暴雨条件下土壤结皮和地表糙度对黄土坡耕地产流产沙过程的影响

Effects of soil crust and surface roughness on runoff and sediment yield processes of loess sloping farmland under rainstorm conditions

摘要

目的 探究土壤结皮和地表糙度对黄土坡耕地产流产沙过程的影响，为坡耕地田间管理优化及水土流失防治完善提供理论依据。 方法 模拟4种坡耕地地表状况（裸地、结皮、糙度、结皮+糙度），设置3种坡度（5°，10°，15°）和2种降雨强度（40 mm/h和80 mm/h），分析了不同坡耕地地表状况下的产流产沙规律。 结果 （1） 土壤结皮显著缩短坡面开始产流时间、降低降雨初损量（p<0.05），地表糙度作用则相反，二者叠加时作用效果存在相互抵消的现象。（2） 在产流产沙过程中，相同时段不同处理坡面的产流强度、产沙强度和径流含沙量的大小规律在5°和10°坡面上基本表现为结皮>裸地>“结皮+糙度”>糙度，但在15°坡面上，糙度和“结皮+糙度”处理的上述参数增加，接近或超过裸地处理。（3） 在不同坡度和雨强条件下，结皮始终促进产流产沙；糙度在5°和10°坡面上减少产流产沙，在15°坡面上糙度的减流作用减弱，减沙作用基本消失；“结皮+糙度”存在临界坡度（10°~15°），低于临界坡度时减少产流产沙，高于临界坡度时促进产流产沙。 结论 土壤结皮与地表糙度二者具有交互作用。“结皮+糙度”处理存在临界坡度为10°~15°，低于此坡度抑制产流产沙，高于此坡度则促进产流产沙。

Abstract

Objective This study aims to investigate the effects of soil crust and surface roughness on runoff and sediment yield processes on loess sloping farmland， thereby providing a theoretical basis for optimizing field management of sloping farmland and improving soil erosion control. Methods This study simulated four surface conditions of sloping farmland （bare soil， crust， roughness， and crust+roughness） under three slope gradients （5°， 10°， and 15°） and two rainfall intensities （40 mm/h and 80 mm/h）， and analyzed the resulting patterns of runoff and sediment yield under different surface conditions of sloping farmland. Results （1） Soil crust significantly shortened the runoff initiation time and reduced the initial rainfall loss （p<0.05）， whereas surface roughness had the opposite effect. When the two were combined， their effects tended to counteract each other. （2） During the runoff and sediment yield processes， the rankings of runoff rate， sediment yield rate， and sediment concentration among treatments at the same time interval generally followed the order of crust > bare soil > crust+roughness > roughness on the 5° and 10° slopes. However， on the 15° slope， these parameters for the roughness and crust+roughness treatments increased， approaching or even exceeding those of the bare soil treatment. （3） Under different slope gradients and rainfall intensities， soil crust consistently promoted both runoff and sediment yield. Roughness reduced runoff and sediment yield on 5° and 10° slopes. However， its runoff-reducing effect diminished on 15° slopes， and its sediment-reducing effect virtually disappeared. The crust+roughness treatment exhibited a critical slope gradient （between 10° and 15°） in its influence on runoff and sediment yield. Below this critical slope gradient， the treatment reduced runoff and sediment yield， while above this critical slope gradient， the treatment promoted runoff and sediment yield. Conclusion Soil crust and surface roughness interact with each other. For the combined crust+roughness treatment， a critical slope gradient exists between 10° and 15°. Below this threshold， the treatment inhibits runoff and sediment yield， while above it， it promotes both.

Graphical abstract

关键词

土壤结皮 / 地表糙度 / 产流 / 产沙 / 临界坡度 / 模拟降雨

Key words

soil crust / surface roughness / runoff yield / sediment yield / critical slope gradient / simulated rainfall

黄土高原曾是我国水土流失最严重的区域，尽管经多年治理后生态环境显著改善，但坡耕地仍是土壤侵蚀的重要来源^［1］。在黄土高原诸多的土地利用类型中，坡耕地因其特殊的易侵蚀特征（坡度较大、植被单一、缺少枯枝落叶层、耕作活动频繁等），成为水土流失的主要策源地^［2］。严峻的坡耕地水土流失问题会引发耕地面积减少、土壤肥力降低、土地退化等一系列问题，严重威胁着我国的粮食安全和生态安全。近些年来，我国大力推进高标准农田建设，随着农田水网建设、坡改梯工程、保护性耕作等一系列水土保持措施的施行，坡耕地水土流失治理取得了较好的成效^［3］。但在新的时代背景下，坡耕地水土流失问题依然是我国水土保持治理工作的重点。在2023年颁布的《关于加强新时代水土保持工作的意见》中明确强调，为加快推进水土流失重点治理，仍需大力推进坡耕地水土流失治理^［4］。因此，有效治理坡耕地水土流失，对推动黄土高原乃至黄河流域的生态保护和高质量发展具有重要的理论与实践意义。

