全 文 ：第 ３６ 卷第 １５ 期
２０１６年 ８月
生 态 学 报
ＡＣＴＡ ＥＣＯＬＯＧＩＣＡ ＳＩＮＩＣＡ
Ｖｏｌ．３６，Ｎｏ．１５
Ａｕｇ．，２０１６
ｈｔｔｐ： ／ ／ ｗｗｗ．ｅｃｏｌｏｇｉｃａ．ｃｎ
基金项目：国家自然科学基金资助项目（４１５７１２６３）
收稿日期：２０１４⁃１２⁃３１； 　 　 网络出版日期：２０１５⁃１１⁃１７
∗通讯作者 Ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ ａｕｔｈｏｒ．Ｅ⁃ｍａｉｌ： ｆｌｚｈ＠ ｍｓ．ｉｓｗｃ．ａｃ．ｃｎ
ＤＯＩ： １０．５８４６ ／ ｓｔｘｂ２０１４１２３１２６１３
胡伟，郑粉莉，边锋．降雨能量对东北典型黑土区土壤溅蚀的影响．生态学报，２０１６，３６（１５）：４７０８⁃４７１７．
Ｈｕ Ｗ， Ｚｈｅｎｇ Ｆ Ｌ， Ｂｉａｎ Ｆ．Ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｒａｉｎｄｒｏｐ ｋｉｎｅｔｉｃ ｅｎｅｒｇｙ ｏｎ ｓｐｌａｓｈ ｅｒｏｓｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ ｔｙｐｉｃａｌ ｂｌａｃｋ ｓｏｉｌ ｒｅｇｉｏｎ ｏｆ Ｎｏｒｔｈｅａｓｔ Ｃｈｉｎａ．Ａｃｔａ Ｅｃｏｌｏｇｉｃａ Ｓｉｎｉｃａ，
２０１６，３６（１５）：４７０８⁃４７１７．
降雨能量对东北典型黑土区土壤溅蚀的影响
胡　 伟１，３，郑粉莉１，２，∗，边　 锋２
１ 中国科学院水利部水土保持研究所，黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室，杨凌　 ７１２１００
２ 西北农林科技大学， 资源环境学院，杨凌　 ７１２１００
３ 中国科学院大学，北京　 １０００４９
摘要：溅蚀特征研究可揭示溅蚀发生机理，而现有研究大多用溅蚀量来表征溅蚀特征，不能全面准确地反应溅蚀作用过程。 为
此，基于改进的试验土槽进行室内模拟降雨试验，研究降雨能量对坡面不同方向溅蚀量及溅蚀过程的影响。 试验设计包括 ２种
降雨强度（５０ ｍｍ ／ ｈ和 １００ ｍｍ ／ ｈ）和 １０个降雨能量，其中 １０个降雨能量是通过 ２ 种降雨强度（５０ ｍｍ ／ ｈ 和 １００ ｍｍ ／ ｈ）和 ５ 个
雨滴降落高度（３．５，５．５，７．５，９．５、１１．５ ｍ）来实现的。 结果表明：在相同降雨强度下，坡面总溅蚀分量均随降雨能量的增加而增
大。 次降雨坡面溅蚀量均为向下坡最大，其次为侧坡溅蚀量，而向上坡溅蚀量最小。 当降雨强度由 ５０ｍｍ ／ ｈ 增加至 １００ｍｍ ／ ｈ
时，坡面向上坡溅蚀量增加 ２．３—５．０倍，向下坡溅蚀量增加 １．７—５．１ 倍，侧坡溅蚀量增加 １．９—４．３ 倍，总溅蚀量增加 １．９—４．５
倍，净溅蚀量增加１．２—６．４倍。 对于不同降雨能量处理，坡面溅蚀率均表现为坡面产流前随降雨历时的增加而递增，产流后迅
速达到峰值，之后逐渐减小并趋于稳定。 定量分析了各溅蚀分量、总溅蚀量、净溅蚀量与降雨能量的关系，提出了溅蚀发生的降
雨能量阈值，发现雨滴溅蚀发生的临界能量为 ３—６ Ｊ ｍ－２ ｍｍ－１，且向上坡溅蚀量，向下坡溅蚀量，净溅蚀量和总溅蚀量皆与降雨
能量呈幂函数关系，而侧坡溅蚀量与降雨能量呈二次多项式关系。
关键词：降雨能量；溅蚀；溅蚀过程；总溅蚀量；净溅蚀量；典型黑土区
Ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｒａｉｎｄｒｏｐ ｋｉｎｅｔｉｃ ｅｎｅｒｇｙ ｏｎ ｓｐｌａｓｈ ｅｒｏｓｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ ｔｙｐｉｃａｌ ｂｌａｃｋ ｓｏｉｌ ｒｅｇｉｏｎ
ｏｆ Ｎｏｒｔｈｅａｓｔ Ｃｈｉｎａ
ＨＵ Ｗｅｉ１，３， ＺＨＥＮＧ Ｆｅｎｌｉ１，２，∗， ＢＩＡＮ Ｆｅｎｇ２
１ Ｓｔａｔｅ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｓｏｉｌ Ｅｒｏｓｉｏｎ ａｎｄ Ｄｒｙｌａｎｄ Ｆａｒｍｉｎｇ ｏｎ Ｌｏｅｓｓ Ｐｌａｔｅａｕ， Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｓｏｉｌ ａｎｄ Ｗａｔｅｒ Ｃｏｎｓｅｒｖａｔｉｏｎ， Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ ａｎｄ
Ｍｉｎｉｓｔｒｙ ｏｆ Ｗａｔｅｒ Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ， Ｙａｎｇｌｉｎｇ ７１２１００， Ｃｈｉｎａ
２ Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｎａｔｕｒａｌ Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ ａｎｄ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ， Ｎｏｒｔｈｗｅｓｔ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅ ａｎｄ Ｆｏｒｅｓｔｒｙ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｙａｎｇｌｉｎｇ ７１２１００， Ｃｈｉｎａ
３ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ， Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００４９， Ｃｈｉｎａ
Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｓｐｌａｓｈ ｅｒｏｓｉｏｎ ｉｓ ａｎ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｆｏｒｍ ｏｆ ｓｏｉｌ ｅｒｏｓｉｏｎ ｃａｕｓｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｉｍｐａｃｔ ｏｆ ｒａｉｎｄｒｏｐｓ． Ｒａｉｎｄｒｏｐ ｋｉｎｅｔｉｃ ｅｎｅｒｇｙ ｉｓ
ｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐａｌ ｆａｃｔｏｒ ｔｈａｔ ａｆｆｅｃｔｓ ｓｐｌａｓｈ ｅｒｏｓｉｏｎ， ａｎｄ ｓｔｕｄｉｅｓ ｏｎ ｓｐｌａｓｈ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｃａｎ ｒｅｖｅａｌ ｓｐｌａｓｈ ｅｒｏｓｉｏｎ ｍｅｃｈａｎｉｃｓ．
Ｈｏｗｅｖｅｒ， ｃｕｒｒｅｎｔ ｓｔｕｄｉｅｓ ｏｎｌｙ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚｅ ｔｈｅ ａｍｏｕｎｔ ｏｆ ｓｐｌａｓｈ ｅｒｏｓｉｏｎ， ｗｈｉｃｈ ｃａｎｎｏｔ ａｃｃｕｒａｔｅｌｙ ａｎｄ ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅｌｙ
ｒｅｆｌｅｃｔ ｔｈｅ ｓｐｌａｓｈ ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ． Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ， ｔｈｉｓ ｓｔｕｄｙ ｅｘａｍｉｎｅｓ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｒａｉｎｄｒｏｐ ｋｉｎｅｔｉｃ ｅｎｅｒｇｙ ｏｎ ｓｐｌａｓｈ ｅｒｏｓｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ
ａｎｄ ｏｎ ｔｈｅ ａｍｏｕｎｔ ｏｆ ｓｐｌａｓｈ ｅｒｏｓｉｏｎ ｆｒｏｍ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎｓ ｏｎ ａ ｈｉｌｌｓｌｏｐｅ． Ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｔｒｅａｔｍｅｎｔｓ ｉｎｃｌｕｄｅｄ ｔｗｏ
ｒａｉｎｆａｌｌ ｉｎｔｅｎｓｉｔｉｅｓ （５０ ａｎｄ １００ ｍｍ ／ ｈ） ａｎｄ １０ ｒａｉｎｆａｌｌ ｋｉｎｅｔｉｃ ｅｎｅｒｇｉｅｓ ｔｈａｔ ｗｅｒｅ ｏｂｔａｉｎｅｄ ｗｉｔｈ ａ ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｔｗｏ
ｒａｉｎｆａｌｌ ｉｎｔｅｎｓｉｔｉｅｓ ａｎｄ ｆｉｖｅ ｒａｉｎｄｒｏｐ ｆａｌｌｉｎｇ ｈｅｉｇｈｔｓ （３．５ ｍ， ５．５ ｍ， ７．５ ｍ， ９．５ ｍ， １１．５ ｍ）； ｔｈｅ ｓｌｏｐｅ ｇｒａｄｉｅｎｔ ｗａｓ ｓｅｔ ａｔ
１０°． Ｉｎ ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ， ａｌｌ ｔｒｅａｔｍｅｎｔｓ ｗｅｒｅ ｒｅｐｌｉｃａｔｅｄ ｔｗｉｃｅ． Ｔｈｅ ｓｏｉｌ ｕｓｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｓｔｕｄｙ ｗａｓ ａ Ｍｏｌｌｉｓｏｌ （ＵＳＤＡ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ
ｈｔｔｐ： ／ ／ ｗｗｗ．ｅｃｏｌｏｇｉｃａ．ｃｎ
Ｓｏｉｌ Ｔａｘｏｎｏｍｙ）， ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ ３．３％ ｓａｎｄ， ７６．４％ ｓｉｌｔ， ａｎｄ ２０．３％ ｃｌａｙ． Ｔｈｅ ｔｅｓｔｅｄ ｓｏｉｌ ｗａｓ ｃｏｌｌｅｃｔｅｄ ｆｒｏｍ ０—２０ ｃｍ ｄｅｐｔｈ ｉｎ
ｔｈｅ Ａｐ ｈｏｒｉｚｏｎ ｏｆ ａ ｍａｉｚｅ ｆｉｅｌｄ ｉｎ Ｌｉｕｊｉａ Ｔｏｗｎ （４４°４３′Ｎ， １２６°１１′Ｅ）， Ｙｕｓｈｕ Ｃｉｔｙ， Ｊｉｌｉｎ Ｐｒｏｖｉｎｃｅ， ｌｏｃａｔｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｃｅｎｔｅｒ ｏｆ
ｔｈｅ Ｍｏｌｌｉｓｏｌ ｒｅｇｉｏｎ ｉｎ Ｎｏｒｔｈｅａｓｔ Ｃｈｉｎａ． Ｔｈｉｓ ｓｔｕｄｙ ｗａｓ ｃｏｍｐｌｅｔｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｒａｉｎｆａｌｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ ｔｈｅ Ｓｔａｔｅ Ｋｅｙ
Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｓｏｉｌ Ｅｒｏｓｉｏｎ ａｎｄ Ｄｒｙｌａｎｄ Ｆａｒｍｉｎｇ ｏｎ ｔｈｅ Ｌｏｅｓｓ Ｐｌａｔｅａｕ， Ｙａｎｇｌｉｎｇ Ｃｉｔｙ， Ｃｈｉｎａ． Ａ ｓｉｄｅ⁃ｓｐｒｉｎｋｌｅ ｒａｉｎｆａｌｌ
