雨滴打击和壤中流对土壤侵蚀的交互影响

导语本文对西北农林科技大学 / 中国科学院水利部水土保持研究所刘刚研究员课题组于

导语

本文对西北农林科技大学 / 中国科学院水利部水土保持研究所刘刚研究员课题组于 2019 年发表在 Journal of Hydrology 题为 “Interactive effects of raindrop impact andgroundwater seepage on soil erosion” 的文章进行了简要介绍。本研究通过在 2 个近地表 土壤水文 条件（自由入渗和壤中流）下采用模拟降雨试验并在土槽上方铺设尼龙纱网作为消除雨滴打击作用处理，对不同近地表水文条件（自由入渗和壤中流）下雨滴打击对土壤侵蚀过程的影响进行了研究。

文章概述

雨滴打击和壤中流在土壤侵蚀过程中具有非常重要的作用。雨滴打击不仅为坡面径流搬运提供侵蚀物质，还能通过增加坡面薄层径流的扰动而增加径流的挟沙能力。壤中流的形成减小了土壤颗粒间的粘结力，降低了土壤抗侵蚀能力。然而，在近地表水文条件为自由入渗和壤中流条件下，雨滴打击是如何影响坡面侵蚀尚不清楚。因此，本文通过在 2 个近地表土壤水文条件下（自由入渗和壤中流）采用土槽上方模拟降雨试验并结合覆盖纱网覆盖处理消除雨滴打击作用，对不同近地表水文（自由入渗和壤中流）条件下雨滴打击对土壤侵蚀的影响进行了研究。从而揭示了在自由入渗和壤中流水文条件下雨滴打击对土壤侵蚀的影响；分析了不同近地表水文条件下雨滴打击对坡面产流产沙过程以及团聚体大小分布的影响；探究了不同近地表水文条件下雨滴打击对坡面径流水力学参数的影响。该研究不但能够有助于提高对壤中流水文条件下坡面侵蚀过程机制的认识，而且能够为黑土水土保持措施的制定提供理论依据。

文章主要结果

一、径流量和泥沙含量

如图 1 所示，在相同的近地表水文条件下， 100 mm h ^-1 降雨强度的平均土壤流失量是 50 mm h ^-1 降雨强度的 2.5-5 倍。所有试验条件下，雨滴打击作用对径流率的影响不显著，但对含沙量影响显著。壤中流条件对径流量和含沙量均有显著影响。然而，雨滴打击和壤中流的交互作用对径流量和泥沙含量的影响不显著。

雨滴打击作用能够分别增加 3-14% 的径流率、 74-696% 的土壤流失量和 64-560% 的含沙量（图 2 ）。与自由入渗水文条件相比，壤中流水文条件能够分别增加 27-54% 的径流率、 70-588% 的土壤流失量和 27-411% 的含沙量（图 2 ）。

图 1. 不同试验条件下的（ a ）径流率，（ b ）土壤流失量和（ c ）泥沙量（ f ）。 FD= 自由入渗； GWS= 壤中流； RI= 无纱网处理（有雨滴打击）； WRI= 有纱网处理（无雨滴打击）

图 2. （ a ）雨滴打击（ RI ）和（ b ）壤中流水文条件（ GWS ）对不同降雨强度和坡度下径流率（ RR ）、土壤流失量（ SL ）和含沙量（ SC ）的影响

二、土壤侵蚀过程

如图 3 所示，径流率和土壤流失量前期（ 10-15 min ）随着时间的增加而增加，后期趋于稳定。在侵蚀过程中，雨滴打击和壤中流均显著增加了土壤流失量。各试验条件下的径流率和土壤流失量大小均为：壤中流 + 雨滴打击 > 自由入渗 + 雨滴打击 > 壤中流 + 无雨滴打击 > 自由入渗 + 无雨滴打击。

在整个侵蚀过程中，所有的试验条件下的土壤流失量均随着径流率的增加呈现幂函数关系增加，且大小顺序为：壤中流 + 雨滴打击 > 自由入渗 + 雨滴打击 > 壤中流 + 无雨滴打击 > 自由入渗 + 无雨滴打击（图 4 ）。

图 3. 径流率和土壤流失量随时间的变化

图 4. 每个试验条件下的径流率与土壤流失量的拟合函数。 FD = 自由入渗； GWS= 壤中流； RI= 无纱网处理（有雨滴打击）； WRI= 有纱网处理（无雨滴打击）

三、水力学参数

与无雨滴打击试验处理相比，雨滴打击能够分别增加 5-13% 的平均流速和 < 4% 的剪切力，降低 1-19% 的阻力系数（图 5 ）。与自由入渗条件下相比，壤中流能够分别提高 19-33% 的流速和 8-16% 的剪切应力，降低 22-37% 的阻力系数（图 5 ）。

所有试验条件下的平均流速和剪切应力的大小顺序均为：壤中流 + 雨滴打击 > 自由入渗 + 雨滴打击 > 壤中流 + 无雨滴打击 > 自由入渗 + 无雨滴打击；阻力系数大小顺序为：自由入渗 + 无雨滴打击 > 壤中流 + 无雨滴打击 > 自由入渗 + 雨滴打击 > 壤中流 + 雨滴打击。

图 5. （ a ）雨滴打击（ RI ）和（ b ）壤中流（ GWS ）对坡面径流平均流速（ AV ）、剪切应力（ SS ）和阻力系数（ RC ）的影响。 FD = 自由入渗； WRI= 有纱网处理（无雨滴打击）

四、团聚体粒径分布

如表 1 所示，所有试验条件下泥沙中 < 0.25 mm 的团聚体数量最多，约占侵蚀泥沙中团聚体总量的 77-98% 。这是因为较大的团聚体在雨滴打击和径流运移过程中被破坏。在本研究侵蚀过程中，雨滴打击及其崩解作用使泥沙中团聚体的平均重量直径降低 13-69% 。随着降雨强度和坡度的增大，泥沙中的团聚体颗粒减小，有雨滴打击 + 壤中流的条件下泥沙中 < 0.25 mm 的团聚体颗粒的数量大于无雨滴打击 + 自由入渗条件下的泥沙中 < 0.25 mm 团聚体颗粒的数量。这表明壤中流和雨滴打击的共同作用使大团聚体分解成小团聚体。

表 1. 所有试验条件下泥沙中团聚体粒径分布和平均重量直径

五、水保调控措施

在黑土土壤表面增加地表覆盖物可以有效削弱雨滴动能，并能够减少黑土地区典型暴雨强度下的径流。另外，存在壤中流的黑土地块会产生大量的径流，需要设计排水系统以减小径流，从而防治水土流失。

论文信息： Gang Liu,Fenli Zheng*, Jia Lu, Yafei Jia, Xun-chang (John) Zhang, Feinan Hu, JiaqiongZhang. Interactive effects of raindrop impact and groundwater seepage on soilerosion. Journal of Hydrology, 2019, 578: 124066.