模拟雨滴条件下崩壁不同土层的溅蚀特征

梁双双，林金石，黄炎和，蒋芳市，葛宏力，汪 倩，王正清，贾 珅，曹彤彤

（福建农林大学 资源与环境学院，福州350002）

模拟雨滴条件下崩壁不同土层的溅蚀特征

梁双双，林金石，黄炎和，蒋芳市，葛宏力，汪 倩，王正清，贾 珅，曹彤彤

（福建农林大学 资源与环境学院，福州350002）

崩壁是崩岗侵蚀的重要组成部分，为了研究崩壁不同土层的溅蚀特征，采用自制雨滴发生装置模拟不同直径雨滴，分析了不同雨滴大小和雨强下崩壁3个土层溅蚀量、溅蚀土壤颗粒特征的差异。结果表明：崩壁3个土层的溅蚀土粒均大都分布在0—5 cm的范围内，其中，红土层的溅蚀量随雨滴强度的变化率最大，碎屑层次之，砂土层最小；通过双因素方差分析可知，土壤特性对溅蚀量的影响大于雨滴强度；溅蚀土粒中砂粒（0.05～2 mm）百分比最大，而黏粒（＜0.002 mm）百分比最小，可以推测出使溅蚀量达到最大的粒径范围；崩壁3个土层的溅蚀土粒中，随着溅蚀距离的增加，砾石（＞2 mm）最不易被溅移，粉粒（0.002～0.05 mm）和黏粒（＜0.002 mm）最易被溅移。

雨滴溅蚀；雨滴强度；距离分布；粒径分选

崩岗是南方花岗岩红壤区的一种特殊侵蚀形式，主要发生在风化母质残积物深厚、降雨集中的地区，且崩岗的发展速度快、危害严重、治理难度大[1-3]。崩壁作为崩岗的重要组成部分，是水力和重力复合作用最明显的部位，也是崩岗继续失稳崩塌和崩积堆产生的前提[4]。溅蚀是裸露崩壁在降雨过程中最容易遭受的一种侵蚀形式，对其侵蚀过程和侵蚀特征的分析是研究崩岗侵蚀机理的前提。因此，研究崩壁不同土层的溅蚀特征，对于摸清南方花岗岩区崩壁侵蚀机理具有重要意义。

关于土壤击溅侵蚀，国内外许多学者已经做了大量的相关研究，分析了植被覆盖[5]、坡度[6]、水层厚度[7-8]等因素对表土的击溅侵蚀特征的影响，在国内，相关学者还进行了土壤击溅侵蚀与土壤表土结皮关系[9-10]等的研究。其中，秦越等[11]研究认为当雨滴动能小于0.067 4×103J时，雨滴不产生溅蚀，且存在使土壤溅蚀量达到最大的前期含水量，土壤前期含水量与土壤抗蚀性呈负相关关系；赵晓光等[12]通过对黄土溅蚀土粒进行不同距离段的收集，表明击溅对一般土壤组成的分选不明显，但粗粒被溅移的量随着击溅动能增大而增加，分选性逐渐显露；程琴娟等[13]对14种不同粒径范围的黄绵土样品进行溅蚀试验，结果表明溅蚀量随粒径增大而增加，粒径在0.15 mm处达到最大值后，溅蚀量随着粒径的增大逐渐减少。扰动土试验的结论较原状土存在较大误差[14]，高学田等[15]的研究表明原状土的溅蚀量仅是扰动土溅蚀量的22%～30%。可见，目前学者们对于击溅侵蚀的研究多集中于黄土区，而在花岗岩崩岗侵蚀地区进行的溅蚀研究较少，且相关研究取原状土进行模拟试验的研究亦较少。由于崩壁剖面从上到下依次分为红土层、砂土层、碎屑层，各土层在岩土特性、理化性质等方面存在较大差异，这直接导致各土层击溅侵蚀特征存在明显的差异。

