第四章影响土壤侵蚀的因素

第四章影响土壤侵蚀的因素第1页，共98页，2023年，2月20日，星期四E=f（c·t·g·s·pc·m）

E：土壤侵蚀

c：气候

t：地形

g：地质

s：土壤

pc：植被

m：人类活动

第2页，共98页，2023年，2月20日，星期四第一节气候主要内容：降水、风。对于南方来说，最重要的是降雨。

第3页，共98页，2023年，2月20日，星期四1986年4月20日安溪官桥水保站的一场降雨过程一场降雨过程中，雨强是不断变化的！第4页，共98页，2023年，2月20日，星期四降雨对土壤的作用：雨滴打击地面：溅蚀和堵塞土壤孔隙（与雨滴特征有关）；产流冲刷：水蚀区的侵蚀动力（与降雨量、雨强、降雨侵蚀力等有关）。第5页，共98页，2023年，2月20日，星期四一、主要降雨参数1、雨滴特征大小、分布、终点速度、动能等。①雨滴大小

雨滴大小的测定方法：滤纸色斑法。

第6页，共98页，2023年，2月20日，星期四

滤纸色斑法的具体做法是：取一张滤纸，在其表面薄薄地涂上一层水溶性的1：10的曙红（干时无色、遇水变红）和滑石粉的混合粉未，当雨滴落在滤纸上后，每一个雨滴就产生一个永久性的粉红色圆形色斑。实际雨滴在滤纸上所形成的色斑直径与雨滴直径密切相关（窦葆璋率定）:

d=0.365D0.712

d为雨滴直径；D为色斑直径。第7页，共98页，2023年，2月20日，星期四

雨滴色斑直径还受到滤纸性能的影响。

但是，就同一滤纸而言，其性能是一定的。所以，只要采用与窦褒璋相同的滤纸，就能采用以上式子计算雨滴直径。滤纸是：新华造纸厂出品的直径为150mm的定性中速滤纸。通过这一实验，可以得到什么数据？

雨滴直径：d第8页，共98页，2023年，2月20日，星期四色斑直径雨滴直径第9页，共98页，2023年，2月20日，星期四第10页，共98页，2023年，2月20日，星期四利用色斑法测得闽南的雨滴直径：最小雨滴直径为0.58㎜，最大雨滴直径为6.09㎜。第11页，共98页，2023年，2月20日，星期四

②雨滴的分布(Best分布)

一定雨强下，大小雨滴的比例构成。

F=1－exp[－(d/a)n]

其中a=AIP

式中:F为雨滴中直径小于或等于d的雨滴累积体积（%）；

d为雨滴直径(mm)；

I为降雨强度（mm/min）；

n、a、p为常数。(实际应用时发现n、a不是常数）

福建：a=3.39I0.27

n不是常数，n～I关系受地理位置影响。闽南：n=5.19I0.11第12页，共98页，2023年，2月20日，星期四雨滴直径（mm）雨滴累积体积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时段雨滴分布特征第13页，共98页，2023年，2月20日，星期四雨滴大小分布的例子:

闽南地区天然降雨雨滴的分布是遵守如下的函数关系的：

F=1－exp[－(d/a)n]

其中a=AIP（A=3.39，P=0.27）

n=5.19I0.11第14页，共98页，2023年，2月20日，星期四③雨滴的中数直径指所有大于这一直径的雨滴总体积等于小于这一直径的雨滴总体积时的雨滴直径。

第15页，共98页，2023年，2月20日，星期四

假如告诉你雨强，能计算中数直径吗（以闽南为例）？以闽南为例:

F=1－exp[－(d/a)n]

