華北土石山區礫石覆蓋對土壤濺蝕的影響

王葆， 馬俊明， 程金花， 于心怡， 戴矜君， 呂佩憶， 韓曉亮

(北京林業大學水土保持學院， 100083，北京)

華北土石山區礫石覆蓋對土壤濺蝕的影響

王葆， 馬俊明， 程金花?， 于心怡， 戴矜君， 呂佩憶， 韓曉亮

(北京林業大學水土保持學院， 100083，北京)

為探討降雨強度和礫石覆蓋度與土壤濺蝕的關系，通過野外人工模擬降雨，采用自主設計的圓形濺蝕板定量研究不同礫石覆蓋度(0、5%、10%、15%、20%)、不同降雨強度(40、80和120 mm/h)對土壤濺蝕量的影響。結果表明：在相同的礫石覆蓋度下，濺蝕量與降雨強度成線性正相關；在相同降雨強度下，濺蝕量隨礫石覆蓋度的增加呈指數遞減趨勢；隨著降雨強度的增大，土壤濺蝕量受礫石覆蓋度影響的程度減??；土壤濺蝕量隨濺蝕距離的增加先增大后減??；土粒飛濺距離與降雨強度呈正相關；礫石覆蓋對抑制濺蝕具有重要影響。

土壤濺蝕； 降雨強度； 礫石覆蓋度； 華北土石山區

我國是水土流失最為嚴重的國家之一，水土流失的主要形式是由水力作用引起的土壤侵蝕，而濺蝕是水力侵蝕的初級階段。濺蝕會破壞土壤結構[1]， 增加徑流紊動性[2],增強徑流的分散和搬運能力[3-4]；因此，研究濺蝕對研究土壤侵蝕，防治水土流失具有重要意義。目前國內外普遍認為[5]濺蝕的主要影響因素包括坡度、降雨特征、植被覆蓋和土層結構，其中，降雨特性包括降雨量、降雨強度、降雨能量、雨滴直徑、雨滴速度、降雨歷時等諸多因子[6]；但是，在研究過程中往往忽略了礫石覆蓋這一影響因素。在我國華北土石山區，由于土層薄，坡度陡，暴雨集中，地表徑流量大，流速快，沖刷力和挾運力強，容易形成水土流失。同時，地表通常覆蓋有大量的礫石(土壤中顆粒直徑≥2 mm的礦物顆粒[7])，土壤表面礫石的存在能夠有效減緩雨滴對地表土壤的直接沖擊，還能減少徑流攜帶的泥沙量，對水土流失防治具有重要作用。礫石覆蓋不僅會影響土壤的入滲特性[8-10]，而且對地表徑流、水力參數和土壤侵蝕產生影響[11]。有關礫石覆蓋度對濺蝕的影響研究還較少，而且大部分學者對濺蝕的研究主要集中在實驗室模擬狀態下完成的，較少有野外的實地研究[11]。筆者在北京市延慶縣上辛莊采用野外人工降雨方法測定礫石覆蓋度、降雨強度對土壤濺蝕量和濺蝕距離的影響，為了解土壤濺蝕特征和礫石覆蓋的水土保持作用提供參考。

1 研究區概況

本試驗于2013年7月至2013年9月在北京市延慶縣上辛莊重點水土保持試驗園區進行，試驗區域海拔500 m左右。延慶位于延懷盆地東部，屬大陸性季風氣候。該示范園位于延慶縣城東南5 km的大榆樹鎮上辛莊村，地理坐標為E116°3′11″～116°4′19″、N40°26′19″～40°27′26″。該示范園因干旱缺水，區域內植被稀疏，其土層深厚，立性明顯，沖溝發育，切割破碎，水土流失嚴重。

據觀測記錄顯示，研究區多年平均降水量為474.51 mm，降水量在年際分布上極為不均，最大及最小降水量相差很大。豐枯年年降水量對比，相差2.31倍。年內各月降水量變化也極不均勻，汛期(6—9月)多年平均降水量為393.83 mm，占全年的84%。