因此，本文通过自制模拟雨滴发生器，对崩壁不同土层采集的原状土样进行雨滴击溅侵蚀试验，分析不同雨滴强度、不同溅蚀距离对崩壁3个土层溅蚀量的影响，并研究溅蚀土粒的颗粒组成特征。从中总结规律，为崩岗崩壁侵蚀机理的深入研究提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于福建省安溪县龙门镇洋坑村（24°57′N，118°03′E），该区属于南亚热带气候区，年平均气温16～22℃，年平均降水量1 600～2 000 mm，研究区的土壤为酸性花岗岩，以中—粗粒似斑状结构为主，矿物成分主要有长石、石英、云母等[16]。

1.2 土样采集

本研究于2015年8—9月期间进行土壤采样，在预先选定的研究区内，分红土层、砂土层和碎屑层3个土层将试验土盘（直径10 cm，高3 cm）垂直打入表层，进行原状取样，其中，每层取48个原状土样，本研究共采集144个原状土样。此外，每个土层测定土壤容重、孔隙度等指标。同时，还在每层取样并测定所取土样点的理化性质，见表1。

表1 各土层土壤理化性质

1.3 试验方法

试验选用自制雨滴发生装置（直径20 cm，高15 cm的圆柱形密封容器）模拟降雨，设定4种针头雨滴直径分别为：2.7，3.3，3.8，4.3 mm。本试验的溅蚀盘在Morgan溅蚀盘[17]和周一杨[18]试验采用的溅蚀盘的基础上进行改进，其中，装土盘直径改为10 cm，收集盘增加一个5 cm的收集范围。试验装置采用精密蠕动泵进行调节、控制供水，并利用雨滴谱仪（OTT Parsivel2）多次重复率定雨滴直径和雨滴强度。试验雨滴降落高度为12 m。最终测定4种针头的雨滴直径从小到大依次为：（2.7±0.2）mm，（3.3±0.2）mm，（3.8±0.2）mm，（4.3±0.2）mm，4种雨滴直径对应的雨滴强度分别为：43，62，105，136 mm/h。

试验设计每次模拟雨滴溅蚀试验历时均为20 min，试验结束后，用铝盒分层收集溅蚀盘中的土粒，并用烘干法测量溅蚀泥沙重量。为了测定溅蚀土粒中砾石、砂粒、粉粒、黏粒的粒径分选规律，将称重后的样品分别过孔径为2，1，0.25 mm的土壤湿筛，尽量减少溅蚀土粒中水溶性团聚体的干扰。再将过筛后＜0.25 mm的土壤颗粒用激光粒度分布仪（BT—9300 ST）分析。

溅蚀试验结束后分别收集0～5，5～10，10～15，15～22，22～33，33～45 cm范围内的溅蚀土粒，烘干后称重计算溅蚀量（M）

式中：M为溅蚀量（g/cm2）；m为溅蚀土粒质量（g）；s为环的面积（cm2）。

1.4 数据处理

数据处理及统计分析采用SPSS 18.0软件进行，制图采用Excel 2007。

2 结果与分析

2.1 溅蚀土粒的距离分布特征

试验收集了距离装土盘0～45 cm范围的溅蚀颗粒，表2中崩壁3个土层的溅蚀量均随溅蚀距离的增加而减少，其中分布在0～5 cm范围内的溅蚀量最多，且显著多于其他距离的溅蚀量；33～45 cm范围的溅蚀量最少，只有0～5 cm范围的1/10。这主要由于雨滴打击地表，受到重力作用的溅蚀颗粒做抛物线运动，被溅散土粒的大小不同导致抛物线路径的差异，从而溅蚀土粒会产生距离分布上的差异。理论上，距离装土盘越近，土粒溅蚀需要的能量越小，溅蚀距离越远所需的能量也就越大，所以近距离分布的溅蚀土粒较多，远距离分布的溅蚀土粒较少。试验结果表明，溅蚀量随着溅蚀盘分布距离的增加而减小，溅蚀量与溅蚀距离呈负相关关系，这一研究结果与程金花等[19]的结论相吻合。

