邓龙洲，张丽萍，范晓娟，邬燕虹，孙天宇，费 凯



不同雨强和坡度下侵蚀性风化花岗岩母质坡地产流产沙特征

邓龙洲，张丽萍※，范晓娟，邬燕虹，孙天宇，费 凯

（浙江大学环境与资源学院，浙江省农业资源与环境重点实验室，杭州 310058）

为研究解决南方侵蚀性风化花岗岩地区的水土流失问题，该文采用室内人工模拟降雨方法研究了不同降雨强度（30，60，90，120，150 mm/h）和不同坡度（5°，8°，15°，25°）条件下的风化花岗岩残积坡地的土壤侵蚀过程。结果表明：1）坡面径流的初始产流产沙时间都随着坡度和雨强的增大而提前；2）坡面径流量与坡度之间不呈简单的正相关关系，径流系数随雨强的变化呈现指数相关关系，入渗率在雨强为30～120 mm/h之间在坡度8°左右出现极大值；3）侵蚀产沙量随坡度和雨强的增大而增大，其与坡度之间的关系可以用幂函数表示，决定系数均达到0.815，与雨强之间为指数函数关系，决定系数均达到0.889以上；4）水力侵蚀对泥沙具有分选性，径流侵蚀挟带泥沙中的粉粒、黏粒以及细砂粒含量较多；5）坡度和雨强对于侵蚀产沙量的综合影响可以用线性相关方程来比较准确地描述，对产沙量的影响权重排序为：含沙量＞雨强＞径流系数＞坡度。

土壤；侵蚀；径流；风化花岗岩；人工模拟降雨；坡度；雨强；产沙

0 引 言

降雨造成的土壤侵蚀是世界范围内严重的环境问题，会导致土壤退化和水环境污染[1]。坡度是影响坡面土壤侵蚀的重要因素之一[2-3]，同时也是水土流失方程中的重要因子[4]。大量的研究表明，在一定范围内，坡度越大时产生坡面径流和土壤流失量越高[5-6]。也有研究表明，当坡度达到某些值时，坡度和土壤侵蚀量之间的关系出现反转[7-8]。降雨过程中的土壤侵蚀是由雨滴击溅和坡面径流引起的土壤分离和搬运的复杂现象[9]。土壤颗粒随径流的迁移是坡面侵蚀的主要表现方式，侵蚀产沙是一个复杂的过程，受降雨强度和下垫面等因素的综合影响，侵蚀量的变化对于探讨降雨过程中的侵蚀产沙规律至关重要[10]。当前国内外研究人员多通过室内模拟降雨或野外径流小区试验方法对坡度和土壤侵蚀量之间的关系进行分析[11-14]，GIS技术的运用使得对土壤侵蚀坡度范围的研究取得较大进展[15]，但没有对作用机理进行解释说明。一些学者从水动力学方向对坡度与坡面侵蚀量的关系进行研究[16-17]，也有很多学者进行了坡度与坡面侵蚀模型的研究[18-21]。例如，Martínez-Murillo等[22]认为降雨模拟试验可广泛应用于巴德兰地区的地貌研究，降雨强度、径流系数和坡角对侵蚀产沙量和泥沙分离有正向影响，降雨模拟增加了对土壤侵蚀过程的时空变化的理解。冯秀等[23]通过室内人工模拟降雨试验，研究降雨强度、坡度及地表覆盖3个因素对花岗岩红壤坡面侵蚀过程的影响，发现地表覆盖具有良好的侵蚀减沙作用。Magesh等[24]开发了一个自动化的侵蚀模型用于确定印度南部盆地潜在的土壤侵蚀区，分析了研究区土壤侵蚀和泥沙产量的分布，认为低水平的土壤侵蚀能反映该地区子流域的气候变化和地形。由于试验条件不同，所导致的坡面侵蚀产流产沙以及临界坡度等问题尚无一致结论。

目前关于坡度和雨强对坡面侵蚀产沙产流影响方面的研究对象以红壤和紫色土为主[25-27]，尤其针对中国南方多雨且土层较薄的风化花岗岩坡地的侵蚀产沙对坡度和雨强的响应问题，值得进一步的深入探究[28]。降雨是造成中国东南部土壤侵蚀的主导因子，风化花岗岩又是南方土壤侵蚀的重要组成部分。早在20世纪90年代，就有学者对花岗岩侵蚀区的土壤侵蚀与治理进行了研究。阮伏水[29]就坡度和坡长对土壤侵蚀的影响进行了研究，发现土壤侵蚀随坡度的增加而加剧，两者之间呈现幂函数关系，但由于坡地类型不同，所建立的经验模型的坡度幂指数差异较大。随着坡度的增加，土壤侵蚀的发展方向是面蚀-沟蚀-崩岗蚀-滑坍，即由水蚀逐渐向重力侵蚀过渡。崩岗侵蚀一旦出现，往往成为花岗岩区最剧烈的侵蚀方式，形成灾难，一定时间内很难治理、逆转，将长期影响着水土流失[30]。华中农业大学研究团队针对鄂东南花岗岩崩岗区发育的表土层、红土层、砂土层、碎屑层，进行了不同坡度和不同流量相结合的室内放水冲刷试验，对定量研究崩岗不同土层土壤剥蚀率、预测土壤剥蚀过程及建立崩岗侵蚀物理模型具有重要的理论和实践意义[31]。同时研究了鄂东南地区崩岗崩壁不同层次的土壤水分特征，以期区分各层次土壤水分与崩岗侵蚀的联系[32]。徐加盼等[33]通过室内人工模拟降雨，采用三维激光扫描技术研究了花岗岩风化土体侵蚀表面特征。这些成果对于风化花岗岩地区的土壤侵蚀研究与治理工作具有较大的指导意义。

