华北土石山区砾石覆盖对土壤溅蚀的影响

王葆， 马俊明， 程金花， 于心怡， 戴矜君， 吕佩忆， 韩晓亮

(北京林业大学水土保持学院， 100083，北京)

华北土石山区砾石覆盖对土壤溅蚀的影响

王葆， 马俊明， 程金花†， 于心怡， 戴矜君， 吕佩忆， 韩晓亮

(北京林业大学水土保持学院， 100083，北京)

为探讨降雨强度和砾石覆盖度与土壤溅蚀的关系，通过野外人工模拟降雨，采用自主设计的圆形溅蚀板定量研究不同砾石覆盖度(0、5%、10%、15%、20%)、不同降雨强度(40、80和120 mm/h)对土壤溅蚀量的影响。结果表明：在相同的砾石覆盖度下，溅蚀量与降雨强度成线性正相关；在相同降雨强度下，溅蚀量随砾石覆盖度的增加呈指数递减趋势；随着降雨强度的增大，土壤溅蚀量受砾石覆盖度影响的程度减小；土壤溅蚀量随溅蚀距离的增加先增大后减小；土粒飞溅距离与降雨强度呈正相关；砾石覆盖对抑制溅蚀具有重要影响。

土壤溅蚀； 降雨强度； 砾石覆盖度； 华北土石山区

我国是水土流失最为严重的国家之一，水土流失的主要形式是由水力作用引起的土壤侵蚀，而溅蚀是水力侵蚀的初级阶段。溅蚀会破坏土壤结构[1]， 增加径流紊动性[2],增强径流的分散和搬运能力[3-4]；因此，研究溅蚀对研究土壤侵蚀，防治水土流失具有重要意义。目前国内外普遍认为[5]溅蚀的主要影响因素包括坡度、降雨特征、植被覆盖和土层结构，其中，降雨特性包括降雨量、降雨强度、降雨能量、雨滴直径、雨滴速度、降雨历时等诸多因子[6]；但是，在研究过程中往往忽略了砾石覆盖这一影响因素。在我国华北土石山区，由于土层薄，坡度陡，暴雨集中，地表径流量大，流速快，冲刷力和挟运力强，容易形成水土流失。同时，地表通常覆盖有大量的砾石(土壤中颗粒直径≥2 mm的矿物颗粒[7])，土壤表面砾石的存在能够有效减缓雨滴对地表土壤的直接冲击，还能减少径流携带的泥沙量，对水土流失防治具有重要作用。砾石覆盖不仅会影响土壤的入渗特性[8-10]，而且对地表径流、水力参数和土壤侵蚀产生影响[11]。有关砾石覆盖度对溅蚀的影响研究还较少，而且大部分学者对溅蚀的研究主要集中在实验室模拟状态下完成的，较少有野外的实地研究[11]。笔者在北京市延庆县上辛庄采用野外人工降雨方法测定砾石覆盖度、降雨强度对土壤溅蚀量和溅蚀距离的影响，为了解土壤溅蚀特征和砾石覆盖的水土保持作用提供参考。

1 研究区概况

本试验于2013年7月至2013年9月在北京市延庆县上辛庄重点水土保持试验园区进行，试验区域海拔500 m左右。延庆位于延怀盆地东部，属大陆性季风气候。该示范园位于延庆县城东南5 km的大榆树镇上辛庄村，地理坐标为E116°3′11″～116°4′19″、N40°26′19″～40°27′26″。该示范园因干旱缺水，区域内植被稀疏，其土层深厚，立性明显，冲沟发育，切割破碎，水土流失严重。

据观测记录显示，研究区多年平均降水量为474.51 mm，降水量在年际分布上极为不均，最大及最小降水量相差很大。丰枯年年降水量对比，相差2.31倍。年内各月降水量变化也极不均匀，汛期(6—9月)多年平均降水量为393.83 mm，占全年的84%。

