土壤侵蚀是一个全球性的环境问题，全球已有超过1/4的耕地面积受到土壤侵蚀的影响
［1］。土壤侵蚀通过对地表土壤的剥蚀而造成养分流失，不仅使地力下降，也易造成下游水质恶化。同时，土壤侵蚀过程还扰动陆地碳循环，影响全球生态系统安全
［2-3］。我国是世界上水土流失最严重的国家之一
［4］。自20世纪50年代以来，国内外在坡面土壤侵蚀规律方面取得很大进展
［5-8］。坡面侵蚀是造成我国水土流失的主要原因之一
［9］，坡面浅沟侵蚀是导致耕地土壤退化的重要原因
［10］，因此，坡耕地侵蚀是我国研究坡面侵蚀的重点，也是水土流失防治的关键所在，可以为确定退耕上限坡度、指导治理措施的配置和建立坡耕地土壤侵蚀预报模型等提供科学依据。
人工模拟降雨试验是研究土壤侵蚀最有效的手段之一，与天然降雨试验相比大大缩短试验周期
［11］。早在1920年，美国使用人工模拟降雨方式对土壤侵蚀过程进行研究，随后又广泛采用人工模拟降雨研究不同下垫面对坡面产流产沙的影响
［12］。我国人工降雨试验起步于20世纪60~70 年代，80年代逐步成熟
［13］。叶翠玲等
［14］采用模拟降雨装置对铁路施工引起的土壤侵蚀进行定量研究；2004年，北京师范大学和北京交通大学对美国的槽式降雨装置进行二次研发，共建14套模拟降雨装置进行试验，经试验证明，该降雨装置性能良好、工作稳定
［15］；聂绪宁
［16］研制一种可在野外广泛使用的便携式人工模拟降雨器，可通过控制雨强和降雨频率来模拟自然降雨给土壤带来的雨滴动能和侵蚀力；甄子雲等
［17］通过野外人工模拟降雨试验，探讨不同雨强条件下青藏高原不同植被退化与恢复坡面产流产沙过程；耿华杰等
［18］运用室内模拟降雨试验，探讨降雨、汇流和坡度及其交互作用对东北黑土浅沟坡面侵蚀的影响，并明确浅沟侵蚀对坡面侵蚀的贡献；LIANG等
［19］通过模拟降雨试验，探讨纵向垄作、横向垄作、平耕和穴播4种耕作方式对坡面侵蚀的影响。
牛肝土是在热带和亚热带气候条件下，由紫色沉积岩风化发育形成的非地带性土壤。粤北牛肝土以南雄盆地最为典型，面积约84.9 km
2［20］，其荒漠化严重，是南雄盆地所面临最突出的生态问题之一。它是地质-地貌-气候-生态多重因素耦合的结果，其土层浅薄，质地松软，保水抗旱能力弱，有机质含量低，水土流失严重，严重影响当地农业可持续发展。卢少华
［21］分析南雄牛肝土母岩特性及土壤流失影响因素，并介绍以等高生物坝为主的乔灌草相结合和以水平梯田为主的沟坡治理与开发相结合的治理模式；李新尧等
［22］采用中国土壤流失方程定量研究南雄市土壤侵蚀空间分布特征发现，南雄市中度及以上侵蚀强度主要分布在人为扰动用地。南雄盆地是高效农业生产基地，烟叶生产是其重要的经济支柱，坡耕地水土流失严重，但目前尚缺乏坡耕地水土流失规律的深入研究。因此，本研究采用人工模拟降雨试验方法，开展牛肝土坡耕地坡面水土流失机理研究，为粤北牛肝土坡耕地水土保持与农业可持续发展提供基础数据和参考依据。
1 材料与方法
1.1 试验设备
模拟降雨试验在广东省科学院生态环境与土壤研究所红壤侵蚀动力学工程实验室进行。将土壤填置于长1.0 m、宽0.3 m、高0.3 m的土槽当中（
