我国南方红壤丘陵区是仅次于黄土高原的严重水土流失区域，国内众多学者对红壤丘陵区土地退化、水土流失规律、水土流失动态演变趋势、水土流失综合治理技术以及不同治理措施的水土保持效应等方面都进行了深入的研究^[1-5]；但由于研究方法的不同与技术手段的欠缺，导致目前对坡面尺度上非均质土壤的认识及其水土流失过程了解不足^[6]，有关降雨对红壤区含砾石土壤产流产沙机制影响的研究更是鲜有报道。

土壤中砾石的存在形式分为2种，一种是覆盖于土壤表层的砾石或部分嵌入于土壤的砾石，另一种是埋藏于土壤下层被完全包裹的砾石^[7]。土壤表面砾石覆盖，不仅对土壤含水量和蒸发产生影响，而且砾石覆盖使土壤免受雨滴的溅蚀，防止土壤表面结皮，从而增加入渗；因此砾石的存在不但会改变土壤的物质组成和结构，还会影响土壤容重、孔隙度、导水率及土壤入渗等土壤物理特性和水力学特性^[8-11]，并进一步改变坡面产流和水土流失过程^[12-13]，即土壤中砾石的存在将对整个水文循环产生影响。现有的研究主要集中在砾石覆盖与坡面产流产沙关系等方面^{[12, 14-15]}，而降雨强度和坡度对不同砾石存在形式土壤侵蚀的影响研究较少。

降雨是产生径流和土壤侵蚀的先决条件，也是引发坡面侵蚀的主要推动力^[16]。本研究利用室内人工模拟降雨，结合浙江省曹娥江流域上游地区(省级水土流失重点治理区)降雨、坡地特点，研究不同砾石含量及存在方式下，不同降雨强度和坡度对红壤坡面侵蚀过程的影响，探讨不同降雨强度和坡度组合条件下坡面降雨产流时间、产流强度、产流过程、径流总量等特征，弄清无砾石、砾石覆盖和砾石嵌套方式下，降雨强度和坡度对红壤坡面侵蚀的影响。本研究将为非均质土壤坡面水土过程研究、土壤侵蚀预报、坡面水文模型应用等提供基础数据。

试验土壤采自曹娥江上游典型含砾石红壤坡面的表层0~20 cm，风干后过6 mm筛，除去砾石、根系等杂物。试验砾石采自野外，坡面砾石含量设为0%(空白)和5%(分为覆盖和嵌套2种形式)，粒径为6~10 mm、10~20 mm和20~25 mm，按3:5:2配比。根据研究区近10年的降雨资料，本次试验降雨强度设为60 mm/h和120 mm/h来模拟小、大2种降雨条件。根据已有研究中产流产沙量突变的临界坡度大致在25°^[2]的研究结果，试验坡度设为10°、15°、20°和25°。每个试验处理重复2次，共模拟降雨24场次。

试验采用下喷式自动模拟降雨系统，降雨高度6 m，供水压力0.08 MPa。试验土槽为移动式可变坡度钢槽，规格为长×宽×深(1.5 m×0.5 m×0.35 m)。

试验槽底部均匀铺10 cm石英砂，以保证模拟试验过程中的降雨入渗条件与实际情况比较吻合。砂层之上填装供试土壤，表层15 cm为土或土石混合物。为保证试验土层容重均匀，填土采用5 cm一层，边填充边压实的方法，密度控制在1.5 g/cm³，层与层之间打毛以防止在降雨过程中发生整体滑坡。表层为5%覆盖砾石处理时，将供试砾石均匀置于土壤之上；表层为5%嵌套砾石处理时，分为3个5 cm层将土壤与砾石充分混合后拍打压实。正式降雨之前，采用30 mm/h的降雨强度进行前期降雨，降雨至坡面产流为止。24 h后进行正式试验，以确保每次试验时的土壤含水量和水分分布状况较为一致。

每次试验前进行降雨强度的率定，降雨均匀度大于85%后开始正式试验，降雨时间为降雨开始至产流开始后60 min。坡面产流开始后，前10 min每次采样间隔1 min，10 min后每次采样间隔5 min。降雨结束后，用量筒测径流样的体积，用烘干法处理泥沙样品。径流率为单位时间内径流泥沙样中径流的体积(mL/s)，径流量为时段径流体积之和(mL)，产沙强度为单位时间内径流泥沙样中的干泥沙质量(g/min)，产沙量为时段干泥沙质量之和(g)。

