黄土丘陵区冻土坡面侵蚀过程特征研究

苏远逸, 陈田庆, 张盼盼, 熊宇斐, 李 鹏

(1.陕西省土地工程建设集团 自然资源部退化及未利用土地整治工程重点实验室, 西安 710075; 2.陕西省土地工程建设集团 陕西省土地整治工程技术研究中心, 西安 710075; 3.陕西省土地工程建设集团 自然资源部土地工程技术创新中心, 西安 710075; 4.西安理工大学, 西安 710048)

冻融侵蚀是指土壤及其母质孔隙中的水分在冻结时体积膨胀，孔隙增大导致土体稳定性降低，消融后在重力的作用下土体沿坡向下发生位移的现象[1-4]。冻融作用和土壤侵蚀往往是同时或者交替发生，在侵蚀过程中，土壤中剖面的水分分布和泥沙运移改变了冻融作用的程度[5]。季节性冻融地区的冻融侵蚀一般为轻度或者中度[6]。但是在解冻期土壤的可蚀性是其他季节的2～3倍，因此即使降雨强度很小也可能发生严重的土壤侵蚀。冻融作用使土壤理化性质发生改变，导致入渗减缓[7]，加剧土壤侵蚀。因此，冻融作用下的土壤侵蚀普遍较为强烈。Zuzel等[8]认为融雪径流和冻融作用是春季解冻期发生土壤侵蚀的主要原因。融雪水侵蚀是当温度升高，雪水融化，表层冻土开始解冻，而深层有冻土存在导致融雪水无法下渗，融雪水与表层解冻的土壤呈泥浆状沿地面流动发生的侵蚀现象。Demidov等[9]研究表明，在部分季节性冻融侵蚀区，春季解冻期的融雪水侵蚀占全年水土流失量的70%以上。冻融作用不能直接带走所有泥沙，但可以为其他侵蚀类型提供充足的侵蚀来源。Barnes等[10]通过在野外长期监测冻融作用对侵蚀的影响，定量分析了不同流量、坡度和含水量条件下冻融前后土壤的侵蚀特性，发现冻融作用会显著增加沟壑尤其是侧壁的侵蚀量。

温度和降水是发生冻融侵蚀的两个基本气候条件[11]。第一是发生冻融侵蚀的地区要满足有充足的气温低于0℃和气温高于0℃，能使水分完全凝结成冰后充分消融。第二是在适当的时期尤其是秋后期具有一定的降水量，水分足够下渗到必要的深度作为冻融作用的驱动主体。我国黄土高原风蚀水蚀交错带符合这两种条件，该地区地处温带中纬度，属于温带大陆性季风气候，气温低于0℃的天数在100 d以上，并且多年平均降雨量为300～ 600 mm/a，非汛期的降雨量占30%左右[12-14]。在冬春季交替时，尤其是春季解冻期温度升高后，不完全解冻的土体中存在不透水层，土壤入渗率大大降低，融雪径流和春季降雨可产生更多的径流。并且在土壤反复的冻融作用下，土壤理化性质等发生改变，土壤的稳定性降低，使春季解冻期坡面和沟道发生的侵蚀更加剧烈。由此看来，在解冻期尽管降水量不大，但是土壤侵蚀问题依旧严重[15]。

在我国，对冻融条件下土壤侵蚀过程的研究主要是通过室内模拟试验完成的，孙宝洋等[16]通过室内冲刷试验，研究指出冻融作用对土壤的剥离能力有显著影响，土壤剥离是土壤侵蚀的初始阶段，也是受冻融作用影响最大的阶段。然而我国对于冻融侵蚀的研究区域主要集中在东北黑土区和青藏高原地区等季节性冻融地区[17-19]，而对于我国黄土丘陵区的研究较少。因此，为了探究黄土丘陵区未冻坡面和冻土坡面的侵蚀差异，本研究以黄土作为主要研究对象，对比定量分析了未冻坡面和冻土坡面在不同径流坡长条件下产流产沙过程和水沙关系，以期为完善黄土丘陵区的土壤侵蚀机理提供一定的参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验用土选取陕西省榆林市绥德县王茂沟小流域(东经110°20′26″—110°22′46″，北纬37°34′13″—37°36′03″)的黄绵土，将试验用土运回实验室后去除草根、砾石等杂质后过10 mm的土样筛进行预处理。经Mastersizer 2000测得土壤的颗粒组成为黏粒(<0.002 mm)0.17%、粉粒(0.002～0.05 mm)61.22%和砂粒(>0.05 mm)38.31%，经测定黄土的干密度约为(1.25±0.10) g/cm3，有机质含量为(2.0±0.10) g/kg。

