65 m后随着坡长的增加还略有减少。廖义善等［10］研究认为在坡面上径流的侵蚀产沙、输沙能力随着坡面长度的变化呈强弱交替变化，这与罗来兴［11］研究黄土区的结果相一致。

陈永宗等［12］的研究结果表明，侵蚀量与坡长的关系随降雨特性的变化而变化，并建立了侵蚀量与坡长、I30的二次正交多项式回归模型。汪晓勇等［13］在坡度15°的条件下研究了雨强对坡长和侵蚀量的影响，雨强为50 mm/h时，坡面总侵蚀量随着坡长的增加而呈明显增加的趋势，雨强75和100 mm/h时，坡面侵蚀量随坡长的变化呈现波状的强弱交替变化，一定坡长范围内侵蚀量出现峰值和谷值交替现象。随着降雨特性的不同，侵蚀强度随坡长变化存在3种动态：第一种为增长型，即随着坡长的增大产沙强度持续增强;第二种为增长递减型，即产沙强度先随坡长增加而后又随坡长增加呈递减趋势;第三种为波动型，即产沙强度随坡长增加出现两次增长和两次减小的过程。孔亚平等［2］研究指出，在短历时或小强度的降雨试验条件下，坡长的影响并不显著，而随着降雨历时的延长或降雨强度的增加，坡长的影响会越来越大，所有这些都使坡长与侵蚀强度的关系复杂化。蔡强国等［14］的研究结果也表明坡面侵蚀产沙量随坡长先呈增加趋势，但当坡长大于某一临界坡长时，单位面积侵蚀量会随着坡长的增加而减少。

3 坡长对土壤侵蚀过程的影响

按引起土壤侵蚀的外营力划分，土壤侵蚀的类型主要有水力侵蚀、风力侵蚀、重力侵蚀、冻融侵蚀等，其中水力侵蚀可分为面蚀、沟蚀等类型，面蚀又可进一步划分为细沟侵蚀和浅沟侵蚀等形式，不同的水流形式对应着不同的侵蚀方式。坡长的变化导致汇水量的变化，进而影响到水流形式，同时径流量的增加导致下坡径流深度的增加，降低了雨滴的击溅侵蚀能力，因此坡长不同对土壤侵蚀过程的影响也就不同。在细沟间侵蚀条件下，坡长对侵蚀产生影响的原因是坡面径流深的作用。当坡面以片蚀或细沟侵蚀为主时，坡面侵蚀量随着坡长的增加呈幂指数形式增加，但其指数大小表现出一定的复杂性。蔡强国［14］研究了坡长在黄土高原丘陵沟壑区坡面侵蚀产沙过程中的一些规律和机理，揭示了坡长对坡耕地侵蚀产沙过程的影响，拟合了不同坡长下的径流和产沙过程线：坡长增加时，坡面片蚀—细沟侵蚀—切沟侵蚀发育速度明显加快，坡面侵蚀产沙量明显增加。张天义指出，坡长增加，层状侵蚀量与细沟侵蚀量随之增加，所以坡长越长总侵蚀量越大;不同坡长的层状侵蚀量皆大于细沟侵蚀量，且坡长增加层状侵蚀量在总侵蚀量中所占的比重减少。张科利等［15］研究了发生细沟侵蚀的临界坡长，浅沟侵蚀发育存在一个临界坡长值，在陕北丘陵区这个值大约为40 m。

4 存在的问题与发展展望

经过长期的研究，科研工作者对于坡长和土壤侵蚀的关系有了比较系统的认识，在坡长与土壤侵蚀关系方面的研究取得了一定的成果，但现有成果还存在以下问题：

(1)我国的研究主要集中在黄土高原区，对其他土壤类型区的研究并不多，需要加强其他土壤类型区中坡长和土壤侵蚀关系的研究。

(2)已有研究多数是研究坡长对侵蚀量的影响，应加强坡长对产流产沙过程影响和坡面侵蚀输沙沿程分布规律的研究，研究不同坡段的水流流速和含沙量，进一步揭示土壤侵蚀的机理。

(3)坡面侵蚀方式演变过程中汇水坡长与坡面侵蚀产沙关系的研究还非常薄弱，需要进一步加强。

(4)已有的研究中，各坡长小区的降雨前土壤状况 (土壤类型、土壤含水量、土壤容重等)和外部条件(坡度、雨强、雨型等)不一致，得出的结论容易受坡长以外其他因素的影响，因此建立一个标准化的平台，使得各学者的研究具有可比性，是目前研究中亟待解决的问题。

(5)坡长与土壤侵蚀的关系十分复杂，其原因可能是坡长的变化又影响了坡面面积，坡面面积的变化影响了汇水汇沙过程，因此有必要在大尺度上对水土流失规律进行研究。通过对坡长和土壤侵蚀关系的研究，可以更加深入地认识土壤侵蚀规律，为土壤侵蚀预测预报、水土保持规划、环境影响与评价及灾害防治等提供科学依据。

［1］朱显谟.黄土高原水蚀的主要类型及有关因素［J］.水土保持通报，1981，1(3)：13 －18.

［2］孔亚平，张科利，唐克丽，等.坡长对侵蚀产沙过程影响的模拟研究［J］.水土保持学报，2001，15(2)：17 －20.

［3］黎四龙，蔡强国，吴淑安，等.坡长对径流及侵蚀的影响［J］.干旱区资源与环境，1998，12(1)：29 －35.

［4］林军，倪伟，宋传松，等.北方土石山区不同坡长径流小区水土流失规律研究［J］.水土保持应用技术，2009(3)：7－9.

［5］McCool D K，Foster G R，Mutchler C K，et al.Revised slope length factor for the universal soil loss equation［J］.Transactions of ASAE，1989，32(5)：1571 －1576.

［6］Law J O，Parsons D A.The relationship of raindrop size to intensity［J］.Transactions American Geophysical Union，1943，24：452 －460.

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［9］张信宝，文安邦，奎因TA，等.黄土峁坡农地侵蚀与坡长的关系［J］.中国水土保持，1998(1)：17 －18，25.

［10］廖义善，蔡强国，程琴娟.黄土丘陵沟壑区坡面侵蚀产沙地形因子的临界条件［J］.中国水土保持科学，2008，6(2)：32 －38.

［11］罗来兴.甘肃华亭粮食沟坡面细沟侵蚀量的野外测定及其初步分析结果［J］.地理学资料，1958(2)：111－118.

［12］陈永宗，景可，蔡强国.黄土高原现代侵蚀与治理［M］.北京：科学出版社，1988：106 －113.

［13］汪晓勇，郑粉莉.黄土坡面坡长对侵蚀—搬运过程的影响研究［J］.水土保持通报，2008，28(3)：1 －4.

［14］蔡强国.坡长在坡面侵蚀产沙过程中的作用［J］.泥沙研究，1989(4)：84 －91.

［15］张科利，唐克丽，王斌科.黄土高原坡面浅沟侵蚀特征值的研究［J］.水土保持学报，1991，5(2)：8 －13.