研究区土壤类型为耕作褐土，母质为洪积冲积母质，本区北部地势较平，有较好的地下水资源，而且土质良好，土壤肥沃，土层厚度多>50 cm，旱地较多。研究区域附近大部分坡面已被建成水平条、梯田，多分布有榆树(Ulmuspumila)、油松(PinustabuliformisCarrière)、杨树(Populusspp.)、刺槐(RobiniapseudoacaciaLinn. )等乔木和核桃(Juglansregia)、梨(Pyrusspp.)、杏(ArmeniacavulgarisLam.)等散生果树。

2 研究方法

2.1 样地的布设

本试验通过野外踏勘的方法，在试验区选择15块半径为40 cm的裸露平地(撂荒地)作为样点。

本试验所采用的人工降雨器是一个4组侧喷式喷头对中心点进行对喷的装置，每组有3个喷头，喷头直径分别为1.5、2.0和2.5 mm，降雨强度范围为20～150 mm/h。降雨器的长宽均为2 m、高度为4 m。试验选取40、80和120 mm/h(模拟北京“7·21”特大暴雨的局部最大降雨强度)3种降雨强度，在每种降雨强度下设计 0、5%、10%、15%和20% 5种砾石覆盖度，来探究不同降雨强度和砾石覆盖度对降雨溅蚀的影响。

试验土样为黄土母质的普通褐土，是华北地区的主要土壤类型之一[12]。试验所需砾石样品均为试验区采集所得，所选砾石直径大致在0.6～2 cm之间。将砾石样品采用符素华等[13]的方法模拟出砾石覆盖度与砾石质量的关系曲线。试验时根据不同的砾石覆盖度，用电子天平准确称出相对应的砾石质量，将砾石无重叠、均匀的撒到样地中。在样地四周铺设自主设计的圆形溅蚀板，将5 m×5 m的塑料布中间剪一个半径为40 mm的圆，将塑料布悬挂起来，使得圆孔对准样地，将塑料布四周用石块压好，防止二次溅蚀进入溅蚀板内，对实验数据造成影响。

2.2 溅蚀量的收集

图1 溅蚀板Fig.1 Splash erosion board/cm

试验利用自主设计的圆形溅蚀板收集溅蚀量，溅蚀板由8块弧形板拼接而成，每块板按每5 cm设置一个隔断(隔断高1 cm[14])，来收集不同距离的溅蚀量。溅蚀板如图1所示，该装置能收集4个不同方向上的溅蚀量。

降雨试验结束后用清水冲洗不同方向上不同距离的土样，进行收集，盛放到铝盒中，静置沉淀12 h左右，将上层清液倒掉，放入烘箱烘干，用电子天平称量，得到溅蚀量。每次实验重复进行3次，所得溅蚀量取平均值之后作为该次实验的溅蚀量。

2.3 土壤结构与前期含水量的测定

由于土壤前期含水率和土壤结构对土壤侵蚀有一定的影响[5,15],故在试验前利用环刀取样法测定前期含水量，并取土样利用比重计法测定土壤机械组成。测得其土壤中黏粒质量分数占5.2%，粉粒质量分数为41.45%，砂粒质量分数为53.4%，土壤含水率为12.7%。

3 结果与分析

3.1 降雨强度对溅蚀量的影响

雨滴落到裸露的地面上，具有一定的质量和速度，必然对地表产生冲击，使土体颗粒破碎、分散、飞溅，引起土体结构的破坏，导致溅蚀发生[15]。不同降雨强度、砾石覆盖度条件下，不同距离的平均溅蚀量值见表1，可知随着降雨强度的不断增大，总溅蚀量也随之增大。范荣生等[16]认为降雨强度影响雨滴动能，从而影响雨滴对地表的击打能力，进而影响土壤溅蚀量。这与本研究结论一致，说明降雨强度是影响土壤溅蚀量的因素之一。

