坡長對水土流失影響的研究現狀及展望

于文華，閆訓海

(上海市水利工程設計研究院，上海 200061)

1 坡長對徑流量的影響

坡長和徑流的關系十分復雜，學者們對此進行了較為深入的研究，研究的結果有以下3種觀點：第一種觀點認為，隨著坡長的增加徑流系數在逐漸減少，坡長愈長徑流量愈小。第二種觀點認為，在陡坡 (坡度為48%)條件下，隨著坡長的增加徑流量沒有明顯的變化。第三種觀點認為，徑流與坡長的關系并不是簡單的線性關系：坡度較緩、降雨量不大、土壤具有較大的滲透能力時，徑流量隨著坡長的增加而減少，即“徑流退化”［1］;但是，當坡面長度增加、徑流匯集成較大股流后，滲透強度提高的速度減慢，徑流量又會隨著坡長的增加而減少?？讈喥降龋?］研究指出，徑流量與坡長呈線性關系。黎四龍等［3］在張家口研究了不同降雨強度下坡長對徑流的影響，根據5年的試驗數據得出：小雨強降雨時，徑流量與坡長不是直線關系;大雨強降雨時，徑流量可用坡長與徑流深的乘積表示。由此可知，雨強大時徑流量與坡長之間具有很好的線性關系，這說明徑流量沿坡面變化是均勻的，即隨著坡長的增加徑流增加的速率是均勻的。同時還得出，雨強愈大單位坡段上的徑流量也愈大，但試驗雨強在坡長很短的情況下表現得并不明顯。在北方土石山區，徑流量隨著坡長的增加而增加，并且隨著I30(30 min最大降雨強度)的不同，20 m坡長的徑流量與40 m坡長的徑流量也不同;對不同坡長下降雨量、I30與徑流量和侵蝕量進行方差分析的結果表明：在10 m坡長下降雨量、I30與徑流量和侵蝕量無顯著性差異，在20 m和40 m坡長下降雨量、I30與徑流量和侵蝕量呈顯著性差異［4］。

2 坡長對土壤侵蝕量的影響

在現有的坡面土壤侵蝕預報模型中，通常認為土壤侵蝕量隨著坡長的增加而增加。著名的USLE和RUSLE方程中都采用了標準化到22.13 m坡長上的坡長因子［5－6］，其表達式為

式中：L為坡面土壤流失量與標準化到22.13 m坡長上的土壤流失量的比值，無量綱;λ為坡長，m;m為坡長因子指數。

不同研究結果表明，坡長指數受坡長和坡度交互作用的影響，同時受土壤特性、地表植被類型和田間管理措施等的影響。

國內外學者對坡長和侵蝕產沙關系研究的結果表明，坡長對土壤侵蝕的影響是一個比較復雜的問題，并不像USLE和RUSLE中描述的那樣，因此國內外學者在坡長對侵蝕量影響方面的研究結果也不盡相同，主要包括：坡長增加，水流中的含沙量增加，侵蝕作用減弱，侵蝕量減少［6］;隨著坡長的增加，從上坡到下坡水深在逐漸增加，侵蝕量相應增大，流失量也在增加［6－7］;隨著坡長的增加，徑流量、侵蝕量在增加，侵蝕量增加后水流的含沙量也增加，水體搬運泥沙所消耗的能量加大，侵蝕減弱，兩者相互消長，結果是從上坡到下坡侵蝕量沒有很大的差異［8］。但是，更多的研究結果表明，隨著坡長的增加，侵蝕量并不是簡單的增加、減少或者不變，而是隨著降雨強度、坡度等條件的不同表現出不同的特征。朱顯謨［1］指出：在較大暴雨時坡長與沖刷量呈正相關，當雨量小、強度小、歷時短時呈負相關，而且往往由于土壤抗蝕抗沖特性、地面坡度等的不同，侵蝕量與坡長的關系也不同。對北方土石山區的研究表明：對于20 m和40 m的坡長，當降雨量＜10 mm時，20 m坡長的侵蝕量大于40 m坡長的侵蝕量;當降雨量＞10 mm時，40 m坡長的侵蝕量＞20 m坡長的侵蝕量。張信寶等［9］用137Cs法研究侵蝕與坡長的關系時得出：黃土峁坡農地的峁頂及峁坡(L=0～50 m)137Cs法值隨著坡長的增加而增加，峁坡下部農地(L＞50 m)137Cs法值隨著坡長的增加變化不大，坡長大于65 m后隨著坡長的增加還略有減少。廖義善等［10］研究認為在坡面上徑流的侵蝕產沙、輸沙能力隨著坡面長度的變化呈強弱交替變化，這與羅來興［11］研究黃土區的結果相一致。