综上所述，设计不同降雨和不同坡度组合情况下的侵蚀产沙特性的研究具有重要的现实意义。因此，本文采用人工模拟降雨试验方法，研究不同降雨强度下坡度对侵蚀性风化花岗岩残积坡地的土壤侵蚀过程的影响，以加深对风化花岗岩母质坡地土壤侵蚀规律的认识，并为建立土壤侵蚀预报模型和水土流失治理提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验土壤

试验土壤采自浙江省安吉县。安吉县位于浙江省西北部，天目山北麓，北纬30°23′～30°53′，东经119°14′～119°53′，属中亚热带季风区，雨量充沛，气候温和。全县年平均气温15.60 ℃，雨日171 d，年日照时数1 792 h，多年平均相对湿度81%，年平均降雨量1 414 mm，年降雨量最大值1 869.9 mm，最小值850 mm，每年3～5月份降雨量占全年降雨量的20%，6～10月为58%，1～2月及11～12月为15%。研究区属于典型的南方红壤丘陵区，土壤类型为发育于风化花岗岩母质上的红壤，但由于严重的土壤侵蚀，地表砂化严重，剖面从下向上依次为母质层、碎屑层、砂土层，其侵蚀特征和发育程度在东南丘陵地区具有典型代表性。土壤呈弱酸性，pH值6.22，平均容重为1.55 g/cm3，自然状态下初始含水量为8%±1.5%，土壤饱和含水量为11%左右，有机质含量2.70 g/kg，粒径组成为黏粒（<0.002 mm）占8.24%，粉粒（0.002～0.02 mm）占12.25%，砂砾（0.02～2 mm）占79.51%，为典型的砂土。

本研究所选的采样土壤为砂土层出露的坡地土壤。从土壤发生学分层来看，砂土层下伏层应该是碎屑层，但由于所采集土壤剖面砂土层与碎屑层无明显分界，其砂土层内部上下土壤结构并不一致。所以，采用等深度采样方法进行原状土搬迁，及室内对应层位径流槽填充。首先在原地从地表每5 cm分层采集装袋，共采集12层，60 cm厚度的土壤，并分层测试土壤容重。为了最大程度地保证土壤的相似性，在室内径流槽中对应层位填充，边填土边洒水压实，以使径流槽内部土壤状态尽量和野外状态一致，保证每个层次土壤容重的一致性，并用力将土槽的边缘压实，以减小边际效应。然后搁置一段时间，让其自然沉实（45 d）使土体恢复自然特征后开始降雨试验。在每场降雨试验前采集土样并测定土壤前期含水量，以确保所有模拟试验土壤的初始含水率基本相同。

1.2 试验装置

试验于2017年3-8月在浙江大学农业科学试验站（中国长兴）的人工模拟降雨实验基地进行，人工模拟降雨器采用西安清远测控技术有限公司研发的QYJY-502型便携式自动人工模拟降雨系统，主要由降雨喷头、供水管路、压力表、回水阀、供水水泵、不锈钢支架、开关阀等部分组成，雨强由全自动降雨设备“控制器”控制（图1），雨强连续变化范围为15～200 mm/h，精度控制在99%，降雨高度为6 m。试验径流槽采用自行设计的一种变坡式壤中流三维立体模拟监测径流试验槽（ZL201620924448.7），共设计2个并行排列的径流槽，降雨器同时覆盖2个径流槽，予以重复计算。径流槽的几何规格长宽高分别为200 cm×100 cm×60 cm，采用液压装置来控制径流槽坡度，坡度在0°～30°范围内可灵活调节。径流槽底部的前侧和左右两侧设置延伸槽，高度3 cm，内铺小孔径的金属细网，用于方便收集壤中流。径流槽前部顶端设计有三角形出水口，连接集流槽，用于收集坡面径流含沙水样，底端有三角形铁制集水槽且装有水龙头，用于接取壤中流水样。

图1 便携式自动人工模拟降雨系统与“控制器”设备

1.3 试验设计与泥沙分析

试验降雨强度是根据当地县气象局统计资料而设计的，依据多年平均降雨的分布特征及出现频率较大的降雨强度与侵蚀性暴雨等级之间的差值等差平分，共设计5个雨强，分别为30，60，90，120，150 mm/h。试验坡度的控制依据为《中华人民共和国水利行业标准》SL 190－2007坡面面蚀强度分级指标，分别为5°，8°，15°，25°，具体坡度通过安置在径流槽上的铅锤装置读取。

通过坡度和雨强2个研究变量的组合设置，共进行有效降雨试验20场次。降雨强度控制采用系统校准与标定相结合的方法，首先用挡雨布遮盖径流槽后进行雨强控制系统的核准，然后开始试验标定，使系统的波动误差在允许范围内，达到目标雨强后移走雨布并开始进行计时，记录坡面径流和壤中流开始产流的时刻。坡面产流产沙收集总时间为产流开始后的90 min，总降雨历时为开始有效降雨到坡面径流收集结束为止。每3 min取1次径流泥沙样，每场降雨试验共采集径流泥沙样品30个，测量每个径流样品的体积，然后将径流样品静置沉淀36 h后,倒去上清液，放入105 ℃烘箱烘干后测得产沙量与粒径组成。所有计算结果是2个径流槽数据的平均值。

