黄土丘陵沟壑区不同雨强下坡长对坡面土壤侵蚀的影响

收稿日期：2010-01-15；修订日期：2010-05-26

基金项目：

国家自然基金重点项目（40635027）、黄河水利委员会治黄专项（黄水保200651-02）、国家自然基金面上项目（40971165）资助作者简介：陈晓安（1983-），安徽省南陵县人，硕士，研究方向：土壤侵蚀模型。E-mail:onlycxa@ *

通讯作者：

E-mail ：caiqg@ 黄土丘陵沟壑区不同雨强下坡长对坡面

土壤侵蚀的影响

陈晓安1，2，3

，蔡强国2*，张利超1，郑明国2，綦俊谕2，李君兰2

（1.江西省水土保持科学研究所，江西南昌330029；2.中国科学院地理科学与资源研究所陆地水循环与地表过程重点实验室，北京

100101；3.华中农业大学资源与环境学院，湖北武汉430070）

摘要：坡长对土壤侵蚀的影响可能随雨强不同而发生变异，采用岔巴沟流域径流场资料对该问题进行了研究。分析了不同雨强范围下坡长对土壤侵蚀的影响，探讨了坡面土壤侵蚀的临界坡长。结果表明，坡长与土壤侵蚀的关系受雨强效应的影响；团山沟坡面坡长与土壤侵蚀的关系在I 30高于和低于0.21mm min -1表现出不同的规律：当I 30≤0.21mm min -1即小雨强范围时，随着坡长从20m 到60m 的增加，土壤侵蚀模数而逐渐减小，此时，土壤侵蚀模数随坡长的变化趋势与径流模数随坡长变化的趋势相同；当I 30>0.21mm min -1即大雨强范围时，随着坡长从20m 到60m 的增加，土壤侵蚀模数先增加后趋于稳定，土壤侵蚀模数随坡长变化的趋势与径流平均含沙量随坡长变化的趋势相同；坡面土壤侵蚀的临界坡长非定值，是关于I 30的函数。

关键词：黄土丘陵沟壑区；坡长；土壤侵蚀中图分类号：S157.1

文献标识码：A

文章编号：0564-3945(2011)03-0721-05

Vol.42,No.3Jun.,2011

土壤通报

Chinese Journal of Soil Science

第42卷第3期2011年6月坡长是影响坡面土壤侵蚀的重要因子[1~3]。已有大

量的研究涉及侵蚀强度随坡长的变化，国内外很多学者对坡长与土壤侵蚀的关系进行了大量研究，早在1936年Cook 就提出了坡长是影响侵蚀的重要因子[4]；Laws 认为，随着坡长增加，水体中含沙量增加，水流能量多消耗于挟运泥沙，侵蚀作用反而减弱[5]；Zingg 的观点是，从上坡到下坡由于水深逐渐增加，侵蚀相应增大[6]；Langbein 认为，随着坡长增加，径流量增加，侵蚀加强，在侵蚀加强后，水体含沙量增加，水体能量主要为泥沙负荷所消耗，侵蚀减弱，二者相互消长，结果侵蚀从上坡向下坡不变[7]；罗来兴对黄土高原研究表明，坡地上的侵蚀量随坡长的增加，先增强，后逐渐减弱，再增强的变化过程[8]；郑粉莉等认为，黄土坡耕坡面侵蚀产沙量随坡长变化强弱波状起伏变化[9]；蔡强国等研究表明，坡面土壤侵蚀产沙量随坡长呈先增加趋势，但坡长超过一定值时，又随坡长的增加而逐渐减小[10]。孙亚平通过模拟降雨试验研究表明单位径流深侵蚀模数随着坡长增加成指数函数增加[11]。不同的学者得出的结论有所差别，其原因固然与研究区不同有关。然而，不同雨强条件下，土壤侵蚀机理有很大差异，如当雨强较小时，土壤侵蚀以溅蚀为主，径流主要搬运泥沙，而雨强较大时，径流则可能以冲刷侵蚀为主。因此，坡长对土壤侵蚀的影响可能随雨强的变化而变化，这也可能是不同研究者所得结论不同的一个