ｓｉｍｕｌａｔｏｒ ｗａｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ａｐｐｌｙ ｒａｉｎｆａｌｌ ａｎｄ ａ ｓｏｉｌ ｐａｎ ｗａｓ ｓｐｅｃｉａｌｌｙ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｔｏ ｍｅａｓｕｒｅ ｂｏｔｈ ｓｐｌａｓｈ ａｎｄ ｓｈｅｅｔ ｅｒｏｓｉｏｎ． Ｒｅｓｕｌｔｓ
ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ ｓｐｌａｓｈ ｅｒｏｓｉｏｎ ｉｎｃｒｅａｓｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｏｆ ｒａｉｎｄｒｏｐ ｋｉｎｅｔｉｃ ｅｎｅｒｇｙ ｆｏｒ ａ ｇｉｖｅｎ ｒａｉｎｆａｌｌ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ．
Ｈｏｗｅｖｅｒ， ａｔ ｅａｃｈ ｉｎｄｉｖｉｄｕａｌ ｒａｉｎｆａｌｌ， ｔｈｅ ａｍｏｕｎｔ ｏｆ ｓｐｌａｓｈ ｅｒｏｓｉｏｎ ｗａｓ ｉｎ ｔｈｅ ｏｒｄｅｒ ｏｆ ｄｏｗｎｓｌｏｐｅ ＞ ｌａｔｅｒａｌ ｓｌｏｐｅ ＞ ｕｐｓｌｏｐｅ．
Ｗｈｅｎ ｒａｉｎｆａｌｌ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ｉｎｃｒｅａｓｅｄ ｆｒｏｍ ５０ ｔｏ １００ ｍｍ ／ ｈ， ｔｈｅ ｔｏｔａｌ ｓｐｌａｓｈ ａｎｄ ｎｅｔ ｓｐｌａｓｈ ｅｒｏｓｉｏｎ ｉｎｃｒｅａｓｅｄ １．９—４．５ ａｎｄ
１．２—６．４ ｔｉｍｅｓ， ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ； ｓｐｌａｓｈ ｅｒｏｓｉｏｎ ｏｎ ｔｈｅ ｕｐｓｌｏｐｅ， ｄｏｗｎｓｌｏｐｅ， ａｎｄ ｌａｔｅｒａｌ ｓｌｏｐｅ ｗｅｒｅ ｅｎｈａｎｃｅｄ ２．３—５．０， １．７—
５．１， ａｎｄ １．９—４．３ ｔｉｍｅｓ， ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ． Ｆｏｒ ａｌｌ ｒａｉｎｆａｌｌ ｋｉｎｅｔｉｃ ｅｎｅｒｇｉｅｓ， ｓｐｌａｓｈ ｅｒｏｓｉｏｎ ｒａｔｅ ｇｒａｄｕａｌｌｙ ｉｎｃｒｅａｓｅｄ ｗｉｔｈ ｒａｉｎｆａｌｌ
ｄｕｒａｔｉｏｎ； ｗｈｅｎ ｒｕｎｏｆｆ ｏｃｃｕｒｒｅｄ， ｓｐｌａｓｈ ｅｒｏｓｉｏｎ ｒａｔｅ ｒｅａｃｈｅｄ ｔｈｅ ｍａｘｉｍｕｍ ｖａｌｕｅ， ａｎｄ ｔｈｅｎ ｇｒａｄｕａｌｌｙ ｄｅｃｒｅａｓｅｄ ｕｎｔｉｌ
ｒｅａｃｈｉｎｇ ａ ｓｔｅａｄｙ ｓｔａｔｅ． Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｓ ｂｅｔｗｅｅｎ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ， ｔｏｔａｌ， ａｎｄ ｎｅｔ ｓｐｌａｓｈ ｅｒｏｓｉｏｎ ａｎｄ ｒａｉｎｆａｌｌ ｋｉｎｅｔｉｃ
ｅｎｅｒｇｙ， ｔｈｅ ｃｒｉｔｉｃａｌ ｅｎｅｒｇｙ ｆｏｒ ｓｐｌａｓｈ ｅｒｏｓｉｏｎ ｉｎｉｔｉａｔｉｏｎ ｗａｓ ３—６ Ｊ ｍ－２ ｍｍ－１ ． Ｓｐｌａｓｈ ｅｒｏｓｉｏｎ ｉｎｃｒｅａｓｅｄ ｗｉｔｈ ａｎ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｉｎ
ｒａｉｎｄｒｏｐ ｋｉｎｅｔｉｃ ｅｎｅｒｇｙ ａｂｏｖｅ ｔｈｅ ｃｒｉｔｉｃａｌ ｖａｌｕｅ． Ｆｕｒｔｈｅｒｍｏｒｅ， ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｂｅｔｗｅｅｎ ｒａｉｎｄｒｏｐ ｋｉｎｅｔｉｃ ｅｎｅｒｇｙ ａｎｄ ｕｐｓｌｏｐｅ，
ｄｏｗｎｓｌｏｐｅ， ｔｏｔａｌ， ａｎｄ ｎｅｔ ｓｐｌａｓｈ ｅｒｏｓｉｏｎ ｗａｓ ｅｘｐｒｅｓｓｅｄ ｂｙ ｐｏｗｅｒ ｆｕｎｃｔｉｏｎ， ｗｈｉｌｅ ｒａｉｎｄｒｏｐ ｋｉｎｅｔｉｃ ｅｎｅｒｇｙ ｈａｄ ａ ｑｕａｄｒａｔｉｃ
ｐｏｌｙｎｏｍｉａｌ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｗｉｔｈ ｌａｔｅｒａｌ ｓｐｌａｓｈ ｅｒｏｓｉｏｎ．
Ｋｅｙ Ｗｏｒｄｓ： ｒａｉｎｄｒｏｐ ｋｉｎｅｔｉｃ ｅｎｅｒｇｙ； ｓｐｌａｓｈ ｅｒｏｓｉｏｎ； ｓｐｌａｓｈ ｅｒｏｓｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ； ｔｏｔａｌ ｓｐｌａｓｈ ｅｒｏｓｉｏｎ； ｎｅｔ ｓｐｌａｓｈ ｅｒｏｓｉｏｎ；
ｔｈｅ ｔｙｐｉｃａｌ ｂｌａｃｋ ｓｏｉｌ ｒｅｇｉｏｎ
雨滴溅蚀是指雨滴打击土壤表面，使土粒发生分散、分离、跃迁位移的过程［１⁃３］。 雨滴打击不仅搬运土
粒，为坡面径流搬运提供大量松散物质［４］，还通过增加坡面薄层水流的扰动而增加径流的搬运能力［５］。 因
此，雨滴打击对坡面侵蚀的分离和搬运有重要影响［６］。 有关研究结果表明，雨滴打击对溅蚀的影响起关键作
用，降雨强度越大，则溅蚀量越大［７］。 降雨能量是雨滴降落时所产生的能量，由雨滴大小和其降落速度决
定［８］。 降雨能量也是影响溅蚀的重要因素，随着降雨能量的增加，溅蚀量随之增加［９］。 蔡强国等［１０］研究表
