降雨溅蚀与集中水流交互作用对不同坡度土壤剥离能力的影响机制研究

本研究针对降雨溅蚀与集中水流交互作用对土壤剥离能力(Dc)的影响机制这一科学难题，通过三组对比实验（上游来流、降雨溅蚀及复合作用），揭示了Dc在0.0043-4.81 kg m?2 s?1区间的变化规律，发现10°-12°坡度阈值及复合作用对Dc的增减效应（-33.36%至82.02%），为土壤侵蚀模型优化提供了关键参数。

　　

土壤侵蚀是全球性环境问题，而降雨与地表水流的交互作用是侵蚀过程的核心机制。尽管前人已对降雨溅蚀和集中水流单独作用下的土壤剥离能力(D_c)开展大量研究，但两者复合作用对D_c的影响规律仍不明确，尤其在陡坡条件下缺乏系统性认知。这一知识空白严重制约了WEPP（水蚀预测项目）等过程模型的精度提升。中国农业大学的研究团队在《CATENA》发表的研究，通过创新性实验设计揭示了这一交互作用的非线性特征及其坡度依赖性。

研究采用三类实验体系：纯降雨溅蚀、纯上游来流（模拟集中水流）及两者复合作用，在3-15°坡度范围内对黏壤土进行测试。关键技术包括：1）高均匀度（>90%）的摆式降雨模拟系统；2）静水压控制的30-140 mm h^?1降雨强度梯度；3）单位宽度流量0.28-1.67×10^?3 m² s^?1的精确调控。

主要结果

1. 效应对比：纯降雨溅蚀的D_c（0.0043-0.0058 kg m^?2 s^?1）显著低于集中水流（0.011-4.81 kg m^?2 s^?1），后者贡献率达49.84%-99.78%。

2. 交互作用：在低流量（<1×10^?3 m² s^?1）和缓坡（<10°）下，降雨使D_c提升6.45%-85.64%，主因降雨径流增加流能；而在高流量和陡坡（>12°）下，降雨反而降低D_c达10.44%-81.91%，归因于湍流阻力增强。

3. 坡度阈值：发现10°-12°临界坡度，D_c-坡度关系在此发生转折，缓坡区D_c随坡度指数增长，陡坡区转为线性增长。

讨论与意义
该研究首次量化了降雨-水流交互作用对D_c的双向调控机制，突破传统模型将两者效应简单叠加的局限。建立的坡度阈值（10°-12°）为DYRIM（数字黄河模型）等地形敏感型模型提供了关键参数。发现复合作用在特定条件下可降低D_c，这对梯田等水土保持工程设计具有指导价值——通过调控坡面流量分配可主动利用湍流耗能效应。研究团队提出的流能-阻力平衡理论框架，为发展新一代土壤侵蚀预测模型奠定了理论基础。