研究區土壤類型為耕作褐土，母質為洪積沖積母質，本區北部地勢較平，有較好的地下水資源，而且土質良好，土壤肥沃，土層厚度多>50 cm，旱地較多。研究區域附近大部分坡面已被建成水平條、梯田，多分布有榆樹(Ulmuspumila)、油松(PinustabuliformisCarrière)、楊樹(Populusspp.)、刺槐(RobiniapseudoacaciaLinn. )等喬木和核桃(Juglansregia)、梨(Pyrusspp.)、杏(ArmeniacavulgarisLam.)等散生果樹。

2 研究方法

2.1 樣地的布設

本試驗通過野外踏勘的方法，在試驗區選擇15塊半徑為40 cm的裸露平地(撂荒地)作為樣點。

本試驗所采用的人工降雨器是一個4組側噴式噴頭對中心點進行對噴的裝置，每組有3個噴頭，噴頭直徑分別為1.5、2.0和2.5 mm，降雨強度范圍為20～150 mm/h。降雨器的長寬均為2 m、高度為4 m。試驗選取40、80和120 mm/h(模擬北京“7·21”特大暴雨的局部最大降雨強度)3種降雨強度，在每種降雨強度下設計 0、5%、10%、15%和20% 5種礫石覆蓋度，來探究不同降雨強度和礫石覆蓋度對降雨濺蝕的影響。

試驗土樣為黃土母質的普通褐土，是華北地區的主要土壤類型之一[12]。試驗所需礫石樣品均為試驗區采集所得，所選礫石直徑大致在0.6～2 cm之間。將礫石樣品采用符素華等[13]的方法模擬出礫石覆蓋度與礫石質量的關系曲線。試驗時根據不同的礫石覆蓋度，用電子天平準確稱出相對應的礫石質量，將礫石無重疊、均勻的撒到樣地中。在樣地四周鋪設自主設計的圓形濺蝕板，將5 m×5 m的塑料布中間剪一個半徑為40 mm的圓，將塑料布懸掛起來，使得圓孔對準樣地，將塑料布四周用石塊壓好，防止二次濺蝕進入濺蝕板內，對實驗數據造成影響。

2.2 濺蝕量的收集

圖1 濺蝕板Fig.1 Splash erosion board/cm

試驗利用自主設計的圓形濺蝕板收集濺蝕量，濺蝕板由8塊弧形板拼接而成，每塊板按每5 cm設置一個隔斷(隔斷高1 cm[14])，來收集不同距離的濺蝕量。濺蝕板如圖1所示，該裝置能收集4個不同方向上的濺蝕量。

降雨試驗結束后用清水沖洗不同方向上不同距離的土樣，進行收集，盛放到鋁盒中，靜置沉淀12 h左右，將上層清液倒掉，放入烘箱烘干，用電子天平稱量，得到濺蝕量。每次實驗重復進行3次，所得濺蝕量取平均值之后作為該次實驗的濺蝕量。

2.3 土壤結構與前期含水量的測定

由于土壤前期含水率和土壤結構對土壤侵蝕有一定的影響[5,15],故在試驗前利用環刀取樣法測定前期含水量，并取土樣利用比重計法測定土壤機械組成。測得其土壤中黏粒質量分數占5.2%，粉粒質量分數為41.45%，砂粒質量分數為53.4%，土壤含水率為12.7%。

3 結果與分析

3.1 降雨強度對濺蝕量的影響

雨滴落到裸露的地面上，具有一定的質量和速度，必然對地表產生沖擊，使土體顆粒破碎、分散、飛濺，引起土體結構的破壞，導致濺蝕發生[15]。不同降雨強度、礫石覆蓋度條件下，不同距離的平均濺蝕量值見表1，可知隨著降雨強度的不斷增大，總濺蝕量也隨之增大。范榮生等[16]認為降雨強度影響雨滴動能，從而影響雨滴對地表的擊打能力，進而影響土壤濺蝕量。這與本研究結論一致，說明降雨強度是影響土壤濺蝕量的因素之一。

