图1 土壤抗冲实验装置示意图
任 艳1，薛姣姣2，王 健1，赵鹏峡3
（1.西北农林科技大学资源环境学院，陕西杨凌712100；2.榆林市森林防火指挥部办公室，陕西 榆林719000；3.周至县水土保持工作站，陕西周至710400）
摘 要：通过室内放水冲刷实验，分析了黄土高坡5种土壤在不同坡度下的下切冲刷过程及影响冲刷的坡度、水流特征以及水流含沙量等影响因素。结果表明，在流量为120 L/h条件下，5种土壤的抗冲系数均随着坡度的增大而降低，且呈现指数回归关系，决定系数R2较高，土壤抗冲性大小依次为杨凌黏壤土＞延安砂质黏壤土＞周至黏壤土＞志丹砂质壤土＞靖边砂质壤土；5种土壤的抗冲系数和水流流速均呈现出负相关的线性变化规律；5种土壤的冲刷强度基本都随着坡度的增加而增加，随着冲刷时间的推移，冲刷强度逐渐减小，且坡度越大，前期的冲刷强度越大；5种土壤的抗冲系数与水流含沙量呈现出负相关的线性变化规律，决定系数R2在0.857 7～0.957 5之间，随水流含沙量的变化，抗冲性越好的土壤其本身的抗冲系数变化越显著。
关 键 词：下切冲刷；坡度；水流特征；水流含沙量
黄土区土壤侵蚀现象常伴随土壤的流失和冲刷，且冲刷强度远超过了土壤流失强度[1]。因此，在黄土区水流对土壤的下切侵蚀主要通过冲刷作用[2-3]。运动的水流对土壤产生冲刷，引起土壤的分离、搬运，对下垫面产生一定程度的破坏[4]。不同类型土壤对水流有不同的抗冲性，侵蚀沟呈现出不同形态与土壤质地有很大关系[5-6]。研究表明，在黄土区，森林具有极强的蓄水保土能力，草被抗冲刷能力次之，农耕地抗冲刷能力最低[7]；基于索波列夫抗冲仪测定了黄土高原5种土壤类型的土壤抗冲性及土壤入渗能力，土壤抗冲性分布特征是由南向北逐渐减弱[8]；基于山西省水保所30个径流小区的多年径流观测结果，土壤抗冲性指标具有随坡度增大而增大的趋势，当坡度超过25°以后，抗冲性指标增加明显[9]；根据天水水保站1945—1957年径流小区资料，农地的土壤抗冲性指标与地表坡度在4°05′—23°43′之间呈幂函数递增关系[10]。但已有研究对不同土壤的下切过程研究鲜见。因此，尝试从影响下切侵蚀的因素和下切过程入手，探究黄土高坡5种不同土壤的下切冲刷机理。
试验于2015年7月在西北农林科技大学资源环境学院水土保持实验室进行，试验方法为原状土抗冲槽冲刷法。试验装置由冲刷槽（抗冲槽）、冲刷槽托架、坡度调节架、水箱等4部分组成，其中，冲刷槽由流水槽（长100 cm，宽3.5 cm，高4 cm）、装样室、放水装置组成；坡度调节架由可调2°、5°、10°、15°、20°等不同坡度的坡度架和蚶铰组成。试验采用3 cm×3 cm×20 cm的矩形取样器。土壤抗冲实验装置示意图见图1。
土壤抗冲性是土壤抵抗水流的冲击分散和推动下移的性能，反映土壤抵抗径流侵蚀的能力，评价土壤抗冲性的指标是土壤抗冲系数，能直观反映土壤抵抗径流冲刷破坏的能力[11]。
图1 土壤抗冲实验装置示意图
试验土样取自黄土区5个地点，详见表1。试验前去除土样中大块杂质，风干晾晒，过5 mm筛，分别装入5个带有标记的大土箱中，浇水至饱和，静置让其自然沉降。在土箱中，将取样器水平放置地面并轻压于土中。用小铁铲将其整体取出，消去四周多余土体，称质量记录，并用包装膜包扎好，试验时调整好抗冲槽坡度后，放置好土样调节流量后开始冲刷。
表1 5种供试土壤
试验放水流量为120 L/h，分别调节抗冲槽坡度至2°、5°、10°、15°、20°，以获得不同冲刷能力的水流，在装样室内填入杨凌黏壤土、延安砂质黏壤土、志丹砂质壤土、周至黏壤土和靖边砂质壤土，装填密度为（1.10±0.05）g/cm3。每种土样分别进行5种不同坡度的冲刷试验，共计25组试验。每次试验前取部分土样测定含水率，为了减小误差，随机取5个土样取其平均值。开始冲刷时，用桶收集冲刷走的泥沙，每分钟收集水样1次，直到冲刷大约剩余1/3时停止冲刷，停止计时。采用烘干法测定土样冲刷后干质量和冲刷过程中每分钟的质量，染色法测定水流流速。
土壤抗冲性采用抗冲系数AS表示，即冲刷掉1 g土壤所需的水量，AS=q∙t/M，式中：q为冲刷流量（L/min）；t为冲刷时间（min）；M为烘干泥沙质量（g）[12]。土壤抗冲系数越大，土壤抗侵蚀能力越强。5种土壤在不同坡度下的抗冲系数如表2所示。
表2 5种供试土壤在不同坡度下的抗冲系数及其变化经验方程 L/g
注 回归方程中y抗冲系数，x坡度。
从表2可以看出，在试验条件范围内，坡度显著影响着土壤抗冲系数，5种供试土壤的抗冲系数均随着坡度的增大而降低，坡度从2°增加到20°时，延安的砂质黏壤土抗冲系数由4.84 L/g降低到0.22 L/g，降低了95.45%；靖边砂质壤土的抗冲系数由2.36 L/g降低到0.08 L/g，降低了96.61%；志丹砂质壤土的抗冲系数由3.80 L/g降低到0.04 L/g，降低了98.95%；周至黏壤土的抗冲系数由4.09 L/g降低到了0.05 L/g，降低了98.78%。杨凌黏壤土的抗冲系数由7.62 L/g降低到了0.59 L/g，降低了90.94%。经过统计软件处理，5种供试土壤的抗冲系数和坡度均呈现出指数回归关系，5种土壤的抗冲系数与坡度的指数回归关系的决定系数R2较高，在0.792 7～0.999 1之间，其中，周至黏壤土的抗冲系数与坡度的指数回归关系的决定系数R2最大，达0.999 1。坡度越大，水流的剪切力越大，土体颗粒的稳定性越差，结构越不稳定，越容易被水流冲刷剥离，而且坡度越大，泥沙的起动流速越小，抗冲系数越低，越容易被破坏。