明，溅蚀量与降雨强度和降雨雨滴直径密切相关，并建立了溅蚀量与降雨强度、雨滴直径的二元线性回归方
程。 江忠善［１１］和 Ｆｒｅｅ等［１２］的试验结果表明，溅蚀量与降雨能量呈幂函数相关。 然而，现有研究多是探讨降
雨强度或降雨能量对溅蚀量的影响，对溅蚀作用过程的研究有所欠缺。 溅蚀的特征研究是认识溅蚀发生机理
的前提［１３］。 目前，在室内通过溅蚀盘［１４］，在野外通过溅蚀板［１５］来进行降雨溅蚀试验研究。 但是，运用溅蚀
盘或溅蚀板大多是对溅蚀量的测定，缺乏对溅蚀作用过程及不同方向溅蚀量的定量描述，且尚不清楚雨滴打
击对溅蚀发生过程的影响。 据此，基于改进的试验土槽进行不同降雨强度和不同降雨能量的模拟降雨试验，
分析降雨能量对东北典型黑土区土壤溅蚀特征的影响，有助于加深理解溅蚀发生的过程和机理，以期为东北
典型黑土区坡耕地土壤侵蚀防治提供科学依据。
１　 材料与方法
１．１　 试验装置与材料
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与旱地农业国家重点实验室人工模拟降雨
大厅进行。 人工模拟降雨设备采用中国科学院水利部水土保持研究所研制的侧喷式单喷头的降雨装置［１６］，
降雨方式为两个降雨器对喷，通过设计不同雨滴降落高度形成不同的降雨能量。 供水压力由压力表控制，降
雨强度主要通过孔板的孔径来调节，孔径为 ５—１２ ｍｍ，可控制雨强 ３０—１６５ ｍｍ ／ ｈ，降雨均匀度大于 ８５％。
试验土槽基于 Ｂｒａｄｆｏｒｄ［１７］试验所用土槽进行了改进（图 １），该土槽可在同一降雨时间对上坡溅蚀、侧坡
溅蚀、下坡溅蚀和薄层水流侵蚀（片蚀）进行分开采样。 试验装置规格为：长×宽×高＝ １２４ ｃｍ×１１７ ｃｍ×８０ ｃｍ，
９０７４　 １５期 　 　 　 胡伟　 等：降雨能量对东北典型黑土区土壤溅蚀的影响 　
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图 １　 试验土槽示意图
Ｆｉｇ．１　 Ｔｈｅ ｓｏｉｌ ｐａｎ ｕｓｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｓｔｕｄｙ
　 ａ，ｂ，ｃ，ｄ分别收集上坡，左侧，右侧，下坡溅蚀，ｅ 收集薄层水流侵
蚀（片蚀）
中央为试验土槽，其规格为：长×宽×高 ＝ ５０ ｃｍ×５０ ｃｍ×
４０ ｃｍ，下端设集流装置采集径流泥沙样，四周设有溅蚀
收集槽，通过底部的塑料软管进行收集，外侧为溅蚀缓
冲区。 上、下坡溅蚀收集槽规格为：长×宽×高 ＝ ５７ ｃｍ×
３．５ ｃｍ×４０ ｃｍ，侧坡溅蚀收集槽规格为：长×宽×高 ＝ ５０
ｃｍ×３．５ ｃｍ×４０ ｃｍ，溅蚀板高出土槽约 ４０ ｃｍ。 土槽底
部每隔 １０ ｃｍ（长）和 １０ ｃｍ（宽）处设计孔径为 ２ ｍｍ的
排水孔，用以保证降雨试验过程中排水良好。
吉林省榆树市位于我国黑土区的中心地带，属于典
型黑土区。 该区主要土壤类型为黑土，其占总面积的
４７．４％［１８⁃１９］。 试验用土取自吉林省榆树市刘家镇合心
村南城子屯的 ０—２０ ｃｍ耕层土。 试验土壤为研究区域
内的典型黑土，质地为粉壤土，其颗粒组成为（美国农
业部制）：砂粒（２—０．０５ ｍｍ）含量为 ３．３％，粉粒（０．０５—
０．００２ ｍｍ）为 ７６．４％，粘粒（＜ ０．００２ ｍｍ）为 ２０．３％，有机
质含量为（重铬酸钾氧化⁃外加热法）２３．８１ ｇ ／ ｋｇ，ｐＨ 值
（水浸提法，水土比 ２．５∶１）为 ５．９２。 由于近年来，该区坡
耕地土壤侵蚀严重，黑土层已由开垦前的 ５０—６０ ｃｍ下
降到目前的 ２０—３０ ｃｍ，且在部分区域已出现“破皮黄”
现象。 因此，本研究选取的研究区和试验土壤均具有一
定的代表性和典型性。 试验用土风干后沿自然节理将其掰成稍小的土块以保持原有的土壤结构。
１．２　 试验设计
东北黑土区地形主要是山前波状起伏台地或漫岗地，坡度一般为 １°—８°，有少部分超过 １０°，而当坡度大
于 ７°后，坡面土壤侵蚀急剧增加［２０］。 因此，本研究选取 １０°代表黑土区坡耕地的大坡度范围。 目前，国内外
研究降雨能量的方法主要有 ３种，一是改变降雨强度［２１］，降雨强度越大，降雨能量越大，降雨强度和降雨能量
之间存在交互作用，不能单独分离降雨能量；二是改变降雨机［２２］，相同降雨强度具有不同的降雨能量，不能真
正的研究降雨能量；三是在相同的降雨强度下，改变雨滴的降落高度能够直接获取不同的降雨能量［２３］。 鉴于
前两种方法不能有效的分离降雨能量，本研究在保证降雨强度不变的前提下，改变雨滴降落高度获取不同的
降雨能量。 当雨滴降落高度在 ４．３ ｍ 以上时，可使大雨滴达到终点速度的 ８０％［２４］。 当降落高度在 ７—８ ｍ
时，即可使 ９５％的雨滴达到终点速度，要使所有不同大小的雨滴达到终点速度，最小的降落高度需要 ２０
ｍ［２５］。 ２０世纪 ８０年代，国内学者使用侧喷式模拟降雨机选用的雨滴降落高度多为 ６．５ ｍ，直径大于 ２．０ ｍｍ
的雨滴达不到终点速度［２６］。 本研究设计的最大降雨高度为 １１．５ ｍ，可满足 ０—６ ｍｍ 直径的雨滴达到终点速
度［２５］，能够较好的模拟天然降雨的能量。 本研究为了更好的研究降雨能量对黑土溅蚀的影响，设计了从 ３．５
ｍ到 １１．５ ｍ的 ５个雨滴降落高度水平，其变化步长为 ２ ｍ。 依据黑土区侵蚀性降雨标准［２７⁃２８］（即 Ｉ１０≥ ０．７１
ｍｍ ／ ｍｉｎ），设计试验降雨强度为 ５０ ｍｍ ／ ｈ和 １００ ｍｍ ／ ｈ（表 １），降雨历时为 ３０ ｍｉｎ。 所有试验处理的土壤均为
风干土。 每一个试验处理重复两次，试验设计见表 １。
