气候变化导致降雨量和降雨强度增加，加剧土壤侵蚀的程度
［1］。同时人类活动破坏土壤植被，导致土壤裸露增加，更易受冲刷侵蚀。雨滴溅蚀指的是雨滴打击土壤表面，使土壤颗粒发生分散、分离、跃迁位移的过程
［2］。溅蚀会造成土壤侵蚀加剧，加速坡面的退化和破坏，对环境和生态系统造成不利影响。
土壤溅蚀受初始含水率、降雨强度和土壤压实度等多重因素影响，改变土壤物理性质影响溅蚀过程。研究表明，含水率较低时，土壤颗粒黏结力增强，溅蚀量减少
［3］。当含水率超过25%时，土壤结构稳定性下降，溅蚀量显著增加。不同粒级团聚体对含水率的响应也存在差异，高含水率下细颗粒更容易被击溅脱离
［4］。而降雨强度与溅蚀深度呈线性关系，与溅蚀范围呈单调递增趋势
［5-6］。降雨强度越高，雨滴打击力越强，土壤颗粒分离能力越大，溅蚀量显著增加
［7］。溅蚀量在0~5 cm范围内占比较高，表明降雨强度对近地表区域的侵蚀影响更为显著
［8］。土壤压实度通过增强黏聚力和内摩擦角，提高土壤抗侵蚀能力，减少雨滴击溅破坏作用，但过高压实度可能降低土壤渗透性，加剧地表径流和溅蚀对土壤的破坏效应
［9-10］。除此之外，降雨特性与土壤属性交互作用也能影响溅蚀过程。砾石含量和粒径的增加可以分散雨滴打击力，减轻溅蚀强度。降雨强度与前期土壤含水量的耦合作用使得溅蚀的动态变化更为复杂
［11］。
草本植物作为生态手段，被广泛应用于边坡固土保护和生态修复。当雨滴击打草本植物冠层时，能够有效减小雨滴动能，从而减小坡面溅蚀
［12］。植物通过截留降雨、削减降雨动能，减少击溅侵蚀的发展，有效降低雨滴能量和土壤溅蚀量，抑制地表径流形成
［13-15］。研究表明，随着植物覆盖度提高，对飞溅侵蚀减少作用和控制土壤颗粒运移效果增强
［16］。并且较高覆盖度通过增加阻力系数、降低流速，进一步减缓土壤侵蚀
［17］。草本植物还能减少雨滴动能和溅蚀量，缩短土粒飞溅距离，当覆盖度达到40%时，溅蚀量减少趋势放缓
［18］。王坤等
［19］研究发现，植物覆盖度存在临界阈值。当植被覆盖度达到40%时，植被茎叶的截留作用和根系的土壤改良作用显著提高坡面的抗侵蚀能力，而当覆盖度超过60%后，减沙效益趋于稳定。
通过对当前文献的研究，学者们围绕坡面雨滴溅蚀开展了大量试验研究，关注不同因素对坡面溅蚀的影响规律。然而大部分研究侧重于溅蚀量和表面形态的变化，较少深入分析溅蚀过程的内在机制。因此本文通过单雨滴击溅试验，探究雨滴溅蚀过程中的内在机制；随后开展草本植物坡面溅蚀试验，揭示草本植物对坡面溅蚀的调控机制，为理解土壤溅蚀和预防坡面水土流失提供科学依据。
1 材料与方法
1.1 土力学基础试验
试验土壤于2024年4月取自辽宁省阜新市海州露天矿排土场砂土，经筛分剔除土壤中石块及根系后，通过击实试验和液塑限试验，测得土样塑限值为13%、液限值为21.7%，最佳含水率值（土壤最大干密度的条件下，土壤水分达到最佳状态的含水率）为12%。
为研究不同初始含水率对土壤力学性能的影响，制备5种不同初始含水率（5%，10%，15%，20%，25%）的土壤样本进行直剪试验，得到不同含水率土壤试样黏聚力
c和内摩擦角
φ，具体数据见