由于土地利用、地形条件、植被覆盖等的影响，土壤坡面产流发生时间差异很大，弄清降雨过程中产流开始时刻，对坡面产流及侵蚀的计算十分重要^[17]。从表 1可知，降雨强度一定时，无砾石、覆盖砾石及嵌套砾石各坡面产流时间随坡度增加而提前；坡度一定时，各坡面的产流时间随降雨强度的增加而提前。坡度10°的覆盖5%砾石坡面，降雨强度120 mm/h时的产流时间较降雨强度60 mm/h时提前最多，提前3.35 min。

表 1(Tab. 1)

表 1 不同砾石存在形式红壤坡面产流时间 Tab. 1 Runoff generation time on red soil slope in different gravel existence forms min 降雨强度Rainfall intensity/(mm·h-1) 砾石存在方式 Gravel existence form 坡度Slope/(°) 10 15 20 25 无砾石红壤No gravel 6.18 5.02 1.98 0.32 60 覆盖5%砾石5% gravel-mulching 11.50 8.32 4.35 1.50 嵌套5%砾石5% gravel-embedded 10.38 7.97 4.21 1.35 无砾石红壤No gravel 3.17 2.13 1.02 0.20 120 覆盖5%砾石5% gravel-mulching 8.15 6.72 3.70 0.90 嵌套5%砾石5% gravel-embedded 8.05 6.93 3.53 0.92

表 1 不同砾石存在形式红壤坡面产流时间 Tab. 1 Runoff generation time on red soil slope in different gravel existence forms

相同降雨强度和坡度时，无砾石红壤坡面的产流时间均早于含有砾石的红壤坡面，且2种含有砾石坡面的产流时间接近。降雨强度为60 mm/h时，坡度为10°、15°、20°和25°时，覆盖5%砾石较嵌套5%砾石坡面产流时间分别延长1.12 min、0.35 min、0.14 min和0.15 min。说明砾石能够延长地表径流产生的时间，首先，砾石覆盖能够增大地表粗糙度，从而延长地表填洼时间，进而延长坡面产流时间；其次，置于地表之上的砾石可以保护位于其下的土壤，并促使水分能够继续入渗，且随着砾石盖度的增大土壤入渗量随之增加^[12]。

降雨过程的地表径流过程主要由降雨强度、坡面坡度共同决定^[18]。由图 1可以看出：坡度一定时，无砾石红壤坡面径流率随降雨强度增大而增大，坡面产流量也随之增大。无砾石坡面当降雨强度为60 mm/h时，在坡度10°、15°、20°、25°的径流率随降雨时间变化呈增长趋势；降雨强度120 mm/h、坡度20°时，径流率随降雨时间亦呈增加趋势，但10°、15°和25°时径流率随着时间的增长呈波动性变化。降雨强度60 mm/h时，无砾石坡面的前10 min径流量、后50 min径流量、平均径流量和径流总量随坡度增加均呈增长趋势；降雨强度120 mm/h与60 mm/h有相似趋势，但上述4个指标并不是随着坡度增大而持续增大，20°时各指标值低于15°和25°。

图 1(Fig. 1)

图 1 无砾石红壤坡面侵蚀产流过程 Fig. 1 Runoff process on no gravel red soil slope

由图 2可知：降雨强度60 mm/h、坡度为20°时，覆盖5%砾石坡面在30 min时径流率增加明显，之后降低并趋于平稳；坡度为10°、15°和20°时，径流率在35 min时升高明显，之后降低并趋于平稳。降雨强度120 mm/h，坡度25°时，覆盖5%砾石红壤坡面的径流率随降雨时间呈波动变化，在23.3~27.0 mL/s之间；坡度为10°、15°和20°时，径流率分别在30 min和35 min时增长明显，之后3个坡度的径流率相近，在19.5~20.8 mL/s之间。2种降雨强度下前10 min径流量、后50 min径流量、径流总量和平均径流量的最小值均出现在20°。

图 2(Fig. 2)