當降雨強度由40 mm/h增加為80 mm/h時，總濺蝕量增加了60.1%，不同礫石覆蓋度(0、5%、10%、15%、20%)下總濺蝕量分別增加了51.0%、52.2%、60.0%、80.2%和76.3%；當降雨強度由80 mm/h增加為120 mm/h時，總濺蝕量增加了34.7%，不同礫石覆蓋度(0%、5%、10%、15%、20%)下總濺蝕量分別增加了32.8%、37.6%、37.0%、29.5%和37.3%。說明濺蝕量隨降雨強度的增大而增大的幅度逐漸減小。這是由于在降雨強度逐漸增大的過程中，降雨強度的影響作用逐漸減小，其他影響因素對濺蝕量的影響占據主導地位。蔡強國等[17]對降雨強度I與土壤濺蝕量Y的關系進行了定量研究，發現其具有Y=a+bI的線性關系。這與本文研究結果存在差異，可能原因是本試驗在野外進行，受環境影響較大，試驗數據存在一定差異。

3.2 礫石覆蓋度對濺蝕量的影響

地表土壤受到雨滴沖擊，土壤團粒結構被破壞，土粒飛濺至空中，從而發生位移，產生侵蝕量[18]。礫石覆蓋在一定程度上能夠有效減緩雨滴對地表土壤的直接沖擊，降低對土壤的破壞程度，從而減少濺蝕量。表2示出不同降雨強度、礫石覆蓋度條件下不同方向的平均濺蝕量，圖2示出相同降雨強度，不同礫石覆蓋度條件下濺蝕量的變化。

表1 不同降雨強度、礫石覆蓋度條件下不同距離的平均濺蝕量

表2 不同降雨強度、礫石覆蓋度條件下不同方向的平均濺蝕量值

圖2 濺蝕量隨礫石覆蓋度的變化Fig.2 Variations of splash erosion amount with the gravel coverage

由圖2可知，相同降雨強度下，濺蝕量與礫石覆蓋度呈負相關，即隨著礫石覆蓋度的增大，濺蝕量一直減小，這一關系可用下式表示：

F=aebp

(1)

式中：F為濺蝕量，g；p為礫石覆蓋度，%；a、b為系數，受降雨強度、坡度等影響。

上述研究結果的產生是由于隨著礫石覆蓋度的增大，地表與雨滴的接觸面積減小，即可能發生侵蝕的面積減少，導致土壤濺蝕量減少。不同降雨強度不同方向上土壤濺蝕量與礫石覆蓋度的指數方程如表3所示。R.D.C.Morgan等[19]認為濺蝕隨著礫石覆蓋度的變化呈非線性減少，與本實驗所得結論相一致。說明礫石覆蓋對抑制土壤侵蝕具有重要影響。

圖3 不同降雨強度不同礫石覆蓋度在不同距離范圍內的濺蝕量Fig.3 Splash erosion amount at different rainfall intensities and gravel coverage

如表2所示：降雨強度為40 mm/h時，礫石覆蓋度由0增加到20%，總侵濺量降低了62.9%；降雨強度為80 mm/h時，礫石覆蓋度由0增加到20%，總濺蝕量降低了60.2%；降雨強度為120 mm/h時，礫石覆蓋度由0增加到20%，總濺蝕量降低了55.6%。說明隨著降雨強度的逐漸增大，濺蝕量受礫石覆蓋度的影響逐漸減小。這是由于隨著降雨強度的增大，雨滴動能也相應增大，雨滴對地表的擊打能力增強，從而減弱了礫石覆蓋對濺蝕量的影響作用。

