东北黑土区横垄坡耕地的产流产沙过程

温云浩， 刘铁军, 马林芊， 王立新， 殷 哲， 武 鑫， 石 伟

(1.内蒙古大学 生态与环境学院, 内蒙古 呼和浩特 010021;2.水利部 牧区水利科学研究所, 内蒙古 呼和浩特 010020； 3.中国水利水电科学研究院， 北京 100020)

东北黑土区是中国重要的粮食产区和商品粮基地，对稳定粮食市场、保障国家粮食安全具有重要作用。因缺乏保护和无限开垦造成了严重的水土流失[1]。长缓坡下垄作方式引起的侵蚀已成为国内外共同关注的问题[2]。大量水土流失导致黑土层逐年变薄，保水保肥能力越来越弱，适宜耕作性也越来越差[3]。降雨及其形成的坡面水流是侵蚀发生发展的主要驱动力；加之坡长引起坡面水流能量的变化、分布以及影响水沙运移规律和侵蚀形态的演变过程，都是导致坡面侵蚀的重要因素之一[4]。国内学者[5]自20世纪50年代就开始研究坡长对坡面侵蚀产沙的影响，发现在降雨强度较小时，产沙量随坡长的增加而缓慢增加；随降雨强度增加，坡面产沙量随坡长明显增多。模拟降雨研究发现，当坡面以切沟侵蚀为主时，汇水坡长对坡面侵蚀产沙的作用最大[6]；也有研究指出产沙量虽然随坡长的增加而增加，但当坡长大于临界坡长时，坡面侵蚀产沙量随坡长的增加反而减少[7]。廖义善等[8]研究也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。李桂芳等[9]通过对5 m和10 m坡长模拟降雨试验发现，坡面径流主要受降雨强度、坡长以及降雨强度与坡长相互作用的影响，坡面侵蚀量主要受降雨强度、坡度和坡长三者的共同作用。齐星圆等[10]通过变坡长条件下工程堆积体平台模拟径流冲刷试验发现，坡长越长，细沟溯源侵蚀、沿程侵蚀和下切侵蚀越剧烈。长缓坡作为黑土区最主要的地形特征，汇水坡长引起的坡面加大对黑土区土壤侵蚀垂直分带的宽度和排列均有影响[11]。根据田间坡地径流小区观测结果与分析，黑土区土壤侵蚀率沿坡长呈交替分布，侵蚀带的分布与坡长和降雨的组合有关[12-13]。

坡长与产流产沙的研究取得的成果主要集中在黄土高原区，对垄作黑土地的研究较少，且东北黑土区对土壤侵蚀研究大多集中在30 m以内的短坡林地、草地、地埂等具有水保措施的黑土坡面上；室内模拟降雨试验和天然降雨观测试验较多，野外放水冲刷试验较少，尤其是针对东北黑土区超长坡、垄作条件下的坡面侵蚀过程的试验研究鲜见报道。为此，本研究选择东北黑土区横坡垄作坡耕地进行径流小区冲刷试验，通过模拟不同降雨强度下坡面径流量设置冲刷流量，研究汇水坡长对产流、产沙的相应，为黑土地垄作长缓坡减蚀预报模型提供科学支持。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

该研究区位于内蒙古扎兰屯市境内，属温带大陆性半温润气候区，年平均气温3.2 ℃，年降水量为450～550 mm，多年平均径流深100 mm。地处大兴安岭隆起和松嫩平原下沉的结合地带，地貌以低山丘陵为主，地形特点为西北高、东南低，海拔高度在250～272 m之间。土壤主要类型为黑土，其次为暗棕壤和草甸土，黑土面积占65.4%，主要分布于平缓坡地，绝大部分已开垦为农田；试验区地理位置123°07′72″E，48°01′40″N，土壤为黑土，黑土层平均厚度45 cm，表层0—20 cm土壤有机质含量为24.18 g/kg，土壤颗粒组成为黏粒(<2 μm)占20.3%、粉粒(2～50 μm)占76.4%和砂粒(50～2 000 μm)占3.3%，土壤pH值为6.39，田间持水量45.10%～50.02%。流域内土壤侵蚀主要类型以水力侵蚀为主，多年平均侵蚀模数2 520 t/(km2·a)。