表2 崩壁3个土层在不同溅蚀距离的溅蚀量 g

由图1可知，崩壁3个土层土壤的溅蚀量均随着雨滴强度的增加而增加。其中，红土层溅蚀量受雨滴强度的变化率最大，碎屑层次之，砂土层最小。在小雨滴强度下，砂土层最易遭受溅蚀，而红土层的抗蚀性较强，这表明特定的土壤类型在一定的雨滴强度范围，小雨滴易于产生溅蚀，这一结论与秦越等[11]的研究结果相一致；雨滴强度不断增大，碎屑层含有的大量大颗粒原生矿物遭到侵蚀，溅蚀量加大；试验雨滴强度达到最大，红土层的团聚颗粒被溅散、崩解，遭到大量侵蚀，砂土层则由于大颗粒含量少，溅蚀量相对减少，碎屑层虽大颗粒含量较高，但其本身土体坚硬的特点致使这一阶段的溅蚀量相对减少。

对崩壁3个土层的溅蚀量与溅蚀距离进行回归分析，发现溅蚀量M与溅蚀距离r呈现M=ar-b幂函数关系，相关性较高（表3）。这与Van Dijk等[20]分析的二者呈现指数函数关系这一结论有些差异，主要由于本试验所选的崩壁土壤与其所研究土壤的质地存在很大差异：红土层的黏粒、有机质含量较高，土壤的团聚性好，抗雨滴击打的能力较强，但随着雨滴强度增加，红土层的团聚颗粒就会被大量溅散、崩解，遭到严重侵蚀；砂土层土体松散，粉粒含量较多，遇水易膨胀、崩解；碎屑层存在大量大颗粒的石英、长石等原生矿物，土体坚硬，随着雨滴强度增加，碎屑层的大颗粒原生矿物易遭到侵蚀。崩岗区崩壁土体质地的特殊性，使得溅蚀颗粒大范围地在近距离分布，并随着溅蚀距离的增加呈现先快速，后又缓慢减小的趋势。此外，不仅二者试验土体的性质有很大不同，试验采用的雨滴直径大小、降落高度等也都存在明显的差异，故而本试验的研究结果与其他作者的结论存在差异。

图1 不同雨滴强度下3个土层的溅蚀量随溅蚀距离分布

此外，本研究对雨滴强度和崩壁不同土层土壤对溅蚀量的影响进行方差分析。通过双因素方差分析可知，雨滴强度对溅蚀量的影响不显著，而不同土层土壤对溅蚀量的影响达显著水平，说明土壤特性对溅蚀量的影响大于雨滴强度（F雨强=19.35，F0.01=18.90；F土壤特性=1.95，F0.01=18.50）。

表3 溅蚀量与溅蚀距离的拟合函数

2.2 雨滴强度对溅蚀粒径的影响

通过对崩壁红土层、砂土层和碎屑层3个土层的溅蚀颗粒进行筛分，得到4种雨滴强度下的溅蚀颗粒的粒径组成情况（表4）。由表4和表1对比可知，在崩壁3个土层的原状土壤中，砾石和粉粒含量很高，溅蚀土粒中的含量却不多；相反，原状土壤中砂粒的含量不高，在溅蚀土粒中的含量却最多；红土层原状土壤中，黏粒含量虽高，在溅蚀土粒中的含量却很少。表4中，砂粒（0.05～2 mm）的溅蚀量最大；粉粒（0.002～0.05 mm）的溅蚀量次之；黏粒（＜0.002 mm）的溅蚀量最小；砾石（＞2 mm）溅蚀量次小。这一结论与程金花等[19]的研究结果有一定的差异，其研究认为溅蚀土粒中细砂粒（0.05～0.2 mm）百分比最大，占溅蚀量的39.3%；粗粉粒（0.02～0.05 mm）百分比次大；粗砂粒（0.2～2 mm）百分比最小。分析原因，两个研究所选用土壤的机械组成存在差异，程金花的试验土壤粉粒含量为54.7%，砂粒含量35.5%，黏粒含量为9.8%。这主要是其土壤与本研究崩壁碎屑层土壤的机械组成较为接近，但与红土层和砂土层土壤的机械组成有很大不同，故而试验结果会存在差异。