2 结果与分析

坡面径流侵蚀是坡面物质组成与降雨径流特性的函数，径流是泥沙的载体，径流量及径流系数的大小取决于雨强、坡度及初始产流时刻。

2.1 坡面产流特征

在试验设计条件下，坡面径流的初始产流时间（T）具有明显的规律性（表1），其随坡度、雨强而变化。由表1可知，坡度相同的条件下，T都随着雨强的增大而提前，时间从大到小依次为30>60>90>120>150 mm/h。以5°坡度为例，T随雨强增大依次减小了13.08，7.33，2.17，0.62 min，其他坡度条件下也呈现相同递变规律，但是减小的程度随着坡度的增大而逐渐变弱。在降雨强度一致的情况下，T整体随着坡度的增大而提前，时间从大到小依次为5°>8°>15°>25°，T减小的程度随着降雨强度的增大而逐渐变弱。冯秀等[23]在福建花岗岩地区的研究结果也表明起始产流时间随降雨强度和坡度的增加而有所提前。初始产流时间与雨强之间关系密切的原因在于坡面存在不同的产流方式，当降雨强度小时产流方式为蓄满产流，当降雨强度大时则形成超渗产流；随着坡度的增大，径流重力沿坡面方向的水平分力增大，可加快径流速度，使产流时间提前。

表1 试验监测数据统计表

就坡度对径流的影响而言，由表1数据分析可知，坡面径流量在相同坡度条件下随着雨强的增大而增大。坡面径流量与坡度在不同雨强下并不呈现简单的正相关关系，分大雨强（120、150 mm/h）和中小雨强（30、60、90 mm/h）2种情况而出现不一样的结果。坡度一定时，中小雨强条件下的坡面径流量都小于30 L，尤其是30、60 mm/h的坡面径流量很小，随坡度的增大而增大。而大雨强150、120 mm/h条件下，坡面径流量的变化发生了逆转，在相同雨强时随着坡度的增大呈现递减的趋势。其可能因为大雨强条件下，初始降雨时更容易冲刷携带走坡面的小颗粒泥沙，使得地表沙化颗粒增多，易于降雨的下渗，导致最终出口处收集的坡面径流量减少。

在表1数据的基础上，计算了径流系数，并绘制了径流系数随雨强和坡度的动态特征曲线（图2）。由图2可知，径流系数随雨强的变化都呈现为指数相关，其相关系数均大于0.932，并随雨强的增大，增加的幅度在增大。其中25°坡度条件下的最大，相关性最好。从5个雨强的增加规律来看，当雨强小于90 mm/h时，径流系数随坡度的变化不明显，在雨强大于90 mm/h的情况下，径流系数增加幅度倍增，而且在4个不同坡度的情况下，5°条件下增加最快。

图2 径流系数随雨强和坡度的动态特征曲线

径流系数的大小取决于土壤的入渗强度，为了进一步分析造成坡面径流量变化趋势的原因，计算了不同条件下的降雨入渗速率并绘制过程曲线（图3）。图3显示，降雨渗透率随时间的延长先减小后趋于稳定，30、60和90 mm/h雨强下的入渗量比较大，产生的坡面径流量较少。大雨强下的入渗率变化波动较为明显，雨强150 mm/h时的最大入渗率出现在5°坡面，其他雨强条件下的最大入渗率出现在8°坡面。在本试验设计情况下，影响降水入渗的主要因素是坡度和雨强。当雨强大于土壤的入渗强度时，一方面会形成超渗产流，同时，大雨强时雨滴的直径大而且下落的终极速度随之加大，对坡面土壤产生较大的打击和溅蚀作用，导致坡面地表结皮，更容易形成坡面径流。当雨强小于土壤的入渗强度时，雨滴的直径较小、动能较低，对地表的击溅侵蚀较弱，因而坡面产流量较小，主要以蓄满产流为主，但由于被试验土壤的砂粒含量较多，土壤的大孔隙比重较大，土壤渗漏严重，以壤中流的形式出流明显，坡面径流量较小。坡度不仅影响受雨面积，也影响到入渗水流的势能和剪切力。在坡度较大时，受雨面积减小，在相同入渗的情况下，坡面径流理论上应该呈减少的规律。但本试验结果显示为两个变化趋势，在雨强较小时（30、60 mm/h），是随着坡度的增加而增加，当雨强大于90 mm/h时，随坡度的增大而减小。90 mm/h雨强时，增减幅度不明显，呈现为小波动。进而说明，坡度和雨强对土壤特性的综合响应过程不同于单一要素的响应。

图3 不同雨强和坡度下的坡面径流入渗过程线

2.2 坡面侵蚀产沙特征

在雨强相同时，坡面径流侵蚀产沙量随坡度的增大而增大，其关系可以用幂函数表示（表2），回归拟合的决定系数均达到0.815，表明该拟合式能够很好地描述两者之间的关系。雨强越大，侵蚀产沙量随坡度增大的幅度越大，即回归模型的斜率越大。在30 mm/h雨强时，坡面径流的侵蚀产沙量很小，都没有超过0.01 kg，坡度由5°增大到25°的坡面产沙量增幅为0.006 kg。雨强增大到60 mm/h时，产沙量增幅为0.049 kg，较前者大0.043 kg，雨强为90 mm/h时，产沙量随坡度增大的增幅为0.812 kg，是雨强60 mm/h时的16.45倍，而雨强增大到120和150 mm/h时坡面侵蚀产沙增量对应为2.958和2.504 kg，分别是90 mm/h时的3.64倍和3.08倍。

表2 交叉处理条件下产沙量与坡度和雨强之间的关系

注：表中代表产沙量，kg；代表坡度，(°)；代表雨强，mm·h-1。

Note:stands for sediment yield, kg;stands for slope gradient, (°);stands for rainfall intensity, mm·h-1.