陳永宗等［12］的研究結果表明，侵蝕量與坡長的關系隨降雨特性的變化而變化，并建立了侵蝕量與坡長、I30的二次正交多項式回歸模型。汪曉勇等［13］在坡度15°的條件下研究了雨強對坡長和侵蝕量的影響，雨強為50 mm/h時，坡面總侵蝕量隨著坡長的增加而呈明顯增加的趨勢，雨強75和100 mm/h時，坡面侵蝕量隨坡長的變化呈現波狀的強弱交替變化，一定坡長范圍內侵蝕量出現峰值和谷值交替現象。隨著降雨特性的不同，侵蝕強度隨坡長變化存在3種動態：第一種為增長型，即隨著坡長的增大產沙強度持續增強;第二種為增長遞減型，即產沙強度先隨坡長增加而后又隨坡長增加呈遞減趨勢;第三種為波動型，即產沙強度隨坡長增加出現兩次增長和兩次減小的過程?？讈喥降龋?］研究指出，在短歷時或小強度的降雨試驗條件下，坡長的影響并不顯著，而隨著降雨歷時的延長或降雨強度的增加，坡長的影響會越來越大，所有這些都使坡長與侵蝕強度的關系復雜化。蔡強國等［14］的研究結果也表明坡面侵蝕產沙量隨坡長先呈增加趨勢，但當坡長大于某一臨界坡長時，單位面積侵蝕量會隨著坡長的增加而減少。

3 坡長對土壤侵蝕過程的影響

按引起土壤侵蝕的外營力劃分，土壤侵蝕的類型主要有水力侵蝕、風力侵蝕、重力侵蝕、凍融侵蝕等，其中水力侵蝕可分為面蝕、溝蝕等類型，面蝕又可進一步劃分為細溝侵蝕和淺溝侵蝕等形式，不同的水流形式對應著不同的侵蝕方式。坡長的變化導致匯水量的變化，進而影響到水流形式，同時徑流量的增加導致下坡徑流深度的增加，降低了雨滴的擊濺侵蝕能力，因此坡長不同對土壤侵蝕過程的影響也就不同。在細溝間侵蝕條件下，坡長對侵蝕產生影響的原因是坡面徑流深的作用。當坡面以片蝕或細溝侵蝕為主時，坡面侵蝕量隨著坡長的增加呈冪指數形式增加，但其指數大小表現出一定的復雜性。蔡強國［14］研究了坡長在黃土高原丘陵溝壑區坡面侵蝕產沙過程中的一些規律和機理，揭示了坡長對坡耕地侵蝕產沙過程的影響，擬合了不同坡長下的徑流和產沙過程線：坡長增加時，坡面片蝕—細溝侵蝕—切溝侵蝕發育速度明顯加快，坡面侵蝕產沙量明顯增加。張天義指出，坡長增加，層狀侵蝕量與細溝侵蝕量隨之增加，所以坡長越長總侵蝕量越大;不同坡長的層狀侵蝕量皆大于細溝侵蝕量，且坡長增加層狀侵蝕量在總侵蝕量中所占的比重減少。張科利等［15］研究了發生細溝侵蝕的臨界坡長，淺溝侵蝕發育存在一個臨界坡長值，在陜北丘陵區這個值大約為40 m。