表4 崩壁3个土层不同粒级的溅蚀量及其质量百分比

对不同溅蚀距离下土壤各粒径的重量百分比进行分析，结果表明（表4）：在红土层中，砾石百分比随着雨滴强度的变化没有明显的规律，碎屑层中，砾石百分比随着雨滴强度的增加而增加，而在砂土层中，砾石百分比在较小雨滴强度下的值较高；在红土层中，砂粒百分比在较大雨滴强度下的值较低，在较小雨滴强度下的值相对较高，在碎屑层中，砂粒百分比随着雨滴强度的增加而增加，而在砂土层中，砂粒百分比在雨滴强度为105 mm/h时的值异常低；在红土层中，粉粒随着雨滴强度的增加而增加，在碎屑层中，粉粒随着雨滴强度的增加而减少，而在砂土层中，粉粒百分比值在雨滴强度为105 mm/h时的值异常高；在红土层中，黏粒随着雨滴强度的增加而增加，碎屑层中，黏粒百分比在较大雨滴强度下较低，在较小雨滴强度下相对较高，在砂土层中，黏粒百分比在雨滴强度为105 mm/h时的值最高。

因此，雨滴强度对红土层和砂土层溅蚀颗粒含量的影响规律比较稳定，砂土层的溅蚀颗粒含量对雨滴强度变化的反应相对比较敏感。这一研究中，碎屑层的结论与秦越等[11]的研究结果较为接近，但结果明显与红土层和砂土层不同，这可能是其试验土壤与本研究碎屑层土壤的机械组成较为接近，却与红土层和砂土层土壤的机械组成差异较大引起的。

2.3 溅蚀土粒的粒径分选特征

由图2可知，崩壁3个土层的4种不同粒径的溅蚀颗粒百分比，随溅蚀距离变化的规律明显。砾石在红土层、砂土层和碎屑层中均随着溅蚀距离的增加而呈急速下降的趋势，且砾石在碎屑层的溅蚀百分比值最高，在红土层的溅蚀百分比值最低，其中，3个土层溅蚀的砾石主要分布在0～5 cm的溅蚀距离内，在溅蚀距离大于22 cm的范围基本没有砾石的分布。砂粒在红土层、砂土层和碎屑层中随着溅蚀距离的变化相对比较复杂，4种雨滴强度下，砂土层中，砂粒在0～5 cm溅蚀距离的分布较为集中稳定，其中，在雨滴强度为105 mm/h、溅蚀距离在22～45 cm时，砂粒百分比值异常的低，而在红土层和碎屑层中，砂粒在0～10 cm溅蚀距离的分布较为集中稳定，但在红土层中较大雨滴强度下，砂粒在溅蚀距离为15，33，45 cm百分比值变化较大。从整体上看，砂粒在砂土层和碎屑层随着溅蚀距离的变化没有明显的规律性，在红土层随着溅蚀距离的增加砂粒百分含量呈现减小的趋势。粉粒在3个土层中随着溅蚀距离的变化也比较复杂，4种雨滴强度下，砂土层中，粉粒在0～5 cm溅蚀距离的分布较为集中稳定，其中，在雨滴强度为105 mm/h、溅蚀距离在22～45 cm时，粉粒百分比值异常高，而在红土层和碎屑层中，粉粒在0～10 cm溅蚀距离的分布较为集中稳定，但在红土层中较大雨滴强度下，粉粒在溅蚀距离为15，33，45 cm百分比值变化较大。粉粒和黏粒的百分含量在3个土层中随着溅蚀距离的增加，整体上呈现增加的趋势。其中，砂土层中，黏粒的百分含量在雨滴强度为105 mm/h时，随着溅蚀距离的增加最为显著。

