第四章影響土壤侵蝕的因素-水土保持學

第四章影響土壤侵蝕的因素教學目標：掌握影響土壤侵蝕的因素和作用機理。也就是搞清楚兩個問題：

哪些因素影響土壤侵蝕？

這些因素是如何起作用的？主要參考書：

唐克麗主編.中國水土保持.科學出版社，2004年

黃炎和等著.閩南地區(qū)的土壤侵蝕與治理.中國農(nóng)業(yè)出版社,2002年

E=f（c·t·g·s·pc·m）

E：土壤侵蝕c：氣候t：地形g：地質(zhì)s：土壤pc：植被m：人類活動

第一節(jié)氣候主要內(nèi)容：降水、風。對于南方來說，最重要的是降雨。

1986年4月20日安溪官橋水保站的一場降雨過程一場降雨過程中，雨強是不斷變化的！降雨對土壤的作用：雨滴打擊地面：濺蝕和堵塞土壤孔隙（與雨滴特征有關）；產(chǎn)流沖刷：水蝕區(qū)的侵蝕動力（與降雨量、雨強、降雨侵蝕力等有關）。一、主要降雨參數(shù)1、雨滴特征大小、分布、終點速度、動能等。①雨滴大小

雨滴大小的測定方法：濾紙色斑法。

濾紙色斑法的具體做法是：取一張濾紙，在其表面薄薄地涂上一層水溶性的1：10的曙紅（干時無色、遇水變紅）和滑石粉的混合粉未，當雨滴落在濾紙上后，每一個雨滴就產(chǎn)生一個永久性的粉紅色圓形色斑。實際雨滴在濾紙上所形成的色斑直徑與雨滴直徑密切相關（竇葆璋率定）:

d=0.365D0.712

d為雨滴直徑；D為色斑直徑。

雨滴色斑直徑還受到濾紙性能的影響。

但是，就同一濾紙而言，其性能是一定的。所以，只要采用與竇褒璋相同的濾紙，就能采用以上式子計算雨滴直徑。濾紙是：新華造紙廠出品的直徑為150mm的定性中速濾紙。通過這一實驗，可以得到什么數(shù)據(jù)？

雨滴直徑：d色斑直徑雨滴直徑利用色斑法測得閩南的雨滴直徑：最小雨滴直徑為0.58㎜，最大雨滴直徑為6.09㎜。

②雨滴的分布(Best分布)一定雨強下，大小雨滴的比例構成。F=1－exp[－(d/a)n]

其中a=AIP

式中:F為雨滴中直徑小于或等于d的雨滴累積體積（%）；d為雨滴直徑(mm)；I為降雨強度（mm/min）；n、a、p為常數(shù)。(實際應用時發(fā)現(xiàn)n、a不是常數(shù)）

福建：a=3.39I0.27

n不是常數(shù)，n～I關系受地理位置影響。閩南：n=5.19I0.11雨滴直徑（mm）雨滴累積體積F（%）0.5830.7890.96181.12291.27431.34501.42551.56621.70701.83811.96832.09872.21902.33952.451001990年4月11日14:35-53時段雨滴分布特征雨滴大小分布的例子:閩南地區(qū)天然降雨雨滴的分布是遵守如下的函數(shù)關系的：

F=1－exp[－(d/a)n]

其中a=AIP（A=3.39，P=0.27）n=5.19I0.11③雨滴的中數(shù)直徑指所有大于這一直徑的雨滴總體積等于小于這一直徑的雨滴總體積時的雨滴直徑。

假如告訴你雨強，能計算中數(shù)直徑嗎（以閩南為例）？以閩南為例:

F=1－exp[－(d/a)n]

其中a=AIP（A=3.39，P=0.27）n=5.19I0.11

④降雨的終點速度雨滴降落到地面時的速度。當d<1.9㎜時，用修正的沙玉清公式計算，即：

V=0.496antilog(28.32+6.524log0.1d-(log0.1d)2)?-3.665

當d≥1.9㎜時，用修正的牛頓公式計算，即：

V=（17.20-0.844d）（0.1d）?

