王保田，龔傲龍，杜妍平，黃待望

(河海大學 巖土工程研究所，江蘇 南京210098)

廣西石漠化地區(qū)總面積達237.9 萬公頃，土壤侵蝕面積為281.2 萬公頃，土壤侵蝕類型以水力侵蝕為主，其中桂西北石灰?guī)r地區(qū)和桂東南花崗巖地區(qū)最為嚴重。土壤侵蝕不僅導致了生態(tài)環(huán)境惡化，而且嚴重影響廣西經(jīng)濟和社會的可持續(xù)發(fā)展。因此，對廣西石漠化地區(qū)坡面土壤侵蝕規(guī)律研究就顯得十分迫切。目前，國內外已建立部分較為成熟的土壤侵蝕模型［1-5］，但大都具有一定的區(qū)域局限性。其中，對廣西石漠化地區(qū)的研究主要從兩方面展開:一是石漠化現(xiàn)象、規(guī)模、等級劃分及其主要區(qū)域、危害和治理方針的確定［6-8］;二是石漠化土壤侵蝕機理、影響因子、以及土壤侵蝕過程中理化性質的變化規(guī)律研究［9-15］?，F(xiàn)階段，關于第一部分的研究成果雖然較多但比較淺顯，第二部分研究內容相對深入，但結論性成果并不多，基本為多年數(shù)據(jù)統(tǒng)計或現(xiàn)場小區(qū)試驗;同時，不同小區(qū)邊坡的土質含水率、干容重、土壤厚度、下墊面條件等均存在較大差異，使得相關試驗結果并不具有很好的說服力，也未形成統(tǒng)一概念。針對廣西石漠化地區(qū)坡面土壤侵蝕主要影響因子的確定和相對應影響規(guī)律的分析這一核心問題，本文選取雨強、坡度和干容重三個影響因子為主要研究對象，在其他環(huán)境條件不變情況下，通過自制降雨器模擬裝置進行坡面土壤降雨侵蝕試驗，確定三個影響因子對坡面土壤侵蝕的影響規(guī)律及其作用機制。研究成果將為更好地揭示廣西石漠化地區(qū)主要影響因子與坡地土壤侵蝕之間的關系，為提出石漠化治理措施提供試驗支持。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗土樣為取自廣西河池至都安高速公路K15+120 ～K15+350 標段的黃色石灰土，取土深度4.5m，基巖為石灰?guī)r，顏色呈黃褐色。結合室內顆粒分析曲線(圖1)及其基本物理性質(表1)，根據(jù)《巖土工程勘查規(guī)范》可以判定試驗土壤質地為粘土，天然狀態(tài)下處于可塑狀態(tài)。

圖1 土樣顆粒分析曲線Fig.1 Grain accumulative curve of soil sample

表1 土壤基本物理性質Tab.1 The physical properties of soil

1.2 試驗方案與裝置

本研究采用正交組合試驗，選擇雨強、坡度和干密度3 個因素，進行共計72 組試驗。由于室內試驗土坡尺寸和降雨模擬裝置的限制，不可能采用自然降雨的實際雨強作為室內試驗雨強;因此，根據(jù)降雨模擬裝置關于雨強的控制能力，分別取0.5、1.0 和2.0 mm/min 三個降雨強度進行模擬試驗，其中0.5 mm/min雨強模擬小-中雨，1.0 mm/min 雨強模擬中-大雨，2.0 mm/min 雨強模擬受臺風影響的強降雨。邊坡坡度依次取5°、10°、15°、20°、25°和30°，邊坡土壤干容重依次取0.9、1.0、1.1 和1.2 g/cm3。

自制降雨器模擬裝置頂端設計3 個有機玻璃的降雨板，每塊板都可形成獨立的密封環(huán)境(圖2a)。板上開有布置均勻、大小統(tǒng)一的降雨孔，降雨孔中放置中空的小鐵管(圖2b)，試驗時保持降雨板內充滿水，以達到降雨的均勻性要求。每塊降雨板單獨連接一套供水系統(tǒng)，供水系統(tǒng)由水閥和供水瓶組成，由于降雨板所形成的密封環(huán)境，因此降雨強度完全由降雨板側邊開口所連接的供水瓶的高度決定。三塊降雨板連續(xù)平行放置在4 個被固定的三腳架中，形成60×20 cm2的降雨面積，降雨系統(tǒng)如圖3 所示。