其中a=AIP（A=3.39，P=0.27）

n=5.19I0.11

第16页，共98页，2023年，2月20日，星期四④降雨的终点速度雨滴降落到地面时的速度。当d<1.9㎜时，用修正的沙玉清公式计算，即：

V=0.496antilog(28.32+6.524log0.1d-(log0.1d)2)½-3.665

当d≥1.9㎜时，用修正的牛顿公式计算，即：

V=（17.20-0.844d）（0.1d）½

式中：V——雨滴的降落速度（m/s）

d——雨滴的直径（㎜）闽南雨滴最小终点速度是2.28m/s，最大的雨滴降落终点速度是9.41m/s。第17页，共98页，2023年，2月20日，星期四雨滴直径（mm）雨滴累积体积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时段雨滴分布特征第18页，共98页，2023年，2月20日，星期四⑤降雨动能

E=1/2*mv2

根据每次降雨雨滴组成，即可计算该次降雨在单位面积上每1mm降雨量的降雨动能。

很多人研究建立了雨强与动能的关系福建省动能与雨强关系是幂函数关系：

e=34.32I0.27第19页，共98页，2023年，2月20日，星期四降雨动能的简便算法:

通过回归建立动能与容易获得的降雨参数的关系,寻找简便算法.

（以闽南为例）：一场降雨总动能ET与降雨量P的回归关系：

ET=11.36P1.17

月降雨量与月降雨总动能的回归关系：

EMT=9.85PM1.14

年降雨量与月降雨总动能的回归关系：

EYT=∑（EMT）

M=1，2，3，…，12。

第20页，共98页，2023年，2月20日，星期四2、降雨侵蚀力是指降雨引起土壤侵蚀的潜在能力。是通用土壤流失方程（USLE）的一个计算参数。

USLE:A=RKLSPC

①威斯奇迈尔(Wischmeier)的研究工作

R＝∑EI30

式中：∑E——

一次降雨总动能；

I30——

一次降雨过程中连续30分钟最大降雨强度。是经验公式，用于研究区以外要校正！第21页，共98页，2023年，2月20日，星期四②R值的雨量算法（经验式）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——

年降雨侵蚀力。第22页，共98页，2023年，2月20日，星期四③其他研究者的成果

不同研究条件下，有不同的值计算方法。比如黄土高原：

R＝E60I10

东北黑土地区：

R＝E60I30

第23页，共98页，2023年，2月20日，星期四④降雨侵蚀力R最佳计算组合的确定原则：保留威氏结构，同时又与土壤流失量有显著相关，用于通用土壤流失方程（USLE）时能合理预测土壤流失量。以闽南为例：

R＝∑EI60

式中：R——

降雨侵蚀力指标（J.cm/m2.h）；∑E——

一场侵蚀性降雨总动能（J/m2）；

I60

——

该场降雨最大60min雨强（cm/h）；第24页，共98页，2023年，2月20日，星期四⑤降雨侵蚀力R值的简便算法以闽南为例：

R＝∑0.0016Pi1.9288

式中：R——

年降雨侵蚀力指标（英制单位）

Pi

——

各月降雨总量（mm）第25页，共98页，2023年，2月20日，星期四

闽南地区的R值年内分布闽南地区多年平均R值年内分布图第26页，共98页，2023年，2月20日，星期四⑥R值及其分布以闽南为例第27页，共98页，2023年，2月20日，星期四站名

资料年限

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晋江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芗城51--90297.3725.2186.82.43.9龙海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诏安58--90277.0698.9159.52.54.4长泰60--90279.5694.8164.72.54.2东山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华安60--90328.7669.3327.42.02.0闽南地区

R值的年际分布第28页，共98页，2023年，2月20日，星期四

典型站点的R值年际变化图第29页，共98页，2023年，2月20日，星期四闽南降雨侵蚀力

R值的空间分布第30页，共98页，2023年，2月20日，星期四3、降雨量降雨量的大小、分布第31页，共98页，2023年，2月20日，星期四①降雨量的年际分布特征

