黄土高原水蚀风蚀交错带迎风坡水蚀影响的风蚀特征

殷敏峰，邸明婷，邓鑫欣，王涵宇，尹子鸣，童博雅，张加琼,3†

(1.西北农林科技大学水土保持研究所, 黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室, 712100, 陕西杨凌；2.西北农林科技大学资源与环境学院, 712100, 陕西杨凌；3.中国科学院 水利部 水土保持研究所, 712100, 陕西杨凌)

黄土高原水蚀风蚀交错带生态环境极其脆弱[1]。由于风蚀和水蚀的共同影响，其土壤侵蚀潜能要高于风蚀为主的干旱区和水蚀为主的湿润区[2]。20世纪50年代以来，水土流失治理工程及退耕还林(草)工程大规模开展，黄河年均输沙量从约16亿t锐减到约3亿t[3]，但水蚀风蚀交错带仍是黄土高原最大侵蚀模数和最高含沙量的地区[4]，也是黄河下游河床泥沙的重要来源地[1]。该区域内土壤侵蚀全年发生，夏秋季(5—10月)以水蚀为主，冬春季(11月—翌年4月)以风蚀为主，其典型特征是2种侵蚀过程的时间交替和空间叠加，增大侵蚀强度[5-7]。风水交错侵蚀过程中，风蚀(水蚀)通过对地表的作用改变下垫面条件(微地貌形态、结皮等)，从而导致水蚀(风蚀)对地表的再作用效果被放大或抑制[8-9]。水蚀和风蚀的这种交错侵蚀特征使风水交错侵蚀的侵蚀强度比单纯的风蚀或水蚀更严重，且这种侵蚀过程和机制比以水蚀或风蚀为主的区域更加复杂[10-11]，治理工作难度更大；因此，加强对黄土高原水蚀风蚀交错带的交错侵蚀研究，既有益于制定科学的水土保持措施，也对黄河泥沙治理具有重要意义。

前人对风水交错侵蚀的时空分布[12-13]、侵蚀过程[10]、侵蚀能量特征[6]、风蚀和水蚀的相互作用[7,14-18]等开展大量研究，并取得许多重要成果。由于风蚀和水蚀在发生和影响范围、侵蚀物质运输的方向与维度、风力和水力的搬运能力、侵蚀事件的时空尺度等方面均存在巨大差异[2]，以往对风水交错侵蚀的研究更多的是强调2种侵蚀过程的相互促进效应。然而，风蚀与水蚀因交错顺序、发生坡面等的差异既可以相互促进，也可以相互抑制[9,14]。在风蚀与水蚀的交错顺序上，前人研究更关注先风蚀后水蚀的交错侵蚀研究，而对于先水蚀后风蚀的交错侵蚀研究较薄弱。先风蚀后水蚀的交错侵蚀：风蚀改变坡面土壤的物理性质，缩短产流时间，加速水蚀，促进水蚀形态的发展[16]，风蚀导致后期水蚀泥沙的细颗粒较仅水蚀增多而粗颗粒减少[15]，且风蚀造成坡面水分入渗率降低、进而使侵蚀速率增加，风蚀与水蚀之间表现出明显的正交互效应[10]。先水蚀后风蚀的交错侵蚀：水蚀后坡面风蚀速率较未受水蚀影响时明显减小；且相同坡度、随降雨强度增加，水蚀对风蚀的抑制作用呈减弱趋势[18-19]。此外，水蚀后形成细沟的形态与分布特性均对后期风蚀有影响[17-18]。但上述试验均在风向与径流方向相同的条件下开展。可见，前人的研究虽然关注风蚀与水蚀侵蚀时的交错顺序，却少有研究考虑不同坡向的影响。径流方向与风向相同的情况大多存在于背风坡，而对风蚀与水蚀交错更为典型的迎风坡面，径流方向与风向往往是相反的。对先水蚀后风蚀的交错侵蚀研究，特别是在风向与径流方向相反(风水反向)条件下的研究还十分缺乏，前期水蚀对后期风蚀的影响不明，不利于交错侵蚀过程及其风力和水力侵蚀相互关系的深入研究。

鉴此，本试验以黄土高原水蚀风蚀交错带代表性的砂黄土迎风坡面为研究对象，采用人工模拟降雨与风洞试验相结合的方法，在风水反向的条件下，探究砂黄土坡面在前期水蚀影响后的风蚀量变化及前期水蚀因子(降雨强度和坡度)对风蚀速率的影响，辨析风蚀在水- 风侵蚀总量中的比例变化，为深入开展风水交错侵蚀过程及机理研究提供理论支撑。

