坡度对扰动黄棕壤土壤侵蚀的影响

李　叶，吴玉柏，，俞双恩，金　秋，黄明逸（.河海大学水利水电学院，江苏南京　0098；.江苏省水利科学研究院，江苏南京　007）



坡度对扰动黄棕壤土壤侵蚀的影响

李叶1，吴玉柏1，2，俞双恩1，金秋2，黄明逸1
（1.河海大学水利水电学院，江苏南京210098；2.江苏省水利科学研究院，江苏南京210017）

摘要：通过人工模拟降雨试验，研究坡度对扰动黄棕壤的土壤侵蚀规律。结果表明：在坡度20°以内，随着坡度的增大，入渗量逐渐减少，径流量逐渐增大；坡度在20°～26.5°范围时，入渗量和径流量趋于平稳。土壤侵蚀量与径流量基本同步，在一定坡度内随着坡度的增大，侵蚀量增大；当降雨强度为40 mm/h和60 mm/h时，供试土壤侵蚀的临界坡度在20°～26.5°之间；当降雨强度增加至80mm/h时，临界坡度大于26.5°。在试验坡度范围内，径流量、侵蚀量与降雨量均存在显著的线性关系。

关键词：模拟降雨；扰动条件；黄棕壤；临界坡度；土壤侵蚀

随着我国城市化的发展，大量的建设项目在施工建设和生产运行过程中占压、扰动和破坏了土地及植被，造成严重的土壤侵蚀，致使土壤侵蚀防治形势日益严峻。通常来说，土壤侵蚀是社会经济因素和自然因素共同作用的结果。社会经济因素主要是人们为追求利益的最大化，不合理地利用土地、破坏植被；而影响土壤侵蚀的自然因素有气候、土壤、地形、地质、植被等［1-2］。众多因素中，坡度是对土壤侵蚀量影响最大的指标［3］，国内外对坡度与径流和土壤侵蚀的关系进行了大量研究［4-9］。然而，目前国内针对建设项目扰动土侵蚀规律的研究不多。扰动土的堆积方式与自然坡面不同，可以人为调控，从而降低其侵蚀强度，达到有效减少土壤侵蚀的目的。因此，研究人工堆土的侵蚀规律，特别是坡度对降雨侵蚀的影响，对指导施工过程中堆土方式及进行堆土防护具有重要意义。本文以江苏省宁镇丘陵山区黄棕壤为例，采用人工模拟降雨方法研究不同坡度下的扰动土侵蚀规律。

1　研究方法

1.1试验设计

试验在江苏省水利科学研究院人工模拟降雨大厅完成，降雨设备为降雨高度6 m、有效降雨面积30 m2的下喷式人工降雨器，降雨均匀度在85%以上。试验土槽为移动式变坡钢槽，尺寸为2 m×3 m×0.3 m。钢槽下部设有小孔，用来模拟水分下渗。坡度调节范围为0～45°。根据施工工地堆土的堆放情况，设计5°、10°、15°、20°、26.5°（1∶2坡度）5个坡度。试验设计的降雨量为10 mm、20 mm、40 mm、60 mm，降雨强度分别为40mm/h、60mm/h、80mm/h，每个处理重复2次，取平均值进行计算和分析。

1.2试验准备

试验土壤为宁镇丘陵山区黄棕壤，取自南京溧水，有机质质量分数为1.88%，土壤各粒径质量分数：大于0.05mm为36.32%，0.01～0.05 mm为18.66%，0.001～0.01 mm为32.13%，小于0.001 mm为12.89%。为最大限度地模拟工程堆土情况，把试验用的土壤在自然条件下风干，去除其中的树叶、石块等杂质。在钢槽底部铺3层细纱布，然后分层装土，装满后将表面整理平整，每层厚5 cm，总厚度为20 cm，逐层压实，尤其注意边壁处，以减少边壁效应对试验的影响，土壤密度控制在1.35g/cm3。每次试验的前一天下午将钢槽坡度调整为10°，提前进行人工降雨，基本保证每次试验的下垫面条件一致，减少试验土槽的空间变异性，当坡面刚好产流时即停止降雨。每次降雨前在钢槽出口处放置水桶，以收集径流产物。

1.3试验过程

降雨开始后，利用水桶采用体积法测定径流量。从坡面开始产流时每隔2 min采集1次径流泥沙样，每次采样体积为200mL。降雨结束后，测定总径流量和每一个径流泥沙样的含沙量，然后将径流产物充分搅匀，迅速取出1 L径流产物，用烘干法测量总的含沙量，根据总径流量计算出总侵蚀量。文中径流量均为地表径流，入渗量为降雨量与径流量之差。

图1　坡度与入渗量的关系（降雨量60mm）Fig.1 Relationships between slope and infiltration volume with rainfall of 60mm

图2　坡度与径流量的关系（降雨量60mm）Fig.2 Relationships between slope and runoff with rainfall of 60mm