1.2 试验装置

本次试验在西安理工大学雨洪侵蚀大厅内进行。试验装置主要由冲刷装置和冻土装置2部分组成。冲刷装置由径流收集装置、土槽、水槽、稳流槽、水箱和阀门等组成(图1)。土槽(长2 m，深0.2 m，宽0.2 m)为木质土槽，设置为12°的斜坡。在土槽顶部连接一个宽0.2 m、深0.05 m的变坡长水槽，坡长分别为2，4，6 m。稳流槽采用带孔的有机玻璃板分为两部分，稳流槽中的水来自装有流量控制器的水箱，水箱设上有排水孔，以保持水压稳定。冻土装置采用西安理工大学的冻融试验系统，该试验系统采用六面体拼装结构，其内部长4.5 m、宽2.5 m、高2.5 m，可调温度范围在-40～-30℃，精度为±1℃，温度均匀度≤±2.0℃，同时具备制冷和加热功能，满足试验需求。

图1 冲刷试验装置

1.3 试验方法

本试验模拟春季解冻期融雪径流侵蚀，由于春季气温回升，冰雪融化，并且雪融化的时间要早于土体，因此在土槽上方设置不同长度的径流坡面，用来模拟上方融雪形成的径流对下方还未解冻的土体造成的侵蚀状况。在本试验中设计的放水强度为1 L/min，试验时的水温和室温均在15℃左右[20]。根据野外现场调研结果和已有研究成果，目前黄土高原50%以上坡耕地的坡度在10°～15°，因此该试验的坡度设计为12°。将野外采回的土样称重并烘干，根据计算结果设定土壤前期含水量为15%，土壤干容重为1.25 g/cm3。试验选用土壤处理(未冻坡面和冻土坡面)和径流坡长(2，4，6 m)2个影响因子进行组合试验，每组试验重复3次，共18场试验，试验结果采用3次试验结果的平均值，具体冲刷试验设计见表1。

表1 冲刷试验设计

将试验用土运回实验室后进行装填，共分为以下几个步骤：(1) 土壤风干并过筛(10 mm×10 mm)，除去植物根、小石块等杂质；(2) 取适量土样测量其含水率，用喷壶洒水混合均匀使含水量达到15%左右，并用塑料膜覆盖防止水分蒸发；(3) 根据测定野外黄土的干容重(1.25 g/cm3)计算得出需要的用土量，将配置好的黄土每5 cm装入土槽中，一共4层，每层黄土装填压实后在表面进行浅锄，保证土壤紧密结合；(4) 将填好土的土槽表面覆上塑料薄膜，防止土槽中土壤的含水量发生改变；(5) 将需要冷冻的土槽放入冻土装置，温度设定为-20℃，待土槽连续冻结24 h土体完全冻结后取出进行试验。在试验过程中，由于室温比冻土温度高，并且水温也不易控制，因此冲刷试验的过程也是冻土解冻的一个过程。

试验开始前先率定冲刷流量，在率定值连续3次与设计流量之间的误差小于5%时进行冲刷试验。水流进入土槽后到径流收集装置出现径流的时间为初始产流时间，径流收集装置出现径流开始后记录产流时间，产流持续15 min后关水。试验过程中用统一规格带有刻度的塑料桶收集每分钟的浑水样，试验结束后统一记录浑水体积，采用烘干法测得每分钟的产沙量，并计算出泥沙体积，最后用浑水体积减去泥沙体积后得到每分钟的径流量。

1.4 数据处理与分析

试验数据使用Excel 2019进行统计，采用SPSS(IBM SPSS Statistics Version 21)进行数据的描述性统计、方差分析(ANOVA，显著水平为p<0.05)、回归与相关分析、曲线拟合等，用Origin 8.5(OriginLab, USA)绘图，用Photoshop CS4绘制了冲刷试验装置示意图。