为保证良好的透水性，在试验土槽底部铺 ２０ ｃｍ厚细沙。 沙子上部每 ５ ｃｍ一层填装容重为 １．２５ ｇ ／ ｃｍ３的
黑土用于模拟农耕地的犁底层，装土厚度为 １０ ｃｍ。 犁底层之上填装容重为 １．２０ ｇ ／ ｃｍ３的黑土用于模拟耕层，
每 ５ ｃｍ一层填装，装土厚度为 １０ ｃｍ。 装上层土之前，用 １ ｃｍ厚的木板抓毛下层土壤表面，以减少土壤分层
现象。 每次试验前翻耕表土约 １０ ｃｍ，并用齿耙耙平，模拟黑土区农耕地坡面情况。
为了确保模拟降雨的均匀性和准确性，试验开始前对降雨强度进行率定，当降雨均匀度大于 ８５％，实测
０１７４ 　 生　 态　 学　 报　 　 　 ３６卷　
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降雨强度与目标降雨强度的差值小于 ５％时方可进行正式降雨。 降雨开始后，各方向的溅蚀量分别取全样。
对于降雨强度为 ５０ ｍｍ ／ ｈ 试验处理，采样间隔为 ６ ｍｉｎ；对降雨强度为 １００ ｍｍ ／ ｈ 试验处理，采样间隔为 ３
ｍｉｎ。 降雨结束后，用清水分别冲洗上、下、左、右溅蚀板上残留的溅蚀土样，以保证溅蚀土样被完全收集。 坡
面产流后，记录初始产流时间，接取径流泥沙样，取样间隔为 ３—６ ｍｉｎ。 降雨结束后，称取溅蚀和径流泥沙的
重量（电子称量程为 ６０ ｋｇ，精度为 ０．００１ ｋｇ），采用烘干法（１０５℃，２４ ｈ）测得溅蚀和径流泥沙重（电子天平精
度为 ０．１ ｇ）。
表 １　 试验设计
Ｔａｂｌｅ １　 Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｔｒｅａｔｍｅｎｔｓ
降雨强度
Ｒａｉｎｆａｌｌ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ／
（ｍｍ ／ ｈ）
降雨历时
Ｒａｉｎｆａｌｌ
ｄｕｒａｔｉｏｎ ／ ｍｉｎ
雨滴降落高度
Ｒａｉｎｄｒｏｐ ｆａｌｌｉｎｇ
ｈｅｉｇｈｔ ／ ｍ
重复
Ｒｅｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ
降雨强度
Ｒａｉｎｆａｌｌ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ／
（ｍｍ ／ ｈ）
降雨历时
Ｒａｉｎｆａｌｌ
ｄｕｒａｔｉｏｎ ／ ｍｉｎ
雨滴降落高度
Ｒａｉｎｄｒｏｐ ｆａｌｌｉｎｇ
ｈｅｉｇｈｔ ／ ｍ
重复
Ｒｅｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ
５０ ３０ ３．５ ２ １００ ３０ ３．５ ２
５．５ ５．５
７．５ ７．５
９．５ ９．５
１１．５ １１．５
１．３　 雨滴测定及降雨动能计算
雨滴大小的测定采用滤纸色斑法。 色斑法是历史悠久、应用最广泛的一种雨滴粒径测量方法［２９］。 滤纸
使用新华造纸厂生产的直径为 １５ ｃｍ的定性中速滤纸，涂料用曙红和滑石粉混合粉末，按重量比为 １∶１０ 混合
均匀，用刷子将混合粉末均匀地抹在滤纸上备用，当雨滴落到滤纸上时，产生近似圆形的色斑［３０］。 将采集的
滤纸扫描后使用 Ｉｍａｇｅ⁃Ｊ［３１］软件的直尺功能测出色斑直径，每个色斑按垂直方向测 ４ 次，测量精度为 ０．００１
ｍｍ，取平均值为色斑直径，进而推求雨滴实际直径。
由于试验条件与窦堡璋［３０］相同，雨滴直径采用下述公式进行计算，即：
ｄ ＝ ０．３５６Ｄ０．７１２ （１）
式中，ｄ为雨滴直径（ｍｍ）；Ｄ为色斑直径（ｍｍ）。
对于天然降雨，雨滴终点速度采用牟金泽［３２］提出的公式进行计算，即：
当 ｄ＜ １．９ ｍｍ时，用修正的沙玉清公式：
ｖｉ ＝ ０．４９６ａｎｔｉｌｏｇ（ ２８．３２ ＋ ６．５２４ ｌｇ０．１ ｄ － （ｌｇ０．１ ｄ） ２ － ３．６６５） （２）
当 ｄ≥ １．９ ｍｍ时，采用修正的牛顿公式：
ｖｉ ＝ （１７．２０ － ０．８４４ｄ） ０．１ｄ （３）
式中，ｄ为雨滴直径（ｍｍ）；ｖｉ为天然降雨雨滴降落速度（ｍ ／ ｓ）。
对于人工模拟降雨，雨滴未完全到达终点速度，故雨滴速度不能按天然降雨雨滴速度计算［３１， ３３］，采用下
述公式计算：
Ｖ ＝ ｖｉ １ － ｅ
－ ２ｇ
ｖｉ
２Ｈ （４）
式中，Ｖ为人工模拟降雨雨滴降落速度（ｍ ／ ｓ）；ｇ为重力加速度（ｍ ／ ｓ２）；Ｈ为雨滴降落高度（ｍ）。
单个雨滴的动能：
ｅｉ ＝
１
２
ｍｉＶ２ （５）
式中，ｅｉ为第 ｉ个雨滴的动能（Ｊ）；ｍｉ为第 ｉ个雨滴的质量，将其视为球体计算（ｇ）；Ｖ为雨滴降落速度（ｍ ／ ｓ）。
雨滴的总动能：
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ｅｔ ＝∑
ｎ
ｉ ＝ １
ｅｉ （６）
式中，ｅｔ为全部雨滴的总动能（Ｊ）；ｅｉ为第 ｉ个雨滴的动能（Ｊ）；ｎ为雨滴的个数。
降雨深［３４］：
ｈ ＝
∑
ｎ
ｉ ＝ １
ｍｉ
ρＳ
（７）
式中，ｈ为降雨深（ｍｍ）；ｍｉ为第 ｉ 个雨滴的质量（ｇ）；ρ 为雨滴的密度（ｋｇ ／ ｍ３）；Ｓ 为滤纸的面积（ｍ２）；ｎ 为雨
滴的个数。
降雨能量：
Ｅ ＝
ｅｔ
ｈＳ
（８）
式中，Ｅ为降雨能量（Ｊ ｍ－２ ｍｍ－１）；ｅｔ为全部雨滴的总动能（Ｊ）；ｈ为降雨深（ｍｍ）；Ｓ为滤纸的面积（ｍ２）。
１．４　 溅蚀量计算
总溅蚀量计算公式：
Ｓｔ ＝ Ｓｕ ＋ Ｓｄ ＋ Ｓｌ ＋ Ｓｒ （９）
式中，Ｓｔ为总溅蚀量（ｇ ｍ
－２ ｈ－１）；Ｓｕ为向上坡溅蚀量（ｇ ｍ
－２ ｈ－１）；Ｓｄ为向下坡溅蚀量（ｇ ｍ