2　试验结果及分析

2.1坡度对入渗量和径流量的影响

为了直观地表达坡度对入渗量的影响，并减少土壤外界因素对试验的影响，以60 mm降雨量为研究对象，根据试验结果得出坡度与入渗量之间的关系（图1），用于分析坡度对入渗量的影响。从图1可以看出：降雨量为60 mm时，40 mm/h、60 mm/h、80 mm/h 这3种雨强条件下，坡度为5°时对应的入渗量分别为19.86mm、16.04mm、12.59mm；坡度为10°时，对应的入渗量分别为17.46mm、14.45mm、12.03mm；坡度为15°时，对应的入渗量分别为9.65mm、7.24mm、4.79mm；坡度为20°时对应的入渗量分别为7.18mm、5.54mm、3.96mm；坡度为26.5°时，对应的入渗量分别为9.51 mm、8.20 mm、6.73mm。以上结果表明：在降雨量一定的情况下，当坡度小于20°时，入渗量随坡度的变化趋于一致，呈负相关；当坡度大于20°时，入渗量随坡度变化略有上升，但变化不明显。

产生这种现象的原因如下：（a）当坡度小于20°时，随坡度的增加，坡面流速增加，径流在坡面上的停留时间较短，入渗时间亦短，累计入渗量减少。（b）当坡度大于20°时，径流流速随坡度增加而增加，但承雨面积随之减小，二者相互抵消，导致入渗量随坡度变化不明显。同时，如图2所示，当坡度小于20°时，坡度增加则径流量增大，坡度在20°～26.5°范围时，随着坡度增大，径流量略有减少，但变化不明显。

坡度影响降雨入渗量和地表滞水能力，进而影响坡面的径流量，地表径流又是侵蚀的主要外营力之一［10-11］。有学者认为坡度对土壤侵蚀的影响是通过影响土壤入渗而实现的。入渗量随坡度的增大而减小，坡度越大，土壤入渗量越小，径流量越大，因而土壤侵蚀量越大［12］。因此，随着坡度的增大，径流量增大，入渗量减少，而当坡度大于临界值，径流量、入渗量变化不明显，与以往研究结论一致。

图3　坡度与土壤侵蚀量的关系（降雨强度40mm/h）Fig.3 Relationships between slope and soil erosion amount with rainfall intensity of 40mm/h

2.2坡度与土壤侵蚀量的关系

以降雨强度40mm/h为研究对象，分析坡度与土壤侵蚀量的关系。由图3可以看出，在降雨强度为40mm/h时，不同降雨量产生的土壤侵蚀量随坡度的变化趋势基本一致，坡度小于20°时土壤侵蚀量均随坡度的增加而增加；坡度大于20°以后，随着坡度的增加，侵蚀量反而减小。进一步分析，在40 mm/h雨强、40～60mm的较大降雨量下：当坡度小于15°时侵蚀量随坡度增加而缓慢增加；当坡度由15°变为20°时，侵蚀量会迅速增加。10～20 mm降雨量下，坡度在20°以内时，侵蚀量随坡度增加而缓慢增加。当坡度由20°变化到26.5°时，在10～60mm降雨下，侵蚀量没有增加，反而出现减小的趋势，4个降雨量对应的侵蚀量分别减小19.88g/m2、15.50g/m2、185.64g/m2、142.46g/m2。以上结果表明，扰动土在40mm/h降雨强度下的坡度界限在20°～26.5°之间。

对坡度和土壤侵蚀量的关系进行回归分析，结果（表1）表明，降雨量为10mm和20mm时侵蚀量与坡度的相关性不显著，降雨量为40mm时侵蚀量与坡度的相关性显著，当降雨量升至60 mm时侵蚀量与坡度的相关性极显著。由此可见，随着降雨量的增加，侵蚀量与坡度的相关性增大。降雨量较小时产生的径流量较小，土壤侵蚀量亦较小，外部因素对土壤侵蚀产生较大的影响；当降雨量较大时，外部因素对土壤侵蚀的影响则相对较小。

表1　土壤侵蚀量与坡度的回归分析结果Table 1 Results of regression analysis for soil erosion amount and slope

图4　不同降雨强度下坡度与土壤侵蚀量的关系（降雨量60mm）Fig.4 Relationships between slope and soil erosion amount under different conditions of rainfall intensity with rainfall of 60mm

2.3土壤侵蚀临界坡度的研究

上述研究表明，扰动土在40 mm/h降雨强度下的临界坡度在20°～26.5°之间。下面对40 mm/h、60 mm/h、80 mm/h这3种降雨强度情况临界坡度的问题进行研究。由图4可以看出，在40 mm/h、60 mm/h降雨强度下：当坡度小于20°时，土壤侵蚀量均随坡度的增加而增加；当坡度大于20°时，随着坡度增加，土壤侵蚀量出现减小趋势。以上结果表明：降雨强度为40 mm/h和60 mm/h时，供试土壤临界坡度在20°～26.5°之间；当降雨强度增加至80 mm/h时，坡度在26.5°以内侵蚀量均随坡度的增加而增加，说明80 mm/h降雨强度下的临界坡度大于26.5°。