土壤结皮和地表糙度是受田间管理措施直接影响的重要地表状况特征，也是影响坡耕地水土流失的两个重要因素。土壤结皮是指在雨滴击溅作用下，表层土壤颗粒发生分散与重排，经竖向运移后在坡面表层形成的具有致密结构的特殊土层^［5］。土壤结皮对坡面侵蚀过程的影响主要表现在两个方面。一方面，土壤结皮的形成改变了表层土壤结构，致密的结皮层能够极大地降低土壤入渗速率^［6］，导致坡面产流的提前和径流量的增加，加剧土壤侵蚀风险^［7］；另一方面，土壤结皮的形成能够增强表层土壤的抗剪强度，抑制径流对土壤颗粒的冲刷和剥离，并提高土壤抗蚀性^［8］。目前学术界在土壤结皮能够增加径流量方面已经取得较为一致的结论，但在土壤结皮对产沙量的影响方面依然存在争议^［9］。这与土壤结皮发育过程的阶段性和土壤结皮的稳定性有关。土壤结皮在降雨过程中会经历“形成—破坏—再形成”的循环过程^［10］，在此过程中，土壤结皮的稳定性和强度不断增加。地表糙度作为表征微尺度地表起伏形态的关键参数^［11］，其变化直接体现了土壤表面的扰动程度与微地貌形态特征，是影响地表水分转化、径流分布与侵蚀状况的重要特征值^［12］。降雨过程中，在耕作活动、土壤类型、雨滴击溅及径流冲刷等多重因素的共同作用下，地表糙度始终处于动态变化状态，而这种变化会通过改变低洼区域的水分蓄滞能力、调节入渗过程^［13］、影响径流流速及流动路径^［14］，进而改变地表水文过程。地表糙度对土壤侵蚀的影响具有双重性。一方面，地表糙度能够增强地表对雨滴击溅侵蚀的抵抗能力并通过地表填洼能力的提升、径流入渗的增加和径流流速的减小等途径延缓地表径流的形成^［15］，从而抑制土壤流失；另一方面，地表糙度具有促进地表径流汇集并加剧局部冲刷的潜在风险^［16］，进而加剧土壤侵蚀。在真实的坡耕地土壤侵蚀环境中，土壤结皮和地表糙度的形成和演变直接受到整地、播种、中耕、灌溉和收获等田间管理措施的影响，二者复杂多变的状态与形态特征极大地加强了土壤侵蚀过程的不确定性和复杂性^［17］。

目前关于土壤结皮和地表糙度的相关研究多为单因素的研究，或者研究中混淆着两个因素的共同作用而无法单独剔除各自的作用效果，缺乏对土壤结皮与地表糙度之间耦合效应及交互作用机制的深入解析。这导致现有水文与侵蚀模型难以准确区分两者对产流、入渗及产沙过程的独立贡献与协同效应，从而限制了极端降雨条件下土壤侵蚀预测的精度与可靠性，也使得田间水土保持措施缺乏针对性的理论依据。同时，坡度和雨强是土壤侵蚀研究的重要背景，是导致不同研究者针对土壤结皮或地表糙度同一研究内容但取得不同研究结论的重要原因。针对黄土高原沟壑纵横和夏季多暴雨的特点，以及坡耕地是黄土高原水土流失主要策源地的侵蚀现状，有必要针对土壤结皮和地表糙度等复合因素开展研究。本研究聚焦土壤结皮与地表糙度，以径流小区为依托，辅以人工模拟降雨手段，并结合黄土高原侵蚀环境特点设置3种坡度水平与两种降雨强度梯度，旨在揭示暴雨条件下二者对黄土坡耕地产流产沙过程的影响及交互作用机制，以期为坡耕地田间管理措施的优化及水土流失防治工作的完善提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区域位于陕西省咸阳市杨凌示范区（107°59′—108°08′E， 34°14′—34°20′N）。该区所属大陆性半湿润半干旱季风区，年平均降雨量为641 mm，多集中在7—10月，年平均气温12.9 ℃，全年无霜期221 d。这里是黄土高原重要的农业产区，主要种植冬小麦和夏玉米，普遍采用冬小麦和夏玉米轮作的种植模式，能够实现一年两熟。试验土壤为 土，采自当地农耕地0—20 cm的耕层土壤，属于土垫旱耕人为土，多存在于关中地区，是因人类长期耕作活动而形成的一种特殊土壤类型^［18］。根据国际土壤分类，供试土壤质地为黏壤土，其中砂粒、粉粒和黏粒的含量分别为30.0%，41.8%和28.2%。有机质含量为（13.66±0.58） g/kg，全磷、全氮的质量分数分别为（0.93±0.03） g/kg和（0.54±0.02） g/kg，阳离子交换量为（18.31±0.86） cmol/kg。径流小区的装填模拟农田环境，犁底层土壤容重控制在1.3~1.35 g/cm³，表层土壤容重控制在1.3 g/cm³。在装填过程中，使用农具铁耙增大土层之间的接触面，以确保土壤颗粒能够紧密接触。

1.2 试验设计

1.2.1 试验设备

本研究主要是在西北农林科技大学水土保持科学与工程学院水工实验室的径流小区上进行。径流小区长×宽为4.0 m×1.0 m，坡度设置为5°，10°，15°。人工模拟降雨装置为侧喷式降雨系统，主要由降雨支架、喷头、压力表、水泵、蓄水箱、控制阀和输水管道等部分构成（图1）。试验开始前，分别将两个降雨支架摆放在径流小区前后位置，间距为5 m，侧喷式喷头安置在距地面6 m处的降雨支架顶端，喷头对喷形成有效降雨区域。降雨强度可调范围为30~120 mm/h，有效降雨面积为5.0 m×7.0 m，降雨均匀度达80%以上。

1.2.2 坡面处理

在农业生产过程中，田间管理措施是改变坡耕地地表状况的主要驱动因素，且不同的田间管理措施可塑造出差异化的地表特征。研究中选取4种最典型的地表状况作为研究对象，对应4种坡面处理方式（图2），分别为裸地处理（地表平滑无起伏，无糙度无结皮状态）、糙度处理（地表高低起伏，有糙度无结皮状态）、结皮处理（地表平滑无起伏，无糙度有结皮状态）和“结皮+糙度”处理（地表高低起伏，有糙度和有结皮状态）。本研究中，地表的高低起伏状态（地表糙度）主要是通过锄耕和耙磨的方式塑造，地表的结皮状态主要是通过预降雨的方式塑造。

为方便对坡面处理过程进行描述，同一坡度下4个完全相同的径流小区分别编号为Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ。坡面处理具体流程如下：

（1） 坡面扰动处理：使用锄头和耙子等农具对Ⅰ—Ⅳ共4个径流小区的表层土壤（0—20 cm）进行扰动。如地表有侵蚀细沟或土壤结皮存在，均需要消除或打破。采用耙子将Ⅰ号和Ⅲ号径流小区的地表处理为平滑无起伏形态；采用锄头将Ⅱ号和Ⅳ号径流小区的地表处理为高低起伏形态。