3.3 土粒飛濺距離的影響因素

濺蝕形成過程中，雨滴垂直降落在平地上，引起土壤顆粒向四周飛濺。礫石覆蓋度越大，則土粒飛濺時碰到石塊的幾率也就越大，土粒遇到石塊時，運動方向有可能發生變化，因此濺蝕量在不同距離內具有不同值。圖3為不同降雨強度條件下不同礫石覆蓋度在不同距離范圍內的濺蝕量，可見：在相同降雨強度、不同礫石覆蓋度條件下，濺蝕量隨礫石覆蓋度的增加均呈現先增大后減小的趨勢，說明礫石覆蓋對土粒飛濺距離無明顯影響；但是，相同濺蝕距離內的濺蝕量隨礫石覆蓋度的增大而減少，說明礫石覆蓋對濺蝕具有抑制作用。在相同礫石覆蓋度、不同降雨強度條件下，隨著降雨強度的增大，濺蝕量最大值出現的距離越來越遠，說明降雨強度越大，雨滴動能越大，擊打地表后賦予土粒的動能越大，因此土粒飛濺距離越遠。

表3 不同雨強不同方向上土壤濺蝕量與礫石覆蓋度的指數方程

Tab .3 Exponential equation of soil splash erosion amount and gravel coverage at different rainfall intensities and different directions

降雨強度Rainfallintensity/(mm·h-1)方向Direction指數方程ExponentialequationR21F=0 5064e-0 05p0 9838402F=0 5351e-0 049p0 95153F=0 5203e-0 051p0 99664F=0 5071e-0 053p0 98121F=1 0184e-0 04p0 9895802F=1 0245e-0 039p0 95113F=1 0678e-0 043p0 99464F=1 0023e-0 039p0 98631F=0 744e-0 041p0 99721202F=0 8136e-0 046p0 97133F=0 7464e-0 036p0 98204F=0 7747e-0 041p0 9975

Note:Fis splash erosion, g;pis gravel coverage, %;aandbare the coefficients, affected by rainfall intensity, slope, etc.

礫石覆蓋度越大，則土粒飛濺時碰到石塊的幾率也就越大，土粒遇到石塊時，運動方向有可能發生變化，因此濺蝕量在不同距離內具有不同值(表2)。在降雨強度為40、80、120 mm/h，不同礫石覆蓋度下，濺蝕量最大值分別出現在15～20 cm，20～25 cm,25～30 cm處(圖3)，而非距離樣地最近的位置處，由此推測在濺蝕過程中土粒的運動形式可能以躍移為主。

4 結論與討論

1) 在相同礫石覆蓋條件下，土壤濺蝕量隨降雨強度的增大而增大，但增大的幅度逐漸減小。

2) 在相同降雨強度條件下，土壤濺蝕量與礫石覆蓋度呈負相關，二者的變化符合指數函數(F=aebp)的關系。礫石覆蓋能夠有效抑制土壤濺蝕發生。

3) 降雨強度增大時，土壤濺蝕量受礫石覆蓋度影響的程度減小。土壤濺蝕量隨濺蝕距離的增加先增大后減少，土粒飛濺距離與降雨強度呈正相關。

本文試驗研究及分析基于野外模擬人工降雨試驗。目前，大部分濺蝕試驗都是在人工模擬降雨條件下實施的，無論是在野外進行，還是在室內進行，模擬降雨過程中對雨滴、雨強的設定都過于理想化，不少研究認為人工模擬降雨與野外天然降雨條件下的雨滴特性還是有很大區別的；因此，在人工模擬降雨試驗的條件下，得出的所有關于濺蝕的規律都應在天然降雨條件中進行驗證，才能更準確提供濺蝕數據，更好的揭示濺蝕的基本規律，為今后的抗濺蝕工作提出更實際的指標。

[1] Ellison W D. Soil Erosion Study: Part Ⅱ： Soil detachment hazard by raindrop splash [J].Applied Engineering in Agriculture, 1947, 28:197-201

[2] Ellison W D. Soil erosion study: Part Ⅴ: Soil transport in the splash process [J].Applied Engineering in Agriculture, 1947, 28:349-351

[3] Ellison W D. Two devices for measuring soil erosion[J].Applied Engineering in Agriculture, 1944, 25:53-55

[4] Ellison W D. Studies of raindrop erosion[J].Applied Engineering in Agriculture, 1944, 25: 131-136