－２ ｈ－１）；Ｓｌ为向左侧溅
蚀量（ｇ ｍ－２ ｈ－１）；Ｓｒ为向右侧溅蚀量（ｇ ｍ
－２ ｈ－１）。
净溅蚀量［３５⁃３６］计算公式：
Ｓｎ ＝ Ｓｄ － Ｓｕ （１０）
式中，Ｓｎ为净溅蚀量（ｇ ｍ
－２ ｈ－１）；Ｓｄ为向下坡溅蚀量（ｇ ｍ
－２ ｈ－１）；Ｓｕ为向上坡溅蚀量（ｇ ｍ
－２ ｈ－１）。
侧坡溅蚀量计算公式：
Ｓｌａ ＝
１
２
（Ｓｌ ＋ Ｓｒ） （１１）
式中，Ｓｌａ为侧坡溅蚀量（ｇ ｍ
－２ ｈ－１）；Ｓｌ为向左侧溅蚀量（ｇ ｍ
－２ ｈ－１）；Ｓｒ为向右侧溅蚀量（ｇ ｍ
－２ ｈ－１）。
１．５　 数据处理
应用 Ｅｘｃｅｌ ２００３、ＳｉｇｍａＰｌｏｔ １２．５和 Ｍａｔｌａｂ Ｒ２０１０ｂ 对数据进行处理与分析：采用 ＳｉｇｍａＰｌｏｔ １２．５ 绘制不同
降雨能量下总溅蚀率随降雨历时的变化图；采用 Ｍａｔｌａｂ Ｒ２０１０ｂ 中 Ｃｕｒｖｅ Ｆｉｔｔｉｎｇ Ｔｏｏｌ 对各溅蚀分量，总溅蚀
量，净溅蚀量与降雨能量的关系进行拟合，拟合过程中采用信赖域方法，同时考虑方程的物理意义。
２　 结果与分析
２．１　 降雨能量对不同方向溅蚀量的影响
当前期试验条件相同时，不同降雨能量对坡面溅蚀的影响存在差异（表 ２）。 相同降雨强度下，坡面各方
向溅蚀分量均随降雨能量的增加而增大。 各降雨能量下，次降雨坡面溅蚀量表现为：向下坡的溅蚀量最大，其
次为向左侧和右侧的溅蚀量（侧坡溅蚀量），二者基本相同，而以向上坡的溅蚀量最小。 这主要是土粒自身重
力对向下坡溅蚀产生了一个动力，而对向上坡溅蚀则起一个阻力的作用，因此导致向下坡的溅蚀量要大于向
上坡的溅蚀量。 对于侧坡溅蚀，重力即是动力又是阻力，因此其变化相对向上坡和向下坡较为平缓［３７］。
当雨滴降落高度相同时，１００ ｍｍ ／ ｈ雨强下的溅蚀量大于 ５０ ｍｍ ／ ｈ 的溅蚀量。 在 ５０ ｍｍ ／ ｈ 降雨强度下，
降雨能量平均每增加 １ Ｊ ｍ－２ ｍｍ－１，向上坡溅蚀量增加 ９．４—１７．０ ｇ ｍ－２ ｈ－１，向下坡溅蚀量增加 １３．９—４３．０
ｇ ｍ－２ ｈ－１，侧坡溅蚀量增加 ７．１—３５．６ ｇ ｍ－２ ｈ－１，总溅蚀量增加 ３７．８—１３１．３ ｇ ｍ－２ ｈ－１，净溅蚀量增加 ４．２—２６．０
ｇ ｍ－２ ｈ－１。 １００ ｍｍ ／ ｈ 降雨强度下，降雨能量平均每增加 １ Ｊ ｍ－２ ｍｍ－１，向上坡溅蚀量增加 １１．７—４６．８ ｇ ｍ－２
ｈ－１，向下坡溅蚀量增加 ４９．７—１４６．０ ｇ ｍ－２ ｈ－１，侧坡溅蚀量增加 ３６．８—１０６．６ ｇ ｍ－２ ｈ－１，总溅蚀量增加 １３５．０—
２１７４ 　 生　 态　 学　 报　 　 　 ３６卷　
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４０５．９ ｇ ｍ－２ ｈ－１，净溅蚀量增加 １７．８—９９．２ ｇ ｍ－２ ｈ－１。 这主要是因为降雨能量增强所致。 当降雨强度相同时，
随着雨滴降落高度的增加，雨滴降落速度增加，降雨能量随之增大，从而间接地增强了雨滴打击力。
当降雨强度由 ５０ ｍｍ ／ ｈ 增加到 １００ ｍｍ ／ ｈ 时，降雨能量增加幅度为 １８．４％—４９．５％，向上坡溅蚀量增加
２．３—５．０倍，向下坡溅蚀量增加 １．７—５．１倍，侧坡溅蚀量增加 １．９—４．３ 倍，总溅蚀量增加 １．９—４．５ 倍，净溅蚀
量增加 １．２—６．４倍。 由上述结果可知，随着降雨强度的增大，雨滴打击作用增强，促使更多的土壤颗粒分离。
黑土富含有机质，土壤团聚体含量较高，在较小降雨强度下，雨滴打击对土壤溅蚀作用较小，随着雨强的增大，
雨滴打击土壤团聚体的作用增强，从而使这些分散的土壤颗粒更容易被击溅。 因此，雨滴打击力是黑土坡面
发生溅蚀的主要侵蚀动力，这与安娟［３８］等的研究结果一致。 范昊明［１８］和张晓平［２０］等研究也认为雨滴侵蚀
是我国黑土区最主要的侵蚀方式。 上述研究结果进一步表明消除雨滴打击在黑土区农耕地的重要性。
表 ２　 相同降雨能量下各方向溅蚀分量、总溅蚀量和净溅蚀量
Ｔａｂｌｅ ２　 Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ ｓｐｌａｓｈ， ｔｏｔａｌ ｓｐｌａｓｈ ａｎｄ ｎｅｔ ｓｐｌａｓｈ ｅｒｏｓｉｏｎ ｕｎｄｅｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｒａｉｎｄｒｏｐ ｋｉｎｅｔｉｃ ｅｎｅｒｇｙ
降雨强度 ／ （ｍｍ ／ ｈ）Ｒａｉｎｆａｌｌ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ５０
雨滴降落高度 ／ ｍ
Ｒａｉｎｄｒｏｐ ｆａｌｌｉｎｇ ｈｅｉｇｈｔ ３．５ ５．５ ７．５ ９．５ １１．５
降雨能量 ／ （ Ｊ ｍ－２ ｍｍ－１）
Ｒａｉｎｄｒｏｐ ｋｉｎｅｔｉｃ ｅｎｅｒｇｙ
６．４８ ６．７７ ７．７５ ８．５９ ９．８３
溅蚀量 ／ （ｇ ｍ－２ ｈ－１） 向上坡 Ｕｐｓｌｏｐｅ ９．２±０．６ １４．０±５．６ ２３．２±０．２ ３６．３±１．５ ４８．５±０．２
Ｓｐｌａｓｈ ｅｒｏｓｉｏｎ 向下坡 Ｄｏｗｎｓｌｏｐｅ １９．５±１．０ ３１．７±８．７ ５２．１±４．８ ８０．９±３．９ ９８．３±１．８
向左侧 Ｌｅｆｔ １５．３±１．０ ２８．９±１２．８ ４６．６±０．９ ６３．９±３．３ ６９．６±１７．０
向右侧 Ｒｉｇｈｔ １７．２±０．６ ２３．７±３．５ ３９．５±４．０ ７１．７±１．９ ８３．６±５．１