不同的土壤由于理化性质的不同，其抗冲性的变化也不尽相同。不同土壤在同一冲刷坡度下的抗冲系数存在明显差异。当坡度为2°时，杨凌黏壤土的抗冲系数为7.62 L/g，是延安砂质黏壤土的1.57倍，是周至黏壤土的1.86倍，是志丹砂质壤土的2.01倍，是靖边砂质壤土的3.23倍。
从5种供试土壤在5个坡度下的抗冲系数的平均值的变化（表2）可看出，5种土壤的抗冲性大小依次为杨凌黏壤土（2.47 L/g）＞延安砂质黏壤土（2.01 L/g）＞周至黏壤土（1.36 L/g）＞志丹砂质壤土（1.22 L/g）＞靖边砂质壤土（1.04 L/g）。周至县南坡的黏壤土和靖边县沙旋沟的砂质壤土都属于分散性土壤，有较强分散性和湿陷性，遇水后土壤颗粒之间的粘聚力会部分或全部丧失，导致土壤分解膨胀，造成周至黏壤土和靖边砂质壤土抗冲性降低，因此周至黏壤土抗冲刷系数小于延安砂质黏壤土，而靖边砂质壤土的抗冲刷系数小于志丹砂质壤土。总体试验可以得出，土壤抗冲性随着土壤中黏粒量的降低而降低。
杨凌黏壤土抗冲刷系数是靖边砂质壤土的2.37倍，是志丹砂质壤土的1.22倍，是周至黏壤土的1.36倍，是延安砂质黏壤土的2.01倍。由此表明，杨凌黏壤土的抗冲刷系数最大，最不容易被冲刷，靖边砂质壤土的抗冲刷系数最小，最容易被冲刷。
图2 5种供试土壤的抗冲系数随水流流速的变化
分别将5种土壤的抗冲系数随水流速度的变化关系绘于图2。从图2可以看出，在试验条件范围内，水流流速显著影响土壤抗冲刷系数，5种土壤的抗冲系数和水流流速均呈负相关的线性变化规律，即随着水流流速的增加，5种土壤的抗冲系数逐渐降低，越来越容易被冲刷。5种供试土壤在不同水流流速下的抗冲系数变化经验方程回归分析结果见表3，其中杨凌黏壤土拟合直线的斜率最大，即随着水流速度的增加，杨凌黏壤土的抗冲系数减小最多，下降幅度具体表现为杨凌黏壤土＞延安砂质黏壤土＞周至黏壤土＞志丹砂质壤土＞靖边砂质壤土，即抗冲性越好的土壤随着水流速度的变化，其本身的抗冲系数变化越显著。
表3 5种供试土壤在不同水流流速下的抗冲系数变化经验方程
注 y抗冲系数（L/g）；x水流流速（m/s）。
由表3可知，5种不同土壤的抗冲系数与水流流速的线性回归关系的决定系数R2在0.725 4～0.926 4之间，其中延安砂质黏壤土的抗冲系数与水流速度的线性回归关系的决定系数R2最大，为0.926 4。
由图2和表3共同表明，5种不同土壤的抗冲系数随水流流速的增大而减小，主要是因为水流流速越大，蕴含的动能就越大，作用于土壤的能量就增大，使得土壤颗粒下切更剧烈，所以抗冲系数越小。
试验将所有的土样冲刷剩下约1/3时，停止冲刷，同时停止计时，试验过程中，按分钟收集下切过程中的所有样品，烘干称质量，即可得到每种土样在特定坡度下的下切过程，图3所示为5种供试土壤在5个不同坡度的下切过程线，兹将每分钟冲刷量定义为冲刷强度，单位为g/min。
图3 5种供试土壤的下切过程
由图3可知，5种土壤的冲刷强度基本都随着坡度的增加而增加；随着冲刷时间的推移，土壤冲刷量基本上逐渐减小，2°、5°、10°等缓坡度的土样随着时间的增加，刚开始单位时间冲刷量的减小幅度较大，随着时间的推移，冲刷量的减小幅度逐渐减小，最后基本趋于平缓。坡度为20°时，5种土样在前3 min内均已基本完成了冲刷量的2/3，而且，坡度越大，前期的冲刷强度越大。延安砂质黏壤土5个坡度的冲刷大致集中在前5 min内，靖边砂质壤土的冲刷大概集中在前3 min内，志丹砂质壤土除20°外，冲刷量大概集中在前4 min内，周至黏壤土的冲刷量基本集中在前4 min内，杨凌黏壤土的冲刷量主要集中在前5 min内。这主要是由于在刚开始冲刷时，表层分散有大量松散土壤颗粒，在水流的冲刷下很容易被搬运，从而导致冲刷量在前期较大。坡度为20°时，延安砂质黏壤土由于冲刷时间稍比其他土壤在20°时冲刷时间长，在3 min后冲刷强度开始增加。
1）在试验条件范围内，5种土壤的抗冲系数均随着坡度的增大而降低，且呈现指数回归关系，决定系数R2较高，在0.792 7～0.999 1之间，5种土壤的抗冲性大小依次为杨凌黏壤土＞延安砂质黏壤土＞周至黏壤土＞志丹砂质壤土＞靖边砂质壤土。
2）在试验条件范围内，5种土壤的抗冲系数和水流流速均呈现出负相关的线性变化规律。随水流速度的增加，杨凌黏壤土的抗冲系数减小最多，下降幅度具体表现为杨凌黏壤土＞延安砂质黏壤土＞周至黏壤土＞志丹砂质壤土＞靖边砂质壤土，即抗冲性越好的土壤随着水流速度的变化，其本身的抗冲系数变化越显著。
3）在试验条件范围内，5种土壤的冲刷强度基本都随着坡度的增加而增加，随着冲刷时间的推移，冲刷强度基本上逐渐减小，且坡度越大，前期的冲刷强度越大。
参考文献：