（2） 预降雨处理：为形成土壤结皮，在径流小区坡面采用预降雨处理。设置降雨强度为80 mm/h，降雨历时为15 min，累积降雨量为20 mm。为避免预降雨对不同径流小区坡面的土壤含水量造成差异，Ⅰ—Ⅳ共4类径流小区均进行预降雨处理。考虑到预降雨过程如有径流产生，径流侵蚀过程会导致地表形态发生较大程度的变化，径流损失也会导致不同径流小区间土壤含水量的差异，因此为避免坡面产生径流，采用间断降雨的形式开展预降雨试验。预降雨在坡面即将开始出现径流时停止，待地表土壤恢复均匀湿润的无径流状态后继续，重复循环直至达到累积降雨量。预降雨的间断次数和间断时长视坡面径流产生情况而定，但保证总降雨时长（15 min）和降雨量（20 mm）的一致。

（3） 保留结皮和打破结皮处理：待坡面土壤风干不粘手之后，用耙子和锄头打破Ⅰ、Ⅱ径流小区的土壤结皮，并将Ⅰ径流小区地表塑造成平滑无起伏状态，将Ⅱ径流小区塑造成高低起伏状态，保留Ⅲ和Ⅳ径流小区的土壤结皮不打破。

经过以上3个步骤之后，便获得所需的4种坡面处理，其中Ⅰ为裸地处理，Ⅱ为糙度处理，Ⅲ为结皮处理，Ⅳ为“结皮+糙度”处理，如图2所示。在设计坡度和雨强条件下，4种坡面处理均进行3次重复试验。

1.2.3 人工模拟降雨试验

本研究采用人工模拟降雨试验。根据黄土高原夏季多暴雨的典型特征，降雨强度分别设定为40，80 mm/h，代表一般降雨强度和暴雨强度降雨，降雨历时均设为60 min。在每次开展人工模拟降雨试验前，测定径流小区坡面表层土壤（0—10 cm）的含水量，并根据测定结果，通过风干或洒水的方式人为调节表层土壤含水量，保持在15%~20%，以消除坡面前期土壤含水量差异对试验的干扰。

在试验开始后，记录每场降雨的坡面开始产流时间（T_r）。随后，使用集流桶每隔2 min收集历时为1 min的径流泥沙混合样品，并测量样品体积。降雨试验结束后，将所采集的样品静置24 h，去除上清液，转移沉淀的泥样至铝盒内，在105 ℃条件下烘干至恒重，称量泥沙干重。

1.3 土壤侵蚀指标计算

为对比和评价雨强、坡度和地表状况对黄土坡耕地产流产沙过程的影响，研究中选用开始产流时间、降雨初损量、产流强度、产沙强度、累积产流量、累积产沙量和作用系数7个土壤侵蚀指标。这些指标的含义和计算方法如下所示：

（1） 开始产流时间（T_r）及降雨初损量（I_LR）。开始产流时间（T_r）指从降雨开始到坡面开始产生径流的时间间隔。降雨初损量（I_LR）指从降雨开始到坡面开始产生径流这段时间的降雨损失量。计算公式为：

I_{\mathrm{L}\mathrm{R}}=T_{\mathrm{r}}\cdot I/\mathrm{60}（1）

式中：I_LR为降雨初损量（mm）；T_r为开始产流时间（min）；I为降雨强度（mm/h）。

（2） 产流强度（R）及产沙强度（S）。产流强度（R）指开始产流后，坡面在单位时间和单位面积的产流量。产沙强度（S）指开始产流后，坡面在单位时间和单位面积的产沙量。计算公式为：

R=V/(A\cdot T/\mathrm{60})（2）

S=M/(A\cdot T/\mathrm{60})（3）

式中：R为产流强度〔L/（m² · min）〕；S为产沙强度〔g/（m² · min）〕；T为径流和泥沙样品接取时间（s）；V为在T时间内接取径流的体积（L）；M为在T时间内接取泥沙的质量（g）；A为径流小区的垂直投影面积（m²）。

（3） 累积产流量（R_c）和累积产沙量（S_c）。累积产流量（R_c）指坡面从开始产流到降雨t时刻产生的径流总量。累积产沙量（S_c）指坡面从开始产流到降雨t时刻产生的泥沙总量。计算公式为：

R_{\mathrm{c}}={\displaystyle \sum _{i=\mathrm{1}}^n}{Q}_i（4）

S_{\mathrm{c}}={\displaystyle \sum _{i=\mathrm{1}}^n}{M}_i（5）

式中：R_c表示累积产流量（L/m²）；S_c表示累积产沙量（kg/m²）；Q_i 表示第i个时间段内的径流量；M_i 表示第i个时间段内的泥沙量；n表示坡面从开始产流到降雨t时刻之间的时间段总数。

（4） 作用系数（I_F）。作用系数（I_F）是用来量化特定地表状况对土壤侵蚀影响程度的无量纲指标，是相对于地表在裸地处理条件下土壤侵蚀指标的相对变化程度。其计算公式为：

I_{\mathrm{F}}=\frac{E_{\mathrm{0}}-E}{E_{\mathrm{0}}}（6）

式中：I_F为作用系数；E₀为裸地的土壤侵蚀指标；E为特定地表状况的土壤侵蚀指标。

作用系数的正负可反映地表状况对特定土壤侵蚀指标的影响方向，其绝对值大小则表征影响程度。I_F>0表示相较于裸地，当前地表条件有助于削减某一土壤侵蚀指标；I_F<0时表示相较于裸地，当前地表条件有助于增强某一土壤侵蚀指标；I_F=0表示两者地表状况下某一特定土壤侵蚀指标无明显差异。|I_F|越大，表明当前地表条件对土壤侵蚀指标的影响程度相对于裸地越强。

1.4 统计分析

采用Microsoft Excel 2019软件进行试验数据处理。通过单因素方差分析（Analysis of Variance， ANOVA）结合LSD多重比较法进行差异分析，p<0.05表示差异显著。采用Origin 2021软件和PowerPoint 2021软件进行模型拟合与绘图。论文图表中的数据均是基于3次独立重复试验结果，以“平均值±标准差”的形式表示。

