黄土与紫色土坡面侵蚀特征对比试验研究

张媛静，张平仓，丁文峰

(1.长江水利委员会长江科学院，湖北武汉430010;2.中国地质科学院水文地质环境地质研究所，河北石家庄050061)

黄土和紫色土是我国西北和西南地区最具有代表性的侵蚀性土壤，也是我国水土流失最为严重地区的两种土壤类型。我国是黄土最典型、分布面积最大的国家，约有4.40×105km2。其中以西北黄河中游地区分布面积最广，占全国黄土总面积的70%以上，由于黄土疏松多孔，质地相对均一，成为我国农业文明的发源地。但同时由于其土质疏松，易引起严重的土壤侵蚀及水土流失。经过几千年来的耕垦以及土地的不合理利用，黄土高原已成为我国侵蚀与产沙最为严重的区域[1]。国内对黄土高原土壤侵蚀的研究也最为深入。20世纪50—60年代，黄秉维等人对黄土高原土壤侵蚀类型及分区进行了深入的研究;20世纪80年代，刘东生，朱显漠等分析了黄土的易蚀性、可蚀性、抗冲性对坡面发育的影响;赵人俊等较为系统地分析了坡面产流的机制及模型;20世纪90年代以来，坡面流与坡面过程的研究进入一个新阶段，即对影响坡面流形成及坡面侵蚀的单个因素进行了深入探讨，得出许多经验性模型，取得了一批成果[2]。

紫色土是一种易侵蚀性岩性土，集中分布于我国西南部长江中上游地区。紫色土具有较好的天然肥力，是一种重要的土壤资源。长江流域暴雨频繁，丘陵区紫色土坡地不合理利用后，水土流失严重，是长江的主要泥沙来源地。目前，有关紫色土坡面土壤侵蚀研究在侵蚀过程、土壤抗蚀性及其耕作措施对侵蚀影响评价等方面研究已经取得了一定的进展。然而，同黄土坡面侵蚀过程研究相比，紫色土坡耕地侵蚀过程及机理的研究还相对薄弱[3]。

1 材料与方法

1.1 试验装置

本试验装置设置于长江水利委员会长江科学院沌口实验基地防洪模型大厅中，整个试验在“移动式水土流失实验车”上进行，采用美国下喷摇摆式降雨器，降雨高度约为2.5 m，试验设计了从0.6～2.6 mm/min共5种雨强。试验车内为可变坡侵蚀槽，试验设计坡度为 5°，10°，15°和20°;侵蚀槽面积为1 m ×3 m。侵蚀槽外接等腰梯形金属汇流槽，汇流槽紧靠侵蚀槽下端边界，并连接长约30 cm，直径为10 cm的导水管，将汇流槽汇入的地表径流导入径流桶，收集地表径流和泥沙，侵蚀槽底部均匀布设直径为10 mm的小孔，便于土壤入渗流的排出，底部外接壤中流汇流装置，用于收集壤中流。实验用黄土试样为陕西省安塞县典型剖面表面耕作黄绵土，紫色土试样来自湖北省秭归县典型中厚层坡耕地。两种试验土壤的理化性质如表1—2。

表1 试验土壤颗粒组成%

表2 湿筛团聚体百分数与有机质含量

1.2 试验设计

共设计24场模拟降雨实验，分别对黄土和紫色土在3种雨强(0.6，1.1，1.6 mm/min)和 4级坡度(5°，10°，15°，20°)下进行试验操作，保证每次降雨雨量均为50 mm左右，且尽量使每场降雨的前期土壤含水量基本一致。

1.3 试验程序

(1)试验土槽装土。装土时，模拟扰动耕作土层填充，填充厚度为 40 cm，紫色土容重控制在 1.35 g/cm3左右，黄土容重控制在1.05 g/cm3左右。

(2)试验前一天，采用小雨强降雨对坡面进行降雨预湿约10 min，使小区内填土得到充分的压密和湿润，并保证土壤含水量基本一致，消除前期土壤含水量对试验结果的影响。