侧坡 Ｌａｔｅｒａｌ １６．２±０．８ ２６．３±８．１ ４３．０±２．５ ６７．８±２．６ ７６．６±１１．０
总溅蚀量 Ｔｏｔａｌ ｓｐｌａｓｈ ６１．２±３．２ ９８．３±３０．５ １６１．４±９．９ ２５２．９±１０．６ ２９９．９±２３．７
净溅蚀量 Ｎｅｔ ｓｐｌａｓｈ １０．３±０．４ １７．７±３．２ ２８．９±４．６ ４４．６±２．３ ４９．８±２．１
降雨强度 Ｒａｉｎｆａｌｌ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ／ （ｍｍ ／ ｈ） １００
雨滴降落高度 ／ ｍ
Ｒａｉｎｄｒｏｐ ｆａｌｌｉｎｇ ｈｅｉｇｈｔ ３．５ ５．５ ７．５ ９．５ １１．５
降雨能量 ／ （ Ｊ ｍ－２ ｍｍ－１）
Ｒａｉｎｄｒｏｐ ｋｉｎｅｔｉｃ ｅｎｅｒｇｙ
７．６７ ８．５２ １０．２３ １２．８５ １４．４７
溅蚀量 ／ （ｇ ｍ－２ ｈ－１） 向上坡 Ｕｐｓｌｏｐｅ ３０．１±３．９ ６９．５±１６．８ １３８．４±２５．２ １６８．８±１．３ ２３５．１±３８．５
Ｓｐｌａｓｈ ｅｒｏｓｉｏｎ 向下坡 Ｄｏｗｎｓｌｏｐｅ ５２．５±０．３ １７５．３±７８．２ ２７４．８±４６．０ ４０４．６±３５．３ ６０２．９±１７．６
向左侧 Ｌｅｆｔ ５２．９±１１．９ １３２．４±７４．７ ２５５．６±６０．５ ３０９．２±４９．２ ３７６．４±１４．１
向右侧 Ｒｉｇｈｔ ４１．７±１０．２ １４１．６±２４．３ ２００．８±２３．８ ３３９．６±１１．９ ４３０．８±１５６．７
侧坡 Ｌａｔｅｒａｌ ４７．３±１１．１ １３７．０±４９．５ ２２８．２±４２．１ ３２４．４±３０．５ ４０３．６±８５．４
总溅蚀量 Ｔｏｔａｌ ｓｐｌａｓｈ １７７．２±１８．１ ５１８．８±１９４．０ ８６９．６±１５５．５ １２２２．２±９７．７ １６４５．２±１１４．８
净溅蚀量 Ｎｅｔ ｓｐｌａｓｈ ２２．４±３．６ １０５．８±６１．３ １３６．４±２０．８ ２３５．７±３４．０ ３６７．７±２０．９
　 　 表中数值表示平均值±标准差
２．２　 降雨能量对溅蚀过程的影响
通过对不同降雨能量下总溅蚀率随降雨历时的比较，发现 １００ ｍｍ ／ ｈ 降雨强度下的最大溅蚀率是 ５０
ｍｍ ／ ｈ降雨条件的 ４．３—９．５倍（图 ２）。 在 ５０ ｍｍ ／ ｈ降雨强度下，产流时间集中在 ２４—２７ ｍｉｎ，溅蚀率随降雨
历时呈现递增的趋势。 这主要是因为试验土壤比较干燥，当雨滴降落到干燥的土壤时，大部分能量被表层土
壤所吸收，因此溅蚀搬运的土粒较少，随着土壤含水量增加，土壤粘结力减小，坡面产生大量松散的物质供溅
蚀搬运，这个过程主要是雨滴与土粒间的能量交换。 而 １００ ｍｍ ／ ｈ降雨强度下总溅蚀率在降雨初期呈现急剧
上升，坡面在 ９—１２ ｍｉｎ产流，产流后溅蚀率迅速到达峰值，之后逐渐减小。 这种变化趋势在降雨能量较大时
更加明显，如在 １００ ｍｍ ／ ｈ降雨强度和雨滴降落高度为 １１．５ ｍ对应的降雨能量为 １４．４７ Ｊ ｍ－２ ｍｍ－１，在前 １０ ｍｉｎ
的总溅蚀率为 １１．４ ｇ ｍ－２ ｍｉｎ－１，第 １５分钟迅速增大至 ３２．８ ｇ ｍ－２ ｍｉｎ－１，至 ２４ ｍｉｎ时，又减小至２４．８ ｇ ｍ－２ ｍｉｎ－１，
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图 ２　 总溅蚀率随降雨历时的变化
Ｆｉｇ．２　 Ｔｅｍｐｏｒａｌ ｖａｒｉａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｏｔａｌ ｓｐｌａｓｈ ｒａｔｅｓ ｄｕｒｉｎｇ ｔｈｅ ｒａｉｎｆａｌｌ ｅｖｅｎｔ
此后略有减小但变化不大。 这与 Ｆｏｘ［３９］和刘和平等［３６，４０］的试验结果一致。 随着降雨能量的不同，前 １５ ｍｉｎ
溅蚀率变化幅度明显大于后 １５ ｍｉｎ，说明降雨能量在前 １５ ｍｉｎ对溅蚀的影响较大。 这主要是因为降雨初期，
雨滴能量主要用于破坏土壤团聚体，此时溅蚀率大小主要取决于雨滴打击力，即降雨能量的大小，这与张科利
等［４１］的研究结果相一致。 随着降雨的继续，在雨滴的打击作用下，土壤表面形成临时结皮层，土壤抗蚀力增
强，同时，土壤入渗能力减弱，坡面形成薄层水流，溅蚀作用过程变为雨滴、土粒及薄层水流间的能量交换过
程，随着地表水层厚度增加，雨滴击溅的土粒减少，坡面溅蚀率逐渐下降并趋于稳定。 溅蚀率在降雨初期急剧
上升说明侵蚀过程是以溅蚀击溅为主导的阶段，而后迅速减少说明侵蚀过程由溅蚀搬运为主的阶段向薄层水
流搬运为主的阶段转变。 此外，坡面形成薄层径流后，径流深对雨滴打击力的屏蔽作用不容忽视［４２］。 雨滴溅
蚀与径流深呈负相关，当径流深超过 ３倍雨滴直径时，雨滴打击作用消失［４３］。
２．３　 降雨能量与溅蚀量的关系
２．３．１　 向上坡、向下坡和侧坡溅蚀量与降雨能量的关系
本试验得到的各方向的溅蚀量与降雨能量的关系如图 ３ 所示，随着降雨能量的增大，各方向溅蚀量均有
一定幅度的增加。 采用 Ｍａｔｌａｂ Ｒ２０１０ｂ进行拟合，获取最优经验方程：
向上坡溅蚀量　 　 　 Ｓｕ ＝ １４．６７０ （Ｅ － ５．９３２） １．２８９，　 Ｒ２ ＝ ０．９０６，　 ｎ ＝ ２０，　 Ｐ ＜ ０．０００１ （１２）
向下坡溅蚀量　 　 　 Ｓｄ ＝ ８．９１３ （Ｅ － ４．７８２） １．８５，　 Ｒ２ ＝ ０．９３３，　 ｎ ＝ ２０，　 Ｐ ＜ ０．０００１ （１３）
侧坡溅蚀量　 　 　 　 Ｓｌａ ＝ ３．２０１Ｅ２ － １７．１５４Ｅ，　 Ｒ２ ＝ ０．８８９，　 ｎ ＝ ２０，　 Ｐ ＜ ０．０００１ （１４）