图 2 覆盖5%砾石红壤坡面侵蚀产流过程 Fig. 2 Runoff process on 5% gravel-mulching red soil slope

降雨强度60 mm/h时，嵌套5%砾石红壤坡面4个坡度的径流率均随降雨时间呈波动增加趋势，且坡度越大径流率越大。坡度10°时，2个降雨强度间径流率差异较小；随着坡度的增加，2个降雨强度间径流率差异逐渐增大(图 3)。这说明坡度对侵蚀产流的影响会随降雨强度的增加而增强^[17]。降雨强度120 mm/h时，坡度10°嵌套5%砾石红壤坡面的径流率在前20 min趋于平稳，20 min后表现为先增加后降低；15°、20°和25°时，径流率呈波动变化，3个坡度径流率相近，在17.4~24.4 mL/s之间。15°与10°坡面比较，前10 min径流量、后50 min径流量、径流总量、平均径流量分别增加316.0%、189.2%、204.3%和240.3%；15°、20°和25°之间，上述4个指标增加不显著。

图 3(Fig. 3)

图 3 嵌套5%砾石红壤坡面侵蚀产流过程 Fig. 3 Runoff process on 5% gravel-embedded red soil slope

砾石的存在形式会对降雨入渗等过程产生影响^[19]，因而土壤中砾石的有无、在土壤中的位置等使坡面产流过程不尽相同。降雨强度为60 mm/h时，无砾石和嵌套5%砾石在各坡度的径流率差异均较大，但前10 min径流量、后50 min径流量、径流总量和平均径流量均随着坡度增加而增加；覆盖5%砾石在20°时出现低值。降雨强度为120 mm/h时，无砾石和覆盖5%砾石坡面在4个坡度的径流率随时间的变化过程，及前10 min径流量、后50 min径流量、径流总量和平均径流量的变化趋势均相似，且均在坡度20°时出现低值；嵌套5%砾石的前10 min径流量、后50 min径流量、径流总量和平均径流量从10°到15°变化显著，之后随坡度增加变化趋势平缓。

由图 4可知：降雨强度60 mm/h、坡度为20°时，1 h径流总量表现为覆盖5%砾石>无砾石>嵌套5%砾石；坡度为10°、15°和25°时，无砾石>覆盖5%砾石>嵌套5%砾石。降雨强度为120 mm/h时，坡度为10°和25°时，1 h径流总量表现为无砾石>覆盖5%砾石>嵌套5%砾石；坡度为15°和20°时，径流总量表现为覆盖5%砾石>无砾石>嵌套5%砾石。土壤中的砾石可以在一定程度上削减坡面侵蚀径流量，尤其是嵌套砾石土壤的形式表现最明显。

图 4(Fig. 4)

图 4 不同砾石存在形式红壤坡面侵蚀径流总量 Fig. 4 Total amount of runoff on the slope of red soil in different gravel existence forms

由图 5可知：无砾石红壤坡面在降雨强度为60 mm/h时，产沙强度在各坡度均呈波动变化，且在35 min之后波动性减小，10°、15°、20°、25°产沙强度分别在3.0~11.7 g/min、7.4~15.5 g/min、7.1~15.6 g/min和5.5~16.7 g/min之间。降雨强度120 mm/h、坡度为10°和15°时，产沙强度在10 min内变化平坦；20°时前10 min的产沙强度波动性较大，之后呈波动降低；当坡度为25°时，产沙强度的波动性变化最大，分别在6 min和25 min时出现峰值。试验中观察到2种降雨强度下的20°和25°坡面均出现几个下切沟头并快速溯源前进，产沙强度急速增加且波动剧烈并出现数个峰谷值。

图 5(Fig. 5)

图 5 无砾石红壤坡面侵蚀产沙强度 Fig. 5 Sediment yield intensity on no gravel red soil slope

由图 6可知：覆盖5%砾石坡面在降雨强度为120 mm/h时，坡度为15°时，产沙强度的在20 min和30 min时较大，在35 min后，波动性减小；坡度为10°、20°和25°时产沙强度的波动性均较小，说明覆盖砾石坡面产沙强度在降雨的冲刷下也表现为逐渐增强且具有不稳定性^[20]。覆盖5%砾石坡面各坡度降雨强度60 mm/h时，产沙强度均表现为小于降雨强度120 mm/h的，在前5 min，4个坡度的产沙强度的整体变化趋势相似，均在第3 min时增加幅度变大。坡度为20°和25°的产沙强度在15 min之后呈现出先增大后逐渐减小的趋势；坡度为15°时的产沙强度在5 min之后的变化波动性较小，在1.4~2.1 g/min之间。

图 6(Fig. 6)

图 6 覆盖5%砾石红壤坡面侵蚀产沙强度 Fig. 6 Sediment yield intensity on 5% gravel-mulching red soil slope

