细沟侵蚀特征对黄土质地的响应

李奕炜

摘 要：采用室内人工模拟降雨试验，研究了黄土质地对细沟侵蚀产流产沙的影响。试验土样采用黄土高原由北到南四个不同地点的土壤（绥德县/SD、长武县/CW、安塞县/AS、杨凌县/YL）。试验设计条件为10m坡长、20°坡度和2mm min-1的降雨强度。结果表明：（1）产流时间的先后顺序为YL（1分24秒）、AS（1分40秒）、CW（2分18秒）、SD（2分39秒），与大面积结皮产生的时间密切相关。（2）稳定产流率随土壤黏粒含量增加和结皮发育而增加，导致YL稳定产流率和总产流量明显高于其他三种土壤。（3）受黄土黏粒含量、水稳性团聚体平均重量直径和有机质含量的影响，SD含沙量在细沟雏形阶段增长速度高于其他三种土质，细沟发育阶段含沙量和总产沙量最高。本研究可为黄土高原不同区域土壤侵蚀精准预报提供科学参考。

关键词：细沟侵蚀;黄土坡面;人工模拟降雨;产流产沙

中图分类号：S157.1 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）08-0217-03

0 引言

黃土高原区域总耕地面积达1.53亿亩，占全国总耕地面积8%[1]，对我国西北粮食供应具有重要影响。黄土高原也是我国主要水蚀区之一，严重的水土流失破坏耕地，加剧了地区经济发展与粮食需求的矛盾[2]。细沟侵蚀是黄土高原区坡耕地水力侵蚀的主要侵蚀方式[3]。研究细沟侵蚀特征对黄土质地的响应可为区域土壤侵蚀精准预报提供理论参考，对西北粮食安全和生态保护具有一定的理论意义。水流侵蚀力与坡面土壤抗蚀性是影响细沟发生的主要因素[3，4]。李鹏等人通过室内土槽放水冲刷试验指出径流输沙率与径流剪切力存在密切关系[5]。张科利和唐克丽[6]通过室内径流冲刷试验，分析出不同流量情况下土壤细沟中径流的侵蚀能力与细沟流量与坡面坡度相关[6]。郑粉莉和康绍忠设置径流小区试验，对比分析出不同地区土壤最大侵蚀产沙量源自细沟侵蚀带。[7]。土壤对细沟侵蚀的影响复杂，土壤性质决定了土壤可蚀性。虽然黄土坡面土壤侵蚀过程及其影响因素已有大量研究并取得了显著进展，但对于细沟侵蚀在不同土壤条件下产流产沙规律尚不清晰。本研究通过人工模拟降雨试验研究了细沟侵蚀产流产沙特征对黄土高原不同地区土壤性质的响应，可为黄土高原不同地区土壤侵蚀精准预报及耕地保护提供科学参考。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验采用长10m、宽1.5米、高0.5米的固定式可调坡钢制土槽，其坡度调节范围为0°～30°之间。试验中将土槽坡度设为20°坡度。采用下喷式降雨系统，降雨强度设定为2mmmin-1，降雨持续时间45min，总降雨量为90mm。降雨高度为18m，可保障人工模拟降雨与天然降雨的雨滴相似[8]。

1.2 试验方法

1.2.1 试验用土

试验用土采用黄土高原由北向南四个地区的不同土壤：（1）绥德县（37°31′N，110°16′E）土壤（SD）;（2）安塞县（36°58′N，109°20′E）土壤（AS）;（3）长武县（35°12′N，107°47′E）土壤（CW）;（4）杨凌县（34°16′N，108°4′E）土壤（YL）。所有土壤样品取自农田表层20厘米的土壤。四种土壤基本性质见表1，黏土含量由北向南呈上升趋势，由12.1%（SD）上升至26.3%（YL），砂粒含量由32.1% （SD）下降至6.9% （YL）。黄土高原南北四种土壤水稳性团聚体的平均重量直径（MWD）与黏土含量的增加趋势相似，从0.04mm（SD）增加到0.36mm（YL）。试验用土过10mm筛除去杂草与石块，晒干使土壤平均含水率在12%。土槽底部5cm铺细砂，采用纱布将细砂和土壤分离，将土壤分5层装填土槽之中，每层土壤厚度为5cm，并确保每层土壤容重为1.13gcm-3。