降雨的年际变化很大。以闽南为例：闽南地区降雨量的年际变化很大最大年降雨量一般为平均降雨量的1.3～1.8倍最大年降雨量一般为最小年降雨量的1.7～3.0倍。第32页，共98页，2023年，2月20日，星期四闽南地区主要站点的降雨量的年际变化站名

资料年限年降雨量（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晋江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芗城51—901540.22143.51056.41.42.0龙海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诏安58—901443.42253.5920.61.62.4长泰60—901503.22063.31041.01.42.0东山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华安60—901631.52135.61255.81.31.7第33页，共98页，2023年，2月20日，星期四②降雨量的年内分布特征有三种模式：温带降雨热带降雨亚热带降雨第34页，共98页，2023年，2月20日，星期四闽南地区：弱双峰分布第35页，共98页，2023年，2月20日，星期四

降雨的空间分布特征第36页，共98页，2023年，2月20日，星期四4、降雨强度单位时间的降雨量。平均雨强：一场降雨的单位历时降雨量。时段雨强：均匀雨强段内的单位历时降雨量。最大时段雨强：一场雨中的时段最大降雨量。第37页，共98页，2023年，2月20日，星期四1986年4月20日安溪官桥水保站的一场降雨过程第38页，共98页，2023年，2月20日，星期四第39页，共98页，2023年，2月20日，星期四闽南地区的降雨强度均匀雨强段发生次数最多、历时最长的是小于2mm/hr的降雨大于等于20mm/hr的均匀雨强段发生的次数不多、历时不长，然而其降雨量却很大，占全年降雨的31.1%。第40页，共98页，2023年，2月20日，星期四1987年均匀雨强段发生的次数、雨量和历时分布图第41页，共98页，2023年，2月20日，星期四二、降雨与土壤侵蚀1、降雨量与土壤侵蚀量①可蚀性降雨所谓可蚀性降雨是指能产生地表径流而引起土壤流失模数≥1t/km2的降雨量。在闽南，顺坡抛荒地可蚀性降雨的临界雨量标准为10.7㎜，其它各处理小区的可蚀性降雨的临界雨量标准变化于15.1～24.6㎜之间。第42页，共98页，2023年，2月20日，星期四不同处理的可蚀性降雨的临界雨量标准坡度田间工程作物种类n雨量标准(㎜)22°顺坡休耕抛荒10110.722°等高平台相思树+黄桅子3015.122°有埂梯田大豆—印尼绿豆5017.822°等高平台茶叶4519.222°无梗梯田茶叶4617.818°有埂梯田大豆—印尼绿豆2017.818°等高平台相思树+黄桅子1024.618°无梗梯田茶叶3821.018°等高平台茶叶5217.626°无梗梯田马唐草1319.326°等高平台马唐草2315.926°顺坡马唐草3315.126°顺坡休耕抛荒10110.714°有埂梯田马唐草2233.614°等高平台马唐草1922.314°顺坡马唐草2220.714°顺坡休耕抛荒10110.710°有埂梯田马唐草５

样本太少10°等高平台马唐草2122.310°顺坡马唐草2720.710°顺坡休耕抛荒10110.7第43页，共98页，2023年，2月20日，星期四闽南地区多年平均总降雨量中有80%以上属于可蚀性降雨。可蚀性降雨的年内分布规律与降雨年内分布规律相似，集中在５至９月份。第44页，共98页，2023年，2月20日，星期四②月土壤侵蚀量与降雨量的关系第45页，共98页，2023年，2月20日，星期四③土壤侵蚀与次降雨量的关系顺坡休耕抛荒区采取了工程和植物措施后缓坡