表1。含水率接近土壤最佳含水率时，黏聚力和内摩擦角随初始含水率的增加表现出明显的变化趋势，为后续研究单雨滴对不同初始含水率土壤样本溅蚀试验提供参考依据。
1.2 材料与试验装置
1.2.1 单雨滴击溅试验
单雨滴击溅试验装置（
图1）由雨滴生成装置、溅蚀测量装置、摄影装置和补光装置组成。雨滴生成装置由水箱、调水阀和金属针管组成，设定降雨高度
h=1.5 m。溅蚀装置由溅蚀杯和溅蚀盘组成，摄影装置由溅蚀坑记录设备和5F10M高速摄影机组成。补光装置为EF-220 W大功率补光灯，为本试验提供稳定、连续的照明条件。图像处理设备软件为高速目标视频跟踪测量软件V10，获取雨滴击溅土壤过程的形态变化参数。
1.2.2 坡面溅蚀试验
试验选取植物为坡地常见的矮叶麦冬草，该草分布于我国大部分地区，生长较为迅速且成活率高，对土壤适应性极强，易于种植。坡面溅蚀试验装置（
图2）由降雨模拟装置、试验土槽和溅蚀收集装置组成。降雨模拟装置包括储水槽和框架，储水槽大小为50 cm×10 cm×5 cm，储水槽底部每隔5 cm设置3个漏水孔，设定试验中储水槽的承转水量为1 L，设定降雨高度为1.5 m。溅蚀收集装置为溅蚀板、溅蚀收集狭槽区和溅蚀收集桶。
1.3 试验设计与方法
1.3.1 单雨滴击溅试验
采用两种因素设计试验，分析雨滴击溅土壤过程中力学机制及演化规律。（1） 在4 mm/h降雨强度下，设置5种初始含水率（5%，10%，15%，20%，25%）土壤样本；（2） 以15%初始含水率土壤样本为基准，为使雨滴清晰可见，便于观察和分析降雨过程中雨滴对土壤表面的冲击过程。通过调节水阀设定3种降雨强度（4 mm/h，5 mm/h，6 mm/h），进行试验分析。
采用记录设备对溅蚀杯内土壤试样进行实时监测，拍摄溅蚀坑直径变化过程。为防止溅蚀坑积水溢出影响数据准确性，将单次降雨时长设定为10 min。试验选取特定时间节点的溅蚀坑图像，利用F10M高清摄像头采集不同降雨时段的击溅数据，通过3次重复测量取平均值确定溅蚀坑直径。同时采用PS图像处理技术，对溅蚀坑直径图片直径进行量化分析，为后续溅蚀坑形态分析提供可靠支撑。
在边长为50 cm滤纸的溅蚀盘绘制5 cm，10 cm，15 cm，20 cm，25 cm，30 cm，40 cm，50 cm的1/4同心圆（
图3），确保溅蚀盘高度与溅蚀杯底部齐平。试验结束后对滤纸上溅蚀物进行二值化处理，观测溅蚀物分布情况。再将滤纸烘干与称重，分析不同因素对溅蚀量变化的影响。
1.3.2 坡面溅蚀试验
采用人工降雨方法进行试验，储水槽底部每隔5 cm设置3个漏水孔（
图4）。将土壤装入试验土槽中进行压实处理，并将土壤表面整平与槽底平行。为控制覆盖试验变量，设置3种草本植物覆盖率（25%，50%，80%）。同时采用垂直摄影方法记录试验前后土壤表面形态变化，分析不同草本植物覆盖率对溅蚀坑发育特征的影响规律。
为防止泥水溢出，并确保与单雨滴击溅试验中雨滴溅射范围一致，溅蚀板高度设计为50 cm。试验前将溅蚀板垂直于地平面方向安装在试验土槽周围，溅蚀收集狭槽区置于溅蚀板和试验土槽下侧，在溅蚀收集狭槽区开口处用溅蚀收集桶收集带泥混浊水样，试验完成后置于滤纸上静置得到泥沙，烘干后计算不同工况下的溅蚀量，进行溅蚀量与植物覆盖率的关系分析，研究植物覆盖对土壤侵蚀的防护作用。