1 材料与方法

1.1 试验土壤

试验土壤采自黄土高原水蚀风蚀交错带内神木县六道沟流域(E 110°21′～110°23′，N 38°46′～38°51′)的砂黄土。采用吸管法进行土壤颗粒粒径测定，并采用美国农业部土壤质地分级制对试验土壤进行颗粒分级，其砂粒、粉粒和黏粒质量分数分别为53.0%、42.1%和4.9%，平均粒径34.8 μm，分选系数1.84Φ。供试土壤采回后，过1 cm筛去除土壤中的草根砾石等杂物后自然风干，土壤质量含水量约1.50%。填土前先在土槽底层用孔径较小的透水纱布覆盖，再均匀铺设1 cm细沙，保证土壤水分自由下渗，剩余9 cm分3层(每层3 cm)填装，土壤密度控制为1.35 g/cm3。每层填装结束后对表层土壤进行粗糙处理，以消除相邻2层土壤之间的分层。

1.2 试验设备

本试验在黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室人工模拟降雨大厅及风洞实验室完成。降雨试验采用侧喷式降雨装置，降雨高度为16 m，降雨强度在40～260 mm/h之间连续可调，降雨均匀度>80%，最大持续降雨时间为12 h，降雨前进行降雨强度率定，达到设计降雨强度(±3 mm/h)。风洞设备为风速在2～15 m/s范围内连续可调的直流吹气式风洞(尺寸：24 m×1 m×1.2 m)，由风机段、调风段、整流段、试验段、集沙段和导流段6部分组成(图1)，吹风前进行风速率定，达到设计风速(±0.2 m/s)。

图1 风洞结构示意图Fig.1 Structure of the wind tunnel

试验所用土槽为自制移动式可变坡的风蚀、水蚀2用型钢槽(尺寸：1.2 m×1.0 m×0.1 m)，槽身与集流口可分离，试验土槽后端和左右2侧各装有5 cm可折叠铁皮用合页连接，以同时满足风洞试验和模拟降雨试验的需求。开展模拟降雨试验时，将铁皮折叠向上，以防止土粒飞溅和试验时地表径流溢出槽体，同时将集流口与槽身连接，以收集降雨径流泥沙，试验土槽底部装有坡度调节架，坡度在0～30°间连续可调；而进行风洞试验时，将铁皮折叠向下并取下集流口，以保证试验土槽表面与风洞底板齐平。土槽底部以5 cm为间距均匀打上直径5 mm的小孔，使多余水排出，以免在土槽内产生积水。

1.3 试验设计

为模拟自然条件下水蚀风蚀交错带从夏秋季节(雨季)过渡到冬春季节(风季)时期(先水蚀后风蚀)迎风坡面(风水反向)的交错侵蚀过程，试验先进行模拟降雨，然后将降雨时土槽的下坡作为吹风试验的坡头进行吹风，以实现坡面径流方向与风力作用方向相反的条件。人工模拟降雨试验降雨强度分别为60和90 mm/h；土槽坡度分别设置为5°、10°和15°。降雨过程中使用径流桶收集泥沙，以获取各降雨条件下的泥沙量。然后将降雨后的土槽放置阴凉通风处自然风干，待达到初始土壤含水率(1.50±0.20)%后再进行吹风试验。吹风风速分别为9、12和15 m/s，各风速下分别持续吹蚀15 min。 风洞试验前后使用量程200 kg、精度1.0 g的地秤(双杰测试仪器厂，TC200KB型电子天平)称量土槽的总量，计算风蚀量。同时以只进行吹风不进行降雨的试验作为对照，以上各处理均需填装新土。每次试验重复2次，若2次试验结果有明显差异，则补充第3次试验，共计42次试验。

2 结果与分析

2.1 前期水蚀对后期风蚀的影响

水蚀后风蚀的坡面风蚀量与仅风蚀的风蚀量随风速的增加呈现相同的变化趋势，但水蚀后风蚀的坡面风蚀量远小于仅风蚀量，前期水蚀对后期风蚀产生极显著(P<0.01)的抑制作用。具体地，9、12和15 m/s风速下仅风蚀坡面的风蚀量分别是水蚀后坡面风蚀量的10.1～18.0、11.4～29.0和16.0～39.6倍(图2)，在前期降雨强度为60 mm/h、坡度为5°，后期风蚀的风速为15 m/s的条件时，前期水蚀对后期风蚀的抑制作用达到最强。从风蚀速率上看，9、12和15 m/s风速下，仅风蚀的风蚀速率分别为158.9、677.8和1 933.5 g/(m2·min)，受水蚀影响的风蚀速率在上述风速下较仅风蚀分别减小(144.3±0.8)、(639.4±14.5)和(1 852.5±29.3)g/(m2·min)，减小幅度平均达到90.8%、94.3%和95.8%；且当前期降雨条件相同时，水蚀对后期风蚀的抑制作用随风速的增加呈现逐渐增强的趋势(表1)。