图1）。土槽由不锈钢制成，土槽下方打有多排小孔，允许水从底部的孔中自由渗透并流出。降雨模拟器包括雨水管、液压压力表、潜水泵和2个向下的SPRACO锥形喷嘴，安装在离地面5.0 m处，并通过绳索将其固定。雨滴的中等直径为2.4 mm，降雨模拟器的有效控制面积为20 m
2，降雨土槽均放置于降雨器的有效控制面积内。
1.2 供试土壤
选取位于南雄盆地中心位置的广东省南雄市马市镇丹布村（24°05′00″N，114°14′42″E）坡耕地牛肝土作为供试土壤（
表1）。该地区属亚热带季风气候，冬季寒冷，夏季炎热，雨量充沛，暴雨频繁，多年平均气温为19.9 ℃，多年平均降水量为1 966 mm。
1.3 模拟试验处理设计
根据南雄盆地降雨特征，暴雨强度往往能达到100 mm/h，水土流失通常发生在降雨强度较大的情况下，因此，本试验设计模拟降雨强度为80、90、100、110、120 mm/h 5个水平；据现场调查，南雄盆地坡耕地主要分布在缓坡，坡度>15°的坡耕地较少，因此，本试验土槽坡度设置5°、10°、15° 3个水平，按不同雨强、不同坡度组合试验处理15个。在每次降雨开始之前，均需要进行预试验降雨器的降雨强度和分布，通过规定时间雨量筒内的水量对降雨强度进行校准，以获得理想的试验条件（所需的降雨强度和降雨量均匀性>85%）。在制作土槽前将土壤样品自然风干并过筛去除杂质待用。制作土槽步骤为：
1）土壤初始水分质量分数处理。供试土壤初始水分质量分数为8%。为确保土壤水分质量分数均匀一致，于试验前1 d喷洒一定量的蒸馏水于土壤表面，喷洒水量由供试土壤水分质量分数确定，一般土壤经自然风干后的质量水分质量分数约为5.2%，喷水后覆盖1层塑料薄膜以防止水分蒸发，静置约24 h后，均匀搅拌土壤，然后装入土槽。
2）土槽装土。土壤填入土槽前，在土槽底部有细孔处放置纱布，防止土壤颗粒堵塞小孔，将土壤按自然体积质量填塞0~20 cm土层，最上面10 cm土层填塞过筛后的土壤，并将土壤表面整理平整。
3）调整土槽坡度。装土完毕后，将土槽调整到试验所需坡度，放置24 h后（土槽坡面用薄膜覆盖，防止水分蒸发或外来干扰）用于试验。
1.4 样品采集与测定
降雨强度率定：降雨试验前在土槽四周安放4个雨量筒，按设定雨强降雨3 min，分别测量记录雨量筒雨量，计算雨强，重复3次以上，直至雨强达到预定值。3次重复误差不超过10%，保证降雨均匀度达到85%以上。
径流与泥沙采集：每场试验自坡面产流后连续降雨60 min，径流监测与泥沙采集直到坡面停止产流。坡面产流后，在不同时段在土槽出水口用塑料桶（容积为5 L）采集径流泥沙样，采样时间为：在降雨初期10 min内每2 min采集1次，10~30 min每5 min采集1次，后期30~60 min每10 min采集1次，每次降雨每个土槽接径流泥沙样品共计12个。径流量用体积法测定，径流泥沙量用烘干称重法测定，称重电子天平精度为0.01 g。
2 结果与分析
2.1 坡面降雨产流特征
2.1.1 坡面初始产流时间
从降雨开始到坡面径流形成的时间即为坡面产流时间，根据不同降雨强度和不同坡度组合处理的人工模拟试验得出，不同雨强和不同坡度下坡面侵蚀的初始产流时间。由
