全 文 ：黄土区土质道路浮土侵蚀过程∗
李建明１　 秦　 伟２　 左长清２　 王文龙１，３∗∗　 郭明明１　 欧阳潮波１
（ １西北农林科技大学水土保持研究所黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室， 陕西杨凌 ７１２１００； ２中国水利水电科学
研究院泥沙研究所， 北京 １０００４４； ３中国科学院水利部水土保持研究所， 陕西杨凌 ７１２１００）
摘　 要　 基于野外原位调查采样、室内人工模拟降雨试验研究道路浮土侵蚀规律．结果表明：
浮土产流起始时间和路面侵蚀起始时间随雨强和坡度增大呈递减趋势．路面侵蚀起始时间随
浮土厚度增大滞后 ２～５ ｍｉｎ．浮土厚度≤０．５ ｃｍ时径流率在产流后 ２ ｍｉｎ 趋于稳定，平均径流
率随雨强增大而递增，随坡度增大而递减；浮土厚度≥１．０ ｃｍ时，径流率在产流后 ３ ｍｉｎ 趋于
相对稳定，平均径流率随雨强增大呈线性递增，随坡度增大而先递增后递减．侵蚀临界点随坡
度和雨强增大呈递减趋势．浮土厚度≤０．５ ｃｍ时，侵蚀速率随雨强增大而递增幅度达 ２４．５％ ～
４３４．４％，坡度 ８°和 １６°可达 ２°和 ４°的 ２．４倍；浮土厚度≥１．０ ｃｍ 时，侵蚀速率在产流开始后 ９
ｍｉｎ左右趋于相对稳定，且随雨强和坡度增大而递增，随坡度增大侵蚀形式发生由“片蚀⁃细沟
侵蚀⁃溯源侵蚀”的转变．浮土厚度≥１．０ ｃｍ时，平均 １０ ｍｉｎ 次降雨侵蚀量可达浮土厚度≤０．５
ｃｍ的 １．３倍，而单独浮土侵蚀时段侵蚀量前者是后者的 ２．７ 倍．浮土厚度≤０．５ ｃｍ 时，侵蚀量
与雨强的相关性显著，产流量与坡度的相关性显著；浮土厚度≥１．０ ｃｍ 时，１０ ｍｉｎ 次降雨产
流、产沙与雨强呈显著相关．随浮土厚度增大，浮土侵蚀量在组合侵蚀中所占比例增大，而薄
层时主要以道路侵蚀占主导．
关键词　 浮土； 黄土区土质道路； 产流； 产沙； 模拟降雨
∗水利部公益性行业专项（２０１２０１０４７，２０１２０１０４８）、中国科学院“西部行动计划”项目（ＫＺＣＸ２⁃ＸＢ３⁃１３）、中国科学院知识创新工程重大项目
（ＫＺＺＤ⁃ＥＷ⁃０４⁃０３）和黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室专项（１０５０２⁃Ｔ１）资助．
∗∗通讯作者． Ｅ⁃ｍａｉｌ： ｗｌｗａｎｇ＠ ｎｗｓｕａｆ．ｅｄｕ．ｃｎ
２０１４⁃０８⁃１９收稿，２０１５⁃０２⁃２６接受．
文章编号　 １００１－９３３２（２０１５）０５－１４８４－１１　 中图分类号　 Ｓ１５７． １　 文献标识码　 Ａ
Ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ ｏｆ ｅａｒｔｈ ｒｏａｄ ｒｅｇｏｌｉｔｈ ｅｒｏｓｉｏｎ ｉｎ ｌｏｅｓｓ ａｒｅａ． ＬＩ Ｊｉａｎ⁃ｍｉｎｇ１， ＱＩＮ Ｗｅｉ２， ＺＵＯ Ｃｈａｎｇ⁃
ｑｉｎｇ２， ＷＡＮＧ Ｗｅｎ⁃ｌｏｎｇ１，３， ＧＵＯ Ｍｉｎｇ⁃ｍｉｎｇ１， ＯＵＹＡＮＧ Ｃｈａｏ⁃ｂｏ１ （ １Ｓｔａｔｅ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｓｏｉｌ
Ｅｒｏｓｉｏｎ ａｎｄ Ｄｒｙｌａｎｄ Ｆａｒｍｉｎｇ ｏｎ ｔｈｅ Ｌｏｅｓｓ Ｐｌａｔｅａｕ， Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｓｏｉｌ ａｎｄ Ｗａｔｅｒ Ｃｏｎｓｅｒｖａｔｉｏｎ， Ｎｏｒｔｈ⁃
ｗｅｓｔ Ａ＆Ｆ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｙａｎｇｌｉｎｇ ７１２１００， Ｓｈａａｎｘｉ， Ｃｈｉｎａ； ２Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｓｅｄｉｍｅｎｔａｔｉｏｎ， Ｃｈｉｎａ Ｉｎ⁃
ｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｗａｔｅｒ Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ ａｎｄ Ｈｙｄｒｏｐｏｗｅｒ Ｒｅｓｅａｒｃｈ， Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００４４， Ｃｈｉｎａ； ３Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｓｏｉｌ ａｎｄ
Ｗａｔｅｒ Ｃｏｎｓｅｒｖａｔｉｏｎ， Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ ａｎｄ Ｍｉｎｉｓｔｒｙ ｏｆ Ｗａｔｅｒ Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ， Ｙａｎｇｌｉｎｇ
７１２１００， Ｓｈａａｎｘｉ， Ｃｈｉｎａ） ． ⁃Ｃｈｉｎ． Ｊ． Ａｐｐｌ． Ｅｃｏｌ．， ２０１５， ２６（５）： １４８４－１４９４．
Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｆｉｅｌｄ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ， ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ ｏｆ ｅａｒｔｈ ｒｏａｄ ｒｅｇｏｌｉｔｈ ｅｒｏｓｉｏｎ ｗｅｒｅ ｓｔｕｄｉｅｄ ｕｎ⁃
ｄｅｒ ｉｎｄｏｏｒ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ ｒａｉｎｆａｌｌ． Ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｒｕｎｏｆｆ ｉｎｉｔｉａｔｉｏｎ ｔｉｍｅ ｆｏｒ ｂｏｔｈ ｒｅｇｏｌｉｔｈ ａｎｄ
ｅａｒｔｈ ｒｏａｄ ｓｕｒｆａｃｅ ｅｒｏｓｉｏｎ ｄｅｃｒｅａｓｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ ｒａｉｎｆａｌｌ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ａｎｄ ｓｌｏｐｅ ｓｔｅｅｐｎｅｓｓ． Ｗｉｔｈ
ｔｈｅ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｉｎ ｒｅｇｏｌｉｔｈ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ， ｔｈｅ ｉｎｉｔｉａｔｉｏｎ ｔｉｍｅ ｆｏｒ ｅａｒｔｈ ｒｏａｄ ｓｕｒｆａｃｅ ｅｒｏｓｉｏｎ ｌａｇｇｅｄ ｆｏｒ ２－５
ｍｉｎ． Ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｒｅｇｏｌｉｔｈ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｗａｓ ≤０．５ ｃｍ， ｔｈｅ ｒｕｎｏｆｆ ｒａｔｅ ｔｕｒｎｅｄ ｔｏ ｂｅ ｓｔａｂｌｅ ａｔ ２ ｍｉｎ ａｆｔｅｒ
ｒｕｎｏｆｆ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ， ａｎｄ ｔｈｅ ａｖｅｒａｇｅ ｒｕｎｏｆｆ ｒａｔｅ ｉｎｃｒｅａｓｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ ｒａｉｎｆａｌｌ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ａｎｄ ｄｅ⁃
ｃｒｅａｓｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ ｓｌｏｐｅ ｓｔｅｅｐｎｅｓｓ． Ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｒｅｇｏｌｉｔｈ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｗａｓ ≥１．０ ｃｍ， ｒｕｎｏｆｆ ｒａｔｅ
ｔｕｒｎｅｄ ｔｏ ｂｅ ｓｔａｂｌｅ ａｔ ３ ｍｉｎ ａｆｔｅｒ ｒｕｎｏｆｆ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ， ａｎｄ ｔｈｅ ａｖｅｒａｇｅ ｒｕｎｏｆｆ ｒａｔｅ ｉｎｃｒｅａｓｅｄ ｌｉｎｅａｒｌｙ
ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｒａｉｎｆａｌｌ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ｂｕｔ ｅｘｈｉｂｉｔｅｄ ａ ｇｒａｄｕａｌｌｙ ｄｅｃｒｅａｓｉｎｇ ｔｒｅｎｄ ａｆｔｅｒ ｔｈｅ ｆｉｒｓｔ ｉｎｃｒｅｍｅｎｔ ｗｉｔｈ ｔｈｅ
ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ ｓｌｏｐｅ ｓｔｅｅｐｎｅｓｓ． Ｔｈｅ ｃｒｉｔｉｃａｌ ｐｏｉｎｔ ｆｏｒ ｒｅｇｏｌｉｔｈ ｅｒｏｓｉｏｎ ｄｅｃｒｅａｓｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ ｒａｉｎ⁃
ｆａｌｌ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ａｎｄ ｓｌｏｐｅ ｓｔｅｅｐｎｅｓｓ． Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｒｅｇｏｌｉｔｈ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｏｆ ≤０．５ ｃｍ， ｔｈｅ ｅｒｏｓｉｏｎ ｒａｔｅ ｉｎ⁃
ｃｒｅａｓｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ ｒａｉｎｆａｌｌ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ， ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｅｒｏｓｉｏｎ ｒａｔｅ ｒａｎｇｉｎｇ ｆｒｏｍ ２４．５％ ｔｏ ４３４．４％，
ａｎｄ ｔｈｅ ｅｒｏｓｉｏｎ ｒａｔｅｓ ｆｏｒ ８° ａｎｄ １６° ｓｌｏｐｅｓ ｗｅｒｅ ２．４ ｔｉｍｅｓ ａｓ ｔｈｏｓｅ ｆｏｒ ２° ａｎｄ ４° ｓｌｏｐｅｓ． Ｗｉｔｈ ｔｈｅ
ｒｅｇｏｌｉｔｈ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｏｆ ≥１．０ ｃｍ， ｔｈｅ ｅｒｏｓｉｏｎ ｒａｔｅ ｔｕｒｎｅｄ ｔｏ ｂｅ ｓｔａｂｌｅ ａｂｏｕｔ ９ ｍｉｎ ａｆｔｅｒ ｒｕｎｏｆｆ ｇｅｎｅｒａ⁃
应 用 生 态 学 报　 ２０１５年 ５月　 第 ２６卷　 第 ５期　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　
Ｃｈｉｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｅｃｏｌｏｇｙ， Ｍａｙ ２０１５， ２６（５）： １４８４－１４９４
ｔｉｏｎ ａｎｄ ｉｎｃｒｅａｓｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ ｒａｉｎｆａｌｌ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ａｎｄ ｓｌｏｐｅ． Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ ｓｌｏｐｅ ｓｔｅｅｐ⁃
ｎｅｓｓ， ｔｈｅ ｅｒｏｓｉｏｎ ｆｏｒｍ ｃｈａｎｇｅｄ ｆｒｏｍ ｓｈｅｅｔ ｅｒｏｓｉｏｎ ｔｏ ｒｉｌｌ ｅｒｏｓｉｏｎ ａｎｄ ｔｈｅｎ ｔｏ ｈｅａｄｗａｒｄ ｅｒｏｓｉｏｎ． Ｔｈｅ
ａｖｅｒａｇｅ ｅｒｏｓｉｏｎ ａｍｏｕｎｔ ｏｖｅｒ １０ ｍｉｎ ｓｉｎｇｌｅ ｒａｉｎｆａｌｌ ｆｏｒ ｔｈｅ ｒｅｇｏｌｉｔｈ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｏｆ ≥１．０ ｃｍ ｗａｓ １．３
ｔｉｍｅｓ ａｓ ｔｈａｔ ｆｏｒ ｔｈｅ ｒｅｇｏｌｉｔｈ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｏｆ ≤０．５ ｃｍ， ｗｈｉｌｅ ｉｔ ｗａｓ ２．７ ｔｉｍｅｓ ａｓ ｔｈａｔ ａｔ ｔｈｅ ｓｔａｇｅ ｏｆ
ｒｅｇｏｌｉｔｈ ｅｒｏｓｉｏｎ ａｌｏｎｅ． Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｒｅｇｏｌｉｔｈ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｏｆ ≤０．５ ｃｍ， ｔｈｅ ｅｒｏｓｉｏｎ ａｍｏｕｎｔ ｈａｄ ａ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ
ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ｒａｉｎｆａｌｌ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ， ａｎｄ ｒｕｎｏｆｆ ｖｏｌｕｍｅ ｗｉｔｈ ｓｌｏｐｅ ｓｔｅｅｐｎｅｓｓ． Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｒｅｇｏｌｉｔｈ ｔｈｉｃｋ⁃
ｎｅｓｓ ｏｆ ≥１．０ ｃｍ， ｂｏｔｈ ｒｕｎｏｆｆ ａｎｄ ｓｅｄｉｍｅｎｔ ｙｉｅｌｄｓ ｉｎ １０ ｍｉｎ ｓｉｎｇｌｅ ｒａｉｎｆａｌｌ ｈａｄ ａ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ ｃｏｒｒｅｌａ⁃
ｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ｒａｉｎｆａｌｌ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ． Ｔｈｅ ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎ ｏｆ ｒｅｇｏｌｉｔｈ ｅｒｏｓｉｏｎ ｔｏ ｔｈｅ ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｅｒｏｓｉｏｎ ｉｎｃｒｅａｓｅｄ ｗｉｔｈ