研究表明［13-15］，土壤侵蚀量在某一坡度范围内随坡度的增加而增加，超过该坡度时侵蚀量反而会随坡度的增加呈现减小趋势，这个坡度被称为临界坡度。国内外给出的坡度界限值波动较大，说明影响坡度与土壤侵蚀关系的因素十分复杂，对于不同的土壤质地和降雨条件，可能结果不一。出现坡度增加到一定限度时土壤侵蚀量反而呈下降趋势这一现象的原因很复杂，许多学者对此进行了大量的研究［16-18］。一般而言，坡度越小则径流在坡面上停滞的时间越长，其渗入土壤的机会也越多；反之，若坡度较大，径流还来不及入渗即沿坡面流走，产流量就会很大，产沙量也较大，并且随着坡度增大，雨滴的溅蚀作用逐渐明显［16］，土壤颗粒容易向下滚动或移动，因此侵蚀量增加。但是，从承受雨滴击打的角度分析，坡度越大其承雨面积越小，承接的雨量相应减少，并且随着坡度增大，径流速度加快，径流对土壤表面的摩擦作用减小，所造成的土壤流失量也减少［18］。以上因素综合作用的结果，可能是导致上述规律的原因。

2.4不同坡度下降雨量与径流量、土壤侵蚀量的关系

以40mm/h降雨强度为例，研究不同坡度下降雨量与径流量、土壤侵蚀量的关系。图5、图6表明，不同坡度情况下径流量和土壤侵蚀量皆随着降雨量的增大而增加，该结果与以往研究结论相吻合［13］。

图5　不同坡度下降雨量与径流量的关系Fig.5 Relationships between rainfall and runoff under different conditions of slope

图6　不同坡度下降雨量与土壤侵蚀量的关系Fig.6 Relationships between rainfall and soil erosion amount under different conditions of slope

将不同坡度下历次观测的土壤侵蚀量与同期降雨量进行回归分析，得到表2。由表2可以看出：坡度为15°时，土壤侵蚀量与降雨量相关性达到显著水平，径流量与降雨量达到极显著相关水平；其他坡度下侵蚀量、径流量与降雨量均达到极显著相关水平。从图6及表2的分析结果还可以看出，不同坡度产生土壤侵蚀时其降雨量的临界值不同，即在该试验条件下各坡度的启动雨强相异。

表2　不同坡度下径流量、土壤侵蚀量与降雨量的回归分析结果Table2 Results of regression analysis for runoff，soil erosion amount，and rainfall under different conditions of slope

3　结　　语

对于扰动条件下的丘陵山区黄棕壤，采用人工模拟降雨试验方法，研究不同坡度条件下降雨量与径流量、土壤侵蚀量之间的关系，结果表明：（a）降雨量一定情况下，当坡度小于20°时，入渗量随坡度的增大而减小，径流量随着坡度的增大而增大；而坡度大于20°时，入渗量、径流量趋于稳定。（b）在坡度未达到临界坡度时，随着坡度的增加，土壤侵蚀量增大；当超过临界坡度时，土壤侵蚀量反而呈现减小趋势。在降雨量大于40mm、坡度小于15°时，土壤侵蚀量随坡度增加而缓慢增加；坡度大于15°后土壤侵蚀量随坡度增加而迅速增加，因此扰动土坡面控制在15°以内对减少土壤侵蚀十分重要。（c）扰动土在40mm/h、60mm/h降雨强度下的临界坡度在20°～26.5°之间，在80mm/h降雨强度下的临界坡度大于26.5°。（d）不同坡度情况下，径流量、土壤侵蚀量与降雨量均存在显著的线性关系。

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Influence of slope on disturbed yellow-brown soil erosion

LI Ye1，WU Yubai1，2，YU Shuangen1，JIN Qiu2，Huang Mingyi1
（1.College of Water Conservancy and Hydropower Engineering，Hohai University，Nanjing 210098，China；2.Jiangsu Research Institute of Water Conservation，Nanjing 210017，China）

Abstract：In this study，the influence of the slope on disturbed yellow-brown soil erosion was investigated through a simulated rainfall experiment.The experimental results show that，when the slope is 20°or less，the infiltration volume decreases with the increase of the slope and the runoff increases with the increase of the slope.The infiltration volume and runoff level off when the slope is between 20°and 26.5°.The soil erosion amount is basically synchronous with the runoff and increases with the increase of the slope within a certain range of the slope.When the rainfall intensity is 40mm/h or 60mm/h，the threshold slope of the tested soil erosion is between 20°and 26.5°.The threshold slope is greater than 26.5°when the rainfall intensity increases to 80 mm/h.There are significant linear relationships between the runoff，erosion amount，and rainfall within the range of the test slope.

Key words：simulated rainfall；disturbed condition；yellow-brown soil；threshold slope；soil erosion

通信作者：俞双恩，教授。seyu@hhu.edu.cn

作者简介：李叶（1991—），男，江西新余人，硕士研究生，主要从事水土保持、水土资源规划研究。E-mail：jxxyliye@163.com

基金项目：水利部公益性行业科研专项（200801025）；江苏省水利科技重点项目（201402）

收稿日期：2015-10-15

DOI：10.3876/j.issn.1000-1980.2016.01.004

中图分类号：S157.1

文献标志码：A

文章编号：1000-1980（2016）01-0020-05