由图 7可知，嵌套5%砾石在降雨强度为120 mm/h情况下，10°、15°、20°和25°产沙强度分别在2.1~6.3 g/min、6.0~12.8 g/min、8.6~14.0 g/min和9.4~16.6 g/min之间；坡度为25°时，产沙强度整体大于其他3个坡度的产沙强度，峰值出现在第9 min。降雨强度60 mm/h时，各坡度的产沙强度均小于降雨强度120 mm/h。降雨强度60 mm/h时，坡度为10°、15°和20°时产沙强度的变化均呈现微弱波动性变化，其产沙强度分别在0.1~0.8 g/min、0.8~1.7 g/min和1.4~2.1 g/min之间；坡度25°时产沙强度的变化幅度较大，其峰值出现在第20 min，其值为4.7 g/min。

图 7(Fig. 7)

图 7 嵌套5%红壤坡面侵蚀产沙强度 Fig. 7 Sediment yield intensity on 5% gravel-embedded red soil slope

产沙量是评价土壤侵蚀过程的重要指标。降雨强度为60 mm/h时，除25°外，其他坡度的次降雨产沙量均表现为无砾石>覆盖5%砾石>嵌套5%砾石。无砾石和覆盖砾石坡面在坡度为15°、20°和25°的产沙量相近，变异系数分别为3.1%和11.3%；嵌套5%砾石红壤坡面次降雨产沙量在坡度为15°、20°和25°的产沙量差异较大，变异系数为46.6%。降雨强度为120 mm/h时，各坡度的产沙量均表现为无砾石>嵌套5%砾石>覆盖5%砾石；坡度25°的无砾石红壤坡面次降雨产沙量最高，为3 172 g(表 2)。无砾石、覆盖5%砾石和嵌套5%砾石红壤坡面在相同坡度时，次降雨产沙量均表现为降雨强度120 mm/h>60 mm/h，增加1.3~13.0倍，其中嵌套5%砾石10°坡面随降雨强度增加次降雨产沙量增加13.0倍。这说明在相同坡度下，降雨强度对含砾石土壤的侵蚀同样具有重要的影响，并控制坡面侵蚀产沙量。

表 2(Tab. 2)

表 2 不同砾石存在形式红壤坡面次降雨产沙量 Tab. 2 Sediment yield amount of red soil slope in different gravel existence forms g 降雨强度Rainfall intensity/(mm·h-1) 砾石存在方式 Gravel existence form 坡度Slope/(°) 10 15 20 25 无砾石红壤No gravel 425.44 711.73 683.31 660.53 60 覆盖5%砾石5% gravel-mulching 115.05 127.20 142.28 167.16 嵌套5%砾石5% gravel-embedded 26.32 71.65 95.02 203.74 无砾石红壤No gravel 665.47 952.94 1 220.97 3 172.00 120 覆盖5%砾石5% gravel-mulching 222.06 282.86 469.79 698.24 嵌套5%砾石5% gravel-embedded 342.32 520.73 675.19 818.28

表 2 不同砾石存在形式红壤坡面次降雨产沙量 Tab. 2 Sediment yield amount of red soil slope in different gravel existence forms

降雨强度是土壤侵蚀的主要动力，坡度是影响坡面侵蚀产流产沙的主要地形因素，二者均影响坡面产流时间^[21-22]。有研究表明：降雨强度越大，雨滴中值粒径也越大，击溅能力越强，从而增加坡面径流的紊动性^[23]；雨滴击溅促进土壤颗粒分离、径流冲刷和运转，从而导致土壤流失^[24]；若消除雨滴击溅动能后，土壤侵蚀量将会减少20~60倍，甚至90倍^[25]。降雨强度越大，相同坡度的土壤坡面在单位面积单位时间所接受的雨量也增大，产流所需的时间随着降雨强度的增加必然缩短^[17]，而砾石覆盖可以保护土壤免受雨滴溅蚀，减少表土结皮，增强表土结构稳定性^[14]。本研究表明：无砾石、覆盖5%砾石和嵌套5%砾石红壤坡面在相同坡度时，随着降雨强度的增加产流时间提前；降雨强度增加后，雨滴对坡面的打击和冲刷力也随之增加，且降雨强度的增加也会掩盖坡度对产流时间的影响；降雨强度为60 mm/h时，10°、15°、20°和25° 4个坡度，覆盖5%砾石较嵌套5%砾石坡面产流时间分别延长1.12 min、0.35 min、0.14 min和0.15 min。