2 结果与分析

2.1 不同地表状况坡面开始产流时间与降雨初损量变化

4种坡面处理的开始产流时间及降雨初损量的变化如图3所示。在不同坡度和雨强条件下，4种不同处理坡面的开始产流时间和降雨初损量之间的长短或大小关系始终呈现为结皮<裸地<“结皮+糙度”<糙度。与裸地相比，结皮处理能够显著减少（p<0.05）坡面开始产流时间和降雨初损量，糙度处理能够显著增加（p<0.05）坡面开始产流时间和降雨初损量，“结皮+糙度”处理的坡面开始产流时间和降雨初损量均显著长于或大于（p<0.05）裸地处理和结皮处理，但显著短于或小于（p<0.05）糙度处理。在雨强一定时，随着坡度的增加，不同处理坡面的开始产流时间和降雨初损量均呈现逐渐减少的趋势，在40 mm/h雨强下，结皮处理与糙度处理在5°，10°，15°坡度间两两比较均不显著（p>0.05），而结皮+糙度处理中，15°坡相比5°和10°分别显著降低31.63%和16.52%（p<0.05），但5°与10°间不显著（p>0.05）；在80 mm/h雨强下，结皮处理在5°，10°，15°坡度间两两差异均不显著（p>0.05）。在坡度一定时，不同处理坡面在80 mm/h雨强下的开始产流时间均短于40 mm/h雨强，但降雨初损量均大于40 mm/h雨强。

2.2 不同地表状况坡面产流产沙过程变化

80 mm/h雨强条件下，不同地表处理状况下坡面产流产沙过程变化如图4所示。在不同坡度下，4种处理坡面产流强度随降雨历时的变化均呈现出先迅速增加后逐渐趋于稳定的规律。随着坡度增加，产流初期径流强度增长速率加快，径流强度达到稳定所需时间缩短，且稳定径流强度也随之增大。在5°和10°坡面上，稳定产流强度大小规律为结皮>裸地>“结皮+糙度”>糙度，但在15°坡面上，裸地与糙度处理坡面的稳定产流强度相近，在0.8 L/（m² · min）附近上下波动，结皮与“结皮+糙度”处理的稳定产流强度相近，在0.95 L/（m² · min）附近上下波动。

不同坡度下，裸地与结皮处理坡面产沙强度随降雨历时的变化均呈现先快速增加至峰值后逐渐递减的趋势，且产沙强度峰值随坡度的增加而增加。在5°和10°坡面上，裸地处理的产沙强度峰值为11.99~19.74 g/（m² · min），结皮处理的产沙强度峰值为24.14~38.95 g/（m² · min）。在15°坡面上，糙度和“结皮+糙度”处理坡面产沙强度随降雨历时的变化与裸地和结皮处理坡面变化规律一致，具有产沙强度峰值出现，产沙强度峰值的大小规律表现为“结皮+糙度”>结皮>糙度>裸地。但在5°和10°坡面上，糙度和“结皮+糙度”处理坡面产沙强度并无峰值出现，而是趋于稳定。在产流中后期，在5°和10°坡面上，4种处理坡面产沙强度的大小规律表现为结皮>裸地>“结皮+糙度”>糙度，但在15°坡面上，“结皮+糙度”处理坡面的产沙强度明显高于结皮和裸地处理，而糙度处理坡面的产沙强度与裸地基本一致，且均小于结皮处理。

不同坡度下，4种处理坡面的径流含沙量随降雨历时的变化均呈现出逐渐减小的趋势。在5°和10°坡面上，不同处理坡面在相同时段径流含沙量的大小规律为结皮>裸地>“结皮+糙度”>糙度，但在15°坡面上，“结皮+糙度”坡面的径流含沙量均明显高于同时段的其他3种坡面处理，且糙度处理坡面在产流早期和中期的径流含沙量开始超过同时段的裸地处理，与同时段的结皮处理基本一致，但在产流后期的径流含沙量与裸地处理基本一致，低于同时段的结皮处理。

图4中还列出了不同处理坡面累积产沙量随累积产流量的变化曲线，即水沙关系变化曲线。不同处理坡面累积产沙量与累积产流量之间的关系均可用二次函数表示。曲线斜率的变化代表径流含沙量的变化，斜率越大代表径流含沙量越大，径流输沙效率越高。在5°坡面上，4种处理坡面水沙关系变化曲线斜率的大小规律为结皮>裸地>“结皮+糙度”>糙度，在10°坡面上，“结皮+糙度”处理坡面水沙关系变化曲线的斜率开始变得与结皮处理较为一致，在15°坡面上，4种处理坡面水沙关系变化曲线斜率的大小规律变为“结皮+糙度”>结皮>糙度>裸地。

2.3 不同地表状况坡面产流量和产沙量变化

图5展示不同地表状况坡面产流量与产沙量随坡度的变化。在不同坡度不同雨强下，结皮处理的产流量均显著大于（p<0.05）裸地（除80 mm/h雨强下的5°坡面外），而糙度处理的产流量均显著小于（p<0.05）裸地。“结皮+糙度”处理的产流量始终介于结皮处理和糙度处理之间，说明结皮和糙度两者叠加作用效果存在一定抵消。在40，80 mm/h雨强下，5°和10°坡面的产流量大小关系始终呈现为结皮>裸地>“结皮+糙度”>糙度，但在15°坡面，“结皮+糙度”处理的产流量开始超过裸地处理，大小关系变为结皮>“结皮+糙度”>裸地>糙度。随着坡度增加，不同地表状况坡面的产流量均呈现逐渐增加的趋势，它们在15°坡面的产流量均显著高于（p<0.05）在5°坡面的数据。随着雨强的增加，不同地表状况坡面的产流量增加趋势明显，它们在80 mm/h雨强下的产流量约为在40 mm/h雨强下数据的2倍。