当降雨强度由40 mm/h增加为80 mm/h时，总溅蚀量增加了60.1%，不同砾石覆盖度(0、5%、10%、15%、20%)下总溅蚀量分别增加了51.0%、52.2%、60.0%、80.2%和76.3%；当降雨强度由80 mm/h增加为120 mm/h时，总溅蚀量增加了34.7%，不同砾石覆盖度(0%、5%、10%、15%、20%)下总溅蚀量分别增加了32.8%、37.6%、37.0%、29.5%和37.3%。说明溅蚀量随降雨强度的增大而增大的幅度逐渐减小。这是由于在降雨强度逐渐增大的过程中，降雨强度的影响作用逐渐减小，其他影响因素对溅蚀量的影响占据主导地位。蔡强国等[17]对降雨强度I与土壤溅蚀量Y的关系进行了定量研究，发现其具有Y=a+bI的线性关系。这与本文研究结果存在差异，可能原因是本试验在野外进行，受环境影响较大，试验数据存在一定差异。

3.2 砾石覆盖度对溅蚀量的影响

地表土壤受到雨滴冲击，土壤团粒结构被破坏，土粒飞溅至空中，从而发生位移，产生侵蚀量[18]。砾石覆盖在一定程度上能够有效减缓雨滴对地表土壤的直接冲击，降低对土壤的破坏程度，从而减少溅蚀量。表2示出不同降雨强度、砾石覆盖度条件下不同方向的平均溅蚀量，图2示出相同降雨强度，不同砾石覆盖度条件下溅蚀量的变化。

表1 不同降雨强度、砾石覆盖度条件下不同距离的平均溅蚀量

表2 不同降雨强度、砾石覆盖度条件下不同方向的平均溅蚀量值

图2 溅蚀量随砾石覆盖度的变化Fig.2 Variations of splash erosion amount with the gravel coverage

由图2可知，相同降雨强度下，溅蚀量与砾石覆盖度呈负相关，即随着砾石覆盖度的增大，溅蚀量一直减小，这一关系可用下式表示：

F=aebp

(1)

式中：F为溅蚀量，g；p为砾石覆盖度，%；a、b为系数，受降雨强度、坡度等影响。

上述研究结果的产生是由于随着砾石覆盖度的增大，地表与雨滴的接触面积减小，即可能发生侵蚀的面积减少，导致土壤溅蚀量减少。不同降雨强度不同方向上土壤溅蚀量与砾石覆盖度的指数方程如表3所示。R.D.C.Morgan等[19]认为溅蚀随着砾石覆盖度的变化呈非线性减少，与本实验所得结论相一致。说明砾石覆盖对抑制土壤侵蚀具有重要影响。

图3 不同降雨强度不同砾石覆盖度在不同距离范围内的溅蚀量Fig.3 Splash erosion amount at different rainfall intensities and gravel coverage

如表2所示：降雨强度为40 mm/h时，砾石覆盖度由0增加到20%，总侵溅量降低了62.9%；降雨强度为80 mm/h时，砾石覆盖度由0增加到20%，总溅蚀量降低了60.2%；降雨强度为120 mm/h时，砾石覆盖度由0增加到20%，总溅蚀量降低了55.6%。说明随着降雨强度的逐渐增大，溅蚀量受砾石覆盖度的影响逐渐减小。这是由于随着降雨强度的增大，雨滴动能也相应增大，雨滴对地表的击打能力增强，从而减弱了砾石覆盖对溅蚀量的影响作用。