1.2 试验方法

1.2.1 径流小区建设 径流小区建设在扎兰屯境内的大河湾农场黑土横坡垄作坡耕地上，建于2020年6月。分别设置10，30，50，70 m共4个坡长，宽3 m，坡度3.0°，铁板围埂，地下埋深30 cm，地上高度20 cm，小区下方建有集流池。小区内起横垄，垄宽66 cm，垄高20 cm(图1)，小区经历一个雨季后，试验于秋季9月上旬开展[14]。

图1 研究区径流小区布设情况

1.2.2 冲刷试验 冲刷试验于2020年9月8—28日进行。基于当地2016—2018年降雨数据分析3 a最大降雨强度大多集中在60 mm/h内，为使冲刷试验结果更接近天然降雨所致的侵蚀状况，本文根据不同雨强所可能产生的径流量，分别设计20，40和60 mm/h共3种强度的冲刷试验[15-16]，并根据雨强和不同坡长折算出单位坡面不同冲刷流量，即冲刷流量分别为0.34，0.67，1.00 L/min[14，17](表1)。试验前多次利用量筒稳定流量，当流量大小和均匀度均达到要求时开始放水冲刷试验[18]。水箱放水开始后，稳流槽水流流出后开始计时。当集流池收集到径流时，即为产流起始时间。产流前3 min内间隔1 min测量径流量体积并收集径流泥沙样品1个，3 min后间隔3 min测量径流样体积并收集泥沙样品，收集3个样品后间隔5 min以上述相同方式再收集3个径流样。整个样品采集过程持续27 min，收集径流样9个(1，3，5 min间隔各3个)，采集结束后上方停止放水。采集样品带回实验室烘干、称重测定泥沙重。冲刷过程采用高锰酸钾染色法进行坡面水流流速监测。

表1 模拟冲刷试验的条件设计

2 结果与分析

2.1 产流过程

产流起始时间是坡面综合阻控侵蚀效果的反映，不同的坡长坡面产流起始时间具有差异性，不同冲刷流量对产流起始时间也有较大的影响。4种坡长产流起始时间均表现为：70 m>50 m>30 m>10 m(图2)，坡长延长坡面面积增大，相同冲刷流量下，径流越过垄台逐级储水，同时垂直入渗土壤中的水量也增加，产流起始时间延迟。随冲刷流量增加，产流起始时间缩短，除坡面冲刷流量增大外，坡面水流动力增强，坡面极易形成固定水流路径，加速径流下行。

图2 模拟冲刷试验的径流率变化过程

产流过程是垄作坡面土壤侵蚀规律变化的间接反映，不同冲刷流量和坡长条件下产流过程差异明显。相同坡长，冲刷流量越大，坡面径流率越高；径流率变异性随坡面延长逐渐增大，随冲刷流量的改变各坡长径流率起伏规律也有不同。冲刷流量在0.34 L/min情况下，30，50和70 m坡长径流率随时间呈增强—减弱—平稳规律，其中30 m坡长波动性较明显。10 m坡长上径流率以平稳—递增趋势为主；冲刷流量变为0.67 L/min时，10，30和50 m径流率均呈现递增—递减—平稳趋势，此时70 m坡长径流率变异性明显；而冲刷流量増至1.00 L/min后，4种坡长径流率均有先增强、后减弱、最后趋于平稳规律。由此可见，坡长与冲刷流量的变化均会影响产流过程。其原因是垄作改变坡面微地貌，冲刷水流自上而下流动过程中，水流需填满上一垄沟方可向下流动，期间必然会引起垄台失稳倒塌(图3)，此时蓄积在垄沟的水流快速流出，致使坡面水流增大，因此在起始阶段径流率逐渐增加，待上方垄沟内水流渐少，径流率开始减弱，并逐渐趋于稳定。其次由于冲刷流量的增大，致使坡面垄台倒塌的时间提前以及形成浅沟宽度和深度都扩大，所以冲刷流量增大，径流率升高。