不同雨强下，结皮处理的产沙量均显著大于（p<0.05）裸地，而糙度处理在5°和10°坡面上的产沙量均显著小于（p<0.05）裸地，但在15°坡面上的产沙量与裸地差异并不显著。在5°和10°坡面上，“结皮+糙度”处理的产沙量始终介于结皮处理和糙度处理之间，且均小于裸地，说明结皮和糙度两者叠加作用效果相互抵消。但在15°坡面上，“结皮+糙度”处理的产沙量显著大于（p<0.05）结皮处理和糙度处理，说明结皮和糙度两者叠加会导致产沙量的急剧增加。随着坡度的增加，不同地表状况坡面的产沙量均呈现显著增加的趋势（p<0.05）。此外，在坡度相同时，相同地表状况坡面在80 mm/h雨强下的产沙量均明显高于40 mm/h雨强下的产沙量。

不同地表状况坡面产流量、产沙量与坡度、雨强之间的关系可用线性函数表示，表1中列出了它们之间的回归方程及标准化回归方程。在标准化回归方程中，标准化回归系数的正负能够用来判断自变量对因变量的影响方向，标准化回归系数绝对值的大小能够用来判断自变量对因变量相对影响程度的强弱。在所有标准化回归方程中，雨强和坡度的标准化回归系数均大于0，且雨强的标准化回归系数明显大于坡度，说明不同地表状况坡面的产流量、产沙量均随着坡度和雨强的增加而增加，且雨强对产流量和产沙量的影响要比坡度大。与裸地相比，糙度、结皮、“结皮+糙度”处理雨强的标准化回归系数均相对减少，而坡度的标准化回归系数均相对增加，说明糙度和结皮的存在能够提升坡度对产流产沙的贡献。

不同地表状况坡面产流量、产沙量与坡度、雨强之间的关系可用线性函数表示，根据标准化回归系数的大小可以判断雨强对产流量和产沙量的贡献要比坡度大，但糙度和结皮的存在能够提升坡度对产流产沙的贡献。

2.4 不同地表状况坡面作用系数变化

不同地表状况对坡面开始产流时间和降雨初损量的作用系数变化如图6A和6B所示。在2种雨强下，结皮的作用系数始终为正（I_F>0），糙度的作用系数始终为负（I_F<0），说明结皮的作用效果始终表现为缩短坡面开始产流时间并减少降雨初损量，而糙度的作用效果始终表现为延长坡面开始产流时间并增加降雨初损量。“结皮+糙度”的作用系数始终介于结皮和糙度之间，但数值始终为负（I_F<0），说明“结皮+糙度”的作用效果始终表现为延长坡面开始产流时间并增加降雨初损量，但这种作用效果比糙度要弱（“结皮+糙度”|I_F|<糙度|I_F|）。在40，80 mm/h雨强下，结皮对坡面开始产流时间和降雨初损量的作用效果（|I_F|）随坡度的变化均较小，且数值始终介于0.5~0.7之间，说明雨强和坡度对结皮在缩短坡面开始产流时间和减少降雨初损量方面的作用效果影响较小。在40 mm/h雨强下，糙度对坡面的开始产流时间和降雨初损量的作用效果（|I_F|）随坡度的增加而增加，但“结皮+糙度”的这种作用效果（|I_F|）随坡度的增加而减小，说明坡度的增加能提高糙度在延长坡面开始产流时间并增加降雨初损量方面的作用效果，但会削弱“结皮+糙度”的这种作用效果。在80 mm/h雨强下，糙度和“结皮+糙度”对坡面开始产流时间和降雨初损量的作用效果（|I_F|）随坡度的变化均较小，说明雨强的增加淡化了坡度对糙度和“结皮+糙度”作用效果的影响。随着雨强的增加，糙度和“结皮+糙度”的作用系数（I_F）增加明显，说明雨强的增加能削弱糙度和“结皮+糙度”在延长坡面开始产流时间并增大降雨初损量方面的作用效果。

不同地表状况对坡面产流量的作用系数变化如图6C和6D所示。在两种雨强下，结皮的作用系数始终为负（I_F<0），糙度作用系数始终为正（I_F>0），说明结皮的作用效果始终表现为增加坡面产流量，而糙度的作用效果始终表现为减少坡面产流量。“结皮+糙度”的作用系数始终介于结皮和糙度之间，其值在5°和10°坡面上为正（I_F>0），在15°坡面上为负（I_F<0），说明在10°~15°之间存在临界坡度。当坡度小于临界坡度的时候，“结皮+糙度”的作用效果表现为减少坡面产流量，但这种作用效果比糙度要弱（“结皮+糙度”|I_F|<糙度|I_F|），说明结皮可削弱糙度对坡面产流量的减少作用。当坡度大于临界坡度的时候，“结皮+糙度”的作用效果表现为增加坡面产流量，但这种作用效果比结皮要弱（“结皮+糙度”|I_F|<结皮|I_F|），说明糙度可削弱结皮对坡面产流量的增加作用。随着坡度的增加，结皮、糙度和“结皮+糙度”的作用系数均呈现一定的下降趋势，说明坡度的增加能增强结皮对坡面产流量的增加作用，削弱糙度对坡面产流量的减少作用，并逆转“结皮+糙度”对坡面产流量的作用效果（由减少变为增加）。随着雨强的增加，结皮、糙度和“结皮+糙度”的作用系数变化幅度相对较小（变化幅度<0.10），说明不同地表状况对坡面产流量的作用效果受雨强的影响相对较小。