式中，Ｓｕ为向上坡溅蚀量（ｇ ｍ
－２ ｈ－１）；Ｓｄ为向下坡溅蚀量（ｇ ｍ
－２ ｈ－１）；Ｓｌａ为侧坡溅蚀量（ｇ ｍ
－２ ｈ－１）；Ｅ为降雨能
量（Ｊ ｍ－２ ｍｍ－１）；ｎ为样本数（式 １２—１４中均使用的是单位时间的溅蚀量）。
由回归方程可知，向上坡溅蚀量和向下坡溅蚀量均与降雨能量呈幂函数关系，侧坡溅蚀量与降雨能量的
关系符合一元二次曲线分布特征。 对比回归方程（１２）和（１３）发现，降雨能量对溅蚀的影响存在一个阈值。
当降雨能量小到一定值时，坡面无溅蚀发生，这主要是因为雨滴能量较小时，大部分能量被土壤吸收，很少一
部分能量用于破坏土壤团聚体，因此可供溅蚀搬运的土粒较少。 这与 Ｓａｌｌｅｓ［４４］和秦越［４５］等的研究基本一致。
吴普特等［３７］认为，雨滴与地表土壤发生碰撞产生的冲击力是地表土壤发生溅蚀的直接动力，碰撞使一部分能
量被土壤吸收，而未被吸收的能量将破坏原有的土壤结构，使其分散，发生跃移。 当坡面存在一定坡度时，雨
滴打击地表，向上坡和向下坡搬运土粒均需克服一定的能量做功，溅蚀才会发生，与向下坡搬运相比，向上坡
搬运需克服更多的能量来做功，因此向上坡溅蚀发生的能量阈值要高于向下坡。
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２．３．２　 总溅蚀量和净溅蚀量与降雨能量的关系
总溅蚀量和净溅蚀量均随降雨能量的增大而增加（图 ４）。 总溅蚀量等于各方向溅蚀量之和，表示雨滴击
溅为溅蚀搬运和径流搬运提供的松散物质的量，以实测各方向的溅蚀量之和与降雨能量进行相关分析得出：
Ｓｔ ＝ ７５．６７０ （Ｅ － ５．６９９） １．４１８，Ｒ２ ＝ ０．９２１，ｎ ＝ ２０，Ｐ ＜ ０．０００１ （１５）
式中，Ｓｔ为总溅蚀量（ｇ ｍ
－２ ｈ－１）；Ｅ为降雨能量（Ｊ ｍ－２ ｍｍ－１）；ｎ为样本数。
图 ３　 不同方向溅蚀量与降雨能量的关系
　 Ｆｉｇ． ３ 　 Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｂｅｔｗｅｅｎ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ ｓｐｌａｓｈ ｅｒｏｓｉｏｎ ａｎｄ
ｒａｉｎｄｒｏｐ ｋｉｎｅｔｉｃ ｅｎｅｒｇｙ
图 ４　 总溅蚀量和净溅蚀量与降雨能量的关系
　 Ｆｉｇ．４　 Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｓ ｏｆ ｔｏｔａｌ ａｎｄ ｎｅｔ ｓｐｌａｓｈ ｅｒｏｓｉｏｎ ｗｉｔｈ ｒａｉｎｄｒｏｐ
ｋｉｎｅｔｉｃ ｅｎｅｒｇｙ
净溅蚀量是向下坡的溅蚀量与向上坡的溅蚀量之差，表示雨滴击溅作用向下坡搬运土粒的多少。 根据向
下坡和向上坡的实测溅蚀量差值与降雨能量的相关分析得出：
Ｓｎ ＝ ０．４０５ （Ｅ － ２．６４７） ２．６４７，Ｒ２ ＝ ０．９３０，ｎ ＝ ２０，Ｐ ＜ ０．０００１ （１６）
式中，Ｓｎ为净溅蚀量（ｇ ｍ
－２ ｈ－１）；Ｅ为降雨能量（Ｊ ｍ－２ ｍｍ－１）；ｎ为样本数（式 １５，１６中均使用的是单位时间的
溅蚀量）。
由回归方程（１５）和（１６）可以看出，雨滴击溅侵蚀发生的阈值为 ３—６ Ｊ ｍ－２ ｍｍ－１。 这一结论与 Ａｇａｓｓｉ
等［４６］的研究结论相符。 当降雨能量高于阈值时，溅蚀量随降雨能量的增加而增大；当降雨能量较小时，无溅
蚀发生。 这是因为干土溅散阶段，土壤较为疏松，较大一部分降雨能量损耗于对土壤颗粒的缓冲作用；随着土
壤含水量的增加，降雨能量的损耗用于对土壤颗粒的击溅［４７］。 雨滴击溅的本质在于它具有一定的动能，当雨
滴动能克服土粒间的黏结作用及土粒的重力势能时便使土粒发生位移。 在雨滴溅蚀能力确定的前提下，土壤
被侵蚀的量取决于土壤的抗蚀能力。 黑土有机质含量高，致使其团聚体含量、稳定性高，未降雨前，黑土表面
基本上都为大团聚体，随降雨历时的延长，在雨滴的不断打击压实作用下，团聚体被破坏为细小颗粒或微团聚
体才能被雨滴击溅［４８］。 因此，降雨能量可以很好的反映降雨对雨滴溅蚀的影响。
３　 结论
基于改进的试验土槽进行不同降合雨强度和不同降雨能量条件下的模拟降雨试验，研究了降雨能量对向
上坡溅蚀、向下坡溅蚀、侧坡溅蚀以及总溅蚀量和净侵蚀量的影响，得到如下研究结论：
（１）相同降雨强度下，坡面各方向溅蚀分量均随降雨能量的增加而增大。 次降雨坡面溅蚀量均为向下坡
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最大，其次为侧坡溅蚀量，而向上坡溅蚀量最小。 当降雨强度由 ５０ ｍｍ ／ ｈ增加至 １００ ｍｍ ／ ｈ时，向上坡溅蚀量
增加 ２．３—５．０倍，向下坡溅蚀量增加 １．７—５．１倍，侧坡溅蚀量增加 １．９—４．３ 倍，总溅蚀量增加 １．９—４．５ 倍，净
溅蚀量增加 １．２—６．４倍。
（２）随着降雨能量的不同，坡面总溅蚀率均呈现产流前随降雨历时的增长而递增，产流后迅速达到峰值，
之后逐渐减小并趋于稳定。
（３）定量分析了各溅蚀分量，总溅蚀量，净溅蚀量与降雨能量的关系，提出了溅蚀发生的降雨能量阈值，
发现黑土区雨滴溅蚀发生的临界能量为 ３—６ Ｊ ｍ－２ ｍｍ－１，且向上坡溅蚀量，向下坡溅蚀量，净溅蚀量和总溅蚀
量皆与降雨能量呈幂函数关系，而侧坡溅蚀量与降雨能量呈二次多项式关系。
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７１７４　 １５期 　 　 　 胡伟　 等：降雨能量对东北典型黑土区土壤溅蚀的影响