4 存在的問題與發展展望

經過長期的研究，科研工作者對于坡長和土壤侵蝕的關系有了比較系統的認識，在坡長與土壤侵蝕關系方面的研究取得了一定的成果，但現有成果還存在以下問題：

(1)我國的研究主要集中在黃土高原區，對其他土壤類型區的研究并不多，需要加強其他土壤類型區中坡長和土壤侵蝕關系的研究。

(2)已有研究多數是研究坡長對侵蝕量的影響，應加強坡長對產流產沙過程影響和坡面侵蝕輸沙沿程分布規律的研究，研究不同坡段的水流流速和含沙量，進一步揭示土壤侵蝕的機理。

(3)坡面侵蝕方式演變過程中匯水坡長與坡面侵蝕產沙關系的研究還非常薄弱，需要進一步加強。

(4)已有的研究中，各坡長小區的降雨前土壤狀況 (土壤類型、土壤含水量、土壤容重等)和外部條件(坡度、雨強、雨型等)不一致，得出的結論容易受坡長以外其他因素的影響，因此建立一個標準化的平臺，使得各學者的研究具有可比性，是目前研究中亟待解決的問題。

(5)坡長與土壤侵蝕的關系十分復雜，其原因可能是坡長的變化又影響了坡面面積，坡面面積的變化影響了匯水匯沙過程，因此有必要在大尺度上對水土流失規律進行研究。通過對坡長和土壤侵蝕關系的研究，可以更加深入地認識土壤侵蝕規律，為土壤侵蝕預測預報、水土保持規劃、環境影響與評價及災害防治等提供科學依據。

［1］朱顯謨.黃土高原水蝕的主要類型及有關因素［J］.水土保持通報，1981，1(3)：13 －18.

［2］孔亞平，張科利，唐克麗，等.坡長對侵蝕產沙過程影響的模擬研究［J］.水土保持學報，2001，15(2)：17 －20.

［3］黎四龍，蔡強國，吳淑安，等.坡長對徑流及侵蝕的影響［J］.干旱區資源與環境，1998，12(1)：29 －35.

［4］林軍，倪偉，宋傳松，等.北方土石山區不同坡長徑流小區水土流失規律研究［J］.水土保持應用技術，2009(3)：7－9.

［5］McCool D K，Foster G R，Mutchler C K，et al.Revised slope length factor for the universal soil loss equation［J］.Transactions of ASAE，1989，32(5)：1571 －1576.

［6］Law J O，Parsons D A.The relationship of raindrop size to intensity［J］.Transactions American Geophysical Union，1943，24：452 －460.

［7］牟金澤，熊貴樞.陜北小流域產沙量預報及水土保持措施攔沙計算［C］//中國水利學會.河流泥沙國際學術討論會論文集.北京：光華出版社，1980：73 －82.

［8］Langbein W B，Schumm S A.Yield of sediment in relation to mean annual precipitation［J］.Transactions，American Geophysical Union，1958，39(6)：1076 －1084.

［9］張信寶，文安邦，奎因TA，等.黃土峁坡農地侵蝕與坡長的關系［J］.中國水土保持，1998(1)：17 －18，25.

［10］廖義善，蔡強國，程琴娟.黃土丘陵溝壑區坡面侵蝕產沙地形因子的臨界條件［J］.中國水土保持科學，2008，6(2)：32 －38.

［11］羅來興.甘肅華亭糧食溝坡面細溝侵蝕量的野外測定及其初步分析結果［J］.地理學資料，1958(2)：111－118.

［12］陳永宗，景可，蔡強國.黃土高原現代侵蝕與治理［M］.北京：科學出版社，1988：106 －113.

［13］汪曉勇，鄭粉莉.黃土坡面坡長對侵蝕—搬運過程的影響研究［J］.水土保持通報，2008，28(3)：1 －4.

［14］蔡強國.坡長在坡面侵蝕產沙過程中的作用［J］.泥沙研究，1989(4)：84 －91.

［15］張科利，唐克麗，王斌科.黃土高原坡面淺溝侵蝕特征值的研究［J］.水土保持學報，1991，5(2)：8 －13.