ｔｈｅ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ ｒｅｇｏｌｉｔｈ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ， ｗｈｉｌｅ ｔｈｅ ｒｏａｄ ｅｒｏｓｉｏｎ ｗａｓ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｆｏｒｍ ａｔ ｓｍａｌｌ ｒｅｇｏｌｉｔｈ ｔｈｉｃｋ⁃
ｎｅｓｓ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｒｅｇｏｌｉｔｈ； ｅａｒｔｈ ｒｏａｄ ｉｎ ｌｏｅｓｓ ａｒｅａ； ｒｕｎｏｆｆ ｙｉｅｌｄ； ｓｅｄｉｍｅｎｔ ｙｉｅｌｄ； ｓｉｍｕｌａｔｅｄ ｒａｉｎｆａｌｌ．
　 　 为促进经济发展，黄土高原修建大量道路交通
网络，在建设及运营期，严重扰动原地表、破坏植被
等，为侵蚀提供环境，在降雨作用下易形成强烈的水
土流失．尤其土质道路长期经车辆、人畜碾压，易在
表层形成浮土，在风力作用下形成浮尘或降尘，不仅
影响人类健康，对行车安全也会造成一定危害．国外
对道路侵蚀的研究始于道路水土流失对河流泥沙影
响及水质恶化问题［１］，随后，针对道路侵蚀的特征、
影响因子等方面展开多方面研究．近些年，随着计算
机软件及相关地理信息技术的应用，对道路侵蚀的
预测、预报及综合防治措施展开了大量研究［２－４］ ．
Ｍｏｎｔｇｏｍｅｒｙ［５］研究认为，道路建设会导致滑坡发生
几率提高，并对其成因进行了分析；Ｎｙｓｓｅ 等［６］研究
认为，道路排水方式改变径流的路径，在下坡部位形
成切沟．国内学者起初对道路边坡、路基及弃土弃渣
场的稳定性及水土流失规律展开研究，后期针对特
定区域的环境背景值提出道路侵蚀预测预报模型，
但其大多为经验性模型，推广性较弱［７－９］ ．徐宪利
等［１０］通过野外降雨试验结果提出次降雨边坡径流
泥沙估算公式；沈波等［１１］研究黄土区路基片蚀规
律，表明坡面冲蚀强度与雨强、降雨历时、坡长、坡
角、压实度、土壤粘性均有一定关系；张科利等［１２］总
结认为，道路侵蚀独特性包括径流与泥沙异源性、空
间分布上的线状或网络状特征和不同部位的内部差
异性显著．目前，有关道路侵蚀虽已有一定数量的研
究，但多针对边坡和土质路面，关于道路浮土侵蚀规
律的研究较少，而且主要集中在空气浮尘及降尘的
研究［１３－１８］，而国外关于浮土研究主要集中在煤矿产
生的粉煤灰排放等方面［１９－２０］ ．本文通过室内人工模
拟降雨试验研究了黄土区土质道路表层浮土的产流
产沙规律，以期为道路浮土侵蚀机理研究提供科学
依据．
１　 材料与方法
１􀆰 １　 试验准备
土质道路在西北地区较常见，主要集中于农业
及工矿业生产道路，由于人流、车流量大，表层土被
细化，最终形成浮土层．本试验选取陕西长武、神木
和内蒙古永利煤矿 ３ 地作为道路浮土调查对象，分
别代表道路浮土的不同典型类型：长武县是陕西省
的苹果种植基地，境内土质生产路车流量大；神木县
和内蒙古永利煤矿均属晋陕蒙特大型煤田核心区，
运煤道路分布广泛，车流量远大于普通土质路面，道
路上常覆盖黄土与粉煤灰混合的浮土．由于长期经
大型车辆碾压，表层覆盖一层薄厚不一的浮土层，经
雨水冲刷易发生流失，进而造成严重水土流失．选择
３个地区主干道作为调查对象，记录道路名称、经纬
度、海拔、坡度及浮土厚度的最大值、最小值和平均
值．结果显示，土质道路坡度集中在 ０ ～ ２０°，均值在
４° ～１０°的占 ８０％以上；道路表层细小的浮土颗粒在
风力等作用下易在道路两侧堆积，厚度较大，一般为
２～４ ｃｍ，而在道路中间浮土堆积厚度较薄，一般为
０．２～２ ｃｍ．通过野外采样、室内分析可知，３ 个地区
共计 ４８个样点的平均土壤容重为 １．６８ ｇ·ｃｍ－３ ．人
工筛分法测得浮土颗粒中＞０．２５ ｍｍ 的颗粒质量百
分比平均占 ６７．７％，≤０．２５ ｍｍ 的为 ３２．３％，平均容
重为 １．２０ ｇ·ｃｍ－３ ．本试验以质地、容重为主要指标，
用陕西关中粘黄土作为模拟道路、浮土的试验用土，
控制道路、浮土的容重分别为 １．６８和 １．２０ ｇ·ｃｍ－３ ．
１􀆰 ２　 试验设计
根据野外调查结果，浮土道路坡度设计为 ２°、
４°、８°和 １６°，浮土厚度选取 ０．５、１．０、２．０ 和 ４．０ ｃｍ．
为使试验结果具有可比性，采用人工配比获得浮土，
过 ６ ｍｍ网筛筛分后，经 ３～５ ｄ晒至干燥，人工碾碎
后过 ２ 和 ０． ２５ ｍｍ 网筛，按质量百分比（２ ～ ０． ２５
５８４１５期　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 李建明等： 黄土区土质道路浮土侵蚀过程　 　 　 　 　 　
ｍｍ） ∶ （＜０．２５ ｍｍ）７ ∶ ３配置．模拟道路的试验土槽
尺寸为 ２ ｍ×０．５ ｍ×０．５５ ｍ（长×宽×高）．试验所用粘
黄土分 ５ 层填装，每层 １０ ｃｍ，用铁饼持续敲打夯
实，达到试验设计容重．模拟道路完成后在道路表层
覆一薄层干土，置室外风干，使其尽可能干燥且不发
生干裂．试验前，调整试验槽到设计坡度，并分次铺
填厚度 ０．５、１．０、２．０和 ４．０ ｃｍ的浮土．在集流槽出口
道路与浮土之间放置一 ３ ｍｍ 宽的白色尼龙线，以
作为判定浮土侵蚀殆尽、道路侵蚀起始时间．
试验在中国科学院水利部水土保持研究所黄土
高原土壤侵蚀和旱地农业国家重点实验室人工模拟
降雨大厅进行．降雨高度 １８ ｍ，满足所有降雨雨滴达
到终点速度，降雨强度为 ３０ ～ ３５０ ｍｍ·ｈ－１，降雨均
匀度＞８０％，单个试验区有效降雨面积 ２７ ｍ×１８ ｍ．
根据黄土区多年降雨特征，雨强设置为 １．０、１．５、２．０
和 ２．５ ｍｍ·ｍｉｎ－１ ．以梅花桩法布设率定雨强，多次
率定至误差控制在 ５％之内．然后，迅速揭开土槽上
的遮雨布并开始计时，至坡面形成股流并流出集流
槽，记录产流起始时间，当看到集流槽出口处白色尼
龙线时记录路面侵蚀起始时间．每场试验中配备一
名人员专门负责试验现象的观测、拍照并记录时间
特征点．在集流槽出口处收集径流泥沙样，采用烘干
法测定．由于浮土厚度 ０．５ ｃｍ时流失较快，产流开始
后降雨时间设计 １０ ｍｉｎ，产流开始后每 １ ｍｉｎ 接一
个径流泥沙样，１．０、２．０、４．０ ｃｍ 下坡度为 ２°、４°、８°、
１６°对应的产流开始后降雨总时间分别为 ３９、３３、
２７、２１ ｍｉｎ，产流开始后 ３ ｍｉｎ 内每 １ ｍｉｎ 接一个径
流泥沙样，３ ｍｉｎ 后每隔 ３ ｍｉｎ 接一个径流泥沙样．
试验共计降雨 ４×４×４＝ ６４场．
２　 结果与分析
２􀆰 １　 道路浮土产流、产沙起始时间
由图 １ 可知，产流起始时间（Ｔ０）随雨强增大
而减小，且不同浮土厚度下雨强由 １． ０ → １􀆰 ５
ｍｍ·ｍｉｎ－１时，平均 Ｔ０可提前 ５５．４％，而由 １．５→２􀆰 ５
ｍｍ·ｍｉｎ－１，Ｔ０可减少 ５．４％ ～ ２６．０％，平均产流起始
时间为 １．６８～５．０９ ｍｉｎ，可认为雨强对 Ｔ０的影响在小
雨强（１．０ ｍｍ·ｍｉｎ－１）时更显著，这可能是由于浮土
颗粒细小，呈疏松态，降雨首先入渗，雨强较小时，入
渗时间较长，至浮土层湿润后方可形成径流．而当雨
强≥１．５ ｍｍ·ｍｉｎ－１时，由于单位时间内雨量增加，
缩短入渗时间，在满足入渗的同时，多余的降雨形成
坡面径流，且坡面细小的浮土颗粒遇水易发生凝结，
降雨初期形成结皮，在试验过程中可以观测到浮土
图 １　 不同浮土厚度和坡度下产流起始时间随雨强的变化
Ｆｉｇ．１　 Ｖａｒｉａｔｉｏｎ ｏｆ ｒｕｎｏｆｆ ｐｒｏｄｕｃｉｎｇ ｔｉｍｅ ｗｉｔｈ ｒａｉｎｆａｌｌ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ
ｕｎｄｅｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｒｅｇｏｌｉｔｈ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ａｎｄ ｓｌｏｐｅｓ．
表面出现大小、数量不一的“真空气包”，结皮层使
得雨水入渗减小而 Ｔ０提前．Ｔ０与雨强呈显著线性负
相关，相关系数为－０．７３２（Ｐ＜０．０１）．Ｔ０随浮土厚度变
化表现为 ０．５ ｃｍ产流最快，平均为 ２．３０ ｍｉｎ，浮土厚
度 １．０、２．０、４．０ ｃｍ平均 Ｔ０分别为 ２．９１、２．７９ 和 ２．７３
ｍｉｎ．造成该现象的原因可能是 ０．５ ｃｍ 时，浮土厚度
薄，雨水较易入渗，很快湿润浮土层，随之形成径流，
而浮土厚度≥１．０ ｃｍ 时，浮土层厚，入渗时间长，导
致 Ｔ０滞后，但结皮作用使 Ｔ０随浮土厚度增大变化较
小．Ｔ０随坡度变化总体表现为 ２°最大，主要是 ２°时
坡面平缓，径流在坡面受到的重力势能较小，径流流
动缓慢，入渗增加，进而导致 Ｔ０较大．随坡度增大，Ｔ０
减小且不同坡度间差异较小，２°时平均 Ｔ０为 ３． ３９
６８４１ 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 应　 用　 生　 态　 学　 报　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 ２６卷
ｍｉｎ，４°、８°、１６°时平均 Ｔ０分别较 ２°可缩短 ２６．５％、
２３．７％和 １９．８％，此时，相对于坡度、浮土厚度，雨强
是影响坡面产流的主导因素．
由图 ２ 及试验过程观测可知，路面开始侵蚀均
发生在小区与集流槽交界处，且 Ｔ１与 Ｔ０相关性极
大，因此，Ｔ１的变化规律与 Ｔ０相似．随雨强增大，Ｔ１总
体呈递减趋势，由于单位时间雨量越多，形成的坡面
径流增大，径流带走浮土数量增多，导致 Ｔ１提前．雨
强由 １．０→１．５ ｍｍ·ｍｉｎ－１，Ｔ１迅速递减可提前 ６．３５
ｍｉｎ ，递减幅度达４１．９％，而由１．５→２．５ ｍｍ·ｍｉｎ－１
图 ２　 不同浮土厚度和坡度下道路侵蚀起始时间随雨强的
变化
Ｆｉｇ． ２ 　 Ｖａｒｉａｔｉｏｎ ｏｆ ｅａｒｔｈ ｒｏａｄ ｓｕｒｆａｃｅ ｅｒｏｓｉｏｎ ｐｒｏｄｕｃｉｎｇ ｔｉｍｅ
ｗｉｔｈ ｒａｉｎｆａｌｌ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ｕｎｄｅｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｒｅｇｏｌｉｔｈ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ａｎｄ
ｓｌｏｐｅｓ．
时，Ｔ１随雨强变化趋势较小，大雨强下由于雨量大幅
增加，出水口处的浮土层被迅速侵蚀．Ｔ１随坡度变化
表现为 ２°最大，平均 Ｔ１为 １２．４１ ｍｉｎ，分别是 ４°、８°
和 １６°的 １．７、１．５和 １．８倍，坡度越小，径流在坡面入
渗时间延长，坡面流速较小，而随坡度继续增大，各
坡度间 Ｔ１差异不显著．浮土厚度 ０．５、１．０、２．０、４．０ ｃｍ
平均 Ｔ１分别为 ５．６２、７．６２、１０．６４ 和 １１．１５ ｍｉｎ，主要
是由于浮土厚度越大，产流入渗时间长，带走坡面浮
土颗粒时间延长，最终导致 Ｔ１滞后． 剔除雨强、坡度
影响，Ｔ１与浮土厚度可用幂函数表示．Ｔ０、Ｔ１随雨强、
坡度增大而递减，由于单位时间雨量增多，形成径流
较大，浮土层侵蚀加快，而浮土厚度越大，浮土被冲
刷搬运时间延长，进而导致 Ｔ０、Ｔ１增大．分析可知，Ｔ１
与 Ｔ０、雨强和浮土厚度相关性显著，相关系数分别
为 ０．８０３、－０．５９２和 ０．３２２（Ｐ＜０．０１）．
２􀆰 ２　 道路浮土产流、产沙变化过程
浮土厚度 ０．５ ｃｍ时由于浮土层薄，浮土侵蚀较
快，与其他浮土厚度下的规律有明显差异，且在自然
现象中，薄层浮土流失大量存在，具有重要的研究价
值，而其他 ３个厚度下浮土流失现象及数据分析结
果均显示差异较小．因此，选取 ０．５ 和 ２．０ ｃｍ ２ 种厚
度下浮土侵蚀产流、产沙变化过程进行分析． “浮土
单独侵蚀时段”指产流开始至在小区出口处观测到
白色尼龙线时段内的侵蚀过程，该过程仅发生浮土
流失；而“浮土、道路组合侵蚀时段”指看到白色尼
龙线开始至降雨结束的过程，该过程中浮土及道路
均发生侵蚀．
２􀆰 ２􀆰 １　 产流变化特征　 由图 ３ 可知，浮土厚度 ０．５
ｃｍ时，径流率在产流开始后 ２ ｍｉｎ 内迅速递增，该
过程主要发生在“浮土单独侵蚀时段”，随后趋于相
对稳定，属“浮土、道路组合侵蚀时段”． 雨强为 １．０、
１．５、２．０和 ２．５ ｍｍ·ｍｉｎ－１的平均稳定径流率（产流
开始 ２ ｍｉｎ以后时段内平均值）分别为 １．００、１．５２、
１􀆰 ９４ 和 ２． ６７ Ｌ · ｍｉｎ－１，分别较产流初期增加
４９􀆰 ７％、５６．５％、１１．２％和 ３４．７％．随雨强增大 １．５～２．５
倍，平均稳定径流率可增大 １．３～３．１ 倍，主要是由于
小区单位面积内的雨量增多，下垫面条件一致时，
入渗相同，增多的雨量形成坡面径流，导致大雨强下
径流率增大．坡度对径流率的影响在雨强≤１． ５
ｍｍ·ｍｉｎ－１时较显著，表现为 １６°最小，随坡度增大
平均径流率分别为 １．８５、１．８５、１．８０、１．６３ Ｌ·ｍｉｎ－１ ．
雨强≥２􀆰 ０ ｍｍ·ｍｉｎ－１时，坡度对径流率影响减弱，
此时的降雨强度远大于入渗强度，雨强对径流起决
定作用，且坡度越大，浮土越易侵蚀，含沙量增大，使
７８４１５期　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 李建明等： 黄土区土质道路浮土侵蚀过程　 　 　 　 　 　
图 ３　 浮土厚度 ０．５和 ２．０ ｃｍ时不同坡度径流率随时间的变化
Ｆｉｇ．３　 Ｖａｒｉａｔｉｏｎ ｏｆ ｒｕｎｏｆｆ ｒａｔｅ ｗｉｔｈ ｔｉｍｅ ａｔ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｓｌｏｐｅ ｓｔｅｅｐｎｅｓｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｒｅｇｏｌｉｔｈ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｏｆ ０．５ ａｎｄ ２．０ ｃｍ．
Ｃ２： ２°临界点 ２° ｃｒｉｔｉｃａｌ ｐｏｉｎｔ； Ｃ４： ４°临界点 ４° ｃｒｉｔｉｃａｌ ｐｏｉｎｔ； Ｃ８： ８°临界点 ８° ｃｒｉｔｉｃａｌ ｐｏｉｎｔ； Ｃ１６： １６°临界点 １６° ｃｒｉｔｉｃａｌ ｐｏｉｎｔ； Ｃ２，４： ２°和 ４°临
界点 ２° ａｎｄ ４° ｃｒｉｔｉｃａｌ ｐｏｉｎｔ； Ｃ４，８： ４°和 ８°临界点 ４° ａｎｄ ８° ｃｒｉｔｉｃａｌ ｐｏｉｎｔ； Ｃ４，１６： ４°和 １６°临界点 ４° ａｎｄ １６° ｃｒｉｔｉｃａｌ ｐｏｉｎｔ； Ｃ８，１６： ８°和 １６°临界点
８° ａｎｄ １６° ｃｒｉｔｉｃａｌ ｐｏｉｎｔ． 下同 Ｔｈｅ ｓａｍｅ ｂｅｌｏｗ．
得径流率降低．分析可知，稳定径流率与雨强呈显著
的线性相关，相关系数为 ０．９７０（Ｐ＜０．０１）．浮土厚度
０．５ ｃｍ时，各场次降雨侵蚀临界点总体表现随雨强、
坡度增大呈递减趋势，雨强越大，单位时间内形成径