试验观察发现，当坡面垄台产生细小跌坎(图3)，在水流冲刷下，开始发生溯源侵蚀，并在小区中部逐渐形成贯通坡面且平行于水流方向的细沟。伴随细沟继续发育，导致沟壁失稳坍塌，水流又接触新土壤继续入渗延缓水流下行。上述过程是引起径流率波动的主要原因。对于同坡长小区由于冲刷流量的不同，导致细沟发育速度、竖直侵蚀力不同，径流率也随之变化。

图3 模拟冲刷试验坡面冲刷细沟侵蚀

2.2 产沙过程

坡面水流自上而下流动过程中，对土壤产生剪切冲刷力，造成水土流失。冲刷水流强弱作为侵蚀产沙主要的驱动力，对侵蚀过程有着非常重要的影响[16]。通过分析含沙量随时间的变化规律，有助于进一步了解不同坡长条件下黑土坡耕地的土壤侵蚀过程。不同试验条件下坡耕地径流含沙量的变化情况如图4所示。

由图4总体来看，不论坡长及冲刷流量如何变化，含沙量均随着径流时间的延长逐渐减少，即径流开始发生时含沙量较高，主要是因为地表松散泥沙易被冲蚀并随径流向坡下运移。含沙量逐渐降低主要因为地表可冲刷泥沙逐渐减少，其次因坡面水流逐渐稳定，对地表形成保护膜，冲刷水流难以继续剥蚀。10，50，70 m坡长径流小区的含沙量基本在产流3 min后减小逐渐趋于稳定，但是30 m坡长径流小区有所不同，冲刷流量为1.00 L/min条件下初始含沙量最高，17 min后减小逐渐趋于稳定，可见30 m坡长小区在大流量冲刷情况下发生的侵蚀最为严重。说明坡长对产沙过程存在一定程度的影响，主要原因是随着坡长的增加，泥沙会产生沉积—运移—在沉积的反复过程，此过程必然会引起含沙量的波动。

图4 模拟冲刷试验含沙量随时间的变化过程

2.3 产流、产沙总量

径流量是指在一场冲刷试验里坡面累积产流总量(图5)。由图5可知，相同坡长中累积产流量均随冲刷流量增大而增加。在坡长为50和70 m情况下，0.34 L/min冲刷流量的累积产流量较0.67和1.00 L/min的累积产流量低很多，可能是由于冲刷水流小，坡面水流弱，加之坡长延长与起垄耕作增加水流的入渗量的缘故。冲刷流量为0.34 L/min时，30 m坡长累积产流量最大，但冲刷流量控制在0.67和1.00 L/min状况下，累积产流量均随坡长增加而增加。50和70 m长坡中，当冲刷流量增大后，垄作坡面水流动力增强，极易使垄台倒塌，快速形成新水流路径，相同时段收集径流量增大。小冲刷流量试验下却在30 m坡长出现最大径流量，主要是与其他垄作坡长相比，30 m垄作坡面即保证了水流发挥动能的长度，快速导致垄台失稳、崩塌形成坡面径流通路，此时收集的径流总量最大，当坡长继续延长反而削弱了水流动能，因此相同试验条件下，坡长增加后累积径流量反而减少。