图2 前期不同降雨强度和坡度条件降雨后风蚀的风蚀量Fig.2 Amount of wind erosion after rainfall under different rainfall intensity and slope conditions

表1 前期水蚀对风蚀的抑制程度

2.2 前期水蚀影响下的风蚀特征

前期水蚀对后期风蚀的影响随前期降雨的降雨强度和坡度变化而变化。坡度相同条件下，前期降雨强度越大则后期风蚀速率也大，表明前期水蚀对后期风蚀的抑制作用在大降雨强度下弱、小降雨强度下强。随前期降雨强度变化，前期水蚀的降雨强度对后期风蚀速率的影响表现出随后期风蚀的风速增大而逐渐明显的特征(图3)。当降雨强度从60增大到90 mm/h时，9 m/s风速下风蚀速率的变化不明显；12和15 m/s风速下风蚀速率均呈显著增加(P<0.05)，5°、10°和15°坡度下降雨强度从60增大到90 mm/h，风蚀速率分别增加90.2%、89.7%、100.3%和93.4%、93.3%和86.0%。

降雨强度相同条件下，后期风蚀速率随坡度增加的变化趋势因风速不同而变化(图3)。当前期降雨坡度由5°依次增大到10°和15°时，9 m/s风速下风蚀速率的差异不明显；12 m/s风速下风蚀速率先减小后增加，60和90 mm/h降雨强度下坡度由5°增至10°时分别减小8.6%和8.8%、由10°增至15°时分别增加26.5%和33.6%；15 m/s风速下风蚀速率随前期降雨坡度增加而递增，60和90 mm/h降雨强度下坡度由5°增至10°时分别增加9.8%和9.7%、由10°增至15°分别增加21.1%和16.5%。可见，前期降雨强度相同条件下，前期水蚀的坡度由10°增至15°时，后期风蚀速率的变化幅度较由5°增至10°时更明显。

图中同一风速下不同字母表示差异性显著(P<0.05)。Different letters in the same wind velocity indicate significant differences (P<0.05). 图3 前期水蚀后的风蚀速率特征Fig.3 Characteristics of wind erosion rates after earlier water erosion

2.3 风蚀在水- 风侵蚀总量中的比例变化

水力和风力对同一侵蚀对象(区域)的交错作用并非单一水蚀和单一风蚀作用的简单叠加，而是存在一定的交互效应[10]。因此，风蚀在水- 风侵蚀总量中的比例也有别于风蚀在仅水蚀与仅风蚀侵蚀总量中的比例。在前期不同降雨条件下，风蚀在水- 风侵蚀总量中的比例均低于风蚀在仅水蚀与仅风蚀侵蚀总量中的比例(即：水蚀后风蚀量/水- 风侵蚀总量<仅风蚀量/(仅水蚀量+仅风蚀量))(图4)，9、12和15 m/s风速下风蚀在水- 风侵蚀总量中的比例较风蚀在仅水蚀与仅风蚀侵蚀总量中的比例分别减少6%～52%、22%～65%和18%～68%，平均减小达到32.0%、44.5%和46.7%。

图4 风蚀在水- 风侵蚀总量中的比例Fig.4 Proportion of wind erosion in the wind-water erosion

前期降雨坡度相同时，风蚀在水- 风侵蚀总量中的比例均表现为小雨强下较大而大雨强下较小的特征(图5)。当降雨强度从60增大到90 mm/h，9、12和15 m/s风速下风蚀在水- 风侵蚀总量中的比例均显著减小(P<0.05)，5°、10°和15°坡度下风蚀在水- 风侵蚀总量中的比例分别平均减少31.3%、23.3%和8.3%。可见，当降雨强度从60增加到90 mm/h时，风蚀在水- 风侵蚀总量中比例的减小速率在小坡度下更快。

前期降雨强度相同时，风蚀在水- 风侵蚀总量中的比例随降雨坡度的增加显著减小(P<0.05)。前期降雨坡度由5°依次增大到10°和15°时，9、12和15 m/s 风速下风蚀在水- 风侵蚀总量中的比例依次减小，且在小雨强下风蚀在水- 风侵蚀总量中的比例的递减幅度较大雨强下更加明显(图5)。坡度从5°增至10°继而至15°时，60和90 mm/h降雨强度下风蚀在水- 风侵蚀总量中的比例分别减少53%～61%和16%～51%。此外还值得注意的是，当坡度从5°增大到10°，风蚀在水- 风侵蚀总量中比例的减小速率显著高于坡度从10°增大到15°(P<0.05)。具体地，坡度从5°增至10°，继而增至15°风蚀在水- 风侵蚀总量中的比例分别平均减小36.3%和9.8%。

图5 风蚀在水- 风侵蚀总量中的比例随降雨强度和坡度的变化趋势Fig.5 Proportion of wind erosion in the wind-water erosion varies with rainfall intensity and slope