(3)降雨过程观测。降雨前进行降雨率定试验，以保证降雨的均匀度和降雨强度达到试验要求。在降雨过程中，记录地表径流和壤中流的产生时间及终止时间，观测坡面土壤侵蚀过程，当坡面出现细沟雏形后，每隔一定时间分上、中、下3个部位分别测定流速(高锰酸钾示踪法)和水深。

(4)径流与泥沙采集。坡面产流后，按预先确定的时间间隔对地表径流和壤中流进行取样，每个时间段取样100 ml，倒入烧杯中烘干称重，测泥沙含量，同时用10 L塑料桶分别收集每个时间段的全部径流泥沙样。实验结束后记录地表径流和壤中流总量。

2 试验结果

模拟试验的结果表明，在土壤侵蚀过程中，随着降雨强度的变化，坡面径流量、单位体积的泥沙量均随之发生变化。随着雨强增大，径流量和产沙量也随之增大。产流过程呈现先增加，出现峰值后，逐渐趋于稳定。不同雨强的产流过程差异显著，雨强大产流亦大;不同坡度产流过程差异不明显。虽然大坡度有增大流速、减小入渗的作用，但坡度大又使坡面受雨面积减小，两者作用相抵，使坡度造成的产流差异削弱。现以坡度15°，雨强1.6 mm/min为例，对比分析紫色土和黄土降雨侵蚀过程(表3)。降雨开始后，0.38 min时黄土表面便开始产流，坡面逐渐出现细小的侵蚀纹沟，随着降雨历时的增长，沿细小沟道股流形成，侵蚀冲刷能力增强，截止降雨结束后2 h，未出现壤中流。紫色土坡面由于水分入渗，降雨损失严重，3.5 min后才开始产流，并多以漫流形式出现，侵蚀沟发育不明显。降雨进行25 min后，试验土槽底部开始有壤中流流出，连续收集2 h，体积共计3 900 ml，且壤中流从浑浊逐渐变为澄清。随着壤中流的流出，紫色土坡面上有细小裂纹出现。

表3 设计雨强为1.6 mm/min时两类土壤的产流状况

图1对黄土和紫色土坡面流速进行了对比。从图1中可看出，两种土壤坡面流速都比较稳定，且黄土坡面各断面流速均大于紫色土。降雨产生径流后，沿坡面向下汇流，所以坡面流速为坡下＞坡中＞坡上。紫色土颗粒不均匀，表面糙力大，水流的水力摩阻系数大，表面流速小;黄土坡面上随着降雨历时的增长，有细小侵蚀沟发育，坡面径流汇集于侵蚀沟，因此黄土的坡面流速远大于紫色土。

图1 黄土与紫色土坡面流速对比

从表4可以看出，在相同的坡度和雨强条件下，黄土的坡面径流量和产沙量远大于紫色土，其中黄土的地表径流量为紫色土的1.16倍，但产沙总量为紫色土的2.09倍，因此单位径流产沙量黄土大于紫色土。图2—3分别对比了不同时段紫色土和黄土的径流量和产沙量，得出每一时段黄土的径流产沙量均大于紫色土，且两种土壤径流产沙量都是先逐渐增加，出现峰值后，渐趋于稳定。

表4 黄土与紫色土坡面总径流产沙量

图2 黄土与紫色土累积径流量对比

3 分析与讨论

紫色土是紫色砂页岩风化形成的初成土，黄土是风积土。试验用紫色土有机质含量为5.12 g/kg，是黄土有机质含量的2倍;沙粒含量为54.51%;粉粒含量占20.18%，黏粒占6.64%;土壤团聚体组成比较丰富，大于1 mm水稳性团聚体含量为26.95%，土壤抗蚀能力较强。而黄土以粉沙质为主，占60.40%，大于1 mm水稳性团聚体含量仅为0.1%，少黏粒，土壤有机质含量低，胶结力差，遇强降雨表土易分散(表1)。