2 结果与分析

2.1 未冻坡面与冻土坡面侵蚀特征值

表2为不同径流坡长条件下未冻坡面与冻土坡面侵蚀特征值的统计表，表中的侵蚀特征值主要包括初始产流时间、产流量峰值、产流量峰值出现时间、产沙量峰值和产沙量峰值出现时间。由表2可以看出，不同径流坡长条件下未冻坡面的初始产流时间分别是0.66 min(U2)，0.62 min(U4)和0.53 min(U6)，冻土坡面的初始产流时间分别是0.41 min(F2)，0.36 min(F4)和0.27 min(F6)，未冻坡面和冻土坡面的初始产流时间均随着径流坡长的延长而缩短，相比于径流坡长2 m的初始产流时间分别缩短了6.06%～19.70%(未冻坡面)和12.20%～34.15%(冻土坡面)。在相同的坡面类型下，初始产流时间均随着径流坡长的增大逐渐减小。冻土坡面的初始产流时间与未冻坡面相比均有不同程度的减小，在相同径流坡长条件下，冻土坡面的初始产流时间分别是未冻坡面的62.12%(F2/U2)，58.06%(F4/U4)和50.94%(F6/U6)。

表2 未冻坡面与冻土坡面侵蚀特征值

不同径流坡长条件下未冻坡面的产流量峰值分别为774.5 ml(U2)，759.7 ml(U4)和734.9 ml(U6)，冻土坡面的产流量峰值分别是960.12 ml(F2)，980.28 ml(F4)和967.53 ml(F6)，未冻坡面的产流量峰值随着径流坡长的增大而减小。在相同径流坡长条件下，冻土坡面的产流量峰值均远远大于未冻坡面。不同径流坡长条件下未冻坡面和冻土坡面产流量峰值出现的时间均集中在产流后10～15 min。

不同径流坡长条件下未冻坡面的产沙量峰值为99.86 g(U2)，109.33 g(U4)和199.09 g(U6)，冻土坡面的产沙量峰值分别是539.95 g(F2)，568.89 g(F4)和593.3 g(F6)。未冻坡面和冻土坡面的产沙量峰值均随着径流坡长的增大而增大，未冻坡面U4和U6的产沙量峰值分别是U2的1.09倍和1.99倍，冻土坡面F4和F6的产沙量峰值分别是F2的1.05倍和1.1倍。在相同径流坡长条件下，冻土坡面的产沙量峰值分别是未冻坡面的5.41倍(F2/U2)，5.18倍(F4/U4)和2.98倍(F6/U6)。不同径流坡长条件下，未冻坡面产沙量峰值出现时间在产流后的9～15 min，而冻土坡面产流量峰值出现时间在产流后的4～9 min。

2.2 未冻坡面与冻土坡面侵蚀过程

2.2.1 产流过程 图2为不同径流坡长条件下未冻坡面和冻土坡面产流率随产流时间的变化过程。由图2A可以看出，对于未冻坡面而言，不同径流坡长条件下产流率随产流时间的变化过程大致可以分为两个阶段，分别是0～6 min的迅速增加阶段和6～15 min的相对稳定阶段。未冻坡面的产流率变化范围分别在245.23～774.5 ml/min(U2)，357.44～759.7 ml/min(U4)和376.13～734.9 ml/min(U6)，产流率的变异系数(CV)分别是22.14%(U2)，16.13%(U4)和13.41%(U6)。经过ANOVA方差分析，不同径流坡长条件下未冻坡面的产流率随产流时间的变化无显著差异(p>0.05)。由图2B可以看出，冻土坡面产流率随产流历时的变化与未冻坡面产流率的变化规律不同，冻土坡面的产流率随产流历时的变化相对稳定，波动范围分别在871.5～960.12 ml/min(F2)，795.32～980.28 ml/min(F4)和760.76～967.53 ml/min(F6)，产流率的CV分别是2.48%(F2)，4.57%(F4)和5.41%(F6)。经过ANOVA方差分析，不同径流坡长条件下冻土坡面的产流率随产流时间的变化无显著差异(p>0.05)。在相同径流坡长条件下，未冻坡面和冻土坡面产流率随产流时间的变化差异性显著(p<0.05)。并且与未冻坡面相比，冻土坡面的产流率较大，但是波动范围较小。