式中：V——雨滴的降落速度（m/s）d——雨滴的直徑（㎜）閩南雨滴最小終點速度是2.28m/s，最大的雨滴降落終點速度是9.41m/s。雨滴直徑（mm）雨滴累積體積F（%）0.5830.7890.96181.12291.27431.34501.42551.56621.70701.83811.96832.09872.21902.33952.451001990年4月11日14:35-53時段雨滴分布特征⑤降雨動能

E=1/2*mv2

根據(jù)每次降雨雨滴組成，即可計算該次降雨在單位面積上每1mm降雨量的降雨動能。

很多人研究建立了雨強與動能的關系福建省動能與雨強關系是冪函數(shù)關系：

e=34.32I0.27降雨動能的簡便算法:通過回歸建立動能與容易獲得的降雨參數(shù)的關系,尋找簡便算法.（以閩南為例）：一場降雨總動能ET與降雨量P的回歸關系：

ET=11.36P1.17月降雨量與月降雨總動能的回歸關系：

EMT=9.85PM1.14年降雨量與月降雨總動能的回歸關系：EYT=∑（EMT）

M=1，2，3，…，12。

2、降雨侵蝕力是指降雨引起土壤侵蝕的潛在能力。是通用土壤流失方程（USLE）的一個計算參數(shù)。

USLE:A=RKLSPC

①威斯奇邁爾(Wischmeier)的研究工作

R＝∑EI30

式中：∑E——一次降雨總動能；

I30——一次降雨過程中連續(xù)30分鐘最大降雨強度。是經(jīng)驗公式，用于研究區(qū)以外要校正?、赗值的雨量算法（經(jīng)驗式）R＝∑1.735×10（1.5lgP1/P-0.818）式中：P1——多年平均月降雨量；

P——多年平均年降雨量；

R——年降雨侵蝕力。③其他研究者的成果

不同研究條件下，有不同的值計算方法。比如黃土高原：

R＝E60I10

東北黑土地區(qū)：

R＝E60I30

④降雨侵蝕力R最佳計算組合的確定原則：保留威氏結構，同時又與土壤流失量有顯著相關，用于通用土壤流失方程（USLE）時能合理預測土壤流失量。以閩南為例：

R＝∑EI60

式中：R——降雨侵蝕力指標（J.cm/m2.h）；∑E——一場侵蝕性降雨總動能（J/m2）；

I60——該場降雨最大60min雨強（cm/h）；⑤降雨侵蝕力R值的簡便算法以閩南為例：R＝∑0.0016Pi1.9288

式中：R——年降雨侵蝕力指標（英制單位）Pi——各月降雨總量（mm）

閩南地區(qū)的R值年內(nèi)分布閩南地區(qū)多年平均R值年內(nèi)分布圖⑥R值及其分布以閩南為例站名資料年限年R值平均R值最大R值最小R值最大/平均最大/最小同安56--90271.7866.5161.23.25.4崇武54--90141.3561.277.14.07.3晉江60--90171.9677.7102.43.96.6南安60--90291.8856.3134.02.96.4安溪60--90308.91061.6224.43.44.7永春57--90370.8893.4216.62.44.1德化60--90386.3927.8247.52.43.7薌城51--90297.3725.2186.82.43.9龍海60--90251.6695.6130.62.85.3云霄58--90399.0880.2344.62.22.6漳浦61--90272.3676.6112.52.56.0詔安58--90277.0698.9159.52.54.4長泰60--90279.5694.8164.72.54.2東山54--90165.8737.166.94.411.0南靖56--90372.2772.9213.12.13.6平和60--90372.5827.4190.02.24.4華安60--90328.7669.3327.42.02.0閩南地區(qū)R值的年際分布

典型站點的R值年際變化圖閩南降雨侵蝕力R值的空間分布3、降雨量降雨量的大小、分布①降雨量的年際分布特征

降雨的年際變化很大。以閩南為例：閩南地區(qū)降雨量的年際變化很大最大年降雨量一般為平均降雨量的1.3～1.8倍最大年降雨量一般為最小年降雨量的1.7～3.0倍。閩南地區(qū)主要站點的降雨量的年際變化站名資料年限年降雨量（mm）平均雨量最大雨量最小雨量最大/平均最大/最小同安56—901453.02296.41030.81.62.2崇武54—901050.51856.9628.91.83.0晉江60—901171.22088.5815.31.82.6南安60—901518.82283.7965.51.52.4安溪60—901581.52461.41193.21.62.1永春57—901712.22515.21224.21.52.1德化60—901762.92485.71303.81.41.9薌城51—901540.22143.51056.41.42.0龍海60—901415.52124.2897.31.52.4云霄58—901725.92612.31228.71.52.1漳浦61—901462.92202.4835.91.52.6詔安58—901443.42253.5920.61.62.4長泰60—901503.22063.31041.01.42.0東山54—901127.41972.8674.21.72.9南靖56—901737.52432.81172.31.42.1平和60—901728.22313.91152.81.32.0華安60—901631.52135.61255.81.31.7②降雨量的年內(nèi)分布特征有三種模式：溫帶降雨熱帶降雨亞熱帶降雨閩南地區(qū)：弱雙峰分布