相同坡度条件下，产沙量随着雨强的增大呈增大的趋势，这与郑子成等[34]对紫色土研究的结论一致，其关系可以用指数函数表示（表2），回归模型决定系数均达到0.889，能够较好地描述两者之间的关系。而且模型的斜率随着坡度的增大而增大，说明坡度越大时产沙量随雨强的增幅越大。坡度5°～25°，降雨强度由30 mm/h增大到150 mm/h时，各坡度下产沙量的增幅依次为1.595、2.446、3.565和4.093 kg，表明坡度越大侵蚀产沙量随雨强增加的速度越快，秦伟等[35]在红壤裸坡地和马星等[36]在紫色土坡耕地的研究也存在类似结论。

在表1数据基础上，计算了径流含沙量并绘制了含沙量与降雨强度的关系图（图4）。根据坡面径流量的变化，大雨强时坡度5°条件下的坡面侵蚀产沙量理论上也应该最高，但试验结果并非如此。这是因为降雨侵蚀并不完全等同于简单的冲刷结果，土壤颗粒的分散、悬浮和搬运都是不同的物理作用过程，需用同时考虑平均含沙量、坡度和雨强的作用。相同雨强下平均含沙量随坡度的变化过程表明，在雨强相同时坡面径流的平均含沙量会随着坡度的增大而增大。但是与产流过程相比，产沙过程更具有波动性和复杂性。在小于60 mm/h情况下，在坡度相同时，5°、8°和15°条件下坡面径流的平均含沙量在60 mm/h时出现一个小峰值，但是5°坡地的平均含沙量远小于其他的坡度，8°、15°和25°坡地的平均含沙量变化相近似，没有表现出随坡度增加而增加的现象。随后，5°、8°和15°坡度在60～90 mm/h之间各坡度的平均含沙量显示为递减的趋势。在雨强为90 mm/h时，坡度为5°、8°和15°出现了平均含沙量下降的畸值，而25°的坡地呈现为直线上升。大于90 mm/h的所有雨强，在4个设计坡度的情况下，几乎都呈现为直线上升，只不过上升率以25°最大。这表明侵蚀性风化花岗岩坡面地区在雨强为60～90 mm/h之间存在一个侵蚀性临界雨强。

图4 不同坡度下平均含沙量随雨强的变化

上述分析表明，在相同坡度的情况下，平均含沙量随着雨强增大而呈现出增大的现象，这是因为较大的雨强能减少入渗，更快地产生地表径流，地表径流逐渐增多，对地表的冲刷就越强，携带走地表更多的泥沙，使冲刷量增加。雨强越大，雨滴动能和终极速度越大，对表层土壤结构的稳定性破坏越大，击溅侵蚀加剧，而且短时间内在坡面迅速产生地表径流冲刷土壤，进一步加剧土壤侵蚀。

坡面径流携带泥沙颗粒特征取决于径流的水动力学过程特征，其具体表现在所搬运泥沙的机械组成。为进一步研究降雨条件下坡地侵蚀产沙的机理，根据国际制粒级划分标准将降雨后的侵蚀泥沙样和降雨前的原始土颗粒情况进行对比（图5）。由于强烈的侵蚀，使得发育于风化花岗岩母质上的土壤砂土层出露，砂粒含量的比重加大，所以增加了0.5、1 mm的粒级。结果表明，在侵蚀性风化花岗岩坡地，径流侵蚀产生的泥沙主要为粒径小于0.002 mm的黏粒、0.002～0.02 mm的粉粒以及0.02～0.2 mm之间的细砂粒，质量分数分别为16.70%、17.10%和14.15%，占总泥沙质量的47.95%，约为原始土质量分数26.95%的1.8倍，侵蚀泥沙的大砂粒和中砂粒（粒径0.2～2 mm）含量明显低于原始土的含量。这是因为粒径较小的颗粒受雨滴击溅容易起动，相对小的质量使之易于携带，因此降雨时间越长，小颗粒随雨强增大的流失量越多。大颗粒泥沙不易起动和搬运，即使发生了起动也可能会在搬运过程中发生沉积，无法长距离移动，因此只有较少部分会流出坡面，这是径流分选搬运作用的结果。径流侵蚀挟带的泥沙中粉粒、黏粒以及细砂粒的含量较多，导致土壤物理性黏粒和团聚体大量被侵蚀，造成了坡地土壤粗化，土壤肥力下降。分析其作用机制，土壤侵蚀量随径流流量的增大而增大[32]，雨水冲击浅层径流，会在流动中产生颗粒云，沉降速度低于径流速度的颗粒沉降到初始撞击区下游的表面，这些颗粒向下游移动的距离由流速、颗粒在水中的沉降速度以及颗粒被悬浮的高度来决定。随着径流雷诺数的增加，水流从层流转为紊流，雨滴冲击造成的干扰持续时间足以使整个水流受到紊流的影响，而不仅仅是作用于孤立的冲击地点，也就表明了受到雨滴击溅扰动影响的浅层径流侵蚀能力远大于无雨滴击溅影响的浅层径流。

