土壤侵蚀与地表坡度关系研究.docx

土壤侵蚀与地表坡度关系研究王秀英曹文洪陈东(中国水利水电科学研究院北京100044)摘要本文阐述了坡度影响土壤侵蚀机理,并对土壤侵蚀临界坡度进行了初步探讨,分析其存在的原因,指出临界坡度与土壤内在性质、植被、泥沙粒径、降雨特性、入渗等因素有关,并不是一个常数。最后结合小区径流场试验资料分析了坡度对土壤侵蚀的影响。关键词土壤侵蚀临界坡度溅蚀坡度影响土壤侵蚀机理雨滴的击溅和坡面地表径流的冲刷在坡地侵蚀中起着重要作用。雨滴击溅为径流冲刷提供丰富的溅松固体物质。吴普特等1通过小区试验得出,消除击溅后坡面侵蚀量可降低60%(最高可达80%)。坡面径流是侵蚀的主要外营力之一,它在流动过程中,侵蚀坡面,形成各种形态的侵蚀沟谷。1.1坡度对溅蚀的影响坡地上的溅蚀强度与降雨因素、坡面土壤抗溅蚀能力、植被和地面坡度等因素有关。溅蚀的结果首先表现在雨滴直接冲击土壤表面,使土壤结构遭到破坏,土粒分散、破坏和迁移。在地面较平坦时,即使雨滴可以导致严重的土粒飞溅现象,也不致造成严重的土壤流失,而在较大的地面坡度下,土粒被溅起向下坡方向飞溅的距离较向上坡方向飞溅的距离大,数量也要多,为土壤冲刷创造了有利条件。爱立森认为,在10%坡度的坡面上,雨滴冲击的结果是75%的土粒向坡下迁移,其迁移规律为:向坡下移动物质(%)=50%+坡度(%),向坡上移动物质(%)=50%-坡度(%)。江忠善等2根据野外天然降雨溅蚀试验(陕北黄土丘陵沟壑区安塞水土保持试验站)观测资料得出:向上坡的溅蚀量随着坡度的增加保持减小趋势,向下坡溅蚀强度随着坡度的增大呈递增而后呈递减的变化规律,其临界坡度为2114°,而向上坡、向下坡的总溅蚀量的临界坡度为2613°。这与陈浩等3在室内模拟人工降雨试验条件下,对相近土质(马兰黄土)试验的临界坡度值是十分接近的。这一临界坡度的存在机理十分复杂,是雨滴溅蚀力和土壤抗蚀力随坡度变化增加或减少作用组合影响的结果。一方面是由于坡度的存在使单位坡面上的承雨强度发生变化,另一方面是随着坡度的增大,土壤颗粒固有重力将更有利于溅散土粒向下坡运动,同时坡度的增大,降低了土壤的稳定性,土壤抗蚀能力减弱。总之,溅蚀作为坡地土壤侵蚀的重要组成部分之一,对其临界坡度发生机理的研究应该加强。溅蚀作用还表现在雨滴直接冲击径流,引起径流紊乱,增加了径流挟沙能力。因入渗量与坡度成反比关系,坡度大时,容易产生径流,增加了溅蚀与坡面径流联合侵蚀的作用,加剧361了水土流失。1.2坡度对径流及侵蚀强度和侵蚀方式的影响坡度影响着渗透量与径流量的大小及水流的速度,从而影响着地表侵蚀方式和强度。径流不仅和坡度有关,而且和降雨、入渗有关。径流所具有的能量是径流量与流速的函数,而流速的大小主要决定于径流深度与地面坡度。随着坡度的增加,入渗减少,地表径流增加,所以坡度直接影响径流的冲刷能力。即使到超渗产流时,与水平面相比坡面水层流速大,侵蚀物质能被及时带走,利于下层土的溅蚀和冲刷,侵蚀量也随之增加。但在同时随着坡度的增大,在同样的坡长及降雨倾角下受雨面积也受到影响,从而影响到径流量。表1给出了绥德水土保持实验站1954～1960年在坡度为14°、21°和28°的坡耕地(黄土)上观测的结果。表1绥德水土保持实验站不同坡度耕地上水分流失及土壤侵蚀量比较ComparisonofwaterandsoillossesincroplandswithdifferentslopesatSuidestation坡度(°)年平均流失量一次流失量水(m3/ha)水(m3/ha)土(t/ha)土(t/ha)14212826734825438146016101196613610462122146注:年平均雨量47519mm,汛期雨量为36612mm;一次降雨量为39mm,雨强为0114mm/min。可见,在一定条件下,随着坡度的增大径流量有减少的趋势,但侵蚀量在地表坡度小于临界坡度的情况下,随着坡度的加大而增加。另外,坡度的不同,使侵蚀方式出现明显差异。在黄土区重力侵蚀多出现在35°以上斜坡上,潜蚀、溶蚀多出现在45°以下斜坡上。侵蚀强度与坡度关系复杂。坡地土壤侵蚀临界角探讨不少研究者从不同侧面对坡地侵蚀进行了研究,由于考虑问题的角度不同,所得的结果也不同,许多问题还有待于进一步探索。1936年雷默(Remer)在美国波依士河流域研究证明:在40°时地表侵蚀强度达到最大值,并向两端逐渐减少。霍顿(Horton)于1945年由曼宁公式,经过很多简化首先从理论上分析得出侵蚀的坡度转折角为57°。我国的一些学者也从试验中和理论上推导出了相应的临界坡度。中国科学院地理研究所通过研究得出在黄土丘陵沟壑区,转折坡度大致在25°～2815°。陈法杨4在裸露的红粘土上进行人工降雨试验,得出土壤侵蚀的坡度界限为25°。曹文洪5利用在垂直降