降雨的空間分布特征4、降雨強度單位時間的降雨量。平均雨強：一場降雨的單位歷時降雨量。時段雨強：均勻雨強段內(nèi)的單位歷時降雨量。最大時段雨強：一場雨中的時段最大降雨量。1986年4月20日安溪官橋水保站的一場降雨過程閩南地區(qū)的降雨強度均勻雨強段發(fā)生次數(shù)最多、歷時最長的是小于2mm/hr的降雨大于等于20mm/hr的均勻雨強段發(fā)生的次數(shù)不多、歷時不長，然而其降雨量卻很大，占全年降雨的31.1%。1987年均勻雨強段發(fā)生的次數(shù)、雨量和歷時分布圖二、降雨與土壤侵蝕1、降雨量與土壤侵蝕量①可蝕性降雨所謂可蝕性降雨是指能產(chǎn)生地表徑流而引起土壤流失模數(shù)≥1t/km2的降雨量。在閩南，順坡拋荒地可蝕性降雨的臨界雨量標準為10.7㎜，其它各處理小區(qū)的可蝕性降雨的臨界雨量標準變化于15.1～24.6㎜之間。不同處理的可蝕性降雨的臨界雨量標準坡度田間工程作物種類n雨量標準(㎜)22°順坡休耕拋荒10110.722°等高平臺相思樹+黃桅子3015.122°有埂梯田大豆—印尼綠豆5017.822°等高平臺茶葉4519.222°無梗梯田茶葉4617.818°有埂梯田大豆—印尼綠豆2017.818°等高平臺相思樹+黃桅子1024.618°無梗梯田茶葉3821.018°等高平臺茶葉5217.626°無梗梯田馬唐草1319.326°等高平臺馬唐草2315.926°順坡馬唐草3315.126°順坡休耕拋荒10110.714°有埂梯田馬唐草2233.614°等高平臺馬唐草1922.314°順坡馬唐草2220.714°順坡休耕拋荒10110.710°有埂梯田馬唐草５樣本太少10°等高平臺馬唐草2122.310°順坡馬唐草2720.710°順坡休耕拋荒10110.7閩南地區(qū)多年平均總降雨量中有80%以上屬于可蝕性降雨?？晌g性降雨的年內(nèi)分布規(guī)律與降雨年內(nèi)分布規(guī)律相似，集中在５至９月份。②月土壤侵蝕量與降雨量的關系③土壤侵蝕與次降雨量的關系順坡休耕拋荒區(qū)采取了工程和植物措施后緩坡14°22°26°18°

不同處理降雨量與土壤侵蝕量的回歸分析表坡度田間工程作物種類nab回歸方程相關系數(shù)22°順坡休耕拋荒101-57.13020.706?=-57.130+20.706x0.61622°等高平臺相思樹+黃桅子302.2480.013?=2.248e0.013x0.48922°有埂梯田大豆—印尼綠豆501.8800.018?=1.880e0.018x-0.62422°等高平臺茶葉452.3870.018?=2.387e0.018x-0.60522°無梗梯田茶葉462.0150.018?=2.015e0.018x-0.64118°有埂梯田大豆—印尼綠豆202.4740.007?=2.474e0.007x0.52218°等高平臺相思樹+黃桅子100.0760.644?=0.076x0.6440.41118°無梗梯田茶葉381.5180.021?=1.518e0.021x0.64418°等高平臺茶葉520.0871.115?=0.087x1.1150.73226°無梗梯田馬唐草130.0950.910?=0.095x0.9100.65626°等高平臺馬唐草230.1570.881?=0.157x0.8810.58526°順坡馬唐草330.2580.765?=0.258x0.7650.45426°順坡休耕拋荒101-5.57325.598?=-5.573+25.598x0.62714°有埂梯田馬唐草220.0131.338?=0.013x1.3380.81714°等高平臺馬唐草190.0611.011?=0.061x1.0110.47814°順坡馬唐草220.0121.249?=0.012x1.2490.70414°順坡休耕拋荒10134.83916.218?=34.839+16.218x0.62710°等高平臺馬唐草210.5080.529?=0.508x0.5290.35810°順坡馬唐草270.5050.590?=0.505x0.5900.35010°順坡休耕拋荒101-91.42116.429?=-91.421+16.429x0.733順坡休耕拋荒區(qū)：y=a+bxb>0，采取了工程和植物措施后的變化規(guī)律因坡度而異在較緩坡度下，降雨量與土壤侵蝕量不存在顯著相關。當坡度提高到14°時遵循y=axb，且有a>0，b>1的回歸特征，其圖象如圖。當小區(qū)坡度為22°時，土壤侵蝕量（y）與降雨量（x）之間遵守y=aebx的指數(shù)曲線變化規(guī)律，且都有a>0，b>0的回歸特征，其圖象如圖當小區(qū)坡度為26°時，土壤侵蝕量（y）與降雨量（x）之間遵守y=axb的冪函數(shù)變化規(guī)律，且有a>0，0<b<1的回歸特征，其圖象如圖。18°各工程+植物措施小區(qū)土壤侵蝕量（y）與降雨量（x）的回歸關系既包含了y=aebx，且有a>0，b>0的函數(shù)變化規(guī)律；也包含了y=axb,且有a>0，b>1的函數(shù)變化規(guī)律。各小區(qū)土壤侵蝕量與降雨量的關系圖象如圖。18°各工程+植物措施區(qū)土壤侵蝕量隨降雨量的變化圖象