3.3 土粒飞溅距离的影响因素

溅蚀形成过程中，雨滴垂直降落在平地上，引起土壤颗粒向四周飞溅。砾石覆盖度越大，则土粒飞溅时碰到石块的几率也就越大，土粒遇到石块时，运动方向有可能发生变化，因此溅蚀量在不同距离内具有不同值。图3为不同降雨强度条件下不同砾石覆盖度在不同距离范围内的溅蚀量，可见：在相同降雨强度、不同砾石覆盖度条件下，溅蚀量随砾石覆盖度的增加均呈现先增大后减小的趋势，说明砾石覆盖对土粒飞溅距离无明显影响；但是，相同溅蚀距离内的溅蚀量随砾石覆盖度的增大而减少，说明砾石覆盖对溅蚀具有抑制作用。在相同砾石覆盖度、不同降雨强度条件下，随着降雨强度的增大，溅蚀量最大值出现的距离越来越远，说明降雨强度越大，雨滴动能越大，击打地表后赋予土粒的动能越大，因此土粒飞溅距离越远。

表3 不同雨强不同方向上土壤溅蚀量与砾石覆盖度的指数方程

Tab .3 Exponential equation of soil splash erosion amount and gravel coverage at different rainfall intensities and different directions

降雨强度Rainfallintensity/(mm·h-1)方向Direction指数方程ExponentialequationR21F=0 5064e-0 05p0 9838402F=0 5351e-0 049p0 95153F=0 5203e-0 051p0 99664F=0 5071e-0 053p0 98121F=1 0184e-0 04p0 9895802F=1 0245e-0 039p0 95113F=1 0678e-0 043p0 99464F=1 0023e-0 039p0 98631F=0 744e-0 041p0 99721202F=0 8136e-0 046p0 97133F=0 7464e-0 036p0 98204F=0 7747e-0 041p0 9975

Note:Fis splash erosion, g;pis gravel coverage, %;aandbare the coefficients, affected by rainfall intensity, slope, etc.

砾石覆盖度越大，则土粒飞溅时碰到石块的几率也就越大，土粒遇到石块时，运动方向有可能发生变化，因此溅蚀量在不同距离内具有不同值(表2)。在降雨强度为40、80、120 mm/h，不同砾石覆盖度下，溅蚀量最大值分别出现在15～20 cm，20～25 cm,25～30 cm处(图3)，而非距离样地最近的位置处，由此推测在溅蚀过程中土粒的运动形式可能以跃移为主。

4 结论与讨论

1) 在相同砾石覆盖条件下，土壤溅蚀量随降雨强度的增大而增大，但增大的幅度逐渐减小。

2) 在相同降雨强度条件下，土壤溅蚀量与砾石覆盖度呈负相关，二者的变化符合指数函数(F=aebp)的关系。砾石覆盖能够有效抑制土壤溅蚀发生。

3) 降雨强度增大时，土壤溅蚀量受砾石覆盖度影响的程度减小。土壤溅蚀量随溅蚀距离的增加先增大后减少，土粒飞溅距离与降雨强度呈正相关。

本文试验研究及分析基于野外模拟人工降雨试验。目前，大部分溅蚀试验都是在人工模拟降雨条件下实施的，无论是在野外进行，还是在室内进行，模拟降雨过程中对雨滴、雨强的设定都过于理想化，不少研究认为人工模拟降雨与野外天然降雨条件下的雨滴特性还是有很大区别的；因此，在人工模拟降雨试验的条件下，得出的所有关于溅蚀的规律都应在天然降雨条件中进行验证，才能更准确提供溅蚀数据，更好的揭示溅蚀的基本规律，为今后的抗溅蚀工作提出更实际的指标。

[1] Ellison W D. Soil Erosion Study: Part Ⅱ： Soil detachment hazard by raindrop splash [J].Applied Engineering in Agriculture, 1947, 28:197-201

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

[3] Ellison W D. Two devices for measuring soil erosion[J].Applied Engineering in Agriculture, 1944, 25:53-55

[4] Ellison W D. Studies of raindrop erosion[J].Applied Engineering in Agriculture, 1944, 25: 131-136