2 结果与分析
2.1 单雨滴击溅试验
2.1.1 溅蚀物分布情况
在不同初始含水率条件下（
图5），溅蚀范围主要发生于击溅点周围10 cm内，随着距离击溅点的增加，溅蚀量相应减少，这与赖永明等
［20］研究趋势一致。
当初始含水率为5%~15%时，泥水混合液滴平均面积随含水率增加而减小，但溅射范围逐渐扩大。此时土壤团聚体在雨滴冲击下更易破裂飞溅，使泥水混合液滴集中在溅射中心附近。当初始含水率超过15%，泥水混合液滴平均面积增大，溅射范围逐渐减小，液滴中土壤颗粒比重降低。这是因为高含水率使土壤团聚体破裂程度加剧，导致颗粒直径变小且分布均匀，表面更易形成土壤结皮，增强了对雨滴冲击的抵抗，使颗粒更难被剥离进入溅蚀物中。另一方面高含水率使土壤入渗速率降低，雨滴在土壤表面积聚形成积水层，削弱击溅作用。当含水率接近或超过液限（21.7%），土壤颗粒黏聚力几乎消失，泥水混合液滴呈现流动态，难以形成结皮。此时溅蚀物为高含水率的泥水混合滴，颗粒分散度提高，且水比重占主导，导致溅射范围减小。
在不同降雨强度条件下（
图6），单位面积溅蚀量随溅蚀距离增大而减小
［21］。随着降雨强度升高，雨滴动能提高，对土壤颗粒的击溅能力增强，能够裹挟更多土壤颗粒进入溅蚀物，使泥水混合滴中土壤颗粒增多。高降雨强度还能：（1） 加速土壤表层含水率升高，使得土壤颗粒黏聚力减弱，加剧击溅效果。（2） 使得土壤表面更快形成结皮结构，减缓土壤颗粒含量升高。（3） 土壤饱和渗透更容易达到，大量降水在土壤表面和溅蚀坑内积聚形成积水层，使得泥水混合滴中水的比重和直径增大。尽管降雨强度升高使得泥水混合滴的溅射动能增大，但积水层通过能量消耗与缓冲作用，有效抵消了溅蚀能力的提升，最终泥水混合滴溅射范围并未因降雨强度的增加而进一步扩大。
2.1.2 溅蚀量与不同变量的关系
溅蚀后将溅蚀滤纸烘干处理，进行称重分析，绘制
图7进行分析。结果显示，在初始含水率相同条件下，降雨强度越大，溅蚀量越高
［22］。这是因为降雨强度增加，雨滴动能增大，击溅作用增强，致使溅蚀加剧。
在降雨强度相同条件下，溅蚀量随初始含水率提高呈先减小后增大趋势，这是因为土壤试样含水率小于液限（21.7%）时，土壤入渗速率随土壤初始含水率的增加而降低。并且含水率越高，在外力作用下形成的土壤结皮越厚，溅蚀量越低；当土壤初始含水率超过液限（21.7%）时，土壤黏聚力几乎消失，形成的土壤结皮强度减弱，抗侵蚀能力变弱，造成溅蚀量增加。与张转敏等研究初始含水率在4%~25%时，随初始含水率的增加土壤颗粒溅蚀量先减小后增大趋势一致
［4］。
2.1.3 溅蚀坑形态
对不同工况下得到的溅蚀坑图像，以每分钟选取一张分析溅蚀坑形成过程，得到不同降雨强度和不同初始含水率对溅蚀坑形态的影响情况（
表2和
表3）。
