本文发表于《中国水土保持科学》2024年第22卷第3期“水土保持科学与工程”栏目。
研究土壤性质对侵蚀特征的影响可为深刻理解土壤侵蚀机理，以及优化评估模型参数提供重要理论支持。基于此，本研究采用室内模拟降雨试验，在90 mm/h降雨强度及4个坡度(5°、7.5°、10°和15°)条件下，分析黄土丘陵沟壑区2种典型黄土的侵蚀特征，并结合数学关系和物理意义对其侵蚀机制进行解释。
土壤侵蚀是最复杂的地学演化过程之一，也是影响其他地学过程的关键组成部分，并且影响甚至制约着社会经济的可持续发展。土壤侵蚀的影响因素众多，其中土壤性质、地形、降雨是最重要的影响因素。土壤性质主要通过影响土壤的可蚀性或抗侵蚀能力来影响侵蚀过程。黄土高原地区的研究表明，颗粒组成变化是影响黄土可蚀性大小的主要因素，其中与土壤中的黏粒和粉粒含量的关系最为密切，黏粒含量愈高，土壤抵抗侵蚀的能力越强，粉粒含量越高，越易发生侵蚀，土壤可蚀性指标值越大。也有学者研究发现土壤的可蚀性与细颗粒含量(粉粒和黏粒)呈极显著负相关关系，与土壤砂粒含量呈极显著正相关关系。总体而言，土壤颗粒越细，其黏聚力越强，易被搬运不易被剥蚀；土壤颗粒越粗，越易被剥蚀，不易被搬运。黏粒含量低的土壤，容易发生细沟边壁坍塌，从而会引起水沙过程发生显著变化。目前已有的相关研究，由于试验条件、土壤性质不同，使得研究结果间的可比性较差，而在黄土高原土壤颗粒组成的空间变化规律变异明显，黏粒含量从西北到东南不断增加，粉粒含量在子州、绥德一带最高，同时该区域属于典型黄土丘陵沟壑区，土壤侵蚀特征极具代表性。因此，选取该区域开展土壤侵蚀规律研究，对于深入理解土壤质地在坡面侵蚀中的作用，以及为生态保护提供理论支持具有重要的理论与实践意义。
由于土壤侵蚀影响因素的多样性和作用机制的复杂性，使得在阐释土壤侵蚀发生机理方面面临巨大困难。基于此，笔者选取黄土丘陵沟壑区2种典型黄土，采用室内模拟降雨试验，在4种坡度条件下，分析不同土壤间侵蚀特征的差异性，并构建相应数学关系，结合土壤侵蚀的物理意义，寻求阐明数学关系中各参数的意义和驱动机制，以期深化对土壤侵蚀机制的理解。
讨论：
1.侵蚀主要特征及产流产沙过程
初始产流时间，也叫初损历时，指的是降雨落到坡面到坡面开始产流所经历的时间。产流时间是坡面综合效应的反映，可以体现坡面径流与土壤水分下渗、坡度、土壤初始含水率等要素之间的关系。相比土壤A，土壤B坡面产流时间较快及径流量较大，主要因为土壤B黏粒和粉粒含量较低，土壤的结构差，微团聚含量低，不利于土壤入渗。这样的结构也会影响坡面径流的流速，使土壤B初始产流时间短，径流量和总径流量也高。坡度对产流时间的影响是一个较为复杂、多因素耦合的结果。在多种情况的综合作用下，初始产流时间随着坡度增加会呈现一种波动状态，对于径流量随坡度变化的规律也是如此。但在多因素作用下，由于坡度增加导致的接受降雨面积的减少起主导作用，使得总径流量随坡度增加而降低。在各个因素的综合作用下，与土壤A相比，土壤B在整个侵蚀过程中有更高的含沙量，也容易产生细沟。对于2种土壤，坡度在整个侵蚀过程中均起着重要作用，坡度越大侵蚀量越大。2种土壤性质的差异性对产流过程的影响不大，但对产沙过程有较大影响，主要通过控制细沟的形成以及侵蚀限制条件发挥作用。
2.产沙量与含沙量的数学关系及物理解释