表2可知，在本试验条件下，坡面初始产流时间为37.3~58.1 s，同一坡度不同雨强下的平均初始产流时间为44.0~51.1 s，同一雨强不同坡度下的平均产流时间为40.2~55.9 s。不同坡度下产流时间的差异以实际雨强109.2 mm/h最大，最大值是最小值的1.3倍。根据变异系数分析，雨强对坡面初始产流时间的影响大于坡度。
2.1.2 坡面产流量
由
表3可知，在模拟降雨条件下，3个土槽的坡面径流量为22.86~34.78 L，同一坡度不同雨强下的平均径流量为28.47~29.58 L，同一雨强不同坡度下的平均径流量为23.42~34.45 L。随着坡度、雨强的改变，牛肝土坡面径流总量也随之发生变化。根据统计分析，相同坡度不同雨强和相同雨强不同坡度下坡面产生的径流量差异均不大，雨强对坡面径流量的影响大于坡度。
2.2 坡面侵蚀产沙过程与特征
2.2.1 坡面侵蚀量
本研究用泥沙总量来表述坡面侵蚀在降雨历时内产生的泥沙质量。由
表4可知，坡面累计侵蚀产沙量在不同雨强和不同坡度条件下差异较大。在同一坡度条件下，随着雨强的增大，坡面侵蚀累计泥沙量逐渐增加，在雨强为119.5 mm/h时，侵蚀累计泥沙量达到最大值；在同一雨强条件下，泥沙总量随坡度增大而增加。
2.2.2 坡面侵蚀产沙动态变化
由
图2可知，在不同雨强和坡度条件下，坡面侵蚀的泥沙总量随降雨历时的累积过程也呈很好的线性增加关系，对各累积泥沙曲线进行拟合可知，拟合曲线的决定系数均在0.8以上，说明对于室内模拟坡面，牛肝土坡面侵蚀过程中侵蚀泥沙的累积过程是一个线性增长过程。在试验坡度一定的条件下，雨强增大，坡面侵蚀累积泥沙曲线的斜率也随之增大，说明雨强对坡面侵蚀量的影响显著，平均侵蚀强度随雨强的增大而增加（5°斜率（Ks）为4.15~20.38；10°斜率（Ks）为7.32~40.96；15°斜率（Ks）为12.93~50.28）。在雨强一定条件下，试验坡度增大，对累积泥沙量曲线的斜率有一定的影响，但坡度的改变对累积泥沙量的影响没有雨强的变化影响显著。
由
图3可知，牛肝土坡面侵蚀产沙率随着降雨历时的变化而变化，此变化在不同雨强和不同坡度条件下有较大的差异。在试验控制的5种雨强和3个坡度条件下，坡面侵蚀产沙率随降雨历时的动态变化均表现出类似特征，即在产流初期坡面侵蚀产沙率较大，侵蚀产沙率在侵蚀过程中发生波动，且在侵蚀发生的初期波动剧烈，之后逐渐趋于稳定。
2.3 坡面侵蚀量与径流量之间的关系
径流是坡面侵蚀泥沙产生的动力和载体，径流与泥沙关系曲线的斜率反映坡面侵蚀能力的大小。由
图4可知，坡度相同的情况下，坡面侵蚀泥沙量与径流量具有较好的线性关系，泥沙量可以通过径流量的线性方程来拟合：
式中：A为坡面侵蚀产沙量，kg；H为径流量，L；a、b为系数。
不同坡度拟合曲线的横轴截距和斜率各不相同，表明坡度不同，径流量对土壤侵蚀影响程度也不相同。坡度从5°~15°，拟合方程的斜率逐渐增大。由此可见，径流量对坡面侵蚀的影响与坡度有较大关系，坡度越大，径流量对坡面侵蚀影响越显著。
2.4 坡面侵蚀量与降雨的关系
对不同降雨量和不同坡度条件下坡面侵蚀产沙量进行回归分析（
表5）表明，坡面侵蚀量与降雨量之间能够很好地用二次函数方程表达（
表5），方程决定系数较高。
式中：S为产沙量，kg；P为降雨量，L；a、b、c为回归系数。