14°22°26°18°第46页，共98页，2023年，2月20日，星期四

不同处理降雨量与土壤侵蚀量的回归分析表坡度田间工程作物种类nab回归方程相关系数22°顺坡休耕抛荒101-57.13020.706ŷ=-57.130+20.706x0.61622°等高平台相思树+黄桅子302.2480.013ŷ=2.248e0.013x0.48922°有埂梯田大豆—印尼绿豆501.8800.018ŷ=1.880e0.018x­0.62422°等高平台茶叶452.3870.018ŷ=2.387e0.018x­0.60522°无梗梯田茶叶462.0150.018ŷ=2.015e0.018x­0.64118°有埂梯田大豆—印尼绿豆202.4740.007ŷ=2.474e0.007x0.52218°等高平台相思树+黄桅子100.0760.644ŷ=0.076x0.6440.41118°无梗梯田茶叶381.5180.021ŷ=1.518e0.021x0.64418°等高平台茶叶520.0871.115ŷ=0.087x1.1150.73226°无梗梯田马唐草130.0950.910ŷ=0.095x0.9100.65626°等高平台马唐草230.1570.881ŷ=0.157x0.8810.58526°顺坡马唐草330.2580.765ŷ=0.258x0.7650.45426°顺坡休耕抛荒101-5.57325.598ŷ=-5.573+25.598x0.62714°有埂梯田马唐草220.0131.338ŷ=0.013x1.3380.81714°等高平台马唐草190.0611.011ŷ=0.061x1.0110.47814°顺坡马唐草220.0121.249ŷ=0.012x1.2490.70414°顺坡休耕抛荒10134.83916.218ŷ=34.839+16.218x0.62710°等高平台马唐草210.5080.529ŷ=0.508x0.5290.35810°顺坡马唐草270.5050.590ŷ=0.505x0.5900.35010°顺坡休耕抛荒101-91.42116.429ŷ=-91.421+16.429x0.733第47页，共98页，2023年，2月20日，星期四顺坡休耕抛荒区：

y=a+bxb>0，采取了工程和植物措施后的变化规律因坡度而异在较缓坡度下，降雨量与土壤侵蚀量不存在显著相关。第48页，共98页，2023年，2月20日，星期四当坡度提高到14°时遵循y=axb，且有a>0，b>1的回归特征，其图象如图。第49页，共98页，2023年，2月20日，星期四当小区坡度为22°时，土壤侵蚀量（y）与降雨量（x）之间遵守y=aebx的指数曲线变化规律，且都有a>0，b>0的回归特征，其图象如图第50页，共98页，2023年，2月20日，星期四当小区坡度为26°时，土壤侵蚀量（y）与降雨量（x）之间遵守y=axb的幂函数变化规律，且有a>0，0<b<1的回归特征，其图象如图。第51页，共98页，2023年，2月20日，星期四18°各工程+植物措施小区土壤侵蚀量（y）与降雨量（x）的回归关系既包含了y=aebx，且有a>0，b>0的函数变化规律；也包含了y=axb,且有a>0，b>1的函数变化规律。各小区土壤侵蚀量与降雨量的关系图象如图。第52页，共98页，2023年，2月20日，星期四18°各工程+植物措施区土壤侵蚀量随降雨量的变化图象

26°各工程+植物措施区土壤侵蚀量随降雨量的变化图象14°各工程+植物措施区土壤侵蚀量随降雨量的变化图象22°各工程+植物措施区土壤侵蚀量随降雨量的变化图象第53页，共98页，2023年，2月20日，星期四小结第一，顺坡抛荒区的土壤侵蚀量与降雨量呈线性关系。第二，采取了一定工程和植物措施后低坡度区二者没有显著关系。第54页，共98页，2023年，2月20日，星期四第三，采取了工程和植物措施后14°～22°各小区的土壤侵蚀量随降雨量的变化遵守y=axb且a>0，b>1或y=aebx，且a>0，b>0的函数规律。第四，当坡度达到26°时，各工程和植物措施区的土壤侵蚀量随降雨量的变化遵守y=axb，且a>0，0<b<1的函数规律。第55页，共98页，2023年，2月20日，星期四降雨强度与土壤侵蚀量第56页，共98页，2023年，2月20日，星期四