径流率随坡度的变化是一个复杂的过程，在降雨强度一定的条件下，地表径流率的大小主要由坡面土壤入渗特性和承雨量来决定^[26]。本研究表明：降雨强度为120 mm/h时，无砾石和覆盖5%砾石在4个坡度的径流率随时间变化过程较接近，而嵌套5%砾石坡面在坡度为10°时径流率远低于其他坡度的；在降雨强度为60 mm/h时，无砾石、嵌套5%砾石和覆盖5%砾石坡面在不同坡度时的径流率差异较大。

本研究还表明，径流总量随降雨强度的增加而增加，这与张会茹等^[17]的研究结果一致。降雨强度为60 mm/h时，除坡度20°外，10°、15°和25°时，径流总量均表现为无砾石>覆盖5%砾石>嵌套5%砾石。降雨强度为120 mm/h时，坡度为10°和25°时，径流总量表现同上。覆盖5%砾石坡面在降雨强度120 mm/h和60 mm/h时，前10 min径流量、后50 min径流量、径流总量和平均径流量的最小值均出现在20°。总体而言，降雨强度较小时砾石存在(嵌套或覆盖)对坡面径流量削减的效果更显著，随着降雨强度的增大，降雨强度对坡面产流的影响程度强于坡度和砾石的影响。原因可能是坡面砾石的存在增加土壤空隙及入渗^[7]，嵌套砾石又较覆盖砾石坡面土壤孔隙多，但当降雨强度增加后砾石的减流效应也被相应削弱。

侵蚀产沙过程是坡面侵蚀过程研究的主要内容，是研究坡地发育的基础^[27]。砾石覆盖与细沟间侵蚀关系复杂，受到表土结构、砾石位置和大小以及坡度等因素的影响^[14]。相关研究表明：在同一降雨强度下随坡度增加侵蚀产沙强度增大，且这种坡度对侵蚀产沙的影响程度随降雨强度的不同有明显差异^[28]；侵蚀产沙量在25°附近均存在一个侵蚀量的临界坡度^[29]；坡度对坡面产流与产沙过程的贡献率不同，其中坡度对坡面径流量贡献率在60%以上，坡度对产沙量的贡献率在30%左右^[30]；当砾石置于表土之上或嵌入具有结构孔隙表土时，砾石与细沟间侵蚀呈负相关关系^[14]。本研究表明：不同降雨强度时不同砾石存在形式的各坡面，产沙强度整体上随着降雨的持续呈波动性减小的趋势，最后趋于平稳；不同砾石存在形式红壤坡面在降雨强度60 mm/h和120 mm/h时，产沙强度均表现为25°明显大于10°、15°和20°；相同条件下次降雨产沙量均随着坡度的增加呈增加的趋势，且随降雨强度增大而增大。这是因为降雨雨滴的击溅作用使坡面上产生分散的土粒，坡面形成的薄层水流将这些土粒搬运至钢槽出口，由此形成了坡面产沙的高峰；随降雨的持续进行，雨滴的打击作用可使土壤表面形成较致密的临时结皮层，使土壤抗蚀力相应增强，又因薄层水流的存在，雨滴击溅坡面的机会减少，坡面产沙量逐渐下降并趋于稳定^[28]。

Poesen^[31]研究发现砾石在细砂土中的位置对于地表结皮强度有明显影响，砾石覆盖地面时的土壤结皮强度比砾石嵌套于土壤中时弱。本研究表明：不同砾石存在形式红壤坡面由于降雨强度不同，次降雨产沙量规律表现不同；降雨强度60 mm/h时，除25°外，各坡度的产沙量表现为无砾石>覆盖5%砾石>嵌套5%砾石，降雨强度120 mm/h时则为无砾石>嵌套5%砾石>覆盖5%砾石。原因可能是：在较小降雨侵蚀力作用下，嵌套于坡面的砾石可以增加地表入渗，阻碍坡面侵蚀；而在较大降雨侵蚀力作用下，由于嵌套砾石坡面裸露土壤相对于覆盖砾石坡面多，从而坡面侵蚀量较高，这也从另一方面说明砾石覆盖在较大雨强时更能抑制表土细沟的形成、增加细沟糙度、降低细沟径流速率^[14]。本研究仅探讨了覆盖5%和嵌套5%砾石红壤坡面产流开始1小时后的侵蚀产流产沙特征，鉴于此，今后还需在降雨时长、砾石含量及入渗规律等方面进行深入研究。