总之，崩壁3个土层中，随着溅蚀距离的增加，砾石的百分含量急速减少，而粉粒和黏粒的百分含量有增加的趋势，其中，红土层中，砂粒的百分含量随着溅蚀距离的增加呈现下降的趋势。溅蚀土粒中，砾石最不易被溅移，砂粒也相对不易被溅移，粉粒和黏粒最易被溅移。

图2 不同雨滴强度、不同溅蚀距离内溅蚀颗粒的百分含量

3 结论

（1）崩壁3个土层的溅蚀土粒均主要分布在0～45 cm范围，集中在0～5 cm的溅蚀距离内，溅蚀量随溅蚀距离的增加而减少，溅蚀量M与溅蚀距离r呈现M=ar-b幂函数关系。溅蚀量随着雨滴强度的增加而增加，其中，红土层的溅蚀量随雨滴强度的变化率最大，碎屑层次之，砂土层最小。通过双因素方差分析可知，土壤特性对溅蚀量的影响大于雨滴强度。

（2）溅蚀土粒中砂粒（0.05～2 mm）所占百分比值最大。在崩壁3个土层的原状土壤中，砾石和粉粒含量很高，溅蚀土粒中的含量却不多；相反，原状土壤中砂粒的含量不高，在溅蚀土粒中的含量却最多；红土层原状土壤中，黏粒含量虽高，在溅蚀土粒中的含量却很少。由此可以推测出使溅蚀量达到最大的粒径范围。

（3）崩壁3个土层中，随着雨滴强度的变化，溅蚀颗粒变化规律比较复杂。其中，随着溅蚀距离的增加，砾石的百分含量急速减少，而粉粒和黏粒的百分含量有增加的趋势。因此，溅蚀土粒中，砾石最不易被溅移，粉粒和黏粒最易被溅移。

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Splash Erosion Characteristics of Different Soil Layers on the Collapsing Wall Under Simulated Raindrop

LIANG Shuangshuang，LIN Jinshi，HUANG Yanhe，JIANG Fangshi，
GE Hongli，WANG Qian，WANG Zhengqing，JIA Shen，CAO Tongtong（College of Resources and Environment，Fujian Agriculture and Forestry University，Fuzhou350002，China）

Collapsing wall is an important part of the collapsing hill erosion.In order to study splash erosion characteristics in different soil layers of collapsing wall，a raindrop generator was made to simulate different diameter raindrops，and we studied the splash amount and different characteristics of the soil particles in different soil layers of collapsing wall under the raindrop size and different raindrop intensities.The result shows that the soil particles of splash erosion present the concentrated distribution in the range of 0 to 5 cm，among which the red soil splash erosion with the rate change of rain intensity is the maximum，the second is the clastic，and the minimum is the sand layer.By two-factor variance analysis，the influence of soil characteristic on splash erosion amount is greater than the rain intensity.The mass percentage of particles with size of 0.05～2 mm was the most，while the mass percentage of particles with size less than 0.002 mm was the least，which can speculate the size range that makes splash amount reach the maximum.With the increase of splash erosion distance，soil particles with size more than 2 mm are the most difficult to be moved due to splash，while soil particles with size of 0.002～0.05 mm and with size less than 0.002 mm are the most vulnerable to be moved through splash.

splash erosion；raindrop intensity；splash distance；size distribution

S152;S153;S157.1

A

1005-3409（2017）01-0043-06

2016-01-06

2016-03-16

国家自然科学基金（41001169，41571272）；国家科技支撑计划项目（2014BAD15B0303）

梁双双（1988—），女，河北定州人，硕士研究生，研究方向为土壤侵蚀与治理。E-mail：317252227＠qq.com

林金石（1980—），男，福建武夷山人，博士，副教授，主要从事土壤侵蚀与治理研究。E-mail：linjs18＠163.com