①顺坡抛荒区降雨强度与土壤侵蚀平均雨强和各时段最大雨强（x）与顺坡抛荒区土壤侵蚀量(y)之间存在极显著的相关关系。且土壤侵蚀量随雨强变化规律遵守y=axb，且a>0,b>1的函数图象。第57页，共98页，2023年，2月20日，星期四②顺坡植草区降雨强度与土壤侵蚀与顺坡抛荒区比较，雨强与土壤侵蚀量之间关系也发生了一定的变化：首先是相关系数普遍下降。第二，关系方程中幂指数发生了明显变化10°和26°坡度级的幂指数b值由顺坡抛荒区的b>1降为0<b<1，这一变化改变了土壤侵蚀量随雨强的变化规律。顺坡区植草后，不变的是雨强与土壤侵蚀量仍然遵守y=axb的曲线变化规律。第58页，共98页，2023年，2月20日，星期四③工程措施区降雨强度与土壤侵蚀水平梯田10º区雨强与土壤侵蚀没有显著关系14º区时段最大雨强与土壤侵蚀量呈极显著的相关关系，并遵守y=axb,且b>1的函数变化规律等高平台区14º、26º小区时段最大雨强与土壤侵蚀量之间存在极显著的相关关系，并遵守y=axb，且b>1的函数变化规律10º的等高平台区平均雨强和60分钟最大时段雨强与土壤侵蚀量没有显著相关，而I10、I20和I30与土壤侵蚀量之间存显著的相关性，并遵守y=axb，且0<b<1的函数变化规律。第59页，共98页，2023年，2月20日，星期四小结第一、平均雨强和时段雨强与土壤侵蚀量之间恒遵守y=axb的函数变化规律。第二、关系式中的b值顺坡抛荒区的b=1.638～3.328>1工程和植物措施区的b变化较大，有些b>1，有些区0<b<1，摇摆不定。第三、以|r|≥0.7为标准判断因子的主次顺坡抛荒区：各时段最大雨强是主导因子工程和植物措施各小区：各时段最大雨强是次要影响因子，有的小区甚至不存在相关关系。第60页，共98页，2023年，2月20日，星期四3、降雨动能与土壤侵蚀量

降雨动能与土壤侵蚀量的关系，大部分情况下，遵守y=axb的函数变化规律，但是决定着y随x递增规律的b值，在不同的下垫面条件下是有变化的，顺坡抛荒区b恒大于1，顺坡植草区恒0<b<1，而其它工程和生物措施组合的b有些小区0<b<1，有些小区b>1。第61页，共98页，2023年，2月20日，星期四第二节地形

主要受坡度、坡长、坡向、坡形、沟壑密度等次级因子的影响。第62页，共98页，2023年，2月20日，星期四一、坡度

1、坡度对渗透量的影响

水分入渗量与坡度成反比关系：坡度小，流速小则入渗量大；坡度大，流速大则入渗量小。2、坡度对径流的影响关系比较复杂（径流与坡度、降雨和入渗有关）。

不考虑入渗时，坡度与径流成反比关系。为什么？

受雨面积不同！坡度大，受雨面积小，径流小；反之也然！第63页，共98页，2023年，2月20日，星期四3、坡度与土壤侵蚀的关系哈德逊（N.W.Hudson）指出，随着坡度的增大，土壤侵蚀量增加得更快；津格（A.W.Zingg）的研究也表明，坡度增加一倍，土壤侵蚀量增加2.61-2.80倍；霍顿（R.E.Horton）认为，在较小坡度下，侵蚀量与坡度之间的关系可表达为E=Asbb为1.35-1.40第64页，共98页，2023年，2月20日，星期四

因此，土壤侵蚀量与坡度之间的关系可以描述为：随着坡面坡度的增加，土壤侵蚀量呈幂函数方式（幂指数b大于1）递增。土壤侵蚀量与坡度的幂函数关系规律，只有在较低坡度下是存在的，当坡度增加到一定的界限时，随着坡度的增加，土壤侵蚀量反而下降,出现临界坡度。临界坡度:

当坡度增加到一定值，土壤侵蚀量不随坡度增加而增加，反而出现下降趋势，这一坡度就叫临界坡度。福建25°-27.6°第65页，共98页，2023年，2月20日，星期四二、坡长

在其他条件相同的情况下，水力侵蚀强度决定于坡长。土壤侵蚀量随坡长的变化遵守幂函数规律，但其变化速率却因研究条件不同而异。

第66页，共98页，2023年，2月20日，星期四坡度(S)坡长(L)因子与土壤侵蚀的关系:

坡度(S)坡长(L)因子是美国通用土壤流失方程（USLE）中的因子，含义是：任一坡度坡长条件下的土壤流失量与特定坡度、坡长（22.13m，9%）的标准小区土壤流失量的比值。根据研究，闽南地区的LS值可用下式表达：

LS=0.08λ0.35θ0.66

λ为坡长（m）

θ为坡度（°）上式的含义：LS值指任一坡度坡长条件下土壤流失量与坡度为10°、坡长为20m的径流小区土壤流失量的比率。第67页，共98页，2023年，2月20日，星期四三、坡形自然界的坡形一般可分为直线形坡、凸形坡、凹形坡和阶段形坡四种基本类型。第68页，共98页，2023年，2月20日，星期四第69页，共98页，2023年，2月20日，星期四1、直线形坡从分水岭到坡底坡度保持不变。严重侵蚀发生在下半部。2、凸形坡坡度随着距分水岭距离的增大而增大。侵蚀严重程度也随着增加。3、凹形坡坡的上半部较陡，下半部较缓。上部侵蚀，下部沉积。4、阶段形坡斜直坡与阶地相间的复式坡形。可增加入渗，减少径流量，降低径流流速。

第70页，共98页，2023年，2月20日，星期四第三节地质地质因素中主要是岩性和构造运动对土壤侵蚀有较大的影响。一、岩性岩石的基本特性，对风化过程、风化产物、土壤类型及抗蚀能力都有重要影响。容易风化的岩石易受强烈侵蚀，如花岗岩等；块状坚硬的岩石可抵抗较大的冲刷；岩石透水性对于降雨的渗透、地表径流和地下潜水的形成有重要影响。第71页，共98页，2023年，2月20日，星期四二、新构造运动是引起侵蚀基准变化的根本原因。土壤侵蚀地区如果地面上升运动比较显著，就会引起这个地区冲刷的复活。第72页，共98页，2023年，2月20日，星期四第四节土壤

是侵蚀作用的主要对象，所以它的特性，尤其是透水性、抗蚀性和抗冲性对土壤侵蚀有很大影响。一、土壤的透水性（渗透性）透水性决定着地表径流的大小。所以土壤对水分的渗透能力是影响土壤侵蚀的重要因子。

如何测量土壤的渗透性？

第73页，共98页，2023年，2月20日，星期四降雨-径流的关系降雨或灌溉量T,min入渗率,cm/min储存量入渗量第74页，共98页，2023年，2月20日，星期四入渗率,iUnit:cm3perunitarea(cm2)pertime(min),i.e.,e.g., =(cm3/cm2)/(min) =cm/min

单位时间入渗土壤的水量it第75页，共98页，2023年，2月20日，星期四稳定入渗率,isUnit:cm3perunitarea(cm2)pertime(min),i.e.,e.g., =(cm3/cm2)/(min) =cm/minitis第76页，共98页，2023年，2月20日，星期四入渗的测定方法径流观测法；单（双）环法。第77页，共98页，2023年，2月20日，星期四单环法GraduatedCylinderKeepwaterheadintheinfiltrometertobeabout5cmdepth.第78页，共98页，2023年，2月20日，星期四双环法Keepwaterheadtobeabout5cmdepth.Maintainwaterleveltobethesameinbothinside