图5 侵蚀泥沙样和原始土的粒径分布

2.3 坡面径流侵蚀产沙影响因素拟合

根据表1试验统计数据分析可知，径流量与产沙量呈现出明显直线正相关性，相关系数达到了0.807。采取跨坡度的雨强与产沙量拟合分析，二者呈现为指数规律，其相关系数也达到了0.885。同时，计算了不同雨强和不同坡度组合试验的平均含沙量和径流系数，并绘制了平均含沙量、径流系数和总产沙量拟合曲线（图6）。拟合结果表明总产沙量与平均含沙量之间为直线正相关关系，相关系数为0.709，表明在侵蚀量相同的情况下平均含沙量越大则总产沙量也就越大。总产沙量与径流系数之间为指数函数关系，决定系数为0.727，也就是说径流系数越大则总产沙量越多。坡度和雨强是侵蚀产沙的直接影响因素，在坡面复杂系统中，平均含沙量和径流系数是雨强和坡度的直接体现。胡尧等[37]通过研究岷江流域红壤坡面产流产沙发现坡面产沙主要受坡面径流剪切力的影响，而径流剪切力受坡度和雨强影响显著，但是两者之间不呈现单一的线性函数关系，变化规律不明显。坡度和雨强都会对侵蚀产沙量产生一定的影响，但两者之间的交互作用机制还有待进一步的研究探讨。

图6 平均含沙量、径流系数和总产沙量拟合曲线

为了进一步对比分析雨强、坡度和侵蚀产沙量之间的关系，使用SPSS21.0进行了相关性分析（表3）。结果表明侵蚀产沙量与雨强和径流系数在0.01水平极显著正相关，相关系数分别为0.783与0.642。含沙量和坡度与产沙量在0.01水平极显著正相关，相关系数分别为0.728与0.718，含沙量和雨强在0.05水平显著正相关，相关系数为0.449。径流系数主要受雨强的影响，和雨强在0.01水平极显著正相关，相关系数为0.890。综上可知，侵蚀产沙量和含沙量同时受雨强和坡度的影响，但产沙量主要以雨强影响为主，而含沙量以坡度影响为主，含沙量的大小直接影响到产沙量的变化。将降雨过程中实测的数据利用SPSS 21.0进行回归分析，得出拟合回归方程模型

式中为侵蚀产沙量，g；为坡度，(°)；为雨强，mm/h；为含沙量，g/L；为径流系数。

回归模型拟合度较好，模型方差分析表明统计量对应的值远小于0.01，说明该模型整体是显著的，坡度和雨强对于侵蚀性风化花岗岩坡地侵蚀产沙量的综合影响可以用线性相关方程来比较准确地描述，模型决定系数为0.794。对产沙量的影响权重排序为：含沙量＞雨强＞径流系数＞坡度，雨强的系数为0.379比坡度的系数大，与相关分析的结论一致。同时采用SPSS 21.0中的因子分析法进行验证，所得影响权重排序相同。

表3 坡面侵蚀产沙量、含沙量、径流系数与坡度及雨强之间的关系

注：** 在 0.01 水平（双侧）上显著相关；* 在 0.05 水平（双侧）上显著相关。

Note: ** indicates significant difference at 0.01 (two-sided test); * indicates significant difference at 0.05 (two-sided test).

3 结 论

本文研究了不同雨强和坡度下侵蚀性风化花岗岩母质坡地产流产沙特征，结果表明：

1）强烈侵蚀的风化花岗岩坡地，土壤颗粒组成结构性差，降雨入渗强度大，所以坡面径流在小雨强和缓坡情况下，径流量少并增幅小。针对坡面径流而言，其侵蚀性雨强的范围分布在60～90 mm/h之间。

2）产沙量与径流量关系密切，针对产沙来讲，径流含沙量对总产沙量的影响明显。坡面径流携沙的分选作用，致使坡面粗化加重，粉粒和黏粒在泥沙中的富集程度较高，其黏粒的富集率能达到土壤的3倍以上。

3）通过产沙量与坡度、雨强、径流系数和含沙量的相关拟合，其对产沙量的影响权重排序为：含沙量＞雨强＞径流系数＞坡度。

[1] Liu Dongdong, She Dongli, Yu Shuang'en, et al. Rainfall intensity and slope gradient effects on sediment losses and splash from a saline-sodic soil under coastal reclamation[J]. Catena, 2015, 128: 54－62.

[2] Shen Hai'ou, Zheng Fenli, Wen Leilei, et al. Impacts of rainfall intensity and slope gradient on rill erosion processes at loessial hillslope[J]. Soil and Tillage Research, 2016, 155: 429－436.

[3] Fu Suhua, Liu Baoyuan, Liu Heping, et al. The effect of slope on interrill erosion at short slopes[J]. Catena, 2011, 84(1/2): 29－34.

[4] 王丽园，查轩，黄少燕，等. 不同雨强条件下坡度对红壤坡面侵蚀的影响[J]. 水土保持学报，2017，31(5)：40－44.