1.2.2 含沙量与径流量测定

观测产流状况，记录产流时间，开始产流后采集径流泥沙样品，采样频率为1次每min。用1L取样瓶采集土槽出水口径流泥沙样。计算径流样体积，加上采用自制大量桶测量的径流量体积，即为总径流量。采用烘干法测定泥沙样品含沙量。

1.2.3 产沙量计算

2 结果与分析

2.1 黄土质地对细沟发育特征的影响

在20°坡度、2mm min-1的雨强条件下，四种土壤均发育出了不同形态的细沟。跌坑产生时间分别为SD 8分30秒、CW 5分、YL 5分、AS 10分。细沟产生时间分别为SD 11分、CW 6分、YL 10分、AS 15分。

2.2 黄土质地对细沟侵蚀产流特征的影响

2.2.1 黄土质地对产流时间的影响

由试验数据可知产流时间的先后顺序为YL（1分24秒）、AS（1分40秒）、CW（2分18秒）、SD（2分39秒）。已有研究表明结皮形成会导致产流提前，黄土结皮的存在可明显减少入渗，增加径流[9]，因此结皮时间越早，越容易产流。由试验观察发现各种土壤发生大面积结皮的时间分别为YL 50秒、AS 1分10秒、CW 1分50秒、SD 2分16秒。由此发现，大面积结皮出现时间与产流时间有密切关系。如图1所示，两者呈线性正相关关系，相关系数（R2）可达0.999。

2.2.2 细沟侵蚀中黄土质地对产流率的影响

从图2可以看出，YL在第3分钟径流稳定，SD、CW在11分产流保持稳定，而AS产流率则持续保持上升趋势，直到21分产流开始保持稳定。YL稳定产流率明显高于其他三种土壤。已有研究表明[10]结皮土壤渗透性明显小于下层未结皮的土壤，当结皮形成时，结皮的低渗透性降低了土壤入渗速率。土壤表面结皮形成时，通过减小表面物质尺寸，重排颗粒，使土壤表面附近气孔受土壤单粒填充进而阻止水分入渗[10]。表面无结皮的土壤在降水过程中不易形成径流和侵蚀，入渗率较存在结皮的土壤高[10]。因此，结皮的低渗透性造成表面存在结皮的土壤径流率增加而入渗率降低。

此外，李卓等[11]研究表明，坡面土壤入渗能力随黏土含量增加而减小。陈俊杰等[12]研究指出黏粒含量增加时，稳定入渗速率降低，稳定入渗与黏粒含量呈指数负相关关系。本研究中YL黏粒含量最高，分别是CW、AS、SD的1.24倍、1.68倍、2.17倍，且结皮发育程度高。以上两种原因导致YL稳定入渗速率低，稳定产流率和产流量最高，可以达到1319.9L。细沟发育会破坏表土结皮，增加入渗[13]。表土结皮过程和细沟发育相互作用，从而影响产流率变化，当两者达到平衡时，产流率趋于稳定[13]。细沟产生时间分别为SD 11分，CW 6分，YL 10分，AS 15分，对比图2可看出，四种土壤产生细沟前后，YL和CW产流率无明显变化，SD、AS在细沟发育一定程度时产流率才达到稳定。

2.3 黄土质地对细沟侵蚀产沙特征的影响

2.3.1 黄土质地对细沟侵蚀中含沙量的影响

已有研究[14]表明，细沟发育的过程分为四个阶段：（1）面蚀阶段;（2）细沟雏形阶段;（3）细沟发育阶段;（4）细沟调整阶段。试验开始阶段，各土壤径流中含沙量快速下降，这是由于试验模拟自然环境时在表层覆盖少量浮土，随径流流入汇水口。在细沟雏形阶段，径流含沙量呈现增长趋势。在细沟发育阶段，坡面含沙量会保持在一定水平呈稳定状态。在细沟调整阶段，含沙量呈下降趋势。本试验中，四种土壤含沙量变化趋势与前人研究基本一致（图3）。四种土壤含沙量变化与细沟发育阶段密切相关。值得注意的是SD含沙量在8～10分钟之间经历了一段快速增长的阶段，并在12分钟到试验结束期间呈现较其他三种土壤更高的含沙量水平。