26°各工程+植物措施區(qū)土壤侵蝕量隨降雨量的變化圖象14°各工程+植物措施區(qū)土壤侵蝕量隨降雨量的變化圖象22°各工程+植物措施區(qū)土壤侵蝕量隨降雨量的變化圖象小結第一，順坡拋荒區(qū)的土壤侵蝕量與降雨量呈線性關系。第二，采取了一定工程和植物措施后低坡度區(qū)二者沒有顯著關系。第三，采取了工程和植物措施后14°～22°各小區(qū)的土壤侵蝕量隨降雨量的變化遵守y=axb且a>0，b>1或y=aebx，且a>0，b>0的函數(shù)規(guī)律。第四，當坡度達到26°時，各工程和植物措施區(qū)的土壤侵蝕量隨降雨量的變化遵守y=axb，且a>0，0<b<1的函數(shù)規(guī)律。降雨強度與土壤侵蝕量

①順坡拋荒區(qū)降雨強度與土壤侵蝕平均雨強和各時段最大雨強（x）與順坡拋荒區(qū)土壤侵蝕量(y)之間存在極顯著的相關關系。且土壤侵蝕量隨雨強變化規(guī)律遵守y=axb，且a>0,b>1的函數(shù)圖象。②順坡植草區(qū)降雨強度與土壤侵蝕與順坡拋荒區(qū)比較，雨強與土壤侵蝕量之間關系也發(fā)生了一定的變化：首先是相關系數(shù)普遍下降。第二，關系方程中冪指數(shù)發(fā)生了明顯變化10°和26°坡度級的冪指數(shù)b值由順坡拋荒區(qū)的b>1降為0<b<1，這一變化改變了土壤侵蝕量隨雨強的變化規(guī)律。順坡區(qū)植草后，不變的是雨強與土壤侵蝕量仍然遵守y=axb的曲線變化規(guī)律。③工程措施區(qū)降雨強度與土壤侵蝕水平梯田10o區(qū)雨強與土壤侵蝕沒有顯著關系14o區(qū)時段最大雨強與土壤侵蝕量呈極顯著的相關關系，并遵守y=axb,且b>1的函數(shù)變化規(guī)律等高平臺區(qū)14o、26o小區(qū)時段最大雨強與土壤侵蝕量之間存在極顯著的相關關系，并遵守y=axb，且b>1的函數(shù)變化規(guī)律10o的等高平臺區(qū)平均雨強和60分鐘最大時段雨強與土壤侵蝕量沒有顯著相關，而I10、I20和I30與土壤侵蝕量之間存顯著的相關性，并遵守y=axb，且0<b<1的函數(shù)變化規(guī)律。小結第一、平均雨強和時段雨強與土壤侵蝕量之間恒遵守y=axb的函數(shù)變化規(guī)律。第二、關系式中的b值順坡拋荒區(qū)的b=1.638～3.328>1工程和植物措施區(qū)的b變化較大，有些b>1，有些區(qū)0<b<1，搖擺不定。第三、以|r|≥0.7為標準判斷因子的主次順坡拋荒區(qū)：各時段最大雨強是主導因子工程和植物措施各小區(qū)：各時段最大雨強是次要影響因子，有的小區(qū)甚至不存在相關關系。3、降雨動能與土壤侵蝕量

降雨動能與土壤侵蝕量的關系，大部分情況下，遵守y=axb的函數(shù)變化規(guī)律，但是決定著y隨x遞增規(guī)律的b值，在不同的下墊面條件下是有變化的，順坡拋荒區(qū)b恒大于1，順坡植草區(qū)恒0<b<1，而其它工程和生物措施組合的b有些小區(qū)0<b<1，有些小區(qū)b>1。第二節(jié)地形