Wang Liyuan, Zha Xuan, Huang Shaoyan, et al. Effect of slope gradient on red soil erosion under different rainfall intensity[J]. Journal of Soil and Water Conservation 2017, 31(5): 40－44. (in Chinese with English abstract)

[5] Kateb H E, Zhang Haifeng, Zhang Pingcang, et al. Soil erosion and surface runoff on different vegetation covers and slope gradients: A field experiment in Southern Shaanxi Province, China[J]. Catena, 2013, 105(5): 1－10.

[6] 和继军，蔡强国，刘松波. 次降雨条件下坡度对坡面产流产沙的影响[J]. 应用生态学报，2012，23(5)：1263－1268.

He Jijun, Cai Qiangguo, Liu Songbo. Effects of slope gradient on slope runoff and sediment yield under different single rainfall conditions[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2012, 23(5): 1263－1268. (in Chinese with English abstract)

[7] 张会茹，郑粉莉. 不同降雨强度下地面坡度对红壤坡面土壤侵蚀过程的影响[J]. 水土保持学报，2011，25(3)：40－43.

Zhang Huiru, Zheng Fenli. Effect of slope gradients on erosion from a red soil hillslope under different rainfall intensity[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2011, 25(3): 40－43. (in Chinese with English abstract)

[8] Defersha M B, Melesse A M. Effect of rainfall intensity, slope and antecedent moisture content on sediment concentration and sediment enrichment ratio[J]. Catena, 2012, 90(3): 47－52.

[9] Ellison W D. Some effects of raindrops and surface-flow on soil erosion and infiltration[J]. Eos Transactions American Geophysical Union, 1945, 26(3): 415－429.

[10] 卜崇峰，蔡强国，程琴娟，等. 紫色土表土结皮发育特征的试验研究[J]. 土壤学报，2007，44(3)：385－391.

Bu Chongfeng, Cai Qiangguo, Cheng Qinjuan, et al. Development of soil crust on the surface of purplish soil[J]. Acta Pedologica Sinica, 2007, 44(3): 385－391. (in Chinese with English abstract)

[11] 汪邦稳，肖胜生，张光辉，等. 南方红壤区不同利用土地产流产沙特征试验研究[J]. 农业工程学报，2012，28(2)：239－243.

Wang Bangwen, Xiao Shengsheng, Zhang Guanghui, et al. Study on runoff and sediment yield characteristics under different land uses in red soil area of Southern China[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2012, 28(2): 239－243. (in Chinese with English abstract)

[12] 李桂芳，郑粉莉，卢嘉，等. 降雨和地形因子对黑土坡面土壤侵蚀过程的影响[J]. 农业机械学报，2015，46(4)：147－154.

Li Guifang, Zheng Fenli, Lu Jia, et al. Effects of rainfall and topography on soil erosion processes of black soil hillslope[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2015, 46(4): 147－154. (in Chinese with English abstract)

[13] Chen Shifa, Zha Xuan. Evaluation of soil erosion vulnerability in the Zhuxi watershed, Fujian Province, China[J]. Natural Hazards, 2016, 82(3): 1589－1607.

[14] 郑粉莉，边锋，卢嘉，等. 雨型对东北典型黑土区顺坡垄作坡面土壤侵蚀的影响[J]. 农业机械学报，2016，47(2)：90－97.

Zheng Fenli, Bian Feng, Lu Jia, et al. Effects of rainfall patterns on hillslope erosion with longitudinal ridge in typical black soil region of Northeast China[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2016, 47(2): 90－97. (in Chinese with English abstract)

[15] 查轩，黄少燕，陈世发. 退化红壤地土壤侵蚀与坡度坡向的关系：基于GIS的研究[J]. 自然灾害学报，2010，19(2)：32－39.

Zha Xuan, Huang Shaoyan, Chen Shifa. Relationship between erosion of degenerated red soil and terrain slope/aspect: A GIS-based research[J]. Journal of Natural Disasters, 2010, 19(2): 32－39. (in Chinese with English abstract)

[16] 胡建，郭太龙，卓慕宁，等. 华南红壤坡面产流产沙过程模拟降雨试验研究[J]. 生态环境学报，2013，22(5)：787－791.

Hu Jian, Guo Tailong, Zhuo Muning, et al. Erosion processes on red soil slope in south China under simulated rainfall system[J]. Ecology and Environmental Sciences, 2013, 22(5): 787－791. (in Chinese with English abstract)

[17] 梁志权，卓慕宁，郭太龙，等. 不同雨强及坡度下坡面流的水动力特性[J]. 生态环境学报，2015，24(4)：638－642.

Liang Zhiquan, Zhuo Muning, Guo Tailong, et al. Effects of rainfall intensity and slope gradient on hydrodynamic characteristics of overland flow[J]. Ecology and Environmental Sciences, 2015, 24(4): 638－642. (in Chinese with English abstract)

[18] 郝好鑫，郭忠录，王先舟，等. 降雨和径流条件下红壤坡面细沟侵蚀过程[J]. 农业工程学报，2017，33(8)：134－140.

Hao Haoxin, Guo Zhonglu, Wang Xianzhou, et al. Rill erosion process on red soil slope under interaction of rainfall and scouring flow[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(8): 134－140. (in Chinese with English abstract)

[19] 李军鹏，董卫国，孟惠芳，等. 降雨条件下坡面细沟侵蚀模型及临界坡度研究[J]. 灾害学，2016，31(1)：207－212.