流较多，对坡面冲刷能力增强，表层浮土细颗粒随径
流流失较快，而坡度增大，单位水流的剪切力增强，
径流对坡面的剥蚀、搬运能力随之变大，二者均能使
侵蚀临界点提前．侵蚀临界点与坡度呈显著线性负
相关，相关系数为－０．６８２（Ｐ＜０．０１）．
由图 ３可知，浮土厚度 ２．０ ｃｍ时径流率曲线的
变化规律与浮土厚度 ０．５ ｃｍ相似，但径流率趋于稳
定时间较浮土厚度 ０．５ ｃｍ时滞后，发生在产流开始
后的 ３ ｍｉｎ，此前径流率显著递增．主要是由于浮土
厚度增大，雨水入渗时间延长，导致径流稳定时间延
迟．雨强为 １．０、１．５、２．０ 和 ２．５ ｍｍ·ｍｉｎ－１的平均稳
定径流率（产流开始 ３ ｍｉｎ以后时段内平均值）分别
为 ０􀆰 ９３、１．６１、１．９７ 和 ２．４２ Ｌ·ｍｉｎ－１，分别较产流后
３ ｍｉｎ内递增 ６２．０％、１１．６％、４９．７％和 ６８．０％．坡度对
８８４１ 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 应　 用　 生　 态　 学　 报　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 ２６卷
径流率影响总体表现为 ２°最小，主要是由于坡度
小，径流势能小，流速减慢，增加入渗时间，导致径流
率小，与浮土厚度 ０．５ ｃｍ时径流率为 １６°最小不同，
造成二者差异的原因是浮土厚度增大，使得浮土层
可容纳的水量增多．稳定径流率与雨强呈显著线性
相关，相关系数为 ０．９４６（Ｐ＜０．０１）．浮土厚度由 ０．５→
４．０ ｃｍ，其平均稳定径流率分别为 １．７８、１．８９、１．７３
和 １􀆰 ６３ Ｌ·ｍｉｎ－１，主要是浮土厚度 ０．５和 １．０ ｃｍ时
浮土层薄，产生径流大，而浮土厚度≥２．０ ｃｍ 时，由
于浮土层较厚，可容纳水量多，入渗增大导致径流减
小，平均稳定径流率随浮土厚度变化幅度较小，仅为
６􀆰 １％～１６．０％． 浮土厚度 ２．０ ｃｍ 时侵蚀临界点总体
表现为随雨强、坡度增大呈递减趋势，且在 ２°→４°
时，临界点可提前 １５１．４％，当坡度继续增大，侵蚀临
界点递减幅度减小，可提早 ２ ｍｉｎ，雨强由 １􀆰 ０→１􀆰 ５
ｍｍ·ｍｉｎ－１时，侵蚀临界点可提前 ８０．２％，由 １．５→
２􀆰 ５ ｍｍ·ｍｉｎ－１时，差异也在 ２ ｍｉｎ 左右．分析可知，
侵蚀临界点与雨强呈显著负相关，相关系数为
－０􀆰 ７１２（Ｐ＜０．０１）．
２􀆰 ２􀆰 ２产沙变化特征 　 由图 ４ 可知，当浮土厚度为
０．５ ｃｍ、雨强为 １．５ ｍｍ·ｍｉｎ－１时，侵蚀速率波动性
较大，可能是由于结皮层的形成与破碎导致，且侵
图 ４　 浮土厚度 ０．５和 ２．０ ｃｍ时不同坡度侵蚀速率随时间的变化
Ｆｉｇ．４　 Ｖａｒｉａｔｉｏｎ ｏｆ ｅｒｏｓｉｏｎ ｒａｔｅ ｗｉｔｈ ｔｉｍｅ ａｔ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｓｌｏｐｅ ｓｔｅｅｐｎｅｓｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｒｅｇｏｌｉｔｈ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｏｆ ０．５ ａｎｄ ２．０ ｃｍ．
９８４１５期　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 李建明等： 黄土区土质道路浮土侵蚀过程　 　 　 　 　 　
蚀过程出现细沟侵蚀．而在雨强为 １． ０ 和 ２􀆰 ０
ｍｍ·ｍｉｎ－１时侵蚀速率随产流历时波动较小，在雨
强为 ２􀆰 ５ ｍｍ·ｍｉｎ－１时先递增后趋于相对稳定．平均
侵蚀速率随雨强增大呈显著递增趋势，变化范围为
５３．１３～２８３．９２ ｇ·ｍ－２·ｍｉｎ－１，主要是雨强增大导致
坡面径流量增大，径流冲刷及搬运能力增强；侵蚀速
率随坡度增大显著递增，且在坡度 ２°和 ４°时，侵蚀
速率变化较小，而坡度 ８°和 １６°时，侵蚀速率随产流
历时波动性显著增强，坡度 ２°、４°、８°、１６°时平均
侵蚀速率分别为 ７１．２７、９４．１３、１６０．１１ 和 ２４４．１３ ｇ·
ｍ－２·ｍｉｎ－１，主要是由于坡度增大，水流势能增强．浮
土厚度 ０．５ ｃｍ 时，道路浮土侵蚀过程中“浮土单独
侵蚀时段”与“浮土、道路组合侵蚀时段”的侵蚀速
率只有在雨强为 ２．５ ｍｍ·ｍｉｎ－１时差异较明显，但总
体均表现为组合侵蚀时段大于浮土单独侵蚀时段．
分析可知，平均侵蚀速率与雨强、坡度显著相关，相
关系数分别为 ０．７０３（Ｐ＜０．０１）和 ０．５３０（Ｐ＜０．０５）．
由图 ４可知，浮土厚度为 ２．０ ｃｍ 时，侵蚀速率
随产流历时呈先迅速递增随后趋于相对稳定或递增
趋势减缓，且坡度越大递增幅度越大．侵蚀速率大致
在产流后 ９ ｍｉｎ 发生转变，其迅速递增主要发生在
“浮土单独侵蚀时段”，由于产流初期坡面表层浮土
易随水流流失，且雨强、坡度越大，侵蚀量随之增大；
“组合侵蚀时段”的径流较稳定，坡度 １６°时，由于坡
度大，水流势能强，侵蚀速率仍递增，其他坡度下侵
蚀速率相对稳定． “浮土单独侵蚀时段”和“组合
侵蚀时段”在坡度 ２°、４°、８°和 １６°下平均侵蚀速
率随雨强分别为 ８．２７ ～ ８７． ６８ 和 １７． ８３ ～ １３２． ６０、
５０．４７～２０６．０９和 １３７．１７ ～ ２５６．２９、５７．８３ ～ ２６３． ５０ 和
１６２．３１～３０７．５４、７６． ２０ ～ ２８６． ４２ 和 ２１１． ４６ ～ ６９８􀆰 ８４
ｇ·ｍ－２·ｍｉｎ－１，“组合侵蚀时段”平均侵蚀速率可达
“浮土单独侵蚀时段”的 １．６、１．６、２．３ 和 ２．７ 倍．可
知，组合侵蚀时段侵蚀较浮土单独侵蚀时段严重．侵
蚀速率随坡度增大显著递增，坡度 ２°时的侵蚀速率
较小，且在整个产流过程中呈近似平行直线变化，雨
强为 １􀆰 ０、１．５、２．０和 ２．５ ｍｍ·ｍｉｎ－１时的平均侵蚀速
率分别为 １４．８０、６３．５３、９８． ７９ 和 １１８． ４６ ｇ·ｍ－２·
ｍｉｎ－１，雨强增大 ２． ５ 倍，侵蚀速率可增大 ８． ０ 倍；
随雨强增大，侵蚀速率更易达到稳定， 在 １􀆰 ０
ｍｍ·ｍｉｎ－１时，只有坡度 ２°明显快速稳定，而雨强为
２．５ ｍｍ·ｍｉｎ－１时，坡度 ２°、４°和 ８°均在产流不久后
趋于稳定，主要是雨强越大，侵蚀断面形成越快，侵
蚀速率更易趋于稳定．２ 个阶段下，侵蚀速率均随雨
强、坡度增大呈显著递增趋势，雨强越大，坡面形成
径流越多，而坡度增大，可以观测侵蚀形式的改变，
小坡度时（≤４°），主要发生片蚀和细沟侵蚀，而坡
度 ８°与 １６°出现整个侵蚀断面不断向坡上方推进，
发生类似溯源侵蚀，侵蚀量大大增加．分析可知，浮
土单独侵蚀时段的侵蚀速率与雨强呈显著相关，而
在组合侵蚀时段，侵蚀速率与雨强、坡度均呈显著相
关．可知，在组合侵蚀时段，坡度对坡面侵蚀形式的
影响较雨强更加显著，进一步解释了坡度由小增大，
侵蚀形式由“片蚀⁃细沟侵蚀⁃溯源侵蚀”的转变．
２􀆰 ３　 道路浮土侵蚀阶段产流产沙协同变化
由前述侵蚀临界点可知，８７．５％场次下的单独
浮土侵蚀时段的侵蚀量均发生在产流开始后 １０ ｍｉｎ
内．由表 １ 可知，浮土厚度≤０．５ ｃｍ 时，１０ ｍｉｎ 次
降雨产流量总体随雨强增大显著递增，雨强 ２􀆰 ５
ｍｍ·ｍｉｎ－１时可达 １．０ ｍｍ·ｍｉｎ－１时的 ２．７ 倍，但 ４
种雨强下平均次降雨产流量随坡度增大而递减，坡