对不同工况进行分析，溅蚀坑直径变化趋势基本一致。在溅蚀初期，溅蚀坑直径迅速扩大；此时雨滴冲击表面土壤颗粒，使得一部分雨滴被分散溅射，另一部分渗透到土壤中。随着溅蚀过程进入中期，溅蚀坑直径扩张速度发生显著变化。这一阶段溅蚀坑直径超过雨滴直径，溅蚀坑深度也在快速增加。此时雨滴冲击基本不作用于土壤样品表面，而是击打溅蚀坑底部。此外溅蚀物在溅射过程中对溅蚀坑口的土体产生二次冲击侵蚀，导致溅蚀坑直径缓慢增长。当溅蚀过程进入后期，溅蚀坑直径趋于稳定。此阶段土壤含水率持续升高，导致渗透率下降。同时雨滴冲击引发土壤压实效应加剧，促使土壤结皮形成。而土壤结皮与渗透率下降的共同作用，使得大部分雨滴被阻挡并在土壤表面发生溅散，溅蚀能力显著减弱。最终溅蚀坑停止发育并开始积水，坡面侵蚀过程进入以坡面流侵蚀为主的新阶段。这与刘柏玲等
［23］研究规律大致相同，溅蚀过程分为3个过程，随着土壤结皮形成和渗透率降低而趋于平稳。
利用绘图软件PS对溅蚀坑图片直径进行量化分析，得到各工况溅蚀坑直径时刻变化曲线（
图8）进一步分析不同降雨强度与不同初始含水率对溅蚀坑直径变化的影响。由
图8A看出，土壤初始含水率对溅蚀坑直径增长有显著影响。当土壤初始含水率为5%和10%时，土壤颗粒松散，雨滴冲击使表层颗粒快速飞溅，溅蚀坑直径迅速增大。当初始含水率增至15%和20%时，土壤颗粒黏结力增强，颗粒不易被雨滴击溅，同时较高含水率易于形成土壤结皮，渗透率降低，减缓溅蚀坑直径的增长速率，使其达到稳态的时间延长。当初始含水率25%时，含水率超过液限（21.7%），颗粒间黏聚力几乎消失，土壤易形成泥水混合物。此时雨滴冲击同时作用于土壤颗粒与水分，溅蚀坑直径增长速率较为平稳，且因土壤含水率过高，抑制土壤结皮形成，溅蚀坑直径难以达到稳态。由
图8B看出，随着降雨强度增加，溅蚀初期溅蚀坑直径增长速度显著加快；中期增长速度虽减缓，但仍呈现降雨强度越高、增长速度越快的趋势。随着降雨强度增加，雨滴动能增大，对土壤颗粒的冲击作用更强，加剧土壤颗粒的击溅和二次冲击过程，同时形成的土壤结皮对溅蚀的削减作用变低，最终形成的溅蚀坑直径也越大。
对不同工况试件溅蚀物进行烘干后，测量溅蚀坑直径与深度，绘制变化
图9。由
图9A看出，降雨强度增加导致雨滴动能增大，加剧了雨滴对土壤的溅蚀作用，使溅蚀坑直径增加。与邱明明等
［3］研究一致，试样溅蚀破坏直径随降雨强度提高而明显增大。当土壤初始含水率低于液限（21.7%）时，土壤初始含水率越高，更易形成强度高的土壤结皮，增强抗侵蚀能力。同时土壤入渗速率降低，使得溅蚀坑直径减小。当试样初始含水率超过液限（21.7%）时，土壤黏聚力几乎消失，抵抗侵蚀能力降低，同时雨滴溅蚀引发二次侵蚀，使得溅蚀坑直径急剧增大。
图9B所示，降雨强度与土壤初始含水率小于液限（21.7%）时，溅蚀坑深度变化趋势与溅蚀坑直径变化趋势一致。当土壤试样含水率超过液限（21.7%）时，土壤黏聚力大幅降低，土壤抗侵蚀能力减弱。加之入渗速率降低，使得侵蚀坑得以进一步发育。
上述研究结果表明，砂土在15%~20%区间内抗溅蚀能力最强。基于这一研究发现，在降雨强度较大的砂土地区，可通过调控土壤含水率维持在15%~20%内，从而增强土壤抗侵蚀能力；同时应合理安排农业生产活动，避免在土壤含水率过低或过高时进行耕作，以防引发水土流失。
2.1.4 溅蚀冠形态
表4为不同初始含水率溅蚀冠变化情况，与Li等