泥沙量是表征坡面土壤流失轻重的最直观数值，不同冲刷流量与不同坡长累积产沙量变化如(图5)所示。相同坡长，冲刷流量越大侵蚀越严重，说明冲刷水流强弱是导致土壤侵蚀的主控因素。冲刷流量相同情况下，坡长变化却引起了不同程度的侵蚀，30 m坡长小区累积产沙量最大即侵蚀强度最大。尤其冲刷流量为1.00 L/min情况下，30 m坡长小区的侵蚀量是10 m坡长的4.2倍。不同坡长累积产沙量有以下规律：0.34 L/min冲刷流量侵蚀量表现为：30 m>10 m>70 m>50 m；冲刷流量为0.67 L/min及1.00 L/min侵蚀量大小顺序为：30 m>50 m>70 m>10 m。本试验结果显示30 m坡长是横坡垄作坡耕地侵蚀强弱的临界坡长，其主要原因是坡面侵蚀过程中坡长足够长的话侵蚀泥沙会表现出侵蚀—沉积—侵蚀—再沉积的反复过程，这一过程中30 m的坡长恰好完成第一个侵蚀过程，此时收集的泥沙量最大。坡长继续增加会出现侵蚀之后的再沉积，反而使收集的泥沙总量减少，而同冲刷强度，短坡水流动力弱，难以对泥沙进行剥蚀运移。相同坡长条件下，10，50和70 m坡长泥沙量随冲刷流量增强而增加，但增幅差异较小，而30 m坡长泥沙量增幅较大，其主要原因是在30 m的坡面上水流能快速剥蚀泥沙，且用以泥沙的搬运，所以在冲刷流量增加后，产沙量增幅明显，其他坡长累积产沙量增幅小是因为小坡长坡面水流弱难以对泥沙进行剥蚀运移，大坡长坡面水流虽强，但泥沙伴随水流下行过程中在坡面的沉积现象较严重，因此增幅较低。

图5 不同冲刷流量下的产流和产沙量

2.4 浅沟侵蚀形态发育特征

长缓坡垄作坡面上进行放水冲刷试验，观察发现，小流量冲刷下，垄台上会形成密集的细沟，随着放水冲刷的持续，垄台上的细沟逐步发生下切侵蚀与溯源侵蚀，且细沟逐步清晰，在径流小区整个坡面上逐渐贯通为一条线。冲刷流量增大后，细沟迅速贯穿整个坡面，且沟道下切明显，形成较多跌坎，因此冲刷流量增大后，各垄作坡长侵蚀明显增加，在浅沟侵蚀情况下，坡面下方侵蚀量大于上方，坡长越长越明显。其原因是坡面上放来水势能转化为动能，增加了对下坡面浅沟的冲刷能力。

2.5 坡长、冲刷流量对产流产沙关系的影响

通过分析0.34，0.67，1.00 L/min这3个冲刷流量在10，30，50和70 m这4个坡长的坡面径流率和含沙量相关性(表2)，得出冲刷流量为0.34 L/min时，10，30，50和70 m这4种坡长的径流率和含沙量都在置信度为0.01的相关性水平上显著相关，即径流率和含沙量极强相关。70 m坡长，0.67 L/min冲刷流量，径流率和含沙量在置信度为0.01的相关性水平上显著相关，冲刷流量0.67 L/min和1.00 L/min在其他各坡面径流率和含沙量表现为弱相关或不相关。当冲刷流量较小时，坡面水流动力弱，产生细沟分支少，水流流路较稳定，径流携带的泥沙量随产流时间的增加波动性小。而当冲刷流量较大时，坡面水流动力强，坡面细沟分支多，水流走向较不稳定，且细沟下切严重，径流量和产沙量的变化波动性更强。坡长影响着水流的入渗和流动方式。较长坡的径流率和含沙量间的相关性相对短坡更强。因此在长坡垄作坡面上，要通过减缓坡长进行分级。

表2 不同坡长下径流率与含沙量的相关性分析

2.6 累积产流量与累积产沙量间的关系

分别拟合10，30，50，70 m坡长累积产流量与累积产沙量随坡长变化存在良好的线性关系(表3)，累积产沙量随累积流量的增加而增加，坡长越短，累积产沙量随产流量的增加明显，且线性关系越强。