重要原因。论文主要针对这一问题在岔巴沟流域进行

了研究。

1研究区介绍及数据来源

岔巴沟流域位于黄土丘陵沟壑第一副区的子洲县，面积为205km 2，流域地貌形态主要为黄土丘陵沟谷区和河谷阶地区；地面坡度复杂，沟谷坡面陡峭，坡度一般大于60°，梁峁坡坡度从几度到30几度。气候属于干燥少雨的大陆性气候，年降水量约为450mm ，年际变化较大，年内分配不均，70%以上降雨集中在6~9月份，且降雨多为强度较大而历时短暂的暴雨，最大记录降雨强度为3.5mm min -1，年蒸发量达1228mm ，年平均气温为8℃。土壤为黄土母质发育的黄绵土为主，土壤颗粒中大于0.05mm 的含量约为25.8%，在0.01~0.05mm 之间的约为57.7%,小于0.01mm 的含量约为16.5%,土壤颗粒中以粉粒为主，土质极容易造成侵蚀。

为了研究坡面侵蚀产沙，1959年黄河水利委员会在该区建立了12个径流场，1969年径流场关闭，并刊印出版了《黄河流域子洲径流实验站水文实验资料》。其中2、3、4号径流场坡度相同，位于同一个峁坡，植被类型也相同，有1963~1967年的观测资料。1963~1967年3个径流场同期产流事件共记录有23场，采用这23场降雨进行本文研究。

第42卷

土壤通报2

结果与分析

2.1

坡长对土壤侵蚀的影响

黄土高原10~30分钟最大雨强与土壤侵蚀模数的相关性很好[12]。相关系数差异性的显著性检验表明，10~30分钟内的不同时段雨强与土壤侵蚀模数的相关性没有表现出显性差异。论文选择最大30分钟雨强（I 30）来表征降雨特性。

径流场Runoff splot 423

位置Position

峁坡上部峁坡上部峁坡上部

坡型Slope shape 直行坡直行坡直行坡

坡度

Slope

gradient

(°)

222222水平投影坡长

Slope length （m ）

20

40

60

坡宽Slope width

（m ）151515表1

团山沟径流场的基本特征

Table 1Characteristics of runoff plots in Tuanshangou

subbasin 图1

最大30分钟雨强（I 30）与土壤侵蚀的关系

Fig.1

Relations between maximum 30-minute rainfall intensity (I 30)and soil erosion

回归结果（图1）表明，60m 坡长的斜率大于20m 坡长斜率，40m 坡长斜率和60m 坡长斜率几乎相等。

I 30相同时，从4号径流场到2号径流场，坡长增加20m 土壤侵蚀模数增加很大，而从2号径流场到3号径流场，坡长同样增加20m 土壤侵蚀模数却变化很小。其原因可能是：①随着坡长的增加，径流不断汇集，侵蚀能力不断增加；然而随着坡长增加，随着泥沙不断进入水流，径流需要消耗更多的能量输移泥沙。因此当含沙量沿坡长增加到一定程度后，侵蚀模数随坡长的变异会很小。②随坡长增大，径流深增加，水压增加，土壤入渗增大，径流模数减小，导致径流冲刷量和搬运量减小。

2.2坡长效应随雨强的变异

2.2.1小雨强降雨事件从图2可知，当I 30>0.21mm min -1时，40m 、60m 坡长上的土壤侵蚀模数开始明显大于20m 坡长的土壤侵蚀模数，并随着雨强的增大，差异越来越明显，但40m 、60m 之间的土壤侵蚀模数没有明显差异。当I 30≤0.21mm min -1时，各个坡长下的侵蚀模数都很小，从上图很难看出差异性。

I 30≤0.21mm min -1的同期共6次产流事件，计算了其降雨条件下三个径流场的平均侵蚀模数及其标准误。由图3可知，当I 30≤0.21mm min -1时，从20

~60m ，

随着坡长增加土壤侵蚀模数是逐渐减小的。江忠善[13]在黄土丘陵沟壑第一区的绥德径流场资料研究也表明，当I 30≤0.25mm min -1时，

在20~40m 范围内，土壤侵蚀模数随坡长增加而减小。

对上述6场降雨事件下三个径流场的平均含沙量和平均径流模数计算，由图4可知，从20~60m ，平均含沙量均值随着坡长增大先增大后趋于稳定，径流模数均值随着坡长增大是逐渐减小的。从图3、图4中可以看出，该降雨条件下土壤侵蚀模数随坡长的变化趋势与径流模数随坡长的变化趋势相同。

上述6场降雨事件下三个径流场的径流模数散

图2

不同坡长下最大30分钟雨强（I 30）与土壤侵蚀模数的散

点图

Fig.2

Scatter diagram of maximum 30-minute rainfall intensity (I30)and erosion modulus

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