［24］研究的规律一致。当土壤初始含水率为5%和10%，降雨1 min时溅蚀冠呈现冠形。降雨时间3 min时，溅蚀冠形态变为柱形，随着溅蚀时间增加，柱形高度逐渐变高。降雨时间5 min后，溅蚀冠逐渐变为清澈的水体。这是因为土壤初始含水率低，团聚体孔隙较大，水对其黏结作用较弱，使得团聚体稳定性较差，容易引发溅蚀。随着降雨进行，水分入渗使得土壤试样含水率上升，团聚体的稳定性增强，使得溅蚀减弱，使溅蚀冠逐渐变为清澈的水体。
当土壤试样初始含水率为15%和20%时，随着降雨进行，土壤表面逐渐产生结皮，形成清澈的冠形溅蚀冠。当土壤试样初始含水率为15%，降雨1 min时，溅蚀冠内含有大量土颗粒；降雨3 min时，溅蚀冠转变为较为清澈的状态，此时土壤结皮已经初步形成，使入渗效率降低。降雨5 min时，溅蚀冠的冠形特征更加明显；降雨7 min时，随着溅蚀时间的增加，土体逐渐接近饱和，溅蚀角度增大，溅蚀冠形态逐渐呈现梯形。降雨9 min时，由于土壤结皮的形成和土壤含水率增加，导致溅蚀角度进一步增大。当初始含水率为20%、降雨1 min时，已形成较大的冠形溅蚀冠且水体清澈，说明20%含水率试样比15%含水率试样更早形成较高强度的土壤结皮，随溅蚀时间增加，溅蚀角度逐渐增大，溅蚀冠逐渐由冠形变为梯形。
当初始含水率为25%、降雨1 min时，溅蚀冠形态为冠形，水体浑浊，因为此时形成一定强度的土壤结皮，但由于土壤试样含水率超过液限（21.7%），土壤黏聚力几乎消失，土体处于流动状态，导致溅蚀冠水体浑浊；降雨3 min时，溅蚀冠溅蚀角度增加，形态变为倒三角形。随着降雨进行，溅蚀冠变为柱形，且水体逐渐清澈，原因是高含水率难以入渗，会逐渐在溅蚀坑内形成积水，导致溅蚀冠水体逐渐清澈。
表5为不同降雨强度下溅蚀冠变化情况，随着降雨强度增加，溅蚀角度增大速度明显加快，溅蚀冠形态呈现冠形→梯形→柱形的变化。这是因为降雨强度增加，雨滴携带的动能显著增加，使其对土壤表面冲击力大幅度增强。当高动能雨滴撞击土壤表面时，会加速表层土壤颗粒的剥离和转移，对深层土壤颗粒产生干扰。使得雨滴冲击深度和横向扩散效应增强，推动溅蚀冠形态快速演变。此外降雨强度与表层土壤含水率密切相关，降雨强度越高，表层土壤含水率上升速度越快。同时更强的雨滴冲击力使得更多土壤颗粒分散，并随着液珠飞溅，促使溅蚀水体更快变为浑浊。
2.2 坡面溅蚀试验
2.2.1 溅蚀坑分布形态
表6 为草本植物不同覆盖率（25%，50%，80%）试样溅蚀试验前后对比，随着植物覆盖率增加，其地上部分（冠、叶、茎等）和根系对降雨侵蚀的削弱作用明显增强。具体表现在以下3个方面：（1） 矮叶麦冬草的簇生状叶片具有很高的叶面积指数，有效减缓降雨对土壤表面的冲击力。当雨滴接触到植物的叶片和茎上时，被其吸收和散射，减少对土壤表面的冲击，延长降雨入渗时间，降低了土壤溅蚀程度。（2） 随着草本植物覆盖率增加，矮叶麦冬草冠层覆盖面积增大，其叶片和茎将雨水分散到更远的土壤区域，减缓局部土壤冲刷和侵蚀程度。使得水分更均匀渗透到土壤，减少水流对土壤表面的冲刷和侵蚀。（3） 草本植物根系能提升土壤抗侵蚀能力，根系的生长、扩展和交织，能增加土壤的结构稳定性，降低土壤松散程度。草本植物根系生长、死亡和分解，不断向土壤中输入有机质，改善土壤质地和结构，增加土壤肥力和稳定性。土壤中有机质含量增加有助于提高土壤入渗能力和抗侵蚀能力，削弱边坡溅蚀程度。