表3 累积产沙量与累积产流量之间的关系

3 讨 论

坡长是作为黑土区重要的地形因素，加之垄作方式对天然坡面的改变，致使黑土区土壤侵蚀更具有复杂性。坡长所引起的坡面扩大增加水流的汇流面积，同时起垄耕作延长了水流与坡面的接触时间。伴随冲刷流量的改变，不同垄作坡长产流产沙过程均有不同规律。本研究表明，同坡长冲刷流量大产流量则大，放水冲刷开始水流要先蓄满垄沟，然后再向下流动，可见横垄耕作有较好的蓄水作用[19]，垄沟通过储蓄水流，延长坡面水流下行，从而增加入渗。坡长增加之后，由于坡面面积增大上方冲刷流量增加，导致径流率增加，这与魏霞等[20]的研究结果一致。Fu Suhua等[21]研究也发现径流率随坡长延长逐渐增加。但是郭军权等[22]通过恒定冲刷流量，探究不同坡长产流产沙规律中发现，随着坡长的增加，水流与土壤的接触面积增大，入渗量增加，如果冲刷流量恒定，坡长延长后径流率必然减少。可见模拟降雨冲刷试验与等流量冲刷试验的结果完全不同。垄作长缓坡产沙过程较为复杂。冲刷强弱是引起长缓坡水土流失的主要因素，相同坡长冲刷流量越大，坡面侵蚀越严重。而冲刷流量维持恒定时，最大侵蚀量均出现在30 m坡长，可见坡长对黑土区垄作坡面侵蚀产沙过程具有较大影响[23]，在一定坡长范围下坡耕地侵蚀—沉积交替出现。可以将30 m左右长度视为黑土坡耕地侵蚀产沙的临界坡长，此结果与汪骁勇和姚璟等在黄土区的研究[24-25]一致。虽然垄作可减缓土壤侵蚀[26]，且起垄耕作作为东北黑土区长缓坡现阶段主要耕作方式[27-28]，但仍建议在现有耕作方式基础上，每隔30～40 m内建设地埂或植物带，更有效减缓长坡引起的土壤侵蚀。

4 结 论

(1) 冲刷流量影响径流量。冲刷流量0.34 L/min情况下最大径流量出现在30 m坡长，0.67 L/min和1.00 L/min冲刷流量的径流量均随坡长增加而增加。冲刷流量越大径流率越高，各坡面径流率随冲刷历时呈先增加后减小最终趋于稳定。

(2) 土壤流失量受坡长影响，且存在阈值。10 m垄作短坡中侵蚀含沙量随冲刷历时的增加呈先增大后减小的趋势，且变化较剧烈。长坡(30，50，70 m)垄作耕地含沙量的变化相对平缓，呈递减趋势，且坡长越长递减速率越明显。在3种冲刷流量的试验中，侵蚀最严重均出现在30 m坡长，侵蚀强度变化规律如下：冲刷流量为0.34 L/min侵蚀量表现为：30 m>10 m>70 m>50 m；0.67 L/min和1.00 L/min冲刷侵蚀量顺序为:30 m>50 m>70 m>10 m。冲刷流量为1.00 L/min情况下，30 m坡长侵蚀量是10 m坡长的4.2倍。

(3) 径流系数与径流中泥沙含量存在显著相关关系。冲刷流量为0.34 L/min时，10，30，50，70 m这4种坡长的径流系数和径流中含沙量相关性显著，径流率和含沙量间的相关性表现为：长坡>短坡。累积产沙量随累积流量的增加而增加。坡长越短，累积产沙量随产流量的增加越明显，且线性关系越强。

本试验通过对黑土地垄作长缓坡进行径流小区冲刷试验得出一些研究结论，为垄作长缓坡土壤侵蚀的预测和水土保持措施的布置提供了科学依据，但由于本试验是在野外天然坡面进行模拟不同降雨强度的放水冲刷，与天然降雨以及农作物生长下的下垫面仍有不同，虽然试验期间天气变化不大，但依旧有一定的影响，据此本试验研究主要分析了过程的变化，下一步需深入开展驱动机制研究。