图2 未冻坡面和冻土坡面的产流过程

不同径流坡长条件下未冻坡面的平均产流量为642.93 ml(U2)，660.09 ml(U4)和670.97 ml(U6)，冻土坡面的平均产流量分别是921.5 ml(F2)，930 ml(F4)和915.58 ml(F6)。未冻坡面U4和U6的平均产流量分别是U2的1.03倍和1.04倍，冻土坡面F4和F6的平均产流量分别是F2的1.01倍和0.99倍。在相同径流坡长条件下，冻土坡面的平均产流量分别是未冻坡面的1.43倍(F2/U2)，1.41倍(F4/U4)和1.36倍(F6/U6)。

2.2.2 产沙过程 图3为不同径流坡长条件下未冻坡面和冻土坡面产沙率随产流时间的变化过程。由图3A可以看出，对于未冻坡面而言，不同径流坡长条件下产沙率随产流时间的变化波动范围较大，分别为39.12～99.86 g/min(U2)，43.49～109.33 g/min(U4)和62.99～199.09 g/min(U6)，产沙率的变异系数(CV)分别是27.8%(U2)，21.74%(U4)和32%(U6)。经过ANOVA方差分析，不同径流坡长条件下未冻坡面的产沙率随产流时间的变化差异性显著(p<0.05)。由图3B可以看出，冻土坡面产沙率随产流历时的变化呈先上升后缓慢下降并保持相对稳定的趋势，冻土坡面产沙率随产流历时的变化波动范围分别在470.07～539.95 g/min(F2)，440.68～568.89 g/min(F4)和449.02～593.3 g/min(F6)之间，产沙率的CV分别是3.33%(F2)，5.61%(F4)和5.91%(F6)。经过ANOVA方差分析，不同径流坡长条件下冻土坡面的产沙率随产流时间的变化无显著差异(p>0.05)。在相同径流坡长条件下，未冻坡面和冻土坡面产沙率随产流时间的变化差异性显著(p<0.05)。

图3 未冻坡面和冻土坡面的产沙过程

不同径流坡长条件下未冻坡面的平均产沙量为61.74 g(U2)，78.88 g(U4)和123.36 g(U6)，冻土坡面的平均产沙量分别是517.11 g(F2)，534.85 g(F4)和547.14 g(F6)。未冻坡面和冻土坡面的平均产沙量均随着径流坡长的增大而增大，未冻坡面U4和U6的平均产沙量分别是U2的1.28倍和2倍，冻土坡面F4和F6的平均产沙量分别是F2的1.03倍和1.06倍。在相同径流坡长条件下，冻土坡面的平均产沙量分别是未冻坡面的8.38倍(F2/U2)，6.78倍(F4/U4)和4.44倍(F6/U6)。

2.3 未冻坡面与冻土坡面的水沙关系

2.3.1 产流率和产沙率关系 由图4A可以看出，在本研究中未冻坡面产流率和产沙率的关系分为两个阶段：缓慢增加阶段和急速增加阶段。在缓慢增加阶段，产沙率随着产流率的增加而缓慢增加，当产流率超过650 ml/min后，产沙率将急速增大，两个阶段交汇的地方即是未冻坡面水沙关系发生变化的突变点。由图4B可以看出，不同坡长条件下冻土坡面的产流率和产沙率与未冻坡面变化趋势不同，产沙率均随着产流率的增大而增大，冻土坡面的产流率和产沙率呈正相关关系。

图4 不同坡面产流率和产沙率关系

2.3.2 累积产流量与累积产沙量关系 坡面累积径流量与累积产沙量之间的相互关系可以定量地反映坡面侵蚀过程中产流与产沙之间的动态变化规律。根据试验数据分析可知，将本研究中两者数据进行函数拟合，发现不同径流坡长条件下未冻坡面和冻土坡面的累积产流量与累积产沙量之间均呈极显著线性相关关系(p<0.01)，函数关系式如下：

M′=cQ′+d

(1)

式中:M′为累积产沙量(kg);Q′为累积产流量(L);c和d为常数。

将拟合结果整理到表中，可以看出不同径流坡长条件下未冻坡面和冻土坡面的累积产流量与累积产沙量拟合函数的相关系数均在98%以上。由表3可以看出，参数c>0，表示坡面累积产沙量均随着累积产流量的增长而增长。结合函数关系以及产流产沙的物理意义，定义参数c为产沙能力系数，参数c的大小与径流坡长呈正相关关系，即坡面产沙能力随着径流坡长的增大而增大，并且冻土坡面的参数c均大于未冻坡面。