不同地表状况对坡面产沙量的作用系数变化如图6E和6F所示。在两种雨强下，结皮的作用系数始终为负（I_F<0），说明结皮的作用效果始终表现为增加坡面产沙量。糙度的作用系数在5°和10°坡面上为正（I_F>0），表现为减少坡面产沙量，但在15°坡面上接近于0，说明其增加或减少坡面产沙量的作用效果不明显（产沙量与裸地基本一致）。“结皮+糙度”的作用系数在5°和10°坡面上为正（I_F> 0），在15°坡面上为负（I_F<0），说明在10°~15°之间存在临界坡度。当坡度小于临界坡度的时候，“结皮+糙度”的作用效果表现为减少坡面产沙量，但这种作用效果比糙度要弱（“结皮+糙度”|I_F|<糙度|I_F|）。当大于临界坡度的时候，“结皮+糙度”的作用效果表现为增加坡面产沙量，且这种作用效果比结皮还要强（“结皮+糙度”|I_F|>结皮|I_F|）。随着坡度的增加，结皮、糙度和“结皮+糙度”的作用系数在5°和10°坡面的变化幅度相对较小，但在15°坡面上下降趋势明显，说明大坡度（15°）能极大地增强结皮对产沙量的增加作用，削弱糙度对产沙量的减少作用，并逆转“结皮+糙度”对产沙量的作用效果（由减少变为增加）。随着雨强的增加，结皮、糙度和“结皮+糙度”的作用系数均存在一定幅度的减小，说明雨强的增加能削弱糙度和“结皮+糙度”减少坡面产沙量的正向作用，但能强化结皮和“结皮+糙度”增加坡面产沙量的负向作用。

3 讨 论

3.1 地表状况对坡面开始产流时间和降雨初损量影响

研究结果表明土壤结皮能够显著缩短（p<0.05）坡面开始产流时间并减少降雨初损量，这与程琴娟等^［7］关于黄土结皮的研究结果一致。土壤结皮是降雨过程中表层土壤细颗粒随入渗水分向下运移并堵塞土壤孔隙而形成的致密薄层土壤结构^［8］，该结构能够极大地降低表层土壤的入渗速率。降雨强度一定时，有结皮存在的地表更容易因超渗而产流，导致坡面产流开始时间大幅缩短。同时，土壤结皮的光滑表面缺乏径流阻滞效应^［19］，大部分降雨会快速转化为地表径流流失，仅有少量降雨能突破结皮层完成入渗，构成降雨初损量。研究中发现地表糙度能够显著（p<0.05）延长坡面开始产流时间并增加降雨初损量。这是因为地表起伏的微地形可阻碍坡面径流的形成和汇集，降雨需先完成填洼过程，待地表坑洼蓄满连通后才能形成连续的地表径流。填洼过程可显著促进降雨的局部入渗，增加土壤入渗量，同时有效延缓坡面径流的产生。研究中还发现，糙度处理坡面的开始产流时间会随着坡度的增加而缩短，这与王林华等^［15］关于地表粗糙度对黄土坡面产流机制影响的研究结果相似。缓坡条件下，地表坑洼处的蓄水能力与局部入渗条件相对稳定^［20］，使得糙度处理坡面开始产流时间延长。但在陡坡条件下，坡度直接减少了洼地的有效蓄水空间，导致填洼历时缩短，漫溢速度增加^［21］。因此，坡度增加会削弱地表糙度对径流的蓄滞能力，从而缩短坡面开始产流时间。

在真实的大田环境中，土壤结皮与地表糙度通常并存，且二者之间相互影响^［22］。研究中发现“结皮+糙度”处理的坡面开始产流时间和降雨初损量始终介于结皮处理和糙度处理之间，这是因为土壤结皮和地表糙度对坡面开始产流时间和降雨初损量的作用效果完全相反，它们相互叠加作用效果存在一定的抵消。对于“结皮+糙度”地表状况，一方面，凹凸不平的微地形保留了地表的局部蓄水能力和对地表径流的阻滞效果，降雨需先填满洼地才能产流，因此与裸地和结皮处理相比，其坡面开始产流时间得到延长，降雨初损量有所增加。但另一方面，由于结皮的存在，地表土壤入渗速率受到较大的影响，地表凸起处更容易形成地表径流，而地表坑洼处虽也能蓄积一定的地表径流并提高入渗水头高度，但土壤入渗量会有所减少，坑洼处更容易蓄满而溢出，因此与糙度处理相比，坡面开始产流时间会有所提前，而降雨初损量有所减少。研究中“结皮+糙度”处理整体表现为延长坡面开始产流时间并增加降雨初损量，说明在土壤结皮和地表糙度作用效果的相互叠加和抵消中，地表糙度的作用效果超过土壤结皮并占据上风。降雨初损量能够直接反映地表状况对降雨的拦蓄效果，它指的是坡面从开始降雨到开始产流这段时间的降雨量^［23］。这部分降雨并未转化为地表径流，而是一部分被地表填洼储存，另一部分入渗至土壤中。研究中发现不同地表状况坡面降雨初损量差异显著（p<0.05），同时还受到坡度和雨强的影响。在不同坡度和雨强条件下，裸地、结皮、糙度及“结皮+糙度”处理的降雨初损量变化范围分别为5.12~7.49 mm，2.31~3.20 mm，10.18~12.57 mm和7.89~11.75 mm。这一差异主要受地表入渗能力与拦蓄能力的共同作用。土壤结皮可通过降低表层土壤入渗速率并促进产流而减少降雨初损量，地表糙度则可通过增强地表拦蓄能力并改变汇流路径而增加降雨初损量。在“结皮+糙度”处理中，地表糙度提升的地表拦蓄能力部分抵消了结皮降低的土壤入渗能力，两者作用效果叠加使降雨初损量介于结皮处理和糙度处理之间。