試驗土槽模型見圖4，設計尺寸為60 cm×20 cm×3 cm，其中長度為不同坡度條件下的水平長度，高度和土的厚度相等。對木板進行刮毛和涂漆處理，防止試驗過程中坡度較高時發(fā)生失穩(wěn)以及木板遇水變形。

圖2 降雨系統(tǒng)細部圖Fig.2 The details of rainfall system

圖3 降雨系統(tǒng)Fig.3 Rainfall system

圖4 土槽模型Fig.4 Model groove of the soil

1.3 試驗過程

正式試驗中，每組試驗均進行3 次平行試驗。按試驗組合中的干容重參數(shù)計算所需土量后，將土樣均勻壓入圖4 中的試驗土槽。降雨試驗開始之前，土坡表面使用塑料薄膜覆蓋，以防止土壤含水率變化過大。根據(jù)試驗所需降雨強度將供水瓶調節(jié)至某一定高度，保持供水瓶高度不變直至該試驗雨強條件下所有組合試驗完成，再調節(jié)至另一試驗雨強。每組試驗歷時為30 min，實驗結束后，將收集的侵蝕流失泥砂靜置24 h，過濾上層清液后，烘干剩余泥砂并稱重。試驗設計含水率為30%，與天然含水率保持一致。

2 結果分析

2.1 坡度對坡面土壤侵蝕的影響

圖5 為不同雨強和干容重條件下的土壤侵蝕量與坡度間的關系。從中可以看出，雨強為2.0 mm/min時，坡面土壤侵蝕量的總體變化可分為三個階段:坡度從5°增加到10°時，土壤侵蝕量緩慢增加;坡度從10°增加到25°時，土壤侵蝕量加速上升;坡度超過25°時，土壤侵蝕量均呈不同程度下降，尤其以干容重0.9 g/cm3和1.0 g/cm3的兩組試驗下降最為明顯。坡度為25°時4 組干容重試驗坡面侵蝕量較坡度為5°時的試驗坡面侵蝕量分別增加294.2%，303.5%，314.7%和270.2%。

雨強為1.0 mm/min 時，隨坡度的增加，4 組干容重對比試驗土壤侵蝕量變化均基本呈先慢后快，然后下降的趨勢，同樣也在25°左右出現(xiàn)峰值。在坡度25°時4 組干容重試驗坡面侵蝕量較坡度為5°時的試驗坡面侵蝕量分別增加72.0%，119.2%，109.3%和262.2%。

圖5 不同雨強下土壤侵蝕量與坡度的關系Fig.5 The relationshipbetween soil erosion and slope under different rainfall intensity

雨強為0.5 mm/min 時，從圖5(c)中可看出在該雨強條件下的土壤侵蝕量很少，基本可忽略干容重與坡度的變化對土壤侵蝕量的影響，水土流失強度較輕。總的來說，在0.5 mm/min 的雨強的降雨條件下，侵蝕量很小甚至可以忽略，即在小雨強條件下基本不會引起水土流失，很多現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)也能證明這一結論。

對1.0、2.0 mm/min 雨強條件下，4 組干容重的坡面土壤侵蝕量與坡面坡度之間的關系曲線進行3 次多項擬合(0.5 mm/min 雨強下侵蝕量不具有規(guī)律性，不做統(tǒng)計)，擬合方程曲線見圖6。

圖6 不同雨強下土壤侵蝕量與坡度的擬合曲線Fig.6 The fitting curves of soil erosion and slope under different rainfall intensity

2.2 降雨強度對坡面土壤侵蝕的影響

不同干容重條件下，分別對6 組坡度的坡面土壤侵蝕量與降雨強度之間的關系曲線進行回歸分析，采用指數(shù)函數(shù)進行擬合，擬合方程曲線見圖7，擬合方程與擬合度檢驗值R2均大于0.92，相關性較高。