Li Junpeng, Dong Weiguo, Meng Huifang, et al. Research of rill erosion model and critical slope gradient during rainfall[J]. Journal of Catastrophology, 2016, 31(1): 207－212. (in Chinese with English abstract)

[20] Hernandez M, Nearing M A, Al-Hamdan O Z, et al. The rangeland hydrology and erosion model: A dynamic approach for predicting soil loss on rangelands[J]. Water Resources Research, 2017, 53(11): 9368-9391.

[21] Choi K, Arnhold S, Huwe B, et al. Daily based morgan–morgan–finney (DMMF) model: A spatially distributed conceptual soil erosion model to simulate complex soil surface configurations[J]. Water, 2017, 9(4): 278.

[22] Martínez-Murillo J F, Nadal-Romero E, Regüés D, et al. Soil erosion and hydrology of the western Mediterranean badlands throughout rainfall simulation experiments: A review[J]. Catena, 2013, 106(9): 101－112.

[23] 冯秀，查轩，黄少燕. 人工模拟降雨条件下花岗岩红壤坡面侵蚀过程与特征分析[J]. 中国水土保持科学，2014，12(1)：19－23.

Feng Xiu, Zha Xuan, Huang Shaoyan. Processes and characteristics of erosion on hillslopes of granite red soil under simulated rainfall[J]. Science of Soil and Water Conservation, 2014, 12(1): 19－23. (in Chinese with English abstract)

[24] Magesh N S, Chandrasekar N. Assessment of soil erosion and sediment yield in the Tamiraparani sub-basin, South India, using an automated RUSLE-SY model[J]. Environmental Earth Sciences, 2016, 75(16):1208.

[25] 谢颂华，莫明浩，涂安国，等. 自然降雨条件下红壤坡面径流垂向分层输出特征[J]. 农业工程学报，2014，30(19)：132－138.

Xie Songhua, Mo Minghao, Tu Anguo, et al. Characteristics of vertical runoff output on red-soil slope under natural rainfall condition[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2014, 30(19): 132－138. (in Chinese with English abstract)

[26] 陈晓安，杨洁，汤崇军，等. 雨强和坡度对红壤坡耕地地表径流及壤中流的影响[J]. 农业工程学报，2017，33(9)：141－146.

Chen Xiaoan, Yang Jie, Tang Chongjun, et al. Effects of rainfall intensity and slope on surface and subsurface runoff in red soil slope farmland[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(9): 141－146. (in Chinese with English abstract)

[27] 陈正维，刘兴年，朱波. 基于SCS-CN模型的紫色土坡地径流预测[J]. 农业工程学报，2014，30(7)：72－81.

Chen Zhengwei, Liu Xingnian, Zhu Bo. Runoff estimation in hillslope cropland of purple soil based on SCS-CN model[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2014, 30(7): 72－81. (in Chinese with English abstract)

[28] 付兴涛，张丽萍. 红壤丘陵区坡长对作物覆盖坡耕地土壤侵蚀的影响[J]. 农业工程学报，2014，30(5)：91－98.

Fu Xingtao, Zhang Liping. Impact of slope length on soil erosion of sloping farmland with crop in red soil hilly region[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2014, 30(5): 91－98. (in Chinese with English abstract)

[29] 阮伏水. 福建花岗岩地区坡度和坡长对土壤侵蚀的影响[J]. 福建师范大学学报：自然科学版，1995(1)：100－106.

Ruan Fushui. Influence of inclination and length of slope on soil erosion in granite area of Fujian[J]. Journal of Fujian Normal University, 1995(1): 100－106. (in Chinese with English abstract)

[30] 周学军，夏卫生. 衡山花岗岩地貌过程与水土流失关系的研究[J]. 农业工程学报，2005，21(增刊1)：76－79.

Zhou Xuejun, Xia Weisheng. Relationship between granite geomorphic process and soil erosion of Hengshan Mountain[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2005, 21(Supp.1): 76－79. (in Chinese with English abstract)

[31] 王秋霞，丁树文，邓羽松，等. 花岗岩崩岗区不同土层的侵蚀水动力学特征[J]. 土壤学报，2017，54(3)：570－580. Wang Qiuxia, Ding Shuwen, Deng Yusong, et al. Hydrodynamic characteristics of erosion in different soil layers in granite collapse region[J]. Acta Pedologica Sinica, 2017, 54(3): 570－580. (in Chinese with English abstract)

[32] 邓羽松，丁树文，刘辰明，等. 鄂东南花岗岩崩岗崩壁土壤水分特征研究[J]. 水土保持学报，2015，29(4)：132－137.

Deng Yusong, Ding Shuwen, Liu Chenming, et al. Soil moisture characteristics of collapsing gully wall in granite area of Southeastern Hubei[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2015, 29(4): 132－137. (in Chinese with English abstract)

[33] 徐加盼，王秋霞，邓羽松，等. 基于三维激光扫描技术的花岗岩风化土体侵蚀表面特征研究[J]. 水土保持学报，2016，30(2)：14－19.

Xu Jiapan, Wang Qiuxia, Deng Yusong, et al. Study on characteristics of erosion surface on weathered granite soil based on three-dimensional laser scanning technology[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2016, 30(2): 14－19. (in Chinese with English abstract)

[34] 郑子成，秦凤，李廷轩. 不同坡度下紫色土地表微地形变化及其对土壤侵蚀的影响[J]. 农业工程学报，2015，31(8)：168－175.