在实际应用中，降雨初损量指标可作为侵蚀性降雨的标准，因其反映的是降雨过程中地表径流形成前坡面未发生土壤侵蚀的临界降雨量。王万忠^［23］曾将黄土高原侵蚀性降雨的雨量标准拟定为9.9 mm。本研究中，裸地、结皮、糙度和“结皮+糙度”4种地表状况在40 mm/h雨强下的降雨初损量均低于9.9 mm，在5°坡上，裸地、结皮、糙度和“结皮+糙度”4种地表状况的降雨初损量分别为4.54，1.87，8.38，7.83 mm；在10°坡上，裸地、结皮、糙度和“结皮+糙度”4种地表状况的降雨初损量分别为3.98，1.76，8.00，6.39 mm；在15°坡上，裸地、结皮、糙度和“结皮+糙度”4种地表状况的降雨初损量分别为3.41，1.63，7.61，5.33 mm。在80 mm/h雨强下，裸地处理在5°，10°，15°3种坡度上的降雨初损量分别为7.49，6.49，6.07 mm；结皮处理在5°，10°，15°3种坡度上的降雨初损量分别为3.20，2.69，2.31 mm；糙度处理在5°，10°，15°3种坡度上降雨初损量分别为12.49，10.93，10.18 mm；“结皮+糙度”处理在5°，10°，15°这3种坡度上降雨初损量分别为10.29，8.82，7.89 mm。随着雨强的增加，它们的降雨初损量虽有所增加，但仅有糙度处理的降雨初损量超过了9.9 mm，“结皮+糙度”处理仅在5°坡面上超过9.9 mm，而裸地和结皮处理的降雨初损量均始终低于9.9 mm。根据不同地表状况和坡度，本研究对9.9 mm的侵蚀性降雨标准进行动态修正。对于结皮地表状况，可将侵蚀性降雨标准下调至2~4 mm；对于糙度地表状况，可上调至10~12 mm；对于“结皮+糙度”地表状况，坡度5°时取10 mm，坡度10°以上时取8 mm。这一方面印证了侵蚀性降雨标准的易变性，坡度、雨强及地表状况变化均会导致降雨初损量发生变化，另一方面也说明坡耕地极易产生侵蚀的本质，小雨量的降雨便可引发土壤侵蚀，因此应重视坡耕地土壤侵蚀的防治工作。在农业生产实践中，可通过打破结皮和增加地表糙度的方式增加降雨初损量，这样的田间管理措施能够在一定程度上避免小雨量降雨引发的水土流失，但应对大雨量的降雨，依然需要等高耕作、秸秆覆盖及农林复合等田间管理措施的参与^［24］。

3.2 地表状况对坡面产流产沙的影响

研究发现在不同坡度和雨强条件下，结皮处理坡面的产流强度、产沙强度均明显高于裸地（图5），其原因可在坡面产流产沙过程（图4）中找到线索。坡面发生侵蚀性降雨后，土壤结皮致密层降低了土壤入渗速率^［25］，在增加坡面径流量的同时，也导致径流快速汇集并形成水流通路^［19］，使得产流前期产流强度迅速增加。坡面产生的大量径流对原始土壤结皮进行破碎和剥离^［7］，致使产流初期结皮的产沙强度也始终处于较高水平。到了产流中后期，原始的土壤结皮被破碎和剥离后，暴露出下方未经扰动、相对疏松的土壤。新暴露的土壤在雨滴的打击作用下，会发生土壤密闭现象并迅速形成新的致密层，使表层土壤始终保持较低的入渗速率^［20］。与此同时，与裸地处理相比，土壤结皮光滑的表面特征使坡面始终维持着较低的径流阻力，坡面径流具有较高的流速和冲刷能力^［7］。因此在产流强度达到稳定后，结皮处理坡面的产流强度也维持在高于裸地的较高水平。

与裸地相比，在不同坡度和雨强条件下，糙度处理坡面的产流强度始终低于裸地（图5）。地表糙度具有拦蓄降雨、增加径流阻力、减缓径流流速、延长径流滞留时长并增加土壤入渗的效果，因而能极大地降低坡面产流量^［26］。在产流产沙过程中也能够发现，与裸地相比，糙度处理坡面的产流强度始终处于较低的水平（图4）。在5°和10°缓坡条件下，产沙强度未出现峰值而趋于稳定。这是由于重力沿坡面分量较小，径流流速低、动能减小，坡面径流对土壤颗粒的剥离能力减弱^［21］。糙度处理可以降低径流流速与挟沙能力，而“结皮+糙度”处理进一步形成致密抗蚀层，抑制雨滴击溅与土壤分离过程，并阻隔下层土壤的颗粒补给。因此，缓坡条件下的侵蚀产沙受输移限制或物源限制，糙度和“结皮+糙度”处理坡面产沙强度呈现稳定状态而无明显峰值。

研究中发现，随着坡度的增加，地表糙度减水减沙的作用效果有所下降（图6），在5°和10°坡面上，糙度处理坡面的产沙量显著低于裸地处理（p<0.05），但在15°坡面上，糙度处理坡面的产沙量与裸地无显著差异（p>0.05）。这是因为在低坡度时，地表糙度在坡面形成的坑洼对径流和泥沙具有较大的有效容纳空间，能够有效拦截径流和泥沙，因而具有较好的保水保土作用。但在大坡度时，地表糙度形成的坑洼对径流和泥沙的有效容纳空间被极大地削弱^［27］。与此同时，重力的作用效果得到明显增强，在极大提升径流能量的同时，也降低了地表糙度和坑洼处土壤的稳定性^［28］。当径流流经坑洼处时，会形成强烈的漩涡和水跃，它们会对坡面坑洼处产生强烈的局部掏蚀，导致坡面重力崩塌和细沟溯源侵蚀现象明显增多，坑洼坡面产沙强度明显提升，地表糙度不再具备减流减沙的作用。

与裸地相比，在5°和10°坡面上，“结皮+糙度”处理坡面的产流量、产沙量均低于裸地，但在15°坡面上，其产流量、产沙量均高于裸地（图5）。根据作用系数的数值大小和正负，我们发现“结皮+糙度”对坡面产流量和产沙量的影响存在临界坡度，临界坡度介于10°~15°之间（图6）。低于临界坡度时，“结皮+糙度”的作用效果表现为减少产流产沙，与糙度作用效果一致，但这种作用效果要低于糙度。超过临界坡度时，“结皮+糙度”的作用效果转变为增加产流产沙，与结皮作用效果一致，但这种作用效果要高于结皮。