[5] 韩学坤,吴伯志,安瞳昕,等. 溅蚀研究进展[J]. 水土保持研究,2010,8(4):47-49

[6] 高学田,包忠谟.降雨特性和土壤结构对溅蚀的影响.水土保持学报，2001，15(3)：24-26

[7] 王晓.“粒度分析法”在小流域泥沙来源研究中的应用[J].水土保持研究，2002，9(3)：42-43

[8] 杨明义,田均良,刘普灵.应用137Cs研究小流域泥沙来源[J].水土保持学报，1999，1(3)：49-53

[9] 文安邦,张信宝,王玉宽,等.长江上游云贵高原区泥沙来源地137Cs法研究[J].水土保持学报，2000，14(2)：25-27

[10] Wall G J,Wilding L P. Mineralogy and related parameters of fluvial suspended sediments in northwestern Ohio[J].J Environ Qual,1976,5:168-173

[11] De Boer D H, Crosby G. Evaluating the potential of SEM/EDS analysis for fingerprinting suspended sediment derived from two contrasting topsoils[J]. Catena,1995,24(4):243-258

[12] 刘和平,符素华,等. 坡度对降雨溅蚀影响的研究[J]. 土壤学报,2011,48(3):479-485

[13] 符素华,路炳军,叶芝菡.地表砾石对降雨径流及土壤侵蚀的影响[J].水土保持学报，2010，24(2): 15-18

[14] 江忠善,刘志.降雨因素和坡度对溅蚀影响的研究[J]. 水土保持学报,1989,3(2):29-35

[15] 刘振波.模拟降雨下土壤前期含水量对土壤可蚀性的影响[J]. 生态环境，2008，17(1): 397-402

[16] 范荣生，李占斌．坡地降雨溅蚀及输沙模型[J]．水利学报，1993(6):24-29

[17] 蔡强国，王贵平，陈永宗．黄土高原小流域侵蚀产沙过程与模拟[M]．北京：科学出版社，1998

[18] 张洪江,吴发启,程金花.土壤侵蚀原理[M]. 2版. 北京：中国林业出版社，2008

[19] Morgan R P C, Morgan D D V, Finney H. A predicative model for the assessment of soil erosion risk[J]. Journal of Agricultural Engineering Research,1984,30:245-253

(责任编辑：程 云)

Effects of gravel coverage on splash erosion in the mountainous region of northern China

Wang Bao, Ma Junming, Cheng Jinhua, Yu Xinyi, Dai Jinjun, Lyu Peiyi, Han Xiaoliang

(School of Soil and Water Conservation, Beijing Forestry University，100083, Beijing, China)

To explore the relationship between rainfall intensity, gravel coverage and splash erosion amount, we analyzed the effect of different gravel coverages (0, 5%, 10%, 15%, 20%) on the splash erosion under different rainfall intensities (40 mm/h, 80 mm/h and 120 mm/h) through artificial rainfall simulation and using a self-made round splash plate. The results showed that at the same gravel coverage, splash erosion amount had a linearly positive correlation with rainfall intensity. Under the same rainfall intensity, splash erosion amount exponentially decreasing with gravel coverage. With the increase of rainfall intensity, the amount of soil splash erosion affected by the gravel coverage would decrease. Soil splash erosion increased first with the increase of splash erosion distance and then decreased. The distance of splashed soil particles was positively correlated to rainfall intensity. Gravel coverage has considerable effects in inhibiting splash erosion.

splash erosion; rainfall rate; gravel coverage; rocky mountain area of northern China

2014-12-11

2015-02-26

王葆(1994—)，女，硕士研究生。主要研究方向：水土保持原理。E-mail：490175204@qq.com

†通信作者简介：程金花(1979—)，女，博士，副教授。主要研究方向：水土保持原理。E-mail：jinhua_cheng@126.com

S157.1

A

1672-3007(2015)05-0093-06

项目名称：北京市科技计划项目“山区河流局地暴雨灾害影响及综合治理示范研究”(Z121100000112008)；北京林业大学2013年本科生科技创新专项计划项目“华北土石山区砾石覆盖对降雨溅蚀的影响”(201306)