Zheng Zicheng, Qin Feng, Li Tingxuan. Changes in soil surface microrelief of purple soil under different slope gradients and its effects on soil erosion[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(8): 168－175. (in Chinese with English abstract)

[35] 秦伟，左长清，晏清洪，等. 红壤裸露坡地次降雨土壤侵蚀规律[J]. 农业工程学报，2015，31(2)：124－132.

Qin Wei, Zuo Changqing, Yan Qinghong, et al. Regularity of individual rainfall soil erosion in bare slope land of red soil[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(2): 124－132. (in Chinese with English abstract)

[36] 马星，郑江坤，王文武，等. 不同雨型下紫色土区坡耕地产流产沙特征[J]. 水土保持学报，2017，31(2)：17－21.

Ma Xing, Zheng Jiangkun, Wang Wenwu, et al. Characteristics of the runoff and sediment yield of sloping farmland in the purple soil area under different rainfall patterns[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2017, 31(2): 17－21. (in Chinese with English abstract)

[37] 胡尧，侯雨乐，李懿. 模拟降雨入渗对岷江流域红壤坡面产流产沙的影响[J]. 水土保持学报，2016，30(2)：62－67.

Hu Yao, Hou Yule, Li Yi. Effect of infiltration under simulated rainfall on the runoff and sediment yield of red soil slope in the Minjiang River Valley of Sichuan[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2016, 30(2): 62－67. (in Chinese with English abstract)

Characteristics of runoff and sediment yield under different rainfall intensities and slope gradients in erosive weathered granite area

Deng Longzhou, Zhang Liping※, Fan Xiaojuan, Wu Yanhong, Sun Tianyu, Fei Kai

(,,310058,)

Slope gradient is not only one of the major factors affecting soil particle detachment and transport but also an important factor in universal soil loss equation. There is no unanimous conclusion about the influence of slope gradient and rainfall intensity on soil erosion at present. Soil erosion in the rainy and thin-soil area of southeast China, however, is serious and thus can not be overlooked. In order to study and solve the problem of water-soil erosion loss on the weathered granite sloping land, in this study, we investigated the erosion process of the soil developed from weathered granite parent materials under different rainfall intensities (30, 60, 90, 120 and 150 mm/h) and slope gradients (5°, 8°, 15° and 25°) with the method of indoor artificial rainfall simulation. Stratified soil samples from different profiles including 0-60 cm were collected and then put into the soil tanks (2.0 m length ×1.0 m breadth × 0.6 m height) every 5 cm respectively for controlling the original bulk density. The simulated rainfall had uniformity of above 80%, similar to natural rainfall in raindrop distribution and size. Two experiments were carried out for each treatment to ensure the test precision. Soil on the top 5 cm was replaced after each rainfall simulation and the soil moisture was monitored before the next experiment to ensure the same initial soil moisture. The total time for runoff and sediment collection on the slope was 90 min after the appearance of runoff and the mixed samples were collected every 3 min and measured for volume and then used for subsequent analysis. The rest of the sample was dried to measure the sediment yield. The erosive sediment yield equations under different cross treatment conditions were established. The critical rainfall intensity of soil erosion and the critical slope gradient where soil and water conservation should be strengthened were clarified in the study area. The results indicated that the starting time of runoff and erosive sediment occurrence on the sloping land advanced with the increasing slope gradient and rainfall intensity. There was no simple positive correlation between runoff and slope gradient, and the relationship between runoff coefficient and rainfall intensity could be expressed as a potential function. The maximum infiltration rate under 30-120 mm/h appeared at the slope gradient of about 8°.The erosive sediment yield increased with the increasing slope gradient and rainfall intensity, and the relationship between slope gradient and sediment yield could be expressed by a power function with determining coefficient reaching 0.815, while the determining coefficient of the exponential relationship between rainfall intensity and sediment yield reached 0.889. Water erosion was selective for sediment as the content of silt, clay and fine sand entrained by runoff was relatively rich, and there was a boundary of erosive rainfall intensity between 60-90 mm/h in the study area. The combined effect of slope gradient and rainfall intensity on erosive sediment yield could be more accurately described by a linear correlation equation and the weighting order of sediment yield was listed as follows: sediment concentration > rainfall intensity > runoff coefficient > slope gradient. Research on the impact of slope gradient and rainfall intensity on sloping land erosion would contribute to soil and water conservation in the erosive weathered granite area.

soils; erosion; runoff; weathered granite; artificial simulated rainfall; slope gradient; rainfall intensity; sediment yield

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.17.019

S157.1

A

1002-6819(2018)-17-0143-08

2018-03-07

2018-07-25

国家自然科学基金项目（41471221）

邓龙洲，男，博士生，主要从事土壤侵蚀与水土保持、水资源利用与保护研究。Email：11614056@zju.edu.cn

张丽萍，女，教授，博士生导师，主要从事土壤侵蚀与水土保持、农业面源污染研究。Email：lpzhang@zju.edu.cn

邓龙洲，张丽萍，范晓娟，邬燕虹，孙天宇，费 凯. 不同雨强和坡度下侵蚀性风化花岗岩母质坡地产流产沙特征[J]. 农业工程学报，2018，34(17)：143－150. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.17.019 http://www.tcsae.org

Deng Longzhou, Zhang Liping, Fan Xiaojuan, Wu Yanhong, Sun Tianyu, Fei Kai. Characteristics of runoff and sediment yield under different rainfall intensities and slope gradients in erosive weathered granite area[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(17): 143－150. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.17.019 http://www.tcsae.org