表3 累积产流量与累积产沙量的相关关系

3 讨 论

近年来全球极端天气频发，全球变暖已经是一个不争的事实。气候的极端变化导致季节性冻土地区过早融化，从而改变了坡面的水力侵蚀特征。土壤经过冻结，冻土坡面的初始产流时间相比于未冻坡面大大缩短(表2)，本试验的研究结果与Wang[21]和张辉[22]等的研究成果相似。这是由于土壤在冻结过程中，坡面表层土壤中的水分和土壤孔隙中的水凝结形成“冰帽”，阻碍径流入渗，导致坡面径流快速汇集导致初始产流时间大大减小。

在试验期间，冻土坡面的产流率显著高于未冻坡面，也是同样的原因造成的。在试验的初始阶段，坡面仍处于冻结状态，且入渗率较小，随着试验的继续，坡面表层土壤温度逐渐升高，距离表层一定深度内的冻土逐渐融化，坡面产流率逐渐增大。在试验过程中，冻土坡面的产沙率也显著高于未冻坡面，并且冻土坡面的产沙率波动范围较大。由于表层冻土的存在降低了坡面的入渗率，地表径流增大，导致径流侵蚀力增强。与此同时径流的增加又反作用于冻结的土壤，加快了土壤的融化，使坡面的侵蚀颗粒持续释放。径流的增加和冻土坡面的融化相互作用，导致冻土坡面的侵蚀加剧。

土壤侵蚀预测模型(WEPP)的基本理论描述了两种类型的土壤侵蚀[23]：细沟间侵蚀和细沟侵蚀。细沟间侵蚀是指坡面水力侵蚀的初始阶段，土壤颗粒通过薄层流在土壤表面的分离和运移。细沟侵蚀是细沟形成后，径流向细沟头、沟壁和沟底土壤的侵蚀和输送过程。在本研究中，未冻坡面产流率和产沙率分为缓慢增加和急速增加两个阶段，冻土坡面的产沙率则随着产流率的增大逐渐增大，这与细沟的发育和侵蚀模式的改变有关。未冻坡面在产流率较小时，坡面形成不连续的跌坎，此时的侵蚀类型属于细沟间侵蚀，产沙率较小。随着试验的继续，跌坎逐渐连贯形成了细沟，侵蚀进一步加剧最终演化成细沟侵蚀，侵蚀产沙量迅速增加。对于冻土坡面而言，径流在冻土坡面迅速下切形成细沟，侵蚀类型在绝大部分时间属于细沟侵蚀。并且伴随着细沟的持续发育，主要表现为溯源侵蚀和侧壁坍塌，导致冻土坡面的侵蚀进一步加剧。

4 结 论

(1) 在相同径流坡长条件下，冻土坡面的初始产流时间分别是未冻坡面的62.12%(F2/U2)，58.06%(F4/U4)和50.94%(F6/U6)。未冻坡面和冻土坡面产流量峰值出现的时间均集中在产流后10～15 min，未冻坡面产沙量峰值出现时间在产流后的9～15 min，而冻土坡面产沙量峰值出现时间在产流后的4～9 min。

(2) 未冻坡面产流率随产流时间的变化过程分为迅速增加和相对稳定两个阶段，而冻土坡面的产流率随产流历时的变化相对稳定。在相同径流坡长条件下，冻土坡面的平均产流量分别是未冻坡面的1.43倍(F2/U2)，1.41倍(F4/U4)和1.36倍(F6/U6)。

(3) 不同径流坡长条件下未冻坡面的产沙率随产流时间的变化差异性显著(p<0.05)，而冻土坡面的产沙率随产流时间的变化无显著差异(p>0.05)。在相同径流坡长条件下，冻土坡面的产沙率显著高于未冻坡面(p<0.05)。冻土坡面的平均产沙量分别是未冻坡面的8.38倍(F2/U2)，6.78倍(F4/U4)和4.44倍(F6/U6)。

(4) 未冻坡面产流率和产沙率分为缓慢增加和急速增加两个阶段，而冻土坡面的产沙率则随着产流率的增大逐渐增大。未冻坡面和冻土坡面的累积产流量与累积产沙量之间呈极显著线性相关关系，参数c可以作为坡面侵蚀的指示指标。