不同干容重坡面土壤侵蝕量與雨強的關系曲線規(guī)律基本相似，即隨著雨強的增加侵蝕量逐漸增加，而坡度較陡時，侵蝕量增長較迅速，坡度越低對雨強的敏感性越低。試驗結果表明，0.5 mm/min 的雨強下，水土流失的量基本可以忽略，試驗中所測得的侵蝕量基本是土坡制作后在土體表面刮毛的細土壤顆粒隨雨滴擊濺產(chǎn)生。在雨強從1.0 mm/min 增加到2.0 mm/min 過程中，總侵蝕量與侵蝕速率同時急劇增加，在干容重為0.9 g/cm3時，2.0 mm/min 雨強侵蝕量甚至較1.0 mm/min 雨強增加10 倍。

圖7 不同干容重下土壤侵蝕量與降雨強度的擬合曲線Fig.7 The fitting curves of soil erosion and rainfall intensity under different dry density

2.3 干容重對坡面土壤侵蝕的影響

不同坡度條件下，3 組降雨強度的坡面土壤侵蝕量與干容重之間的關系曲線進行回歸分析，采用的線性擬合方式能夠較好反映干容重與土壤侵蝕量的關系，降雨強度為0.5 mm/min 時，擬合方程與擬合度檢驗值R2較小，如前文所述，雨強較小情況下，土壤侵蝕量較小且不具有規(guī)律性，所以對其暫不作考慮。對于其他數(shù)據(jù)除在降雨強度為1.0 mm/min，坡度為10°的擬合方程相關系數(shù)為0.82，其余相關系數(shù)均大于0.92，擬合度較高，擬合方程曲線如圖8 所示。

3 討 論

3.1 坡度對坡面土壤侵蝕規(guī)律的影響及其作用機制

圖8 不同坡度下土壤侵蝕量與干容重的擬合曲線Fig.8 The fitting curves of soil erosion and dry bulk density under different slope

坡面土壤侵蝕量隨坡度的變化較為復雜，坡度的變化直接影響著土壤侵蝕的方式和強度。目前國內外學者，一般采用冪函數(shù)模擬坡度對土壤侵蝕的影響［11］，認為隨著坡度的增加，土壤侵蝕量也越來越大。但本文試驗結果表明，土壤侵蝕量并非一直增加，而是存在一個轉折坡度，當坡度大于轉折坡度時，土壤侵蝕量甚至出現(xiàn)減少現(xiàn)象。此外，雨強為2.0 mm/min 時，土壤侵蝕的臨界坡度為25°～27°;在雨強為1.0 mm/min 時，土壤侵蝕的臨界坡度為23°～25°;由于在雨強為0.5 mm/min 時，侵蝕強度很小，土壤侵蝕量較少，數(shù)據(jù)不具有統(tǒng)計規(guī)律性，暫不將其統(tǒng)計在內。關于臨界坡度出現(xiàn)原因，可從兩方面進行解釋:坡度的變化主要影響土壤入滲、徑流流速和土體穩(wěn)定性等方面，當坡度增加時，土體在順坡方向的重力分力增加，土壤土顆粒不穩(wěn)定性增大，使得土壤抗侵蝕能力減弱，土顆粒更容易向下滑移，同時隨著坡度的增加，坡面水流流速加大，沖刷侵蝕能力增強，能夠分離和搬運更多土顆粒，這些對增加坡面土壤侵蝕量起到促進作用;另一方面隨著坡度的增加，斜坡表土受雨面積將逐漸減小，從而對增加坡面土壤侵蝕量起到抑制作用。兩方面因素的相互作用，最終導致臨界坡度的出現(xiàn)。當然，這并不意味著在坡度大于臨界坡度之后，隨著坡度的增加，土壤總侵蝕量就會減少;相反，隨坡度的增加，總侵蝕量將越來越嚴重。臨界坡度只是坡面土壤侵蝕的特點，在坡度小于臨界坡度時，面蝕為土壤侵蝕的主要形式，而坡度大于臨界坡度之后，土壤侵蝕的方式已經(jīng)發(fā)生轉變，面蝕的比重越來越小甚至為零，土壤侵蝕的形式開始向溝蝕、滑坡、崩塌方向發(fā)展，這也是我國之所以將25°以上坡度規(guī)定為退耕還林依據(jù)。