度 ２°时最大为 １８．１ Ｌ·ｍ－２，１６°时为 ２°的 ８７．２％；而
浮土厚度≥１．０ ｃｍ 时，１０ ｍｉｎ 的次降雨产流量均随
雨强增大显著递增，平均 １０ ｍｉｎ 产流量为 ７． ３１ ～
２３􀆰 ３２ Ｌ·ｍ－２，雨强 ２．５ ｍｍ·ｍｉｎ－１时可达 １．０ ｍｍ·
ｍｉｎ－１时的 ２．４～３．０倍．而随坡度的变化，平均 １０ ｍｉｎ
产流量均表现为坡度 ２°最小，为 １３．６～１８．９ Ｌ·ｍ－２，
其原因可能是由于 ２°时坡度较缓，利于降水入渗，
而 １６°时，由于坡度大，且侵蚀形式改变导致侵蚀量
增加，产流量减少．浮土厚度≤０．５ ｃｍ 时，１０ ｍｉｎ 次
降雨侵蚀量随雨强 １．０→１．５ ｍｍ·ｍｉｎ－１时仅增加
２４．４％，而由 １． ５→２． ５ ｍｍ·ｍｉｎ－１时，递增幅度达
１５１．３％～３２８􀆰 ７％，大雨强会导致严重的侵蚀，随坡
度增大，１０ ｍｉｎ次降雨侵蚀量也递增，坡度 １６°可达
２°的 ３．４倍；而在浮土厚度≥１．０ ｃｍ时，１０ ｍｉｎ 次降
雨侵蚀量随雨强增大显著递增，且 ２ 个大雨强是 ２
个小雨强的 ３．６倍，随坡度增大递增，递增幅度可达
９８．４％～２２６􀆰 ４％．分析可知，浮土厚度≥１．０ ｃｍ 时平
均 １０ ｍｉｎ次降雨侵蚀量为 １．８８ ｋｇ·ｍ－２，可达≤０．５
ｃｍ的 １．３倍，而 １０ ｍｉｎ次降雨产流量在浮土厚度≥
１．０ ｃｍ时占≤０．５ ｃｍ的 ９１．９％．
浮土厚度≤０．５ ｃｍ时浮土单独侵蚀时段产流量
随雨强增大呈递增趋势．而在浮土厚度≥１．０ ｃｍ 时，
总体表现为雨强 １．０ ｍｍ·ｍｉｎ－１时最大，随雨强增
大，递减趋势不显著，随坡度增大而递减，主要是由
于坡度增大，径流开始侵蚀路面的时间提前，最大坡
度 ２°可达最小 １６°的 １．１～３．３倍．随浮土厚度增大而
递增，平均产流量为 ５．２ ～ １０．７ Ｌ·ｍ－２ ． 浮土厚度
≤０．５ ｃｍ时，浮土单独侵蚀时段侵蚀量随雨强增大
０９４１ 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 应　 用　 生　 态　 学　 报　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 ２６卷
表 １　 次降雨侵蚀过程中 １０ ｍｉｎ及浮土侵蚀时段次降雨产流量及侵蚀量
Ｔａｂｌｅ １　 Ｒｕｎｏｆｆ ａｎｄ ｓｅｄｉｍｅｎｔ ｙｉｅｌｄ ｂｙ ｓｉｎｇｌｅ ｒａｉｎｆａｌｌ ｉｎ １０ ｍｉｎ ａｎｄ ｒｅｇｏｌｉｔｈ ｅｒｏｓｉｏｎ ａｌｏｎｅ ｓｔａｇｅｓ ｉｎ ｅｒｏｓｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ
项目
Ｉｔｅｍ
厚度
Ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ
（ｃｍ）
坡度
Ｓｌｏｐｅ
（°）
雨强 Ｒａｉｎｆａｌｌ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ （ｍｍ·ｍｉｎ－１）
１．０ １．５ ２．０ ２．５
１０ ｍｉｎ
１．０ １．５ ２．０ ２．５
浮土单独侵蚀时段
Ｓｔａｇｅ ｏｆ ｒｅｇｏｌｉｔｈ ｅｒｏｓｉｏｎ ａｌｏｎｅ
次降雨产流量 ０．５ ２ ８．９８ １１．７２ １０．０９ ８．０３ ７．０３ ７．８４ ７．６５ ４．８６
Ｒｕｎｏｆｆ ｙｉｅｌｄ ｂｙ ４ １６．５８ １５．４２ １５．６３ １１．１６ ５．３６ ５．３７ ７．２４ ９．７０
ｓｉｎｇｌｅ ｒａｉｎｆａｌｌ ８ １９．７０ １８．５９ １９．０７ １９．６４ １．５７ ４．３１ ３．７２ ９．５３
（Ｌ·ｍ－２） １６ ２７．２５ ２６．３０ ２５．９５ ２４．３９ １．４１ １．６７ ３．６３ １．７０
１．０ ２ ８．９８ １４．１５ １９．０６ ２１．５８ ９．９６ ８．３４ ３．２７ ７．７７
４ １２．０５ １７．５１ ２１．６２ ２４．５３ ９．５６ ６．８２ ３．５９ ６．７９
８ ８．３３ ２１．３５ ２２．２７ ２１．８７ ６．３７ ７．８１ ３．８２ １０．１３
１６ ９．１６ １６．４９ １８．６２ ２５．３１ １０．１３ ３．１７ ６．５８ ６．１３
２．０ ２ ４．６６ １５．２４ １５．６７ １８．７３ １２．３６ １３．５９ １１．９２ ８．３６
４ ９．７５ １７．２４ １９．２２ ２２．６９ １２．０８ １０．２４ ５．１４ ８．４０
８ ７．６１ １５．２６ １７．７１ ２１．２０ １２．７１ ６．０６ １０．１８ ７．７２
１６ ７．９７ １２．４２ １６．７９ ２１．９４ ７．０４ ５．７４ ４．２７ ５．４６
４．０ ２ ７．０４ １２．７１ １５．０７ ２１．４５ １４．０２ ３６．５６ １０．２７ １０．２４
４ ８．０１ １５．４７ １８．７９ ２３．０６ ４．３７ １２．１４ ７．１４ ９．０７
８ ７．６１ １５．９２ １７．５３ ２１．８３ １２．８８ １４．２５ ８．３２ ８．０８
１６ ６．５７ １１．３９ １５．７３ ２２．４１ ４．１２ ８．８４ ５．５９ ５．７３
次降雨侵蚀量 ０．５ ２ ０．１１ ０．５５ ０．７５ １．４５ ０．０８ ０．２５ ０．２５ ０．１１
Ｓｅｄｉｍｅｎｔ ｙｉｅｌｄ ｂｙ ４ ０．３２ ０．５５ ０．７０ ２．２０ ０．１４ ０．１５ ０．２２ ０．７５
ｓｉｎｇｌｅ ｒａｉｎｆａｌｌ ８ ０．７５ ０．９５ １．８７ ２．８３ ０．０９ ０．２４ ０．４２ ０．５９
（ｋｇ·ｍ－２） １６ ０．９５ ０．６０ ３．３４ ４．８８ ０．１８ ０．０７ ０．５３ ０．１６
１．０ ２ ０．２０ ０．３３ １．７８ １．２８ ０．２２ ０．１８ ０．３５ ０．３８
４ ０．９４ ０．７６ ３．３５ ２．８２ ０．７８ ０．２９ ０．５４ ０．５７
８ ０．６８ １．６９ ４．６３ ２．９７ ０．５６ ０．４９ ０．６４ １．０３
１６ ０．３３ １．９３ ５．３９ ６．５５ ０．３８ ０．２１ １．５３ ０．６４
２．０ ２ ０．１２ ０．７７ ０．６９ １．１１ ０．３６ ０．６８ ０．４９ ０．４８
４ ０．７２ ０．９８ １．５６ ２．３１ １．１７ ０．５６ ０．２７ ０．７７
８ ０．８４ １．１８ １．７０ ３．１４ ２．０１ ０．３５ ０．１０ ０．９５
１６ １．２２ １．５３ ２．９１ ３．９９ １．０２ ０．４９ １．１３ ０．４５
４．０ ２ ０．２２ ０．１１ １．１７ ２．５４ ０．７２ ０．４６ ０．７１ １．０９
４ １．０３ １．１５ ２．４４ ２．４１ ０．５３ ０．７５ ０．８０ ０．９６
８ ０．５８ １．０２ ３．２５ ３．９５ ０．２３ ０．８７ １．４４ １．３１
１６ ０．８８ ０．６１ ３．２９ ５．０５ １．９９ ０．４１ ０．９７ ０．７２
表 ２　 产流产沙与影响因素的 Ｐｅａｒｓｏｎ 相关性
Ｔａｂｌｅ ２　 Ｐｅａｒｓｏｎ ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ｒｕｎｏｆｆ ａｎｄ ｓｅｄｉｍｅｎｔ ｙｉｅｌｄ ａｎｄ ｒａｉｎｆａｌｌ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ａｎｄ ｓｌｏｐｅ
浮土单独侵蚀时段产流量
Ｒｕｎｏｆｆ ｙｉｅｌｄ ｉｎ ｒｅｇｏｌｉｔｈ
ｅｒｏｓｉｏｎ ａｌｏｎｅ ｓｔａｇｅ
≤０．５ ｃｍ ≥１．０ ｃｍ
１０ ｍｉｎ次降雨产流量