细沟雏形阶段，CW、AS、YL都呈现缓慢增长趋势，而SD呈现快速增长趋势。土壤分离能力与土壤性质关系密切，将会随着土壤有机质含量、土壤黏结力以及水稳性团聚体的减小而升高[15]。与其他土壤相比，SD黏粒含量少，水稳性团聚体平均重量直径小，有机质含量低，所以土壤分离能力强。根据实验记录，可以发现SD细沟发育过程中跌坎和细沟体积变化迅速，导致含沙量迅速增加，细沟发育阶段稳定含沙量高于其他三种土壤。

2.3.2 黄土质地对细沟侵蚀中产沙量的影响

通过公式（1）计算每分钟产沙率。产沙率的变化由含沙量和产流率决定。产流率在细沟发育过程中基本稳定，四种土壤产沙率变化与含沙量变化呈现相同的趋势（图4）。利用公式（1）和四种土壤含沙量及径流量数据，分别计算出四种土壤总产沙量。计算结果表明SD产沙量最大，达到357.67kg，CW次之（266.55kg），YL、AS产沙量大致相等，分别是199.00kg与200.88kg。

3 结语

（1）相同试验条件下，黄土坡面大面积结皮出现时间与径流产生时间呈线性正相关。

（2）黄土黏粒含量和结皮发育程度与细沟发育过程中产流率和产流量关系密切。黄土高原南部土壤（YL）黏粒含量最大，易于形成结皮，稳定产流率和总产流量明显高于其他三种土壤。

（3）细沟发育对产沙量的影响高于对产流量的影响。产沙率和含沙量随细沟发育过程的变化规律基本一致。

（4）黄土高原北部土壤（SD）黏粒含量少，水稳性团聚体平均重量直径小，有机质含量低，导致土壤分离能力强，稳定产沙率和总产沙量明显高于其他三种土壤。

参考文献

[1] 中华人民共和国农业农村部.关于全国耕地质量等级情况的公报[Z].

[2] 王晔立，何启明，王小鹏，等.黄土高原水土流失的因素分析[J].安徽农学通报，2014， 20，（20）：25-26+31.

[3] 王贵平.细沟侵蚀研究综述[J].中国水土保持.1998，（08）：24-26+47.

[4] Kimaro D N，Poesen J，Msanya B M.Magnitude of soil erosion  on  the  northern  slope  of  the  Uluguru  Mountains，Tanzania：Interrill and rill erosion[J].Catena，2008，75（1）：38-44.

[5] 李鹏，李占斌，郑良勇.黄土陡坡径流侵蚀产沙特性室内试验研究[J].农业工程学报，2005，（07）：42-45.

[6] 张科利，唐克丽.黄土坡面细沟侵蚀能力的水动力学试验研究[J].土壤学报，2000，（01）：9-15.

[7] 郑粉莉，康绍忠.黄土坡面不同侵蚀带侵蚀产沙关系及其机理[J].地理学报，1998，（05）：40-46.

[8] 张光辉，刘宝元，李平康.槽式人工模拟降雨机的工作原理与特性[J].水土保持通报，2007，27（06）：56-60.

[9] 卜崇峰，蔡强国，张兴昌，等.黄土结皮的发育机理与侵蚀效应研究[J].土壤学报，2009， 46（01）：16-23.

[10] 程琴娟，蔡强国，李家永.表土结皮发育过程及其侵蚀响应研究进展[J].地理科学进展，2005（04）：114-122.

[11] 李卓，吴普特，冯浩，等.不同粘粒含量土壤水分入渗能力模擬试验研究[J].干旱地区农业研究，2009，27（03）：71-77.

[12] 陈俊杰，孙莉英，蔡崇法，等.不同土壤坡面细沟侵蚀差异与其影响因素[J].土壤学报，2013，50（02）：281-288.

[13] Fang H Y， Sun L Y， Tang Z H. The development of soil crust and rill， as well as their dynamic evolution， directly determines the dynamics of runoff and sediment concentration with rainfall duration.[J].Hydrological Processes，2015，（29）：2649-2658.

[14] 刘俊体，孙莉英，张学培，等.黄土坡面细沟发育过程及侵蚀产沙特征研究[J].水土保持通报，2013，33（03）：18-23.

[15] 朱乐红，唐科明，李豪，等.土壤理化性质对土壤侵蚀影响研究综述[J].现代农业科技，2018，（14）：189-191+197.