雨強為2.0 mm/min 時，在坡度從10°增加到20°的過程中，是坡面侵蝕開始迅速增加的階段，在進行陡坡耕種時等時更應該注意該階段坡度;在條件允許的情況下，并注意培育草皮、林木，增加土壤穩(wěn)定性。植被等保護土壤免受降雨的擊濺及徑流的沖刷，使土壤侵蝕從開始階段盡可能將其降低至最低限度。在坡度從臨界坡度增加到30°的過程中，干容重為0.9 g/cm3、1.0 g/cm3的土坡坡面侵蝕量出現(xiàn)了明顯的降低，分別降低了33.7%和25.4%，但這并不意味著土壤侵蝕的減弱，反而更嚴重的是，土壤侵蝕已經(jīng)開始迅速從面蝕轉向溝蝕、滑坡等更嚴重的形式，此時若是在陡坡上砍伐樹木、除草耕作、翻種，則必然會產(chǎn)生嚴重的水土流失。

3.2 降雨強度對坡面土壤侵蝕規(guī)律的影響及其作用機制

降雨與土壤侵蝕之間存在密不可分的聯(lián)系，降雨強度大小直接影響著土壤侵蝕量，隨著降雨強度的增加，降雨動能與徑流勢能逐漸增加，同時分散土顆粒與打擊擾動地表水的能力也隨著增加，濺蝕與水流的挾沙能力的增加，最終導致侵蝕量呈非線性迅速增加。但不是所有降雨都會引起較嚴重的水土流失，基本都是降雨強度較大的集中暴雨所致，而強度較低的降雨基本都是無侵蝕性降雨。試驗結果表明，0.5 mm/min 雨強下，水土流失量基本可忽略，所測得的侵蝕量基本是土坡制作后在土體表面刮毛的細土壤顆粒隨雨滴擊濺而得，但隨雨強的增加，總侵蝕量與侵蝕速率同時急劇增加。許多野外數(shù)據(jù)顯示，短歷時(30 min 左右)、高強度(瞬時雨強達2.0 mm/min ～3.0 mm/min)、中雨量(50 mm ～70 mm)的暴雨和長歷時(6 h 以上)、中強度(瞬時雨強達1.0 mm/min)、大雨量(100 mm 以上)的暴雨相比較，通常前者的水土流失要要比后者大的多，可明顯看出土壤侵蝕一般都來自歷時短、強度高的暴雨。本文將坡面土壤侵蝕量與雨強的關系看做呈指數(shù)關系，這也與許多前人的研究相吻合。

3.3 干容重對坡面土壤侵蝕規(guī)律的影響及其作用機制

干容重影響主要與土壤的抗蝕性有關，即土體抵抗降雨雨滴打擊與徑流的分散能力，隨著干容重的增加，土顆粒較為密實，土體結構性更強，大小土顆粒之間互相鑲嵌作用增強，粘聚力增加，導致土顆?？刮g性也增加，所以很明顯的抑制了水土流失的增長［12］。但當干容重減小時，表層土壤相對疏松，在降雨動能打擊與徑流沖刷作用下，很容易隨徑流和雨滴發(fā)生侵蝕。前述試驗結果也表明，干容重越小，侵蝕量會愈嚴重，土壤侵蝕量與干容重表現(xiàn)為較好的線性相關關系。在喀斯特石山地區(qū)，由于本身土層稀薄，干容重較低，又兼人為擾動和翻耕，破壞地面植被覆蓋以及殘留的根莖對土壤的保護作用，從而改變地面緊實度以及降低土壤穩(wěn)定性，若遇上豐水期暴雨，土壤侵蝕量將急劇增加。

3.4 影響因子綜合對比

通過室內降雨模型試驗結果的對比分析可發(fā)現(xiàn)，坡度的改變所引起的土壤侵蝕增加量最大為314.7%(降雨強度2.0 mm/min，干容重1.1 g/cm3，坡度25°較坡度5°的土壤侵蝕增加量)，降雨強度的改變所引起的土壤侵蝕最大增加量為8224.7.0%(坡度25°，干容重0.9 g/cm3，降雨強度為2.0 mm/min較降雨強度為0.5 mm/min 的土壤侵蝕增加量)，干容重的改變所引起土壤侵蝕最大增加量為224.5%(降雨強度2.0 mm/min，坡度2°，干容重為0.9 g/cm3較干容重為1.2 g/cm3的土壤侵蝕增加量)，從中可明顯看出，降雨強度較其他影響因子為引起廣西石漠化地區(qū)坡面土壤侵蝕的主要影響因子。