Ｒｕｎｏｆｆ ｙｉｅｌｄ ｉｎ １０ ｍｉｎ
ｕｎｄｅｒ ｓｉｎｇｌｅ ｒａｉｎｆａｌｌ
≤０．５ ｃｍ ≥１．０ ｃｍ
浮土单独侵蚀时段侵蚀量
Ｅｒｏｓｉｏｎ ｙｉｅｌｄ ｉｎ ｒｅｇｏｌｉｔｈ
ｅｒｏｓｉｏｎ ａｌｏｎｅ ｓｔａｇｅ
≤０．５ ｃｍ ≥１．０ ｃｍ
１０ ｍｉｎ次降雨产流量
Ｅｒｏｓｉｏｎ ｙｉｅｌｄ ｉｎ １０ ｍｉｎ
ｕｎｄｅｒ ｓｉｎｇｌｅ ｒａｉｎｆａｌｌ
≤０．５ ｃｍ ≥１．０ ｃｍ
雨强
Ｒａｉｎｆａｌｌ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ
０．３５４ －０．２２０ －０．１３３ ０．９１０∗∗ ０．５２８∗ ０．０３０ ０．７０３∗∗ ０．６９２∗∗
坡度 Ｓｌｏｐｅ －０．７１６∗∗ －０．３６１∗ ０．９５３∗∗ －０．０１７ ０．０２７ ０．２５３ ０．５３０∗ ０．４４３∗∗
∗Ｐ＜０．０５； ∗∗Ｐ＜０．０１． 浮土厚度≤０．５ ｃｍ 时样本数 ｎ ＝ １６，而浮土厚度≥１．０ ｃｍ 时样本数 ｎ ＝ ４８ Ｔｈｅ ｎｕｍｂｅｒ ｏｆ ｓａｍｐｌｅｓ ｗａｓ １６ ｗｈｅｎ ｒｅｇｏｌｉｔｈ
ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ≤０．５ ｃｍ， ｗｈｉｌｅ ４８ ｗｈｅｎ ｒｅｇｏｌｉｔｈ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ≥１．０ ｃｍ．
递增，雨强 ２．５ ｍｍ·ｍｉｎ－１时可达 １．０ ｍｍ·ｍｉｎ－１时
的 ３．３倍，随坡度变化表现先递增后递减趋势，坡度
２°最小为 ０．１７ ｋｇ·ｍ－２，仅为最大 ８°时的 ５０．０％．而
在浮土厚度≥１．０ ｃｍ 时，随雨强增大平均单独浮土
侵蚀时段侵蚀量变化不显著，雨强 １．０ ｍｍ·ｍｉｎ－１时
最大为 ０．８３ ｋｇ·ｍ－２，递减幅度为 ６．２％ ～４２．４％，随
坡度增大呈递增趋势，递增幅度为 ３０．６％ ～ ６３．１％．
分析可知，浮土厚度≤０．５ ｃｍ 时平均浮土单独侵蚀
时段侵蚀量为 ０．２６ ｋｇ·ｍ－２，浮土厚度≥１．０ ｃｍ 时
为 ０．７１ ｋｇ·ｍ－２，随浮土厚度增大显著递增，递增幅
１９４１５期　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 李建明等： 黄土区土质道路浮土侵蚀过程　 　 　 　 　 　
度可达 １０７．８％～２３０．０％，主要可能是由于浮土厚度
增大，提供给径流更多的易侵蚀性细颗粒，且浮土单
独侵蚀时间延长，进而导致浮土单独侵蚀时段侵蚀
量递增．
为进一步明确浮土对道路侵蚀影响，分析可知，
浮土厚度≤０．５ ｃｍ 时，浮土单独侵蚀时段的次降雨
侵蚀量、产流量分别占 １０ ｍｉｎ 次降雨侵蚀量、产流
量的 ２６．６％和 ３８．４％，而当浮土厚度≥１．０ ｃｍ时，该
比例分别为 ７３．３％和 ６９．１％．由表 ２ 可知，浮土厚度
≤０．５ ｃｍ时，侵蚀量与雨强相关性显著，产流量与坡
度相关性显著，而浮土厚度≥１．０ ｃｍ时，１０ ｍｉｎ次降
雨产流、产沙与雨强显著相关．可知，随浮土厚度的
增大，浮土侵蚀量在组合侵蚀中所占的比例增大，而
薄层时组合侵蚀中主要还是以道路侵蚀占主导．
３　 讨　 　 论
本试验基于野外实地调查和室内人工模拟降雨
研究道路浮土侵蚀过程中的产流产沙规律，主要得
出以下结论：产流起始时间与道路侵蚀起始时间随
雨强、坡度增大而提前，平均产流起始时间为 １．６８ ～
５．０９ ｍｉｎ，其中，雨强由 １．０增大至 １．５ ｍｍ·ｍｉｎ－１时
最显著，可分别提早 ５５．４％和 ４１．９％．郑海金等［２１］通
过野外原位试验小区在 ３．０ ｍｍ·ｍｉｎ－１强降雨条件
下得出 ４ 种农田类型道路产流时间较短，一般＜２
ｍｉｎ；史志华等［２２］通过野外径流小区研究三峡库区
土质路侵蚀过程得出仅需要 １～３ ｍｍ降雨就可形成
地表径流，且径流系数超过 ６０．０％，这与本试验得出
结论较一致，主要是由于土质路存在浮土，在雨滴击
溅作用下更加分散并形成结皮，进而减小路面入渗
能力，导致径流快速发生．
浮土厚度≤０．５ ｃｍ 时，在产流开始后 ２ ｍｉｎ 内
径流率迅速递增，随后趋于相对稳定，随雨强增大，
平均径流率可增大 １．３ ～ ３．１ 倍，坡度对平均径流率
在雨强≤１．５ ｍｍ·ｍｉｎ－１时较显著，随坡度增大而递
减；浮土厚度≥１．０ ｃｍ 时，径流率在产流开始 ３ ｍｉｎ
后趋于稳定，平均径流率随雨强线性递增，随坡度增
大呈先递增后递减趋势，在坡度 ４°时达到最大，为
１．５２～２．００ Ｌ·ｍｉｎ－１ ．郑海金等［２１］研究表明，径流在
产流 ２～６ ｍｉｎ左右趋于稳定，与本试验结论较一致，
由于道路被高度压实，入渗能力减弱，表层浮土被冲
刷完后，径流冲刷能力与道路抗蚀性能趋于相对稳
定，导致径流率变化较小．但申震洲等［２３］通过模拟
降雨研究裸地、坡耕地及草地的产流、产沙过程，结
果表明裸地、农耕地的径流量在整个降雨过程中波
动显著，在产流初期显著递增，８ ～ ３０ ｍｉｎ 左右达到
波动稳定状态，而草地的产流量始终处于相对较低
水平，相同雨强下前两者的径流量可达后者的 ７～４０
倍．与坡耕地相比，道路表层土较密实，径流易趋于
稳定，而坡耕地由于表层土经长期翻耕，土层松散，
侵蚀过程径流波动变化．道路浮土侵蚀过程中侵蚀
临界点随坡度、雨强增大呈递减趋势．
本研究中，浮土厚度≤０．５ ｃｍ 时，侵蚀速率随
雨强增大显著递增，变化范围为 ５３． １３ ～ ２８３􀆰 ９２
ｇ·ｍ－２·ｍｉｎ－１，递增幅度可达 ２４．５％ ～ ４３４．４％．２ 个
小坡度（２°和 ４°）时侵蚀速率随产流历时变化较小，
２个大坡度（８°和 １６°）下平均侵蚀速率是 ２ 个小坡
度的 ２．４倍．浮土厚度≥１．０ ｃｍ 时，侵蚀速率随产流
历时呈先递增后趋于相对稳定或递增趋势减缓，转
折点在 ９ ｍｉｎ 左右，侵蚀速率随雨强、坡度增大显著
递增．组合侵蚀时段侵蚀较浮土单独侵蚀时段严重，
前者可达后者的 １．６～ ２．７ 倍．而随坡度增大，可直观
发现侵蚀形式发生由“片蚀⁃细沟侵蚀⁃溯源侵蚀”的
转变，坡度 １６°可达 ２°的 ８．０ 倍．道路浮土侵蚀过程
中，侵蚀速率在初期呈递增趋势，且坡度越大，侵蚀
越严重． 史志华等［２２］研究认为，土质道路在车辆碾
压及人畜践踏积累了较多浮土，导致产流初期泥沙
含量高，当浮土被搬运完后，高度压实路面抵抗径流
冲刷能力强，含沙量降低，且路面浮土、容重不仅与
土壤流失量显著相关，与径流系数也达到显著水平．
造成二者差异的原因可能是本试验以浮土流失为研
究对象，试验过程中观测及数据分析主要以浮土的
侵蚀、流失为主，而史志华等［２２］研究以道路侵蚀为
主，其上所覆盖的浮土在路面分布不均且厚度较薄，
径流形成初期就会带走道路表层浮土，导致初期形
成高含沙水流．
浮土厚度≤０．５ ｃｍ 及≥１．０ ｃｍ 时的 １０ ｍｉｎ 次
降雨产流量、侵蚀量均随着雨强增大显著递增，产流
量随坡度变化在浮土厚度不同时存在差异，侵蚀量
随坡度增大递增，且浮土厚度≥１．０ ｃｍ 时平均 １０
ｍｉｎ次降雨侵蚀量可达≤０．５ ｃｍ 的 １．３ 倍，而平均
１０ ｍｉｎ次降雨产流量前者占后者的 ９１．９％．在浮土
单独侵蚀时段，浮土厚度≤０．５ ｃｍ时产流量、侵蚀量
均随雨强增大呈递增趋势，≥１．０ ｃｍ产流量随雨强、
坡度增大而递减，侵蚀量随雨强增大递减，随坡度增
大而递增．浮土厚度≥１．０ ｃｍ 时平均单独浮土侵蚀
时段次降雨侵蚀量可达≤０．５ ｃｍ的 ２．７倍．