对不同雨强和不同坡度条件下坡面侵蚀产沙量进行回归分析（
表6）表明，与降雨量类似，坡面侵蚀产沙量与雨强之间也可用二次函数方程表述：
式中：I为雨强，mm/h；a、b、c为回归系数。
由
表6可知，
公式（3）受坡度的影响较大，当坡度≥10°时，坡面侵蚀产沙量能够较好地用雨强的二次方程来表达，但方程的决定系数较低。
2.5 坡面侵蚀量与坡度的关系
由
图5可知，坡面产流后60 min时间内，侵蚀量随降雨强度的增加而增加。当降雨强度较小时，坡面侵蚀以溅蚀片蚀为主，坡面侵蚀量受到径流量和径流含沙量的共同影响。总体来看，在本试验条件下，在坡度为5°时，坡面平均侵蚀率最小，而在坡度为15°时，坡面平均侵蚀率最大，坡度为5°的坡面侵蚀量显著小于其他2个坡度。相关分析表明，在本试验条件下，坡面侵蚀量与坡度的相关性较差，决定系数低。
3 讨 论
坡面侵蚀的主要外营力是降雨，在降雨过程中，降雨初期的雨滴打击作用使土壤表层溶质与雨水混合，当土壤入渗能力大于雨强时，雨水全部入渗，坡面没有径流产生。随着土壤水分的增加，土壤孔隙逐渐被水分填充，土壤的入渗能力降低。当土壤的入渗能力小于雨强时，部分雨水在重力的作用下沿坡面汇流，形成地表径流。在本试验条件下，坡面初始产流时间与雨强和坡度均有关，相同坡度的产流时间随雨强变大而变短。坡面径流产生时间的长短主要取决于2个因素：一是坡面平均土壤入渗率≤降雨强度；二是土壤表面积水势能大小。在降雨初期，入渗率大，随着表层土壤含水率增加，入渗率迅速减小；土壤含水率增加快慢取决于单位时间该坡面接纳的降水量，实际取决于坡面的有效承雨面积。有效承雨面积在坡度5°时最大，而在坡度15°时最小。因此，5°坡面可能最先产生积水，但积水不一定流动或形成径流，因为积水的势能没有达到某一临界值，而此时形成积水入渗，土壤入渗率较大。若仅从积水的势能角度来说，则坡度15°的最大，可能最先产流。在既定试验条件下，有效承雨面积和积水势能对径流的影响程度，在不同坡度下结果表现不同。王辉等
［23］研究表明，坡度较小并小于一定阈值时，积水势起主导作用，即坡度越大，产流时间越短；坡度较大并超过一定阈值时，有效承雨面积起主要作用，即有效承雨面积越大，产流时间越短。
坡面侵蚀过程复杂，包括降雨溅蚀和径流冲刷引起的土壤分离、泥沙输移和沉积三大过程。EILISON
［24］通过研究降雨及径流对土壤侵蚀的机械作用过程认为，土壤侵蚀由4个基本过程构成：一是雨滴冲击引起的剥离；二是雨滴溅蚀引起的迁移；三是土壤表面径流引起的剥离；四是土壤表面径流引起的迁移。根据降雨侵蚀产沙理论，坡面侵蚀过程是降雨和径流侵蚀力与土壤抗蚀性之间相互作用的一系列过程的集合。在本试验控制条件下，在产流初期坡面侵蚀产沙率均较大，侵蚀产沙率在侵蚀过程中发生波动，且初期波动剧烈，之后趋于稳定。与SOMCHAID等
［25］在泰国及SHI等
［26］在黄土高原得到的结果类似。在产流初期，坡面径流量虽然较小，但此时的坡面径流为剥蚀能力较强的清水，而且坡面土壤颗粒尚未经过降雨径流的分选，坡面表层细颗粒较多，遇径流较容易被剥蚀。因此，在产流初期坡面具有较大的侵蚀产沙率。坡面产沙率主要受限于径流挟沙能力，随着降雨的增加，坡面产沙率逐渐由径流挟沙力限制过渡到侵蚀能力限制，坡面产沙率较产流初期的产沙率小，并逐渐趋于稳定。因为随着径流中泥沙含量的增加，径流的侵蚀能力降低