图3 黄土与紫色土产沙量对比

紫色土粒径比黄土大且颗粒组成不均一，有一定的土壤黏粒含量。由于有机质含量高，土壤具备一定的结构性，降雨初期，土壤入渗量大于降雨量，因此紫色土初始产流时间比黄土长。随着降雨的进行，大量降雨渗入土壤，土壤含水量逐渐达到饱和，不能再被土壤含蓄的水量便以壤中流的形式沿土壤孔隙特别是大孔隙流出。大孔隙壤中流还会将紫色土土体中的细颗粒物质逐渐带出，因而使壤中流变浑浊。由于是有结构性的土壤，整体性强，在斜坡作用下，土壤体沿下部层面发生滑动，导致坡面产生裂缝[5]。表1—2的试验数据表明，在相同降雨量条件下紫色土地表径流量与壤中流体积之和仍小于黄土地表径流量，由此可证明，紫色土的单位蓄水能力比黄土强，反映了紫色土土壤孔隙大而多。

对本试验所用黄土和紫色土进行抗冲性试验分析得出，黄土的抗冲系数为4.83，而紫色土的抗冲系数为14.89，约为黄土的3.08倍。对黄土而言，降雨打击地表，破坏了由粉粒组成的“点棱”支架结构，封实了土壤空隙，导致地表入渗能力急剧降低，从而易产生地表径流[6]。径流开始后，坡面均匀的面流向低洼处汇集，形成集中径流，流速增加，单位面积径流能量随之增大，剪切能力增强，增强了径流对地表的冲刷切割，形成细沟，之后，径流作用更加集中，进一步加剧了对地表整体性的破坏[7]。而紫色土具备一定的抗侵蚀能力，坡面粗糙、流速慢，径流剪切力较小，因而对地表的破坏能力较弱[8]。

4 结论

通过人工模拟降雨试验，对相同降雨条件下黄土和紫色土的坡面侵蚀特征进行了探讨和研究。

研究结果表明，在相同条件下，黄土坡面和紫色土坡面的侵蚀特征差异显著，黄土坡面侵蚀量大于紫色土侵蚀量。黄土坡面属于超渗产流，坡面形成较深的侵蚀沟;紫色土属于蓄满产流，降雨时坡面水分大量入渗，地表径流量较黄土小，有壤中流产生。通过对我国西北和西南地区典型侵蚀性土壤侵蚀特征对比分析表明，在制定水土保持规划时，应根据不同土壤的结构和侵蚀特点，因地制宜，采取相应的水土保持措施。

[1] 周佩华.黄土侵蚀机理探讨[J].水土保持研究，1997，4(5):40-46.

[2] 胡世雄，靳长兴.坡面流与坡面侵蚀动力过程研究的最新进展[J].地理研究，1998，17(3):326-335.

[3] 王志刚，郑粉莉，李靖.不同近地表水文条件下紫色土坡面土壤侵蚀过程研究[J].水土保持通报，2007，27(6):9-11.

[4] 郑子成，何淑勤，吴发启.侵蚀过程中地表糙度变化特征的研究[J].水土保持学报，2003，17(5):165-168.

[5] 张平仓，杨勤科，夏艳华.长江中上游地区土壤侵蚀机制及过程试验研究[J].长江流域资源与环境，2002，11(4):376-382.

[6] 吴普特，周佩华.雨滴击溅对薄层水流水力摩阻系数的影响[J].水土保持学报，1994，8(2):39-42.

[7] 吴普特，周佩华.黄土坡面薄层水流侵蚀试验研究[J].土壤侵蚀与水土保持学报，1996，2(1):40-45.

[8] 辛伟，朱波，唐家良，等.紫色土丘陵区典型坡地产流及产沙模拟试验研究[J].水土保持通报，2008，28(2):31-35.