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Analysis of Anti-scourability of Five Different Soils in Loess Plateau
REN Yan1，XUE Jiaojiao2，WANG Jian1，ZHAO Pengxia3
（1.School of Resources and Environment,NorthwestA&F University,Yangling 712100,China；2.Office of Forest Fire Prevention Headquarter,Yulin City，Yulin 719000,China；3.Station of Soil and Water Conservation,Zhouzhi County,Zhouzhi 710400,China）
Abstract：The incision and scour processes of five soils in the loess plateau under different slopes were investigated using an indoor flume experiment.In addition,the factors affecting the scour process,including slope,water flow rate,and sediment concentration were also examined.The results showed that when flow rate was 120 L/h,the erosion-resisting coefficients of the five soils decreased exponentially as the slop increased with a high determination coefficients.The anti-scourability of the fivesoils was in the order of clay loam of Yangling＞sandy clay loam of Yan’an＞clay loam of Zhouzhi＞sand clay of Zhidan＞sand clay of Jingbian.The erosion-resisting coefficients and water flow rates of all the five soil were negatively linearly related.The erosion per minute of the five soils increased substantially with the slope.With scouring time elapsing,the amount of erosion per minute reduced gradually.In addition,the amount of erosion in early stages was larger when the slope was steep.The erosion-resisting coefficients and sediment concentrations in the flowing water was linearly related for the five soils with a determination coefficients in the range of 0.857 7～0.957 5.With an change in sediment concentration in the flowing water,the soil with better anti-scourability has a more significant alteration in its erosion-resisting coefficients.
Key words：incision and scour;slope;hydraulic characteristics;water sediment concentration
中图分类号：S157
文献标志码：A
doi：10.13522/j.cnki.ggps.2017.04.008
文章编号：1672-3317（2017）04-0042-05
责任编辑：刘春成
任艳，薛姣姣，王健，等．黄土区五种土壤抗冲性试验分析[J]．灌溉排水学报，2017，36（4）：42-46.
收稿日期：2016-08-31
基金项目：国家自然科学基金项目（41101268，D010505）；西北农林科技大学科技创新项目（QN2011152）
作者简介：任艳（1990-），女。硕士研究生，主要从事土壤侵蚀方面的研究。E-mail：1070637442@qq.com
通信作者：王健（1973-），男。硕士生导师，主要从事土壤侵蚀与流域管理方面的研究。E-mail：wangjian@nwsuaf.edu.cn