[5] 韓學坤,吳伯志,安瞳昕,等. 濺蝕研究進展[J]. 水土保持研究,2010,8(4):47-49

[6] 高學田,包忠謨.降雨特性和土壤結構對濺蝕的影響.水土保持學報，2001，15(3)：24-26

[7] 王曉.“粒度分析法”在小流域泥沙來源研究中的應用[J].水土保持研究，2002，9(3)：42-43

[8] 楊明義,田均良,劉普靈.應用137Cs研究小流域泥沙來源[J].水土保持學報，1999，1(3)：49-53

[9] 文安邦,張信寶,王玉寬,等.長江上游云貴高原區泥沙來源地137Cs法研究[J].水土保持學報，2000，14(2)：25-27

[10] Wall G J,Wilding L P. Mineralogy and related parameters of fluvial suspended sediments in northwestern Ohio[J].J Environ Qual,1976,5:168-173

[11] De Boer D H, Crosby G. Evaluating the potential of SEM/EDS analysis for fingerprinting suspended sediment derived from two contrasting topsoils[J]. Catena,1995,24(4):243-258

[12] 劉和平,符素華,等. 坡度對降雨濺蝕影響的研究[J]. 土壤學報,2011,48(3):479-485

[13] 符素華,路炳軍,葉芝菡.地表礫石對降雨徑流及土壤侵蝕的影響[J].水土保持學報，2010，24(2): 15-18

[14] 江忠善,劉志.降雨因素和坡度對濺蝕影響的研究[J]. 水土保持學報,1989,3(2):29-35

[15] 劉振波.模擬降雨下土壤前期含水量對土壤可蝕性的影響[J]. 生態環境，2008，17(1): 397-402

[16] 范榮生，李占斌．坡地降雨濺蝕及輸沙模型[J]．水利學報，1993(6):24-29

[17] 蔡強國，王貴平，陳永宗．黃土高原小流域侵蝕產沙過程與模擬[M]．北京：科學出版社，1998

[18] 張洪江,吳發啟,程金花.土壤侵蝕原理[M]. 2版. 北京：中國林業出版社，2008

[19] Morgan R P C, Morgan D D V, Finney H. A predicative model for the assessment of soil erosion risk[J]. Journal of Agricultural Engineering Research,1984,30:245-253

(責任編輯：程 云)

Effects of gravel coverage on splash erosion in the mountainous region of northern China

Wang Bao, Ma Junming, Cheng Jinhua, Yu Xinyi, Dai Jinjun, Lyu Peiyi, Han Xiaoliang

(School of Soil and Water Conservation, Beijing Forestry University，100083, Beijing, China)

To explore the relationship between rainfall intensity, gravel coverage and splash erosion amount, we analyzed the effect of different gravel coverages (0, 5%, 10%, 15%, 20%) on the splash erosion under different rainfall intensities (40 mm/h, 80 mm/h and 120 mm/h) through artificial rainfall simulation and using a self-made round splash plate. The results showed that at the same gravel coverage, splash erosion amount had a linearly positive correlation with rainfall intensity. Under the same rainfall intensity, splash erosion amount exponentially decreasing with gravel coverage. With the increase of rainfall intensity, the amount of soil splash erosion affected by the gravel coverage would decrease. Soil splash erosion increased first with the increase of splash erosion distance and then decreased. The distance of splashed soil particles was positively correlated to rainfall intensity. Gravel coverage has considerable effects in inhibiting splash erosion.

splash erosion; rainfall rate; gravel coverage; rocky mountain area of northern China

2014-12-11

2015-02-26

王葆(1994—)，女，碩士研究生。主要研究方向：水土保持原理。E-mail：490175204@qq.com

?通信作者簡介：程金花(1979—)，女，博士，副教授。主要研究方向：水土保持原理。E-mail：jinhua_cheng@126.com

S157.1

A

1672-3007(2015)05-0093-06

項目名稱：北京市科技計劃項目“山區河流局地暴雨災害影響及綜合治理示范研究”(Z121100000112008)；北京林業大學2013年本科生科技創新專項計劃項目“華北土石山區礫石覆蓋對降雨濺蝕的影響”(201306)