［26-28］。
坡面侵蚀受到降雨强度和坡度的双重影响。降雨强度的差别导致坡面侵蚀方式的差异。在小雨强的情况下，坡面侵蚀以片蚀为主，而大雨强的情况下，坡面侵蚀容易出现沟蚀。不同侵蚀方式的侵蚀结果在不同坡度下有较大的差别。因此，在不同雨强情况下，坡面侵蚀过程与坡度之间的关系变得更为复杂。坡面土壤的不稳定性与坡度的大小呈正比，坡度愈大，土体的不稳定性愈强，在外力作用下发生下移的可能性愈大。可以认为，在坡度5°~15°范围内，南雄盆地牛肝土坡面侵蚀产沙率随着坡度的增大而增大。与在黄土高原和红壤区开展的其他研究结果相近。范荣生等
［29］在室内用人工降雨法对黄土进行模拟试验发现，当雨强为2.4 mm/min时，土壤侵蚀量随坡度的增大而减小（试验坡度为27.4°、34.9°和40°）；潘菊梅
［30］通过人工模拟降雨试验，分析发现，在不同雨强条件下，与12°、18°坡度相比，6°的裸露黄土坡面侵蚀产沙量最小；陈法扬
［31］采用人工降雨装置在6 m
2的木盒内对发育于第四纪的红黏土进行试验研究发现，25°为土壤侵蚀的临界坡度。由于土壤侵蚀的方式多种多样，包括片蚀、沟蚀等，在不同的侵蚀方式下，坡面侵蚀速率与坡度的关系发生变化
［32］。在本试验条件下，牛肝土坡面侵蚀受雨强的影响较显著，随雨强的变化均呈明显的规律性变化；而坡度的影响作用较不显著，随坡度的变化没有表现出明显的规律性变化，与本试验只设置3个坡度有关。本研究的试验坡长仅1 m，尚不足以产生侵蚀沟，但从研究结果来看（
表4），其最大侵蚀强度也达到8.9×10
3 t/（km
2·h），足以说明牛肝土坡耕地水土流失的易发性与强烈性，因此，需加强粤北南雄盆地牛肝土坡耕地水土保持工作。
4 结 论
1）在相同坡度情况下，雨强越大，坡面初始产流时间越短，坡面产流量越大；较缓坡面（5°）的初始产流时间比较陡坡面（10°、15°）的坡面产流时间长，较陡坡面的产流量比较缓坡面的产流量大。
2）牛肝土坡耕地坡面产沙变化过程表现为产流初期产沙率较高，之后趋于波动稳定的过程；坡面产沙量受到降雨量、降雨强度、径流量和坡度等因素的影响，坡面产沙量与径流量、降雨量呈显著正相关；在相同坡度情况下，雨强越大，坡面侵蚀产沙量越大；在相同雨强情况下，坡度越大，坡面侵蚀产沙量越大。
3）基于坡面侵蚀量相关因子分析，建立粤北典型牛肝土坡耕地坡面侵蚀量与降雨量、降雨强度、径流量的拟合方程。
受试验条件的限制，坡度、坡长对粤北牛肝土坡耕地土壤侵蚀的影响尚需进一步深入研究。
广东省自然资源厅粤北牛肝土生态调查与生态修复规划项目(440000240000000006683)
国家自然科学基金项目(42377349)
广东省科技计划项目(2021B1212050019)
广东省科技计划项目(2022A050509005)
广东省科学院专项资金项目(2022GDASZH-2022010203)
广东省科学院专项资金项目(2022GDASZH-2022010105)
京公网安备11010202008535号
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