4 結 論

①邊坡坡度由5°變化到25°時，坡面土壤侵蝕量隨坡度的增加趨勢呈先慢后快，但當坡度超過25°時，土壤侵蝕量表現(xiàn)為減小趨勢。存在轉折坡度，試驗數(shù)據(jù)表明，轉折坡度在23°～27°，并且轉折坡度的大小隨著降雨強度與干容重的不同而存在不同差異。

②隨著降雨強度的增加，土壤侵蝕量迅速增加，近似表現(xiàn)為指數(shù)相關關系，在小雨強的情況下，基本不會產(chǎn)生水土流失，而大量水土流失基本都來自侵蝕性強降雨。

③隨著干容重的降低，土壤侵蝕量增加，兩者表現(xiàn)為良好線性相關關系。

④通過對不同影響因子之間組合試驗產(chǎn)生的土壤侵蝕量的對比，發(fā)現(xiàn)降雨強度對土壤侵蝕量的影響明顯高于干容重和坡度，即降雨強度為引起廣西石漠化地區(qū)坡面土壤侵蝕的主要影響因子。

［1］ RENARD K G，F(xiàn)OSTER G R，WEESIES G A，et al.Predicting soil erosion by water:a guide to conservation planning with the revised universal soil loss equation(RUSLE)［R］.USDA Agricultural Handbook No.703，1997.

［2］ NEARING M A，LANE L J，ALBERTS E E，et al.Prediction technology for soil erosion by water:status and research［J］.Soil Scicence Society of America Journal，2000，54(6):1702-1711.

［3］ MEYER L D.Evolution of the universal soil loss equation［J］.Journal of Soil and Water Conservation，1984，39(2):99-104.

［4］ 王文娟，張樹文，李穎，等.高分辨率遙感影像在水土流失定量評價中的應用探討［J］.農(nóng)業(yè)系統(tǒng)科學與綜合研究，2008，24(4):441-446.

［5］ 馬超飛，馬建文，布和敖斯爾.USLE 模型中植被覆蓋因子的遙感數(shù)據(jù)定量計算［J］.水土保持通報，2001，21(4):6-9.

［6］ 楊青青，王克林.基于RS 與GIS 的桂西北石漠化景觀與土壤類型關系研究［J］.土壤通報，2010，41(5):1030-1036.

［7］ 肖榮波，歐陽志云，王效科，等.中國西南地區(qū)石漠化敏感性評價及其空間分析［J］.生態(tài)學雜志，2005，24(5):551-554.

［8］ 藍日彥，王保田，魏軍揚，等.生態(tài)擋土結構面層與加筋連接強度的試驗研究［J］.廣西大學學報:自然科學版，2013，38(1):62-66.

［9］ 章文波，謝云，劉寶元.降雨侵蝕力研究進展［J］.水土保持學報，2002，16(5):43-46.

［10］曹文洪.土壤侵蝕的坡度界限研究［J］.水土保持通報，1993，13(4):1-5.

［11］馮望，李順群，高凌霞，等.重塑黃土的微觀結構與土水特性關系研究［J］.廣西大學學報:自然科學版，2013，38(1):170-175.

［12］代全厚，張力，劉艷軍，等.嫩江大堤植物根系固土護堤功能研究［J］.水土保持通報，1998，18(6):8-11.

［13］蔣榮.地形因子對貴州喀斯特地區(qū)坡面土壤侵蝕的影響［D］.南京:南京大學地理與海洋科學學院，2013.

［14］宮興龍，付強，李衡，等.薄層水流對土壤溫度影響的格子Boltzmann 法分析［J］.廣西大學學報:自然科學版，2014，39(4):928-932.

［15］趙曉光，石輝.水蝕作用下土壤侵蝕能力的表征［J］.干旱區(qū)地理，2003，26(1):12-16.