综上所述，随着植物覆盖率的增加，溅蚀坑的分布范围显著减小，溅蚀坑的直径和深度也显著降低，这表明植物覆盖对于减少土壤侵蚀、保护土壤具有重要作用。
2.2.2 溅蚀量与草本植物覆盖率的关系分析
烘干后测量滤纸和干土总重，得到25%，50%，80%草本植物覆盖率溅蚀量分别为32.28 g，19.61 g，10.37 g，随覆盖率增加，溅蚀量呈递减趋势
［25］。为定量分析草本植物覆盖率对削弱坡面溅蚀过程的贡献，草本植物削减溅蚀效益计算公式如下：
式中：C为草本植物减少溅蚀率； St为裸坡溅蚀量（g）；Sp为有草本植物覆盖溅蚀量（g）。
由以上分析得出，25%，50%，80%草本植物覆盖率减蚀率分别为25.81%，54.93%，76.17%，原因是草本植物覆盖率增加，植物冠层覆盖率增大，有效拦截和分散雨水的冲击力，减缓雨滴直接撞击土壤表面速度和能量。土壤溅蚀程度被削弱，使得溅蚀物减少。此外草本植物冠层吸收、蓄存部分雨水，减缓地表径流形成和流动速度，减少水流对土壤冲刷和侵蚀。另一方面，草本植物覆盖率增加，促使草本植物根系生长范围扩大。根系还能减少水分快速入渗，稳固土壤结构，减弱水流对土壤的冲刷，从而减少土壤颗粒的流失，增加土壤抗冲刷能力。
2.3 溅蚀与草本植物防护机制综合分析
当单雨滴击溅时，雨滴撞击土壤表面，在土壤表层形成应力场，随着击打时间增加，应力向土壤内部传递，而土壤通过颗粒的重力和黏聚力抵抗雨滴冲击带来的剥离作用。当颗粒间所受的抵抗力小于雨滴冲击力，导致土壤表面产生溅蚀。在单雨滴击溅试验中，土壤颗粒间黏聚力受到含水率变化影响较大。随着雨滴击打时间的延长，土壤内部含水率增加，导致土壤颗粒间黏聚力减小，促使土壤抗击溅效能削弱，使得土壤溅蚀量增加。而草本植物冠层能有效拦截和削弱雨滴冲击力，同时对雨滴进行截留，降低土壤表面含水率增加速率。延缓土壤颗粒间黏聚力的衰减速度，从而减少土壤溅蚀量。草本植物覆盖度越高，对雨滴的拦截削弱作用越强，分散雨滴冲击能量更强，保护土壤效果更显著。
3 结 论
（1） 初始含水率通过调控土壤物理特性，使溅蚀过程存在显著差异。当初始含水率小于21.7%时，随初始含水率升高，土壤更易形成结皮结构，使得溅蚀量减小，溅蚀坑形态缩小。当初始含水率超过21.7%时，土壤黏聚力骤降，使得土壤溅蚀量急剧增加，溅蚀坑形态随之扩展。
（2） 降雨强度对溅蚀过程具有显著影响：随着降雨强度升高，雨滴动能增强，促使溅蚀量明显增加。同时雨滴动能增强，使溅蚀坑发育速度加快，推动溅蚀冠形态的演变。
（3） 随着草本植物覆盖率升高，溅蚀量呈现递减趋势，同时溅蚀坑范围逐渐缩小，减轻了坡面土壤侵蚀破坏程度。
（4） 仅在特定条件下开展试验，未考虑不同土壤、坡度、草本植物类型等因素对溅蚀机制的影响，导致机制阐述不够全面。后续可开展不同因素对溅蚀机制的影响研究，使研究结论具有普适性。
辽宁省教育厅基本科研项目“辽西北防沙带花生地风蚀防控关键技术研究”(LJ212410147029)
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