3 讨论

黄土高原水蚀风蚀交错带冬春季多大风沙尘，土壤侵蚀以风蚀为主；夏秋季多暴雨，土壤侵蚀以水蚀为主，季节交替的同时出现侵蚀营力的交替，进而出现水蚀与风蚀不同顺序的交错侵蚀[9]。风力与水力交错顺序的变化导致风蚀与水蚀既可能相互促进也可能相互抑制。前人研究发现先风蚀后水蚀的交错侵蚀中，风蚀往往会促进后期水蚀。而在先水蚀后风蚀的交错侵蚀中，无论径流方向与风向相反还是相同，水蚀对后期风蚀均为显著的抑制作用[18-19]。可见，侵蚀营力的顺序对交错侵蚀中风蚀和水蚀的相互作用至关重要。其原因主要来源于地表形态变化和结皮形成2方面。首先，经过水蚀作用的坡面在雨滴击溅和径流冲刷后，土壤表层大颗粒破碎为小颗粒[15]，地表粗糙度减小；其次，水蚀后残留在土壤中的水分会使土壤颗粒之间产生拉张力[20]，增强颗粒之间的团聚作用[9]，且含有水分的土壤表层阴干后易形成了一层致密的物理结皮，从而使土壤颗粒在风动力作用下脱离地表进入气流形成风沙流的难度增大，提高了临界起动风速，改变了土壤颗粒脱离地表的临界摩擦速度以及风蚀量[21]。前人研究显示，结皮能增加土壤抗剪强度[22](图6)，也大大提高临界起动风速(高达250%)[23]，且能够截获已被搬运的可蚀性颗粒[24]，对风蚀有明显的抑制作用。与仅风蚀的风蚀量相比，前期水蚀影响下，随后发生风蚀的风蚀量显著降低，可见前期水蚀对地表形态的改变及结皮的形成，在很大程度上抑制了后期的风蚀，这与前人的研究结果一致[18-19]。

试验土槽的试验条件为水蚀降雨强度为60 mm/h，坡度为5°，风洞试验风速为12 m/s。The experimental condition is at rainfall intensity of 60 mm/h with slope of 5° in rainfall simulation, and wind velocity of 12 m/s in wind tunnel experiment图6 水蚀后风蚀过程中的坡面形态Fig.6 Slope condition during water-wind erosion process

此外，本研究中风蚀在水- 风侵蚀总量中比例变化显示，前期水蚀影响下的风蚀在水- 风侵蚀总量中的比例始终要低于风蚀在仅水蚀与仅风蚀侵蚀总量中的比例也进一步证明前期水蚀对后期风蚀的抑制作用。此外，该抑制作用的强弱也与风蚀过程中的风速大小密切相关。本研究中前期水蚀对风蚀的抑制作用随风速增大呈增强趋势，这与杨会民[19]的研究结果相悖，其原因可能是本试验模拟的是迎风坡面发生的径流与风向相反的交错侵蚀，而杨会民是在径流与风向相同的条件下开展的试验研究。当风水同向时，坡面在降雨作用下形成与风向一致的有向粗糙度(如从上坡到下坡的细沟)，在此情景下，水蚀后形成的侵蚀沟在风蚀过程中会产生“狭管效应”从而明显提高风速与增强湍流强度[25-26]，尤其是在大风速下效果会更加显著，进而对风蚀起到了一定的促进作用。

4 结论

前期水蚀对后期风蚀产生显著的抑制作用，9、12和15 m/s风速下仅风蚀量是水蚀后坡面风蚀量的10.1～18.0、11.4～29.0和16.0～39.6倍，受水蚀影响的风蚀速率较仅风蚀平均减小90.8%、94.3%和95.8%，且后期风蚀速率表现出当前期降雨强度较大时也较大、随前期降雨坡度增加而变化的趋势与后期风速相关的特征。

此外，相较于风蚀在仅水蚀与仅风蚀侵蚀总量中的比例，风蚀在水- 风侵蚀总量中的比例始终更低，9、12和15 m/s风速下，风蚀在水- 风侵蚀总量中的比例较风蚀在仅水蚀与仅风蚀侵蚀总量中的比例平均减少32%、44.5%和46.7%。且风蚀在水- 风侵蚀总量中的比例呈现随前期降雨强度和坡度增大而减小的特征。随前期降雨强度的增加，风蚀在水- 风侵蚀总量中比例的减小速率在小坡度下更快；随前期降雨坡度的增加，风蚀在水- 风侵蚀总量中比例的递减速率在小雨强下较大雨强下更快。

前期水蚀影响后期风蚀的研究中，前期降雨的主要影响因素(降雨强度和坡度)与后期风蚀的风速都影响着后期风蚀，但前期水蚀与后期风蚀的交错过程与机理还需深入探讨。