在浮土厚度≤０．５ ｃｍ 时，浮土单独侵蚀时段
８７􀆰 ５％集中在产流开始后 ２ ～ ５ ｍｉｎ，次降雨产流量、
２９４１ 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 应　 用　 生　 态　 学　 报　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 ２６卷
侵蚀量分别占 １０ ｍｉｎ 次降雨产流量、侵蚀量的
３８􀆰 ４％和 ２６．６％．而在浮土厚度≥１．０ ｃｍ 时，浮土单
独侵蚀时段 ６２．５％集中在产流开始后 ４ ～ ９ ｍｉｎ，当
雨强为 １．０ ｍｍ·ｍｉｎ－１时，浮土单独侵蚀时段持续
６～２３ ｍｉｎ，平均为 １２ ｍｉｎ，该时段产流量、侵蚀量分
别占 １０ ｍｉｎ 次降雨的 ６９． １％和 ７３． ３％．浮土厚度
≤０．５ ｃｍ时，侵蚀量与雨强相关性显著，产流量与坡
度相关性显著，而≥１．０ ｃｍ 时，１０ ｍｉｎ 次降雨产流、
产沙与雨强显著相关．
道路建设使得表土与植被间平衡失调，减弱土
壤抗蚀能力，且道路用地显著改变原土壤的物理水
文性质，与耕地、林草地、荒地等相比，土质道路被高
度压实，容重大、饱和导水率低，加速产流产沙过
程［２４］ ．为有效防治道路侵蚀，在道路路面种植植被
是减少道路水土流失的有效措施，这方面开展了大
量研究，并获得一定成果：郑世清等［２５］调查黄土高
原山坡道路侵蚀特点，提出道路防治措施设计及植
物措施配置原则及技术体系，探索适应路面、路坡栽
种的草灌种类，通过对实际植物路的观测研究得出
植物路拦土蓄水综合效益可达 ６２．０％，且植物路减
缓了道路浮土污染危害，改善生态环境；李波等［２６］
通过多年野外实地调查与路面路段监测结果表明，
植物措施下道路侵蚀较裸露地面侵蚀模数减少
５８％～ ７０％，径流减少 ５０％ ～ ６９％；曹世雄等［２７］认
为，黄土高原地区农田土质道路路面种草，不仅可以
起到防蚀作用，而且具有较高生态经济价值，且路面
种草后径流量减少 ４６％ ～ ６９％，侵蚀量减少 ５５％ ～
７８％；赵春红等［２８］通过室内人工模拟降雨方法研究
牧草对黄土高原风蚀水蚀交错区的土壤侵蚀效应，
认为根系通过增加坡面泥沙颗粒阻力来实现坡面阻
力调控，而草冠会使坡面形态阻力和波阻力增加；郑
海金等［２１］研究表明，与裸露土路相比，碎石道路、泥
结石路和植草土路会改变径流的水力学特征，实现
土质道路防护和减少侵蚀产沙的作用，减沙效益最
低可达 ４０％左右，并以植草土路的水土保持效果最
佳；张强等［２９］通过室内模拟试验得出，被草土质路
通过增加路面糙度和增大路面阻力可降低水流搬运
泥沙的能力，起到减少路面产沙量的作用，不同雨强
下被草土质路平均减沙效益达 ４７％．
植物措施对于减少道路侵蚀具有显著效果，同
时可以改善道路浮土污染． 史志华等［３０］应用 ＫＩＮ⁃
ＥＲＯＳ２模型进行拟合发现，该模型对径流总量模拟
效果较好，实测值与模拟值误差在 ４％ ～ １５％，而对
侵蚀量的预测误差较大，为 ５％ ～ ３２％，出现偏差的
原因可能是建立模型的原始条件以农地或林地为背
景，而土质道路在车辆碾压及人畜践踏下，地表积累
了较多的浮土．由于道路浮土侵蚀径流率及产沙与
农地及普通裸露土质路均存在一定差异，且在侵蚀
过程中浮土单独侵蚀时段及浮土、道路组合侵蚀时
段的侵蚀程度及方式发生改变，在进行道路浮土侵
蚀预测时，需将浮土作为一个参数考虑并在模型中
有所体现．
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［２７］　 Ｃａｏ Ｓ⁃Ｘ （曹世雄）， Ｃｈｅｎ Ｌ （陈　 莉）， Ｇａｏ Ｗ⁃Ｓ （高
旺盛）． Ｇｒｏｗｔｈ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ａｎｄ ａｎｔｉ⁃ｔｒａｍｐｌｅ ｃａｐａｃｉｔｙ
ｏｆ ｐｌａｎｔｉｎｇ ｇｒａｓｓ ｏｎ ｔｅｒｒｅｎｅ ｒｏａｄ ｉｎ ｌｏｅｓｓ ｈｉｌｌｙ⁃ｇｕｌｌｙ ｒｅ⁃
ｇｉｏｎ． Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｃｈｉｎｅｓｅ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ
Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ （农业工程学报）， ２００６， ２２（１）： ６９－７２
（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ）
［２８］　 Ｚｈａｏ Ｃ⁃Ｈ （赵春红）， Ｇａｏ Ｊ⁃Ｅ （高建恩）， Ｘｕ Ｚ （徐
震）． Ｍｅｃｈａｎｉｓｍｓ ｏｆ ｇｒａｓｓ ｉｎ ｓｌｏｐｅ ｅｒｏｓｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｉｎ
ｌｏｅｓｓ ｓａｎｄｙ ｓｏｉｌ ｒｅｇｉｏｎ ｏｆ Ｎｏｒｔｈｗｅｓｔ Ｃｈｉｎａ． Ｃｈｉｎｅｓｅ Ｊｏｕｒ⁃
ｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｅｃｏｌｏｇｙ （应用生态学报）， ２０１３， ２４
（１）： １１３－１２１ （ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ）
［２９］　 Ｚｈａｎｇ Ｑ （张　 强）， Ｚｈｅｎｇ Ｓ⁃Ｑ （郑世清）， Ｔｉａｎ Ｆ⁃Ｘ
（田风霞）， ｅｔ ａｌ． Ｒｕｎｏｆｆ ａｎｄ ｓｅｄｉｍｅｎｔ ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ ａｎｄ
ａｎｔｉ⁃ｅｒｏｓｉｏｎ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｇｒａｓｓ⁃ｃｏｖｅｒｅｄ ｅａｒｔｈ ｒｏａｄ ｉｎ ｌｏｅｓｓ
ｈｉｌｌｙ ｒｅｇｉｏｎ． Ｃｈｉｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｅｃｏｌｏｇｙ （应用
生态学报）， ２０１０， ２１（７）： １７８５－１７９１ （ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ）
［３０］　 Ｓｈｉ Ｚ⁃Ｈ （史志华）， Ｆａｎｇ Ｎ⁃Ｆ （方怒放）， Ｌｉ Ｌ （李
璐）， ｅｔ ａｌ． Ｍｏｄｅｌｉｎｇ ｅｒｏｓｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ ｏｎ ｕｎｐａｖｅｄ
ｒｏａｄｓ ｕｓｉｎｇ ＫＩＮＥＲＯＳ２． Ｇｅｏｇｒａｐｈｉｃａｌ Ｒｅｓｅａｒｃｈ （地理研
究）， ２０１０， ２９（３）： ４０８－４１５ （ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ）
作者简介　 李建明，男，１９８９年生，硕士研究生． 主要从事开
发建设项目土壤侵蚀与水土保持研究． Ｅ⁃ｍａｉｌ： ｈａｈａｌｉｊｉａｎ⁃
ｍｉｎｇ＠ １２６．ｃｏｍ
责任编辑　 孙　 菊
４９４１ 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 应　 用　 生　 态　 学　 报　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 ２６卷