主要受坡度、坡長、坡向、坡形、溝壑密度等次級因子的影響。一、坡度1、坡度對滲透量的影響

水分入滲量與坡度成反比關系：坡度小，流速小則入滲量大；坡度大，流速大則入滲量小。2、坡度對徑流的影響關系比較復雜（徑流與坡度、降雨和入滲有關）。

不考慮入滲時，坡度與徑流成反比關系。為什么？

受雨面積不同！坡度大，受雨面積小，徑流?。环粗踩?！3、坡度與土壤侵蝕的關系哈德遜（N.W.Hudson）指出，隨著坡度的增大，土壤侵蝕量增加得更快；津格（A.W.Zingg）的研究也表明，坡度增加一倍，土壤侵蝕量增加2.61-2.80倍；霍頓（R.E.Horton）認為，在較小坡度下，侵蝕量與坡度之間的關系可表達為E=Asbb為1.35-1.40

因此，土壤侵蝕量與坡度之間的關系可以描述為：隨著坡面坡度的增加，土壤侵蝕量呈冪函數(shù)方式（冪指數(shù)b大于1）遞增。土壤侵蝕量與坡度的冪函數(shù)關系規(guī)律，只有在較低坡度下是存在的，當坡度增加到一定的界限時，隨著坡度的增加，土壤侵蝕量反而下降,出現(xiàn)臨界坡度。臨界坡度:當坡度增加到一定值，土壤侵蝕量不隨坡度增加而增加，反而出現(xiàn)下降趨勢，這一坡度就叫臨界坡度。福建25°-27.6°二、坡長

在其他條件相同的情況下，水力侵蝕強度決定于坡長。土壤侵蝕量隨坡長的變化遵守冪函數(shù)規(guī)律，但其變化速率卻因研究條件不同而異。

坡度(S)坡長(L)因子與土壤侵蝕的關系:坡度(S)坡長(L)因子是美國通用土壤流失方程（USLE）中的因子，含義是：任一坡度坡長條件下的土壤流失量與特定坡度、坡長（22.13m，9%）的標準小區(qū)土壤流失量的比值。根據(jù)研究，閩南地區(qū)的LS值可用下式表達：

LS=0.08λ0.35θ0.66

λ為坡長（m）θ為坡度（°）上式的含義：LS值指任一坡度坡長條件下土壤流失量與坡度為10°、坡長為20m的徑流小區(qū)土壤流失量的比率。三、坡形自然界的坡形一般可分為直線形坡、凸形坡、凹形坡和階段形坡四種基本類型。1、直線形坡從分水嶺到坡底坡度保持不變。嚴重侵蝕發(fā)生在下半部。2、凸形坡坡度隨著距分水嶺距離的增大而增大。侵蝕嚴重程度也隨著增加。3、凹形坡坡的上半部較陡，下半部較緩。上部侵蝕，下部沉積。4、階段形坡斜直坡與階地相間的復式坡形。可增加入滲，減少徑流量，降低徑流流速。

第三節(jié)地質(zhì)地質(zhì)因素中主要是巖性和構造運動對土壤侵蝕有較大的影響。一、巖性巖石的基本特性，對風化過程、風化產(chǎn)物、土壤類型及抗蝕能力都有重要影響。容易風化的巖石易受強烈侵蝕，如花崗巖等；塊狀堅硬的巖石可抵抗較大的沖刷；巖石透水性對于降雨的滲透、地表徑流和地下潛水的形成有重要影響。二、新構造運動是引起侵蝕基準變化的根本原因。土壤侵蝕地區(qū)如果地面上升運動比較顯著，就會引起這個地區(qū)沖刷的復活。第四節(jié)土壤

是侵蝕作用的主要對象，所以它的特性，尤其是透水性、抗蝕性和抗沖性對土壤侵蝕有很大影響。一、土壤的透水性（滲透性）透水性決定著地表徑流的大小。所以土壤對水分的滲透能力是影響土壤侵蝕的重要因子。

如何測量土壤的滲透性？

降雨-徑流的關系降雨或灌溉量T,min入滲率,cm/min儲存量入滲量入滲率,iUnit:cm3perunitarea(cm2)pertime(min),i.e.,e.g., =(cm3/cm2)/(min) =cm/min

單位時間入滲土壤的水量it穩(wěn)定入滲率,isUnit:cm3perunitarea(cm2)per