对于“结皮+糙度”这种地表状况，在低于临界坡度时，地表糙度的蓄水效应占主导作用。虽有土壤结皮存在，地表坑洼处依然可以有效拦蓄径流和泥沙，从而减少坡面产流量和产沙量。与此同时，土壤结皮在一定程度上能够抵抗雨滴击溅和径流冲刷^［29］，维持地表起伏状态，并起到减少坡面产沙的作用。然而在降雨和径流作用下，糙度引起的局部应力集中、水流冲击及雨滴打击，会在连续的土壤结皮表面诱发裂纹并促使其扩展，最终将连续结皮破碎为孤立斑块。这一过程导致结皮作用被破坏，而糙度的截留径流作用与结皮破碎后的产流产沙作用相互抵消，使得侵蚀响应变得复杂。在高于临界坡度时，土壤结皮对入渗的限制作用成为主导。地表糙度的有效填洼量被极大地减弱，而土壤结皮又极大地降低了雨水在坑洼处的入渗，两者叠加最终促使坡面产流量和产沙量的激增。与此同时，重力作用更加突显，导致径流流速和剪切力增强，冲刷侵蚀加剧，细沟发育明显^［30］。这一现象的水动力学机理在于径流剪切力随坡度变化呈现非线性特征，且结皮与糙度在能量临界点处发生主导作用的转换。在农业生产实践中，应注意研究中发现的临界坡度带来的影响。在缓坡耕地，可通过打破结皮并增加地表糙度的方式减少坡面产流产沙。但在陡坡耕地，人为过多的地表扰动会增加土壤侵蚀的风险，免耕少耕、秸秆覆盖等保护性耕作措施或许是一个更好的选择。农业管理中应摒弃“一刀切”的思维，根据坡度与地表状态精细调整田间管理措施，以实现农业的可持续发展和水土资源的高效利用。需要指出的是，该临界坡度的具体取值可能受土壤类型及前期含水量等因素影响，未来可结合多因子控制试验加以验证。

3.3 研究不足与展望

本研究依托径流小区开展，受研究尺度偏小、坡面汇流面积有限的客观制约，观测所得的土壤侵蚀过程与大田环境下的侵蚀特征或存在一定差异，相关研究结论仍需通过大田原位试验进一步验证。本研究中土壤结皮以预降雨方式形成，因降雨强度一定且历时较短，所形成的土壤结皮类型和强度类型相对单一。未来可重点针对不同降雨强度下形成的结构结皮与沉积结皮，以及不同发育程度（如初生期、稳定期）的结皮类型开展专项研究，深入解析其侵蚀效应。研究中地表糙度通过锄耕、耙磨等方式构建，糙度形态类型较为单一，后续应重点聚焦不同耕作方式（如等高耕作、横坡垄作、免耕等）所形成的地表糙度形态及其对侵蚀过程的调控机制。此外，农作物作为坡耕地土壤侵蚀的重要影响因子，其与地表状况（如结皮发育、糙度变化）之间的交互作用机制尚未纳入本研究范畴，这也是后续研究亟需深化的重点方向。尽管本研究尚存诸多不足，但为土壤结皮与地表糙度侵蚀效应的研究构建了有效研究范式。该范式可在我国水土流失较为严重的坡耕地集中区（如东北黑土区、黄土高原丘陵沟壑区、西南紫色土区等）以及具有相似降雨和耕作特征的区域推广使用，并为坡耕地田间管理措施的科学优化及土壤侵蚀防治机理的系统深化提供重要理论支撑。

4 结 论

（1） 与裸地相比，土壤结皮能够显著缩短坡面开始产流时间，并减小降雨初损量（p<0.05），而地表糙度能够显著延长坡面开始产流时间，并增大降雨初损量（p<0.05）；土壤结皮和地表糙度两者叠加存在，作用效果呈现相互抵消的现象。坡度的增加会缩短坡面开始产流时间并减小降雨初损量，雨强的增加也会缩短坡面开始产流时间，但会增大降雨初损量。

（2） 4种地表处理下，坡面产流强度随降雨历时的变化均表现为先迅速增加、随后趋于稳定的趋势。裸地与结皮处理坡面的产沙强度随降雨历时的变化呈现先快速增加至峰值后逐渐递减的趋势，糙度和“结皮+糙度”处理坡面产沙强度随降雨历时的变化在15°坡面上与裸地和结皮处理坡面变化规律一致，但在5°和10°坡面上并无峰值出现。4种处理坡面的径流含沙量随降雨历时的变化均呈现出逐渐减小的趋势。在5°和10°坡面上，不同处理坡面在相同时段产流强度、产沙强度和径流含沙量的大小规律基本表现为结皮>裸地>“结皮+糙度”>糙度，但在15°坡面上，糙度和“结皮+糙度”处理坡面的产流强度、产沙强度和径流含沙量均有所增加，开始接近或超过裸地处理。4种处理坡面的累积产沙量与累积产流量之间的关系可用二次函数表示。

（3） 在5°和10°坡面上，4种处理坡面的产流量和产沙量大小关系始终表现为结皮>裸地>“结皮+糙度”>糙度，但在15°坡面上，糙度处理坡面的产沙量变得与裸地接近，“结皮+糙度”处理坡面的产流量开始超过裸地，其产沙量开始超过结皮处理。不同地表状况坡面产流量、产沙量与坡度、雨强之间的关系可用线性函数表示，根据标准化回归系数的大小可以判断雨强对产流量和产沙量的贡献要比坡度大，但糙度和结皮的存在能够提升坡度对产流产沙的贡献。

（4） 在不同坡度和雨强条件下，结皮对坡面产流量和产沙量的作用系数始终为负，作用效果表现为促进产流产沙。在5°和10°坡面上，糙度和“结皮+糙度”对坡面产流量和产沙量的作用系数始终为正值，作用效果表现为减少产流产沙，但“结皮+糙度”的作用效果要小于糙度。在15°坡面上，糙度对产流量的作用系数有所减小（仍为正），对产沙量的作用系数接近于0，“结皮+糙度”对产流量和产沙量的作用系数变为负值，表现为促进产流产沙。“结皮+糙度”对产流量和产沙量的作用效果存在临界坡度（介于10°~15°之间）。

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基金资助

山西农业大学优秀博士启动项目(2026BQ58)

山西省留学人员科技活动择优资助项目(20220018)

山西省高等学校科技创新项目(2021L139)