从含沙量与产沙量的拟合关系来看，两者之间有极强的线性关系。系数a可用来表示径流侵蚀能力，它是对径流侵蚀能力与土壤抗侵蚀能力2种作用的综合下反映。可见，细沟侵蚀阶段中的a值明显大于片蚀阶段中的a值，细沟侵蚀越严重，2个阶段中的a值相差也越大，说明a值表示径流侵蚀能力的合理性，如果对整个侵蚀过程的数据进行拟合(片蚀+细沟侵蚀阶段)会发现，重新拟合后的a值小于细沟侵蚀阶段的a值，进一步说明上述分析的合理性。b值正负表示坡面可搬运物质的类型，绝对值表示可搬运物质的多少，其正值表示坡面已有的松散物质，负值表示由径流自身分散剥离土壤获得的搬运物质。可知，片蚀阶段b值几乎均为正值，细沟侵蚀阶段的b值均为负值，且绝对值远远高于片蚀阶段。这与整个侵蚀过程中含沙量变化特征及其主要来源一致。
结论：
1) 在该研究中，土壤B的产流时间介于3.00~4.77 min，土壤A介于5.00~6.27 min。土壤B和土壤A的总径流量分别介于697.4~862.4 L和461.6~593.8 L，前者是后者的1.26~1.51倍。
2) 土壤B比土壤A更易产生细沟，在4种坡度条件下，土壤B均产生细沟，而土壤A仅在15°时产生细沟。片蚀阶段土壤B的含沙量是土壤A的1.09~4.47倍，细沟侵蚀阶段土壤B是土壤A的2.01倍。细沟侵蚀阶段，土壤A可达总侵蚀量的96%，平均含沙量是片蚀阶段的10.49倍；土壤B可达98%以上，平均含沙量是片蚀阶段的7.09~32.39倍。
3) 在片蚀阶段，2种土壤总体上随径流量增加呈逐渐降低并最终趋于稳定的变化趋势，土壤B和土壤A趋于稳定时的含沙量分别介于5.16~16.81 g/L和1.12~2.52 g/L之间。在细沟侵蚀阶段，2种土壤的含沙量随径流量呈先快速增加，然后趋于稳定的变化趋势，土壤B的稳定含沙量介于87.46~484.22 g/L之间，土壤A为320 g/L。
4) 2种土壤的含沙量与产沙量呈明显的线性关系，斜率a可用于表征径流的侵蚀能力，截距b表示可搬运物质的类型及丰富程度。在片蚀阶段线性相关性较弱，土壤B的R2介于0.34~0.73之间，土壤A的R2介于0.69~0.88，在细沟侵蚀阶段2种土壤的R2均在0.98以上。
2种土壤产流产沙过程中主要特征情况
土壤B产流产沙过程
土壤A产流产沙过程
不同侵蚀方式下含沙量与产沙量的拟合关系
白玉, 和继军, 孙莉英, 田磊, 蔡强国, 王铭微. 2种典型黄土坡面侵蚀特征分析及物理意义解释[J]. 中国水土保持科学, 2024, 22(3): 36-45. DOI: 10.16843/j.sswc.2023091.
BAI Yu, HE Jijun, SUN Liying, TIAN Lei, CAI Qiangguo, WANG Mingwei. Analysis of slope erosion characteristics and physical meaning interpretation for two typical loess[J]. Science of Soil and Water Conservation, 2024, 22(3): 36-45. DOI: 10.16843/j.sswc.2023091.
国家自然科学基金“黄土丘陵沟壑区坡面侵蚀过程对临界坡长的响应机制”(52179071)，“黄土坡面细沟形态与土壤再分布空间特征的耦合机制研究”(41977069)
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